JP2005034841A - ガス分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着剤に吸着されたガス及び吸着剤に吸着されなかったガスを同時に排出させる真空ポンプを備えることで、ガス分離装置の構成をコンパクト化し、製作コストを低減し得るガス分離装置を提供する。
【解決手段】本発明ガス分離装置は、特定ガスを吸着する吸着剤をそれぞれ含んでいる少なくとも二つの吸着ベッド１１、１２と、吸着ベッド１１、１２と外気をそれぞれ連結する流路１、２上に設置された少なくとも二つの三方向弁２１、２２と、吸着ベッド１１、１２の一方端及び三方向弁２１、２２にそれぞれ連結されて、吸着剤に吸着されたガス及び吸着剤に吸着されなかったガスをそれぞれ排出させるポンプ３０とを含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス分離装置(gas separation apparatus)に関するもので、詳しくは、真空スイング吸着(vacuum swing adsorption；ＶＳＡ)方式のガス分離装置に関するものである。

一般に、ガス分離装置は、大気中の主成分ガスである窒素と酸素を相互に分離するものであり、家庭用または産業用として使用されている。

即ち、ガス分離装置は、酸素発生器と窒素発生器の双方の役割を担っている。酸素発生器の用途としては、個人用、家庭用、自動車用、応急救助用、産業用などに多様に使用されている。最近、家庭用浄水器に適用して飲用水中の溶存酸素量を増加させる用途にも使用されている。また、窒素発生器の用途としては、産業用高純度窒素発生用として使用され、食品保存時に長期保管のための保存雰囲気調節にも使用されている。このようなガス分離装置は、大気を吸入して特定ガスを吸着する性質を有する吸着剤(adsorbent)または富化膜(enrichment membrane)を通過させることで、特定ガスを分離する。

このように、大気を吸入して吸着剤または富化膜に伝達する方法としては、圧力を加えてガスの流れを発生させる圧力スイング吸着（pressure swing adsorption；ＰＳＡ）方式、及び流路内の圧力を下げて大気圧との圧力差を利用して大気の流れを発生させる真空スイング吸着（vacuum swing adsorption；ＶＳＡ）方式が用いられている。

図７に示したように、従来のＶＳＡ方式のガス分離装置は、特定ガスを吸着する吸着剤を含む第１、第２吸着ベッド１１１、１１２と、それらの第１、第２吸着ベッド１１１、１１２の内部に真空を形成させるための真空ポンプ１１３と、第１、第２吸着ベッド１１１、１１２で吸着剤により分離された分離ガスを排出する排出ポンプ１１４と、第１、第２吸着ベッド１１１、１１２の内部に流入される外部ガスをフィルタリングするフィルタ１１５とを備え、さらに第１、第２吸着ベッド１１１、１１２、真空ポンプ１１３、フィルタ１１５をそれぞれ連結する流路上に設置され、第１、第２吸着ベッド１１１、１１２を真空ポンプ１１３に連通させるか、またはフィルタ１１５、即ち、大気に連通させるかを選択するために設けられた第１、第２三方向弁１２１、１２２とを備えている。

以下、このように構成された従来のＶＳＡ方式のガス分離装置の動作を説明する。
まず、第１吸着ベッド１１１でガスが分離されて排出される過程について説明する。

第１三方向弁１２１の動作により、第１吸着ベッド１１１と真空ポンプ１１３とが互いに連通させられ、真空ポンプ１１３の動作により、第１吸着ベッド１１１の内部が減圧されて真空が形成される。そして、第１三方向弁１２１の動作により、第１吸着ベッド１１１とフィルタ１１５(即ち、ガス分離装置の外部)とが相互に連結されると、第１吸着ベッド１１１の内部とガス分離装置の外部との圧力差により、フィルタ１１５を通過したガスが第１吸着ベッド１１１の内部に流入する。次いで、第１吸着ベッド１１１の内部に流入したガスの所定成分のガスが吸着剤に吸着され、吸着剤に吸着されないガスは、排出ポンプ１１４の動作によりガス分離装置の外部に排出される。

そして、第１三方向弁１２１の動作により、第１吸着ベッド１１１と真空ポンプ１１３とが互いに連通すると、真空ポンプ１１３の吸入力により、第１吸着ベッド１１１で吸着剤に吸着されたガスが吸着剤から離脱させられ、吸着剤から離脱したガスが、真空ポンプ１１３を通過してガス分離装置の外部に排出されるとともに、第１吸着ベッド１１１の内部には真空状態が再び形成される。

