JPH0233865Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本考案は深冷吸着法によるガス精製装置に関
し、さらに詳細には、吸着筒に流入する原料ガス
と深冷されて流出する精製ガスとの熱交換のため
の熱交換器が特定の形状、特定の設置場所に設け
られてなるガス精製装置に関する。

〔従来技術〕

近年半導体産業、原子力産業などにおける水素
ガス、ヘリウムガスなどの需要が増大して来た
が、これらの分野で使用されるこれらのガスは極
めて高純度であることが要求される。

このため窒素、一酸化炭素、メタンなどの不純
物を含有する水素ガス、ヘリウムガスなど（原料
ガス）を精製して高純度ガス（精製ガス）を得る
ための手段の一つとして深冷吸着法を利用した
種々のガス精製装置が用いられており、例えば特
開昭54−42370号公報、特開昭55−7565号公報な
どに示された装置がある。

これらの装置は活性炭などの吸着剤を用いた吸
着方式の精製装置であるので、連続して原料ガス
を流し、連続して精製ガスを取出すためには、吸
着筒をすくなくとも２本かまえてガスの精製と吸
着剤の再生とを交互に切り換えて行う必要があ
る。

すなわち、一方の筒が吸着過程にあつて原料ガ
スの精製を行つている間に、他方の筒は脱着再生
を終つて待機状態にあるようにし、各筒への流路
を交互に切換えながら原料ガスの連続的流入と精
製ガスの連続的流出ができるように仕組まれてい
る。

またこれらの装置は深冷下での吸着方式の装置
であるので、吸着過程における吸着筒は、液体窒
素などの冷媒に浸されて、深冷下に吸着を行なう
ようになつており、この際冷媒の消耗を節約する
ために、冷媒槽を真空容器中に設置して冷媒槽の
周囲を真空断熱状態に保つようになつている。ま
た深冷吸着を効果的に行ない、且冷媒の消耗をよ
り低減するために、常温下で流入する原料ガスと
深冷下に流出する精製ガスとを熱交換器で熱交換
して、吸着筒に流入する原料ガスを予冷するよう
になつている。

また吸着剤は加熱によつて脱着再生されるが、
このために、脱着再生過程にある吸着筒は、先ず
その周囲を浸していた液体窒素などの冷媒を取除
いた後の冷媒槽へ、窒素、空気などを加熱器によ
つて加熱して得た高温ガスを流入さすなどして加
熱される。この加熱によつて、吸着筒と冷媒槽と
が一緒に加熱されるが、冷媒槽は真空容器中に設
置されて真空断熱状態に保たれているので、加熱
された冷媒槽からの熱の外部への逸出損失が防が
れるようになつている。

上述のような仕組みの装置の一例の概略のフロ
ーシートを第４図に示した。

これは深冷用冷媒として液体窒素LN₂を用い、
吸着過程を終つたあとの冷媒槽２または２′中の
残留液体窒素の除去回収を、加圧窒素ガスによる
圧送によつて行ない、吸着過程中の液体窒素LN₂
の気化蒸発分をリサイクルして加熱した高温ガス
で吸着筒１または１′の加熱を行ない、筒内に生
じる吸着ガスを排気ポンプ９で排気する仕組みに
なつている。そして吸着筒２本で、図示の各種バ
ルブを交互に開閉して吸着と脱着再生の過程を交
互に繰り返えすことによつて、水素またはヘリウ
ムの高純度精製ガスを連続して取出すようになつ
ている。第４図ではＡブロツクが吸着過程、
A′ブロツクが脱着再生過程にある場所を示して
いる。

なお、こゝでＡおよびA′ブロツクと呼んでい
るものは、夫々吸着筒１および１′、冷媒槽２お
よび２′、熱交換器３および３′とこれらに出入す
る原料ガス１１および１１′、精製ガス１２およ
び１２′、冷媒用液体窒素１６および１６′、気化
によつて生じる窒素ガス１７および１７′、加熱
再生用の高温窒素ガス２１および２１′、圧送用
加圧窒素ガス２３および２３′、脱着排気ガス２
４および２４′用の配管類および液体窒素液面計
用１４および１４′などの配管類を収納した真空
容器４および４′全体の総称である。

