JP2008138910A - ヘリウム液化機 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｈｅ液化機が運転停止になり内部がＨｅガス封止状態となり、侵入熱などにより装置内のＨｅガス圧が設計圧力以上となった場合に、液化機内のＨｅを外部に逃がすことなく、装置内を所定の圧力に保持する。
【解決手段】Ｈｅ圧縮機１と、圧縮機１で加圧されたガスを導く高圧系配管１２と、高圧系配管１２を流れるガスを冷却する熱交換器群５と、熱交換器群５で冷却されたガスを液化するＪＴ弁８と、ＪＴ弁８で液化された液化Ｈｅを貯留する貯槽１１と、貯槽１１からのガスを熱交換器群５に導き、さらに圧縮機１に送る低圧系配管１３と、バッファータンク１９と、バッファータンク１９からのガスを圧縮機１に送る原料Ｈｅ供給管２１を備えたＨｅ液化機において、高圧系配管１２または低圧系配管１３と原料Ｈｅ供給管２１とをつなぐ圧力調整用配管２５を設け、この圧力調整用配管２５に一次圧力調整弁２６、２７を設ける。
【選択図】図１

Description

この発明は、ヘリウム液化機に関し、ヘリウム液化機の運転停止時などの際に、ヘリウム液化機内部の配管内のヘリウムガス圧力が過度に上昇することを防止するとともに、ヘリウムガスの損失を防止することができるようにしたものである。

図３は、従来のヘリウム液化機を示すものである。図３において、符号１は、ヘリウム圧縮機を示す。
ヘリウム圧縮機１で１ＭＰａＧ程度に加圧されたヘリウムガスは、高圧系配管１２を通り弁２を経て、熱交換器群５に送られ、ここで約５〜７Ｋ程度に冷却されたのち、ＪＴ（ジュールトムソン）弁８に送られ、ここで０．０１ＭＰａＧ程度に減圧される。

このＪＴ弁８での減圧により、ヘリウムガスの一部は液化して液化ヘリウムとなり、ヘリウム貯槽１１に貯えられる。残部のヘリウムガスおよびヘリウム貯槽１１で気化したヘリウムガスは、低圧系配管１３を通り、ヘリウムガス戻り弁９を経由して前記熱交換器群５を逆行して高圧系配管１２を流れるヘリウムガスを冷却し、自らは常温まで加熱され、弁３を経由してヘリウム圧縮機１に戻り、サイクルを構成する。

また、高圧系配管１２を流れるヘリウムガスの一部は弁７を通り、膨張タービン６、６に送られ、ここで発生した低温ガスは、その後低圧系配管１３に合流して熱交換器群５を介して高圧系配管１２を流れるヘリウムガスを冷却する。
符号１９は、ヘリウムガスを貯えるヘリウムバッファータンクを示し、このヘリウムバッファータンク１９からのヘリウムガスが必要に応じて弁２０、原料ヘリウム供給管２１、ロード弁１５を通り、ヘリウム圧縮機１に送られ、上述のようにして液化に供されるようになっている。

また、純ガスボンベ２４には、高純度ヘリウムガスが充填されており、液化に必要なヘリウムガスが不足した際には、このボンベ２４からヘリウムガスが弁２３、減圧弁２２を経てヘリウムバッファータンク１９に補充されるように構成されている。

さらに、ロード弁１５およびアンロード弁１４は、ヘリウム圧縮機１の吐出圧力を制御し、高圧系配管１２内のヘリウムガスの圧力が過大となると、アンロード弁１４が開となってヘリウムバッファータンク１９にヘリウムガスを逃がし、低圧系配管１３内の圧力が過小になると、ロード弁１５が開となってヘリウムバッファータンク１９からヘリウムガスを供給するようになっている。
バイパス弁１６は、ヘリウム圧縮機１の吸入圧力を制御するもので、低圧系配管１３内の圧力が過小となると、開となって高圧系配管１２からの高圧のヘリウムが低圧系配管１３を経てヘリウム圧縮機１に送られるようになっている。
符号４は、コールドボックスであり、このコールドボックス４内に熱交換器群５、膨張タービン６、６、ＪＴ弁８、ヘリウムガス戻り弁９などが外部から断熱状態で収容されている。

