JP2000102717A

JP2000102717A - 気体分離装置

Info

Publication number: JP2000102717A
Application number: JP10276060A
Authority: JP
Inventors: Shintarou Tsujimi; 信太郎辻見; Tomoichirou Nakamura; 知一郎中村; Terufumi Iwata; 照史岩田
Original assignee: Tokico Ltd
Current assignee: Tokico Ltd
Priority date: 1998-09-29
Filing date: 1998-09-29
Publication date: 2000-04-11

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明はガス分離膜の性能低下を正確に検出
することを課題とする。【解決手段】窒素ガス発生装置１１は、ガス分離膜か
らなる膜モジュール１２，１３を用いて窒素ガスを分離
生成するよう構成されている。制御回路４２は、装置停
止時に圧力計２８により検出された圧力変化に基づいて
膜モジュール１２，１３が交換時期であるか否かを判定
する。すなわち、ある運転条件（例えば膜モジュール１
２，１３の入口圧力及び出口圧力、中空糸膜３６の温
度、製品ガスとして吐出する窒素冨化ガスの流量等）に
おける停止時の圧力変化を圧力計２８により測定し、基
準となる所定圧力に低下するまでの時間ｔ１’又はｔ
２’を計測し、予め膜モジュール１２，１３の初期状態
のときに測定した時間ｔ１又はｔ２と比較することによ
り膜モジュール１２，１３が交換時期に達したか否かを
判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は気体分離装置に係
り、特にガス分離膜に圧縮空気を供給して窒素ガスを取
り出すよう構成された気体分離装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に窒素ガス発生装置における窒素ガ
ス分離方法には、深冷分離式、ＰＳＡ式や膜分離
式等がある。深冷分離式の窒素ガス分離方法では、空気を冷却して
液化し、液化温度の違いにより窒素と酸素及びその他の
ガスを分離する方法である。

【０００３】ＰＳＡ式は、窒素と酸素の吸着剤に対す
る吸脱着速度差を利用して分離する方法である。このＰ
ＳＡ式の場合、小型化も可能であり、窒素ボンベの代替
えとして酸素を嫌う食品の充填剤として利用されている
が、機器構成や制御が複雑になる。膜分離式は、多数の中空糸が充填された膜モジュール
に空気を通気すると、中空糸を透過し易い酸素と透過し
にくい窒素とに分離することができる。この膜分離式
は、上記ＰＳＡ式のものよりもさらに小型化が可能であ
り、同容量のＰＳＡ式のものに比べて取り出される窒素
ガスの純度が若干低くなる。

【０００４】上記従来の深冷分離式の窒素ガス分離方法
では、大量に処理できる利点はあるが、冷却等に多くの
エネルギを要するため、ガスを取り扱うガスメーカの大
規模プラントなどでしか採用できない。また、上記従来
の空気圧縮機を利用したＰＳＡ式のものは、吸着槽へ交
互に圧縮空気を供給して窒素と酸素に分離させる構成で
あり、窒素ガス取り出し後には吸着槽内のガスを排気し
て吸着剤を再生させる必要がある。そのため、各吸着槽
の給気側及び排気側に電磁弁を設け、複数の電磁弁を各
工程毎に開閉制御しなればならない。また、ＰＳＡ式の
ものは、起動開始時の立ち上りに数十分の時間を要す
る。

【０００５】これに対し、膜分離式のものは、空気圧縮
機と膜モジュールのみという簡単な構成となるため、装
置の小型化や低価格化が図れると共に、高純度を必要と
しない使用方法に好適である。そのため、膜分離式の気
体分離装置の開発が促進されている。また、膜モジュー
ル式のものは、ＰＳＡ式のように製品ガスを分離した後
吸着槽で脱着工程を行う必要がないので、起動開始から
製品ガスの安定供給までにかかる時間が数分程度で済
む。

【０００６】しかしながら、上記膜分離式の気体分離装
置では、窒素の分離性能を膜モジュールの性状に依存し
ており、所定の分離性能を保つためには、膜モジュール
へ供給される原料空気の性状（例えば、流量、圧力、含
水量、温度など）を安定させることが重要である。ま
た、膜モジュールは、供給される空気が清浄でないと上
記吸着剤等に比べて気体分離性能の低下が著しいといっ
た特性を有している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の膜分離式の気体
分離装置においては、膜モジュールにより生成された製
品ガスの酸素濃度を濃度センサで検出するように構成さ
れているので、検出された酸素濃度から製品ガスの窒素
濃度を求めることができるが、膜モジュールへの空気供
給量や取り出し量や、供給圧力等の条件によって窒素濃
度が変化するため直接的に膜モジュールの気体分離性能
の低下を検知することができなかった。

【０００８】ところが、膜モジュールは、供給される空
気が清浄でないとＰＳＡ式の吸着剤等に比べて気体分離
性能の低下が著しいので、気体分離性能が所定以上低下
した場合には膜モジュールの交換作業等を行う必要があ
る。その場合、膜モジュールの使用条件によらず膜モジ
ュールの性能低下を判断してメンテナンスを行うように
しなければならないが、濃度センサによる濃度検出結果
だけでは、膜モジュールの性能低下を正確に判断するこ
とが難しかった。

【０００９】また、膜モジュールの性能低下を判定する
ためには、初期状態で測定した基準値を入力してメモリ
に記憶させておく必要があるが、膜モジュールを交換す
る度に基準値設定のための操作に手間がかかるといった
問題がある。そこで、本発明は上記問題を解決した気体
分離装置を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は以下のような特徴を有する。上記請求項１
記載の発明は、混合気体を一の気体と他の気体とに分離
するガス分離膜に圧縮空気を供給し、該ガス分離膜から
一の気体又は他の気体の一方を製品ガスとして取り出す
気体分離装置において、前記ガス分離膜より下流の系路
に設置され、該下流の系路内の圧力変化を検出する圧力
検出手段と、装置停止後に該圧力検出手段により検出さ
れた圧力変化に基づいて前記ガス分離膜が交換時期であ
ることを判定する判定手段と、を備えてなることを特徴
とするものである。

