JP2001221400A - 窒素ガスの製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一般の圧縮空気から窒素を分離させる方式で
は、圧縮空気の圧力が高い程窒素ガスの発生量が多かっ
た。 従って、多くの窒素ガスを必要とする場合、例え
ばガス分離膜を構成している方式の場合、より高い圧力
の圧縮空気を作り出すエアーコンプレッサを設置する
か、従来使用している程度の能力のエアーコンプレッサ
を設置する場合には非常に高価なガス分離膜を並列に配
設することが必要になり、装置全体の価格が高いものと
なっていた。 更に、圧縮空気の温度を高めるヒーター
を配設するということは、一層装置全体の価格が高いも
のとなり、部品点数が増加する分故障の発生も多くなっ
た。 【解決手段】 圧縮空気より窒素ガスを作り出す窒素ガ
ス発生装置７を配設した窒素ガスの製造装置において、
窒素ガス発生装置７の上流に、圧縮空気を増圧する増圧
弁６１と増圧した圧縮空気を一担貯蔵するエアータンク
７１を記載の順序で配設した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、窒素ガスの製造方
法および製造装置に関する技術であって、更に詳細に述
べると、窒素ガス発生装置に圧縮空気を通過させて窒素
ガスを作り出すに際し、圧縮空気を増圧することによっ
て一回り小さい機械で効率的に窒素ガスを製造する技術
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の、窒素ガスの製造方法および製造
装置としては、図４に見られるように、エアーコンプレ
ッサ１で作り出された圧縮空気を、主配管２１から分岐
配管２３に分岐させて、個々の機器としては本願発明に
使用している装置と同じ入口バルブ５とエアーフィルタ
６と窒素ガス発生装置７と減圧弁８と流量計９と出口バ
ルブ１０より構成されている窒素ガスの製造装置８２を
通過させることで、窒素ガス９５を分離する際に発生し
た酸素リッチガス９６を廃棄していた。

【０００３】この場合、時には、より効果的に窒素ガス
を作り出すために、窒素ガス発生装置７の上流に圧縮空
気の温度を高めるヒーター（具体的に図示せず）を配設
している場合も多かった。

【０００４】尚、窒素ガス発生装置７としては、ガス分
離膜を構成している方式や吸着剤を構成している方式や
深冷法等の色々な方式があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の、窒素ガスの製造方法および製造装置には、
以下に示すような課題があった。

【０００６】第一に、図３に見られるように、一般の圧
縮空気から窒素を分離させる方式では、圧縮空気の圧力
が高い程窒素ガスの発生量が多かった。

【０００７】第二に、従って、多くの窒素ガスを必要と
する場合、例えばガス分離膜を構成している方式の場
合、より高い圧力の圧縮空気を作り出すエアーコンプレ
ッサを設置するか、従来使用している程度の能力のエア
ーコンプレッサを設置する場合には非常に高価なガス分
離膜を並列に配設することが必要になり、何れの場合で
も装置全体の価格が高いものとなっていた。

【０００８】第三に、更に、圧縮空気の温度を高めるヒ
ーターを配設するということは、一層装置全体の価格が
高いものとなり、部品点数が増加する分故障の発生も多
くなった。第四に、窒素ガス発生装置で窒素ガスを分離
する際に発生した酸素リッチガスを廃棄していた。本発
明はこのような課題を解決することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮空気が窒
素ガス発生装置７を通過することで窒素ガスを作り出す
窒素ガスの製造方法において、前記圧縮空気を増圧させ
た後に、前記窒素ガス発生装置７を通過させることを特
徴とし、更には、前記圧縮空気は、増圧させた後に先ず
エアータンク７１に貯蔵し、その後に除塵することを特
徴とし、更には、増圧した後の前記圧縮空気は、０．７
ＭＰａないし２．５ＭＰａであることを特徴とすること
によって、上記課題を解決した。

