電解装置
【課題】メンテナンスの頻度が低減されるとともに動作不良の発生が防止された電解装置を提供する。
【解決手段】電解装置１０は電解槽１１を備える。ＨＦを含む電解浴１２が電解槽１１に収容される。電解槽１１内で電解浴１２の上部に形成される空間ＳＰにＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄから気体状のＨＦが供給される。ＨＦ供給管１８ａからのＨＦの供給時には、電解槽１１内の空間ＳＰの圧力が制御部２３によりＨＦの蒸気圧よりも高く制御される。
【解決手段】電解装置１０は電解槽１１を備える。ＨＦを含む電解浴１２が電解槽１１に収容される。電解槽１１内で電解浴１２の上部に形成される空間ＳＰにＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄから気体状のＨＦが供給される。ＨＦ供給管１８ａからのＨＦの供給時には、電解槽１１内の空間ＳＰの圧力が制御部２３によりＨＦの蒸気圧よりも高く制御される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解槽を備えた電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体の製造工程等において、材料の洗浄および表面改質等の種々の用途でフッ素ガスが用いられている。この場合、フッ素ガス自体が用いられることもあり、フッ素ガスを基に合成されたＮＦ３（三フッ化窒素）ガス、ＮｅＦ（フッ化ネオン）ガスおよびＡｒＦ（フッ化アルゴン）ガス等の種々のフッ素系ガスが用いられることもある。
【０００３】
フッ素ガスを安定に供給するために、通常、ＨＦ（フッ化水素）を電気分解してフッ素ガスを発生する電解装置が用いられる。このような電解装置では、例えば、電解槽内にＫＦ・２ＨＦ（カリウム−フッ化水素）系の混合溶融塩からなる電解浴が形成される。電解槽内の電解浴が電気分解されることによりフッ素ガスが発生される。
【０００４】
特許文献１に記載されたフッ素ガス発生装置は、電解槽および上蓋を備える。上蓋にはＨＦ導入口が設けられる。電解槽には、加熱および溶融することにより電解浴となる粉体状の酸性フッ化カリウム（ＫＦ・ＨＦ）が充填される。ＨＦ供給ラインが加熱され、所定量の気体状の無水フッ化水素がＨＦ導入口に供給される。これにより、先に充填されたＫＦ・ＨＦ中にＨＦ導入口から気体状の無水フッ化水素（ＨＦ）が気泡として吹き出される。その結果、電解槽に溶融ＫＦ・２ＨＦ浴が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３３９０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１には、図示されていないが、一般にＨＦ導入口を通して上蓋を貫通するように金属製のＨＦ供給管が設けられる。ＨＦ供給管の下端部は、電解槽内の電解浴中に挿入される。それにより、ＨＦ供給管の下端開口からＨＦの気泡が電解浴中に吐出される。
【０００７】
しかしながら、長期間にわたってフッ素ガス発生装置を使用すると、電解浴中に挿入される金属製のＨＦ供給管の先端部に腐食が発生する。ＨＦ供給管の腐食が進行すると、腐食物がＨＦ供給管内に堆積し、ＨＦ供給管が腐食物により閉塞されることがある。腐食物が電解浴中に溶解することもある。
【０００８】
また、ＨＦの供給の停止時にＨＦ供給管内に電解浴が吸い上げられることがある。この場合、ＨＦ供給管内で電解浴の液面よりも上方に一部の電解浴が付着する。ＨＦ供給管に付着した電解浴には、電解槽内で加熱および保温されている電解浴の温度が十分に伝達されない。そのため、ＨＦ供給管に付着した電解浴が冷却されることにより凝固する。その結果、ＨＦ供給管が凝固した電解浴により閉塞されることがある。
【０００９】
これらの結果、電解装置のメンテナンスの頻度が増加するとともに、電解装置の動作不良が発生する場合がある。
【００１０】
本発明の目的は、メンテナンスの頻度が低減されるとともに動作不良の発生が防止された電解装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）第１の発明に係る電解装置は、化合物を電気分解する電解装置であって、化合物を含む電解浴を収容する電解槽と、電解槽内で電解浴の上部に形成される空間に気体状の化合物を供給するように電解槽に設けられる化合物供給系と、化合物供給系からの化合物の供給時に、電解槽内の空間の圧力を化合物の蒸気圧よりも高く制御する圧力制御手段とを備えるものである。
【００１２】
この電解装置においては、化合物を含む電解浴が電解槽に収容される。電解槽内で電解浴の上部に形成される空間に化合物供給系により気体状の化合物が供給される。化合物供給系からの化合物の供給時には、電解槽内の空間の圧力が圧力制御手段により化合物の蒸気圧よりも高く制御される。
【００１３】
この場合、電解槽内の空間の圧力が化合物の蒸気圧よりも高いので、電解槽内の空間内に供給される気体状の化合物が液化されやすくなる。それにより、電解槽内の電解浴に化合物が効率よく吸収される。また、化合物供給系は、電解槽内の電解浴の上部の空間に気体状の化合物を供給するように設けられるので、電解浴に接触しない。そのため、化合物供給系の部分が電解浴に接触することによる腐食が発生しない。また、電解浴が化合物供給系の部分に付着することによる凝固が発生しない。それにより、化合物供給系の閉塞の発生が防止される。その結果、電解装置のメンテナンスの頻度を低減することが可能となるとともに、電解装置の動作不良の発生が防止される。
【００１４】
（２）化合物供給系は、電解槽内の電解浴の液面よりも上方に位置するように配置された化合物供給口を有する化合物供給管と、化合物供給管の温度を調整する温度調整手段とを含み、圧力制御手段は、化合物供給系からの化合物の供給時に化合物供給管内の圧力を電解槽内の空間の圧力よりも高くなるように化合物供給管内の圧力を制御するように構成され、温度調整手段は、化合物供給管内の化合物が気体状を維持するように化合物供給管の温度を調整してもよい。
【００１５】
この場合、化合物供給系からの化合物の供給時に、化合物供給管内の圧力が電解槽内の空間の圧力よりも高くなるように化合物供給管内の圧力が制御される。また、化合物供給管内の化合物が気体状を維持するように化合物供給管の温度が調整される。これにより、気体状の化合物を化合物供給管から電解槽内の空間に確実に供給することができる。
【００１６】
（３）第２の発明に係る電解装置は、化合物を電気分解する電解装置であって、化合物を含む電解浴を収容する電解槽と、電解槽内で電解浴の上部に形成される空間に液体状の化合物を供給するように電解槽に設けられる化合物供給系とを備えるものである。
【００１７】
この電解装置においては、化合物を含む電解浴が電解槽に収容される。電解槽内で電解浴の上部に形成される空間に化合物供給系により液体状の化合物が供給される。それにより、電解槽内の電解浴に化合物が効率よく吸収される。また、化合物供給系は、電解槽内の電解浴の上部の空間に液体状の化合物を供給するように設けられるので、電解浴に接触しない。そのため、化合物供給系の部分が電解浴に接触することによる腐食が発生しない。また、電解浴が化合物供給系の部分に付着することによる凝固が発生しない。それにより、化合物供給系の閉塞の発生が防止される。その結果、電解装置のメンテナンスの頻度を低減することが可能となるとともに、電解装置の動作不良の発生が防止される。
【００１８】
（４）化合物供給系は、気体状の化合物を冷却することにより液体状の化合物を生成する冷却手段を含んでもよい。この場合、気体状の化合物を電解槽に供給する際に液体状の化合物を容易に生成することができる。
【００１９】
（５）電解装置は、化合物供給系からの化合物の供給時に、電解槽内の空間の圧力を化合物の蒸気圧よりも高く制御する圧力制御手段をさらに備えてもよい。
【００２０】
この場合、電解槽内の空間の圧力が化合物の蒸気圧よりも高く制御されるので、電解槽内の空間に供給される液体状の化合物が気化することが防止される。それにより、電解槽内の電解浴に化合物が効率よく吸収される。
【００２１】
（６）圧力制御手段は、電解槽内の電解浴の温度を検出する温度検出手段と、電解槽内の空間の圧力検出する圧力検出手段と、電解槽内の圧力を調整する圧力調整手段と、化合物の温度と蒸気圧との関係、温度検出手段により検出される温度および圧力検出手段により検出される圧力に基づいて、電解槽内の空間の圧力が化合物の蒸気圧よりも高くなるように圧力調整手段を制御する制御部とを含んでもよい。
