JP2005344802A

JP2005344802A - ヘリウムガス回収装置

Info

Publication number: JP2005344802A
Application number: JP2004164267A
Authority: JP
Inventors: Kunio Kazami; 邦夫風見
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2004-06-02
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】回収するヘリウムガスを貯蔵するガスバックを二重構造にし、その２重構造にした層間の空間にヘリウムガスを通気させることで、不純物透過量を減らすようにしたヘリウムガス回収装置を提供する。
【解決手段】ヘリウムガスをガスバッグに貯めて、再凝縮させて循環させるヘリウム回収装置であって、ガスバッグは、ヘリウムガスを貯蔵する内容器を収容する外容器からなる２重構造に形成し、その２重構造にした内容器と外容器との層間の空間にヘリウムガスを通気させるようにしたことである。
【選択図】図１

Description

本発明は、生体磁気計測用極低温クライオスタットの液体ヘリウム消費量を低減させる技術に関するもので、更に詳しくはヘリウム回収に用いられるガスバッグ、回収管の不純物混入を防止するための技術に関する。又、本発明は、生体磁気計測用クライオスタットのみならず、低温を保つために冷媒を必要とするクライオスタット、例えば、超伝導マグネットを用いるＭＲＩ（核磁気共鳴画像診断装置）や物性研究用のヘリウムクライオスタットにも適用可能である。

従来技術における液体ヘリウム循環システムは、図４に示すように、極低温クライオスタット１０２から蒸発するヘリウムガスをガスバッグ１０４で一旦留め、再液化機で液体ヘリウムに戻して、極低温クライオスタット１０２に還流させるもので、液体ヘリウムを再補給するサイクルを伸ばそうというものである。
その構成を説明すると、１０１は磁気シールドルームで、生体磁気を計測するための静寂な磁気環境を得るためのもので、１０２は液体ヘリウムを冷媒として保持し高感度の超伝導磁気センサを冷却するための極低温クライオスタットである。極低温クライオスタット１０２中に蓄えられた液体ヘリウムは極低温クライオスタット１０２の外部から熱侵入により少しずつ蒸発する。通常は大気に捨てられているが、これをヘリウム排気管１０３を通じてガスバッグ１０４に留める。留められたヘリウムガスは循環ポンプ１０５で加圧され、途中混入した水分や不純物ガスを水分除去器１０６及び不純物ガス除去器１０７を通じて除去し、純度の高いヘリウムガスに精製した後、極低温冷凍機により冷却する再凝縮器１０８内で液体ヘリウム温度まで冷却・凝縮された後に、一旦ヘリウムコンテナ１０９に溜められる。一定量液体ヘリウムが溜まった後、液体ヘリウムトランスファチューブ１１０を通じて極低温クライオスタット１０２に移送される。

この方式は蒸発したガスを小型の液化設備で再液化し戻すというものであるが、大量消費している施設では回収ラインを施設内に設け、大型液化設備で再液化後ヘリウムコンテナにて消費設備に配送するという手段がとられている。
本構成は、ヘリウム消費地から離れ、供給が不便な、小規模施設に適用される小型循環装置である。

特開２００３−２１２５２３号公報（第２頁〜３頁第１図）

しかし、従来技術で説明した液体ヘリウム循環システムにおいて、再循環の一般的な問題点は不純物ガスの混入である。ガスバッグは通常樹脂製のものであるが、水、空気、炭酸ガス等の不純物ガスが透過しやすい。クライオスタットそのものも樹脂を多用しているため、ガスを透過する性質があり、配管に樹脂パイプを用いればそこからも侵入するが、パイプはガスが透過しにくい金属性にすることができる。しかし、伸縮性の要求される大型のガスバッグは樹脂で構成せざるをえない。不純物ガスが混入すると再凝縮器の寒冷部分で固化し配管を詰まらせてしまう。従って、液化しようとするヘリウム以外の沸点・凝固点の温度の高い不純物ガスはモレキュラシーブや活性炭、クライオラップなどを駆使して不純物を除去する。しかし、不純物除去器もトラップした不純物を加温・排出する再生動作をしなければならず、その頻度も侵入不純物量に比例する。従って、小型のヘリウム循環システムといえども頻繁なメンテナンスが必要であり、再凝縮器や不純物除去器が閉塞しやすい。

