KR102736660B1 - 벌크가스 정제용 게터 및 이를 이용하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 벌크가스 정제용 게터 및 이를 이용하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템에 관한 것으로서, 지르코늄(Zr) 60~90중량%; 알루미늄(Al), 바나듐(V), 철(Fe), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 팔라듐(Pd) 중에서 선택된 적어도 하나 또는 2종 이상이 10~40중량%;로 배합된 금속복합체인 벌크가스 정제용 게터 및 이를 이용하여 각종 벌크가스를 정제 처리하고 설비의 구조배치설계에 의한 시스템 구성을 갖는 게터 타입 벌크가스 정제시스템을 제안한다.
이때, 상기 게터 타입 벌크가스 정제시스템은 벌크가스를 주입하기 위한 가스주입구; 상기 가스주입구에 연결되어 벌크가스를 경로 상에 공급하기 위한 가스공급유로; 상기 가스공급유로로부터 분기되는 제1유로 및 제2유로; 상기 제1유로 및 제2유로 상에 각각 구비되어 공급되는 벌크가스에 대해 열교환기능을 수행하는 제1A열교환기 및 제1B열교환기; 상기 제1A열교환기 및 제1B열교환기의 후단에 각각 연결되어 구비되고, 벌크가스 측 정제효율을 높이기 위해 예열하는 제1예열수단 및 제2예열수단; 상기 제1예열수단 및 제2예열수단의 후단에 각각 연결되어 구비되고, 예열된 벌크가스를 유입하여 고온 분위기에서 정제하기 위한 것으로서, 벌크가스에 혼입된 불순물 성분의 제거를 위한 정제용 게터가 각각 내재되어있는 제1정제유닛 및 제2정제유닛; 상기 제1정제유닛 및 제2정제유닛의 후단에 각각 연결되어 제1유로 및 제2유로 상에 각각 구비되고, 제1정제유닛 및 제2정제유닛을 경유하여 정제된 벌크가스를 열교환하기 위한 제2A열교환기 및 제2B열교환기; 상기 제2A열교환기 및 제2B열교환기의 후단에 각각 연결되어 구비되고, 제1정제유닛 및 제2정제유닛을 경유하여 정제된 벌크가스로부터 이에 잔존하는 수소(H2) 성분을 제거하기 위한 정제용 게터가 각각 내재되어있는 제1수소제거유닛 및 제2수소제거유닛; 상기 제1유로 및 제2유로가 하나의 라인으로 연결되고, 제1수소제거유닛 및 제2수소제거유닛을 각각 경유하여 최종적으로 정제된 벌크가스에 대해 정제가스 배출구로의 이송을 유도하는 정제가스 배출유로;를 포함한다.
본 발명에 따르면, 알곤이나 헬륨, 질소, 수소 등의 벌크가스로부터 이들의 사용에 의해 혼입된 각종 불순물 성분들을 효과적으로 제거하여 정제 처리할 수 있고 기존에 비해 정제 효율을 높일 수 있어 고순도 및 초고순도의 벌크가스로 정제할 수 있다.
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본 발명에 따르면, 알곤이나 헬륨, 질소, 수소 등의 벌크가스로부터 이들의 사용에 의해 혼입된 각종 불순물 성분들을 효과적으로 제거하여 정제 처리할 수 있고 기존에 비해 정제 효율을 높일 수 있어 고순도 및 초고순도의 벌크가스로 정제할 수 있다.
Description
본 발명은 알곤이나 헬륨, 질소 및 수소 등의 벌크가스를 매우 효율적으로 정제(精製; purification) 처리하기 위한 정제기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 제조공정 등을 비롯하여 공정 처리용 또는 분위기 조성용 가스로 많이 사용되고 있는 각종 벌크가스로부터 이들의 사용에 의해 혼입된 각종 불순물들을 제거하여 정제 처리할 수 있도록 하고 정제 효율을 높여 고순도 이상의 가스로 정제할 수 있도록 하며 정제물질인 게터를 이용하는 방식을 제안하는 벌크가스 정제용 게터 및 이를 이용하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템에 관한 것이다.
일반적으로 알곤(Argon)이나 헬륨(Helium), 질소, 수소 등의 벌크가스는 반도체 제조공정 등을 비롯하여 각종 산업분야에서 공정 처리용 또는 분위기 조성용 가스로 많이 사용되고 있다.
예로서, 상기 알곤은 실리콘 단결정 상향 견인로(pulling up furnace)나 세라믹 소결로, 제강용 진공 탈가스로, 태양전지용 실리콘 플라즈마 용해로, 다결정 실리콘 주조로 등에 있어서의 노 내 분위기 가스로 사용되고 있다.
이와 같은 용도로 사용된 알곤은 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 산소, 질소 등의 불순물이 혼입되어 있어 순도가 저하되며, 이렇게 순도가 저하된 알곤의 재사용을 위해 정제 공정을 거쳐 순도를 높이는 작업을 수행하고 있다.
또한, 헬륨은 반도체공정에서의 냉각용, 분위기 가스용, 분석기의 캐리어용, 핵발전소 냉각로의 냉각용, 기밀 용기의 누설테스트용 등으로 사용되고 있고, 특수조명등을 제조하는 용도로도 사용된다.
이와 같은 용도로 사용된 헬륨 또한 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 산소, 질소 등의 불순물이 혼입되어 있어 순도가 저하되는데, 이에 불순물들을 제거하고 재사용하려는 노력이 계속되고 있으며, 고순도 가스로의 재생을 위해 정제 공정을 거치고 있다.
이러한 헬륨 가스의 경우에는 압력변동에 의한 정제(PSA), 막분리에 의한 정제(Membrane), 저온흡착법에 의한 정제 등의 정제 방식들이 공개되어 있다.