【００２２】
この場合、化合物の温度と蒸気圧との関係および温度検出手段により検出される温度に基づいて化合物の蒸気圧が検出される。また、圧力検出手段により電解槽内の空間の圧力が検出される。これにより、制御部は、電解槽内の空間の圧力が確実に化合物の蒸気圧よりも高くなるように圧力調整手段を制御することができる。
【００２３】
（７）圧力調整手段は、電解槽の空間内の気体を排出する気体排出系と、気体排出系を開閉する第１の開閉手段とを含み、制御部は、電解槽内の空間の圧力が化合物の蒸気圧よりも高くなるように第１の開閉手段の開閉を制御してもよい。
【００２４】
この場合、電解槽内の空間の圧力が化合物の蒸気圧以下になると、気体排出系の第１の開閉手段を閉状態にすることにより電解槽の空間内の気体を排出することができる。それにより、電解槽内の空間の圧力を化合物の蒸気圧よりも高くすることができる。
【００２５】
（８）電解装置は、電解槽に収容される電解浴の液面が予め定められた高さよりも上昇しないように電解浴の液面を制御する液面制御手段をさらに備えてもよい。
【００２６】
この場合、電解槽内で電解浴の上部に空間を確実に形成することができるとともに、化合物供給系が電解浴に接触することを確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、電解装置のメンテナンスの頻度が低減されるとともに、電解装置の動作不良の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１の実施の形態に係る電解装置の模式的断面図である。
【図２】電解浴であるＫＦ・２ＨＦの蒸気圧と温度との関係を示すグラフである。
【図３】制御部による自動弁の制御処理を示すフローチャートである。
【図４】第２の実施の形態に係る電解装置の模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［１］第１の実施の形態
以下、第１の実施の形態に係る電解装置について図面を参照しながら説明する。
【００３０】
（１）電解装置の構成
図１は、第１の実施の形態に係る電解装置の模式的断面図である。図１の電解装置１０は、フッ素ガスを発生する気体発生装置である。図１に示すように、電解装置１０は電解槽１１を備える。電解槽１１は電解槽本体１１ａ、上部蓋体１１ｂおよび絶縁部材１１ｃにより構成される。
【００３１】
電解槽本体１１ａおよび上部蓋体１１ｂは、例えばＮｉ（ニッケル）、モネル、純鉄もしくはステンレス鋼等の金属または合金により形成される。
【００３２】
電解槽本体１１ａは、底面部および４つの側面部を有し、上部に開口を有する。絶縁部材１１ｃは、側面部の上端面に沿って設けられる。絶縁部材１１ｃは、樹脂等の絶縁材料により形成される。電解槽本体１１ａの開口を閉塞するように、絶縁部材１１ｃ上に上部蓋体１１ｂが配置される。それにより、電解槽本体１１ａと上部蓋体１１ｂとが絶縁部材１１ｃにより互いに電気的に絶縁される。
【００３３】
電解槽１１内には、ＫＦ・２ＨＦ（フッ化カリウム−フッ化水素）系混合溶融塩からなる電解浴１２が形成される。電解槽本体１１ａの内部には、電解浴１２の液面を検出する下限液面センサ２０ａおよび上限液面センサ２０ｂが設けられる。下限液面センサ２０ａおよび上限液面センサ２０ｂは、液面の検出結果を示す検出信号を出力する。下限液面センサ２０ａにより検出される電解浴１２の液面の高さを下限液面高さＨ１と呼ぶ。上限液面センサ２０ｂにより検出される電解浴１２の液面の高さを上限液面高さＨ２と呼ぶ。上限液面高さＨ２は下限液面高さＨ１よりも高い。後述するように、電解浴１２の液面は下限液面高さＨ１と上限液面高さＨ２との間で変化するように調整される。それにより、電解槽１１内の電解浴１２の上面と上部蓋体１１ｂとの間に空間ＳＰが形成される。
【００３４】
上部蓋体１１ｂの下面に円筒状の隔壁１３が上部蓋体１１ｂと一体的に設けられる。隔壁１３は、例えばＮｉまたはモネルからなる。隔壁１３の下端部は電解浴１２に浸漬するように形成される。それにより、電解槽１１内において、隔壁１３の内側に陽極室１４ａが形成され、隔壁１３の外側に陰極室１４ｂが形成される。
【００３５】
陽極室１４ａ内で電解浴１２に浸漬するように陽極１５ａが配置される。陽極１５ａの材料としては、例えば低分極性炭素電極を用いることが好ましい。電解槽本体１１ａの内面には、陰極１５ｂが形成される。陰極１５ｂの材料としては、例えばＮｉを用いることが好ましい。
【００３６】
ＨＦを供給するためのＨＦ供給管１８ａが上部蓋体１１ｂを貫通するように設けられる。本実施の形態では、ＨＦ供給管１８ａの一端（下端）は、陰極室１４ｂ内に位置する。ＨＦ供給管１８ａの他端はＨＦ供給源５０に接続される。ＨＦ供給管１８ａは温度調整用ヒータ１８ｂで覆われる。また、ＨＦ供給管１８ａには、供給されるＨＦの温度を検出する温度センサ１８ｃおよびＨＦ供給管１８ａ内の圧力を検出する圧力センサＰ２が設けられる。ＨＦ供給管１８ａには自動弁ｖ１が介挿されている。ＨＦ供給管１８ａの下端は、ＨＦの供給口１８ｄとして電解槽１１の内部において開口している。ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄは、上限液面高さＨ２よりも高い位置に設けられる。これにより、ＨＦ供給管１８ａは電解浴１２の上限液面高さＨ２よりも高い位置から電解浴１２にＨＦを供給する。
【００３７】
温度センサ１８ｃにより検出される温度がＨＦの沸点より高くなるように、ＨＦ供給管１８ａが温度調整用ヒータ１８ｂにより加熱される。これにより、ＨＦ供給管１８ａでＨＦが液化することが防止される。なお、１気圧におけるＨＦの融点は−８４℃であり、１気圧におけるＨＦの沸点は１９．５４℃である。電解浴１２の液面が下限液面センサ２０ａにより検出された場合、自動弁ｖ１が開放される。これにより、ＨＦ供給管１８ａを通して電解槽１１内の空間ＳＰに気体状のＨＦが供給される。本実施の形態においては、ＨＦは陰極室１４ｂ内に供給される。
【００３８】
この電解装置１０は、制御部２３を備える。制御部２３により陽極１５ａと陰極１５ｂとの間に電圧が印加される。それにより、電解槽１１内の電解浴１２が電気分解される。それにより、陽極室１４ａにおいて主にフッ素ガスが発生する。また、陰極室１４ｂにおいて主に水素ガスが発生する。
【００３９】
上部蓋体１１ｂには、ガス排出口１６ａ，１６ｂが設けられる。ガス排出口１６ａには排気管１７ａが接続され、ガス排出口１６ｂには排気管１７ｂが接続される。ガス排出口１６ａは陽極室１４ａに連通し、ガス排出口１６ｂは陰極室１４ｂに連通する。排気管１７ａ，１７ｂには、それぞれ自動弁ｖ２，ｖ３が介挿される。自動弁ｖ２が開放されている場合、陽極室１４ａで発生される気体は、ガス排出口１６ａから排気管１７ａを通して排出される。また、自動弁ｖ３が開放されている場合、陰極室１４ｂで発生する気体はガス排出口１６ｂから排気管１７ｂを通して排出される。
【００４０】
電解装置１０には、電解槽本体１１ａ内の電解浴１２の温度を検出する温度センサ２２が設けられる。本実施の形態では、温度センサ２２は、熱電対からなる。また、電解装置の陰極室１４ｂには、圧力センサＰ１が設けられる。圧力センサＰ１により、陰極室１４ｂ内の圧力が検出される。
【００４１】
温度センサ１８ｃ，２２により検出される温度は制御部２３に与えられる。また、圧力センサＰ１，Ｐ２により検出される圧力は制御部２３に与えられる。さらに、下限液面センサ２０ａおよび上限液面センサ２０ｂからの検出信号は、制御部２３に与えられる。制御部２３は、下限液面センサ２０ａおよび上限液面センサ２０ｂからの検出信号、温度センサ２２により検出される温度および圧力センサＰ１により検出される圧力に基づいて自動弁ｖ１〜ｖ３の開閉を制御する。これにより、電解浴１２の液面が下限液面高さＨ１まで低下した場合、ＨＦが電解槽１１に供給される。また、電解浴１２の液面が上限液面高さＨ２まで上昇した場合、ＨＦの供給が停止される。
【００４２】
ＨＦの供給の際には、圧力センサＰ２により検出される圧力が圧力センサＰ１により検出される圧力よりも大きくなるように、ＨＦ供給源５０からＨＦ供給管１８ａに供給されるＨＦの圧力が設定される。また、制御部２３は、温度センサ１８ｃにより検出される温度および圧力センサＰ２により検出される圧力に基づいてＨＦ供給管１８ａ内のＨＦが気体状に維持されるように温度調整用ヒータ１８ｂを制御する。具体的には、ＨＦの蒸気圧が圧力センサＰ２により検出される圧力よりも高くなるように温度調整用ヒータ１８ｂによりＨＦ供給管１８ａ内のＨＦが加熱される。これにより、気体状のＨＦを電解槽１１内に供給することができる。
