JP2008001539A - ヘリウム精製器 - Google Patents
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Abstract
【課題】ヘリウムガスの再液化装置に用いられるヘリウム精製器において、不純物を捕捉する捕捉体の熱伝導性を改善する。
【解決手段】ヘリウムガス中の不純物を冷却・固化して捕捉する捕捉体として、三次元網構造を有する発泡金属材料を用いる。発泡金属捕捉体６０をヘリウムガスの流路に配置し、流路を形成する内筒５０、外筒５２および発泡金属捕捉体６０を支持するフランジ６２により熱が伝えられ、冷却および加熱が行われる。三次元網構造を有することにより、発泡金属捕捉体６０の内部まで短時間で熱が伝わる。
【選択図】図２
【解決手段】ヘリウムガス中の不純物を冷却・固化して捕捉する捕捉体として、三次元網構造を有する発泡金属材料を用いる。発泡金属捕捉体６０をヘリウムガスの流路に配置し、流路を形成する内筒５０、外筒５２および発泡金属捕捉体６０を支持するフランジ６２により熱が伝えられ、冷却および加熱が行われる。三次元網構造を有することにより、発泡金属捕捉体６０の内部まで短時間で熱が伝わる。
【選択図】図２
Description
本発明は、ヘリウムガス中に含まれる不純物を冷却・固化して捕捉し、ヘリウムから分離してヘリウムを精製するヘリウム精製器に関する。
生体磁気計測システム、心磁計、ＮＭＲ（核磁気共鳴）装置、ＭＲＩ（磁気共鳴画像）装置等の計測器は極低温の冷却を要する部分があり、このために、約４Ｋの液体ヘリウムが用いられる。ヘリウムは希少な資源であり、また高価であるため、気化したヘリウムガスを回収し、再液化する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。
しかし、回収されたヘリウムガスに酸素、窒素などの不純物が混入していると、ヘリウムを液化する過程において、これらの不純物のガスがヘリウムより先に液化、さらに凍結して、ヘリウムガスの流路を閉塞してしまう。そこで、ヘリウムを液化する前に、ヘリウムガス中の不純物を除去するヘリウム精製器が用いられる。先の特許文献１には、ヘリウム精製器についても記載されている。
この精製器は、冷熱源により冷却される多数の銅製の微小球体が充填された不純物の捕捉部を有している。この捕捉部に精製対象となるヘリウムガスを通過させると、不純物が微小球体により冷却され、その表面に固化することによりこれが捕捉され、ヘリウムガスから分離される。これによりヘリウムが精製される。
前記特許文献１のヘリウム精製器の銅製の微小球体は、それ自体の熱伝導性は高いが、隣接する球体同士は点接触となっており全体として熱伝導性が高くない。このため、微小球体を冷却したり、また捕捉され凝固している不純物を蒸発させて精製器より除去する場合に加熱したりする際に、多くの時間を要するという問題があった。
本発明は、ヘリウムガス中の不純物を捕捉する部分の熱伝導性を改善することを目的とする。
本発明のヘリウム精製器は、ヘリウムガスが通過する流路を形成する流路壁と、前記流路に配置され、冷熱源に接続され、通過するヘリウムガス中の不純物を冷却・固化して不純物を捕捉する第１の捕捉体とを有し、第１の捕捉体は、発泡金属材料である。発泡金属材料は、三次元網状構造を有する金属材料であり、材料中に多くの孔を有する多孔質材料となっている。それぞれの孔は連続しており、精製対象のガスはこの孔を通過し、その過程で不純物が冷却、固化されて、ヘリウムから分離される。
発泡金属材料は、製造過程で、その孔径を変えることが可能であり、異なる孔径の材料を選択して配列することにより、流路において、下流ほど孔径を小さくすることができる。
また、流路に配置され、冷熱源に接続され、通過するヘリウムガス中の不純物を冷却・固化して不純物を捕捉する第２の捕捉体であって、金属板である第２の捕捉体を有するようにすることができる。さらに、第１の捕捉体は、第２の捕捉体の下流に配置することができる。
