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技術 ヘリウムガス回収供給システム

出願人 大陽日酸株式会社
発明者 野村祐司足立貴義平野浩人能瀬憲宏
出願日 2016年11月22日 (4年0ヶ月経過) 出願番号 2016-226739
公開日 2018年5月31日 (2年5ヶ月経過) 公開番号 2018-083731
状態 未査定
技術分野 吸着による気体の分離 硫黄、窒素等及びそれらの化合物;過化合物 その他の表面処理
主要キーワード ヘリウム含有量 ヘリウムガス濃度 圧力計測器 ダスト除去後 ヘリウム濃度 低圧タイプ PID調節計 高圧タイプ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (3)

課題

小型かつ簡易設備で、ヘリウムガス回収し、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。

概要

背景

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、皮膜材料融点又は軟化温度よりも低い温度に加熱した作動ガス超音速まで加速し、その加速した作動ガスにより粉末材料固相状態のまま高速基材衝突させ、皮膜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。

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。

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。

概要

小型かつ簡易設備で、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。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。

目的

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

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

超音流速とされたヘリウムガスとともに、先端から原料粉末固相状態のまま基材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

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、皮膜材料融点又は軟化温度よりも低い温度に加熱した作動ガス超音速まで加速し、その加速した作動ガスにより粉末材料固相状態のまま高速基材衝突させ、皮膜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。

0005

特表2004−526052号公報

先行技術

0006

榊、「新しい溶射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

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。
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。

実施例

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。

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

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