【００４３】
（２）自動弁の制御処理
制御部２３による自動弁ｖ１〜ｖ３の制御動作について説明する。図２は、電解浴１２であるＫＦ・２ＨＦの蒸気圧と温度との関係を示すグラフである。ここで、ＫＦ・２ＨＦにおける蒸気圧の成分はＨＦである。図２に示すように、電解浴１２の蒸気圧をＰ［ｋＰａＧ］とし、電解浴１２の温度をＴ［℃］とすると、電解浴１２の蒸気圧と温度との関係はＰ＝０．３１９２［ｋＰａＧ／℃］×Ｔ−２１．５７９［ｋＰａＧ］で与えられる。制御部２３は、図２に示されるＫＦ・２ＨＦの蒸気圧と温度との関係を記憶している。
【００４４】
電解槽１１内の電解浴１２は、室温でかつ大気圧下では固体状態をとる。そのため、電解浴１２の電気分解を行うためには、電解浴１２を８０〜９０℃に加熱し、液体状態にする必要がある。本実施の形態においては、温度センサ２２により検出される温度に基づいて、電解浴１２の温度が８５±２℃の範囲で制御される。したがって、図２のグラフより、電解槽１１内の電解浴１２の蒸気圧は６ｋＰａＧ程度となる。
【００４５】
ＨＦ供給管１８ａから陰極室１４ｂ内にＨＦが供給される際、陰極室１４ｂ内の圧力が電解浴１２の蒸気圧すなわちＨＦの蒸気圧よりも高く制御される。それにより、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄから空間ＳＰに吐出された気体状のＨＦが液化しやすくなる。その結果、空間ＳＰに供給されたＨＦが電解浴１２に効率よく吸収される。陰極室１４ｂ内の圧力がＨＦの蒸気圧以下の場合、排気管１７ｂに介挿された自動弁ｖ３が閉止される。これにより、陰極室１４ｂ内の圧力をＨＦの蒸気圧よりも高くすることができる。
【００４６】
なお、本実施の形態においては、排気管１７ｂの自動弁ｖ３が閉止される場合には、排気管１７ａの自動弁ｖ２も同時に閉止される。したがって、陰極室１４ｂ内の圧力が上昇する場合には、陽極室１４ａ内の圧力も同時に上昇する。これにより、陰極室１４ｂ内の電解浴１２の液面が低下しかつ陽極室１４ａ内の電解浴１２の液面が上昇することが防止される。その結果、陽極室１４ａ内の液面および陰極室１４ｂ内の液面をほぼ同一に保つことができる。
【００４７】
図３は、制御部２３による自動弁ｖ１〜ｖ３の制御処理を示すフローチャートである。なお、初期状態では、自動弁ｖ１は閉止され、自動弁ｖ２，ｖ３は開放されている。
【００４８】
制御部２３は、下限液面センサ２０ａの検出信号に基づいて電解浴１２の液面が下限液面高さＨ１まで低下したか否かを判定する（ステップＳ１）。電解浴１２の液面が下限液面高さＨ１まで低下していない場合、制御部２３は、電解浴１２の液面が下限液面高さＨ１まで低下するまで待機する。
【００４９】
電解浴１２の液面が下限液面高さＨ１まで低下した場合、制御部２３は自動弁ｖ１を開放する（ステップＳ２）。これにより、圧力センサＰ２により検出される圧力が圧力センサＰ１により検出される圧力よりも高い場合、電解槽１１内に気体状のＨＦが供給される。次に、制御部２３は、圧力センサＰ１により検出される圧力が電解浴１２（ＨＦ）の蒸気圧よりも高いか否かを判定する（ステップＳ３）。電解浴１２の蒸気圧は、温度センサ２２により検出される温度に基づいて、図２の関係から求められる。
【００５０】
圧力センサＰ１により検出される圧力がＨＦの蒸気圧以下である場合、制御部２３は自動弁ｖ２，ｖ３を閉止する（ステップＳ４）。この場合、極室１４ａ内および陰極室１４ｂ内の圧力が上昇する。それにより、圧力センサＰ１により検出される圧力をＨＦの蒸気圧よりも高くすることができる。それにより、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄから空間ＳＰに吐出された気体状のＨＦが液化しやすくなる。その結果、電解浴１２にＨＦが効率よく吸収される。その後、制御部２３は、ステップＳ３の処理に戻る。
【００５１】
ステップＳ３で圧力センサＰ１により検出される圧力がＨＦの蒸気圧よりも高い場合、電解浴１２にＨＦが効率よく吸収されるので、電解浴１２の液面が上昇する。この場合、制御部２３は、上限液面センサ２０ｂからの検出信号に基づいて電解浴１２の液面が上限液面高さＨ２まで上昇したか否かを判定する（ステップＳ５）。電解浴１２の液面が上限液面高さＨ２まで上昇していない場合、制御部２３は、ステップＳ３の処理に戻る。
【００５２】
ステップＳ５で電解浴１２の液面が上限液面高さＨ２まで上昇した場合、制御部２３は自動弁ｖ１を閉止する（ステップＳ６）。また、制御部２３は自動弁ｖ２，ｖ３を開放し、ステップＳ１の処理に戻る。
【００５３】
（３）効果
本実施の形態に係る電解装置１０においては、電解槽１１の空間ＳＰの圧力が制御部２３によりＨＦの蒸気圧よりも高く制御されるので、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄから空間ＳＰに吐出された気体状のＨＦが液化しやすくなる。それにより、電解槽１１内の電解浴１２にＨＦが効率よく吸収される。また、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄは、電解浴１２の上部の空間ＳＰにＨＦを供給するように設けられるので、電解浴１２に接触しない。そのため、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄが電解浴１２に接触することによるＨＦ供給管１８ａの腐食が発生しない。また、電解浴１２がＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄに付着することによる電解浴１２の凝固が発生しない。それにより、ＨＦ供給管１８ａの閉塞の発生が防止される。その結果、電解装置１０のメンテナンスの頻度を低減することが可能となるとともに、電解装置１０の動作不良の発生が防止される。
【００５４】
［２］第２の実施の形態
（１）電解装置の構成
第２の実施の形態に係る電解装置について、第１の実施の形態に係る電解装置１０と異なる点を説明する。図４は、第２の実施の形態に係る電解装置の模式的断面図である。図４に示すように、本実施の形態に係る電解装置１０は、ＨＦ液化装置３０をさらに備える。また、ＨＦ供給管１８ａに温度調整用ヒータ１８ｂおよび温度センサ１８ｃが設けられない。
【００５５】
ＨＦ液化装置３０は、ＨＦを貯留するＨＦ液化容器３１を備える。ＨＦ液化容器３１は、底面部、上面部および４つの側面部を有する。ＨＦ液化容器３１の４つの側面部には、温調素子３２が設けられる。本実施の形態において、温調素子３２は、例えばペルチェ素子である。
【００５６】
ＨＦ液化容器３１の上面部には、ＨＦ液化容器３１内に気体状のＨＦを供給するためのＨＦ供給管１９が接続される。ＨＦ供給管１９には自動弁ｖ４が介挿されている。ＨＦ供給源５０からＨＦ供給管１９を通して気体状のＨＦがＨＦ液化容器３１内に供給される。
【００５７】
ＨＦ液化容器３１には、ＨＦの温度を検出する温度センサ３３およびＨＦ液化容器３１内の圧力を検出する圧力センサＰ３が設けられる。温度センサ３３により検出される温度および圧力センサＰ３により検出される圧力は制御部２３に与えられる。制御部２３は、温度センサ３３により検出される温度および圧力センサＰ３により検出される圧力に基づいて、ＨＦの温度が融点（１気圧においては−８４℃）を超えかつ沸点（１気圧においては１９．５４℃）未満になるように温調素子３２を制御する。これにより、ＨＦ液化容器３１内に供給された気体状のＨＦが液化され、ＨＦ液化容器３１内に液体状のＨＦが貯留される。
【００５８】
ＨＦ液化容器３１の内部には、ＨＦの液面を検出する下限液面センサ３４ａおよび上限液面センサ３４ｂが設けられる。下限液面センサ３４ａの下端は上限液面センサ３４ｂの下端よりも下方に配置される。下限液面センサ３４ａおよび上限液面センサ３４ｂの検出結果を示す検出信号は、制御部２３に与えられる。
【００５９】
ＨＦ液化容器３１内のＨＦの液面が下限液面センサ３４ａの下端まで低下した場合、制御部２３により自動弁ｖ４が開放される。これにより、ＨＦ液化容器３１内に気体状のＨＦが供給される。また、ＨＦ液化容器３１内のＨＦの液面が上限液面センサ３４ｂの下端の位置まで上昇した場合、制御部２３により自動弁ｖ４が閉止される。これにより、ＨＦ液化容器３１内への気体状のＨＦの供給が停止される。その結果、ＨＦ液化容器３１内に一定範囲の液体状のＨＦが貯留される。