그리고, 질소나 수소 등의 벌크가스 또한 공정 가스나 분위기 가스로 많이 사용되고 있고, 사용중 혼입된 불순물 성분들을 정제하여 고순도 가스로 만들어 재사용하고 있다.
한편, 종래 선행기술에 있어, 국내등록특허 제10-2508050호에서 '아르곤가스의 정제방법 및 아르곤가스의 회수정제장치' 및 국내등록특허 제10-2163161호에서 '아르곤 정제방법 및 아르곤 정제장치' 등과 같이 알곤 정제방식에 대한 정제기술을 개시하고 있다.
그리고, 국내등록특허 제10-2391642호에서 '수소 또는 헬륨의 정제방법 및 정제장치' 및 국내등록특허 제10-0869518호에서 '헬륨가스의 초저온 정제 방법 및 장치' 등과 같이 헬륨 정제방식에 대한 정제기술을 개시하고 있다.
하지만, 상술한 종래 선행기술들은 이하에서 제안하는 본 발명의 게터가 적용되고 설비들의 구조배치설계를 갖는 정제시스템과는 기술적 차이를 갖는다 할 수 있다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해소 및 이를 감안하여 안출된 것으로서, 반도체의 제조공정 등을 비롯하여 공정용 또는 분위기 조성용 가스로 많이 사용되고 있는 알곤이나 헬륨 등을 비롯한 벌크가스로부터 이들의 사용에 의해 혼입된 각종 불순물들을 제거하여 정제 처리할 수 있도록 하며 정제 효율을 높여 고순도 및 초고순도의 가스로 정제할 수 있도록 한 벌크가스 정제용 게터 및 이를 이용하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 정제물질인 정제용 게터로 사용하는 접목을 통해 비가역적인 화학 결합을 유도하여 흡착률을 높임으로써 벌크가스에 함유된 산소, 일산화탄소나 이산화탄소에 의한 탄소계열 등을 비롯한 각종 불순물 성분들을 효과적으로 제거할 수 있도록 한 벌크가스 정제용 게터 및 이를 이용하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 정제 처리시 과압상태 발생 등을 비롯하여 장치 상의 부하 발생을 없앨 수 있도록 하며 장치 시스템의 사용시 안전성 및 안정성을 구현할 수 있도록 한 벌크가스 정제용 게터 및 이를 이용하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 벌크가스 정제용 게터는 벌크가스로부터 이에 혼입된 불순물을 제거하여 정제 처리하기 위한 벌크가스 정제용 게터에 있어서, 지르코늄(Zr) 60~90중량%; 알루미늄(Al), 바나듐(V), 철(Fe), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 팔라듐(Pd) 중에서 선택된 적어도 하나 또는 2종 이상이 10~40중량%;로 배합된 금속복합체인 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 벌크가스 정제용 게터는, 알곤 또는 헬륨 가스의 정제에 사용하기 위한 것으로서, 지르코늄(Zr) 80~86중량%와 알루미늄(Al) 14~20중량%를 혼합한 금속복합체 또는 지르코늄(Zr) 65~75중량%와 바나듐(V) 20~30중량% 및 철(Fe) 5~10중량%를 혼합한 금속복합체인 구성일 수 있다.
여기에서, 상기 벌크가스 정제용 게터는, 질소 가스의 정제에 사용하기 위한 것으로서, 지르코늄(Zr) 70~80중량%와 철(Fe) 20~30중량%를 혼합한 금속복합체인 구성일 수 있다.
여기에서, 상기 벌크가스 정제용 게터는, 수소 가스의 정제에 사용하기 위한 것으로서, 지르코늄(Zr) 60~70중량%와 바나듐(V) 20~30중량% 및 철(Fe) 3~10중량%를 혼합한 금속복합체인 구성일 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 게터 타입 벌크타입 정제시스템은, 벌크가스로부터 이에 혼입된 불순물을 제거하여 정제 처리하기 위한 정제시스템에 있어서, 벌크가스를 주입하기 위한 가스주입구; 상기 가스주입구에 연결되어 벌크가스를 경로 상에 공급하기 위한 가스공급유로; 상기 가스공급유로로부터 분기되는 제1유로 및 제2유로; 상기 제1유로 및 제2유로 상에 각각 구비되어 공급되는 벌크가스에 대해 열교환기능을 수행하는 제1A열교환기 및 제1B열교환기; 상기 제1A열교환기 및 제1B열교환기의 후단에 각각 연결되어 구비되고, 벌크가스 측 정제효율을 높이기 위해 예열하는 제1예열수단 및 제2예열수단; 상기 제1예열수단 및 제2예열수단의 후단에 각각 연결되어 구비되고, 예열된 벌크가스를 유입하여 고온 분위기에서 정제하기 위한 것으로서, 벌크가스에 혼입된 불순물 성분의 제거를 위한 정제용 게터가 각각 내재되어있는 제1정제유닛 및 제2정제유닛; 상기 제1정제유닛 및 제2정제유닛의 후단에 각각 연결되어 제1유로 및 제2유로 상에 각각 구비되고, 제1정제유닛 및 제2정제유닛을 경유하여 정제된 벌크가스를 열교환하기 위한 제2A열교환기 및 제2B열교환기; 상기 제2A열교환기 및 제2B열교환기의 후단에 각각 연결되어 구비되고, 제1정제유닛 및 제2정제유닛을 경유하여 정제된 벌크가스로부터 이에 잔존하는 수소(H2) 성분을 제거하기 위한 정제용 게터가 각각 내재되어있는 제1수소제거유닛 및 제2수소제거유닛; 상기 제1유로 및 제2유로가 하나의 라인으로 연결되고, 제1수소제거유닛 및 제2수소제거유닛을 각각 경유하여 최종적으로 정제된 벌크가스에 대해 정제가스 배출구로의 이송을 유도하는 정제가스 배출유로;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 정제용 게터는, 앞에서 상술한 지르코늄 기반의 금속복합체에 의한 혼합 조성을 갖는 정제용 게터로 구성할 수 있다.
