量のヘリウムガスが発生しそれが回収配管を経由してセンター内のガスバッグに戻ってくるガスバッグに一時的に貯蔵されたガスは回収用圧縮機で 14.7 MPa に圧縮し油水分離器高圧ガスドライヤーで油や水分を除去した後蓄圧器に貯蔵される液化する前に蓄圧器のガスは中圧ガスドライヤーで 2.5

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ともあきいそみ
5 years ago
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1 ヘリウム液化システムの維持管理と大規模な更新の実施笹尾愛教育研究支援室 1 はじめに私は理学研究科技術部教育研究支援室に所属しており低温センター豊中分室に派遣されている吹田豊中両キャンパスに設置された低温センターでは学内で教育研究に利用する寒剤供給や安全対策および法的手続き等を行っているセンターで主に取り扱っている液体ヘリウムは物理系のみならず化学系生物系等の幅広い分野で利用されており理系の約 40% の研究室が直接間接に利用しているヘリウムガスは海外の限られた天然ガス田からしか分離精製されず 100% 輸入に頼る稀少な資源で非常に高価であるそのため実験室で使用後に発生するヘリウムガスを回収しセンターで貯蔵精製してそれを効率よく液化することにより安価で安定した液体ヘリウムの供給を実現して教育研究の支援に大きく貢献している同時に実験室等で連続運転して使用する冷凍機と比較して大幅な節電も実現している今回私は平成 27 年度設置後 12 年経過して傷んだ液化機の更新が行われることになりこの機会にヘリウムの安価で安定した供給とその維持管理をさらに発展させるため更新内容の優先順位づけと新しい仕様を検討し液化装置とシステムの一部を大規模に更新したことについて評価され理学研究科技術賞を受賞したこれからその内容を紹介する 2 ヘリウム液化システムの更新目的今回は経年劣化に伴う更新であるが限られた予算のため液化機本体の他液化機周辺装置の更新の優先順位をつけるその際メンテナンス費用と電気代の削減作業の効率化職場環境の向上を含めた安全衛生対策も視野に入れて新しい仕様を考える 3 ヘリウム液化システムと学内のガス回収の流れ図 1 は豊中分室における更新後のヘリウム液化システムの概略図を示すまず運搬用液体ヘリウム容器で研究室の実験装置に供給された液体ヘリウムは利用後気化して大図 1 ヘリウム液化システム概略図 ( 点線枠内は更新部分 )

量のヘリウムガスが発生しそれが回収配管を経由してセンター内のガスバッグに戻ってくるガスバッグに一時的に貯蔵されたガスは回収用圧縮機で 14.7 MPa に圧縮し油水分離器高圧ガスドライヤーで油や水分を除去した後蓄圧器に貯蔵される液化する前に蓄圧器のガスは中圧ガスドライヤーで 2.

2 量のヘリウムガスが発生しそれが回収配管を経由してセンター内のガスバッグに戻ってくるガスバッグに一時的に貯蔵されたガスは回収用圧縮機で 14.7 MPa に圧縮し油水分離器高圧ガスドライヤーで油や水分を除去した後蓄圧器に貯蔵される液化する前に蓄圧器のガスは中圧ガスドライヤーで 2.5 MPa まで降圧し液化機のコールドボックスの内部精製器へ送られ液化機ラインに供給される液化用圧縮機で圧縮されたガスは液化機内の 2 基の膨張タービンにて 9.8 K まで冷却されジュールトムソン弁 ( 以後 JT 弁と言う ) を通じて液化され三重管式移送管で液体ヘリウム貯槽に移送し液体ヘリウム状態で貯蔵されるこれを適宜運搬用液体ヘリウム容器に充填して研究室に運び再利用される液化用バッファータンクと純ガスカードルを付帯設備として備えるなお図 1 の点線枠内は平成 27 年度に更新した範囲である 4 ヘリウム液化システムの状況と更新のための優先順位の検討更新に先立ち私は旧システムの問題点を把握するため表 1 のような項目に分けて更新の優先順位を検討した 4-1) ヘリウムガス回収貯蔵系液体ヘリウムのコストを抑えるために最も重要なことのひとつはヘリウム回収率の向上である各研究室でも回収率の向上に努めてもらっているがセンター内では高圧ガス状態のヘリウムを大量に扱っておりガス漏れが問題となるそこで保安上の問題も含めて回収用圧縮機高圧ガスドライヤー蓄圧器ガスバッグに注目しガスが漏れていないか確認した結果全て表 1 ヘリウム液化装置とシステム ( 太字は更新 ) の装置からガス漏れがあり各々対応した回収用圧縮機の漏れ箇所は特定できず 3 台から 2 台運用に切り替えた高圧ガスドライヤーの自動式エアー駆動バルブからの漏れは部品等の交換が困難なため使用を極力控えた一方手動式は増し締めを行うことで漏れは生じなくなったのでこちらを主に用いた蓄圧機は漏れ箇所を特定し増し締め作業後は漏れは生じなくなったガスバッグは 2 つあり片方は漏れていることがわかったが漏れ箇所は目視リークディテクター共に特定できなかったこれらから更新順位は 1 機が壊れると油分水分が除去されない不純なヘリウムガスが送られ液化運転が困難となるので高圧ガスドライヤーを 1 位としたガス漏れがあり漏れ箇所を特定できなかったガスバッグを 2 位とした 4-2) ヘリウム予冷系ヘリウムガスの予冷に用いる液体窒素について貯槽関係と断熱配管ともに大きな故障は見つからなかったしかし経年劣化に伴う液体窒素汲み出し口につながる貯槽の元バルブからの液漏れや一定圧力以上になるとガス放出し圧抜きするブリーザー弁の故障