一方、第２吸着ベッド１１２でガスを分離する動作は、第１吸着ベッド１１１でガスを分離する動作と同様である。ここで、第１、第２三方向弁１２１、１２２の動作周期を交互に設定することで、真空ポンプ１１３と排出ポンプ１１４からの分離ガスの排出を連続的に行うことができる。即ち、第１三方向弁１２１により、真空ポンプ１１３と第１吸着ベッド１１１とが互いに連通する場合は、第２三方向弁１２２により、フィルタ１１５と第２吸着ベッド１１２とが互いに連通し、第１三方向弁１２１により、フィルタ１１５と第１吸着ベッド１１１とが互いに連通する場合は、第２三方向弁１２２により、真空ポンプ１１３と第２吸着ベッド１１２とが互いに連通する。

この動作が繰り返して行われ、第１、第２吸着ベッド１１１、１１２で吸着剤に吸着されなかったガスは排出ポンプ１１４を通して排出され、吸着剤に吸着されたガスは真空ポンプ１１３を通して排出される。よって、吸着剤が窒素を吸着する性質を有する場合、ガス分離装置に吸入される大気中の酸素は排出ポンプ１１４を通して排出され、窒素は真空ポンプ１１３を通して排出される。

しかしながら、このような従来のＶＳＡ方式のガス分離装置においては、吸着剤に吸着されたガスを排出する真空ポンプ１１３と、吸着剤に吸着されないガスを排出する排出ポンプ１１４との２台のポンプを備える必要があるため、ガス分離装置の製造原価が上昇し、２台のポンプを設置することによってガス分離装置の構成が複雑であるという問題があった。

本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、吸着剤に吸着されたガスと吸着剤に吸着されなかったガスを同時に排出する真空ポンプを備えることで、ガス分離装置の構成をコンパクト化し、製作原価を低減し得るガス分離装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、本発明に係るガス分離装置は、特定ガスを吸着する吸着剤をそれぞれ含む少なくとも二つの吸着ベッドと、それらの吸着ベッドと外気をそれぞれ連結する流路上に設置された少なくとも二つの三方向弁と、吸着ベッドの一方端と三方向弁にそれぞれ連結されて、吸着剤に吸着されたガスと吸着剤に吸着されなかったガスをそれぞれ排出するポンプとを含むことを特徴とする。

本発明に係るガス分離装置においては、吸着剤に吸着されたガスと吸着剤に吸着されなかったガスを排出するために単一の真空ポンプを備えれば良いので、構造が簡単で設置空間が減少するという効果がある。

また、真空ポンプには、それぞれ吸入ポートと排出ポートを有する二つの排出ユニットが備えられるため、ガス分離効率を向上し得るという効果がある。

また、排出ユニットの吸入圧力を互いに異なるように調節することができるため、ガス分離装置の性能を最適化し得るという効果がある。

以下、本発明の最良の実施形態について図面に基づいて説明する。
図１に示したように、本発明に係るガス分離装置は、内部に特定ガスを吸着する吸着剤をそれぞれ含む第１、第２吸着ベッド１１、１２は外部と第１、第２流路１、２を介してそれぞれ並列に連結されている。第１、第２流路１、２と外部との間には、従来同様、吸入される外部ガスに含まれている異物などをフィルタリングするフィルタ１５が配置されている。また、第１、第２流路１、２とフィルタ１５との間にはそれぞれ第１、第２三方向弁２１、２２が配置されている。さらに、本実施形態は、第１、第２吸着ベッド１１、１２に連結されている第３流路３に連結されるとともに、第１、第２三方向弁２１、２２に共通に連結されている第４流路４に連結され、吸着剤に吸着されたガスと吸着剤に吸着されなかったガスを同時に排出する真空ポンプ３０とを備えている。

さらに、第１、第２吸着ベッド１１、１２の第３流路３に連結される箇所には、逆止弁２３、２４がそれぞれのベッドと第３流路との間に設置されている。それらの逆止弁２３、２４は、第１、第２吸着ベッド１１、１２で吸着剤に吸着されなかったガスが第３流路３に流入される一方、逆に第３流路３内のガスが第１、第２吸着ベッド１１、１２に逆流することを防止している。

ここで、上述の実施形態においては、二つの吸着ベッドが設置されたガス分離装置について説明したが、吸着ベッドは一つ以上設置すれば良く、二つ以上設置する場合でも、並列に配置することが好ましい。

また、図２に示したように、本実施形態に係る真空ポンプ３０は、第３流路３に連結され、第１、第２吸着ベッド１１、１２で吸着剤に吸着されなかったガスを排出する第１排出ユニット４０と、第４流路４に連結され、第１、第２吸着ベッド１１、１２の内部を減圧して真空状態にするとともに、それらの第１、第２吸着ベッド１１、１２で吸着剤に吸着されたガスを吸着剤から離脱させて排出させる第２排出ユニット５０とを備え、さらに第１排出ユニット４０と第２排出ユニット５０を同時に動作させる駆動モータ６０をも含んでいる。

