JP2005083588A - Helium gas liquefying device, and helium gas recovering, refining and liquefying device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、ヘリウムガスを連続的に液化して液体ヘリウムを生成するための装置、およびそれを用いたヘリウムガス回収・精製・液化装置に関するものである。 The present invention relates to an apparatus for continuously liquefying helium gas to generate liquid helium, and a helium gas recovery / purification / liquefaction apparatus using the apparatus.
周知のようにヘリウム、特に液体ヘリウムは、超電導装置その他各種の超低温装置の冷媒として重要であり、最近では益々その需要が増加している。ところでヘリウムガスは、空気中に約5.2ppm程度しか存在しない希少ガスであり、量産的規模で空気中から分離抽出することは困難である。そこで我国では、一般には天然ガスから分離して液化させた液体ヘリウムを外国から輸入しているのが実情であって、その価格も高価なものとならざるを得ない。したがって各種超低温装置において冷媒等として液体ヘリウムを使用する場合、蒸発したヘリウムガスを回収し、精製して液化させ、再び液体ヘリウムとして循環使用することが強く望まれている。 As is well known, helium, particularly liquid helium, is important as a refrigerant for superconducting devices and other various cryogenic devices, and the demand for them is increasing more and more recently. By the way, helium gas is a rare gas that is present only in about 5.2 ppm in the air, and it is difficult to separate and extract from the air on a mass production scale. Therefore, in Japan, in general, liquid helium separated from natural gas and liquefied is imported from abroad, and the price is inevitably expensive. Therefore, when liquid helium is used as a refrigerant or the like in various ultra-low temperature apparatuses, it is strongly desired to recover the evaporated helium gas, purify and liquefy it, and use it again as liquid helium.
このような目的で、各種超低温装置から回収したヘリウムガスを液化するための装置としては、従来はヘリウムガスを圧縮機により2MPa程度の高圧に圧縮し、その圧縮された高圧ヘリウムガスを、液化機に導入して、主として断熱膨張を利用して温度低下させ、液化させるものが使用されている。この種の液化装置の一般的な例を図4に示す。 For this purpose, as an apparatus for liquefying helium gas recovered from various ultra-low temperature apparatuses, conventionally, helium gas is compressed to a high pressure of about 2 MPa by a compressor, and the compressed high-pressure helium gas is converted into a liquefier. Introduced into the above, the one that lowers the temperature mainly using adiabatic expansion and liquefies is used. A typical example of this type of liquefaction apparatus is shown in FIG.
図4において、符号1は圧縮機、2は圧縮機1から導入された高圧ヘリウムガスを液化するための液化装置本体、3はその液化装置本体2で液化された液体ヘリウムを収容する液体ヘリウム容器を示す。液化装置本体2には、圧縮機1から高圧ヘリウムガスが送り込まれて最終的に液体ヘリウム容器3に至る往路4と、逆に液体ヘリウム容器3内の液面上のヘリウムガスを圧縮機1に戻す還路5とが設けられている。そして往路4と還路5との間には、還路5側を流れるヘリウムガスを冷媒として往路4側を流れるヘリウムガスを冷却するために多段(図示の例では5段)に熱交換器6A,6B,6C,6D,6Eが介挿されており、また往路4の途中から一部の高圧ヘリウムガスを取出して断熱膨張させ、それにより降温したヘリウムガスを還路5に導くための膨張タービンもしくは膨張ピストンからなる膨張エンジン7A,7Bが2段に設けられている。さらに往路4の入口側には熱交換器6A〜6Eのうちの第1段目の熱交換器6Aに対するバイパス路10が設けられており、このバイパス路10に予冷用熱交換器6Fが介挿されており、この予冷用熱交換器6Fは、外部から液体窒素供給路8を経て導入された液体窒素によって、圧縮機1からの高圧ヘリウムガスの一部を予冷するように構成されている。さらに往路4における最下流側には、断熱自由膨張を行なうためのJT弁9が設けられており、このJT弁9の出口側が、前述の液体ヘリウム容器3に導かれている。
In FIG. 4,
図4に示される従来の装置においては、圧縮機1により2MPa程度の高圧に圧縮されたヘリウムガスは、その一部が予冷用熱交換器6Fにおいて液体窒素により予冷されるとともに、往路4において熱交換器6Aにより還路5側の低温のヘリウムガスと熱交換されて温度降下し、さらに熱交換器6B〜6Eにより順次還路5側の低温のヘリウムガスと熱交換されて次第に温度降下し、最終的にJT弁9により断熱自由膨張されてヘリウムの液化温度以下に温度降下し、液体ヘリウムとなって液体ヘリウム容器3に導かれる。そしてこの液体ヘリウム容器3の液面上からは、蒸発した低温のヘリウムガスが還路5に導かれ、前述のように往路4側と熱交換される。ここで、往路4側のヘリウムガスは、そのうちのかなりの部分が膨張エンジン7A,7Bにより断熱膨張されて低温となり、その低温となったヘリウムガスが還路5の途中の箇所に導かれて、その結果前述のような熱交換器6A〜6Eにおいて往路側のヘリウムガスを能率的に冷却することが可能となるのである。
In the conventional apparatus shown in FIG. 4, helium gas compressed to a high pressure of about 2 MPa by the
このように従来の装置では、圧縮機1から往路4に導入された高圧ヘリウムガスを、そのまま全て液化温度以下まで冷却するのではなく、往路中においてかなりの部分を抜き出して膨張エンジン7A,7Bにより断熱膨張させて還路5の中途に導入している。これは、JT弁9に至るまでに充分にヘリウムガスを温度降下をさせておくためには、液体ヘリウム容器3からの戻りのヘリウムガスとの熱交換だけでは不充分であるからである。
