JP2009018970A

JP2009018970A - 酸素濃縮装置

Info

Publication number: JP2009018970A
Application number: JP2007184204A
Authority: JP
Inventors: Kunihiko Nakano; 邦彦中野; Kentaro Narai; 健太郎成相; Noriyoshi Osawa; 法喜大澤; Hiroyuki Kamata; 博之鎌田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2009-01-29

Abstract

【課題】吸着剤の交換が不要な酸素濃縮装置を提供する。
【解決手段】空気を圧縮するためのコンプレッサ２と、そのコンプレッサ２の圧縮空気が交互に供給され、かつ窒素を吸着・脱着する吸着剤が充填された複数の吸着層３とを備え、上記吸着層３の上流に、圧縮空気中の水分を除去するための吸湿剤が充填された吸湿層４を各々設けた酸素濃縮装置１において、上記吸湿層４と上記吸着層３との間に、水分濃度を検出するための水分センサ５を設けたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、窒素吸着剤が充填された吸着層に圧縮空気を供給して高濃度酸素を製造する酸素濃縮装置に関するものである。

従来、空気中の窒素をゼオライトなどの吸着剤に吸着させて酸素を濃縮する酸素濃縮装置が知られている。

例えば、ＰＳＡ（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式の酸素濃縮装置では、吸着剤が充填された吸着筒を少なくとも二つ設け、いずれかの吸着筒にコンプレッサで圧縮した空気を供給して酸素の濃縮を行うと共に、他の吸着筒では吸着剤に吸着した窒素を脱着して吸着剤を再生し、これら酸素の濃縮を行う吸着筒と吸着剤の再生を行う吸着筒とを交互に切り替えて、連続的に高濃度酸素を製造するようにしている。

このように酸素濃縮装置の構成機器の一つである吸着筒には、酸素濃縮機能を持つ吸着剤が充填されている。この吸着剤は、酸素濃縮装置の使用環境（温度、湿度など）に応じて水分を吸着するが、吸着剤は水分吸着量が増えると酸素濃縮能力が低下してしまう。そのため、吸着筒の吸着剤の上流に空気中の水分除去を目的とした吸湿剤を充填するのが一般的である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３４４７３５号公報

ここで、吸着剤は、水分を吸着しない限り、再生を行うことで半永久的に酸素濃縮機能を有する。したがって、吸着剤の上流の吸湿剤で水分が十分除去されていれば、吸着剤の交換は必要ない。

しかしながら、従来の酸素濃縮装置では、吸湿剤の水分除去能力の低下を、それに伴う吸着剤の水分吸着による製造酸素濃度の低下によって把握していたので、酸素濃縮装置の性能を回復するためには、吸湿剤と吸着剤の両方を交換する必要があった。

すなわち、従来の酸素濃縮装置では、製品ガス（高濃度酸素）の取出し口などに酸素濃度センサを設け、その酸素濃度センサで検出された酸素濃度が低下したときに、吸湿剤および吸着剤が劣化した判断して、それら吸湿剤および吸着剤の両方を交換するようにしていた。

このように従来は吸着剤の能力が低下するまで、吸湿剤の劣化を検出することができなかったため、吸湿剤の劣化により、吸湿剤のみならず吸着剤も交換する必要があった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、吸湿剤の性能を維持し、吸着剤の交換作業が少ない酸素濃縮装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、空気を圧縮するためのコンプレッサと、そのコンプレッサの圧縮空気が交互に供給され、かつ窒素を吸着・脱着する吸着剤が充填された複数の吸着層とを備え、上記吸着層の上流に、圧縮空気中の水分を除去するための吸湿剤が充填された吸湿層を各々設けた酸素濃縮装置において、上記吸湿層と上記吸着層との間に、水分濃度を検出するための水分センサを設けたものである。

好ましくは、上記吸着層と上記吸湿層とを収容するための複数の吸着筒を備え、上記吸着筒内で上記吸湿層と上記吸着層とが離間させて配置されると共に、それら吸湿層と吸着層との間のスペースに、上記水分センサが配置されたものである。

上記吸着層を収容するための複数の吸着筒と、該吸着筒の上流に各々設けられ上記吸湿層を収容するための複数の吸湿筒とを備え、上記水分センサが上記吸湿筒と上記吸着筒とを繋ぐ配管に設けられたものでもよい。

