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JPH079346B2 - ヘリウムの液化装置 - Google Patents
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JPH079346B2 - ヘリウムの液化装置 - Google Patents

ヘリウムの液化装置

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JPH079346B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、ヘリウムを液化する装置の改良に関し、水
素吸蔵合金を用いた水素液化装置で予冷するようにして
回転機械を使用せず、長時間運転できるようにしたもの
である。
［従来の技術］ 気体のうち沸点が最も低いヘリウムを液化した液体ヘリ
ウムは、物質の超電導性や超流体性などの研究には不可
欠であり、新しい電子機器等にも種々応用されつつあ
る。
このようなヘリウムを液化するには、例えば第２図に示
すように、液体ヘリウムサイクルＡと予冷するための液
体窒素サイクルＢとを付設しておき、圧縮機１で圧縮さ
れたヘリウムガスを予冷用熱交換器２に送って液化窒素
サイクルＢからの液化窒素で予冷した後、絞り弁３に行
くヘリウムガスの一部を膨脹タービン４に入れて可逆膨
脹させ、低温となったヘリウムを絞り弁３から分離器５
を経て圧縮機１に戻るヘリウムと合流させるとともに、
この戻りガスと絞り弁３へのヘリウムとを第１及び第２
熱交換器6,7で熱交換させるようにしながら、分離器５
に液体ヘリウムを得るようにしている。
この場合に使用される液化窒素サイクルＢは、例えば３
台の圧縮機8,9,10と熱交換器11と絞り弁12などで構成さ
れており、絞り膨脹などを利用して分離器13に液体窒素
を得るようにしている。
［発明が解決しようとする課題］ このようなヘリウムの液化装置では、圧縮したヘリウム
ガスの予冷のため付設される液体窒素サイクルＢ中にモ
ータなどで駆動される圧縮機8,9,10が設置されており、
回転部分を潤滑するため潤滑油が使用されている。この
潤滑油中に空気などが混入していると、熱交換器11や絞
り弁12に凍結付着するなどの問題があるとともに、潤滑
油の極僅かな量が吸着器を通過して循環され、これが熱
交換器11の伝熱面に付着してしまい、熱交換器効率が低
下してしまうという問題がある。
これらの空気の混入及び潤滑油の循環の問題は、圧縮機
の運転に伴って潤滑油を補給する必要があることから次
第に堆積して影響が大きくなり、伝熱効率の低下を招い
てしまう。
そこで、従来は、長くても2000時間程度運転を行うと、
運転を停止、熱交換器11や吸着器などを清掃するように
しており、長時間の連続運転ができないという問題があ
った。
また、液体ヘリウムサイクルＡの効率向上のためには、
予冷温度をできるだけ低くすることが有効であり、さら
に温度を下げることができる簡単な装置が必要とされて
いる。
この発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされた
もので、潤滑油を必要とする回転機械を使用することな
く、しかも予冷温度を下げることができ、長時間の連続
運転ができるヘリウムの液化装置を提供しようとするも
のである。
［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するためこの発明のヘリウムの液化装置
は、ヘリウムガスを予冷した後、膨脹機による可逆膨脹
と絞り弁による絞り膨脹とを組み合わせてヘリウムを液
化する液化装置において、ヘリウムガスの予冷用熱交換
器をヘリウムガスの圧縮機の入側に設け、このヘリウム
ガスの予冷用熱交換器に予冷用液体水素を送る水素液化
サイクルを、水素吸蔵合金が入れられ加熱・冷却を切り
替えて水素ガスの放出・吸蔵が可能な２つの反応容器
と、加熱される前記反応容器から放出される高圧水素ガ
スを冷却する熱交換器と、冷却された水素ガスを可逆膨
脹と絞り膨脹とを組み合わせて行う膨脹機及び絞り弁