【００１０】また、本発明は、圧縮空気より窒素ガスを
作り出す窒素ガス発生装置７を配設した窒素ガスの製造
装置において、前記窒素ガス発生装置７の上流に、前記
圧縮空気を増圧する増圧弁６１と増圧した前記圧縮空気
を一担貯蔵するエアータンク７１を記載の順序で配設し
たことを特徴とし、更には、前記エアータンク７１と前
記窒素ガス発生装置７の間に、前記圧縮空気内の異物を
除去するエアーフィルタ７３と増圧された前記圧縮空気
の圧力を調整する減圧弁７５を記載の順序で配設したこ
とを特徴とし、更には、前記減圧弁７５の上流に、増圧
された前記圧縮空気を乾燥させる乾燥装置７４を配設し
たことを特徴とし、更には、前記窒素ガス発生装置７よ
り排出された酸素リッチガスを増圧する増圧弁７６また
はエアーコンプレッサと増圧した前記酸素リッチガスを
一担貯蔵する酸素タンク７７を記載の順序で配設したこ
とを特徴とすることによって、上記課題を解決した。

【００１１】

【発明の実施の形態】本願発明による、窒素ガスの製造
方法および製造装置の実施の形態を図面と共に詳細に説
明する。ここで、図１は、本願発明を示した図であり、
図２は、本願発明に使用している増圧弁の構造を示した
図であり、図３は、窒素ガスを作り出す際の流量・濃度
・圧力の関係図である。

【００１２】図１で、１は圧縮空気を作り出すエアーコ
ンプレッサであり、具体的に図示をしてはいないが、圧
縮機本体と電動機から構成され、圧縮機本体に形成され
た空気取入口から大気９１を吸い込むように構成されて
いる。

【００１３】更に、エアーコンプレッサ１には主配管２
１が接続していて、その主配管２１には、圧縮空気を貯
蔵するエアータンク２と、圧縮空気を冷凍することによ
って乾燥させる冷凍式エアードライヤ３と、圧縮空気内
の異物を除去するエアーフィルタ４を配設することによ
って、乾燥して異物の除去された圧縮空気９２が、主配
管２１の末端で各種の空圧機器を作動することが出来る
ように供給可能となっている。 尚、これ等の機器２、
３、４の下部には、各々、具体的には図示してはいない
が、発生したドレンを排出するドレン抜き弁やドレント
ラップを、両方共、または、何れか一方のみを接続して
いる。

【００１４】一方、主配管２１からは分岐配管２２が分
岐している。 この場合、図１においては、分岐配管２
２は一系列しか記載されていないが、並列して各々構成
を変えた複数系列の分岐配管を接続することも可能であ
る。 ここで、分岐配管２２には、窒素ガスの製造装置
８１を配設していて、末端では窒素ガス９５と増圧酸素
９４が使用出来るようになっている。

【００１５】この場合、窒素ガスの製造装置８１は、流
路を開閉する入口バルブ５と、圧縮空気内の異物を除去
するエアーフィルタ６と、圧縮空気を増圧する増圧弁６
１と、増圧した圧縮空気を貯蔵するエアータンク７１
と、増圧弁６１を作動させることによって発生した異物
を除去するエアーフィルタ７３と、圧縮空気を乾燥させ
る乾燥装置７４と、増圧した圧縮空気の圧力を調整する
減圧弁７５と、圧縮空気から窒素ガスを分離する窒素ガ
ス発生装置７と、作り出された窒素ガスを使用する各種
機器の圧力に調整する減圧弁８と、窒素ガスの流量を測
定する流量計９と、流路を開閉する出口バルブ１０から
構成されている。 尚、窒素ガス発生装置７で作り出さ
れた窒素ガスは、窒素ガス発生装置７より下流の何れか
の場所で一担エアータンクに貯蔵するようにしても良
い。

