JP2004245249A - 高純度高圧ガス用容器およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】マンガン鋼あるいはクロムモリブデン鋼など比較的安価な材料を使用した容器でも不動態化皮膜を形成することができ、高純度高圧ガス用として好適な容器を得ることを課題とする。
【解決手段】主として鉄からなる金属で構成され、内表面が鉄の酸化物から構成されその酸素化学形態において、水酸化鉄の酸素が全酸素の４０％未満である高純度高圧ガス用容器とする。
【選択図】 図１
【解決手段】主として鉄からなる金属で構成され、内表面が鉄の酸化物から構成されその酸素化学形態において、水酸化鉄の酸素が全酸素の４０％未満である高純度高圧ガス用容器とする。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高純度の圧縮ガスまたは液化ガス（以下高圧ガスと略記する。）の充填に利用することができる高純度高圧ガス用容器と、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高圧ガスの貯蔵、運搬には容器に高圧ガスを充填して行われる。ボンベ状の容器に充填されたガスは医療用、燃料用など種々の用途に利用される。特に近年の半導体産業の発展に伴い、多くの種類のガス、特に高純度のものがボンベ状の容器に充填され用いられるようになった。従来、この種の高圧ガス用の容器としては、高圧ガス取締法の容器保安規則に基づき、炭素鋼、マンガン鋼、クロムモリブデン鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金などで構成されたものが用いられている。
【０００３】
斯かる構成の容器は、通常の純度のガスを充填しても使用上の問題はまったくないが、上述のような高純度ガス（例えば６ナイン以上の純度を有するガス）を充填すると、蓄積されたガスが経時的に変化し充填された高純度ガスの純度が低下するという問題がある。
このような問題点の改良のため、特公平７−４３０７８ではボンベ内面に電解複合研磨を実施する方法が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特公平７−４３０７８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ステンレス鋼では比較的簡単に不動態化皮膜が形成されるが、マンガン鋼あるいはクロムモリブデン鋼など比較的安価な材料を使用した容器では簡単に不動態化皮膜が形成された容器とならないと言う問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、マンガン鋼あるいはクロムモリブデン鋼など比較的安価な材料を使用した容器でも不動態化皮膜を形成することができ、高純度高圧ガス用として好適な容器を得ることを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記問題を解決するための容器について鋭意検討した結果、本発明を完成した。
即ち本発明は、主として鉄からなる金属で構成され、内表面が鉄の酸化物から構成されその酸素化学形態において、水酸化鉄の酸素が全酸素の４０％未満である高純度高圧ガス用容器にある。
また、本発明は、その容器の製造方法にあり、容器の内面を塩基性洗浄液で洗浄する工程、および酸化性ガス雰囲気で加熱処理する工程を含むことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の高純度高圧ガス用容器について、その製造工程を示すことにより具体的に説明する。
本発明で用いる高純度高圧ガス用容器は、内表面が特定の構造であることをのぞけば、一般に、ボンベという名称で販売されている耐圧金属容器と同様のものである。その材質は、炭素鋼、マンガン鋼、ステンレス鋼、クロムモリブデン鋼などの主として鉄から構成されるものであり、特にマンガン鋼、クロムモリブデン鋼などが好ましく使用される。また、熱処理材、非熱処理材のどちらであっても良い。