【００１１】従って、請求項１記載の発明によれば、装
置停止後にガス分離膜より下流の系路内の圧力変化を検
出する圧力検出手段により検出された圧力変化に基づい
てガス分離膜が交換時期であることを判定するため、ガ
ス分離膜の気体分離性能が所定以下に低下したことを正
確に判断でき、これによりガス分離膜の交換作業等のメ
ンテナンスを効率良く行うことができる。

【００１２】また、上記請求項２記載の発明は、上記請
求項１記載の気体分離装置であって、前記判定手段が、
装置停止後の所定時間後の圧力値が所定の基準値と異な
る場合、又は圧力変化率が所定の基準値と異なる場合前
記ガス分離膜が交換時期であることを判定することを特
徴とするものである。

【００１３】従って、請求項２記載の発明によれば、装
置停止後の所定時間後の圧力値が所定の基準値と異なる
場合、又は圧力変化率が所定の基準値と異なる場合前記
ガス分離膜が交換時期であることを判定するため、ガス
分離膜の気体分離性能が所定以下に低下したことを正確
に判断でき、これによりガス分離膜の交換作業等のメン
テナンスを効率良く行うことができる。

【００１４】また、上記請求項３記載の発明は、上記請
求項１又は２記載の気体分離装置であって、前記ガス分
離膜を交換した際に操作されるリセットスイッチを設
け、該リセットスイッチからの信号に基づいて前記圧力
検出手段により検出された圧力変化を前記判定手段の判
定基準の基準値として更新する基準値更新手段を設けた
ことを特徴とするものである。

【００１５】従って、請求項３記載の発明によれば、ガ
ス分離膜を交換した際に操作されるリセットスイッチか
らの信号に基づいて圧力検出手段により検出された圧力
変化を判定基準の基準値として更新するため、ガス分離
膜を交換直後に判定基準の基準値を自動的に更新するこ
とができる。また、上記請求項４記載の発明は、上記請
求項１又は２記載の気体分離装置において、前記ガス分
離膜の設けられた他のガスの排出路に設けられ、装置運
転時には開弁し、装置停止後において前記ガス分離膜の
残留圧力が外気圧となる前に閉弁する排気弁と、前記排
気弁の閉弁状態時に、前記ガス分離膜の残留圧力値が外
気圧と同じになった場合には、前記ガス分離膜が交換さ
れたものと判断し、前記判定手段の前記判定基準の基準
値を更新する基準値更新手段を備えてなることを特徴と
するものである。

【００１６】従って、請求項４記載の発明によれば、排
気弁の閉弁状態時に、ガス分離膜の残留圧力値が外気圧
と同じになった場合には、ガス分離膜が交換されたもの
と判断し、判定手段の判定基準の基準値を更新するた
め、ガス分離膜の交換後に判定基準の基準値を自動的に
更新することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面と共に本発明の実施の
形態について説明する。図１は本発明になる気体分離装
置の一実施例としての窒素ガス発生装置の概略構成図で
ある。図１に示されるように、気体分離装置としての窒
素ガス発生装置１１は、空気圧縮機１０により生成され
た圧縮空気を窒素と酸素に分離するガス分離膜からなる
中空糸膜が充填された膜モジュール１２，１３を用いて
空気を酸素と窒素に分離させ、分離された窒素ガスを製
品ガスとして抽出するよう構成されている。尚、本実施
の形態では、空気から窒素ガスを分離生成する窒素ガス
発生装置１１について説明するが、酸素ガス発生装置に
も適用できるのは勿論である。

【００１８】また、窒素ガス発生装置１１は、膜モジュ
ール１２，１３に圧縮空気を供給する空気供給管路１４
と、膜モジュール１２，１３で分離された製品ガスとし
ての窒素ガスを取り出す窒素ガス供給管路１６とからな
る系路を有する。空気供給管路１４に配設された空気圧
縮機１０は、空気を圧縮する空気圧縮部１８と、膜モジ
ュール１２，１３を保護するため空気圧縮部１８から吐
出された圧縮空気を冷却するアフタークーラ１９と、ア
フタークーラ１９から吐出された空気が加圧された状態
で溜められる加圧タンク２０とから構成されている。さ
らに、空気供給管路１４には、加圧タンク２０の余分な
空気を消音器３８より排気させることにより、加圧タン
ク２０からの空気を所定圧に減圧する減圧弁２４と、減
圧弁２４からの空気に含まれる不純物を除去するエアフ
ィルタ２５と、エアフィルタ２５を通過した空気を加熱
するヒータ２６と、空気の逆流を防止する逆止弁２７
と、入口側開閉弁４３とが配設されている。

【００１９】また、膜モジュール１２，１３の下流に形
成された系路としての窒素ガス供給管路１６には、膜モ
ジュール１２，１３から吐出された製品ガスとしての窒
素ガスの圧力を測定する圧力計（圧力検出手段）２８
と、出口側開閉弁４４と、出口側開閉弁４４を通過した
窒素ガスの圧力を減圧する減圧弁２９と、窒素ガスの濃
度を測定させるための三方電磁弁３０と、窒素ガスの流
量を所定値に調整する流量調整弁３１と、窒素ガスの流
量を測定する流量計３２と、窒素ガスの取り出し弁とし
て機能する電磁弁３３が配設されている。

【００２０】空気圧縮部１８において圧縮された空気
は、アフタークーラ１９を通過して約２００°Ｃから約
６０°Ｃまで冷却された後、加圧タンク２０へ導かれ
る。加圧タンク２０内の圧力は、圧力計２１により監視
されている。アフタークーラ１９により空気圧縮機１８
から吐出された空気が冷却されるのは、加圧タンク２０
内に圧縮された空気を貯溜させる際の効率を高めるため
である。