また、第１の捕捉体は、流路壁を介して冷熱源に接続されるものとでき、さらに、当該ヘリウム精製器は、第１の捕捉体の、上流側端面または下流側端面の少なくとも一方に、この端面に接して配置され、流路壁にも接し、当該第１の捕捉体を支持する支持部材を有するものとできる。
さらに、固化されて第１の捕捉体に捕捉された不純物を蒸発させて当該ヘリウム精製器より除去するために、第１の捕捉体を加熱する温熱源を有するものとできる。
また、流路壁は、二重に配置された内筒と外筒を有し、ヘリウムガスは、内筒内を通過した後、内筒と外筒の間の環状部分を通過するように形成し、内筒内に第２の捕捉体を配置し、内筒と外筒の間の環状部分に第１の捕捉体を配置するようにできる。
さらに、外筒の第１の端部には、外筒の端を塞ぐ端面板が着脱可能に取り付けられ、第２の捕捉体は、この端面板に支持され、端面板を外筒より取り外す際に、これと一体に取り外される。また、外筒の第２の端部には、内筒の、外筒の第２の端部と同じ側の端部に設けられたフランジが、着脱可能に取り付けられ、第１の捕捉体は、内筒の外周面に固定されたフランジ状の支持部材に支持され、内筒を外筒より取り外す際に、内筒と一体に取り外される。
さらに、第１の捕捉体は、内筒と外筒に接するようにでき、第１の捕捉体を支持する支持部材は、第１の捕捉体の、上流側端面または下流側端面の少なくとも一方に、この端面に接して配置され、外筒にも接するようにできる。
さらに外筒を加熱する温熱源を設けることができる。
捕捉体として発泡金属材料を用いることにより、捕捉体全体の熱伝導性が改善される。
以下、本発明の実施形態を図面に従って説明する。図１は、本実施形態に係るヘリウム再液化装置１０の系統図である。ヘリウム再液化装置１０は、デュワー１２で発生した高温（約３００Ｋ）のヘリウムガスを高温回収管１４を介して循環ポンプ１６で回収し、さらに、第１および第２ガス供給管１８，２０により、コールドチャンバ２２内の第１および第２冷凍機２４，２６に送り、ヘリウムはここで冷却されてデュワー１２に送られる。二つの冷凍機２４，２６はギフォードマクマホンサイクル冷凍機とすることができる。
第１ガス供給管１８によりコールドチャンバ２２内に送られたヘリウムガスは、第１精製器２８および逆止弁３０を通過して、第１冷凍機２４に送られる。第１冷凍機２４は、約４０Ｋまで冷却する第１冷凍部２４ａと、約４Ｋまで冷却する第２冷凍部２４ｂを有する。第１冷凍機２４に送られたヘリウムガスは約４Ｋまで冷却されて凝縮器３２に送られる。
一方、第２ガス供給管２０によりコールドチャンバ２２内に送られたヘリウムガスは、第２精製器３４および逆止弁３６を通過して第２冷凍機２６に送られる。第２冷凍機２６も約４０Ｋまで冷却する第１冷凍部２６ａと、約４Ｋまで冷却する第２冷凍部２６ｂを有する。第２冷凍機２６に送られたヘリウムガスは、第１冷凍部２６ａのみで約４０Ｋまで冷却される。
凝縮器３２の内部は、第１および第２冷凍機の第２冷凍部２４ｂ，２６ｂにより約４Ｋに保たれており、第１冷凍機２４により冷却されたヘリウムガスは、ここで液化する。また、凝縮器３２は、低温回収管３８と返送管４０が接続され、これらの配管の他端は、デュワー１２に接続されている。デュワー１２で発生した低温（約４〜１０Ｋ）のヘリウムガスは、低温回収管３８により凝縮器３２に送られ、ここで液化される。液化された液体ヘリウムは、返送管４０によりデュワー１２に送られる。
また、第２冷凍機２６で、約４０Ｋまで冷却されたヘリウムガスは、コールドチャンバ２２から出た後、保冷管４２を通ってデュワー１２に送られる。低温回収管３８、返送管４０、保冷管４２は、同軸に配置された多重配管を構成しており、中心の配管が返送管４０となり、真空層を介して次の同心円状の環状部分が低温回収管３８となり、さらに真空層を介して外側の環状部分が保冷管４２となっている。この保冷管４２に流れるヘリウムガスが、内部の各管を流れるヘリウムガスおよび液化ヘリウムを保冷する。