3 があったので安全のために更新前に早急に修理したこれは故障の都度検討し早急に修理することにして暫定的にこのまま使用を継続することにした断熱配管は室温まで温度を上昇させて真空排気する必要があり通常のヘリウム液化時は作業できないため真空再排気し再利用することにした 4-3) ヘリウム液化系経年に伴って部品の消耗や電気系統の不具合による故障が増加し各々の故障原因を解明したその際今回の更新の主な目的として 1 更新前と同様に純ガスでの液化能力 200 L/hr を維持すること 2 液化用圧縮機の吐出圧力及びヘリウム液化機本体圧力を 1.0 MPa 未満の低圧することに重点をおいた液化用圧縮機は油とヘリウムガスの混合状態をスクリューで圧縮し液化機に挿入循環させるこれには大きな故障はなかったがシステム更新では吐出圧力を 1.0 MPa 未満にするため廃棄することにした液化機は凝縮方式による内部精製器を備えており純度 80% 以上の原料ヘリウムガスで液化運転が可能で熱交換器 2 基の膨張タービン弁類配管等から構成されたクローズドサイクルであるこの液化機で以下の 3 件の異常が生じ各々について対応した ( 異常 1) 第 1 膨張タービンと第 2 膨張タービンの回転数不足が発生したためスピードセンサーを交換した ( 異常 2) 液体ヘリウム貯槽内圧の異常が発生し割れていた JT 弁のバルブシートを交換した ( 異常 3) 第 1 膨張タービン入口バルブが開かないためタービンにガスが流れず第 1 膨張タービンと第 2 膨張タービンの回転数不足が発生したがバルブ交換せずしばらく監視した今回のシステム更新では液化機の吐出圧力を 1.0 MPa 未満にするため旧液化機は廃棄するその他ヘリウム液化時の温度や圧力制御に必要な運転制御システムや中圧ガスドライヤーの故障が目立った特に運転制御システムは旧設備において戻りガス圧力の異常値表示や瞬時変動制御モニターの電源が落ちるという低温センターの安全に係わる異常が生じた部品交換または部品交換できないものは監視にて対応した加えてヘリウム液化機や液化用圧縮機を冷やすために冷却水循環設備の冷却塔とチラーを用いているがこの冷却塔の配管が腐食して減肉した ( 図 2(a), (b)) 腐食防止のため交換前と同素材の鉄製配管にエポキシ樹脂を塗装したものと交換し ( 図 2(c)) 防腐とレジオネラ菌対策のための薬品を投入したしかし 1 年後には塗装が剥がれ下地の鉄素材になり少し腐食が生じ始めたチラーは大きな故障はなかったがタービン冷却水のセンサー不良でヘリウム液化機が起動しないことが以前あったこれらから運転制御システム中圧ガスドライヤー冷却設備を廃棄することとした付帯設備のヘリウムガスを自動的に貯蔵する液化用バッファータンクは液化装置で内部精製器を使用する液化運転時に精製器内に吸着した不純物を定期的に加熱除去する工程で必要な純ガスの供給用に利用するこれは故障してはいないが現在の 16 m3 ではタンクの容量が小さく再生時間が不足し液化運転が持続できないのでもう1 基追加することとした

(a) (b) (c) 図 2 冷却塔配管の腐食 (a) 交換前の錆, (b) 交換前の配管内部の錆, (c) 新品交換塗装品これらを踏まえ 1 位を液化用圧縮機 2 位をヘリウム液化機 3

空気中の水分をさらに除去するために吸着式圧縮空気除湿装置を新規に加えることとした液体ヘリウム貯槽 ( 液面計含む ) は今回は使用を継続することにした 4-4)

