(57)【要約】【課題】  小流量で液体ヘリウムを生成する装置として従来よりも格段に小型化、低コスト化が可能なヘリウム液化装置を提供する。【解決手段】  真空断熱槽内に、ヘリウムガス流路に熱的に接するように、ＧＭ冷凍機で代表される小型極低温冷凍機の冷却ヘッドが挿入されており、流路内のヘリウムガスを小型極低温冷凍機により液化温度以下に冷却して液体ヘリウムを生成するようにした。また前記小型極低温冷凍機として複数のものを用いて、ヘリウムガス流路が順次段階的に各冷却ヘッドに熱的に接触するように構成した。【選択図】        図１
2005083588.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空断熱槽内に、液化させるべきヘリウムガスの流路が設けられるとともに、そのヘリウムガス流路に熱的に接するように、小型極低温冷凍機の冷却ヘッドが真空断熱槽内に挿入されており、流路内のヘリウムガスを小型極低温冷凍機により液化温度以下に冷却して液体ヘリウムを生成することを特徴とする、ヘリウムガス液化装置。
【請求項２】
請求項１に記載のヘリウムガスの液化装置において、前記小型極低温冷凍機として複数のものが用いられて、各小型極低温冷凍機の冷却ヘッドが真空断熱槽内に挿入されており、ヘリウムガス流路が順次段階的に各冷却ヘッドに熱的に接触するように構成されたことを特徴とする、ヘリウムガス液化装置。
【請求項３】
請求項１もしくは請求項２に記載のヘリウムガス液化装置を用いたヘリウムガス回収・精製・液化装置であって；
請求項１もしくは請求項２に記載のヘリウムガス液化装置のほか、さらに各種ヘリウムガス使用装置からの蒸発ヘリウムガスを受入れて貯留するためのヘリウムガス１次回収装置と、その１次回収装置内に貯留されたガスを圧縮するための圧縮機と、前記１次回収装置から前記圧縮機により圧縮されて供給された高圧のヘリウムガスを貯留するためのヘリウムガス２次回収装置と、その２次回収装置から供給されたヘリウムガスを高純度化するための精製器とを有しており、その精製器からの高純度ヘリウムガスを前記ヘリウムガス液化装置に導入するようにしたことを特徴とする、ヘリウムガス回収・精製・液化装置。
【請求項４】
請求項３に記載のヘリウムガス液化装置を用いたヘリウムガス回収・精製・液化装置において、
前記ヘリウムガス２次回収装置は、精製器向けガス供給用ボンベと、少なくとも１以上の原料ガス供給用ボンベとを備えるとともに、精製器向けガス供給用ボンベと原料ガス供給用ボンベとの間にはこれらの間を流路的に分離／連通させるための分離用開閉弁が設けられ、さらに前記ヘリウムガス１次回収装置の出口側と前記ヘリウムガス２次回収装置との間には、ヘリウムガス１次回収装置からその１次回収装置内のヘリウムガスを２次回収装置の精製器向けガス供給用ボンベおよび原料ガス供給用ボンベへ圧縮して送り込むための前記圧縮機が設けられ、また前記精製器向けガス供給用ボンベは前記精製器にヘリウムガスを供給するように精製器の入口側に接続され、かつその精製器向けガス供給用ボンベから精製器に至るヘリウムガスの供給系路には、精製器に供給されるヘリウムガスの圧力を検出するための供給圧力検出手段が設けられており、また精製器の出口側は前記ヘリウムガス液化装置の入口側に接続され、さらに前記ヘリウムガス２次回収装置の原料ガス供給用ボンベから前記ヘリウムガス１次回収装置へヘリウムガスを戻すための戻し流路を備えていて、その戻し流路にはこれを開閉するための還流用開閉弁と減圧弁が介挿されており；
前記分離用開閉弁を開きかつ還流用開閉弁を閉じた状態で１次回収装置内のヘリウムガスを圧縮機により圧縮して２次回収装置の各ボンベ内に充填し、また前記分離用開閉弁および還流用開閉弁を閉じた状態で２次回収装置の精製器向けガス供給ボンベ内から精製器にヘリウムガスを供給するようにし、さらにその供給ヘリウムガスの圧力が下がってこれを前記供給圧力検出手段が検出したときに、前記戻し流路の還流用開閉弁を開いて２次回収装置の原料ガス供給用ボンベ内の高圧ガスを前記減圧弁により低圧化して１次回収装置内に戻すようにしたことを特徴とする、ヘリウムガス回収・精製・液化装置。
【請求項５】
請求項４に記載のヘリウムガス回収・精製・液化装置において、
前記ヘリウムガス１次回収装置には、そのヘリウムガス１次回収装置内のヘリウムガス量を検出するためのガス量検出手段が設けられており、このガス量検出手段によって前記圧縮機の運転・停止を制御するように構成したことを特徴とする、ヘリウムガス回収・精製・液化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ヘリウムガスを連続的に液化して液体ヘリウムを生成するための装置、およびそれを用いたヘリウムガス回収・精製・液化装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のようにヘリウム、特に液体ヘリウムは、超電導装置その他各種の超低温装置の冷媒として重要であり、最近では益々その需要が増加している。ところでヘリウムガスは、空気中に約５．２ｐｐｍ程度しか存在しない希少ガスであり、量産的規模で空気中から分離抽出することは困難である。そこで我国では、一般には天然ガスから分離して液化させた液体ヘリウムを外国から輸入しているのが実情であって、その価格も高価なものとならざるを得ない。したがって各種超低温装置において冷媒等として液体ヘリウムを使用する場合、蒸発したヘリウムガスを回収し、精製して液化させ、再び液体ヘリウムとして循環使用することが強く望まれている。
