フッ素ガス生成装置
【課題】フッ化水素を吸着除去する精製装置の閉塞を防止し、安定して、高純度なフッ素ガスを供給可能なフッ素ガス生成装置を提供する。
【解決手段】電解槽１の溶融塩から気化して陽極７から生成されたフッ素ガスに混入したフッ化水素を吸着剤によって吸着除去する精製装置２０を備え、精製装置２０は、電解槽１にて発生したフッ素ガスを含む主生ガスを通過させる筒状部材と、前記筒状部材の温度を調節する温度調節器と、前記筒状部材内に設けられた吸着剤保持具と、を備え、前記吸着剤保持具は、前記筒状部材内に前記主生ガス流路を確保するための空隙を形成するように設けられていることを特徴とするフッ素ガス生成装置。
【解決手段】電解槽１の溶融塩から気化して陽極７から生成されたフッ素ガスに混入したフッ化水素を吸着剤によって吸着除去する精製装置２０を備え、精製装置２０は、電解槽１にて発生したフッ素ガスを含む主生ガスを通過させる筒状部材と、前記筒状部材の温度を調節する温度調節器と、前記筒状部材内に設けられた吸着剤保持具と、を備え、前記吸着剤保持具は、前記筒状部材内に前記主生ガス流路を確保するための空隙を形成するように設けられていることを特徴とするフッ素ガス生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フッ素ガスを発生させるフッ素ガス生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解する電解槽を備え、陽極側にフッ素ガスを主成分とする主生ガスを発生させると共に、陰極側に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させるフッ素ガス生成装置が知られている。
【０００３】
この種のフッ素ガス生成装置では、電解槽の陽極から発生するフッ素ガスには溶融塩から気化したフッ化水素ガスが混入する。そのため、陽極から発生するガスからフッ化水素を分離してフッ素ガスを精製するために、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）等の吸着剤を充填した処理筒を有した精製装置が設けられる。
【０００４】
電解槽から発生するフッ素や水素ガスには、電解槽中に含まれる溶融塩から気化したフッ化水素や溶融塩自体のミスト成分が含まれており、これらの成分が吸着剤の劣化の原因となっている。特に、濃度の高いフッ化水素によって、処理筒入口付近の吸着剤が膨張や融着することがあり、吸着剤の目詰まりが生じる場合があった。このような目詰まりが生じると、ガスの流れが抑えられ、閉塞を引き起こすことが問題となっていた。
【０００５】
この問題点を改善する技術として、特許文献１には、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）等の吸着剤を充填した精製装置において、ガス導入口と吸着剤の間に空間を形成させる隔離手段を設け、この空間内にミスト成分の液滴を、放散、沈降させ、吸着剤と溶融塩のミスト成分の液滴を接触しにくい構成とし、吸着剤の目詰まりを抑制して、精製装置のメンテナンスの頻度を少なくする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２１５５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、フッ素ガス生成装置を長時間運転する場合や発生するガスの流量が大きくなる場合、それに伴い、吸着剤と接するフッ化水素ガスやミスト成分も増加する。そのため、特許文献１に記載の吸着剤が密に充填された精製装置を用いる構成では、一度、吸着剤が目詰まりを起こすと、ガスの流路が確保されなくなり、精製装置が閉塞してしまい、フッ素ガス発生装置の連続運転が中断される問題点があった。
【０００８】
このように、従来のフッ素ガス生成装置の電解槽にて生成されるフッ素ガスや水素ガスに含まれるフッ化水素を吸着除去する精製装置において、フッ化水素を吸着する吸着剤が密に充填される構成では、精製装置内の閉塞を完全に防止することが難しかった。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、フッ化水素を吸着除去する精製装置の閉塞を防止し、安定して、高純度なフッ素ガスを供給可能なフッ素ガス生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等は、上記課題を解決するために、鋭意検討した結果、フッ化水素を吸着除去する精製装置に設けられ、電解槽にて生成されたガスを通過させる筒状部材の内部に、吸着剤を保持する吸着剤保持具を設け、さらに、この吸着剤保持具を、筒状部材の内部空間にて、筒状部材の内部を通過するガス流路を確保するための空隙を形成させるように配置することによって、精製装置内の閉塞を防止し、安定して、高純度なフッ素ガスを供給できることを見出し、本発明に至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、フッ化水素を含む溶融塩中のフッ化水素を電気分解することによって、フッ素ガスを生成するフッ素ガス生成装置であって、前記フッ素ガス生成装置は、フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解することによって陽極側にフッ素ガスを主成分とする主生ガスを発生させると共に、陰極側に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させる電解槽と、前記主生ガスに混入したフッ素水素を吸着剤によって除去する精製装置を備え、前記精製装置は、前記主生ガスを通過させる筒状部材と、前記筒状部材の温度を調節する温度調節器と、前記筒状部材内に設けられた吸着剤保持具と、を備え、前記吸着剤保持具は、前記筒状部材内に前記主生ガスの流路を確保するための空隙を形成するように設けられていることを特徴とするフッ素ガス生成装置である。
【００１２】
また、本発明は、前記吸着剤保持具は、前記筒状部材内において、前記主生ガスの流路が蛇行状となるように、複数以上、設けられていることを特徴とするフッ素ガス生成装置である。
【００１３】
また、本発明は、前記吸着剤保持具は、盆状部材であり、該盆状部材は、ガスを流通させるための切欠部が設けられた底板部と、前記底板部の切欠部を除く外縁に立設された外縁側壁部と、前記底板部の切欠部側に立設する切欠側壁部と、前記盆状部材本体の上端開口部と、を有し、前記外縁側壁部を、前記筒状部材の内壁に内接するように配置したことを特徴とするフッ素ガス生成装置である。
【００１４】
また、本発明は、前記底板部には、貫通孔が設けられていることを特徴とするフッ素ガス生成装置である。
【００１５】
また、本発明は、前記盆状部材とその隣に配置された盆状部材との距離が、前記筒状部材の内径の１/５以上、内径以下、であることを特徴とするフッ素ガス生成装置である
また、本発明は、前記切欠部が設けられた底板部の面積が、前記筒状部材の内径部の面積の５０％以上、９５％以下、であることを特徴とするフッ素ガス生成装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、精製装置に設けられ、電解槽にて生成されたガスを通過させる筒状部材の内部に、吸着剤が充填されていない空隙を形成し、常に、ガス流路が確保される構成となっているため、吸着剤の一部が目詰まりを起こした場合でも、閉塞することなく、安定して、高純度なフッ素ガスを供給可能なフッ素ガス生成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置の系統図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る精製装置の概略図である。
【図３】図２のＡ−Ａの断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る盆状部材の一例である。
【図５】本発明の実施の形態に適用可能な精製装置の精製能力試験を行った実験装置の概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１を参照して、本発明の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置１００について説明する。
