TW201716131A - 氣體純化裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種氣體純化裝置，其係在氫純化裝置以及於再生時使用氫的非活性氣體純化裝置具有耐爆結構，用於在萬一產生因氫而造成的爆炸的情況下，使控制機器等的周邊機器的損傷在最小限度。設成一種氣體純化裝置，其係由複數個金屬製的單元所構成，且控制機器和純化容器收納於各別的單元中的氣體純化裝置，收納有純化容器的單元由三重結構的壁構成，其係從內側朝向外側，由非通氣性金屬壁、由複數個板狀材或線狀材所構成的通氣性壁及外壁所構成，具有壓力調節手段，該壓力調節手段包括設置於該非通氣性金屬壁的空氣或非活性氣體的導入口和排出口。

Description

氣體純化裝置
本發明涉及利用鈀合金薄膜的氫氣選擇透過性的氫純化裝置、具有可通過氫而再生的催化劑或吸接材料的非活性氣體純化裝置等的氣體純化裝置，更具體地說，本發明涉及具有用於防止或抑制因氫而造成的爆炸的損傷的耐爆結構的氣體純化裝置。
在過去，在半導體製作工程中，將高純度的氫氣和非活性氣體作為環境氣體而大量地使用。對於這些氣體，伴隨半導體的集成度的提高，要求雜質的黏度為極低的濃度。
作為獲得高純度的氫氣的方法，人們知道有下述的方法，其中，將包含雜質的原料氫供給到由鈀合金的薄膜形成的氫分離膜，利用氫氣的選擇透過性，僅僅使氫透過，將其取出。這樣的用於氫純化的裝置有例如像專利文獻1~3所示的那樣，在包含雜質的原料氫的導入口、純氫的取出口以及在該導入口和該取出口之間的氣體流路中具備鈀合金的薄膜而成的氫純化裝置。
另外，作為獲得高純度的非活性氣體的方法，比如，像專利文獻4、5所示的那樣，人們知道有下述 的方法，其中，使包含雜質的非活性氣體與鎳催化劑接觸，捕獲而去除作為雜質的氧，接著與合成沸石接觸，去除作為雜質的水和二氧化碳。在這樣的非活性氣體純化方法中，對於鎳催化劑和合成沸石，在去除一定量的雜質後，其去除能力消失，但是，通過在加熱條件下，藉由在填充了鎳催化劑和合成沸石的吸接筒中，流通氫或氫與非活性氣體的混合氣體，氧作為水而從鎳催化劑脫離，水和二氧化碳從合成沸石脫離，而可進行其等之再生。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1：日本特開昭62-128903號公報
專利文獻2：日本特開平1-145302號公報
專利文獻3：日本特開平1-145303號公報
專利文獻4：日本特開平1-115806號公報
專利文獻5：日本特開平2-120212號公報
專利文獻6：日本特開平10-203803號公報
針對前述那樣的氫純化裝置、以及在再生時採用氫的非活性氣體純化裝置，使用高溫(150~500℃)的氫，另外，在這些設備的周邊，使用控制機器等的高價格的電子設備。此外，像在專利文獻6中所記載的那樣，在進行氫氣的純化等的裝置中，比如在採用升壓器的 情況下，必須要求防爆型的升壓器。
於是，本發明所要解決的課題在於針對前述那樣的純化裝置，提供具有耐爆結構的氣體純化裝置，該耐爆結構用於在萬一發生因氫氣而造成的爆炸的情況下，使控制設備等的週邊機器的損傷為最小限度。
為了解決上述的課題而深入研討的結果，本發明人發現前述的那樣的氣體純化裝置由多個金屬製的單元構成，控制機器和使用高溫的氫的純化容器收納於各別的單元中，並且將收納有純化容器的單元做成三重結構其係從內側朝向外側，由非通氣性金屬壁、由複數個板狀材或線狀材所構成的通氣性壁及外壁構成，在該非通氣性金屬壁上設置壓力調節機構，該壓力調節機構包括空氣或非活性氣體的導入口和排出口，此時，可使在萬一發生因氫而造成的爆炸的情況下，使控制機器等的外設裝置的損傷為最小限度，由此，得出本發明的氣體純化裝置。
