JP2006274808A - ガス分離システム及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 エネルギ的に合理化出来、しかも二酸化炭素（ＣＯ_２）の発生の少ないガス分離システム及び制御方法の提供及びガスの供給加熱に電気エネルギを使用しないガス分離システム及び制御方法の提供。
【解決手段】 ガス加圧装置と、該ガス加圧装置からのガスを加熱する加熱装置と、該加熱装置で加熱したガスを分離するガス分離膜とを有するガス分離システムにおいて、前記ガス加圧装置がガスエンジン（１０）で駆動される圧縮機（１１）であり、前記加熱装置は前記ガスエンジン（１０）の排気ガスが保有する熱量を圧縮機（１１）から吐出されたガスに投入する様に構成された熱交換器（１３）であることを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば空気中の酸素や窒素を富化するためのガス分離システムに関する。

近年、例えば病院や高齢者施設や各種住宅などの空調分野における酸素の利用や半導体工場などで窒素ガスの供給等の利用が増加している。

従来、ガス分離膜を用いた酸素富化装置や窒素富化装置のように、特定のガス（酸素又は窒素）の濃度を相対的に向上させる技術が、例えば医療用の酸素供給装置や半導体製造時の窒素ガスの供給装置に種々提案されている。
かかる装置で実施されるガス分離膜としては種々のものが知られているが、いずれもガス分離膜の分離性能に関し、熱膨張による濃度特性を有している。そのために安定したガス濃度を得るためには温度変化による分離性能をいかに制御するかという問題がある。

例えば、供給する空気をあらかじめヒータを有する管内に導入し、圧縮機出力を一定として所定温度で過熱ガスをガス分離膜に送る技術が知られている（特許文献１）。
また供給ガスの温度を検知してそれに応じて圧縮機出力を制御する技術も知られている（特許文献２）。さらにガス富化ユニットの温度を制御するものが知られている（特許文献３）。

すなわち、ガス分離膜の分離性能が分離しようとするガス温度のパラメータとなるために、ガスを吐出する圧縮機の制御又はガスの温度制御が必要となる。

このように従来のシステムでは、電気ですべて稼動しているために、省エネルギ、ＣＯ_２削減の観点から見ると問題があり、さらに単位時間当りの大量の分離したガスを要望する場合に、
（ａ） 電気式温度制御のみで対応するか、
（ｂ） 圧縮機出力制御のみで対応するか、
（ｃ） 電動圧縮機と電気式温度制御装置を別々に制御するか、
の３つの手段が用いられており、いずれを採用しても種々の制御条件があるために制御幅が狭く、あるいは制御が複雑となる。
また、高純度のガスを得るためには多段式のガス分離膜が必要であった。

本発明をよく理解するために図１２を参照して従来の酸素富化装置について説明する。
図１２において圧縮機１は電源２で作動されるようになっており、この圧縮機１はその吸込口１ａから大気を吸込んで吐出口１ｂから吐出するようになっている。圧縮機１が吐出された加圧空気はパイプ３を通りその間電気ヒータ４で加熱され次いでガス分離膜５を通り高濃度酸素６が得られるようになっている。図中Ｌ_１およびＬ_２はそれぞれ圧縮機１および電気ヒータ２に至る電気ラインである。

このような従来のシステムでは前述のように種々の問題が生じた。
特開昭５５−４１８０９号公報 特開２００４−１７００６２号公報 特開２００４−２１８９４０号公報

したがって本発明の目的は、エネルギ的に合理化出来、しかも二酸化炭素（ＣＯ_２）の発生の少ないガス分離システム及び制御方法を提供するにある。
本発明の他の目的は、ガスの供給加熱に電気エネルギを使用しないガス分離システム及び制御方法を提供するにある。

本発明のガス分離システムは、ガス加圧装置と、該ガス加圧装置からのガスを加熱する加熱装置と、該加熱装置で加熱したガスを分離するガス分離膜とを有するガス分離システムにおいて、前記ガス加圧装置がガスエンジン（１０）で駆動される圧縮機（１１）であり、前記加熱装置は前記ガスエンジン（１０）の排気ガスが保有する熱量を圧縮機（１１）から吐出されたガスに投入する様に構成された熱交換器（１３）であることを特徴としている（請求項１：図１）。

係るガス分離システム（請求項１のガス分離システム）を制御する制御方法において、ガス分離膜（１４）で生成されたガス（酸素リッチガス或いは窒素リッチガス）の需要が増大した場合にはガスエンジン（１０）への燃料供給量を増加し（例えば燃料供給弁Ｖｆの開度を増加する：ステップＳ２）、需要が減少した場合にはガスエンジン（１０）への燃料供給量を減少する（例えば燃料供給弁Ｖｆの開度を減少する：ステップＳ３）ことを特徴としている（請求項５：図Ｂ）。

本発明のガス分離システムにおいて、ガス分離膜（１４）で生成されたガス（酸素リッチガス或いは窒素リッチガス）を圧縮機（１１）の吸込（Ｌｉ）側に導入する導入通路（Ｌｃ）と、制御装置（コントロールユニット２０）とを備え、前記制御装置（２０）は、ガス分離膜（１４）で生成されたガスの濃度（酸素リッチガスであれば酸素濃度、窒素リッチガスであれば窒素濃度）を増加させる場合にガス分離膜（１４）で生成されたガスが導入通路（Ｌｃ）を流れる流量を増加し、濃度を減少させる場合にはガス分離膜（１４）で生成されたガスが導入通路（Ｌｃ）を流れる流量を減少する制御を行う様に構成されているのが好ましい（請求項２：図３、図４）。