第１ガス供給管１８には、ヘリウムボンベ４４がバルブを介して接続されている。ヘリウムボンベ４４には、約３００Ｋのヘリウムガスが蓄えられており、バルブを開くことにより、ヘリウムガスを第１ガス供給管１８に補充することができる。補充されたヘリウムガスは、第１冷凍機２４に送られて、約４Ｋまで冷却され、凝縮器３２で液化され、デュワー１２に送られる。また、第１および第２ガス供給管１８，２０には、排気ポンプ４６が接続されている。この排気ポンプ４６は、第１および第２精製器２８，３４に捕捉された不純物を除去するときに用いられる。これについては、後に詳述する。
次に、第１および第２精製器２８，３４について図２を用いて説明する。これらの精製器は、コールドチャンバ２２内に設けられ、その周囲がコールチャンバ内の冷気により冷やされている。本実施形態の装置に用いられる二つの精製器２８，３４は、同様の構成を有しており、以下の説明においては、第１精製器２８についてのみ説明し、第２精製器３４の説明は省略する。また、以下の説明において、「上」「下」を用いて方向を表すが、これらは図２における上下方向を表すものとして用い、必ずしも第１精製器２８が設置された際の鉛直方向に一致するものではない。
第１精製器２８は、二重に、好ましくは同軸に配置された金属製の内筒５０と外筒５２を有する。内筒５０は、アウタ５０ａとインナ５０ｂを含む二重管であり、これらは上端部で環状の接合部材５０ｃにより接合されている。内筒５０の下端には、インナ５０ｂの端面を塞ぐ端面板５０ｄが取り付けられ、ここに第１ガス供給管１８が接続されている。また、アウタ５０ａの下端には、外側に張り出した端面フランジ５０ｅが設けられている。
外筒５２は、筒形状の筒体５２ａを含み、筒体５２ａの上端には、この端面を塞ぐ端面板５２ｂがボルト締めにより取り付けられている。この筒体５２ａと端面板５２ｂの接合面には、インジウムワイヤが配置され、この接合面の隙間がシールされている。外筒の筒体５２ａの下端には、内筒の端面フランジ５０ｅがボルト締めにより取り付けられている。この接合面にも、インジウムワイヤが配置され、接合面の隙間がシールされている。
第１ガス供給管１８から第１精製器２８に供給されたヘリウムガスは、内筒５０の内側を通って、内筒の上端に達し、ここから外筒５２と内筒５０との間に形成された環状部分を通って下端に向かう。環状部分の下端部には配管５４が接続されており、ヘリウムガスは、配管５４を通って逆止弁３０に向かう。逆止弁３０は、第１精製器２８から第１冷凍機２４に向かう流れを許容し、これとは逆の向きの流れを止めるものである。
内筒５０内には、複数枚の金属製のフィン５６が、外筒の端面板５２ｂに固定された支柱５８に支持されて、配置されている。個々のフィン５６は、円板の外周の１箇所または複数箇所を切り欠いた形状となっており、その切り欠きが、上下の隣接するフィン同士において、異なる位置になるように配置されている。図示されている配置は、フィン５６の切り欠きは、それぞれのフィンに１箇所であり、これが左右に交互に配列されるように、複数枚のフィン５６が配置されている。また、隣接するフィン５６同士の間隔は、下流に行くに従って狭くなっている。フィン５６と、内筒のインナ５０ｂの壁面の間には、真空グリスが塗布され、両者の間の熱伝導を良好なものとしている。第１ガス供給管１８から供給されたヘリウムガスは、フィン５６によって蛇行して内筒５０内を流れる。よって、内筒５０は、ヘリウムガスが流れる流路を形成する流路壁として機能する。ヘリウムガスが内筒５０内を流れる間に、冷却されて、不純物がフィン５６の表面上に凝結、凝固して、捕捉される。よって、フィン５６は、ヘリウムガス中の不純物を捕捉する捕捉体として機能する。
内筒５０と外筒５２の間の環状の空間には、発泡金属材料からなる捕捉体（以下、発泡金属捕捉体と記す。）６０が配置されている。発泡金属捕捉体６０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、図示する例では、６段に設けられている。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。したがって、流体はこの孔の部分を通過することができる。円環形状の発泡金属捕捉体６０の作製方法としては、板状の発泡金属材料から、円環形状に切り出してもよい。また、円環を二つ、又はそれ以上に分割した形状として板状材料から切り出し、これらを内筒５０の周囲に配置して円環形状にまとめるようにしてもよい。分割した形状に切り出すことにより、無駄になる部分を少なくすることができる。分割された発泡金属の接合面、発泡金属と内筒５０、外筒５２など周囲の部材との接合面には、真空グリスまたはワニスが塗布されている。これにより、熱伝導を良好とし、またこれらの隙間をガスが流れることを防止し、発泡金属捕捉体６０の細孔を通過するようにしている。