即，本發明涉及一種氣體純化裝置，該氣體純化裝置由複數個金屬製的單元構成，控制機器和純化容器收納於各別的單元中，其特徵在於，收納有純化容器的單元由三重結構的壁構成，該壁從內側朝向外側，由非通氣性金屬壁、由複數個板狀材或線狀材所構成的通氣性壁及外壁構成，具有壓力調節手段，該壓力調節手段包括開設於該非通氣性金屬壁上的空氣或非活性氣體的導入口和排出口。
在本發明的氣體純化裝置中，控制機器和純化容器收納於各別的單元中，收納有純化容器的單元由三重結構的壁構成，該壁從內側朝向外側，由非通氣性金屬壁、由複數個板狀材或線狀材所構成的通氣性壁及外壁構成，具有壓力調節手段，該壓力調節手段包括開設於該非通氣性金屬壁上的空氣或非活性氣體的導入口和排出口，由此，在萬一發生因氫而造成的爆炸的情況下，可在收納有純化容器的單元中，抑制純化容器等的碎片的飛出和急劇的壓力上升，可將控制機器等的周邊機器的損傷抑制在最小限度。
1‧‧‧控製機器
1’‧‧‧電裝面板
1”‧‧‧端子座
2‧‧‧純化容器
2’‧‧‧氫的純化容器
2”‧‧‧非活性氣體的純化容器
3‧‧‧單元
3’‧‧‧收納有控製機器的單元
3”‧‧‧收納有純化容器的單元
4‧‧‧非通氣性金屬壁
5‧‧‧通氣性壁
6‧‧‧外壁
7‧‧‧空氣或非活性氣體的導入口
8‧‧‧空氣或非活性氣體的排出口
9‧‧‧壓力調節裝置
10‧‧‧熱交換器
11‧‧‧鈀合金細管
12‧‧‧開口部
13‧‧‧管板
14‧‧‧盒
14’‧‧‧盒的一次側空間
14”‧‧‧盒的二次側空間
15‧‧‧原料氫供給口
16‧‧‧含雜質氣體取出口
17‧‧‧純氫取出口
18‧‧‧加熱器
19‧‧‧以鎳或銅作為有效成分的催化劑
20‧‧‧以合成沸石作為有效成分的催化劑
21‧‧‧板狀材或線狀材
21’‧‧‧垂直方向的板狀材或線狀材
21”‧‧‧水平方向的板狀材或線狀材
22‧‧‧L型角架
23‧‧‧配管
圖1為表示本發明的氣體純化裝置的一個例子的水平方向的結構的俯視圖。
圖2為表示本發明的圖1以外的氣體純化裝置的一個例子的水平方向的結構的俯視圖。
圖3為表示用於本發明的純化容器(鈀合金膜單元)的一個例子的結構圖。
圖4為表示圖3的純化容器的管板的位置的剖面的一個例子的結構圖。
圖5為表示與用於本發明的純化容器連接的配管的一個例子的結構圖。
圖6為表示與用於本發明的純化容器連接的圖5以外的配管的一個例子的結構圖。
圖7為表示通氣性壁的一個例子的立體圖。
圖8為表示非通氣性金屬壁和通氣性壁一體地構成的結構物的一個例子的立體圖。
圖9為表示非通氣性金屬壁和通氣性壁一體地構成的結構物的水平剖面的一個例子的結構圖。
圖10為表示非通氣性金屬壁和通氣性壁一體地構成的結構物的圖9以外的水平剖面的一個例子的結構圖。
圖11為表示包括配管的通氣性壁的正面的一個例子的結構圖。
圖12為表示配管的設置狀態的一個例子的剖面結構圖。
本發明適用於具有下述純化容器的精製裝置，該純化容器分別為：純化氫用的純化容器；填充有可通過氫而再生的催化劑或吸接材料且用於純化非活性氣體的純化容器。
下面根據圖1~圖10，具體地對本發明的氣體純化裝置進行說明，但是，本發明並不限於該等說明。