そして、係るガス分離システム（請求項２のガス分離システム）を制御する制御方法において、ガス分離膜（１４）で生成されたガスの濃度（酸素リッチガスであれば酸素濃度、窒素リッチガスであれば窒素濃度）を増加させる場合にはガス分離膜（１４）で生成されたガスが導入通路（Ｌｃ）を流れる流量を増加し、ガス分離膜（１４）で生成されたガスの濃度（酸素リッチガスであれば酸素濃度、窒素リッチガスであれば窒素濃度）を減少させる場合にはガス分離膜（１４）で生成されたガスが導入通路（Ｌｃ）を流れる流量を減少させるのが好ましい（請求項６：図３、図４）

本発明のガス分離システムにおいて、ガス分離膜（１４）で生成された窒素リッチガスをガスエンジン（１０）の吸気側に導入する還元通路（Ｌｎ）と、ガスエンジン（１０）の排気系（Ｌｈ）に介装されて排気ガスの窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を計測する計測手段（ＮＯｘセンサ１８）と、制御装置（コントロールユニット２０）とを備え、該制御装置（２０）は、排気ガスの窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度が許容値以上となった場合にガスエンジン（１０）の吸気（Ｌｆ）側に導入される窒素リッチガスの流量を増加する制御（例えば、還元通路Ｌｎに介装された三方弁Ｖｆ３を、ガスエンジン１０に供給される窒素リッチガスを供給する側の開度を増加する様な制御）を行う様に構成されているのが好ましい（請求項３：図５、図６）。

この様なガス分離システム（請求項３のガス分離システム）を制御する制御方法において、ガスエンジン（１０）の排気系に介装された計測手段（ＮＯｘセンサ１８）により排気ガスの窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度を計測する工程（Ｓ２１）と、排気ガスの窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度が許容値以上となった場合にガスエンジン（１０）の吸気側（Ｌｆ）に導入される窒素リッチガスの流量を増加する（例えば、還元通路Ｌｎに介装された三方弁Ｖｆ３を、ガスエンジン１０に供給される窒素リッチガスを供給する側の開度を増加する）工程（Ｓ２３）、とを有しているのが好ましい（請求項７：図５、図６）。

そして、本発明のガス分離システムにおいて、ガス分離膜（１４）で生成された窒素リッチガスをガスエンジン（１０）の吸気側（Ｌａ）に導入する還元通路（Ｌｎ）と、該還元通路（Ｌｎ）を介してガスエンジン（１０）の吸気側（Ｌａ）に導入される窒素リッチガスの流量を制御する流量制御手段（流量制御機能付の三方弁Ｖｎ１、Ｖｎ２）と、制御装置（コントロールユニット２０）とを備え、該制御装置（２０）は、ガス分離膜（１４）で生成される酸素リッチガスの流量を増加する場合にはガスエンジン（１０）の吸気側（Ｌａ）に導入される窒素リッチガスの流量を増加させ（例えば、流量制御機能付の三方弁Ｖｎ１、Ｖｎ２におけるガスエンジン吸気側Ｌａの開度を増加する）、酸素リッチガスの流量を減少する場合にはガスエンジン（１０）の吸気側（Ｌａ）に導入される窒素リッチガスの流量を減少させる（例えば、流量制御機能付の三方弁Ｖｎ１、Ｖｎ２におけるガスエンジン吸気側Ｌａの開度を減少する）制御を行う様に構成されているのが好ましい（請求項４：図７、図８）。

係るガス分離システム（請求項４のガス分離システム）を制御する制御方法において、ガス分離膜（１４）で生成される酸素リッチガスの流量を増加するか否かを判定する工程（Ｓ３２）と、ガス分離膜（１４）で生成される酸素リッチガスの流量を増加する場合にはガスエンジン（１０）の吸気側（Ｌａ）に導入される窒素リッチガスの流量を増加させる（例えば、流量制御機能付の三方弁Ｖｎ１、Ｖｎ２におけるガスエンジン吸気側Ｌａの開度を増加する）工程（Ｓ３３）と、酸素リッチガスの流量を減少する場合にはガスエンジン（１０）の吸気側（Ｌａ）に導入される窒素リッチガスの流量を減少させる（例えば、流量制御機能付の三方弁Ｖｎ１、Ｖｎ２におけるガスエンジン吸気側Ｌａの開度を減少する）工程（Ｓ３４）、とを含むことが好ましい（請求項８：図７、図８）。

上述する構成を具備する本発明（請求項１、５の発明）のガス分離システムによれば、ガスエンジン（１０）で圧縮機（１１）を作動、或いはコージェネレーションを活用し、且つ、その燃焼排熱を分離するべきガスの温度制御へ活用することで、従来システムよりも省エネルギであって、ＣＯ_２の削減が達成出来る。

分離ガスを大量に欲しい場合は、ガス分離膜（１４）或いは供給ガスの温度を高めてガス透過性を向上させ、且つ、このとき同時に供給ガス量（圧縮機の吐出量）も増加させる必要があるが、本発明のガス分離システムによって、この二つの条件を同時に解決出来る。なんとなれば、分離ガスを大量に欲しい時にガスエンジン（１０）の出力を向上させれば、排熱が多く出ると同時に圧縮機（１１）の吐出量も増加させることが出来るからである。
又、この逆の制御も可能である。従来システムでは、電気駆動のポンプと電気式温度制御装置を別々に制御する必要があった。

