JP2010207750A - 圧力スイング吸着式ガス発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】製品ガス流量が定格の最大発生量より少ない運転に際して、回収効率を適度に維持して原料空気量を低減させ、その制御のために、使用状況に応じた段階的な設定値を用いる。
【解決手段】吸着槽１、２と、吸着槽への原料空気導入流路６、７と、製品槽３と、両吸着槽からの排気用流路と、両吸着槽の間を連通させる均圧用流路と、両吸着槽と製品槽との間の流路と、各流路に設けられたバルブと、製品ガス流量Ｌｐを検出するセンサーＦと、各バルブの開閉を制御する制御装置１０とを備える。制御装置は、両吸着槽の一方で吸着剤による吸着を行い他方で吸着剤からガスを脱着させる吸脱着動作を、吸着槽を切換えて繰返す制御を行う。製品ガス流量Ｌｐの最大値として設定された最大発生量Ｌｍに対する低減された発生量比率Ｒ＝Ｌｐ／Ｌｍに応じて、吸脱着動作の一サイクルを継続させる時間である吸脱着周期Ｔを段階的に切換えて吸脱着動作を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧力スイング吸着法により窒素ガスを発生させるための、圧力スイング吸着式ガス発生装置に関し、特に、原料空気の消費を低減させて省エネルギー効果を得るための改良に関する。

窒素または酸素ガスを製造するための非低温技術の１つとして、ＰＳＡ（圧力スイング吸着）法が知られている。ＰＳＡ法によれば、例えば、空気を原料とし、吸着剤により原料空気の酸素を吸着することにより、窒素を分離して高純度の窒素ガスを製品ガスとして得ることができる。

ＰＳＡプロセスにおいては、高圧における吸着量が低圧における吸着量よりも大きいことを利用する。すなわち、高圧において酸素を吸着させた吸着剤を、低圧下において酸素を脱着させる、という吸脱着の繰り返しにより、吸着剤の吸着能力を回復させながら、連続運転を行う。従って、ＰＳＡの工程においては、吸着剤を充填した吸着槽を２つ使用し、一方の吸着槽において高圧下での吸着工程が行われている間に、他方の吸着槽において低圧下での脱着工程を行う。

このように、吸着槽を２つ用いて交互に吸脱着工程を行うために、原料空気の導入口から吸着槽を経て製品槽に至るガスの流路を、行われるべき工程に応じて切り換える。すなわち、吸着工程を行う吸着槽への原料空気の導入、窒素ガスの導出、あるいは脱着工程を行う吸着槽からの排気等が適切に行われるように、多数のバルブを適時切り換えて運転を行う。

ところで、実際に例えば窒素ガス発生装置を用いる場において、窒素ガスの使用量は必ずしも一定ではなく、間欠的に使用されたり、間欠的でなくても経時的に使用量が変動することが多い。また、１台の窒素ガス発生装置に対し、複数台の窒素ガス消費ユニットを組み合わせて使用されるケースも多く、使用量が変動することが通常である。

一方、窒素ガス発生装置の定格は、最大発生量時の窒素ガス純度を保証し、その時の原料空気量を定格とする。この最大発生量より少ない窒素ガス使用量になるほど、窒素ガスは高純度になるが、原料空気の使用量は少ししか減少しない。

これは、最大発生量時に対応させた回収効率が高い吸脱着サイクルで運転するために、少ない発生量で運転させるほど回収効率が低下し、原料空気を多く消費してしまうためである。従って、窒素ガスの使用量が減少しても、原料空気を同様に使用する運転が行われ、過剰な純度の窒素ガスが供給されて、エネルギーを無駄に消費することになる。

これに対して例えば特許文献１には、ＰＳＡ方式による窒素ガス発生装置において、窒素ガスの純度を安定化し、窒素ガスの使用量に応じた適切な原料空気の使用量で稼働させることを可能とする方法が開示されている。この方法によれば、吸着塔の出口における酸素濃度の変化に着目し、設定された酸素濃度に達したときに吸着塔を切り替えるようにして、半サイクル時間を自動的に変化させる。それにより、原料空気の使用量を減少させて、消費電力を低減させることができる。

特開２００５−２７０９５３号公報

しかしながら、上記従来例のような窒素ガス発生装置では、吐出される窒素ガスの純度に応じて半サイクル時間を変化させるので、必ずしも窒素ガスの使用量に応じた原料空気の使用量の低減効果が適切に得られるとは限らない。また、半サイクル時間は、実際の運転で発生し得る窒素ガスの純度の全領域において、予め設定されたプログラムに従い自動的に変化させられるので、実際の制御はかなり複雑になり、運転の安定性が損なわれる恐れがある。

