JP2005083516A - 回転バルブおよび圧力スイング吸着式気体分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 摺動面にかかる面圧をなるべく一定として摺動面からの漏れを最小限に抑えつつ、構造が複雑にならないようにした回転バルブおよび圧力スイング吸着式ガス分離装置を提供する。
【解決手段】 回転子の摺動面上の開口の形状が、共通軸を中心軸として回転子を1/n（但し、ｎは2以上の整数）回転したときに、回転前の形状と回転後の形状が重なるような回転対称を持ち、なおかつ選択流体流路群の各群内の各選択流体流路に接続される開口が、摺動面上の中心軸からの各群ごとに異なる半径を持つ円上に分布しており、その分布は、該選択流体流路群中の各群の流体流路の数をｍとすると、該円を円周方向にｎ×ｍ等分した点のｉ番目または（ｎ−１）ｍ＋ｉ番目（但し、ｉ＝１〜ｍの整数）の点の少なくとも一つにｉ番目の流体流路に接続された開口を持つように分布させた特徴を持つ回転バルブ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、圧力スイング吸着式気体分離装置に係り、特に、回転バルブを用いて工程の切り替えを行う小型の圧力スイング吸着型気体分離装置の構成に関する。

気体分離装置とは、少なくとも2種類以上の気体が混合されたガス（以下原料ガスと称す）から、その中の特定の成分（以下製品ガス）を取り出すための装置の総称である。気体分離装置には、その分離原理により多くの種類があるが、圧力スイング吸着式気体分離装置は、ある特定の気体分子を優先的に吸着する吸着剤を用いて、相対的に高い圧力で原料ガスを吸着剤に接触させ、吸着剤に吸着しやすい成分を吸着させて吸着しにくい成分を取り出す吸着工程と、ガスの圧力を低下させることによって、一旦吸着剤に吸着した吸着成分を脱着して取り出す脱着工程を繰り返すことによって原料ガスを吸着剤に吸着されやすい成分と吸着されにくい成分とに分離する装置である。製品ガスとしては、吸着されやすい成分または、吸着されにくい成分、あるいはその双方とすることができるが、実際の装置においては目的の成分が必要な純度で効率よく取り出せるようにプロセスの構成が最適化されている。

従来用いられてきた圧力スイング型気体分離装置の内比較的簡単なものの代表的な構成例を図１５に示す。この例では、製品ガスは吸着剤に吸着されにくい成分であり、吸着されやすい成分は排気ガスとして排出される。通常、吸着剤は吸着筒と呼ばれる円筒状の容器に収められており、円筒の両端にはガスの出入り口が取り付けられている。この構成例では吸着筒は２本あるが、それぞれ吸着筒の一端（以下供給端）は４方弁に接続されており、それぞれの吸着筒が圧縮機に接続されるか、排気口に接続されるかを切り替えている。圧縮機は外部の空気を取り入れて圧力を高めて吸着筒へ供給する働きをしており、排気口は通常消音器を通じて大気に解放されている。吸着筒の他方（以下製品端）は製品取り出しバルブ、均圧バルブ、オリフィスが接続されている。製品取り出しバルブの下流側には製品タンクが接続されており、さらに下流側に流量調節弁が取り付けられている。製品取り出しバルブは逆止弁で代用されることもあり、オリフィスは２つの吸着筒の間ではなく、それぞれの吸着筒と製品タンクの間に取り付けられることもあるが、役割は同一である。この装置の動作は以下のようになる。

まず、４方弁3が切り替わって圧縮機2と吸着筒1aが接続され、吸着筒と排気が接続されると、吸着筒1aに原料ガスが供給されて圧力が上昇し、吸着筒1bからは排気ガスが排出されて圧力は低下する。吸着筒1aの圧力が所定の圧力まで上昇すると、製品取り出しバルブ4aが開き、製品タンク7に製品ガスを供給する。所定の時間が経過すると、４方弁3が切り替わり、吸着筒1aは排気口に、吸着筒1bは圧縮機に接続され、それぞれ減圧、加圧される。吸着筒1bの圧力が所定の圧力になると、製品取り出しバルブ4bが開き、吸着筒1bから製品タンク7に製品ガスが供給される。所定の時間が経過すると再び４方弁3が切り替わり、最初の状態に戻る。