【０００３】
このような目的で、各種超低温装置から回収したヘリウムガスを液化するための装置としては、従来はヘリウムガスを圧縮機により２ＭＰａ程度の高圧に圧縮し、その圧縮された高圧ヘリウムガスを、液化機に導入して、主として断熱膨張を利用して温度低下させ、液化させるものが使用されている。この種の液化装置の一般的な例を図４に示す。
【０００４】
図４において、符号１は圧縮機、２は圧縮機１から導入された高圧ヘリウムガスを液化するための液化装置本体、３はその液化装置本体２で液化された液体ヘリウムを収容する液体ヘリウム容器を示す。液化装置本体２には、圧縮機１から高圧ヘリウムガスが送り込まれて最終的に液体ヘリウム容器３に至る往路４と、逆に液体ヘリウム容器３内の液面上のヘリウムガスを圧縮機１に戻す還路５とが設けられている。そして往路４と還路５との間には、還路５側を流れるヘリウムガスを冷媒として往路４側を流れるヘリウムガスを冷却するために多段（図示の例では５段）に熱交換器６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅが介挿されており、また往路４の途中から一部の高圧ヘリウムガスを取出して断熱膨張させ、それにより降温したヘリウムガスを還路５に導くための膨張タービンもしくは膨張ピストンからなる膨張エンジン７Ａ，７Ｂが２段に設けられている。さらに往路４の入口側には熱交換器６Ａ〜６Ｅのうちの第１段目の熱交換器６Ａに対するバイパス路１０が設けられており、このバイパス路１０に予冷用熱交換器６Ｆが介挿されており、この予冷用熱交換器６Ｆは、外部から液体窒素供給路８を経て導入された液体窒素によって、圧縮機１からの高圧ヘリウムガスの一部を予冷するように構成されている。さらに往路４における最下流側には、断熱自由膨張を行なうためのＪＴ弁９が設けられており、このＪＴ弁９の出口側が、前述の液体ヘリウム容器３に導かれている。
【０００５】
図４に示される従来の装置においては、圧縮機１により２ＭＰａ程度の高圧に圧縮されたヘリウムガスは、その一部が予冷用熱交換器６Ｆにおいて液体窒素により予冷されるとともに、往路４において熱交換器６Ａにより還路５側の低温のヘリウムガスと熱交換されて温度降下し、さらに熱交換器６Ｂ〜６Ｅにより順次還路５側の低温のヘリウムガスと熱交換されて次第に温度降下し、最終的にＪＴ弁９により断熱自由膨張されてヘリウムの液化温度以下に温度降下し、液体ヘリウムとなって液体ヘリウム容器３に導かれる。そしてこの液体ヘリウム容器３の液面上からは、蒸発した低温のヘリウムガスが還路５に導かれ、前述のように往路４側と熱交換される。ここで、往路４側のヘリウムガスは、そのうちのかなりの部分が膨張エンジン７Ａ，７Ｂにより断熱膨張されて低温となり、その低温となったヘリウムガスが還路５の途中の箇所に導かれて、その結果前述のような熱交換器６Ａ〜６Ｅにおいて往路側のヘリウムガスを能率的に冷却することが可能となるのである。
【０００６】
このように従来の装置では、圧縮機１から往路４に導入された高圧ヘリウムガスを、そのまま全て液化温度以下まで冷却するのではなく、往路中においてかなりの部分を抜き出して膨張エンジン７Ａ，７Ｂにより断熱膨張させて還路５の中途に導入している。これは、ＪＴ弁９に至るまでに充分にヘリウムガスを温度降下をさせておくためには、液体ヘリウム容器３からの戻りのヘリウムガスとの熱交換だけでは不充分であるからである。
【０００７】
ところで上述するような従来の装置では、実際上は、圧縮機１から導入した高圧ヘリウムガスのうち７０％程度は、膨張エンジン７Ａ，７Ｂにより断熱膨張させて還路５側に直接戻して、熱交換器６Ａ〜６Ｅにおいて往路４側のヘリウムガスを冷却するために使用される。言い換えれば、圧縮機１から導入された高圧ヘリウムガスのうち、ＪＴ弁９に至るのは３０％程度に過ぎない。そしてさらにＪＴ弁９により断熱膨張されて液化されるのはその１／５程度に過ぎず、したがって実際に液化されるのは、圧縮されたヘリウムガスの全量に対し約６％程度に過ぎない。そのため圧縮機１としては、目標とする液化量の約１６倍〜１７倍もの大流量の大型圧縮機が必要となり、また熱交換器６Ａ〜６Ｅとしても大型のものが必要となり、さらには高価な熱膨張エンジンも必要となっている。したがって従来の装置では、装置コスト自体が著しく高価であってしかも大型で大きな設置スペースを必要とする問題があり、特に目標とする液化量が少ない装置の場合には、そのわずかな液化量と比べて著しく多量（１６〜１７倍）のヘリウムガスを循環させる必要があるため、高価かつ大型の装置とならざるを得ない。