【００６０】
ＨＦ液化容器３１の底面部には、ＨＦ供給管１８ａが接続される。ＨＦ液化容器３１内の液体状のＨＦが、ＨＦ供給管１８ａを介して電解槽１１内の空間ＳＰに供給される。それにより、液体状のＨＦが電解槽１１内の電解浴１２に効率よく吸収される。
【００６１】
（２）効果
本実施の形態に係る電解装置１０においては、気体状のＨＦがＨＦ液化装置３０の温調素子３２で冷却されることにより液化される。この場合、電解槽１１の内の空間ＳＰに液体状のＨＦが供給されるので、ＨＦは電解槽１１内の電解浴１２に効率よく吸収される。また、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄは、電解浴１２の上部の空間ＳＰにＨＦを供給するように設けられるので、電解浴１２に接触しない。そのため、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄが電解浴１２に接触することによるＨＦ供給管１８ａの腐食が発生しない。また、電解浴１２がＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄに付着することによる電解浴１２の凝固が発生しない。それにより、ＨＦ供給管１８ａの閉塞の発生が防止される。その結果、電解装置１０のメンテナンスの頻度を低減することが可能となるとともに、電解装置１０の動作不良の発生が防止される。
【００６２】
陰極室１４ｂ内の圧力が制御部２３によりＨＦの蒸気圧よりも高く制御されることが好ましい。この場合、自動弁ｖ１〜ｖ３の制御処理については、図３の制御処理と同様である。それにより、電解槽１１内の空間ＳＰに供給される液体状のＨＦが気化することが防止される。その結果、ＨＦが電解槽１１内の電解浴１２に確実に吸収される。
【００６３】
なお、ＨＦ供給管１８ａから陰極室１４ｂ内に供給される液体状のＨＦが陰極室１４ｂ内で気化しない場合には、陰極室１４ｂ内の圧力はＨＦの蒸気圧よりも高く制御されなくてもよい。
【００６４】
［３］他の実施の形態
（１）電解槽１１の陰極室１４ｂ内の圧力をＨＦの蒸気圧よりも高くすることが困難な場合には、陰極室１４ｂ内に窒素ガス等の不活性ガスを供給してもよい。それにより、陰極室１４ｂ内の圧力をＨＦの蒸気圧よりも容易に高くすることができる。
【００６５】
（２）第１および第２の実施の形態においては、ＨＦが電解槽１１の陰極室１４ｂ内に供給されるが、これに限定されない。ＨＦは電解槽１１の陰極室１４ｂ内ではなく電解槽１１の陽極室１４ａ内に供給されてもよい。この場合、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄは、陽極室１４ａ内に位置するように設けられる。
【００６６】
（３）第２の実施の形態において、気体状のＨＦがＨＦ液化装置３０により液化されることにより液体状のＨＦが電解槽１１内の空間ＳＰに供給されるが、これに限定されない。ＨＦ供給源５０から液体状のＨＦがＨＦ供給管１８ａを通して電解槽１１に直接供給されてもよい。この場合、電解装置１０にＨＦ液化装置３０が設けられない。
【００６７】
（４）電気分解される化合物はＨＦに限定されない。例えば、化合物としてＮＨ４Ｆ・ＨＦ（フッ化アンモニウム−フッ化水素）またはＮＨ４Ｆ・ＫＦ・ＨＦ（フッ化アンモニウム−フッ化カリウム−フッ化水素）を用いることができる。この場合、陽極室１４ａにおいてＮＦ３（三フッ化窒素）が発生し、陰極室１４ｂにおいてＨ２（水素）が発生する。
【００６８】
［４］請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。電解装置１０が電解装置の例であり、電解浴１２が電解浴の例であり、電解槽１１が電解槽の例であり、空間ＳＰが空間の例である。第１の実施の形態においてはＨＦ供給管１８ａおよび温度調整用ヒータ１８ｂが化合物供給系の例であり、第２の実施の形態においてはＨＦ供給管１８ａおよびＨＦ液化装置３０が化合物供給系の例である。
【００６９】
供給口１８ｄが化合物供給口の例であり、ＨＦ供給管１８ａが化合物供給管の例であり、温度調整用ヒータ１８ｂが温度調整手段の例である。温度センサ２２、圧力センサＰ１、排気管１７ｂ、自動弁ｖ３および制御部２３が圧力制御手段の例である。温度センサ２２が温度検出手段の例であり、圧力センサＰ１が圧力検出手段の例であり、排気管１７ｂおよび自動弁ｖ３が圧力調整手段の例である。
【００７０】
温調素子３２が冷却手段の例であり、制御部２３が制御部の例であり、排気管１７ｂが気体排出系の例であり、自動弁ｖ３が開閉手段の例であり、上限液面高さＨ２が予め定められた高さの例である。上限液面センサ２０ｂ、自動弁ｖ１および制御部２３が液面制御手段の例である。
【００７１】
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、気体発生装置等の電解装置に有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１０ 電解装置
１１ 電解槽
１１ａ 電解槽本体
１１ｂ 上部蓋体
１１ｃ 絶縁部材
１２ 電解浴
１３ 隔壁
１４ａ 陽極室
１４ｂ 陰極室
１５ａ 陽極
１５ｂ 陰極
１６ａ，１６ｂ ガス排出口
１７ａ，１７ｂ 排気管
１８ａ，１９ ＨＦ供給管
１８ｂ 温度調整用ヒータ
１８ｃ 温度センサ
１８ｄ 供給口
２０ａ，３４ａ 下限液面センサ
２０ｂ，３４ｂ 上限液面センサ
２２，３３ 温度センサ
２３ 制御部
３０ ＨＦ液化装置
３１ ＨＦ液化容器
３２ 温調素子
５０ ＨＦ供給源
Ｈ１ 下限液面高さ
Ｈ２ 上限液面高さ
Ｐ１〜Ｐ３ 圧力センサ
ＳＰ 空間
ｖ１〜ｖ４ 自動弁
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解槽を備えた電解装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体の製造工程等において、材料の洗浄および表面改質等の種々の用途でフッ素ガスが用いられている。この場合、フッ素ガス自体が用いられることもあり、フッ素ガスを基に合成されたＮＦ３（三フッ化窒素）ガス、ＮｅＦ（フッ化ネオン）ガスおよびＡｒＦ（フッ化アルゴン）ガス等の種々のフッ素系ガスが用いられることもある。
【０００３】
フッ素ガスを安定に供給するために、通常、ＨＦ（フッ化水素）を電気分解してフッ素ガスを発生する電解装置が用いられる。このような電解装置では、例えば、電解槽内にＫＦ・２ＨＦ（カリウム−フッ化水素）系の混合溶融塩からなる電解浴が形成される。電解槽内の電解浴が電気分解されることによりフッ素ガスが発生される。
【０００４】
特許文献１に記載されたフッ素ガス発生装置は、電解槽および上蓋を備える。上蓋にはＨＦ導入口が設けられる。電解槽には、加熱および溶融することにより電解浴となる粉体状の酸性フッ化カリウム（ＫＦ・ＨＦ）が充填される。ＨＦ供給ラインが加熱され、所定量の気体状の無水フッ化水素がＨＦ導入口に供給される。これにより、先に充填されたＫＦ・ＨＦ中にＨＦ導入口から気体状の無水フッ化水素（ＨＦ）が気泡として吹き出される。その結果、電解槽に溶融ＫＦ・２ＨＦ浴が得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−３３９０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１には、図示されていないが、一般にＨＦ導入口を通して上蓋を貫通するように金属製のＨＦ供給管が設けられる。ＨＦ供給管の下端部は、電解槽内の電解浴中に挿入される。それにより、ＨＦ供給管の下端開口からＨＦの気泡が電解浴中に吐出される。
【０００７】
しかしながら、長期間にわたってフッ素ガス発生装置を使用すると、電解浴中に挿入される金属製のＨＦ供給管の先端部に腐食が発生する。ＨＦ供給管の腐食が進行すると、腐食物がＨＦ供給管内に堆積し、ＨＦ供給管が腐食物により閉塞されることがある。腐食物が電解浴中に溶解することもある。
【０００８】
また、ＨＦの供給の停止時にＨＦ供給管内に電解浴が吸い上げられることがある。この場合、ＨＦ供給管内で電解浴の液面よりも上方に一部の電解浴が付着する。ＨＦ供給管に付着した電解浴には、電解槽内で加熱および保温されている電解浴の温度が十分に伝達されない。そのため、ＨＦ供給管に付着した電解浴が冷却されることにより凝固する。その結果、ＨＦ供給管が凝固した電解浴により閉塞されることがある。