好ましくは、上記吸着剤がゼオライトからなり、上記吸湿剤が活性アルミナ、シリカゲルや活性炭からなるものである。

本発明によれば、吸着剤の性能を維持し、吸着剤の交換作業が少なくなるという優れた効果を発揮するものである。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

本実施形態の酸素濃縮装置は、ＰＳＡ（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｗｉｎｇＡｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式により酸素を濃縮するＰＳＡ装置であり、例えば、医療用酸素濃縮装置としてやオゾン発生器の酸素供給源として用いられる。

図１に示すように、酸素濃縮装置１は、空気を圧縮するためのコンプレッサ２と、窒素を吸着・脱着する吸着剤が充填された複数（図例では二つ）の吸着層３、３と、各吸着層３の上流（図１において下方）に各々設けられ圧縮空気中の水分を除去する吸湿剤が充填された複数（図例では二つ）の吸湿層４、４と、それら吸着層３と吸湿層４とを収容する複数（図例では二つ）の吸着筒６、６と、該吸着筒６で濃縮された高濃度酸素を貯蔵するためのバッファタンク７と、吸着筒６で脱着された窒素を放出するためのサイレンサ８と、各吸着筒６をコンプレッサ２およびサイレンサ８のいずれかに連通させるための切替手段をなす二つの流路切替弁９、９と、これらの機器類を繋ぐ配管２１−２５とを備える。

ここで、上流とは、吸着運転時の吸着筒６内の圧縮空気の流れ（図１の実線太矢印参照）における上流のことをいう。

コンプレッサ２は、例えば、電動ダイヤフラムコンプレッサなどの容積型コンプレッサである。コンプレッサ２は、これに限定されず非容積型のものでもよい。

コンプレッサ２と二つの流路切替弁９、９とは、コンプレッサ２から延び分岐部２１１にて二股状に分岐して各流路切替弁９に至る分岐管２１を介して接続される。

流路切替弁９は、吸着筒６ごとに設けられ、各吸着筒６に筒接続管２２を介して接続される。また、流路切替弁９は、サイレンサ８に放出管２３を介して接続される。放出管２３は、各流路切替弁９から各々延び集合部２３１にて集合されてサイレンサ８に至る。

図例の流路切替弁９は、三方弁からなり、分岐管２１に接続されたコンプレッサポート９１と、筒接続管２２に接続された吸着筒ポート９２と、放出管２３に接続されたサイレンサポート９３とを有する。

流路切替弁９は、吸着筒６の吸着運転時には、吸着筒ポート９２とコンプレッサポート９１とを接続して吸着筒６をコンプレッサ２に連通し、脱着（再生）運転時には、吸着筒ポート９２とサイレンサポート９３とを接続して吸着筒６をサイレンサ８に連通する。

吸着筒６内には、吸着層３と吸湿層４とが、上流側と下流側とに（図１において上下方向に）離間して配置される。

吸着層３は、例えば、袋状のパッケージ部材などに吸着剤を充填して構成され、吸湿層４も袋状のパッケージ部材に吸湿剤を充填して構成される。本実施形態では、吸着剤が、ゼオライト（合成ゼオライトなど）からなり、吸湿剤が、活性アルミナからなる。なお、吸着層３および吸湿層４は、吸着筒６内に一対のフィルタ部材などで充填空間を区画し、その充填空間に吸着剤または吸湿剤を充填して構成してもよい。

本実施形態では、吸湿層４と吸着層３との間に、吸湿層４と吸着層３との間を流れるガス中の水分濃度を検出するための水分センサ５が設けられる。水分センサ５は、例えば、水分濃度を湿度（或いは露点）として検出する静電容量センサであるが、これに限定されず様々なものを用いることができる。

水分センサ５は、各吸着筒６に各々設けられる。水分センサ５は、吸着筒６内に挿入されたプローブ５１と、そのプローブ５１の検出信号が入力されるセンサ本体５２とを有する。プローブ５１の先端（検出部）は、吸湿層４と吸着層３との間のスペースに配置される。センサ本体５２は、プローブ５１の検出信号を処理して水分濃度を求める。センサ本体５２は、水分濃度を表示する表示器（図示せず）を有する。

吸着筒６とバッファタンク７とは、各吸着筒６から各々延び集合部２４１にて集合されてバッファタンク７に至る取出管２４を介して接続される。取出管２４における各吸着筒６と集合部２４１との間には、吸着筒６内の圧力（吸着運転圧力）を調整するためのオリフィス２４２、２４２が各々設けられる。