第１排出ユニット４０は、所定容積を有するシリンダ４１と、そのシリンダ４１の内部に配設されて駆動モータ６０に連結機構７０を介して連結されて、シリンダ４１の内部で往復運動を行ってシリンダ４１内部の容積を変化させるピストン４２を備えている。このシリンダ４１の一方側に吸入ポート４３と排出ポート４４とが並んで設けられている。吸入ポート４３には第３流路３が連結され、その第３流路３を通して流入されるガスをシリンダ４１の内部に導き、排出ポート４４から排出するように構成されている。そのため、シリンダ４１と吸入ポート４３、排出ポート４４との間に、ピストン４２の動作によってガスを吸入ポート４３からシリンダ内に吸い込み、かつ排出ポート４４から排出させるように、ガスの流入と排出を制御するバルブアセンブリ４５が設けられている。

バルブアセンブリ４５は、シリンダ４１の一方端に設置されており、吸入ポート４３と連通する吸入孔４５ｂと、排出ポート４４と連通する排出孔４５ｃとが穿孔形成されたバルブプレート４５ａを備え、かつ、そのバルブプレート４５ａに吸入孔４５ｂ及び排出孔４５ｃを開閉自在に覆うように設置された弾性の開閉部材４５ｄ、４５ｅを含んでいる。開閉部材４５ｄと４５ｅはプレートの反対側にそれぞれ取り付けられている。

また、第２排出ユニット５０は第１排出ユニットとほぼ同一に形成されており、所定容積を有するシリンダ５１と、シリンダ５１の内部に配設されて駆動モータ６０に連結機構７０を介して連結され、シリンダ５１の内部で往復運動を行ってシリンダ５１内部の容積を変化させるピストン５２と、シリンダ５１の一方側に第４流路４と連通するように設置され、第４流路４を通して流入されるガスがシリンダ５１の内部に流入される吸入ポート５３と、シリンダ５１内部のガスが排出される排出ポート５４と、シリンダ５１、吸入ポート５３及び排出ポート５４間に設置され、ガスの流入と排出を調節するバルブアセンブリ５５とを含んでいる。

同様に、バルブアセンブリ５５は、シリンダ５１の一方端に設置され、吸入ポート５３と連通する吸入孔５５ｂ及び排出ポート５４と連通する排出孔５５ｃがそれぞれ穿孔形成されたバルブプレート５５ａと、バルブプレート５５ａに吸入孔５５ｂ及び排出孔５５ｃをそれぞれ開閉自在に覆うように設置された弾性の開閉部材５５ｄ、５５ｅとを含んでいる。

また、ピストン４２と５２をモータ６０に連結している双方の連結機構７０、７０は、駆動モータ６０の両方端から延長される回転軸７１、７１と、回転軸７１、７１に連結されて一端側を中心にして回転させられるクランクアーム７２、７２と、クランクアーム７２、７２の回転中心から偏心して連結されたクランクシャフト７３、７３と、クランクシャフト７３、７３及びピストン４２、５２に連結されたコネクティングロッド７４、７４とから構成されている。このような連結機構７０、７０は、駆動モータ６０の回転軸７１、７１の回転運動をピストン４２、５２の直線往復運動に変換する役割を果たしている。

これらの構成になる第１、第２排出ユニット４０、５０の動作を図３及び図４に基づいて説明する。排出ユニットは、各ピストン４２、５２の直線往復運動により各シリンダ４１、５２内部の容積が変化し、ガスが吸入ポート４３、５３を通してシリンダ４１、５１の内に吸入され、排出ポート４４、５４を通して排出される。このとき、各開閉部材４５ｄ、４５ｅ、５５ｄ、５５ｅは、シリンダ４１、５１内部の圧力によって弾性的に変形しながら、吸入孔４５ｂ、５５ｂ及び排出孔４５ｃ、５５ｃを開放または閉鎖させる。

本実施形態においては、第１、第２排出ユニット４０、５０のピストン４２、５２の往復運動は、互いに同方向に行っているが、異なる方向に行うこともできる。また、各ピストン４２、５２の往復運動は、互いに同期することなく別に進行しても良い。

