JP2004148258A - 気体分離装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は製品ガスの使用量が減少して製品ガス槽の圧力が設定値以上に上昇した場合にコンプレッサのロード運転を維持すると共に、製品ガスを無駄に排気しないことを課題とする。
【解決手段】気体分離装置１０では、窒素槽４６の圧力が設定値に達したときは、工程▲３▼が実行される。工程▲３▼では、第１の吸着槽２３は取出工程のままであり、バルブＶ１，Ｖ１１の開弁状態が継続される。第２の吸着槽２４は再生工程のままであり、バルブＶ１０の排気状態が継続される。同時に、上部パージ用のバルブＶ５，Ｖ６が開弁状態となる。すなわち、第１の吸着槽２３では、窒素ガスの取り出しが継続され、第２の吸着槽２４では、パージ管路３８，４０を介して第１の吸着槽２３で生成された窒素ガスが供給される。よって、中流量Ｑ２＋Ｑ３による吸着剤の再生（脱着）が促進されると共に、コンプレッサ１３のロード運転が維持される。
【選択図】 図１
【解決手段】気体分離装置１０では、窒素槽４６の圧力が設定値に達したときは、工程▲３▼が実行される。工程▲３▼では、第１の吸着槽２３は取出工程のままであり、バルブＶ１，Ｖ１１の開弁状態が継続される。第２の吸着槽２４は再生工程のままであり、バルブＶ１０の排気状態が継続される。同時に、上部パージ用のバルブＶ５，Ｖ６が開弁状態となる。すなわち、第１の吸着槽２３では、窒素ガスの取り出しが継続され、第２の吸着槽２４では、パージ管路３８，４０を介して第１の吸着槽２３で生成された窒素ガスが供給される。よって、中流量Ｑ２＋Ｑ３による吸着剤の再生（脱着）が促進されると共に、コンプレッサ１３のロード運転が維持される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＰＳＡ式（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）の気体分離装置に係り、特に吸着槽の圧力低下を抑えて製品ガスの生成効率を高めるよう構成した気体分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＰＳＡ式気体分離装置は、分子ふるいカーボンやゼオライトなどからなる吸着剤を用いて空気を窒素と酸素に分離し、いずれか一方を製品ガスとして取り出し、使用するものである。
【０００３】
このため、例えば酸素ガスを取り出すＰＳＡ式気体分離装置にあっては、▲１▼吸着剤が充填された吸着槽にコンプレッサからの圧縮空気を導入して吸着剤に窒素分子と酸素分子の一部を吸着させる吸着工程と、▲２▼吸着剤により分離生成された酸素を取り出す取出工程と、▲３▼該吸着槽内を大気解放しまたは真空ポンプで減圧して吸着剤を再生する再生工程とを繰り返す。即ち、取出工程では、吸着槽内の酸素を外部に取り出し、一方再生工程では吸着された窒素と若干の酸素を脱着し、次の吸着工程に備えるようになっている。
【０００４】
また、一対の吸着槽を有する装置では、一方の吸着槽で取出工程が完了し、他方の吸着槽で再生工程が完了した後、均圧工程を行う。この▲４▼均圧工程では、両吸着槽間を連通させて取出工程の後の吸着槽に残留するガスを再生工程の吸着槽へ供給して均圧化を図り、より高濃度の製品ガスを連続的に生成するようにしている。
【０００５】
さらに、より高濃度の製品ガスを生成するため、吸着工程において製品タンクに貯溜された製品ガスを吸着槽に還流させて短時間で吸着槽内の製品ガス濃度を高めると共に、吸着槽内の圧力を上昇させるようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この特許文献１では、一対の吸着槽の上部にオリフィスが配設されたパージ管路が接続されている。このパージ管路は、一対の吸着槽の圧力差を利用して高圧側の吸着槽から低圧側の吸着槽に製品ガスを供給するように構成されている。そして、再生工程の終了前に取出工程の吸着槽からの製品ガスを再生工程の吸着槽に供給させると共に、当該再生工程の吸着槽の排気を停止させる。これにより、製品タンクの圧力低下を防止すると共に、取出工程の吸着槽からの製品ガスによって再生工程側の吸着槽をパージすることで吸着剤の再生効率を高めている。
【０００７】
また、上記のものでは、下流側での製品ガスの使用量が減少した場合、製品タンクの圧力が上昇して吸着槽からの製品ガスとの圧力差が小さくなると、吸着槽からの製品ガスを取り出せなくなるため、吸着槽の圧力が昇圧状態に維持されてしまい、圧縮空気を生成するコンプレッサがアンロード運転に切り替わってしまってコンプレッサの運転効率が低下するという問題があった。
【０００８】
このような問題を解消するため、製品タンクの圧力が上昇して吸着槽からの製品ガスとの圧力差が小さくなって、吸着槽からの製品ガスを取り出せなくなった場合、コンプレッサからの圧縮空気を貯留する空気槽の排気弁を開弁させて圧縮空気を大気中に放出してコンプレッサがロード運転を継続するよう構成されたものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−３８４４３号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】
特開平９−２４２３１号公報（第５頁、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献２に記載された気体分離装置では、空気槽の圧力が所定値以上になると、空気槽の排気弁を開弁させて圧縮空気を大気中に放出してコンプレッサがロード運転を継続するようにしているが、折角コンプレッサが生成した圧縮空気を何ら利用せずに大気中に排出するため、無駄であるという問題があった。
【００１１】
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。
【００１２】
【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記載の本発明は、吸着剤が充填された吸着槽に圧縮空気を供給し、吸着槽内の吸着剤により分離生成された製品ガスを吸着槽から取り出して製品ガス槽に充填する取出工程と、吸着槽内の残存気体を排出させて吸着槽内の吸着剤を再生する再生工程とを行なうように構成された気体分離装置であって、吸着槽を少なくともニつ設け、一方の吸着槽が取出工程のとき、他方の吸着槽が再生工程となるように構成し、製品ガス槽の圧力が所定値以上に上昇した場合に、取出工程の吸着槽と再生工程の吸着槽とを連通させる開閉弁を設けたものであり、コンプレッサからの圧縮空気が余剰になっても取り出し中の吸着槽から再生中の吸着槽へ製品ガスを供給して排気することで圧縮空気を有効利用すると共に、コンプレッサをロード運転状態に保つことができる。
【００１３】
上記請求項２記載の本発明は、製品ガス槽の圧力を検出する圧力検出手段からの検出信号に基づいて開閉弁を開弁するように制御する制御手段を備えたものであり、製品ガス槽の圧力に応じて取り出し中の吸着槽から再生中の吸着槽へ製品ガスを供給して排気することで圧縮空気を有効利用すると共に、コンプレッサをロード運転状態に保つことができる。
【００１４】
上記請求項３記載の本発明は、開閉弁が製品ガス槽の圧力を背圧として導く、背圧弁であるので、コンプレッサからの圧縮空気が余剰になっても取り出し中の吸着槽から再生中の吸着槽へ製品ガスを供給して排気することで圧縮空気を有効利用すると共に、コンプレッサをロード運転状態に保つことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明の一実施例ついて説明する。尚、本実施例では、気体分離装置を窒素発生装置として使用する場合について説明する。
図１は本発明になる気体分離装置の第１実施例を示すシステム構成図である。
【００１６】
図１に示されるように、気体分離装置１０は、圧縮空気から窒素を製品ガスとして生成するＰＳＡ式の窒素発生装置であり、スタート信号の入来により作動開始する。また、気体分離装置１０の制御装置１２は、後述するコンプレッサ１３及び吸着ユニット１４のバルブＶ１〜Ｖ１２、及びバルブＶ１３〜Ｖ１５を開閉制御する。尚、本実施例のバルブＶ１〜Ｖ１５は、例えば、後述するエア駆動回路２２を介して空気圧が供給されることにより開弁するエアオペレートバルブからなる。