従って本発明は、最大発生量より少ない製品窒素ガス流量で運転される場合に、所定の回収効率を維持して原料空気量を低減させることが可能で、使用状況に応じた段階的な設定値を用いた制御が可能な可能な圧力スイング吸着式ガス発生装置を提供することを目的とする。

本発明の圧力スイング吸着式ガス発生装置は、吸着剤を充填した第１吸着槽および第２吸着槽と、前記第１吸着槽および第２吸着槽への原料空気導入流路と、前記第１および第２吸着槽で前記原料空気から分離された窒素ガスを貯蔵する製品槽と、前記第１および第２吸着槽からの排気用流路と、前記第１および第２吸着槽の間を連通させる均圧用流路と、前記第１および第２吸着槽と前記製品槽との間の製品ガス流路と、前記流路の各々に設けられたバルブと、前記製品槽から外部に流出する前記製品ガスの流量Ｌｐを検出する製品ガス流量センサーと、前記バルブの各々の開閉を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記均圧用流路を開放する均圧工程の後、前記第１および第２吸着槽の一方で前記吸着剤による吸着工程を行い他方で前記吸着剤からガスを脱着させる脱着工程を行う吸脱着動作を、前記両吸着槽を切換えて繰返す制御を行う。

上記課題を解決するために、本発明の圧力スイング吸着式ガス発生装置は、前記製品ガス流量Ｌｐの最大値として設定された最大発生量Ｌｍに対する低減された発生量比率Ｒ＝Ｌｐ／Ｌｍに応じて、前記吸脱着動作の一サイクルを継続させる時間である吸脱着周期Ｔを段階的に切換えて前記吸脱着動作を制御することを特徴とする。

上記構成の圧力スイング吸着式ガス発生装置によれば、最大発生量Ｌｍより少ない製品ガス流量Ｌｐで運転される場合、窒素ガス純度を適度な範囲に維持したまま、吸脱着周期Ｔを製品ガス流量Ｌｐに応じて段階的に切り替えることができ、高い回収効率を維持したまま原料空気量を低減させることが可能である。また、吸脱着周期Ｔが製品ガス流量Ｌｐに応じて段階的の設定されるので、その設定値を使用状況に応じて変更することが容易であり、省エネギー運転を効果的に行なうことができる。

本発明の実施の形態１における圧力スイング吸着式の窒素ガス発生装置を示す概要図 図１の窒素ガス発生装置の動作における圧力変化および動作タイミングを示す図 同窒素ガス発生装置における吸脱着時間制御の基準となる流量運転プログラムの設定の態様を示す表 同窒素ガス発生装置を用いることによる原料空気消費率の低減効果を示す表 図４の効果をグラフで示す図 本発明の実施の形態２における圧力スイング吸着式の窒素ガス発生装置を示す概要図 同窒素ガス発生装置を用いることによるコンプレッサの消費電力低減の効果を示す図

本発明は、上記構成を基本として、以下のような態様を採ることができる。

すなわち、前記発生量比率Ｒについて段階的に設定された複数の発生量比率Ｒ_i＝Ｌ_i／Ｌｍ（ｉ＝０〜ｎ；ｎは正の整数）の設定入力値を保持する比率設定部と、前記吸脱着周期Ｔについて、前記発生量比率Ｒ_iの各々に対応させて段階的に設定された吸脱着周期Ｔ_iの設定入力値を保持する周期設定部とを更に備え、前記制御装置は、前記製品ガス流量センサーが検出する前記製品ガスの流量Ｌｐに応じて、前記発生量比率Ｒ_iの各々と前記吸脱着周期Ｔ_iの対応に基づいて選択された前記吸脱着周期Ｔに従って前記吸脱着動作を制御する構成とすることができる。

また、前記発生量比率Ｒ_i、及び前記吸脱着周期Ｔ_iの値は、下記の条件、
Ｒ₀＝０、Ｒ_n＝１、０＜ｉ＜ｎの範囲では０＜Ｒ_i＜１（但し、Ｒ_i＜Ｒ_i+1）、及び
Ｔ_i＞Ｔ_i+1、
に従って設定され、
前記制御装置は、前記吸脱着周期Ｔを下記の式（１）
Ｒ_i-1＜（Ｒ＝Ｌｐ／Ｌｍ）≦Ｒ_iのとき、Ｔ＝Ｔ_i （１）
に従って選択する構成とすることができる。

また、前記吸脱着周期Ｔ_iは、発生量比率Ｒ＝Ｌｐ／Ｌｍ＝Ｒ_iのとき、所望の窒素ガス純度が維持されるように設定されることが好ましい。

また、前記原料空気を貯蔵して供給する原料空気槽と、空気を圧縮して前記原料空気槽に供給するコンプレッサーと、前記原料空気槽内の圧力Ｐ０１を検出する原料空気圧センサーとを備え、前記制御装置は、前記原料空気圧センサーの検出圧力Ｐ０１に応じて、前記コンプレッサーの駆動と停止を繰り返すことにより、前記検出圧力Ｐ０１を所定値以上に維持する制御を行うことが好ましい。