第４図では熱交換器３および３′の設置場所が
冷媒槽２および２′の外側で真空容器４および
４′の内側となつているが、従来の装置には、こ
のような場所に置かれたもののほかに、冷媒槽２
および２′の内側で液体窒素液面と槽の天井との
間の空間に位置したものもある。

また、第４図では脱着再生を加熱器８によつて
高温に加熱されたガスを冷媒槽２′に流入させて
吸着筒１′を加熱する方式がとられているが、こ
のような方式のほかに、冷媒槽内に吸着筒をかこ
んで電熱ブロツクを設置し、通電することによる
加熱方式をとつたものもある（特願昭59−
253478）。

第４図では、冷媒用液体窒素タンク５、気化リ
サイクル窒素ガスのダンパータンク６、圧送用加
圧窒素ガスタンク７、再生用高温ガス加熱器８、
脱着ガス排気用ポンプ９なども図示した。

〔考案が解決しようとする問題点〕

本考案の目的は従来技術に比べ熱の移動にるロ
スが小さく、しかも小形化された装置を得ること
にある。すなわち、第４図でいえばＡおよび
A′のブロツク内の改善を対象とするものであり、
深冷吸着過程にある冷媒槽中の液体窒素などの冷
媒の消費を節減することである。また、このブロ
ツクが脱着再生過程にある時の加熱された冷媒槽
からの熱の外部への逸出を節減することによつて
脱着再生過程での加熱エネルギーの低減をはかろ
うとするものである。さらにＡおよびA′ブロツ
クをできるだけ小形化することによつて装置全体
を小形にまとめあげることである。

何となれば、深冷吸着法の運転経費の節減の要
点は、液体窒素のような冷媒の滞留と消費をでき
るだけ少なくすることと、脱着再生に必要となる
加熱用の電力などのエネルギーをできるだけ少な
くすることであり、またこの種の装置を要求する
半導体産業や原子力産業においては、クリーン度
の高い限られた空間に設置することが多いので、
装置の小形化が望まれるからである。

〔問題を解決するための手段〕

深冷吸着ガス精製装置の設置される場所の温度
はおよそ10〜30℃の常温レベルであり、流入原料
ガスの温度レベルも同様である。一方吸着過程は
−100〜−200℃前後の深冷レベルに冷却された吸
着筒で行なわれる。また、脱着再生過程は、充填
されている吸着剤の種類にもよるが、通常は吸着
筒を200℃前後に加熱しても行なわれるので吸着
筒を内蔵している冷媒槽も同じ温度迄加熱され
る。

例えば水素あるいはヘリウムの精製の場合の吸
着過程での吸着筒は液体窒素のような冷媒で冷却
され−196℃前後の温度が適用されるので装置外
囲あるいは流入原料ガスとの温度差は200℃以上
に達する。また脱着再生過程での吸着筒および冷
媒槽には200℃前後の温度が適用されるので、装
置外囲との温度差は200℃前後に達する。すなわ
ち、冷媒槽に対して、吸着過程では200℃以上の
温度差のもとでの熱の侵入に伴う冷媒の気化損失
が問題となり、脱着再生過程では200℃前後の温
度差のもとでの熱の対流放射などに伴う外部への
逸出で電力などの加熱エネルギーの損失が問題と
なる。

このように温度差が大きくて熱の侵入あるいは
逸出が問題となる場合に、これを防止するため第
４図で示したように冷媒槽の外囲が真空断熱状態
に保たれる。

また、吸着過程におけるもう一つの冷媒への大
きな熱の侵入は、常温で流入する原料ガスにもと
づくものである。これを防止するため第４図で示
したように吸着筒から流出する深冷された精製ガ
スと流入する原料ガスとが互に熱交換される。こ
れによつて、吸着筒のまわりを浸している冷媒へ
の熱負担を減らして冷媒の気化による損失が抑制
される。

しかしながら、従来技術における熱交換器の設
置場所については、第４図にみるように、冷媒槽
の外側でかつ真空容器の内側に設置されたものも
あるが、すでに述べたように、冷媒槽内の冷媒液
面上の天井部空間に設置された場合もあり、この
熱交換器の設置場所についての確かな思想はな
い。