여기에서, 상기 제1정제유닛 및 제2정제유닛은, 정제용 게터가 충진되어 내재되는 정제탱크; 정제탱크의 내부를 고온 분위기로 가열하여 내재되는 정제용 게터에 의한 가스 정제 기능 또는 게터 자신에 대한 재생 기능의 공정 처리를 가능하게 하는 가열수단; 가열수단에 의해 가열되는 정제탱크의 위치별 온도를 감지하여 가열수단을 제어하기 위한 온도감지수단;을 포함하며, 상기 가열수단은 전기히터이고, 상기 온도감지수단은 써모커플(thermocoupler)을 사용하되 정제탱크의 위치별로 다수가 구분 장착되어 사용되는 구성일 수 있다.
여기에서, 상기 제1정제유닛 및 제2정제유닛 각각은, 정제용 게터 측에서의 정제효율을 높이기 위해 300~400℃의 고온 분위기로 형성하는 구성일 수 있다.
여기에서, 상기 제1정제유닛 및 제2정제유닛 측 정제탱크 각각에는 내측 상부에 정제용 게터의 상태를 감지하는 제1게터안전센서 및 제2게터안전센서가 장착되어 구비되고, 상기 제1유로 및 제2유로 상에서 각각 분기되는 제3유로 및 제4유로를 갖되, 제1A열교환기 및 제1B열교환기의 전방(前方)에서 각각 분기되어 정제용 게터의 감지 상태에 따라 공정처리 경로 상에 공급되는 벌크가스를 게터세이프 벤트구로 유도 배출하도록 구비하며, 상기 제3유로 상에는 제3필터와 제3오토밸브 및 제3체크밸브가 순차 배치되어 구비되고, 상기 제4유로 상에는 제4필터와 제4오토밸브 및 제4체크밸브가 순차 배치되어 구비되는 구성일 수 있다.
여기에서, 상기 제1유로 및 제2유로 상에는 벌크가스가 공급되는 초입부분에 각각 제1릴리프밸브 및 제2릴리프밸브를 연결 구비한 제5유로를 갖되, 제5유로는 릴리프 벤트구와 연결 구비되며, 상기 제1정제유닛 및 제2정제유닛 각각에 내재된 정제처리용 게터 측 정제기능 수행시 팽창에 의해 제1정제유닛 및 제2정제유닛 각각에서 과압이 발생되면, 제1릴리프밸브 및 제2릴리프밸브를 자동 개방하여 제1정제유닛 및 제2정제유닛 각각에서 발생된 과압 부분을 릴리프 벤트구로 유도하여 배출시키도록 구성할 수 있다.
여기에서, 상기 제1릴리프밸브 및 제2릴리프밸브에는 제1정제유닛 및 제2정제유닛 상에서 과압 발생시 발생된 과압을 해소하여 완화시킴으로써 폭발을 방지하기 위한 제1과압안전장치 및 제2과압안전장치가 각각 연결되어 구비되는 구성일 수 있다.
이하에서 더욱 다양한 실시예들이 기재 및 설명될 수 있으며, 본 발명이 갖는 기술에 대해 더욱 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따르면, 반도체의 제조공정 등을 비롯하여 공정용 또는 분위기 조성용 가스로 많이 사용되고 있는 피대상물인 각종 벌크가스로부터 이들의 사용에 의해 혼입된 각종 불순물들을 매우 효과적으로 제거하여 정제 처리할 수 있고, 기존에 비해 정제 효율을 높일 수 있어 고순도 및 초고순도의 벌크가스로 정제할 수 있다.
본 발명에 따르면, 정제물질인 정제용 게터로 사용하는 접목을 통해 비가역적인 화학 결합을 유도하여 흡착률을 높일 수 있으므로 피대상물인 벌크가스에 혼입된 산소, 일산화탄소나 이산화탄소에 의한 탄소계열 등의 각종 불순물 성분들을 매우 효과적으로 제거할 수 있으며, 특히 알곤이나 헬륨 가스 등의 경우에는 정제유닛의 하류에서 수소제거유닛을 통해 한번 더 수소를 제거하는 공정을 수행하므로 불순물 제거효율을 더욱 높일 수 있어 고순도 및 초고순도로 정제된 가스를 얻어낼 수 있다.
본 발명에 따르면, 정제 처리중 과압상태의 발생시 유연한 대응 처리를 수행하므로 장치 상의 부하 발생을 없앨 수 있고 기타 안전장치를 구비하는 등 장치 시스템의 사용시 안전성 및 안정성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 게터 타입 벌크가스 정제시스템을 나타낸 설비 계통도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 게터 타입 벌크가스 정제시스템의 계통도로서, 정제 처리과정을 표시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 게터 타입 벌크가스 정제시스템에 있어 정제유닛 내 정제용 게터에서의 불순물 제거원리를 설명하기 위해 나타낸 일 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 게터 타입 벌크가스 정제시스템의 계통도로서, 정제 처리과정을 표시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 게터 타입 벌크가스 정제시스템에 있어 정제유닛 내 정제용 게터에서의 불순물 제거원리를 설명하기 위해 나타낸 일 예시도이다.
