JP5863588B2 - ヘリウムガスの回収方法 - Google Patents

Description

本発明は、ヘリウムガスの回収方法に関するものであって、特にコールドスプレー法により基材に皮膜を形成した際に用いたヘリウムガスを回収する方法に関する。

コールドスプレー法は新しい表面処理方法の一つであり、皮膜材料の融点又は軟化温度よりも低い温度に加熱した作動ガスを超音速まで加速し、その加速した作動ガスにより粉末材料を固相状態のまま高速で基材に衝突させ、皮膜を成膜する技術である（例えば非特許文献１参照）。この技術は粉末材料を溶融させないため、酸化の影響を受けないのが特徴である。

一般に、コールドスプレー法による表面処理の作動ガスとしては、窒素ガス及びヘリウムガスを使用する。ヘリウムガスを使用した場合、窒素ガス使用時よりも粒子速度が速くなるため、成膜性が向上し、窒素ガスでは成膜できない粉末材料でも成膜できる。
しかしながら、ヘリウムガスは窒素ガスに比べて高価であるため、作動ガスの使用量が多いコールドスプレー法による表面処理では、ヘリウムガスの使用は敬遠されている。

特許文献１には、無粒子ガスを形成するため、室から粒子除去装置へとガスを導入し、かつ、無粒子ガスの第１部分を室へと再循環させる第１工程と、精製ガス及び排気ガスを形成するため、無粒子ガスの第２部分を、選択的ガス精製膜へ通す前に第１圧縮機に通し、かつ、精製ガスを無粒子ガスの第１部分と混合させて室へと通す第２工程と、無液体ガスを形成するため、無粒子ガスの第３部分を液体分離装置及び受容部へと通し、かつ、無液体ガスを前記室へと再循環させる第３工程と、を含むヘリウムガス回収方法が開示されている。

また、特許文献１では、圧力変動吸着（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ：ＰＳＡ）法を用いて、ヘリウムと、窒素、酸素、水、一酸化炭素、二酸化炭素、水素及び軽い炭化水素等を含む排気ガスから、窒素、酸素、水、一酸化炭素、二酸化炭素、水素及び軽い炭化水素を除去することで、高純度のヘリウムガスを回収することが開示されている。

特表２００４−５２６０５２号公報

榊和彦、「新しい溶射法コールドスプレーの現状と課題」、表面技術、社団法人表面技術協会、平成２０年８月、第５９巻、第８号、ｐ．４９０−４９４

しかしながら特許文献１は、酸素、窒素、水、二酸化炭素及び微粒子といった汚染物をヘリウムから除去することを目的としており、このように除去対象成分が複数ある場合は、除去対象成分に応じて複数の除去装置（微粒子除去装置、酸化銅を反応材とするゲッター精製器、前述のＰＳＡ装置、膜等）を設けるために大掛かりなシステムを組むことなる。またＰＳＡ装置を使用した場合は除去対象成分が多いと吸着塔の大きさを大きくする、あるいは吸着塔を数多く設けることになるなど、皮膜形成装置のヘリウムガス回収システムが大型化してしまうという問題があった。

そこで本発明は、コールドスプレー法による皮膜処理に使用したヘリウムガスの回収システムの小型化を図ることが可能なヘリウムガスの回収方法を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明では、気密にされたブース内で、コールドスプレー法により基材への皮膜を形成する際に使用するヘリウムガスの回収方法であって、前記気密にされたブース内を窒素ガスで置換する工程と、置換後に、前記基材に皮膜を形成する工程と、当該ブース内のヘリウムガスと窒素ガスを含む混合ガスを取り出して、ブース外に設けられた混合ガス回収容器に収容する工程と、当該混合ガス回収容器に収容した混合ガスから窒素を分離し、ヘリウムガスを主成分とするガスに精製する工程と、を有することを特徴とするヘリウムガスの回収方法が提供される。

また、請求項２に係る発明では、ブース内を窒素ガスで置換した後、次いでヘリウムガスで置換して前記基材に皮膜を形成することを特徴とする請求項１記載のヘリウムガスの回収方法が提供される。

また、請求項３に係る発明では、前記混合ガス回収容器内の窒素ガス濃度が１０％以下となるように分離・精製工程実施時の前記混合ガスの供給を調整することを特徴とする請求項１または請求項２記載のヘリウムガスの回収方法が提供される。

また、請求項４に係る発明では、前記混合ガスから窒素を分離し精製したヘリウムを主成分とするガスを昇圧した後、ヘリウム回収容器に貯蔵する工程を有する請求項１乃至３のいずれか１項記載のヘリウムガスの回収方法が提供される。

また、請求項５に係る発明では、前記基材に皮膜を形成する際に発生するダストを除去した後、前記ブース内の前記混合ガスを前記混合ガス回収容器に取り出すことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のヘリウムガスの回収方法が提供される。

また、請求項６に係る発明では、前記ブースの頂部から前記混合ガスを取り出すことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヘリウムガスの回収方法が提供される。

