JP2000153125A - 二重床真空圧力スゥイング吸着システムのための回転弁 - Google Patents

二重床真空圧力スゥイング吸着システムのための回転弁

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JP2000153125A JP11327929A JP32792999A JP2000153125A JP 2000153125 A JP2000153125 A JP 2000153125A JP 11327929 A JP11327929 A JP 11327929A JP 32792999 A JP32792999 A JP 32792999A JP 2000153125 A JP2000153125 A JP 2000153125A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 空気のような流体から所望の成分、例えば窒
素を選択的に除去するための、使用弁数の少ないシステ
ムを提供することである。 【解決手段】 空気送給ライン９２が回転弁アセンブリ
２００の通路２０６ｂに結合され、回転プラグ２０２ｂ
が回転して流れポートＨに結合すると送給空気がチャン
バ床Ａ１１０に送られる。送給空気はマニホルド２２２
から配管６５を通してチャンバ床Ａに入る。回転プラグ
２０２ｂが回転して流れポートＪと結合すると送給空気
はマニホルド２２４に送られた後、配管８１を通してチ
ャンバ床Ｂ１０９に送られ、窒素が除去される。チャン
バ床Ｂ１０９は、マニホルド２２４、流れポートＦ、真
空源に結合した通路２０６ａ、配管６１、第１及び第２
ステージの各真空ポンプ１０２、１０３を通して真空排
気が実行されることにより真空パージされる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、空気中から窒素を
選択的に吸収して酸素富化ガス流れを製造するための真
空圧力吸着システムに関し、詳しくは、多孔式の弁を使
用してそうしたシステムを作動させるための装置及び方
法に関する。
【０００２】
【従来の技術】真空圧力スゥイング吸着（ＶＰＳＡ）シ
ステムにより空気を分離し、酸素あるいは窒素を生成す
る方法は近年、経済的魅力を増している。この種のシス
テムでは一般に比較的時間の短いサイクルを使用する。
ＶＰＳＡシステムを使用することで各ステップの所要時
間が短縮する効果が生まれ、時間が短縮されると、新し
いサイクルを満足裡に機能させる上でプロセス弁の作動
が極めて臨界的なものとなってくる。プロセス弁を開閉
させるに要する時間が重要な因子であることが分かって
きたが、この形式での用途のために現在入手し得る自動
弁はサイクル条件を満たすには制約が多い。現在、数多
くのＶＰＳＡシステムが使用されている。これらのシス
テムは一般に、沢山の個別の両口弁を使用して規定のサ
イクルに従い流体流れを送り出している。これらの弁は
複雑且つコストの嵩む配管系により相互に連結される。
その結果、ＶＰＳＡシステムに関連する資本コストは高
く、また弁の物理特性がシステムの最適化を制限するこ
とで運転コストも高くなる。
【０００３】例えば、米国特許第５，５４９，７３３号
には、空気から酸素を製造するために使用する真空形式
のサイクルが記載される。このサイクルでは６つの個別
の自動弁を使用してサイクルを制御する。別の米国特許
第５，２２３，００４号では、圧力変動及び２つの吸着
装置を使用して吸着材を再生する形式でのガスの吸着分
離方法が記載される。この方法でも、少なくとも６つの
自動弁を使用してサイクルの流れ、圧力そして調時を制
御する。米国特許第５，１４４，４４０号に記載され
る、真空スゥイング吸着システムを使用する三重床空気
酸素富化プロセスでも沢山の個別の自動弁が使用され
る。米国特許第５，１１４，４４１号には、回転プラグ
を使用して流れを配向する２つの弁部材を持つ酸素濃縮
システムのための弁アセンブリが記載される。米国特許
第５，１２２，１６４号に記載される二重床圧力スゥイ
ングプロセスでは６つの自動弁を使用してサイクルを制
御すると共に、等化ステップのために２つの自動弁を使
用する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】１．空気のような流体
から所望の成分、例えば窒素を選択的に除去するため
の、使用弁数の少ないシステムを提供することである。 ２．システム構成部品を繋ぐ余分な配管が排除されたそ
うしたシステムを提供することである。 ３．サイクル時間及び効率の改善されたＶＰＳＡシステ
ムを提供することである。 ４．消費電力のより小さいＶＰＳＡシステムを提供する
ことである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の１様相によれ
ば、流体混合物から単数あるいは複数の成分を分離する
ための装置であって、第１の圧力下の流体源と、第１の
圧力と異なる第２の圧力下の流体源と、流体から１つの
成分を選択的に吸着するための吸着材を収納する少なく
とも１つのチャンバとを含む装置が提供される。本装置
には更に、第１の流路により前記第１の圧力下の流体源
と、第２の流路により前記第２の圧力下の流体源と夫々
作動結合された弁が含まれる。弁は更に、第１の流れポ
ートによりチャンバに結合され、第２の流れポートによ
り通気口に結合される。弁は第１及び第２の各流路を、
第１及び第２の各流れポートの選択された側に同時に相
互連結する複数の位置を有する。第１の位置では弁は第
１あるいは第２の流路を第１の流れポートに結合し、第