【００２１】加圧タンク２０内にて凝縮された水分は、
ドレン弁２２より系外に排出される。また、加圧タンク
２０にて４０°Ｃまで冷却された空気は、減圧弁２４、
エアフィルタ２５を介してヒータ２６により約５０°Ｃ
まで再度加熱され、逆止弁２７を介して膜モジュール１
２，１３へ導かれる。また、膜モジュール１２，１３へ
供給されない余分な空気は、減圧弁２４により消音器３
８を介して系外に放出される。これは、空気圧縮部１８
の容量が膜モジュール１２，１３の容量よりも大きく設
定されており、膜モジュール１２，１３の分離可能な流
量よりも空気圧縮部１８の空気吐出流量の方が充分な余
裕を持たせてあるからである。また、何らかの原因で吐
出が停止した場合も、減圧弁２４に設けられた消音器３
８より系外へ排出される。

【００２２】窒素ガスの純度は、三方電磁弁３０より分
岐された分岐管路３９に配設された流量調整弁４０を介
して分岐管路３９に導かれる酸素濃度計４１にて酸素濃
度を計測することで求まる。制御回路４２は、後述する
ように装置停止後に圧力計２８により検出された圧力変
化に基づいて膜モジュール１２，１３が交換時期である
か否かを判定する判定処理（判定手段）を行う。

【００２３】図２は膜モジュール１２，１３の構成を示
す縦断面図である。また、図３は図２中II−II線に沿う
縦断面図である。図２及び図３に示されるように、膜モ
ジュール１２，１３は、筒状のハウジング３５と、この
内部３５ａに収納された多数の窒素富化膜として機能す
る中空糸膜３６とから構成されている。多数の中空糸膜
３６は、一本に結束されており、上流側端部が空気供給
管路１４に連通され、下流側端部が窒素ガス供給管路１
６に連通されている。

【００２４】各中空糸膜３６は、微細な通路３６ａを有
する管であり、この管により形成される通路３６ａ内に
加圧された空気が流入されると、管を形成する膜壁３６
ｂを透過しやすい酸素分子が、中空糸膜３６の膜壁３６
ｂを透過してハウジング３５の内部３５ａに排出される
と共に、膜壁３６ｂを透過しにくい窒素分子は中空糸膜
３６の通路３６ａを通過して窒素ガス供給管路１６に吐
出される。また、ハウジング３５の内部３５ａに排出さ
れた酸素ガスは、排気口３５ｂから外部に排気される。

【００２５】このように、膜モジュール１２，１３にお
いて、圧縮された空気が窒素富化ガスと酸素富化ガスに
分離される。そして、窒素冨化ガスは、窒素ガス供給管
路１６に吐出され、減圧弁２９、三方電磁弁３０を介し
て流量調整弁３１に供給される。そして、流量調整弁３
１では、流量調整弁３１の下流側に設けられた流量計３
２で計測された吐出量を所望の流量となるように調整し
ており、膜モジュール１２，１３により生成された窒素
冨化ガスは、吐出弁３３を介して系外へ吐出される。

【００２６】図４は中空糸膜３６の作用を説明するため
の縦断面図である。図４に示されるように、窒素冨化ガ
ス生成用に製作された中空糸膜３６は、酸素を透過しや
すい材質（窒素を透過しにくい材質）により形成されて
いる。そのため、中空糸膜３６の通路３６ａに供給され
た圧縮空気中に含まれる酸素分子が優先的に中空糸膜３
６の膜壁３６ｂを透過する。尚、中空糸膜３６の膜壁３
６ｂにおいては、窒素分子も透過する性質を有するが、
酸素分子に比べて透過しにくい（透過速度が酸素分子よ
りも遅い）ので、膜壁３６ｂの内側と外側で窒素分子と
酸素分子とを分離させることができる。

【００２７】従って、中空糸膜３６の通路３６ａを通過
した圧縮空気の酸素濃度が著しく低下して窒素濃度の高
い窒素冨化ガスが製品ガスとして得られる。また、窒素
ガス発生装置１１が起動後に停止操作されると、入口側
開閉弁４３及び出口側開閉弁４４が閉弁して膜モジュー
ル１２，１３の入口及び出口を遮断するため、膜モジュ
ール１２，１３への圧縮空気供給が停止すると共に窒素
冨化ガスの吐出も停止する。この停止状態では、膜モジ
ュール１２，１３の内部に圧縮空気が残留している。

【００２８】そして、膜モジュール１２，１３において
は、装置停止後、時間の経過と共に中空糸膜３６の通路
３６ａに残留した酸素分子や窒素分子等が徐々に中空糸
膜３６の膜壁３６ｂを透過するため、膜モジュール１
２，１３の吐出側圧力が徐々に低下する。この膜モジュ
ール１２，１３の吐出側圧力は、圧力計２８により測定
することができる。

【００２９】図５は装置停止後の膜モジュール１２，１
３の吐出側圧力の変化を示すグラフである。図５中、グ
ラフＩで示すように、装置停止後の膜モジュール１２，
１３の吐出側圧力は、中空糸膜３６の通路３６ａに残留
した酸素分子及び窒素分子が中空糸膜３６の膜壁３６ｂ
を透過するまで一定の割合で低下し、時間ｔ１が経過し
た時点で酸素分子の殆どが透過する。ここで、窒素分子
は、酸素分子よりも膜壁３６ｂを透過する速度が遅いの
で、時間ｔ１が経過した後のグラフＩの傾斜、すなわち
圧力変化率が緩やかとなる。

【００３０】そして、経過時間がｔ２になると、膜モジ
ュール１２，１３の圧力が大気圧になる。このように、
酸素分子と窒素分子との透過速度の差によりグラフＩに
示すように時間ｔ１で圧力変化の変曲点Ａが現れる。そ
のため、グラフＩでは、この変曲点Ａを境にして圧力低
下速度が変化する。この変曲点Ａは、膜モジュール１
２，１３の目詰まり等により徐々に移動し、例えばグラ
フIIに示すように膜モジュール１２，１３の劣化により
時間ｔ１から時間ｔ１’へ変化する。また、膜モジュー
ル１２，１３の圧力が大気圧になるまでの時間もｔ２か
らｔ２’へ変化する。

