JPH0566515B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］ 本発明は、不純He中の不純物を凝縮乃至凝固
させることによつてHeを精製する方法に関し、
詳細には長期に亘り安定的にHeの精製を行なう
ことができ、且つ不純He（以下原料Heと言うこ
ともある）に純度の変動があつても安定した精製
機能を発揮するHe精製方法に関するものである。 ［従来の技術］ 不純He中から水、二酸化炭素、空気等の不純
物を除去し精製Heを得る方法を大別すると、吸
着法と凝固法に分けられる。このうち凝固法は設
備をコンパクト化でき且つ操作性が良好である等
の長所がある為、吸着法に比べて広く実用化され
ている。この様な凝固法によるHe精製方法の代
表例としては例えば特公昭52−4517号を挙げるこ
とができる。 即ち該He精製方法は、第1He流路と第2He流
路の間で熱交換を行なう様に構成した浄化熱交換
器を用いる方法であり、不純Heを精製するに当
たつては第1He流路に不純Heを流す一方、第
2He流路に精製済みの低温He（例えばHe液化・
冷凍装置の低圧He管路から抜き出されたHe）を
導入して不純物を冷却・凝固させ、第1He流路の
壁面等に析出・付着させる。こうして得た高純度
Heを需要部（例えば前出のHeの液化・冷凍装置
における高圧側He管路）へ供給する。そして上
記精製運転によつて第1He流路内の不純物凝固蓄
積量が増大すると、不純Heに対する流通抵抗が
大きくなるのでこれを第1Heの流路内の圧力変化
によつて検知し精製工程を停止する。その後凝固
不純物の排出工程に移るが、このときは第１及び
第2He流路へのHe供給を中断し、特に第2He流
路については高温Heの導入に切換えて第1He流
路内を昇温させ該流路内の凝固不純物を昇温・融
解させ系外へ排出する。 しかるに上記公告発明方法を含めて従来の汎用
凝固法では除去し得る限りの不純物を全て凝固さ
せて取り除くという考え方に立つているから凝固
の完結の為には相当多くの寒冷を与える必要が生
じ、また不純物は全て不純He流路（第1He流路）
で凝固させるので不純物が多いときには凝固不純
物によつて該流路が短時間のうちに閉塞してしま
う。即ち液化工程が短時間の運転で破過に至り、
すぐに第1He流路の浄化即ち凝固不純物の融解・
排出工程に切換えなければならないのでHe精製
効率の低迷を余儀なくされている。しかもこの工
程では凝固不純物を取り出す為にこれを液化又は
気化するまで昇温させる必要があり、これには相
当の熱量及び時間が費やされる。そして前述の全
量凝固に使う寒冷コストの増大のみならず浄化−
再生のサイクルを繰返す毎に冷却と昇温を繰返す
ことになり熱経済的に見ても極めてロスが大き
い。 ［発明が解決しようとする問題点］ 本発明者等はこうした事態を解消すべく種々検
討を重ねた結果、He精製効率の低迷並びに熱エ
ネルギーの無駄等を生ずる原因が、不純物の全て
を凝固状態とした上で原料Heから分離していた
という点にあることに気が付いた。 即ち除去すべき不純物は原料He中において気
体状態で存在するが、これを第1He流路内で冷却
していくと、あるもの（CO₂等）は一気に凝固す
るが、他のあるもの（H₂Ｏや空気等）は一旦凝
縮して液状となつた後さらに冷却されて凝固す
る。従つて気体Heとの分離だけを考えるならば
後者のH₂Ｏや空気、特にH₂Ｏは凝縮した時点で
既に気体Heと分離可能な状態にあるのであるが、
従来の手段では液状のまま第1He流路から取出す
という考えがなかつたし、元々極低温としなけれ