真空再排気して再利用することにした 5 ヘリウム液化システム更新の仕様と工夫今回の更新の主な目的は 1 純ガスでの液化能力 200 L/hr の維持 2

0 MPa 未満の低圧することであるこれらを踏まえ以下の各項目についても取り組んだ 5-1) メンテナンス費用の削減図には示されていない膜式精製器は

4 (a) (b) (c) 図 2 冷却塔配管の腐食 (a) 交換前の錆, (b) 交換前の配管内部の錆, (c) 新品交換塗装品これらを踏まえ 1 位を液化用圧縮機 2 位をヘリウム液化機 3 位を運転制御システムで 4 位を液化用バッファータンクの追加 5 位を中圧ガスドライヤーを更新する事としたさらに腐食や錆の影響を受けた冷却水循環設備 ( 冷却塔チラー ) の更新と空気中の水分をさらに除去するために吸着式圧縮空気除湿装置を新規に加えることとした液体ヘリウム貯槽 ( 液面計含む ) は今回は使用を継続することにした 4-4) ヘリウム移送系液化機本体と液体ヘリウム貯槽との位置関係が変更され前述のように三重管式移送管は新しく更新することにした二重管式ヘリウム汲み出し管は外側に霜が発生せず問題がないので真空再排気して再利用することにした 5 ヘリウム液化システム更新の仕様と工夫今回の更新の主な目的は 1 純ガスでの液化能力 200 L/hr の維持 2 液化用圧縮機の吐出圧力及びヘリウム液化機本体圧力を 1.0 MPa 未満の低圧することであるこれらを踏まえ以下の各項目についても取り組んだ 5-1) メンテナンス費用の削減図には示されていない膜式精製器は研究室からセンターへの戻りヘリウムガス純度が通常約 99% と高純度であるのでそのままでも液化できるため廃棄した回収用圧縮機油水分離機高圧ガスドライヤーを 3 機から 2 機に減らしたまた高ガスドライヤー ( 図 3(a)) はより安全で便利にするため手動式操作で取り替え可能な切り替え弁再生温 (a) (c) (b) 図 3 (a) 高圧ガスドライヤー, (b) 液化機 (c) 液化用圧縮機 ( 拡大図 : スクリュー部 )

度の上昇回収用圧縮機と高圧ガスドライヤーの切り替え運転ができるようにしたヘリウム液化機 ( 図 3(b)) と液化用圧縮機 ( 図 3(c)) は今回の更新の方針に従い 1.0 MPa 未満の低圧ガス設備にした 5-2) 消費電力量の削減更新前の液化運転時のセンター全体の 1 日当たりの消費電力量は平均で約 400 kwh でありその内訳は液化用圧縮機が 322.

2 kwh であった更新前と同様の液化能力 ( 純ガスで 200L/hr) を保持しかつ液化機の液化開始までの運転時間が室温からでは約 3 時間が約 2 時間に連日運転では 108 分が 37 分に短くなったことが効いている更新後のその他の消費電力量は冷却塔は 8.8 kwh 増加したが液化用圧縮機の空調設備は 13 kwh チラーは 1.

作業効率の改善先に述べたように液化用バッファータンクとして弁付きの 30 m 3 タンクを追加 ( 図 4(a)) し合計 46 m 3 に増強した追加によりヘリウム純度低下時に購入した純ガスを用いる頻度を減少させシステム全体の管理がやりやすくなったガスバック ( 図 4(b)) はポリエチレン / ポリウレタン製に変更することでガスの透過度が減少するので