また、ガス分離膜（１４）で生成されたガス（酸素リッチガス或いは窒素リッチガス）を圧縮機（１２）の吸込側（Ｌｉ）に導入される構成を具備する本発明（請求項２、６の発明）によれば、一度分離したガスを供給側（Ｌｉ）へ戻すことによって、ガス分離膜（１４）を多段式にしなくても高純度ガスを製造することが出来る。

さらに、ガス分離膜（１４）で生成された窒素リッチガスをガスエンジン（１０）の吸気側（Ｌａ、又はＬｆ）に導入する構成を具備する本発明（請求項３、４、７、８の発明）によれば、分離加圧された窒素リッチガスをガスエンジンの吸気（Ｌａ、又はＬｆ）へ投入することにより、過給機が不要な希薄燃焼に出来、低ＮＯ_ｘ、高出力を実現でき、ノッキングを防止して、ガスエンジンを小型化することも出来る。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

先ず、図１及び図２に基づいて第１実施形態を説明する。
図１において、第１実施形態のガス分離システムは、ガスエンジン１０と、ガスエンジン１０によって駆動される圧縮機１１と、圧縮機１１によって、圧縮機１１に空気供給ラインＬｉによって供給された空気が圧縮され、その圧縮された圧縮空気を加熱する熱交換器１３と、加熱された圧縮空気を酸素（Ｏ_２リッチガス）と窒素（Ｎ_２リッチガス）とに分離するガス分離膜１４と、前記ガスエンジン１０の出力を制御するコントロールユニット２０とを有している。

ガスエンジン１０には燃料供給弁Ｖｆを介装した燃料供給ラインＬｆが接続されている。ガス分離膜１４はＯ_２リッチガス供給ラインＬｏ１によってユーザー５０と接続され、バス分離膜１４で分離されたＯ_２リッチガスがそのＯ_２リッチガス供給ラインＬｏ１でユーザー５０に届けられる。

前記熱交換器１３では、ガスエンジン１０の高温排ガスが排気ラインＬｈによって投入され、その高温排ガスと、圧縮機１１で圧縮されガス分離膜１４に圧縮機１１の吐出ラインインＬｃを介して圧送される圧縮空気との間で熱交換が行われる。即ち、圧縮空気は、ガスエンジン１０の高温排ガスによって昇温される。

前記コントロールユニット２０は、入力信号ラインＳｉによってユーザー５０のＯ_２濃度に関する需要信号発生器１５と、また、出力信号ライン（制御信号ライン）Ｓｏによって燃料供給弁Ｖｆに接続され、ユーザー５０からのＯ_２リッチガスの要請に応じて、燃料供給ラインＬｆに介装された燃料供給弁Ｖｆの開度を制御する様に構成されている。

即ち、例えば、ユーザー５０がＯ_２リッチガスの量を増加させて欲しいと入力した場合、コントロールユニット２０は燃料供給弁Ｖｆの開度を増加させる。
すると、ガスエンジン１０は出力を上げ、その結果、ガスエンジン１０及びガスエンジン１１に駆動される圧縮機１１は回転数を上げ圧縮空気の流量は増大するとともに、排気ラインＬｈを流過する排ガスの温度も上昇する。排ガス温度が上昇すれば、熱交換器１３を流過する圧縮空気はよりいっそう昇温され、更に、増大した圧縮空気量とあいまって、ガス分離膜１４でのガス分離能力が上がり、Ｏ_２リッチガスは増加する。

次に図２を参照して、第１実施形態の制御方法について説明する。
先ず、コントロールユニット２０は、ユーザー５０からのＯ_２リッチガスに需要の要請が変動したか否かを判断する（ステップＳ１）。
需要変動がなければ（ステップＳ１のＮＯ）、Ｓ１のループを繰り返す。

Ｏ_２リッチガス需要の増加の要請があればステップＳ２に進む。
ステップＳ２（Ｏ_２リッチガス需要の増大の要請）では、燃料供給弁Ｖｆの開度を増大させる。燃料供給弁Ｖｆの開度を増大させてガスエンジン１０へ供給する燃料が増加すれば、ガスエンジン１０の出力が向上して圧縮機１１の吐出圧力が増大すると共に、ガスエンジン１０の排気温度が上昇して、圧縮機１１の吐出ラインＬｃを流れる圧縮空気（分離膜１４へ供給される空気）へ投入される熱量が増加する。ステップＳ２の後はステップＳ４に進む。

一方、Ｏ_２リッチガス需要の減少の要請があればステップＳ３に進む。
ステップＳ３（Ｏ_２リッチガス需要の減少の要請）では、燃料供給弁Ｖｆの開度を減少させる。燃料供給弁Ｖｆの開度を減少させ、ガスエンジン１０へ供給する燃料を減少させれば、エンジン出力は低下し、分離膜１４へ供給される空気の圧力と温度が同時に下降し、Ｏ_２リッチガスの需要の減少に対応することが出来る。ステップＳ３の後、ステップＳ４に進む。

ステップＳ４では、コントロールユニット２０は、制御を終了するか否かを判断しており、終了するのであれば（ステップＳ４のＹＥＳ）、そのまま終了し、未だ終了しないのであれば（ステップＳ４のＮＯ）、ステップＳ１まで戻り、再びステップＳ１以降を繰り返す。