ば捕捉し切れない空気等を含め不純物を一括して
捕捉しようという考え方に支配されていた為、こ
れら液状成分を更にわざわざ極低温まで冷却して
凝固させていたと考えられる。 本発明者等はこうした第1He流路内における不
純物の凝縮・凝固挙動に注目して研究を進めた結
果、不純物のうち液状での抜出しが可能なものに
ついては更に必要以上の冷却を付加することなく
凝縮温度までの冷却を加えた段階で抜出す様にす
れば冷熱エネルギーの浪費が少なくなつてHe精
製効率が向上することを知り、こうした知見を基
にして先に特許出願（特願昭59−262573号）を行
なつた。 第２図は該先願発明の構成を説明する為の概略
フロー図であり、熱交換部Ａは１ａ〜１ｄの４つ
の熱交換器から構成され該熱交換部Ａに対する冷
媒供給源であつて精製Heの需要部ともなるHe液
化・冷凍装置Ｂがこれに組み合わされることによ
りHe精製装置Ｓが構成されている。尚図示した
He液化・冷凍装置Ｂ自体は特異なものではなく
一般的手法に従つて運転される。即ち冷凍運転に
当たつては圧縮機２０により加圧して得た高圧
Heを熱交換器２１ａ〜２１ｆ（高圧側ライン）内
へ順次通すが、その間低温低圧Heが熱交換器２
１ｆ〜２１ａ（低圧側ライン）の順序で返送され
ているので両者間で熱交換が行なわれる。又更に
高圧Heの一部を膨張機２２ａ，２２ｂにおいて
断熱膨張させて得た寒冷も熱交換に供され、これ
らを経て冷却された高圧Heはさらにジユールト
ムソン（JT）弁２３によつて冷却・液化する。
こうして得た液体Heを含むHeは極低温環境部２
４へ供給される。一方極低温環境部２４を冷却し
自らは気化した低圧Heは前記の通り熱交換器２
１ｆ〜２１ａ（低圧側ライン）を順次通過する間
に高圧Heと熱交換して昇温し圧縮機２０の吸入
側に返送される。 上記He精製装置Ｓを用いてHeの精製を行なう
に当たつては、バルブ１４，１６，１８を開放し
（バルブ１０は閉鎖、バルブ１９は開放してお
く）、He液化冷凍装置Ｂの低圧側ラインから抜き
出された低温低圧Heを媒体流路３ｄ〜３ａへ順
次導入し、さらにバルブ１６を経由して圧縮機２
０の吸入側へ戻す。一方不純He６については圧
縮機４で加圧した後、バルブ１９，１８を経由し
て熱交換器１ａ〜１ｄへ順次通し不純物を凝縮、
凝固して除去する。ところでHe液化・冷凍装置
Ｂから供給される低温冷媒は熱交換器１ｄ〜１ａ
において夫々不純Heと熱交換してこれを冷却し、
自らは昇温するものであるから熱交換器内の不純
He温度は冷媒温度が低い熱交換器１ｄで最も低
く熱交換器１ａへ行く程高くなつている。そして
本例では熱交換器１ａにおける不純He温度を約
０℃、熱交換器１ｂ，１ｃ，１ｄにおける不純
He温度を夫々約−100℃，約−205℃，約−240℃
となる様に設計する。これにより熱交換器１ａに
おいては水分を凝縮させてトラツプ５ａに貯留
し、熱交換器１ｂにおいては残りの水分及び二酸
化炭素を凝固させて熱交換器１ｂ内に付着させ、
熱交換器１ｃにおいては酸素や窒素等を凝縮させ
てトラツプ５ｂに貯留し、さらに熱交換器１ｄに
おいては残りの不純ガスを凝固させて熱交換器１
ｄ内に付着させる。尚トラツプ５ａ，５ｂに貯留
した液状物は適宜抜出す。この様に不純ガスを除
去して得た精製Heはバルブ１４を経由してHe液
化・冷凍装置ｂの高圧側ラインへ導入される。尚
２５は温度制御装置を示し、精製運転中に精製
He導入ライン２６の温度が設定値より高くなる
と圧縮機４出口部の電磁バルブ１９を閉鎖し、冷
媒によつて専ら熱交換部Ａ内を冷却し、上記温度
