(57)【要約】【課題】小型かつ簡易な設備で、ヘリウムガスを回収し、再利用が可能なヘリウムガス回収供給システムを提供する。【解決手段】コールドスプレー装置２０と、コールドスプレーガン２３Ａの先端と基材とを収容し、且つ内部を気密に保持可能なブース３０と、ブース３０内に窒素ガスを供給する窒素ガス供給装置３２と、ブース３０内から回収したヘリウムガスと窒素ガスとを含む混合ガスから窒素ガスを除去してヘリウムガスを回収するヘリウムガス回収装置５０と、回収したヘリウムガスをコールドスプレー装置２０に供給するヘリウムガス供給装置８１と備える、ヘリウムガス回収供給システム１１を選択する。【選択図】図１
2018083731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音流速とされたヘリウムガスとともに、先端から原料粉末を固相状態のまま基材に噴出するコールドスプレーガンを有するコールドスプレー装置と、
内部に少なくとも前記コールドスプレーガンの先端と、前記基材とを収容し、且つ内部を気密に保持可能なブースと、
前記ブース内に窒素ガスを供給する窒素ガス供給装置と、
前記ブース内から回収したヘリウムガスと窒素ガスとを含む混合ガスから前記窒素ガスを除去して前記ヘリウムガスを回収するヘリウムガス回収装置と、
回収した前記ヘリウムガスを前記コールドスプレー装置に供給するヘリウムガス供給装置と、を備える、ヘリウムガス回収供給システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘリウムガス回収供給システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
特許文献１には、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し、再利用する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００４−５２６０５２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】榊、「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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、排気ガスからヘリウムガスを精製する場合、圧力吸着装置の吸着塔の大きさを非常に大きくする必要や、吸着塔を数多く設ける必要があった。そのため、ヘリウムガス回収供給システムが大型かつ複雑になってしまうという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小型かつ簡易な設備で、ヘリウムガスを回収し、再利用が可能なヘリウムガス回収供給システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、以下の構成を採用した。
（１）  超音流速とされたヘリウムガスとともに、先端から原料粉末を固相状態のまま基材に噴出するコールドスプレーガンを有するコールドスプレー装置と、
内部に少なくとも前記コールドスプレーガンの先端と、前記基材とを収容し、且つ内部を気密に保持可能なブースと、
前記ブース内に窒素ガスを供給する窒素ガス供給装置と、
前記ブース内から回収したヘリウムガスと窒素ガスとを含む混合ガスから前記窒素ガスを除去して前記ヘリウムガスを回収するヘリウムガス回収装置と、
回収した前記ヘリウムガスを前記コールドスプレー装置に供給するヘリウムガス供給装置と、を備える、ヘリウムガス回収供給システム。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のヘリウムガス回収供給システムによれば、小型かつ簡易な設備で、ヘリウムガスを回収し、再利用が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明を適用した一実施形態であるヘリウムガス回収供給システムの構成の一例を示す系統図である。
【図２】本発明を適用した一実施形態であるヘリウムガス回収供給システムに適用可能なヘリウムガス回収装置の構成の一例を示す系統図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を適用した一実施形態であるヘリウムガス回収供給システムについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
【００１３】