As described above, in the conventional apparatus, the high pressure helium gas introduced from the
ところで上述するような従来の装置では、実際上は、圧縮機1から導入した高圧ヘリウムガスのうち70%程度は、膨張エンジン7A,7Bにより断熱膨張させて還路5側に直接戻して、熱交換器6A〜6Eにおいて往路4側のヘリウムガスを冷却するために使用される。言い換えれば、圧縮機1から導入された高圧ヘリウムガスのうち、JT弁9に至るのは30%程度に過ぎない。そしてさらにJT弁9により断熱膨張されて液化されるのはその1/5程度に過ぎず、したがって実際に液化されるのは、圧縮されたヘリウムガスの全量に対し約6%程度に過ぎない。そのため圧縮機1としては、目標とする液化量の約16倍〜17倍もの大流量の大型圧縮機が必要となり、また熱交換器6A〜6Eとしても大型のものが必要となり、さらには高価な熱膨張エンジンも必要となっている。したがって従来の装置では、装置コスト自体が著しく高価であってしかも大型で大きな設置スペースを必要とする問題があり、特に目標とする液化量が少ない装置の場合には、そのわずかな液化量と比べて著しく多量(16〜17倍)のヘリウムガスを循環させる必要があるため、高価かつ大型の装置とならざるを得ない。そのため従来、少量しか液体ヘリウムを使用しない箇所では、蒸発ガスは回収せずにそのまま大気中へ放出してしまっていたのが実情である。しかしながらこのようなことは、希少かつ高価なヘリウムを使用する上において、重大な問題となっている。
By the way, in the conventional apparatus as described above, practically, about 70% of the high-pressure helium gas introduced from the
この発明は前述のような事情を背景としてなされたもので、小型化が可能で設置スペースの問題も解消でき、しかも装置コストも低いヘリウム液化装置、特に小流量で液体ヘリウムを生成する装置として、従来よりも格段に小型化、低コスト化が可能なヘリウム液化装置、および効率的にヘリウムガスを回収してこれを精製・液化することができるヘリウムガス回収・精製・液化装置を提供することを目的とするものである。 The present invention was made against the background as described above, and as a helium liquefying device that can be reduced in size and solve the problem of installation space, and has a low device cost, particularly as a device that generates liquid helium at a low flow rate, To provide a helium liquefaction device that can be significantly reduced in size and cost compared to conventional ones, and a helium gas recovery, purification, and liquefaction device that can efficiently recover and purify and liquefy helium gas. It is the purpose.
この発明のヘリウム液化装置は、図4に示した従来技術のように、液化させるべきヘリウムガスを圧縮して断熱膨張、断熱自由膨張により低温液化させる方式とは異なり、ヘリウムガスをGM冷凍機(ギフォード・マクマホン冷凍機)で代表される小型極低温冷凍機により冷却し、凝縮液化させるようにした。換言すれば、回収したヘリウムガスの断熱膨張、断熱自由膨張による降温の前段階に必要となる圧縮機を不要とした。また小型極低温冷凍機を多段に設けて、ヘリウムガスを順次段階的に冷却するようにした。 Unlike the conventional technique shown in FIG. 4, the helium liquefaction apparatus of the present invention compresses the helium gas to be liquefied and liquefies the helium gas at a low temperature by adiabatic expansion and adiabatic free expansion. It was cooled with a small cryogenic refrigerator represented by Gifford McMahon refrigerator) to condense. In other words, the compressor required for the previous stage of temperature drop by adiabatic expansion and adiabatic free expansion of the recovered helium gas is not required. In addition, small cryogenic refrigerators were provided in multiple stages to cool the helium gas in stages.
具体的には、請求項1の発明のヘリウムガス液化装置は、真空断熱槽内に、液化させるべきヘリウムガスの流路が設けられるとともに、そのヘリウムガス流路に熱的に接するように、小型極低温冷凍機の冷却ヘッドが真空断熱槽内に挿入されており、流路内のヘリウムガスを小型極低温冷凍機により液化温度以下に冷却して液体ヘリウムを生成することを特徴とするものである。
Specifically, the helium gas liquefying apparatus of the invention of
また請求項2の発明のヘリウムガス液化装置は、請求項1に記載のヘリウムガス液化装置において、前記小型極低温冷凍機として複数のものが用いられて、各小型極低温冷凍機の冷却ヘッドが真空断熱槽内に挿入されており、ヘリウムガス流路が順次段階的に各冷却ヘッドに熱的に接触するように構成されたことを特徴とするものである。 A helium gas liquefying apparatus according to a second aspect of the present invention is the helium gas liquefying apparatus according to the first aspect, wherein a plurality of small cryogenic refrigerators are used, and a cooling head of each small cryogenic refrigerator is provided. The helium gas passage is inserted into the vacuum heat insulating tank and is configured to be in thermal contact with each cooling head step by step.