【０００９】
本発明に係る容器は、まずその内面が研磨処理される。研磨の方法としては、ショットブラスト研磨、湿式研磨、電解複合研磨、電解研磨などが利用でき、それらは既に公知である。
【００１０】
次に、該容器は、その内面が洗浄液で洗浄される。洗浄液としては、ｐＨ８〜１２の塩基性洗浄液が好ましく用いられ、さらに、過炭酸ソーダ、過ホウ酸ソーダ、重クロム酸カリウム、過硫酸カリウム、過酸化水素、過マンガン酸カリウムなどの酸化剤のうち、少なくとも一種を混合したものがより好ましく用いられる。特に、脂肪酸塩と脂肪酸アミド及び非イオン界面活性剤の混合液、あるいは、当該混合液に過酸化水素水を加えたものが、洗浄液として好適である。脂肪酸塩としては、ミリスチン酸ジエタノールアミンが好ましく、脂肪酸アミドとしては、ラウリル酸ジエタノールアミドが好ましい。
該塩基性洗浄液の具体例としては、例えば、共栄社化学社製ＴＫＸコンパウンド液を使用水に対して１〜３０重量％加え、過酸化水素を同じく１〜３０重量％加えたものが好ましく、特に、共栄社化学社製ＴＫＸコンパウンド液を使用水に対して２〜８％重量加え、過酸化水素を同じく１〜５重量％加えたものが好ましい。
【００１１】
塩基性洗浄液による容器の内面処理は、通常、図１に示したように、容器１内に塩基性洗浄液（必要により酸化剤を混合したもの）、セラミックス製ボール、及び水の混合物２を入れてボンベ１を水平状態とし、ボンベ自身を回転（自転）させつつボンベ１と平行な公転軸を中心に公転させて行う。
【００１２】
次いで、研磨残査等を除く目的でボンベ内を純水等で洗浄する。水洗後、塩基性洗浄液でボンベ内面を清浄する。次に、塩基性洗浄液等を除く目的でボンベ内を純水等で洗浄する。次いで有機溶剤で洗浄処理し、真空あるいは、窒素、アルゴン等の不活性ガスの気流下で５０〜５００℃、好ましくは１８０〜３５０℃、より好ましくは１８０〜２５０℃の温度で加熱処理する。該不活性ガス下での加熱処理は、０．５〜３時間、好ましくは１〜２時間とする。
さらに、酸化性ガスの存在下に５０〜５００℃、好ましくは１８０〜３５０℃、より好ましくは１８０〜２５０℃の温度で加熱処理することで本発明の容器を製造することができる。酸化性ガスとしては、空気、酸素、二酸化窒素、オゾンの少なくとも一種を含有するガスを好適に使用でき、特に空気をより好適に使用できる。該酸化性ガスの濃度は特に限定するものではないが、１０〜４０％とすることが好ましい。また酸化性ガス下での加熱処理は、０．５〜３時間、好ましくは１〜２時間とする。
【００１３】
このような製造工程により、本発明に係る高純度高圧ガス用容器を製造することができる。該容器は、製造工程において高純度ガスとして製造された高圧ガスの充填用として使用することができる。
【００１４】
本発明において、ボンベの内表面は以下の方法で分析され、全酸素中の水酸化鉄の割合が測定される。ここで、酸化鉄とは、Ｆｅ＝Ｏ及びＦｅ−Ｏ−Ｆｅ結合を有する成分であり、水酸化鉄とは、Ｆｅ−ＯＨ結合を有する成分のことである。内表面の酸化鉄と水酸化鉄の全酸素に対する水酸化鉄由来の酸素の割合は、具体的には、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）により組成分析し、酸素１ｓ軌道の光電子スペクトルを波形分離し、酸化鉄中の酸素と水酸化鉄中の酸素の各々の成分比率を算出し、全酸素に対する水酸化鉄の割合として算出される。この割合が４０％未満であることが必要であり、３５％以下であることが好ましい。全酸素に対する水酸化鉄の割合が４０％より大きいと高純度ガスが経時変化し高純度充填ガスとはならない。また、全酸素に対する水酸化鉄の割合が、３５％以下であれば、高純度ガスに対する悪影響をより一層低減させることができる。
【００１５】
【実施例】