＜ヘリウムガス回収供給システム＞
先ず、本発明を適用した一実施形態であるヘリウムガス回収供給システムの構成の一例について説明する。
図１は、本発明を適用した一実施形態であるヘリウムガス回収供給システムの構成の一例を示す系統図である。図１に示すように、本実施形態のヘリウムガス回収供給システム１１は、コールドスプレー装置２０と、ブース３０と、ヘリウムガス回収供給ラインＬ１と、窒素ガス供給装置３２と、集塵ラインＬ２と、集塵機３４と、冷却機３６と、フィルタ３７と、第１ポンプ４０と、ヘリウムガス回収装置５０と、酸素除去部６８と、第２ポンプ７０と、ヘリウムガス供給装置８１とを備えて、概略構成されている。
【００１４】
本実施形態のヘリウムガス回収供給システム１１は、コールドスプレー装置２０を運転する際、後述するコールドスプレーガン２３の先端から原料粉末とともに噴出したヘリウムガスを窒素ガスとの混合ガスとして回収した後、窒素ガスを除去して精製したヘリウムガスを再びコールドスプレー装置２２にて供給するシステムである。
【００１５】
コールドスプレー装置２０は、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とを有して、概略構成されている。コールドスプレー装置２０は、超音流速とされたヘリウムガスとともに、原料粉末を固相状態のまま基材に噴出して、当該基材の表面に皮膜を形成する装置である。
【００１６】
ガスコントロール部２２では、後述するヘリウムガス供給装置８１から供給されたヘリウムガスを高温（例えば、９００℃以上）に加熱する。ガスコントロール部２２としては、特に限定されるものではなく、例えば、発熱抵抗体の１以上のチューブよりなるキャリアガスヒーターを用いることができる。キャリアガスヒーターは、ヘリウムガスの加熱を安定させるために、上記チューブを直列に接続することで構成してもよい。
【００１７】
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と接続されており、ガスコントロール部２２で加熱されたヘリウムガスと原料粉末とを所定時間以上接触させる構造を有している。なお、コールドスプレーガン２３は、ガスコントロール部２２と直接連結される構成であってもよい。
【００１８】
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なる。原料粉末は、超音流速とされたヘリウムガスとともに、固相状態のままノズル２３Ａから基材に向けて噴出される。これにより、基材の表面に皮膜が形成される。
【００１９】
基材は、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に皮膜が形成されるための最適条件を勘案して設定することが好ましい。
【００２０】
ブース３０は、区画された空間を提供する筐体であり、内部の空間に少なくともコールドスプレーガン２３のノズル２３Ａの先端２３ａと基材とを収容する。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２０の構成要素は、ブース３０内に収容してもよいし、ブース３０外に設置してもよい。
【００２１】
ブース３０を構成する筐体は、上部３０Ａと下部３０Ｂとによって構成される。また、ブース３０の内部の空間３８は、気密に保持可能であるとともに、下方側がコールドスプレー処理領域３８Ａ、上方側がガス回収領域３８Ｂとされている。
【００２２】
コールドスプレー処理領域３８Ａは、コールドスプレー処理（基材の皮膜形成）が行われる空間である。一方、ガス回収領域３８Ｂは、ヘリウムガスの割合の高い混合ガスを集めるための空間である。
【００２３】
ガス回収領域３８Ｂの形状は、特に限定されるものではないが、ブース３０の底面３０ｂ側から頂部３０ａに向かうにつれて、漸次幅が狭くなることが好ましい。具体的には、三角錘、四角錘、円錐等が挙げられる。これにより、ガス回収領域３８Ｂ中のヘリウムガスは、上部３０Ａの内壁がガイドになり、頂部３０ａに集められる。したがって、空間３８内に残存するヘリウムガスを含む混合ガスのうち、ヘリウム含有量が高い混合ガスを、確実に頂部３０ａに集めることできる。
【００２４】
空間３８の容積としては、特に限定されるものではないが、３０ｍ３以下であることが好ましい。上記容積が３０ｍ３以下であれば、上述したコールドスプレー装置２０でのヘリウムガスの使用量と、後述するヘリウムガス供給装置８１を構成する各容器８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄ内のヘリウムガスの残量とのバランスをとることができる。