１あるいは第２の各圧力下の流体源とチャンバとの間に
流れを提供し、第２の位置では第１あるいは第２の流路
と第２の流れポートとを結合し、第１あるいは第２の各
圧力下の流体源と通気口との間に流れを提供するように
なっている。
【０００６】本発明の他の様相によれば、流体混合物か
ら単数あるいは複数の成分を分離するための装置であっ
て、送給流体源と、真空源と、第１及び第２の各チャン
バにして、流体から１つの成分を選択的に吸着するため
の吸着材を収納する第１及び第２の各チャンバとを含む
装置が提供される。送給流体源は送給空気源を含み、各
チャンバが空気から窒素を選択的に吸着するための吸着
材の床を収納するのが好ましい。本装置は又、第１の流
路により送給流体源あるいは真空源に、第１の流れポー
トにより第１のチャンバに、そして第２の流れポートに
より第２のチャンバに夫々作動結合される弁を含んでい
る。弁は第１の流路を選択した流れポートに同時に相互
結合する複数の位置を有し、その第１の位置では第１の
流路と第１の流れポートとを結合し、送給流体源あるい
は真空源と第１のチャンバとの間に流路を提供するよう
になっており、第２の位置では、第１の流路と第２の流
れポートとを結合し、送給流体源あるいは真空源と第２
のチャンバとの間に流路を提供するようになっている。
【０００７】弁は２つの弁部分を有し、第１の弁部分が
送給流体源に作動結合され、第２の弁部分が真空源に作
動結合されるのが好ましい。弁は第１の位置では送給流
体源を第１のチャンバに、そして真空源を第２のチャン
バに同時に結合し、第２の位置では送給流体源を第２の
チャンバに、そして真空源を第１のチャンバに同時に結
合する。弁は大気に通じる通気口に接続した第３の流れ
ポートをも含み得る。
【０００８】本発明の更に他の様相に従えば、流体混合
物から単数あるいは複数の成分を分離するための装置で
あって、送給流体源と、真空源と、第１及び第２の各チ
ャンバにして、各チャンバが流体から１つの成分を選択
的に吸着するための吸着材を収納する第１及び第２のチ
ャンバとを含む装置が提供される。本装置は更に、第１
及び第２の部分を有する弁を含み、弁の第１の部分は第
１の流路により送給流体源に、第１の流れポートにより
第１のチャンバに、第２の流れポートにより第２のチャ
ンバに、そして第３の流れポートにより、大気に通じる
通気口に夫々作動結合される。弁の第２の部分は第２の
流路により真空源に、第４の流路により真空源に、第４
の流れポートにより第１のチャンバに、第５の流れポー
トにより第２のチャンバに、そして、第６の流れポート
により、大気に通じる通気口に夫々作動結合される。弁
は各流路を各流れポートに相互結合する複数の位置を有
し、その第１の位置では第１の流路を第１の流れポート
に、第２の流路を第５の流れポートに夫々結合し、第２
の位置では第１の流路を第３の流れポートに、そして第
２の流路を第４の流れポートに夫々結合し、第３の位置
では第１の流路を第２の流れポートに、第２の流路を第
４の流れポートに夫々結合し、第４の位置では第１の流
路を第３の流れポートに、そして第２の流路を第４の流
れポートに夫々結合するようになっている。
【０００９】好ましい実施例において、弁はハウジング
を有し、各流れポートはこのハウジングの外周壁上に配
置される。弁は更に、各流路を各流れポートに結合する
ようになっている回転ドラムを含み、その第１及び第２
の各部分が回転ドラムの軸線方向に沿って長手方向に離
間される。回転ドラムは弁内の２つのチャンバ間で、一
方のチャンバが弁の第１の部分に、他方のチャンバが弁
の第２の部分に相当する状態で分割され得る。各チャン
バは相互に独立して位置決めすることができる。弁は各
チャンバ内に、長手方向軸線を中心として回転自在の別
個のドラム部分を含み得る。好ましい回転ドラム式の弁
において、各流れポートは弁の外周壁上に配置される。
弁は各位置間を移動するべく回転自在であり且つ各流路
を各流れポートに結合するための複数の開口を含む内側
プラグ部材をも含み得る。弁は更に、ハウジングと内側
プラグ部材との間に、内側プラグ部材を各位置間で自由
に移動させることができるようにするべく引込み自在の
可動シールをも含み得る。
【００１０】関連する様相において、本発明によれば流
体混合物から単数あるいは複数の成分を分離させるため
の方法が提供される。本法においては、第１の圧力下の
流体源を提供すること、第１の圧力と異なる第２の圧力
下の流体源を提供すること、流体から１つの成分を選択
的に除去するようになっているチャンバを提供するこ
と、が含まれる。本方法には、第１の流路により第１の
圧力下の流体に、第２の流路により第２の圧力下の流路
に、第１の流れポートによりチャンバに、第２の流れポ
ートにより通気口に夫々作動結合された弁を提供するこ
とも含まれる。弁は第１及び第２の各流路を選択された
流れポートに同時に相互結合する複数の位置を有する構
成とされる。本方法には更に、弁を第１の位置に移動し
て第１あるいは第２の流路を第１の流れポートに結合
し、第１あるいは第２の各圧力下の流体源とチャンバ間
とに流れを提供し、弁を第２の移動して第１あるいは第
２の流路と第２の流れポートとを結合し、第１あるいは
第２の各圧力下の流体源と通気口との間に流れを提供す
ること、が更に含まれる。
【００１１】関連する他の様相において、本発明によれ
ば、流体混合物から単数あるいは複数の成分を分離する
ための方法が提供される。本方法には、送給流体源を提
供すること、真空源を提供すること、第１及び第２の各
チャンバを提供することが含まれ、各チャンバは流体か
らある成分を選択的に吸着するように適合される。送給