図１及び図２の第１実施形態では、ガスエンジン１０へ供給する燃料（バルブＶｆの開度）を増大させることにより、分離膜１４へ供給される圧縮空気の圧力と温度が同時に上昇し、Ｏ_２リッチガスの需要の増大に対処できる。

ここで、図１、図２の第１実施形態において、ユーザー５０がＯ_２リッチガスを必要としている場合についてのみ説明したが、ユーザー５０がＮ_２リッチガスを必要とする場合についても、全く同様に適用することが出来る。分離膜１４からユーザー５０側へＯ_２リッチガスを供給するか、Ｎ_２リッチガスを供給するかの違いである。

次に、図３および図４に基づいて第２実施形態を説明する。

図１及び図２の第１実施形態は、ガスエンジン１０への燃料供給量を制御することにより、Ｏ_２リッチガスの増加、減少を制御する実施形態であった。
これに対して、図３及び図４の第２実施形態は、圧縮機１１に供給する供給エアにＯ_２リッチガスを添加すると同時にそのＯ_２リッチガスの添加量を調節することによって、Ｏ_２リッチガスの分離割合を調節する、即ち、ユーザー側が、Ｏ_２リッチガスの酸素濃度（或いは、Ｎ_２リッチガスの窒素濃度）を変更する必要がある場合に対応する実施形態である。
以下、図１、図２の第１実施形態と異なる構成について、図３に基づいて説明する。

図３において、Ｏ_２リッチガス供給ラインＬｏ１には三方弁Ｖｏが、圧縮機１１への空気供給ラインＬｉには、三方弁Ｖｉが夫々介装されている。一方、図１の第１実施形態の構成であった燃料供給弁Ｖｆは、制御の対象外であるので、図示では省略している。

前記二つの三方弁Ｖｏ，Ｖｉは、Ｏ_２リッチガス添加ラインＬｏ２によって接続されている。

コントロールユニット２０は、三方弁Ｖｏと制御信号ラインＳｏ１によって、又三方弁Ｖｉと制御信号ラインＳｏ２によって夫々接続され、ユーザー５０から入力信号ラインＳｉを介して得た情報によって前記Ｏ_２リッチガス添加ラインＬｏ２を流過するＯ_２リッチガスの流量を制御する様に構成されている。

その様に構成することで、分離膜１４からのＯ_２リッチガスの一部が、Ｏ_２リッチガス添加ラインＬｏ２を介して圧縮機１１に再度供給される。
その結果、圧縮機１１から吐出されるガスは、通常の圧縮空気よりも酸素濃度が高くなる。その様なガスを分離膜１４で分離すれば、Ｏ_２リッチガスの酸素濃度を高くすることができる。
上記以外の構成については、図１の第１実施形態と同様である。

一方、酸素濃度を高くしたＯ_２リッチガスの酸素濃度を下げる場合には、Ｖｏ、Ｖｉの開度を調節して、Ｏ_２リッチガス添加ラインＬｏ２を介して圧縮機１１に再度供給されるＯ_２リッチガスの流量を低減させれば良い。

次に、図４を参照して第２実施形態の制御について説明する。
先ず、コントロールユニット２０は、ユーザー５０からのＯ_２濃度変更の要請が有ったか否かを判断する（ステップＳ１１）。
需要変動がなければ（ステップＳ１のＮＯ）、ステップＳ４まで進む。

Ｏ_２濃度増加の要請があればステップＳ１２に進む。
ステップＳ１２（Ｏ_２リッチガス濃度増加の要請）では、三方弁Ｖｏ，Ｖｉの開度を増大させる。三方弁Ｖｏ，Ｖｉの開度を調節してＯ_２リッチガス添加ラインを流過し圧縮機１１へ添加するＯ_２リッチガスを増加させれば、分離膜１４へ供給される圧縮空気中のＯ_２成分の割合が増加する。そうすることにより、分離膜１４で分離されるＯ_２リッチガスの濃度は更に高まる。ステップＳ１２の後はステップＳ１４に進む。

一方、Ｏ_２濃度減少の要請があればステップＳ３に進む。
ステップＳ１３（Ｏ_２リッチガス濃度減少の要請）では、三方弁Ｖｏ，Ｖｉの開度を調節してＯ_２リッチガス添加ラインを流過し圧縮機１１へ添加するＯ_２リッチガスを減少させる。すると、分離膜１４へ供給される圧縮空気中のＯ_２成分の割合が減少する。そうすることにより、分離膜１４で分離されるＯ_２リッチガスの濃度は低下する。ステップＳ１３の後はステップＳ１４に進む。

ステップＳ１４では、コントロールユニット２０は、制御を終了するか否かを判断しており、終了するのであれば（ステップＳ１４のＹＥＳ）、そのまま終了し、未だ終了しないのであれば（ステップＳ１４のＮＯ）、ステップＳ１１まで戻り、再びステップＳ１１以降を繰り返す。

図３、図４の第２実施形態において、ユーザー５０がＯ_２リッチガスの濃度の変更を必要としている場合についてのみ説明しているが、ユーザーがＮ_２リッチガスの濃度の変更を必要とする場合についても、全く同様に適用することが出来る。分離膜１４からユーザー５０側へＯ_２リッチガスを供給するか、Ｎ_２リッチガスを供給するかの違いである。