另外，圖1、圖2為表示本發明的氣體純化裝置的一個例子的水平方向的結構的俯視圖，圖3為表示用於本發明的純化容器(鈀合金膜單元)的一個例子的結構圖，圖4為表示圖3的純化容器的管板的位置的剖面的一個例子的結構圖，圖5、圖6為表示與用於本發明的純化容器連接的配管的一個例子的結構圖，圖7為表示通氣性壁的一個例子的立體圖，圖8為表示非通氣性金屬壁和通氣性壁 一體地構成的結構物的一個例子的立體圖，圖9、圖10為非通氣性金屬壁和通氣性壁一體地構成的結構物的水平剖面的一個例子的結構圖，圖11為表示包括配管的通氣性壁的正面的一個例子的結構圖，圖12為表示配管的設置狀態的一個例子的剖面結構圖。
本發明的氣體純化裝置像圖1、圖2那樣，為下述的氣體純化裝置，其係由複數個金屬製的單元3構成，控制機器1和純化容器2(2’，2”)收納於各別的單元中，並且收納有純化容器2的單元3’由三重結構的壁構成，該壁從內側朝向外側，由非通氣性金屬壁4、由複數個板狀材或線狀材構成的通氣性壁5及外壁6構成，該氣體純化裝置具有壓力調節手段，該壓力調節手段包括設置於非通氣性金屬壁的空氣或非活性氣體的導入口7與排出口8及壓力調節裝置9。
本發明的氣體純化裝置中的純化容器2具體來說，為如圖1所示的氫的純化容器2’、及如圖2所示的非活性氣體的純化容器2”，該非活性氣體的純化容器2”使用可藉由包含氫的氣體的流通而再生的催化劑或吸接材料。
另外，作為氫的純化容器2’，比如列舉有具有下述的結構的純化容器，其係像圖3、圖4所示的那樣，一端封閉的複數根鈀合金細配管11以另一端的開口部12被管板13支撐，而收納於盒(cell)14內，藉由該鈀合金細配管和管板將盒內分隔為一次側空間14’(含雜質的原料氫的供給側空間)和二次側空間14”(純氫的取出側空間)的兩 個空間，在盒14的外側設置加熱器18。
除此以外，作為氫的純化裝置的一部分，可列舉有填充有以鎳及/或氧化鎳作為有效成分的催化劑的純化容器，其與設置於其下游側的填充吸氣材料的容器一起用於氫的純化。
此外，作為非活性氣體的純化容器2”，比如像圖6所示的那樣，可列舉，其具有下述結構的純化容器，其係在填充了以鎳或銅作為有效成分的催化劑19和以合成沸石作為有效成分的催化劑20的純化筒中設置加熱器18。
除此之外，作為非活性氣體的純化裝置的一部分，可列舉有填充以鎳及/或氧化鎳作為有效成分的催化劑的純化容器，設置於其下游側的填充了吸氣材料的容器一起，用於非活性氣體的純化。
在前述的氧的純化容器2’中，在使用鈀合金膜的氧的純化時，高溫(300~500℃)的氫流通。另外，在前述的非活性氣體的純化容器2”中，具有下述情况，即，在以鎳或銅作為有效成分的催化劑、以合成沸石作為有效成分的催化劑的再生時，流通有包含高溫(150~350℃)的氫的氣體的情况。對於本發明的氣體純化裝置，在這樣的狀况下，於萬一產生因氫造成的爆炸的情況下，為了將控制機器等的周邊機器的損傷保留在最小限度，將控制機器和純化容器收納於各別的單元中，將收納有純化容器的單元作成為三重結構的壁，該壁從內側朝向外側，由非通氣性金屬壁、由複數個板狀材或線狀 材所構成的通氣性壁及外壁構成，並且在該非通氣性金屬壁上具備壓力調節手段，該壓力調節手段包括空氣或非活性氣體的導入口和排出口。
在本發明的氣體純化裝置中，像圖7所示的那樣，由作為收納純化容器2的單元的三重結構的壁的一部分而使用的板狀材或線狀材21所構成的通氣性壁5係至少用於該單元的側面整體，較佳為亦用於頂面。該通氣性壁5按照板狀材或線狀材21呈幾何形狀的方式設置，但是，像圖7所示的那樣，通常，按照呈格子狀的方式構成。作為通氣性壁5的構成材料，使用板狀材的情況下，其截面通常呈一邊為2~20mm的正方形或長方形，在使用線狀材的情況下，其截面通常是直徑為2~20mm的圓形。另外，在任何的情況下，通常使用不銹鋼等的金屬。另外，板狀材或線狀材通常以0.5~50cm的間隔來配置。