吸着筒が加圧されている期間は一般に吸着工程と呼ばれ、吸着筒から排気している期間は脱着工程と呼ばれる。均圧バルブ5は通常４方弁が切り替わる前後の所定時間開き、その期間は均圧バルブ5を通して圧力が高い方の吸着筒から圧力が低い方の吸着剤へとガスが流れ、４方弁3が切り替わった後の吸着筒の加圧・減圧を助ける。この工程を均圧工程と呼ぶ。

オリフィス6は前述の通り、２つの吸着筒製品端の間に接続されており、圧力が高い方の吸着筒から取り出された製品ガスの一部がオリフィス6を通じて圧力が低い吸着筒へと流入し、不要成分の排気を助ける。これをパージと呼ぶ。パージを行うと、脱着工程時における吸着塔内の不要成分の分圧は、パージを行わなかった場合よりも下がり、吸着剤からの不要成分の解離が促進される。さらに気相中の不要成分もパージガスによって吸着筒供給端側へと押し出され、排気される。この効果はパージガス量が多いほど高くなるが、パージガスの量があまりに多くなるとパージガスの一部が吸着筒供給端から排気されることになり、これは実質的に製品ガスの一部を捨てていることになるので、かえって分離効率を低下させる。以上のようにパージ量が少ない場合には不要成分の分圧を下げる効果が低く、パージ量が多すぎるとパージガスが吸着筒供給端から排気されて効率が下がるので、パージ量には最適値がある。多くのプロセスではこのパージを行うことによって、比較的高い分離効率を得ている。

以上に述べた濃縮装置は工程の切り替えに電磁弁を用いていたが、電磁弁以外のバルブを用いることもできる。中でも、回転バルブを用いる方法は、しばしば複雑化する吸着プロセスの切り替え操作を行うのに適した方法である。これは、特開平10-151315等で提案されているように、吸気、排気、吸着筒両端の開口、製品取り出し口など全ての配管を1つの回転バルブに集め、その回転バルブにより工程の切り替え操作を全て行うものである。この方式は複雑な配管や多数の電磁弁を一つの回転バルブで置き換えることが可能であり、構造を単純化できることと、小型化が容易であることであり、医療用の小型酸素濃縮器などへの応用が期待されている。
特開平10−151315号公報

以上のように、圧力スイング吸着型ガス分離装置は、回転バルブを用いることによって構造を単純化でき、なおかつ小型軽量とすることができるが、従来、この回転バルブの適用に当たって以下の問題があった。

まず第一に、回転子の各連通孔に加わる圧力はそれぞれ異なっているので、その圧力の影響を受けて、摺動面にかかる面圧も場所によって異なる。そのため回転子表面の開口形状が、圧力が回転中心に対して非対称にかかるように構成されていた場合、摺動面にかかる面圧も非対称になり、摺動面が部分的に摩耗し、摺動面から漏れが発生する可能性がある。