【００３１】よって、膜モジュール１２，１３の初期状
態の時間ｔ１又はｔ２を予め測定し、装置停止時に測定
された時間ｔ１’又はｔ２’と比較することにより膜モ
ジュール１２，１３の劣化具合を判定することができ
る。すなわち、窒素ガス発生装置１１の制御回路４２
は、ある運転条件（例えば膜モジュール１２，１３の入
口圧力及び出口圧力、中空糸膜３６の温度、製品ガスと
して吐出する窒素冨化ガスの流量等）における停止時の
圧力変化を圧力計２８により測定し、基準となる所定圧
力に低下するまでの時間ｔ１’又はｔ２’を計測し、予
め膜モジュール１２，１３の初期状態のときに測定した
時間ｔ１又はｔ２（交換時の基準値）と比較することに
より膜モジュール１２，１３が交換時期に達したか否か
を判定することができる。

【００３２】ここで、制御回路４２が実行する制御処理
について説明する。図６は制御回路４２が実行する初期
設定処理のフローチャートである。図６に示されるよう
に、制御回路４２は、先ずステップＳ１１（以下「ステ
ップ」を省略する）で膜モジュール１２，１３が交換さ
れたことを確認すると、Ｓ１２で前回の膜モジュール１
２，１３の特性データ（時間ｔ１又はｔ２）をメモリか
ら消去する。

【００３３】続いて、Ｓ１３では、窒素ガス発生装置１
１を運転して空気圧縮部１８において圧縮された圧縮空
気を膜モジュール１２，１３に供給させる。そして、Ｓ
１４では、圧力計２８により測定された膜モジュール１
２，１３の圧力が窒素生成時の目標圧力に達したことを
確認する。膜モジュール１２，１３の圧力が目標圧力に
達した時点で窒素ガス発生装置１１の運転を停止させ
る。これにより、入口側開閉弁４３及び出口側開閉弁４
４が閉弁して膜モジュール１２，１３の入口及び出口を
遮断する。そして、膜モジュール１２，１３の圧力は、
酸素分子が中空糸膜３６を透過することにより徐々に低
下する。

【００３４】次のＳ１７では、タイマをスタートさせて
装置停止後の経過時間を計測する。そして、Ｓ１８にお
いて、圧力計２８により測定された圧力値が変曲点Ａの
圧力値に低下したか否かをチェックする。上記Ｓ１８で
膜モジュール１２，１３の圧力が変曲点Ａの圧力値に低
下すると、Ｓ１９に進み、タイマを停止させる。その
後、Ｓ２０で圧力計２８により測定された圧力値が変曲
点Ａの圧力値に低下したときのタイマ時間を基準値ｔ１
としてメモリに記憶させて、判定基準となる基準値を設
定する。

【００３５】このように、膜モジュール１２，１３が新
品に交換される度に膜モジュール１２，１３の基準値ｔ
１を計測してメモリに記憶させるため、膜モジュール１
２，１３の気体分離特性のバラツキに影響されずに膜モ
ジュール１２，１３の劣化を判定することが可能とな
る。図７は制御回路４２が実行するメイン制御処理のフ
ローチャートである。

【００３６】図７に示されるように、制御回路４２は、
Ｓ２１で窒素ガス発生装置１１の運転を開始した後、Ｓ
２２にて空気圧縮部１８の運転を開始し、且つ入口側開
閉弁４３及び出口側開閉弁４４を開弁させ、ヒータ２６
を加温状態とする。さらに、空気供給管路１４に設けら
れた三方電磁弁２３を加圧タンク２０と減圧弁２４とが
連通されるように切り替えると共に、三方電磁弁３０を
減圧弁２９と流量調整弁３１とを連通するように切り替
える。

【００３７】これにより、加圧タンク２０の圧縮空気が
三方電磁弁２３、減圧弁２４、エアフィルタ２５、ヒー
タ２６、逆止弁２７、入口側開閉弁４３を介して膜モジ
ュール１２，１３に供給される。このように空気供給管
路１４を介して膜モジュール１２，１３に圧縮空気を供
給することにより、中空糸膜３６により分離生成された
窒素ガスが膜モジュール１２，１３から得られる。その
ため、膜モジュール１２，１３で生成された窒素ガス
は、窒素ガス供給管路１６に配設された圧力計２８、出
口側開閉弁４４、減圧弁２９、三方電磁弁３０、流量調
整弁３１、流量計３２、吐出弁３３を介して系外へ吐出
される。

【００３８】次のＳ２３では、メモリに記憶された基準
値ｔ１を読み込む。そして、Ｓ２４では、膜モジュール
１２，１３で生成された窒素ガスが下流側へ供給され
る。Ｓ２５で窒素ガス発生装置１１の運転が停止される
と、Ｓ２６に進み、空気圧縮部１８の運転を停止し、且
つ入口側開閉弁４３及び出口側開閉弁４４を閉弁させ、
ヒータ２６を停止状態とする。

【００３９】これにより、膜モジュール１２，１３の内
部では、圧縮空気が残留した状態に保持されており、装
置停止後、時間の経過と共に中空糸膜３６の通路３６ａ
に残留した酸素分子が徐々に中空糸膜３６の膜壁３６ｂ
を透過するため、膜モジュール１２，１３の吐出側圧力
が徐々に低下する。次のＳ２７では、圧力計２８により
測定された膜モジュール１２，１３の吐出側圧力の変化
を監視して、圧力が変曲点Ａ（図５のグラフＩ参照）に
達した時点の経過時間ｔ１’を読み込む。続いて、Ｓ２
８において、上記メモリに記憶された基準値ｔ１と実測
値ｔ１’に基づいて圧力変化率Ｋ（＝ｔ１’−ｔ１／ｔ
１）×１００％を算出する。

【００４０】尚、圧力変化率Ｋは、圧力変化の変曲点Ａ
までの経過時間ｔ１に限らず、膜モジュール１２，１３
の吐出側圧力が大気圧になるまでの時間ｔ２に基づいて
算出しても良い。あるいは経過時間ｔ１及びｔ２により
夫々の圧力変化率Ｋを算出するようにしても良い。そし
て、Ｓ２９では、圧力変化率Ｋが所定以下（例えば５％
以下）かどうかをチェックする。尚、圧力変化率Ｋの閾
値は、５％以外の任意の値に設定することができる。

