ドライガス発生装置
【課題】水分濃度が減少したガスを室温に戻すのにヒーター等を設置する必要がなく、全体のレイアウトをコンパクトに構成することができ、省エネルギー設計が実現できるドライガス発生装置を提供する。
【解決手段】ドライガス発生装置は、ガス通路（ガス通路導入部３２、往路ガス熱交換通路部４６、復路ガス熱交換通路部４７、ガス通路出口部３７）に供給されたガス中の水分濃度を冷凍機４５により減少させるものである。冷凍機４５は、ガスの温度を所定の露点温度以下に下げるための吸熱部となる低温部２２と、室温より温度が高い放熱部となる高温部２１とを有する。ガス通路は、高温部２１と低温部２２に至る範囲内に配設されることで冷凍機４５と熱交換する。好適には、ガス通路の高温部２１と低温部２２に至る範囲が真空断熱されている。
【解決手段】ドライガス発生装置は、ガス通路（ガス通路導入部３２、往路ガス熱交換通路部４６、復路ガス熱交換通路部４７、ガス通路出口部３７）に供給されたガス中の水分濃度を冷凍機４５により減少させるものである。冷凍機４５は、ガスの温度を所定の露点温度以下に下げるための吸熱部となる低温部２２と、室温より温度が高い放熱部となる高温部２１とを有する。ガス通路は、高温部２１と低温部２２に至る範囲内に配設されることで冷凍機４５と熱交換する。好適には、ガス通路の高温部２１と低温部２２に至る範囲が真空断熱されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素又は空気等のガス中の水分を減少させ、真空装置等に供給するドライガス発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、真空装置では多量の窒素ガスによるパージが行われている。例えば、量産用真空装置ではウエハーを大気側に取り出す毎にロードロック室を真空状態から大気圧に戻すために窒素ガスを使用している。又、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）装置に多く用いられるクライオポンプでは、次の作業を行っている。即ち、通常、冷凍を停止した後に、室温以上の窒素ガスを多量にパージすることにより冷凍機温度を室温まで上昇させ多量に吸蔵されたガスを追い出す活性化と呼ばれる作業を行っている。又、フォアラインポンプとして使用されるドライポンプでは、定常的に窒素ガスによるパージを行う必要がある。又、トランスファーチャンバー、プラズマ処理等の真空室をメンテナンスする際にも、これら真空室を大気圧に戻すために多量の窒素ガスを使用している。
【０００３】
これらの用途において、使用される窒素ガス中に水分が多く含まれているならば、真空装置を再び真空に戻す際に多大の時間を要し、生産性の低下につながることとなる。従って、水分濃度の低い窒素ガスを使用することが望まれる。しかしながら、高純度の窒素ガスは多量に使用するには高価であるために、純度保証が不足、即ち、水分を含む空気混入の恐れのある蒸発窒素を使用している例が見受けられる。しかしながら、蒸発窒素ガスの源である液体窒素を製造する為には多量のエネルギーを必要とし、近年では、地球温暖化防止の為にパージ用窒素ガスであってもその消費量の低減が求められてきている。又、窒素ガスは窒息性のガスである為に、安全上、ドライエアーへの置き換えが求められてきている。又、必ずしも窒素ガスではなくとも水分濃度等の不純物が少なければ、空気によるパージでも構わないケースは見受けられる。
【０００４】
ガス中の水分濃度は、低温度面の温度を下げていく際に水として凝縮する露点温度で表現される。この露点温度と水分濃度の関係は、図４の水の平衡蒸気圧特性で示される。真空装置で使用されるプロセスガスの不純物濃度はｐｐｍオーダー以下であり、約−８０℃以下に相当する低露点温度のガス供給技術が求められる。
【０００５】
この様に約−８０℃以下という低露点温度のガスを供給する技術として、極低温冷凍機を使用したドライエアー製造装置（特許文献１参照）がある。以下、図３を用いて従来のドライエアー製造装置について説明する。
【０００６】
真空容器６０の内部は真空ポンプ６１により真空に排気されており、その内部構造物を外部に対して真空断熱している。真空容器６０内の主要な構造物は、機械式冷凍機７０ａの極低温生成部７０と、これに熱的に接続された金属ブロック７１と、これに配管を熱的に接触させる主熱交換部７２と、２重配管構造の予備熱交換部７３とにより構成されている。
【０００７】
圧縮空気ポンプ７４により予備熱交換部７３の２重配管構造の外側配管部に導入された空気は、主熱交換部７２で冷却された後に予備熱交換部７３の復路である２重配管の内側配管と熱的に接触して冷却される。空気中の多くの水分は、この予備熱交換部７３内で凝縮あるいは結露し、導入された空気の水分濃度が低減される。水分濃度が低減された空気は、より低温度の主熱交換部７２の配管を流れ、空気の露点は主熱交換部７２の温度にまで下げられる。主熱交換部７２で露点の下がった空気は、予備熱交換部７３の２重配管構造の内側配管に入り、外側の配管を流れる温度の高い空気と熱交換し温度が上昇させられ、真空容器６０の外側に出て真空成膜室に送られる。
【０００８】
尚、図３に示すドライエアー製造装置では、予備熱交換部７３での温度上昇不足を補うために予備熱交換部７３の２重配管構造の内側配管を加熱されるためのヒーター７５が設けられている。又、予備熱交換部７３の２重配管構造の外側配管内で凝縮あるいは結露した水を取り除くために、ドレン管７６が設けられている。
【特許文献１】特開２００２−６６２５０号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記従来のドライエアー製造装置では、主熱交換器部以外に予備熱交換器部を設けているために全体のレイアウトをコンパクトに構成することができない。又、予備熱交換器部での熱交換能力不足に由来する復路ガスの室温への昇温不足を補うためにヒーターを設けており、復路ガス用の内部配管を加熱すること自体が外側の往路ガスの冷却効果を減らすという矛盾を含んでいる。又、ヒーターを使用すること自体が昨今の省エネルギー設計とは逆の姿勢となっている等の問題点があった。
【００１０】
