(57)【要約】本発明は、ヘリウム及びヘリウム回収浄化装置を用いて、溶融チャンバや噴霧塔などの処理閉鎖装置から不純物を除去する。大気圧以上でのアルゴン／ヘリウム置換によって、噴霧化に必要なアルゴン雰囲気を作り出すことができる。
2006507121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理密閉装置中のガスから不要な不純物を除去する方法であって；
（ａ）前記処理密閉装置から任意の空気を除去するステップと；
（ｂ）前記処理密閉装置内にヘリウムガスを導入するステップと；
（ｃ）不純物を除去するために前記処理密閉装置全体にわたって前記ヘリウムガスを循環させるステップと；
（ｄ）前記ヘリウムを処理ガスで置換するステップと；
（ｅ）プロセスを前記処理ガスで開始するステップと；
を含む、方法。
【請求項２】
前記処理ガスが、アルゴン、窒素、エンドー・ガス、及びそれらの混合物からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ヘリウムガスの導入前に、前記空気が真空引きによって前記処理密閉装置から除去される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記空気が密度置換によって前記ヘリウムで置換される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記ヘリウム・ガスが少なくとも１つの浄化装置から供給され、前記浄化装置が前記処理装置に接続され、それと一体化している、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記処理装置が１つ又は複数の溶融チャンバ及び噴霧塔を備え、前記プロセスが噴霧金属を製造し、汚染されたアルゴン・ガスを発生する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記処理装置が、化学蒸着装置、冷間溶射成形装置、溶射装置、金属鋳造装置、セラミック処理装置、プラズマ・アーク装置、及び真空装置からなる群から選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記アルゴンガスを浄化装置を通過させて汚染物質を除去する、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
（ａ）閉鎖処理装置と；
（ｂ）ヘリウム・ガスの供給源と；
（ｃ）処理ガスの供給源と；
（ｄ）閉鎖環境中で前記ヘリウムガスを前記処理ガスで置換する手段と；
を備える、処理装置。
【請求項１０】
前記閉鎖処理装置が、金属噴霧塔、化学蒸着装置、冷間溶射成形装置、溶射装置、金属鋳造装置、セラミック処理装置、プラズマ・アーク装置、及び真空アーク装置からなる群から選択される、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、処理装置が先ずヘリウムによって浄化されるアルゴンなどの処理ガスの使用及びヘリウム浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルゴンに基づく処理は、その処理に使用されるアルゴンを再利用でき、浄化できることが知られている。浄化装置は、ゲッタ、ＰＳＡ、ＴＳＡ、及び低温カラムを備えることができる。しかし、上記の浄化装置でアルゴンからの酸素及び窒素の分離は過剰な資本コストになることがある。ヘリウム・ガスからの酸素及び窒素の除去はより少ない資本コストになることも知られている。ヘリウムからの酸素及び窒素の分離は、ヘリウム及び他の不純物の物理特性の差に起因して、より容易におこなわれる。
【０００３】
例えば、バッチ・プロセスにおいて、噴霧ノズルを通して溶融金属の流れの周りにガスの流れを噴射することによって噴霧粉を製造することができることは周知である。一般的に、この溶融材料は、鉄、スチール、銅、ニッケル、アルミニウム、マグネシウム、鉛、スズ、チタン、コバルト、バナジウム、タンタル、及びそれらの合金などの金属であり、又はこの方法は、溶融流として酸化物及び／又はセラミック材料などの非金属粉末を製造するために使用することもできる。多くの場合、（例えば、少なくとも９９．９９モル％の）高純度アルゴン・ガスの使用が好ましい。