以下に実施例を示し本発明をさらに説明する。
実施例１
＜ボンベの調製＞
マンガン鋼製、容量４７リットルのボンベ２本の内部を湿式研磨した後、ボンベ内部にセラミックス製ボールと塩基性洗浄液として、ラウリル酸ジエタノールアミド及びミリスチン酸ジエタノールアミンの１対１混合物の３ｗｔ％水溶液２３リットルを入れ、ボンベを水平状態に保ち、その軸心周りで自転させつつ、水平軸心周りで左周りに約１時間公転させる。その後、ボンベの内容物を外部に出し、ボンベの口を真下にしてスライド式ノズルをボンベ内に挿入して２５０ｋｇｆ／ｃｍ２の高圧純水を噴射して内部を洗浄する。次に、１５０ｋｇｆ／ｃｍ２のイソプロピルアルコール（以下、ＩＰＡという。）で同様に洗浄する。更に５ｋｇｆ／ｃｍ２の窒素を吹き込み、雰囲気を窒素に置換しながら２５０℃で３０分加熱乾燥した後、２０％の酸素を含有した窒素ガスで更に２５０℃で６０分間酸化処理する。
【００１６】
＜ＸＰＳの測定＞
上記処理ボンベの内１本の胴部を切断して１ｃｍ角の試験片とした後、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）装置に装填する。
ＡｌのＫα線を用い、２ｍｍ径の照射面積で鉄２ｐ、酸素１ｓ、炭素１ｓの各軌道からの光電子スペクトルを狭域測定（ナロウスキャン）する。
炭素１ｓピーク（Ｃ−Ｃ結合）の位置を２８４．５ｅＶとして結合エネルギー値を校正した後、酸素１ｓピークについて、５３０ｅＶを水酸化鉄、５３１ｅＶを酸化鉄とする２成分に波形分離し各々の面積百分率を求めた。また、鉄２ｐピークについて、７０７ｅＶの鉄単体成分が検出されないことを確認した。結果を表１に示す。
【００１７】
＜高純度ガスの充填＞
ＸＰＳ測定用以外のボンベに弁を装着後、気密試験でガスのリークがない事を確認する。このボンベに高純度アンモニア２５ｋｇを充填する。
【００１８】
＜ボンベの評価＞
ボンベを１５°に転倒させて、ボンベ弁の口にテフロン（登録商標）管付きＳＵＳ製バルブを接続する。バルブを徐々に開き予め準備した超純水１００ｍｌが入っている２００ｍｌテフロン（登録商標）製容器に液体アンモニアを約２０ｇ採取する。採取液をＩＣＰ−ＭＳ法で鉄イオン濃度の分析を行った。鉄イオン濃度の分析は高純度アンモニアガス充填直後と、充填後３０日経過後の２回実施した。結果は表１に示す。
【００１９】
実施例２
ショットブラスト研磨した後のボンベを使用した以外は、実施例１と同様に行った。結果は表１に示す。
【００２０】
実施例３
クロムモリブデン鋼製、容量４７リットルのボンベを使用した以外は、実施例１と同様に行った。結果は表１に示す。
【００２１】
実施例４
酸化剤として３０％過酸化水素水２．３リットルを添加した以外は実施例１と同様に行った。結果は表１に示す。
【００２２】
比較例１
酸化剤を含む塩基性洗浄液のかわりに純水を使用し、加熱乾燥時に２０％の酸素を含有した窒素ガスの代わりに窒素で内面処理した以外は、実施例１と同様に行った。結果は表１に示す。
【００２３】
比較例２
酸化剤を含む塩基性洗浄液のかわりに純水を使用し、加熱乾燥時に２０％の酸素を含有した窒素ガスの代わりに窒素で内面処理した以外は、実施例２と同様に行った。結果は表１に示す。
【００２４】
比較例３
酸化剤を含む塩基性洗浄液のかわりに純水を使用し、加熱乾燥時に２０％の酸素を含有した窒素ガスの代わりに窒素で内面処理した以外は、実施例３と同様に行った。結果は表１に示す。
【００２５】
【表１】
【００２６】
【発明の効果】
本発明の高純度高圧ガス用容器は、半導体用などの高純度ガスの貯蔵に利用でき、産業に利すること大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高純度高圧ガス用容器の製造工程において、塩基性洗浄液による洗浄工程の一例を示した概念図である。
【符号の説明】
１ 容器
２ 塩基性洗浄液等の混合物
【発明の属する技術分野】