【００１６】ここで、増圧弁６１の構造を示す。 先
ず、図２に見られるように、増圧弁６１は、室イ６２Ａ
と中央部６２Ｂと室ロ６２Ｃから成る増圧弁本体６２
と、ピストンい６３Ａとピストンロッド６３Ｂとピスト
ンろ６３Ｃから成るピストン６３と、ガバナ６４と、切
換バルブ６５と、４組のチェック弁６６Ａ、６６Ｂ、６
６Ｃ、６６Ｄから構成されている。 ここにおいて、増
圧弁本体６２の中央部６２Ｂには、真ん中をピストンロ
ッド６３Ｂが摺動可能に形成されていて、ガバナ６４
と、切換バルブ６５と、４組のチェック弁６６Ａ、６６
Ｂ、６６Ｃ、６６Ｄと、その他のエア配管が収納されて
いる。

【００１７】また、ピストン６３は、ピストンい６３Ａ
が室イ６２Ａの全ストロークを作動する間に、ピストン
ろ６３Ｃが室ロ６２Ｃの全ストロークを作動するように
配設されている。 即ち、室イ６２Ａのストロークと室
ロ６２Ｃのストロークが同一に設定されている。

【００１８】更に、ピストンい６３Ａが室イ６２Ａ内を
作動する過程で、ピストンい６３Ａは、室イ６２Ａを、
ピストンロッド６３Ｂと反対側の駆動室イ６２ＡＡとピ
ストンロッド６３Ｂ側の増圧室イ６２ＡＢに分け、ピス
トンろ６３Ｃが室ロ６２Ｃを作動する過程で、ピストン
ろ６３Ｃは、室ロ６２Ｃを、ピストンロッド６３Ｂと反
対側の駆動室ロ６２ＣＢとピストンロッド６３Ｂ側の増
圧室ロ６２ＣＡに分けている。

【００１９】尚、図２に示している増圧弁６１はピスト
ンい６３Ａの断面積とピストンろ６３Ｃの断面積を等し
くしている。 一方、別の増圧弁６１の構造として、ピ
ストンい６３Ａの断面積とピストンろ６３Ｃの断面積を
異なるようにし、増圧室イ６２ＡＢを駆動室ロ６２ＣＢ
として使用し駆動室ロ６２ＣＢを増圧室イ６２ＡＢとし
て使用するように各々を入れ替えて、ＩＮに接続したチ
ェック弁６６ＡとＯＵＴに接続したチェック弁６６Ｃを
増圧室イ６２ＡＢに接続し、ＩＮに接続したチェック弁
６６ＢとＯＵＴに接続したチェック弁６６Ｄを増圧室ロ
６２ＣＡに接続することによって、流量特性を中心に圧
力特性や充填特性を変えることが出来るものも考えられ
る。

【００２０】この場合、増圧による圧縮空気を０．７Ｍ
Ｐａないし２．５ＭＰａにまで上げるのが最も効果的で
ある。 その理由は、エアーコンプレッサ１の能力と窒
素ガス発生装置７の能力と各種機器の耐圧性と増圧比と
装置全体の製造コストの関係から見て、最もバランスが
取れているためである。 従って、前述の能力のもので
あれば、高能率で多量の窒素ガス９５を製造することが
可能であり、更に、品質の安定した低価格の窒素ガス９
５を供給出来るのである。

【００２１】また、エアータンク７１は安定した状態で
窒素ガス９５を供給するために配設したものであり、エ
アータンク７１の下部には、圧縮空気より発生してエア
ータンク７１内に溜まったドレンを外部に排出するため
のドレン抜き弁７２を配置している。

【００２２】更に、乾燥装置７４は、冷却によるものや
中空糸によるものや乾燥剤によるもの等色々な方法が考
えられる。 但し、図１では具体的には記載していない
が、中空糸によるものを示していて、湿気の多い圧縮空
気９３が排出されるようになっていて、乾燥した圧縮空
気を供給することによって湿気による不具合が以降の各
種機器で発生するのを防止している。

