JP3381040B2 - ヘリウム液化装置及びその運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ヘリウム液化装置及び
その運転方法に関し、詳しくは、液体ヘリウムコンテナ
に充填されて搬送されてきた液体ヘリウムを効率よく利
用するためのヘリウム液化装置及びその運転方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】日本に
おけるヘリウムの需要は、年率１０％以上の伸びを見せ
ており、現在では５年前の２倍の消費量となっている。
これは、液体ヘリウム温度に冷却されて機能する超電導
磁石が、核融合，高エネルギー物理，磁気浮上列車，エ
ネルギー蓄積，医療用機器等への応用が進められている
ためと考えられる。また、ヘリウム需要に占める液体ヘ
リウムの比率が年々高まっており、最近では５０％を超
えている。

【０００３】一方、日本では、ヘリウムの全量を海外か
らの輸入に依存しており、液体ヘリウムを液体ヘリウム
コンテナに充填した状態で輸入している。輸出元（販売
元）で大気圧付近でコンテナに充填された液体ヘリウム
は、約２０日間の航海の後に日本に到着するが、コンテ
ナ輸送中にコンテナへのヒートロスによって、コンテナ
内の圧力が約３ａｔｍまで上昇する。日本では、コンテ
ナから小型極低温容器に液体ヘリウムを小分けして客先
に販売しているが、効率よくコンテナ内の液体ヘリウム
を小分けするためには、まず、コンテナ内の圧力を１．
３〜１．５ａｔｍ程度に下げる必要がある。

【０００４】このため、従来は、コンテナの降圧時に放
出される極低温のヘリウムガスを加温器により常温付近
まで加温して高圧容器に充填し、ヘリウムガスとして販
売するとともに、降圧後のコンテナ内の液体ヘリウムを
小型極低温容器に移充填して販売するようにしていた。
このようにして液体ヘリウムを払い出したコンテナは、
海外の販売元に送り返すことになるが、コンテナを有効
に利用するためには、コンテナ内部温度を２０Ｋ以下で
運用することが好ましい。一方、海外の販売元への輸送
中のコンテナ内部温度変化が５Ｋ以下であることが確認
されているから、コンテナ内部温度を１５Ｋまで加温し
てヘリウムガスを回収することが可能である。この温度
上昇によるヘリウムの回収量は、１１０００ガロンコン
テナの場合、液体ヘリウム換算で約４０００リットルで
ある。

【０００５】前記のようにして液体ヘリウムを全て小型
極低温容器に移充填したコンテナ内には、約４．５Ｋの
飽和ヘリウムガスが残存しているため、従来は、液体ヘ
リウムの移充填が完了したコンテナ内に常温のヘリウム
ガスを導入して圧力を３ａｔｍ程度に加圧し、コンテナ
内温度を１５Ｋ程度とした後、コンテナ内のヘリウムガ
スを上記契約残量近くまで導出し、加温器により常温付
近まで加温して高圧容器に充填し、ヘリウムガスとして
販売していた。

【０００６】このような従来の方法において、輸入され
たヘリウムの液体ヘリウムとしての販売比率は、液体ヘ
リウムをコンテナから小型極低温容器に直接充填する場
合、小型極低温容器への移充填の際の液体ヘリウムの移
送ロスを考慮すると、約４０％程度になってしまう。し
たがって、前述のように液体ヘリウムの需要比率は約５
０％であるから、需給にアンバランスを生じることにな
る。また、常温のヘリウムガスを液化して販売すること
も可能ではあるが、液化のためには多大なコストを必要
とする。

