JPH0776668B2 - ガス導入装置 - 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、水素等の液
化装置にガスを導入するためのガス導入装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】従来、ヘリウムガスや水素ガス等を冷却
し、液化する装置は数々知られている。ところが、この
ような液化装置にガスをそのまま導入すると、このガス
中に含まれる不純物が低温の熱交換路中で凝固し、熱交
換路を塞いでしまう。このような事態が生じた場合に
は、上記熱交換路を加温して不純物を溶解させるいわゆ
る再生動作が必要となるが、上記ガス中の不純物が多い
ほど、上記再生動作を頻繁に行わなければならず、液化
効率が著しく低減する不都合が生じる。

【０００３】そこで、特公昭５２−４５１７号公報に
は、ガスの液化を行う熱交換器に導入する前に、このガ
ス中の不純物を熱交換によって除去するガス浄化システ
ムを設置したものが示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記公報の装置では、
熱交換器によってガスの浄化を行っているので、この浄
化用の熱交換器自身の内部で不純物が凍結するおそれが
ある。この場合には、ガス浄化用の熱交換器について結
局再生動作を要し、しかも、上記不純物が多いほど再生
動作を頻繁に行わなければならない不都合がある。すな
わち、この装置では、浄化システムも含めた液化システ
ム全体における再生頻度を低減させることは困難であ
る。

【０００５】本発明は、このような事情に鑑み、簡単な
構成で、液化システム全体における熱交換器の再生頻度
を大幅に削減することができるガス導入装置を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、導入されたガ
スを冷却により液化する液化装置にガスを導入するため
のガス導入装置において、ガスを圧送する圧送手段と、
圧送されるガスの成分のうち液化を目的とするガス成分
を優先的に透過させる分離膜とを備え、上記圧送手段の
下流側に、上記分離膜が設けられた第１の通路と、上記
分離膜をバイパスする第２の通路とを設けるとともに、
両通路を開閉する開閉切換手段と、導入ガスにおける液
化目的成分の濃度を検出し、この検出濃度が一定値以上
の場合に上記第１の通路に導入ガスを通し、上記検出濃
度が一定値未満の場合に上記第２の通路に導入ガスを通
すように上記開閉切換手段の切換制御を行う切換制御手
段とを備えたものである（請求項１）。

【０００７】また本発明は、導入されたガスを冷却によ
り液化する液化装置にガスを導入するためのガス導入装
置において、ガスを圧送する圧送手段と、圧送されるガ
スの成分のうち液化を目的とするガス成分を優先的に透
過させる分離膜とを備え、上記圧送手段の下流側に、ガ
スをそのまま液化装置に導入するための導入通路と、途
中に分離膜が設けられ、ガスを上記圧送手段の上流側に
戻すための還流通路とを設けるとともに、両通路を開閉
する開閉切換手段と、導入ガスにおける液化目的成分の
濃度を検出し、この検出濃度が一定値以上の場合に上記
導入通路に導入ガスを通し、上記検出濃度が一定値未満
の場合に上記還流通路に導入ガスを通すように上記開閉
切換手段の切換制御を行う切換制御手段とを備えたもの
である（請求項２）。

【０００８】

【作用】まず、請求項１記載の装置によれば、導入ガス
が分離膜を通る際に、このガスにおいて液化を目的とす
る成分ガスが優先的に透過されるので、これによりガス
の純度が高まり、このような高純度の状態でガスが液化
装置に導入されることにより、この液化装置内での不純
物の凍結が大幅に減り、再生頻度も削減される。しか
も、ガスの浄化には熱交換を用いていないので、ガス導
入装置での再生動作は不要である。

【０００９】そして、回収ガスの不純物濃度が一定値未
満の場合には同ガスが直接液化装置に導入され、上記不
純物濃度が一定値以上の場合にのみ、上記ガスが分離膜
を通った後に液化装置に導入される。

【００１０】また、請求項２記載の装置によれば、回収
ガスの不純物濃度が一定値未満の場合には同ガスが直接
液化装置に導入され、上記不純物濃度が一定値以上の場
合にのみ、このガスは分離膜を通りながら還流される。

【００１１】

【実施例】本発明の第１実施例を図１および図２に基づ
いて説明する。

【００１２】図２は、ヘリウム液化システム全体の構成
を示したものであり、このシステムは、液化装置１０、
ガス循環装置１２、およびガス回収装置（本発明のガス
導入装置に対応）１４を備えている。