在本發明的氣體純化裝置中，作為收納有純化容器2的單元的三重結構的壁的一部分而使用的非通氣性金屬壁4，是與通氣性壁5相同，至少用於該單元的側面整體，較佳為亦用於頂面。該非通氣性金屬壁4，一般厚度為1~5mm。另外，該非通氣性金屬壁4的非通氣性若可維持內部和外部的100kPa左右的氣體壓力差即可。非通氣性金屬壁4和通氣性壁5可分離而設置，但是，較佳為像圖8~圖10所示的那樣，藉由焊接等而形成一體。
使非通氣性金屬壁4和通氣性壁5形成一體的手段，比如，像圖9、圖10所示的那樣，可列舉有下述手段，其係藉由呈立方體或長方體的形狀而組裝的L型的角 架22支撐由垂直方向的板狀材或線狀材21’與水平方向的板狀材或線狀材21”所構成的通氣性壁5和非通氣性金屬壁4而設置。通過形成一體，即使在非通氣性金屬壁4的厚度薄的情况下，仍獲得高的强度。在本發明中，針對於外壁沒有限定必須要求特別高的氣密性等，通常是接合複數個不銹鋼等的金屬薄板而構成。
在本發明的氣體純化裝置中，在收納純化容器的單元的三重結構的壁中，最內側的非通氣性金屬壁4設置有空氣或非活性氣體的導入口7和排出口8，在排出口8附近或排出口8的下游側的任意部位設置用於調節非通氣性金屬壁內的壓力的裝置9。作為該壓力調節裝置9，只要是非通氣性金屬壁內的壓力幾乎可維持目標壓力，並且在發生爆炸等的急劇的壓力上升的情況下，可經由排出口8的下游側的配管等排出內部的氣體，降低非通氣性金屬壁內部的壓力，則沒有特別的限制。作為壓力調節裝置9，可列舉流量控製閥、安全閥、其等之組合等。另外，收納純化容器2的非通氣性金屬壁內的壓力通常維持在100~200kPa(abs)。此外，空氣或非活性氣體的導入口7和排出口8通常是以容易與氣體供給配管和排氣配管連接的方式設置於非通氣性金屬壁4的上部側。
在本發明的氣體純化裝置中，在具有三重結構的壁的單元的內，除了純化容器2之外，亦可收納熱交換器10、填充了吸氣材料的容器等。收納有純化容器的單元的外形通常為立方體或長方體，但是，並不限定於此，也可比如於水平方向，在1個角具有凹部，在該部位 設置收納控制機器1的單元。但是，在任何的情況下，並設了收納有純化容器2的單元3’與收納控制機器1的單元3”的氣體純化裝置整體的結構，一般外形是以成為立方體或長方體的方式而設定。
另外，在本發明中，控制機器是包含各種氣體的配管的氣體導入閥、進行氣體排出閥等的開閉的控制、純化容器的溫度控制、加熱器的通電控制、氣體壓力的控制的機器等。電面板(electrical panels)1’像圖1、圖2所示的那樣，可收納於控制機器的單元，但是也可設置於純化容器的單元的外側表面上。各種的電氣端子和支撐它的端子座1”不收納於控制機器中，但較佳為與控制機器相同不收納於純化容器的單元。另外，在本發明的氣體純化裝置中，收納有純化容器的單元在不妨礙本發明的目的時，不但設置於前述的三重結構的壁，還可追加於任意的壁的任意部位。
各種氣體的導入配管(包括空氣或非活性氣體的導入口配管)較佳為不通過收納有控制機器的單元，而可從氣體純化裝置的外部以各種氣體可導入的方式設置於收納純化容器的單元。同樣地，各種氣體的排出配管(包括空氣或非活性氣體的排出配管)較佳為亦不通過收納有控制機器的單元，而可從收納有純化容器的單元以各種氣體可排出的方式設置於氣體純化裝置的外部。通過形成這樣的結構，可謀求氣體純化裝置的簡化。此時，各種氣體的配管23(包括空氣或非活性氣體的導入口配管和排出配管)較佳為像圖11所示的那樣，由機械强 度高於非通氣性壁4的通氣性壁5(21’和21”)所支撐而設置。配管的前端像圖12所示的那樣，通過焊接等而安裝於非通氣性金屬壁4，而可保持氣密性。