본 발명에 대해 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같으며, 이와 같은 상세한 설명을 통해서 본 발명의 목적과 구성 및 그에 따른 특징들을 보다 잘 이해할 수 있게 될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 게터 타입 벌크가스 정제시스템을 나타낸 계통도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 게터 타입 벌크가스 정제시스템의 계통도로서 정제 처리과정을 표시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 게터 타입 정제시스템에 있어 정제유닛 내 정제용 게터에서의 불순물 제거원리를 설명하기 위해 나타낸 일 예시도이다.
부연하여, 도 2에서 파란색 화살표는 정제 처리과정의 진행 단계를 보여주는 것이고, 분홍색 화살표는 정제처리용 게터 측 상태 감지에 따른 안전을 위한 게터 세이프 벤트 처리과정을 보여주는 것이며, 빨간색 화살표는 정제공정 중 과압 발생시 발생된 과압 처리를 위한 릴리프 벤트 처리과정을 보여주는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 게터 타입 벌크가스 정제시스템은 정제용 게터(getter)를 사용하여 각종 알곤이나 헬륨 등을 비롯한 각종 벌크가스로부터 이들의 사용에 의해 혼입된 각종 불순물 성분들을 흡착 제거하여 정제 처리하기 위한 것이며, 이와 더불어 정제용 게터(getter) 자체를 재생 처리할 수 있는 공정 처리를 위한 장치이다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 게터 타입 벌크가스 정제시스템은 피대상물인 알곤이나 헬륨, 질소, 수소 등의 벌크가스를 주입 및 공급하고 정제 처리한 후 정제된 가스로 배출하기 위한 배관 라인과 이러한 배관라인 상에 연결 구비되는 구성부들을 포함한다.
상세하게, 정제시스템은 알곤이나 헬륨, 질소, 수소 등의 벌크가스를 주입하기 위한 가스주입구(1)와, 상기 가스주입구(1)에 연결되어 벌크가스를 공정처리 경로 상에 공급하기 위한 가스공급유로(2)를 포함한다.
상기 가스공급유로(2) 상에는 공정처리 경로 상에 주입되는 벌크가스의 순도를 측정하기 위한 주입가스 순도측정기(3)가 연결 구비될 수 있다.
이때, 상기 주입가스 순도측정기(3)는 주입되는 벌크가스의 샘플링 처리를 위한 구성이고, 이후 정제되어 배출되는 정제가스와의 순도 비교를 통해 정제 정도를 가늠할 수 있는 데이터로 사용할 수 있다.
상기 가스주입구(1)에 연결되는 가스공급유로(2)로부터 제1유로(4) 및 제2유로(5)가 분기된다.
상기 제1유로(4) 및 제2유로(5) 상의 초입 부분에는 공급되는 벌크가스의 유량을 측정하기 위한 제1질량유량측정기(6) 및 제2질량유량측정기(7)가 각각 연결 구비될 수 있다.
이때, 상기 제1질량유량측정기(6) 및 제2질량유량측정기(7)에서는 제1유로(4) 및 제2유로(5)를 통해 각각 공급되는 벌크가스 측 질량 측정을 통해 총 유량을 측정하는 것으로서, 제1유로(4) 및 제2유로(5)를 통해 각각 공급되는 벌크가스의 유량을 체크 및 조절하기 위한 구성이다.
여기에서, 상기 제1질량유량측정기(6) 및 제2질량유량측정기(7)를 사용함은 공급되는 벌크가스 측 부피가 아니라 질량을 측정함으로써 온도나 압력으로 인한 기체(피대상물; 벌크가스)의 부피 변화와 상관없이 유량을 측정할 수 있게 되므로 보다 정확하고 신뢰성 있는 유량 측정을 수행 및 이를 활용할 수 있다.
상기 제1유로(4) 및 제2유로(5) 상에는 제1질량유량측정기(6) 및 제2질량유량측정기(7)의 후단에 위치하여 공급되는 벌크가스의 유량을 조절 및 제어하기 위한 제1오토밸브(8) 및 제2오토밸브(9)가 각각 연결 구비된다.
상기 제1유로(4) 및 제2유로(5) 상에는 제1오토밸브(8) 및 제2오토밸브(9)의 후단에 위치하여 공정처리 경로 상에 공급되는 벌크가스에 대해 열교환기능을 수행하는 제1A열교환기(10) 및 제1B열교환기(11)가 각각 연결 구비된다.
이때, 상기 제1A열교환기(10) 및 제1B열교환기(11) 각각은 냉각 처리의 효율성을 위해 팬쿨링 타입 열교환기로 구비될 수 있다.
상기 제1A열교환기(10) 및 제1B열교환기(11)에는 그 후단에 위치하여 각각 전기히터 등에 의한 제1예열수단(12) 및 제2예열수단(13)이 연결되어 구비된다.
상기 제1예열수단(12) 및 제2예열수단(13)에서는 각각 공급되는 벌크가스에 대해 정제 공정을 수행하기 이전에 예열 처리를 수행함으로써 불순물 성분을 제거하기 위한 벌크가스 측 정제효율을 높일 수 있도록 한다.
상기 제1예열수단(12) 및 제2예열수단(13)의 후단으로는 각각 제1정제유닛(20) 및 제2정제유닛(30)이 연결되어 구비되고, 제1유로(4) 및 제2유로(5) 상에 구비된다.
상기 제1정제유닛(20) 및 제2정제유닛(30)은 각각 예열된 상태에 있는 벌크가스를 내부로 유입하여 고온 분위기 하에서 정제 처리를 수행하기 위한 것으로서, 벌크가스에 혼입된 불순물 성분들의 제거를 위한 정제용 게터가 각각 충진되어 내재된다.