流体源は送給空気源を含み、各チャンバが空気から窒素
を選択的に吸着するための吸着材を収納するのが好まし
い。第１の流路により送給流体源あるいは真空源に、第
１の流れポートにより第１のチャンバに、第２の流れポ
ートにより第２のチャンバに夫々作動結合された弁を提
供することも含まれる。弁は、第１の流路を選択された
流れポートに同時に相互結合する複数の位置を有するよ
うにされる。本方法には更に、弁を第１の位置に移動し
て送給流体源を第１のチャンバに結合し、この第１のチ
ャンバに流体、好ましくは空気を導入しそれにより、流
体から所望の成分、好ましくは窒素を選択的に除去する
と同時に、真空源を第２のチャンバに結合して第２のチ
ャンバから流体を排出させることが含まれる。弁は次い
で第２の位置に移動され第１のチャンバをシールすると
同時に、真空源を第２のチャンバに結合して第２のチャ
ンバを排気する。次いで弁は第３の位置に移動されて送
給流体源を第２のチャンバに結合しそれにより、第２の
チャンバに送給流体、好ましくはやはり空気を導入し、
流体から所望の成分、やはり好ましくは窒素を選択的に
除去するようにされる。最後に、弁は第４の位置に移動
されて第２のチャンバをシールすると同時に、真空源を
第１のチャンバに結合して第１のチャンバを排気するよ
うにされる。
【００１２】好ましい実施例において、弁は第１及び第
２の各位置を有し、第１の位置では第１の流路により送
給流体源に、第１の流れポートにより第１のチャンバ
に、そして第３の流れ通路により、大気に通じる通気口
に夫々作動結合される。第２の位置において弁は第２の
流路により真空源に、第４の流れ通路によって第１のチ
ャンバに、第５の流れポートによって第２のチャンバ
に、そして第６の流れポートにより、大気に導通する通
気口に結合される。弁は、各流路を各流れポートに相互
結合する複数の位置を有し、第１の位置では第１の流路
を第１の流れポートに、第２の流路を第２の流れポート
に結合夫々し、第２の位置では第１の流路を第３の流れ
ポートに、第２の流路を第４の流れポートに夫々結合
し、第３の位置では第１の流路を第２の流れポートに、
第２の流路を第４の流れポートに夫々結合し、第４の位
置では第１の流路を第３の流れポートに、第２の流路を
第４の流れポートに夫々結合する。弁の第１の位置及び
第２の位置は相互に独立して移動されあるいは、相互に
結合して共に移動させることができる。
【００１３】弁は、ハウジングと、回転自在の内側プラ
グとを含み、内側プラグは流路を選択された流れポート
に結合するための内側通路を有し得るものとされる。本
法には更に、各ステップを実施するに先立ってドラムを
回転させ、流路を選択した流れポートに結合することが
含まれる。更に好ましくは、弁はハウジングと、各位置
間で回転自在の内側プラグと、ハウジングと内側プラグ
部材との間の可動のシールとを含むようにされ、更に
は、弁を各位置に移動する以前にシールを引き込ませそ
れにより、内側プラグ部材を各位置間で自由に移動でき
るようにすることが含まれる。
【００１４】
【発明の実施の形態】同じ参照番号は同じ部分を示す図
１〜図８を参照して説明する。本発明の特徴部分は図面
上の縮尺である必要はない。
【００１５】本発明はその好ましい実施例示おいて、Ｖ
ＰＳＡシステムにおいて多重のチャンバと、多孔式の弁
とを使用しそれにより、より一層経済的な空気の分離を
実現する。例示するＶＰＳＡシステムを使用して空気か
ら窒素を分離し、酸素富化空気生成物が生成されるが、
流体の所望の成分を優先的に分離する任意の類似システ
ムで本発明の多孔形式の弁を使用し得るものとする。こ
の弁の形態は従来技術で使用する多重式の分離弁に代わ
るものであり、加えて、経済的なＶＰＳＡ用途のため
の、少ない圧力降下、素早い動作、低損耗量、低トル
ク、そして相互結合用の配管が少ないと言った構成を有
する。
【００１６】図１には従来からのＶＰＳＡシステムが例
示される。この従来システムには、窒素吸着材を収納し
たチャンバ床Ａ１１０及びチャンバ床Ｂ１０９と、排気
音消音器１０１と、排気ガスをシステムから除去するた
めの第１ステージ真空ポンプ１０３及び第２ステージ真
空ポンプ１０２と、送給ブロワ１０６と、酸素富化生成
物のための貯蔵タンク１１と、通気口１０８と、種々の
装置を結合する関連する弁及び配管とが含まれる。チャ
ンバ床Ａ及びＢに収納される窒素吸着材はカルシウム、
ナトリウム、リチウムＸあるいはＡ立体網状ゼオライト
吸着材であるのが好ましい。ＶＰＳＡシステムは代表的
に、約９２重量パーセントの酸素を含む富化生成物を産
出する（特に断りのない限り全ての成分比率は重量パー
セントで表す）。
【００１７】送給空気入口１０４からのろ過された大気
が、配管９５及び脈動ビン１０５を通してローブ形式の
圧縮器に、あるいは配管９４を通して送給ブロワ１０６
に引き込まれる。送給ブロワの排気は配管９２に送られ
た後、消音器１０７に入る。消音器を出た空気は配管９
２を介し、この配管を配管８２及び８７に分岐する配管
８８に入る。送給弁８３及び８６がサイクル制御装置に
よる指令に従い開放され、配管８４及び８５を通してチ
ャンバ床Ａ１１０あるいはチャンバ床Ｂ１０９の夫々に
空気を送給する。送給ブロワ１０６を連続運転するのが
有益であることから、チャンバ床Ａ１１０あるいはチャ
ンバ床Ｂ１０９の何れかに送られない間の時間、余分の
送給空気は配管９２、８９、開放された弁９０、配管９
１、通気口１０８を通して大気に通気される。
【００１８】システムの真空側において、弁６３、７
９、を夫々作動させることにより、チャンバ床Ａ１１０
あるいはチャンバ床Ｂ１０９の空気が配管６２及び１１
