JP3172886B2 - ヘリウムガス精製装置及びその運転方法 - Google Patents

ヘリウムガス精製装置及びその運転方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、ヘリウムガス精製装置
及びその運転方法に関し、詳しくは、各種冷凍装置に用
いられるヘリウムガス中に不純物として含まれる窒素，
酸素等の空気成分を低温吸着器を用いて除去するヘリウ
ムガス精製装置及びその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】核融合装置用超電導マグネットや電力貯
蔵用超電導マグネット等の大型の超電導マグネットを冷
却する冷凍システムは、ヘリウムのホールドアップ量が
多いこと、高温ガス炉用ヘリウムガス冷却ループは、炉
材との反応によるガスの発生や放出ガス量が多いこと、
ヘリウム液化機は、処理するヘリウムガス量が多いこと
から、これらに使用するヘリウムガスを精製する装置が
使用されている。
【０００３】上記ヘリウムガスを精製する装置には、通
常、水や炭酸ガスを吸着除去する常温吸着器と、空気成
分を吸着除去するための低温精製器とが使用されてい
る。
【０００４】図２に示すように、従来の低温精製器は、
熱交換器１，低温吸着器２，浸漬熱交換器３，液体窒素
溜４，液空ボトル５等から構成され、精製すべきヘリウ
ムガスを浸漬熱交換器３で液体窒素温度付近に冷却し
て、空気成分を液空ボトル５及び低温吸着器２で吸着除
去するものである。
【０００５】この低温吸着器２は、不純物成分を吸着除
去する吸着工程と、吸着した不純物成分を脱着させる再
生工程とに交互に切換えられて使用される。
【０００６】このような低温精製器の設計にあたって
は、低温吸着器２の切換え時間を短くし、１サイクルあ
たりの処理量を減少させ、必要吸着剤の量を低減して低
温吸着器２を小さくすることにより、低温精製器のコス
トを下げることが可能になる。
【０００７】前記低温吸着器２の再生は、液体窒素溜４
内の液体窒素を管６から排出する工程，管７から加熱器
８で加熱した窒素ガスを導入して低温吸着器２を加温す
る工程，図示しない真空ポンプで真空排気する工程，低
温吸着器２内を吸着圧力にする均圧工程，低温吸着器２
を吸着温度まで冷却する予冷工程の各工程からなるもの
であり、１サイクルの時間を短くするためには、特に液
体窒素の排出，低温吸着器２の加温及び予冷に必要な時
間を改善する必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
低温精製器は、低温吸着器２や浸漬熱交換器３を収容す
るため、熱容量と液体窒素のホールドアップ量が大きい
液体窒素溜４を使用しているので、液体窒素の排出や注
入に要する時間が長くかかり、時間短縮には限界があっ
た。
【０００９】また、低温吸着器２の加温も、該低温吸着
器２が液体窒素溜４内に収容されているため、低温吸着
器２を加温するためには、熱容量の大きな液体窒素溜４
も同時に加温する必要があり、加温に長時間を要するだ
けでなくユーティリティの消費量も多いという問題があ
った。同様の理由から、液体窒素注入による予冷時間も
長くなり、大量の液体窒素を必要としていた。
【００１０】そこで本発明は、前記低温吸着器の再生工
程の時間短縮を図り、設備コストの低減とともに、再生
に要するユーティリティ消費量の低減を図れるヘリウム
ガス精製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。
【００１１】