부연하여, 상기 제1정제유닛(20) 및 제2정제유닛(30)은 각각 동일한 구성을 갖는 것으로서, 정제탱크(21)(31)와 가열수단(22)(32) 및 온도감지수단(23)(33)을 포함한다.
상기 정제탱크(21)(31)는 컬럼형이나 탱크형 또는 기타 다양한 몸체로 형성될 수 있는 것으로서, 예열된 상태에 있는 벌크가스를 내부로 유입하기 위한 가스유입구와, 정제된 가스를 외부로 배출하기 위한 정제가스 배출구를 가지며, 몸체의 내부공간 상에 정제용 게터가 충진되어 내재된다.
이때, 상기 정제용 게터는 벌크가스로부터 이에 함유된 각종 불순물 성분들을 비가역적 화학반응을 통해 흡착하여 제거하기 위한 금속물질로 구비될 수 있다.
상기 정제용 게터는 지르코늄(Zr) 60~90중량%를 포함하는 금속복합체일 수 있다.
상기 정제용 게터는 지르코늄(Zr)에 더하여 알루미늄(Al), 바나듐(V), 철(Fe), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 팔라듐(Pd) 중에서 선택된 적어도 하나 또는 2종 이상이 10~40중량%로 배합된 금속복합체일 수 있다.
상기 정제용 게터는 분말형 또는 알약형 타입의 고체상으로 구비된다.
상세하게, 상기 정제용 게터는 알곤 또는 헬륨 가스의 정제에 사용하는 경우 지르코늄(Zr) 80~86중량%와 알루미늄(Al) 14~20중량%를 혼합한 금속복합체일 수 있으며, 이때에는 밀도 2.5~4.2g/㎤의 특성을 갖는 것이 바람직하다.
상기 정제용 게터는 알곤 또는 헬륨 가스의 정제에 사용하는 경우의 다른 예시로서, 지르코늄(Zr) 65~75중량%와 바나듐(V) 20~30중량% 및 철(Fe) 5~10중량%를 혼합한 금속복합체일 수 있으며, 이때에는 밀도 4.5~5.2g/㎤의 특성을 갖는 것이 바람직하다.
또한, 상기 정제용 게터는 질소 가스의 정제에 사용하는 경우에 지르코늄(Zr) 70~80중량%와 철(Fe) 20~30중량%를 혼합한 금속복합체일 수 있다.
또한, 상기 정제용 게터는 수소 가스의 정제에 사용하는 경우 지르코늄(Zr) 60~70중량%와 바나듐(V) 20~30중량% 및 철(Fe) 3~10중량%를 혼합한 금속복합체일 수 있다.
상기 정제용 게터는 정제탱크(21)(31)의 내부공간 상에 20% 내지 100%를 차지하도록 충진될 수 있다
상기 정제용 게터는 도 3에서 보여주는 바와 같이, 지르코니움 분말을 기반으로 하는 조성을 갖는 금속복합체로서, 알곤 또는 헬륨 가스에 혼입된 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 수소(H2), 산소(O2), 질소(N2), 메탄(CH4) 등의 각종 불순물들과 접촉시 비가역적 화학반응에 의한 결합으로 이들을 흡착함으로써 불순물 성분들을 제거하는 기능을 수행하는 일 예시를 보여주고 있으며, 이를 통해 순도가 저하된 알곤 또는 헬륨의 벌크가스를 정제하는 역할을 담당할 수 있다.
상기 가열수단(22)(32)은 정제탱크(21)(31)의 내부를 고온 분위기로 가열하여 내재되는 정제용 게터에 의한 가스 정제 기능 또는 게터 자신에 대한 재생 기능의 공정 처리를 가능하게 하는 구성으로서, 전기히터가 사용될 수 있다.
상기 가열수단(22)(32)을 통해서는 정제용 게터 측에서의 정제효율을 높이기 위해 정제탱크(21)(31)의 내부를 300~400℃의 고온 분위기로 형성함이 바람직하다.
상기 온도감지수단(23)(33)은 가열수단(22)(32)에 의해 가열되는 정제탱크(21)(31)의 위치별 온도를 감지하여 가열수단(22)(32)을 제어하기 위한 구성으로서, 정제탱크(21)(31)의 내부 고온 분위기를 형성할 시 효율적인 온도 컨트롤을 수행하기 위한 것이며, 가열수단(22)(32)에 의한 설정된 온도로의 가열이 제대로 수행되는지를 확인하기 위한 구성이다.
상기 온도감지수단(23)(33)은 써모커플(thermocoupler)을 사용할 수 있으며, 이들에 대해 정제탱크의 상중하 위치별로 다수가 구분 장착되어 사용될 수 있고, 정제탱크(21)(31)의 내부 또는 표면 상에 장착될 수 있다.
여기에서, 상기 제1정제유닛(20) 및 제2정제유닛(30)은 2개의 유닛 모두를 정제 공정으로 사용할 수 있고, 때로는 2개의 유닛 중 어느 하나를 정제 공정으로 사용하고 다른 하나를 재생 공정에 사용할 수 있다.
여기에서, 정제 공정은 정제용 게터를 이용하여 알곤이나 헬륨을 비롯한 각종 벌크가스로부터 이에 혼입된 각종 불순물들을 흡착하여 제거하는 공정 처리를 의미하며, 재생 공정은 정제 공정에 사용된 정제용 게터에 흡착에 의한 불순물이 혼입되어 있으므로 계속 사용시 기능이 저하되는데 게터 자체로부터 불순물을 없애 다시 사용 가능한 상태로 처리함으로써 연속 사용에 따른 기능 저하를 방지하기 위한 공정 처리를 의미한다.