【０００７】そこで本発明は、液体ヘリウムを小型極低
温容器に移充填する前のコンテナの降圧時に放出されて
いた極低温ヘリウムガスや、液体ヘリウムの移充填を終
えた後のコンテナ内に残存している極低温ヘリウムガス
の冷熱を有効に利用し、液体ヘリウムの製造コストを低
減することができるヘリウム液化装置及びその運転方法
を提供することを目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明のヘリウム液化装置は、液体ヘリウムを貯
留したコンテナ内の低温ヘリウムガスを導出し、ヘリウ
ム圧縮機，熱交換器，膨張タービン，ＪＴ弁，液体ヘリ
ウム貯槽を備えたヘリウム液化機に導入して液化する装
置であって、前記コンテナ内の低温ヘリウムガスを導出
する導管を複数の分岐管に分岐し、分岐管の一つを膨張
弁を介して前記液体ヘリウム貯槽の入口部に接続し、他
の複数の分岐管を液体ヘリウム貯槽から熱交換器を経て
前記ヘリウム圧縮機に吸入される系統の運転温度の異な
る部分にそれぞれ膨張弁を介して接続するとともに、前
記導管のヘリウムガスの温度に応じて前記各膨張弁を開
閉する制御手段を備えたことを特徴とし、さらに、前記
ヘリウム液化機の高圧側から前記コンテナ内に高圧ヘリ
ウムガスを導入する経路を設けたことを特徴としてい
る。

【０００９】また、上記ヘリウム液化装置に係る本発明
の運転方法は、前記低温ヘリウムガスのヘリウム液化機
導入温度に応じて、前記ヘリウム圧縮機に吸入される系
統に接続した前記複数の分岐管の膨脹弁のいずれかを開
いて、前記低温ヘリウムガスのヘリウム液化機への導入
位置を変更することを特徴とし、さらに、前記低温ヘリ
ウムガスを、前記複数の分岐管のうち、前記ヘリウム圧
縮機に吸入される系統の最も運転温度の低い部分に接続
されている分岐管から前記ヘリウム液化機へ導入した後
に、前記液体ヘリウム貯槽の入口部に接続した分岐管の
膨張弁を開いて前記液体ヘリウム貯槽内に直接膨張させ
ることを特徴とし、また、液体ヘリウムを導出した後の
コンテナ内に、前記高圧ヘリウムガスを導入してコンテ
ナ内を加温し、該コンテナ内に残存する低温ヘリウムガ
スを導出して前記ヘリウム液化機の低圧側に戻して回収
することを特徴としている。

【００１０】

【作 用】上記本発明装置及びその運転方法の第１の構
成によれば、コンテナ内の低温ヘリウムガスをヘリウム
液化機に導入する際に、配管の予冷等で昇温したヘリウ
ムガスを、その温度に応じた位置に導入することができ
るので、ヘリウム液化機の運転状態を乱すことなく、ヘ
リウムガスの冷熱を利用しながら安定した状態でヘリウ
ム液化機を運転することができる。また、本発明の運転
方法の第２の構成によれば、低温ヘリウムガスは、膨張
弁を介して液体ヘリウム貯槽内に直接膨張して一部が液
化するので、動力を要することなく液体ヘリウムが得ら
れる。さらに、本発明装置の第２の構成及び本発明方法
の第３の構成によれば、コンテナ内に残っている極低温
のヘリウムガスの冷熱を利用しながら所定量まで無駄な
く回収することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明を、図１に示す一実施例に基づ
いてさらに詳細に説明する。このヘリウム液化装置は、
ヘリウム圧縮機１１と、６基の熱交換器２１，２２，２
３，２４，２５，２６と、２基の膨張タービン３１，３
２及び該膨張タービン３１，３２での発生寒冷量を調節
するための弁３３と、ＪＴ弁４１と、液体ヘリウム貯槽
５１とにより構成されたヘリウム液化機１に、液体ヘリ
ウムが充填されているコンテナ２を接続したものであ
る。

【００１２】上記ヘリウム液化機１とコンテナ２との間
には、該コンテナ内の低温ヘリウムガスを導出する導管
６１と、該導管６１から分岐する４本の分岐管６２，６
３，６４，６５と、各分岐管に設けられた膨張弁７１，
７２，７３，７４と、該各膨張弁を切換え開閉するため
の制御手段としての温度指示調節計８１及びコンテナ２
内の降圧完了を検出するための圧力計８２とが設けられ
ており、さらに、コンテナ２内を加温するための系統と
して、ヘリウム液化機１の高圧側ライン１２から分岐す
る加温用分岐管６６が設けられるとともに、該加温用分
岐管６６への分岐ガス量を制御するための弁７５が設け
られている。