【００１９】
フッ素ガス生成装置１００は、電気分解によってフッ素ガスを生成し、生成されたフッ素ガスを外部装置４へと供給するものである。外部装置４としては、例えば、半導体製造装置であり、その場合、フッ素ガスは、例えば半導体の製造工程においてクリーニングガスとして使用される。
【００２０】
フッ素ガス生成装置１００は、電気分解によってフッ素ガスを生成する電解槽１と、電解槽１から生成したフッ素ガスを外部装置４へと供給するフッ素ガス供給系統２と、フッ素ガスの生成に伴って生成された副生ガスを処理する副生ガス処理系統３とを備える。
【００２１】
まず、電解槽１について説明する。電解槽１には、フッ化水素（ＨＦ）を含む溶融塩が貯留される。本実施の形態では、溶融塩として、フッ化水素とフッ化カリウム（ＫＦ）の混合物（ＫＦ・２ＨＦ）が用いられる。
【００２２】
電解槽１の内部は、溶融塩中に浸漬された区画壁６によって陽極室１１と陰極室１２とに区画される。陽極室１１及び陰極室１２の溶融塩中には、それぞれ陽極７及び陰極８が浸漬される。陽極７と陰極８の間に電源９から電流が供給されることによって、陽極７ではフッ素ガス（Ｆ2）を主成分とする主生ガスが生成され、陰極８では水素ガス（Ｈ2）を主成分とする副生ガスが生成される。陽極７には炭素電極が用いられ、陰極８には軟鉄、モネル、又はニッケルが用いられる。
【００２３】
電解槽１内の溶融塩液面上には、陽極７にて生成されたフッ素ガスが導かれる第１気室１１ａと、陰極８にて生成された水素ガスが導かれる第２気室１２ａとが互いのガスが行き来不能に区画壁６によって区画される。このように、第１気室１１ａと第２気室１２ａは、フッ素ガスと水素ガスとの混触による反応を防ぐため、区画壁６によって完全に分離される。これに対して、陽極室１１と陰極室１２の溶融塩は、区画壁６によって分離されず区画壁６の下方を通じて連通している。
【００２４】
ＫＦ・２ＨＦの融点は７１．７℃であるため、溶融塩の温度は９１〜９３℃に調節される。電解槽１の陽極７及び陰極８から生成したフッ素ガス及び水素ガスのそれぞれには、溶融塩からフッ化水素が蒸気圧分だけ気化して混入する。このように、陽極７にて生成され第１気室１１ａに導かれるフッ素ガス及び陰極８にて生成され第２気室１２ａに導かれる水素ガスのそれぞれには、フッ化水素ガスが含まれている。
【００２５】
次に、フッ素ガス供給系統２について説明する。第１気室１１ａには、フッ素ガスを外部装置４へと供給するための第１メイン通路１５が接続される。
【００２６】
第１メイン通路１５には、第１気室１１ａからフッ素ガスを導出して搬送する第１ポンプ１７が設けられる。第１ポンプ１７には、ベローズポンプやダイアフラムポンプ等の容積型ポンプが用いられる。第１メイン通路１５における第１ポンプ１７の上流には、フッ素ガスに混入したフッ化水素を捕集してフッ素ガスを精製する精製装置２０が設けられる。精製装置２０については、後に詳述する。
【００２７】
次に、副生ガス処理系統３について説明する。第２気室１２ａには、水素ガスを外部へと排出するための第２メイン通路３０が接続される。
【００２８】
第２メイン通路３０には、第２気室１２ａから水素ガスを導出して搬送する第２ポンプ３１が設けられる。第２メイン通路３０における第２ポンプ３１の下流には除害部３４が設けられ、第２ポンプ３１にて搬送された水素ガスは除害部３４にて無害化されて放出される。
【００２９】
フッ素ガス生成装置１００は、電解槽１の溶融塩中にフッ素ガスの原料であるフッ化水素を供給して補充するための原料供給系統５も備える。以下では、原料供給系統５について説明する。
【００３０】
電解槽１は、電解槽１に補充するためのフッ化水素が貯留されたフッ化水素供給源４０と原料供給通路４１を介して接続される。フッ化水素供給源４０に貯留されたフッ化水素は、原料供給通路４１を通じて電解槽１の溶融塩中に供給される。
【００３１】
また、原料供給通路４１には、キャリアガス供給源４５から供給されるキャリアガスを原料供給通路４１内に導くキャリアガス供給通路４６が接続される。キャリアガスは、フッ化水素を溶融塩中に導くためのガスであり、不活性ガスである窒素ガスが用いられる。窒素ガスは、フッ化水素と共に陰極室１２の溶融塩中に供給され、溶融塩中にはほとんど溶けず、第２気室１２ａから第２メイン通路３０を通じて排出される。
【００３２】
次に、精製装置２０について説明する。精製装置２０は、フッ素ガスに混入したフッ化水素をフッ化ナトリウム（ＮａＦ）等の吸着剤に吸着させ、フッ素ガス中に混入したフッ化水素を除去する装置である。
【００３３】
精製装置２０には、陽極７にて生成されたフッ素ガスを導く入口経路５１ａと、精製装置２０からフッ素ガスを導出するための出口経路５２ａが接続される。また、精製装置２０には、フッ素ガスが通過する筒状部材３１ａを備え、さらに、筒状部材３１ａの内部には、フッ化水素を吸着する吸着剤を保持するための吸着剤保持具が設けられる。
【００３４】
ここで言う筒状部材とは、内部にフッ化水素を吸着する吸着剤を収容し、電解槽１から発生したフッ素ガスを通過させ、フッ素ガス中のフッ化水素を吸着除去するための容器のことを表し、形状などは特に制限されない。筒状部材の材質としては、フッ素ガス及びフッ化水素ガスに対して耐性を有するものであることが好ましく、例えば、ステンレス鋼、モネル、ニッケルなどの合金、金属などが挙げられる。
【００３５】
吸着剤には、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）からなる多数の多孔質ビーズが用いられる。フッ化ナトリウムは吸着能力が温度により変化するため、筒状部材３１ａの周囲には筒状部材３１ａ内の温度を調整するための温度調節器として、ヒーター４１ａが設けられる。
【００３６】
温度調節器は、筒状部材内の温度を調整できるものであれば特に限定されないが、例えば、ヒーター、蒸気加熱、熱媒または冷媒を使用した加熱冷却装置を用いてもよい。
【００３７】
吸着剤に用いる薬剤としては、ＮａＦ、ＫＦ、ＲｂＦ、ＣｓＦ等のアルカリ金属フッ化物を使用することもできるが、その中でも、ＮａＦが特に好ましい。
【００３８】
吸着剤保持具は、筒状部材３１ａの内部にて、ガス流路を確保するための空隙を形成するように配置される。これによって、吸着剤の一部が目詰まりを起こした場合でも、閉塞することなくガスを流通させることができる構造となっている。
【００３９】
ここで言う吸着剤保持具とは、精製装置の筒状部材内に設けられ、筒状部材内の空間にて、所定量の吸着剤を収容保持するものを表す。また、吸着剤保持具は、ある一定の間隔空け、複数個設けるようにしてもよい。
【００４０】
さらに、筒状部材内を流通するガスに接触する吸着剤の表面積の割合を大きくするために、吸着剤保持具には、貫通孔を設けるようにすることが好ましい。ここで言う貫通孔とは、吸着剤を保持でき、かつ、ガスが通過できる孔の大きさであれば特に制限がなく、適宜設計されるものである。また、ガスに接触する吸着剤の表面積の割合を考慮すると、吸着剤保持具は多孔質状やメッシュ状にすることが好ましい。
【００４１】
吸着剤保持具の具体的な形状としては、筒状部材内のガス流路を確保し、かつ、吸着剤を収容保持できるものであれば特に制限はないが、例えば、金網（メッシュ状）で作製された球状や円筒状の籠型部材に吸着剤を充填する形態、盆状の容器などの盆状部材に吸着剤を充填する形態、シート状の金属（メッシュ状を含む）などに吸着剤を挟み込む形態、などが挙げられる。
【００４２】
吸着剤材保持具を精製装置の筒状部材内に設ける方法は、筒状部材内にガス流路を確保するための空隙を形成するように配置すれば特に制限されないが、例えば、上記説明のような形態の吸着剤保持具を筒状部材内の空間内に吊るす方法、筒状部材の内壁に固定して設ける方法などが挙げられる。
【００４３】
このように、筒状部材内にガス流路を確保するための空隙を形成するように配置される吸着剤材保持具を用いることによって、吸着剤の一部が目詰まりを起こした場合でも、筒状部材内において、常に、ガス流路を確保することができることとなり、閉塞を防止し、かつ、ガスの精製を効率的に行うことができる。
【００４４】