【０００９】
これらの結果、電解装置のメンテナンスの頻度が増加するとともに、電解装置の動作不良が発生する場合がある。
【００１０】
本発明の目的は、メンテナンスの頻度が低減されるとともに動作不良の発生が防止された電解装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）第１の発明に係る電解装置は、化合物を電気分解する電解装置であって、化合物を含む電解浴を収容する電解槽と、電解槽内で電解浴の上部に形成される空間に気体状の化合物を供給するように電解槽に設けられる化合物供給系と、化合物供給系からの化合物の供給時に、電解槽内の空間の圧力を化合物の蒸気圧よりも高く制御する圧力制御手段とを備えるものである。
【００１２】
この電解装置においては、化合物を含む電解浴が電解槽に収容される。電解槽内で電解浴の上部に形成される空間に化合物供給系により気体状の化合物が供給される。化合物供給系からの化合物の供給時には、電解槽内の空間の圧力が圧力制御手段により化合物の蒸気圧よりも高く制御される。
【００１３】
この場合、電解槽内の空間の圧力が化合物の蒸気圧よりも高いので、電解槽内の空間内に供給される気体状の化合物が液化されやすくなる。それにより、電解槽内の電解浴に化合物が効率よく吸収される。また、化合物供給系は、電解槽内の電解浴の上部の空間に気体状の化合物を供給するように設けられるので、電解浴に接触しない。そのため、化合物供給系の部分が電解浴に接触することによる腐食が発生しない。また、電解浴が化合物供給系の部分に付着することによる凝固が発生しない。それにより、化合物供給系の閉塞の発生が防止される。その結果、電解装置のメンテナンスの頻度を低減することが可能となるとともに、電解装置の動作不良の発生が防止される。
【００１４】
（２）化合物供給系は、電解槽内の電解浴の液面よりも上方に位置するように配置された化合物供給口を有する化合物供給管と、化合物供給管の温度を調整する温度調整手段とを含み、圧力制御手段は、化合物供給系からの化合物の供給時に化合物供給管内の圧力を電解槽内の空間の圧力よりも高くなるように化合物供給管内の圧力を制御するように構成され、温度調整手段は、化合物供給管内の化合物が気体状を維持するように化合物供給管の温度を調整してもよい。
【００１５】
この場合、化合物供給系からの化合物の供給時に、化合物供給管内の圧力が電解槽内の空間の圧力よりも高くなるように化合物供給管内の圧力が制御される。また、化合物供給管内の化合物が気体状を維持するように化合物供給管の温度が調整される。これにより、気体状の化合物を化合物供給管から電解槽内の空間に確実に供給することができる。
【００１６】
（３）第２の発明に係る電解装置は、化合物を電気分解する電解装置であって、化合物を含む電解浴を収容する電解槽と、電解槽内で電解浴の上部に形成される空間に液体状の化合物を供給するように電解槽に設けられる化合物供給系とを備えるものである。
【００１７】
この電解装置においては、化合物を含む電解浴が電解槽に収容される。電解槽内で電解浴の上部に形成される空間に化合物供給系により液体状の化合物が供給される。それにより、電解槽内の電解浴に化合物が効率よく吸収される。また、化合物供給系は、電解槽内の電解浴の上部の空間に液体状の化合物を供給するように設けられるので、電解浴に接触しない。そのため、化合物供給系の部分が電解浴に接触することによる腐食が発生しない。また、電解浴が化合物供給系の部分に付着することによる凝固が発生しない。それにより、化合物供給系の閉塞の発生が防止される。その結果、電解装置のメンテナンスの頻度を低減することが可能となるとともに、電解装置の動作不良の発生が防止される。
【００１８】
（４）化合物供給系は、気体状の化合物を冷却することにより液体状の化合物を生成する冷却手段を含んでもよい。この場合、気体状の化合物を電解槽に供給する際に液体状の化合物を容易に生成することができる。
【００１９】
（５）電解装置は、化合物供給系からの化合物の供給時に、電解槽内の空間の圧力を化合物の蒸気圧よりも高く制御する圧力制御手段をさらに備えてもよい。
【００２０】
この場合、電解槽内の空間の圧力が化合物の蒸気圧よりも高く制御されるので、電解槽内の空間に供給される液体状の化合物が気化することが防止される。それにより、電解槽内の電解浴に化合物が効率よく吸収される。
【００２１】
（６）圧力制御手段は、電解槽内の電解浴の温度を検出する温度検出手段と、電解槽内の空間の圧力検出する圧力検出手段と、電解槽内の圧力を調整する圧力調整手段と、化合物の温度と蒸気圧との関係、温度検出手段により検出される温度および圧力検出手段により検出される圧力に基づいて、電解槽内の空間の圧力が化合物の蒸気圧よりも高くなるように圧力調整手段を制御する制御部とを含んでもよい。
【００２２】
この場合、化合物の温度と蒸気圧との関係および温度検出手段により検出される温度に基づいて化合物の蒸気圧が検出される。また、圧力検出手段により電解槽内の空間の圧力が検出される。これにより、制御部は、電解槽内の空間の圧力が確実に化合物の蒸気圧よりも高くなるように圧力調整手段を制御することができる。
【００２３】
（７）圧力調整手段は、電解槽の空間内の気体を排出する気体排出系と、気体排出系を開閉する第１の開閉手段とを含み、制御部は、電解槽内の空間の圧力が化合物の蒸気圧よりも高くなるように第１の開閉手段の開閉を制御してもよい。
【００２４】
この場合、電解槽内の空間の圧力が化合物の蒸気圧以下になると、気体排出系の第１の開閉手段を閉状態にすることにより電解槽の空間内の気体を排出することができる。それにより、電解槽内の空間の圧力を化合物の蒸気圧よりも高くすることができる。
【００２５】
（８）電解装置は、電解槽に収容される電解浴の液面が予め定められた高さよりも上昇しないように電解浴の液面を制御する液面制御手段をさらに備えてもよい。
【００２６】
この場合、電解槽内で電解浴の上部に空間を確実に形成することができるとともに、化合物供給系が電解浴に接触することを確実に防止することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、電解装置のメンテナンスの頻度が低減されるとともに、電解装置の動作不良の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１の実施の形態に係る電解装置の模式的断面図である。
【図２】電解浴であるＫＦ・２ＨＦの蒸気圧と温度との関係を示すグラフである。
【図３】制御部による自動弁の制御処理を示すフローチャートである。
【図４】第２の実施の形態に係る電解装置の模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［１］第１の実施の形態
以下、第１の実施の形態に係る電解装置について図面を参照しながら説明する。
【００３０】
（１）電解装置の構成
図１は、第１の実施の形態に係る電解装置の模式的断面図である。図１の電解装置１０は、フッ素ガスを発生する気体発生装置である。図１に示すように、電解装置１０は電解槽１１を備える。電解槽１１は電解槽本体１１ａ、上部蓋体１１ｂおよび絶縁部材１１ｃにより構成される。
【００３１】
電解槽本体１１ａおよび上部蓋体１１ｂは、例えばＮｉ（ニッケル）、モネル、純鉄もしくはステンレス鋼等の金属または合金により形成される。
【００３２】
電解槽本体１１ａは、底面部および４つの側面部を有し、上部に開口を有する。絶縁部材１１ｃは、側面部の上端面に沿って設けられる。絶縁部材１１ｃは、樹脂等の絶縁材料により形成される。電解槽本体１１ａの開口を閉塞するように、絶縁部材１１ｃ上に上部蓋体１１ｂが配置される。それにより、電解槽本体１１ａと上部蓋体１１ｂとが絶縁部材１１ｃにより互いに電気的に絶縁される。
【００３３】
電解槽１１内には、ＫＦ・２ＨＦ（フッ化カリウム−フッ化水素）系混合溶融塩からなる電解浴１２が形成される。電解槽本体１１ａの内部には、電解浴１２の液面を検出する下限液面センサ２０ａおよび上限液面センサ２０ｂが設けられる。下限液面センサ２０ａおよび上限液面センサ２０ｂは、液面の検出結果を示す検出信号を出力する。下限液面センサ２０ａにより検出される電解浴１２の液面の高さを下限液面高さＨ１と呼ぶ。上限液面センサ２０ｂにより検出される電解浴１２の液面の高さを上限液面高さＨ２と呼ぶ。上限液面高さＨ２は下限液面高さＨ１よりも高い。後述するように、電解浴１２の液面は下限液面高さＨ１と上限液面高さＨ２との間で変化するように調整される。それにより、電解槽１１内の電解浴１２の上面と上部蓋体１１ｂとの間に空間ＳＰが形成される。