[實施例]
接著通過實施例，具體說明本發明，但是，本發明並不限於此。
(實施例1)
(非通氣性金屬壁和通氣性壁的製作)
構成非通氣性金屬壁和通氣性壁形成一體的純化容器的單元的一部分的結構物像下述那樣而製造。
作為構成非通氣性金屬壁的4個側面中的1個面的材料，採用不銹鋼製的金屬薄板(縱向尺寸為198cm、橫向尺寸為148cm、厚度為0.3cm)，作為與其密貼的通氣性壁的材料，採用由縱橫各3個的不銹鋼製的板狀材(截面的形狀：縱向尺寸為2cm、橫向尺寸為1cm)所構成的呈格子狀的通氣性壁，通過焊接而將它們形成一體。另外，用於上述側面的非通氣性金屬壁的相對面的材料，在上述非通氣性金屬壁中，設置空氣或非活性氣體的導入口和排出口用的連接孔之非通氣性金屬壁、和與前述的通氣性壁相同的通氣性壁通過焊接而形成一體。
作為構成非通氣性金屬壁的4個側面中的另外的2個面的材料，採用不銹鋼製的金屬薄板(縱向尺寸為128cm、橫向尺寸為148cm、厚度為0.3cm)，作為與其密貼的通氣性壁的材料，採用由縱向2個、橫向3個的板狀材(截面的形狀：縱向尺寸為2cm、橫向尺寸為1cm)所 構成的呈格子狀的通氣性壁，通過焊接而將它們形成一體。此外，在通氣性壁中，分別預先開設氣體的導入配管用的孔、電線用的孔。
接著，在以形成橫向尺寸為200cm、高度為150cm、進深為130cm的長方體的方式組裝的L型角架的內側，焊接上述的4側面壁和下面用的不銹鋼製的金屬薄板(縱向尺寸為200cm、橫向尺寸為130cm、厚度為0.5cm)，製造水平方向的截面為圖10所示的那樣的形態(在圖8中沒有頂面的形態)的非通氣性金屬壁和通氣性壁形成一體的結構物。
(純化容器的製作)
在直徑為25mm、厚度為5mm的圓盤狀的鎳製配管板，將以鈀、銀、與金為主成分的合金所構成的35根鈀合金細配管11(外徑為1.8mm、厚度為70μm、長度為300mm)焊接於複數個同心圓上。接著，在於圖3所示的位置將上述的管板13和鈀合金細配管11收納於具有原料氫供給口15、含雜質氣體取出口16及純氫取出口17的內徑為25mm、長度為400mm的SUS316L製的盒中，於盒的外側設置加熱器18，製作用於純化氫的純化容器。
(純化容器的單元的製作)
在由上述的非通氣性金屬壁和通氣性壁所構成的結構物中，收納上述氫的純化容器，並且像圖5所示的那樣，於原料氫供給口連接原料氫的導入配管，於純氫取出口連接純氫取出配管，於含雜質氣體取出口連接含雜質氣體回收配管。另外，在非通氣性金屬壁的空氣或非活 性氣體的導入口和排出口，連接用於使這些氣體流通的配管，於排出口的附近設置流量控制閥和安全閥。接著，由不銹鋼製的金屬薄板(縱向尺寸為128cm，橫向尺寸為198cm，厚度為0.3cm)所構成的非通氣性金屬壁、與由縱向3個、橫向2個的板狀材(截面的形狀：縱向尺寸為2cm，橫向尺寸為1cm)所構成的呈格子狀的通氣性壁形成一體的頂蓋設置於結構物上。另外，以不銹鋼製的收納容器(橫向尺寸為210cm，高度為160cm，進深為140cm)覆蓋這些裝置，而製作純化容器的單元。
(氣體純化裝置的製作)