吸着剤保持具へ貫通孔を設ける際の加工性、筒状部材への設置、吸着剤の充填し易さなどの実用上の取り扱いを考慮すると、吸着剤保持具は、盆状部材が特に好ましい。ここで言う盆状部材とは、物体を収容できる平たい容器を示すものであり、吸着剤を収容できるものであれば、特に、略円状や略四角状など形状は問わず、筒状部材の形状によって適宜設計されるものである。
【００４５】
以下、吸着剤保持具の好適な一例として、盆状部材を挙げ、盆状部材を設けた精製装置２０について、図２を参照して説明する。なお、以下、吸着剤保持具として盆状部材を例として説明するが、本発明における吸着剤保持具は、盆状部材に限定されるものではない。
【００４６】
また、図３は、精製装置２０のＡ−Ａ断面図を示すものである。また、図４は、吸着剤保持具として用いる盆状部材の構造の一例を示す図である。
【００４７】
まず、図２、３を参照して、盆状部材を設けた精製装置２０の概略について説明する。図２、３に示されるように、盆状部材２１１の一部は、精製装置２０に備えられた筒状部材３１ａの内壁に固定される。また、盆状部材２１１の一部には、ガスを流通させるための切欠部２１２が形成されており、この切欠部２１２を設けることによって、ガスが常に流通することができ完全に閉塞しない構造となっている。なお、吸着剤７０は盆状部材２１１に充填されている。
【００４８】
盆状部材２１１を筒状部材３１ａの内壁に固定する位置は、ガスの流れを確保することができれば特に制限されないが、ガスと吸着剤を十分に接触させ、ガスの精製効率を向上させるようにすると良い。例えば、図２に示されるように、筒状部材内３１ａのガスの入口から出口方向にかけての流れ方向において、切欠部２１２が左右交互になるように、盆状部材２１１を筒状部材３１ａの内壁に、複数以上、交互となるように設けることが好ましい。この構成にすることによって、ガスの流れが蛇行状になり、筒状部材３１ａ内でのガスの入口から出口流路にかけて距離を大きくすることができ、ガスの精製効率を大幅に向上させることができる。
【００４９】
また、盆状部材を、離隔して複数以上設ける場合、盆状部材２１１とその隣に配置された盆状部材との距離が、筒状部材３１ａの内径の１/５以上、内径以下、とすることが好ましい。この距離が、１/５より短い場合は、ガスがスムーズに流れないことがあり、内径より長い場合は、ガスの流れを十分に蛇行状にすることができず、ガスを十分に吸着剤と接触させることができない。
【００５０】
盆状部材２１１の数（段数）は、精製装置の閉塞を完全に防止し、フッ化水素の吸着能力を向上させるためには、複数段設けることが好ましいが（後述の実施例１参照）、吸着させるフッ化水素の量や使用する精製装置の大きさなど装置の状況によって適宜設定されることが好ましい。
【００５１】
また、盆状部材２１１の大きさ、配置状況は、ガスの流れを妨げるようなものでなければ、特に制限はされることはなく、盆状部材を設ける筒状部材の大きさ等などの状況によって適宜設定されることが好ましい。
【００５２】
次に、図４を参照して、本発明における盆状部材の構造の一例について詳細に説明する。
【００５３】
図４に示すように、本発明の盆状部材２１１は、ガスを流通させるための切欠部２１２が設けられた底板部２１１ａと、底板部２１１ａの切欠部２１１を除く外縁に立設された外縁側壁部２１１ｂと、底板部２１１ａの切欠部側に立設する切欠側壁部２１１ｃと、盆状部材２１１本体の上端開口部２１１ｄと、を有する。
【００５４】
また、図３に示すように、盆上部材２１１の切欠部２１２を除く側壁部２１１ｂは、筒状部材３１ａ内の内壁に内接するように設けると良い。このような構成にすることによって、充填する吸着剤７０の量を増やし、ガスと吸着剤を十分に接触させ、ガスの精製効率をさらに向上させることができる。
【００５５】
筒状部材３１ａ内の空間にて、切欠部２１２を設けた盆状部材２１１を配置する位置はガスの流れを確保できる形状のものであれば特に制限がなく、適宜設計されるものであるが、例えば、充填する吸着剤７０の量を十分に収容し、かつ、ガスを十分に効率よく流通させるには、切欠部２１２が設けられた底板部２１１ａの面積を、筒状部材３１ａの内径部の面積の５０％以上、より好ましくは５０〜９５％、さらに好ましくは、８５〜９５％とするとよい。５０％未満では、吸着剤７０の量を十分に収容し、かつ、ガスの流れを蛇行状にして、十分に吸着剤に接触させにくい。一方、９５％より大きい場合では、圧力損失が大きくなり、ガスがスムーズに流れないことがあるので好ましくない。
【００５６】
また、筒状部材３１ａ内の空間にて、盆状部材２１１を配置固定する方法は、ガスの流れを確保できれば、複数の盆状部材２１１同士を接触させる、もしくは、離隔して配置することができ特に限定されない。例えば、筒状部材３１ａ内にて複数の盆状部材２１１同士を接触させて、切欠部２１２が左右交互になるように積み上げて配置固定する場合などは、切欠側壁部２１１ｃの高さを外縁側壁部２１１ｂの高さより低くして、この高低差による空隙にてガスの流路を確保するようにしてもよい。このような構成にすると、盆状部材２１１同士を積み上げるだけなので、筒状部材３１ａの内壁に盆状部材２１１を別途固定する手間が省けるという利点がある。
【００５７】
また、ガスに接触する吸着剤の表面積を大きくし、吸着の効率を向上させるために、盆状部材２１１を構成する部材に、適宜、貫通孔を設けるようにしてもよい。盆状部材２１１を構成する部材すべてに貫通孔を設けてもよいが、ガスに接触する吸着剤の表面積を大きくするためには、特に、底板部２１１ａや切欠側壁部２１１ｃに貫通孔を設けることが好ましく、例えば、底板部２１１a又は/及び切欠側壁部２１１ｃに貫通孔が設ける構成にするとよい。この構成にすることによって、さらに、ガスと吸着剤を十分に接触させ、ガスの精製効率をさらに向上させることができる。
【００５８】
盆状部材２１１に貫通孔を設ける方法は、特に制限されないが、例えば、パンチング加工などが挙げられる。また、貫通孔を有するものとしては、多孔質状やメッシュ状の部材を用いるとよい。特に、よりガスと吸着剤の表面積を大きくするためには、底板部２１１ａをメッシュ状にすることが、特に好ましい（後述の実施例１参照）。
【００５９】
なお、底板部２１１ａをメッシュ状にした場合、メッシュの部分に目詰まりが生じたとしても、切欠部２１２においてガス流路が確保されているので完全に閉塞することを防ぐことができる。
【００６０】
盆状部材２１１を構成する部材の材質としては、フッ素ガス及びフッ化水素ガスに対して耐性を有するものであることが好ましく、例えば、ステンレス鋼、モネル、ニッケルなどの合金、金属などが挙げられる。また、多孔質状やメッシュ状にする場合の材質においても、上述と同様な材質にすることが好ましい。
【００６１】
次に、本実施形態のフッ素ガス生成装置１００を運転させた際のガスの流れについて、精製装置２０の動作を中心に説明する。
【００６２】
電解槽１の陽極７にて生成されたフッ素ガスは、第１メイン通路１５を介して、精製装置２０に導かれ、開状態の入口弁１３ａを通過して、精製装置２０の筒状部材３１ａに設けられた入口通路５１ａから、筒状部材３１ａ 内部へ導かれる。このとき、筒状部材３１ａ内部の温度は、筒状部材３１ａの周囲に設けられたヒーター４１ａによって調整される。筒状部材３１a内の温度は、望まれるフッ素の純度（フッ素ガス中のフッ化水素濃度）によって、適宜設定されることが好ましいが、電解槽１から導かれたフッ素ガス中のフッ化水素濃度を１０００ｐｐｍ未満にするには、筒状部材３１a内の温度を７０〜１００℃の範囲にすることが好ましい。
【００６３】
さらに、フッ素ガスは、吸着剤保持具を設けた筒状部材３１ａ内部を通過し、その際、フッ素ガスは筒状部材３１ａ内に設けられた吸着剤保持具に収容保持された吸着剤と接しながら、フッ化水素が吸着される。このとき、フッ素ガスは筒状部材内の空隙を流通し、さらに、筒状部材３１a内を通過したガスは、出口通路５２ａから、精製装置２０外へ排出され、半導体製造装置等の外部装置４に導かれる。
【００６４】
上述では、電解槽１の陽極７にて生成されたフッ素ガスの生成について説明したが、電解槽１の陰極８にて生成された水素ガスについても、同様な構成の精製装置を用いて、同様な操作を行うことによって、陰極に生成された水素ガスの精製を行うようにすることも可能である。
【００６５】