第１排出ユニット４０は、第１、第２吸着ベッド１１、１２で吸着剤に吸着されなかったガスを排出させ、第２排出ユニット５０は、第１、第２吸着ベッド１１、１２の内部を減圧して真空を形成するとともに、それらの第１、第２吸着ベッド１１、１２で吸着剤に吸着されたガスを吸着剤から離脱させて排出させる。したがって、第１排出ユニット４０の吸入圧力としては、第１、第２吸着ベッド１１、１２で吸着剤に吸着されたガスがその吸着剤から離脱しない程度の圧力が要求され、第２排出ユニット５０の吸入圧力としては、第１、第２吸着ベッド１１、１２で吸着剤に吸着されたガスが吸着剤から十分に離脱する程度の圧力が要求される。従って、第２排出ユニット５０の吸入圧力は、第１排出ユニット４０の吸入圧力よりも大きく設定することが好ましい。

このように、第２排出ユニット５０の吸入圧力を第１排出ユニット４０の吸入圧力よりも大きくする方法は多様であるが、連結機構７０のクランクアーム７２またはコネクティングロッド７４を調節することで、第２排出ユニット５０のピストン５２のストローク（行程距離）を第１排出ユニット４０のピストン４２のストローク（行程距離）よりも長くするか、または第２排出ユニット５０のシリンダ５１の容積を第１排出ユニット４０のシリンダ４１の容積よりも大きくするようにしてもよい。

以下、本発明に係るガス分離装置の動作について、図５及び図６に基づいて説明する。

図５に示したように、第１三方向弁２１の動作により、第１吸着ベッド１１と真空ポンプ３０とを連通させて駆動モータ６０を駆動させると、第２排出ユニット５０の動作により、第１吸着ベッド１１で吸着剤に吸着されたガスが吸着剤から離脱させられて、第１及び第４流路１、４と、第２排出ユニット５０の吸入ポート５３を通してシリンダ５１の内部に吸入され、第１吸着ベッド１１の内部には真空が形成される。そして、第２排出ユニット５０のシリンダ５１内部のガスは、排出ポート５４を通して吸着剤に吸着する性質のガスを、それを必要とする箇所に排出させる。このとき、第１吸着ベッド１１が第３流路３に連結されている箇所に設置された逆止弁２３により、第３流路３内のガスが第１吸着ベッド１１に逆流することを防いでいる。

これと同時に、第２三方向弁２２を動作させて、第２吸着ベッド１２とフィルタ１５（即ち、ガス分離装置の外部）とを互いに連通させると、外部のガスが第２流路２を通して第２吸着ベッド１２の内部に流入する。そして、駆動モータ６０の駆動により、第１排出ユニット４０も動作するので、第２吸着ベッド１２で吸着剤に吸着されなかったガスが第３流路３及び第１排出ユニット４０の吸入ポート４３を通してシリンダ４１の内部に吸入され、排出ポート４４を通して吸着剤に吸着されない性質のガスを、それを必要とする箇所に排出させる。

また、図６に示したように、第１三方向弁２１の動作させて、第１吸着ベッド１１とフィルタ１５（即ち、ガス分離装置の外部）とを互いに連通させると、外部のガスは第１流路１を通して第１吸着ベッド１１の内部に流入する。そして、駆動モータ６０の駆動により、第１排出ユニット４０が動作すると、第１吸着ベッド１１で吸着剤に吸着されなかったガスが第３流路３及び第１排出ユニット４０の吸入ポート４３を通してシリンダ４１の内部に吸入され、排出ポート４４を通して吸着剤に吸着されない性質のガスを、それを必要とする箇所に排出させる。

これと同時に、第２三方向弁２２の動作させて、第２吸着ベッド１２と真空ポンプ３０とを連通させると、駆動モータ６０の駆動による第２排出ユニット５０の動作で、第２吸着ベッド１２で吸着剤に吸着されたガスが吸着剤から離脱させられ、第２、第４流路２、４、及び第２排出ユニット５０の吸入ポート５３を通してシリンダ５１の内部に吸入され、第２吸着ベッド１２の内部に真空が形成される。そして、第２排出ユニット５０のシリンダ５１内部のガスは、排出ポート５４を通して吸着剤に吸着する性質のガスを、それを必要とする箇所に排出する。このとき、第２吸着ベッド１２の第３流路３に連結される部位に設置された逆止弁２４により、第３流路３内のガスが第２吸着ベッド１２に逆流するのが防止される。

この第１、第２三方向弁２１、２２の動作周期を交互に設定することで、吸着剤に吸着する性質のガス及び吸着剤に吸着されない性質のガスの排出を真空ポンプ３０により連続的に行うことができる。