本発明の目的は、これらの問題点を解決し、水分濃度が減少したガスを室温に戻すのにヒーター等を設置する必要がなく、全体のレイアウトをコンパクトに構成することができ、省エネルギー設計が実現できるドライガス発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明に係るドライガス発生装置は、ガス通路に供給されたガス中の水分濃度を冷凍機により減少させるドライガス発生装置であって、前記冷凍機は、前記ガスの温度を所定の露点温度以下に下げるための吸熱部となる低温部と、室温より温度が高い放熱部となる高温部とを有し、前記ガス通路が、前記高温部と前記低温部に至る範囲内に配設されたことを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記ガス通路の高温部と低温部に至る範囲が真空断熱されていてもよい。前記冷凍機がスターリング型冷凍機であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水分濃度が減少したガスを室温に戻すのにヒーター等を設置する必要がなく、全体のレイアウトをコンパクトに構成することができ、省エネルギー設計が実現できるドライガス発生装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態として実施例について、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１５】
次に、図１、図２を参照して、本発明の第一の実施例を説明する。本実施例は、ガス通路に供給されたガス中の水分濃度を冷凍機により減少させるドライガス発生装置に適用したものである。
【００１６】
図２は、本実施例に係るドライガス発生装置で用いる冷凍機として、スターリング型冷凍機に分類されるフリーピストン型スターリング冷凍機の具体的構造を示している。以下、図２を用いて、このフリーピストン型スターリング冷凍機の構造と動作を事前に説明する。
【００１７】
図２において、１３は冷凍機本体ケーシング、１４は円筒型ケーシング、１４ａは先端、１５はシリンダー、１６はピストン、１７は膨張ピストン、１８は軸、１９は圧縮空間、２０は膨張空間である。また、２１は室温より温度が高い放熱部となる高温部、２２はガスの温度を所定の露点温度以下に下げるための吸熱部となる低温部、２３は蓄冷器である。また、２４と２５は板バネ、２６はコイル、２７は筒状永久磁石、２８は電線、２９は孔である。
【００１８】
冷凍機本体ケーシング１３内には、作動ガスとして通常ヘリウムガスが充填されている。ピストン１６は、円柱状であり、円筒状のシリンダー１５との間のギャップは狭くなっており、ピストン１６がａ方向に動くときそのギャップにおける漏れの影響は殆ど無い。ピストン１６の中心には、膨張ピストン１７と接続された細い軸１８が摺動可能に貫通している。この部分のギャップも非常に狭くなっており、ピストン１６と膨張ピストン１７が互いに位相差を持って動く時にこの部分での漏れの影響も殆ど無い様に作られている。
【００１９】
ピストン１６は、筒状永久磁石２７と一体となっており、底部で板バネ２４と接続している。軸１８は、板バネ２４を非接触に貫通し板バネ２５に接続されている。筒状永久磁石２７の外周には、非接触に近接してコイル２６が配置されてあり、コイル２６に交流を流すと、その発生磁界により、筒状永久磁石２７とピストン１６が一体で上下方向に動く構造となっている。膨張ピストン１７の外周には、符号で示していないが円筒状シリンダーが配置されており、膨張ピストン１７との間のギャップは非常に狭く作られている為に、膨張ピストン１７が上下に動作する時にこの部分での漏れの影響は殆ど無い様に作られている。膨張ピストン１７の外周の図示していないシリンダーの更に外周には、蓄冷器２３が配置されている。
【００２０】
蓄冷器２３は、図２において上下方向に対して熱伝達が小さく比熱の大きい材料で作られており、上下方向の作動ガスの移動は可能となっている。蓄冷器２３の上部には、低温部２２が配置されており、例えば比熱の大きい金属のメッシュ等で作られており、作動ガスとの熱交換を良好としている。又、蓄冷器２３の下部には、高温部２１が配置されており、例えば比熱の大きい金属のメッシュ等で作られており、作動ガスとの熱交換を良好としている。
【００２１】
この様に構成された冷凍機において、コイル２６に交流が流れる時、ピストン１６は図中のａ方向に振動する。ここで、ピストン１６が上方向に動く時は、圧縮空間１９内の作動ガスが圧縮され、その後、やや遅れて膨張ピストン１７が圧縮された圧縮空間１９の作動ガスの圧力により上方向に動き出す。同様にピストン１６が下方向に動く時は、圧縮空間１９内の作動ガスが膨張し、膨張ピストン１７は過渡的に過渡的に圧力の下がった圧縮空間１９内の作動ガスの圧力によりやや遅れて下方向に動き出す。従って、定常状態では、ピストン１６の上下動作に対して、位相が遅れて膨張ピストン１７の上下動作が行われる。位相は板バネ２４、２５を含めた調整により、図中の同一方向を振動の同一方向として±４５度以内の範囲でずれている可能性はあるが約２７０度の遅れが起きるように調整されている。又、これらピストンは正弦波的に振動しているため、振動の上側及び下側での単位時間当たりでの変移量は小さくなる。
【００２２】
この冷凍機の冷凍動作は、以下の様に４種の動作領域に分けて説明される。
【００２３】
（断熱圧縮）
ピストン１６が上側に動くときは、膨張ピストン１７は上側近くの位置に有り、膨張ピストン１７の移動は少なく、膨張空間２０の体積は最小となっている。この時、作動ガスは圧縮空間１９の体積が小さくなるために、主に圧縮空間１９において断熱圧縮されて発熱する。
【００２４】
（等容変化：作動ガスから蓄冷器２３への熱の移動）
ピストン１６が殆ど上側近くにくると、膨張ピストン１７が下側に動き始める。この時、ピストン１６は上側にあるためにピストン１６の移動は少なく、膨張ピストン１７が下側に動く。このため、圧縮空間１９で加熱された作動ガスは、孔２９を経由して高温部２１を通過しながら高温部２１を加熱する。加熱された高温部２１は、円筒型ケーシング１４の壁を通して外部に熱を放熱し、作動ガスは、蓄冷器２３を下側から加熱しながら蓄冷器２３により冷却されて低温部２２を通過し、膨張空間２０へと流れ込む。
【００２５】
（断熱膨張）
膨張ピストン１７が殆ど下側近くになると、ピストン１６が下側に動き出す。この時、膨張ピストン１７の移動は少なく膨張空間２０は最大の体積となっている。この状態でピストン１６が下側に移動するため、作動ガスは膨張空間２０より低温部２２、蓄冷器２３、高温部２１、孔２９を経由して圧縮空間１９へと断熱膨張し、膨張空間２０内の作動ガスは冷却される。
【００２６】
（等容変化：蓄冷器２３から作動ガスへの冷凍の移動）