また、上述の実施形態では、精製装置２０を通過するガスの流れ方向に関して、図１、図２では、精製装置を流れるガスの方向は筒状部材の下部から上部へ流れる場合について示したが、精製装置を通過するガスの流れ方向について、特に制限がなく、筒状部材の下部から上部もしくは上部から下部へ流すようにしてもよい。
【００６６】
以上の実施の形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。
【００６７】
本発明の実施の形態によると、精製装置に設けられた電解槽にて生成されたガスを通過させる筒状部材の内部に、吸着剤が充填されていない空隙を形成し、常に、ガス流路が確保される構成となっているため、吸着剤の一部が目詰まりを起こした場合でも、閉塞することなく、安定して、高純度なフッ素ガスを供給可能なフッ素ガス生成装置を提供することができる。
【００６８】
さらに、本発明の実施の形態によると、吸着剤の一部が目詰まりを起こした場合でも、筒状部材内に、常にガス流路が確保されているため、精製装置に充填された目詰まりを起こしていない部分の吸着剤を有効に活用することが可能となり、吸着剤を効率的に使用することが可能となる。
【００６９】
本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００７０】
例えば、精製装置は２つ以上設置し、切り替えながら使用するようにしてもよい。また、例えば、精製装置は、水素ガスを発生する陰極側のみ設けるようにする、又は、フッ素ガスが生成される陽極側及び水素ガスが生成される陰極側に設けるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、フッ素ガスを生成する装置に適用することができ、フッ化水素を吸着除去する吸着剤を回収、交換するメンテナンス作業の負荷を低減させることができる。
【実施例】
【００７２】
図５に示すような装置を用い、本発明の実施の形態に適用可能な精製装置の精製能力試験を行った。精製能力試験として、繰り返し使用における精製装置ガス入口Ａと出口Ｂでの差圧測定と出口ガスにおけるフッ化水素濃度を測定した。以下、吸着剤保持具の一例である盆状部材として、トレイ型容器を用いた精製装置をトレイ型精製装置と呼び説明する。
【００７３】
具体的には、フッ化水素を吸着剤に吸着させる吸着工程とフッ化水素の脱着工程を繰り返し行い、繰り返し回数都度において、精製装置ガス入口Ａとガス出口Ｂの差圧とガス出口Ｂのフッ化水素濃度を測定した結果を表１に示す。なお、同様な実験条件において、縦型充填精製装置を用いた場合を比較例として示した。ここで言う縦型充填精製装置とは、吸着剤をそのまま、精製装置に設けられた筒状部材の内部に密に充填するものを表す。
【００７４】
[実施例１]
盆状部材としては、図４に示す、略円状のトレイ型容器（ステンレス製、外径８０ｍｍ）を用い、トレイ型容器の底板部の面積が筒状部材の内径部の面積の９０％になるように、トレイ型容器の一部に切欠部を設けた。また、トレイ型容器は、底板部を繰り抜き加工し、メッシュ状の金属シートを挿入し、トレイ型容器の底板部と切欠側壁部に、貫通孔（メッシュ状）が設けられている容器を使用した。なお、トレイ型容器の材質はステンレス製のものを使用し、筒状部材としては、円筒型（内径８０ｍｍ）、材質はステンレスのものを使用した。
【００７５】
図５に示されるように、ガスの流れが蛇行状になるように、ガスの入口から出口方向にかけて、切欠部の位置が左右交互に、筒状部材内の内壁に対して略垂直になるように８段設けた。トレイ型容器は、切欠部を除く外縁側壁部のすべてを筒状部材内の内壁に内接するように配置した。吸着剤としてフッ化ナトリウムをトレイ型容器にそれぞれ８０ｇ充填した（８段で総量６４０ｇ）。また、筒状部材外周に設けられたヒーターによって筒状部材内の温度を１００℃と調整した。
【００７６】
サンプルガスとして、窒素ガスによって希釈した９％のフッ化水素ガスを０．７ｃｍ/ｓｅｃの流速で１５時間流通させ、精製装置のガス入口Ａとガス出口Ｂの差圧を圧力計によって測定し、あわせて、１５時間流通後のガス出口Ｂのフッ化水素濃度をフーリエ変換赤外分光（ＦＴ−ＩＲ）によって分析した。
【００７７】
次いで、筒状部材外周に設けられたヒーターによって、筒状部材内の温度を２５０℃に調整し、窒素ガスを２．１ｃｍ/ｓｅｃの流速で流通させ、吸着剤（フッ化ナトリウム）に吸着したフッ化水素の脱着操作を行った。
【００７８】
さらに、同様なフッ化水素を吸着剤に吸着させる吸着工程とフッ化水素の脱着工程を１５回行い、差圧測定とフッ化水素濃度の測定をそれぞれの回数において測定した。表１に示すように、１５回繰り返し行った場合においても、トレイ型精製装置では、精製装置のガス入口Ａとガス出口Ｂでは大きな差圧が発生しなかった。また、１５回すべての回数におけるガス出口Ｂのフッ化水素濃度は１０００ｐｐｍ以下であった。
【００７９】
この結果より、トレイ型精製装置を使用することによって、精製装置内において閉塞することなく、フッ化水素を効率的に吸着除去することができることが分かる。
【００８０】
[比較例１]
精製装置として、筒状部材内部に吸着剤保持具を設けていない縦型充填精製装置（吸着剤であるフッ化ナトリウム６４０ｇをそのまま密に充填）を用いた以外は実施例１に同様な実験条件で精製能力試験を行った。
【００８１】
その結果、縦型充填精製装置では、１５すべての回数において、ガス出口Ｂのフッ化水素濃度は１０００ｐｐｍ以下であったが、繰り返し回数が６回目において、差圧が１００００Ｐａ以上になり、完全に閉塞した。
【００８２】
［実施例１］及び［比較例１］より、トレイ型精製装置は縦型充填精製装置と同等の精製能力を持ち、かつ、閉塞しにくいということが分かる。
【表１】
【符号の説明】
【００８３】
１００ フッ素ガス生成装置
１ 電解槽
２ フッ素ガス供給系
３ 副生ガス供給系
４ 外部装置
５ 原料供給系
７ 陽極
８ 陰極
１１ａ 第１気室
１２ａ 第２気室
１５ 第１メイン通路
１７ 第１ポンプ
３１ 第２ポンプ
２０ 精製装置
２１１ 盆状部材
２１１ａ 底板部
２１１ｂ 外縁側壁部
２１１ｃ 切欠側壁部
２１１ｄ 上端開口部
２１２ 切欠部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フッ素ガスを発生させるフッ素ガス生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解する電解槽を備え、陽極側にフッ素ガスを主成分とする主生ガスを発生させると共に、陰極側に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させるフッ素ガス生成装置が知られている。
【０００３】
この種のフッ素ガス生成装置では、電解槽の陽極から発生するフッ素ガスには溶融塩から気化したフッ化水素ガスが混入する。そのため、陽極から発生するガスからフッ化水素を分離してフッ素ガスを精製するために、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）等の吸着剤を充填した処理筒を有した精製装置が設けられる。
【０００４】
電解槽から発生するフッ素や水素ガスには、電解槽中に含まれる溶融塩から気化したフッ化水素や溶融塩自体のミスト成分が含まれており、これらの成分が吸着剤の劣化の原因となっている。特に、濃度の高いフッ化水素によって、処理筒入口付近の吸着剤が膨張や融着することがあり、吸着剤の目詰まりが生じる場合があった。このような目詰まりが生じると、ガスの流れが抑えられ、閉塞を引き起こすことが問題となっていた。
【０００５】
この問題点を改善する技術として、特許文献１には、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）等の吸着剤を充填した精製装置において、ガス導入口と吸着剤の間に空間を形成させる隔離手段を設け、この空間内にミスト成分の液滴を、放散、沈降させ、吸着剤と溶融塩のミスト成分の液滴を接触しにくい構成とし、吸着剤の目詰まりを抑制して、精製装置のメンテナンスの頻度を少なくする技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２１５５８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、フッ素ガス生成装置を長時間運転する場合や発生するガスの流量が大きくなる場合、それに伴い、吸着剤と接するフッ化水素ガスやミスト成分も増加する。そのため、特許文献１に記載の吸着剤が密に充填された精製装置を用いる構成では、一度、吸着剤が目詰まりを起こすと、ガスの流路が確保されなくなり、精製装置が閉塞してしまい、フッ素ガス発生装置の連続運転が中断される問題点があった。