また、請求項７に係る発明では、前記皮膜の形成中及び形成後のいずれか、もしくは両方において、前記ブース内の前記混合ガスを前記混合ガス回収容器に取り出すことを特徴とする請求項１または請求項２記載のヘリウムガスの回収方法が提供される。

本発明によれば、コールドスプレー法による皮膜処理に使用したヘリウムガスを回収する際に、皮膜処理空間を気密なブースで区画化し、ブース内の雰囲気を窒素で置換してから皮膜処理を行う。これにより、皮膜形成中及び皮膜形成後のブース内の雰囲気をヘリウムと窒素との混合ガス、言い換えれば酸素、一酸化炭素、二酸化炭素等の不純物ガスの割合が少ない混合ガスにすることが可能となる。そのために、窒素以外の不純物成分を除去するための装置を不要とすることが可能になるので、コールドスプレーに再利用するためのヘリウム回収システムを小型化することが可能となる。
また、窒素と比較してヘリウムガスは比重が軽いため、ブースの頂部から該混合ガスを回収することで、ヘリウムの割合の高い混合ガスを回収することが可能となる。
このため、回収した該混合ガスから窒素を除去することで、純度の高いヘリウムガスを回収（取得）することができる。

本発明の一実施形態に用いるヘリウム回収システムの概略構成図である。 本発明の一実施形態に用いるヘリウム回収システムの一部の概略構成図である。

図１は、本発明の一実施形態であるヘリウムガスの回収方法に用いるヘリウム回収システムの概略構成図である。
図１を参照するに、本実施形態に用いるヘリウム回収システム１０は、コールドスプレー装置本体２０と、皮膜形成・ヘリウム回収用ブース（ブース、以下の説明においても単に「ブース」と記載する）３１と、ヘリウム精製装置５０と、ヘリウム貯蔵部８０と、を備えて、概略構成されている。

コールドスプレー装置本体２０は、ヘリウム供給源２１と、導管２５と、ガスコントロール部２２と、コールドスプレーガン２３と、導管２６と、を有する。

ヘリウム供給源２１には、圧縮されたヘリウムガスが収容されている。ヘリウム供給源２１には、例えばヘリウムガスボンベ等が用いられる。

ヘリウム供給源２１は、導管２５を介して、ガスコントロール部２２と接続されている。導管２５には、図示略の圧力調整機構が備えられている場合がある。これにより、好適な条件に合わせて圧力調整されたヘリウムガスが、ヘリウム供給源２１からガスコントロール部２２に供給される。

ガスコントロール部２２は、ヘリウム供給源２１からのヘリウムガスを所定圧力、所定流量に制御するためのものである。

コールドスプレーガン２３は、導管２６を介して、ガスコントロール部２２と接続されている。コールドスプレーガン２３は、ガスコントロール部２２に連結して設けられてもよい。
コールドスプレーガン２３は、加熱されたヘリウムガス（所定温度に加熱する機構(図示略)）と、図示しない原料粉末供給部から供給される原料粉末と、を所定時間以上接触させる構造を有する。

コールドスプレーガン２３の先端には、ノズル２３Ａが設けられている。ノズル２３Ａに供給されたヘリウムガスは、ノズル２３Ａの先端２３ａから噴出され、断熱膨張により速度上昇し、最終的に超音流速とされる。原料粉末は、超音流速とされたヘリウムガスにより、固相状態のままノズル２３Ａから噴出される。

少なくともコールドスプレーガン２３のノズル２３Ａは、ブース３１内に収容されている。なお、図１に示すように、ノズル２３Ａ以外のコールドスプレー装置本体２０の構成要素は、ブース３１内に収容されてもよく、ブース３１外に設置されてもよい。

ブース３１は、本実施形態のヘリウム回収システム１０における皮膜形成・ヘリウム回収部３０として機能するものであり、窒素供給部３２と、集塵ラインＬ２と、集塵機３４と、冷却機３６と、回収ラインＬ１と、を有する。回収ラインＬ１には、第１ポンプ４０と、混合ガス回収容器４５が接続されている。また、ブース３１内には皮膜Ｃを形成する基材Ｐが設置される。

基材Ｐは、図１に示すように、コールドスプレー装置本体２０のノズル２３Ａから原料粉末が噴出される方向前方のブース３１内に設置されている。また、基材Ｐは、原料粉末の噴出方向に対して垂直になるように配置されている。
基材Ｐとノズル２３Ａの先端２３ａとの距離は、先端２３ａから噴出された原料粉末によって基材Ｐに皮膜Ｃが形成されるための最適条件を勘案して設定される。したがって、ノズル２３Ａの先端２３ａから噴出された原料粉末により、基材Ｐに皮膜Ｃが形成される。このとき、ヘリウムガスを主体とし、かつ窒素を含む混合ガスが発生する。

ブース３１は、上部３１Ａと下部３１Ｂによって構成される。また、ブース３１は、気密されている。
ブース３１内の空間３８は、コールドスプレー処理領域３８Ａと、ガス回収領域３８Ｂと、を有する。