상기 제1정제유닛(20) 및 제2정제유닛(30) 측 정제탱크(21)(31) 각각에는 내측 상부에 정제처리용 게터의 상태를 감지하는 제1게터안전센서(40) 및 제2게터안전센서(41)가 장착되어 구비된다.
상기 제1게터안전센서(40) 및 제2게터안전센서(41)와 매칭시킨 연결 구성으로서, 상기 제1유로(4) 및 제2유로(5) 상에서 각각 분기되는 제3유로(42) 및 제4유로(43)를 갖되, 제1A열교환기(10) 및 제1B열교환기(11)의 전방(前方)에서 각각 분기되어 제1게터안전센서(40) 및 제2게터안전센서(41)를 이용한 정제처리용 게터의 감지 상태에 따라 공정처리 경로 상에 공급되는 벌크가스를 제1정제유닛(20) 및 제2정제유닛(30)으로 보내지 않고 게터세이프 벤트구(44)로 유도 배출하도록 구비된다.
이때, 상기 제3유로(42) 상에는 제3필터(42a)와 제3오토밸브(42b) 및 제3체크밸브(42c)가 순차 배치되어 구비되고, 상기 제4유로(43) 상에는 제4필터(43a)와 제4오토밸브(43b) 및 제4체크밸브(43c)가 순차 배치되어 구비된다.
여기에서, 상기 제3필터(42a) 및 제4필터(43a)는 제1유로 및 제2유로의 공정처리 경로 상에 공급되는 벌크가스에 혼입된 미세먼지 및 파티클 등의 이물질을 필터링하기 위한 구성이고, 상기 제3오토밸브(42b) 및 제4오토밸브(43b)는 공정처리 경로 상에 공급되는 벌크가스의 이동 흐름을 제어 및 조절하기 위한 구성이며, 상기 제3체크밸브(42c) 및 제4체크밸브(43c)는 공정처리 경로 상에 공급되는 벌크가스에 대해 게터세이프 벤트구(44)로 유도 배출하기 위한 순방향 흐름만을 갖게 하기 위한 구성이다.
상기 제1정제유닛(20) 및 제2정제유닛(30)의 후단에는 각각 제1유로(4) 및 제2유로(5) 상에 각각 위치하여 연결 구비되는 제2A열교환기(50) 및 제2B열교환기(51)를 포함하며, 상호 매칭되게 제1A열교환기(10) 및 제1B열교환기(11)를 경유하도록 연결 구비된다.
상기 제2A열교환기(50) 및 제2B열교환기(51) 각각은 냉각 처리의 효율성을 위해 팬쿨링 타입 열교환기로 구비될 수 있으며, 처리용량에 따라 하나 이상이 설치될 수 있다.
상기 제2A열교환기(50) 및 제2B열교환기(51) 각각은 제1정제유닛(20) 및 제2정제유닛(30)을 경유하여 정제된 벌크가스를 열교환하되, 이후 제1수소제거유닛(60) 및 제2수소제거유닛(61) 측에서의 상온(20~30℃) 공정처리를 위해 열교환 기능을 수행하기 위한 구성이다.
이와 같은 상기 제2A열교환기(50) 및 제2B열교환기(51)의 후단에는 각각 제1수소제거유닛(60) 및 제2수소제거유닛(61)이 연결 구비된다.
상기 제1수소제거유닛(60) 및 제2수소제거유닛(61)에는 정제용 게터가 각각 충진되어 내재되고, 이를 이용하여 상기 제1정제유닛(20) 및 제2정제유닛(30)을 각각 경유하여 유입되는 정제된 벌크가스로부터 이에 잔존하는 수소(H2) 성분을 제거하는 역할을 수행하기 위한 구성이다.
이때, 상기 정제용 게터는 앞서 기재하여 설명한 정제용 게터와 동일한 구성일 수 있으며, 이를 준용하기로 한다.
여기에서, 상기 제1수소제거유닛(60) 및 제2수소제거유닛(61)에서는 상기 제1정제유닛(20) 및 제2정제유닛(30)을 각각 경유하여 유입되는 정제된 알곤이나 헬륨 또는 질소 등의 벌크가스로부터 이에 잔존하는 수소(H2) 성분을 제거하는 기능을 주된 목적으로 하나, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 산소(O2), 메탄(CH4) 등의 각종 불순물들이 잔존하는 경우 이들 성분까지 제거하는 기능을 함께 수행할 수 있다.
여기에서, 상기 제1수소제거유닛(60) 및 제2수소제거유닛(61)은 수소 가스의 정제시에는 사용하지 않는 구성요소라 할 수 있다.
상기 제1유로(4) 및 제2유로(5) 각각의 공정처리 끝단부가 하나의 라인으로 연결되어 통합되고, 제1수소제거유닛(60) 및 제2수소제거유닛(61)을 각각 경유하여 최종적으로 정제된 벌크가스에 대해 정제가스 배출구(71)로의 이송을 유도하는 정제가스 배출유로(70)를 포함한다.
이때, 상기 정제가스 배출유로(70) 상에는 정제 처리공정을 마친 벌크가스에 대해 순도를 측정하기 위한 정제가스 순도측정기(72)가 연결 구비된다.
또한, 상기 제1유로(4) 및 제2유로(5) 상에는 알곤이나 헬륨 등의 벌크가스가 공급되는 초입부분에 위치하여 각각 제1릴리프밸브(81) 및 제2릴리프밸브(82)를 연결 구비한 제5유로(80)를 포함한다.