２の夫々及び配管６１及び５７を通して抜き出され、第
１ステージ真空ポンプ１０３に入る。気体は配管５６を
通して排出され、次いで第２ステージ真空ポンプ１０
２、消音器１０１を経て排出される。第２ステージ真空
ポンプ１０２、第１ステージ真空ポンプ１０３もまた連
続作動するのが好ましいことから、チャンバ床Ａ１１０
及びチャンバ床Ｂ１０９からの真空排気が行われない間
の時間、余分の空気は配管６０、弁９２、配管５８を通
して再循環され、第１ステージ真空ポンプ１０３に戻さ
れる。配管５６内の、サイクルの様々な時間に生じる余
分の圧力は、開放された弁５４を介し、配管５５、３３
を通して通気される。
【００１９】チャンバ床Ａ１１０を加圧する場合、自動
制御弁８３を開放してチャンバ床Ａの圧力を上昇させ
る。配管８４及び６５を通してチャンバ床Ａに空気が送
られそれにより、チャンバ床Ａでは窒素吸着が行われ
る。酸素富化生成物は配管６７ａ内に収集され、生成物
のための上方弁６８を通して配管７０に入り、弁７１及
び配管７２を通過して貯蔵タンク１１に入る。貯蔵タン
ク１１は酸素富化生成物の消費のための送達を円滑化
し、また、配管７５を介しメータ７６を通過して調量さ
れた後に番号７７の位置で排出され消費されるそうした
生成物の送給量が、配管７３を介して流れ制御弁７４に
通すことで調節される。
【００２０】チャンバ床Ａ１１０が吸着サイクルにある
間、チャンバ床Ｂ１０９は脱着あるいは再生サイクルに
ある。この期間中、チャンバ床Ｂ１０９は先ず、弁６８
及び７８を開放させることによりチャンバ床Ａ１１０と
圧力を等化させることにより圧力を減少させそれによ
り、配管６９を通しての流れを許容する。次いで、チャ
ンバ床Ｂ１０９の圧力が第１ステージ真空ポンプ１０２
及び第２ステージ真空ポンプ１０３により低減される。
これらの各ステージ真空ポンプに向けて及び各ステージ
真空ポンプを通しての流れは、配管８１、弁７９、配管
１１２、配管６２、配管６１及び５７、第２ステージ真
空ポンプ１０３、配管５６、第１ステージ真空ポンプ１
０２、配管５１、そして消音器１０１、の順となる。
【００２１】チャンバ床Ｂ１０９は、再生サイクルを完
了すると、配管８８及び８７、弁８６、配管８５そして
配管８１を通して送給空気を受け、配管６７Ｂ及び弁７
８、配管７０を通して酸素富化された空気を排出する。
吸着床Ａ１１０は、脱着あるいは再生サイクルにある場
合、吸着床Ｂに関して説明したと類似の様式で配管６
５、弁６３、配管６２を通して真空排気される。本発明
により、従来技術で使用する合計６つの２孔弁の機能を
一つにまとめた多孔弁が開発された。この結果複雑な配
管が実質的に減少され、多数の２孔弁の使用が排除され
る。弁の作動が素早くなることでサイクル時間が減少し
それが、ＶＰＳＡプラントのためのサイクル時間が比較
的短くなるという意味において全体性能上の重要因子と
なる。弁が素早く作動することで流れの遮断がより正確
化され、それが混合損失量を低減させることから、床に
おける吸着材の一段と有効な利用が許容されるようにも
なる。斯くして、同じ床深さに対する生産性の向上が可
能となり、もっと浅い床深さでは同じ生産量に対するサ
イクル時間をより短縮することができるようになる。設
備上の単位資本コストはその結果減少する。本発明はま
た、より最適化されたＶＰＳＡサイクルの開発と、運転
コストの一層の低減とをも可能とする。本発明の、最適
化され圧力降下の少ない弁は、簡易化された相互結合用
の配管と相俟って本発明の有益性を向上させる。
【００２２】本発明の好ましい弁において、図１に示す
合計６つの自動弁、即ち弁６３、７９、８３、８６、９
０、９２の機能が合体される。本発明の好ましい二重チ
ャンバ、多孔式の回転弁が図２から図５及び図８に例示
される。図６及び図７にはＶＰＳＡシステムにおける回
転弁の組み込み状態が例示される。回転弁アセンブリ２
００は、１２０°間隔で位置決めされ各々共通の入口／
出口を有する３つの孔から成る、独立した２つの孔組を
含んでいる。回転弁の中空の円筒ドラム形状の弁胴部２
０１が、相当する円筒ドラム形状の回転プラグ２０２ａ
及び２０２ｂを内側に収納する。各回転プラグは第１及
び第２の別個のチャンバに夫々配置され、中央シャフト
２０３を中心として独立に回転自在である。今後更に詳
しく説明するように、弁における送給及び真空の各側は
中心位置で閉鎖され、相互に独立して動作する。弁の外
側胴部は円筒形であり、その外側周囲部分に沿って、Ｖ
ＰＳＡシステムの他の構成部品と作動結合するための複
数の流れポートを含んでいる。回転弁の断面は図４及び
図５に示され、本図では各ポートＣ、Ｄ及びＦの位置が
示され、図５では各ポート、Ｈ、Ｉ、Ｊの位置が示され
る。回転弁の各部分、即ち各チャンバにおいて各ポート
は前述のように弁ハウジングの外側周囲に沿って約１２
０°離間されている。各ポートＤ及びＨは、チャンバ床
Ａ１１０に結合したマニホルド２２２によって外側で相
互に結合される。各ポートＦ及びＪは、チャンバ床Ｂ１
０９に結合したマニホルド２２４により外側で相互に結
合される。各ポートＣ及びＩはシステムの通気口１０８
及び１０１の夫々に結合される。
【００２３】図２により詳しく示され、その機械的概要
が図３に示されるように、回転弁アセンブリ２００は弁
胴部の各端部位置に入口/出口用の通路２０６ａ及び２
０６ｂを有している。これら入口及び出口の各通路は、
相互に交換自在であるが、通路２０６ａは真空源に結合
され、通路２０６ｂは大気圧下の送給空気源に結合され
る。各流れポートＣ、Ｄ、Ｆを、真空源に結合した通路
２０６ａのための排出用に使用し、一方、各流れポート