【００１３】上記ヘリウム液化機１は、ヘリウム圧縮機
１１で数十ｋｇ／ｃｍ² Ｇに昇圧して高圧側ライン１２
に導出した高圧ヘリウムガスを、各熱交換器２１〜２６
で低温戻りガスと熱交換させて冷却し、ＪＴ弁４１で、
例えば１．２ａｔｍまでＪＴ膨張させて液体ヘリウム貯
槽５１内に直接膨張させ、液体ヘリウムを製造するもの
で、液体ヘリウム貯槽５１内のガス相は、戻り管１３に
低温戻りガスとして導出され、各熱交換器２６〜２１で
前記高圧ヘリウムガスと熱交換して昇温した後、ヘリウ
ム圧縮機１１に再び吸入される。また、高圧ヘリウムガ
スの一部は、前記膨張タービン３１，３２に分岐し、該
膨張タービン３１，３２で断熱膨張して寒冷を発生し、
低温戻りガスに合流して高圧ヘリウムガスの冷却源とな
る。なお、このヘリウム圧縮機１１には、図示しない圧
力調整用バッファータンクが設けられており、該タンク
に常温のヘリウムガスを受入れて連続的に液体ヘリウム
を製造する運転を行う。

【００１４】そして、海外から輸入された液体ヘリウム
を充填したコンテナ２が入荷したときに、上記ヘリウム
液化機１にコンテナ２を接続してコンテナ内の圧力を下
げる降圧運転モードとなる。

【００１５】上記降圧運転モードに入り、まず、コンテ
ナ２と運転中のヘリウム液化機１とをヘリウムガス導入
用の導管６１を介して接続し、図示しないヘリウムガス
導入弁を開いてコンテナ２内の低温ヘリウムガスの導入
を開始すると、該導管６１を流れるヘリウムガスの温度
を温度指示調節計８１が検出し、導入開始の常温域から
導管６１が十分に冷却されるまでの温度、例えば８０Ｋ
の温度までは、低温戻りガスの系統の最も高温域に接続
されている分岐管６５の膨張弁７４を開き、前記温度範
囲のヘリウムガスを導入部の圧力に応じて膨張降圧さ
せ、第２の熱交換器２２と第１の熱交換器２１との間に
導入する。

【００１６】次いで、導管６１のヘリウムガスの温度が
８０Ｋ以下になり、例えば３０Ｋになるまでの範囲は、
膨張弁７４を閉じるとともに、第５の熱交換器２５と第
４の熱交換器２４との間に接続された分岐管６４の膨張
弁７３を開き、この間の経路にヘリウムガスを導入す
る。さらに、ヘリウムガスの温度が３０Ｋ以下になり、
例えば６Ｋまでの間は、膨張弁７３を閉じるとともに、
最も低温域にある第６の熱交換器２６の入口部に接続さ
れた分岐管６３の膨張弁７２を開き、この部分に低温ヘ
リウムガスを導入する。そして、コンテナ２から導管６
１を介して導入される低温ヘリウムガスの温度が６Ｋ以
下になったら、膨張弁７２を閉じ、ＪＴ弁４１の二次側
に接続されている分岐管６２の膨張弁７１を開き、該膨
張弁７１で膨張した低温ヘリウムガスを、液体ヘリウム
貯槽５１内に直接膨張させる。これにより、コンテナ２
から導出した低温ヘリウムガスの一部を直接液化して液
体ヘリウム貯槽５１内に貯留することができる。

【００１７】上記直接膨張時に液化しなかった低温ヘリ
ウムガスは、液体ヘリウム貯槽５１内のヘリウムガスと
ともに戻り管１３に導出され、各熱交換器２６〜２１を
経てヘリウム圧縮機１１に吸入される。この低温ヘリウ
ムガスの液体ヘリウム貯槽５１内への直接膨張操作は、
前記圧力計８２が低温ヘリウムガスの圧力、即ちコンテ
ナ２内の圧力が所定圧力、例えば１．３ａｔｍまで降圧
したことを検出するまで行われる。

【００１８】このように、コンテナ２内の低温ヘリウム
ガスを液体ヘリウム貯槽５１内に直接膨張させて導入す
ることにより、コンテナ２内の低温ヘリウムガスが有す
る寒冷を有効に利用することができ、常温のヘリウムガ
スを液化した場合に比べて約３．４倍の液化量が得ら
れ、降圧運転開始から終了までの平均値では約２．２倍
の液化量が得られる。

