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JP6516335B2 - Target gas treatment system - Google Patents

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JP6516335B2 JP2017083924A JP2017083924A JP6516335B2 JP 6516335 B2 JP6516335 B2 JP 6516335B2 JP 2017083924 A JP2017083924 A JP 2017083924A JP 2017083924 A JP2017083924 A JP 2017083924A JP 6516335 B2 JP6516335 B2 JP 6516335B2
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Description

本発明は、対象ガスが使用される装置から得られる、使用済み対象ガスと空気を含む排出ガスを処理する対象ガス処理システムに関する。   The present invention relates to a target gas treatment system for treating an exhaust gas containing spent target gas and air obtained from an apparatus in which the target gas is used.

3Dメモリの作製には、ナノインプリント半導体製造装置が利用される。このナノインプリント半導体製造装置では、ナノインプリント工程において、半導体の欠陥発生低減のために、粒子径が極めて小さい不活性ガスであるヘリウムガス雰囲気中で製造が行われている。ナノインプリント工程では、ウエハを適切なヘリウムガス雰囲気中に設置することが、歩留まりを良くする上での最大のノーハウになっている。   A nanoimprint semiconductor manufacturing apparatus is used to manufacture a 3D memory. In this nanoimprint semiconductor manufacturing apparatus, in the nanoimprint step, manufacture is performed in a helium gas atmosphere which is an inert gas having a very small particle diameter in order to reduce the occurrence of defects in the semiconductor. In the nanoimprint process, placing the wafer in an appropriate helium gas atmosphere is the greatest know-how in improving the yield.

一方、使用したヘリウムは空気成分が約90%にもなる形でしか回収できないために再利用が困難であり、現在は全て大気放散して利用されている。そのため、ナノインプリント技術を利用した極小線幅半導体の生産が軌道に乗ると、半導体生産に使われるヘリウムの量は莫大な量になると予測されている。そのため、ヘリウムを出来るだけ多く回収して再利用する技術が望まれている。   On the other hand, the helium used is difficult to recycle because it can be recovered only when the air content is about 90%, and all of the helium is currently dissipated and used. Therefore, it is predicted that the amount of helium used for semiconductor production will be enormous if the production of a very small line width semiconductor using nanoimprint technology is put in orbit. Therefore, a technique for recovering and reusing helium as much as possible is desired.

なお、本発明に関連するヘリウムの循環システムは、特許文献1などに開示されており、ヘリウムの精製については特許文献2−4等に示されている。   In addition, the circulation system of the helium relevant to this invention is disclosed by patent document 1 grade | etc., And it is shown by patent document 2-4 grade | etc., About refinement | purification of helium.

特許第4145673号公報Patent No. 4145673 特許第4893990号公報Patent No. 4893990 特許第3645526号公報Patent No. 3645526 特許第3686066号公報Patent No. 3686066

ヘリウムは20数年先には枯渇すると危惧されており、ヘリウムの価格は最近10年で4−5倍にもなっており、ヘリウム回収の必要性が強く指摘されているが、このような高い比率のコンタミ(汚染物質:主として空気成分)を持ったガスから、経済性を持って利用可能なヘリウム回収技術はまだ存在しない。   Helium is threatened to deplete 20 years from now, and the price of helium has increased 4-5 times in the last 10 years, and the need for helium recovery is strongly pointed out, but such high Economically available helium recovery technologies do not yet exist from gases with proportions of contamination (contaminants: mainly air components).

本発明に係る対象ガス処理システムは、対象ガスと空気を含む排出ガスを圧送するコンプレッサと、コンプレッサからの圧縮ガスを、対象ガス富化ガスと、対象ガス低含有ガスに分離する膜分離装置と、膜分離装置からの対象ガス富化ガスを冷却し、空気または対象ガスのいずれかを固化することによって対象ガスと空気を分離する深冷装置と、を有し、深冷装置は、同心円状またはスパイラル状で外周側から順次内周側に、対象ガス富化ガスを流して冷却する流路であって、外周側の流路幅が内周側に比べて広い流路を有する。 The target gas processing system according to the present invention comprises a compressor for pumping an exhaust gas containing a target gas and air, and a membrane separation apparatus for separating a compressed gas from the compressor into a target gas enriched gas and a target gas low content gas. the target gas enriched gas from the membrane separation unit is cooled, possess a cryogenic unit for separating the target gas and air by the solidifying either air or target gas, the cryogenic apparatus A concentric or spiral flow passage that cools the target gas-enriched gas by flowing it from the outer circumferential side to the inner circumferential side sequentially from the outer circumferential side, and the outer circumferential side has a wider flow channel than the inner circumferential side. Do.

深冷装置において、膜分離装置からの対象ガス富化ガスを冷却し、空気を固化することによって空気より固化温度の低い対象ガスと空気を分離する場合、対象ガスは、ヘリウムまたはネオンであるとよい。If the target gas from the membrane separation device is cooled and the air is separated in the cryocooler to separate air from the target gas whose solidification temperature is lower than that of air, the target gas is helium or neon Good.
深冷装置において、膜分離装置からの対象ガス富化ガスを冷却し、対象ガスを固化することによって空気より固化温度の高い対象ガスと空気を分離する場合、対象ガスは、キセノンまたはアルゴンであるとよい。  If the target gas enriched in gas from the membrane separation device is cooled and the target gas is separated from the air by solidifying the target gas in the cryogenic system, the target gas is xenon or argon It is good.

また、対象ガスと空気を含む排出ガスを圧送する水潤滑コンプレッサと、水潤滑コンプレッサからの圧縮ガスを、対象ガス富化ガスと、対象ガス低含有ガスに分離する膜分離装置と、を有するとよい。 And a water lubricated compressor for pumping the exhaust gas containing the target gas and air, and a membrane separation device for separating the compressed gas from the water lubricated compressor into the target gas enrichment gas and the target gas low content gas. Good.

また、対象ガスを熱交換器で予備的に冷却し、その冷却された対象ガス中の空気または対象ガスを固化することによって対象ガスと空気を分離する深冷装置と、を有するとよい。 In addition , it is preferable that the target gas is preliminarily cooled by the heat exchanger, and the cryogenic air for separating the target gas and the air by solidifying the air or the target gas in the cooled target gas.

本発明によれば、空気成分を多く含むヘリウムガスを収率90%以上で回収することが可能になり、大幅な生産費コストダウンの実現を達成するとともに、希少資源であるヘリウムの有効利用による環境負荷の低減に寄与することができる。   According to the present invention, it becomes possible to recover helium gas containing a large amount of air components at a yield of 90% or more, achieving a significant reduction in production cost and achieving a reduction in production cost. It can contribute to the reduction of environmental load.

ヘリウムガス循環システムの全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure of a helium gas circulation system. 前処理装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a pre-processing apparatus. 前処理装置の変形例の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the modification of a pre-processing apparatus. 水潤滑コンプレッサの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a water lubrication compressor. 膜分離装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a membrane separation apparatus. 深冷装置の構成を示す図である。It is a figure showing composition of a deep chiller. 深冷精製装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a cryogenic refinement | purification apparatus. 深冷精製装置の他の構成を示す図である。It is a figure which shows the other structure of a cryogenic refinement | purification apparatus. ヘリウムガス循環システムの変形例の構成を示すブロック図であるIt is a block diagram showing composition of a modification of helium gas circulation system 電動バルブの構成(閉状態)を示す図である。It is a figure which shows the structure (closed state) of an electrically operated valve. 電動バルブの構成(開状態)を示す図である。It is a figure which shows the structure (open state) of an electrically operated valve.

以下、本発明の実施形態について、図面に基づいて説明する。なお、本発明は、ここに記載される実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described based on the drawings. The present invention is not limited to the embodiments described herein.

「全体構成」
図1は、ヘリウム循環システムの全体構成を示す図である。半導体製造装置10は、3Dメモリを製造するものであり、ナノインプリント製造装置を含んでいる。そして、ナノインプリント製造装置によるナノインプリント工程は、ヘリウムガスが供給される密閉空間(対象空間)内において実施される。ヘリウムガスが供給される領域では、ヘリウムガス雰囲気になっているが、対象空間全体としては、多くの空気が含まれることになり、この対象空間から排出される排ガスは、典型的にはヘリウムガス10%、空気90%程度となる。
"overall structure"
FIG. 1 is a diagram showing an entire configuration of a helium circulation system. The semiconductor manufacturing apparatus 10 is for manufacturing a 3D memory, and includes a nanoimprint manufacturing apparatus. And the nanoimprint process by a nanoimprint manufacturing apparatus is implemented in the enclosed space (object space) where helium gas is supplied. In the region where helium gas is supplied, a helium gas atmosphere is provided, but the entire target space contains a large amount of air, and the exhaust gas discharged from this target space is typically helium gas. It will be about 10%, air about 90%.