Ｈ、Ｉ、Ｊを、送給空気源に結合した通路２０６ｂの排
出用に使用することができる。回転弁アセンブリ２００
の弁胴部２０１に含まれる回転プラグ２０２ａ及び２０
２ｂと回転弁とは、回転プラグ２０２ａ及び２０２ｂが
相互に独立して割り出し作用を行う状態下に２つの別個
の流れをプロセス処理することが可能となるように隔壁
２０５により２つのチャンバに分割される。図４及び図
５に示すように、各回転プラグの回転は反時計回りある
いは時計回りのものであり得る。回転プラグ２０２ａは
真空源に結合した通路２０６ａと相対する端部位置に、
通路２０６ａと内部連通する開口２１８ａを有し、また
外側周囲には外側開口２２０ａを有する。同様に、回転
プラグ２０２ｂは送給空気源に結合した通路２０６ｂと
内部連通する開口２１８ｂを有し、また外側周囲には外
側開口２２０ｂを有する。各回転プラグを回転させて、
各外側開口２２０ａ及び２２０ｂを真空及び或は送給空
気の流れのための所望の流れポートと整合させる位置に
割り出し、この流れポートをシステム構成部品と連通さ
せることができる。
【００２４】回転プラグ２０２ａ及び２０２ｂは、高速
作動が可能な比較的低質量のものとなるよう比較的肉厚
の薄いドラム状とするのが好ましい。回転プラグ２０２
ａ及び２０２ｂは各端部位置で中心部が支柱２０７によ
って支えられる。支柱２０７は支承体２０４を含み、こ
の支承体２０４がシャフト２０３の回転を支承する。サ
ーボモータその他の駆動形式のモータ２０８ａ及び２０
８ｂが、ギヤボックス２０９ａ及び２０９ｂを介し、回
転プラグ２０２ａ及び２０２ｂを回転させ且つこれら回
転プラグを位置決めする移動力を夫々提供する。各回転
プラグ２０２ａ及び２０２ｂの各開口の周囲のシールア
センブリ２１７が、漏れ出しの無い動作を提供する。図
４、５、６に示すように、弁胴部２０１の内部の、各流
れポート間の周囲には、各開口が排出用の各流れポート
と整列していない場合にこれらの開口をシール閉鎖する
ための３つのシールアセンブリ２１７が設けられる。
【００２５】回転プラグは低質量であることによって高
速作動が可能となり、このことはＶＰＳＡ用途のために
は非常に望ましいが、薄肉化することによって低質量化
した回転プラグは変形しやすくなる。シールアセンブリ
２１７はこの変形に関する問題を低減あるいは排除する
形態を有している。図６に示すように、比較的堅牢なフ
レーム２２３に、シールセクション２２１ａ〜ｄを含む
比較的堅牢なシールが設けられる。各シールセクション
は抗摩耗性且つ柔軟な材料、例えばゴムあるいはテフロ
ン製であるのが好ましい。長手方向のシールセクション
２２１ａ及び２２１ｃは直線状であり、各回転プラグの
長手方向軸線と平行に整列され、円周方向のシールセク
ション２２１ｂ及び２２１ｄは各回転プラグの円周方向
に沿って整列し且つ回転弁の曲率と合致するように湾曲
している。シールアセンブリ２１７は、弁胴部２０１の
内側の円筒形状の壁に沿って各流れポート間に配置され
る。弁胴部２０１に固定した空気圧シリンダアクチュエ
ータ２２２が、回転弁の回転に先立ってシールアセンブ
リをドラム状の回転弁との密着状態から引き込ませ、回
転弁の回転が停止した後、シールアセンブリを各回転プ
ラグに密着させるべく作動する。このようにして、各回
転プラグの変形に追従するに十分な柔軟性を伴う確実な
シールが得られるのみならず、シールセクション２２１
ａ及びｂと各回転プラグの各通路２０６ａ及び２０６ｂ
との間の摺動摩損が排除されることによりシールの実質
的な損耗が排除される。回転プラグの動作は、弁胴部と
回転プラグとの間に回転プラグの運動を妨害する何らの
摩擦も生じないことから加速される。こうした形態によ
りシール周囲長も最小化されそれが、シールを通しての
漏洩の恐れを最小化する。
【００２６】図２から図６に示す回転弁アセンブリ２０
０は２つの送給弁と、２つの真空弁と、アンロード、即
ち取り出し用の２つの通気口とを使用する従来システム
での作業を達成するべく適合されたものである。図７に
示す概略図の多孔式の回転弁アセンブリ２００は従来の
ＶＰＳＡシステムに一体化させることができる。回転弁
の通路２０６ａは第１及び第２ステージの各真空ポンプ
１０２、１０３に結合され、通路２０６ｂは送給ブロワ
１０６に結合される。流れポートＤ及びＨはマニホルド
２２２を介してチャンバ床１１０に結合され、流れポー
トＦ及びＪはマニホルド２２４を介してチャンバ床Ｂ１
０９に結合され、流れポートＰ及びＩは大気圧下の通気
口に結合される。
【００２７】図８には本発明の回転弁アセンブリを全体
的に好ましいＶＰＳＡシステムに組み入れた状況が例示
されている。全てのシステム構成部品は、回転弁アセン
ブリ２００への結合部を除き図２に示すそれと同じであ
る。空気送給ライン９２が回転弁アセンブリ２００の通
路２０６ｂに結合される。次いで、回転プラグ２０２ｂ
が回転して流れポートＨに結合すると送給空気がチャン
バ床Ａ１１０に送られる。送給空気はマニホルド２２２
から配管６５を通してチャンバ床Ａに入る。送給空気は
別様には、回転プラグ２０２ｂが回転して流れポートＪ
と結合することによりマニホルド２２４に送られた後、
配管８１を通してチャンバ床Ｂ１０９に送られ、窒素が
除去される。
【００２８】チャンバ床Ｂ１０９は、マニホルド２２
４、流れポートＦ（回転プラグ２０２ａと整合する）、
真空源に結合した通路２０６ａ、配管６１、第１及び第
２ステージの各真空ポンプ１０２、１０３を通して真空
排気が実行されることにより真空パージされる。こうし
てサイクルの前半が完了し、引き続きチャンバ床Ｂでは