各種氣體的配管的氣體導入閥的控制器、氣體排出閥等的開閉的控制器、純化容器的溫度控制器、加熱器的通電控制器、氣體壓力的控制器等收納於不銹鋼製的收納容器(橫向尺寸為90cm，高度為160cm，進深為70cm)中，電面板設置於該收納容器的側面。另外，各種的電氣端子和支撐它的端子座收納於不銹鋼製的收納容器(橫向尺寸為90cm，高度為160cm，進深為70cm)中。將它們設定為圖1所示的那樣的配置，並且藉由電線將各種控製機器、純化容器、流量控製閥、安全閥等連接，完成氣體純化裝置。
(實施例2)
製作下述圖6所示的那樣的結構的裝置，其係在不銹鋼製的純化筒(內徑為8cm，長度為60cm)中，以填充長度為20cm的方式填充市售的鎳催化劑，以填充長度為20cm的方式填充市售的相當於4Å的合成沸石(分子篩 (molecular sieves)4A，由Union Carbide Corporation公司製)的非活性氣體的純化容器具有2個系列。
這些純化容器收納於由與實施例1相同地製作的非通氣性金屬壁和通氣性壁所構成的結構物中，並且連接各配管。另外，在非通氣性金屬壁的空氣或非活性氣體的導入口和排出口連接使這些氣體流通的配管，在排出口的附近設置流量控制閥和安全閥。接著，於結構物上設置上蓋，該上蓋使由不銹鋼製的金屬薄板所構成的非通氣性金屬壁和由板狀材(截面的形狀：縱向尺寸為2cm，橫向尺寸為1cm)所構成之呈格子狀的通氣性壁一體化。另外，以不銹鋼製的收納容器(橫向尺寸為210cm，高度為160cm，進深為140cm)覆蓋這些裝置，製作純化容器的單元。
各種氣體的配管的氣體導入閥的控制器、氣體排出閥等的開閉的控制器、純化容器的溫度控制器、加熱器的通電控制器、氣體壓力的控制器等收納於不銹鋼製的收納容器(橫向尺寸為90cm，高度為160cm，進深為70cm)，電裝面板設置於該收納容器的側面。另外，各種的電氣端子和支撐其等的端子座收納於不銹鋼製的收納容器(橫向尺寸為90cm，高度為160cm，進深為70cm)。將它們設定為圖2所示的那樣的配置，並且通過電線將各種控制機器、純化容器、流量控制閥、安全閥等連接，完成氣體純化裝置。
1‧‧‧控製機器
1”‧‧‧端子座
2‧‧‧純化容器
2’‧‧‧氫的純化容器
3‧‧‧單元
3’‧‧‧收納有控製機器的單元
3”‧‧‧收納有純化容器的單元
4‧‧‧非通氣性金屬壁
5‧‧‧通氣性壁
6‧‧‧外壁
7‧‧‧空氣或非活性氣體的導入口
8‧‧‧空氣或非活性氣體的排出口
9‧‧‧壓力調節裝置
10‧‧‧熱交換器

Claims (7)

  1. 一種氣體純化裝置，其係由複數個金屬製的單元構成，且控制機器和純化容器收納於各別的單元之氣體純化裝置，其特徵在於，收納有純化容器的單元由三重結構的壁所構成，其係從內側向外側，由非通氣性金屬壁、由複數個板狀材或線狀材所構成的通氣性壁及外壁所構成，具有壓力調節手段，該壓力調節手段包括設置於該非通氣性金屬壁上的空氣或非活性氣體的導入口和排出口。
  2. 如請求項1之氣體純化裝置，其中，純化容器為用於純化氫的純化容器。
  3. 如請求項1之氣體純化裝置，其中，純化容器為填充有能藉由氫而再生的催化劑或吸接材料之用於純化非活性氣體的純化容器。
  4. 如請求項1之氣體純化裝置，其中，通氣性壁為格子狀的金屬壁。
  5. 如請求項1之氣體純化裝置，其中，非通氣性金屬壁和通氣性壁一體地構成。
  6. 如請求項1之氣體純化裝置，其中，非通氣性金屬壁和通氣性壁係由組裝成立方體或長方體的形狀之L型角架所支撐而設置。
  7. 如請求項1之氣體純化裝置，其中，空氣或非活性氣體的導入口和排出口設置於非通氣性金屬壁的上部側。
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