【００３４】
上部蓋体１１ｂの下面に円筒状の隔壁１３が上部蓋体１１ｂと一体的に設けられる。隔壁１３は、例えばＮｉまたはモネルからなる。隔壁１３の下端部は電解浴１２に浸漬するように形成される。それにより、電解槽１１内において、隔壁１３の内側に陽極室１４ａが形成され、隔壁１３の外側に陰極室１４ｂが形成される。
【００３５】
陽極室１４ａ内で電解浴１２に浸漬するように陽極１５ａが配置される。陽極１５ａの材料としては、例えば低分極性炭素電極を用いることが好ましい。電解槽本体１１ａの内面には、陰極１５ｂが形成される。陰極１５ｂの材料としては、例えばＮｉを用いることが好ましい。
【００３６】
ＨＦを供給するためのＨＦ供給管１８ａが上部蓋体１１ｂを貫通するように設けられる。本実施の形態では、ＨＦ供給管１８ａの一端（下端）は、陰極室１４ｂ内に位置する。ＨＦ供給管１８ａの他端はＨＦ供給源５０に接続される。ＨＦ供給管１８ａは温度調整用ヒータ１８ｂで覆われる。また、ＨＦ供給管１８ａには、供給されるＨＦの温度を検出する温度センサ１８ｃおよびＨＦ供給管１８ａ内の圧力を検出する圧力センサＰ２が設けられる。ＨＦ供給管１８ａには自動弁ｖ１が介挿されている。ＨＦ供給管１８ａの下端は、ＨＦの供給口１８ｄとして電解槽１１の内部において開口している。ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄは、上限液面高さＨ２よりも高い位置に設けられる。これにより、ＨＦ供給管１８ａは電解浴１２の上限液面高さＨ２よりも高い位置から電解浴１２にＨＦを供給する。
【００３７】
温度センサ１８ｃにより検出される温度がＨＦの沸点より高くなるように、ＨＦ供給管１８ａが温度調整用ヒータ１８ｂにより加熱される。これにより、ＨＦ供給管１８ａでＨＦが液化することが防止される。なお、１気圧におけるＨＦの融点は−８４℃であり、１気圧におけるＨＦの沸点は１９．５４℃である。電解浴１２の液面が下限液面センサ２０ａにより検出された場合、自動弁ｖ１が開放される。これにより、ＨＦ供給管１８ａを通して電解槽１１内の空間ＳＰに気体状のＨＦが供給される。本実施の形態においては、ＨＦは陰極室１４ｂ内に供給される。
【００３８】
この電解装置１０は、制御部２３を備える。制御部２３により陽極１５ａと陰極１５ｂとの間に電圧が印加される。それにより、電解槽１１内の電解浴１２が電気分解される。それにより、陽極室１４ａにおいて主にフッ素ガスが発生する。また、陰極室１４ｂにおいて主に水素ガスが発生する。
【００３９】
上部蓋体１１ｂには、ガス排出口１６ａ，１６ｂが設けられる。ガス排出口１６ａには排気管１７ａが接続され、ガス排出口１６ｂには排気管１７ｂが接続される。ガス排出口１６ａは陽極室１４ａに連通し、ガス排出口１６ｂは陰極室１４ｂに連通する。排気管１７ａ，１７ｂには、それぞれ自動弁ｖ２，ｖ３が介挿される。自動弁ｖ２が開放されている場合、陽極室１４ａで発生される気体は、ガス排出口１６ａから排気管１７ａを通して排出される。また、自動弁ｖ３が開放されている場合、陰極室１４ｂで発生する気体はガス排出口１６ｂから排気管１７ｂを通して排出される。
【００４０】
電解装置１０には、電解槽本体１１ａ内の電解浴１２の温度を検出する温度センサ２２が設けられる。本実施の形態では、温度センサ２２は、熱電対からなる。また、電解装置の陰極室１４ｂには、圧力センサＰ１が設けられる。圧力センサＰ１により、陰極室１４ｂ内の圧力が検出される。
【００４１】
温度センサ１８ｃ，２２により検出される温度は制御部２３に与えられる。また、圧力センサＰ１，Ｐ２により検出される圧力は制御部２３に与えられる。さらに、下限液面センサ２０ａおよび上限液面センサ２０ｂからの検出信号は、制御部２３に与えられる。制御部２３は、下限液面センサ２０ａおよび上限液面センサ２０ｂからの検出信号、温度センサ２２により検出される温度および圧力センサＰ１により検出される圧力に基づいて自動弁ｖ１〜ｖ３の開閉を制御する。これにより、電解浴１２の液面が下限液面高さＨ１まで低下した場合、ＨＦが電解槽１１に供給される。また、電解浴１２の液面が上限液面高さＨ２まで上昇した場合、ＨＦの供給が停止される。
【００４２】
ＨＦの供給の際には、圧力センサＰ２により検出される圧力が圧力センサＰ１により検出される圧力よりも大きくなるように、ＨＦ供給源５０からＨＦ供給管１８ａに供給されるＨＦの圧力が設定される。また、制御部２３は、温度センサ１８ｃにより検出される温度および圧力センサＰ２により検出される圧力に基づいてＨＦ供給管１８ａ内のＨＦが気体状に維持されるように温度調整用ヒータ１８ｂを制御する。具体的には、ＨＦの蒸気圧が圧力センサＰ２により検出される圧力よりも高くなるように温度調整用ヒータ１８ｂによりＨＦ供給管１８ａ内のＨＦが加熱される。これにより、気体状のＨＦを電解槽１１内に供給することができる。
【００４３】
（２）自動弁の制御処理
制御部２３による自動弁ｖ１〜ｖ３の制御動作について説明する。図２は、電解浴１２であるＫＦ・２ＨＦの蒸気圧と温度との関係を示すグラフである。ここで、ＫＦ・２ＨＦにおける蒸気圧の成分はＨＦである。図２に示すように、電解浴１２の蒸気圧をＰ［ｋＰａＧ］とし、電解浴１２の温度をＴ［℃］とすると、電解浴１２の蒸気圧と温度との関係はＰ＝０．３１９２［ｋＰａＧ／℃］×Ｔ−２１．５７９［ｋＰａＧ］で与えられる。制御部２３は、図２に示されるＫＦ・２ＨＦの蒸気圧と温度との関係を記憶している。
【００４４】
電解槽１１内の電解浴１２は、室温でかつ大気圧下では固体状態をとる。そのため、電解浴１２の電気分解を行うためには、電解浴１２を８０〜９０℃に加熱し、液体状態にする必要がある。本実施の形態においては、温度センサ２２により検出される温度に基づいて、電解浴１２の温度が８５±２℃の範囲で制御される。したがって、図２のグラフより、電解槽１１内の電解浴１２の蒸気圧は６ｋＰａＧ程度となる。
【００４５】
ＨＦ供給管１８ａから陰極室１４ｂ内にＨＦが供給される際、陰極室１４ｂ内の圧力が電解浴１２の蒸気圧すなわちＨＦの蒸気圧よりも高く制御される。それにより、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄから空間ＳＰに吐出された気体状のＨＦが液化しやすくなる。その結果、空間ＳＰに供給されたＨＦが電解浴１２に効率よく吸収される。陰極室１４ｂ内の圧力がＨＦの蒸気圧以下の場合、排気管１７ｂに介挿された自動弁ｖ３が閉止される。これにより、陰極室１４ｂ内の圧力をＨＦの蒸気圧よりも高くすることができる。
【００４６】
なお、本実施の形態においては、排気管１７ｂの自動弁ｖ３が閉止される場合には、排気管１７ａの自動弁ｖ２も同時に閉止される。したがって、陰極室１４ｂ内の圧力が上昇する場合には、陽極室１４ａ内の圧力も同時に上昇する。これにより、陰極室１４ｂ内の電解浴１２の液面が低下しかつ陽極室１４ａ内の電解浴１２の液面が上昇することが防止される。その結果、陽極室１４ａ内の液面および陰極室１４ｂ内の液面をほぼ同一に保つことができる。
【００４７】
図３は、制御部２３による自動弁ｖ１〜ｖ３の制御処理を示すフローチャートである。なお、初期状態では、自動弁ｖ１は閉止され、自動弁ｖ２，ｖ３は開放されている。
【００４８】
制御部２３は、下限液面センサ２０ａの検出信号に基づいて電解浴１２の液面が下限液面高さＨ１まで低下したか否かを判定する（ステップＳ１）。電解浴１２の液面が下限液面高さＨ１まで低下していない場合、制御部２３は、電解浴１２の液面が下限液面高さＨ１まで低下するまで待機する。
【００４９】
電解浴１２の液面が下限液面高さＨ１まで低下した場合、制御部２３は自動弁ｖ１を開放する（ステップＳ２）。これにより、圧力センサＰ２により検出される圧力が圧力センサＰ１により検出される圧力よりも高い場合、電解槽１１内に気体状のＨＦが供給される。次に、制御部２３は、圧力センサＰ１により検出される圧力が電解浴１２（ＨＦ）の蒸気圧よりも高いか否かを判定する（ステップＳ３）。電解浴１２の蒸気圧は、温度センサ２２により検出される温度に基づいて、図２の関係から求められる。
【００５０】