その場合、下基準値Ｐｔｌ及び上基準値Ｐｔｈ（Ｐｔｌ＜Ｐｔｈ）が設定され、前記制御装置は、前記コンプレッサーを駆動して検出圧力Ｐ０１が上昇する過程では、Ｐ０１≧Ｐｔｈとなったときにコンプレッサーを停止させ、コンプレッサーを停止して検出圧力Ｐ０１が減少する過程では、Ｐ０１≦Ｐｔｌとなったときにコンプレッサーの駆動を開始するように制御することが好ましい。

以下、本発明の実施の形態おける圧力スイング吸着式ガス発生装置について、図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における窒素ガス発生装置の構成を示す概要図である。この装置は、ガス発生ユニットとして、酸素吸着剤を充填した第１吸着槽１と第２吸着槽２を備えるとともに、発生した製品ガスである窒素ガスを一旦貯蔵し、外部に供給するための製品槽３を備える。また、ガス発生ユニットに原料空気を供給するための原料空気入口４、製品槽３から窒素ガスを外部に供給するための製品ガス出口５が設けられている。

第１吸着槽１と第２吸着槽２を連結する配管６、７には、第１吸着バルブ（ＳＶ１）、第２吸着バルブ（ＳＶ２）、第１排気バルブ（ＳＶ３）、第２排気バルブ（ＳＶ４）、２つの均圧バルブ（ＳＶ５）、第１出口バルブ（ＳＶ６）、第２出口バルブ（ＳＶ７）、および流量調節弁８が設けられている。

原料空気は、各ガス発生ユニット毎に、第１吸着バルブ（ＳＶ１）および第２吸着バルブ（ＳＶ２）に導かれる。第１吸着バルブ（ＳＶ１）は配管６により第１吸着槽１と、第２吸着バルブ（ＳＶ２）は配管７により第２吸着槽２と接続されている。配管６と配管７で示される流路は、各々第１排気バルブ（ＳＶ３）および第２排気バルブ（ＳＶ４）を介して排気口９に接続されている。第１吸着槽１と第２吸着槽２は、上下に設けた２つの均圧バルブ（ＳＶ５）を介して連通可能となっている。

第１吸着槽１から導出される３本の配管のうち１本は、第１出口バルブ（ＳＶ６）を介して製品槽３に接続されている。第２吸着槽２から導出される３本の配管のうち１本は、第２出口バルブ（ＳＶ７）を介して製品槽３に接続されている。第１吸着槽１と第２吸着槽２は、流量調節弁８を介して相互に接続されている。

原料空気入口４に続く管路には、原料空気圧力センサーＰ０が設けられている。第１吸着槽１および第２吸着槽２にはそれぞれ、第１吸着槽圧力センサーＰ１、第２吸着槽圧力センサーＰ２が設置されている。製品槽３には、槽内の圧力を検出する製品槽圧力センサーＰ３が設置されている。製品槽３から製品ガス出口５に至る流路には、製品槽３から流出する製品ガスの流量を検出する製品ガス流量センサーＦと、流出する製品ガスの純度センサーとしての、製品ガス中の酸素濃度を検出する含有酸素濃度センサーＯＣが設置されている。なお、以下の記載において、原料空気圧力センサーＰ０、第１吸着槽圧力センサーＰ１、第２吸着槽圧力センサーＰ２、及び製品槽圧力センサーＰ３が検出する圧力値について、対応する同一符号Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３を用いて表す。

各センサーの出力は、制御装置１０に入力される。また、各バルブの開閉動作は、制御装置１０から供給されるバルブ駆動信号により制御される。制御装置１０は、各種設定値、バルブ駆動制御、および各センサーの出力に基づく運転制御等を、ＣＰＵの通常の動作により行うものであるが、電気的な配線については、図示を省略する。図１には、制御装置１０に含まれる要素として、本実施の形態特有の機能を持つための周期制御部１１、比率設定部１２及び周期設定部１３、さらに、それらに対する操作を行うためのタッチパネル１４が示される。

次に、上記構成の窒素ガス発生装置の動作について、図１及び２を参照して説明する。第１吸着槽１および第２吸着槽２では、圧縮された原料空気が供給されて高圧下で吸着剤による吸着を行う吸着動作と、圧力を低下させて吸着剤に吸着したガスを脱着させる脱着動作を、各バルブを切り替えることにより交互に行う。以下の説明では、第１吸着槽１で吸着動作を行い第２吸着槽２で脱着動作を行う工程をＡ工程、第２吸着槽２で吸着動作を行い第１吸着槽１で脱着動作を行う工程をＢ工程、均圧バルブ（ＳＶ５）を開放して両吸着槽の圧力を均等にする工程をＣ工程（あるいは均圧工程）と称する。Ａ工程とＢ工程が、両工程間にＣ工程を挟みながら交互に行われて、窒素または酸素ガスを取り出す運転が連続的に行われる。

