JP2009040634A - 窒素発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】取り込まれた圧縮空気を原料ガスとして利用しつつ、その空気圧を利用して吸着筒を交互に切り替えることが可能な窒素発生装置を提供する。
【解決手段】特定の気体を吸着する吸着剤を内部にそれぞれ有する吸着筒３ａ、３ｂを備えた窒素発生装置１であって、圧縮空気を取り込むエア取込口２と、エア取込口２から取り込まれた圧縮空気の圧力を制御圧Ｓ１、Ｓ２として出力する制御手段２５、２６と、エア取込口２から取り込まれた圧縮空気を吸着筒３ａへ導く第１切替位置と、圧縮空気を吸着筒３ｂへ導く第２切替位置と、を有する５ポートマスタバルブ２４と、を備え、５ポートマスタバルブ２４は、オンディレータイマ２５が出力する制御圧Ｓ１に基づいて第１切替位置又は前記第２切替位置に交互に切り替えるように制御される。
【選択図】図２

Description

本発明は、窒素を発生させる窒素発生装置に関する。

酸素ガスを吸着する２つの吸着筒を交互に使用して空気中の酸素ガスと窒素ガスとを分離して窒素ガスを取り出す装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この装置では、一方の吸着筒内に空気を加圧流入して吸着筒内の吸着剤に酸素ガスを吸着させつつ窒素ガスを排出する吸着工程と、他方の吸着筒内を減圧して吸着剤に吸着した酸素ガスを排出して吸着剤を再生させる脱着工程とを並行して実施し、吸着筒を交互に切り替えてそれらの工程を繰り返すことにより連続してガスを分離させるＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）方式が採用されている。
特開２００１−２１９０２４号公報

揮発性を有する物質を扱う工場内に上記の窒素発生装置を設置する場合、吸着筒の切り替えに電気制御機器を使用すると着火防止のための措置が必要となり、装置が複雑化、あるいは大型化するといった不都合がある。

そこで、取り込まれた圧縮空気を原料ガスとして利用しつつ、その空気圧を利用して吸着筒を交互に切り替えることが可能な窒素発生装置を提供することを目的とする。

本発明の窒素発生装置は、特定の気体を吸着する吸着剤を内部にそれぞれ有する第１及び第２の吸着筒（３ａ、３ｂ）を備えた窒素発生装置（１）であって、圧縮空気を取り込むエア取込口（２）と、前記エア取込口から取り込まれた圧縮空気の圧力を制御圧（Ｓ１）として出力する制御手段（２５、２６）と、前記エア取込口から取り込まれた圧縮空気を前記第１の吸着筒へ導く第１の切替位置と、該圧縮空気を前記第２の吸着筒へ導く第２の切替位置と、を有する切替弁（２４）と、を備え、前記切替弁は、前記制御手段が出力する制御圧（Ｓ１）に基づいて前記第１の切替位置又は前記第２の切替位置に交互に切り替えるように制御されることにより上記課題を解決する。

本発明の窒素発生装置によれば、エア取込口から取り込まれた圧縮空気は、切替弁にも導かれて第１の吸着筒又は第２の吸着筒へ供給される。一方、同じエア取込口から取り込まれた圧縮空気の一部は、制御手段に導かれて空気圧制御で利用される制御圧として出力される。制御手段からの制御圧に基づいて切替弁が第１の切替位置又は第２の切替位置に交互に切り替わることにより、圧縮空気は、第１の吸着筒又は第２の吸着筒へ交互に供給される。従って、取り込まれた圧縮空気を原料ガスとして第１の吸着筒及び第２の吸着筒へ供給するとともに、同一の場所から取り込まれた圧縮空気を空気圧制御にも利用することができる。よって、簡易な機構で電気制御によらない制御系を構築することができる。

本発明の窒素発生装置の一形態において、前記制御手段は、制御圧を出力するオンディレータイマ（２５）及びオフディレータイマ（２６）で構成され、前記オフディレータイマは、前記オンディレータイマからの制御圧（Ｓ１）に基づいて前記オフディレータイマの制御圧（Ｓ２）をオフする計時動作を開始して該オフディレータイマに予め定められた時間（Ｔ２）の後に制御圧をオフし、前記オンディレータイマは、前記オフディレータイマの制御圧のオフに基づいて計時動作を開始して該オンディレータイマに予め定められた時間（Ｔ１）の後に制御圧を出力し、前記切替弁には、前記オンディレータイマからの制御圧が入力されてもよい。この形態によれば、空気圧駆動のオンディレータイマとオフディレータイマを組み合わせることにより、オンディレータイマからの制御圧に基づいて切替弁を交互に切り替える制御ができる。