【００２５】
ヘリウムガス回収供給ラインＬ１は、一端Ｌ１ａがブース３０の頂部３０ａに接続され、他端Ｌ１ｂがコールドスプレー装置２０に接続されている。これにより、頂部３０ａに集められたヘリウム濃度が高い混合ガスを効率よく回収することができる。
【００２６】
窒素ガス供給装置３２は、ブース３０の空間３８内を窒素ガスに置換するために設けられている。窒素ガス供給装置３２は、図示略の窒素供給源と接続された窒素ガス供給管３２ａ，３２ｂ、集塵ラインＬ２、集塵機３４、冷却機３６、及びフィルタ３７を有して、概略構成されている。
【００２７】
窒素ガス供給管３２ａ，３２ｂは、ブース３０の空間３８の下方側、すなわち、コールドスプレー処理領域３８Ａであって、コールドスプレー装置２０及び後述する集塵ラインＬ２の一端Ｌ２ａよりも下方側に設けられている。また、窒素ガス供給管３２ａ，３２ｂは、窒素ガスをブース３０の底面３０ｂに向けて供給可能な状態でクランクしていることが好ましい。さらに、窒素ガス供給管３２ａ，３２ｂと、ブース３０の底面３０ｂとの距離は、３００ｍｍ以下とすることが好ましく、１００ｍｍ以下とすることがより好ましい。窒素ガス供給管３２ａ，３２ｂをこのように設置することにより、ブース３０の空間３８内の大気を効率良く窒素に置換することができる。
【００２８】
このように、ブース３０内に存在する大気を窒素ガスに置換することにより、コールドスプレー装置２０によって基材に皮膜を形成後、ブース３０内の空間３８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含有量が非常に少ない混合ガス）にすることが可能となる。また、窒素ガスと比較して比重の軽いヘリウムガスは、ブース３０内で上昇する。このため、ガス回収領域３８Ｂには、ヘリウムガスの含有量が多い混合ガスが貯留される。これにより、従来のヘリウムガス回収システムと比較して、ブース３０から窒素ガス以外の不純物ガスの含有量が非常に少ない混合ガスを回収することができる。
【００２９】
ブース３０内に供給する窒素ガスの流量は、特に限定されるものではなく、ブース３０及びヘリウムガス供給装置８１を構成する容器の大きさ、性能等を勘案して適宜設定することができる。具体的には、窒素の流量を０．０４〜６ｍ／ｓに設定することが好ましい。これにより、ブース３０内をヘリウムガスで４５％以上置換することができるため、後述するヘリウムガス供給装置８１を構成する各容器内の窒素の濃度を１０％以下とし、ヘリウムガス回収率を８５％以上にすることができる。
【００３０】
集塵ラインＬ２は、ブース３０内の混合ガスの一部を採取するために設けられており、一端Ｌ２ａがブース３０の下部３０Ｂに、他端Ｌ２ｂが上部３０Ａに、それぞれ接続されている。集塵ラインＬ２の一端Ｌ２ａから、コールドスプレー処理領域３８Ａに残存する混合ガスの一部が集塵ラインＬ２に導入される。ここで、上記混合ガス中には、基材に皮膜を形成する際にブース３０内で発生したダストが含まれている。
【００３１】
集塵機３４は、ブース３０の頂部３０ａ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ために、集塵ラインＬ２に設けられている。集塵機３４としては、特に限定されないが、例えば１μｍ以上のダストを除去可能な性能を有するものを用いることができる。このように、集塵ラインＬ２の一端Ｌ２ａからブース３０内の混合ガスの一部を採取し、当該混合ガス中に含まれるダストを集塵機３４で回収することにより、ダスト除去後の混合ガスを集塵ラインＬ２の他端Ｌ２ｂからガス回収領域３８Ｂに戻すことができる。
【００３２】
冷却機３６は、ダスト除去後の混合ガスを冷却するために、集塵ラインＬ２の集塵機３４の二次側に設けられている。ダスト除去後の混合ガスを冷却機３６によって冷却することにより、空間３８内の温度を適切な温度に保つことができる。ここで、「適切な温度」とは、例えば、４５℃以下の温度のことをいう。空間３８内の温度が、４５℃より高いと、ブース３０内に設置したロボット等（例えば搬送用ロボット）の機械が故障してしまう。
【００３３】
フィルタ３７は、コールドスプレー処理領域３８Ａに散在する原料粉末がガス回収領域３８Ｂに移動することを阻止するために、コールドスプレー処理領域３８Ａとガス回収領域３８Ｂとの境界付近に設けられている。フィルタ３７としては、特に限定されるものではなく、低圧損型フィルタを用いることができる。フィルタ３７を設けることにより、集塵ラインＬ２によってガス回収領域３８Ｂに返送された混合ガスが、フィルタ３７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３０内の混合ガスの流れを円滑にすることができる。