【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、本発明のヘリウムガス精製装置は、ヘリウムガス
中の不純物を低温吸着器で吸着除去するヘリウムガス精
製装置において、不純物を含む不純ヘリウムガスの流路
及び前記低温吸着器を導出した精製ヘリウムガスの流路
及び不純ヘリウムガス冷却用の液体窒素の流路を有して
前記不純ヘリウムガスを冷却する熱交換器と、該不純ヘ
リウムガスを更に冷却し部分液化するための浸漬熱交換
器と、該浸漬熱交換器で部分液化した成分を気液分離す
る液空ボトルと、前記低温吸着器と、該低温吸着器を外
部から冷却する液体窒素冷却管と、該液体窒素冷却管を
導出した気液混相の窒素を導入する前記浸漬熱交換器を
浸漬した液体窒素容器とをそれぞれ断熱容器に収納した
低温精製器を、精製と再生とに切換えて連続使用するた
めに少なくとも２基備え、前記低温精製器への不純ヘリ
ウムガス導入経路を、各低温精製器に対応させて分岐し
て、該分岐後の管路に流量調節弁及び入口弁を設け、各
低温精製器から精製ヘリウムガス導出する管路を出口弁
を介して精製ヘリウム導出経路に合流し、前記出口弁の
上流と他の低温精製器の入口弁の下流とを回収弁を有す
る管路にて接続したことを特徴としている。
【００１２】さらに、本発明装置は、前記流量調節弁
に、該流量調節弁あるいは前記入口弁の開度を調節する
ための差圧計を設けたことを特徴としている。
【００１３】本発明の運転方法は、前記ヘリウムガス精
製装置の運転方法において、不純ヘリウムガスの精製を
行っている低温精製器では、熱交換器及び浸漬熱交換器
で冷却して部分液化した不純ヘリウムガスを液空ボトル
で気液分離し、液空ボトルの気相部の不純ヘリウムガス
中の不純物を低温吸着器で吸着除去し、不純物を吸着除
去した精製ヘリウムガスを前記熱交換器で前記不純ヘリ
ウムガスと熱交換して昇温させて当該低温精製器から導
出し、前記低温吸着器の再生を行っている低温精製器で
は、低温吸着器の吸着剤の加温再生後の予冷時に、再生
を行っている低温精製器の流量調節弁及び入口弁を開い
て不純ヘリウムガス導入経路から導入される不純ヘリウ
ムガスの一部を分岐し、熱交換器及び浸漬熱交換器で冷
却して前記吸着剤の冷却に用いた後、前記熱交換器で前
記不純ヘリウムガスと熱交換して昇温させて当該低温精
製器から導出し、閉じられている出口弁の上流から回収
弁を介して精製を行っている低温精製器に導入される不
純ヘリウムガスに合流させることを特徴としている。
【００１４】さらに、前記予冷時に使用される不純ヘリ
ウムガスは、流量調節弁あるいは前記入口弁の開度を、
前記流量調節弁に設けた差圧計の検出値に基づいて調節
することにより流量調節されることを特徴としている。
【００１５】
【作 用】上記装置構成によれば、従来のような大きな
液体窒素溜を使用しないので、低温吸着器の再生工程に
おいて、液体窒素の排出や注入、低温吸着器の加温及び
予冷に要する時間を大幅に短縮でき、低温吸着器の切換
え時間の短縮が図れる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明を、図面に示す一実施例に基づ
いて、さらに詳細に説明する。
【００１７】図１は、低温吸着器の再生を効率よく行
い、連続運転が可能なように、２系統の低温精製器を配
設した実施例を示すものである。
【００１８】この低温精製器Ａ，Ｂは、断熱容器１０
ａ，１０ｂ内に、不純物吸着用の吸着剤を充填した低温
吸着器１１ａ，１１ｂと、該低温吸着器１１ａ，１１ｂ
に導入する不純ヘリウムガスを冷却するための熱交換器