【００４１】Ｓ２９において、圧力変化率Ｋが所定以下
（例えば５％以下）であるときは、膜モジュール１２，
１３の性能低下が小さいので、Ｓ３０に進み、膜モジュ
ール１２，１３が正常に使用可能であると判定する。ま
た、上記Ｓ２９において、圧力変化率Ｋが基準値と異な
る場合、すなわち所定以上（例えば５％以上）であると
きは、膜モジュール１２，１３の性能低下が著しいの
で、Ｓ３１に進み、膜モジュール１２，１３が異常であ
ると判定する。続いて、Ｓ３２では、膜モジュール１
２，１３が交換時期に達したことを作業者に報知する。
尚、報知手段としては、液晶ディスプレイに表示しても
良いし、あるいは音声により知らせるようにしても良
い。

【００４２】このように、膜モジュール１２，１３が交
換時期に達したことを正確に報知することができ、その
分膜モジュール１２，１３の点検作業等のメンテナンス
作業を簡略化することができると共に、交換時期に達し
たことを確認できるので、直ちに膜モジュール１２，１
３を交換することができる。次に本発明の変形例１につ
いて説明する。尚、変形例１の説明において、上記実施
の形態の同一部分には同一符号を付してその説明を省略
する。

【００４３】図８（Ａ）（Ｂ）は膜モジュール１２，１
３に設けられたリセットスイッチを説明するための図で
ある。図８（Ａ）に示されるように、膜モジュール１
２，１３は、固定バンド５１により固定されると、端部
がリセットスイッチ５２の可動接点５２ａを軸方向に押
圧する。リセットスイッチ５２は、プッシュ式スイッチ
で可動接点５２ａが押圧されるとオンになり、可動接点
５２ａへの押圧が解除されると自動的に復帰してオフと
なる。

【００４４】従って、膜モジュール１２，１３が固定バ
ンド５１により固定されると、リセットスイッチ５２は
可動接点５２ａが膜モジュール１２，１３の端部に接触
してオンになる。また、図８（Ｂ）に示されるように、
膜モジュール１２，１３を交換するときに固定バンド５
１を弛めて膜モジュール１２，１３が外されると、リセ
ットスイッチ５２は可動接点５２ａが復帰してオフに切
り替わる。

【００４５】そして、膜モジュール１２，１３が交換さ
れた後は、再びリセットスイッチ５２は可動接点５２ａ
が膜モジュール１２，１３の端部に押圧されてオン状態
が維持される。このように使用済みの膜モジュール１
２，１３が新しい膜モジュール１２，１３と交換される
と、リセットスイッチ５２はオン状態からオフ状態に切
り替わった後オン状態に戻る。

【００４６】制御回路４２では、リセットスイッチ５２
から供給される検出信号を監視しており、リセットスイ
ッチ５２がオン→オフ→オンに切り替わると、膜モジュ
ール１２，１３の交換作業が行われたものと判断する。
また、制御回路４２は、後述するように膜モジュール１
２，１３の交換完了を確認すると、それまで記憶されて
いた古い膜モジュール１２，１３の圧力変化率Ｋを消去
して、交換直後の運転開始による新しい膜モジュール１
２，１３の圧力変化率Ｋをメモリに記憶させる。

【００４７】尚、リセットスイッチ５２は、上記のよう
に膜モジュール１２，１３の交換を直接検出するように
設けられたスイッチでも良いし、あるいは操作盤等に設
けて操作員が手動でスイッチ操作する構成としても良
い。また、本変形例１では、気体分離膜としての中空糸
膜３６の劣化の判定は、中空糸膜３６にかかる内圧Ｐ
１，Ｐ２及び経過時間Ｔ１，Ｔ２を用いて行う。すなわ
ち、窒素ガス発生装置１１の運転条件（膜モジュール１
２，１３の入口圧力、出口圧力、中空糸膜３６の温度、
製品ガスとして吐出する窒素富化ガス流量等）における
停止後の内圧変化を中空糸膜３６にかかる内圧ＰがＰ＝
Ｐ１及びＰ＝Ｐ２のときに次式によって求める。

【００４８】膜モジュール１２，１３にかかる内圧Ｐが
Ｐ＝Ｐ１のときの圧力変化率Ｋ１は、式（１）によって
求まる。Ｋ１＝（Ｐ０−Ｐ１）／Ｔ … （１）但し、Ｐ＝Ｐ０のときＴ＝０、Ｐ＝Ｐ１のときＴ＝Ｔ１
である。また、膜モジュール１２，１３にかかる内圧Ｐ
がＰ＝Ｐ２のときの圧力変化率Ｋ２は、式（２）によっ
て求まる。

【００４９】Ｋ２＝Ｐ１／（Ｔ２−Ｔ１） … （２）但し、Ｐ＝Ｐ１のときＴ＝Ｔ１、Ｐ＝０のときＴ＝Ｔ２
である。これらの圧力変化率Ｋ１，Ｋ２の値を基準値と
して予め制御回路４２のメモリに記憶させておくことに
より、制御回路４２は後述するように圧力変化率の比較
を行って中空糸膜３６の劣化具合を判定する。

【００５０】ここで、変形例１の制御回路４２が実行す
る制御処理につき図９乃至図１１を参照して説明する。
図９乃至図１１において、Ｓ４１では、窒素ガス発生装
置１１の運転スイッチ（図示せず）がオンに操作される
と、Ｓ４２において、空気圧縮機１０の運転を開始し、
入口側開閉弁４３及び出口側開閉弁４４を開弁させると
共にヒータ２６を加温して窒素富化ガスが生成される。

【００５１】このとき、Ｓ４３において、リセットスイ
ッチ５２がオフからオンに切り替わったかどうかを判定
し、リセットスイッチ５２がオフからオンに切り替わっ
た場合にはＳ４４にて窒素ガス発生装置１１の停止スイ
ッチ（図示せず）がオンに操作されたかどうかを判定す
る。この停止スイッチがオンに操作されていないとき
は、Ｓ４４に戻る。