次に、図５及び図６に基づいて第３実施形態を説明する。

図５及び図６の第３実施形態は、図１及び図２の第１実施形態に対して、燃料供給ラインＬｆに介装した燃料供給弁を三方弁Ｖｆ３に組み換え、Ｏ_２リッチガスの他に、分離膜１４で分離したＮ_２リッチガスをＮ_２リッチガス添加ラインＬｎで三方弁Ｖｆ３に連通するように構成している。

更に、ガスエンジン１０の排気ラインＬｈにＮＯｘセンサ１８を設け、ガスエンジン１０の排気ガスのＮＯｘ濃度を計測する様に構成している。

コントロールユニット２０は、ＮＯｘセンサ１８と入力ラインＳｉ２によって、また、三方弁Ｖｆ３と制御信号ラインＳｏ３によって接続され、ガスエンジン１０の排気ガスのＮＯｘ濃度が許容値以上になった場合に前記三方弁Ｖｆ３の開度を調節して、前記Ｎ_２リッチガス添加ラインＬｎを流過するＮ_２リッチガスの流量を増加させる様に構成されている。
ここで、許容値としては、例えば国や自治体等で規制している排出濃度規制値が該当するが、本明細書では、排出濃度規制値よりも低い自主的設定値などをも包含する文言として用いている。

次に、図６を参照して、第３実施形態のガス分離制御方法を説明する。

先ず、ＮＯｘセンサ１８によって排気ラインＬｈを流過するガスエンジン１０の排気に含まれるＮＯｘ濃度を検出し（ステップＳ２１）、ＮＯｘ濃度が許容値以上か否かを判断する（ステップＳ２２）。

ＮＯｘ濃度が許容値以上であれば（ステップＳ２２のＹＥＳ）、次のステップＳ２３に進み、許容値未満であれば（ステップＳ２２のＮＯ）、ステップＳ２１に戻り、再びステップＳ２１以降を繰り返す。

ステップＳ２３では、三方弁Ｖｆ３の開度を調節して、Ｎ_２リッチガス添加ラインＬｎを流過するＮ_２リッチガスの流量を増加させた後、ステップＳ２４に進む。

ステップＳ２４では、コントロールユニット２０は、制御を終了するか否かを判断しており、終了するのであれば（ステップＳ２４のＹＥＳ）、そのまま終了し、未だ終了しないのであれば（ステップＳ２４のＮＯ）、ステップＳ２１まで戻り、再びステップＳ１１以降を繰り返す。

その様に構成し、制御することで、分離膜１４からのＮ_２リッチガスの一部を、Ｎ_２リッチガス添加ラインＬｎを介して燃料供給ラインＬｆの燃料に添加し、排気還流（ＥＧＲ）と同様な効果が生じて、ガスエンジン排気中のＮＯ_２濃度を低減させることが出来る。

尚、図６では示されていないが、ＮＯｘ濃度が許容値未満である場合に、ガスエンジン１０に供給するＮ_２リッチガスの量を減少するように制御しても良い。

次に、図７及び図８に基づいて第４実施形態を説明する。

図５、図６の第３実施形態は、ガスエンジン１０の排気ラインＬｈのＮＯｘ濃度を検出して制御している。これに対して、図７及び図８の第４実施形態では、Ｏ_２リッチガスの需要が変動して、ガスエンジン１０Ｄへの燃料供給量が変動した場合に対処している。

例えば、ユーザーのＯ_２リッチガス需要量の計測手段から、Ｏ_２リッチガスの需要が増大した旨が検出された場合には、係る需要の増大に対処するべくガスエンジンへの燃料供給を増加させて、出力を向上させる必要がある。
しかし、ガスエンジンへの燃料供給を増加すると、排気中のＮＯｘ濃度が上昇してしまう。

これに対して第４実施形態では、図７に示すように、ガス分離膜１４からＮ_２リッチガスが流れるＮ_２リッチガス添加ラインＬｎが、そのラインＬｎに介装した三法弁Ｖｎ１、Ｖｎ２を介してガスエンジン１０Ｄの吸気系Ｌａに合流している。
Ｏ_２リッチガスの需要が増大した旨が検出されて、ガスエンジン１０Ｄへの燃料供給を増加して出力を向上する必要がある場合に、燃料供給弁Ｖｆの開度を増加させると共に、三方弁Ｖｎ１、Ｖｎ２の開度を調節して、ガスエンジン１０Ｄの吸気系Ｌａへ供給されるＮ_２リッチガスの流量を増加させる。

図７において、Ｓｏ４，Ｓｏ５は、コントロールユニット２０と、三方弁Ｖｎ１、Ｖｎ２とを接続する制御信号ラインを示す。

次に、図８を参照して、第４実施形態のガス分離制御方法を説明する。

先ず、ユーザー５０からＯ_２リッチガスの需要量をチェックし（ステップＳ３１）、コントロールユニット２０は、Ｏ_２リッチガスの需要量が変動したか否かを判断する（ステップＳ３２）。
需要変動がなければ（ステップＳ３２のＮＯ）、ステップＳ３５に進む。

Ｏ_２リッチガス需要の増加変動（要請）があればステップＳ３３に進む。
ステップＳ３３（Ｏ_２リッチガス需要の増加変動要請）では、燃料供給弁Ｖｆの開度を増大させ、Ｎ_２リッチガス添加ラインＬｎに介装した三方弁Ｖｎ１，Ｖｎ２の開度をＮ_２リッチガスが増大する様に調節する。