【００２３】尚、窒素ガス発生装置７としては、ガス分
離膜を構成している方式や吸着剤を構成している方式や
深冷法等の色々な方式が考えられる。 但し、図１では
具体的には記載していないが、ガス分離膜を構成してい
る方式のものを示していて、圧縮空気から分離した酸素
が、酸素リッチガスとして排出されるようになってい
る。

【００２４】ここで、窒素ガス発生装置７には、分岐配
管２２とは別に酸素配管２４が接続していて、その酸素
配管２４には窒素ガス発生装置７より排出された酸素リ
ッチガスを酸素ガスとして使用可能な圧力である０．０
５ＭＰａないし０．３ＭＰａに増圧する増圧弁７６と、
増圧した酸素リッチガスを一担貯蔵する酸素タンク７７
を記載の順序で配設している。

【００２５】この場合、酸素タンク７７の下部には、酸
素リッチガスより発生して酸素タンク７７内に溜まった
ドレンを排出するドレン抜き弁７８が配設されている。
この様にして、酸素タンク７７からは、容易に増圧酸
素９４を取り出すことが可能となっている。 尚、増圧
弁７６に替えてエアーコンプレッサを設けることも考え
られる。

【００２６】本発明による、窒素ガスの製造方法および
製造装置は、前述したように構成されており、以下に、
その動作について説明する。

【００２７】先ず、電源が入ってエアーコンプレッサ１
が作動すると、空気取入口より大気９１を吸引し、圧縮
空気が作り出される。 そこで、作り出された圧縮空気
は、密閉されたエアータンク２に一担貯蔵されるように
なっている。 この場合、主配管２１の末端で各種の空
圧機器が作動して圧縮空気９２が必要になったり、分岐
配管２２の末端で窒素ガス９５が必要になったり、酸素
配管２４の末端で増圧酸素９４が必要になると、エアー
タンク２から圧縮空気が流出し、冷凍式エアードライヤ
３とエアーフィルタ４を経由することによって乾燥して
異物の除去された圧縮空気が得られるようになってい
る。

【００２８】ここで、主配管２１に向かった圧縮空気
は、そのまま圧縮空気９２として使用される。 一方、
分岐配管２２に向かった圧縮空気は、窒素ガスの製造装
置８１を経由することによって窒素ガス９５や増圧酸素
９４を作り出すようになっている。

【００２９】尚、窒素ガスの製造装置８１では、入口バ
ルブ５を経由した後、エアーフィルタ６で異物を除去さ
れた圧縮空気が、増圧弁６１に送り込まれるようになっ
ている。

【００３０】次に、増圧弁６１では、先ずＩＮの一次側
圧縮空気は、チェック弁６６Ａ、６６Ｂから増圧室イ６
２ＡＢと増圧室ロ６２ＣＡに通じている。 一方、ガバ
ナ６４と切換バルブ６５を経て駆動室ロ６２ＣＢに圧縮
空気が供給される。 すると、駆動室ロ６２ＣＢと増圧
室イ６２ＡＢの圧縮空気がピストン６３に作用し、増圧
室ロ６２ＣＡの圧縮空気を増圧する。 そこで、ピスト
ン６３が作動して増圧した圧縮空気をチェック弁６６Ｄ
からＯＵＴ（二次側）の方に送り出す。

【００３１】更に、ピストン６３がストロークエンドに
来ると、切換バルブ６５は、駆動室ロ６２ＣＢが排気、
駆動室イ６２ＡＡが供給の状態に切換わる。 すると、
ピストン６３が反転し、こんどは増圧室ロ６２ＣＡと駆
動室イ６２ＡＡの圧力で、増圧室イ６２ＡＢの圧縮空気
を増圧しながらＯＵＴ（二次側）の方に送り出す。この
様にして、以上のことを繰り返しながらＯＵＴにＩＮよ
り高い圧力の圧縮空気を連続的に供給するようになって
いる。