【００５２】しかし、窒素ガス発生装置１１の停止スイ
ッチがオンに操作されたときは、Ｓ４５で空気圧縮機１
０を停止すると共に、入口側開閉弁４３及び出口側開閉
弁４４を閉弁させてヒータ２６を停止させる。次のＳ４
６では、圧力計２８による圧力値Ｐの測定及びタイマの
測定時間Ｔの測定を開始する。そして、Ｓ４７におい
て、圧力計２８により測定された圧力値ＰがＰ＝Ｐ１に
なると、Ｓ４８に進み、そのときの経過時間Ｔから圧力
変化率Ｋ１が算出されてメモリに圧力変化率Ｋ１を記憶
させる。同様に、Ｓ４９において、圧力計２８により測
定された圧力値ＰがＰ＝Ｐ２になると、Ｓ５０に進み、
そのときの経過時間Ｔから圧力変化率Ｋ２が算出されて
メモリに圧力変化率Ｋ２を記憶させた後、Ｓ４１に戻
る。

【００５３】また、上記Ｓ４３において、リセットスイ
ッチ５２がオンに操作されなかった場合には、Ｓ５１に
て窒素ガス発生装置１１の停止スイッチがオンに操作さ
れたかどうかをチェックする。そして、Ｓ５１におい
て、窒素ガス発生装置１１の停止スイッチがオンに操作
されたときは、Ｓ５２で空気圧縮機１０を停止すると共
に、入口側開閉弁４３及び出口側開閉弁４４を閉弁させ
てヒータ２６を停止させる。次のＳ５３では、圧力計２
８による圧力値Ｐの測定及びタイマの測定時間Ｔの測定
を開始する。

【００５４】続いて、Ｓ５４において、圧力計２８によ
り測定された圧力値ＰがＰ＝Ｐ１になると、Ｓ５５に進
み、そのときの経過時間Ｔから圧力変化率Ｋａを算出す
る。そして、Ｓ５６で圧力変化率Ｋａと上記Ｓ４８にて
メモリに記憶された基準値Ｋ１と比較する。このＳ５６
において、圧力変化率Ｋａが基準値Ｋ１と異なる場合、
すなわち圧力変化率Ｋａが基準値Ｋ１以上（Ｋａ＞Ｋ
１）の場合、Ｓ５７に進み、膜モジュール１２，１３の
劣化警報を出力する。これにより、膜モジュール１２，
１３が交換時期に達したことが分かり膜モジュール１
２，１３の交換作業を行う。

【００５５】また、Ｓ５６において、圧力変化率Ｋａが
Ｋ１以下（Ｋａ＜Ｋ１）の場合、Ｓ５８に進み、圧力計
２８により測定された圧力値ＰがＰ＝Ｐ２になったかど
うか判定する。そして、Ｓ５８において、圧力値ＰがＰ
＝Ｐ２になると、Ｓ５９に進み、そのときの経過時間Ｔ
から圧力変化率Ｋｂを算出する。そして、Ｓ６０で圧力
変化率Ｋｂと上記Ｓ４８にてメモリに記憶された基準値
Ｋ２とを比較する。このＳ６０において、圧力変化率Ｋ
ｂが基準値Ｋ２以下（Ｋｂ＜Ｋ２）の場合、Ｓ６１に進
み、膜モジュール１２，１３の劣化警報を出力する。

【００５６】これにより、膜モジュール１２，１３が交
換時期に達したことが分かり膜モジュール１２，１３の
交換作業を行う。しかし、Ｓ６０において、圧力変化率
Ｋｂが基準値Ｋ２以上（Ｋｂ＞Ｋ２）の場合、Ｓ４１に
戻る。このように、リセットスイッチ５２がオンになっ
てからの信号供給があると、圧力変化率Ｋ１，Ｋ２が算
出されてメモリに基準値としての圧力変化率Ｋ１，Ｋ２
を記憶させるため、膜モジュール１２，１３の交換完了
が確認されると、交換時期判定基準の圧力変化率Ｋ１，
Ｋ２の基準値を自動的に更新することができる。通常、
膜モジュール１２，１３の圧力変化率Ｋ１，Ｋ２は、各
膜モジュール１２，１３毎に異なるので、膜モジュール
１２，１３を交換する度に交換時期判定基準の基準値を
更新する必要がある。

【００５７】しかしながら、上記のように膜モジュール
１２，１３の交換完了が確認されると、交換時期判定基
準の基準値としての圧力変化率Ｋ１，Ｋ２が自動的に更
新されるため、膜モジュール１２，１３の交換作業が容
易となるばかりか、交換時期判定基準の基準値を手動で
更新する場合のように更新忘れを防止できる。次に本発
明の変形例２について説明する。尚、変形例２の説明に
おいて、上記実施の形態の同一部分には同一符号を付し
てその説明を省略する。

【００５８】図１２は変形例２の膜モジュール１２，１
３の構成を説明するための縦断面図である。図１２に示
されるように、膜モジュール１２，１３のハウジング３
５から酸素ガスを排気する排気口３５ｂには、電磁弁か
らなる排気弁５５が配設されている。この排気弁５５
は、窒素ガス発生装置１１の運転中は開弁状態であり、
窒素ガス発生装置１１の運転を停止した後に閉弁状態に
切替えられる。また、運転停止時は、入口側開閉弁４３
及び出口側開閉弁４４も閉弁されているので、膜モジュ
ール１２，１３のハウジング３５の内部３５ａが密閉さ
れて圧力が残留した状態に保持される。

【００５９】本変形例２では、運転停止後、経過時間Ｔ
２における膜モジュール１２，１３の内圧Ｐ２（Ｐ２≠
０）を検出した後、膜モジュール１２，１３の内圧Ｐ２
ｇａ外気圧となる前に排気弁５５を閉弁させることで膜
モジュール１２，１３の内部には内圧Ｐ２が残留圧力と
して残っている。そのため、膜モジュール１２，１３の
内部は、次に窒素ガス発生装置１１を運転開始するまで
内圧Ｐ２に保持されている。