【０００４】
アトマイゼーション（噴霧化：ａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ）の前に溶融チャンバ及びアトマイゼーション・タワー（噴霧塔）から不純物を除去する必要もある。このような不純物は、酸素、窒素、水、一酸化炭素、二酸化炭素、金属、及び金属塩を含む。あいにく、酸素及び窒素からのアルゴン分離は極めて困難で高コストになる。ゲッタ（即ち、化学反応）は別にして、膜及び分子ふるい（例えば、ＰＳＡで見られる）は酸素とアルゴンをほぼ同一に扱う。従って、ガスがかなりの量の窒素及び酸素不純物を含有するアルゴンの浄化には、再生可能なゲッタ又は低温プロセスを伴なう。即ち、アトマイゼーション法におけるアルゴンの浄化は極めて高コストであるが、他方ヘリウムの浄化はずっと簡単でありそのためより低コストである。
【０００５】
より具体的には、米国特許第４，６２９，４０７号には、ガス回収装置、ガス浄化装置、及びガス配給装置を有する金属アトマイゼーション装置が開示されている。このガス回収装置は希ガス及び窒素ガスを取り扱うことができる。希ガスの場合、このガス浄化装置には酸素及び窒素を除去するためにチタン・ゲッタが使用される。窒素の場合、このガス浄化装置には酸素を除去するために銅金属などの他のゲッタが使用される。希ガス及び窒素のどちらにも水を除去するための分子ふるいが使用されるであろう。
【０００６】
米国特許第４，８３８，９１２号及び第６，１２３，９０９号には、アルゴンの液化及び／又は蒸留に基づくアルゴン回収装置が開示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
（発明の目的）
それ故、本発明の目的は、アルゴンなどの異なるガスで処理することを意図しつつ処理閉鎖空間をヘリウムで効率的に浄化することを可能とする方法及び装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（本発明の概要）
本発明は、処理ガスで処理閉鎖空間を充填する前に処理閉鎖空間を浄化するためにヘリウム及びヘリウム回収装置を用いる。この処理ガスは、プロセスが、不純物の分離が困難であるか或いは処理ガスで高コストになるアトマイゼーション（噴霧）、熱処理、化学ドーピング、金属処理、又は他の任意の方法を伴うバッチ・プロセスにおいて用いる。従って、本発明の第１ステップでは、処理閉鎖空間に不純物が許容できない濃度で含まれている。ヘリウムをこの閉鎖空間に導入するとヘリウムに不純物が混合される。次いで、ヘリウム及び不純物を、不純物除去用の浄化装置中を通過させる。処理閉鎖空間中で不純物濃度が許容レベルに達すると、次のステップでは、処理ガスで処理閉鎖空間中のヘリウムを置換する。
【０００９】
本発明の一実施形態では、アトマイゼーション用のアルゴンで充填する前に、金属アトマイゼーション法における溶融チャンバ及びタワー（塔）を浄化するためにヘリウム及びヘリウム回収装置を用いる。アトマイゼーションはバッチ・プロセスであり、アトマイゼーションをおこなった後で、アトマイゼーション・チャンバを大気中に開放して洗浄する。これによって空気が装置内に入る。従って、本発明によれば、本発明の方法の第１ステップで溶融チャンバ及びアトマイザ（噴霧器）を真空引きするステップを伴う。この真空引きによって空気及び他の不純物の量が減少する。真空引きステップの最後にヘリウムをチャンバ及びタワー内に供給してその内部の圧を大気圧より僅かに増大させる。ヘリウム・ガスの純度は、どのようにしてヘリウムをチャンバ内に導入するかに応じて約９０モル％から９９．９９９モル％まで変動する。例えば、ヘリウムを密度置換によって空気と置換するとき、置換後のヘリウム純度は９０モル％程度になり得るはずである。他方、空気を真空引きで除去した後で、ヘリウムを導入する場合、ヘリウムの純度は浄化装置から直接供給すると９９．９９９モル％程度になり、例えば、チューブ・トレーラから供給すると９９．９９５モル％程度になる。圧縮装置でヘリウム及び不純物を浄化用ヘリウム回収装置を介して循環させる。このヘリウム浄化装置に１つ又は複数の圧力スウィング吸着及び／又は膜を用いてヘリウムを空気不純物から分離して９９．９９９モル％ヘリウムを製造することができる。好ましい方法は同一出願人による国際公開第ＷＯ０３１０１１４３４号（ヘリウム回収用の制御システム）及び国際公開第ＷＯ０３１０１１４３１号（ヘリウム回収）に開示されている。