【００１３】上記ガス循環装置１２は、純ヘリウムガス
を供給するためのヘリウムガス供給用マニホ―ルド１
６、このヘリウムガスを圧送するヘリウム圧縮機１８、
運転中のガス圧力変動を吸収するリカバリタンク２０、
およびバラストタンク２２を備え、システムの始動時
に、上記ヘリウムガス供給マニホ―ルド１６内の純ヘリ
ウムガスが上記ヘリウム圧縮機１８によって圧縮され、
通路２４を通じて液化装置１０の液化装置本体２５に供
給されるようになっている。

【００１４】この通路２４を流れるガスは、第１熱交換
器２６で液化窒素との熱交換により予冷された後、不純
ガス除去用の吸着器３２を通り、さらに第２〜第５熱交
換器２７〜３０を通って冷却され、さらにＪＴ弁４０を
通って液化された後、デリバリ―チュ―ブ４２内の供給
通路４４を介して液化ヘリウム容器４６内に供給され
る。この液化ヘリウム容器４６内のガスは戻り通路４８
を通って上記熱交換器２６〜３０で供給ガスと熱交換さ
れ、前記ガス還流装置１２に戻される。また、上記通路
２４中のガスは、弁３４が適宜開かれることにより膨脹
機３６，３８に導かれ、上記戻り通路４８に合流する。
このようなガス還流が繰返されることにより、ヘリウム
ガスの液化が進行される。

【００１５】さて、上記液化ヘリウム容器４６内の液体
ヘリウムは、トランスファチュ―ブ５０を通じて外部に
引出され、ユ―ザ―側で使用されることになるが、この
ような使用によってガス化した後、このガスはガス回収
装置１４に回収され、上記液化装置１０に再導入される
ようになっている。

【００１６】このガス回収装置１４は、図１に示すよう
に、回収したガスを貯留するエアバック６２を備え、そ
の下流側に、回収ガス圧縮機（圧送手段）５２およびク
―ラ―５４が設けられている。このク―ラ―５４の下流
側で、ガス通路は、液化装置へ向かう通路５５と、回収
ガスカ―ドル５８へ向かう通路とに分岐しており、回収
ガスカ―ドル５８へ向かう通路には開閉切換弁５６が設
けられている。この開閉切換弁５６と回収ガスカ―ドル
５８との間の通路は、開閉切換弁６０を介して上記ガス
タンク６２に連通されている。

【００１７】上記通路５５は、上記液化装置１０に直接
通ずる第２の通路６３と、途中に分離膜ユニット７０が
設けられた第１の通路６４とに分岐しており、各通路６
３，６４には開閉切換弁６６，６８がそれぞれ設けられ
ている。

【００１８】上記分離膜ユニット７０は、適当なハウジ
ングを有し、このハウジング内に酢酸セルロ―ス等の繊
維からなる半透性膜が載置されたものであり、この半透
性膜には、流れるガス中のヘリウムを優先的に透過させ
る性質をもったものが用いられている。なお、この分離
膜ユニット７０自体については既に公知のところであ
り、例えば特公昭６３−４４４１０号公報に示されるも
の等、種々のものが適用可能である。

【００１９】また、この分離膜ユニット７０から延びる
排出路には開閉切換弁７２が設けられている。

【００２０】さらに、上記回収ガス圧縮機５２の下流側
通路には、この通路内を流れるガスの不純物濃度を検出
する濃度計（切換制御手段）７４、および同ガスの圧力
に応じてオンオフされる圧力スイッチ７６が設けられて
いる。そして、これらの検出結果に基づき、次のような
切換制御が実行されるようになっている。

【００２１】(a) ガス導入中、検出濃度が所定値未満
（この実施例では２％未満）の場合は、開閉切換弁６６
を開き、開閉切換弁６８を閉じる。逆に、検出濃度が所
定値以上（２％以上）の場合は、開閉切換弁６６を閉
じ、開閉切換弁６８を開く。

【００２２】(b) 検出圧力が所定値未満（この実施例
では５０気圧未満）、すなわち導入ガスとして直接使用
できる圧力に達していない場合には、開閉切換弁５６を
閉じ、開閉切換弁６０を開く。これにより、ガスはガス
バッグ６２に戻され、回収ガス圧縮機５２により再圧縮
される。これ以外の場合には、開閉切換弁５６を開き、
開閉切換弁６０を閉じる。