ピストン１６が下側近くにくると、膨張ピストン１７は上側に動き始める。この時、ピストン１６は下側にあるためにピストン１６の移動は少なく、膨張ピストン１７が上側に動くために膨張空間２０内で冷却された作動ガスは低温部２２を通過しながら低温部２２を冷却する。冷却された低温部２２は、円筒型ケーシング１４の壁を通して外部より熱を吸熱し、作動ガスは蓄冷器２３を上側から冷却しながら蓄冷器２３により温度上昇されて高温部２１と孔２９を経由して圧縮空間１９へと流れ込む。
【００２７】
以上の４種の動作が順番に繰り返えされるサイクルは、逆スターリングサイクルと呼ばれており、このサイクルにより低温部２２は低温に冷えた吸熱部となり、高温部２１は温度の高い放熱部となる。この冷凍機は、膨張ピストン１７が直接的に機械駆動されていないためにフリーピストン型スターリング冷凍機と呼ばれている。
【００２８】
以上説明した様にこのフリーピストン型スターリング冷凍機は、非常にコンパクトであり、高温部２１と低温部２２が近接しており、蓄冷器２３の外側は金属製の円筒型ケーシング１４となっている。このため、高温部２１と低温部２２の間の円筒型ケーシング１４の側面には高温から低温まで単調に変化する温度分布があり、本発明のコンパクトなドライガス発生装置を構成する上で適している。
【００２９】
以下、図１を参照して、本実施例に係るドライガス発生装置を説明する。
【００３０】
図１において、４５は図２で説明したフリーピストン型スターリング冷凍機、２１はフリーピストン型スターリング冷凍機の高温部、２２はフリーピストン型スターリング冷凍機の低温部、１４はフリーピストン型スターリング冷凍機の円筒型ケーシングである。また、６１は真空ポンプ、６２は真空断熱部、６３は真空容器壁、６４は真空バルブ、３０はドレン用バルブ、３１はドレン管、３２はガス通路導入部、３７はガス通路出口部、４６は往路ガス熱交換通路部、４７は復路ガス熱交換通路部である。また、４８は往路外周壁、４８ａは往路外周壁フランジ、４９は低温側熱負荷フランジ、５０は低温接触部、５１は側面壁、５２は隔壁、５３ａは熱伝導部材ａ、５３ｂは熱伝導部材ｂ、５４はフランジである。このうち、復路ガス熱交換通路部４７と、往路ガス熱交換通路部４６が、本発明のドライガス発生装置のガス通路において、冷凍機４５の高温部２１と低温部２２に至る範囲内に配設されることで冷凍機４５と熱交換するガス通路に対応する。
【００３１】
真空容器壁６３は、ステンレス等によりつくられ円筒状の側面部と円盤状の上面部と併せてキャップ状の形状をなし、側面部には真空バルブ６４が接続されている。
【００３２】
往路外周壁４８は、熱伝導の小さいステンレス等の材料で作られており、例えば１ｍｍ以下の板厚で円筒状の形状をしている。
【００３３】
往路外周壁フランジ４８ａは、ステンレス等の材料で作られており、往路外周壁４８との境界部は溶接等によりリークタイトに接続されている。往路外周壁フランジ４８ａと真空容器壁６３との境界部は、溶接等によりリークタイトに接続されている。
【００３４】
低温側熱負荷フランジ４９は、銅等の熱伝導性の良い材料で作られており、往路外周壁４８との境界部はろう付け等によりリークタイトに接続されている。
【００３５】
従って、真空容器壁６３、往路外周壁フランジ４８ａ、往路外周壁４８及び低温側熱負荷フランジ４９により囲まれた空間である真空断熱部６２は、外気に対してリークタイトな空間となっている。この真空断熱部６２は、真空バルブ６４を介して真空ポンプ６１により真空排気することにより、フランジ５４の部分を除き真空断熱された空間となる。これにより、冷凍機の室温以下の部分と、少なくとも冷凍機の室温以下の部分と熱接触しているガス通路を含む部分の周囲の外気との間に断熱手段が施される。
【００３６】
低温接触部５０は、熱伝導の良い銅等の材料で作られており、フリーピストン型スターリング冷凍機の低温部を含めた上側の円筒型ケーシング１４の表面と熱接触するように作られている。低温接触部５０と低温側熱負荷フランジ４９との境界部は、熱伝導が得られる様にろう付けあるいはネジ止めにより固定されている。
【００３７】
側面壁５１は、径方向の熱伝導を確保し、軸方向へ熱が伝わりにくくするために、ステンレス等の材料により内径がフリーピストン型スターリング冷凍機の円筒型ケーシング１４に殆どフィットする１ｍｍ以下の薄肉の円筒状に作られている。側面壁５１と低温接触部５０との境界部は、ろう付け等により接続されている。
【００３８】
フランジ５４は、ステンレス等の金属材料で作られ外観が円盤状の形状をしており、ガス通路導入部３２、ドレン用バルブ３０、ドレン管３１、ガス通路出口部３７が接続されている。ガス通路導入部３２から続くフランジ５４内の通路は、フランジ５４と同心で外側寄りに配置され上側が開いたリング状の溝に接続されている。
【００３９】
ドレン用バルブ３０、ドレン管３１は、ガス通路導入部３２が接続されているフランジ５４内の同心溝状の通路に下側から接続されている。図では断面のみのため、その接続位置が同一である様に示されてはいるが、必ずしもガス通路導入部３２が接続されている溝部の位置と同じである必要はない。
【００４０】
ガス通路出口部３７は、フランジ５４内において、ガス通路導入部３２が接続されている溝部より内側に配置された同心で上側が開いたリング状の溝に接続されている。
【００４１】
フランジ５４と往路外周壁フランジ４８ａとの境界部、及び、フランジ５４と側面壁５１との境界部は、図示してはいないが好ましくはエラストマーＯリングとネジ止めによりリークタイトに接続される。
【００４２】
フランジ５４、往路外周壁フランジ４８ａ、往路外周壁４８、低温側熱負荷フランジ４９、低温接触部５０、側面壁５１により囲まれた内部空間は、全体として縦に長いリング状の空間を成す。この内部に、外観がリング状の板形状であり銅等の材料でつくられた熱伝導部材５３ａが、縦方向にほぼ等間隔で、内径が側面壁５１の外周に接触し外径が往路外周壁４８の内径に収まる様に配置される。最上部の熱伝導部材５３ａと低温側熱負荷フランジ４９との間を除いた各熱伝導部材５３ａの間と最下部の熱伝導部材５３ａとフランジ５４の間には、隔壁５２が配置されている。この隔壁５２は、熱伝導部材５３ａの外径と内径の間の径であり、フランジ５４の２つのリング状溝の間に収まる円筒状の部材で構成され、隔壁５２の径方向のガス流れを遮っている。
【００４３】