【００３４】
第１ポンプ４０は、ブース３０から回収した混合ガスを昇圧してヘリウムガス回収装置５０に供給するために、ヘリウムガス回収供給ラインＬ１のヘリウムガス回収装置５０よりも一次側に設けられている。第１ポンプ４０の圧力は、特に限定されるものではなく、ヘリウムガス回収装置５０の性能等を勘案して適宜設定することができる。
【００３５】
第１ポンプ４０の圧力としては、例えば、ヘリウムガス回収装置５０の混合ガス収容器５１内の圧力が０．３ＭＰａ〜０．９ＭＰａになるように設定することが好ましい。混合ガス収容器５１内の圧力が０．３ＭＰａ以上であれば、ヘリウムガス回収装置５０を構成する窒素除去装置６５を作動することができる。また、混合ガス収容器５１内の圧力が０．９ＭＰａ以下であれば、高圧ガス保安法に規定される専用の設備が不要であるため、ヘリウムガス回収供給システム１１の小型化を図ることができる。
【００３６】
ヘリウムガス回収装置５０は、ブース３０の空間３８内から回収したヘリウムガスと窒素ガスとを含む混合ガスから窒素ガスを除去してヘリウムガスを回収するために、ヘリウムガス回収供給ラインＬ１に設けられている。ヘリウムガス回収装置５０としては、上記混合ガス中から窒素ガスを分離、除去し、ヘリウムガスを精製した後に回収することが可能なものであれば、特に限定されない。図２は、本実施形態のヘリウムガス回収供給システム１１に適用可能なヘリウムガス回収装置の構成の一例を示す系統図である。
【００３７】
図２に示すように、ヘリウムガス回収装置５０は、混合ガス収容器５１と、第３ポンプ５２と、窒素除去装置６５と、導管６１とを有して、概略構成されている。
【００３８】
混合ガス収容器５１は、第１ポンプ４０によって昇圧された混合ガスを一次的に収容するために、ヘリウムガス回収供給ラインＬ１に設けられている。混合ガス収容器５１としては、特に限定されないが、例えば、０．９８ＭＰａ以上の耐圧容器を用いることができる。このように、混合ガス収容器５１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、混合ガス収容器５１の小型化を図ることができる。
【００３９】
第３ポンプ５２は、混合ガス収容器５１に収容された混合ガスを圧縮して、窒素除去装置６５に供給するために、導管６１の混合ガス収容器５１の二次側に設けられている。第３ポンプ５２を設けて混合ガスを昇圧することにより、後述する吸着塔５３Ｘ，５３Ｙの小型化を図ることができる。
【００４０】
窒素除去装置６５は、圧力変動吸着法により、混合ガスから窒素ガスを除去する装置であり、導管６１に設けられている。窒素除去装置６５は、吸着塔５３Ｘ，５３Ｙ、酸素濃度計５４，５７、バッファタンク５５、マスフローコントローラー５６、調節計５８、制御部５９、第４ポンプ６０、導管６１、及び開閉弁６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅ，６２ｆ，６２ｇ，６２ｈ，６２ｉ，６２ｊを有して概略構成されている。
【００４１】
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。吸着材としては、例えば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ことができる。特に、窒素除去能力が高いＬｉＸ型ゼオライトを用いることにより、混合ガス中の窒素濃度を１％以下に低減することができる。このように、どちらの吸着塔５３Ｘ，５３Ｙにおいても、ヘリウムガス以外の不純物を有する混合ガスが塔内に導入されると、吸着剤が不純物を吸着する。したがって、吸着されないヘリウムガスを吸着塔５３Ｘ，５３Ｙから取り出すことにより、精製されたヘリウムガスを回収することができる。
【００４２】
本実施形態のヘリウムガス回収供給システム１１では、ブース３０内から回収した混合ガス中の不純物のうち、窒素ガスのみを除去するため、従来のように混合ガス中から窒素ガス以外の成分も除去する場合と比較して、吸着塔の小型化を図ることができる。
【００４３】
酸素濃度計５４は、第３ポンプ５２による昇圧後の混合ガス中のヘリウムガス濃度を測定するために設けられている。なお、酸素濃度計５４で測定されたヘリウムガス濃度は、制御部５９に入力される。