【００６０】しかし、後述するように膜モジュール１
２，１３が交換されると、交換された膜モジュール１
２，１３の内部には大気圧であるので、圧力計２８によ
り測定された圧力値Ｐがゼロとなる。そのため、本変形
例２では、運転停止後、排気弁５５を閉弁させて圧力計
２８からの測定値を読み込み、そのときの圧力値Ｐがゼ
ロであるとき膜モジュール１２，１３の交換が行われた
ものと判断する。

【００６１】ここで、変形例２の制御回路４２が実行す
る制御処理につき図１３乃至図１５を参照して説明す
る。図１３乃至図１５において、Ｓ７１では、窒素ガス
発生装置１１の運転スイッチ（図示せず）がオンに操作
されると、Ｓ７２において、圧力計２８により測定され
た圧力値Ｐを読み込んで膜モジュール１２，１３の内部
に圧力が残留しているかどうかをチェックする。このＳ
７２において、膜モジュール１２，１３の内部に圧力が
残留していないときは、膜モジュール１２，１３の交換
が行われたものと判断してＳ７３に進む。

【００６２】Ｓ７３では、空気圧縮機１０の運転を開始
し、入口側開閉弁４３及び出口側開閉弁４４、排気弁５
５を開弁させると共にヒータ２６を加温して窒素富化ガ
スが生成される。続いて、Ｓ７４にて窒素ガス発生装置
１１の停止スイッチ（図示せず）がオンに操作されたか
どうかを判定する。この停止スイッチがオンに操作され
ていないときは、Ｓ７４に戻る。

【００６３】しかし、窒素ガス発生装置１１の停止スイ
ッチがオンに操作されたときは、Ｓ７５で空気圧縮機１
０を停止すると共に、入口側開閉弁４３及び出口側開閉
弁４４を閉弁させてヒータ２６を停止させる。次のＳ７
６では、圧力計２８による圧力値Ｐの測定及びタイマの
測定時間Ｔの測定を開始する。そして、Ｓ７７におい
て、圧力計２８により測定された圧力値ＰがＰ＝Ｐ１に
なると、Ｓ７８に進み、そのときの経過時間Ｔから圧力
変化率Ｋ１が算出されてメモリに圧力変化率Ｋ１を記憶
させる。同様に、Ｓ７９において、圧力計２８により測
定された圧力値ＰがＰ＝Ｐ２になると、Ｓ８０に進み、
排気弁５５を閉弁させる。その後、Ｓ８１で経過時間Ｔ
から圧力変化率Ｋ２が算出されてメモリに圧力変化率Ｋ
２を記憶させた後、Ｓ７１に戻る。

【００６４】また、上記Ｓ７２において、膜モジュール
１２，１３の内部に圧力が残留しているときは、Ｓ８３
に進み、空気圧縮機１０の運転を開始し、入口側開閉弁
４３及び出口側開閉弁４４、排気弁５５を開弁させると
共にヒータ２６を加温して窒素富化ガスが生成される。
次のＳ８４にて窒素ガス発生装置１１の停止スイッチが
オンに操作されたかどうかをチェックする。そして、Ｓ
８４において、窒素ガス発生装置１１の停止スイッチが
オンに操作されたときは、Ｓ８５で空気圧縮機１０を停
止すると共に、入口側開閉弁４３及び出口側開閉弁４４
を閉弁させてヒータ２６を停止させる。次のＳ８６で
は、圧力計２８による圧力値Ｐの測定及びタイマの測定
時間Ｔの測定を開始する。

【００６５】続いて、Ｓ８７において、圧力計２８によ
り測定された圧力値ＰがＰ＝Ｐ１になると、Ｓ８８に進
み、そのときの経過時間Ｔから圧力変化率Ｋａを算出す
る。そして、Ｓ８９で圧力変化率Ｋａと上記Ｓ７８にて
メモリに記憶された基準値Ｋ１と比較する。このＳ８９
において、圧力変化率Ｋａが基準値Ｋ１と異なる場合、
すなわち圧力変化率Ｋａが基準値Ｋ１以上（Ｋａ＞Ｋ
１）の場合、Ｓ９０に進み、膜モジュール１２，１３の
劣化警報を出力する。これにより、膜モジュール１２，
１３が交換時期に達したことが分かり膜モジュール１
２，１３の交換作業を行う。

【００６６】また、Ｓ８９において、圧力変化率Ｋａが
基準値Ｋ１以下（Ｋａ＜Ｋ１）の場合、Ｓ９１に進み、
圧力計２８により測定された圧力値ＰがＰ＝Ｐ２になっ
たかどうか判定する。そして、Ｓ９１において、圧力値
ＰがＰ＝Ｐ２になると、Ｓ９２に進み、排気弁５５を閉
弁させる。その後、Ｓ９３でそのときの経過時間Ｔから
圧力変化率Ｋｂを算出する。そして、Ｓ９４で圧力変化
率Ｋｂと上記Ｓ７８にてメモリに記憶された基準値Ｋ２
とを比較する。このＳ９４において、圧力変化率Ｋｂが
基準値Ｋ２と異なる場合、すなわち圧力変化率Ｋｂが基
準値Ｋ２以下（Ｋｂ＜Ｋ２）の場合、Ｓ９５に進み、膜
モジュール１２，１３の劣化警報を出力する。これによ
り、膜モジュール１２，１３が交換時期に達したことが
分かり膜モジュール１２，１３の交換作業を行う。

【００６７】しかし、Ｓ９４において、圧力変化率Ｋｂ
が基準値Ｋ２以上（Ｋｂ＞Ｋ２）の場合、Ｓ７１に戻
る。このように、窒素ガス発生装置１１の運転停止後に
運転が再開されたとき、膜モジュール１２，１３の内部
に圧力が残留していない場合、膜モジュール１２，１３
の交換が行われたものと判断して圧力変化率Ｋ１，Ｋ２
を算出してメモリに基準値としての圧力変化率Ｋ１，Ｋ
２を記憶させるため、膜モジュール１２，１３の交換完
了が確認されると、交換時期判定基準の圧力変化率Ｋ
１，Ｋ２の基準値を自動的に更新することができる。