吸着が行なわれる。一方、チャンバ床Ａでは、上述と類
似の態様下にマニホルド２２２、（回転プラグ２０２ａ
と整列した）流れポートＤ、通路２０６ａ、配管６１か
ら第１及び第２ステージの各真空ポンプ１０２、１０３
を通して真空排気が実行され再生が行なわれる。
【００２９】ＶＰＳＡサイクル中の必要な流れポートシ
ーケンスは、２つのチャンバ内での回転プラグの独立し
ての回転を通して実施される。図９から図１６には回転
弁の回転シーケンスと、好ましい流れポート配列構成と
が夫々示される。回転プラグは３つの位置の何れか１つ
の方向に回転し、送給ブロワ及び真空ポンプを何れかの
チャンバ床位置あるいは通気位置に個別に結合する。こ
れにより、所望であれば、各チャンバ床加圧中に通気ス
テップを入れることも出来るようになる。通気位置は始
動、チャンバ床閉塞、各ブロワの通気のために使用する
こともできる。通常運転中、真空側端部は、通気位置
（流れポートＣ）位置で停止することなく、チャンバ床
Ａに結合する流れポートＤからチャンバ床Ｂに結合する
流れポートＦへと回転する。回転弁は必要に応じての取
り出し、即ちアンロードを実施するために通気ポート位
置で停止され、両チャンバ床を閉塞し、送給ブロワと通
気される。この通気アンロード特性上、各回転プラグは
制御システムの支持する通気位置で任意時間に割り出さ
れ得ることが必要となる。
【００３０】そのために必要な流れポートシーケンスは
別個に回転する２つのチャンバ床を使用することにより
実現される。これらのチャンバ床は必要なサイクルシー
ケンスを達成するための作動工程において逆回転するの
が好ましい。好ましいＶＰＳＡサイクルのための回転プ
ラグの回転及び流れポート配列構成は、送給弁及び真空
弁のための適宜の図面と共に以下の表Ａに示される。各
ステップのための時間及び圧力を、カッコ内に示す適宜
の時間及び圧力の各範囲と共に示す。特に断りのない限
り、全ての圧力は絶対値でのＰａ（〈 〉内にはｐｓｉ
ａ値）値で表される。
【００３１】
【表１】
【００３２】図９から図１２は図２及び図３を線３ｂ−
４ｂに沿って切断した断面図であり、図１３から図１６
は図２及び図３を線４ａ−４ａに沿って切断した断面図
である。図９から図１２に示す第１の弁位置では、各回
転プラグは矢印方向に回転して回転プラグ２０２ｂ内の
開口２２０ｂを流れポートＨと整合させて送給空気をチ
ャンバ床Ａ１１０に流すようにし、回転プラグ２０２ａ
内の開口２２０ａを流れポートＦと整合させてチャンバ
床Ｂ１０９の真空排気が可能となるようにする。各チャ
ンバ床における他の流れポートへの送給及び真空の夫々
の結合は阻止される。表Ａのステップ１〜４は回転プラ
グが第１の位置にある場合に実施される。ステップ１で
は上方弁６８及び７８が開放され、チャンバ床Ａの下方
部分に送給空気がポンピングされ、一方、チャンバ床Ｂ
からの加圧された酸素富化空気がチャンバ床Ａに送られ
る。ステップ２では上方弁７８が閉鎖され、チャンバ床
Ｂが真空ポンプ１０２及び１０３により排気される。チ
ャンバ床Ａの上方弁６８は開放状態に維持されそれによ
り、チャンバ床Ａの上部には生成物のための貯蔵タンク
１１から酸素富化空気が送給され、一方、回転弁アセン
ブリ２００を通して送給空気が底部に送給され続ける。
上方弁７８は閉鎖され、チャンバ床Ｂの排気は継続され
る。ステップ３ではチャンバ床Ａの弁６８が閉鎖され、
チャンバ床Ａには回転弁アセンブリ２００を通しての送
給空気が送給され続け、チャンバ床Ｂではステップ２の
排気が継続される。ステップ４では上方弁６８が開放さ
れ、チャンバ床Ａは回転弁アセンブリ２００を通しての
送給空気を尚受け続け、酸素富化空気は貯蔵タンク１１
から流入し続け、窒素が吸着される。
【００３３】図１０及び図１４に例示する第２の弁位置
では、回転プラグは矢印方向に回転し、回転プラグ２０
２ｂの開口２２０ｂが流れポートＩと整合し、所望であ
れば通気口への送給空気流れが許容され、回転プラグ２
０２ａの開口２２０ａが流れポートＦと整合され、チャ
ンバ床Ｂ１０９の真空排気が許容される。この場合でも
各チャンバ床における他の流れポートへの送給及び真空
の夫々の結合は阻止される。表Ａのステップ５は回転プ
ラグが第２の位置にある場合に生じる。ステップ５では
チャンバ床Ａにおける酸素富化生成物の製造は、その底
部が回転弁アセンブリ２００によって遮断されるに従い
止んでくる。上方弁６８及び７８が開放され、圧力並び
に残余の酸素富化空気はチャンバ床Ｂに移動する。何れ
のチャンバ床にも送給空気は送られない。
【００３４】図１１から図１５に例示される弁の第３の
位置では各回転プラグは矢印方向に回転し、回転プラグ
２０２ｂの開口２２０ｂが流れポートＪと整合してチャ
ンバ床Ｂ１０９への送給空気流れが許容され、回転プラ
グ２０２ａの開口２２０ａが流れポートＤと整合してチ
ャンバ床Ａ１１０の真空排気が許容される。前述した如
く、各チャンバ床における、その他の流れポートへの送
給及び真空の夫々の結合は阻止される。表Ａのステップ
６〜８は回転プラグが第３の位置にある場合に生じる。
ステップ６では上方弁６８及び７８が開放され、チャン
バ床Ａは酸素富化生成物と圧力とをチャンバ床Ｂに移行
させ続ける。この時、チャンバ床Ａはその底部位置で回
転弁アセンブリ２００を介して第１及び第２の各ステー
ジの真空ポンプ１０２及び１０３と結合され、残余の窒
素がチャンバ床Ａからパージされる。チャンバ床Ｂ１０
９では回転弁アセンブリ２００を通して送給空気の導入
が開始される。ステップ７では上方弁６８が閉鎖され、
チャンバ床Ａが回転弁アセンブリ２００を通して排気さ
れ続け、チャンバ床Ｂでは回転弁アセンブリ２００を通