排ガスは、前処理装置12に流入され、ここで排ガスから出来るだけ多く空気を除去し、ヘリウムガスを90%程度にまで濃縮されたヘリウム富化ガスを得る。前処理装置12については後述するが、膜分離装置、例えばポリイミド膜を使用する中空糸膜分離装置が好適である。また、排ガス圧縮用のコンプレッサとしては、水潤滑コンプレッサが好適である。また、コンプレッサとしては、オイルフリーコンプレッサも好適であり、さらに通常のオイルを利用するコンプレッサを使用することもでき、この場合には圧縮ガスからオイルを除去する装置を設け、後段の装置にオイルが流出しないようにするとよい。   The exhaust gas flows into the pretreatment device 12 where it removes as much air from the exhaust gas as possible to obtain a helium enriched gas enriched to about 90% helium gas. Although the pretreatment device 12 will be described later, a membrane separation device, for example, a hollow fiber membrane separation device using a polyimide membrane is preferable. Moreover, a water lubricated compressor is suitable as a compressor for exhaust gas compression. In addition, as the compressor, an oil-free compressor is also suitable, and a compressor that uses ordinary oil can also be used. In this case, a device for removing oil from compressed gas is provided You should not spill it.

前処理装置12からのヘリウム富化ガスは、深冷装置14に供給される。深冷装置14は、ヘリウム富化ガスを冷却し、空気を固化させて、ヘリウムガスを精製する。これによって、濃度が90%程度に高められたヘリウムガスが得られ、これがバッファタンク16に一旦貯留された後、半導体製造装置10に循環される。なお、半導体製造装置10には、ヘリウムボンベ18からのヘリウムガスも切替装置により供給できるようになっている。   The helium-enriched gas from the pretreatment unit 12 is supplied to the cryogenic unit 14. The chiller 14 cools the helium-enriched gas, solidifies the air, and purifies the helium gas. As a result, helium gas whose concentration is increased to about 90% is obtained, which is temporarily stored in the buffer tank 16 and then circulated to the semiconductor manufacturing apparatus 10. The semiconductor manufacturing apparatus 10 can also be supplied with helium gas from the helium cylinder 18 by the switching device.

「前処理装置」
図2は、膜分離装置を用いた前処理装置12の構成例を示す図である。半導体製造装置10からの排ガスは、ポンプ110によってバッファタンク114に供給され、ここに一旦貯留される。バッファタンク114に貯留されたガスは、水潤滑コンプレッサ116により圧縮されて後段に供給される。水潤滑コンプレッサ116では、0.9MPa(ゲージ圧、以下同様)程度の高圧ガスを得ることができる。
"Preprocessor"
FIG. 2 is a view showing a configuration example of the pretreatment device 12 using the membrane separation device. The exhaust gas from the semiconductor manufacturing apparatus 10 is supplied to the buffer tank 114 by the pump 110 and temporarily stored there. The gas stored in the buffer tank 114 is compressed by the water lubrication compressor 116 and supplied to the subsequent stage. The water-lubricated compressor 116 can obtain a high pressure gas of about 0.9 MPa (gauge pressure, hereinafter the same).

水潤滑コンプレッサ116からの圧縮ガスは、冷凍タイプの除湿器であるアフタークーラ118により冷却されて、水分が除去される。水分が除去された圧縮ガスは一旦バッファタンク120に貯留された後、温度制御器122で適切な温度に加熱又は冷却され、膜分離装置124に供給される。この膜分離装置124は、例えばポリイミドの中空糸を利用するものであり、膜に対する透過速度の相違によってヘリウムと空気とを分離する。すなわち、ヘリウムと空気との混合ガスを膜の一方側に高圧で供給することで、膜の透過速度の高いヘリウムが膜を選択的に透過する。これによって、膜分離装置124の透過側にヘリウム富化ガスが得られ、混合ガスの供給室側に空気を多く含む空気富化ガスが得られる。膜分離装置124におけるヘリウムガスの透過速度は比較的小さく、従って高圧での膜分離が必要である。水潤滑コンプレッサ116と膜分離装置124を用いるだけでは、ヘリウムの濃度を十分に上げることは困難であるが、膜分離装置124で得られたヘリウム富化ガスをそのまま使用できる用途もある。   The compressed gas from the water lubricated compressor 116 is cooled by an aftercooler 118 which is a refrigeration type dehumidifier to remove water. The compressed gas from which water has been removed is temporarily stored in the buffer tank 120, and then heated or cooled to an appropriate temperature by the temperature controller 122 and supplied to the membrane separation device 124. This membrane separation device 124 utilizes, for example, a hollow fiber of polyimide, and separates helium and air by the difference in permeation rate to the membrane. That is, by supplying a mixed gas of helium and air to one side of the membrane under high pressure, helium having a high permeation rate of the membrane selectively passes through the membrane. As a result, a helium-enriched gas is obtained on the permeate side of the membrane separation device 124, and an air-enriched gas containing a large amount of air is obtained on the mixed gas supply chamber side. The permeation rate of helium gas in the membrane separator 124 is relatively low, thus requiring membrane separation at high pressure. Although it is difficult to sufficiently increase the concentration of helium only by using the water-lubricated compressor 116 and the membrane separation device 124, there are also applications where the helium-enriched gas obtained by the membrane separation device 124 can be used as it is.

ヘリウム濃度を上げるために、膜分離装置124で得られたヘリウム富化ガスは、バッファタンク126を介し、水潤滑コンプレッサ128で再度圧縮される。圧縮ガスは、冷却除湿器130で除湿されて、バッファタンク132に貯留され、その後温度制御器134、減圧器136を介し、膜分離装置138に供給される。ここで、2段目の膜分離装置138においては、0.6MPa程度と、1段目の膜分離装置124に比べ供給圧力を低くする。これによって、空気の膜透過量を減少して、ヘリウムガスの比率の大きな透過ガスを効果的に得ることができる。   In order to increase the helium concentration, the helium-enriched gas obtained by the membrane separation unit 124 is compressed again by the water lubricated compressor 128 via the buffer tank 126. The compressed gas is dehumidified by the cooling dehumidifier 130 and stored in the buffer tank 132, and then supplied to the membrane separation device 138 via the temperature controller 134 and the pressure reducer 136. Here, in the second stage membrane separation apparatus 138, the supply pressure is set to about 0.6 MPa, which is lower than that of the first stage membrane separation apparatus 124. As a result, the amount of membrane permeation of air can be reduced to effectively obtain a permeate gas having a large ratio of helium gas.

2段目の膜分離装置138で得られたヘリウム富化ガスは、減圧器142で0MPa程度(大気圧)に減圧されて、深冷装置14に向けて送出される。   The helium-enriched gas obtained by the second stage membrane separation apparatus 138 is decompressed to about 0 MPa (atmospheric pressure) by the decompressor 142 and is delivered to the cryogenic apparatus 14.

また、1段目の膜分離装置124の供給側におけるヘリウムガスが減少し空気の割合が増加した空気富化ガスは、温度制御器144を介し、別の膜分離装置146に供給される。透過側にほぼ空気のみが得られるようなガス温度と圧力で透過させることにより、ほぼ空気のみとなったガスが放出される。一方、供給側には、空気が除去され、ヘリウムガスが濃縮されたガスが得られ(例えば、ヘリウムガスを50%程度含む)、これは減圧弁148によって、ほぼ大気圧にされてバッファタンク114に循環される。   Further, the air-enriched gas in which the helium gas on the supply side of the first stage membrane separation device 124 decreases and the proportion of air increases is supplied to another membrane separation device 146 via the temperature controller 144. By permeating at the gas temperature and pressure such that substantially only air can be obtained on the permeation side, the substantially air-only gas is released. On the other hand, on the supply side, the air is removed and a gas enriched with helium gas is obtained (for example, containing about 50% of helium gas), which is brought to almost atmospheric pressure by the pressure reducing valve 148 and the buffer tank 114 It is circulated to

2段目の膜分離装置138の供給側からの排ガス(例えば、ヘリウムガスを85%程度含む)は、減圧弁150を介し、ほぼ大気圧(0MPa)とされてバッファタンク114に循環される。なお、アフタークーラ118からの排出ガスの一部はバッファタンク114に循環して、後段へのガス供給量を調整するとよい。   The exhaust gas (for example, containing about 85% of helium gas) from the supply side of the second stage membrane separation apparatus 138 is circulated to the buffer tank 114 with the atmospheric pressure (0 MPa) almost via the pressure reducing valve 150. Note that part of the exhaust gas from the aftercooler 118 may be circulated to the buffer tank 114 to adjust the gas supply amount to the rear stage.

このような、膜分離装置を3つ、水潤滑コンプレッサを2つ含む前処理装置12によって、ヘリウムガスを95%程度含むヘリウム富化ガスが得られる。また、除湿も行っているので、露点は−15°C以下にできる。また、ヘリウムの収率は98%と高いものにできる。   A helium enrichment gas containing about 95% of helium gas can be obtained by the pretreatment device 12 including three membrane separation devices and two water lubricated compressors. Moreover, since dehumidification is also performed, the dew point can be made less than -15 ° C. Also, the yield of helium can be as high as 98%.