이때, 상기 제5유로(80)의 말단은 릴리프 벤트구(83)와 연결 구비되며, 상기 제1정제유닛(20) 및 제2정제유닛(30) 각각에 내재된 정제용 게터 측 고온 분위기 하에서 정제기능을 수행할 시 정제용 게터에서의 팽창에 의해 제1정제유닛(20) 및 제2정제유닛(30) 각각에서 과압이 발생되는데, 이때 상호 매칭되는 상기 제1릴리프밸브(81) 및 제2릴리프밸브(82)를 자동 개방하여 제1정제유닛(20) 및 제2정제유닛(30) 각각에서 발생된 과압 부분을 릴리프 벤트구(83)로 바로 유도하여 배출시키기 위한 구성이다.
여기에서, 상기 제1릴리프밸브(81) 및 제2릴리프밸브(82)에는 각각 제1과압안전장치(84) 및 제2과압안전장치(85)를 연결 구비함이 바람직하다.
상기 제1과압안전장치(84) 및 제2과압안전장치(85) 각각은 제1정제유닛(20) 및 제2정제유닛(30) 상에서 과압이 발생되는 경우 그 내부에서 발생된 과압을 해소하여 완화시킴으로써 폭발을 방지하기 위한 구성으로서, 안전성을 강화하기 위한 추가적 구성이라 할 수 있다.
그리고, 상기 제1유로(4) 및 제2유로(5) 각각의 공정처리 끝단부 라인 상에는 제1수소제거유닛(60) 및 제2수소제거유닛(61)을 거쳐 최종적으로 정제된 알곤이나 헬륨, 질소, 수소 등의 벌크가스로부터 공정처리 경로 상에서 혼입될 수 있는 미세먼지 및 파티클 등의 이물질을 필터링하기 위해 제1필터(4a) 및 제2필터(5a)가 각각 구비되고, 이와 함께 최종적으로 정제된 벌크가스의 이동 흐름을 제어 및 조절하기 위한 제1A오토밸브(4b) 및 제2A오토밸브(5b)가 각각 구비된다.
또한, 전체 공정처리 경로 상에는 벌크가스의 이동 흐름을 제어 및 조절하거나 공압량을 제어 및 조절하기 위한 오토밸브가 필요한 부분으로 추가 배치되어 구비될 수 있다.
이에 따라, 상술한 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 게터 타입 벌크가스 정제시스템을 통해서는 공정 처리용 또는 분위기 조성용으로 사용되는 알곤이나 헬륨, 질소, 수소 등의 각종 벌크가스로부터 이들의 사용에 의해 혼입된 각종 불순물들을 매우 효과적으로 제거하여 정제 처리할 수 있으며, 특히 정제용 게터를 이용한 비가역적 화학 결합에 의한 흡착방식을 통해 벌크가스에 혼입된 산소, 일산화탄소나 이산화탄소에 의한 탄소계열 등의 각종 불순물 성분들을 제거할 수 있고, 특히 알곤이나 헬륨 또는 질소 등의 벌크가스에 있어서는 정제유닛의 하류에서 수소제거유닛을 통해 잔존하는 수소 성분 등을 한번 더 제거하는 공정을 수행하므로 고순도 및 초고순도로 정제된 벌크가스를 얻어낼 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고 이러한 실시예에 극히 한정되지 않는다 할 것이며, 본 발명의 기술적 사상과 청구범위 내에서 이 기술분야의 당해업자에 의하여 다양한 수정과 변형 또는 단계의 치환 등이 이루어질 수 있다 할 것이며, 이는 본 발명의 기술적 권리범위 내에 속한다 할 것이다.
1: 가스주입구 2: 가스공급유로
4: 제1유로 5: 제2유로
10: 제1A열교환기 11: 제1B열교환기
12: 제1예열수단 13: 제2예열수단
20: 제1정제유닛 30: 제2정제유닛
40: 제1게터안전센서 41: 제2게터안전센서
42: 제3유로 43: 제4유로
50: 제2A열교환기 51: 제2B열교환기
60: 제1수소제거유닛 61: 제2수소제거유닛
70: 정제가스배출유로 71: 정제가스 배출구
80: 제5유로 81: 제1릴리프밸브
82: 제2릴리프밸브 83: 릴리프 벤트구
4: 제1유로 5: 제2유로
10: 제1A열교환기 11: 제1B열교환기
12: 제1예열수단 13: 제2예열수단
20: 제1정제유닛 30: 제2정제유닛
40: 제1게터안전센서 41: 제2게터안전센서
42: 제3유로 43: 제4유로
50: 제2A열교환기 51: 제2B열교환기
60: 제1수소제거유닛 61: 제2수소제거유닛
70: 정제가스배출유로 71: 정제가스 배출구
80: 제5유로 81: 제1릴리프밸브
82: 제2릴리프밸브 83: 릴리프 벤트구
Claims (11)
- 벌크가스로부터 이에 혼입된 불순물을 제거하여 정제 처리하기 위하여,
지르코늄(Zr) 60~90중량%;
알루미늄(Al), 바나듐(V), 철(Fe), 은(Ag), 니켈(Ni), 구리(Cu), 마그네슘(Mg), 망간(Mn), 팔라듐(Pd) 중에서 선택된 적어도 하나 또는 2종 이상이 10~40중량%; 로 배합된 금속복합체인 벌크가스 정제용 게터를 이용한 벌크가스 정제시스템에 있어서,
벌크가스를 주입하기 위한 가스주입구;
상기 가스주입구에 연결되어 벌크가스를 경로 상에 공급하기 위한 가스공급유로;
상기 가스공급유로로부터 분기되는 제1유로 및 제2유로;
상기 제1유로 및 제2유로 상에 각각 구비되어 공급되는 벌크가스에 대해 열교환기능을 수행하는 제1A열교환기 및 제1B열교환기;
상기 제1A열교환기 및 제1B열교환기의 후단에 각각 연결되어 구비되고, 벌크가스 측 정제효율을 높이기 위해 예열하는 제1예열수단 및 제2예열수단;
상기 제1예열수단 및 제2예열수단의 후단에 각각 연결되어 구비되고, 예열된 벌크가스를 유입하여 고온 분위기에서 정제하기 위한 것으로서, 벌크가스에 혼입된 불순물 성분의 제거를 위한 정제용 게터가 각각 내재되어있는 제1정제유닛 및 제2정제유닛;