【００１７】
コンプレッサ１３により生成された圧縮空気は、空気槽１６に貯えられ、冷凍式エアドライヤ１７、空気供給管路１８、エアフィルタ１９を介して吸着ユニット１４に供給される。また、空気槽１６には、コンプレッサ１３により蓄圧された圧縮空気の圧力を計測する圧力計２０が設けられている。この圧力計２０は、空気槽１６の圧力を検出し、その検出信号を制御装置１２に出力する。
【００１８】
コンプレッサ１３は、空気槽１６の圧力が上限圧力ＰＡ（アンロード運転開始圧力）以上に上昇した場合にロード運転からアンロード運転に切り替わり、空気槽１６の圧力が下限圧力ＰＢ（ロード運転開始圧力）以下に低下した場合アンロード運転からロード運転に切り替わるように制御される。
【００１９】
また、空気供給管路１８から分岐された空気供給管路２１は、エア駆動回路２２に連通されている。エア駆動回路２２は、バルブＶ１〜Ｖ１５に対応する数の複数のエア供給用電磁弁（図示せず）が並列接続されており、各エア供給用電磁弁は制御装置１２からの制御信号に基づいて開弁または閉弁されてバルブＶ１〜Ｖ１５の開閉動作を制御する。
【００２０】
上記空気槽１６に貯留された圧縮空気は、冷凍式エアドライヤ１７で除湿された後、エアフィルタ１９で塵埃を除去され、その後、空気供給管路１７に連通された給気管路２５，２６を介して吸着ユニット１４の第１，第２の吸着槽２３，２４に供給される。第１，第２の吸着槽２３，２４には、分子ふるいカーボン（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｉｅｖｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎ）からなる吸着剤（図示せず）が充填されている。
【００２１】
分子ふるいカーボンとしては、多孔質のゼオライト（Ｚｅｏｌｉｔｅ）などが用いられている。尚、図１においては、吸着剤は、例えば、直径１ｍｍ、高さ２ｍｍの円柱形状に形成された粒子状であるので、図示していない。
【００２２】
第１，第２の吸着槽２３，２４に充填された吸着剤は、吸着槽２３，２４内の圧力上昇により酸素分子を吸着し、減圧されるとその圧力差により酸素分子を脱着する。尚、吸着剤の表面に形成された微細な孔は、酸素分子よりも大きく、窒素分子よりも小さい。そのため、圧縮空気に含まれる窒素分子は、昇圧状態でも、吸着剤に吸着されない。
【００２３】
また、給気管路２５，２６には、排気管路２７，２８が分岐接続されており、排気管路２７，２８の端部には排気音を減少させるサイレンサ２９，３０が設けられている。さらに、吸着槽２３，２４の下端に連通された給気管路２５，２６間には、下均圧管路３２が横架されている。
【００２４】
また、吸着槽２３，２４の上部には取出管路３４，３５が接続されており、両管路３４，３５間には両吸着槽２３，２４を連通するための上均圧管路３６と、第１のパージ管路３８と、第２のパージ管路４０とが横架されている。そして、パージ管路３８，４０には、絞り４２，４３が設けられている。尚、絞り４２，４３の絞り率によって、上均圧管路３６、第１のパージ管路３８、第２のパージ管路４０の各流量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３がＱ１＞Ｑ３＞Ｑ２となるように設定している。
【００２５】
また、上記取出管路３１，３２は、共通取出管路４４で合流し、取出管路４４を介して窒素槽４６に連通されている。よって、上記吸着槽２３，２４から取り出された窒素ガス（製品ガス）は、窒素槽４６に蓄圧される。窒素槽４６には、窒素ガスの圧力を測定する圧力計４７が設けられている。尚、共通取出管路４４には、窒素槽４６に貯留された窒素ガスが逆流することを防止する逆止弁４８が設けられている。
【００２６】
さらに、上記取出管路３４，３５には、取出用弁としてのバルブＶ１，Ｖ２が配設され、上均圧管路３６には、均圧用弁としてのバルブＶ３，Ｖ４が配設され、第２のパージ管路４０には、パージ用弁としてのバルブＶ５，Ｖ６が配設され、下均圧管路３２には、均圧用弁としてのバルブＶ７，Ｖ８が配設され、排気管路２７，２８には、排気用弁としてのバルブＶ９，Ｖ１０が配設され、給気管路２５，２６には、給気用弁としてのバルブＶ１１，Ｖ１２が配設されている。
【００２７】
これらのバルブＶ１〜Ｖ１５は、制御装置１２が各工程（吸着（昇圧）工程、取出工程、均圧工程、脱着（再生）工程）に応じて生成する制御信号によって開閉制御される。
【００２８】
なお、図１においては、バルブＶ３、Ｖ４を設けたものを示しているが、図示されているような吸着槽が２つのものにあっては、どちらか一方のみ設ければよい。しかし、吸着槽が３つ以上ある場合など、バルブＶ３とバルブＶ４の間に他の吸着槽等の配管を接続することを踏まえ、図１においては、バルブＶ３、Ｖ４を設けている。なお、Ｖ５、Ｖ６及びＶ７、Ｖ８も同様である。
【００２９】
また、窒素槽４６の下部に連通された吐出管路５０は、窒素ガスを使用する下流の各機器（図示せず）に連通されている。そして、吐出管路５０には、フィルタレギュレータ５２、吐出弁としてのバルブＶ１３、流量調整弁５６が配設されている。
【００３０】
また、フィルタレギュレータ５２の下流から分岐されたセンサ管路５８には、バルブＶ１４、流量調整弁６２、製品ガスに含まれる酸素濃度を測定する酸素センサ６４が設けられている。酸素センサ６４は、窒素槽４６から窒素ガスを取り出す際に、バルブＶ１４の開弁により窒素ガス中に含まれる酸素濃度を測定し、その酸素濃度測定結果を制御装置１２に出力する。
【００３１】
また、フィルタレギュレータ５２の下流から分岐された排気管路６６には、バルブＶ１５、流量調整弁７０、排気音を減少させるサイレンサ７２が設けられている。窒素槽４６から取り出された窒素ガスの酸素濃度が規定値以上の場合、製品ガスとしては不良であるので、吐出弁としてのバルブＶ１３を閉弁すると共に、排気管路６６のバルブＶ１５を開弁して窒素槽４６に貯留された製品ガスを大気中に排気する。
【００３２】
気体分離装置１０において、各工程は、以下のように（ａ）〜（ｄ）の各工程が順次行われる。
（ａ）吸着工程：一方の吸着槽２３にコンプレッサ１３により圧縮された圧縮空気を導入して吸着槽２３内を昇圧させ圧力を利用して吸着剤に酸素分子を吸着させる工程である。
（ｂ）取出工程：吸着工程の後半で吸着剤により分離生成された窒素を取り出す工程である。
（ｃ）均圧工程：取出工程終了後の吸着槽２３，２４に残存する窒素濃度の高い残留ガスを吸着工程前の他方の吸着槽２４に供給して吸着槽２３，２４間の圧力を均圧化する工程である。
（ｄ）再生工程：取出工程及び均圧工程終了後の吸着槽２３内を大気解放または真空ポンプで減圧して吸着剤に吸着された酸素分子を脱着することにより吸着剤を再生する工程である。尚、再生工程は、一方の吸着槽２３で吸着、取出工程を行っている間に他方の吸着槽２４で行われる。
【００３３】
この一連の工程（ａ）〜（ｄ）が終了すると、一方の吸着槽２３で再生工程がスタートすると共に、他方の吸着槽２４で吸着工程がスタートする。
【００３４】
従って、吸着ユニット１４では、第１，第２の吸着槽２３，２４の何れかに原料空気としての圧縮空気が供給されて、昇圧、減圧を繰り返しながら原料空気から窒素と酸素とを分離する。尚、本実施例では、一対の吸着槽２３，２４を有するため、第１の吸着槽２３が昇圧されて吸着工程のとき第２の吸着槽２４では減圧されて再生工程が行なわれ、第１の吸着槽２３が再生工程のとき第２の吸着槽２４は吸着工程となる。
【００３５】
そして、制御装置１２は予め入力されたプログラムに基づいて吸着槽２３，２４が交互に窒素ガスを生成するように吸着ユニット１４の各バルブＶ１〜Ｖ１２を開閉制御する。各バルブＶ１〜Ｖ１２の開弁状態を各工程毎に分類すると、以下のようになる。
【００３６】
ここで、上記のように構成された吸着ユニット１４の各工程▲１▼〜▲４▼の動作について図２乃至図４を参照して説明する。尚、図２乃至図４に示すバルブＶ１〜Ｖ１２は、黒塗りマークが閉弁状態を示し、白抜きマークが開弁状態を示している。また、以下の説明では、第１の吸着槽２３が吸着制御モードに設定され、第２の吸着槽２４が再生制御モードに設定された場合について説明する。