また、発泡金属捕捉体６０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できる。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。セルメット（商品名）は、孔径が８サイズあり、この中から適宜選択して、または全てのサイズを用いて、異なる孔径を有する発泡金属捕捉体６０を多段に配置することができる。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が、他の金属であってもよい。
発泡金属捕捉体６０の、それぞれの段の間、および最上端と最下端には内筒５０または外筒５２の一方に固定され他方に接するフランジ６２が設けられ、間に挟んでいる発泡金属捕捉体６０を支持している。金属製のフランジ６２は、多数の孔が設けられた金属板であり、流体はこの孔を通ってフランジ６２を通過することができる。
内筒５０内を通ったヘリウムガスは、内筒５０と外筒５２の間にある発泡金属捕捉体６０を通過して、下端に至る。よって、内筒５０に加え外筒５２もヘリウムガスが流れる流路を形成する流路壁として機能する。ヘリウムガスが発泡金属捕捉体６０を通過する過程において、不純物が発泡金属捕捉体６０の網状構造体の表面に凝結、凝固して、ここに捕捉される。不純物が取り除かれて、精製されたヘリウムガスが配管５４を通して、第１冷凍機２４に送られる。
第１精製器２８は、コールドチャンバ２２内に配置され、外筒５２の周囲が低温となっており、これを冷熱源として、外筒５２、フランジ６２および内筒５０を介して発泡金属捕捉体６０およびフィン５６が冷却される。発泡金属捕捉体６０は、三次元網構造を有しており、外筒５２、フランジ６２および内筒５０に接する外側の表面が冷やされると、これが内部まで短時間で伝わり、早期に全体が冷却される。
外筒５２には、凝固した不純物を蒸発させ、第１精製器２８内から除去するためにヒータ６４が設けられている。凝固した不純物が多くなると、これが発泡金属捕捉体６０の孔の部分を塞ぎ、ヘリウムガスが通過できなくなるか、またはその流量が大きく減少する。この不純物による詰まりを解消するために、ヒータ６４により外筒を加熱し、この熱を直接またはフランジ６２を介して発泡金属捕捉体６０に伝えて、凝固した不純物を気化させる。このとき排気ポンプ４６により、第１精製器２８内で発生したガスを吸引する。逆止弁３０の作用により、凝縮器３２やデュワー１２内のヘリウムガスが排気ポンプ４６により吸引されることはない。
この加熱においても、発泡金属捕捉体６０の網構造により伝熱が良好であることから、早期に発泡金属捕捉体６０内部まで熱が伝わり、第１精製器２８内からの不純物の除去が短時間で行われる。
図３は、第１精製器２８を分解した状態を示す図である。外筒の筒体５２ａに対し、端面板５２ｂを上方に取り外すと、支柱５８を介して支持されているフィン５６も一体となって上方に抜き取られる。また、外筒の筒体５２ａに対し、内筒５０を下方に取り外すと、内筒５０の外周に固定されたフランジ６２および発泡金属捕捉体６０も内筒５０と一体となって、外筒５２から抜き出される。外筒の筒体５２ａと、内筒５０および発泡金属捕捉体６０と、端面板５２ｂおよびフィン５６の三つの部分が溶接によらず結合されているため、分解することができ、維持管理の作業を簡素化することができる。また、組み立ても容易である。また、分解される上記三つの部分の互いの接合部分は、真空グリス等が塗布されており、分解性を確保すると同時に、良好な熱伝導性も獲得している。