コールドスプレー処理領域３８Ａには、ノズル２３Ａの先端２３ａと、基材Ｐが前述の最適条件を満たすように配置されている。基材Ｐに皮膜Ｃが形成される際には、ヘリウムと窒素との混合ガス（以降、単に「混合ガス」と記載する）がコールドスプレー処理領域３８Ａ内に発生する。
ガス回収領域３８Ｂには、混合ガスが貯留される。

ブース３１の上部３１Ａは、底面３１ｂから頂部３１ａに向かうにつれて、幅が狭くなるような形状とされている。ブース３１の上部３１Ａの具体的な形状としては、例えば三角錘、四角錘、もしくは円錐が挙げられるが、これらの形状に限定されない。

ヘリウムガスは窒素と比較して比重が軽いため、ヘリウムの割合の高い混合ガスは、コールドスプレー処理領域３８Ａからガス回収領域３８Ｂに流動する。底面３１ｂから頂部３１ａに向かうにつれて、幅が狭くなるような形状を有する上部３１Ａの内壁がガイドになることにより、ガス回収領域３８Ｂのヘリウムの割合の高い混合ガスは、頂部３１ａに集められる。このため、空間３８内に残存する混合ガスのうち、ヘリウム濃度の高い混合ガスを頂部３１ａに集めることできる。

ブース３１の頂部３１ａは、回収ラインＬ１に接続されている。このため、頂部３１ａに集められたヘリウム濃度が高い混合ガスが、効率よく回収ラインＬ１に回収される。結果として、使用したヘリウムガス量に対する精製後のヘリウムガス量（ヘリウムガス回収率）は８５％以上になる。

なお、ブース３１の大きさは、３０ｍ^３以下にするとよい。ブース３１の大きさが３０ｍ^３よりも大きいと、ヘリウム回収容器７５内の窒素濃度が上昇し、ヘリウムガス回収率が低下してしまうため、好ましくない。

窒素供給部３２は、空間３８内を窒素ガスに置換させる。窒素供給部３２としては、ブース３１内に図示略の窒素供給源と接続された窒素ガス供給管３２ａ，３２ｂが設けられている。
窒素ガス供給管３２ａ，３２ｂは、一端がブース３１の下部３１Ｂに貫設されるとともに、他端がコールドスプレー処理領域３８Ａに位置するように、コールドスプレー処理領域３８Ａに突出して設けられている。窒素ガス供給管３２ａ，３２ｂの一端は、図示しない窒素供給装置に接続されている。窒素供給装置から窒素ガス供給管３２ａ，３２ｂを介してブース３１内に供給される窒素ガスにより、ブース３１内に存在する大気が窒素に置換される。このように、ブース３１の下部３１Ｂから窒素を導入することにより、ヘリウムの割合の高い混合ガスを頂部３１ａに集めることができる。

また、窒素ガス供給管３２ａ，３２ｂは、窒素ガスをブース３１の底面３１ｂに向けて供給可能な状態で曲がっていることが好ましい。また、窒素ガス供給管３２ａ，３２ｂの他端とブース３１の底面３１ｂとの距離は、３００ｍｍ以下であることが好ましく、１００ｍｍ以下であることがより好ましい。これにより、ヘリウムの割合の高い混合ガスを確実に頂部３１ａに集めることができる。

窒素供給部３２の窒素ガス供給管は、下部３１Ｂのみに限らず、上部３１Ａに設けてもよい。この場合、窒素ガス供給管はガス回収領域３８Ｂに突出して設けられてもよく、突出せずに配管の他端がブース３１の上部３１Ａと同一面になるように設けられてもよい。上部３１Ａに窒素ガス供給管を設けることにより、空間３８内を窒素ガスに置換させることができる。

集塵ラインＬ２は、一端Ｌ２ａがブース３１の下部３１Ｂに接続され、他端Ｌ２ｂが上部３１Ａに接続されている。
皮膜形成後にコールドスプレー処理領域３８Ａに残存する混合ガスは、集塵ラインＬ２の一端Ｌ２ａから集塵ラインＬ２に導入される。混合ガスには、基材Ｐに皮膜Ｃを形成した際に発生するダストが含まれる。

集塵機３４は、集塵ラインＬ２に設けられている。また、集塵機３４は、例えば１μｍ以上のダストを除去可能な機能を有する。
集塵ラインＬ２に導かれた混合ガスに含まれるダストは、集塵機３４で回収される。これにより、ダストを除去した混合ガスのみを、集塵ラインＬ２の他端Ｌ２ｂからガス回収領域３８Ｂに戻すことができる。集塵機３４の流量は、例えば１０Ｎｍ^３／分とされる。
また、集塵機３４を設けることで、ブース３１から混合ガスを回収する前に混合ガス中のダストを除去することができる。

冷却機３６は、集塵機３４の下流側に位置する集塵ラインＬ２に設けられている。集塵機３４から供給された混合ガスは、冷却機３６によって冷却される。冷却された混合ガスは、集塵ラインＬ２の下流側に導かれ、集塵ラインＬ２の他端Ｌ２ｂからガス回収領域３８Ｂに導入される。これにより、空間３８の温度は適切な温度に保たれる。ここでの、「適切な温度」とは、例えば４５℃以下の場合のことをいう。空間３８の温度が、４５℃より高いと、空間３８内に設置された基材Ｐを稼動させるロボットが故障してしまうため、好ましくない。