本考案者らはこの点について検討を加え、この
熱交換器は冷媒槽の外で真空容器の内に設置すべ
きであるとの結論に達した。

何となれば、装置内の冷媒の滞留量を少なくし
且つ装置を小形化するためには冷媒槽を小さくし
かつその天井部空間も小さくすべきである反面熱
交換能力を高めて原料ガスを極力予備冷却するた
めには熱交換器はそれ相応の大きさが必要である
ので、このような熱交換器を冷媒槽天井部の限ら
れた空間に設置するには困難が多く、むしろ冷媒
槽の外側で熱交換器の内側の場所に設置するのが
合理的だからである。

この熱交換器は深冷されて流出する精製ガスに
よつて常温で流入する原料ガスを効率よく冷却す
ることができ、しかも小形化されたものでなけれ
ばならない。このためにはガス流速を早くしてレ
イノズル数を高めた状態での熱交換が有効である
ので、一方では流路抵抗による圧力損失も考慮し
なければならない。それ故、この両条件の妥協点
をガスの物性定数にもとづいて伝熱工学によつて
計算し、流路の相当直径、長さなどの熱交換器の
諸元を決定しなければならい。

このようにして、熱交換器の基本的諸元がきめ
られたとしても、これをどのような実際的形状に
まとめあげるかについては、また種々の工夫が存
在する。

本考者らはこの点についても検討を加え、この
熱交換器の形状を筒状構造とし冷媒槽の少くとも
側面周囲を囲むことにより熱交換器が吸着過程で
真空容器壁より侵入する放射熱に対する遮蔽板の
役割をも兼ねることができることを見い出した。

脱着再生過程では逆に冷媒槽が高温に加熱され
るので、これから真空容器壁への熱の放射逸出が
問題となるが、上記の筒状の熱交換器はこの放射
による逸出熱の遮蔽板としての機能も持つ。

筒状の熱交換器としては円筒形、楕円筒形、多
角柱形などがあり、少くとも冷媒槽の側面周囲を
囲む形状であればよいが、これらのうちでも円筒
形が好ましい。また、冷媒槽の側面周囲に加えて
その上部あるいは下部をも含めて囲む筒状とされ
てもよい。

なお、この熱交換器の表面を鏡面に研磨などし
て放射熱線の反射率を高めれば一層の効果が期待
できることはいうまでもない。

吸着過程において、真空容器中に置かれた冷媒
槽へ外囲から侵入して冷媒を気化損失させる熱量
の殆どは、真空容器壁からの放射熱によるもので
ある。脱着再生過程において、真空容器中に置か
れて高温に加熱された冷媒槽から外囲へ逸出して
失なわれる熱量の殆どは、高温の冷媒槽から真空
容器壁へ向つての放射熱によるものである。

従つて、本考案のようにすれば、その遮蔽板効
果によつて、侵入熱あるいは逸出熱が大巾に軽減
されて、吸着過程での冷媒の気化損失あるいは脱
着再生過程での電力などの加熱エネルギーの大巾
な節約ができる。何となれば、ｎ枚の遮蔽板によ
つて放射熱流束は１／ｎ＋１に減少する（千輝淳二 著 伝熱計算法・工学図書(株)）からである。

しかしながら、今こゝで問題としている吸着精
製装置においては、装置の機能からみて単なる遮
蔽板のような余分なもものを真空容器内に持ち込
んで容器の大きさを増すことは、装置の小形化に
対する要求に反するものである。

これに対し、熱交換器自体は精製装置の機能を
完うさせるために是非必要なものであるので、こ
れを熱交換器中に設置して、しかもその遮蔽板の
作用を兼ねる形状にして、単なる遮蔽板を別途に
付加しなくてもよいようにしたところにこの考案
の価値がある。