【００３２】この場合、二次圧をフィードバックさせて
いるガバナ６４機構のハンドル操作で、二次圧を任意に
設定することが出来るようになっている。 尚、各々の
ピストン６３Ａ、６３Ｃの断面積を変え増圧弁イ６２Ａ
Ｂと駆動室ロ６２ＣＡの位置を相互に入れ替えた場合の
動作に関しても前述と同じ働きをする。

【００３３】この様にして、圧縮空気を増圧する理由
は、図３に見られる様に、以降に配設された窒素ガス発
生装置７で、同じ濃度の窒素ガスを作ろうとする場合、
圧力が高い程発生する窒素ガスの発生量が多い特性があ
るためである。 当然、圧縮空気を作り出すエアーコン
プレッサ１の能力としては、希望する圧力を発生する機
種を選択することが出来るが、その分大きい機種を選択
する必要がある。 従って、増圧弁６１を使用すること
によって、小さいエアーコンプレッサ１で十分に機能を
満足させるという利点をもたらすのである。

【００３４】また、圧縮空気の圧力が低いままで多量の
窒素ガスを必要とする場合には、窒素ガス発生装置７と
して例えばガス分離膜を構成している方式によるものを
使用する場合、複数の装置を並列に配置する必要があ
る。 この場合、ガス分離膜は高価なものであり、複数
使用するということは、装置全体の価格上昇につながる
のである。

【００３５】最後に、増圧弁６１で増圧された圧縮空気
は、エアータンク７１に一担貯蔵することで以降の機器
に供給する過程で脈動が発生するのを防止している。
また、エアータンク７１からの増圧された圧縮空気は、
エアーフィルタ７３で圧縮空気内の異物が除去され、乾
燥装置７４で圧縮空気内の水分が除去され、減圧弁７５
で圧縮空気の圧力が調整され、窒素ガス発生装置７に送
り込まれるようになっている。 この場合、減圧弁７５
によって窒素ガス発生装置７に応じ自由に低い圧力に変
更することが可能となっている。

【００３６】ここで、増圧され窒素ガス発生装置７に送
り込まれた圧縮空気は、窒素ガスを分離して酸素リッチ
ガスを排出し、分離された窒素ガスはそのまま分岐配管
２２を通って、減圧弁８と流量計９と出口バルブ１０を
経由して窒素ガス９５として使用される。

【００３７】一方、排出された酸素リッチガスは、窒素
ガス発生装置７に接続している酸素配管２４に送り込ま
れ、増圧弁７６で増圧された後、一担酸素タンク７７に
貯蔵され、必要に応じて増圧酸素９４として使用され
る。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
により、下記のような効果をあげることができる。

【００３９】第一に、圧縮空気を増圧弁によって更に増
圧することによって、小型のエアーコンプレッサと最小
構成の窒素ガス発生装置でも、より上位の性能を持った
エアーコンプレッサと同じ能力を出すことが出来るよう
になり、装置全体が低価格のものとなった。

【００４０】第二に、増圧弁に接続してエアータンクを
配設することにより、安定した状態で窒素ガスを供給出
来るようになった。第三に、エアーフィルタと乾燥装置
と減圧弁の配設により、以降の各機器が安定して作動出
来るようになった。

【００４１】第四に、従来設置していたヒーターに関し
ては、全く不要となった。第五に、窒素ガスに加えて増
圧酸素も使用出来るようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本願発明を示した図