が設定値より低下すると電磁バルブ１９を開放し
てHe精製を再開する機能を発揮する。これによ
つて所定温度（30°K）以下に冷却された精製He
はHe液化・冷凍装置Ｂへ導入される。 次に熱交換部Ａ殊に熱交換器１ｂ又は１ｄ内の
不純He流路に凝固不純物が蓄積して流路抵抗が
大きくなると、バルブ１８，１４，１６を閉鎖し
且つバルブ１０，１０ａを開放し、さらに真空ポ
ンプ１５を稼働する。こうすることにより圧縮機
２０によつて加圧された常温高圧Heの一部（熱
媒）はバルブ１７を経由して熱交換部Ａに至り、
媒体流路３ａ〜３ｄを順次通過してHe液化冷凍
装置Ｂの低圧Heラインに導入される。一方熱交
換部Ａ内の不純He流路は真空ポンプ１５により
吸引されてかなりの低圧状態にあり、不純Heと
流路内に付着した凝固不純物は熱媒による加温と
圧力低下によつて一気に気化（昇華）し真空ポン
プ１５を通して系外へ排出される。 この先願発明では、上記の様に不純物を夫々に
適した温度で凝縮又は凝固させ、しかも凝縮した
不純物は液状で抜出すようにしたので、不純He
流路内への不純物の凝固付着量が少なくて済み、
He精製を長時間に亘り安定して行なうことがで
きる。又凝固不純物を除去して熱交換部Ａを浄化
するに当つては、凝固不純物が減圧条件下に加熱
されることになるので気化（昇華）が急速に進行
し、短時間で浄化を完了することができる。 但しこの方法では、一時的にせよ凝固物除去の
為に熱交換器を加熱するから、熱交換部Ａ側で若
干の寒冷ロスが生じることは否めない。 本発明はこの様な事情に着目してなされたもの
であつて、その目的は前記先願発明の特長を維持
しつつしかも熱交換部浄化時の寒冷ロスを最少限
に抑えることのできるHe精製方法を提供しよう
とするものである。 ［問題点を解決する為の手段］ 上記の様な目的を達成し得た本発明に係るHe
精製方法の構成は、不純He流路内に凝固残留し
た不純物を除去するに当たつては上記不純He流
路内をいつたん封圧し、次いで上流側又は下流側
から急激な減圧力を作用させることにより凝固残
留不純物を破砕しガス流によつて熱交換器外へ排
出した後、液化又は気化して除去するところに要
旨を有するものである。 ［作用］ 不純He中に含まれる不純物のうち代表的成分
の１気圧下における凝縮点、凝固点、昇華点を比
較すると、下記第１表の通りとなる。

【表】 即ち０℃までの温度で大部分の水分を凝縮させ
ることができ、又−209.86℃までの温度であれば
酸素及び窒素を凝縮させることができる。従つて
とりあえず水分を液状段階で抜出そうとするなら
ば、例えば前記の様に構成された熱交換器内にお
ける０℃までの冷却温度に水分抜出ラインを接続
し、該ラインにトラツプ等の気液分離機構を介設
すればよい。又熱交換器における−209.86℃まで
の冷却温度区域に液分抜出ラインを接続し、該ラ
インに気液分離機構を付設しておけば、液体窒素
及び液体酸素を一括して抜出すことができる。そ
の結果He中に残留する不純物の量が著しく減少
するので、従来通り熱交換器内の不純He流路に
凝固付着させたとしても、He精製ラインが短時
間のうちに閉塞される様なことはなくなる。しか
も本発明では、追つて詳述する如く凝固不純物の
除去工程でHe精製ラインに一切熱を加えず、不
純凝固物の付着したラインを一旦封圧した後この
部分に急激な減圧力を作用させることによつて該
凝固不純物を破砕し、ガス流に乗せて該凝固不純
物を当該熱交換器外へ排出した後、液化又は気化
させて除去するものであり、浄化工程における寒
冷ロスも最小限に抑えることができる。 ［実施例］ 第１図は本発明の実施例を示す概略フロー図で