【００３７】
図２に示されるように、工程▲１▼の場合、第１の吸着槽２３は吸着工程であり、バルブＶ１１が開弁状態となる。第２の吸着槽２４は再生工程であり、バルブＶ１０が開弁状態となる。このとき、第１の吸着槽２３が昇圧し、第２の吸着槽２４が減圧されて第１の吸着槽２３の圧力Ｐ１が第２の吸着槽２４の圧力Ｐ２よりも大になると（Ｐ１＞Ｐ２）、第１の吸着槽２３の上部から分離生成された窒素ガスが第１のパージ管路３８を介して第２の吸着槽２４へ供給される。
【００３８】
尚、第１のパージ管路３８を介して第２の吸着槽２４へ供給される窒素ガスの流量は、絞り４２の流路面積により小流量Ｑ２に絞られている。
【００３９】
これにより、再生工程の第２の吸着槽２４においては、第１の吸着槽２３の上部から供給された窒素ガスによって第２の吸着槽２４に充填された吸着剤の再生が促進される。すなわち、吸着剤に吸着された酸素分子は、加圧状態で吸着されるため、吸着槽内が減圧されると共に、吸着剤に吸着されない窒素ガスを供給することにより吸着剤からの脱着が促進される。
【００４０】
上記工程▲１▼が終了した後、窒素槽４６の圧力が設定値に達していないときは、図３に示される工程▲２▼が実行され、窒素槽４６の圧力が設定値に達したときは、図４に示される工程▲３▼が実行される。
【００４１】
図３に示されるように、工程▲２▼の場合、第１の吸着槽２３は取出工程であり、バルブＶ１，Ｖ１１が開弁状態となる。第２の吸着槽２４は再生工程のままであり、バルブＶ１０の排気状態が継続される。すなわち、バルブＶ１の開弁により第１の吸着槽２３で生成された窒素ガスが取出管路４４を介して窒素槽４６に取り出される。このとき、第２の吸着槽２４では、小流量Ｑ２による再生工程が継続されている。
【００４２】
図４に示されるように、工程▲３▼の場合、第１の吸着槽２３は取出工程のままであり、バルブＶ１，Ｖ１１の開弁状態が継続される。第２の吸着槽２４は再生工程のままであり、バルブＶ１０の排気状態が継続される。同時に、上部パージ用のバルブＶ５，Ｖ６が開弁状態となる。すなわち、第１の吸着槽２３では、窒素ガスの取り出しが継続され、第２の吸着槽２４では、パージ管路３８，４０を介して第１の吸着槽２３で生成された窒素ガスが供給される。よって、中流量Ｑ２＋Ｑ３による吸着剤の再生（脱着）が促進されると共に、コンプレッサ１３のロード運転が維持される。
【００４３】
尚、図４に示す工程では、バルブＶ１０が排気状態のまま上部パージ用のバルブＶ５，Ｖ６が開弁するため、第１の吸着槽２３で生成された窒素ガスが第２の吸着槽２４の上部に積極的に供給されて第２の吸着槽２４の吸着剤に吸着された酸素分子の脱着速度が上記工程▲２▼よりも加速される。
【００４４】
また、図４に示す工程▲３▼は、窒素槽４６が予め設定された所定圧力（目標圧力）以上に達している場合に行われる工程である。従って、窒素槽４６が所定圧力以下である場合、上記工程▲１▼▲２▼▲４▼の順に実行され、工程▲３▼が省略される。
【００４５】
図５に示されるように、工程▲４▼の場合、吸着槽２３，２４は均圧工程であり、上部パージ用のバルブＶ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６が開弁状態となる。同時に、下部パージ用のバルブＶ７，Ｖ８も開弁状態が継続される。すなわち、第１の吸着槽２３の取出工程が終了すると共に、第１の吸着槽２３で生成された窒素ガスが上均圧管路３６及びパージ管路３８，４０を介して第２の吸着槽２４の上部に供給され、さらに下均圧管路３２を介して第２の吸着槽２４の下部に供給される。
【００４６】
これにより、第２の吸着槽２４の上部には、上均圧管路３６及びパージ管路３８，４０を介して大流量Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３による吸着剤の再生が促進される。同時に第２の吸着槽２４の下部では、下均圧管路３２を介して供給された流量Ｑ４による吸着剤の再生（脱着）が促進される。
【００４７】
このように、均圧工程では、第２の吸着槽２４の上部に大流量の窒素ガスが供給されると共に、第２の吸着槽２４の下部にも窒素ガスが供給されるため、第２の吸着槽２４の吸着剤が短時間で昇圧されて均圧化される。
【００４８】
ここで、図６に示すフローチャートを参照して制御装置１２が実行する制御処理について説明する。
【００４９】
制御装置１２は、図６のステップＳ１１（以下「ステップ」を省略する）において、電源スイッチ（図示せず）がオンに操作されると、Ｓ１２に進み、コンプレッサ１３を起動させて圧縮空気の生成を開始させる。続いて、Ｓ１３では、冷凍式エアドライヤ１７を起動させて圧縮空気の除湿を開始させる。
【００５０】
次のＳ１４では、圧力計２０により測定された空気槽１６の圧力を読み取り、空気槽１６の圧力が予め設定された設定値（アンロード運転開始圧力）に達したかどうかをチェックする。Ｓ１４において、圧力計２０により測定された空気槽１６の圧力が設定値に達していないときは、Ｓ１５に進み、窒素槽４６の圧力を圧力計４７から読み取り、窒素槽４６の圧力が予め設定された設定値に達したかどうかをチェックする。
【００５１】
Ｓ１５において、圧力計４７により測定された窒素槽４６の圧力が設定値に達していないときは、Ｓ１６に進み、上記工程▲１▼（図２を参照）を行う。上記工程▲１▼が終了すると、次のＳ１７に進み、上記工程▲２▼（図３を参照）を行う。上記工程▲２▼が終了すると、次のＳ１８に進み、上記工程▲４▼（図５を参照）を行う。
【００５２】
上記工程▲４▼が終了すると、次のＳ１９に進み、吸着槽２３，２４に対する吸着制御モードと再生制御モードとを反転させる。続いて、Ｓ２０に進み、電源スイッチ（図示せず）がオフかどうかをチェックする。Ｓ２０において、電源スイッチ（図示せず）がオフでないときは、上記Ｓ１５に戻り、Ｓ１５以降の処理を繰り返す。
【００５３】
また、Ｓ２０において、電源スイッチ（図示せず）がオフであるときは、Ｓ２１に進み、コンプレッサ１３を停止させる。続いて、Ｓ２１では、冷凍式エアドライヤ１７を停止させる。
【００５４】
また、上記Ｓ１５において、圧力計４７により測定された窒素槽４６の圧力が設定値に達したときは、Ｓ２３に進み、上記工程▲１▼（図２を参照）を行う。上記工程▲１▼が終了すると、次のＳ２４に進み、上記工程▲３▼（図４を参照）を行う。上記工程▲３▼が終了すると、次のＳ２５に進み、上記工程▲４▼（図５を参照）を行う。
【００５５】
上記工程▲４▼が終了すると、次のＳ２６に進み、吸着槽２３，２４に対する吸着制御モードと再生制御モードとを反転させる。続いて、Ｓ２０に進み、電源スイッチ（図示せず）がオフかどうかをチェックする。Ｓ２０において、電源スイッチ（図示せず）がオフでないときは、上記Ｓ１５に戻り、Ｓ１５以降の処理を繰り返す。
【００５６】
このように、制御装置１２は、窒素槽４６の圧力が設定値に達していない場合には、上記工程▲１▼▲２▼▲４▼を実行し、窒素槽４６の圧力が設定値に達している場合には、上記工程▲１▼▲３▼▲４▼を実行するように制御プログラムを切り替える。
【００５７】
図７は吸着槽２３，２４及び空気槽１６、窒素槽４６の圧力変化を示すグラフである。
【００５８】
図７において、グラフＩは一方の吸着槽２３の圧力変化、グラフＩＩは他方の吸着槽２４の圧力変化、グラフＩＩＩは空気槽１６の圧力変化、グラフＩＶは窒素槽４６の圧力変化、グラフＶは窒素槽４６の圧力上昇に伴う吸着槽の圧力変化を示す。
【００５９】
窒素槽４６の圧力が所定値以下の場合には、上記工程▲１▼▲２▼により窒素ガスが取り出されるため、吸着槽２３の圧力及び空気槽１６及び窒素槽４６の圧力は、グラフＩ，ＩＩＩ，ＩＶに示すように設定値（アンロード運転開始圧力）以下に推移する。これにより、コンプレッサ１３は、ロード運転状態に維持する。
【００６０】
しかしながら、窒素槽４６の下流での窒素使用量が減少し、窒素槽４６の圧力が所定の設定値以上に上昇すると、例えば、吸着槽２３で生成された窒素ガスが取り出せなくなるため、吸着槽２３の圧力がグラフＶに示すように設定値（アンロード運転開始圧力）まで上昇し、コンプレッサ１３がアンロード運転に切り替わることで、圧力が降下することになる。