バッファタンク７は、酸素供給管２５を介して図示しない酸素供給先（オゾン発生器など）に接続される。酸素供給管２５には、酸素供給先への供給圧を一定に保つための減圧弁２５１が設けられる。

次に図１に基づき本実施形態の酸素濃縮装置１の作用を説明する。

本実施形態の酸素濃縮器では、コンプレッサ２からの圧縮空気を吸着筒６のいずれか一方に供給してその吸着筒６で圧縮空気中の窒素を吸着して酸素の濃縮を行い（吸着工程、吸着運転）、かつ他方の吸着筒６には圧縮空気の供給を停止して吸着筒６内の圧力を低下させて吸着剤の再生を行う（再生工程、再生運転）。さらに、これら吸着工程を行う吸着筒６と再生工程を行う吸着筒６とを所定時間ごとに交互に切り替えることで、連続的に高濃度酸素を製造する。

まず、吸着工程について、図１の左側の吸着筒６を用いて説明する。

コンプレッサ２に吸入された原料ガスの空気（外気）は、コンプレッサ２で所定の吐出圧まで昇圧された後、分岐管２１と、流路切替弁９と、筒接続管２２とを順に通り、吸着筒６に導入される。その吸着筒６に導入された圧縮空気は、吸湿層４の吸湿剤で除湿された後、吸着層３の吸着剤で窒素が吸着されて高濃度酸素となり、バッファタンク７に貯蔵される。

本実施形態の吸着工程では、圧縮空気が吸湿層４を通過した後、吸着層３に流入する前に、その圧縮空気中の水分濃度を水分センサ５により検出し、その水分センサ５の検出水分濃度が所定水分濃度を超えるとき、吸湿層４の吸湿剤が交換時期に達したと判断する。

例えば、水分センサ５が検出水分濃度を図示しない表示器に表示し、その表示から使用者が吸湿剤の水分除去能力の低下を把握し、検出水分濃度が所定水分濃度を超えるとき、吸湿剤の水分除去能力が許容できない程度に低下していると判断して、酸素濃縮装置１の運転を停止して吸湿剤の交換を行う。

所定水分濃度は、例えば、予め実験などで求められ、吸湿剤の水分除去能力が許容できない程度に低下したときの値などに設定される。

このように酸素濃縮装置１の運転中に、吸湿層４（吸湿剤）の下流に設置された水分センサ５により連続的にガス中（圧縮空気中）の水分濃度を監視し、水分濃度が上昇を開始した時点で、吸湿剤だけを交換することにより、酸素濃縮装置１の酸素製造能力を維持することができる。

次に、再生工程について、図１の右側の吸着筒６を用いて説明する。

再生工程では、吸着筒６への圧縮空気の供給が停止されると共に、吸着筒６内に、バッファタンク７（および／または吸着側の吸着筒６）から乾燥した高濃度酸素が導入される。その導入された高濃度酸素により、吸着剤に吸着していた窒素と吸湿剤に吸着した水分とが脱着され、そのパージガスが、吸着筒６から筒接続管２２と、流路切替弁９と、放出管２３と、サイレンサ８とを順に通り外部に放出される。

再生工程では、水分センサ５は、高濃度酸素と吸着剤から脱着された窒素との混合ガス中の水分濃度を検出するので、基本的には、水分センサ５の検出水分濃度が上記所定水分濃度を超えることはない。そのため、吸湿剤の交換時期の判断は行われない。

以上のように、本実施形態の酸素濃縮装置１によれば、吸着筒６内の吸湿層４（吸湿剤）の出口（下流）に設置した水分センサ５によりガス中（圧縮空気中、パージガス中）の水分濃度を計測し、吸湿剤の水分除去能力の低下を把握しているので、吸湿剤の水分除去能力が低下した時点で、吸着剤が水分を吸着してしまう前に、吸湿剤を交換することが可能となり、水分による吸着剤の劣化を防止することができる。その結果、吸着剤の交換が不要となる。

また、吸湿剤の水分除去能力の低下を、各吸着筒６（各吸湿剤）ごとに、把握することができるので、能力を低下した吸湿剤のみを交換することができる。

すなわち、従来はバッファタンク７などの酸素濃度センサで、間接的に吸湿剤の能力低下を把握、判断していたため、酸素濃縮装置の吸湿剤を全て交換していたが、本実施形態では、吸湿剤の能力低下を個別に把握、判断することで、劣化した吸湿剤のみを交換することができる。これにより、吸湿剤の交換コストを低減することができる。