このようなヘリウム液化機では、定常運転状態から停止状態となると、ヘリウム貯槽１１の保護のため、ＪＴ弁８、ヘリウムガス戻り弁９、弁２、弁３、弁２３が閉とされ、高圧系配管１２、低圧系配管１３の一部にヘリウムガスが封じ込められた封止状態となる。
この状態で長時間放置しておくと、外部からの侵入熱により配管内部のガスが膨張して、圧力が上昇する。この圧力が装置の設計圧力よりも高くなると、装置の破損防止のため、安全弁１７、１８が開となって装置内部のヘリウムガスが大気中に放散されるようになっている。

しかしながら、ヘリウムを大気中に放散することは、稀少で高価なヘリウムを無駄にすることになるので、避けることが望ましい。
特開平６−３３７１９１号公報 特開平１０−１６０２６４号公報 特開２００２−３１４７５号公報

よって、本発明における課題は、ヘリウム液化機が運転停止などとなって、内部にヘリウムガスが封入された状態となり、外部からの侵入熱などの原因により装置内部のヘリウムガスの圧力が設計圧力以上となった場合に、ヘリウム液化機内の貴重なヘリウムを外部に逃がすことなく、装置内の圧力を所定の圧力以下に保持できるようにすることにある。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、ヘリウムガスを圧縮するヘリウム圧縮機と、このヘリウム圧縮機で加圧されたヘリウムガスを導く高圧系配管と、この高圧系配管を流れるヘリウムガスを冷却する熱交換器群と、この熱交換器群で冷却されたヘリウムガスを液化するＪＴ弁と、このＪＴ弁で液化された液化ヘリウムを貯留するヘリウム貯槽と、このヘリウム貯槽からの低温のヘリウムガスを前記熱交換器群に導き、さらに前記ヘリウム圧縮機へと送る低圧系配管と、ヘリウムガスを貯めるヘリウムバッファータンクと、このヘリウムバッファータンクからのヘリウムガスを前記ヘリウム圧縮機に送る原料ヘリウム供給管を備えたヘリウム液化機において、
前記高圧系配管または低圧系配管のいずれか一方もしくは両方と前記原料ヘリウム供給管とをつなぐ圧力調整用配管を設け、この圧力調整用配管に一次圧力調整弁を設けたことを特徴とするヘリウム液化機である。

請求項２にかかる発明は、ヘリウムガスを圧縮するヘリウム圧縮機と、このヘリウム圧縮機で加圧されたヘリウムガスを導く高圧系配管と、この高圧系配管を流れるヘリウムガスを冷却する熱交換器群と、この熱交換器群で冷却されたヘリウムガスを液化するＪＴ弁と、このＪＴ弁で液化された液化ヘリウムを貯留するヘリウム貯槽と、このヘリウム貯槽からの低温のヘリウムガスを前記熱交換器群に導き、さらに前記ヘリウム圧縮機へと送る低圧系配管と、ヘリウムガスを貯めるヘリウムバッファータンクと、このヘリウムバッファータンクからのヘリウムガスを前記ヘリウム圧縮機に送る原料ヘリウム供給管を備えたヘリウム液化機において、
前記高圧系配管と前記原料ヘリウム供給管とをつなぐ圧力調整用配管を設け、この圧力調整用配管に一次圧力調整弁を設け、
前記低圧系配管と前記圧力調整用配管とをつなぐ管を設け、この管に前記低圧系配管から前記圧力調整用配管へのガスの流れを許容する逆止弁を設けたことを特徴とするヘリウム液化機である。

請求項３にかかる発明は、前記一次圧力調整弁が自力式一次圧力調整弁であることを特徴とする請求項１または２記載のヘリウム液化機である。

本発明によれば、高圧系配管または低圧系配管のいずれか一方もしくは両方と前記原料ヘリウム供給管とをつなぐ圧力調整用配管を設け、この圧力調整用配管に一次圧力調整弁を設けたので、ヘリウム液化機の配管内の圧力が装置の設計圧力を越える前に、一次圧力調整弁を開くようにすることができ、配管内のヘリウムガスをヘリウムバッファータンク内に逃がすことができる。
このため、貴重なヘリウムガスを無駄にすることなく、装置の破損を防止できる。
さらに、一次圧力調整弁として、自力式のものを用いれば、これの開閉操作に電力等の動力源が不要となって、メンテナンスに有利となる。