本発明の窒素発生装置の一形態において、前記吸着剤が、分子篩炭であってもよい。吸着筒内で酸素ガスを吸着するので、分離した窒素を効率的に取り出すことができる。

なお、以上の説明では本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記したが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

以上に説明したように、本発明の窒素発生装置によると、エア取込口から取り込まれた圧縮空気は、その一部が制御手段に導かれて空気圧制御で利用される制御圧として出力され、かつ同じエア取込口から切替弁にも導かれて第１の吸着筒及び第２の吸着筒へ供給される。切替弁が、制御手段からの制御圧に基づいて第１の切替位置又は第２の切替位置に交互に切り替わることにより、圧縮空気は、第１の吸着筒又は第２の吸着筒へ交互に供給される。従って、取り込まれた圧縮空気を原料ガスとして第１の吸着筒及び第２の吸着筒へ供給するとともに、同一の場所から取り込まれた圧縮空気を空気圧制御にも利用することができる。

図１は、本発明の一形態に係る窒素発生装置の概略図である。窒素発生装置１は、揮発性を有する物質を扱う工場、例えば、有機溶剤を含んだインキを扱う印刷工場内に設置される。工場内には通常、圧縮空気を供給するエア供給設備が配管されている。窒素発生装置１は、圧縮空気を取り込むためのエア取込口２と、酸素ガスを吸着する２つの吸着筒３ａ、３ｂと、窒素ガスを取り出すための窒素ガス取出口４と、装置を操作するための操作部５とを備えている。エア取込口２はエア供給設備と接続されて、エア供給設備からエア取込口２へ圧縮空気が送り込まれる。２つの吸着筒３ａ、３ｂ（参照符号３で代表することがある。）は、筒状の本体内部に酸素ガスを吸着する吸着剤を備える。吸着剤として、例えば、分子篩炭が利用される。分子篩炭は、多数の細孔を有し、酸素ガスを吸着する性質を有する。窒素ガス取出口４は、窒素ガス供給先と接続される。

操作部５は、装置の運転をオンオフするための運転スイッチ６と、エア取込口２に送り込まれた圧縮空気の圧力値を表示する入口圧力表示部７と、吸着筒３から送り出された窒素ガスの圧力値を表示する出口圧力表示部８と、窒素ガスの流量を表示する流量表示部９と、窒素ガスの流量を調整する流量調整ツマミ１０とを備えている。運転スイッチ６は、窒素発生装置１の運転、非運転を切り替えるためのスイッチで、作業者により操作される。入口圧力表示部７は、装置内部に設置されてエア取込口２から取り込まれた圧縮空気の圧力を測定する図示しない圧力計の測定値を表示する。出口圧力表示部８及び流量表示部９も同様にして、吸着筒３から送り出された窒素ガスの圧力を測定する圧力計及び流量を測定する流量計の測定値をそれぞれ表示する。これらの圧力計及び流量計には、公知の各種測定器を利用してもよい。流量調整ツマミ９は、窒素ガス取出口４から取り出される窒素ガスの流量を調整するツマミで、作業者により操作される。

次に、図２及び図３のフロー図を参照して窒素発生装置１の制御系について説明する。窒素発生装置１は、原料となる圧縮空気の吸着筒３への供給を制御する空圧制御部１１と、吸着筒３にて分離される窒素ガスの取出しを制御するＰＳＡ部１２とを備えている。図２に示すように、空圧制御部１１は、取り込まれた圧縮空気を減圧する入口減圧弁２１と、圧縮空気中の異物を除去するフィルタ２２と、圧縮空気の流路を開閉するシリンダバルブ２３と、吸着筒３への圧縮空気の供給を切り替える切替弁としての５ポートマスタバルブ２４と、５ポートマスタバルブ２４の切替えを制御する制御手段としてのオンディレータイマ２５及びオフディレータイマ２６とを備えている。空圧制御部１１は、制御信号として空気圧が利用される。つまり、空圧制御部１１では、運転スイッチ６がオンされることにより空気圧制御用の流路が開き、シリンダバルブ２３及びオンディレータイマ２５及びオフディレータイマ２６に開始制御圧ａが出力される。