と、膨脹された水素から液体水素を分離する分離器とで
構成し、この水素液化サイクルの分離器から前記ヘリウ
ムガスの予冷用熱交換器に予冷用の液体水素を供給可能
に接続したことを特徴とするものである。
［作用］ このような水素吸蔵合金を用いる水素液化サイクルを水
素吸蔵合金が入れられ加熱・冷却を切り替えて水素ガス
の放出・吸蔵が可能な２つの反応容器と、加熱される前
記反応容器から放出される高圧水素ガスを冷却する熱交
換器と、冷却された水素ガスを可逆膨脹と絞り膨脹とを
組み合わせて行う膨脹機及び絞り弁と、膨脹された水素
から液体水素を分離する分離器とで構成してヘリウムの
予冷を行うようにしており、圧縮機などの回転機械を使
用しないことから、潤滑油を必要とせず、潤滑油中の空
気や潤滑油自体の循環による詰まりや汚染の問題をなく
し、長時間の連続運転を可能としている。
また、液体窒素よりも温度の低い液体水素を予冷に用い
るので、一層効率良くヘリウムの液化ができるととも
に、液体ヘリウムサイクルの圧縮機の入り口側でヘリウ
ムを冷却するようにしてターボ式圧縮機などの低温コン
プレッサの使用をも可能としている。
［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図面を参照しながら詳細に
説明する。
第１図はこの発明のヘリウムの液化装置の一実施例にか
かる概略構成図である。
このヘリウムの液化装置20は、液体ヘリウムサイクルＡ
と液体水素サイクルＣとで構成されている。
液体ヘリウムサイクルＡは３台の予冷用熱交換器21,22,
23を備えて液体水素サイクルＣからの液体水素で予冷さ
れるようになっており、第１予冷用熱交換器21で冷却さ
れたヘリウムガスが低圧圧縮機24に送られて圧縮された
後、中間冷却器としての第２予冷用熱交換器22で冷却さ
れ、さらに高圧圧縮機25で加圧され、第３予冷用熱交換
器23で冷却される。
こうして冷却された低温高圧のヘリウムは絞り弁26に送
られるが、その途中でヘリウムの一部が膨脹タービン27
に入れられて可逆膨脹され、低温となったヘリウムを絞
り弁26からのヘリウムと合流させるとともに、この戻り
ガスと絞り弁26へのヘリウムとを熱交換器28で熱交換さ
せるようにしながら、分離器29に液体ヘリウムを得るよ
うにしている。
一方、ヘリウムガスの予冷に使用される液体水素サイク
ルＣは、水素吸蔵合金を用いて水素ガスの圧縮などを行
うものである。
この液体水素サイクルＣでは、２つの水素吸蔵合金が入
れられた反応容器30,31が設けられ、一方が蒸気などの
加熱源で加熱され、吸着されている水素を放出すること
で高圧の水素を得ることができるようになっており、他
方は、水などの冷却水で冷却され、水素を吸着するよう
になっている。
このように２つの反応容器30,31は水素圧縮機として機
能するようになっており、それぞれの反応容器30,31で
反応が飽和状態となった後、２つの三方弁32,33で操作
して冷却と加熱を切り替えることで連続使用できるよう
になっている。
これら反応容器30,31に入れられる水素吸蔵合金として
は、例えば100℃に加熱したとき、40〜50kg/cm2の高圧
水素が放出され、常温常圧（20℃,1kg/cm2程度）程度で
冷却したとき、水素の吸蔵がおこなわれる性質を持った
ものが使用される。
例えば２つの三方弁32,33を図中黒く塗り潰した部分を
閉じるようにし、反応容器30を加熱側とし、反応容器31
を冷却側とすると、反応容器30から放出される高圧の水
素は、三方弁32から第1,第２及び第３熱交換器34,35,36
で冷却されながら絞り弁37に行く途中で一部が膨脹ター
ビン38に送られて可逆膨脹され、低温となった水素が絞
り弁37から分離器39を経て反応容器31に戻る水素と合流
させられるとともに、この戻りガスと絞り弁37への水素
とが第1,第２及び第３熱交換器34,35,36で熱交換され、
分離器39に低温の水素ガスとともに、液体水素が得られ
る。
こうして得られた水素の低温流体が液体ヘリウムサイク
ルＡの第1,第２及び第３予冷用熱交換器21,22,23に送ら
れ、ヘリウムを予冷するようになっている。
そして、予冷後の水素は、三方弁33を経て反応容器31に