次に、図２に基づき他の実施形態を説明する。

本実施形態は、上述の図１の実施形態とは、吸着筒の構造と水分センサの配置とが異なり、その他は実質的に同じである。したがって、上述の実施形態と同一の要素については、図中同一符号を付すに止め、詳細な説明は省略する。

本実施形態の酸素濃縮装置１１は、吸着層３を収容する複数の吸着筒１１１と、該吸着筒６の上流に各々設けられ吸湿層４を収容する複数の吸湿筒１１２とを備える。それら吸着筒１１１と吸湿筒１１２とは、連絡管１１３により接続される。

水分センサ５は、吸着筒１１１と吸湿筒１１２とを繋ぐ配管（連絡管１１３）に設けられ、水分センサ５のプローブ５１が連絡管１１３内に挿入される。

本実施形態では、上述した実施形態と同様の効果が得られ、さらに、吸着層３と吸湿層４（吸着剤と吸湿剤）とを、吸着筒１１１と吸湿筒１１２とに別々に収容することで、吸湿剤の交換を容易に行うことができる。また、水分センサ５を連絡管１１３に設けるので、吸着筒に設ける場合に比べて水分センサ５を容易に追加することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、様々な変形例や応用例が考えられるものである。

例えば、吸着剤は、ゼオライトに限定されず窒素を選択的に吸着しかつ脱着可能なものであれば様々なものが可能である。また、吸湿剤は、活性アルミナに限定されず、シリカゲルや活性炭、又はゼオライトなどでもよく、さらに、それらの混合物でもよい。

また、水分センサ５で検出された水分濃度が、所定水分濃度を超えるときに、吸湿剤が交換時期にあることを通知する通知手段を設けてもよい。

例えば、通知手段は、吸着筒６ごとに設けられた警告装置（ランプ、ブザーなど）と、それら警告装置を制御すると共に水分センサ５で検出された水分濃度が入力されるコントローラとからなり、コントローラは、水分センサ５で検出された水分濃度が所定水分濃度を超えるときに、その水分センサ５が設けられた吸着筒６の警告装置を作動させる。

この通知手段によれば、吸湿剤の水分除去能力の低下をより容易に把握することができる。

また、再生工程時に水分センサの検出水分濃度に基づき、吸着剤の劣化（能力低下）を判断するようにしてもよい。例えば、再生工程において、水分センサ５により検出された吸着層３を通過したガス（製品ガスに脱着した窒素を含むガス）中の水分濃度が、吸着層３の吸着剤が水分劣化したと判断できる水分濃度を超えるときに、吸着剤の交換時期と判断し、吸着剤および／または吸湿剤の交換を行うようにしてもよい。

図１は、本発明に係る一実施形態による酸素濃縮装置の概略構成図である。図２は、他の実施形態に係る酸素濃縮装置の概略構成図である。

符号の説明

１、１１酸素濃縮装置
２コンプレッサ
３吸着層
４吸湿層
５水分センサ

Claims

空気を圧縮するためのコンプレッサと、そのコンプレッサの圧縮空気が交互に供給され、かつ窒素を吸着・脱着する吸着剤が充填された複数の吸着層とを備え、上記吸着層の上流に、圧縮空気中の水分を除去するための吸湿剤が充填された吸湿層を各々設けた酸素濃縮装置において、
上記吸湿層と上記吸着層との間に、水分濃度を検出するための水分センサを設けたことを特徴とする酸素濃縮装置。
上記吸着層と上記吸湿層とを収容する複数の吸着筒を備え、
上記吸着筒内で上記吸湿層と上記吸着層とが離間させて配置されると共に、それら吸湿層と吸着層との間のスペースに、上記水分センサが配置された請求項１記載の酸素濃縮装置。
上記吸着層を収容する複数の吸着筒と、該吸着筒の上流に各々設けられ上記吸湿層を収容する複数の吸湿筒とを備え、
上記水分センサが上記吸湿筒と上記吸着筒とを繋ぐ配管に設けられた請求項１記載の酸素濃縮装置。
上記吸着剤がゼオライトからなり、上記吸湿剤が活性アルミナ、シリカゲルや活性炭からなる請求項１から３いずれかに記載の酸素濃縮装置。