そのため従来、少量しか液体ヘリウムを使用しない箇所では、蒸発ガスは回収せずにそのまま大気中へ放出してしまっていたのが実情である。しかしながらこのようなことは、希少かつ高価なヘリウムを使用する上において、重大な問題となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明は前述のような事情を背景としてなされたもので、小型化が可能で設置スペースの問題も解消でき、しかも装置コストも低いヘリウム液化装置、特に小流量で液体ヘリウムを生成する装置として、従来よりも格段に小型化、低コスト化が可能なヘリウム液化装置、および効率的にヘリウムガスを回収してこれを精製・液化することができるヘリウムガス回収・精製・液化装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明のヘリウム液化装置は、図４に示した従来技術のように、液化させるべきヘリウムガスを圧縮して断熱膨張、断熱自由膨張により低温液化させる方式とは異なり、ヘリウムガスをＧＭ冷凍機（ギフォード・マクマホン冷凍機）で代表される小型極低温冷凍機により冷却し、凝縮液化させるようにした。換言すれば、回収したヘリウムガスの断熱膨張、断熱自由膨張による降温の前段階に必要となる圧縮機を不要とした。また小型極低温冷凍機を多段に設けて、ヘリウムガスを順次段階的に冷却するようにした。
【００１０】
具体的には、請求項１の発明のヘリウムガス液化装置は、真空断熱槽内に、液化させるべきヘリウムガスの流路が設けられるとともに、そのヘリウムガス流路に熱的に接するように、小型極低温冷凍機の冷却ヘッドが真空断熱槽内に挿入されており、流路内のヘリウムガスを小型極低温冷凍機により液化温度以下に冷却して液体ヘリウムを生成することを特徴とするものである。
【００１１】
また請求項２の発明のヘリウムガス液化装置は、請求項１に記載のヘリウムガス液化装置において、前記小型極低温冷凍機として複数のものが用いられて、各小型極低温冷凍機の冷却ヘッドが真空断熱槽内に挿入されており、ヘリウムガス流路が順次段階的に各冷却ヘッドに熱的に接触するように構成されたことを特徴とするものである。
【００１２】
さらに請求項３〜請求項５の発明は、請求項１もしくは請求項２に記載のヘリウムガスの液化装置を用いたヘリウムガス回収・精製・液化装置を規定しており、各種超低温装置（液体ヘリウム使用装置）からヘリウムガスを回収してこれを効率的に安定して精製・液化し得るようにしている。
【００１３】
具体的には、請求項３の発明のヘリウムガス回収・精製・液化装置は、請求項１もしくは請求項２に記載のヘリウムガス液化装置を用いたヘリウムガス回収・精製・液化装置であって、請求項１もしくは請求項２に記載のヘリウムガス液化装置のほか、さらに各種ヘリウムガス使用装置からの蒸発ヘリウムガスを受入れて貯留するためのヘリウムガス１次回収装置と、その１次回収装置内に貯留されたガスを圧縮するための圧縮機と、前記１次回収装置から前記圧縮機により圧縮されて供給された高圧のヘリウムガスを貯留するためのヘリウムガス２次回収装置と、その２次回収装置から供給されたヘリウムガスを高純度化するための精製器とを有しており、その精製器からの高純度ヘリウムガスを前記ヘリウムガス液化装置に導入するようにしたことを特徴とするものである。
【００１４】
また請求項４の発明のヘリウムガス回収・精製・液化装置は、請求項３に記載のヘリウムガス液化装置を用いたヘリウムガス回収・精製・液化装置において、前記ヘリウムガス２次回収装置は、精製器向けガス供給用ボンベと、少なくとも１以上の原料ガス供給用ボンベとを備えるとともに、精製器向けガス供給用ボンベと原料ガス供給用ボンベとの間にはこれらの間を流路的に分離／連通させるための分離用開閉弁が設けられ、さらに前記ヘリウムガス１次回収装置の出口側と前記ヘリウムガス２次回収装置との間には、ヘリウムガス１次回収装置からその１次回収装置内のヘリウムガスを２次回収装置の精製器向けガス供給用ボンベおよび原料ガス供給用ボンベへ圧縮して送り込むための前記圧縮機が設けられ、また前記精製器向けガス供給用ボンベは前記精製器にヘリウムガスを供給するように精製器の入口側に接続され、かつその精製器向けガス供給用ボンベから精製器に至るヘリウムガスの供給系路には、精製器に供給されるヘリウムガスの圧力を検出するための供給圧力検出手段が設けられており、また精製器の出口側は前記ヘリウムガス液化装置の入口側に接続され、さらに前記ヘリウムガス２次回収装置の原料ガス供給用ボンベから前記ヘリウムガス１次回収装置へヘリウムガスを戻すための戻し流路を備えていて、その戻し流路にはこれを開閉するための還流用開閉弁と減圧弁が介挿されており、前記分離用開閉弁を開きかつ還流用開閉弁を閉じた状態で１次回収装置内のヘリウムガスを圧縮機により圧縮して２次回収装置の各ボンベ内に充填し、また前記分離用開閉弁および還流用開閉弁を閉じた状態で２次回収装置の精製器向けガス供給ボンベ内から精製器にヘリウムガスを供給するようにし、さらにその供給ヘリウムガスの圧力が下がってこれを前記供給圧力検出手段が検出したときに、前記戻し流路の還流用開閉弁を開いて２次回収装置の原料ガス供給用ボンベ内の高圧ガスを前記減圧弁により低圧化して１次回収装置内に戻すようにしたことを特徴とするものである。