１２ａ，１２ｂ及び液体窒素容器１３ａ，１３ｂ内の液
体窒素中に浸漬させた浸漬熱交換器１４ａ，１４ｂと、
該浸漬熱交換器１４ａ，１４ｂで冷却されて液化した成
分を分離する液空ボトル１５ａ，１５ｂとを配設したも
のである。なお、低温吸着器１１ａ，１１ｂ内には、活
性炭，モレキュラシーブス等が充填されている。
【００１９】前記低温吸着器１１ａ，１１ｂには、該低
温吸着器冷却用の液体窒素を流すための液体窒素コイル
１６ａ，１６ｂが巻回されており、前記浸漬熱交換器１
４ａ，１４ｂを収容する液体窒素容器１３ａ，１３ｂ内
には、該液体窒素コイル１６ａ，１６ｂを導出した気液
二相の液体窒素が管１７ａ，１７ｂを介して導入され
る。この浸漬熱交換器１４ａ，１４ｂを収容する液体窒
素容器１３ａ，１３ｂの容量及び浸漬熱交換器１４ａ，
１４ｂの大きさは、該浸漬熱交換器１４ａ，１４ｂで低
温吸着に必要な温度に不純ヘリウムガスを冷却できるこ
と、即ち、予冷時に不純ヘリウムガスの温度を液体窒素
温度付近に冷却することを考慮して設定されるもので、
液体窒素容器１３ａ，１３ｂの容量は、従来の浸漬熱交
換器と低温吸着器を収容する液体窒素溜に比べて大幅に
小さくなっている。
【００２０】また、前記熱交換器１２ａ，１２ｂには、
不純ヘリウムガスの流路１８ａ，１８ｂと、低温吸着器
１１ａ，１１ｂを導出した精製ヘリウムガスの流路１９
ａ，１９ｂと、前記浸漬熱交換器１４ａ，１４ｂの液体
窒素容器１３ａ，１３ｂから導出した窒素ガスの流路２
０ａ，２０ｂとが設けられている。
【００２１】そして、不純ヘリウムガスの導入経路２１
及び精製ヘリウムガスの導出経路２２には、上記低温精
製器Ａ，Ｂの切換えに対応するための各種管路及び弁が
設けられるとともに、低温吸着器１１ａ，１１ｂを加温
するための加温窒素ガス導入経路２３が設けられてい
る。
【００２２】以下、低温精製器Ａ，Ｂを切換えながら不
純ヘリウムガスを精製する手順に従って説明する。
【００２３】まず、一方の低温精製器Ａが精製工程にあ
り、他方の低温精製器Ｂの低温吸着器１１ｂの再生が行
われる場合、不純ヘリウムガスは、導入経路２１から流
量調節弁５１ａ，入口弁５２ａから熱交換器１２ａの流
路１８ａを通って浸漬熱交換器１４ａに導入され、ここ
で液体窒素温度付近まで冷却される。
【００２４】浸漬熱交換器１４ａを導出した不純ヘリウ
ムガスは、液空ボトル１５ａで冷却により生じた液化ガ
スを分離した後、低温吸着器１１ａに導入される。低温
吸着器１１ａ内に充填されている吸着剤で不純物成分
（空気成分）を吸着除去した精製ヘリウムガスは、熱交
換器１２ａの流路１９ａで昇温した後、出口弁５３ａを
通って導出経路２２から導出される。
【００２５】他方の低温吸着器１１ｂの再生は、まず、
入口弁５２ｂ及び出口弁５３ｂを閉じ、さらに液体窒素
導入弁５４ｂを閉じて液体窒素排出弁５５ｂを開き、液
体窒素容器１３ｂ内から液体窒素を排出する。また、液
空ボトル１５ｂ内の液化ガスも、ドレン弁５６ｂを開閉
して排出する。
【００２６】次いで、液体窒素排出弁５５ｂを閉じて加
温窒素ガス導入弁５７ｂを開き、加温窒素ガス導入経路
２３から供給され、加熱器２４で１００℃以上に加熱さ
れた窒素ガスを低温吸着器１１ｂ内に導入して吸着剤を
加温し、該吸着剤に吸着している不純物成分を脱着して
排出弁５８ｂから排出する。
【００２７】上記加温再生を所定時間行った後、又は低
温吸着器１１ｂの出口温度が所定温度（常温付近）に到
達した時点で、加温窒素ガス導入弁５７ｂを閉じて排出
弁５８ｂ又は該排出弁５８ｂに設けられた図示しない排
気用配管に接続されている真空ポンプで低温吸着器１１