【０００８】
このように、従来のフッ素ガス生成装置の電解槽にて生成されるフッ素ガスや水素ガスに含まれるフッ化水素を吸着除去する精製装置において、フッ化水素を吸着する吸着剤が密に充填される構成では、精製装置内の閉塞を完全に防止することが難しかった。
【０００９】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、フッ化水素を吸着除去する精製装置の閉塞を防止し、安定して、高純度なフッ素ガスを供給可能なフッ素ガス生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明者等は、上記課題を解決するために、鋭意検討した結果、フッ化水素を吸着除去する精製装置に設けられ、電解槽にて生成されたガスを通過させる筒状部材の内部に、吸着剤を保持する吸着剤保持具を設け、さらに、この吸着剤保持具を、筒状部材の内部空間にて、筒状部材の内部を通過するガス流路を確保するための空隙を形成させるように配置することによって、精製装置内の閉塞を防止し、安定して、高純度なフッ素ガスを供給できることを見出し、本発明に至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、フッ化水素を含む溶融塩中のフッ化水素を電気分解することによって、フッ素ガスを生成するフッ素ガス生成装置であって、前記フッ素ガス生成装置は、フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解することによって陽極側にフッ素ガスを主成分とする主生ガスを発生させると共に、陰極側に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させる電解槽と、前記主生ガスに混入したフッ素水素を吸着剤によって除去する精製装置を備え、前記精製装置は、前記主生ガスを通過させる筒状部材と、前記筒状部材の温度を調節する温度調節器と、前記筒状部材内に設けられた吸着剤保持具と、を備え、前記吸着剤保持具は、前記筒状部材内に前記主生ガスの流路を確保するための空隙を形成するように設けられていることを特徴とするフッ素ガス生成装置である。
【００１２】
また、本発明は、前記吸着剤保持具は、前記筒状部材内において、前記主生ガスの流路が蛇行状となるように、複数以上、設けられていることを特徴とするフッ素ガス生成装置である。
【００１３】
また、本発明は、前記吸着剤保持具は、盆状部材であり、該盆状部材は、ガスを流通させるための切欠部が設けられた底板部と、前記底板部の切欠部を除く外縁に立設された外縁側壁部と、前記底板部の切欠部側に立設する切欠側壁部と、前記盆状部材本体の上端開口部と、を有し、前記外縁側壁部を、前記筒状部材の内壁に内接するように配置したことを特徴とするフッ素ガス生成装置である。
【００１４】
また、本発明は、前記底板部には、貫通孔が設けられていることを特徴とするフッ素ガス生成装置である。
【００１５】
また、本発明は、前記盆状部材とその隣に配置された盆状部材との距離が、前記筒状部材の内径の１/５以上、内径以下、であることを特徴とするフッ素ガス生成装置である
また、本発明は、前記切欠部が設けられた底板部の面積が、前記筒状部材の内径部の面積の５０％以上、９５％以下、であることを特徴とするフッ素ガス生成装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、精製装置に設けられ、電解槽にて生成されたガスを通過させる筒状部材の内部に、吸着剤が充填されていない空隙を形成し、常に、ガス流路が確保される構成となっているため、吸着剤の一部が目詰まりを起こした場合でも、閉塞することなく、安定して、高純度なフッ素ガスを供給可能なフッ素ガス生成装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置の系統図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る精製装置の概略図である。
【図３】図２のＡ−Ａの断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る盆状部材の一例である。
【図５】本発明の実施の形態に適用可能な精製装置の精製能力試験を行った実験装置の概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。図１を参照して、本発明の実施の形態に係るフッ素ガス生成装置１００について説明する。
【００１９】
フッ素ガス生成装置１００は、電気分解によってフッ素ガスを生成し、生成されたフッ素ガスを外部装置４へと供給するものである。外部装置４としては、例えば、半導体製造装置であり、その場合、フッ素ガスは、例えば半導体の製造工程においてクリーニングガスとして使用される。
【００２０】
フッ素ガス生成装置１００は、電気分解によってフッ素ガスを生成する電解槽１と、電解槽１から生成したフッ素ガスを外部装置４へと供給するフッ素ガス供給系統２と、フッ素ガスの生成に伴って生成された副生ガスを処理する副生ガス処理系統３とを備える。
【００２１】
まず、電解槽１について説明する。電解槽１には、フッ化水素（ＨＦ）を含む溶融塩が貯留される。本実施の形態では、溶融塩として、フッ化水素とフッ化カリウム（ＫＦ）の混合物（ＫＦ・２ＨＦ）が用いられる。
【００２２】
電解槽１の内部は、溶融塩中に浸漬された区画壁６によって陽極室１１と陰極室１２とに区画される。陽極室１１及び陰極室１２の溶融塩中には、それぞれ陽極７及び陰極８が浸漬される。陽極７と陰極８の間に電源９から電流が供給されることによって、陽極７ではフッ素ガス（Ｆ2）を主成分とする主生ガスが生成され、陰極８では水素ガス（Ｈ2）を主成分とする副生ガスが生成される。陽極７には炭素電極が用いられ、陰極８には軟鉄、モネル、又はニッケルが用いられる。
【００２３】
電解槽１内の溶融塩液面上には、陽極７にて生成されたフッ素ガスが導かれる第１気室１１ａと、陰極８にて生成された水素ガスが導かれる第２気室１２ａとが互いのガスが行き来不能に区画壁６によって区画される。このように、第１気室１１ａと第２気室１２ａは、フッ素ガスと水素ガスとの混触による反応を防ぐため、区画壁６によって完全に分離される。これに対して、陽極室１１と陰極室１２の溶融塩は、区画壁６によって分離されず区画壁６の下方を通じて連通している。
【００２４】
ＫＦ・２ＨＦの融点は７１．７℃であるため、溶融塩の温度は９１〜９３℃に調節される。電解槽１の陽極７及び陰極８から生成したフッ素ガス及び水素ガスのそれぞれには、溶融塩からフッ化水素が蒸気圧分だけ気化して混入する。このように、陽極７にて生成され第１気室１１ａに導かれるフッ素ガス及び陰極８にて生成され第２気室１２ａに導かれる水素ガスのそれぞれには、フッ化水素ガスが含まれている。
【００２５】
次に、フッ素ガス供給系統２について説明する。第１気室１１ａには、フッ素ガスを外部装置４へと供給するための第１メイン通路１５が接続される。
【００２６】
第１メイン通路１５には、第１気室１１ａからフッ素ガスを導出して搬送する第１ポンプ１７が設けられる。第１ポンプ１７には、ベローズポンプやダイアフラムポンプ等の容積型ポンプが用いられる。第１メイン通路１５における第１ポンプ１７の上流には、フッ素ガスに混入したフッ化水素を捕集してフッ素ガスを精製する精製装置２０が設けられる。精製装置２０については、後に詳述する。
【００２７】
次に、副生ガス処理系統３について説明する。第２気室１２ａには、水素ガスを外部へと排出するための第２メイン通路３０が接続される。
【００２８】
第２メイン通路３０には、第２気室１２ａから水素ガスを導出して搬送する第２ポンプ３１が設けられる。第２メイン通路３０における第２ポンプ３１の下流には除害部３４が設けられ、第２ポンプ３１にて搬送された水素ガスは除害部３４にて無害化されて放出される。
【００２９】