【００６１】
この場合、上記工程▲１▼▲３▼により、一方の吸着槽２３で生成された窒素ガスが他方の吸着槽２４へ供給され、吸着槽２４内をパージするため、吸着槽２３の圧力は、グラフＩに示すように設定値（アンロード運転開始圧力）以下に推移する。
【００６２】
そのため、窒素槽４６の下流での窒素使用量が減少し、窒素槽４６の圧力が所定の設定値以上に上昇した場合でも一方の吸着槽２３で生成された窒素ガスが他方の吸着槽２４へ供給されることで、余分になった窒素ガスをパージ用ガスとして有効に利用することが可能になり、その分無駄を減らすことが可能になる。
【００６３】
その余分になった窒素ガスは、グラフＩとＶとの差圧ΔＰがパージ用ガスとして他方の吸着槽２４へ供給される。これにより、一方の吸着槽２３の圧力は、窒素槽４６の圧力が所定の設定値以下の場合と同様に、グラフＩに示すように設定値（アンロード運転開始圧力）以下に推移する。これにより、コンプレッサ１３は、ロード運転状態に維持する。
【００６４】
また、他方の吸着槽２４では、グラフＩＩで示されるように、上記工程▲３▼でバルブＶ５，Ｖ６が開弁状態となると、徐々に圧力が上昇しており、工程▲４▼に切り替わる段階で均圧の約１／３の圧力に上昇しているため、均圧工程に要する時間を短縮することが可能になる。
【００６５】
ここで、図８を参照して第２実施例について説明する。尚、図８において、上記第１実施例と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
図８に示されるように、第２実施例の気体分離装置８０は、取出管路４４と吸着槽２３，２４の上部に連通された還流管路８２，８４との間を連通する連通管路８５が設けられており、連通管路８５には背圧弁８６が設けられている。
【００６６】
この背圧弁８６は、窒素槽４６の上流から分岐された圧力導入管路８７が連通されており、圧力導入管路８７を介して導入された窒素槽４６からの圧力に基づいて開弁する。すなわち、背圧弁８６は、通常、閉弁されているノーマルクローズタイプの弁であり、窒素槽４６の圧力が所定の設定値以上になると、開弁するように構成されている。
【００６７】
また、還流管路８２，８４には、吸着槽２３，２４のガスが背圧弁８６へ流れることを防止する逆止弁８８，９０が設けられている。
【００６８】
尚、気体分離装置８０は、上記第２のパージ管路４０、パージ用弁としてのバルブＶ５，Ｖ６、絞り４３が設けられていない。
【００６９】
ここで、窒素槽４６の圧力が所定の設定値以上に上昇した場合について説明する。気体分離装置８０において、窒素槽４６の圧力が所定の設定値以上に上昇した場合、吸着工程の吸着槽２３及び取出管路４４の圧力も設定値以上に上昇するため、背圧弁８６が開弁する。そして、吸着槽２３から取り出された窒素ガスは、設定値以上の圧力で再生工程の吸着槽２４へ連通する還流管路８４の逆止弁９０を開弁して吸着槽２４の上部へ供給される。
【００７０】
これにより、第１の吸着槽２３で生成された窒素ガスが第２の吸着槽２４の上部に積極的に供給されるため、第２の吸着槽２４の吸着剤に吸着された酸素分子の脱着速度が加速され、吸着剤の再生が促進される。このように、第２実施例では、窒素槽４６の圧力が所定の設定値以上に上昇すると、背圧弁８６が自動的に開弁する構成のため、制御装置１２の制御がなくても再生工程の吸着槽へ余分な窒素ガスを供給してパージすることが可能になる。
【００７１】
ここで、図９を参照して第３実施例について説明する。尚、図９において、上記第２実施例と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
図９に示されるように、第３実施例の気体分離装置９０は、前述した気体分離装置８０の絞り４３の代わりに流量調整弁９２を設けたものである。吸着槽２３，２４との間を連通するパージ管路３８に設けられた流量調整弁９２は、吸着槽２３，２４との間の圧力差によって何れかに供給される窒素ガスの供給流量を調整する。
【００７２】
流量調整弁９２の弁開度は、吸着槽２３，２４の容量あるいは吸着工程、再生工程の所要時間に応じて調整される。このように、流量調整弁９２の弁開度を変更することにより、パージ管路３８を介して吸着槽２３，２４の間を流通する窒素ガスの流量を任意の値に調整できるので、当該システムに適した流量で吸着槽をパージすることが可能になる。
【００７３】
尚、上記各実施例では、一対の吸着槽２３，２４が設けられているが、２個以上の吸着槽を有する装置にも適用できるのは勿論である。
【００７４】
また、上記実施例では、各吸着剤が酸素分子を吸着する構成であるが、各吸着槽が他の気体分子を吸着する構成（例えば酸素発生装置等）にも適用できるのは勿論である。
【００７５】
また、上記実施例においては、第１のパージ管路３８を設けた例を示したが、パージを行なわないタイプのものにあっては、第１のパージ管路３８は、不要である。また、パージを行なうタイプのものにあっても、バルブＶ５、Ｖ６が閉弁時であっても、常時バルブの前後を小さな流路面積で連通するタイプの開閉弁とすることにより、第１のパージ管路３８を廃止できる。
【００７６】
また、バルブＶ１、Ｖ２で、Ｖ３〜Ｖ６を兼用してもよい。この場合、バルブＶ１、Ｖ２を流量制御タイプの弁にし、パージ、均圧等の各工程に合わせた開度に調整するようにしても良い。
【００７７】
さらに、バルブＶ５を窒素槽４６の圧力を背圧とする背圧弁としても良い。
【００７８】
【発明の効果】
上述の如く、請求項１記載の発明によれば、吸着剤が充填された吸着槽に圧縮空気を供給し、吸着槽内の吸着剤により分離生成された製品ガスを吸着槽から取り出して製品ガス槽に充填する取出工程と、吸着槽内の残存気体を排出させて吸着槽内の吸着剤を再生する再生工程とを行なうように構成された気体分離装置であって、吸着槽を少なくともニつ設け、一方の吸着槽が取出工程のとき、他方の吸着槽が再生工程となるように構成し、製品ガス槽の圧力が所定値以上に上昇した場合に、取出工程の吸着槽と再生工程の吸着槽とを連通させる開閉弁を設けたため、コンプレッサからの圧縮空気が余剰になっても取り出し中の吸着槽から再生中の吸着槽へ製品ガスを供給して排気することで圧縮空気を有効利用すると共に、コンプレッサをロード運転状態に保つことができる。
【００７９】
上記請求項２記載の本発明によれば、製品ガス槽の圧力を検出する圧力検出手段からの検出信号に基づいて開閉弁を開弁するように制御する制御手段を備えたため、製品ガス槽の圧力に応じて取り出し中の吸着槽から再生中の吸着槽へ製品ガスを供給して排気することで圧縮空気を有効利用すると共に、コンプレッサをロード運転状態に保つことができる。
【００８０】
上記請求項３記載の本発明によれば、開閉弁が製品ガス槽の圧力を背圧として導く、背圧弁であるため、コンプレッサからの圧縮空気が余剰になっても取り出し中の吸着槽から再生中の吸着槽へ製品ガスを供給して排気することで圧縮空気を有効利用すると共に、コンプレッサをロード運転状態に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる気体分離装置の第１実施例のシステム構成図である。
【図２】吸着ユニット１４の工程▲１▼の動作を示すシステム構成図である。
【図３】吸着ユニット１４の工程▲２▼の動作を示すシステム構成図である。
【図４】吸着ユニット１４の工程▲３▼の動作を示すシステム構成図である。
【図５】吸着ユニット１４の工程▲４▼の動作を示すシステム構成図である。
【図６】制御装置が実行する窒素ガス生成処理のフローチャートである。
【図７】吸着槽２３，２４及び空気槽１６、窒素槽４６の圧力変化を示すグラフである。
【図８】気体分離装置の第２実施例のシステム構成図である。
【図９】気体分離装置の第３実施例のシステム構成図である。
【符号の説明】
１０，８０，９０ 気体分離装置
１２ 制御装置
１３ コンプレッサ
１４ 吸着ユニット
１６ 空気槽
１７ 冷凍式エアドライヤ
２０，４７ 圧力計
２２ エア駆動回路
２３ 第１の吸着槽
２４ 第２の吸着槽