圧力センサＰ１により検出される圧力がＨＦの蒸気圧以下である場合、制御部２３は自動弁ｖ２，ｖ３を閉止する（ステップＳ４）。この場合、極室１４ａ内および陰極室１４ｂ内の圧力が上昇する。それにより、圧力センサＰ１により検出される圧力をＨＦの蒸気圧よりも高くすることができる。それにより、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄから空間ＳＰに吐出された気体状のＨＦが液化しやすくなる。その結果、電解浴１２にＨＦが効率よく吸収される。その後、制御部２３は、ステップＳ３の処理に戻る。
【００５１】
ステップＳ３で圧力センサＰ１により検出される圧力がＨＦの蒸気圧よりも高い場合、電解浴１２にＨＦが効率よく吸収されるので、電解浴１２の液面が上昇する。この場合、制御部２３は、上限液面センサ２０ｂからの検出信号に基づいて電解浴１２の液面が上限液面高さＨ２まで上昇したか否かを判定する（ステップＳ５）。電解浴１２の液面が上限液面高さＨ２まで上昇していない場合、制御部２３は、ステップＳ３の処理に戻る。
【００５２】
ステップＳ５で電解浴１２の液面が上限液面高さＨ２まで上昇した場合、制御部２３は自動弁ｖ１を閉止する（ステップＳ６）。また、制御部２３は自動弁ｖ２，ｖ３を開放し、ステップＳ１の処理に戻る。
【００５３】
（３）効果
本実施の形態に係る電解装置１０においては、電解槽１１の空間ＳＰの圧力が制御部２３によりＨＦの蒸気圧よりも高く制御されるので、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄから空間ＳＰに吐出された気体状のＨＦが液化しやすくなる。それにより、電解槽１１内の電解浴１２にＨＦが効率よく吸収される。また、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄは、電解浴１２の上部の空間ＳＰにＨＦを供給するように設けられるので、電解浴１２に接触しない。そのため、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄが電解浴１２に接触することによるＨＦ供給管１８ａの腐食が発生しない。また、電解浴１２がＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄに付着することによる電解浴１２の凝固が発生しない。それにより、ＨＦ供給管１８ａの閉塞の発生が防止される。その結果、電解装置１０のメンテナンスの頻度を低減することが可能となるとともに、電解装置１０の動作不良の発生が防止される。
【００５４】
［２］第２の実施の形態
（１）電解装置の構成
第２の実施の形態に係る電解装置について、第１の実施の形態に係る電解装置１０と異なる点を説明する。図４は、第２の実施の形態に係る電解装置の模式的断面図である。図４に示すように、本実施の形態に係る電解装置１０は、ＨＦ液化装置３０をさらに備える。また、ＨＦ供給管１８ａに温度調整用ヒータ１８ｂおよび温度センサ１８ｃが設けられない。
【００５５】
ＨＦ液化装置３０は、ＨＦを貯留するＨＦ液化容器３１を備える。ＨＦ液化容器３１は、底面部、上面部および４つの側面部を有する。ＨＦ液化容器３１の４つの側面部には、温調素子３２が設けられる。本実施の形態において、温調素子３２は、例えばペルチェ素子である。
【００５６】
ＨＦ液化容器３１の上面部には、ＨＦ液化容器３１内に気体状のＨＦを供給するためのＨＦ供給管１９が接続される。ＨＦ供給管１９には自動弁ｖ４が介挿されている。ＨＦ供給源５０からＨＦ供給管１９を通して気体状のＨＦがＨＦ液化容器３１内に供給される。
【００５７】
ＨＦ液化容器３１には、ＨＦの温度を検出する温度センサ３３およびＨＦ液化容器３１内の圧力を検出する圧力センサＰ３が設けられる。温度センサ３３により検出される温度および圧力センサＰ３により検出される圧力は制御部２３に与えられる。制御部２３は、温度センサ３３により検出される温度および圧力センサＰ３により検出される圧力に基づいて、ＨＦの温度が融点（１気圧においては−８４℃）を超えかつ沸点（１気圧においては１９．５４℃）未満になるように温調素子３２を制御する。これにより、ＨＦ液化容器３１内に供給された気体状のＨＦが液化され、ＨＦ液化容器３１内に液体状のＨＦが貯留される。
【００５８】
ＨＦ液化容器３１の内部には、ＨＦの液面を検出する下限液面センサ３４ａおよび上限液面センサ３４ｂが設けられる。下限液面センサ３４ａの下端は上限液面センサ３４ｂの下端よりも下方に配置される。下限液面センサ３４ａおよび上限液面センサ３４ｂの検出結果を示す検出信号は、制御部２３に与えられる。
【００５９】
ＨＦ液化容器３１内のＨＦの液面が下限液面センサ３４ａの下端まで低下した場合、制御部２３により自動弁ｖ４が開放される。これにより、ＨＦ液化容器３１内に気体状のＨＦが供給される。また、ＨＦ液化容器３１内のＨＦの液面が上限液面センサ３４ｂの下端の位置まで上昇した場合、制御部２３により自動弁ｖ４が閉止される。これにより、ＨＦ液化容器３１内への気体状のＨＦの供給が停止される。その結果、ＨＦ液化容器３１内に一定範囲の液体状のＨＦが貯留される。
【００６０】
ＨＦ液化容器３１の底面部には、ＨＦ供給管１８ａが接続される。ＨＦ液化容器３１内の液体状のＨＦが、ＨＦ供給管１８ａを介して電解槽１１内の空間ＳＰに供給される。それにより、液体状のＨＦが電解槽１１内の電解浴１２に効率よく吸収される。
【００６１】
（２）効果
本実施の形態に係る電解装置１０においては、気体状のＨＦがＨＦ液化装置３０の温調素子３２で冷却されることにより液化される。この場合、電解槽１１の内の空間ＳＰに液体状のＨＦが供給されるので、ＨＦは電解槽１１内の電解浴１２に効率よく吸収される。また、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄは、電解浴１２の上部の空間ＳＰにＨＦを供給するように設けられるので、電解浴１２に接触しない。そのため、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄが電解浴１２に接触することによるＨＦ供給管１８ａの腐食が発生しない。また、電解浴１２がＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄに付着することによる電解浴１２の凝固が発生しない。それにより、ＨＦ供給管１８ａの閉塞の発生が防止される。その結果、電解装置１０のメンテナンスの頻度を低減することが可能となるとともに、電解装置１０の動作不良の発生が防止される。
【００６２】
陰極室１４ｂ内の圧力が制御部２３によりＨＦの蒸気圧よりも高く制御されることが好ましい。この場合、自動弁ｖ１〜ｖ３の制御処理については、図３の制御処理と同様である。それにより、電解槽１１内の空間ＳＰに供給される液体状のＨＦが気化することが防止される。その結果、ＨＦが電解槽１１内の電解浴１２に確実に吸収される。
【００６３】
なお、ＨＦ供給管１８ａから陰極室１４ｂ内に供給される液体状のＨＦが陰極室１４ｂ内で気化しない場合には、陰極室１４ｂ内の圧力はＨＦの蒸気圧よりも高く制御されなくてもよい。
【００６４】
［３］他の実施の形態
（１）電解槽１１の陰極室１４ｂ内の圧力をＨＦの蒸気圧よりも高くすることが困難な場合には、陰極室１４ｂ内に窒素ガス等の不活性ガスを供給してもよい。それにより、陰極室１４ｂ内の圧力をＨＦの蒸気圧よりも容易に高くすることができる。
【００６５】
（２）第１および第２の実施の形態においては、ＨＦが電解槽１１の陰極室１４ｂ内に供給されるが、これに限定されない。ＨＦは電解槽１１の陰極室１４ｂ内ではなく電解槽１１の陽極室１４ａ内に供給されてもよい。この場合、ＨＦ供給管１８ａの供給口１８ｄは、陽極室１４ａ内に位置するように設けられる。
【００６６】
（３）第２の実施の形態において、気体状のＨＦがＨＦ液化装置３０により液化されることにより液体状のＨＦが電解槽１１内の空間ＳＰに供給されるが、これに限定されない。ＨＦ供給源５０から液体状のＨＦがＨＦ供給管１８ａを通して電解槽１１に直接供給されてもよい。この場合、電解装置１０にＨＦ液化装置３０が設けられない。
【００６７】
（４）電気分解される化合物はＨＦに限定されない。例えば、化合物としてＮＨ４Ｆ・ＨＦ（フッ化アンモニウム−フッ化水素）またはＮＨ４Ｆ・ＫＦ・ＨＦ（フッ化アンモニウム−フッ化カリウム−フッ化水素）を用いることができる。この場合、陽極室１４ａにおいてＮＦ３（三フッ化窒素）が発生し、陰極室１４ｂにおいてＨ２（水素）が発生する。
【００６８】
［４］請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応関係