【図２】本願発明に使用している増圧弁の構造を示した
図

【図３】窒素ガスを作り出す際の流量・濃度・圧力の関
係図

【図４】従来の内容を示した図

【符号の説明】

１・・・・・・エアーコンプレッサ ２・・・・・・エアータンク ３・・・・・・冷凍式エアードライヤ ４・・・・・・エアーフィルタ ５・・・・・・入口バルブ ６・・・・・・エアーフィルタ ７・・・・・・窒素ガス発生装置 ８・・・・・・減圧弁 ９・・・・・・流量計 １０・・・・・出口バルブ ２１・・・・・主配管 ２２・・・・・分岐配管 ２３・・・・・分岐配管 ２４・・・・・酸素配管 ６１・・・・・増圧弁 ６２・・・・・増圧弁本体 ６２Ａ・・・・室イ ６２ＡＡ・・・駆動室イ ６２ＡＢ・・・増圧室イ ６２Ｂ・・・・中央部 ６２Ｃ・・・・室ロ ６２ＣＡ・・・増圧室ロ ６２ＣＢ・・・駆動室ロ ６３・・・・・ピストン ６３Ａ・・・・ピストンい ６３Ｂ・・・・ピストンロッド ６３Ｃ・・・・ピストンろ ６４・・・・・ガバナ ６５・・・・・切換バルブ ６６Ａ・・・・チェック弁 ６６Ｂ・・・・チェック弁 ６６Ｃ・・・・チェック弁 ６６Ｄ・・・・チェック弁 ７１・・・・・エアータンク ７２・・・・・ドレン抜き弁 ７３・・・・・エアーフィルタ ７４・・・・・乾燥装置 ７５・・・・・減圧弁 ７６・・・・・増圧弁 ７７・・・・・酸素タンク ７８・・・・・ドレン抜き弁 ８１・・・・・窒素ガスの製造装置 ８２・・・・・窒素ガスの製造装置 ９１・・・・・大気 ９２・・・・・圧縮空気 ９３・・・・・湿気の多い圧縮空気 ９４・・・・・増圧酸素 ９５・・・・・窒素ガス ９６・・・・・酸素リッチガス

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福原 廣 神奈川県横浜市瀬谷区阿久和西１丁目15番 地５ 株式会社フクハラ内 Ｆターム(参考） 3E072 AA03 DA05 DB03 GA30 4D006 GA41 KA02 KB12 KE06Q KE06R KE12P KE13P MB04 PA05 PB17 PB63 PB65 PC72

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮空気が窒素ガス発生装置（７）を通
   過することで窒素ガスを作り出す窒素ガスの製造方法に
   おいて、前記圧縮空気を増圧させた後に、前記窒素ガス
   発生装置（７）を通過させることを特徴とする窒素ガス
   の製造方法。
2. 【請求項２】 前記圧縮空気は、増圧させた後に先ずエ
   アータンク（７１）に貯蔵し、その後に除塵することを
   特徴とする請求項１に記載の窒素ガスの製造方法。
3. 【請求項３】 増圧した後の前記圧縮空気は、０．７Ｍ
   Ｐａないし２．５ＭＰａであることを特徴とする請求項
   １または請求項２に記載の窒素ガスの発生方法。
4. 【請求項４】 圧縮空気より窒素ガスを作り出す窒素ガ
   ス発生装置（７）を配設した窒素ガスの製造装置におい
   て、前記窒素ガス発生装置（７）の上流に、前記圧縮空
   気を増圧する増圧弁（６１）と増圧した前記圧縮空気を
   一担貯蔵するエアータンク（７１）を記載の順序で配設
   したことを特徴とする窒素ガスの製造装置。
5. 【請求項５】 前記エアータンク（７１）と前記窒素ガ
   ス発生装置（７）の間に、前記圧縮空気内の異物を除去
   するエアーフィルタ（７３）と増圧された前記圧縮空気
   の圧力を調整する減圧弁（７５）を記載の順序で配設し
   たことを特徴とする請求項４に記載の窒素ガスの製造装
   置。
6. 【請求項６】 前記減圧弁（７５）の上流に、増圧され
   た前記圧縮空気を乾燥させる乾燥装置（７４）を配設し
   たことを特徴とする請求項５に記載の窒素ガスの製造装
   置。
7. 【請求項７】 前記窒素ガス発生装置（７）より排出さ
   れた酸素リッチガスを増圧する増圧弁（７６）またはエ
   アーコンプレッサと増圧した前記酸素リッチガスを一担
   貯蔵する酸素タンク（７７）を記載の順序で配設したこ
   とを特徴とする請求項４ないし請求項６いずれか１項に
   記載の窒素ガスの製造装置。