２５，２６ 給気管路
２７，２８ 排気管路
３２ 下均圧管路
３４，３５ 取出管路
３６ 上均圧管路
３８ 第１のパージ管路
４０ 第２のパージ管路
４２，４３ 絞り
４４ 共通取出管路
４６ 窒素槽
５０ 吐出管路
５６ 流量調整弁
６４ 酸素センサ
６６ 排気管路
８２，８４ 還流管路
８５ 連通管路
８６ 背圧弁
８８，９０ 逆止弁
９２ 流量調整弁
【発明の属する技術分野】
本発明はＰＳＡ式（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）の気体分離装置に係り、特に吸着槽の圧力低下を抑えて製品ガスの生成効率を高めるよう構成した気体分離装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ＰＳＡ式気体分離装置は、分子ふるいカーボンやゼオライトなどからなる吸着剤を用いて空気を窒素と酸素に分離し、いずれか一方を製品ガスとして取り出し、使用するものである。
【０００３】
このため、例えば酸素ガスを取り出すＰＳＡ式気体分離装置にあっては、▲１▼吸着剤が充填された吸着槽にコンプレッサからの圧縮空気を導入して吸着剤に窒素分子と酸素分子の一部を吸着させる吸着工程と、▲２▼吸着剤により分離生成された酸素を取り出す取出工程と、▲３▼該吸着槽内を大気解放しまたは真空ポンプで減圧して吸着剤を再生する再生工程とを繰り返す。即ち、取出工程では、吸着槽内の酸素を外部に取り出し、一方再生工程では吸着された窒素と若干の酸素を脱着し、次の吸着工程に備えるようになっている。
【０００４】
また、一対の吸着槽を有する装置では、一方の吸着槽で取出工程が完了し、他方の吸着槽で再生工程が完了した後、均圧工程を行う。この▲４▼均圧工程では、両吸着槽間を連通させて取出工程の後の吸着槽に残留するガスを再生工程の吸着槽へ供給して均圧化を図り、より高濃度の製品ガスを連続的に生成するようにしている。
【０００５】
さらに、より高濃度の製品ガスを生成するため、吸着工程において製品タンクに貯溜された製品ガスを吸着槽に還流させて短時間で吸着槽内の製品ガス濃度を高めると共に、吸着槽内の圧力を上昇させるようにしていた（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
この特許文献１では、一対の吸着槽の上部にオリフィスが配設されたパージ管路が接続されている。このパージ管路は、一対の吸着槽の圧力差を利用して高圧側の吸着槽から低圧側の吸着槽に製品ガスを供給するように構成されている。そして、再生工程の終了前に取出工程の吸着槽からの製品ガスを再生工程の吸着槽に供給させると共に、当該再生工程の吸着槽の排気を停止させる。これにより、製品タンクの圧力低下を防止すると共に、取出工程の吸着槽からの製品ガスによって再生工程側の吸着槽をパージすることで吸着剤の再生効率を高めている。
【０００７】
また、上記のものでは、下流側での製品ガスの使用量が減少した場合、製品タンクの圧力が上昇して吸着槽からの製品ガスとの圧力差が小さくなると、吸着槽からの製品ガスを取り出せなくなるため、吸着槽の圧力が昇圧状態に維持されてしまい、圧縮空気を生成するコンプレッサがアンロード運転に切り替わってしまってコンプレッサの運転効率が低下するという問題があった。
【０００８】
このような問題を解消するため、製品タンクの圧力が上昇して吸着槽からの製品ガスとの圧力差が小さくなって、吸着槽からの製品ガスを取り出せなくなった場合、コンプレッサからの圧縮空気を貯留する空気槽の排気弁を開弁させて圧縮空気を大気中に放出してコンプレッサがロード運転を継続するよう構成されたものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平９−３８４４３号公報（第３頁、図１）
【特許文献２】
特開平９−２４２３１号公報（第５頁、図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献２に記載された気体分離装置では、空気槽の圧力が所定値以上になると、空気槽の排気弁を開弁させて圧縮空気を大気中に放出してコンプレッサがロード運転を継続するようにしているが、折角コンプレッサが生成した圧縮空気を何ら利用せずに大気中に排出するため、無駄であるという問題があった。
【００１１】
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。
【００１２】
【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記載の本発明は、吸着剤が充填された吸着槽に圧縮空気を供給し、吸着槽内の吸着剤により分離生成された製品ガスを吸着槽から取り出して製品ガス槽に充填する取出工程と、吸着槽内の残存気体を排出させて吸着槽内の吸着剤を再生する再生工程とを行なうように構成された気体分離装置であって、吸着槽を少なくともニつ設け、一方の吸着槽が取出工程のとき、他方の吸着槽が再生工程となるように構成し、製品ガス槽の圧力が所定値以上に上昇した場合に、取出工程の吸着槽と再生工程の吸着槽とを連通させる開閉弁を設けたものであり、コンプレッサからの圧縮空気が余剰になっても取り出し中の吸着槽から再生中の吸着槽へ製品ガスを供給して排気することで圧縮空気を有効利用すると共に、コンプレッサをロード運転状態に保つことができる。
【００１３】
上記請求項２記載の本発明は、製品ガス槽の圧力を検出する圧力検出手段からの検出信号に基づいて開閉弁を開弁するように制御する制御手段を備えたものであり、製品ガス槽の圧力に応じて取り出し中の吸着槽から再生中の吸着槽へ製品ガスを供給して排気することで圧縮空気を有効利用すると共に、コンプレッサをロード運転状態に保つことができる。
【００１４】
上記請求項３記載の本発明は、開閉弁が製品ガス槽の圧力を背圧として導く、背圧弁であるので、コンプレッサからの圧縮空気が余剰になっても取り出し中の吸着槽から再生中の吸着槽へ製品ガスを供給して排気することで圧縮空気を有効利用すると共に、コンプレッサをロード運転状態に保つことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明の一実施例ついて説明する。尚、本実施例では、気体分離装置を窒素発生装置として使用する場合について説明する。
図１は本発明になる気体分離装置の第１実施例を示すシステム構成図である。
【００１６】
図１に示されるように、気体分離装置１０は、圧縮空気から窒素を製品ガスとして生成するＰＳＡ式の窒素発生装置であり、スタート信号の入来により作動開始する。また、気体分離装置１０の制御装置１２は、後述するコンプレッサ１３及び吸着ユニット１４のバルブＶ１〜Ｖ１２、及びバルブＶ１３〜Ｖ１５を開閉制御する。尚、本実施例のバルブＶ１〜Ｖ１５は、例えば、後述するエア駆動回路２２を介して空気圧が供給されることにより開弁するエアオペレートバルブからなる。
【００１７】
コンプレッサ１３により生成された圧縮空気は、空気槽１６に貯えられ、冷凍式エアドライヤ１７、空気供給管路１８、エアフィルタ１９を介して吸着ユニット１４に供給される。また、空気槽１６には、コンプレッサ１３により蓄圧された圧縮空気の圧力を計測する圧力計２０が設けられている。この圧力計２０は、空気槽１６の圧力を検出し、その検出信号を制御装置１２に出力する。
【００１８】
コンプレッサ１３は、空気槽１６の圧力が上限圧力ＰＡ（アンロード運転開始圧力）以上に上昇した場合にロード運転からアンロード運転に切り替わり、空気槽１６の圧力が下限圧力ＰＢ（ロード運転開始圧力）以下に低下した場合アンロード運転からロード運転に切り替わるように制御される。
【００１９】
また、空気供給管路１８から分岐された空気供給管路２１は、エア駆動回路２２に連通されている。エア駆動回路２２は、バルブＶ１〜Ｖ１５に対応する数の複数のエア供給用電磁弁（図示せず）が並列接続されており、各エア供給用電磁弁は制御装置１２からの制御信号に基づいて開弁または閉弁されてバルブＶ１〜Ｖ１５の開閉動作を制御する。
【００２０】