「前処理装置の変形例」
上述の例では、膜分離装置を3つ、水潤滑コンプレッサを2つ含む。従って、システムが比較的大型である。ヘリウムガスの濃度が低くなることを許容すれば、より小型のシステムとすることもできる。
"Modification of pre-processing device"
The above example includes three membrane separators and two water lubricated compressors. Thus, the system is relatively large. If the helium gas concentration is allowed to be low, a more compact system can be made.

図3には、膜分離装置を2つ、水潤滑コンプレッサを1つとしたシステムを示す。空気90%、ヘリウムガス10%程度で大気圧の排ガスはポンプ210によりバッファタンク212に供給される。バッファタンク212内のガスを水潤滑コンプレッサ214によって加圧した後、アフタークーラ216で乾燥して、バッファタンク218に導入する。バッファタンク218からは一部が減圧弁244を介しバッファタンク212に循環されており、後段へのガス流量が調整される。   FIG. 3 shows a system with two membrane separators and one water lubricated compressor. An exhaust gas with atmospheric pressure of 90% air and 10% helium gas is supplied to a buffer tank 212 by a pump 210. After the gas in the buffer tank 212 is pressurized by the water lubrication compressor 214, the gas is dried by the after cooler 216 and introduced into the buffer tank 218. A part of the buffer tank 218 is circulated to the buffer tank 212 via the pressure reducing valve 244, and the gas flow rate to the subsequent stage is adjusted.

バッファタンク218からのガスは、ドライヤ220に供給され、ここでさらに乾燥される。このドライヤ220は、例えば吸着式の除湿装置で、プレッシャー・スイング・アドソープション(PSA)タイプのドライヤが採用される。このPSAではゼオライトなどの吸湿剤(吸着剤)を充填した塔を複数用意し、一方の塔で高圧で吸湿を行っている際に、他方の塔において低圧での再生を行う。再生ガスは、減圧弁222を介し、バッファタンク212に戻される。このドライヤ220により、露点−70°C以下にすることが可能である。   The gas from the buffer tank 218 is supplied to the dryer 220 where it is further dried. The dryer 220 is, for example, an adsorption type dehumidifier, and a pressure swing adsorption (PSA) type dryer is employed. In this PSA, a plurality of towers packed with a hygroscopic agent (adsorbent) such as zeolite are prepared, and when moisture is absorbed under high pressure in one tower, regeneration under low pressure is performed in the other tower. The regeneration gas is returned to the buffer tank 212 via the pressure reducing valve 222. It is possible to make dew point -70 degrees C or less by this dryer 220.

ドライヤ220で乾燥されたガスは、膜分離装置224に高圧(例えば、0.9MPa)のまま供給される。この膜分離装置224もポリイミドの中空糸膜を利用するものが好適である。ヘリウムが選択的に膜を透過するため透過側にヘリウム富化ガスが得られ、これが制御弁226を介しバッファタンク228に貯留される。バッファタンク228内のヘリウム富化ガスは減圧弁230を介し、深冷装置14に供給される。   The gas dried by the dryer 220 is supplied to the membrane separation device 224 while maintaining a high pressure (for example, 0.9 MPa). It is preferable that this membrane separation device 224 also utilizes a hollow fiber membrane of polyimide. As helium selectively permeates through the membrane, a helium-enriched gas is obtained on the permeate side, which is stored in the buffer tank 228 via the control valve 226. The helium-enriched gas in the buffer tank 228 is supplied to the chiller 14 through the pressure reducing valve 230.

なお、ヘリウム富化ガスの一部は制御弁232、減圧弁234を介しバッファタンク212に戻される。従って、制御弁226,232を制御することで、循環量を制御することができ、バッファタンク212におけるヘリウムの含有率を適切な値にすることができる。   Note that part of the helium-enriched gas is returned to the buffer tank 212 via the control valve 232 and the pressure reducing valve 234. Therefore, by controlling the control valves 226 and 232, the circulation amount can be controlled, and the helium content rate in the buffer tank 212 can be set to an appropriate value.

膜分離装置224の供給側のガスは、制御弁236を介し、膜分離装置238に供給される。膜を透過してヘリウムガスを多く含むガスは、制御弁240、減圧弁242を介し、バッファタンク212に循環される。一方、ヘリウムをほとんど含まない空気が膜分離装置238の非透過側に得られ、これが外部に排気される。   The gas on the supply side of the membrane separation device 224 is supplied to the membrane separation device 238 via the control valve 236. A gas that is rich in helium gas through the membrane is circulated to the buffer tank 212 via the control valve 240 and the pressure reducing valve 242. On the other hand, air containing almost no helium is obtained on the non-permeation side of the membrane separation device 238 and is exhausted to the outside.

この例では、膜分離装置を2つ、水潤滑コンプレッサを1つとしており、上述の例に比べシステム構成が簡素化されている。そして、各段階で、前段へ循環できる構成としたため、ヘリウムの濃縮率を高めることができ、適切な循環量の設定によって所望のヘリウム富化ガスを得ることができる。   In this example, two membrane separation devices and one water lubricated compressor are provided, and the system configuration is simplified as compared with the above-described example. And since it was set as the structure which can be recirculated to a front | former stage at each step, the enrichment rate of helium can be raised and desired helium enrichment gas can be obtained by setting of the suitable amount of circulation.

「水潤滑コンプレッサ」
図4には、水潤滑コンプレッサの概略構成を示す。コンプレッサ本体310は、モータによって翼を回転させて、吸入側の流体を圧縮して排出する。ここで、このコンプレッサ本体310には、水と、被圧縮ガスが供給され、水が混入された圧縮ガスが排出される。水混入圧縮ガスはリザーバタンク312に供給され、ここで気液分離される。そして、リザーバタンク312内のガスが制御弁320を介し圧縮ガスとして次段(膜分離装置)に向けて排出される。
"Water lubricated compressor"
FIG. 4 shows a schematic configuration of a water lubricated compressor. The compressor body 310 rotates the blades by a motor to compress and discharge the fluid on the suction side. Here, water and gas to be compressed are supplied to the compressor body 310, and the compressed gas mixed with water is discharged. The water-containing compressed gas is supplied to the reservoir tank 312 where it is separated into gas and liquid. Then, the gas in the reservoir tank 312 is discharged to the next stage (membrane separation device) as compressed gas through the control valve 320.

また、リザーバタンク312の底部には、バルブ322を有する排出管が接続されており、適宜排水される。なお、リザーバタンク312の水位は一定に保たれるように、新しい水が供給される。   Further, a drain pipe having a valve 322 is connected to the bottom of the reservoir tank 312, and the drain pipe is appropriately drained. In addition, new water is supplied so that the water level of the reservoir tank 312 is maintained constant.

リザーバタンク312内の水は、クーラ314、フィルタ316、弁318を介し、コンプレッサ本体310に循環される。   Water in the reservoir tank 312 is circulated to the compressor body 310 via the cooler 314, the filter 316 and the valve 318.

このように、コンプレッサ本体310に水を循環供給することで、オイルを不要として、ガスの圧縮ができる。   As described above, by circulating and supplying water to the compressor main body 310, the oil can be eliminated and the gas can be compressed.

「膜分離装置」
図5には、膜分離装置の構成が示してある。円筒状のホルダ610の一端には、入口612、他端には出口614が設けられており、内部には軸方向に伸びる多数の中空糸616が配置されている。
"Membrane separation device"
FIG. 5 shows the configuration of the membrane separation apparatus. An inlet 612 is provided at one end of the cylindrical holder 610, and an outlet 614 is provided at the other end, and a plurality of axially extending hollow fibers 616 are disposed therein.

中空糸616の入口側には、入口側封止体618、出口側には出口側封止体620が設けられている。これら入口側封止体618、出口側封止体620は、ホルダ610内の中空糸616の外側空間を封止するものであり、入口側封止体618の入口612側の空間と、出口側封止体620の出口614側の空間とが各中空糸616の内部を介し連通される。また、ホルダ610の中間部には、内部と連通する排出口622が設けられ、ホルダ610内の入口側封止体618と、出口側封止体620との間の外側空間が排出口622に連通する。   The inlet side sealing body 618 is provided on the inlet side of the hollow fiber 616, and the outlet side sealing body 620 is provided on the outlet side. The inlet side sealing body 618 and the outlet side sealing body 620 seal the outer space of the hollow fiber 616 in the holder 610, and the space on the inlet side 612 of the inlet side sealing body 618, and the outlet side. The space on the outlet 614 side of the sealing body 620 is in communication with the inside of each hollow fiber 616. Further, the middle portion of the holder 610 is provided with a discharge port 622 communicating with the inside, and the outer space between the inlet-side sealing body 618 in the holder 610 and the outlet-side sealing body 620 is the discharge port 622 It communicates.