酸素濃度計５７は、吸着塔５３Ｘ，５３Ｙで精製されたヘリウムガス濃度を測定するために設けられている。なお、酸素濃度計５７で測定されたヘリウムガス濃度は、一旦、調節計５８に入力された後、制御部５９に入力される。
酸素濃度計５４，５７としては、特に限定されないが、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を用いることができる。
【００４４】
マスフローコントローラー５６は、吸着塔５３Ｘ，５３Ｙで精製されたヘリウムガスの流量を制御するために設けられている。なお、マスフローコントローラー５６と吸着塔５３Ｘ，５３Ｙとの間に、バッファタンク５５を設けてもよい。
【００４５】
調節計５８は、マスフローコントローラー５６を制御するために設けられている。調節計５８としては、特に限定されないが、例えば、ＰＩＤ調節計、ファジー調節計、その他のコンピュータ等を用いることができる。なお、調節計５８には、吸着塔５３Ｘ，５３Ｙで精製されたヘリウムガス濃度が酸素濃度計５７から入力されるため、マスフローコントローラー５６によるヘリウムガスの流量は、精製後のヘリウムガス濃度に応じて、調節計５８によりフィードバック制御される。
【００４６】
制御部５９は、酸素濃度計５４，５７と、調節計５８と、図示しない圧力計測器等の情報を受けて窒素除去装置６５を稼動させる。また、制御部５９は、開閉弁６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅ，６２ｆ，６２ｇ，６２ｈ，６２ｉ，６２ｊの操作と、周辺機器（図示略）の制御を行う。
【００４７】
第４ポンプ６０は、吸着塔５３Ｘ，５３Ｙ内の窒素ガスを含む不純物を減圧して、吸着塔５３Ｘ，５３Ｙの外側へ排気するために設けられている。第４ポンプ６０によって排出された不純物は、導管６１を経由して混合ガス収容器５１に返送される。不純物中のヘリウムガス濃度は、混合ガス中のヘリウムガス濃度よりも低いため、ヘリウムガス回収装置５０の稼働時間が長くなると、混合ガス収容器５１内のヘリウムガス濃度は低下する。しかしながら、窒素ガス除去後のヘリウムガスの流量は、予め設定したヘリウムガス濃度になるようにフィードバック制御されるため、混合ガス収容器５１内の混合ガスの組成が変動しても、吸着塔５３Ｘ，５３Ｙで精製されたヘリウムガス濃度は変化しない。
【００４８】
窒素除去装置６５において、窒素除去を連続して行うことにより、高純度のヘリウムガスに精製される。なお、精製されたヘリウムガスには、微量な酸素ガスが含まれることがある。また、ヘリウムガス回収装置５０で精製されたヘリウムガスは、ヘリウムガス回収供給ラインＬ１の下流側に供給される。
【００４９】
導管６１には、開閉弁６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅ，６２ｆ，６２ｇ，６２ｈ，６２ｉ，６２ｊがそれぞれ設けられており、制御部５９により、上述の混合ガス及びヘリウムガスの供給経路に応じて開閉が制御される。
【００５０】
図１に示すように、酸素除去部６８は、精製されたヘリウムガス中に含まれる微量な酸素ガスを除去するために、ヘリウムガス回収供給ラインＬ１のヘリウムガス回収装置５０の二次側に設けられている。酸素除去部６８は、例えばＰｄ触媒、Ｐｔ触媒等の酸素除去触媒を有しており、ヘリウムガス中の酸素濃度が０．１％未満になるように分離・除去される。酸素を除去した後の高純度のヘリウムガスは、第２ポンプ７０へ供給される。
【００５１】
第２ポンプ７０は、ヘリウムガス回収装置５０によって回収された精製後のヘリウムガスを昇圧するために、ヘリウムガス回収供給ラインＬ１のヘリウムガス供給装置８１の一次側に設けられている。第２ポンプ７０によって精製後のヘリウムガスを昇圧することにより、ヘリウムガス供給装置８１の小型化を図ることができる。なお、第２ポンプ７０の圧力としては、特に限定されるものではなく、後述するヘリウムガス供給装置８１の大きさや耐性等を勘案して適宜設定することができる。
【００５２】
ヘリウムガス供給装置８１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０．０４％以下）を貯蔵するとともに、高純度のヘリウムガスをコールドスプレー装置２０に再び供給するために、ヘリウムガス回収供給ラインＬ１のヘリウムガス回収装置５０とコールドスプレー装置２０との間に設けられている。
【００５３】