本発明は、高純度の圧縮ガスまたは液化ガス（以下高圧ガスと略記する。）の充填に利用することができる高純度高圧ガス用容器と、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
高圧ガスの貯蔵、運搬には容器に高圧ガスを充填して行われる。ボンベ状の容器に充填されたガスは医療用、燃料用など種々の用途に利用される。特に近年の半導体産業の発展に伴い、多くの種類のガス、特に高純度のものがボンベ状の容器に充填され用いられるようになった。従来、この種の高圧ガス用の容器としては、高圧ガス取締法の容器保安規則に基づき、炭素鋼、マンガン鋼、クロムモリブデン鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金などで構成されたものが用いられている。
【０００３】
斯かる構成の容器は、通常の純度のガスを充填しても使用上の問題はまったくないが、上述のような高純度ガス（例えば６ナイン以上の純度を有するガス）を充填すると、蓄積されたガスが経時的に変化し充填された高純度ガスの純度が低下するという問題がある。
このような問題点の改良のため、特公平７−４３０７８ではボンベ内面に電解複合研磨を実施する方法が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特公平７−４３０７８号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ステンレス鋼では比較的簡単に不動態化皮膜が形成されるが、マンガン鋼あるいはクロムモリブデン鋼など比較的安価な材料を使用した容器では簡単に不動態化皮膜が形成された容器とならないと言う問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、マンガン鋼あるいはクロムモリブデン鋼など比較的安価な材料を使用した容器でも不動態化皮膜を形成することができ、高純度高圧ガス用として好適な容器を得ることを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記問題を解決するための容器について鋭意検討した結果、本発明を完成した。
即ち本発明は、主として鉄からなる金属で構成され、内表面が鉄の酸化物から構成されその酸素化学形態において、水酸化鉄の酸素が全酸素の４０％未満である高純度高圧ガス用容器にある。
また、本発明は、その容器の製造方法にあり、容器の内面を塩基性洗浄液で洗浄する工程、および酸化性ガス雰囲気で加熱処理する工程を含むことを特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の高純度高圧ガス用容器について、その製造工程を示すことにより具体的に説明する。
本発明で用いる高純度高圧ガス用容器は、内表面が特定の構造であることをのぞけば、一般に、ボンベという名称で販売されている耐圧金属容器と同様のものである。その材質は、炭素鋼、マンガン鋼、ステンレス鋼、クロムモリブデン鋼などの主として鉄から構成されるものであり、特にマンガン鋼、クロムモリブデン鋼などが好ましく使用される。また、熱処理材、非熱処理材のどちらであっても良い。
【０００９】
本発明に係る容器は、まずその内面が研磨処理される。研磨の方法としては、ショットブラスト研磨、湿式研磨、電解複合研磨、電解研磨などが利用でき、それらは既に公知である。
【００１０】
次に、該容器は、その内面が洗浄液で洗浄される。洗浄液としては、ｐＨ８〜１２の塩基性洗浄液が好ましく用いられ、さらに、過炭酸ソーダ、過ホウ酸ソーダ、重クロム酸カリウム、過硫酸カリウム、過酸化水素、過マンガン酸カリウムなどの酸化剤のうち、少なくとも一種を混合したものがより好ましく用いられる。特に、脂肪酸塩と脂肪酸アミド及び非イオン界面活性剤の混合液、あるいは、当該混合液に過酸化水素水を加えたものが、洗浄液として好適である。脂肪酸塩としては、ミリスチン酸ジエタノールアミンが好ましく、脂肪酸アミドとしては、ラウリル酸ジエタノールアミドが好ましい。