回収ラインＬ１は、一端Ｌ１ａがブース３１の頂部３１ａに接続され、他端Ｌ１ｂがヘリウム貯蔵部８０のヘリウム回収容器７５に接続されている。前述のように、一端Ｌ１ａを頂部３１ａに接続することで、ヘリウムの割合の高い混合ガス（窒素濃度の低い混合ガス）を回収ラインＬ１に回収（取得）することができる。
回収ラインＬ１には、混合ガスおよび精製されたヘリウムガスの圧力等に耐え得る配管を用いる。

第１ポンプ４０は、混合ガス回収容器４５より上流側に位置する回収ラインＬ１に設けられている。また、第１ポンプ４０は、回収ラインＬ１から回収された混合ガスを昇圧する。第１ポンプ４０の圧力は、第１ポンプ４０の下流に設置されているヘリウム精製装置５０の性能等を勘案して設定される。

第１ポンプ４０の圧力は、例えば、後に説明する混合ガス回収容器４５内の圧力が０．３ＭＰａ〜０．９ＭＰａになるように設定される。混合ガス回収容器４５内の圧力が０．３ＭＰａよりも低いと、ヘリウム精製装置５０の能力が低下する問題がある。また、混合ガス回収容器４５内の圧力が０．９ＭＰａよりも高いと、高圧ガス保安法により、専用の設備が必要となり、ヘリウム回収システム１０が大型化してしまうため、好ましくない。

混合ガス回収容器４５は、第１ポンプ４０とヘリウム精製装置５０との間に位置する回収ラインＬ１に設けられている。また、混合ガス回収容器４５は、第１ポンプ４０により昇圧された混合ガスを一旦収容する。例えば、１日の皮膜処理作業で発生した混合ガスを混合ガス回収容器４５に一旦収容することにより、例えば夜間等の皮膜処理作業を行っていない時間にヘリウム精製装置５０で窒素を除去することができる。そのため、ヘリウム精製装置５０の小型化を図ることができる。

混合ガス回収容器４５には、図示略のヘリウム、酸素、濃度がわかる濃度計が設置されている。この濃度計により、混合ガス回収容器４５内の窒素濃度が１０％を超えているときは、後段のヘリウム精製装置５０に混合ガスが供給されないように、混合ガス回収容器４５での混合ガスの供給が図示しない制御機構によりコントロールされている。
なお、混合ガス回収容器４５内の窒素濃度が１０％超えているときは、後段のヘリウム精製装置５０にて精製されたヘリウムの一部を混合ガス回収容器４５内に供給し、窒素濃度が１０％以下になるようなシステムとすることも可能である。

混合ガス回収容器４５には、例えば一般に使用されるガスバックより、やや耐圧性が高い（例えば、０．９８ＭＰａ以上の）耐圧容器を用いる。このように、混合ガス回収容器４５として０．９８ＭＰａ以上の耐圧容器を使用することにより、ガスバックを使用する場合と比較して、混合ガス回収容器４５の小型化を図ることができる。

ヘリウム精製装置５０は、混合ガス回収容器４５の下流側に位置する回収ラインＬ１に設けられている。また、ヘリウム精製装置５０は、ＰＳＡ法等により、混合ガスから窒素を除去する。ヘリウム精製装置５０には、窒素除去機能を有する装置（例えば、特許３３８５０５３号公報に示す希ガスの高収率回収精製装置）を用いることができる。
なお、ヘリウム精製装置５０は、圧力変動吸着装置に限らず、深冷分離法、あるいは膜分離法等の各種分離法を用いる装置で構成してもよい。

図２は、ヘリウム精製装置５０の一例を示す概略構成図である。
ヘリウム精製装置５０は、２つの吸着塔５３Ｘ，５３Ｙと、バッファタンク５５と、第３ポンプ５２と、減圧弁６２ａと、開閉弁６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅ，６２ｆ，６２ｇ，６２ｈ，６２ｉ，６２ｊ，６２ｋ，６２ｌ，６２ｍ，６２ｎと、酸素除去装置６８と、を有する。これらの各構成要素間は、導管６１により接続されている。

減圧弁６２ａは、混合ガス回収容器４５から導かれた混合ガスを０．２ＭＰａ以下に減圧し、導管６１に輸送する。

吸着塔５３Ｘ，５３Ｙには、活性炭またはゼオライト等の吸着剤が充填されている。吸着材として、好ましくは窒素除去能力が高いＬｉＸ型ゼオライト、ＣａＸ型ゼオライト、ＣａＡ型ゼオライトを用いる。特に好ましくは窒素除去能力に優れるＬｉＸ型ゼオライトが用いられる。