第二に、上記のような事を防ぐために摺動面の溝形状を左右対称とした場合、吸着筒の数を倍にしないと正しいプロセスが構成できず、そのため構造が複雑となる。

本発明は上記の状況に鑑みなされたものであって、摺動面にかかる面圧をなるべく一定として摺動面からの漏れを最小限に抑えつつ、構造が複雑にならないようにした回転バルブおよび圧力スイング吸着式ガス分離装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は、下記する１)〜6）に記載の各構成を有する圧力スイング吸着式ガス分離装置を提供する。
1) 少なくとも、互いに摺動しながら共通軸を中心に相対的に回転する二つの部品よりなり、第一の部品は切り替え対象である流体流路群に接続された開口を摺動面上に持つ固定子であって、第二の部品は、該流体流路群相互間を接続するための接続流路をもつ回転子であり、流体流路群として、一つ以上の共通流体流路、複数の同数の流体流路を持つ一つ以上の選択流体流路群を持ち、ある一定の順序とタイミングで共通流体流路と選択流体流路群中の一つ以上の流体流路、および／または選択流体流路群中の二つ以上の流体流路相互間の接続を、二つの部品の相対的な回転により切り替える回転バルブにおいて、該回転子の摺動面上の開口の形状が、該共通軸を中心軸として回転子を1/n（nは2以上の整数）回転したときに、回転前の形状と回転後の形状が重なるような回転対称を持ち、なおかつ該選択流体流路群の各群内の各選択流体流路に接続される開口が、摺動面上の中心軸からの各群ごとに異なる半径を持つ円上に分布しており、その分布は、該選択流体流路群中の各群の流体流路の数をmとすると、該円を円周方向にnm等分した点のｉ番目、ｍ＋ｉ番目・・・（ｎ−１）ｍ＋ｉ番目（ｉ＝１〜ｍ）の点の少なくとも一つにｉ番目の流体流路に接続された開口を持つように分布させた特徴を持つ、回転バルブ。
2) ｎとｍの間に1以上の最大公約数を持たないようにｎを選択し、固定子上の該選択流体流路群の各群内の選択流体流路に接続された開口の分布を等間隔としたことを特徴とする上記1)記載の回転バルブ。
3) 圧力スイング吸着式ガス分離装置であって、ｍ個の吸着筒を持ち、共通流体流路として、吸着筒に原料ガスを供給するための原料ガス供給流路および、排気ガスを排出するための排気ガス排出流路をもち、選択流体流路群として、各吸着筒の一端に接続された流路をもつ上記1)または2)記載の回転バルブを搭載した圧力スイング吸着式ガス分離装置。
4) 圧力スイング吸着式ガス分離装置であって、ｍ個の吸着筒を持ち、共通流体流路として、吸着筒に原料ガスを供給するための原料ガス供給流路および、排気ガスを排出するための排気ガス排出流路、製品ガスを取り出すための製品ガス取り出し流路を持つと共に、2つの選択流体流路群をもち、第1の選択流体流路群が、各吸着筒の一端に接続されており、第二の選択流体流路群が、各吸着筒の他端に接続されている、上記1)または2)記載の回転バルブを搭載した圧力スイング吸着式ガス分離装置。
5) 該原料ガスが空気で、該製品ガスが酸素であることを特徴とする上記3)〜4)いずれか記載の圧力スイング吸着式ガス分離装置。
6) 医療用途に供せられるものであって、携帯可能であることを特徴とする上記5)記載の圧力スイング吸着式ガス分離装置。

本発明は摺動面にかかる面圧をなるべく一定として摺動面からの漏れを最小限に抑えつつ、構造が複雑にならないようにした回転バルブおよび圧力スイング吸着式ガス分離装置を提供することができる。

本発明は、互いに摺動しながら共通軸を中心に相対的に回転し、切り替え対象である流体流路群に接続された開口を摺動面上に持つ固定子、該流体流路群相互間を接続するための接続流路をもつ回転子に関するものであり、流体流路群として、一つ以上の共通流体流路と、複数で同数の流体流路を持つ一つ以上の選択流体流路群を有し、ある一定の順序とタイミングで該共通流体流路と該選択流体流路群中の一つ以上の流体流路、および／または該選択流体流路群中の二つ以上の流体流路相互間の接続を、固定子および回転子の相対的な回転により切り替える回転バルブである。

医療用酸素濃縮装置などの圧力スイング吸着式ガス分離装置に適用する場合、共通流体流路とは、吸着筒に原料ガスを供給するための原料ガス供給流路、排気ガスを排出するための排気ガス排出流路、製品ガスを取り出すための製品ガス取り出し流路を指し、選択流体流路群とは、各吸着筒の一端に接続された流路群を指し、各吸着筒の供給端と接続する流路群、製品端と接続する流路群に分類することが出来る。