【００１９】また、降圧運転モードに入る際には、コン
テナ２とヘリウム液化機１とを接続する配管（導管６
１）等が常温であるため、この状態のままコンテナ２内
の低温ヘリウムガスを液体ヘリウム貯槽５１内に導入す
ると、配管部分で常温に昇温したヘリウムガスが液体ヘ
リウム貯槽５１内に導入されることになるので、導入さ
れた常温に近いヘリウムガスにより貯槽５１内の液体ヘ
リウムが急激に蒸発し、この液体ヘリウムの急激な蒸発
により、ヘリウム液化機１の系内に急激な圧力変化が生
じてヘリウム液化機１を正常に運転できなくなる。

【００２０】したがって、コンテナ２からの低温ヘリウ
ムを液体ヘリウム貯槽５１内に導入する前に、コンテナ
２とヘリウム液化機１とを接続する配管の予冷を行う必
要があるが、前述のように、降圧運転モードの初期に、
導入されるヘリウムガスの温度に応じてヘリウム液化機
１への導入位置を変更することにより、ヘリウム液化機
１内の温度バランスを乱すことなく安定した状態で運転
を継続することができ、しかも、コンテナ２内の低温ヘ
リウムガスの冷熱を有効に利用することができる。

【００２１】このようにして降圧操作を終えたコンテナ
２内の液体ヘリウム及び液体ヘリウム貯槽５１内の液体
ヘリウムは、従来と同様にして小型極低温容器に移充填
され、需要者に販売される。

【００２２】なお、上記降圧運転モードの初期における
ヘリウムガスの導入位置は、ヘリウム液化機の構成、各
熱交換器ブロックにおいて許容される温度範囲、流量範
囲等を考慮して適当に設定することが可能であり、分岐
管の本数も任意に設定することができる。また、上記実
施例では、コンテナ内の低温ヘリウムガスをヘリウム液
化機に備えられた液体ヘリウム貯槽に導入したが、ヘリ
ウム液化機を使用せずに、例えば、予冷時のガスは、従
来と同様にヘリウムガスとして高圧容器に充填し、予冷
終了後の低温ヘリウムガスを液体ヘリウム貯槽に直接導
入するようにしてもよい。さらに、第１の熱交換器に液
体窒素気化流路を設けて液体窒素を供給し、液体ヘリウ
ムを増産してもよい。

【００２３】上記降圧操作を行い、従来と同様にしてコ
ンテナ２内の液体ヘリウムを小型極低温容器に移充填し
た後、コンテナ２内には、前述のように約４．５Ｋの飽
和ヘリウムガスが残存しているので、これを契約で許容
されている範囲まで回収して輸入された液体ヘリウムを
最大限利用してコストの低減を図ることが望ましい。そ
こで、本発明では、コンテナ２内に残存するヘリウムガ
スを回収するとともに、該ヘリウムガスの寒冷を利用し
て液体ヘリウムを製造することも行う。

【００２４】コンテナ２内のヘリウムガスの回収は、コ
ンテナ２内に適度な温度のヘリウムガスを導入してコン
テナ２内を加温し、該ヘリウムガスの導入と温度上昇に
よる膨張とによりコンテナ２から低温ヘリウムガスを導
出して、上述のヘリウム液化機１内に導入する加温運転
モードにより行われる。

【００２５】上記加温運転モードに入ると、前記加温用
分岐管６６の弁７５が開き、高圧側ライン１２から、例
えば、温度２５Ｋのヘリウムガス（以下、加温ガスとい
う）が加温用分岐管６６を通ってコンテナ２の下部に導
入される。この加温ガスは、コンテナ２内の低温ヘリウ
ムガスと混合して、最初は約４．５Ｋ程度のガスとなっ
て前記導管６１から導出され、該ガスの温度に見合う位
置の膨張弁、すなわち、最も低温域にある第６の熱交換
器２６の入口部に接続された分岐管６３の膨張弁７２か
ら液化機低圧側の戻り管１３に導入される。これによ
り、該ガスの寒冷が各熱交換器２６〜２１で有効に回収
される。