従って、ヘリウム循環系の不純物による閉塞の問題を解決しなければならないという課題を有する。

上記課題を解決するために、本願発明のヘリウムガス回収装置は、次に示す構成にしたことである。
（１）ヘリウムガス回収装置は、ヘリウムガスをガスバッグに貯めて、再凝縮させて循環させるヘリウム回収装置であって、前記ガスバッグは、ヘリウムガスを貯蔵する内容器を収容する外容器からなる２重構造に形成し、その２重構造にした内容器と外容器との層間の空間にヘリウムガスを通気させるようにしたことである。
（２）前記２重構造にした内容器と外容器との層間の空間に通気させるヘリウムガスは、外部に設けたヘリウムガスボンベから供給するようにしたことを特徴とする（１）に記載のヘリウムガス回収装置。
（３）前記２重構造にした内容器と外容器との層間の空間に通気させるヘリウムガスは、前記内容器に貯めるヘリウムガスの一部を導入したことを特徴とする（１）に記載のヘリウムガス回収装置。

本発明のヘリウムガス回収装置は、ヘリウムガスを貯めるガスバッグを２重構造にし、その２重構造の層間の空間にヘリウムガスを通気させるようにしたことで、外部から侵入する不純物ガスの侵入を極力抑えることができるため、不純物を除去する負担が少なくなり、メンテナンスのサイクルを長くすることが可能になる。

以下、本発明のヘリウムガス回収装置について、図面を用いて詳細に説明する。

本願発明の第１実施例のヘリウムガス回収装置は、図１に示すように、１１、１２は柔軟性のある樹脂製ガスバッグで、ガスバッグ１１が内容器であり、ガスバッグ１２が外容器である。内容器としてのガスバッグ１１は、外容器のガスバッグ１２内部に収容され、スペーサ等を介在させて相互の面が広い範囲にわたって接触しないように空間を形成した二重構造となっており、この空間はガスが通り抜けることができるガス空間を形成する。内容器のガスバッグ１１の内部はヘリウムガスを蓄える空間を形成する。１３はヘリウムガスを入れるヘリウムガス入口で、１４は凝縮器等の回収系につながるヘリウムガスの出口であるヘリウムガス出口である。ヘリウムガス入口１３から供給されるヘリウムガスの量とヘリウムガス出口１４から排出するヘリウムガスの量のアンバランス分がガスバッグ１１に蓄える構造となっている。１５は滑車、１６は分銅でガスバッグ１１、１２の重量で内圧が上がるのを防ぐカウンターバランスであり、バネで代用してもよい。１７はヘリウムガスボンベ、１８は減圧器でヘリウムガス入口１９から僅かな圧力でガスバッグ１１、１２の空間にヘリウムガスを送る。ガスバッグ１１、１２間のヘリウムガスはガスバッグ１１の壁面を通じて外気に僅かづつ排気されるか、２０の排気弁を通じて排気され、小さいがある率で、ガスバッグ１１、１２間のヘリウムガスは更新される。

このように、樹脂製ガスバッグは不純物を透過しやすいが、ガスバッグ１１、１２のように、２重構造にして、その２重構造の層間の空間にヘリウムガス層を設け、このガスバッグ層間へはヘリウムガスボンベ１７によりヘリウムガスを供給し更新することで、ヘリウムガス層間に侵入する外部不純物ガスを一定レベル以下にできる。従って、内容器のガスバッグ１１の内部に貯蔵されるヘリウムガスに不純物ガスが大量に混入することはなくなる。このことにより、従来技術で説明した図４に示すようなヘリウム循環システムの不純物除去装置の負担が少なくなり、メンテナンスのサイクルを長くすることが可能となり、且つ装置の信頼性が向上する。

次に、内容器のガスバッグ１１の内部に外気の不純物ガスの侵入が少なくなる理由を説明する。
図２に示すように、２１は外容器のガスバッグ１２の外容器壁面、２２は空間部、２３は内容器のガスバッグ１１の内容器壁面とし、外気と内部（ガスバッグ１１の内部）が隔てられているものとする。外容器壁面２１、内容器壁面２２の不純物透過率をｋ１、ｋ２とすると、ヘリウムにとっての不純物ガス、例えば、酸素や窒素或は水を代表して、外気の分圧をＰｘとすれば、単位時間あたりの空間部２２への不純物ガスの透過量はＰｘ・ｋ１と表現できる。これは空間部２２の体積Ｖに比較して十分小さいため、空間部２２のヘリウムガスの更新率を含めた平衡状態での空間部２２の空間の不純物ガスの分圧Ｐｘ１は、Ｐｘ１＜＜Ｐｘとなる。
同様に２番目の壁の内容器壁面２３の内側では、更に不純物ガスの分圧は小さくなりＰｘ２＜＜Ｐｘ１＜＜Ｐｘの関係が成立する。即ち、壁を２重にすることで、不純物の分圧を減らすことができる。尚、ヘリウム以外の全てのガスは不純物であるため、空間部２２の空間にはヘリウムガスが通気する。
空間部２２の更新を行うのは、Ｐｘ１が時間と共に上昇するからである。
このように、壁を２重にすることで、蒸着など特別なコーテイングを行わなくとも実効的な不純物ガスの透過率はきわめて小さくなる。更に、ガスバックの厚さを抑えることが可能になり、極めて薄い素材でもガスバッグを構成することが可能となる。