フッ素ガス生成装置１００は、電解槽１の溶融塩中にフッ素ガスの原料であるフッ化水素を供給して補充するための原料供給系統５も備える。以下では、原料供給系統５について説明する。
【００３０】
電解槽１は、電解槽１に補充するためのフッ化水素が貯留されたフッ化水素供給源４０と原料供給通路４１を介して接続される。フッ化水素供給源４０に貯留されたフッ化水素は、原料供給通路４１を通じて電解槽１の溶融塩中に供給される。
【００３１】
また、原料供給通路４１には、キャリアガス供給源４５から供給されるキャリアガスを原料供給通路４１内に導くキャリアガス供給通路４６が接続される。キャリアガスは、フッ化水素を溶融塩中に導くためのガスであり、不活性ガスである窒素ガスが用いられる。窒素ガスは、フッ化水素と共に陰極室１２の溶融塩中に供給され、溶融塩中にはほとんど溶けず、第２気室１２ａから第２メイン通路３０を通じて排出される。
【００３２】
次に、精製装置２０について説明する。精製装置２０は、フッ素ガスに混入したフッ化水素をフッ化ナトリウム（ＮａＦ）等の吸着剤に吸着させ、フッ素ガス中に混入したフッ化水素を除去する装置である。
【００３３】
精製装置２０には、陽極７にて生成されたフッ素ガスを導く入口経路５１ａと、精製装置２０からフッ素ガスを導出するための出口経路５２ａが接続される。また、精製装置２０には、フッ素ガスが通過する筒状部材３１ａを備え、さらに、筒状部材３１ａの内部には、フッ化水素を吸着する吸着剤を保持するための吸着剤保持具が設けられる。
【００３４】
ここで言う筒状部材とは、内部にフッ化水素を吸着する吸着剤を収容し、電解槽１から発生したフッ素ガスを通過させ、フッ素ガス中のフッ化水素を吸着除去するための容器のことを表し、形状などは特に制限されない。筒状部材の材質としては、フッ素ガス及びフッ化水素ガスに対して耐性を有するものであることが好ましく、例えば、ステンレス鋼、モネル、ニッケルなどの合金、金属などが挙げられる。
【００３５】
吸着剤には、フッ化ナトリウム（ＮａＦ）からなる多数の多孔質ビーズが用いられる。フッ化ナトリウムは吸着能力が温度により変化するため、筒状部材３１ａの周囲には筒状部材３１ａ内の温度を調整するための温度調節器として、ヒーター４１ａが設けられる。
【００３６】
温度調節器は、筒状部材内の温度を調整できるものであれば特に限定されないが、例えば、ヒーター、蒸気加熱、熱媒または冷媒を使用した加熱冷却装置を用いてもよい。
【００３７】
吸着剤に用いる薬剤としては、ＮａＦ、ＫＦ、ＲｂＦ、ＣｓＦ等のアルカリ金属フッ化物を使用することもできるが、その中でも、ＮａＦが特に好ましい。
【００３８】
吸着剤保持具は、筒状部材３１ａの内部にて、ガス流路を確保するための空隙を形成するように配置される。これによって、吸着剤の一部が目詰まりを起こした場合でも、閉塞することなくガスを流通させることができる構造となっている。
【００３９】
ここで言う吸着剤保持具とは、精製装置の筒状部材内に設けられ、筒状部材内の空間にて、所定量の吸着剤を収容保持するものを表す。また、吸着剤保持具は、ある一定の間隔空け、複数個設けるようにしてもよい。
【００４０】
さらに、筒状部材内を流通するガスに接触する吸着剤の表面積の割合を大きくするために、吸着剤保持具には、貫通孔を設けるようにすることが好ましい。ここで言う貫通孔とは、吸着剤を保持でき、かつ、ガスが通過できる孔の大きさであれば特に制限がなく、適宜設計されるものである。また、ガスに接触する吸着剤の表面積の割合を考慮すると、吸着剤保持具は多孔質状やメッシュ状にすることが好ましい。
【００４１】
吸着剤保持具の具体的な形状としては、筒状部材内のガス流路を確保し、かつ、吸着剤を収容保持できるものであれば特に制限はないが、例えば、金網（メッシュ状）で作製された球状や円筒状の籠型部材に吸着剤を充填する形態、盆状の容器などの盆状部材に吸着剤を充填する形態、シート状の金属（メッシュ状を含む）などに吸着剤を挟み込む形態、などが挙げられる。
【００４２】
吸着剤材保持具を精製装置の筒状部材内に設ける方法は、筒状部材内にガス流路を確保するための空隙を形成するように配置すれば特に制限されないが、例えば、上記説明のような形態の吸着剤保持具を筒状部材内の空間内に吊るす方法、筒状部材の内壁に固定して設ける方法などが挙げられる。
【００４３】
このように、筒状部材内にガス流路を確保するための空隙を形成するように配置される吸着剤材保持具を用いることによって、吸着剤の一部が目詰まりを起こした場合でも、筒状部材内において、常に、ガス流路を確保することができることとなり、閉塞を防止し、かつ、ガスの精製を効率的に行うことができる。
【００４４】
吸着剤保持具へ貫通孔を設ける際の加工性、筒状部材への設置、吸着剤の充填し易さなどの実用上の取り扱いを考慮すると、吸着剤保持具は、盆状部材が特に好ましい。ここで言う盆状部材とは、物体を収容できる平たい容器を示すものであり、吸着剤を収容できるものであれば、特に、略円状や略四角状など形状は問わず、筒状部材の形状によって適宜設計されるものである。
【００４５】
以下、吸着剤保持具の好適な一例として、盆状部材を挙げ、盆状部材を設けた精製装置２０について、図２を参照して説明する。なお、以下、吸着剤保持具として盆状部材を例として説明するが、本発明における吸着剤保持具は、盆状部材に限定されるものではない。
【００４６】
また、図３は、精製装置２０のＡ−Ａ断面図を示すものである。また、図４は、吸着剤保持具として用いる盆状部材の構造の一例を示す図である。
【００４７】
まず、図２、３を参照して、盆状部材を設けた精製装置２０の概略について説明する。図２、３に示されるように、盆状部材２１１の一部は、精製装置２０に備えられた筒状部材３１ａの内壁に固定される。また、盆状部材２１１の一部には、ガスを流通させるための切欠部２１２が形成されており、この切欠部２１２を設けることによって、ガスが常に流通することができ完全に閉塞しない構造となっている。なお、吸着剤７０は盆状部材２１１に充填されている。
【００４８】
盆状部材２１１を筒状部材３１ａの内壁に固定する位置は、ガスの流れを確保することができれば特に制限されないが、ガスと吸着剤を十分に接触させ、ガスの精製効率を向上させるようにすると良い。例えば、図２に示されるように、筒状部材内３１ａのガスの入口から出口方向にかけての流れ方向において、切欠部２１２が左右交互になるように、盆状部材２１１を筒状部材３１ａの内壁に、複数以上、交互となるように設けることが好ましい。この構成にすることによって、ガスの流れが蛇行状になり、筒状部材３１ａ内でのガスの入口から出口流路にかけて距離を大きくすることができ、ガスの精製効率を大幅に向上させることができる。
【００４９】
また、盆状部材を、離隔して複数以上設ける場合、盆状部材２１１とその隣に配置された盆状部材との距離が、筒状部材３１ａの内径の１/５以上、内径以下、とすることが好ましい。この距離が、１/５より短い場合は、ガスがスムーズに流れないことがあり、内径より長い場合は、ガスの流れを十分に蛇行状にすることができず、ガスを十分に吸着剤と接触させることができない。
【００５０】
盆状部材２１１の数（段数）は、精製装置の閉塞を完全に防止し、フッ化水素の吸着能力を向上させるためには、複数段設けることが好ましいが（後述の実施例１参照）、吸着させるフッ化水素の量や使用する精製装置の大きさなど装置の状況によって適宜設定されることが好ましい。
【００５１】
また、盆状部材２１１の大きさ、配置状況は、ガスの流れを妨げるようなものでなければ、特に制限はされることはなく、盆状部材を設ける筒状部材の大きさ等などの状況によって適宜設定されることが好ましい。
【００５２】
次に、図４を参照して、本発明における盆状部材の構造の一例について詳細に説明する。
【００５３】
図４に示すように、本発明の盆状部材２１１は、ガスを流通させるための切欠部２１２が設けられた底板部２１１ａと、底板部２１１ａの切欠部２１１を除く外縁に立設された外縁側壁部２１１ｂと、底板部２１１ａの切欠部側に立設する切欠側壁部２１１ｃと、盆状部材２１１本体の上端開口部２１１ｄと、を有する。
【００５４】
また、図３に示すように、盆上部材２１１の切欠部２１２を除く側壁部２１１ｂは、筒状部材３１ａ内の内壁に内接するように設けると良い。このような構成にすることによって、充填する吸着剤７０の量を増やし、ガスと吸着剤を十分に接触させ、ガスの精製効率をさらに向上させることができる。