以上述べたように本考案は吸着筒、冷媒槽、熱
交換器および真空容器を有する深冷吸着法による
ガス精製装置において、該熱交換器は吸着筒を内
蔵した冷媒槽を収容した真空容器内に設置され、
かつ該冷媒槽の少くとも側面周囲を囲む筒状とさ
れたことを特徴とするガス精製装置である。熱交
換器の材質としては−200乃至200℃の温度変化に
耐えることができ、充分な強度を有するとともに
加工し易く、また内部を流れるガスを汚染しない
ものであればよく、例えばステンレス、ニツケ
ル、銅などであるが、通常はステンレスが多く用
いられる。

次に本考案の実施の態様を図面によつて説明す
るが、本考案はこれらの実施態様のみに限られた
ものではない。

第１〜３図はそれぞれ本考案に用いられる熱交
換器の図で、各図におけるａはそれぞれ真空容器
内での設置状態の説明をも兼ねた縦断面概略図で
あり、ｂはそれぞれこの熱交換器の内部構造と外
観とを説明するための一部切欠図である。

なお、第４図で説明したように、真空容器を通
して内部にある冷媒槽に達する多くの配管類があ
るが、上述の第１〜３図それぞれのａの縦断面図
においては、熱交換器の機能の説明に必要なもの
以外の配管類は図示していない。

第１〜３図それぞれのａにおいて、熱交換器３
は、吸着剤１−１を充填した吸着筒１を内蔵した
冷媒槽２の外側で、真空容器４の内側に冷媒槽を
囲むように設置されている。

原料ガスは真空容器４を貫通する原料ガス流入
ライン１１を通り熱交換器３に達し、熱交換する
ことによつて冷却され、原料ガス・吸着筒入口ラ
イン１１−１を通り冷媒槽２を貫通して吸着筒１
に流入する。吸着筒１で精製され、かつ深冷され
た精製ガスは精製ガス・吸着筒出口ライン１２−
１を通り冷媒槽２を貫通して熱交換器３に達し、
熱交換することによつて温度を上げ精製ガス流出
ライン１２で真空容器４を貫通して流出する。

脱着再生過程で、吸着筒１を加熱するのに、高
温窒素ガスによる方式の例が第１および２図それ
ぞれのａに示されている。すなわち高温窒素ガス
は真空容器４を貫通する加熱用窒素流入ライン２
１を通り冷媒槽２に流入し、吸着筒１を加熱した
後窒素出口ライン１７を通り真空容器４を貫通し
て流出する。

また、脱着再生過程で、吸着筒１を加熱するの
に加熱用電熱ブロツクによる方式の例が第３図の
ａに示される。すなわち加熱用電熱ブロツク２７
が冷媒槽２内に吸着筒１をかこんで設置され、加
熱用電力は真空容器４と冷媒槽２とを電気絶縁状
態で貫通する電路２６によつて供給される。

第１図のａおよびｂで示した熱交換器は、円筒
状のシエル胴３−２とコイル状に巻いた内管３−
１とによつて構成された円筒状の熱交換器であつ
て、内管３−１中を原料ガスが流れ、内管３−１
の外側のシエル胴３−２内を精製ガスが流れるよ
うにされている。この場合には円筒状のシエル胴
３−２を構成する内筒壁と外筒壁とが放射熱流束
の遮蔽板として機能する。ちなみに、円筒状のシ
エル胴３−２の内筒壁および外筒壁の両壁に、内
管３−１が密着するようにして設けられているの
でシエル側の精製ガスも螺旋状に流れ、また原料
ガスとの向流方式とされたことで熱交換効率を高
めたものである。

第２図のａとｂで示した熱交換器は、内管３−
１と外管３−３とで構成される二重管をコイル状
に巻き、コイルのピツチを外管の外径に等しく、
つまり密着したコイルによつて円筒状とされた熱
交換器であつて、内管中を原料ガスが流れ、外管
中を精製ガスが原料ガスと向流的に流れるように
されている。密着したコイル全体として冷媒槽２
を囲む円筒状であり、放射熱流束に対する遮蔽板
として機能する。