【００２３】(c) 検出濃度が一定値以上となった時点
で開閉切換弁７２を開く。

【００２４】なお、図１において７８〜８０は補圧弁で
ある。

【００２５】このガス回収装置１４から出されたガス
は、上記液化装置１０内に設けられた熱交換器（内部精
製器）８２，８４に導入され、ここで冷却された後、通
路２４に導かれるようになっている。

【００２６】次に、上記ガス回収装置１４の作用を説明
する。

【００２７】まず、初期の段階では開閉切換弁６０，６
６，６８が閉じられ、かつ開閉切換弁５６が開かれる。
一方、回収された不純ガスはガスバッグ６２内に一時滞
留し、その後回収ガス圧縮機５２で約１５０気圧まで圧
縮され、回収ガスカ―ドル５８内に貯留される。

【００２８】このガスが少しずつ払い出されながら、そ
の濃度が濃度計７４により監視される。この濃度が２％
未満の場合には、開閉切換弁６８が閉じられ、開閉切換
弁６６が開かれるので、ガスは第２の通路６３を通じて
直接、すなわち分離膜ユニット７０をバイパスして、液
化装置１０内の熱交換器８２，８４に導入される。この
とき、ガスの不純物濃度は２％未満であるため、熱交換
器８２，８４内で不純物が凍結する量も極めて僅かに抑
えられる。

【００２９】ここで、開閉切換弁６６を通して使用する
のは、分離膜７０を使用する時にいくらかのガスが不純
物とともに開閉切換弁７２を通して消費されるのを防ぐ
とともに分離膜７０の寿命を延ばすためである。

【００３０】これに対し、上記検出濃度が２％以上の場
合には、切換弁６６が閉じられ、かつ切換弁６８が開か
れるので、ガスは第１の通路６４に設けられた分離膜ユ
ニット７０に導かれる。この分離膜ユニット７０では、
他の不純物に比してヘリウムガスが優先的に透過される
ので、この分離膜ユニット７０を透過したガスはヘリウ
ム純度が高められた状態となる。例えば、分離膜に上記
酢酸セルロ―スからなるものを用いた場合、これを通過
する前のガスの不純成分濃度を10％とすると、通過後に
は上記濃度が２％まで低減されることが判明している。
このようにして純度が高められた後にガスが熱交換器８
２，８４に導入されることにより、やはり熱交換器８
２，８４内での凍結は微小に抑えられ、この熱交換器８
２，８４での再生頻度は大幅に低減される。

【００３１】なお、分離膜ユニット７０において分離膜
の上流側に溜った不純ガスは、純度を保つため入口濃度
で開閉切換弁７２を通じて適宜排出される。

【００３２】次に、第２実施例を図３に基づいて説明す
る。

【００３３】この実施例では、回収ガス圧縮機５２の下
流側に２つの回収ガスカ―ドル８６，８７が並列に接続
され、各回収ガスカ―ドル８６，８７の上流側に開閉切
換弁８８，８９が配設されている。

【００３４】上流側の回収ガスカ―ドル８６と開閉切換
弁８８との間の通路は還流通路９１を介してガスバッグ
６２に連通されており、この還流通路９１の途中に前記
実施例と同様の分離膜ユニット７０、開閉切換弁７２、
およびこの開閉切換弁７２を開閉制御する濃度計９０が
設けられている。これに対し、下流側の回収ガスカ―ド
ル８７と開閉切換弁８９との間の通路には、上記液化装
置１０の熱交換器８２，８４に直接至る導入通路９２が
接続されている。

【００３５】この実施例装置においても、上記回収ガス
圧縮機５２の下流側に濃度計７４が設けられており、こ
の濃度計７４により次のような開閉制御が実行される。

【００３６】まず、回収ガスは上記実施例と同様にガス
バッグ６２に溜められ、回収ガス圧縮機５２で約１５０
気圧まで圧縮されるが、このガスの不純物濃度が２％以
上である場合には、開閉切換弁８９が閉じられるととも
に開閉切換弁８８が開かれ、不純ガスは一旦回収ガスカ
―ドル８６に貯留される。この回収ガスカ―ドル８６内
のガスは、分離膜ユニット７０を通過して浄化された
後、ガスタンク６２に戻され、再び回収ガス圧縮機５２
による圧縮操作を受ける。

【００３７】これに対し、上記不純物濃度が２％未満で
ある場合には、開閉切換弁８８が閉じられるとともに開
閉切換弁８９が開かれ、回収ガスは回収ガスカ―ドル８
６で貯留され、そのまま導入通路２９を通じて液化装置
１０内の熱交換器８２，８４に導入される。