従って、入口612から導入された被処理ガス(圧縮ガス)の中のヘリウムガスが選択的に中空糸616の内側から外側に移動し、中空糸を透過して外側空間に至ったヘリウムガスを多く含むヘリウム富化ガスが排出口622に得られる。また、出口614からはヘリウムガスが減少し空気が多く含まれる、空気富化ガスが得られる。   Therefore, the helium gas in the gas to be treated (compressed gas) introduced from the inlet 612 selectively moves from the inside to the outside of the hollow fiber 616 and permeates the hollow fiber to reach the outside space. A helium-enriched gas is obtained at outlet 622, including. In addition, the outlet 614 provides an air-enriched gas in which helium gas is reduced and air is abundant.

「深冷装置」
図6には、深冷装置14の構成が示されている。この例では、前処理装置12からのヘリウム富化ガス(ヘリウムガス90%程度)は、スパイラル熱交換器(SHE)410に流入される。このスパイラル熱交換器410は、2つのらせん型通路が隣接したもので、一方の通路に高温ガスが流され、他方の通路に低温ガスが流されるものであり、一方通路の入口に他方通路の出口が隣接するようになっている向流型熱交換器である。1段目のヘリウム富化ガスは、高温ガスとしてスパイラル熱交換器410に流入し、低温ガスとの熱交換により冷却されて流出する。例えば、290Kから150Kに冷却される。
"The deep chiller"
The structure of the cryogenic device 14 is shown by FIG. In this example, the helium-enriched gas (approximately 90% helium gas) from the pretreatment device 12 flows into a spiral heat exchanger (SHE) 410. In the spiral heat exchanger 410, two spiral channels are adjacent to each other, and one channel is made to flow hot gas, and the other channel is made to flow cold gas. It is a countercurrent heat exchanger in which the outlets are adjacent. The first stage helium-rich gas flows into the spiral heat exchanger 410 as a high temperature gas, is cooled by heat exchange with the low temperature gas, and flows out. For example, it is cooled to 290K to 150K.

スパイラル熱交換器(SHE)410からのヘリウム富化ガスは、2段目のスパイラル熱交換器(SHE)412に流入し、ここでさらに冷却される。例えば、150Kから90Kに冷却される。適切なスパイラル熱交換器410を使用することにより、次段の深冷精製器414において必要とされる冷却能力を大幅に低下できる。   The helium enriched gas from the spiral heat exchanger (SHE) 410 flows into the second stage spiral heat exchanger (SHE) 412 where it is further cooled. For example, it is cooled to 150K to 90K. By using an appropriate spiral heat exchanger 410, the cooling capacity required in the next stage cryogenic refiner 414 can be significantly reduced.

そして、得られた冷却ヘリウム富化ガスは、バルブ422を介し深冷精製器414に流入される。この深冷精製器414は、熱伝導の良い材料で作られた流路の長い流路(螺旋状の流路)を有する冷凍機である。例えば、90Kで流入してくるガスを35Kにまで冷却する。ここで、ヘリウム富化ガスは、10%程度の空気を含んでおり、空気はこの深冷精製器414内において、冷凍固化する。   Then, the obtained cooled helium-enriched gas flows into the cryogenic refiner 414 through the valve 422. The cryogenic purifier 414 is a refrigerator having a long flow path (helical flow path) made of a material having good heat conductivity. For example, the incoming gas is cooled to 35 K at 90 K. Here, the helium-enriched gas contains about 10% of air, and the air freezes and solidifies in the cryogenic refiner 414.

外側の流入口から流入したヘリウム富化ガスの中の空気が固化し、固化しないヘリウムガスが中心の流出口から流出する。そして、この流出口には、ガス中の不純物(空気)をさらに冷凍固化して除去する捕捉体432が配置されている。この捕捉体432には、例えば特許文献2に記載されている発泡金属捕捉体が利用できる。なお、捕捉体432も冷凍機によって深冷精製器414と同様に冷却されている。   The air in the helium-enriched gas flowing in from the outer inlet solidifies, and the non-solidified helium gas flows out from the central outlet. And, at this outlet, a capturing body 432 is disposed, which further freezes and solidifies and removes impurities (air) in the gas. For the capturing body 432, for example, a foam metal capturing body described in Patent Document 2 can be used. The capturing body 432 is also cooled by the refrigerator in the same manner as the deep-refining purifier 414.

捕捉体432は、円環形状であり、ヘリウムガスの流れの方向に対して多段に設けられる。発泡金属材料は、スポンジに見られるような三次元網構造を有し、網目の孔の部分は連続している。従って、流体はこの孔の部分を通過することができる。また、捕捉体432を構成する発泡金属材料の孔径は、下流の段に行くに従って小さく、細かくなるように配置するとよい。発泡金属材料としては、例えば住友電工社製のセルメット(商品名)を用いることができる。また、発泡金属材料を構成する金属としては、ニッケルまたはその合金や銅などを採用することができる。このようにして得られた35Kの再生ヘリウムガスの濃度は99.9%以上となる。   The capturing body 432 is in an annular shape, and provided in multiple stages with respect to the flow direction of the helium gas. The metal foam material has a three-dimensional network structure as found in a sponge, and the holes in the mesh are continuous. Thus, fluid can pass through this portion of the hole. In addition, the pore diameter of the foam metal material constituting the capturing body 432 may be arranged to be smaller and finer as it goes downstream. For example, Celmet (trade name) manufactured by Sumitomo Electric Co., Ltd. can be used as the foam metal material. Moreover, nickel or its alloy, copper, etc. are employable as a metal which comprises foam metal material. The concentration of the 35 K regenerated helium gas thus obtained is 99.9% or more.

そして、35Kの再生ヘリウムガスは、2段目のスパイラル熱交換器412に低温側ガスとして供給される。35K程度で流入し、140K程度に温度上昇して流出する。この140Kの再生ヘリウムガスは、1段目のスパイラル熱交換器410に低温側ガスとして流入される。そして、ここで280K程度に加温されて流出し、バルブ424を介しバッファタンク416に貯留される。そして、バッファタンク416からの再生ヘリウムガスは、バルブ418を介し、半導体製造装置10に循環される。なお、半導体製造装置10へのヘリウムガスの供給路には、バルブ428を介し、ヘリウムガスボンベ420が接続されており、バルブ418,428を切り換えることによって、ヘリウムガスボンベ420からのヘリウムガスが半導体製造装置10に供給される。   Then, the 35 K regenerated helium gas is supplied to the second stage spiral heat exchanger 412 as a low temperature side gas. It flows in at around 35 K, rises in temperature to around 140 K and flows out. The 140 K regenerated helium gas flows into the first-stage spiral heat exchanger 410 as a low temperature side gas. Then, it is heated to about 280 K and flows out, and is stored in the buffer tank 416 via the valve 424. Then, the regenerated helium gas from the buffer tank 416 is circulated to the semiconductor manufacturing apparatus 10 through the valve 418. The helium gas cylinder 420 is connected to the supply path of the helium gas to the semiconductor manufacturing apparatus 10 through the valve 428, and the helium gas from the helium gas cylinder 420 is the semiconductor manufacturing apparatus by switching the valves 418 and 428. Supplied to 10

ここで、深冷精製器414は、空気を固化させてヘリウムガスを取り出す。従って、所定の期間がきた場合には、深冷精製器414を再生する。すなわち、再生時期に達した場合には、バルブ422,424を閉じ、バルブ426を開け、深冷精製装置414を昇温して水分および固化温度が低いガスをまずガス化して排出する。次に、バルブ422を開け、深冷精製器414を冷やす冷凍機を停止し、ヒータなどで深冷精製器414を加温して、固化した空気を除去する。バルブ426にはポンプ430が接続されているので、バルブ424を閉じ、バルブ426を開け、ポンプ430を駆動することによって、深冷精製器414において蒸発した空気はバルブ426を通じて排出される。この再生処理の間は、バッファタンク416に貯留したヘリウムガスを使用することになる。なお、低温で動作するバルブ422は、スパイラル熱交換器412に捕捉された水、雑ガスを深冷精製器414に流入させないために重要であるが、そのようなコンタミ(不純物ガス)が少ない場合には省略してもよい。   Here, the cryogenic refiner 414 solidifies the air and takes out helium gas. Therefore, the cryogenic refiner 414 is regenerated when a predetermined period of time has come. That is, when the regeneration time is reached, the valves 422 and 424 are closed, the valve 426 is opened, and the cryogenic refining device 414 is heated to gasify and discharge the water having low moisture and solidification temperature first. Next, the valve 422 is opened, the refrigerator for cooling the deep-refining purifier 414 is stopped, and the deep-refining purifier 414 is heated by a heater or the like to remove solidified air. Since the pump 430 is connected to the valve 426, the valve 424 is closed, the valve 426 is opened, and by driving the pump 430, the air evaporated in the cryogenic refiner 414 is exhausted through the valve 426. During this regeneration process, the helium gas stored in the buffer tank 416 is used. The valve 422 operating at a low temperature is important to prevent water and miscellaneous gas trapped in the spiral heat exchanger 412 from flowing into the cryogenic refiner 414, but when such contamination (impurity gas) is small May be omitted.