あり、本質的な構成は第２図に示した先願発明の
構成と同一であるので、同一の部分には同一の符
号を付し重複説明は割愛する。 第１図の例では、第２図におけるトラツプ５
ａ，５ｂに接続した真空ポンプ１５が省略される
と共に、凝固不純物を除去する際に使用される加
圧精製Heガス抜出し・返送ライン及びバルブ１
７が省略されており、これらに代わつて、熱交換
部Ａの最上流側（即ちバルブ１８のすぐ下流側）
にバルブ３０を介してガスバツグ３１が接続され
ている。該ガスバツグ３１の形状や構造は一切制
限されない。 この装置を用いたHeの精製は、第２図の例と
同様バルブ１９，１８，１６及び１４を開、バル
ブ１０，１０ａ及び３１を閉とし、圧縮機４で加
圧した不純Heを熱交換器１ａ〜１ｄに順次流し
ながら、He液化・冷凍装置Ｂから抜き出される
低温Heの一部を熱交換器１ｄ〜１ａ方向へ順次
流し、不純Heを冷却することによつてこの中の
不純物を除去する。具体的には熱交換器１ａにお
ける不純He温度が約０℃、熱交換器１ｂ，１ｃ，
１ｄにおける不純He温度が夫々約−100℃約−
205℃、約−240℃となる様に操業条件を設定して
おき、熱交換器１ａ部分では水分を凝縮させてト
ラツプ５ａに貯留し、熱交換器１ｂ部分では残り
の水分及び二酸化炭素を凝固させて熱交換器１ｂ
内の管路内壁に付着させ、熱交換器１ｃ部分では
酸素や窒素等を凝縮させてトラツプ５ｂに貯留
し、更に熱交換器１ｄ部分では残りの不純ガスを
凝固させて管路内壁に付着させ、精製されたHe
は順次液化・冷凍装置Ｂへ送り込む。トラツプ５
ａ，５ｂに貯留した液状物は適宜系外へ抜き出
す。 次に熱交換器Ａ殊に熱交換器１ｂ又は１ｄ内の
不純He流路に凝固不純物が蓄積して流路抵抗が
大きくなると、バルブ１４，１６，１８を閉鎖す
ることによつて熱交換部Ａを封圧し、次いでバル
ブ３０を開く。そうすると不純He流路内は瞬時
に減圧状態となり、該流路内のガスはガスバツグ
３１に流入してくる。このとき熱交換器１ｂ，１
ｄの壁面に付着した不純凝固物は、加圧雰囲気下
で該凝固物自身の内部に混入していたHeガスの
膨張によつて粉砕され、且つガスバツグ３１方向
へのガスの流れに乗つて流路内を高温側（即ち
He精製工程における上流側）へ輸送される。そ
して該高温部で加熱を受けて液化し、或は後述す
る如く該浄化処理後再び該流路内へ導入される不
純Heガスにより加熱されて液化し、トラツプ５
ａ及び５ｂ内へ液状物として捕集される。この場
合、トラツプ５ａ，５ｂの不純Heガス入口部に
フイルタを設けておけば、浄化工程で輸送されて
きた不純凝固物が該フイルタで濾取されてトラツ
プ５ａ，５ｂ内に確実に捕捉されるので好まし
い。この様にしてトラツプ５ａ，５ｂ内に捕捉さ
れた不純物は、バルブ１０，１０ａから適宜抜き
出せばよい。こうして不純He流路の浄化を終え
た後は、バルブ３０を閉、バルブ１４，１６，１
８を開として再び不純Heの精製を行なう。この
精製の初期段階で、該流路の上流側へ輸送され未
液化状態で残つた不純凝固物はHeガスにより加
熱されて液化し、トラツプ５ａ，５ｂ内に捕集さ
れた後バルブ１０，１０ａから適宜系外へ抜き出
される。尚精製再開の初期段階でガスバツグ３１
を圧搾し、浄化工程で捕集されたHeガスをバル
ブ３０から精製ラインへ返送する様にすれば、不
純Heガスのロスをなくすことができるので好ま
しい。上記の精製工程と浄化工程を適当な周期で
繰返し実施することによつて、Heの精製を長時
間継続して円滑に遂行することができる。殊に本