上記空気槽１６に貯留された圧縮空気は、冷凍式エアドライヤ１７で除湿された後、エアフィルタ１９で塵埃を除去され、その後、空気供給管路１７に連通された給気管路２５，２６を介して吸着ユニット１４の第１，第２の吸着槽２３，２４に供給される。第１，第２の吸着槽２３，２４には、分子ふるいカーボン（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｉｅｖｉｎｇ Ｃａｒｂｏｎ）からなる吸着剤（図示せず）が充填されている。
【００２１】
分子ふるいカーボンとしては、多孔質のゼオライト（Ｚｅｏｌｉｔｅ）などが用いられている。尚、図１においては、吸着剤は、例えば、直径１ｍｍ、高さ２ｍｍの円柱形状に形成された粒子状であるので、図示していない。
【００２２】
第１，第２の吸着槽２３，２４に充填された吸着剤は、吸着槽２３，２４内の圧力上昇により酸素分子を吸着し、減圧されるとその圧力差により酸素分子を脱着する。尚、吸着剤の表面に形成された微細な孔は、酸素分子よりも大きく、窒素分子よりも小さい。そのため、圧縮空気に含まれる窒素分子は、昇圧状態でも、吸着剤に吸着されない。
【００２３】
また、給気管路２５，２６には、排気管路２７，２８が分岐接続されており、排気管路２７，２８の端部には排気音を減少させるサイレンサ２９，３０が設けられている。さらに、吸着槽２３，２４の下端に連通された給気管路２５，２６間には、下均圧管路３２が横架されている。
【００２４】
また、吸着槽２３，２４の上部には取出管路３４，３５が接続されており、両管路３４，３５間には両吸着槽２３，２４を連通するための上均圧管路３６と、第１のパージ管路３８と、第２のパージ管路４０とが横架されている。そして、パージ管路３８，４０には、絞り４２，４３が設けられている。尚、絞り４２，４３の絞り率によって、上均圧管路３６、第１のパージ管路３８、第２のパージ管路４０の各流量Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３がＱ１＞Ｑ３＞Ｑ２となるように設定している。
【００２５】
また、上記取出管路３１，３２は、共通取出管路４４で合流し、取出管路４４を介して窒素槽４６に連通されている。よって、上記吸着槽２３，２４から取り出された窒素ガス（製品ガス）は、窒素槽４６に蓄圧される。窒素槽４６には、窒素ガスの圧力を測定する圧力計４７が設けられている。尚、共通取出管路４４には、窒素槽４６に貯留された窒素ガスが逆流することを防止する逆止弁４８が設けられている。
【００２６】
さらに、上記取出管路３４，３５には、取出用弁としてのバルブＶ１，Ｖ２が配設され、上均圧管路３６には、均圧用弁としてのバルブＶ３，Ｖ４が配設され、第２のパージ管路４０には、パージ用弁としてのバルブＶ５，Ｖ６が配設され、下均圧管路３２には、均圧用弁としてのバルブＶ７，Ｖ８が配設され、排気管路２７，２８には、排気用弁としてのバルブＶ９，Ｖ１０が配設され、給気管路２５，２６には、給気用弁としてのバルブＶ１１，Ｖ１２が配設されている。
【００２７】
これらのバルブＶ１〜Ｖ１５は、制御装置１２が各工程（吸着（昇圧）工程、取出工程、均圧工程、脱着（再生）工程）に応じて生成する制御信号によって開閉制御される。
【００２８】
なお、図１においては、バルブＶ３、Ｖ４を設けたものを示しているが、図示されているような吸着槽が２つのものにあっては、どちらか一方のみ設ければよい。しかし、吸着槽が３つ以上ある場合など、バルブＶ３とバルブＶ４の間に他の吸着槽等の配管を接続することを踏まえ、図１においては、バルブＶ３、Ｖ４を設けている。なお、Ｖ５、Ｖ６及びＶ７、Ｖ８も同様である。
【００２９】
また、窒素槽４６の下部に連通された吐出管路５０は、窒素ガスを使用する下流の各機器（図示せず）に連通されている。そして、吐出管路５０には、フィルタレギュレータ５２、吐出弁としてのバルブＶ１３、流量調整弁５６が配設されている。
【００３０】
また、フィルタレギュレータ５２の下流から分岐されたセンサ管路５８には、バルブＶ１４、流量調整弁６２、製品ガスに含まれる酸素濃度を測定する酸素センサ６４が設けられている。酸素センサ６４は、窒素槽４６から窒素ガスを取り出す際に、バルブＶ１４の開弁により窒素ガス中に含まれる酸素濃度を測定し、その酸素濃度測定結果を制御装置１２に出力する。
【００３１】
また、フィルタレギュレータ５２の下流から分岐された排気管路６６には、バルブＶ１５、流量調整弁７０、排気音を減少させるサイレンサ７２が設けられている。窒素槽４６から取り出された窒素ガスの酸素濃度が規定値以上の場合、製品ガスとしては不良であるので、吐出弁としてのバルブＶ１３を閉弁すると共に、排気管路６６のバルブＶ１５を開弁して窒素槽４６に貯留された製品ガスを大気中に排気する。
【００３２】
気体分離装置１０において、各工程は、以下のように（ａ）〜（ｄ）の各工程が順次行われる。
（ａ）吸着工程：一方の吸着槽２３にコンプレッサ１３により圧縮された圧縮空気を導入して吸着槽２３内を昇圧させ圧力を利用して吸着剤に酸素分子を吸着させる工程である。
（ｂ）取出工程：吸着工程の後半で吸着剤により分離生成された窒素を取り出す工程である。
（ｃ）均圧工程：取出工程終了後の吸着槽２３，２４に残存する窒素濃度の高い残留ガスを吸着工程前の他方の吸着槽２４に供給して吸着槽２３，２４間の圧力を均圧化する工程である。
（ｄ）再生工程：取出工程及び均圧工程終了後の吸着槽２３内を大気解放または真空ポンプで減圧して吸着剤に吸着された酸素分子を脱着することにより吸着剤を再生する工程である。尚、再生工程は、一方の吸着槽２３で吸着、取出工程を行っている間に他方の吸着槽２４で行われる。
【００３３】
この一連の工程（ａ）〜（ｄ）が終了すると、一方の吸着槽２３で再生工程がスタートすると共に、他方の吸着槽２４で吸着工程がスタートする。
【００３４】
従って、吸着ユニット１４では、第１，第２の吸着槽２３，２４の何れかに原料空気としての圧縮空気が供給されて、昇圧、減圧を繰り返しながら原料空気から窒素と酸素とを分離する。尚、本実施例では、一対の吸着槽２３，２４を有するため、第１の吸着槽２３が昇圧されて吸着工程のとき第２の吸着槽２４では減圧されて再生工程が行なわれ、第１の吸着槽２３が再生工程のとき第２の吸着槽２４は吸着工程となる。
【００３５】
そして、制御装置１２は予め入力されたプログラムに基づいて吸着槽２３，２４が交互に窒素ガスを生成するように吸着ユニット１４の各バルブＶ１〜Ｖ１２を開閉制御する。各バルブＶ１〜Ｖ１２の開弁状態を各工程毎に分類すると、以下のようになる。
【００３６】
ここで、上記のように構成された吸着ユニット１４の各工程▲１▼〜▲４▼の動作について図２乃至図４を参照して説明する。尚、図２乃至図４に示すバルブＶ１〜Ｖ１２は、黒塗りマークが閉弁状態を示し、白抜きマークが開弁状態を示している。また、以下の説明では、第１の吸着槽２３が吸着制御モードに設定され、第２の吸着槽２４が再生制御モードに設定された場合について説明する。
【００３７】
図２に示されるように、工程▲１▼の場合、第１の吸着槽２３は吸着工程であり、バルブＶ１１が開弁状態となる。第２の吸着槽２４は再生工程であり、バルブＶ１０が開弁状態となる。このとき、第１の吸着槽２３が昇圧し、第２の吸着槽２４が減圧されて第１の吸着槽２３の圧力Ｐ１が第２の吸着槽２４の圧力Ｐ２よりも大になると（Ｐ１＞Ｐ２）、第１の吸着槽２３の上部から分離生成された窒素ガスが第１のパージ管路３８を介して第２の吸着槽２４へ供給される。
【００３８】
尚、第１のパージ管路３８を介して第２の吸着槽２４へ供給される窒素ガスの流量は、絞り４２の流路面積により小流量Ｑ２に絞られている。
【００３９】
これにより、再生工程の第２の吸着槽２４においては、第１の吸着槽２３の上部から供給された窒素ガスによって第２の吸着槽２４に充填された吸着剤の再生が促進される。すなわち、吸着剤に吸着された酸素分子は、加圧状態で吸着されるため、吸着槽内が減圧されると共に、吸着剤に吸着されない窒素ガスを供給することにより吸着剤からの脱着が促進される。
【００４０】
上記工程▲１▼が終了した後、窒素槽４６の圧力が設定値に達していないときは、図３に示される工程▲２▼が実行され、窒素槽４６の圧力が設定値に達したときは、図４に示される工程▲３▼が実行される。
【００４１】