このように動作が繰り返して行われ、第１、第２吸着ベッド１１、１２で吸着剤に吸着されなかったガスは、真空ポンプ３０の第１排出ユニット４０を通して排出され、吸着剤に吸着されたガスは、真空ポンプ３０の第２排出ユニット５０を通して排出される。よって、吸着剤が窒素を吸着する性質を有する場合、ガス分離装置に吸入される大気中の酸素は、第１排出ユニット４０を通して排出され、窒素は第２排出ユニット５０を通して排出される。且つ、吸着剤に吸着するガスの吸着率は、吸着剤の種類や吸着ベッドの大きさ、ポンプの容量によって異なり、排出される分離ガスの濃度が異なってくる。

本発明に係るガス分離装置を示したブロック図である。 図１の真空ポンプの構造を示した縦断面図である。 図２の真空ポンプの吸入動作説明図である。 図２の真空ポンプの排出動作説明図である。 本発明に係るガス分離装置の作動状態図である。 本発明に係るガス分離装置の作動状態図である。 従来のガス分離装置を示したブロック図である。

符号の説明

１１ 第１吸着ベッド、１２ 第２吸着ベッド、１５ フィルタ、２１ 第１三方向弁、２２ 第２三方向弁、３０ 真空ポンプ、４０ 第１排出ユニット、５０ 第２排出ユニット、４１、５１ シリンダ、４２、５２ ピストン、４３、５３ 吸入ポート、４４、５４ 排出ポート、４５、５５ バルブアセンブリ、６０ 駆動モータ、７０ 連結機構、７１ 回転軸

Claims (10)

1. 特定ガスを吸着する吸着剤をそれぞれ含む少なくとも二つの吸着ベッドと、
   その吸着ベッドと外気をそれぞれ連結する流路上に設置された少なくとも二つの三方向弁と、
   前記吸着ベッドの一方端及び前記三方向弁にそれぞれ連結されて、前記吸着剤に吸着されたガスと前記吸着剤に吸着されないガスとをそれぞれ排出するポンプと
   を含むことを特徴とするガス分離装置。
2. 前記ポンプは、
   前記吸着ベッドの一方端に連結され、吸着ベッドで吸着剤に吸着されないガスを排出する第１排出ユニットと、
   前記三方向弁に連結され、前記吸着ベッドで吸着剤に吸着されたガスを吸着剤から離脱させて排出するとともに、前記吸着ベッドの内部を減圧する第２排出ユニットと、
   前記第１、第２排出ユニットを同時に動作させる駆動モータと
   を含むことを特徴とする請求項１記載のガス分離装置。
3. 前記第１、第２排出ユニットは、
   それぞれ内部に所定容積を有するシリンダと、
   そのシリンダの内部に配設されて前記駆動モータに連結機構を介して連結され、往復運動を行って前記シリンダ内部の容積を変化させるピストンと、
   前記シリンダの一方側に設置されてガスが流入される吸入ポートと、
   前記シリンダの一方側に設置されてガスが排出される排出ポートと、
   前記シリンダと、前記吸入ポート、前記排出ポートの間に設置され、ガスの流入と排出を制御するバルブアセンブリと
   を含むことを特徴とする請求項２記載のガス分離装置。
4. 前記バルブアセンブリは、
   前記吸入ポートと連通する吸入孔及び前記排出ポートと連通する排出孔がそれぞれ穿孔形成されたバルブプレートと、
   そのバルブプレートに前記吸入孔及び前記排出孔をそれぞれ開閉自在に覆うように設置された弾性の開閉部材と
   を含むことを特徴とする請求項３記載のガス分離装置。
5. 前記第２排出ユニットのシリンダの容量が、前記第１排出ユニットのシリンダの容量よりも大きいことを特徴とする請求項３記載のガス分離装置。
6. 前記第２排出ユニットのピストンの行程距離が、前記第１排出ユニットのピストンの行程距離よりも長いことを特徴とする請求項３記載のガス分離装置。
7. 前記連結機構は、
   前記駆動モータの回転軸と、
   その回転軸に連結されて回転させられるクランクアームと、
   そのクランクアームの回転中心から偏心して連結されたクランクシャフトと、
   そのクランクシャフト及び前記ピストンにそれぞれ連結されたコネクティングロッドと
   を含むことを特徴とする請求項３記載のガス分離装置。
8. 前記吸着ベッドの前記ポンプに連結される部位には、ガスの逆流を防止する逆止弁が設置されることを特徴とする請求項１記載のガス分離装置。
9. 前記吸着ベッドは、複数が並列に配置されていることを特徴とする請求項１記載のガス分離装置。
10. 前記吸着ベッドと外気を連結する流路上には、前記吸着ベッドに流入される外部ガスに含まれている異質物などをフィルタリングするフィルタが設置されることを特徴とする請求項１記載のガス分離装置。

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