燃料供給弁Ｖｆの開度を増大させることによりガスエンジン１０Ｄへの燃料供給量が増加してガスエンジン１０Ｄの出力は上昇し、Ｏ_２リッチガスの生成も上昇する。
一方、Ｎ_２リッチガス添加ラインＬｎに介装した三方弁Ｖｎ１，Ｖｎ２の開度の調節は、吸気へＮ_２リッチガスの添加量を増加させ、所謂、ＥＧＲ効果が高まり、ガスエンジンの排出する排気中のＮＯｘを低減し、加えて、Ｎ_２リッチガスの添加量の増加による過給効果を生み出し、ガスエンジン１０Ｄの効率を大幅に向上させる。それに加えて、ガスエンジン１０Ｄのノッキングを防止する効果が得られる。ステップＳ３３の後はステップＳ３１に戻り、再びステップＳ３１以降を繰り返す。

Ｏ_２リッチガス需要の減少変動（要請）があればステップＳ３４に進む。
ステップＳ３４（Ｏ_２リッチガス需要の減少変動要請）では、燃料供給弁Ｖｆの開度を減少させ、三方弁Ｖｎ１，Ｖｎ２の開度をＮ_２リッチガスの添加量が減少する様に調節する。燃料供給弁Ｖｆの開度の減少及び三方弁Ｖｎ１，Ｖｎ２の開度の調節によって、エンジン出力は低下し、従って分離膜１４へ供給される空気の圧力と温度が同時に下降し、Ｏ_２リッチガスの需要の減少要請に対応することが出来る。ステップＳ３４の後はステップＳ３１に戻り、再びステップＳ３１以降を繰り返す。

即ち、ステップＳ３４ではＯ_２リッチガスの需要が減少した旨が検出されれば、ガスエンジン１０Ｄへの燃料供給を減少して、出力を低減させる。その場合に、ガスエンジン１０Ｄの排気ガスにおけるＮＯｘ濃度は低下するので、ガスエンジン１０Ｄの吸気系Ｌａへ供給されるＮ_２リッチガスの流量も少なくてよい。また、出力を低減するのであるから、ガスエンジン１０Ｄの効率が向上しなくても良い。
従って、三方弁Ｖｎ１、Ｖｎ２の開度を調節して、ガスエンジン１０Ｄの吸気系へ供給されるＮ_２リッチガスの流量を減少させている。

ステップＳ３５では、コントロールユニット２０は、制御を終了するか否かを判断しており、終了するのであれば（ステップＳ３５のＹＥＳ）、そのまま終了し、制御を続行するのであれば（ステップＳ３５のＮＯ）、ステップＳ３１まで戻り、再びステップＳ３１以降を繰り返す。

第４実施形態では、Ｎ_２リッチガスがＮＧＲガスと同様な作用を奏するので、ガスエンジン１０Ｄの排気ガスのＮＯｘ濃度が低減する。
また、Ｎ_２リッチガスは、ガスエンジン１０Ｄで駆動される圧縮機１１で吐出されているので、過給されたのと同様に圧縮されている。係る圧縮されたＮ_２リッチガスがガスエンジン１０Ｄに供給されることにより、過給をした場合と同様に、ガスエンジン１０Ｄの効率が向上する。換言すれば、過給機をガスエンジンの１０Ｄ吸気系Ｌａに介装していなくても、Ｎ_２リッチガスを供給することにより、過給機を設けたのと同様な効果が得られる。さらに、Ｎ_２リッチガスを供給することにより、ノッキングが防止できる。

次に、図９〜図１１に基づいて第５実施形態を説明する。
図９〜図１１の第５実施形態は、図１、図２の第１実施形態と図７、図８の第４実施形態を組み合わせた実施形態である。ガス分離膜１４とＯ_２リッチガス供給ラインＬｏ１の三方弁Ｌｏの間の領域にはＯ_２センサ１９が介装されている。
それ以外の構成については、図１、図２の第１実施形態と図７、図８の第４実施形態を組み合わせた状態と同様である。
即ち、図９〜図１１の第５実施形態では、Ｏ_２リッチガスに関連する制御（圧縮機１１の吸入側に関連する制御）と、Ｎ_２リッチガスに関連する制御（ガスエンジン１０Ｄの吸気に関連）とを、シリーズ、又は、パラレルで行う実施形態である。

第５実施形態において、図１０は、Ｏ_２リッチガスに関連する制御（圧縮機１１の吸入側に関連する制御）を、図１１は、Ｎ_２リッチガスに関連する制御（ガスエンジン１０Ｄの吸気に関連）する制御を示したフローチャートである。

図１０を参照して、Ｏ_２リッチガスに関連する制御を説明する。
先ず、ユーザー５０からのＯ_２リッチガス需要量を監視し（ステップＳ４１）、Ｏ_２濃度が許容濃度範囲に入っているか否かを判断する（ステップＳ４２）。

Ｏ_２濃度が許容濃度範囲に入っていれば（ステップＳ４２のＹＥＳ）、三方弁Ｖｏ、Ｖｉの開度をそのまま維持してステップＳ４６に進む。

一方、Ｏ_２濃度が許容高濃度を越えていれば、三方弁ＶｏのＯ_２リッチガス添加ラインＬｏ２側の開度を減少させ（或いは閉止させ）、三方弁Ｖｉの新気吸込側の開度を増加させ（ステップＳ４４）る。圧縮機１１に吸込まれる新気へのＯ_２添加料が減少、或いはカットされるので、ユーザー５０へ供給されるＯ_２濃度は低下して、所定の濃度範囲に収まる。その後、ステップＳ４６に進む。