図１は、本発明のヘリウム液化機の一例を示すもので、図３に示した従来のヘリウム液化機と同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。
この例のヘリウム液化機にあっては、高圧系配管１２と原料ヘリウム供給管２１との間、および低圧系配管１３と原料ヘリウム供給管２１との間をつなぐ圧力調整用配管２５、２５が設けられており、これら２本の圧力調整用配管２５、２５にそれぞれ高圧系自力式一次圧力調整弁２６、低圧系自力式一次圧力調整弁２７が設けられている点が図３に示した従来のヘリウム液化機と異なるところである。

前記圧力調整用配管２５、２５は、コールドボックス４の外側の高圧系配管１２および低圧系配管１３のそれぞれの安全弁１７、１８の近くに接続されている。
自力式一次圧力調整弁とは、その開閉操作に外部からの動力（電力、加圧空気など）を要しないタイプの圧力調整弁である。

また、高圧系配管１２につながる圧力調整用配管２５に設けられた高圧系自力式一次圧力調整弁２６の設定圧力は、高圧系配管１２に設けられた安全弁１７の設定圧力よりも低くされ、低圧系配管１３につながる圧力調整用配管２５に設けられた低圧系自力式一次圧力調整弁２７の設定圧力は、低圧系配管１３に設けられた安全弁１８の設定圧力よりも低くされている。

また、ヘリウムバッファータンク１９の内容積は、従来のヘリウム液化機でのヘリウムバッファータンクの内容積よりも大きくなっており、高圧系自力式一次圧力調整弁２６、低圧系自力式一次圧力調整弁２７が開となってヘリウムガスがヘリウム原料供給管２１を経てヘリウムバッファータンク１９に流入しても、設計圧力を越えないように構成されている。

このようなヘリウム液化機にあっては、運転停止時などの際に、コールドボックス４内の高圧系配管１２と低圧系配管１３内部に残留するヘリウムガスが封じ込められた状態になって、外部からの侵入熱などによってそのヘリウムガスの圧力が上昇し、設計圧力を越える前に、高圧系自力式一次圧力調整弁２６または低圧系自力式一次圧力調整弁２７、もしくはその両方が開となり、高圧系配管１２または低圧系配管１３もしくはその両方のヘリウムガスが原料ヘリウム供給管２１を通り、ヘリウムバッファータンク１９に流れ、回収される。

このため、高圧系配管１２および低圧系配管１３内の圧力が所定の圧力以下に保持できるので、装置の安全弁１７、１８が作動してヘリウムが無駄に大気中に放散されることもない。
また、自力式一次圧力調整弁を用いているので、電力、加圧空気等の動力源が不要であり、メンテナンスも容易である。
さらに、ＪＴバイパス弁１０を停止時に開くことで、高圧系配管１２と低圧系配管１３とが均圧化するので高圧系自力式一次圧力調整弁２６、低圧系自力式一次圧力調整弁２７のいずれか一方が作用し、昇圧防止策の二重化にもなる。

この図１に示した例では、高圧系配管１２の常用圧力は０．８５８ＭＰａＧで、低圧系配管１３の常用圧力は０．０１２ＭＰａＧとなっている。また、両方の自力式一次圧力調整弁２６、２７の設定圧力は０．９３ＭＰａＧ、安全弁１７、１８の設定圧力は、０．９９ＭＰａＧとされている。

そして、ヘリウム液化機が運転停止などとなって、高圧系配管１２と低圧系配管１３との内部にヘリウムガスが封じ込められ、外部からの侵入熱などの原因によって装置内部のヘリウムガスが昇圧した際にも、自力式一次圧力調整弁２６、２７のいずれか一方もしくは両方が開となり、ヘリウムバッファータンク１９にヘリウムガスが流れてその圧力を０．９３ＭＰａＧ以下に保つことが可能である。したがって、安全弁１７、１８が作動することがない。

図２は、本発明のヘリウム液化機の他の例を示すもので、図１に示した液化機と同一構成部分には同一符号を付してその説明を省略する。
この例のヘリウム液化機では、高圧系配管１２とヘリウム原料供給管２１とをつなぐ圧力調整用配管２５が設けられ、この圧力調整用配管２５に高圧系自力式一次圧力調整弁２６が設けられている。

また、低圧系配管１３と前記圧力調整用配管２５とが高圧系自力式一次圧力調整弁２６の上流側において管２９で接続され、この管２９に逆止弁２８が取り付けられている。この逆止弁２８は、低圧系配管１３内の圧力が高圧系配管１２内の圧力を越えると、低圧系配管１３内のヘリウムガスを圧力調整用配管２５を経て高圧系配管１２に逃がすように作動するもので、そのクラッキング圧が０．００３ＭＰａとされており、高圧系配管１２の圧力と低圧系配管１３の圧力との差圧がこのクラッキング圧以上になると圧力調整用配管２５へ圧力を逃がすようになっている。