5 度の上昇回収用圧縮機と高圧ガスドライヤーの切り替え運転ができるようにしたヘリウム液化機 ( 図 3(b)) と液化用圧縮機 ( 図 3(c)) は今回の更新の方針に従い 1.0 MPa 未満の低圧ガス設備にした 5-2) 消費電力量の削減更新前の液化運転時のセンター全体の 1 日当たりの消費電力量は平均で約 400 kwh でありその内訳は液化用圧縮機が kwh で 81% に相当する更新後はセンター全体の 1 日当たりの消費電力量は平均で約 300 kwh となりその内液化用圧縮機は kwh であった更新前と同様の液化能力 ( 純ガスで 200L/hr) を保持しかつ液化機の液化開始までの運転時間が室温からでは約 3 時間が約 2 時間に連日運転では 108 分が 37 分に短くなったことが効いている更新後のその他の消費電力量は冷却塔は 8.8 kwh 増加したが液化用圧縮機の空調設備は 13 kwh チラーは 1.4 kwh 減少した更新前後のセンター全体消費電力量は平均で 100 kwh 減少して更新前の 25% を削減することができた液化機本体と液体ヘリウム貯槽との位置関係が変更され前述のように三重管式移送管は新しく更新することにした二重管式ヘリウム汲み出し管は外側に霜が発生せず問題がないので真空再排気して再利用することにした 5-3) 作業効率の改善先に述べたように液化用バッファータンクとして弁付きの 30 m 3 タンクを追加 ( 図 4(a)) し合計 46 m 3 に増強した追加によりヘリウム純度低下時に購入した純ガスを用いる頻度を減少させシステム全体の管理がやりやすくなったガスバック ( 図 4(b)) はポリエチレン / ポリウレタン製に変更することでガスの透過度が減少するので蓄圧器に備蓄されるヘリウムガスの純度が向上する結果補充するために購入する純ガス量が減少した前述のように冷却塔 ( 図 4(c)) は腐食のための修理を行ったが再度腐食が進行したので更新することにした以前は防腐とレジオネラ菌対策のための薬品を手動投与していたが薬品の危険性等を含めて適正な管理を行うため自動薬品管理装置を導入したチラーは以前のタービン冷却水のセンサー不良による配管内の錆の残留が懸念されたので配管と装置を更新した冷却塔とチラーの冷却水は定期的に交換することにした (a) (b) (c) 運転システムに関して瞬間停電で運転制御システムが故障したことがあったため無停電電源供給装置を設置した警報表示は更新前は制御用モニターのみであったが更新後は監視用モニターでも警報を含むデータ収集ができるようになった運転制御盤と一体化した液化機の設置場所を検討し安全のための運転制御盤の緊急停止ボタンは誰でも対応できるように正面入り口に向けたその結果液化機本体と液体ヘリウム貯槽との位置関係が変更され前述のようにその間の三重管式移送管は新しく更新された 5-4) 安全衛生対策液化用圧縮機のスライド弁の開閉方式の変更と低速動作のスクリューによって騒音の最大値が更新前の 98dB から 79dB に大幅に減少したまた冷却塔の薬品投与を自動で行うことで薬品事故の危険性も少なくなり以前より職場環境が改善された図 4 (a) 液化用バッファータンク, (b) ガスバック, (c) 冷却塔 ( 自動薬品管理装置を拡大 )

6 6 まとめと今後の課題今回の更新は経費の制約から設置後 12 年経過して傷んだヘリウム液化装置を中心とする必要最低限の更新にした ( 表 1 参照 ) その中で課題であったメンテナンス費用と電気代の削減作業の効率化さらに職場環境向上も含めた安全衛生対策を取ることができた今後更新した装置の様子をみながら日常点検の強化やメンテナンス方法の改訂を進めて行くしかし以下の残された課題もあり対策を取って行きたい 1. 更新できなかった機器の対策回収用圧縮機液体窒素貯槽一式液体ヘリウム貯槽一式について早めの更新を目指しそれまで維持管理を慎重に行う 2. 増設できなかった機器の対策蓄圧器について機会をみて増設し備蓄量を増加させて液体ヘリウムの安定供給をめざす謝辞更新に際して平成 27 年末から数ヶ月間の液体ヘリウム供給停止をおこない平成 28 年度 4 月より通常の供給業務を再開することができましたその間利用者にご不便をお掛けし大変申しわけなくまたその間の利用者の寛容な対応に感謝したいですまた今回の更新にご尽力頂きました野末泰夫先生田島節子先生竹内徹也先生感謝いたしますこの紙面を借りましてお礼申し上げます

CP-V 真空用ドレン回収ポンプ型式選定チャート ( 流入水頭 1m 時 ) 低揚程タイプ < 最大揚程約 14m> 高揚程タイプ < 最大揚程約 20m> 1. 実際には流入水頭対象装置運転条件などにより決定されます詳細はお問い合わせください吸引ドレン量 ( 流入水頭 1m 以外の数値に

CP-V 真空用ドレン回収ポンプ型式選定チャート ( 流入水頭 1m 時 ) 低揚程タイプ < 最大揚程約 14m> 高揚程タイプ < 最大揚程約 20m> 1. 実際には流入水頭対象装置運転条件などにより決定されます詳細はお問い合わせください吸引ドレン量 ( 流入水頭 1m 以外の数値に CP-V 真空用ドレン回収ポンプ公共建築工事標準仕様書適合品特長安定した真空 ( 循環水温に相当する飽和圧力 ) でドレンを吸引温度コントロールされている熱交換器で滞留したドレンが原因のウォーターハンマーや腐食を防止フラッシュ蒸気を含むドレンの安定回収シングルダブルポンプともに 1 台のポンプでエゼクター駆動とドレン圧送を行う省電力コンパクト設計ダブルポンプは 2 台のポンプが交互に自動運転し