ｂ内を真空排気する。
【００２８】上記のようにして低温吸着器１１ｂ内の吸
着剤の加温再生及び真空再生を終えた後、排出弁５８ｂ
を閉じ、出口弁５３ｂを閉じたまま入口弁５２ｂを微開
とするか、徐々に開き、低温吸着器１１ｂ内に不純ヘリ
ウムガスを導入して該吸着器１１ｂ内を吸着運転圧力に
するとともに、液体窒素導入弁５４ｂを開いて液体窒素
コイル１６ｂ及び液体窒素容器１３ｂ内への液体窒素の
供給を開始し、低温吸着器１１ｂ及び浸漬熱交換器１４
ｂを冷却する。
【００２９】低温吸着器１１ｂ内が所定圧力になった
ら、回収弁５９ｂを開いて低温吸着器１１ｂから導出し
たヘリウムガスを低温精製器Ａ側の経路に合流させる。
このヘリウムガスは、導入経路２１の流量調節弁５１ａ
上流で分岐し、流量調節弁５１ｂ，入口弁５２ｂ，熱交
換器１２ｂの流路１８ｂ及び浸漬熱交換器１４ｂを通っ
て低温吸着器１１ｂ内に導入され、内部の吸着剤を運転
温度まで冷却するために用いられたもので、低温吸着器
１１ｂ導出後も不純物成分を含むものである。
【００３０】低温精製器Ａ側の経路に合流した上記吸着
器予冷用のヘリウムガスは、前述のようにして低温精製
器Ａで精製されて精製ヘリウムガスの導出経路２２から
導出される。
【００３１】また、上記予冷用に用いる不純ヘリウムガ
スの量は、流量調節弁５１ａ，５１ｂに設けられた差圧
計６０ａでの検出値に基づいて両弁あるいは入口弁５２
ａ，５２ｂの開度を調節することにより制御することが
できるが、特に再生温度を常温以上の１００℃程度に設
定する場合は、その予冷初期は、熱交換器１２ｂの流路
１９ｂを通るガスの温度が高く、流路１８ｂを流れる予
冷用の不純ヘリウムガスを冷却できないので、浸漬熱交
換器１４ｂにおける液体窒素との熱交換負荷が大きくな
るため、該浸漬熱交換器１４ｂの能力に応じて適宜設定
するようにする。
【００３２】一方、低温吸着器１１ｂ及び不純ヘリウム
ガスを冷却するために、前記液体窒素コイル１６ｂ及び
液体窒素容器１３ｂ内へ供給される液体窒素量は、液体
窒素容器１３ｂ内の液量を液面計６１ｂで検出して液体
窒素導入弁５４ｂの開度を調節することにより行われ、
冷却時の液体窒素容器１３ｂ内には常に一定レベルの液
体窒素が溜められている。
【００３３】上記低温吸着器１１ｂの予冷を所定時間行
った後、低温精製器Ａ側が再生工程に入り、低温精製器
Ｂ側が精製工程にはいる。なお、両工程は、低温精製器
Ａ，Ｂ共、同様の操作で行われるものであり、低温精製
器Ｂ側の符号「ｂ」を付したものに対応するものに符号
「ａ」を付して低温精製器Ａ側の再生操作の説明は省略
する。
【００３４】本実施例に示すヘリウムガス精製装置は、
以上のようにして両低温精製器Ａ，Ｂを切換えながら連
続的にヘリウムガスの精製を行うものである。そして、
低温精製器Ａ，Ｂ内の低温吸着器１１ａ，１１ｂの再生
にあたって、まず、加温工程では、液体窒素容器１３
ａ，１３ｂの容量が従来の液体窒素溜に比べて小さいた
め、該液体窒素容器１３ａ，１３ｂ内からの液体窒素の
排出時間を大幅に短縮でき、熱容量も小さくなるので加
温時間も短縮することができる。
【００３５】また、再生終了後の予冷工程においても、
低温吸着器１１ａ，１１ｂに巻回した液体窒素コイル１
６ａ，１６ｂに液体窒素を供給して低温吸着器１１ａ，
１１ｂを外部から冷却するとともに、該液体窒素が供給
される浸漬熱交換器１４ａ，１４ｂで冷却した不純ヘリ
ウムガスを低温吸着器１１ａ，１１ｂ内に導入して内部
からも冷却するので、低温吸着器１１ａ，１１ｂを所定
温度まで冷却する時間も大幅に短縮することができる。