ヘリウムガス供給装置８１としては、特に限定されるものではなく、例えば、複数の容器８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄが並列に接続された装置を用いることができる。複数の容器８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄによって、精製後に回収された高純度のヘリウムガスを貯蔵するとともに、いずれかの容器８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄから、ヘリウムガスをコールドスプレー装置２０に再び供給することができる。また、容器８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄに収容されるヘリウムガスは、第２ポンプ７０によって昇圧されるため、ヘリウムガス供給装置８１の小型化を図ることができる。
【００５４】
ヘリウムガス供給装置８１を構成する容器として、一般的な耐圧容器（例えば、２０ＭＰａの耐圧容器）を用いる場合、各容器内の圧力は１ＭＰａ〜２０ＭＰａとすることが好ましい。各容器内の圧力が１ＭＰａ以上であれば、コールドスプレー装置２０を作動することができる。一方、各容器内の圧力が２０ＭＰａ以下であれば、高耐圧の設備が不要になるため、ヘリウムガス回収供給システム１１の小型化を図ることができる。
【００５５】
＜ヘリウムガス回収供給システムの運転方法＞
次に、本実施形態のヘリウムガス回収供給システム１１の運転方法の一例について説明する。
【００５６】
先ず、ブース３０内のコールドスプレー処理領域３８Ａに基材を設置する。次いで、窒素ガス供給装置３２の窒素ガス供給管３２ａ，３２ｂからブース３０内に窒素を供給して、空間３８内に存在する大気を窒素で置換する。
【００５７】
次に、ヘリウムガス供給装置８１からヘリウムガス回収供給ラインＬ１を介して、コールドスプレー装置２０のガスコントロール部２２にヘリウムガスを供給する。ヘリウムガスの供給時には、コールドスプレー装置２０の作動に必要な条件に合わせて、ヘリウムガスの圧力を調節する。
【００５８】
例えば、高圧タイプのコールドスプレー装置２０の場合、作動に必要なヘリウムガスの圧力は、１ＭＰａから５ＭＰａである。一方、低圧タイプのコールドスプレー装置２０の場合、作動に必要なヘリウムガスの圧力は、１ＭＰａ以下である。したがって、ヘリウムガス供給装置８１の各容器８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄに貯蔵するヘリウムガスの圧力を１ＭＰａ〜２０ＭＰａとし、コールドスプレー装置２０への供給時に圧力を調節することで、高圧タイプ・低圧タイプのいずれのコールドスプレー装置２０に対しても、ヘリウムガスを供給することができる。
【００５９】
次に、コールドスプレー装置２０を作動させ、超音流速とされたヘリウムガスとともに、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、基材の表面に皮膜を形成する。
【００６０】
コールドスプレー装置２０を作動すると、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、窒素ガスを含む混合ガスが発生する。窒素ガスと比較してヘリウムガスの比重は軽いため、ヘリウムガスの含有量が多い混合ガスは、ガス回収領域３８Ｂへと流動する。ガス回収領域３８Ｂ内の混合ガスは、ブース３０の内壁によってガイドされながら、頂部３０ａに集まる。このため、ブース３０の頂部３０ａからヘリウムガスの含有量が多い混合ガスを効率よく回収することができる。
【００６１】
また、混合ガス中には原料粉末が含まれているので、ブース３０に設けたフィルタ３７により、ガス回収領域３８Ｂへ流動する混合ガスから原料粉末を除去する。これにより、ブース３０の頂部３０ａから高純度のヘリウムガスを回収することができる。
【００６２】
混合ガス中には、皮膜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３０の頂部３０ａ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から混合ガスの一部を集塵ライン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で冷却した後、ブース３０内のガス回収領域３８Ｂに返送する。集塵機３４の流量としては、例えば１０Ｎｍ３／分とすることが好ましい。
【００６３】
皮膜の形成後、第１ポンプ４０を運転することにより、頂部３０ａからガス回収領域３８Ｂに集まった混合ガスをヘリウムガス回収供給ラインＬ１内に回収する。第１ポンプ４０の流量としては、例えば３Ｎｍ３／分とすることが好ましい。