【００５５】
筒状部材３１ａ内の空間にて、切欠部２１２を設けた盆状部材２１１を配置する位置はガスの流れを確保できる形状のものであれば特に制限がなく、適宜設計されるものであるが、例えば、充填する吸着剤７０の量を十分に収容し、かつ、ガスを十分に効率よく流通させるには、切欠部２１２が設けられた底板部２１１ａの面積を、筒状部材３１ａの内径部の面積の５０％以上、より好ましくは５０〜９５％、さらに好ましくは、８５〜９５％とするとよい。５０％未満では、吸着剤７０の量を十分に収容し、かつ、ガスの流れを蛇行状にして、十分に吸着剤に接触させにくい。一方、９５％より大きい場合では、圧力損失が大きくなり、ガスがスムーズに流れないことがあるので好ましくない。
【００５６】
また、筒状部材３１ａ内の空間にて、盆状部材２１１を配置固定する方法は、ガスの流れを確保できれば、複数の盆状部材２１１同士を接触させる、もしくは、離隔して配置することができ特に限定されない。例えば、筒状部材３１ａ内にて複数の盆状部材２１１同士を接触させて、切欠部２１２が左右交互になるように積み上げて配置固定する場合などは、切欠側壁部２１１ｃの高さを外縁側壁部２１１ｂの高さより低くして、この高低差による空隙にてガスの流路を確保するようにしてもよい。このような構成にすると、盆状部材２１１同士を積み上げるだけなので、筒状部材３１ａの内壁に盆状部材２１１を別途固定する手間が省けるという利点がある。
【００５７】
また、ガスに接触する吸着剤の表面積を大きくし、吸着の効率を向上させるために、盆状部材２１１を構成する部材に、適宜、貫通孔を設けるようにしてもよい。盆状部材２１１を構成する部材すべてに貫通孔を設けてもよいが、ガスに接触する吸着剤の表面積を大きくするためには、特に、底板部２１１ａや切欠側壁部２１１ｃに貫通孔を設けることが好ましく、例えば、底板部２１１a又は/及び切欠側壁部２１１ｃに貫通孔が設ける構成にするとよい。この構成にすることによって、さらに、ガスと吸着剤を十分に接触させ、ガスの精製効率をさらに向上させることができる。
【００５８】
盆状部材２１１に貫通孔を設ける方法は、特に制限されないが、例えば、パンチング加工などが挙げられる。また、貫通孔を有するものとしては、多孔質状やメッシュ状の部材を用いるとよい。特に、よりガスと吸着剤の表面積を大きくするためには、底板部２１１ａをメッシュ状にすることが、特に好ましい（後述の実施例１参照）。
【００５９】
なお、底板部２１１ａをメッシュ状にした場合、メッシュの部分に目詰まりが生じたとしても、切欠部２１２においてガス流路が確保されているので完全に閉塞することを防ぐことができる。
【００６０】
盆状部材２１１を構成する部材の材質としては、フッ素ガス及びフッ化水素ガスに対して耐性を有するものであることが好ましく、例えば、ステンレス鋼、モネル、ニッケルなどの合金、金属などが挙げられる。また、多孔質状やメッシュ状にする場合の材質においても、上述と同様な材質にすることが好ましい。
【００６１】
次に、本実施形態のフッ素ガス生成装置１００を運転させた際のガスの流れについて、精製装置２０の動作を中心に説明する。
【００６２】
電解槽１の陽極７にて生成されたフッ素ガスは、第１メイン通路１５を介して、精製装置２０に導かれ、開状態の入口弁１３ａを通過して、精製装置２０の筒状部材３１ａに設けられた入口通路５１ａから、筒状部材３１ａ 内部へ導かれる。このとき、筒状部材３１ａ内部の温度は、筒状部材３１ａの周囲に設けられたヒーター４１ａによって調整される。筒状部材３１a内の温度は、望まれるフッ素の純度（フッ素ガス中のフッ化水素濃度）によって、適宜設定されることが好ましいが、電解槽１から導かれたフッ素ガス中のフッ化水素濃度を１０００ｐｐｍ未満にするには、筒状部材３１a内の温度を７０〜１００℃の範囲にすることが好ましい。
【００６３】
さらに、フッ素ガスは、吸着剤保持具を設けた筒状部材３１ａ内部を通過し、その際、フッ素ガスは筒状部材３１ａ内に設けられた吸着剤保持具に収容保持された吸着剤と接しながら、フッ化水素が吸着される。このとき、フッ素ガスは筒状部材内の空隙を流通し、さらに、筒状部材３１a内を通過したガスは、出口通路５２ａから、精製装置２０外へ排出され、半導体製造装置等の外部装置４に導かれる。
【００６４】
上述では、電解槽１の陽極７にて生成されたフッ素ガスの生成について説明したが、電解槽１の陰極８にて生成された水素ガスについても、同様な構成の精製装置を用いて、同様な操作を行うことによって、陰極に生成された水素ガスの精製を行うようにすることも可能である。
【００６５】
また、上述の実施形態では、精製装置２０を通過するガスの流れ方向に関して、図１、図２では、精製装置を流れるガスの方向は筒状部材の下部から上部へ流れる場合について示したが、精製装置を通過するガスの流れ方向について、特に制限がなく、筒状部材の下部から上部もしくは上部から下部へ流すようにしてもよい。
【００６６】
以上の実施の形態によれば、以下に示す作用効果を奏する。
【００６７】
本発明の実施の形態によると、精製装置に設けられた電解槽にて生成されたガスを通過させる筒状部材の内部に、吸着剤が充填されていない空隙を形成し、常に、ガス流路が確保される構成となっているため、吸着剤の一部が目詰まりを起こした場合でも、閉塞することなく、安定して、高純度なフッ素ガスを供給可能なフッ素ガス生成装置を提供することができる。
【００６８】
さらに、本発明の実施の形態によると、吸着剤の一部が目詰まりを起こした場合でも、筒状部材内に、常にガス流路が確保されているため、精製装置に充填された目詰まりを起こしていない部分の吸着剤を有効に活用することが可能となり、吸着剤を効率的に使用することが可能となる。
【００６９】
本発明は上記の実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【００７０】
例えば、精製装置は２つ以上設置し、切り替えながら使用するようにしてもよい。また、例えば、精製装置は、水素ガスを発生する陰極側のみ設けるようにする、又は、フッ素ガスが生成される陽極側及び水素ガスが生成される陰極側に設けるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、フッ素ガスを生成する装置に適用することができ、フッ化水素を吸着除去する吸着剤を回収、交換するメンテナンス作業の負荷を低減させることができる。
【実施例】
【００７２】
図５に示すような装置を用い、本発明の実施の形態に適用可能な精製装置の精製能力試験を行った。精製能力試験として、繰り返し使用における精製装置ガス入口Ａと出口Ｂでの差圧測定と出口ガスにおけるフッ化水素濃度を測定した。以下、吸着剤保持具の一例である盆状部材として、トレイ型容器を用いた精製装置をトレイ型精製装置と呼び説明する。
【００７３】
具体的には、フッ化水素を吸着剤に吸着させる吸着工程とフッ化水素の脱着工程を繰り返し行い、繰り返し回数都度において、精製装置ガス入口Ａとガス出口Ｂの差圧とガス出口Ｂのフッ化水素濃度を測定した結果を表１に示す。なお、同様な実験条件において、縦型充填精製装置を用いた場合を比較例として示した。ここで言う縦型充填精製装置とは、吸着剤をそのまま、精製装置に設けられた筒状部材の内部に密に充填するものを表す。
【００７４】
[実施例１]
盆状部材としては、図４に示す、略円状のトレイ型容器（ステンレス製、外径８０ｍｍ）を用い、トレイ型容器の底板部の面積が筒状部材の内径部の面積の９０％になるように、トレイ型容器の一部に切欠部を設けた。また、トレイ型容器は、底板部を繰り抜き加工し、メッシュ状の金属シートを挿入し、トレイ型容器の底板部と切欠側壁部に、貫通孔（メッシュ状）が設けられている容器を使用した。なお、トレイ型容器の材質はステンレス製のものを使用し、筒状部材としては、円筒型（内径８０ｍｍ）、材質はステンレスのものを使用した。
【００７５】
図５に示されるように、ガスの流れが蛇行状になるように、ガスの入口から出口方向にかけて、切欠部の位置が左右交互に、筒状部材内の内壁に対して略垂直になるように８段設けた。トレイ型容器は、切欠部を除く外縁側壁部のすべてを筒状部材内の内壁に内接するように配置した。吸着剤としてフッ化ナトリウムをトレイ型容器にそれぞれ８０ｇ充填した（８段で総量６４０ｇ）。また、筒状部材外周に設けられたヒーターによって筒状部材内の温度を１００℃と調整した。