発明では浄化工程で精製ラインを外部から全く加
熱することなく流路内の不純凝固物を除去するこ
とができるので寒冷ロスを生じることがなく、ま
た浄化工程は前述の如く瞬間的な減圧処理によつ
て行なうことができので浄化に要する時間が極め
て短かく、精製工程の時間的比率を最大限に高め
ることができる。 本発明は例えば以上の様に構成されるが、図は
代表例を示したものであつて本発明を限定する性
質のものではなく、前・後記の趣旨に適合し得る
範囲で色々変更して実施することもできる。例え
ば第１図では４基の熱交換器を直列に配列した例
を示したが、熱交換器の組合せ数は必要に応じて
任意に変更することができる。またガスバツグの
取付け位置も図示した位置に限定される訳ではな
く、例えば不純凝固物の堆積した流路の直上流側
或は下流側に接続したり、更にはトラツプに直結
させることもできる。更にガスバツグに代えて単
なる減圧ラインのみで代用することも可能であ
り、要は熱交換器内における不純He流路内で凝
固した不純物を破砕して一旦熱交換器外へ排出し
た後液化乃至気化して除去し得るものであればす
べて本発明の技術的範囲に含まれる。 実施例 １ 第１図に示した設備を使用して、水分１％、空
気成分20％の不純Heを精製したところ、純度
99.999％以上の精製Heを98.5％の回収率で得るこ
とができ、このときの液化量の減少率は30％にす
ぎなかつた。 ［発明の効果］ 本発明は以上の様に構成されており、その効果
を要約すれば次の通りである。 (1) 不純He中の不純物を、凝固及び凝縮の両手
法で除去する方法を採用しており、凝縮物は精
製工程で順次抜出することができるので、不純
He流路内における凝固不純物の蓄積速度が遅
く、長時間に亘つてHe精製を継続することが
できる。 (2) 不純He流路内に蓄積した凝固不純物は、瞬
間的な減圧処理により破砕しガス流れに乗せて
一旦熱交換器外へ排出した後、液化又は気化し
排出することができ、流路の浄化をすみやかに
完了することができる。 (3) 浄化工程で外部から流路を加熱する必要がな
いので寒冷ロスがない。 (4) 凝縮及び凝固による個別排出方式であるか
ら、原料となる不純Heの純度が変動してもHe
精製効率に対する影響が少なく、原料ガスの適
用範囲が広くなる。又高純度のHeを高収率で
回収することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す概略フロー図、
第２図は本発明の基本となつた先願発明の精製法
を例示する概略フロー図である。 １，１ａ〜１ｄ……熱交換器、３，３ａ〜３ｄ
……熱媒流路、４……圧縮機、５ａ，５ｂ……ト
ラツプ、１０，１０ａ，１４，１６，１８，３０
……バルブ、３１……ガスバツグ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 媒体流路と不純He流路を夫々内包する熱交
   換器を用いてHeの精製を行なうに当たり、Heの
   精製に際しては媒体流路に冷媒を導入することに
   よつて不純He中の不純物を冷却し、一部は凝縮
   させ液状物として系外へ排出し、残部は熱交換器
   の不純He流路内で凝固させてHeから分離する方
   法であつて、不純He流路内に凝固残留した不純
   物を除去するに当たつては上記不純He流路内を
   いつたん封圧し、次いで上流側又は下流側から急
   激な減圧力を作用させることにより凝固残留不純
   物を破砕してガス流によつて熱交換器外へ排出し
   た後、液化又は気化して除去することを特徴とす
   るHeの精製方法。