して送給空気が導入され続け、上方弁７８が閉鎖されそ
れにより圧力が上昇する。ステップ８では上方弁６８が
開かれ、上部を通しての貯蔵タンク１１からの酸素富化
空気流れと、同時の底部からの回転弁アセンブリ２００
を通しての排気とによりチャンバ床Ａの窒素が更にパー
ジされる。チャンバ床Ｂでは上方弁７８が開放されるこ
とから回転弁アセンブリ２００を通して送給空気が導入
され続け、酸素富化空気が生成される。
【００３５】最後に、図１２及び図１６に示す回転プラ
グの第４の位置では、各回転プラグは矢印方向に回転
し、回転プラグ２０２Ｂの開口２２０Ｂが流れポートＨ
と整合して、所望であれば通気口への送給空気流れが許
容され、回転プラグ２０２Ａの開口２２０ａが流れポー
トＤと整合してチャンバ床Ａ１１０の真空排気が許容さ
れる。各チャンバ床における、その他の流れポートへの
送給及び真空の夫々の結合は阻止される。表Ａのステッ
プ９は回転プラグがこの第４の位置にある場合に生じ
る。ステップ９では上方弁６８及び７８は開放され、チ
ャンバ床は底部を通して真空排気され続け、一方、チャ
ンバ床Ｂから加圧された酸素富化空が流入する。何れの
チャンバ床にも送給空気は送給されない。以下の表Ｂに
は、従来の２孔式の弁ではない本発明の多孔式の回転弁
アセンブリを使用してのＶＰＳＡプロセス上の差異並び
に改善が示される。
【００３６】
【表２】
【００３７】ＶＰＳＡシステムにおける圧力降下は大き
な経済的価値をもたらす。理解されるように、相互結合
用の配管の複雑性は本発明では著しく低減される。この
ことが、軽量且つ高性能の回転弁と相俟って、回転弁を
通しての圧力降下の低下を可能とする。加えて、回転弁
の形態及び特徴が、厳しい繰り返し使用を許容する。損
耗特性が良好であることは極めて重要である。回転プラ
グの設計形状が低質量であることが、非擦過特性と相俟
って、回転弁の急速作動、極めて短いサイクル時間、そ
して低メンテナンス性を可能とし、結局、床寸法減少に
関連するコスト削減を実現する。回転弁の高頻度での作
動及び確実な位置決めが、擦り傷、弁胴部に接触しての
滑りあるいは支承を基本的になくす。
【００３８】コスト調査によれば、ＶＰＳＡユニットの
弁滑りのコストが約４０パーセント削減されたことが実
証された。回転弁の使用に伴う電力消費量における減少
も期待される。圧力降下の低減と簡素化された配管によ
る空隙率の低下とによって０．１〜０．２ｋｗ/ＴＰＤ
の電力消費量削減が予測される。機器の空気条件の低下
による追加的な０．１〜０．２ｋｗ/ＴＰＤの電力消費
量削減も予測される。
【００３９】上述の実施例から理解されるように、サイ
クルの運転は弁の速い動作に依存している。本発明は説
明したＶＰＳＡ用途に対して拘束されるものではなく、
設計上の流れポート数は各流れポートの寸法と、弁胴部
の外側周囲上の物理的空間とによってのみ制限される。
斯くして、弁の各チャンバ床には３つ、４つあるいはそ
れ以上の流れポートを設けることができる。各流れポー
トには所望の任意の様式において弁の外側のマニホルド
を設けることができる。任意数の相当する流れポートを
含むことに加え、回転プラグの中心に中実部材を追加す
ることによって回転プラグを２つ以上の別個のチャンバ
に区画することができる。この設計形状では回転プラグ
の両チャンバ床は同時に機能する。
【００４０】しかしながら、回転プラグを２つの別個の
セクションとして設計し、各セクションが独立で作動す
るようにすることもできる。単一動作のプラグかあるい
は独立して動作する２つの別個のプラグの回転は、サイ
クルの要求する任意のシーケンスにおいて時計回りかあ
るいは反時計回りに制御され得る。回転プラグの制御
は、電気モータ及びギヤ組体、空気圧あるいは水圧を介
して制御することができる。回転プラグの作動は任意の
所望のシーケンスにおいて機能するべくコンピュータプ
ログラム化され得る。上述の全ての特徴により、無限の
ＶＰＳＡサイクル変形例に対する本発明の回転弁の適用
が許容される。
【００４１】加えるに、本発明の回転弁を使用するシス
テム及び方法を、異なる圧力を受けさせる必要のある単
数あるいは複数のチャンバを使用するその他のシステム
に対して適合させることができる。一方の流路を真空ポ
ンプに、そして他方の流路を送給ブロワに結合させるの
に代えて、両方の流路を大気圧以上の異なる圧力下に送
給ブロワに結合させることが可能であり、別様には２つ
の流路を大気圧以下の異なる圧力下に別個の真空ポンプ
に結合することもできる。本発明の回転弁を使用するシ
ステム及び方法を、例示目的のために示した２つのチャ
ンバ床に代わる１つのチャンバを使用して実施すること
もできる。
【００４２】以上、本発明を実施例を参照して説明した
が、本発明の内で種々の変更をなし得ることを理解され
たい。
【００４３】
【発明の効果】１．空気のような流体から所望の成分、
例えば窒素を選択的に除去するための、使用弁数の少な
いシステムが提供される。 ２．システム構成部品を繋ぐ余分な配管が排除されたそ
うしたシステムが提供される。 ３．サイクル時間及び効率の改善されたＶＰＳＡシステ
ムが提供される。 ４．消費電力のより小さいＶＰＳＡシステムが提供され
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のＶＰＳＡシステムの概略図である。
【図２】ＶＰＳＡシステムと共に使用するための本発明
の好ましい二重チャンバ、多孔回転弁の平面図である。
【図３】導管カバーを外して内側の弁構成部材を示すよ
うにした、図２の平面図である。
【図４】図３を線４ａ−４ａに沿って切断した、第１の