減圧弁６２ａで減圧された混合ガスは、２つの吸着塔５３Ｘ，５３Ｙのうち、いずれかの吸着塔（例えば、吸着塔５３Ｘ）に導入される。

いずれの吸着塔５３Ｘ，５３Ｙにおいても、ヘリウム以外の不純物を有する混合ガスが塔内に導入されると、不純物が吸着剤に吸着する。したがって、吸着されないヘリウムを吸着塔外に取り出すことにより、ヘリウムガスが精製される。
本発明のヘリウムガスの回収方法では、回収ラインＬ１に回収した混合ガスのうち、ヘリウム以外は殆ど窒素であるため、窒素以外の不純物を除去するための吸着塔は不要になり、ヘリウム精製装置５０における吸着塔の容積の大型化が回避される。

また、一方の吸着塔５３Ｘの吸着容量を越えて未吸着の窒素成分が溶出されてしまう直前に、他方の吸着塔５３Ｙへ混合ガスの供給を切り替える。このとき、窒素成分が吸着剤に吸着して飽和状態になった吸着塔５３Ｘでは、窒素を含む不純物が除去される。これにより、吸着塔５３Ｘ内の窒素が脱離され、吸着剤が再生する。
このように、２つの吸着塔５３Ｘ，５３Ｙが交互に用いられることにより、混合ガス中の窒素が除去され、高純度のヘリウムガスが精製される。

バッファタンク５５は、吸着塔５３Ｘ，５３Ｙから得られる精製ヘリウムガスの脈動を抑える。
ヘリウム精製装置５０には、図示略の制御部が設けられる場合がある。制御部は、図示しない圧力計測器や流量計等の情報を受けてヘリウム精製装置５０全体の稼動と、減圧弁６２ａ、開閉弁６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅ，６２ｆ，６２ｇ，６２ｈ，６２ｉ，６２ｊ，６２ｌ，６２ｍ，６２ｎの開閉操作と、周辺機器類の制御を行う。

第３ポンプ５２は、２つの吸着塔５３Ｘ，５３Ｙの不純物として導かれた窒素ガスを昇圧し、排気する。

このように、ヘリウム精製装置５０において、連続的に窒素除去がなされることにより、高純度のヘリウムガスが精製される。このヘリウムガスには、微量な酸素ガスが含まれることがある。精製されたヘリウムガスは、導管６１を介して、開閉弁６２ｎの下流側に輸送される。

酸素除去装置６８は、ヘリウム精製装置５０内の下流側に位置する導管６１に接続されている。また、酸素除去装置６８は、酸素濃度計５４と、酸素除去塔７２と、熱交換器５７ａ，冷却器５７ｂと、開閉弁７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅと、を有する。

酸素濃度計５４は、ヘリウム精製装置５０の上流側で精製された後のヘリウムガス中の酸素濃度を測定する。酸素濃度計５４としては、例えばジルコニア式酸素濃度計、磁気式酸素濃度計、ガルバニックセル式酸素濃度計や、熱伝導式ヘリウム濃度計等が用いられる。

酸素濃度計５４で測定されたヘリウムガス中の酸素濃度は、例えば図示略の制御部に入力される。制御部は、酸素濃度計５４で測定されたヘリウムガス中の酸素濃度が０．１％以上になった時のみ、開閉弁７４ａを開けるとともに開閉弁７４ｂを閉じて、ヘリウムガスを次に説明する酸素除去塔７２に輸送する。酸素濃度計５４で測定されたヘリウムガス中の酸素濃度が０．１％より低い場合は、開閉弁７４ａを閉じるとともに開閉弁７４ｂを開けて、ヘリウム精製装置５０で精製されたヘリウムガスを酸素除去装置６８の下流側の回収ラインＬ１に輸送する。

酸素除去塔７２は、酸素濃度計５４の下流側の酸素除去装置６８内に設けられている。また、酸素除去塔７２は、ヘリウム精製装置５０で精製されたヘリウムガスの酸素濃度が０．１％以上になった時に、次に説明するように稼動し、窒素が除去されたヘリウムガスに含まれる酸素ガスを除去する。

図２に示すように、酸素除去塔７２には、開閉弁７４ｃ，７４ｄ，７４ｅと熱交換器５７ａ，冷却器５７ｂにより流量制御された水素が供給される。
また、酸素除去塔７２には、酸素除去触媒が充填されている。酸素除去触媒としては、例えばＰｄ触媒、Ｐｔ触媒が用いられる。酸素濃度が０．１％より高い場合は、酸素が反応できる最少量の水素が７４ｂ、７４ｅを介して酸素除去塔７２に供給される。これにより、酸素除去触媒の充填された酸素除去塔７２で反応が起こり、酸素が水分に転換される。変換された水分は第２ポンプ７０で昇圧されてから冷却されることにより、ドレイン水となって除去される。
酸素が除去された高純度のヘリウムガスは、導管６１及び回収ラインＬ１を介して、ヘリウム貯蔵部８０の第２ポンプ７０に輸送される。

なお、酸素除去装置６８は、混合ガス回収容器４５とヘリウム精製装置５０の減圧弁６２ａとの間の回収ラインＬ１に設けてもよい。即ち、酸素除去装置６８で酸素を除去する工程は、ヘリウム精製装置５０で混合ガスの窒素を除去する工程の前に行ってもよい。