<深冷精製器>
ここで、深冷精製器414の構成例(模式図)を図7に示す。この例では、深冷精製器414は、同心円状に配置された金属製の円筒440を含む容器で構成される。複数の円筒440によって同心円状の流路が形成され、各円筒440には開口が隣接するものと180°異なった位置に設けられている。従って、環状の流路の一端に流入したガスは、180°移動して、反対側から隣接する流路に流入する。なお、容器は、熱伝導のよい金属、例えば無酸素銅、アルミニウムなどで構成される。
<Cryogenic refiner>
Here, a configuration example (schematic diagram) of the cryogenic refining device 414 is shown in FIG. In this example, the cryogenic refiner 414 is comprised of a vessel including concentrically arranged metal cylinders 440. Concentric flow paths are formed by a plurality of cylinders 440, and each cylinder 440 is provided with an opening at a position different by 180 ° from the adjacent one. Accordingly, the gas flowing into one end of the annular flow path moves 180 ° and flows into the adjacent flow path from the opposite side. The container is made of a heat conductive metal such as oxygen free copper or aluminum.

この例は、最外側の流路に流入口442が設けられ、中心に流出口444が設けられており、外側の通路ほど幅が広くなっている。深冷精製器414に流入してきたガス中の空気が冷凍され固体となって流路の壁に付着するが、ガスがSHEで十分に冷却されコンタミの液化温度直前になっていれば、その固化量は流入側ほど多い。外側の通路を広くして、流路を段々小さくすることによって、空気の固着によって流路が閉塞されるまでの期間を流路全体として比較的均一にでき、従って同一体積の深冷精製器414を継続使用できる期間を長くすることができる。   In this example, the inflow port 442 is provided in the outermost flow path, and the outflow port 444 is provided in the center, and the width is wider as the outer path. The air in the gas flowing into the cryogenic refiner 414 is frozen and becomes solid and adheres to the wall of the flow path, but if the gas is sufficiently cooled by SHE and it is just before the liquefaction temperature of the contamination, it solidifies The amount is larger on the inflow side. By making the outer passage wider and making the flow passage smaller, it is possible to make the time until the flow passage is blocked due to the adherence of air relatively uniform as the whole flow passage, and therefore the same volume of cryogenic purifier 414 The period of continuous use can be extended.

図8には、深冷精製器414の他の例を模式的に示してある。このように、通路を螺旋状として、外側から流入して中心から排出する場合においても、通路の幅を流入側ほど大きくすることによって、上述の場合と同様に使用期間を長くすることができる。   Another example of the cryogenic refiner 414 is schematically shown in FIG. As described above, even when the passage is formed into a spiral and flows from the outside and is discharged from the center, the use period can be extended similarly to the above-mentioned case by increasing the width of the passage toward the inflow side.

深冷精製器中でコンタミガスを効率よく固化させるために、流路中に適宜邪魔板等を設置しても良い。この場合、邪魔板部でより多くのコンタミが固化されるので、精製器の閉塞が早く起きる可能性が高いので、出来るだけ平均的に固化が生じる配置にする必要がある。   In order to solidify the contamination gas efficiently in the cryogenic refiner, a baffle plate or the like may be appropriately installed in the flow path. In this case, since more contamination is solidified in the baffle portion, it is highly likely that clogging of the purifier will occur early, and therefore, it is necessary to set the solidification to occur as evenly as possible.

なお、深冷装置14は、深冷精製器に入熱させない、低温部で露結が生じないようにするために真空容器内に配置されることが好適である。   In addition, it is preferable that the deep chiller 14 be disposed in a vacuum vessel so as not to receive heat in the deep chiller and prevent dew condensation in the low temperature section.

「その他の構成」
<2系列の深冷装置>
図9には、深冷系の1構成例を示してある。この例では、深冷装置として、深冷装置14−1,14−2の2つを設けている。従って、一方で処理を行っている際に、他方で再生することが可能となる。このような切り換えは、制御装置によって自動的に行うことが好適である。なお、深冷装置14を1系列とした場合には、その前段のバッファタンクを大きくして、深冷装置14の再生中のヘリウム富化ガスを貯留するとよい。
"Other configuration"
<2 series deep chillers>
FIG. 9 shows an example of the configuration of a cryogenic system. In this example, two cryogenic apparatuses 14-1 and 14-2 are provided as the cryogenic apparatuses. Therefore, while processing is being performed on one side, reproduction on the other side is possible. Preferably, such switching is performed automatically by the controller. In addition, when making the freezing apparatus 14 into 1 series, it is good to enlarge the buffer tank of the front | former stage, and to store the helium enrichment gas in process of regeneration of the freezing apparatus 14. As shown in FIG.

ヘリウムガスの回収、循環を適用する装置は、ヘリウムガスの大量使用装置であれば、半導体製造装置でなくてもよい。例えば、光ファイバ製造装置、LCD(液晶ディスプレイ)製造装置などに利用できる。また、ヘリウム濃度が高くなくても良い用途によっては、深冷装置14での精製を省略して、前処理装置12からのヘリウム富化ガスを直接半導体製造装置などのヘリウムガス使用装置に供給してもよい。   The device that applies the recovery and circulation of helium gas may not be a semiconductor manufacturing device as long as it is a device that uses a large amount of helium gas. For example, it can be used for an optical fiber manufacturing apparatus, an LCD (liquid crystal display) manufacturing apparatus, and the like. Also, depending on the application where the helium concentration does not have to be high, the purification in the deep-cooling device 14 may be omitted, and the helium-enriched gas from the pretreatment device 12 may be supplied directly to a helium gas using device such as a semiconductor manufacturing device. May be

<低温動作バルブ>
上述のような深冷精製器414の再生時においては、バルブ422を予め閉じなければならないことが多い。この場合、比較的低温で弁を操作する必要がある。
<Low temperature operation valve>
During regeneration of the cryogenic refiner 414 as described above, the valve 422 often has to be closed in advance. In this case, it is necessary to operate the valve at a relatively low temperature.

このようなバルブには、自動制御が容易な電動弁を利用したいが、駆動部が極低温になっても動作を保証できるものはなく、さらに電動弁は開または閉の維持のために電流を流すことが必要であり、その発生熱量が問題になる。そこで、通常は手動弁が採用される。   Although it is desirable to use a motorized valve that can be automatically controlled for such a valve, there is no one that can guarantee the operation even if the drive unit becomes extremely low temperature, and the motored valve is further It is necessary to flow, and the amount of heat generated is a problem. Therefore, a manual valve is usually employed.

ここで、図10、図11に示す電動バルブによれば、開状態、閉状態を維持するためには電流を流す必要はなく、状態の変更時のみに電流を流せばよい。従って、この電動バルブをバルブ422として使用することが好適である。   Here, according to the motor-operated valve shown in FIGS. 10 and 11, it is not necessary to flow a current to maintain the open state and the closed state, and it is sufficient to flow the current only when the state is changed. Therefore, it is preferable to use this motorized valve as the valve 422.

電動バルブ500は、全体として円筒形のバルブボディ510を有する。バルブボディ510の内部には、第1流路512と、第2流路514が形成されている。第1流路512は、バルブボディ510の径方向の外周面に開口512aを有し、ここから中心方向に向かいその後軸方向に曲がって一端側の表面に開口512bを有するくの字状の流路である。一方、第2流路514は、軸方向に伸びる流路であり、一端側に開口514aを有し、他端側に開口514bを有する直線状の流路である。   The motor-operated valve 500 has a generally cylindrical valve body 510. Inside the valve body 510, a first flow passage 512 and a second flow passage 514 are formed. The first flow passage 512 has an opening 512a on the outer peripheral surface in the radial direction of the valve body 510, and turns from there to a central direction and then axially bent to have a V-shaped flow having an opening 512b on the surface on one end side. It is a road. On the other hand, the second flow passage 514 is a flow passage extending in the axial direction, and is a linear flow passage having an opening 514a on one end side and an opening 514b on the other end side.

バルブボディ510の一端側を覆って円筒容器状のハウジング520の開口側が取り付けられる。すなわち、バルブボディ510の一端側はほぼ平面であり、その周辺部にハウジング520の端部が取り付けられる。バルブボディ510は、例えばステンレス(SUS316L、SUS304など)で形成される。   The open side of the cylindrical container-like housing 520 is attached to cover one end side of the valve body 510. That is, one end of the valve body 510 is substantially flat, and the end of the housing 520 is attached to the periphery thereof. The valve body 510 is formed of, for example, stainless steel (SUS316L, SUS304, etc.).