さらに請求項3〜請求項5の発明は、請求項1もしくは請求項2に記載のヘリウムガスの液化装置を用いたヘリウムガス回収・精製・液化装置を規定しており、各種超低温装置(液体ヘリウム使用装置)からヘリウムガスを回収してこれを効率的に安定して精製・液化し得るようにしている。
Further, the inventions of
具体的には、請求項3の発明のヘリウムガス回収・精製・液化装置は、請求項1もしくは請求項2に記載のヘリウムガス液化装置を用いたヘリウムガス回収・精製・液化装置であって、請求項1もしくは請求項2に記載のヘリウムガス液化装置のほか、さらに各種ヘリウムガス使用装置からの蒸発ヘリウムガスを受入れて貯留するためのヘリウムガス1次回収装置と、その1次回収装置内に貯留されたガスを圧縮するための圧縮機と、前記1次回収装置から前記圧縮機により圧縮されて供給された高圧のヘリウムガスを貯留するためのヘリウムガス2次回収装置と、その2次回収装置から供給されたヘリウムガスを高純度化するための精製器とを有しており、その精製器からの高純度ヘリウムガスを前記ヘリウムガス液化装置に導入するようにしたことを特徴とするものである。
Specifically, the helium gas recovery / purification / liquefaction device of the invention of
また請求項4の発明のヘリウムガス回収・精製・液化装置は、請求項3に記載のヘリウムガス液化装置を用いたヘリウムガス回収・精製・液化装置において、前記ヘリウムガス2次回収装置は、精製器向けガス供給用ボンベと、少なくとも1以上の原料ガス供給用ボンベとを備えるとともに、精製器向けガス供給用ボンベと原料ガス供給用ボンベとの間にはこれらの間を流路的に分離/連通させるための分離用開閉弁が設けられ、さらに前記ヘリウムガス1次回収装置の出口側と前記ヘリウムガス2次回収装置との間には、ヘリウムガス1次回収装置からその1次回収装置内のヘリウムガスを2次回収装置の精製器向けガス供給用ボンベおよび原料ガス供給用ボンベへ圧縮して送り込むための前記圧縮機が設けられ、また前記精製器向けガス供給用ボンベは前記精製器にヘリウムガスを供給するように精製器の入口側に接続され、かつその精製器向けガス供給用ボンベから精製器に至るヘリウムガスの供給系路には、精製器に供給されるヘリウムガスの圧力を検出するための供給圧力検出手段が設けられており、また精製器の出口側は前記ヘリウムガス液化装置の入口側に接続され、さらに前記ヘリウムガス2次回収装置の原料ガス供給用ボンベから前記ヘリウムガス1次回収装置へヘリウムガスを戻すための戻し流路を備えていて、その戻し流路にはこれを開閉するための還流用開閉弁と減圧弁が介挿されており、前記分離用開閉弁を開きかつ還流用開閉弁を閉じた状態で1次回収装置内のヘリウムガスを圧縮機により圧縮して2次回収装置の各ボンベ内に充填し、また前記分離用開閉弁および還流用開閉弁を閉じた状態で2次回収装置の精製器向けガス供給ボンベ内から精製器にヘリウムガスを供給するようにし、さらにその供給ヘリウムガスの圧力が下がってこれを前記供給圧力検出手段が検出したときに、前記戻し流路の還流用開閉弁を開いて2次回収装置の原料ガス供給用ボンベ内の高圧ガスを前記減圧弁により低圧化して1次回収装置内に戻すようにしたことを特徴とするものである。
The helium gas recovery / purification / liquefaction device according to the invention of claim 4 is a helium gas recovery / purification / liquefaction device using the helium gas liquefaction device according to
さらにまた請求項5の発明のヘリウムガス回収・精製・液化装置は、請求項4に記載のヘリウムガス回収・精製・液化装置において、前記ヘリウムガス1次回収装置には、そのヘリウムガス1次回収装置内のヘリウムガス量を検出するためのガス量検出手段が設けられており、このガス量検出手段によって前記圧縮機の運転・停止を制御するように構成したことを特徴とするものである。
Furthermore, the helium gas recovery / purification / liquefaction device according to the invention of
この発明のヘリウムガス液化装置は、液化させるべき回収ヘリウムガスを圧縮して断熱膨張、断熱自由膨張により冷却液化する方式とは異なり、大気圧のままで小型極低温冷凍機によって冷却・液化させるものであるため、従来の装置のように液化量の約16〜17倍もの多量のヘリウムガスを2MPa程度の高圧まで圧縮する必要がなく、したがって大型・高出力の圧縮機が不要であり、また液化すべき量の約16〜17倍もの多量のヘリウムガスを循環させる必要がなく、導入されるヘリウムガスのほぼ全量が液化されるところから、従来の装置のように大型の熱交換器や高価な膨張エンジンも不要であり、そのため装置の大幅な小型化を図れるとともに設置スペースも少なくて済み、かつ装置コストの大幅な低減を図ることができる。 The helium gas liquefying apparatus of the present invention is different from the system in which the recovered helium gas to be liquefied is compressed and cooled and liquefied by a small cryogenic refrigerator at atmospheric pressure, unlike the method of cooling and liquefying by adiabatic expansion and adiabatic free expansion Therefore, unlike the conventional apparatus, it is not necessary to compress a helium gas as much as 16 to 17 times the liquefaction amount to a high pressure of about 2 MPa, and therefore a large-sized and high-output compressor is unnecessary, and the liquefaction is not required. It is not necessary to circulate a large amount of helium gas that is about 16 to 17 times as much as the amount to be obtained, and almost all of the introduced helium gas is liquefied. An expansion engine is also unnecessary, so that the apparatus can be greatly reduced in size, installation space can be reduced, and apparatus cost can be significantly reduced.
また請求項2の発明の装置では、多段に小型極低温冷凍機を設置しているため、段階的にヘリウムガスを冷却することができ、そのため温度に応じた最適な冷凍機を選択して、コスト低減を図ることができ、また一台の冷凍機が故障した場合でも、運転状態を継続することができるか、または少なくとも低温状態を保持して、早期に回復させることが可能となる。
Moreover, in the apparatus of the invention of
さらに請求項3〜請求項5の発明のヘリウムガス回収・精製・液化装置によれば、ヘリウムガス1次回収装置に回収されたヘリウムガスのほぼ全量を効率的に精製・液化することができる。 Furthermore, according to the helium gas recovery / purification / liquefaction apparatus of the third to fifth aspects of the invention, it is possible to efficiently purify / liquefy almost the entire amount of helium gas recovered by the helium gas primary recovery apparatus.
図1にこの発明のヘリウムガス液化装置の原理的な構成の一例を示す。 FIG. 1 shows an example of the principle configuration of the helium gas liquefying apparatus of the present invention.