【００１５】
さらにまた請求項５の発明のヘリウムガス回収・精製・液化装置は、請求項４に記載のヘリウムガス回収・精製・液化装置において、前記ヘリウムガス１次回収装置には、そのヘリウムガス１次回収装置内のヘリウムガス量を検出するためのガス量検出手段が設けられており、このガス量検出手段によって前記圧縮機の運転・停止を制御するように構成したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１６】
この発明のヘリウムガス液化装置は、液化させるべき回収ヘリウムガスを圧縮して断熱膨張、断熱自由膨張により冷却液化する方式とは異なり、大気圧のままで小型極低温冷凍機によって冷却・液化させるものであるため、従来の装置のように液化量の約１６〜１７倍もの多量のヘリウムガスを２ＭＰａ程度の高圧まで圧縮する必要がなく、したがって大型・高出力の圧縮機が不要であり、また液化すべき量の約１６〜１７倍もの多量のヘリウムガスを循環させる必要がなく、導入されるヘリウムガスのほぼ全量が液化されるところから、従来の装置のように大型の熱交換器や高価な膨張エンジンも不要であり、そのため装置の大幅な小型化を図れるとともに設置スペースも少なくて済み、かつ装置コストの大幅な低減を図ることができる。
【００１７】
また請求項２の発明の装置では、多段に小型極低温冷凍機を設置しているため、段階的にヘリウムガスを冷却することができ、そのため温度に応じた最適な冷凍機を選択して、コスト低減を図ることができ、また一台の冷凍機が故障した場合でも、運転状態を継続することができるか、または少なくとも低温状態を保持して、早期に回復させることが可能となる。
【００１８】
さらに請求項３〜請求項５の発明のヘリウムガス回収・精製・液化装置によれば、ヘリウムガス１次回収装置に回収されたヘリウムガスのほぼ全量を効率的に精製・液化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
【実施例】
【００２０】
図１にこの発明のヘリウムガス液化装置の原理的な構成の一例を示す。
【００２１】
図１において、符号１１は、図示しない超電導装置その他の液体ヘリウムを使用する各種超低温装置からの蒸発ヘリウムガスを導入する導入口であり、この導入口１１から、ヘリウムガス装置本体１２内（後述する真空断熱槽２３内）のヘリウム凝縮容器１３までの間がヘリウムガス流路（管路）１５によって結ばれている。そして先ずこのヘリウムガス流路１５の入口側にはバッファータンク１７が設けられており、導入口１１から導入されたヘリウムガスがバッファータンク１７に一時的に収容されるようになっている。さらにヘリウムガス流路１５におけるバッファータンク１７の出口側には、開閉弁１９および流量制御装置（マスフローコントローラ；ＭＦＣ）２１が設けられており、さらにその流量制御装置２１の出口側のヘリウムガス流路は、ヘリウム液化装置本体１２を構成する真空断熱槽２３内に挿入されている。
【００２２】
真空断熱槽２３には、小型極低温冷凍機として複数（図示の例では３台）の冷凍能力の異なるＧＭ冷凍機２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃが設置されている。各ＧＭ冷凍機２５Ａ〜２５Ｃは、それぞれバルブモータ部分２７Ａ〜２７Ｃが真空断熱槽２３の外面側に位置し、それぞれの冷却ヘッド（伝熱部）２９Ａ〜２９Ｃが真空断熱槽２３内に挿入された状態となっている。そしてこれらのＧＭ冷凍機２５Ａ〜２５Ｃの冷媒を圧縮するための圧縮機３１Ａ〜３１Ｃは、真空断熱槽２３から離れた箇所に個別に配置されている。ここで、ＧＭ冷凍機２５Ａ〜２５Ｃは、例えば第１段冷凍機２５Ａは８０Ｋまでの冷却能力を有するもの、第２段冷凍機２５Ｂは２０Ｋまでの冷却能力を有するもの、第３段冷凍機２５Ｃは４Ｋまでの冷却能力を有するものが選択される。
【００２３】
真空断熱槽２３内においては、ヘリウムガスの流路１５は、各ＧＭ冷凍機２５Ａ〜２５Ｃの冷却ヘッド２９Ａ〜２９Ｃに熱的に順次接するようになっている。具体的には、例えば真空断熱槽２３において流路１５は先ず第１段目のＧＭ冷凍機２５Ａの冷却ヘッド２９Ａにコイル状に巻付けられ（第１段冷却部１５Ａ）、次いで第２段目のＧＭ冷凍機２５Ｂの冷却ヘッド２９Ｂにコイル状に巻付けられ（第２段冷却部１５Ｂ）、さらに第３段目のＧＭ冷凍機２５Ｃの冷却ヘッド２９Ｃにコイル状に巻付けられ（第３段冷却部１５Ｃ）ている。
【００２４】