以下、請求項の各構成要素と実施の形態の各部との対応の例について説明するが、本発明は下記の例に限定されない。電解装置１０が電解装置の例であり、電解浴１２が電解浴の例であり、電解槽１１が電解槽の例であり、空間ＳＰが空間の例である。第１の実施の形態においてはＨＦ供給管１８ａおよび温度調整用ヒータ１８ｂが化合物供給系の例であり、第２の実施の形態においてはＨＦ供給管１８ａおよびＨＦ液化装置３０が化合物供給系の例である。
【００６９】
供給口１８ｄが化合物供給口の例であり、ＨＦ供給管１８ａが化合物供給管の例であり、温度調整用ヒータ１８ｂが温度調整手段の例である。温度センサ２２、圧力センサＰ１、排気管１７ｂ、自動弁ｖ３および制御部２３が圧力制御手段の例である。温度センサ２２が温度検出手段の例であり、圧力センサＰ１が圧力検出手段の例であり、排気管１７ｂおよび自動弁ｖ３が圧力調整手段の例である。
【００７０】
温調素子３２が冷却手段の例であり、制御部２３が制御部の例であり、排気管１７ｂが気体排出系の例であり、自動弁ｖ３が開閉手段の例であり、上限液面高さＨ２が予め定められた高さの例である。上限液面センサ２０ｂ、自動弁ｖ１および制御部２３が液面制御手段の例である。
【００７１】
請求項の各構成要素として、請求項に記載されている構成または機能を有する他の種々の要素を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、気体発生装置等の電解装置に有効に利用することができる。
【符号の説明】
【００７３】
１０ 電解装置
１１ 電解槽
１１ａ 電解槽本体
１１ｂ 上部蓋体
１１ｃ 絶縁部材
１２ 電解浴
１３ 隔壁
１４ａ 陽極室
１４ｂ 陰極室
１５ａ 陽極
１５ｂ 陰極
１６ａ，１６ｂ ガス排出口
１７ａ，１７ｂ 排気管
１８ａ，１９ ＨＦ供給管
１８ｂ 温度調整用ヒータ
１８ｃ 温度センサ
１８ｄ 供給口
２０ａ，３４ａ 下限液面センサ
２０ｂ，３４ｂ 上限液面センサ
２２，３３ 温度センサ
２３ 制御部
３０ ＨＦ液化装置
３１ ＨＦ液化容器
３２ 温調素子
５０ ＨＦ供給源
Ｈ１ 下限液面高さ
Ｈ２ 上限液面高さ
Ｐ１〜Ｐ３ 圧力センサ
ＳＰ 空間
ｖ１〜ｖ４ 自動弁
【特許請求の範囲】
【請求項１】
化合物を電気分解する電解装置であって、
前記化合物を含む電解浴を収容する電解槽と、
前記電解槽内で電解浴の上部に形成される空間に気体状の前記化合物を供給するように前記電解槽に設けられる化合物供給系と、
前記化合物供給系からの前記化合物の供給時に、前記電解槽内の前記空間の圧力を前記化合物の蒸気圧よりも高く制御する圧力制御手段とを備える、電解装置。
【請求項２】
前記化合物供給系は、
前記電解槽内の電解浴の液面よりも上方に位置するように配置された化合物供給口を有する化合物供給管と、
前記化合物供給管の温度を調整する温度調整手段とを含み、
前記圧力制御手段は、前記化合物供給系からの前記化合物の供給時に前記化合物供給管内の圧力を前記電解槽内の前記空間の圧力よりも高くなるように前記化合物供給管内の圧力を制御するように構成され、
前記温度調整手段は、前記化合物供給管内の前記化合物が気体状を維持するように前記化合物供給管の温度を調整する、請求項１記載の電解装置。
【請求項３】
化合物を電気分解する電解装置であって、
前記化合物を含む電解浴を収容する電解槽と、
前記電解槽内で電解浴の上部に形成される空間に液体状の前記化合物を供給するように前記電解槽に設けられる化合物供給系とを備える、電解装置。
【請求項４】
前記化合物供給系は、
気体状の前記化合物を冷却することにより液体状の前記化合物を生成する冷却手段を含む、請求項３記載の電解装置。
【請求項５】
前記化合物供給系からの前記化合物の供給時に、前記電解槽内の前記空間の圧力を前記化合物の蒸気圧よりも高く制御する圧力制御手段をさらに備える、請求項３または４記載の電解装置。
【請求項６】
前記圧力制御手段は、
前記電解槽内の電解浴の温度を検出する温度検出手段と、
前記電解槽内の前記空間の圧力検出する圧力検出手段と、
前記電解槽内の圧力を調整する圧力調整手段と、
前記化合物の温度と蒸気圧との関係、前記温度検出手段により検出される温度および前記圧力検出手段により検出される圧力に基づいて、前記電解槽内の前記空間の圧力が前記化合物の蒸気圧よりも高くなるように前記圧力調整手段を制御する制御部とを含む、請求項１、２または５のいずれか一項に記載の電解装置。
【請求項７】
前記圧力調整手段は、
前記電解槽の前記空間内の気体を排出する気体排出系と、
前記気体排出系を開閉する開閉手段とを含み、
前記制御部は、前記電解槽内の前記空間の圧力が前記化合物の蒸気圧よりも高くなるように前記開閉手段の開閉を制御する、請求項６記載の電解装置。
【請求項８】
前記電解槽に収容される電解浴の液面が予め定められた高さよりも上昇しないように電解浴の液面を制御する液面制御手段をさらに備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電解装置。
【請求項１】
化合物を電気分解する電解装置であって、
前記化合物を含む電解浴を収容する電解槽と、
前記電解槽内で電解浴の上部に形成される空間に気体状の前記化合物を供給するように前記電解槽に設けられる化合物供給系と、
前記化合物供給系からの前記化合物の供給時に、前記電解槽内の前記空間の圧力を前記化合物の蒸気圧よりも高く制御する圧力制御手段とを備える、電解装置。
【請求項２】
前記化合物供給系は、
前記電解槽内の電解浴の液面よりも上方に位置するように配置された化合物供給口を有する化合物供給管と、
前記化合物供給管の温度を調整する温度調整手段とを含み、
前記圧力制御手段は、前記化合物供給系からの前記化合物の供給時に前記化合物供給管内の圧力を前記電解槽内の前記空間の圧力よりも高くなるように前記化合物供給管内の圧力を制御するように構成され、
前記温度調整手段は、前記化合物供給管内の前記化合物が気体状を維持するように前記化合物供給管の温度を調整する、請求項１記載の電解装置。
【請求項３】
化合物を電気分解する電解装置であって、
前記化合物を含む電解浴を収容する電解槽と、
前記電解槽内で電解浴の上部に形成される空間に液体状の前記化合物を供給するように前記電解槽に設けられる化合物供給系とを備える、電解装置。
【請求項４】
前記化合物供給系は、
気体状の前記化合物を冷却することにより液体状の前記化合物を生成する冷却手段を含む、請求項３記載の電解装置。
【請求項５】
前記化合物供給系からの前記化合物の供給時に、前記電解槽内の前記空間の圧力を前記化合物の蒸気圧よりも高く制御する圧力制御手段をさらに備える、請求項３または４記載の電解装置。
【請求項６】
前記圧力制御手段は、
前記電解槽内の電解浴の温度を検出する温度検出手段と、
前記電解槽内の前記空間の圧力検出する圧力検出手段と、
前記電解槽内の圧力を調整する圧力調整手段と、
前記化合物の温度と蒸気圧との関係、前記温度検出手段により検出される温度および前記圧力検出手段により検出される圧力に基づいて、前記電解槽内の前記空間の圧力が前記化合物の蒸気圧よりも高くなるように前記圧力調整手段を制御する制御部とを含む、請求項１、２または５のいずれか一項に記載の電解装置。
【請求項７】
前記圧力調整手段は、
前記電解槽の前記空間内の気体を排出する気体排出系と、
前記気体排出系を開閉する開閉手段とを含み、
前記制御部は、前記電解槽内の前記空間の圧力が前記化合物の蒸気圧よりも高くなるように前記開閉手段の開閉を制御する、請求項６記載の電解装置。
【請求項８】
前記電解槽に収容される電解浴の液面が予め定められた高さよりも上昇しないように電解浴の液面を制御する液面制御手段をさらに備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電解装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−９１８１９（Ｐ２０１３−９１８１９Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３３２５４（Ｐ２０１１−２３３２５４）
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【出願人】（０００２２２８４２）東洋炭素株式会社 (198)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【出願人】（０００２２２８４２）東洋炭素株式会社 (198)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]