【００１０】
浄化の後で、ヘリウムを、例えば、アルゴンで置換する。アルゴンをアトマイゼーション装置の塔の低所から入れ、そしてアルゴンがアトマイゼーション装置に入るにつれてヘリウムがタワーの高所を通って装置から出て行く。好ましい方式では、アルゴン／ヘリウムの置換によって、アルゴン９０％以上の雰囲気が実現される。アトマイゼーション装置中の残留ヘリウムはアルゴンの不純物として残してもよいし、或いは追加の処理で除去してもよい。高純度の場合、アトマイゼーション雰囲気は１００万分の５（５ｐｐｍ）未満、好ましくは、２ｐｐｍ未満の酸素、窒素、水、ＣＯ２、及び（ヘリウムを除く）他の不純物しか含有してはいけない。アトマイゼーション中、ヘリウムを循環させたものと同じ圧縮装置が今度はアルゴンを循環させる。アトマイゼーション法で使用するために、追加の圧縮装置を用いてアルゴン圧を必要なノズル圧（例えば、１００から１５００ｐｓｉまで変動する）まで増大させることもできる。
【００１１】
より一般的には、本発明は、処理装置から許容できない不純物、例えば、空気を除去するための方法に関する。そして、この処理装置は、（ａ）処理装置から空気を除去するステップと、（ｂ）処理装置にヘリウム・ガスを導入するステップと、（ｃ）処理装置全体にわたってヘリウムガスを循環させるステップと、（ｄ）ヘリウムガスをアルゴン・ガス又は他の処理ガスで置換するステップと、（ｅ）処理ガスでプロセスを完了するステップとを含む。
【００１２】
一実施形態では、ヘリウム・ガスを導入する前に、真空引きによって処理装置から空気を除去する。
【００１３】
他の実施形態では、密度置換によって空気をヘリウムで置換する。
【００１４】
他の実施形態では、ヘリウム・ガスを浄化装置から供給する。
【００１５】
他の実施形態では、浄化装置が一つ又は複数の圧力スウィング吸着装置及び膜装置を備える。
【００１６】
他の実施形態では、浄化装置を処理装置に接続し、処理装置と一体化する。
【００１７】
他の実施形態では、密度置換によってヘリウム・ガスをアルゴン・ガスで置換する。
【００１８】
他の実施形態では、ヘリウムを減圧条件下で処理装置に導入する。
【００１９】
他の実施形態では、処理装置が１つ又は複数の溶融チャンバ及びアトマイゼーション・タワー（噴霧塔）を備える。
【００２０】
他の実施形態では、この方法がアトマイズ（噴霧）金属を製造し、汚染されたアルゴン・ガスを発生させる。
【００２１】
他の実施形態では、汚染されたアルゴン・ガスを廃棄する。
【００２２】
他の実施形態では、アルゴン・ガスを浄化装置に通して１つ又は複数の汚染物質及びアトマイズ金属を除去する。
【００２３】
他の実施形態では、汚染物質が２ｐｐｍ未満の量存在する。
【００２４】
他の実施形態では、ヘリウム・ガスの９０％以上をアルゴンで置換する。
【００２５】
本発明の他の実施形態では、処理装置、例えば、金属アトマイゼーション装置を含み、この装置は、ａ）金属アトマイゼーション・タワーなどの処理装置と、ｂ）ヘリウム・ガス供給源と、ｃ）アルゴン・ガスなどの処理ガス供給源と、ｄ）ヘリウム・ガスをアルゴン・ガスなどの処理ガスで置換する手段及び金属アトマイゼーション・タワーにアルゴン・ガスを供給する手段とを備える。この装置の本実施形態では、ヘリウム・ガス供給源がヘリウム浄化装置である。
【００２６】
当業者なら、以下の好ましい実施形態の説明及び添付の図面から、他の目的、特徴、及び利点を思いつくであろう。
【００２７】
（本発明の詳細な説明）
本主題発明は、アルゴン・ガスの導入前にヘリウムを用いて処理装置（例えば、アトマイゼーション・タワー及び溶融チャンバ）を浄化する。空気、メタン、及び他の不純物をヘリウムから除去することは膜及び分子ふるいで行なう。標準のＰＳＡ／膜の組み合わせを用いることによって、処理装置中のガス純度を上記で述べた不純物の５ｐｐｍ未満に到達させることができる。ＰＳＡ／膜ヘリウム回収装置は酸素及び窒素を％オーダで除去することができる。ヘリウム雰囲気下で必要な純度に到達させた後で、処理装置中で単にアルゴンでヘリウムを置換する。