そしてさらに流路１５は、第３段目の冷却ヘッド２９Ｃに対応する第３段冷却部１５Ｃの出口側からヘリウム凝縮容器１３の上部に導かれている。このヘリウム凝縮容器１３の下部からは液体ヘリウム排出管路３３が延出しており、この液体ヘリウム排出管路３３は真空断熱槽２３の外部下方へ導かれて、最終的に液体ヘリウムを収容するための液体ヘリウム容器３５内に導かれている。
【００２５】
以上のような図１に示される装置において、図示しない各種の超低温装置（液体ヘリウム使用箇所）からの蒸発ヘリウムガスは、導入口１１からバッファータンク１７内に導入され、開閉弁１９および流量制御装置２１を経てヘリウムガス流路１５によりヘリウム液化装置本体１２における真空断熱槽２３内の第１段ＧＭ冷凍機冷却ヘッド２９Ａに接する第１段冷却部１５Ａに導かれて、例えば８０Ｋ程度まで冷却される。次いでヘリウムガスは第２段ＧＭ冷凍機冷却ヘッド２９Ｂに接する第２段冷却部１５Ｂに導かれて、例えば２０Ｋ程度まで冷却され、さらに第３段ＧＭ冷凍機冷却ヘッド２９Ｃに接する第３段冷却部１５Ｃに導かれて、４Ｋ程度、すなわちヘリウムの常圧での液化温度以下に冷却されて、凝縮・液化を開始し、ヘリウム凝縮容器１３内に導かれて完全に液化する。そしてそのヘリウムガス凝縮容器１３から液体ヘリウムが排出管路３３を経て重力により外部の液体ヘリウム容器３５内に導かれ、貯留される。
【００２６】
このように図１の装置においては、ヘリウムガスは段階的に冷却されることになる。ここで、ＧＭ冷凍機で代表される小型極低温冷凍機は、温度が高いほど冷却容量が大きくなるため、ヘリウムガスの温度降下過程に応じた冷凍機を選択することによって、効率良く冷却・液化させることができる。すなわち、１台の冷凍機によって常温付近のヘリウムガスを４Ｋまで直接冷却しようとする場合、冷却容量が小さくなって、効率的に冷却・液化させることが困難となるが、例えば前述のように常温付近から８０Ｋまで、８０Ｋから２０Ｋまで、２０Ｋから４Ｋと段階的にそれぞれ別の冷凍機により冷却することにより、各冷凍機の冷却容量を大きくし、冷却・液化の効率化を図ることができる。
【００２７】
また図１の例において、例えば第１段目のＧＭ冷凍機２５Ａもしくは第２段目のＧＭ冷凍機２５Ｂのいずれかが故障して運転停止した場合でも、それ以外の冷凍機は作動しているため、能率は悪化するものの、運転を継続することができ、またたとえ液化温度まで冷却することは困難となったとしても、系内の低温状態をある程度維持できるため、そのまま点検・修理等を行なって早期に運転を回復させることができる。また例えば第３段目のＧＭ冷凍機２５Ｃが故障した場合、残りのＧＭ冷凍機２５Ａ，２５Ｂが正常であれば、前記同様にある程度低温状態を維持できるため、早期の回復が可能となる。
【００２８】
なおまた、多段にＧＭ冷凍機２５Ａ〜２５Ｃを設けていて、圧縮機３１Ａ〜３１Ｃも各冷凍機ごとに個別に設けているため、圧縮機３１Ａ〜３１Ｃとしては小型のもので済み、またこれらを個別に設置することにより重量の分散化を図ることができる。
【００２９】
なお図１の例において用いているＧＭ冷凍機２５Ａ〜２５Ｃの圧縮機３１Ａ〜３１Ｃは、従来技術として示した図４の装置の圧縮機１と比較すれば、格段に小型のもので足りる。すなわち図４の例の場合は、既に述べたように液化すべきヘリウムガス量の約１６〜１７倍もの多量のヘリウムガスを高圧縮率で圧縮しなければならないのに対し、図１の例の圧縮機３１Ａ〜３１Ｃは、飽くまで冷凍機の冷媒用圧縮機であって、上述のようなことがないからである。
【００３０】
以上のような図１の例では、液化されたヘリウムを単純に液体ヘリウム容器３５内に注入する開放系（オープンサイクル）の装置として示したが、循環系（クローズドサイクル）の装置にも適用できることはもちろんである。その場合の原理的な例を図２に示す。なお図２において図１に示される例と同一の要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００３１】
図２においては、図１に示す液体ヘリウム容器３５の代りに、各種超低温装置を構成するクライオスタット３７が設けられており、このクライオスタット３７内に、対象物を熱交換により冷却するための熱交換器３９が配設されている。そしてこの熱交換器３９の入口側に、前述の液体ヘリウム排出管路３３が接続されている。熱交換器３９の出口側には戻り流路４１の一端側が接続されている。この戻り流路４１の他端側は、前述のヘリウムガス流路１５におけるバッファータンク１７の出口側の箇所４３に接続されている。なおこの戻り流路４１の中途には開閉弁４５が介挿されている。そしてヘリウムガス流路１５における前記の接続箇所４３と開閉弁１９との間には、循環用ブロア４７が介挿されている。
【００３２】
このような図２に示す例では、クライオスタット３７内の熱交換器３９に液体ヘリウムが導かれて対象物を間接的に冷却する。そして熱交換器３９内で温度上昇して気化したヘリウムガスは、戻り流路４１、開閉弁４５を経て、循環用ブロア４７による背圧によってヘリウムガス流路１５に引込まれ、既に述べたと同様にして冷却・液化される。したがってこの場合は、ヘリウムの全量を循環再使用することができる。