ヘリウム貯蔵部８０は、ヘリウム精製装置５０の下流側の回収ラインＬ１に設けられている。また、ヘリウム貯蔵部８０は、第２ポンプ７０と、一以上のヘリウム回収容器７５と、を有する。

第２ポンプ７０は、ヘリウム精製装置５０とヘリウム回収容器７５との間に位置する回収ラインＬ１に設けられている。また、第２ポンプ７０は、輸送されたヘリウムガス（窒素と酸素が除去されたヘリウムを主体とするガス）を昇圧する。これにより、ヘリウム回収容器７５の小型化を図ることができる。

第２ポンプ７０の圧力は、後に説明するヘリウム回収容器７５の耐性等を勘案して設定される。例えば、ヘリウム回収容器７５として、一般的な２０ＭＰａ充填容器が用いられる場合、第２ポンプ７０の圧力は、ヘリウム回収容器７５内の圧力が１ＭＰａ〜２０ＭＰａになるように設定される。ヘリウム回収容器７５内の圧力が１ＭＰａより低いと、コールドスプレー装置本体２０を作動できない問題がある。また、ヘリウム回収容器７５内の圧力が２０ＭＰａより高いと、高耐圧のヘリウム回収容器が必要になり、ヘリウム回収システム１０のコスト増大を招いてしまうため、好ましくない。

ヘリウム回収容器７５は、第２ポンプ７０の下流側に設けられ、回収ラインＬ１の他端Ｌ１ｂに接続されている。また、ヘリウム回収容器７５は、窒素及び酸素が除去された高純度のヘリウムガス（窒素濃度１％以下、かつ酸素濃度０．１％以下）を収容する。
例えば図１では、４つの容器７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄが並列に接続されているヘリウム回収容器７５を示しているが、この形態に限定されず、ヘリウム回収容器７５は単数あるいは複数の容器から構成される。

ヘリウム回収容器７５に収容されるヘリウムガスは、第２ポンプ７０により昇圧されるため、高圧タイプや低圧タイプのコールドスプレー装置に使用することができる。ここでの、「高圧タイプ」のコールドスプレー装置とは、作動に必要な圧力が１ＭＰａ〜５ＭＰａの場合のことをいう。また、「低圧タイプ」のコールドスプレー装置とは、作動に必要な圧力が１ＭＰａ以下の場合のことをいう。
なお、ヘリウム回収容器７５に貯蔵されたヘリウムガスは、必ずしもコールドスプレー装置本体２０に使用されなくてもよく、他の用途に使用してもよい。

なお、空間３８をコールドスプレー処理領域３８Ａとガス回収領域３８Ｂとの上下２つに分離するように、図示しないフィルタを設けてもよい。このようなフィルタには、低圧損型フィルタが適している。
このようにフィルタが設置されることにより、コールドスプレー処理領域３８Ａに散在する原料粉末のガス回収領域３８Ｂへの移動が阻止される。また、フィルタの設置により、コールドスプレー処理領域３８Ａから導入され、集塵ラインＬ２を通ってガス回収領域３８Ｂに輸送された混合ガスが、フィルタを通ってコールドスプレー処理領域３８Ａに戻るため、ブース３１内の混合ガスの流れが円滑になる。

次いで、図１及び図２を参照して、本実施形態に係るヘリウムガスの回収方法について皮膜形成方法と併せて説明する。

始めに、図１に示すように、ブース３１内のコールドスプレー処理領域３８Ａに基材Ｐを設置する。
次に、窒素供給部３２の窒素ガス供給管３２ａ，３２ｂにより窒素を供給することで、ブース３１内（具体的には、空間３８に存在する大気）を窒素で置換する。
続いて、コールドスプレー装置本体２０を作動させ、基材Ｐに超音流速とされたヘリウムガスにより、コールドスプレーガン２３のノズル２３Ａの先端２３ａから原料粉末を固相状態のまま噴出させる。噴出させた原料粉末により、基材Ｐに皮膜Ｃを形成する。

このとき、コールドスプレー処理領域３８Ａには、ヘリウムガスを主体とし、窒素を含む混合ガスが発生する。また、混合ガスには皮膜Ｃを形成する際に発生したダストも含まれる。そのため、ブース３１の頂部３１ａから混合ガスを回収する前に、コールドスプレー処理領域３８Ａから混合ガスを集塵ラインＬ２に導入し、集塵機３４で混合ガス中のダストを回収する。さらに、ダストを除去した混合ガスを冷却機３６で冷却し、ブース３１内のガス回収領域３８Ｂに戻す。このとき、集塵機３４の流量は、例えば１０Ｎｍ^３／分とする。

窒素と比較してヘリウムガスは比重が軽いため、ヘリウムと窒素の混合ガスは、ガス回収領域３８Ｂに流動する。ガス回収領域３８Ｂの混合ガスは、ブース３１の上部３１Ａにより、頂部３１ａに導かれる。
皮膜形成中及び皮膜形成後、第１ポンプ４０により、頂部３１ａからガス回収領域３８Ｂに集まった混合ガスを回収ラインＬ１内に回収する。このとき、第１ポンプ４０の流量は、コールドスプレーノズルから噴射されるガスと同じ流量にすることが好ましく、例えば３Ｎｍ^３／分とする。