また、予冷時間を適当に設定することが可能である。
【００３６】しかも、予冷に用いた不純ヘリウムガス
は、精製工程を行っている低温精製器で精製するので、
ヘリウムガスが無駄になることはない。
【００３７】加えて、浸漬熱交換器１４ａ，１４ｂから
の低温窒素ガスを熱交換器１２ａ，１２ｂに流すように
しているので、該熱交換器１２ａ，１２ｂの予冷も同時
に行うことができ、再生工程から精製工程に移る際に、
熱交換器１２ａ，１２ｂが十分に冷却されていないため
に比較的温度が高いガスが浸漬熱交換器１４ａ，１４ｂ
内に流入することも防止できる。
【００３８】さらに、上記予冷工程及び精製工程におい
て、浸漬熱交換器１４ａ，１４ｂにおける液体窒素量に
基づいて液体窒素コイル１６ａ，１６ｂに供給する液体
窒素量を調節することにより、常に必要十分な冷却を行
うことができる。即ち、この液体窒素量の調節は、定常
時と予冷時とに関わりなく、液体窒素容器１３ａ，１３
ｂの液面計６１ａ，６１ｂにより制御するので容易に行
える。
【００３９】浸漬熱交換器１４ａ，１４ｂで蒸発して熱
交換器１２ａ，１２ｂの流路２０ａ，２０ｂから導出さ
れる窒素ガスの温度を、流路２０ａ，２０ｂの出口部分
で測定して行うこともできる。
【００４０】また、上記低温吸着器１１ａ，１１ｂの液
体窒素コイル１６ａ，１６ｂは、吸着器内部に配設する
こともでき、低温吸着器１１ａ，１１ｂにヒーターを設
け、加熱器２４を省略することもできる。
【００４１】さらに、不純ヘリウムガス中の空気成分が
少ない場合には、液空ボトル１５ａ，１５ｂを省略する
ことができる。
【００４２】なお、不純ヘリウムガスの処理量や不純物
含有量の条件等により、低温吸着器を複数本設けた場合
には、液体窒素導入弁をバイパスして浸漬熱交換器の容
器に直接液体窒素を供給する経路を設けることが好まし
い。
【００４３】本実施例では、低温精製器自体を２系統設
けたが、低温吸着器部分のみを２系統に形成することも
可能であり、この場合は、熱交換器や浸漬熱交換器、液
空ボトル等は１系統になる。
【００４４】
【００４５】
【００４６】
【００４７】
【００４８】
【００４９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
低温吸着器を再生する際の加温工程及び予冷工程の時間
短縮を図ることができるので、低温吸着器の再生に要す
る時間を短縮でき、低温吸着器の切換え時間を短くする
ことができる。これにより、１サイクルあたりの処理量
を減少させることができ、必要吸着剤の量を低減して低
温吸着器や断熱容器、ヒーター等の付帯設備を小さくす
ることができるので、精製装置のコストを下げることが
可能になる。
【００５０】また、冷却のための液体窒素消費量や、再
生時の加温のためのユーティリティの消費量も低減でき
るので、運転に要するコストも低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のヘリウムガス精製装置の一実施例を
示す系統図である。
【図２】 従来の低温精製器の一例を示す系統図であ
る。
【符号の説明】
Ａ，Ｂ…低温精製器 １０ａ，１０ｂ…断熱容器 １１ａ，１１ｂ…低
温吸着器 １２ａ，１２ｂ…熱交換器 １３ａ，１３ｂ…液
体窒素容器 １４ａ，１４ｂ…浸漬熱交換器 １５ａ，１５ｂ
…液空ボトル １６ａ，１６ｂ…液体窒素コイル ２１…不純ヘ
リウムガスの導入経路 ２２…精製ヘリウムガスの導出経路 ２３…加温
窒素ガス導入経路 ５２ａ，５２ｂ…入口弁 ５３ａ，５３ｂ…出口
弁 ５４ａ，５４ｂ…液体窒素導入弁 ５５ａ，５５