チャンバ（空気送給側）内の回転弁を示す断面図であ
る。
【図５】図３を線４ｂ−４ｂに沿って切断した、第２の
チャンバ（真空側）内の回転弁を示す断面図である。
【図６】図２の弁で使用する弁シールの斜視図である。
【図７】ＶＰＳＡシステムでの本発明の多孔回転弁の結
合部を示す斜視図である。
【図８】本発明の多孔回転弁を組み込んだ好ましいＶＰ
ＳＡシステムの概略図である。
【図９】好ましいＶＰＳＡサイクルのある段階での運転
中における回転弁の第１のチャンバの空気送給側の位置
での、図４に示すと類似の断面図である。
【図１０】好ましいＶＰＳＡサイクルの別の段階での運
転中における回転弁の第１のチャンバの空気送給側の位
置での、図４に示すと類似の断面図である。
【図１１】好ましいＶＰＳＡサイクルの更に別の段階で
の運転中における回転弁の第１のチャンバの空気送給側
の位置での、図４に示すと類似の断面図である。
【図１２】好ましいＶＰＳＡサイクルの又別の段階での
運転中における回転弁の第１のチャンバの空気送給側の
位置での、図４に示すと類似の断面図である。
【図１３】好ましいＶＰＳＡサイクルのある段階での運
転中における回転弁の第２のチャンバの真空側の位置で
の、図５に示すと類似の断面図である。
【図１４】好ましいＶＰＳＡサイクルの別の段階での運
転中における回転弁の第２のチャンバの真空側の位置で
の、図５に示すと類似の断面図である。
【図１５】好ましいＶＰＳＡサイクルの更に別の段階で
の運転中における回転弁の第２のチャンバの真空側の位
置での、図５に示すと類似の断面図である。
【図１６】好ましいＶＰＳＡサイクルの又別の段階での
運転中における回転弁の第２のチャンバの真空側の位置
での、図５に示すと類似の断面図である。
【符号の説明】
１１ 貯蔵タンク ５１ 配管 ５４ 弁 ５５、５６、５８、６０、 ６１、６２、６７ａ、６７ｂ、 ６９、７０、７２、７３、７５、 ８１、８２、８４、８５、８８、９１、 ９２、９４、９５ 配管 ６３ 弁 ６８、７８ 上方弁 ７４ 制御弁 ７６ メータ ７９、８６、９０、９２ 弁 ８３ 自動制御弁 ８３ 送給弁 ９２ 空気送給ライン １０１ 排気音消音器 １０２ 第１ステージ真空ポンプ １０３ 第２ステージ真空ポンプ １０４ 送給空気入口 １０５ 脈動ビン １０６ 送給ブロワ １０８ 通気口 １０９ チャンバ床Ｂ １１０ チャンバ床Ａ ２００ 回転弁アセンブリ ２０１ 弁胴部 ２０２ａ、２０２ｂ 回転プラグ ２０３ 中央シャフト ２０４ 支承体 ２０５ 隔壁 ２０６ａ、２０６ａ 通路 ２０７ 支柱 ２０８ａ モータ ２０９ａ ギヤボックス ２１７ シールアセンブリ ２１８ａ、２１８ｂ 開口 ２２０ｂ、２２０ａ 外側開口 ２２１ａ、２２１ｂ シールセクション ２２２ マニホルド ２２２ 空気圧シリンダアクチュエータ ２２３ フレーム ２２４ マニホルド

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 流体混合物から単数あるいは複数の成分
    を分離するための装置であって、 第１の圧力下の流体源と、 第１の圧力と異なる第２の圧力下の流体源と、 前記流体から１つの成分を選択的に吸着するための吸着
    材を含む少なくとも１つのチャンバと、 第１の流路により前記第１の圧力下の流体に、第２の流
    路によって前記第２の圧力下の流体に、第１の流れポー
    トによって前記チャンバに、第２の流れポートによって
    通気口に、夫々作動結合された弁にして、第１の流路及
    び第２の流路を選択した流れポートに同時に相互結合す
    る複数の位置を有し、該複数の位置における第１の位置
    では前記第１の流路あるいは第２の流路を前記第１の流
    れポートに結合して第１の圧力下の流体あるいは第２の
    圧力下の流体と前記チャンバとの間に流れを提供し、第
    ２の位置では前記第１の流路あるいは第２の流路と第２
    の流れポートとを結合して第１の圧力下の流体あるいは
    第２の圧力下の流体と前記通気口との間に流れを提供す
    るようになっている弁と、 を含む流体混合物から単数あるいは複数の成分を分離す
    るための装置。
  2. 【請求項２】 流体混合物から単数あるいは複数の成分
    を分離するための方法であって、 ａ）第１の圧力下の流体源と、第１の圧力とは異なる第
    ２の圧力下の流体源と、前記流体から１つの成分を選択
    的に除去するようになっているチャンバと、を提供し、 ｂ）第１の流路によって前記第１の圧力下の流体に、第
    ２の流路によって前記第２の圧力下の流体に、第１の流
    れポートによって前記チャンバに、第２の流れポートに
    よって前記通気口に夫々作動結合された弁にして、前記
    第１の流路及び第２の流路を選択した前記流れポートに
    同時に相互結合する複数の位置を有する弁を提供し、 ｃ）前記弁を前記複数の位置における第１の位置に移動
    し、第１の流路あるいは第２の流路を第１の流れポート
    に結合して前記第１の圧力下の流体あるいは第２の圧力
    下の流体と前記チャンバとの間に流れを提供させ、 ｄ）前記弁を前記複数の位置における第２の位置に移動
    し、第１の流路あるいは第２の流路を第２の流れポート
    に結合して前記第１の圧力下の流体あるいは第２の圧力
    下の流体と前記通気口との間に流れを提供すること、 を含む流体混合物から単数あるいは複数の成分を分離す
    るための方法。
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