【００３３】
ところで実際に現場で使用するためのヘリウムガス液化システムとしては、各種超低温装置から回収した蒸発ヘリウムガスを如何に効率的に再使用するかの点も重要であり、また回収した蒸発ヘリウムガスを液化する場合、予めヘリウムガスを精製しておくこと、すなわちヘリウムの純度を高めておくことも重要である。これらの点を考慮して全体をシステム化した具体例、すなわちヘリウムガス回収・精製・液化装置の一例を図３に示す。なおこの図３の例は、図１に示されるヘリウムガス液化装置本体１２と同一のものを用いてヘリウムガス回収・膨張・液化装置全体をシステム化したものであり、図１の例と同一の要素については同一の符号を付し、その説明は省略する。
【００３４】
先ず図３に示されるヘリウムガス回収・精製・液化装置の基本的な構成について説明すると、このヘリウムガス回収・精製・液化装置は、図１に示したヘリウムガス液化装置本体１２のほか、さらに各種ヘリウムガス使用装置からの蒸発ヘリウムガスを、そのまま低圧（通常はほぼ大気圧）で受入れて貯留するためのヘリウムガス１次回収装置としてのガスバッグ４９と、その１次回収装置（ガスバッグ４９）内に貯留されたガスを圧縮して高圧化するための圧縮機７１と、前記１次回収装置（ガスバッグ４９）から前記圧縮機７１により圧縮されて供給された高圧のヘリウムガスを貯留するためのヘリウムガス２次回収装置としての粗ヘリウムガスマニホールド７５と、その２次回収装置（粗ヘリウムガスマニホールド７５）から供給されたヘリウムガスを高純度化するための精製器８９とを有しており、その精製器８９からの高純度ヘリウムガスを前記ヘリウムガス液化装置本体１２に導入するように構成されている。
【００３５】
さらに図３について詳細に説明すると、液体ヘリウムを使用してその蒸発ガスを発生する各種超低温装置からのヘリウムガスは、一次的にヘリウムガス１次回収装置としてのガスバッグ４９に回収・収容されるようになっている。具体的には、例えば各種超低温装置における液体ヘリウム小容器５１からのヘリウムガスは、回収バルーン５３に回収されて、真空ポンプ５４によりガスバッグ４９に導かれるようになっており、また例えば各種超低温装置におけるクライオスタット５５からのヘリウムガスは直接的にガスバッグ４９に導かれるようになっている。また液体ヘリウム容器３５内において蒸発したヘリウムガスも、過度に高圧の場合には、逆止弁５７等を経てガスバッグ４９内に導かれるようになっている。
【００３６】
ここで、ヘリウムガス１次回収装置としてのガスバッグ４９には、そのガスバッグ４９内の回収ガス量を検出するためのガス量検出手段として、レベル計５９が付設されており、ガスバッグ４９内に導入されるヘリウムガスの量によって高さ方向に膨張収縮するガスバッグ４９の上限レベルＨ、下限レベルＬを検出する（したがってガスバッグ４９に導入されたヘリウムガス量の上限、下限を検出する）ことができる。
【００３７】
そしてガスバッグ４９の出口４９Ａは、圧縮機７１および流路７３、開閉弁７４を介して、ヘリウムガス２次回収装置としての粗ヘリウムガスマニホールド７５に導かれている。ここで、粗ヘリウムガスマニホールド７５は、複数（図示の例では６本）のガスボンベ７７Ａ〜７７Ｆを備えており、これらのうち最も圧縮機７１に近いボンベが、精製器向けガス供給用ボンベ７７Ａとされ、残りのものが原料ガス供給用ボンベ７７Ｂ〜７７Ｆとされており、精製器向けガス供給用ボンベ７７Ａと原料ガス供給用ボンベ７７Ｂ〜７７Ｆとの間にはこれらの間を流路的に分離／連通させるための分離用開閉弁７９が介挿されている。そしてまた精製器向けガス供給用ボンベ７７Ａに直接連通する部分には、精製器８９へ供給するヘリウムガスの圧力を検出するための供給圧力検出手段としての圧力検出器８１が設けられ、また原料ガス供給用ボンベ７７Ｂ〜７７Ｆは、戻り流路８３により前述の圧縮機７１の入口側に接続されており、その戻り流路８３の中途には、前述のガスバッグガス量検出手段としてのレベル計５９により開閉作動される電磁制御弁からなる還流開閉弁８５および減圧弁８７が介挿されている。
【００３８】
さらに前記圧縮機７１と開閉弁７４との間の流路７３には、精製器８９にヘリウムガスを導くための精製器向けガス供給路９１が接続されている。この精製器向けガス供給路９１には、開閉弁９２、高圧減圧弁９３、高圧乾燥器９５がその順に介挿されている。
【００３９】
精製器８９は、真空断熱槽９７内に、液体窒素により冷却される内槽９９を配設した構成とされ、その内槽９９内に冷却用熱交換器１０１、コンデンサ１０３、吸着筒１０５が配設されており、また真空断熱槽９７の内側で内槽９９の外側の部分に、導入側ヘリウムガスと生成済みヘリウムガスとを熱交換するための熱交換器１０７が配設されている。また内槽９９には、その内槽９９内に冷媒として液体窒素を供給するための窒素供給管１０９、分離除去された液体空気を排出するための液体空気ドレイン管１１１、および蒸発窒素ガス放出管１１３が接続されている。