ｂ…液体窒素排出弁 ５７ａ，５７ｂ…加温窒素ガス導入弁
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B01D 53/04 F25J 3/08

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ヘリウムガス中の不純物を低温吸着器で
    吸着除去するヘリウムガス精製装置において、不純物を
    含む不純ヘリウムガスの流路及び前記低温吸着器を導出
    した精製ヘリウムガスの流路及び不純ヘリウムガス冷却
    用の液体窒素の流路を有して前記不純ヘリウムガスを冷
    却する熱交換器と、該不純ヘリウムガスを更に冷却し部
    分液化するための浸漬熱交換器と、該浸漬熱交換器で部
    分液化した成分を気液分離する液空ボトルと、前記低温
    吸着器と、該低温吸着器を外部から冷却する液体窒素冷
    却管と、該液体窒素冷却管を導出した気液混相の窒素を
    導入する前記浸漬熱交換器を浸漬した液体窒素容器とを
    それぞれ断熱容器に収納した低温精製器を、精製と再生
    とに切換えて連続使用するために少なくとも２基備え、
    前記低温精製器への不純ヘリウムガス導入経路を、各低
    温精製器に対応させて分岐して、該分岐後の管路に流量
    調節弁及び入口弁を設け、各低温精製器から精製ヘリウ
    ムガス導出する管路を出口弁を介して精製ヘリウム導出
    経路に合流し、前記出口弁の上流と他の低温精製器の入
    口弁の下流とを回収弁を有する管路にて接続したことを
    特徴とするヘリウムガス精製装置。
  2. 【請求項２】 前記流量調節弁に、該流量調節弁あるい
    は前記入口弁の開度を調節するための差圧計を設けたこ
    とを特徴とする請求項１記載のヘリウムガス精製装置。
  3. 【請求項３】 請求項１記載のヘリウムガス精製装置の
    運転方法において、不純ヘリウムガスの精製を行ってい
    る低温精製器では、熱交換器及び浸漬熱交換器で冷却し
    て部分液化した不純ヘリウムガスを液空ボトルで気液分
    離し、液空ボトルの気相部の不純ヘリウムガス中の不純
    物を低温吸着器で吸着除去し、不純物を吸着除去した精
    製ヘリウムガスを前記熱交換器で前記不純ヘリウムガス
    と熱交換して昇温させて当該低温精製器から導出し、前
    記低温吸着器の再生を行っている低温精製器では、低温
    吸着器の吸着剤の加温再生後の予冷時に、再生を行って
    いる低温精製器の流量調節弁及び入口弁を開いて不純ヘ
    リウムガス導入経路から導入される不純ヘリウムガスの
    一部を分岐し、熱交換器及び浸漬熱交換器で冷却して前
    記吸着剤の冷却に用いた後、前記熱交換器で前記不純ヘ
    リウムガスと熱交換して昇温させて当該低温精製器から
    導出し、閉じられている出口弁の上流から回収 弁を介し
    て精製を行っている低温精製器に導入される不純ヘリウ
    ムガスに合流させることを特徴とするヘリウムガス精製
    装置の運転方法。
  4. 【請求項４】 前記予冷時に使用される不純ヘリウムガ
    スは、流量調節弁あるいは前記入口弁の開度を、前記流
    量調節弁に設けた差圧計の検出値に基づいて調節するこ
    とにより流量調節されることを特徴とする請求項３記載
    のヘリウムガス精製装置の運転方法。
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