隔壁５２は、軸方向の熱伝達を減らし径方向の熱伝達を行いやすくするため、薄肉のステンレス材料等により作られている。又、熱伝導部材５３ａにおいて隔壁５２が接触している部分を除く部分には縦方向のガスの流れを起こしやすくするため、複数の穴が空けられている。最上部の熱伝導部材５３ａと低温側熱負荷フランジ４９との間には、隔壁５２とほぼ直径が同じで円筒状の熱伝導部材５３ｂが接続される。熱伝導部材５３ｂは、銅等の熱伝導性の良い材料で作られ、側面には径方向のガス流れを行い易くするために複数の穴が空けられている。
【００４４】
熱伝導部材５３ａ、熱伝導部材５３ｂ、隔壁５２以外の空間には、金属製メッシュ等が充填されており、隔壁５２と熱伝導部材５３ｂにより外側と内側に分けられた領域は、それぞれ往路ガス熱交換通路部４６と復路ガス熱交換通路部４７となっている。
【００４５】
この様に構成されたドライガス発生装置において、ドレン用バルブ３０が閉じている時に、ガス通路導入部３２より水分濃度の高いガスが導入されると、導入ガスは外側の往路ガス熱交換通路部４６を上側に流れる。その後、導入ガスは、内側の復路ガス熱交換通路部を下側に流れ、フランジ５４に接続されたガス通路出口部３７から流れ出る。
【００４６】
このとき、フリーピストン型スターリング冷凍機４５が既に稼動しているならば、往路ガス熱交換通路部４６と復路ガス熱交換通路部４７は、熱伝導部材５３ａ等によりフリーピストン型スターリング冷凍機４５の円筒状シリンダーと良好な熱交換を行っている。そして、往路ガス熱交換通路部４６が外側に配置され、復路ガス熱交換通路部４７が内側に配置されているために、往路ガス熱交換通路部４６の温度は下側で常温、上側で低温となり、復路ガス熱交換通路部４７の温度は上側で低温、下側で高温となる。
【００４７】
従って、導入ガスが往路ガス熱交換通路部４６を上側に流れるにつれ、冷却されて温度が下がり、前述した図４の平衡蒸気圧特性に従って水分濃度が減少して行く。低温部２２の温度が−８０℃（１９３Ｋ）以下であるならば、上部に至る迄に平衡蒸気圧は１Ｅ−１（１×１０−１）Ｐａ以下となり、大気圧の１０１３２５Ｐａに対してｐｐｍ以下の水分濃度が達成される。前述した様にスターリング冷凍機では、−８０℃（１９３Ｋ）は容易に達成できる温度である。
【００４８】
さらに、導入ガスがその先で復路ガス熱交換通路部４７を下側に流れるとき導入ガスは加熱され、下側にまで流れたとき温度はほぼ高温となり、ガス通路出口部３７から先で図示はしていないが真空装置等のパージガスとして使用される。この時のガス中の水分濃度は往路ガス熱交換通路部４６と復路ガス熱交換通路部４７の上部で既に得られている値となっており、ヒーター等を使うことなく室温以上のガス温度が得られている。又、ガス通路、真空容器６０のサイズは、明らかに冷凍機とほぼ同じサイズに構成できておりコンパクト化が実現できている。
【００４９】
尚、図１では冷凍機の冷凍パワーの損失を防ぐために、断熱手段として真空断熱構造を使用したが、必ずしも真空断熱構造である必要は無く、真空断熱部６２に相当する部分は発泡状の樹脂等であっても良い。この場合、図１において、真空ポンプ６１、真空バルブ６４、真空容器壁６３等は不要となる。
【００５０】
又、側面壁５１は、径方向の熱伝導を確保し、軸方向へ熱が伝わりにくくするために、ステンレス等の材料により内径がフリーピストン型スターリング冷凍機の円筒型ケーシング１４に殆どフィットする１ｍｍ以下の薄肉の円筒状に作られている。この側面壁５１と低温接触部５０との境界部はろう付け等により接続されていると記述したが、これに限定されない。側面壁５１とフリーピストン型スターリング冷凍機の円筒型ケーシング１４の間に熱伝導性のスプリングを複数配置し、同ギャップを狭くする樹脂等の低熱伝導部材を軸方向に配置してもよい。そうすれば、フィットするほどのギャップとする必要は無く、径方向に熱を伝達し軸方向に熱を伝えにくくする構造とすることができる。
【００５１】
尚、冷凍機の動作を停止し低温部２２の温度が常温に戻った後、ドレン用バルブ３０を開くことにより往路ガス熱交換通路部４６内で凝縮していた水分をドレン管３１から排出して取り除くことができる。
【００５２】
なお、上記実施例では、冷凍機としてスターリング型冷凍機を用いた場合を説明しているが、本発明は必ずしもこれに限定されない。例えば、オリフィスバッファ型パルス管冷凍機や、ブレイトンサイクルによる冷凍機等の冷凍機にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、窒素又は空気等のガス中の水分を減少させ、真空装置等に供給するドライガス発生装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第一の実施例に係るドライガス発生装置で用いているフリーピストン型スターリング冷凍機の構成を説明する断面図である。
【図２】本発明の第一の実施例に係る高温部と低温部を有するフリーピストン型スターリング冷凍機を用いたドライガス発生装置の全体構成を示す断面図である。
【図３】従来技術の機械式冷凍機を用いたドライエアー製造装置の全体構成を示す図である。
【図４】水の平衡蒸気圧特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１３ 冷凍機本体ケーシング
１４ 円筒型ケーシング
１４ａ 先端
１５ シリンダー
１６ ピストン
１７ 膨張ピストン
１８ 軸
１９ 圧縮空間
２０ 膨張空間
２１ 高温部
２２ 低温部
２３ 蓄冷器
２４ 板バネ
２５ 板バネ
２６ コイル
２７ 筒状永久磁石
２８ 電線
２９ 穴
３０ ドレン用バルブ
３１ ドレン管
３２ ガス通路導入部
３７ ガス通路出口部
４５ フリーピストン型スターリング冷凍機
４６ 往路ガス熱交換通路部
４７ 復路ガス熱交換通路部
４８ 往路外周壁
４８ａ 往路外周壁フランジ
４９ 低温側熱負荷フランジ
５０ 低温接触部
５１ 側面壁
５２ 隔壁
５３ａ 熱伝導部材ａ
５３ｂ 熱伝導部材ｂ
５４ フランジ
６０ 真空容器
６１ 真空ポンプ
６２ 真空断熱部
６４ 真空バルブ
７０ 極低温生成部
７０ａ 機械式冷凍機
７１ 金属ブロック
７２ 主熱交換部
７３ 予備熱交換部
７４ 圧縮空気ポンプ
７５ ヒーター
７６ ドレン管
【技術分野】
【０００１】