상기 제1정제유닛 및 제2정제유닛의 후단에 각각 연결되어 제1유로 및 제2유로 상에 각각 구비되고, 제1정제유닛 및 제2정제유닛을 경유하여 정제된 벌크가스를 열교환하기 위한 제2A열교환기 및 제2B열교환기;
상기 제2A열교환기 및 제2B열교환기의 후단에 각각 연결되어 구비되고, 제1정제유닛 및 제2정제유닛을 경유하여 정제된 벌크가스로부터 이에 잔존하는 수소(H2) 성분의 제거에 사용하기 위한 정제용 게터가 각각 내재되어있는 제1수소제거유닛 및 제2수소제거유닛;
상기 제1유로 및 제2유로가 하나의 라인으로 연결되고, 제1수소제거유닛 및 제2수소제거유닛을 각각 경유하여 최종적으로 정제된 벌크가스에 대해 정제가스 배출구로의 이송을 유도하는 정제가스 배출유로; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 벌크가스 정제용 게터는,
알곤 또는 헬륨 가스의 정제에 사용하기 위한 것으로서,
지르코늄(Zr) 80~86중량%와 알루미늄(Al) 14~20중량%를 혼합한 금속복합체 또는 지르코늄(Zr) 65~75중량%와 바나듐(V) 20~30중량% 및 철(Fe) 5~10중량%를 혼합한 금속복합체인 것을 특징으로 하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 벌크가스 정제용 게터는,
질소 가스의 정제에 사용하기 위한 것으로서, 지르코늄(Zr) 70~80중량%와 철(Fe) 20~30중량%를 혼합한 금속복합체인 것을 특징으로 하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 벌크가스 정제용 게터는,
수소 가스의 정제에 사용하기 위한 것으로서, 지르코늄(Zr) 60~70중량%와 바나듐(V) 20~30중량% 및 철(Fe) 3~10중량%를 혼합한 금속복합체인 것을 특징으로 하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템. - 삭제
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 제1정제유닛 및 제2정제유닛은,
정제처리용 게터가 충진되어 내재되는 정제탱크;
정제탱크의 내부를 고온 분위기로 가열하여 내재되는 정제처리용 게터에 의한 가스 정제 기능 또는 게터 자신에 대한 재생 기능의 공정 처리를 가능하게 하는 가열수단;
가열수단에 의해 가열되는 정제탱크의 위치별 온도를 감지하여 가열수단을 제어하기 위한 온도감지수단; 을 포함하며,
상기 가열수단은 전기히터이고,
상기 온도감지수단은 써모커플(thermocoupler)을 사용하되, 정제탱크의 위치별로 다수가 구분 장착되어 사용되는 것을 특징으로 하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템. - 제 7항에 있어서,
상기 제1정제유닛 및 제2정제유닛 각각은,
정제용 게터 측에서의 정제효율을 높이기 위해 300~400℃의 고온 분위기로 형성하는 것을 특징으로 하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템. - 제 7항에 있어서,
상기 제1정제유닛 및 제2정제유닛 측 정제탱크 각각에는 내측 상부에 정제용 게터의 상태를 감지하는 제1게터안전센서 및 제2게터안전센서가 장착되어 구비되고,
상기 제1유로 및 제2유로 상에서 각각 분기되는 제3유로 및 제4유로를 갖되, 제1A열교환기 및 제1B열교환기의 전방(前方)에서 각각 분기되어 정제용 게터의 감지 상태에 따라 공정처리 경로 상에 공급되는 벌크가스를 게터세이프 벤트구로 유도 배출하도록 구비하며,
상기 제3유로 상에는 제3필터와 제3오토밸브 및 제3체크밸브가 순차 배치되어 구비되고,
상기 제4유로 상에는 제4필터와 제4오토밸브 및 제4체크밸브가 순차 배치되어 구비되는 것을 특징으로 하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템. - 제 1항에 있어서,
상기 제1유로 및 제2유로 상에는 벌크가스가 공급되는 초입부분에 각각 제1릴리프밸브 및 제2릴리프밸브를 연결 구비한 제5유로를 갖되, 제5유로는 릴리프 벤트구와 연결 구비되며,
상기 제1정제유닛 및 제2정제유닛 각각에 내재된 정제용 게터 측 정제기능 수행시 팽창에 의해 제1정제유닛 및 제2정제유닛 각각에서 과압이 발생되면, 제1릴리프밸브 및 제2릴리프밸브를 자동 개방하여 제1정제유닛 및 제2정제유닛 각각에서 발생된 과압 부분을 릴리프 벤트구로 유도하여 배출시키도록 구성하는 것을 특징으로 하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템. - 제 10항에 있어서,
상기 제1릴리프밸브 및 제2릴리프밸브는 제1정제유닛 및 제2정제유닛 상에서 과압 발생시 발생된 과압을 해소하여 완화시킴으로써 폭발을 방지하기 위한 제1과압안전장치 및 제2과압안전장치가 각각 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템.
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230045793A KR102736660B1 (ko) | 2023-04-07 | 2023-04-07 | 벌크가스 정제용 게터 및 이를 이용하는 게터 타입 벌크가스 정제시스템 |
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