ハウジング520のバルブボディ510側の内周側には、円環状のシリンダ522が設置される。シリンダ522の一端側はバルブボディ510の一端側表面に接触し、ここを密封することで、内側に密封空間を形成する。なお、第1および第2流路512,514の開口512b,514aは、この密封空間に開口する。ハウジング520、シリンダ522も、バルブボディ510と同様のステンレスで構成される。   An annular cylinder 522 is installed on the inner circumferential side of the housing 520 on the valve body 510 side. One end side of the cylinder 522 is in contact with the one end side surface of the valve body 510, and by sealing this, a sealed space is formed inside. The openings 512b and 514a of the first and second flow channels 512 and 514 open into the sealed space. The housing 520 and the cylinder 522 are also made of stainless steel similar to the valve body 510.

シリンダ522の内周側には円柱状のプランジャ524がその外周面がシリンダ522の内周面に接触するように配置されている。このプランジャ524は、軸方向に移動可能である。また、プランジャ524のバルブボディ510側の端面には、シート526が取り付けられている。従って、密封空間のプランジャ524側には、シート526が位置する。シート526の中央部は山形に凸になっており、一方、バルブボディ510の第2流路514の開口514aはその周囲がテーパ状に凹になっており、両者が合致する形状になっている。従って、プランジャ524がバルブボディ510に押し付けられた状態では、第2流路514が閉じられ、電動バルブ500は閉状態となる。プランジャ524は、磁性体である、パーマロイB、またはインバーなどで構成することが好適である。これらの材料は、強磁性体であるとともに、低温においても磁性体としての特性の変換が小さいため、本実施形態のような低温で使用する装置に好適である。また、鋼材、例えば、SUS430、SUM23なども使用できる。シート526は、例えばPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、ポリイミドなどにより構成される。ポリイミドは低温でも特性が変化しにくく、変形特性を維持でき、封止材としてのシート526として特に好適である。   A cylindrical plunger 524 is disposed on the inner peripheral side of the cylinder 522 so that the outer peripheral surface thereof is in contact with the inner peripheral surface of the cylinder 522. The plunger 524 is axially movable. A seat 526 is attached to the end face of the plunger 524 on the valve body 510 side. Therefore, the sheet 526 is located on the plunger 524 side of the sealed space. The central portion of the sheet 526 is convex in a chevron shape, while the opening 514a of the second flow passage 514 of the valve body 510 is tapered in the periphery and has a shape in which the both coincide with each other. . Therefore, when the plunger 524 is pressed against the valve body 510, the second flow passage 514 is closed, and the electric valve 500 is closed. The plunger 524 is preferably made of magnetic material such as permalloy B or Invar. These materials are ferromagnetic materials and are small in conversion of characteristics as a magnetic material even at low temperatures, and thus are suitable for an apparatus used at low temperatures as in this embodiment. In addition, steel materials such as SUS430 and SUM23 can also be used. The sheet 526 is made of, for example, PTFE (polytetrafluoroethylene), polyimide or the like. Polyimide is less likely to change its characteristics even at low temperatures, can maintain its deformation characteristics, and is particularly suitable as a sheet 526 as a sealing material.

シリンダ522の後方(バルブボディ510と反対側)には、円筒状のソレノイドコイル528が配置される。プランジャ524の後方側は、シリンダ522の後方端より後方に伸びており、ソレノイドコイル528の内部に所定間隔をおいて位置している。   A cylindrical solenoid coil 528 is disposed rearward of the cylinder 522 (opposite to the valve body 510). The rear side of the plunger 524 extends rearward from the rear end of the cylinder 522, and is positioned inside the solenoid coil 528 at a predetermined interval.

プランジャ524の後方には、磁性体の円柱状のベースコア530が配置されている。ベースコア530は、プランジャ524と同様の材料で構成することができる。そして、このベースコア530およびソレノイドコイル528の後方には、円板または円環状の磁石(永久磁石)532が配置されている。なお、ベースコア530および磁石532は、ハウジング520に対し固定されている。磁石532は、例えばネオジウムで形成される。そして、プランジャ524の後方側には、円筒状の凹部が形成され、この凹部の前方側端面とベースコア530の前方側端面の間にスプリング534が配置されている。このスプリング534は、圧縮ばねであり、プランジャ524を前方側に付勢する。スプリング534は、例えばインコネル(インコネル750等)で形成される。インコネルはバネ材として十分な弾力を持つとともに、低温でも弾性係数の変化が小さいため、本実施形態におけるプランジャ524の付勢部材としてのスプリング534として特に適している。   Behind the plunger 524, a cylindrical base core 530 of a magnetic body is disposed. Base core 530 can be constructed of the same material as plunger 524. A disc or annular magnet (permanent magnet) 532 is disposed behind the base core 530 and the solenoid coil 528. Base core 530 and magnet 532 are fixed to housing 520. The magnet 532 is formed of, for example, neodymium. A cylindrical recess is formed on the rear side of the plunger 524, and a spring 534 is disposed between the front end of the recess and the front end of the base core 530. The spring 534 is a compression spring and biases the plunger 524 forward. The spring 534 is formed of, for example, Inconel (Inconel 750 or the like). Inconel has a sufficient elasticity as a spring material and has a small change in elastic coefficient even at low temperatures, so it is particularly suitable as a spring 534 as a biasing member of the plunger 524 in this embodiment.

「動作」
まず、図10の状態、すなわち電動バルブ500の閉状態では、スプリング534の付勢力によって、プランジャ524、シート526がバルブボディ510に押し付けられている。従って、第1流路512と第2流路514の間での流体の流通が停止されている。なお、磁石532の磁力よってプランジャ524は、磁石532側に引き寄せられるが、スプリング534の付勢力の方が大きく設定されているため、プランジャ524はバルブボディ510に押し付けられた状態で安定している。
"Action"
First, in the state shown in FIG. 10, that is, in the closed state of the motor-operated valve 500, the plunger 524 and the seat 526 are pressed against the valve body 510 by the biasing force of the spring 534. Accordingly, the flow of fluid between the first flow passage 512 and the second flow passage 514 is stopped. Although the plunger 524 is drawn toward the magnet 532 by the magnetic force of the magnet 532, the biasing force of the spring 534 is set larger, so the plunger 524 is stable in a state of being pressed against the valve body 510. .

ここで、ソレノイドコイル528に一方向の電流を流し(一方向の通電方向とする)、ソレノイドコイル528により磁石532と同方向の吸引力をプランジャ524に対し発生させる。これによって、プランジャ524、ベースコア530に磁力線が通り、磁石532の磁力と合わせてプランジャ524は、後方側への力を受ける。この力はスプリング534の付勢力より大きく、従ってプランジャ524は後方側に移動し、ベースコア530に引っ付く。すなわち、ベースコア530の前方側端面およびプランジャ524の後方側端面は軸に垂直な方向の平面であり、両者が全体として接触する。そして、磁力による吸引力は距離の2乗に反比例するため、ベースコア530との距離がゼロになった際の吸引力は大きく、これによってソレノイドコイル528への電流を断った後においても、吸引力がスプリング534の付勢力より大きい。従って、図11に示すように、磁石532の吸引力によってプランジャ524が後方側に位置した状態で安定保持する。すなわち、ソレノイドコイル528への電流を流さない状態で、電動バルブ500は開状態を維持する。   Here, a current in one direction is supplied to the solenoid coil 528 (one-way current flow direction), and the solenoid coil 528 generates a suction force in the same direction as the magnet 532 on the plunger 524. As a result, magnetic lines of force pass through the plunger 524 and the base core 530, and the plunger 524 receives a rearward force in combination with the magnetic force of the magnet 532. This force is greater than the biasing force of the spring 534, so the plunger 524 moves rearward and catches on the base core 530. That is, the front end surface of the base core 530 and the rear end surface of the plunger 524 are flat in the direction perpendicular to the axis, and both contact as a whole. And, since the attraction force by the magnetic force is in inverse proportion to the square of the distance, the attraction force when the distance to the base core 530 becomes zero is large, and even after the current to the solenoid coil 528 is cut off, The force is greater than the biasing force of the spring 534. Therefore, as shown in FIG. 11, the attraction force of the magnet 532 stably holds the plunger 524 in the state of being positioned on the rear side. That is, in a state in which no current flows to the solenoid coil 528, the motor-operated valve 500 is maintained in the open state.

次に、ソレノイドコイル528へ上記一方向とは反対方向の電流を流す(通電方向を反対方向にする)。これによって、ベースコア530、プランジャ524に磁力線が通り、プランジャ524に対する磁石532からの磁力を打ち消す方向の磁界が生じる。これによって、磁石532からの磁力よりスプリング534の付勢力が大きくなり、これによって図10の状態に戻る。   Next, current is applied to the solenoid coil 528 in the direction opposite to the above one direction (the current supply direction is reversed). As a result, magnetic lines of force pass through the base core 530 and the plunger 524 to generate a magnetic field in the direction to cancel the magnetic force from the magnet 532 with respect to the plunger 524. As a result, the biasing force of the spring 534 is larger than the magnetic force from the magnet 532, thereby returning to the state of FIG. 10.