【００７６】
サンプルガスとして、窒素ガスによって希釈した９％のフッ化水素ガスを０．７ｃｍ/ｓｅｃの流速で１５時間流通させ、精製装置のガス入口Ａとガス出口Ｂの差圧を圧力計によって測定し、あわせて、１５時間流通後のガス出口Ｂのフッ化水素濃度をフーリエ変換赤外分光（ＦＴ−ＩＲ）によって分析した。
【００７７】
次いで、筒状部材外周に設けられたヒーターによって、筒状部材内の温度を２５０℃に調整し、窒素ガスを２．１ｃｍ/ｓｅｃの流速で流通させ、吸着剤（フッ化ナトリウム）に吸着したフッ化水素の脱着操作を行った。
【００７８】
さらに、同様なフッ化水素を吸着剤に吸着させる吸着工程とフッ化水素の脱着工程を１５回行い、差圧測定とフッ化水素濃度の測定をそれぞれの回数において測定した。表１に示すように、１５回繰り返し行った場合においても、トレイ型精製装置では、精製装置のガス入口Ａとガス出口Ｂでは大きな差圧が発生しなかった。また、１５回すべての回数におけるガス出口Ｂのフッ化水素濃度は１０００ｐｐｍ以下であった。
【００７９】
この結果より、トレイ型精製装置を使用することによって、精製装置内において閉塞することなく、フッ化水素を効率的に吸着除去することができることが分かる。
【００８０】
[比較例１]
精製装置として、筒状部材内部に吸着剤保持具を設けていない縦型充填精製装置（吸着剤であるフッ化ナトリウム６４０ｇをそのまま密に充填）を用いた以外は実施例１に同様な実験条件で精製能力試験を行った。
【００８１】
その結果、縦型充填精製装置では、１５すべての回数において、ガス出口Ｂのフッ化水素濃度は１０００ｐｐｍ以下であったが、繰り返し回数が６回目において、差圧が１００００Ｐａ以上になり、完全に閉塞した。
【００８２】
［実施例１］及び［比較例１］より、トレイ型精製装置は縦型充填精製装置と同等の精製能力を持ち、かつ、閉塞しにくいということが分かる。
【表１】
【符号の説明】
【００８３】
１００ フッ素ガス生成装置
１ 電解槽
２ フッ素ガス供給系
３ 副生ガス供給系
４ 外部装置
５ 原料供給系
７ 陽極
８ 陰極
１１ａ 第１気室
１２ａ 第２気室
１５ 第１メイン通路
１７ 第１ポンプ
３１ 第２ポンプ
２０ 精製装置
２１１ 盆状部材
２１１ａ 底板部
２１１ｂ 外縁側壁部
２１１ｃ 切欠側壁部
２１１ｄ 上端開口部
２１２ 切欠部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フッ化水素を含む溶融塩中のフッ化水素を電気分解することによって、フッ素ガスを生成するフッ素ガス生成装置であって、
前記フッ素ガス生成装置は、
フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解することによって陽極側にフッ素ガスを主成分とする主生ガスを発生させると共に、陰極側に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させる電解槽と、
前記主生ガスに混入したフッ素水素を吸着剤によって除去する精製装置を備え、
前記精製装置は、
前記主生ガスを通過させる筒状部材と、
前記筒状部材の温度を調節する温度調節器と、
前記筒状部材内に設けられた吸着剤保持具と、を備え、
前記吸着剤保持具は、前記筒状部材内に前記主生ガスの流路を確保するための空隙を形成するように設けられていることを特徴とするフッ素ガス生成装置。
【請求項２】
前記吸着剤保持具は、前記筒状部材内において、前記主生ガスの流路が蛇行状となるように、複数以上、設けられていることを特徴とする請求項１に記載のフッ素ガス生成装置。
【請求項３】
前記吸着剤保持具は、盆状部材であり、該盆状部材は、ガスを流通させるための切欠部が設けられた底板部と、前記底板部の切欠部を除く外縁に立設された外縁側壁部と、前記底板部の切欠部側に立設する切欠側壁部と、前記盆状部材本体の上端開口部と、を有し、前記外縁側壁部を、前記筒状部材の内壁に内接するように配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフッ素ガス生成装置。
【請求項４】
前記底板部には、貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のフッ素ガス生成装置。
【請求項５】
前記吸着剤保持具は、前記筒状部材内に、離隔して複数以上設けられ、前記盆状部材とその隣に配置された盆状部材との距離が、前記筒状部材の内径の１/５以上、内径以下、であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のフッ素ガス生成装置。
【請求項６】
前記切欠部が設けられた底板部の面積が、前記筒状部材の内径部の面積の５０％以上、９５％以下であることを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れかに記載のフッ素ガス生成装置。
【請求項１】
フッ化水素を含む溶融塩中のフッ化水素を電気分解することによって、フッ素ガスを生成するフッ素ガス生成装置であって、
前記フッ素ガス生成装置は、
フッ化水素を含む溶融塩からなる電解浴中でフッ化水素を電解することによって陽極側にフッ素ガスを主成分とする主生ガスを発生させると共に、陰極側に水素ガスを主成分とする副生ガスを発生させる電解槽と、
前記主生ガスに混入したフッ素水素を吸着剤によって除去する精製装置を備え、
前記精製装置は、
前記主生ガスを通過させる筒状部材と、
前記筒状部材の温度を調節する温度調節器と、
前記筒状部材内に設けられた吸着剤保持具と、を備え、
前記吸着剤保持具は、前記筒状部材内に前記主生ガスの流路を確保するための空隙を形成するように設けられていることを特徴とするフッ素ガス生成装置。
【請求項２】
前記吸着剤保持具は、前記筒状部材内において、前記主生ガスの流路が蛇行状となるように、複数以上、設けられていることを特徴とする請求項１に記載のフッ素ガス生成装置。
【請求項３】
前記吸着剤保持具は、盆状部材であり、該盆状部材は、ガスを流通させるための切欠部が設けられた底板部と、前記底板部の切欠部を除く外縁に立設された外縁側壁部と、前記底板部の切欠部側に立設する切欠側壁部と、前記盆状部材本体の上端開口部と、を有し、前記外縁側壁部を、前記筒状部材の内壁に内接するように配置したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のフッ素ガス生成装置。
【請求項４】
前記底板部には、貫通孔が設けられていることを特徴とする請求項３に記載のフッ素ガス生成装置。
【請求項５】
前記吸着剤保持具は、前記筒状部材内に、離隔して複数以上設けられ、前記盆状部材とその隣に配置された盆状部材との距離が、前記筒状部材の内径の１/５以上、内径以下、であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載のフッ素ガス生成装置。
【請求項６】
前記切欠部が設けられた底板部の面積が、前記筒状部材の内径部の面積の５０％以上、９５％以下であることを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れかに記載のフッ素ガス生成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１１−２０８２７６（Ｐ２０１１−２０８２７６Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０８６８（Ｐ２０１１−２０８６８）
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【出願人】（０００００２２００）セントラル硝子株式会社 (1,198)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２０日（２０１１．１０．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２日（２０１１．２．２）
【出願人】（０００００２２００）セントラル硝子株式会社 (1,198)
【Ｆターム（参考）】
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