本発明は、窒素又は空気等のガス中の水分を減少させ、真空装置等に供給するドライガス発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、真空装置では多量の窒素ガスによるパージが行われている。例えば、量産用真空装置ではウエハーを大気側に取り出す毎にロードロック室を真空状態から大気圧に戻すために窒素ガスを使用している。又、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）装置に多く用いられるクライオポンプでは、次の作業を行っている。即ち、通常、冷凍を停止した後に、室温以上の窒素ガスを多量にパージすることにより冷凍機温度を室温まで上昇させ多量に吸蔵されたガスを追い出す活性化と呼ばれる作業を行っている。又、フォアラインポンプとして使用されるドライポンプでは、定常的に窒素ガスによるパージを行う必要がある。又、トランスファーチャンバー、プラズマ処理等の真空室をメンテナンスする際にも、これら真空室を大気圧に戻すために多量の窒素ガスを使用している。
【０００３】
これらの用途において、使用される窒素ガス中に水分が多く含まれているならば、真空装置を再び真空に戻す際に多大の時間を要し、生産性の低下につながることとなる。従って、水分濃度の低い窒素ガスを使用することが望まれる。しかしながら、高純度の窒素ガスは多量に使用するには高価であるために、純度保証が不足、即ち、水分を含む空気混入の恐れのある蒸発窒素を使用している例が見受けられる。しかしながら、蒸発窒素ガスの源である液体窒素を製造する為には多量のエネルギーを必要とし、近年では、地球温暖化防止の為にパージ用窒素ガスであってもその消費量の低減が求められてきている。又、窒素ガスは窒息性のガスである為に、安全上、ドライエアーへの置き換えが求められてきている。又、必ずしも窒素ガスではなくとも水分濃度等の不純物が少なければ、空気によるパージでも構わないケースは見受けられる。
【０００４】
ガス中の水分濃度は、低温度面の温度を下げていく際に水として凝縮する露点温度で表現される。この露点温度と水分濃度の関係は、図４の水の平衡蒸気圧特性で示される。真空装置で使用されるプロセスガスの不純物濃度はｐｐｍオーダー以下であり、約−８０℃以下に相当する低露点温度のガス供給技術が求められる。
【０００５】
この様に約−８０℃以下という低露点温度のガスを供給する技術として、極低温冷凍機を使用したドライエアー製造装置（特許文献１参照）がある。以下、図３を用いて従来のドライエアー製造装置について説明する。
【０００６】
真空容器６０の内部は真空ポンプ６１により真空に排気されており、その内部構造物を外部に対して真空断熱している。真空容器６０内の主要な構造物は、機械式冷凍機７０ａの極低温生成部７０と、これに熱的に接続された金属ブロック７１と、これに配管を熱的に接触させる主熱交換部７２と、２重配管構造の予備熱交換部７３とにより構成されている。
【０００７】
圧縮空気ポンプ７４により予備熱交換部７３の２重配管構造の外側配管部に導入された空気は、主熱交換部７２で冷却された後に予備熱交換部７３の復路である２重配管の内側配管と熱的に接触して冷却される。空気中の多くの水分は、この予備熱交換部７３内で凝縮あるいは結露し、導入された空気の水分濃度が低減される。水分濃度が低減された空気は、より低温度の主熱交換部７２の配管を流れ、空気の露点は主熱交換部７２の温度にまで下げられる。主熱交換部７２で露点の下がった空気は、予備熱交換部７３の２重配管構造の内側配管に入り、外側の配管を流れる温度の高い空気と熱交換し温度が上昇させられ、真空容器６０の外側に出て真空成膜室に送られる。
【０００８】
尚、図３に示すドライエアー製造装置では、予備熱交換部７３での温度上昇不足を補うために予備熱交換部７３の２重配管構造の内側配管を加熱されるためのヒーター７５が設けられている。又、予備熱交換部７３の２重配管構造の外側配管内で凝縮あるいは結露した水を取り除くために、ドレン管７６が設けられている。
【特許文献１】特開２００２−６６２５０号公報（第４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、上記従来のドライエアー製造装置では、主熱交換器部以外に予備熱交換器部を設けているために全体のレイアウトをコンパクトに構成することができない。又、予備熱交換器部での熱交換能力不足に由来する復路ガスの室温への昇温不足を補うためにヒーターを設けており、復路ガス用の内部配管を加熱すること自体が外側の往路ガスの冷却効果を減らすという矛盾を含んでいる。又、ヒーターを使用すること自体が昨今の省エネルギー設計とは逆の姿勢となっている等の問題点があった。
【００１０】
本発明の目的は、これらの問題点を解決し、水分濃度が減少したガスを室温に戻すのにヒーター等を設置する必要がなく、全体のレイアウトをコンパクトに構成することができ、省エネルギー設計が実現できるドライガス発生装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明に係るドライガス発生装置は、ガス通路に供給されたガス中の水分濃度を冷凍機により減少させるドライガス発生装置であって、前記冷凍機は、前記ガスの温度を所定の露点温度以下に下げるための吸熱部となる低温部と、室温より温度が高い放熱部となる高温部とを有し、前記ガス通路が、前記高温部と前記低温部に至る範囲内に配設されたことを特徴とする。
【００１２】
本発明において、前記ガス通路の高温部と低温部に至る範囲が真空断熱されていてもよい。前記冷凍機がスターリング型冷凍機であってもよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水分濃度が減少したガスを室温に戻すのにヒーター等を設置する必要がなく、全体のレイアウトをコンパクトに構成することができ、省エネルギー設計が実現できるドライガス発生装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態として実施例について、図面を用いて説明する。
【実施例１】
【００１５】
次に、図１、図２を参照して、本発明の第一の実施例を説明する。本実施例は、ガス通路に供給されたガス中の水分濃度を冷凍機により減少させるドライガス発生装置に適用したものである。
【００１６】
図２は、本実施例に係るドライガス発生装置で用いる冷凍機として、スターリング型冷凍機に分類されるフリーピストン型スターリング冷凍機の具体的構造を示している。以下、図２を用いて、このフリーピストン型スターリング冷凍機の構造と動作を事前に説明する。
【００１７】
図２において、１３は冷凍機本体ケーシング、１４は円筒型ケーシング、１４ａは先端、１５はシリンダー、１６はピストン、１７は膨張ピストン、１８は軸、１９は圧縮空間、２０は膨張空間である。また、２１は室温より温度が高い放熱部となる高温部、２２はガスの温度を所定の露点温度以下に下げるための吸熱部となる低温部、２３は蓄冷器である。また、２４と２５は板バネ、２６はコイル、２７は筒状永久磁石、２８は電線、２９は孔である。