回転子の摺動面上の開口の形状は、共通軸を中心軸として回転子を1/n（但し、ｎは2以上の整数）回転したときに、回転前の形状と回転後の形状が重なるような回転対称を持ち、なおかつ該選択流体流路群の各群内の各選択流体流路に接続される開口が、摺動面上の中心軸からの各群ごとに異なる半径を持つ円上に分布しており、その分布は、該選択流体流路群中の各群の流体流路の数をｍとすると、該円を円周方向にｎ×ｍ等分した点のｉ番目または（ｎ−１）ｍ＋ｉ番目（但し、ｉ＝１〜ｍの整数）の点の少なくとも一つにｉ番目の流体流路に接続された開口を持つように分布させる。そしてｎとｍの間に1以上の最大公約数を持たないようにｎを選択し、固定子上の該選択流体流路群の各群内の選択流体流路に接続された開口の分布を等間隔とする。

かかる構成をとることにより、回転バルブの摺動面にかかる面圧をなるべく一定として摺動面からの漏れを最小限に抑えることが出来る。また非対称構造のままで、バルブ構造が複雑にならないという特徴を持つ。

本発明の実施の形態に係る好ましい実施例である圧力スイング吸着式ガス分離装置を、図３に示す。吸着ユニット（吸着モジュールとも称する）には、吸着筒、回転バルブおよびバルブ駆動機構が一体となって含まれており、原料空気供給口、排気口および製品取り出し口を持つ。原料空気供給口にはコンプレッサーが取り付けられ、大気圧よりも圧力が高い空気が供給できるようになっている。また、排気口には真空ポンプが取り付けられており、大気圧よりも低い圧力で排気している。製品取り出し口には製品タンクが取り付けられており、その下流側には減圧弁、流量調節器が取り付けられ、製品酸素を必要な量だけ取り出すことができるようになっている。

吸着ユニットの構造は図４のようになっている。吸着筒は４本有り、それぞれの一端はマニフォールドaに固定されており、マニフォールドa内の気体流通路によって、同じくマニフォールドaに固定されている回転バルブの固定子に接続されている。吸着筒の他端はマニフォールドbに固定されており、内部で４本の配管と接続されている。その配管はさらにマニフォールドaへと接続され、バルブ固定子のポート穴と接続される。なお、現実問題として単一のマニフォールド中に図４に図示したような配管を形成することは困難であるが、マニフォールドを複数枚に分割したり、マニフォールド外部に補助の配管を接続するなどの工夫により同様な接続を形成することは可能である。

バルブの固定子には各吸着筒の両端に連通している４対のポート穴の他に、マニフォールドと配管を通して圧縮機と接続される加圧ポート穴、同様にして減圧ポンプに接続される減圧ポート穴と、製品を取り出すための製品ポート穴があけられている。バルブの固定子には、回転子が取り付けられており、固定子と回転子は摺動面で回転摺動しながら、固定子にあけられたポート穴同士の接続を切り替える動作を行っている。この摺動面は、平面である必要はないが、たとえば円錐状、円筒状や、球を切断した形状など、回転したときに回転子と固定子との間に隙間ができないような形状である必要がある。また、摺動面からのガスの漏れを最小限にするため、摺動面の形状にかかわらず、回転子と固定子の隙間が数ミクロン以下になるように精度よく加工することが必要である。

固定子・回転子の摺動面上にはそれぞれ図２、図１のようなポート穴および溝が配置されており、溝によってポート穴同士が接続される。図１中、中央の穴と加圧ポートは回転子裏側で接続されており、６つの均圧ポートも同様に回転子裏側で別の経路で接続されている。回転子が回転すると、回転子の溝と固定子の穴の接続は回転に従って変化し、図５、図６のようなプロセスを繰り返す。