図３に示されるように、工程▲２▼の場合、第１の吸着槽２３は取出工程であり、バルブＶ１，Ｖ１１が開弁状態となる。第２の吸着槽２４は再生工程のままであり、バルブＶ１０の排気状態が継続される。すなわち、バルブＶ１の開弁により第１の吸着槽２３で生成された窒素ガスが取出管路４４を介して窒素槽４６に取り出される。このとき、第２の吸着槽２４では、小流量Ｑ２による再生工程が継続されている。
【００４２】
図４に示されるように、工程▲３▼の場合、第１の吸着槽２３は取出工程のままであり、バルブＶ１，Ｖ１１の開弁状態が継続される。第２の吸着槽２４は再生工程のままであり、バルブＶ１０の排気状態が継続される。同時に、上部パージ用のバルブＶ５，Ｖ６が開弁状態となる。すなわち、第１の吸着槽２３では、窒素ガスの取り出しが継続され、第２の吸着槽２４では、パージ管路３８，４０を介して第１の吸着槽２３で生成された窒素ガスが供給される。よって、中流量Ｑ２＋Ｑ３による吸着剤の再生（脱着）が促進されると共に、コンプレッサ１３のロード運転が維持される。
【００４３】
尚、図４に示す工程では、バルブＶ１０が排気状態のまま上部パージ用のバルブＶ５，Ｖ６が開弁するため、第１の吸着槽２３で生成された窒素ガスが第２の吸着槽２４の上部に積極的に供給されて第２の吸着槽２４の吸着剤に吸着された酸素分子の脱着速度が上記工程▲２▼よりも加速される。
【００４４】
また、図４に示す工程▲３▼は、窒素槽４６が予め設定された所定圧力（目標圧力）以上に達している場合に行われる工程である。従って、窒素槽４６が所定圧力以下である場合、上記工程▲１▼▲２▼▲４▼の順に実行され、工程▲３▼が省略される。
【００４５】
図５に示されるように、工程▲４▼の場合、吸着槽２３，２４は均圧工程であり、上部パージ用のバルブＶ３，Ｖ４，Ｖ５，Ｖ６が開弁状態となる。同時に、下部パージ用のバルブＶ７，Ｖ８も開弁状態が継続される。すなわち、第１の吸着槽２３の取出工程が終了すると共に、第１の吸着槽２３で生成された窒素ガスが上均圧管路３６及びパージ管路３８，４０を介して第２の吸着槽２４の上部に供給され、さらに下均圧管路３２を介して第２の吸着槽２４の下部に供給される。
【００４６】
これにより、第２の吸着槽２４の上部には、上均圧管路３６及びパージ管路３８，４０を介して大流量Ｑ１＋Ｑ２＋Ｑ３による吸着剤の再生が促進される。同時に第２の吸着槽２４の下部では、下均圧管路３２を介して供給された流量Ｑ４による吸着剤の再生（脱着）が促進される。
【００４７】
このように、均圧工程では、第２の吸着槽２４の上部に大流量の窒素ガスが供給されると共に、第２の吸着槽２４の下部にも窒素ガスが供給されるため、第２の吸着槽２４の吸着剤が短時間で昇圧されて均圧化される。
【００４８】
ここで、図６に示すフローチャートを参照して制御装置１２が実行する制御処理について説明する。
【００４９】
制御装置１２は、図６のステップＳ１１（以下「ステップ」を省略する）において、電源スイッチ（図示せず）がオンに操作されると、Ｓ１２に進み、コンプレッサ１３を起動させて圧縮空気の生成を開始させる。続いて、Ｓ１３では、冷凍式エアドライヤ１７を起動させて圧縮空気の除湿を開始させる。
【００５０】
次のＳ１４では、圧力計２０により測定された空気槽１６の圧力を読み取り、空気槽１６の圧力が予め設定された設定値（アンロード運転開始圧力）に達したかどうかをチェックする。Ｓ１４において、圧力計２０により測定された空気槽１６の圧力が設定値に達していないときは、Ｓ１５に進み、窒素槽４６の圧力を圧力計４７から読み取り、窒素槽４６の圧力が予め設定された設定値に達したかどうかをチェックする。
【００５１】
Ｓ１５において、圧力計４７により測定された窒素槽４６の圧力が設定値に達していないときは、Ｓ１６に進み、上記工程▲１▼（図２を参照）を行う。上記工程▲１▼が終了すると、次のＳ１７に進み、上記工程▲２▼（図３を参照）を行う。上記工程▲２▼が終了すると、次のＳ１８に進み、上記工程▲４▼（図５を参照）を行う。
【００５２】
上記工程▲４▼が終了すると、次のＳ１９に進み、吸着槽２３，２４に対する吸着制御モードと再生制御モードとを反転させる。続いて、Ｓ２０に進み、電源スイッチ（図示せず）がオフかどうかをチェックする。Ｓ２０において、電源スイッチ（図示せず）がオフでないときは、上記Ｓ１５に戻り、Ｓ１５以降の処理を繰り返す。
【００５３】
また、Ｓ２０において、電源スイッチ（図示せず）がオフであるときは、Ｓ２１に進み、コンプレッサ１３を停止させる。続いて、Ｓ２１では、冷凍式エアドライヤ１７を停止させる。
【００５４】
また、上記Ｓ１５において、圧力計４７により測定された窒素槽４６の圧力が設定値に達したときは、Ｓ２３に進み、上記工程▲１▼（図２を参照）を行う。上記工程▲１▼が終了すると、次のＳ２４に進み、上記工程▲３▼（図４を参照）を行う。上記工程▲３▼が終了すると、次のＳ２５に進み、上記工程▲４▼（図５を参照）を行う。
【００５５】
上記工程▲４▼が終了すると、次のＳ２６に進み、吸着槽２３，２４に対する吸着制御モードと再生制御モードとを反転させる。続いて、Ｓ２０に進み、電源スイッチ（図示せず）がオフかどうかをチェックする。Ｓ２０において、電源スイッチ（図示せず）がオフでないときは、上記Ｓ１５に戻り、Ｓ１５以降の処理を繰り返す。
【００５６】
このように、制御装置１２は、窒素槽４６の圧力が設定値に達していない場合には、上記工程▲１▼▲２▼▲４▼を実行し、窒素槽４６の圧力が設定値に達している場合には、上記工程▲１▼▲３▼▲４▼を実行するように制御プログラムを切り替える。
【００５７】
図７は吸着槽２３，２４及び空気槽１６、窒素槽４６の圧力変化を示すグラフである。
【００５８】
図７において、グラフＩは一方の吸着槽２３の圧力変化、グラフＩＩは他方の吸着槽２４の圧力変化、グラフＩＩＩは空気槽１６の圧力変化、グラフＩＶは窒素槽４６の圧力変化、グラフＶは窒素槽４６の圧力上昇に伴う吸着槽の圧力変化を示す。
【００５９】
窒素槽４６の圧力が所定値以下の場合には、上記工程▲１▼▲２▼により窒素ガスが取り出されるため、吸着槽２３の圧力及び空気槽１６及び窒素槽４６の圧力は、グラフＩ，ＩＩＩ，ＩＶに示すように設定値（アンロード運転開始圧力）以下に推移する。これにより、コンプレッサ１３は、ロード運転状態に維持する。
【００６０】
しかしながら、窒素槽４６の下流での窒素使用量が減少し、窒素槽４６の圧力が所定の設定値以上に上昇すると、例えば、吸着槽２３で生成された窒素ガスが取り出せなくなるため、吸着槽２３の圧力がグラフＶに示すように設定値（アンロード運転開始圧力）まで上昇し、コンプレッサ１３がアンロード運転に切り替わることで、圧力が降下することになる。
【００６１】
この場合、上記工程▲１▼▲３▼により、一方の吸着槽２３で生成された窒素ガスが他方の吸着槽２４へ供給され、吸着槽２４内をパージするため、吸着槽２３の圧力は、グラフＩに示すように設定値（アンロード運転開始圧力）以下に推移する。
【００６２】
そのため、窒素槽４６の下流での窒素使用量が減少し、窒素槽４６の圧力が所定の設定値以上に上昇した場合でも一方の吸着槽２３で生成された窒素ガスが他方の吸着槽２４へ供給されることで、余分になった窒素ガスをパージ用ガスとして有効に利用することが可能になり、その分無駄を減らすことが可能になる。
【００６３】
その余分になった窒素ガスは、グラフＩとＶとの差圧ΔＰがパージ用ガスとして他方の吸着槽２４へ供給される。これにより、一方の吸着槽２３の圧力は、窒素槽４６の圧力が所定の設定値以下の場合と同様に、グラフＩに示すように設定値（アンロード運転開始圧力）以下に推移する。これにより、コンプレッサ１３は、ロード運転状態に維持する。
【００６４】
また、他方の吸着槽２４では、グラフＩＩで示されるように、上記工程▲３▼でバルブＶ５，Ｖ６が開弁状態となると、徐々に圧力が上昇しており、工程▲４▼に切り替わる段階で均圧の約１／３の圧力に上昇しているため、均圧工程に要する時間を短縮することが可能になる。
【００６５】
ここで、図８を参照して第２実施例について説明する。尚、図８において、上記第１実施例と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