【００６８】尚、上記実施の形態では、一対の膜モジュ
ール１２，１３が並列に設けられた構成を一例として挙
げたが、これに限らず、１個の膜モジュールあるいは３
個以上の膜モジュールを設ける構成としても良いのは勿
論である。

【００６９】

【発明の効果】上述の如く、請求項１記載の発明によれ
ば、装置停止後にガス分離膜より下流の系路内の圧力変
化を検出する圧力検出手段により検出された圧力変化に
基づいてガス分離膜が交換時期であることを判定するた
め、ガス分離膜の気体分離性能が所定以下に低下したこ
とを正確に判断でき、これによりガス分離膜の交換作業
等のメンテナンスを効率良く行うことができる。さら
に、装置停止時にガス分離膜の劣化具合を判定するた
め、吐出流量に関係なくガス分離膜の異常の有無を判定
することができる。

【００７０】また、請求項２記載の発明によれば、装置
停止後の所定時間後の圧力値が所定の基準値と異なる場
合、又は圧力変化率が所定の基準値と異なる場合前記ガ
ス分離膜が交換時期であることを判定するため、ガス分
離膜の気体分離性能が所定以下に低下したことを正確に
判断でき、これによりガス分離膜の交換作業等のメンテ
ナンスを効率良く行うことができる。

【００７１】また、請求項３記載の発明によれば、ガス
分離膜を交換した際に操作されるリセットスイッチから
の信号に基づいて圧力検出手段により検出された圧力変
化を判定基準の基準値として更新するため、ガス分離膜
を交換直後に判定基準の基準値を自動的に更新すること
ができる。そのため、ガス分離膜の交換作業を行った
後、判定基準の基準値を更新する操作を不要にでき、交
換作業時のメンテナンスを簡略化できると共に、交換作
業効率を高めることができる。

【００７２】また、請求項４記載の発明によれば、排気
弁の閉弁状態時に、ガス分離膜の残留圧力値が外気圧と
同じになった場合には、ガス分離膜が交換されたものと
判断し、判定手段の判定基準の基準値を更新するため、
ガス分離膜の交換後に判定基準の基準値を自動的に更新
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる気体分離装置の一実施例としての
窒素ガス発生装置の概略構成図である。

【図２】膜モジュール１２，１３の構成を示す縦断面図
である。

【図３】図２中II−II線に沿う縦断面図である。

【図４】中空糸膜３６の作用を説明するための縦断面図
である。

【図５】装置停止後の膜モジュール１２，１３の吐出側
圧力の変化を示すグラフである。

【図６】制御回路４２が実行する初期設定処理のフロー
チャートである。

【図７】制御回路４２が実行するメイン制御処理のフロ
ーチャートである。

【図８】膜モジュール１２，１３に設けられたリセット
スイッチを説明するための図である。

【図９】変形例１の制御回路４２が実行する制御処理の
フローチャートである。

【図１０】図９の処理に続いて実行される制御処理のフ
ローチャートである。

【図１１】図９の処理に続いて実行される制御処理のフ
ローチャートである。

【図１２】変形例２の膜モジュール１２，１３の構成を
説明するための縦断面図である。

【図１３】変形例２の制御回路４２が実行する制御処理
のフローチャートである。

【図１４】図１３の処理に続いて実行される制御処理の
フローチャートである。

【図１５】図１３の処理に続いて実行される制御処理の
フローチャートである。

【符号の説明】

１１窒素ガス発生装置１０空気圧縮機１２，１３膜モジュール１４空気供給管路１６窒素ガス供給管路１８空気圧縮部１９アフタークーラ２０加圧タンク２８圧力計３１流量調整弁３２流量計３５ハウジング３６中空糸膜４２制御回路４３入口側開閉弁４４出口側開閉弁５２リセットスイッチ５５排気弁

フロントページの続き (72)発明者岩田照史神奈川県川崎市川崎区富士見１丁目６番３号トキコ株式会社内Ｆターム(参考） 4D006 GA41 HA02 HA18 KA01 KA67 KB14 KE04Q KE07Q KE09Q KE14P KE16Q KE22Q KE24Q MA01 PA03 PB17 PB62 PB63 PC80

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】混合気体を一の気体と他の気体とに分離
するガス分離膜に圧縮空気を供給し、該ガス分離膜から
一の気体又は他の気体の一方を製品ガスとして取り出す
気体分離装置において、前記ガス分離膜より下流の系路に設置され、該下流の系
路内の圧力変化を検出する圧力検出手段と、装置停止後に該圧力検出手段により検出された圧力変化
に基づいて前記ガス分離膜が交換時期であることを判定
する判定手段と、を備えてなることを特徴とする気体分離装置。
【請求項２】上記請求項１記載の気体分離装置であっ
て、前記判定手段は、装置停止後の所定時間後の圧力値が所
定の基準値と異なる場合、又は圧力変化率が所定の基準
値と異なる場合前記ガス分離膜が交換時期であることを
判定することを特徴とする気体分離装置。
【請求項３】上記請求項１又は２記載の気体分離装置
であって、前記ガス分離膜を交換した際に操作されるリセットスイ
ッチを設け、該リセットスイッチからの信号に基づいて前記圧力検出
手段により検出された圧力変化を前記判定手段の判定基
準の基準値として更新する基準値更新手段を設けたこと
を特徴とする気体分離装置。
【請求項４】上記請求項１又は２記載の気体分離装置
において、前記ガス分離膜の設けられた他のガスの排出路に設けら
れ、装置運転時には開弁し、装置停止後において前記ガ
ス分離膜の残留圧力が外気圧となる前に閉弁する排気弁
と、前記排気弁の閉弁状態時に、前記ガス分離膜の残留圧力
値が外気圧と同じになった場合には、前記ガス分離膜が
交換されたものと判断し、前記判定手段の前記判定基準
の基準値を更新する基準値更新手段を備えてなることを
特徴とする気体分離装置。