入口減圧弁２１は、エア取込口２から取り込まれた圧縮空気の圧力を減圧する。シリンダバルブ２３は、ノーマルクローズ形で、運転スイッチ６から開始制御圧ａが出力されると流路を開く。５ポートマスタバルブ２４は、５つのポートを備えたマスタバルブで、入力ポートに導かれた圧縮空気を流路Ａへ導く出力ポートに切り替える第１切替位置と、流路Ｂへ導く出力ポートに切り替える第２切替位置とを有する。流路Ａ、Ｂは、それぞれ吸着筒３ａ、３ｂと接続されている。５ポートマスタバルブ２４の２つの排気ポートはそれぞれ、排気口２７と接続されている。一方の出力ポートが入力ポートに接続されているとき、他方の出力ポートは排気ポートと接続される。オンディレータイマ２５は、入力信号（本形態では、開始制御圧ａが相当する。）が入力されると計時動作を開始して予め定められた一定時間の経過後に出力信号（本形態では、制御圧Ｓ１が相当する。）を出力するタイマである。オフディレータイマ２６は、入力信号（開始制御圧ａ）の入力と同時に出力信号（制御圧Ｓ２）を出力し、入力信号がオフされると計時動作を開始して予め定められた一定時間の経過後に出力信号をオフするタイマである。オンディレータイマ２５の出力先は５ポートマスタバルブ２４及びオフディレータイマ２６と接続され、オフディレータイマ２６の出力先はオンディレータイマ２５と接続される。

ＰＳＡ部１２は、図３に示すように、吸着筒３ａ、３ｂへの窒素ガスの逆流を防止する逆止弁３１ａ、３１ｂと、流路Ａ、Ｂの切替え時の吸着筒３への圧縮空気の流速を緩和するオリフィス３２と、流路Ａ、Ｂの切替えによる吸着筒３から送り出された窒素ガスの圧力変動と濃度変動とを均一化するためのバッファタンク３３と、送り出された窒素ガスの圧力を減圧する出口減圧弁３４と、取り出される窒素ガス量を調整する絞り弁３５とを備えている。逆止弁３１ａ、３１ｂは、吸着筒３から窒素ガスが送り出される向きを流れる方向にして設置されて、送り出された窒素ガスの逆流を防ぐ。オリフィス３２は、吸着筒３ａと逆止弁３１ａとを結ぶ通路３６と、吸着筒３ｂと逆止弁３１ｂとを結ぶ通路３７とを接続する通路３８に設置される。通路３８にオリフィス３２を設置しない場合に比べて吸着筒３への圧縮空気の流入を抑えるので、流路Ａ、Ｂの切替え時の吸着筒３への圧縮空気の流速が小さくなる。これにより、流路Ａ、Ｂの切替え時に流速が大きいことによる窒素ガス取出し側への酸素ガスの流出を防止することができる。バッファタンク３３は、送り出された窒素ガスを一時的に貯留する。なお、空圧制御部１１及びＰＳＡ部１２を構成する機器には公知の各種技術を利用した部材を用いてもよい。

次に、窒素発生装置１の動作を説明する。運転スイッチ６がオンされると、シリンダバルブ２３、オンディレータイマ２５、オフディレータイマ２６に開始制御圧ａが送られる。開始制御圧ａに基づいてシリンダバルブ２３が開き、取り込まれた圧縮空気がエア取込口２を介して窒素発生装置１内に流入する。圧縮空気は、入口減圧弁２１にて所定の圧力に減圧された後、フィルタ２２にて塵等の異物が取り除かれる。そして、圧縮空気は、シリンダバルブ２３を通過して５ポートマスタバルブ２４の流路の切替えに応じて流路Ａ、Ｂのいずれかを流れていく。

５ポートマスタバルブ２４の流路の切替えは、オンディレータイマ２５及びオフディレータイマ２６により制御される。図４にオンディレータイマ２５及びオフディレータイマ２６のタイムチャートを示す。運転スイッチ６から開始制御圧ａが出力されると、オンディレータイマ２５は、一定時間Ｔ１の後に制御圧Ｓ１をオフディレータイマ２６へ出力する。一方、オフディレータイマ２６は、開始制御圧ａの出力に基づいて制御圧Ｓ２を出力し、オンディレータイマ２５からの制御圧Ｓ１に基づいて計時動作を開始して一定時間Ｔ２の後に制御圧Ｓ２をオフする。この制御圧Ｓ２のオフに基づいて、オンディレータイマ２５は制御圧Ｓ１をオフするとともに計時動作を開始して一定時間Ｔ１の後に制御圧Ｓ１を出力する。つまり、オンディレータイマ２５の制御圧Ｓ１は、一定時間Ｔ１の間はオフ、一定時間Ｔ２の間はオンとなる。このようにして運転スイッチ６がオンしている間、オンディレータイマ２５及びオフディレータイマ２６は上述の動作を繰り返す。オンディレータイマ２５の制御圧Ｓ１は、５ポートマスタバルブ２４に出力される。５ポートマスタバルブ２４は制御圧Ｓ１に基づいて第１切替位置又は第２切替位置に切り替わる。図４に、流路Ａ、Ｂへの圧縮空気の流れも示す。５ポートマスタバルブ２４は制御圧Ｓ１が出力されると第２切替位置に切り替わり、圧縮空気を流路Ｂに導く。一方、制御圧Ｓ１の出力がオフすると５ポートマスタバルブ２４は第１切替位置に切り替わり、圧縮空気を流路Ａに導く。