【００６４】
次に、ヘリウムガス回収供給ラインＬ１内に回収した混合ガスを第１ポンプ４０で昇圧し、ヘリウムガス回収装置５０に供給する。このとき、ヘリウムガス回収装置５０を構成する混合ガス収容器５１内の圧力としては、例えば０．３ＭＰａ〜０．９ＭＰａとすることが好ましい。
【００６５】
次に、混合ガス収容器５１に収容された混合ガスを、第３ポンプ５２で圧縮した後、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。次いで、吸着塔５３Ｘにおいて、混合ガス中から窒素ガスを除去する。このとき、混合ガス中の窒素ガス濃度は１％以下になる。
【００６６】
次に、窒素ガス除去によって精製されたヘリウムガスを吸着塔５３Ｘから回収した後、バッファタンク５５に一次収容する。次いで、マスフローコントローラー５６の二次側に移送されたヘリウムガスの濃度を酸素濃度計５７で測定し、濃度に応じてマスフローコントローラー５６の流量をフィードバック制御する。
【００６７】
一方、窒素ガス除去後のヘリウムガスを混合ガス収容器５１に循環させ、再び吸着塔５３Ｘによって混合ガス中の窒素ガスの除去を行う。
吸着塔５３Ｘの吸着容量を超えて、未吸着の窒素ガスが窒素除去装置６５の下流まで溶出してしまう直前に、混合ガスの供給を吸着塔５３Ｘから吸着塔５３Ｙへと切り替えて、窒素ガスの除去を行う。このとき、制御部５９によって開閉弁６２ｂを開くことにより、窒素ガスが吸着して飽和状態となった吸着塔５３Ｘ内の窒素を減圧・除去し、吸着剤を再生させる。
以後、２つの吸着塔５３Ｘ，５３Ｙを交互に用いて、窒素ガスの吸着−除去の操作を繰り返すことで、連続的に精製された高純度のヘリウムガスを回収する。
【００６８】
次に、窒素除去装置６５によって精製されたヘリウムガスをヘリウムガス回収装置５０から、ヘリウムガス回収供給ラインＬ１に供給する。次いで、精製されたヘリウムガス中の酸素濃度を測定して、ヘリウムガス中の酸素濃度が０．１％以上の場合は、酸素除去部６８において酸素濃度が０．１％未満になるように、ヘリウムガス中の酸素を除去する。
【００６９】
次に、窒素ガス及び酸素ガスが除去されたヘリウムガスを、第２ポンプ７０で昇圧した後、ヘリウムガス供給装置８１に供給する。第２ポンプ７０の流量としては、例えば０．７Ｎｍ３／分とすることが好ましい。また、第２ポンプ７０でヘリウムガスを昇圧する際の圧力は、ヘリウムガス供給装置８１を構成する各容器に収容するヘリウムガスの圧力を勘案して設定することが好ましく、例えば１ＭＰａ〜２０ＭＰａとなるようにすることが好ましい。
【００７０】
次に、第２ポンプ７０で昇圧したヘリウムガスを、ヘリウムガス供給装置８１を構成する各容器８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄにそれぞれ貯蔵する。
【００７１】
次に、ヘリウムガス供給装置８１を構成する各容器に昇圧されて貯蔵された高純度のヘリウムガスを、ヘリウムガス回収供給ラインＬ１を介してコールドスプレー装置２０のガスコントロール部２２に再び供給する。これにより、コールドスプレー装置２０を作動させて、基材に皮膜を形成することができる。
【００７２】
以上説明したように、本実施形態のヘリウムガス回収供給システム１１によれば、コールドスプレー装置２０と、内部の空間３８を気密に保持可能なブース３０と、ブース３０内に窒素ガスを供給する窒素ガス供給装置３２と、ブース３０内から回収したヘリウムガスと窒素ガスとを含む混合ガスから窒素ガスを除去してヘリウムガスを回収するヘリウムガス回収装置５０と、回収したヘリウムガスを貯蔵し、再びコールドスプレー装置２０に供給するヘリウムガス供給装置８１と備える構成であるため、小型かつ簡易な設備で、ヘリウムガスを回収し、再利用が可能となる。
【００７３】
また、本実施形態のヘリウムガス回収供給システム１１によれば、窒素ガス供給装置３２からブース３０内に窒素ガスを供給して、ブース３０内の空間を窒素ガスに置換することができるため、コールドスプレー処理領域３８Ａ内において基材に皮膜を形成した後、ブース３０内の雰囲気をヘリウムガスと窒素ガスとの混合ガスにすることができる。したがって、混合ガス中の窒素ガスの濃度を１０％以下にすることができる。
【００７４】
また、本実施形態のヘリウムガス回収供給システム１１によれば、窒素ガス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いため、ヘリウムガス回収供給システム１１の簡易化・小型化を図ることができる。