以上のように、本実施形態においては、不純物の捕捉体として３次元網構造を有する発泡金属材料を用いることで、熱伝導性を良好とし、捕捉体の冷却、また不純物除去の際の加熱を短時間で行うことができる。また、本実施形態においては、発泡金属捕捉体の上流に金属板からなる捕捉体（フィン５６）を設けているが、不純物の混入が少ないなどの条件が満たされれば、発泡金属捕捉体のみにより不純物の捕捉を行うようにできる。また、本実施形態の精製器は、内筒、外筒を有する二重管の構成を有するが、設置スペースとの兼ね合いで、一つの管の中を１方向に流れるようにすることもできる。
また、発泡金属材料の孔径は、下流に行くに従って、小さくすることができる。不純物の捕捉量は、上流側の捕捉体の方が多くなり、固化した不純物による詰まりを防止するために上流側の孔径は大きくする。下流においては、ガスと捕捉体の接触面積を増加させるために、孔径を小さく、細かなものとする。これにより、より効率よく不純物を捕捉することができる。
１０ ヘリウム再液化装置、１２ デュワー、１６ 循環ポンプ、１８ 第１ガス供給管、２０ 第２ガス供給管、２４ 第１冷凍機、２６ 第２冷凍機、２８ 第１精製器、３４ 第２精製器、４４ ヘリウムボンベ、４６ 排気ポンプ、５０ 内筒、５２ 外筒、５６ フィン（金属板捕捉体）、６０ 発泡金属捕捉体、６２ フランジ、６４ ヒータ。
Claims (10)
- ヘリウムガス中の不純物を冷却・固化して捕捉し、ヘリウムを精製するヘリウム精製器であって、
ヘリウムガスが通過する流路を形成する流路壁と、
前記流路に配置され、冷熱源に接続され、通過するヘリウムガス中の不純物を冷却・固化して不純物を捕捉する第１の捕捉体と、
を有し、
前記第１の捕捉体は、発泡金属材料である、
ヘリウム精製器。 - 請求項１に記載のヘリウム精製器であって、
第１の捕捉体は流路に沿って複数設けられ、下流に配置されるものほど孔径が小さい、
ヘリウム精製器。 - 請求項１または２に記載のヘリウム精製器であって、前記流路に配置され、冷熱源に接続され、通過するヘリウムガス中の不純物を冷却・固化して不純物を捕捉する第２の捕捉体を有し、第２の捕捉体は金属板である、ヘリウム精製器。
- 請求項３に記載のヘリウム精製器であって、第１の捕捉体は、第２の捕捉体より下流に配置される、ヘリウム精製器。
- 請求項１に記載のヘリウム精製器であって、
第１の捕捉体は、流路壁を介して冷熱源に接続され、
さらに、第１の捕捉体の、上流側端面または下流側端面の少なくとも一方には、この端面に接して配置され、流路壁にも接し、当該第１の捕捉体を支持する支持部材を有する、
ヘリウム精製器。 - 請求項１〜５のいずれか１項に記載のヘリウム精製器であって、固化されて捕捉体に捕捉された不純物を蒸発させて当該ヘリウム精製器より除去するために、第１の捕捉体を加熱する温熱源を有する、ヘリウム精製器。
- 請求項３に記載のヘリウム精製器であって、
流路壁は、二重に配置された内筒と外筒を有し、ヘリウムガスは、内筒内を通過した後、内筒と外筒の間の環状部分を通過し、
第２の捕捉体は内筒内に配置され、第１の捕捉体は内筒と外筒の間の環状部分に配置される、
ヘリウム精製器。 - 請求項７に記載のヘリウム精製器であって、
外筒の第１の端部には、外筒の端を塞ぐ端面板が着脱可能に取り付けられ、
第２の捕捉体は、この端面板に支持され、端面板を外筒より取り外す際に、これと一体に取り外され、
外筒の第２の端部には、この外筒の第２の端部と同じ側の内筒の端部に設けられたフランジが、着脱可能に取り付けられ、
第１の捕捉体は、内筒の外周面に固定されたフランジ状の支持部材に支持され、内筒を外筒より取り外す際に、内筒と一体に取り外される、
ヘリウム精製器。 - 請求項８に記載のヘリウム精製器であって、
第１の捕捉体は、内筒と外筒に接し、
前記支持部材は、第１の捕捉体の、上流側端面または下流側端面の少なくとも一方に、この端面に接して配置され、外筒にも接している、
ヘリウム精製器。 - 請求項９に記載のヘリウム精製器であって、外筒を加熱する温熱源を有する、ヘリウム精製器。
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