【００３８】このような装置においても、液化装置１０
内には常に高純度に保たれたヘリウムガスが導入される
ので、熱交換器８２，８４における不純物の凍結は大幅
に抑制される。

【００３９】なお、本発明はこのような実施例に限定さ
れるものでなく、例として次のような態様をとることも
可能である。

【００４０】(1) 本発明において、液化の対象となる
ガスはヘリウムガスに限らず、例えば水素ガスやアルゴ
ンガスの液化にも容易に適用が可能であり、これらの浄
化に適した分離膜、すなわち上記ガスを優先的に透過さ
せる半透性膜を使用することにより、上記と同様の効果
を得ることができる。

【００４１】(2) 本発明のガス導入装置が適用される
液化装置は、その具体的な構成を問わず、本発明は、導
入されたガスを冷却によって液化する種々の装置につい
て適用が可能である。

【００４２】

【発明の効果】以上のように本発明は、圧送するガスの
成分のうち液化を目的とするガス成分を優先的に透過さ
せる分離膜を用いてガスの浄化を行い、液化装置に導入
するものであるので、液化装置における熱交換器内での
不純物の凍結による詰まりを抑えることができ、これに
より再生頻度を低減させるとともに、ガス導入装置自身
での再生操作をも不要にすることにより、このガス導入
装置を含めたガス液化システム全体の熱交換器の再生頻
度を従来に比して大幅に低減させることができる効果が
ある。

【００４３】しかも、請求項１記載の装置によれば、回
収ガスの濃度が一定値以上の場合には、分離膜が設けら
れた第１の通路を通して導入ガスの純度を高め、回収ガ
スの濃度が一定値未満の場合には第２の通路を通して直
接液化装置にガスを導入することにより、上記分離膜を
真に必要な場合にのみ用いることができ、その寿命を延
ばすことができる効果がある。

【００４４】また、請求項２記載の装置においても、回
収ガスの濃度が一定値以上の場合にのみこのガスを分離
膜を通して還流させることにより、分離膜の寿命を延ば
すことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例におけるガス回収装置の全
体構成図である。

【図２】上記ガス回収装置を備えたガス液化システムの
全体構成図である。

【図３】本発明の第２実施例におけるガス回収装置の全
体構成図である。

【符号の説明】

１０ 液化装置 １４ ガス回収装置（ガス導入装置） ５２ 回収ガス圧縮機（圧送手段） ６３ 第１の通路 ６４ 第２の通路 ６６，６８，８８，８９ 開閉切換弁（開閉切換手段） ７０ 分離膜ユニット ７４ 濃度計（切換制御手段） ９１ 還流通路 ９２ 導入通路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 導入されたガスを冷却により液化する液
   化装置にガスを導入するためのガス導入装置において、
   ガスを圧送する圧送手段と、圧送されるガスの成分のう
   ち液化を目的とするガス成分を優先的に透過させる分離
   膜とを備え、上記圧送手段の下流側に、上記分離膜が設
   けられた第１の通路と、上記分離膜をバイパスする第２
   の通路とを設けるとともに、両通路を開閉する開閉切換
   手段と、導入ガスにおける液化目的成分の濃度を検出
   し、この検出濃度が一定値以上の場合に上記第１の通路
   に導入ガスを通し、上記検出濃度が一定値未満の場合に
   上記第２の通路に導入ガスを通すように上記開閉切換手
   段の切換制御を行う切換制御手段とを備えたことを特徴
   とするガス導入装置。
2. 【請求項２】 導入されたガスを冷却により液化する液
   化装置にガスを導入するためのガス導入装置において、
   ガスを圧送する圧送手段と、圧送されるガスの成分のう
   ち液化を目的とするガス成分を優先的に透過させる分離
   膜とを備え、上記圧送手段の下流側に、ガスをそのまま
   液化装置に導入するための導入通路と、途中に分離膜が
   設けられ、ガスを上記圧送手段の上流側に戻すための還
   流通路とを設けるとともに、両通路を開閉する開閉切換
   手段と、導入ガスにおける液化目的成分の濃度を検出
   し、この検出濃度が一定値以上の場合に上記導入通路に
   導入ガスを通し、上記検出濃度が一定値未満の場合に上
   記還流通路に導入ガスを通すように上記開閉切換手段の
   切換制御を行う切換制御手段とを備えたことを特徴とす
   るガス導入装置。