【００２６】上記加温ガスの導入による加温操作の進行
とともに、導管６１から回収されるヘリウムガスの温度
が徐々に上昇するので、該ヘリウムガスの温度が約１１
Ｋとなったところで戻り管１３への導入位置を分岐管６
４の膨張弁７３からに変更する。そして、回収されるヘ
リウムガスの温度、すなわちコンテナ２内の温度が１５
Ｋになった時点で回収操作を終了する。

【００２７】このようにコンテナ２内の残存ヘリウムガ
スをヘリウム液化機１の低圧側に回収することにより、
加温運転モード開始時には、約３．４倍の液化量が得ら
れ、平均値では約２倍の液化量が得られる。

【００２８】なお、上記加温運転モード開始時の予冷段
階における操作は、前述の降圧運転モードと同じ手順で
膨張弁７２が開となるまで行われ、その後上記した加温
運転モードが開始される。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
コンテナ内の液体ヘリウムを小型極低温容器に移充填す
る前のコンテナの降圧時に放出される極低温ヘリウムガ
スや、液体ヘリウムの移充填を終えた後のコンテナ内に
残存している極低温ヘリウムガスの冷熱を有効に無駄な
く利用することができ、需要が多く、付加価値の高い液
体ヘリウムを効率よく生産することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例を示す系統図である。

【符号の説明】 １…ヘリウム液化機、２…コンテナ、１１…ヘリウム圧
縮機、２１，２２，２３，２４，２５，２６…熱交換
器、３１，３２…膨張タービン、４１…ＪＴ弁、５１…
液体ヘリウム貯槽、６１…導管、６２，６３，６４，６
５…分岐管、６６…加温用分岐管、７１，７２，７３，
７４…膨張弁、８１…温度指示調節計、８２…圧力計

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体ヘリウムを貯留したコンテナ内の低
   温ヘリウムガスを導出し、ヘリウム圧縮機，熱交換器，
   膨張タービン，ＪＴ弁，液体ヘリウム貯槽を備えたヘリ
   ウム液化機に導入して液化する装置であって、前記コン
   テナ内の低温ヘリウムガスを導出する導管を複数の分岐
   管に分岐し、分岐管の一つを膨張弁を介して前記液体ヘ
   リウム貯槽の入口部に接続し、他の複数の分岐管を液体
   ヘリウム貯槽から熱交換器を経て前記ヘリウム圧縮機に
   吸入される系統の運転温度の異なる部分にそれぞれ膨張
   弁を介して接続するとともに、前記導管のヘリウムガス
   の温度に応じて前記各膨張弁を開閉する制御手段を備え
   たことを特徴とするヘリウム液化装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載のヘリウム液化装置におい
   て、前記ヘリウム液化機の高圧側から前記コンテナ内に
   高圧ヘリウムガスを導入する経路を設けたことを特徴と
   するヘリウム液化装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のヘリウム液化装置の運
   転方法において、前記低温ヘリウムガスのヘリウム液化
   機導入温度に応じて、前記ヘリウム圧縮機に吸入される
   系統に接続した前記複数の分岐管の膨脹弁のいずれかを
   開いて、前記低温ヘリウムガスのヘリウム液化機への導
   入位置を変更することを特徴とするヘリウム液化装置の
   運転方法。
4. 【請求項４】 前記低温ヘリウムガスを、前記複数の分
   岐管のうち、前記ヘリウム圧縮機に吸入される系統の最
   も運転温度の低い部分に接続されている分岐管から前記
   ヘリウム液化機へ導入した後に、前記液体ヘリウム貯槽
   の入口部に接続した分岐管の膨張弁を開いて前記液体ヘ
   リウム貯槽内に直接膨張させることを特徴とする請求項
   ３に記載のヘリウム液化装置の運転方法。
5. 【請求項５】 請求項２記載のヘリウム液化装置におい
   て、液体ヘリウムを導出した後のコンテナ内に、前記高
   圧ヘリウムガスを導入してコンテナ内を加温し、該コン
   テナ内に残存する低温ヘリウムガスを導出して前記ヘリ
   ウム液化機の低圧側に戻して回収することを特徴とする
   ヘリウム液化装置の運転方法。