該塩基性洗浄液の具体例としては、例えば、共栄社化学社製ＴＫＸコンパウンド液を使用水に対して１〜３０重量％加え、過酸化水素を同じく１〜３０重量％加えたものが好ましく、特に、共栄社化学社製ＴＫＸコンパウンド液を使用水に対して２〜８％重量加え、過酸化水素を同じく１〜５重量％加えたものが好ましい。
【００１１】
塩基性洗浄液による容器の内面処理は、通常、図１に示したように、容器１内に塩基性洗浄液（必要により酸化剤を混合したもの）、セラミックス製ボール、及び水の混合物２を入れてボンベ１を水平状態とし、ボンベ自身を回転（自転）させつつボンベ１と平行な公転軸を中心に公転させて行う。
【００１２】
次いで、研磨残査等を除く目的でボンベ内を純水等で洗浄する。水洗後、塩基性洗浄液でボンベ内面を清浄する。次に、塩基性洗浄液等を除く目的でボンベ内を純水等で洗浄する。次いで有機溶剤で洗浄処理し、真空あるいは、窒素、アルゴン等の不活性ガスの気流下で５０〜５００℃、好ましくは１８０〜３５０℃、より好ましくは１８０〜２５０℃の温度で加熱処理する。該不活性ガス下での加熱処理は、０．５〜３時間、好ましくは１〜２時間とする。
さらに、酸化性ガスの存在下に５０〜５００℃、好ましくは１８０〜３５０℃、より好ましくは１８０〜２５０℃の温度で加熱処理することで本発明の容器を製造することができる。酸化性ガスとしては、空気、酸素、二酸化窒素、オゾンの少なくとも一種を含有するガスを好適に使用でき、特に空気をより好適に使用できる。該酸化性ガスの濃度は特に限定するものではないが、１０〜４０％とすることが好ましい。また酸化性ガス下での加熱処理は、０．５〜３時間、好ましくは１〜２時間とする。
【００１３】
このような製造工程により、本発明に係る高純度高圧ガス用容器を製造することができる。該容器は、製造工程において高純度ガスとして製造された高圧ガスの充填用として使用することができる。
【００１４】
本発明において、ボンベの内表面は以下の方法で分析され、全酸素中の水酸化鉄の割合が測定される。ここで、酸化鉄とは、Ｆｅ＝Ｏ及びＦｅ−Ｏ−Ｆｅ結合を有する成分であり、水酸化鉄とは、Ｆｅ−ＯＨ結合を有する成分のことである。内表面の酸化鉄と水酸化鉄の全酸素に対する水酸化鉄由来の酸素の割合は、具体的には、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）により組成分析し、酸素１ｓ軌道の光電子スペクトルを波形分離し、酸化鉄中の酸素と水酸化鉄中の酸素の各々の成分比率を算出し、全酸素に対する水酸化鉄の割合として算出される。この割合が４０％未満であることが必要であり、３５％以下であることが好ましい。全酸素に対する水酸化鉄の割合が４０％より大きいと高純度ガスが経時変化し高純度充填ガスとはならない。また、全酸素に対する水酸化鉄の割合が、３５％以下であれば、高純度ガスに対する悪影響をより一層低減させることができる。
【００１５】
【実施例】
以下に実施例を示し本発明をさらに説明する。
実施例１
＜ボンベの調製＞
マンガン鋼製、容量４７リットルのボンベ２本の内部を湿式研磨した後、ボンベ内部にセラミックス製ボールと塩基性洗浄液として、ラウリル酸ジエタノールアミド及びミリスチン酸ジエタノールアミンの１対１混合物の３ｗｔ％水溶液２３リットルを入れ、ボンベを水平状態に保ち、その軸心周りで自転させつつ、水平軸心周りで左周りに約１時間公転させる。その後、ボンベの内容物を外部に出し、ボンベの口を真下にしてスライド式ノズルをボンベ内に挿入して２５０ｋｇｆ／ｃｍ２の高圧純水を噴射して内部を洗浄する。次に、１５０ｋｇｆ／ｃｍ２のイソプロピルアルコール（以下、ＩＰＡという。）で同様に洗浄する。更に５ｋｇｆ／ｃｍ２の窒素を吹き込み、雰囲気を窒素に置換しながら２５０℃で３０分加熱乾燥した後、２０％の酸素を含有した窒素ガスで更に２５０℃で６０分間酸化処理する。