【００４０】
精製器８９の出口側は、精製済みガス供給管路１１５によって、ヘリウムガス液化装置本体１２の真空断熱槽２３内における第１段冷却部１５Ａに導かれている。したがって供給管路１１５は、図１の例におけるヘリウムガス流路１５に相当することになる。そしてこの供給管路１１５には、保圧弁１１７、減圧弁１１９、開閉弁１９、流量制御装置（マスフローコントローラ）２１が介挿されている。
【００４１】
ヘリウム液化装置本体１２の部分の構成は、図１に示したものと同様である。また液化されたヘリウムを収容する液体ヘリウム容器３５のガス排出管路４３には圧力検出器１２１が設けられており、この圧力検出器１２１によって前記流量制御装置２１が制御されるようになっている。
【００４２】
以上のような図３に示される装置の全体的な動作、運転状況について次に説明する。
【００４３】
先ず回収運転について説明すると、各種超低温装置の例えばクライオスタット５５、液体ヘリウム小容器５１等から、ヘリウムガス１次回収装置としてのガスバッグ４９内にヘリウムが回収され、そのガスバッグ４９内にヘリウムガスが溜まってそのガス量がガス量検出手段としてのレベル計５９のレベルＨに至れば、圧縮機７１が運転を開始して、ガスバッグ４９内のヘリウムガスが、ヘリウムガス２次回収装置としての粗ヘリウムマニホールド７５の各ガスボンベ７７Ａ〜７７Ｆ内に送り込まれる（充填される）。なおこの状態では開閉弁７９は開放されている。
【００４４】
このようにしてガスバッグ４９内のガスが送り出されて、ガスバッグ４９内のガス量がレベル計５９のレベルＬまで下がれば、圧縮機７１の運転が停止され、ガスバッグ４９からのヘリウムガス送り出し（ボンベ７７Ａ〜７７Ｆへのガス充填）が停止される。その後ガスバッグ４９内に新たなガスが回収されて、レベル計５９のレベルＨに至れば、再び前述のような送り出し、充填運転が行なわれる。このように充填を繰返して、粗ヘリウムガスマニホールド７５内の各ボンベ７７Ａ〜７７Ｆの圧力が所定の圧力（連続して液化させるに足りるガス量に対応する圧力）以上となれば、精製・液化運転に切替えられる。
【００４５】
精製・液化運転を行なうにあたっては、分離用開閉弁７９を閉じて、２次回収装置としての粗ヘリウムガスマニホールド７５内の各ボンベ７７Ａ〜７７Ｆを、精製器向けガス供給用ボンベ７７Ａと、原料ガス供給用ボンベ７７Ｂ〜７７Ｆとに分離して、専ら精製器向けガス供給用ボンベ７７Ａから精製器８９に向けてヘリウムガスを供給し得る状態となるようにする。そして開閉弁９２を開くことにより、精製器向けガスボンベ７７Ａから実際に精製器８９にヘリウムガスが供給される。
【００４６】
ここで、精製器向けガス供給用ボンベ７７Ａから精製器８９に向けてのヘリウムガス供給圧力が例えば１２ＭＰａ以下に下がれば、それを供給圧力検出器８１が検出して、圧縮機７１が運転を再開し、これによりガスバッグ４９内のヘリウムガスが圧縮されながら精製器向けガス供給用ボンベ７７Ａに向けて送り込まれ（充填され）、そのボンベ７７Ａの圧力（したがって精製器８９に供給されるガスの圧力）が最高圧力（例えば１５ＭＰａ）まで昇圧されれば、圧縮機７１の運転が停止される。そしてこの間に、ガスバッグ４９内のガス量が減少することになるが、ガスバッグ４９のレベル計５９がレベルＬまで下がれば、戻り流路８３の還流用開閉弁(電磁弁）８５が開いて、原料ガス供給用ボンベ７７Ｂ〜７７Ｆ内の高圧ガスが、減圧弁８７により減圧されながらガスバッグ４９内に低圧で送り込まれて、ガスバッグ４９内のガス量が再び多くなる。そしてこれをレベル計５９が検出すれば（レベルＨとなれば）、圧縮機７１が再び運転を再開して、粗ヘリウムガスマニホールド７５の精製器向けガス供給用ボンベ７７Ａに高圧でヘリウムガスを再び充填する状態となる。次いで供給圧力検出器８１によって検出される圧力が充分な供給圧力に達すれば、精製器向けガス供給用ガスボンベ７７Ａからヘリウムガスが精製器８９に供給される。その後精製器向けガス供給用ボンベ７７Ａからの供給圧力が再び低下すれば、既に述べたように圧縮機７１を再び運転して、粗ヘリウムガスマニホールド７５の精製器向けガス供給用ボンベ７７Ａに高圧でヘリウムガスを充填し、充分に高圧となれば再び精製器向けガス供給用ボンベ７７Ａから精製器８９にヘリウムガスを供給する。そしてこのような過程を繰返して、初期の回収運転により粗ヘリウムガスマニホールド７５の各ボンベ７７Ａ〜７７Ｆに充填・回収されたヘリウムガスは、そのほぼ全量が精製器８９に供給されることになる。
【００４７】