第３図のａとｂで示した熱交換器は、内管３−
１と外管３−３とで構成される二重管をコイル状
に巻いたものが二重に設けられ、それぞれのコイ
ルのピツチを粗くして、巻き管間に生じる間隔を
安定に保持するために、その間隔を連結板３−４
で全面的につないだ構造の二重円筒状の熱交換器
であつて、コイルの内管中を原料ガスが流れ外管
中を精製ガスが原料ガスと向流的に流れるように
されている。コイルとその巻き管をつなぐ連結板
３−４とが一体となつて、円筒状を形成し放射熱
流束に対する遮蔽板として機能する。特に本態様
の場合には、遮蔽板機能が二重に存在するので、
遮蔽効果が倍加される。

〔本考案の効果〕

本考案の効果について述べれば次の如くであ
る。

熱交換器を冷媒槽外側の真空容器内に設置する
ことによつて、冷媒槽が小形化され、かつ冷媒の
滞留量を減らすことができて装置の小形化と冷媒
の経済的使用に寄与できる。また熱交換器を伝熱
工学的に高効率化することに対する空間的制約が
少なくなつて、流入原料ガスを冷媒温度近く迄深
冷して吸着筒へ導入することが容易となり、冷媒
の気化損失を節約することができる。

さらに、熱交換器を冷媒槽の囲りをかこむ環状
の形状にすることによつて放射熱流束に対する遮
蔽板の機能を兼ねることゝなつて、次のような効
果が得られる。

吸着過程においては、真空容器壁より冷媒槽へ
の放射熱の侵入を遮えぎることにより冷媒の気化
損失を節約することができる。脱着再生過程にお
いては、高温に加熱された冷媒槽から真空容器壁
に向つて逸出する放射熱を遮えぎることにより電
力などの加熱用エネルギーを節約することができ
る。

また、このように本吸着精製装置の機能上必要
な熱交換器が放射熱の遮蔽板の機能をも兼ねるの
で、遮蔽板のみを目的とした単なる遮蔽板を別途
に挿入しなくてもよく、真空容器を小形化して装
置全体の小形化に寄与する。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図はそれぞれ本考案に用いられる熱交
換器の異なつた実施の態様を示す図であり、各図
のａはそれぞれの設置場所を示す縦断面図であ
り、各図のｂはそれぞれ熱交換器の内部構造と外
観とを示す一部切欠図である。第４図は、深冷吸
着法によるガス精製の従来の装置の一例の概略の
フローシートである。 図において、１および１′：吸着筒、２および
２′：冷媒槽、３および３′：熱交換器、４および
４′：真空容器、５：冷媒タンク、６：窒素ガス
ダンパータンク、７：加圧窒素ガスタンク、８：
加熱器、９：排気ポンプ、１０：原料ガス、１１
および１１′：原料ガス供給ライン、１２および
１２′：精製ガス流出ライン、１３：精製ガス、
１４：液面計ライン、１５：冷媒出入ライン、１
６および１６′：冷媒出入分岐ライン、１７およ
び１７′：窒素出口ライン、１８：１７，１７′の
合流窒素ガスライン、１９：窒素ガスダンパータ
ンクへの出入ライン、２０：合流窒素ガスの加熱
器への流入および流出ライン、２１および２
１′：加熱窒素供給ライン、２２：加圧窒素ガス
ライン、２３および２３′：加圧窒素ガスの冷媒
槽への流入ライン、２４および２４′：脱着ガス
の排気ライン、２５：２４，２４′の合流排気ラ
イン、２６：電路、２７：加熱用電熱ブロツク、
１−１：吸着剤、３−１：内管、３−２：シエル
胴、３−３：外管、３−４：連結板、１１−１：
原料ガス吸着筒入口ライン、１２−１：精製ガス
吸着筒出口ライン、ＡおよびA′：Ａブロツクお
よびA′ブロツク、N₂：窒素、LN₂：液体窒素、
LIC：液面指示制御機構、RP：循環ポンプ、
Ｅ：加熱用電源。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 吸着筒、冷媒槽、熱交換器および真空容器を有
   する深冷吸着法によるガス精製装置において、該
   熱交換器は吸着筒を内蔵した冷媒槽を収容した真
   空容器内に設置され、かつ該冷媒槽の少くとも側
   面周囲を囲む筒状とされたことを特徴とするガス
   精製装置。