例えば、回転子と固定子が図７のような位置関係にある場合には、吸着筒１は加圧工程、吸着筒２は製品取り出し工程、吸着筒３は並流減圧工程、吸着筒４は残留ガスパージ工程にある。また位置関係が図８のようになった時は、吸着筒１は加圧・製品取り出し工程、吸着筒２は降圧均圧工程、吸着筒３は脱着工程、吸着筒４は昇圧均圧工程にある。バルブがさらに回転し、回転角度が図７からちょうど30°になったときは各工程が吸着筒1つ分ずれて行われる。この場合、バルブ１／３回転で各吸着筒がすべての工程を終えて1サイクルとなる。以上のように回転バルブは回転子が固定子の上を回転摺動動作を行うことによって吸着プロセスの工程を切り替える操作を行う。

バルブ回転の動力源として、バルブ回転駆動機構が取り付けられている。バルブ回転駆動機構には、ステッピングモーターや、減速器付きの直流・交流モーター、空気駆動モーター、超音波モーターなど、プロセスの繰り返し周期程度の回転数で必要なトルクを供給できる回転源を用いることができる。

ここで、同様なプロセスを実現するが、１回転でプロセス１サイクルを行う、非対称型の溝配列を持つ図９のような回転子と回転子にかかる圧力を比較してみると、図９の回転子の場合、図示の回転角度においては加圧溝が右上部分に１カ所、減圧溝が左側に１カ所ある。このような形状では、加圧溝付近の摺動面は、固定子摺動面との接触圧力が低くなり、減圧溝付近の摺動面は固定子に強く押しつけられて、回転子の右上部分が浮いて隙間が大きくなったり、左側が強く押しつけられて摩耗が激しくなり、ガスの摺動面からの漏れ量が増大したり、不均一な摩耗が発生する可能性がある。それに対して図１に示した回転子は、全ての開口部に関して、同じ圧力となる開口部分が120°間隔で3カ所配置されており、回転子にかかる力は全て回転軸を中心につり合っているので、摺動面の一部分に不均一に力がかかることはない。

図1の回転子は開口部の配列が120°回転対称になっているが、開口部の配列を180°対称にした場合も、同様に摺動面の接触圧力を均一に保つ効果が望める。しかし、この場合固定子のポート配列を等間隔にしようとすると、回転子のある開口とそこから180°回転した位置の開口は全く同じ動作をするので、例えば吸着筒２と４は全く同時に各工程を行うことになる。従って吸着筒は4本有りながら実際は2筒式のプロセスが並列に動いている、ということになる。従って吸着筒を8本に増やさないと4筒式のプロセスとして動作しない。

ところがここで先に述べた回転子上のある位置にある開口とそこから180°回転した位置にある開口は同じ動作をするということに注目すると、8本の吸着筒のうち、1番目の吸着筒と5番目の吸着筒、2番目と6番目の吸着筒、3番目と7番目の吸着筒、4番目と8番目の吸着筒は、単純に並列になっているだけで全く同じ動作をしている。従って1番目と5番目のどちらか、2番目と6番目のどちらかという風に並列に動作している吸着筒の1本のみを採用し、もう1本の吸着筒を省略して、1本の吸着筒に2本分の吸着剤を充填しても動作は変わらない。その場合、固定子上の各吸着筒へのポートの位置は等間隔にならないが、動作は同じである。このような設計は一見摺動面上の圧力バランスを取るという当初の指針に反するように見えるが、実際は固定子上のポートにかかる圧力は、それと接続している回転子の開口の圧力とほぼ等しくなっているので、圧力バランスを大きく崩すことにはならない。

図10は、図12のような6筒式のプロセスを実現するための回転バルブの回転子で、図11はそれと対になる固定子の概略図である。図10中、4つの第1・第2均圧開口は回転子背面で連通しており、同じく4つの第3均圧・パージ開口も連通している。このバルブにおいては、回転子は180°（1/2回転）の回転対称を持っており、固定子は円周を6×2=12等分した内の、1,2,5,6,9,10番目に開口部が設けられているが、それぞれの位置から180°ずれた位置には開口部は配置されていない。図13，14にプロセスの工程とバルブの回転位置の対応を示すが、図13は図12の工程表中Ａの期間を、そこから15°回転した状態である図14はＢの期間に対応している。このプロセスは合計12工程あるので、15×12=180°で全工程を終了し、1回転で2サイクルを行うことになる。この場合でも回転子の開口部は180°の回転対称となっており摺動面の圧力バランスがとれており、さらに固定子上の開口部の位置を選ぶことによって6筒式のプロセスを開口部の数を増やすことなく最低限の構成で実現している。