ここで、精製器８９について説明すると、精製器８９は、高圧で液体窒素温度（−１９６℃）まで低温にすることにより、回収ヘリウムガス中の不純物（空気等）を液化分離除去（空気の場合１０ＭＰａで不純物量１％まで除去）した後、活性炭等の吸着剤により高純度のヘリウムガスにするものである。そのため精製器８９に供給されるガスとしては、常に高圧のガスが供給されなければならない。したがって図３の例では、精製器向けガス供給用ボンベ７７Ａから導出されるガスを高圧に維持（例えば１５〜１２ＭＰａ以上）して、高圧減圧弁９３を介し、高圧（例えば１１ＭＰａ）のヘリウムガスを精製器８９に供給するようにしている。すなわち精製器８９の出口側に保圧弁（例えば１０ＭＰａ以上になると流れる）１１７を設けて、精製器８９に供給されるガスの圧力が常に高圧に維持できるようにしている。
【００４８】
一方、精製器８９を出たガスは、保圧弁１１７を通り減圧弁１１９により減圧（例えば０．１５ＭＰａまで減圧）され、流量制御装置２１により、液化される一定量分が液化装置本体１２に供給されるが、精製器８９にはその量だけ流れることになる。このようにして連続的に液化する量だけ精製して液化装置本体１２にガスを供給することができるのである。
【００４９】
精製器８９に導入されるヘリウムガスは、その直前に高圧乾燥器９５によって水分等が除去され、その水分等が低温で凍りつき配管を閉塞することが防止される。
【００５０】
精製器８９に導入された常温のヘリウムガスは、熱交換器１０７において、精製冷却された高純度かつ低温のヘリウムガスと熱交換されて冷却される。このことにより精製器８９の冷源である液体窒素の消費量を削減できる。
【００５１】
さらにヘリウムガスが精製器８９の内槽９９に導入されれば、ヘリウムガスは冷却用熱交換器１０１により液体窒素と充分熱交換され、さらにコンデンサ１０３により導入ガス中の不純物である空気等が液化され、液化分離除去（空気に場合１０ＭＰａで不純物量１％まで除去）され、導入されたガスの純度が高められる。なおコンデンサを使用せずに吸着筒に直接供給した場合は、不純物を吸着するための吸着剤として多量のものが必要となり、それに伴って精製器も大型となってしまう。
【００５２】
コンデンサ１０３を出たヘリウムガスは、吸着筒１０５において吸着剤により不純物が吸着除去され、高純度のヘリウムガスとなる。このようにして低温で精製冷却された高純度のヘリウムガスは、前述のように熱交換器１０７において精製器８９に導入される常温のヘリウムガスと熱交換して、液化機本体へ供給される。
【００５３】
次に液化の状況について説明すると、精製器８９により生成された高圧のヘリウムガスは減圧弁１１９により低圧（例えば０．１５ＭＰａ）となり、流量制御装置２１により、液化する一定量分が液化装置本体１２に供給される。液化装置本体１２の部分の動作は既に図１について説明したと同様であり、３段のＧＭ冷凍機２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃによって段階的に冷却され、液化して、凝縮容器１３に溜められ、ヘッド差による重力によって液体ヘリウム容器３５に導入される。
【００５４】
ここで、冷凍機の冷却能力に余裕があって、液化されたヘリウムガスを溜めた液体ヘリウム容器３５内の圧力が負圧になれば、流量制御装置２１の制御動作により供給ガスを増やし、液化量を増やすことにより対応制御を行なうことができる。また逆に液体ヘリウム容器３５内のヘリウム蒸発量が多くなってその容器３５内の圧力が高くなった場合には、逆止弁（クラッキング圧力が１０ｋＰａ程度）５７を通してガスバッグ４９にヘリウムガスを回収することができる。
【００５５】
なお図３に示すヘリウムガス回収・精製・液化装置では、図１に示されるヘリウムガス液化装置（本体）１２を適用して、液化装置本体１２の部分は開放系としているが、図２の場合と同様にクライオスタット３７に適用して循環系に構成し得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】この発明のヘリウムガス液化装置の原理的な構成の一例を示す略解図である。
【図２】この発明のヘリウムガス液化装置の原理的な構成の他の例を示す略解図である。
【図３】この発明のヘリウムガス液化装置を用いたヘリウムガス回収・精製・液化装置の一例を示す略解図である。
【図４】従来のヘリウムガス液化装置の一例を示す略解図である。
【符号の説明】
【００５７】
１２  ヘリウムガス液化装置本体
１５  ヘリウムガス流路
２３  真空断熱槽
２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ  小型極低温冷凍機としてのＧＭ冷凍機
２９Ａ，２９Ｂ，２９Ｃ  冷却ヘッド
４９  ヘリウムガス１次回収装置としてのガスバッグ
５９  ガス量検出手段としてのレベル計
７１  圧縮機
７５  ヘリウムガス２次回収装置としての粗ヘリウムガスマニホールド
７７Ａ  精製器向けガス供給用ボンベ
７７Ｂ〜７７Ｆ  原料ガス供給用ボンベ
７９  分離用開閉弁
８１  供給圧力検出手段としての圧力検出器
８９  精製器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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