【００１８】
冷凍機本体ケーシング１３内には、作動ガスとして通常ヘリウムガスが充填されている。ピストン１６は、円柱状であり、円筒状のシリンダー１５との間のギャップは狭くなっており、ピストン１６がａ方向に動くときそのギャップにおける漏れの影響は殆ど無い。ピストン１６の中心には、膨張ピストン１７と接続された細い軸１８が摺動可能に貫通している。この部分のギャップも非常に狭くなっており、ピストン１６と膨張ピストン１７が互いに位相差を持って動く時にこの部分での漏れの影響も殆ど無い様に作られている。
【００１９】
ピストン１６は、筒状永久磁石２７と一体となっており、底部で板バネ２４と接続している。軸１８は、板バネ２４を非接触に貫通し板バネ２５に接続されている。筒状永久磁石２７の外周には、非接触に近接してコイル２６が配置されてあり、コイル２６に交流を流すと、その発生磁界により、筒状永久磁石２７とピストン１６が一体で上下方向に動く構造となっている。膨張ピストン１７の外周には、符号で示していないが円筒状シリンダーが配置されており、膨張ピストン１７との間のギャップは非常に狭く作られている為に、膨張ピストン１７が上下に動作する時にこの部分での漏れの影響は殆ど無い様に作られている。膨張ピストン１７の外周の図示していないシリンダーの更に外周には、蓄冷器２３が配置されている。
【００２０】
蓄冷器２３は、図２において上下方向に対して熱伝達が小さく比熱の大きい材料で作られており、上下方向の作動ガスの移動は可能となっている。蓄冷器２３の上部には、低温部２２が配置されており、例えば比熱の大きい金属のメッシュ等で作られており、作動ガスとの熱交換を良好としている。又、蓄冷器２３の下部には、高温部２１が配置されており、例えば比熱の大きい金属のメッシュ等で作られており、作動ガスとの熱交換を良好としている。
【００２１】
この様に構成された冷凍機において、コイル２６に交流が流れる時、ピストン１６は図中のａ方向に振動する。ここで、ピストン１６が上方向に動く時は、圧縮空間１９内の作動ガスが圧縮され、その後、やや遅れて膨張ピストン１７が圧縮された圧縮空間１９の作動ガスの圧力により上方向に動き出す。同様にピストン１６が下方向に動く時は、圧縮空間１９内の作動ガスが膨張し、膨張ピストン１７は過渡的に過渡的に圧力の下がった圧縮空間１９内の作動ガスの圧力によりやや遅れて下方向に動き出す。従って、定常状態では、ピストン１６の上下動作に対して、位相が遅れて膨張ピストン１７の上下動作が行われる。位相は板バネ２４、２５を含めた調整により、図中の同一方向を振動の同一方向として±４５度以内の範囲でずれている可能性はあるが約２７０度の遅れが起きるように調整されている。又、これらピストンは正弦波的に振動しているため、振動の上側及び下側での単位時間当たりでの変移量は小さくなる。
【００２２】
この冷凍機の冷凍動作は、以下の様に４種の動作領域に分けて説明される。
【００２３】
（断熱圧縮）
ピストン１６が上側に動くときは、膨張ピストン１７は上側近くの位置に有り、膨張ピストン１７の移動は少なく、膨張空間２０の体積は最小となっている。この時、作動ガスは圧縮空間１９の体積が小さくなるために、主に圧縮空間１９において断熱圧縮されて発熱する。
【００２４】
（等容変化：作動ガスから蓄冷器２３への熱の移動）
ピストン１６が殆ど上側近くにくると、膨張ピストン１７が下側に動き始める。この時、ピストン１６は上側にあるためにピストン１６の移動は少なく、膨張ピストン１７が下側に動く。このため、圧縮空間１９で加熱された作動ガスは、孔２９を経由して高温部２１を通過しながら高温部２１を加熱する。加熱された高温部２１は、円筒型ケーシング１４の壁を通して外部に熱を放熱し、作動ガスは、蓄冷器２３を下側から加熱しながら蓄冷器２３により冷却されて低温部２２を通過し、膨張空間２０へと流れ込む。
【００２５】
（断熱膨張）
膨張ピストン１７が殆ど下側近くになると、ピストン１６が下側に動き出す。この時、膨張ピストン１７の移動は少なく膨張空間２０は最大の体積となっている。この状態でピストン１６が下側に移動するため、作動ガスは膨張空間２０より低温部２２、蓄冷器２３、高温部２１、孔２９を経由して圧縮空間１９へと断熱膨張し、膨張空間２０内の作動ガスは冷却される。
【００２６】
（等容変化：蓄冷器２３から作動ガスへの冷凍の移動）
ピストン１６が下側近くにくると、膨張ピストン１７は上側に動き始める。この時、ピストン１６は下側にあるためにピストン１６の移動は少なく、膨張ピストン１７が上側に動くために膨張空間２０内で冷却された作動ガスは低温部２２を通過しながら低温部２２を冷却する。冷却された低温部２２は、円筒型ケーシング１４の壁を通して外部より熱を吸熱し、作動ガスは蓄冷器２３を上側から冷却しながら蓄冷器２３により温度上昇されて高温部２１と孔２９を経由して圧縮空間１９へと流れ込む。
【００２７】
以上の４種の動作が順番に繰り返えされるサイクルは、逆スターリングサイクルと呼ばれており、このサイクルにより低温部２２は低温に冷えた吸熱部となり、高温部２１は温度の高い放熱部となる。この冷凍機は、膨張ピストン１７が直接的に機械駆動されていないためにフリーピストン型スターリング冷凍機と呼ばれている。
【００２８】
以上説明した様にこのフリーピストン型スターリング冷凍機は、非常にコンパクトであり、高温部２１と低温部２２が近接しており、蓄冷器２３の外側は金属製の円筒型ケーシング１４となっている。このため、高温部２１と低温部２２の間の円筒型ケーシング１４の側面には高温から低温まで単調に変化する温度分布があり、本発明のコンパクトなドライガス発生装置を構成する上で適している。
【００２９】
以下、図１を参照して、本実施例に係るドライガス発生装置を説明する。
【００３０】
図１において、４５は図２で説明したフリーピストン型スターリング冷凍機、２１はフリーピストン型スターリング冷凍機の高温部、２２はフリーピストン型スターリング冷凍機の低温部、１４はフリーピストン型スターリング冷凍機の円筒型ケーシングである。また、６１は真空ポンプ、６２は真空断熱部、６３は真空容器壁、６４は真空バルブ、３０はドレン用バルブ、３１はドレン管、３２はガス通路導入部、３７はガス通路出口部、４６は往路ガス熱交換通路部、４７は復路ガス熱交換通路部である。また、４８は往路外周壁、４８ａは往路外周壁フランジ、４９は低温側熱負荷フランジ、５０は低温接触部、５１は側面壁、５２は隔壁、５３ａは熱伝導部材ａ、５３ｂは熱伝導部材ｂ、５４はフランジである。このうち、復路ガス熱交換通路部４７と、往路ガス熱交換通路部４６が、本発明のドライガス発生装置のガス通路において、冷凍機４５の高温部２１と低温部２２に至る範囲内に配設されることで冷凍機４５と熱交換するガス通路に対応する。