図８に示されるように、第２実施例の気体分離装置８０は、取出管路４４と吸着槽２３，２４の上部に連通された還流管路８２，８４との間を連通する連通管路８５が設けられており、連通管路８５には背圧弁８６が設けられている。
【００６６】
この背圧弁８６は、窒素槽４６の上流から分岐された圧力導入管路８７が連通されており、圧力導入管路８７を介して導入された窒素槽４６からの圧力に基づいて開弁する。すなわち、背圧弁８６は、通常、閉弁されているノーマルクローズタイプの弁であり、窒素槽４６の圧力が所定の設定値以上になると、開弁するように構成されている。
【００６７】
また、還流管路８２，８４には、吸着槽２３，２４のガスが背圧弁８６へ流れることを防止する逆止弁８８，９０が設けられている。
【００６８】
尚、気体分離装置８０は、上記第２のパージ管路４０、パージ用弁としてのバルブＶ５，Ｖ６、絞り４３が設けられていない。
【００６９】
ここで、窒素槽４６の圧力が所定の設定値以上に上昇した場合について説明する。気体分離装置８０において、窒素槽４６の圧力が所定の設定値以上に上昇した場合、吸着工程の吸着槽２３及び取出管路４４の圧力も設定値以上に上昇するため、背圧弁８６が開弁する。そして、吸着槽２３から取り出された窒素ガスは、設定値以上の圧力で再生工程の吸着槽２４へ連通する還流管路８４の逆止弁９０を開弁して吸着槽２４の上部へ供給される。
【００７０】
これにより、第１の吸着槽２３で生成された窒素ガスが第２の吸着槽２４の上部に積極的に供給されるため、第２の吸着槽２４の吸着剤に吸着された酸素分子の脱着速度が加速され、吸着剤の再生が促進される。このように、第２実施例では、窒素槽４６の圧力が所定の設定値以上に上昇すると、背圧弁８６が自動的に開弁する構成のため、制御装置１２の制御がなくても再生工程の吸着槽へ余分な窒素ガスを供給してパージすることが可能になる。
【００７１】
ここで、図９を参照して第３実施例について説明する。尚、図９において、上記第２実施例と同一部分には、同一符号を付してその説明を省略する。
図９に示されるように、第３実施例の気体分離装置９０は、前述した気体分離装置８０の絞り４３の代わりに流量調整弁９２を設けたものである。吸着槽２３，２４との間を連通するパージ管路３８に設けられた流量調整弁９２は、吸着槽２３，２４との間の圧力差によって何れかに供給される窒素ガスの供給流量を調整する。
【００７２】
流量調整弁９２の弁開度は、吸着槽２３，２４の容量あるいは吸着工程、再生工程の所要時間に応じて調整される。このように、流量調整弁９２の弁開度を変更することにより、パージ管路３８を介して吸着槽２３，２４の間を流通する窒素ガスの流量を任意の値に調整できるので、当該システムに適した流量で吸着槽をパージすることが可能になる。
【００７３】
尚、上記各実施例では、一対の吸着槽２３，２４が設けられているが、２個以上の吸着槽を有する装置にも適用できるのは勿論である。
【００７４】
また、上記実施例では、各吸着剤が酸素分子を吸着する構成であるが、各吸着槽が他の気体分子を吸着する構成（例えば酸素発生装置等）にも適用できるのは勿論である。
【００７５】
また、上記実施例においては、第１のパージ管路３８を設けた例を示したが、パージを行なわないタイプのものにあっては、第１のパージ管路３８は、不要である。また、パージを行なうタイプのものにあっても、バルブＶ５、Ｖ６が閉弁時であっても、常時バルブの前後を小さな流路面積で連通するタイプの開閉弁とすることにより、第１のパージ管路３８を廃止できる。
【００７６】
また、バルブＶ１、Ｖ２で、Ｖ３〜Ｖ６を兼用してもよい。この場合、バルブＶ１、Ｖ２を流量制御タイプの弁にし、パージ、均圧等の各工程に合わせた開度に調整するようにしても良い。
【００７７】
さらに、バルブＶ５を窒素槽４６の圧力を背圧とする背圧弁としても良い。
【００７８】
【発明の効果】
上述の如く、請求項１記載の発明によれば、吸着剤が充填された吸着槽に圧縮空気を供給し、吸着槽内の吸着剤により分離生成された製品ガスを吸着槽から取り出して製品ガス槽に充填する取出工程と、吸着槽内の残存気体を排出させて吸着槽内の吸着剤を再生する再生工程とを行なうように構成された気体分離装置であって、吸着槽を少なくともニつ設け、一方の吸着槽が取出工程のとき、他方の吸着槽が再生工程となるように構成し、製品ガス槽の圧力が所定値以上に上昇した場合に、取出工程の吸着槽と再生工程の吸着槽とを連通させる開閉弁を設けたため、コンプレッサからの圧縮空気が余剰になっても取り出し中の吸着槽から再生中の吸着槽へ製品ガスを供給して排気することで圧縮空気を有効利用すると共に、コンプレッサをロード運転状態に保つことができる。
【００７９】
上記請求項２記載の本発明によれば、製品ガス槽の圧力を検出する圧力検出手段からの検出信号に基づいて開閉弁を開弁するように制御する制御手段を備えたため、製品ガス槽の圧力に応じて取り出し中の吸着槽から再生中の吸着槽へ製品ガスを供給して排気することで圧縮空気を有効利用すると共に、コンプレッサをロード運転状態に保つことができる。
【００８０】
上記請求項３記載の本発明によれば、開閉弁が製品ガス槽の圧力を背圧として導く、背圧弁であるため、コンプレッサからの圧縮空気が余剰になっても取り出し中の吸着槽から再生中の吸着槽へ製品ガスを供給して排気することで圧縮空気を有効利用すると共に、コンプレッサをロード運転状態に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる気体分離装置の第１実施例のシステム構成図である。
【図２】吸着ユニット１４の工程▲１▼の動作を示すシステム構成図である。
【図３】吸着ユニット１４の工程▲２▼の動作を示すシステム構成図である。
【図４】吸着ユニット１４の工程▲３▼の動作を示すシステム構成図である。
【図５】吸着ユニット１４の工程▲４▼の動作を示すシステム構成図である。
【図６】制御装置が実行する窒素ガス生成処理のフローチャートである。
【図７】吸着槽２３，２４及び空気槽１６、窒素槽４６の圧力変化を示すグラフである。
【図８】気体分離装置の第２実施例のシステム構成図である。
【図９】気体分離装置の第３実施例のシステム構成図である。
【符号の説明】
１０，８０，９０ 気体分離装置
１２ 制御装置
１３ コンプレッサ
１４ 吸着ユニット
１６ 空気槽
１７ 冷凍式エアドライヤ
２０，４７ 圧力計
２２ エア駆動回路
２３ 第１の吸着槽
２４ 第２の吸着槽
２５，２６ 給気管路
２７，２８ 排気管路
３２ 下均圧管路
３４，３５ 取出管路
３６ 上均圧管路
３８ 第１のパージ管路
４０ 第２のパージ管路
４２，４３ 絞り
４４ 共通取出管路
４６ 窒素槽
５０ 吐出管路
５６ 流量調整弁
６４ 酸素センサ
６６ 排気管路
８２，８４ 還流管路
８５ 連通管路
８６ 背圧弁
８８，９０ 逆止弁
９２ 流量調整弁
Claims (3)
- 吸着剤が充填された吸着槽に圧縮空気を供給し、該吸着槽内の吸着剤により分離生成された製品ガスを該吸着槽から取り出して製品ガス槽に充填する取出工程と、該吸着槽内の残存気体を排出させて該吸着槽内の吸着剤を再生する再生工程とを行なうように構成された気体分離装置であって、
前記吸着槽を少なくともニつ設け、一方の吸着槽が取出工程のとき、他方の吸着槽が再生工程となるように構成し、前記製品ガス槽の圧力が所定値以上に上昇した場合に、前記取出工程の吸着槽と再生工程の吸着槽とを連通させる開閉弁を設けたことを特徴とする気体分離装置。 - 前記製品ガス槽の圧力を検出する圧力検出手段からの検出信号に基づいて前記開閉弁を開弁するように制御する制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の気体分離装置。
- 前記開閉弁は、前記製品ガス槽の圧力を背圧として導く、背圧弁であることを特徴とする請求項１記載の気体分離装置。
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2002
- 2002-10-31 JP JP2002318534A patent/JP2004148258A/ja active Pending
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