図1において、符号11は、図示しない超電導装置その他の液体ヘリウムを使用する各種超低温装置からの蒸発ヘリウムガスを導入する導入口であり、この導入口11から、ヘリウムガス装置本体12内(後述する真空断熱槽23内)のヘリウム凝縮容器13までの間がヘリウムガス流路(管路)15によって結ばれている。そして先ずこのヘリウムガス流路15の入口側にはバッファータンク17が設けられており、導入口11から導入されたヘリウムガスがバッファータンク17に一時的に収容されるようになっている。さらにヘリウムガス流路15におけるバッファータンク17の出口側には、開閉弁19および流量制御装置(マスフローコントローラ;MFC)21が設けられており、さらにその流量制御装置21の出口側のヘリウムガス流路は、ヘリウム液化装置本体12を構成する真空断熱槽23内に挿入されている。
In FIG. 1,
真空断熱槽23には、小型極低温冷凍機として複数(図示の例では3台)の冷凍能力の異なるGM冷凍機25A,25B,25Cが設置されている。各GM冷凍機25A〜25Cは、それぞれバルブモータ部分27A〜27Cが真空断熱槽23の外面側に位置し、それぞれの冷却ヘッド(伝熱部)29A〜29Cが真空断熱槽23内に挿入された状態となっている。そしてこれらのGM冷凍機25A〜25Cの冷媒を圧縮するための圧縮機31A〜31Cは、真空断熱槽23から離れた箇所に個別に配置されている。ここで、GM冷凍機25A〜25Cは、例えば第1段冷凍機25Aは80Kまでの冷却能力を有するもの、第2段冷凍機25Bは20Kまでの冷却能力を有するもの、第3段冷凍機25Cは4Kまでの冷却能力を有するものが選択される。
A plurality of (three in the illustrated example)
真空断熱槽23内においては、ヘリウムガスの流路15は、各GM冷凍機25A〜25Cの冷却ヘッド29A〜29Cに熱的に順次接するようになっている。具体的には、例えば真空断熱槽23において流路15は先ず第1段目のGM冷凍機25Aの冷却ヘッド29Aにコイル状に巻付けられ(第1段冷却部15A)、次いで第2段目のGM冷凍機25Bの冷却ヘッド29Bにコイル状に巻付けられ(第2段冷却部15B)、さらに第3段目のGM冷凍機25Cの冷却ヘッド29Cにコイル状に巻付けられ(第3段冷却部15C)ている。
In the vacuum
そしてさらに流路15は、第3段目の冷却ヘッド29Cに対応する第3段冷却部15Cの出口側からヘリウム凝縮容器13の上部に導かれている。このヘリウム凝縮容器13の下部からは液体ヘリウム排出管路33が延出しており、この液体ヘリウム排出管路33は真空断熱槽23の外部下方へ導かれて、最終的に液体ヘリウムを収容するための液体ヘリウム容器35内に導かれている。
Further, the
以上のような図1に示される装置において、図示しない各種の超低温装置(液体ヘリウム使用箇所)からの蒸発ヘリウムガスは、導入口11からバッファータンク17内に導入され、開閉弁19および流量制御装置21を経てヘリウムガス流路15によりヘリウム液化装置本体12における真空断熱槽23内の第1段GM冷凍機冷却ヘッド29Aに接する第1段冷却部15Aに導かれて、例えば80K程度まで冷却される。次いでヘリウムガスは第2段GM冷凍機冷却ヘッド29Bに接する第2段冷却部15Bに導かれて、例えば20K程度まで冷却され、さらに第3段GM冷凍機冷却ヘッド29Cに接する第3段冷却部15Cに導かれて、4K程度、すなわちヘリウムの常圧での液化温度以下に冷却されて、凝縮・液化を開始し、ヘリウム凝縮容器13内に導かれて完全に液化する。そしてそのヘリウムガス凝縮容器13から液体ヘリウムが排出管路33を経て重力により外部の液体ヘリウム容器35内に導かれ、貯留される。
In the apparatus shown in FIG. 1 as described above, evaporative helium gas from various ultra-low temperature apparatuses (uses of liquid helium) (not shown) is introduced into the
このように図1の装置においては、ヘリウムガスは段階的に冷却されることになる。ここで、GM冷凍機で代表される小型極低温冷凍機は、温度が高いほど冷却容量が大きくなるため、ヘリウムガスの温度降下過程に応じた冷凍機を選択することによって、効率良く冷却・液化させることができる。すなわち、1台の冷凍機によって常温付近のヘリウムガスを4Kまで直接冷却しようとする場合、冷却容量が小さくなって、効率的に冷却・液化させることが困難となるが、例えば前述のように常温付近から80Kまで、80Kから20Kまで、20Kから4Kと段階的にそれぞれ別の冷凍機により冷却することにより、各冷凍機の冷却容量を大きくし、冷却・液化の効率化を図ることができる。 Thus, in the apparatus of FIG. 1, helium gas is cooled in steps. Here, a small cryogenic refrigerator represented by a GM refrigerator has a higher cooling capacity as the temperature is higher, so it is possible to efficiently cool and liquefy by selecting a refrigerator according to the temperature drop process of the helium gas. Can be made. That is, when helium gas near room temperature is directly cooled to 4K by one refrigerator, the cooling capacity becomes small and it becomes difficult to efficiently cool and liquefy. By cooling from near to 80K, from 80K to 20K, and from 20K to 4K step by step with different refrigerators, the cooling capacity of each refrigerator can be increased and the efficiency of cooling and liquefaction can be improved.