【００２８】
アルゴン／ヘリウム置換をいくつかの周知の方法で行なうことができる。好ましい方法では、ヘリウムとアルゴン間の密度差を用いる。密度分離では、アルゴンを装置の低所に導入しヘリウム除去を装置の高所で行なう。置換後にアルゴン中のヘリウム濃度が依然として高過ぎる場合は、膜及び／又はＰＳＡ浄化装置を用いてヘリウム濃度を低下させることができる。不要な不純物（例えば、酸素及び窒素）の濃度が低下して許容レベル（例えば、上記したように２〜５ｐｐｍ）以内に収まるとアトマイゼーション法を開始することができる。
【００２９】
処理装置及び回収装置内部の圧を大気圧を超えて維持して空気の装置内へのリークを排除する。しかし、大気圧を超えた圧でさえも、酸素及び窒素は、金属から又は装置のガス排出から処理ガスに入ることがある。酸素及び窒素のレベルが高くなりすぎる場合においては、アルゴンの浄化を、約１０バールまで圧縮する際、スリップ・ストリーム（そこで、ガスの一部分を除去し、浄化し、再導入する）によって実施することができる。
【００３０】
本主題発明を図１を参照してより詳細に説明する。本発明では、（供給源１８又はＰＳＡ１６における浄化プロセスのどちらかから）ヘリウムをアトマイザ３０（即ち、処理装置）内に導入することから開始する。ヘリウムの導入は、例えば、真空ポンプ２８を用いて管路２７を介して（空気を除去するために）処理装置を真空にした後の充填として行うことができる。次いで、管路２９及びコンプレッサ５によってアルゴン浄化装置に空気を供給する。
【００３１】
ヘリウムは空気とヘリウム間の密度置換によって導入することもできる。密度置換の場合、ヘリウムを装置の高所から導入し、空気を低所（例えば、管路２７）で除去する。ヘリウム／空気置換の後では、９０％以上のヘリウム濃度が予測される。ヘリウムが処理装置を占めると、次いでコンプレッサ５が始動し、不純物を管路１６を通して排出しながら、ガスをＰＳＡ１３を通して移動させる。ＰＳＡから純ガスが出て、ダクト１５を通って処理装置に入る。即ち、ガスは、処理装置及び浄化装置を通る循環パターン中を流れる。コンプレッサ５は、分析計２４が不純物（例えば、酸素及び／又は窒素）レベルが規格以内であることを示すまで循環パターン中でガスを移動させ続ける。不純物レベルが規格内になると、コンプレッサ５はダクト２５を通して再循環させ始める。
【００３２】
次のステップは、ヘリウムのアルゴンでの置換を伴う。別の密度置換を用いてアルゴンはヘリウムを置換する。アルゴン２３がダクト４に入り、ヘリウムがダクト１７の高所を通って処理装置を出る。このダクト１７はコンプレッサ５及びガス受入装置１４にヘリウムを戻す。ヘルウムに対するアルゴンの置換はアルゴンが所望の濃度に到達するまで続く。
【００３３】
ヘリウム／アルゴン置換の完了後、コンプレッサ５は、ダクト６中でアルゴンの圧を１０から１３バールに増大させる。加圧されたアルゴンはダクト７を通ってコンプレッサ８まで流れる。コンプレッサ８はこのアルゴンをノズル圧（＜１５０バール）まで加圧する。ノズル圧のアルゴンでガス受入装置１０を充填する。ガス受入装置１０を充填するための追加のアルゴンは２３でのアルゴン補給から供給される。このガス受入装置１０はダクト９によるコンプレッサ８からのパルシング除去を停止する。このように、本発明は、より小型で高圧の受入装置の故に従来の技術に勝る経済的利点を有する。本発明はガスを急速に循環させるが、高圧ガスの大量の予備を必要としない。
【００３４】
アルゴン充填プロセスの操作及び制御は、コンプレッサの出力の低下及び他のバルブ操作によって実現する。ダクト４が負ゲージ圧に到達するのを防ぐためにコンプレッサ５は、性能の低下及びダクト１１からダクト２６を通ってダクト４まで到るアルゴン戻りガスによって風量を低下させる。ダクト４中の正ゲージ圧を保つことは重要である。というのは、負ゲージ圧は装置内に空気を導入するからである。ＰＰＭレベルの空気でもアルゴンを規格外にすることがある。アトマイゼーション処理中、過剰な不純物が装置に入らないことを保証するために、同様な制御を行なう。
【００３５】