【００７５】
また、本実施形態のヘリウムガス回収供給システム１１によれば、ブース３０の少なくともガス回収領域３８Ｂが、ブース３０の底面３０ｂ側から頂部３０ａに向かうにつれて、漸次幅が狭くなる形状であるため、上部３０Ａの内壁をガイドとして、ガス回収領域３８Ｂ中のヘリウムガスを頂部３０ａに効率よく集めることができる。したがって、空間３８内に残存するヘリウムガスを含む混合ガスのうち、ヘリウム含有量が高い混合ガスを、確実に頂部３０ａに集めることできる。
【００７６】
また、本実施形態のヘリウムガス回収供給システム１１によれば、ブース３０から回収した混合ガスを第１ポンプ４０にて昇圧した後にヘリウムガス回収装置５０に供給するとともに、ヘリウムガス回収装置５０で精製・回収したヘリウムガスを第２ポンプ７０により昇圧した後にヘリウムガス供給装置８１を構成する各容器８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄにそれぞれ貯蔵することができる。これにより、第２ポンプ７０の流量を第１ポンプ４０の流量よりも少なくすることができるため、第２ポンプ７０の小型化、ひいてはヘリウムガス回収供給システム１１の小型化及びコスト削減を図ることができる。さらに、窒素除去装置６５内の吸着塔５３Ｘ，５３Ｙの小型化が可能になり、ヘリウムガス回収供給システム１１のさらなる小型化及びコスト削減を図ることができる。
【００７７】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば、上述した実施形態では、ブース３０の底面３０ｂから頂部３０ａに向かうにつれて、不連続に幅が狭くなる形状を一例として説明したが、これに限定されるものではなく、連続して漸次狭くなる形状にしてもよい。このような形状でも、上述した実施形態と同様の効果が得られる。
【００７８】
また、上述した実施形態では、図１に示すように、ブース３０の下部３０Ｂの下方側の２箇所に窒素ガス供給管３２ａ，３２ｂを設けた場合を一例として説明したが、４箇所以上に窒素ガス供給管を設ける構成としてもよい。さらに、窒素ガス供給管は、ブース３０の上部３０Ａに、底面３０ｂ側に向けて窒素を供給可能な状態で設けてもよい。更にまた、窒素ガス供給管として、穴が多数開けられたパンチングプレートを用いてもよい。このような場合でも、上述した実施形態と同様の効果が得られる。
【００７９】
また、上述した実施形態では、図２に示すように、窒素除去装置６５が圧力変動吸着法による装置で構成される場合を一例として説明したが、これに限らず、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。
【００８０】
また、上述した実施形態では、図１に示すように、ヘリウムガス供給装置８１が複数の容器によって構成される場合を一例として説明したが、これに限られず、単体の容器で構成してもよい。
【符号の説明】
【００８１】
１１…ヘリウムガス回収供給システム、２０…コールドスプレー装置、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、２６，６１…導管、３０…ブース、３０ａ…頂部、３０ｂ…底面、３０Ａ…上部、３０Ｂ…下部、３２…窒素ガス供給装置、３２ａ，３２ｂ…窒素ガス供給管、３４…集塵機、３６…冷却機、３７…フィルタ、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、５０…ヘリウムガス回収装置、５１…混合ガス収容器、５２…第３ポンプ、５３Ｘ，５３Ｙ…吸着塔、５４，５７…酸素濃度計、５５…バッファタンク、５６…マスフローコントローラー、５８…調節計、５９…制御部、６０…第４ポンプ、６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６２ｅ，６２ｆ，６２ｇ，６２ｈ，６２ｉ，６２ｊ…開閉弁、６５…窒素除去装置、６８…酸素除去部、７０…第２ポンプ、８１…ヘリウムガス供給装置、８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄ…容器、Ｌ１…ヘリウムガス回収供給ライン、Ｌ１ａ，Ｌ２ａ…一端、Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂ…他端、Ｌ２…集塵ライン
【図１】
2018083731.tif 000003
【図２】
2018083731.tif 000004