また図1の例において、例えば第1段目のGM冷凍機25Aもしくは第2段目のGM冷凍機25Bのいずれかが故障して運転停止した場合でも、それ以外の冷凍機は作動しているため、能率は悪化するものの、運転を継続することができ、またたとえ液化温度まで冷却することは困難となったとしても、系内の低温状態をある程度維持できるため、そのまま点検・修理等を行なって早期に運転を回復させることができる。また例えば第3段目のGM冷凍機25Cが故障した場合、残りのGM冷凍機25A,25Bが正常であれば、前記同様にある程度低温状態を維持できるため、早期の回復が可能となる。
In the example of FIG. 1, for example, even when one of the first-
なおまた、多段にGM冷凍機25A〜25Cを設けていて、圧縮機31A〜31Cも各冷凍機ごとに個別に設けているため、圧縮機31A〜31Cとしては小型のもので済み、またこれらを個別に設置することにより重量の分散化を図ることができる。
In addition, since the
なお図1の例において用いているGM冷凍機25A〜25Cの圧縮機31A〜31Cは、従来技術として示した図4の装置の圧縮機1と比較すれば、格段に小型のもので足りる。すなわち図4の例の場合は、既に述べたように液化すべきヘリウムガス量の約16〜17倍もの多量のヘリウムガスを高圧縮率で圧縮しなければならないのに対し、図1の例の圧縮機31A〜31Cは、飽くまで冷凍機の冷媒用圧縮機であって、上述のようなことがないからである。
Note that the
以上のような図1の例では、液化されたヘリウムを単純に液体ヘリウム容器35内に注入する開放系(オープンサイクル)の装置として示したが、循環系(クローズドサイクル)の装置にも適用できることはもちろんである。その場合の原理的な例を図2に示す。なお図2において図1に示される例と同一の要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
In the example of FIG. 1 as described above, an open system (open cycle) device in which liquefied helium is simply injected into the
図2においては、図1に示す液体ヘリウム容器35の代りに、各種超低温装置を構成するクライオスタット37が設けられており、このクライオスタット37内に、対象物を熱交換により冷却するための熱交換器39が配設されている。そしてこの熱交換器39の入口側に、前述の液体ヘリウム排出管路33が接続されている。熱交換器39の出口側には戻り流路41の一端側が接続されている。この戻り流路41の他端側は、前述のヘリウムガス流路15におけるバッファータンク17の出口側の箇所43に接続されている。なおこの戻り流路41の中途には開閉弁45が介挿されている。そしてヘリウムガス流路15における前記の接続箇所43と開閉弁19との間には、循環用ブロア47が介挿されている。
In FIG. 2, a cryostat 37 constituting various ultra-low temperature devices is provided in place of the
このような図2に示す例では、クライオスタット37内の熱交換器39に液体ヘリウムが導かれて対象物を間接的に冷却する。そして熱交換器39内で温度上昇して気化したヘリウムガスは、戻り流路41、開閉弁45を経て、循環用ブロア47による背圧によってヘリウムガス流路15に引込まれ、既に述べたと同様にして冷却・液化される。したがってこの場合は、ヘリウムの全量を循環再使用することができる。
In such an example shown in FIG. 2, liquid helium is guided to the
ところで実際に現場で使用するためのヘリウムガス液化システムとしては、各種超低温装置から回収した蒸発ヘリウムガスを如何に効率的に再使用するかの点も重要であり、また回収した蒸発ヘリウムガスを液化する場合、予めヘリウムガスを精製しておくこと、すなわちヘリウムの純度を高めておくことも重要である。これらの点を考慮して全体をシステム化した具体例、すなわちヘリウムガス回収・精製・液化装置の一例を図3に示す。なおこの図3の例は、図1に示されるヘリウムガス液化装置本体12と同一のものを用いてヘリウムガス回収・膨張・液化装置全体をシステム化したものであり、図1の例と同一の要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
By the way, as a helium gas liquefaction system for actual use in the field, it is also important how to efficiently reuse the evaporated helium gas recovered from various cryogenic devices, and the recovered evaporated helium gas is liquefied. In this case, it is also important to purify helium gas in advance, that is, to increase the purity of helium. FIG. 3 shows a specific example in which the whole is systemized in consideration of these points, that is, an example of a helium gas recovery / purification / liquefaction apparatus. 3 is a system in which the entire helium gas recovery / expansion / liquefaction apparatus is systemized using the same helium gas liquefier
先ず図3に示されるヘリウムガス回収・精製・液化装置の基本的な構成について説明すると、このヘリウムガス回収・精製・液化装置は、図1に示したヘリウムガス液化装置本体12のほか、さらに各種ヘリウムガス使用装置からの蒸発ヘリウムガスを、そのまま低圧(通常はほぼ大気圧)で受入れて貯留するためのヘリウムガス1次回収装置としてのガスバッグ49と、その1次回収装置(ガスバッグ49)内に貯留されたガスを圧縮して高圧化するための圧縮機71と、前記1次回収装置(ガスバッグ49)から前記圧縮機71により圧縮されて供給された高圧のヘリウムガスを貯留するためのヘリウムガス2次回収装置としての粗ヘリウムガスマニホールド75と、その2次回収装置(粗ヘリウムガスマニホールド75)から供給されたヘリウムガスを高純度化するための精製器89とを有しており、その精製器89からの高純度ヘリウムガスを前記ヘリウムガス液化装置本体12に導入するように構成されている。
First, the basic configuration of the helium gas recovery / purification / liquefaction apparatus shown in FIG. 3 will be described. This helium gas recovery / purification / liquefaction apparatus includes, in addition to the helium gas liquefaction apparatus
さらに図3について詳細に説明すると、液体ヘリウムを使用してその蒸発ガスを発生する各種超低温装置からのヘリウムガスは、一次的にヘリウムガス1次回収装置としてのガスバッグ49に回収・収容されるようになっている。具体的には、例えば各種超低温装置における液体ヘリウム小容器51からのヘリウムガスは、回収バルーン53に回収されて、真空ポンプ54によりガスバッグ49に導かれるようになっており、また例えば各種超低温装置におけるクライオスタット55からのヘリウムガスは直接的にガスバッグ49に導かれるようになっている。また液体ヘリウム容器35内において蒸発したヘリウムガスも、過度に高圧の場合には、逆止弁57等を経てガスバッグ49内に導かれるようになっている。