他方、Ｏ_２濃度が許容低濃度未満であれば、三方弁ＶｏのＯ_２リッチガス添加ラインＬｏ側の開度を増加させ、三方弁Ｖｉの新気吸込側の開度を減少、或いは閉塞させる（ステップＳ４５）。圧縮機１１に吸込まれる新気へのＯ_２添加料が増加するので、ユーザー５０へ供給されるＯ_２濃度は高まり、所定の濃度範囲に収まる。その後、ステップＳ４６に進む。

ステップＳ４６では、コントロールユニット２０は、制御を終了するか否かを判断しており、終了するのであれば（ステップＳ４６のＹＥＳ）、そのまま終了し、制御を続行するのであれば（ステップＳ４６のＮＯ）、ステップＳ４１まで戻り、再びステップＳ４１以降を繰り返す。

次に、図１１を参照して、Ｎ_２リッチガスに関連する制御を説明する。
先ず、ユーザー５０からＯ_２リッチガスの需要量をチェックし（ステップＳ５１）、コントロールユニット２０は、Ｏ_２リッチガスの需要量が変動したか否かを判断する（ステップＳ５２）。
需要変動がなければ（ステップＳ５２のＮＯ）、ステップＳ５１に戻り、再びステップＳ５１以降を繰り返す。

Ｏ_２リッチガス需要の増加変動（要請）があればステップＳ５３に進む。
ステップＳ５３（Ｏ_２リッチガス需要の増加変動要請）では、燃料供給弁Ｖｆの開度を増大させ、Ｎ_２リッチガス添加ラインＬｎに介装した三方弁Ｖｎ１，Ｖｎ２の開度をＮ_２リッチガス添加量が増加する様に調節する。

燃料供給弁Ｖｆの開度を増大させることによりガスエンジン１０Ｄへの燃料供給量が増加してガスエンジン１０Ｄの出力は上昇し、Ｏ_２リッチガスの生成も上昇する。
一方、Ｎ_２リッチガス添加ラインＬｎに介装した三方弁Ｖｎ１，Ｖｎ２の開度の調節は、吸気へＮ_２リッチガスの添加量を増加させ、所謂、ＥＧＲ効果が高まり、ガスエンジンの排出する排気中のＮＯｘを低減し、加えて、Ｎ_２リッチガスの添加量の増加による過給効果を生み出し、ガスエンジン１０Ｄの効率を大幅に向上させる。ステップＳ５３の後はステップＳ５５に進む。

Ｏ_２リッチガス需要の減少変動（要請）があればステップＳ５４に進む。
ステップＳ５４（Ｏ_２リッチガス需要の減少変動要請）では、燃料供給弁Ｖｆの開度を減少させ、三方弁Ｖｎ１，Ｖｎ２の開度をＮ_２リッチガスが減少する様に調節する。すると、エンジン出力は低下し、従って分離膜１４へ供給される空気の圧力と温度が同時に下降し、Ｏ_２リッチガスの需要の減少要請に対応することが出来る。ステップＳ５４の後はステップＳ５５に進む。

即ち、ステップＳ５４ではＯ_２リッチガスの需要が減少した旨が検出されれば、ガスエンジン１０Ｄへの燃料供給を減少して、出力を低減する。その場合に、ガスエンジン１０Ｄの排気ガスにおけるＮＯｘ濃度は低下するので、ガスエンジン１０Ｄの吸気系Ｌａへ供給されるＮ_２リッチガスの流量も少なくてよい。また、出力を低減するのであるから、ガスエンジン１０Ｄの効率が向上しなくても良い。
従って、三方弁Ｖｎ１、Ｖｎ２の開度を調節して、ガスエンジン１０Ｄの吸気系へ供給されるＮ_２リッチガスの流量を減少させている。

ステップＳ５５では、コントロールユニット２０は、制御を終了するか否かを判断しており、終了するのであれば（ステップＳ５５のＹＥＳ）、そのまま終了し、制御を続行するのであれば（ステップＳ５５のＮＯ）、ステップＳ５１まで戻り、再びステップＳ５１以降を繰り返す。

図９〜図１１の第５実施形態によれば、Ｏ_２濃度が常に監視されており、Ｏ_２濃度が所定の濃度から逸脱すれば、Ｏ_２濃度は、即座に所定の濃度範囲に修復される。Ｎ_２リッチガスがＥＧＲガスと同様な作用を奏するので、ガスエンジン１０Ｄの排気ガスのＮＯｘ濃度が低減する。
また、Ｎ_２リッチガスは、ガスエンジン１０Ｄで駆動される圧縮機１１で吐出されているので、過給されたのと同様に圧縮されている。係る圧縮されたＮ_２リッチガスがガスエンジン１０Ｄに供給されることにより、過給をした場合と同様に、ガスエンジン１０Ｄの効率が向上する。換言すれば、過給機をガスエンジンの１０Ｄ吸気系Ｌａに介装していなくても、Ｎ_２リッチガスを供給することにより、過給機を設けたのと同様な効果が得られる。それと共に、Ｎ_２リッチガスをガスエンジン１０Ｄへ供給することによって、ノッキングが防止される。