送られ、水素吸蔵合金に吸蔵される。
こうして２つの反応容器30,31での水素の放出と吸蔵が
行われ、それぞれの反応が飽和状態となった後、加熱側
を冷却側にし、冷却側を加熱側にするよう２つの三方弁
32,33を切り替えて図中斜線で示す部分を閉じるように
して連続した運転を行う。
このようなヘリウムの液化装置20によれば、予冷用の液
体水素サイクルＢが水素吸蔵合金を用いるものであるた
め、回転機械部分がなく、潤滑油を使用することがない
ので、第1,第２及び第３熱交換器34,35,36の伝熱部分に
付着堆積することがなく、長時間運転しても伝熱性能が
低下することがない。
また、液体ヘリウムサイクルＡの予冷が液体水素温度で
行われるので、液体窒素を用いる場合よりも低くするこ
とができ、ヘリウムの液化が容易となるとともに、低圧
圧縮機24に吸入される前のヘリウムを冷却するようにし
ているので、密度の高いヘリウムを効率良く圧縮でき
る。
さらに、高圧化も可能となり、低温コンプレッサの使用
ができるとともに、ターボ圧縮機を使用することもで
き、装置の小形化が計れ、ドラムなどへの収容も簡単に
でき、外部との熱遮断や騒音防止も容易となる。
尚、上記実施例では、液体ヘリウムサイクルで圧縮機を
２段としたが、これに限らず、さらに多段としたり、レ
シプロ式のもので１段としても良い。
［発明の効果］ 以上、一実施例とともに具体的に説明したようにこの発
明のヘリウムの液化装置によれば、圧縮機で圧縮したヘ
リウムガスの予冷用熱交換器に水素吸蔵合金を用いて水
素を吸蔵放出させて得られる液体水素を供給するように
したので、圧縮機などの回転機械を使用しないことか
ら、潤滑油を必要とせず、潤滑油中の空気や潤滑油自体
の循環による詰まりや汚染の問題をなくし、長時間の連
続運転が可能となった。
また、従来の液体窒素よりも温度の低い液体水素を予冷
に用いるので、一層効率良くヘリウムの液化ができると
ともに、液体ヘリウムサイクルでの圧縮機の入り口側で
ヘリウムを冷却するようにすれば、ターボ圧縮機など低
温コンプレッサの使用も可能となり、装置のコンパクト
化を計ることが容易となるとともに、ドラムなどに入
れ、外部との熱遮断を計ったり、騒音を遮断することが
容易となる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明のヘリウムの液化装置の一実施例にか
かる概略構成図、第２図は従来装置の概略構成図であ
る。 20:ヘリウムの液化装置、21,22,23:第1,第２及び第３予
冷用熱交換器、24,25:低圧及び高圧圧縮機、26:絞り
弁、27:膨脹タービン、28:熱交換器、29:分離器、30,3
1:反応容器、32,33:三方弁、34,35,36:第1,第２及び第
３熱交換器、37:絞り弁、38:膨脹タービン、39:分離
器。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ヘリウムガスを予冷した後、膨脹機による
    可逆膨脹と絞り弁による絞り膨脹とを組み合わせてヘリ
    ウムを液化する液化装置において、ヘリウムガスの予冷
    用熱交換器をヘリウムガスの圧縮機の入側に設け、この
    ヘリウムガスの予冷用熱交換器に予冷用液体水素を送る
    水素液化サイクルを、水素吸蔵合金が入れられ加熱・冷
    却を切り替えて水素ガスの放出・吸蔵が可能な２つの反
    応容器と、加熱される前記反応容器から放出される高圧
    水素ガスを冷却する熱交換器と、冷却された水素ガスを
    可逆膨脹と絞り膨脹とを組み合わせて行う膨脹機及び絞
    り弁と、膨脹された水素から液体水素を分離する分離器
    とで構成し、この水素液化サイクルの分離器から前記ヘ
    リウムガスの予冷用熱交換器に予冷用の液体水素を供給
    可能に接続したことを特徴とするヘリウムの液化装置。
JP63332046A 1988-12-28 1988-12-28 ヘリウムの液化装置 Expired - Lifetime JPH079346B2 (ja)

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