Further, FIG. 3 will be described in detail. Helium gas from various cryogenic devices that generate liquid vapor using liquid helium is primarily recovered and accommodated in a
ここで、ヘリウムガス1次回収装置としてのガスバッグ49には、そのガスバッグ49内の回収ガス量を検出するためのガス量検出手段として、レベル計59が付設されており、ガスバッグ49内に導入されるヘリウムガスの量によって高さ方向に膨張収縮するガスバッグ49の上限レベルH、下限レベルLを検出する(したがってガスバッグ49に導入されたヘリウムガス量の上限、下限を検出する)ことができる。
Here, the
そしてガスバッグ49の出口49Aは、圧縮機71および流路73、開閉弁74を介して、ヘリウムガス2次回収装置としての粗ヘリウムガスマニホールド75に導かれている。ここで、粗ヘリウムガスマニホールド75は、複数(図示の例では6本)のガスボンベ77A〜77Fを備えており、これらのうち最も圧縮機71に近いボンベが、精製器向けガス供給用ボンベ77Aとされ、残りのものが原料ガス供給用ボンベ77B〜77Fとされており、精製器向けガス供給用ボンベ77Aと原料ガス供給用ボンベ77B〜77Fとの間にはこれらの間を流路的に分離/連通させるための分離用開閉弁79が介挿されている。そしてまた精製器向けガス供給用ボンベ77Aに直接連通する部分には、精製器89へ供給するヘリウムガスの圧力を検出するための供給圧力検出手段としての圧力検出器81が設けられ、また原料ガス供給用ボンベ77B〜77Fは、戻り流路83により前述の圧縮機71の入口側に接続されており、その戻り流路83の中途には、前述のガスバッグガス量検出手段としてのレベル計59により開閉作動される電磁制御弁からなる還流開閉弁85および減圧弁87が介挿されている。
The
さらに前記圧縮機71と開閉弁74との間の流路73には、精製器89にヘリウムガスを導くための精製器向けガス供給路91が接続されている。この精製器向けガス供給路91には、開閉弁92、高圧減圧弁93、高圧乾燥器95がその順に介挿されている。
Further, a purifier
精製器89は、真空断熱槽97内に、液体窒素により冷却される内槽99を配設した構成とされ、その内槽99内に冷却用熱交換器101、コンデンサ103、吸着筒105が配設されており、また真空断熱槽97の内側で内槽99の外側の部分に、導入側ヘリウムガスと生成済みヘリウムガスとを熱交換するための熱交換器107が配設されている。また内槽99には、その内槽99内に冷媒として液体窒素を供給するための窒素供給管109、分離除去された液体空気を排出するための液体空気ドレイン管111、および蒸発窒素ガス放出管113が接続されている。
The
精製器89の出口側は、精製済みガス供給管路115によって、ヘリウムガス液化装置本体12の真空断熱槽23内における第1段冷却部15Aに導かれている。したがって供給管路115は、図1の例におけるヘリウムガス流路15に相当することになる。そしてこの供給管路115には、保圧弁117、減圧弁119、開閉弁19、流量制御装置(マスフローコントローラ)21が介挿されている。
The outlet side of the
ヘリウム液化装置本体12の部分の構成は、図1に示したものと同様である。また液化されたヘリウムを収容する液体ヘリウム容器35のガス排出管路43には圧力検出器121が設けられており、この圧力検出器121によって前記流量制御装置21が制御されるようになっている。
The configuration of the helium liquefier
以上のような図3に示される装置の全体的な動作、運転状況について次に説明する。 Next, the overall operation and operating status of the apparatus shown in FIG. 3 will be described.
先ず回収運転について説明すると、各種超低温装置の例えばクライオスタット55、液体ヘリウム小容器51等から、ヘリウムガス1次回収装置としてのガスバッグ49内にヘリウムが回収され、そのガスバッグ49内にヘリウムガスが溜まってそのガス量がガス量検出手段としてのレベル計59のレベルHに至れば、圧縮機71が運転を開始して、ガスバッグ49内のヘリウムガスが、ヘリウムガス2次回収装置としての粗ヘリウムマニホールド75の各ガスボンベ77A〜77F内に送り込まれる(充填される)。なおこの状態では開閉弁79は開放されている。
First, the recovery operation will be described. Helium is recovered in a
このようにしてガスバッグ49内のガスが送り出されて、ガスバッグ49内のガス量がレベル計59のレベルLまで下がれば、圧縮機71の運転が停止され、ガスバッグ49からのヘリウムガス送り出し(ボンベ77A〜77Fへのガス充填)が停止される。その後ガスバッグ49内に新たなガスが回収されて、レベル計59のレベルHに至れば、再び前述のような送り出し、充填運転が行なわれる。このように充填を繰返して、粗ヘリウムガスマニホールド75内の各ボンベ77A〜77Fの圧力が所定の圧力(連続して液化させるに足りるガス量に対応する圧力)以上となれば、精製・液化運転に切替えられる。
When the gas in the
精製・液化運転を行なうにあたっては、分離用開閉弁79を閉じて、2次回収装置としての粗ヘリウムガスマニホールド75内の各ボンベ77A〜77Fを、精製器向けガス供給用ボンベ77Aと、原料ガス供給用ボンベ77B〜77Fとに分離して、専ら精製器向けガス供給用ボンベ77Aから精製器89に向けてヘリウムガスを供給し得る状態となるようにする。そして開閉弁92を開くことにより、精製器向けガスボンベ77Aから実際に精製器89にヘリウムガスが供給される。
In performing the purification / liquefaction operation, the separation on-off
ここで、精製器向けガス供給用ボンベ77Aから精製器89に向けてのヘリウムガス供給圧力が例えば12MPa以下に下がれば、それを供給圧力検出器81が検出して、圧縮機71が運転を再開し、これによりガスバッグ49内のヘリウムガスが圧縮されながら精製器向けガス供給用ボンベ77Aに向けて送り込まれ(充填され)、そのボンベ77Aの圧力(したがって精製器89に供給されるガスの圧力)が最高圧力(例えば15MPa)まで昇圧されれば、圧縮機71の運転が停止される。そしてこの間に、ガスバッグ49内のガス量が減少することになるが、ガスバッグ49のレベル計59がレベルLまで下がれば、戻り流路83の還流用開閉弁(電磁弁)85が開いて、原料ガス供給用ボンベ77B〜77F内の高圧ガスが、減圧弁87により減圧されながらガスバッグ49内に低圧で送り込まれて、ガスバッグ49内のガス量が再び多くなる。そしてこれをレベル計59が検出すれば(レベルHとなれば)、圧縮機71が再び運転を再開して、粗ヘリウムガスマニホールド75の精製器向けガス供給用ボンベ77Aに高圧でヘリウムガスを再び充填する状態となる。次いで供給圧力検出器81によって検出される圧力が充分な供給圧力に達すれば、精製器向けガス供給用ガスボンベ77Aからヘリウムガスが精製器89に供給される。その後精製器向けガス供給用ボンベ77Aからの供給圧力が再び低下すれば、既に述べたように圧縮機71を再び運転して、粗ヘリウムガスマニホールド75の精製器向けガス供給用ボンベ77Aに高圧でヘリウムガスを充填し、充分に高圧となれば再び精製器向けガス供給用ボンベ77Aから精製器89にヘリウムガスを供給する。そしてこのような過程を繰返して、初期の回収運転により粗ヘリウムガスマニホールド75の各ボンベ77A〜77Fに充填・回収されたヘリウムガスは、そのほぼ全量が精製器89に供給されることになる。