図示の実施形態はあくまでも例示であり、本発明の技術範囲を限定する趣旨の記述ではない。
例えば、図示の実施形態で、圧縮機１１はガスエンジン１０で駆動されるタイプであり、圧縮機１１の吐出ガスはガスエンジン１１の排気で加熱されているが、ガスエンジン１０に代えて、コージェネレーションシステムを用いても良い。

第１実施形態のガス分析システムの構成を説明するブロック図。 第１実施形態のガス分離制御方法を説明するフローチャート。 第２実施形態のガス分析システムの構成を説明するブロック図。 第２実施形態のガス分離制御方法を説明するフローチャート。 第３実施形態のガス分析システムの構成を説明するブロック図。 第３実施形態のガス分離制御方法を説明するフローチャート。 第４実施形態のガス分析システムの構成を説明するブロック図。 第４実施形態のガス分離制御方法を説明するフローチャート。 第５実施例のブロック図。 第５実施形態のＯ_２リッチガスに関連する制御方法を説明するフローチャート。 第５実施形態のＮ_２リッチガスに関連する制御方法を説明するフローチャート。 従来技術におけるガス分離システムの構成を説明するブロック図。

符号の説明

１０・・・ガスエンジン
１１・・・圧縮機
１３・・・熱交換器
１４・・・分離膜
１８・・・ＮＯｘセンサ
１９・・・Ｏ_２センサ
Ｌａ・・・吸気ライン
Ｌｃ・・・圧縮機の吐出ライン
Ｌｆ・・・燃料供給ライン
Ｌｉ・・・空気供給ライン
Ｌｈ・・・排気ライン
Ｌｏ，Ｌｏ１・・・Ｏ_２リッチガス供給ライン
Ｌｏ２・・・Ｏ_２リッチガス添加ライン
Ｌｎ・・・Ｎ_２リッチガス添加ライン
Ｖｉ，Ｖｏ，Ｖｎ，Ｖｆ３・・・三方弁
Ｖｆ・・・燃料供給弁

Claims (8)

1. ガス加圧装置と、該ガス加圧装置からのガスを加熱する加熱装置と、該加熱装置で加熱したガスを分離するガス分離膜とを有するガス分離システムにおいて、前記ガス加圧装置がガスエンジンで駆動される圧縮機であり、前記加熱装置は前記ガスエンジンの排気ガスが保有する熱量を圧縮機から吐出されたガスに投入する様に構成された熱交換器であることを特徴とするガス分離システム。
2. ガス分離膜で生成されたガスを圧縮機の吸込側に導入する導入通路と、制御装置とを備え、前記制御装置は、ガス分離膜で生成されたガスの濃度を増加させる場合にガス分離膜で生成されたガスが導入通路を流れる流量を増加させ、濃度を減少させる場合にはガス分離膜で生成されたガスが導入通路を流れる流量を減少させる制御を行う様に構成されている請求項１のガス分離システム。
3. ガス分離膜で生成された窒素リッチガスをガスエンジンの吸気側に導入する還元通路と、ガスエンジンの排気系に介装されて排気ガスの窒素酸化物濃度を計測する計測手段と、制御装置とを備え、該制御装置は、排気ガスの窒素酸化物濃度が許容値以上となった場合にガスエンジンの吸気側に導入される窒素リッチガスの流量を増加させる制御を行う様に構成されている請求項１、２の何れかのガス分離システム。
4. ガス分離膜で生成された窒素リッチガスをガスエンジンの吸気側に導入する還元通路と、該還元通路を介してガスエンジンの吸気側に導入される窒素リッチガスの流量を制御する流量制御手段と、制御装置とを備え、該制御装置は、ガス分離膜で生成される酸素リッチガスの流量を増加させる場合にはガスエンジンの吸気側に導入される窒素リッチガスの流量を増加させ、酸素リッチガスの流量を減少させる場合にはガスエンジンの吸気側に導入される窒素リッチガスの流量を減少させる制御を行う様に構成されている請求項１〜３の何れか１項のガス分離システム。
5. 請求項１のガス分離システムを制御する制御方法において、ガス分離膜で生成されたガスの需要が増大した場合にはガスエンジンへの燃料供給量を増加させ、需要が減少した場合にはガスエンジンへの燃料供給量を減少させることを特徴とするガス分離システムの制御方法。
6. 請求項２のガス分離システムを制御する制御方法において、ガス分離膜で生成されたガスの濃度を増加させる場合にはガス分離膜で生成されたガスが導入通路を流れる流量を増加させ、ガス分離膜で生成されたガスの濃度を減少させる場合にはガス分離膜で生成されたガスが導入通路を流れる流量を減少させることを特徴とするガス分離システムの制御方法
7. 請求項３のガス分離システムを制御する制御方法において、ガスエンジンの排気系に介装された計測手段により排気ガスの窒素酸化物濃度を計測する工程と、排気ガスの窒素酸化物濃度が許容値以上となった場合にガスエンジンの吸気側に導入される窒素リッチガスの流量を増加させる工程、とを有していることを特徴とするガス分離システムの制御方法。
8. 請求項４のガス分離システムを制御する制御方法において、ガス分離膜で生成される酸素リッチガスの流量を増加させるか否かを判定する工程と、ガス分離膜で生成される酸素リッチガスの流量を増加させる場合にはガスエンジンの吸気側に導入される窒素リッチガスの流量を増加させる工程と、酸素リッチガスの流量を減少させる場合にはガスエンジンの吸気側に導入される窒素リッチガスの流量を減少させる工程、とを含むことを特徴とするガス分離システムの制御方法。

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