本発明の回転バルブの回転子摺動面。 本発明の回転バルブの固定子摺動面。 本発明の圧力スイング吸着式ガス分離装置の実施態様例。 吸着ユニットの構造図。 吸脱着のプロセス図。 吸脱着のプロセス図。 回転バルブの回転子・固定子の関係図。 回転バルブの回転子・固定子の関係図。 従来の回転バルブの固定子及び回転子の構造図。 ６筒プロセス用回転バルブの回転子概略図。 ６筒プロセス用回転バルブの固定子概略図。 ６筒プロセス図。 吸脱着プロセスとバルブ回転位置の関係図（A）。 吸脱着プロセスとバルブ回転位置の関係図（B）。 従来の圧力スイング型気体分離装置の構成図。

Claims (6)

1. 互いに摺動しながら共通軸を中心に相対的に回転し、切り替え対象である流体流路群に接続された開口を摺動面上に持つ固定子、該流体流路群相互間を接続するための接続流路をもつ回転子を備え、流体流路群として、一つ以上の共通流体流路と、複数で同数の流体流路を持つ一つ以上の選択流体流路群を有し、ある一定の順序とタイミングで該共通流体流路と該選択流体流路群中の一つ以上の流体流路、および／または該選択流体流路群中の二つ以上の流体流路相互間の接続を、固定子および回転子の相対的な回転により切り替える回転バルブにおいて、
   該回転子の摺動面上の開口の形状が、該共通軸を中心軸として回転子を1/n（但し、ｎは2以上の整数）回転したときに、回転前の形状と回転後の形状が重なるような回転対称を持ち、なおかつ該選択流体流路群の各群内の各選択流体流路に接続される開口が、摺動面上の中心軸からの各群ごとに異なる半径を持つ円上に分布しており、その分布は、該選択流体流路群中の各群の流体流路の数をｍとすると、該円を円周方向にｎ×ｍ等分した点のｉ番目または（ｎ−１）ｍ＋ｉ番目（但し、ｉ＝１〜ｍの整数）の点の少なくとも一つにｉ番目の流体流路に接続された開口を持つように分布させた特徴を持つ、回転バルブ。
2. ｎとｍの間に1以上の最大公約数を持たないようにｎを選択し、固定子上の該選択流体流路群の各群内の選択流体流路に接続された開口の分布を等間隔としたことを特徴とする請求項1記載の回転バルブ。
3. 圧力スイング吸着式ガス分離装置であって、ｍ個の吸着筒を持ち、共通流体流路として、吸着筒に原料ガスを供給するための原料ガス供給流路および、排気ガスを排出するための排気ガス排出流路をもち、選択流体流路群として、各吸着筒の一端に接続された流路をもつ請求項１または２記載の回転バルブを搭載したことを特徴とする圧力スイング吸着式ガス分離装置。
4. 圧力スイング吸着式ガス分離装置であって、ｍ個の吸着筒を持ち、共通流体流路として、吸着筒に原料ガスを供給するための原料ガス供給流路、排気ガスを排出するための排気ガス排出流路、及び製品ガスを取り出すための製品ガス取り出し流路を持つと共に、２つの選択流体流路群をもち、第1の選択流体流路群が、各吸着筒の一端に接続されており、第二の選択流体流路群が、各吸着筒の他端に接続されている、請求項１または２記載の回転バルブを搭載したことを特徴とする圧力スイング吸着式ガス分離装置。
5. 該原料ガスが空気で、該製品ガスが酸素であることを特徴とする請求項３または４記載の圧力スイング吸着式ガス分離装置。
6. 医療用途に供せられるものであって、携帯可能であることを特徴とする請求項５記載の圧力スイング吸着式ガス分離装置。

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