このように、本実施形態によれば、電動バルブ500の閉状態、開状態の切り換えの際にソレノイドコイル528へ所定の方向の電流を流すことによって、電動バルブ500の開閉を切り換えることができる。従って、通電時間はわずかであり、電動バルブ500に対する、ソレノイドコイル528への通電よる発熱の影響を抑制することができる。   As described above, according to the present embodiment, when the electric valve 500 is switched between the closed state and the open state, the electric valve 500 can be switched between open and closed by supplying a current in a predetermined direction to the solenoid coil 528. Therefore, the energization time is short, and the influence of heat generation by energization of the solenoid coil 528 to the motor-operated valve 500 can be suppressed.

「実施形態の効果」
本実施形態によれば、大量のコンタミ(空気)を膜分離装置(ポリイミド中空糸膜)を含む前処理装置12において、10%以下までに落とす。そして、前処理装置12で残されたコンタミは、スパイラル熱交換器(SHE)を用いた熱効率の良い深冷装置14の深冷精製器414において35K程度に冷却して、コンタミを固化して取り去り、回収率90%以上で、濃度99.9%以上のヘリウムガスを回収する。
"Effect of the embodiment"
According to this embodiment, a large amount of contamination (air) is dropped to 10% or less in the pretreatment device 12 including the membrane separation device (polyimide hollow fiber membrane). Then, the contamination left by the pretreatment device 12 is cooled to about 35 K in the cryogenic refiner 414 of the cryogenic device 14 with high thermal efficiency using a spiral heat exchanger (SHE) to solidify and remove the contamination. , Helium gas with a concentration of 99.9% or more is recovered at a recovery rate of 90% or more.

このようにして、ヘリウムを高い収率で回収・循環することを実現する。従って、ヘリウムガスを製造補助ガスとして利用している分野において、生産コストを低下させることができ、枯渇が心配されるヘリウム資源の有効利用を図ることが可能になる。   In this way, helium can be recovered and circulated in high yield. Therefore, in the field where helium gas is used as a production auxiliary gas, it is possible to reduce the production cost, and it is possible to achieve effective use of the helium resource which may be depleted.

「付記」
本件明細書、図面には、特許請求の範囲に記載しなかった発明についても記載されている。そこで、これについて、以下に説明する。
"Appendix"
The specification and drawings also describe inventions not described in the claims. Therefore, this will be described below.

<前処理>
[構成1]
前処理装置は、膜分離装置を複数段有し、前段の膜分離装置によって得られた空気富化ガスを後段の膜分離装置に供給し、ヘリウム富化ガスを得、これを前段の膜分離装置の上流側に返送するとよい。2段の膜分離装置を設けることで、ヘリウム濃度を高くすることができる。また、循環量を調整することで、ヘリウム濃度を所望のものに設定することができる。
[構成2]
冷凍によって水分を除去する冷凍除湿装置を含むとよい。圧縮ガスを冷凍することで、効果的に水分を除去できる。
[構成3]
水分吸着剤を利用する吸湿装置を含むとよい。ゼオライトなど公知の吸湿剤(水分吸着剤)を用いることで、水分を除去できる。冷凍除湿装置と両方を用いることも好適である。水分吸着剤は、PSAとすることで、連続運転が容易になる。
[構成4]
膜分離装置の個数、コンプレッサの個数が1つ、2つ、またはそれ以上であって、かつ各膜分離装置から前段へのフィードバックガス量を調節し、収量およびヘリウムガス濃度を望みの値にするとよい。前処理装置は、各種のバリエーションが考えられる。装置に対する要求に応じて、膜分離装置、コンプレッサの数を調整することが好適である。また、循環量を調整することで、得られるガスのヘリウム濃度、収率なども調整することが可能である。
<Pre-processing>
[Configuration 1]
The pretreatment device has a plurality of stages of membrane separation apparatus, and supplies the air-enriched gas obtained by the membrane separation apparatus of the former stage to the membrane separation apparatus of the latter stage to obtain a helium-enriched gas, which is subjected to the membrane separation of the former stage It may be returned upstream of the device. The helium concentration can be increased by providing a two-stage membrane separation apparatus. In addition, the helium concentration can be set to a desired one by adjusting the circulation amount.
[Configuration 2]
It is good to include a freezing dehumidifier which removes moisture by freezing. By freezing the compressed gas, water can be effectively removed.
[Configuration 3]
It is good to include a hygroscopic device using a moisture adsorbent. Water can be removed by using a known hygroscopic agent (water adsorbent) such as zeolite. It is also preferred to use both a freezing and dehumidifying device. By using a moisture adsorbent as PSA, continuous operation becomes easy.
[Configuration 4]
If the number of membrane separators, the number of compressors is one, two or more, and the amount of feedback gas from each membrane separator to the previous stage is adjusted to set the yield and the helium gas concentration to desired values Good. The pretreatment device can be considered in various variations. It is preferable to adjust the number of membrane separation devices and compressors according to the requirements for the devices. In addition, by adjusting the circulation amount, it is possible to adjust the helium concentration, the yield and the like of the obtained gas.

<深冷精製装置>
[構成1]
入口から出口に向かう一方向の流路を有し、冷凍機によって冷却され、不純物を固化させて除去する深冷精製装置であって、流路は、その断面積が入口側から出口に向かい小さくなるとよい。流路の断面積の設定により、装置全体に空気の固体を析出することができ、長期間の使用が可能となる。なお、前段の熱交換器によってガス温度が液化温度の直前まで冷やせない場合は、深冷精製装置の入口付近の流路は細くし、液化が始まる付近で広くして、その後次第に細くするという構成も好適である。
[構成2]:円筒列精製器を用いた深冷精製装置
容器中に同心円状の流路が形成され、最も外側の流路に入口が形成され、中心に出口が形成され、隣接する内側の流路との連通開口が順次円の反対側に形成されているとよい。円筒(ドーナツ)状の流路を多重に形成することで、比較的長い流路を得ることができる。また、円筒状の流路の入口と出口を反対側にすることで、入口からのガスが2つ半円状の流路に分かれ、出口で合流する形となり、流路全体を効果的に利用できる。
[構成3]:スパイラル精製器を用いた深冷精製装置
容器中に螺旋状の流路が形成され、最も外側の流路に入口が形成され、中心に出口が形成されているとよい。螺旋状の流路により、長い流路を容易に得ることができ、冷却を十分行うことができる。
[構成4]
容器内の流路に邪魔板が配置されているとよい。邪魔板を設けることで、ガス流が流路全体に拡がり、流路全体を用いて、効果的な空気の固化が行える。
<Deep Refrigeration Purification Equipment>
[Configuration 1]
A cryogenic refining apparatus having a unidirectional flow path from an inlet to an outlet, cooled by a refrigerator, solidifying and removing impurities, the flow path having a small cross-sectional area from the inlet side to the outlet It is good to become. By setting the cross-sectional area of the flow path, air solids can be deposited throughout the apparatus, enabling long-term use. If the heat exchanger in the previous stage does not cool the gas temperature to just before the liquefaction temperature, the flow path in the vicinity of the inlet of the cryogenic refining device is narrowed, broadened near the beginning of liquefaction, and then gradually narrowed. Is also suitable.
[Configuration 2]: Cryogenic purification apparatus using cylindrical row purifier A concentric flow path is formed in the vessel, an inlet is formed in the outermost flow path, an outlet is formed in the center, and an adjacent inner side is formed. The communication opening with the flow passage may be formed on the opposite side of the circle sequentially. A relatively long flow path can be obtained by forming a plurality of cylindrical (donut) flow paths. In addition, by making the inlet and the outlet of the cylindrical flow channel on the opposite side, the gas from the inlet is split into two semicircular flow channels, and they merge at the outlet, effectively using the entire flow channel it can.
[Configuration 3]: Cryogenic Purification Device Using a Spiral Purifier A spiral channel may be formed in the container, an inlet may be formed in the outermost channel, and an outlet may be formed in the center. By means of the spiral flow path, a long flow path can be easily obtained and sufficient cooling can be performed.
[Configuration 4]
A baffle may be disposed in the flow passage in the container. By providing the baffle plate, the gas flow is spread throughout the flow path, and effective solidification of air can be performed using the entire flow path.

<熱交換器>
熱交換器は、隣接する通路に2つのガスを反対方向で流す、向流式であるとよい。向流式にすることで、効率的な熱交換が行える。
<Heat exchanger>
The heat exchanger may be countercurrent, flowing two gases in opposite directions in adjacent passages. By making it countercurrent, efficient heat exchange can be performed.