また、この図２に示した例でも、図１に示したものと同様の圧力が設定されている場合に、低圧系配管１３内の圧力が高圧系配管１２内の圧力よりも上昇すると、逆止弁２８が作動して、低圧系配管１３内のガスが圧力調整用配管２５を介して高圧系配管１２に流れて圧力を逃がす。
高圧系配管１２内のヘリウムガスの圧力が０．９３ＭＰａＧに上昇すれば、高圧系自力式一次圧力調整弁２６が開となり、ヘリウムバッファータンク１９にヘリウムガスが流れる。なお、逆止弁２８のクラッキング圧が、安全弁１７、１８の設定圧力と自力式一次圧力調整弁２６の設定圧力との差に対して十分小さいため、低圧系配管１３の圧力上昇においても安全弁１７、１８が作動することがない。

このように、前記２つの例では、例えば自力式一次圧力調整弁２６、２７の設定圧力を０．９３ＭＰａＧとすれば、装置内部の圧力は、自律的に０．９９ＭＰａＧ以下に抑えることが可能であり、内部のヘリウムは、高圧ガス保安法で規定される「高圧ガス」に該当せず、許認可の点で有利となる。

本発明のヘリウム液化機の一例を示す概略構成図である。 本発明のヘリウム液化機の他の例を示す概略構成図である。 従来のヘリウム液化機を示す概略構成図である。

符号の説明

１・・ヘリウム圧縮機、５・・熱交換器群、８・・ＪＴ弁、１１・・ヘリウム貯槽、１２・・高圧系配管、１３・・低圧系配管、１９・・ヘリウムバッファータンク、２１・・原料ヘリウム供給管、２５・・圧力調整用配管、２６・・高圧系自力式一次圧力調整弁、２７・・低圧系自力式一次圧力調整弁、２８・・逆止弁、２９・・管

Claims (3)

1. ヘリウムガスを圧縮するヘリウム圧縮機と、このヘリウム圧縮機で加圧されたヘリウムガスを導く高圧系配管と、この高圧系配管を流れるヘリウムガスを冷却する熱交換器群と、この熱交換器群で冷却されたヘリウムガスを液化するＪＴ弁と、このＪＴ弁で液化された液化ヘリウムを貯留するヘリウム貯槽と、このヘリウム貯槽からの低温のヘリウムガスを前記熱交換器群に導き、さらに前記ヘリウム圧縮機へと送る低圧系配管と、ヘリウムガスを貯めるヘリウムバッファータンクと、このヘリウムバッファータンクからのヘリウムガスを前記ヘリウム圧縮機に送る原料ヘリウム供給管を備えたヘリウム液化機において、
   前記高圧系配管または低圧系配管のいずれか一方もしくは両方と前記原料ヘリウム供給管とをつなぐ圧力調整用配管を設け、この圧力調整用配管に一次圧力調整弁を設けたことを特徴とするヘリウム液化機。
2. ヘリウムガスを圧縮するヘリウム圧縮機と、このヘリウム圧縮機で加圧されたヘリウムガスを導く高圧系配管と、この高圧系配管を流れるヘリウムガスを冷却する熱交換器群と、この熱交換器群で冷却されたヘリウムガスを液化するＪＴ弁と、このＪＴ弁で液化された液化ヘリウムを貯留するヘリウム貯槽と、このヘリウム貯槽からの低温のヘリウムガスを前記熱交換器群に導き、さらに前記ヘリウム圧縮機へと送る低圧系配管と、ヘリウムガスを貯めるヘリウムバッファータンクと、このヘリウムバッファータンクからのヘリウムガスを前記ヘリウム圧縮機に送る原料ヘリウム供給管を備えたヘリウム液化機において、
   前記高圧系配管と前記原料ヘリウム供給管とをつなぐ圧力調整用配管を設け、この圧力調整用配管に一次圧力調整弁を設け、
   前記低圧系配管と前記圧力調整用配管とをつなぐ管を設け、この管に前記低圧系配管から前記圧力調整用配管へのガスの流れを許容する逆止弁を設けたことを特徴とするヘリウム液化機。
3. 前記一次圧力調整弁が自力式一次圧力調整弁であることを特徴とする請求項１または２記載のヘリウム液化機。

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