Here, if the helium gas supply pressure from the gas supply cylinder 77A for the purifier to the
ここで、精製器89について説明すると、精製器89は、高圧で液体窒素温度(−196℃)まで低温にすることにより、回収ヘリウムガス中の不純物(空気等)を液化分離除去(空気の場合10MPaで不純物量1%まで除去)した後、活性炭等の吸着剤により高純度のヘリウムガスにするものである。そのため精製器89に供給されるガスとしては、常に高圧のガスが供給されなければならない。したがって図3の例では、精製器向けガス供給用ボンベ77Aから導出されるガスを高圧に維持(例えば15〜12MPa以上)して、高圧減圧弁93を介し、高圧(例えば11MPa)のヘリウムガスを精製器89に供給するようにしている。すなわち精製器89の出口側に保圧弁(例えば10MPa以上になると流れる)117を設けて、精製器89に供給されるガスの圧力が常に高圧に維持できるようにしている。
Here, the
一方、精製器89を出たガスは、保圧弁117を通り減圧弁119により減圧(例えば0.15MPaまで減圧)され、流量制御装置21により、液化される一定量分が液化装置本体12に供給されるが、精製器89にはその量だけ流れることになる。このようにして連続的に液化する量だけ精製して液化装置本体12にガスを供給することができるのである。
On the other hand, the gas exiting the
精製器89に導入されるヘリウムガスは、その直前に高圧乾燥器95によって水分等が除去され、その水分等が低温で凍りつき配管を閉塞することが防止される。
Immediately before the helium gas introduced into the
精製器89に導入された常温のヘリウムガスは、熱交換器107において、精製冷却された高純度かつ低温のヘリウムガスと熱交換されて冷却される。このことにより精製器89の冷源である液体窒素の消費量を削減できる。
The normal temperature helium gas introduced into the
さらにヘリウムガスが精製器89の内槽99に導入されれば、ヘリウムガスは冷却用熱交換器101により液体窒素と充分熱交換され、さらにコンデンサ103により導入ガス中の不純物である空気等が液化され、液化分離除去(空気に場合10MPaで不純物量1%まで除去)され、導入されたガスの純度が高められる。なおコンデンサを使用せずに吸着筒に直接供給した場合は、不純物を吸着するための吸着剤として多量のものが必要となり、それに伴って精製器も大型となってしまう。
Further, when helium gas is introduced into the
コンデンサ103を出たヘリウムガスは、吸着筒105において吸着剤により不純物が吸着除去され、高純度のヘリウムガスとなる。このようにして低温で精製冷却された高純度のヘリウムガスは、前述のように熱交換器107において精製器89に導入される常温のヘリウムガスと熱交換して、液化機本体へ供給される。
The helium gas exiting the
次に液化の状況について説明すると、精製器89により生成された高圧のヘリウムガスは減圧弁119により低圧(例えば0.15MPa)となり、流量制御装置21により、液化する一定量分が液化装置本体12に供給される。液化装置本体12の部分の動作は既に図1について説明したと同様であり、3段のGM冷凍機25A,25B,25Cによって段階的に冷却され、液化して、凝縮容器13に溜められ、ヘッド差による重力によって液体ヘリウム容器35に導入される。
Next, the state of liquefaction will be described. The high-pressure helium gas generated by the
ここで、冷凍機の冷却能力に余裕があって、液化されたヘリウムガスを溜めた液体ヘリウム容器35内の圧力が負圧になれば、流量制御装置21の制御動作により供給ガスを増やし、液化量を増やすことにより対応制御を行なうことができる。また逆に液体ヘリウム容器35内のヘリウム蒸発量が多くなってその容器35内の圧力が高くなった場合には、逆止弁(クラッキング圧力が10kPa程度)57を通してガスバッグ49にヘリウムガスを回収することができる。
Here, if the cooling capacity of the refrigerator has a margin and the pressure in the
なお図3に示すヘリウムガス回収・精製・液化装置では、図1に示されるヘリウムガス液化装置(本体)12を適用して、液化装置本体12の部分は開放系としているが、図2の場合と同様にクライオスタット37に適用して循環系に構成し得ることはもちろんである。
In the helium gas recovery / purification / liquefaction apparatus shown in FIG. 3, the helium gas liquefaction apparatus (main body) 12 shown in FIG. 1 is applied and the liquefaction apparatus
12 ヘリウムガス液化装置本体
15 ヘリウムガス流路
23 真空断熱槽
25A,25B,25C 小型極低温冷凍機としてのGM冷凍機
29A,29B,29C 冷却ヘッド
49 ヘリウムガス1次回収装置としてのガスバッグ
59 ガス量検出手段としてのレベル計
71 圧縮機
75 ヘリウムガス2次回収装置としての粗ヘリウムガスマニホールド
77A 精製器向けガス供給用ボンベ
77B〜77F 原料ガス供給用ボンベ
79 分離用開閉弁
81 供給圧力検出手段としての圧力検出器
89 精製器
12 Helium gas liquefier
Claims (5)
請求項1もしくは請求項2に記載のヘリウムガス液化装置のほか、さらに各種ヘリウムガス使用装置からの蒸発ヘリウムガスを受入れて貯留するためのヘリウムガス1次回収装置と、その1次回収装置内に貯留されたガスを圧縮するための圧縮機と、前記1次回収装置から前記圧縮機により圧縮されて供給された高圧のヘリウムガスを貯留するためのヘリウムガス2次回収装置と、その2次回収装置から供給されたヘリウムガスを高純度化するための精製器とを有しており、その精製器からの高純度ヘリウムガスを前記ヘリウムガス液化装置に導入するようにしたことを特徴とする、ヘリウムガス回収・精製・液化装置。 A helium gas recovery / purification / liquefaction device using the helium gas liquefaction device according to claim 1 or 2;
In addition to the helium gas liquefying device according to claim 1 or 2, a helium gas primary recovery device for receiving and storing evaporative helium gas from various helium gas using devices, and the primary recovery device A compressor for compressing stored gas, a helium gas secondary recovery device for storing high-pressure helium gas compressed and supplied from the primary recovery device by the compressor, and its secondary recovery A purifier for purifying the helium gas supplied from the apparatus, and the high purity helium gas from the purifier is introduced into the helium gas liquefier. Helium gas recovery / purification / liquefaction equipment.