【００１６】
＜ＸＰＳの測定＞
上記処理ボンベの内１本の胴部を切断して１ｃｍ角の試験片とした後、Ｘ線光電子分光（ＸＰＳ）装置に装填する。
ＡｌのＫα線を用い、２ｍｍ径の照射面積で鉄２ｐ、酸素１ｓ、炭素１ｓの各軌道からの光電子スペクトルを狭域測定（ナロウスキャン）する。
炭素１ｓピーク（Ｃ−Ｃ結合）の位置を２８４．５ｅＶとして結合エネルギー値を校正した後、酸素１ｓピークについて、５３０ｅＶを水酸化鉄、５３１ｅＶを酸化鉄とする２成分に波形分離し各々の面積百分率を求めた。また、鉄２ｐピークについて、７０７ｅＶの鉄単体成分が検出されないことを確認した。結果を表１に示す。
【００１７】
＜高純度ガスの充填＞
ＸＰＳ測定用以外のボンベに弁を装着後、気密試験でガスのリークがない事を確認する。このボンベに高純度アンモニア２５ｋｇを充填する。
【００１８】
＜ボンベの評価＞
ボンベを１５°に転倒させて、ボンベ弁の口にテフロン（登録商標）管付きＳＵＳ製バルブを接続する。バルブを徐々に開き予め準備した超純水１００ｍｌが入っている２００ｍｌテフロン（登録商標）製容器に液体アンモニアを約２０ｇ採取する。採取液をＩＣＰ−ＭＳ法で鉄イオン濃度の分析を行った。鉄イオン濃度の分析は高純度アンモニアガス充填直後と、充填後３０日経過後の２回実施した。結果は表１に示す。
【００１９】
実施例２
ショットブラスト研磨した後のボンベを使用した以外は、実施例１と同様に行った。結果は表１に示す。
【００２０】
実施例３
クロムモリブデン鋼製、容量４７リットルのボンベを使用した以外は、実施例１と同様に行った。結果は表１に示す。
【００２１】
実施例４
酸化剤として３０％過酸化水素水２．３リットルを添加した以外は実施例１と同様に行った。結果は表１に示す。
【００２２】
比較例１
酸化剤を含む塩基性洗浄液のかわりに純水を使用し、加熱乾燥時に２０％の酸素を含有した窒素ガスの代わりに窒素で内面処理した以外は、実施例１と同様に行った。結果は表１に示す。
【００２３】
比較例２
酸化剤を含む塩基性洗浄液のかわりに純水を使用し、加熱乾燥時に２０％の酸素を含有した窒素ガスの代わりに窒素で内面処理した以外は、実施例２と同様に行った。結果は表１に示す。
【００２４】
比較例３
酸化剤を含む塩基性洗浄液のかわりに純水を使用し、加熱乾燥時に２０％の酸素を含有した窒素ガスの代わりに窒素で内面処理した以外は、実施例３と同様に行った。結果は表１に示す。
【００２５】
【表１】
【発明の効果】
本発明の高純度高圧ガス用容器は、半導体用などの高純度ガスの貯蔵に利用でき、産業に利すること大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高純度高圧ガス用容器の製造工程において、塩基性洗浄液による洗浄工程の一例を示した概念図である。
【符号の説明】
１ 容器
２ 塩基性洗浄液等の混合物
Claims (4)
- 主として鉄からなる金属で構成され、内表面が鉄の酸化物から構成され、その酸素化学形態において、水酸化鉄の酸素が全酸素の４０％未満である高純度高圧ガス用容器。
- 主として鉄からなる金属が、マンガン鋼又はクロムモリブデン鋼である請求項１記載の高純度高圧ガス用容器。
- 容器の内面を塩基性洗浄液で洗浄する工程、および酸化性ガス雰囲気で加熱処理する工程を含むことを特徴とする高純度高圧ガス用容器の製造方法。
- 酸化性ガスが酸素、二酸化窒素、オゾンから選ばれた少なくとも１種の化合物である請求項３に記載の高純度高圧ガス用容器の製造方法。
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-
2003
- 2003-02-10 JP JP2003032853A patent/JP2004245249A/ja active Pending
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