【００３１】
真空容器壁６３は、ステンレス等によりつくられ円筒状の側面部と円盤状の上面部と併せてキャップ状の形状をなし、側面部には真空バルブ６４が接続されている。
【００３２】
往路外周壁４８は、熱伝導の小さいステンレス等の材料で作られており、例えば１ｍｍ以下の板厚で円筒状の形状をしている。
【００３３】
往路外周壁フランジ４８ａは、ステンレス等の材料で作られており、往路外周壁４８との境界部は溶接等によりリークタイトに接続されている。往路外周壁フランジ４８ａと真空容器壁６３との境界部は、溶接等によりリークタイトに接続されている。
【００３４】
低温側熱負荷フランジ４９は、銅等の熱伝導性の良い材料で作られており、往路外周壁４８との境界部はろう付け等によりリークタイトに接続されている。
【００３５】
従って、真空容器壁６３、往路外周壁フランジ４８ａ、往路外周壁４８及び低温側熱負荷フランジ４９により囲まれた空間である真空断熱部６２は、外気に対してリークタイトな空間となっている。この真空断熱部６２は、真空バルブ６４を介して真空ポンプ６１により真空排気することにより、フランジ５４の部分を除き真空断熱された空間となる。これにより、冷凍機の室温以下の部分と、少なくとも冷凍機の室温以下の部分と熱接触しているガス通路を含む部分の周囲の外気との間に断熱手段が施される。
【００３６】
低温接触部５０は、熱伝導の良い銅等の材料で作られており、フリーピストン型スターリング冷凍機の低温部を含めた上側の円筒型ケーシング１４の表面と熱接触するように作られている。低温接触部５０と低温側熱負荷フランジ４９との境界部は、熱伝導が得られる様にろう付けあるいはネジ止めにより固定されている。
【００３７】
側面壁５１は、径方向の熱伝導を確保し、軸方向へ熱が伝わりにくくするために、ステンレス等の材料により内径がフリーピストン型スターリング冷凍機の円筒型ケーシング１４に殆どフィットする１ｍｍ以下の薄肉の円筒状に作られている。側面壁５１と低温接触部５０との境界部は、ろう付け等により接続されている。
【００３８】
フランジ５４は、ステンレス等の金属材料で作られ外観が円盤状の形状をしており、ガス通路導入部３２、ドレン用バルブ３０、ドレン管３１、ガス通路出口部３７が接続されている。ガス通路導入部３２から続くフランジ５４内の通路は、フランジ５４と同心で外側寄りに配置され上側が開いたリング状の溝に接続されている。
【００３９】
ドレン用バルブ３０、ドレン管３１は、ガス通路導入部３２が接続されているフランジ５４内の同心溝状の通路に下側から接続されている。図では断面のみのため、その接続位置が同一である様に示されてはいるが、必ずしもガス通路導入部３２が接続されている溝部の位置と同じである必要はない。
【００４０】
ガス通路出口部３７は、フランジ５４内において、ガス通路導入部３２が接続されている溝部より内側に配置された同心で上側が開いたリング状の溝に接続されている。
【００４１】
フランジ５４と往路外周壁フランジ４８ａとの境界部、及び、フランジ５４と側面壁５１との境界部は、図示してはいないが好ましくはエラストマーＯリングとネジ止めによりリークタイトに接続される。
【００４２】
フランジ５４、往路外周壁フランジ４８ａ、往路外周壁４８、低温側熱負荷フランジ４９、低温接触部５０、側面壁５１により囲まれた内部空間は、全体として縦に長いリング状の空間を成す。この内部に、外観がリング状の板形状であり銅等の材料でつくられた熱伝導部材５３ａが、縦方向にほぼ等間隔で、内径が側面壁５１の外周に接触し外径が往路外周壁４８の内径に収まる様に配置される。最上部の熱伝導部材５３ａと低温側熱負荷フランジ４９との間を除いた各熱伝導部材５３ａの間と最下部の熱伝導部材５３ａとフランジ５４の間には、隔壁５２が配置されている。この隔壁５２は、熱伝導部材５３ａの外径と内径の間の径であり、フランジ５４の２つのリング状溝の間に収まる円筒状の部材で構成され、隔壁５２の径方向のガス流れを遮っている。
【００４３】
隔壁５２は、軸方向の熱伝達を減らし径方向の熱伝達を行いやすくするため、薄肉のステンレス材料等により作られている。又、熱伝導部材５３ａにおいて隔壁５２が接触している部分を除く部分には縦方向のガスの流れを起こしやすくするため、複数の穴が空けられている。最上部の熱伝導部材５３ａと低温側熱負荷フランジ４９との間には、隔壁５２とほぼ直径が同じで円筒状の熱伝導部材５３ｂが接続される。熱伝導部材５３ｂは、銅等の熱伝導性の良い材料で作られ、側面には径方向のガス流れを行い易くするために複数の穴が空けられている。
【００４４】
熱伝導部材５３ａ、熱伝導部材５３ｂ、隔壁５２以外の空間には、金属製メッシュ等が充填されており、隔壁５２と熱伝導部材５３ｂにより外側と内側に分けられた領域は、それぞれ往路ガス熱交換通路部４６と復路ガス熱交換通路部４７となっている。
【００４５】
この様に構成されたドライガス発生装置において、ドレン用バルブ３０が閉じている時に、ガス通路導入部３２より水分濃度の高いガスが導入されると、導入ガスは外側の往路ガス熱交換通路部４６を上側に流れる。その後、導入ガスは、内側の復路ガス熱交換通路部を下側に流れ、フランジ５４に接続されたガス通路出口部３７から流れ出る。
【００４６】
このとき、フリーピストン型スターリング冷凍機４５が既に稼動しているならば、往路ガス熱交換通路部４６と復路ガス熱交換通路部４７は、熱伝導部材５３ａ等によりフリーピストン型スターリング冷凍機４５の円筒状シリンダーと良好な熱交換を行っている。そして、往路ガス熱交換通路部４６が外側に配置され、復路ガス熱交換通路部４７が内側に配置されているために、往路ガス熱交換通路部４６の温度は下側で常温、上側で低温となり、復路ガス熱交換通路部４７の温度は上側で低温、下側で高温となる。
【００４７】
従って、導入ガスが往路ガス熱交換通路部４６を上側に流れるにつれ、冷却されて温度が下がり、前述した図４の平衡蒸気圧特性に従って水分濃度が減少して行く。低温部２２の温度が−８０℃（１９３Ｋ）以下であるならば、上部に至る迄に平衡蒸気圧は１Ｅ−１（１×１０−１）Ｐａ以下となり、大気圧の１０１３２５Ｐａに対してｐｐｍ以下の水分濃度が達成される。前述した様にスターリング冷凍機では、−８０℃（１９３Ｋ）は容易に達成できる温度である。