５ポートマスタバルブ２４が第１切替位置に切り替えられて圧縮空気が吸着筒３ａに供給されると、吸着筒３ａ内の分子篩炭により圧縮空気中の酸素ガスが吸着されて窒素ガスが送り出される。５ポートマスタバルブ２４が制御圧Ｓ１に基づいて一定時間Ｔ１の後に第２切替位置に切り替わると、吸着筒３ｂに圧縮空気が供給されて同様にして窒素ガスが送り出される。このとき、流路Ａは排気口２７と接続されて吸着筒３ａ内は大気圧まで減圧される。これにより吸着筒３ａの分子篩炭に吸着されていた酸素ガスは排気口２７から排出されて分子篩炭が再生される。このように、分子篩炭に酸素ガスを吸着させる吸着工程と分子篩炭に吸着した酸素ガスを脱着する脱着工程とを各吸着筒３ａ、３ｂで繰り返すことにより、連続して吸着筒３から窒素ガスが送り出される。

送り出された窒素ガスは、バッファタンク３３で流路Ａ、Ｂの切替えによる圧力変動と濃度変動とを均一化されて、出口減圧弁３４にて所定の圧力に減圧されて、絞り弁３５により所望の流量に調整されて窒素ガス取出口４から取り出される。

本発明は、上述した形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、本形態では、圧縮空気の取込みをエア供給設備から行ったが、これに限られず、コンプレッサを別に設置して圧縮空気を供給させるようにしてもよい。また、本形態では、吸着剤として分子篩炭を利用して酸素ガスを吸着することで酸素ガスと窒素ガスとを分離したが、これに限られず、例えば、窒素ガスを吸着するゼオライトを利用して酸素ガスと窒素ガスとを分離してもよい。脱着工程で排出する窒素ガスを取り出すようにすればよい。

本形態では、入口減圧弁２１を設置したが、エア供給設備からの圧縮空気の圧力変動が小さい場合、入口減圧弁２１を省略してもよい。これにより、コストダウンを図ることができる。また、本形態では、バッファタンク３３を設置したが、取り出される窒素が低純度でも許容される場合は、バッファタンク３３を省略してもよい。これにより、コストダウンや装置の小型化を実現することができる。

本発明の一形態に係る窒素発生装置の概略図。 空圧制御部のフロー図。 ＰＳＡ部のフロー図。 オンディレータイマ及びオフディレータイマのタイムチャート。

符号の説明

１ 窒素発生装置
２ エア取込口
３ａ、３ｂ 吸着筒（第１の吸着筒、第２の吸着筒）
２４ ５ポートマスタバルブ（切替弁）
２５ オンディレータイマ（制御手段）
２６ オフディレータイマ（制御手段）
Ｓ１、Ｓ２ 制御圧

Claims (3)

1. 特定の気体を吸着する吸着剤を内部にそれぞれ有する第１及び第２の吸着筒を備えた窒素発生装置であって、
   圧縮空気を取り込むエア取込口と、
   前記エア取込口から取り込まれた圧縮空気の圧力を制御圧として出力する制御手段と、
   前記エア取込口から取り込まれた圧縮空気を前記第１の吸着筒へ導く第１の切替位置と、該圧縮空気を前記第２の吸着筒へ導く第２の切替位置と、を有する切替弁と、を備え、
   前記切替弁は、前記制御手段が出力する制御圧に基づいて前記第１の切替位置又は前記第２の切替位置に交互に切り替えるように制御されることを特徴とする窒素発生装置。
2. 前記制御手段は、制御圧を出力するオンディレータイマ及びオフディレータイマで構成され、
   前記オフディレータイマは、前記オンディレータイマからの制御圧に基づいて前記オフディレータイマの制御圧をオフする計時動作を開始して該オフディレータイマに予め定められた時間の後に制御圧をオフし、
   前記オンディレータイマは、前記オフディレータイマの制御圧のオフに基づいて計時動作を開始して該オンディレータイマに予め定められた時間の後に制御圧を出力し、
   前記切替弁には、前記オンディレータイマからの制御圧が入力されることを特徴とする請求項１に記載の窒素発生装置。
3. 前記吸着剤が、分子篩炭であることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒素発生装置。

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