前記ヘリウムガス2次回収装置は、精製器向けガス供給用ボンベと、少なくとも1以上の原料ガス供給用ボンベとを備えるとともに、精製器向けガス供給用ボンベと原料ガス供給用ボンベとの間にはこれらの間を流路的に分離/連通させるための分離用開閉弁が設けられ、さらに前記ヘリウムガス1次回収装置の出口側と前記ヘリウムガス2次回収装置との間には、ヘリウムガス1次回収装置からその1次回収装置内のヘリウムガスを2次回収装置の精製器向けガス供給用ボンベおよび原料ガス供給用ボンベへ圧縮して送り込むための前記圧縮機が設けられ、また前記精製器向けガス供給用ボンベは前記精製器にヘリウムガスを供給するように精製器の入口側に接続され、かつその精製器向けガス供給用ボンベから精製器に至るヘリウムガスの供給系路には、精製器に供給されるヘリウムガスの圧力を検出するための供給圧力検出手段が設けられており、また精製器の出口側は前記ヘリウムガス液化装置の入口側に接続され、さらに前記ヘリウムガス2次回収装置の原料ガス供給用ボンベから前記ヘリウムガス1次回収装置へヘリウムガスを戻すための戻し流路を備えていて、その戻し流路にはこれを開閉するための還流用開閉弁と減圧弁が介挿されており;
前記分離用開閉弁を開きかつ還流用開閉弁を閉じた状態で1次回収装置内のヘリウムガスを圧縮機により圧縮して2次回収装置の各ボンベ内に充填し、また前記分離用開閉弁および還流用開閉弁を閉じた状態で2次回収装置の精製器向けガス供給ボンベ内から精製器にヘリウムガスを供給するようにし、さらにその供給ヘリウムガスの圧力が下がってこれを前記供給圧力検出手段が検出したときに、前記戻し流路の還流用開閉弁を開いて2次回収装置の原料ガス供給用ボンベ内の高圧ガスを前記減圧弁により低圧化して1次回収装置内に戻すようにしたことを特徴とする、ヘリウムガス回収・精製・液化装置。 In the helium gas recovery / purification / liquefaction apparatus using the helium gas liquefaction apparatus according to claim 3,
The secondary recovery apparatus for helium gas includes a gas supply cylinder for a purifier and at least one source gas supply cylinder, and is disposed between the gas supply cylinder for the purifier and the source gas supply cylinder. A separation on-off valve is provided for separating / communication between them in a flow path. Further, a helium gas 1 is provided between the outlet side of the helium gas primary recovery device and the helium gas secondary recovery device. There is provided the compressor for compressing and feeding the helium gas in the primary recovery device from the secondary recovery device to the gas supply cylinder for the purifier of the secondary recovery device and the source gas supply cylinder. The gas supply cylinder is connected to the inlet side of the purifier so as to supply helium gas to the purifier, and the helium gas from the gas supply cylinder for the purifier to the purifier The supply system is provided with supply pressure detection means for detecting the pressure of helium gas supplied to the purifier, and the outlet side of the purifier is connected to the inlet side of the helium gas liquefier, Furthermore, a return flow path for returning helium gas from the source gas supply cylinder of the helium gas secondary recovery apparatus to the helium gas primary recovery apparatus is provided, and the return flow path is used for opening and closing the return flow path. On-off valve and pressure reducing valve are inserted;
With the separation on-off valve opened and the reflux on-off valve closed, the helium gas in the primary recovery device is compressed by a compressor and filled in each cylinder of the secondary recovery device, and the separation on-off valve The helium gas is supplied to the purifier from the gas supply cylinder for the purifier of the secondary recovery device with the reflux on-off valve closed, and the pressure of the supplied helium gas is lowered to detect the supply pressure. When the means detects, the return on-off valve of the return flow path is opened, and the high pressure gas in the source gas supply cylinder of the secondary recovery device is reduced by the pressure reducing valve and returned to the primary recovery device. A helium gas recovery, purification, and liquefaction device.
前記ヘリウムガス1次回収装置には、そのヘリウムガス1次回収装置内のヘリウムガス量を検出するためのガス量検出手段が設けられており、このガス量検出手段によって前記圧縮機の運転・停止を制御するように構成したことを特徴とする、ヘリウムガス回収・精製・液化装置。 The helium gas recovery / purification / liquefaction apparatus according to claim 4,
The primary recovery device for helium gas is provided with gas amount detection means for detecting the amount of helium gas in the primary recovery device for helium gas, and the compressor is operated and stopped by this gas amount detection means. A helium gas recovery / purification / liquefaction device, characterized in that it is configured to control the gas.
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