<循環システム>
[構成1]
循環システムは、深冷装置を2つ以上有し、1つを再生している際に、他の深冷装置を用いて、精製ヘリウムガスを精製するとよい。大量のガス処理には、このようなヘリウムガス循環システムが好適である。
[構成2]
深冷装置を1つとして、精製ヘリウムガスが不要な時間に再生するか、または再生している間は、先に精製しバッファタンクに貯留されている精製ヘリウムガスを使用するとよい。比較的少量のガス処理に向いている。
<Circulation system>
[Configuration 1]
The circulation system may have two or more cryogenic units, and while one is regenerated, another cryogenic unit may be used to purify the purified helium gas. Such helium gas circulation system is suitable for mass gas processing.
[Configuration 2]
It is good to use purified helium gas which is previously purified and stored in a buffer tank while regenerating or purifying purified helium gas at an unnecessary time by using a single refrigerator. Suitable for relatively small amounts of gas treatment.

<その他の特徴>
[構成1]
処理対象ガスの水分を除去するために、上述した深冷精製装置を用いるとよい。超低露点、露点−100℃以下を達成することが可能である。
[構成2]
膜分離装置(前処理装置)の代わりにコンタミ(空気)を吸収する吸収塔(PSA)を用いるとよい。例えば、水潤滑コンプレッサにおいて圧縮したガスを、吸湿装置(冷凍タイプなどのドライヤ)によって除湿し、PSAタイプの除湿器で除湿し、PSAタイプの空気除去装置でヘリウムを濃縮し、ヘリウムが濃縮されたガスを深冷装置で処理するとよい。簡易なシステムとすることができ、用途によっては、このようなシステムが向いている場合もある。
<Other features>
[Configuration 1]
In order to remove the water content of the gas to be treated, it is preferable to use the above-described cryogenic refining device. It is possible to achieve ultra low dew point, dew point -100 ° C or less.
[Configuration 2]
It is good to use an absorption tower (PSA) which absorbs contamination (air) instead of the membrane separation device (pre-treatment device). For example, the gas compressed in a water-lubricated compressor is dehumidified by a hygroscopic device (dryer such as a refrigeration type), dehumidified by a PSA type dehumidifier, concentrated by a PSA type air removal device, and concentrated by helium The gas may be processed in a cryogenic system. It can be a simple system, and depending on the application, such a system may be suitable.

10 半導体製造装置、12 前処理装置、14 深冷装置、16 バッファタンク、18 ヘリウムボンベ、110 ポンプ、114,120,126,132 バッファタンク、116,128 水潤滑コンプレッサ、118 アフタークーラ、122,134,144 温度制御器、124,138,146 膜分離装置、130,140 冷却除湿器、136,142 減圧器、148,150 減圧弁。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor manufacturing apparatus, 12 pretreatment apparatus, 14 deep cooling apparatus, 16 buffer tank, 18 helium cylinder, 110 pump, 114, 120, 126, 132 buffer tank, 116, 128 water lubrication compressor, 118 aftercooler, 122, 134 , 144 Temperature Controller, 124, 138, 146 Membrane Separator, 130, 140 Cooling Dehumidifier, 136, 142 Pressure Reducer, 148, 150 Pressure Reducing Valve.

Claims (14)

対象ガスと空気を含む排出ガスを圧送するコンプレッサと、
コンプレッサからの圧縮ガスを、対象ガス富化ガスと、対象ガス低含有ガスに分離する膜分離装置と、
膜分離装置からの対象ガス富化ガスを冷却し、空気または対象ガスのいずれかを固化することによって対象ガスと空気を分離する深冷装置と、
を有し、
深冷装置は、同心円状またはスパイラル状で外周側から順次内周側に、対象ガス富化ガスを流して冷却する流路であって、外周側の流路幅が内周側に比べて広い流路を有する、
対象ガス処理システム。
A compressor for pumping the exhaust gas containing the target gas and air;
A membrane separation apparatus for separating compressed gas from a compressor into target gas-enriched gas and target gas low-containing gas;
A cryogenic apparatus the target gas-enriched gas from the membrane separation unit is cooled, it separates the Target gas and air by the solidifying either air or target gas,
I have a,
The cryocooler is a flow passage for cooling by flowing the target gas enriched gas from the outer peripheral side to the inner peripheral side sequentially from the outer peripheral side in a concentric or spiral shape, and the channel width on the outer peripheral side is wider than that on the inner peripheral side to have a flow path,
Target gas treatment system.
請求項1に記載の対象ガス処理システムであって、
深冷装置は、
膜分離装置からの対象ガス富化ガスを予備的に冷却する熱交換器と、
熱交換器からの予備的に冷却された対象ガス富化ガス中の空気または対象ガスを固化することによって対象ガスと空気を分離する深冷精製器と、
を有する、
対象ガス処理システム。
The target gas treatment system according to claim 1, wherein
The chiller is
A heat exchanger for preliminary cooling of the target gas enriched gas from the membrane separation device;
A cryogenic refiner for separating air from the target gas by solidifying air or target gas in the pre- cooled target gas- enriched gas from the heat exchanger ;
Have
Target gas treatment system.
請求項2に記載の対象ガス処理システムであって、
熱交換器は、深冷精製器で分離された対象ガスまたは空気と、膜分離装置からの対象ガス富化ガスとの間で熱交換を行う、
対象ガス処理システム。
The target gas treatment system according to claim 2, wherein
The heat exchanger performs heat exchange between the target gas or air separated by the cryogenic purifier and the target gas enriched gas from the membrane separation device.
Target gas treatment system.
請求項2または3に記載の対象ガス処理システムであって、
熱交換器は、らせん状の流路を有するスパイラル熱交換器である、
対象ガス処理システム。
The target gas treatment system according to claim 2 or 3, wherein
Heat exchanger, Ru Der spiral heat exchanger having a spiral flow path,
Target gas treatment system.
請求項2〜4のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、
交換器から深冷精製器への流路に極低温電動バルブを有する、
対象ガス処理システム。
The target gas treatment system according to any one of claims 2 to 4, wherein
Having a cryogenic motorized valve in the flow path from the heat exchanger to the cryogenic refiner,
Target gas treatment system.
請求項2〜5のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、
深冷精製器に出力ガスからの固化対象ガスを冷凍して捕捉する捕捉体を有する、対象ガス処理システム。
The target gas treatment system according to any one of claims 2 to 5, wherein
A target gas processing system, comprising a capturing body for freezing and capturing a solidifying gas from an output gas in a cryogenic refiner.
請求項2〜6のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、
深冷精製器に固化した対象ガスまたは空気を昇温しガス化して回収または廃棄することにより深冷精製器において再度対象ガスの分離を可能とする、再生機能を有する対象ガス処理システム。
The target gas treatment system according to any one of claims 2 to 6, wherein
A target gas processing system having a regenerating function, which enables separation of a target gas again in the cryogenic refiner by heating and gasifying the target gas or air solidified in the cryogenic refiner and recovering or discarding it.
請求項1〜7のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、
膜分離装置は、膜分離装置の透過側に得られる対象ガス富化ガスの一部をコンプレッサの上流側に循環する、
対象ガス処理システム。
The target gas treatment system according to any one of claims 1 to 7, wherein
The membrane separation apparatus circulates part of the target gas enriched gas obtained on the permeate side of the membrane separation apparatus upstream of the compressor.
Target gas treatment system.
請求項1〜8のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、
膜分離装置は、中空糸膜を使用する中空糸膜分離装置である、
対象ガス処理システム。
The target gas treatment system according to any one of claims 1 to 8, wherein
The membrane separation device is a hollow fiber membrane separation device using a hollow fiber membrane,
Target gas treatment system.
請求項1〜9のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって
膜分離装置は、ポリイミドの膜を使用する膜分離装置である、
対象ガス処理システム。
The target gas treatment system according to any one of claims 1 to 9 , wherein
The membrane separator is a membrane separator using a polyimide membrane,
Target gas treatment system.
請求項1〜10のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、
コンプレッサは、水潤滑コンプレッサである、
対象ガス処理システム。
The target gas treatment system according to any one of claims 1 to 10, wherein
The compressor is a water lubricated compressor,
Target gas treatment system.
請求項1〜11のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、
対象ガスは、ヘリウムまたはネオンであり、
前記深冷装置において、空気を固化させる
対象ガス処理システム。
The target gas treatment system according to any one of claims 1 to 11, wherein
Target gas is Ri helium or neon der,
Solidify the air in the cryocooler ,
Target gas treatment system.
請求項1〜11のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、
対象ガスは、キセノンまたはアルゴンであり、
前記深冷装置において、対象ガスを固化させる
対象ガス処理システム。
The target gas treatment system according to any one of claims 1 to 11, wherein
Target gas is Ri xenon or argon der,
Solidifying the target gas in the cryogenic system ,
Target gas treatment system.
請求項1〜13のいずれか1つに記載の対象ガス処理システムであって、
得られた対象ガスを対象空間に供給する、
対象ガス処理システム。
The target gas treatment system according to any one of claims 1 to 13, wherein
Supply the obtained target gas to the target space
Target gas treatment system.
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