次に、本願発明のヘリウムガス回収装置の第２の実施例について、図３を参照して、以下説明ずる。

本願発明の第２実施例のヘリウムガス回収装置は、図３に示すように、１１、１２は柔軟性のある樹脂製ガスバッグで、ガスバッグ１１が内容器であり、ガスバッグ１２が外容器である。内容器としてのガスバッグ１１は、外容器のガスバッグ１２内部に収容され、スペーサ等を介在させて相互の面が広い範囲にわたって接触しないように空間を形成した二重構造となっており、この空間はガスが通り抜けることができるガス空間を形成する。内容器のガスバッグ１１の内部はヘリウムガスを蓄える空間である。１３はヘリウムガスを入れるヘリウムガス入口で、１４は凝縮器等の回収系につながるヘリウムガスの出口であるヘリウムガス出口である。ヘリウムガス入口１３から供給されるヘリウムガスの量とヘリウムガス出口１４から排出するヘリウムガスの量のアンバランス分がガスバッグ１１に蓄える構造となっている。１５は滑車、１６は分銅でガスバッグ１１、１２の重量で内圧が上がるのを防ぐカウンターバランスであり、バネで代用してもよい。２５、２６は圧力調整器で回収ラインの一部のヘリウムガスを分流させ、圧力調整器２５を通じてヘリウムガス入口１９から僅かな圧力でガスバッグ１１、１２の空間にヘリウムガスを送る。ガスバッグ１１、１２間のヘリウムガスはガスバッグ１１の壁面を通じて外気に僅かづつ排気されるか、２０の排気弁を通じて排気され、小さいがある率で、ガスバッグ１１、１２間のヘリウムガスは更新される。

このようにして、ヘリウムボンベ等の外部のガスを使うことなく、不純物透過量を減らすことができ、ボンベのメンテナンスが不要になる。

このように、樹脂製ガスバッグは不純物を透過しやすいが、ガスバッグ１１、１２のように、２重にして、その間にヘリウムガス層を設け、且つガスバッグ層間のヘリウムガスを内容器のガスバッグに貯めるヘリウムガスの一部を導入するようにしたことで、ヘリウムガス層間に侵入する外部不純物ガスを一定レベル以下にできる。従って、内容器のガスバッグ１１の内部に貯蔵されるヘリウムガスに不純物ガスが大量に混入することはなくなる。このことにより、従来技術で説明した図４に示すようなヘリウム循環システムの不純物除去装置の負担が少なくなり、メンテナンスのサイクルを長くすることが可能となり、且つ装置の信頼性が向上する。

ヘリウムガスを貯留するガスバッグを二重構造にし、その層間にヘリウムガスを通気させるようにすることで、貯蔵されるヘリウムガスに外部からの不純物ガスの混入を防止することができるヘリウムガス回収装置を提供する。

本願発明の第１実施例のヘリウムガス回収装置を略示的に示したブロック図である。同、外気の不純物ガスの侵入が少なくなる様子を示した説明図である。本願発明の第２実施例のヘリウムガス回収装置を略示的に示したブロック図である。従来技術における液体ヘリウム循環システムを略示的に示したブロック図である。

符号の説明

１１ガスバッグ（内容器）
１２ガスバッグ（外容器）
１３ヘリウムガス入口
１４ヘリウムガス出口
１５滑車
１６分銅
１７ヘリウムガスボンベ
１８減圧器
１９ヘリウムガス入口
２０排気弁
２１外容器壁面
２２空間部
２３内容器壁面
２５圧力調整器
２６圧力調整器。

Claims

ヘリウムガスをガスバッグに貯めて、再凝縮させて循環させるヘリウム回収装置であって、
前記ガスバッグは、ヘリウムガスを貯蔵する内容器を収容する外容器からなる２重構造に形成し、その２重構造にした内容器と外容器との層間の空間にヘリウムガスを通気させるようにしたことを特徴とするヘリウムガス回収装置。
前記２重構造にした内容器と外容器との層間の空間に通気させるヘリウムガスは、外部に設けたヘリウムガスボンベから供給するようにしたことを特徴とする請求項１に記載のヘリウムガス回収装置。
前記２重構造にした内容器と外容器との層間の空間に通気させるヘリウムガスは、前記内容器に貯めるヘリウムガスの一部を導入したことを特徴とする請求項１に記載のヘリウムガス回収装置。