次に、回収した混合ガスを第１ポンプ４０で昇圧し、一旦、混合ガス回収容器４５に貯蔵する。例えば、１日の皮膜処理作業で発生した混合ガスを貯蔵後、夜間等の作業を行わない時間にヘリウム精製装置５０に供給することもできる。但し、皮膜処理作業中でも、ヘリウムガスの精製は可能である。このとき、混合ガス回収容器４５内の圧力は、例えば０．３ＭＰａ〜０．９ＭＰａとなるようにする。混合ガス回収容器４５内の圧力が０．３ＭＰａより低いと、ヘリウム精製装置５０の能力が低下して混合ガス回収容器４５が大型化するため、好ましくない。また、混合ガス回収容器４５内の圧力が０．９ＭＰａより大きいと、高圧ガス保安法の関係上、皮膜形成装置を備えたヘリウム回収システム１０が大型化してしまうため、好ましくない。

次に、混合ガス回収容器４５に収容された混合ガスをヘリウム精製装置５０に送給する。このとき、混合ガス回収容器４５内の窒素ガス濃度が１０％以下となるように、後段のヘリウム精製装置５０への混合ガスの供給をコントロールすることが好ましい。なお、混合ガス回収容器４５内の窒素濃度が１０％超えたときには、次に説明するようにヘリウム精製装置５０にて精製されたヘリウムの一部を混合ガス回収容器４５内に供給し、窒素濃度が１０％以下になるようにしてもよい。

次に、送給された混合ガスを減圧弁６２ａで０．２ＭＰａ以下に減圧し、２つの吸着塔５３Ｘ，５３Ｙのうちいずれか一方の吸着塔（例えば、吸着塔５３Ｘ）に供給する。
続いて、吸着塔５３Ｘに供給した混合ガスから、窒素を除去する。このとき、混合ガス中の窒素濃度が１０％以下になるようにする。

吸着塔５３Ｘの吸着容量を越えて、未吸着の窒素が酸素濃度計５４まで溶出してしまう直前に、吸着塔５３Ｙへ混合ガスの供給を切り替えて、窒素除去を行う。
以後２つの吸着塔５３Ｘ，５３Ｙを交互に用いて窒素吸着−除去の操作を繰り返すことで、連続的に高純度のヘリウムガスを精製する。窒素除去後のヘリウムガスはバッファタンク５５に一次収容される。

次に、バッファタンク５５から取り出したヘリウムガス中の酸素濃度を酸素濃度計５４で測定する。ヘリウムガス中の酸素濃度が０．１％以上である場合は、酸素が反応できる最少量の水素を添加する。そして、触媒の充填された酸素除去塔７２で反応させて酸素を水分に転換し、第２ポンプ７０で昇圧され冷却されることでドレイン水となって、ヘリウムガス中の酸素濃度が０．１％未満になるように、酸素を除去する。

次に、窒素及び酸素が除去されたヘリウムガスをヘリウム貯蔵部８０に輸送する。続いて、送給されたヘリウムガスを第２ポンプ７０で昇圧し、ヘリウム回収容器７５の容器７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄに収容する。このとき、第２ポンプ７０の流量は、例えば０．７Ｎｍ^３／分とする。

また、ヘリウム回収容器７５の各容器７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ内の圧力は、例えば１ＭＰａ〜２０ＭＰａとなるようにする。差圧の関係上、ガスコントロール部２２へのヘリウムの供給時は、高圧タイプは５ＭＰａ以上、低圧タイプは１ＭＰａ以上の圧力が必要であるため、ヘリウム回収容器７５の各容器７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ内の圧力が１ＭＰａより低いと、コールドスプレー装置本体２０を動かすことができないため、好ましくない。

更に、ヘリウム回収容器７５の各容器７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ内の圧力が２０ＭＰａより高いと、高耐圧のヘリウム回収容器が必要になり、ヘリウム回収システム１０のコスト増大を招いてしまうため、好ましくない。

以上の工程により、ブース３１内から高純度のヘリウムガスを回収し、ヘリウム回収容器７５に収容することができる。

本実施形態のヘリウムガスの回収方法によれば、皮膜処理空間を気密なブース３１で区画し、ブース３１内を窒素ガスに置換した後に、コールドスプレー処理領域３８Ａ内において、ヘリウムガスによりコールドスプレーガン２３から噴出された原料粉末により基材Ｐに皮膜Ｃを形成する。これにより、ブース３１内の雰囲気をヘリウムと窒素との混合ガスにすることが可能となる。その結果、窒素以外の不純物成分を除去するための装置を用いることなく、コールドスプレー装置本体２０に再利用するためのヘリウムガスを精製することができ、ヘリウム回収システム１０の小型化を可能とする。