【００４８】
さらに、導入ガスがその先で復路ガス熱交換通路部４７を下側に流れるとき導入ガスは加熱され、下側にまで流れたとき温度はほぼ高温となり、ガス通路出口部３７から先で図示はしていないが真空装置等のパージガスとして使用される。この時のガス中の水分濃度は往路ガス熱交換通路部４６と復路ガス熱交換通路部４７の上部で既に得られている値となっており、ヒーター等を使うことなく室温以上のガス温度が得られている。又、ガス通路、真空容器６０のサイズは、明らかに冷凍機とほぼ同じサイズに構成できておりコンパクト化が実現できている。
【００４９】
尚、図１では冷凍機の冷凍パワーの損失を防ぐために、断熱手段として真空断熱構造を使用したが、必ずしも真空断熱構造である必要は無く、真空断熱部６２に相当する部分は発泡状の樹脂等であっても良い。この場合、図１において、真空ポンプ６１、真空バルブ６４、真空容器壁６３等は不要となる。
【００５０】
又、側面壁５１は、径方向の熱伝導を確保し、軸方向へ熱が伝わりにくくするために、ステンレス等の材料により内径がフリーピストン型スターリング冷凍機の円筒型ケーシング１４に殆どフィットする１ｍｍ以下の薄肉の円筒状に作られている。この側面壁５１と低温接触部５０との境界部はろう付け等により接続されていると記述したが、これに限定されない。側面壁５１とフリーピストン型スターリング冷凍機の円筒型ケーシング１４の間に熱伝導性のスプリングを複数配置し、同ギャップを狭くする樹脂等の低熱伝導部材を軸方向に配置してもよい。そうすれば、フィットするほどのギャップとする必要は無く、径方向に熱を伝達し軸方向に熱を伝えにくくする構造とすることができる。
【００５１】
尚、冷凍機の動作を停止し低温部２２の温度が常温に戻った後、ドレン用バルブ３０を開くことにより往路ガス熱交換通路部４６内で凝縮していた水分をドレン管３１から排出して取り除くことができる。
【００５２】
なお、上記実施例では、冷凍機としてスターリング型冷凍機を用いた場合を説明しているが、本発明は必ずしもこれに限定されない。例えば、オリフィスバッファ型パルス管冷凍機や、ブレイトンサイクルによる冷凍機等の冷凍機にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、窒素又は空気等のガス中の水分を減少させ、真空装置等に供給するドライガス発生装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第一の実施例に係るドライガス発生装置で用いているフリーピストン型スターリング冷凍機の構成を説明する断面図である。
【図２】本発明の第一の実施例に係る高温部と低温部を有するフリーピストン型スターリング冷凍機を用いたドライガス発生装置の全体構成を示す断面図である。
【図３】従来技術の機械式冷凍機を用いたドライエアー製造装置の全体構成を示す図である。
【図４】水の平衡蒸気圧特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５５】
１３ 冷凍機本体ケーシング
１４ 円筒型ケーシング
１４ａ 先端
１５ シリンダー
１６ ピストン
１７ 膨張ピストン
１８ 軸
１９ 圧縮空間
２０ 膨張空間
２１ 高温部
２２ 低温部
２３ 蓄冷器
２４ 板バネ
２５ 板バネ
２６ コイル
２７ 筒状永久磁石
２８ 電線
２９ 穴
３０ ドレン用バルブ
３１ ドレン管
３２ ガス通路導入部
３７ ガス通路出口部
４５ フリーピストン型スターリング冷凍機
４６ 往路ガス熱交換通路部
４７ 復路ガス熱交換通路部
４８ 往路外周壁
４８ａ 往路外周壁フランジ
４９ 低温側熱負荷フランジ
５０ 低温接触部
５１ 側面壁
５２ 隔壁
５３ａ 熱伝導部材ａ
５３ｂ 熱伝導部材ｂ
５４ フランジ
６０ 真空容器
６１ 真空ポンプ
６２ 真空断熱部
６４ 真空バルブ
７０ 極低温生成部
７０ａ 機械式冷凍機
７１ 金属ブロック
７２ 主熱交換部
７３ 予備熱交換部
７４ 圧縮空気ポンプ
７５ ヒーター
７６ ドレン管
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス通路に供給されたガス中の水分濃度を冷凍機により減少させるドライガス発生装置であって、
前記冷凍機は、前記ガスの温度を所定の露点温度以下に下げるための吸熱部となる低温部と、室温より温度が高い放熱部となる高温部とを有し、
前記ガス通路が、前記高温部と前記低温部に至る範囲内に配設されたことを特徴とするドライガス発生装置。
【請求項２】
前記ガス通路の高温部と低温部に至る範囲が真空断熱されていることを特徴とする請求項１記載のドライガス発生装置。
【請求項３】
前記冷凍機がスターリング型冷凍機であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のドライガス発生装置。
【請求項１】
ガス通路に供給されたガス中の水分濃度を冷凍機により減少させるドライガス発生装置であって、
前記冷凍機は、前記ガスの温度を所定の露点温度以下に下げるための吸熱部となる低温部と、室温より温度が高い放熱部となる高温部とを有し、
前記ガス通路が、前記高温部と前記低温部に至る範囲内に配設されたことを特徴とするドライガス発生装置。
【請求項２】
前記ガス通路の高温部と低温部に至る範囲が真空断熱されていることを特徴とする請求項１記載のドライガス発生装置。
【請求項３】
前記冷凍機がスターリング型冷凍機であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のドライガス発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−１４８７２１（Ｐ２００９−１４８７２１Ａ）
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３３００８１（Ｐ２００７−３３００８１）
【出願日】平成１９年１２月２１日（２００７．１２．２１）
【出願人】（５０３４２１１３９）キヤノンアネルバテクニクス株式会社 (26)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２１日（２００７．１２．２１）
【出願人】（５０３４２１１３９）キヤノンアネルバテクニクス株式会社 (26)
【Ｆターム（参考）】
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