アトマイゼーション中、アトマイゼーション・ガス及び固体がアトマイゼーション・タワーから離れる。固体は、サイクロン１及びカートリッジ・フィルタ２を通過するときダクト３によってガス流から落下する。次いで、固体を含まないガスがコンプレッサ５に入る。分析計２４は、規格を保証するためにガス流を監視し続ける。
【００３６】
ガス規格が規格内にない場合は、ダクト１９中の流量制御バルブが開く。この制御バルブは分析計２４によって測定された不純物量に対応して開く。コンプレッサ５を停止させると、最大で５０％のノズル流がダクト１９に入ることが可能になる。即ち、ダクト１１の後ろのアトマイジング・ノズル流が１０００ｓｃfｍの場合は、コンプレッサ５は、制御バルブが全開のとき１５００ｓｃfｍを処理しなければならない。不純物に基づいてダクト１９中のバルブを制御することによって、コンプレッサ５の電力を最小にし、アルゴン浄化（装置）２０を操作するためのユーティリティを最小にすることができる。低純度のアルゴン・ガスはダクト１９を通過した後、アルゴン浄化２０内に入る。
【００３７】
アルゴン浄化２０は、ＣＯ２と水を除去するための加熱スウィング吸着装置（ＴＳＡ）、酸素を除去するための水素を有する触媒酸化装置、又は酸素及び窒素を除去するためのゲッタを備える。もっとも好ましい場合、アルゴン浄化は低温吸着を伴うことができる。低温吸着は、アルゴンから酸素及び窒素を除去することができる。不純物のバルクは、ヘリウム浄化装置で除去される。従って、金属のガス放出から装置に入る不純物は極めて微量である。アルゴン浄化２０は、従来技術のものよりはるかに小型である。浄化の後で、高純度（例えば、９９．９９９モル％）の処理ガスは圧縮のためにダクト２２を通ってコンプレッサ５に戻り、不純物はダクト２１経由で出て行く。
【００３８】
ヘリウム／アルゴン置換の後、ヘリウムは数パーセント（例えば、１モル％以上１０モル％以下）の不純物として存在する。アルゴン中のヘリウム濃度が高すぎる場合は、アルゴン浄化プロセス２０の一部分を用いてアルゴンからヘリウムを除去することができる。アルゴン中のヘリウム濃度がアトマイゼーション開始前に低くなければならない場合は、分離したダクト及びバルブが、ダクト２２を通して流す代わりにガスをアルゴン浄化２０からアトマイザまで循環させる。膜装置はヘリウムを除去するためのもっとも好ましい方法を提供するであろう。膜を用いることによってヘリウムをｐｐｍレベル内に除去することができる。アルゴン・ガスからヘリウムを除去するための他の方法は、ＰＳＡ又は低温分離を伴うことができる。
【００３９】
アルゴンとヘリウムの混合ガスをアトマイジング・ガス（噴霧ガス）として用いることによって、利点をもたらすことができる。即ち、ヘリウム／アルゴン置換を＞９０％アルゴンにまで完了させる代わりに、この方法では、異なる混合ガスの状態で停止させるであろう。例えば、アトマイザがヘリウムとアルゴンの５０／５０混合ガスを所望する場合は、アルゴン浄化装置が上記で説明したのと同じ働きをするであろう。
【００４０】
コンプレッサ５の周りのループでのアルゴン浄化の代わりに、ダクト６中での浄化を行うことができる。これによって、コンプレッサ５の大きさを低下させることができる。低温吸着の場合、コンプレッサ５は、ダクト６中でアルゴンの吸着温度での飽和圧未満の圧を発生させるであろう。全体の処理ガス流を処理することによって、冷凍コストが好ましい方法よりも増加するであろう。
【００４１】
アルゴン浄化２０の代わりに、２３でのアルゴン補給によって不純物を希釈するためにある量の新鮮なアルゴンを入れることができる。アトマイザの後ろのベントが余剰なガスを排出する。
【００４２】
本発明の具体的な諸特徴が便宜上のためだけに図面に示されている。というのは、各特徴は本発明による他の特徴と組み合わせることができるからである。代替実施形態は、当業者には分るはずであり、それらは特許請求の範囲の範疇に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の好ましい実施形態の系統図である。
【図１】
2006507121.tif 000003
【国際調査報告】
2006507121.tif 000004
2006507121.tif 000005
2006507121.tif 000006