また、窒素と比較してヘリウムガスは比重が軽いため、混合ガスを効率よくガス回収領域３８Ｂに集め、頂部３１ａから該混合ガスを回収することで、ヘリウムの割合の高い混合ガスを回収することが可能となる。これにより、ヘリウムガス回収率を８５％以上にすることができる。

さらに、上記例示した条件等を用いて、回収した該混合ガスから窒素を除去することで、高純度のヘリウムガスを回収することができる。
したがって、窒素以外の不純物ガスを除去する除去装置を設ける必要がなくなるため、ヘリウム回収システム１０の小型化を図ることができる。
窒素除去後のヘリウムガスの酸素濃度が０．１％以上の場合、酸素除去触媒により、ヘリウムガス中の酸素が除去されるため、結果として、窒素濃度１％以下、かつ酸素濃度０．０１％以下のヘリウムガスを回収することができる。

また、本実施形態のヘリウムガスの回収方法によれば、ヘリウムガスの回収工程は、ブース３１の混合ガスを第１ポンプ４０にて昇圧し、混合ガス回収容器４５に一旦収容する工程と、ヘリウム精製装置５０にてヘリウムガスを精製し、第２ポンプ７０にて昇圧してヘリウム回収容器７５に貯蔵する工程と、の２つの工程に分けられる。

これにより、第２ポンプ７０の流量を第１ポンプ４０の流量より少なくすることが可能であるため、第２ポンプ７０の小型化が実現され、ヘリウム回収システム１０のコスト削減を図ることができる。また、窒素除去装置６５のＰＳＡを用いる吸着塔５３Ｘ，５３Ｙの小型化が可能になり、ヘリウム回収システム１０のさらなる小型化及びコスト削減を図ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０…ヘリウム回収システム、２０…コールドスプレー装置本体、２１…ヘリウム供給源、２２…ガスコントロール部、２３…コールドスプレーガン、２３Ａ…ノズル、２３ａ…先端、２５，２６，６１…導管、３０…皮膜形成・ヘリウム回収部、３１…ブース、３１Ａ…上部、３１Ｂ…下部、３１ａ…頂部、３１ｂ…底面、３２…窒素供給部、３２ａ，３２ｂ…窒素ガス供給管、３４…集塵機、３６…冷却機、３８…空間、３８Ａ…コールドスプレー処理領域、３８Ｂ…ガス回収領域、４０…第１ポンプ、４５…混合ガス回収容器、５０…ヘリウム精製装置、５２…第３ポンプ、５３Ｘ，５３Ｙ…吸着塔、５４…酸素濃度計、５５…バッファタンク、５７ａ…熱交換器、５７ｂ…冷却器、６２ａ…減圧弁、６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅ，６２ｆ，６２ｇ，６２ｈ，６２ｉ，６２ｊ，６２ｋ，６２ｌ，６２ｍ，６２ｎ，７４ａ，７４ｂ，７４ｃ，７４ｄ，７４ｅ…開閉弁、６８…酸素除去装置、７０…第２ポンプ、７５…ヘリウム回収容器、７５ａ，７５ｂ，７５ｃ，７５ｄ…容器、８０…ヘリウム貯蔵部、Ｌ１…回収ライン、Ｌ１ａ，Ｌ２ａ…一端、Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂ…他端、Ｌ２…集塵ライン

Claims (7)

1. 気密にされたブース内で、コールドスプレー法により基材への皮膜を形成する際に使用するヘリウムガスの回収方法であって、
   前記気密にされたブース内を窒素ガスで置換する工程と、
   置換後に、前記基材に皮膜を形成する工程と、
   当該ブース内のヘリウムガスと窒素ガスを含む混合ガスを取り出して、ブース外に設けられた混合ガス回収容器に収容する工程と、
   当該混合ガス回収容器に収容した混合ガスから窒素を分離し、ヘリウムガスを主成分とするガスに精製する工程と、
   を有することを特徴とするヘリウムガスの回収方法。
2. ブース内を窒素ガスで置換した後、次いでヘリウムガスで置換して前記基材に皮膜を形成することを特徴とする請求項１記載のヘリウムガスの回収方法。
3. 前記混合ガス回収容器内の窒素ガス濃度が１０％以下となるように分離・精製工程実施時の前記混合ガスの供給を調整することを特徴とする請求項１または請求項２記載のヘリウムガスの回収方法。
4. 前記混合ガスから窒素を分離し精製したヘリウムを主成分とするガスを昇圧した後、ヘリウム回収容器に貯蔵する工程を有する請求項１乃至３のいずれか１項記載のヘリウムガスの回収方法。
5. 前記基材に皮膜を形成する際に発生するダストを除去した後、前記ブース内の前記混合ガスを前記混合ガス回収容器に取り出すことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載のヘリウムガスの回収方法。
6. 前記ブースの頂部から前記混合ガスを取り出すことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のヘリウムガスの回収方法。
7. 前記皮膜の形成中及び形成後のいずれか、もしくは両方において、前記ブース内の前記混合ガスを前記混合ガス回収容器に取り出すことを特徴とする請求項１または請求項２記載のヘリウムガスの回収方法。

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