図１には、第１吸着槽１が吸着工程で、第２吸着槽２が脱着工程にある状態、すなわちＡ工程が示されている。基本的には周知の工程と同様であるため、Ｂ工程、Ｃ工程については、図示を省略して説明する、各槽等を結ぶ線は配管が太線で示される部分は、ガスが流れている状態を意味する。図において、バルブに施したハッチングは開放状態を示し、ハッチングが施されていないバルブは閉鎖状態にある。また、各吸着槽１、２および製品槽３に施されたハッチングは、窒素ガスが存在する状態を示す。

図２は、各工程の各部における圧力分布および動作タイミングを示す。図２のＰ０に示されるカーブは、第１吸着バルブ（ＳＶ１）、および第２吸着バルブ（ＳＶ２）に供給される原料空気圧を示す。Ｐ１〜Ｐ３はそれぞれ、第１吸着槽圧力センサーＰ１、第２吸着槽圧力センサーＰ２、製品槽圧力センサーＰ３から得られる圧力値を示す。ＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ３、ＳＶ４、ＳＶ５、ＳＶ６、ＳＶ７はそれぞれ、対応するバルブを開閉させるためのバルブ駆動信号を示す。ハッチングが施されている領域では、バルブ駆動信号により各バルブが開放された状態であり、他の領域では各バルブが閉鎖された状態である。チャートの横軸は時間を示し、時間軸の方向にＣ工程、Ａ工程、Ｃ工程、Ｂ工程、Ｃ工程というように工程が繰り返される。Ａ〜Ｃの符号の上部に記載された時間は、各工程の継続時間である。

図２に示す工程Ａでは、第１吸着バルブ（ＳＶ１）、第２排気バルブ（ＳＶ４）、第１出口バルブ（ＳＶ６）に供給されるバルブ駆動信号は開放信号であり、他のバルブには閉鎖信号が供給される。第１吸着槽１では、加圧原料空気が第１吸着槽１の底部に導入されて吸着工程が行われる。原料空気圧力Ｐ０の上昇とともに第１吸着槽圧力Ｐ１も上昇する。それに伴い、酸素吸着剤により原料空気から酸素が吸着され、槽上部から窒素ガスが流出して出口バルブ（ＳＶ６）を通って製品槽３に導入される。これに伴い、製品槽圧力Ｐ３が上昇する。

第２吸着槽２は第２排気バルブ（ＳＶ４）を通して減圧され、第２吸着槽圧力Ｐ２が急激に下降する。このとき、流量調節弁８を通して、第１吸着槽１の頂部から取り出される環流窒素が、第２吸着槽２の頂部に導入される。これらの動作により、酸素吸着剤から酸素が脱着排気される。

工程Ｃの均圧工程では、均圧バルブ（ＳＶ５）が開放され、他のバルブは閉鎖される。従って、原料空気圧力Ｐ０は、原料空気入口４から供給される圧力まで上昇する。第１吸着槽圧力Ｐ１は下降し、第２吸着槽圧力Ｐ２は上昇して、両吸着槽の圧力が均等になる。この均圧工程は、吸着工程から脱着工程に移る際に、加圧ガスを大気中に放出することによるエネルギ損失を低減するために行う。すなわち、脱着工程に移る槽の圧力を吸着工程に移る槽に供給して、約半分の加圧エネルギを回収する。

工程Ｂでは、第１吸着槽１で脱着工程が、第２吸着槽２で吸着工程が行われる。このときの動作は、工程Ａにおける動作と対称であり、第１吸着槽１と第２吸着槽２における動作が工程Ａとは逆になる。すなわち、工程Ｂでは、第２吸着バルブ（ＳＶ２）、第１排気バルブ（ＳＶ３）、第２出口バルブ（ＳＶ７）に開放信号が供給され、他のバルブには閉鎖信号が供給され、工程Ａと同様の動作が行われるので、具体的な説明は省略する。

以上のように、吸着工程と脱着工程が、均圧工程を挟んで、第１吸着槽１と第２吸着槽２で交互に行われ、連続して窒素ガスが発生される。このように、均圧Ｃ工程を伴いＡ工程またはＢ工程の一方により行われる吸脱着動作の一サイクルを継続させる時間として、吸脱着周期Ｔを定義する。本実施の形態における窒素ガス発生装置は、発生させた窒素ガスの使用状態に応じて、吸脱着周期Ｔを変化させるように構成される。

ここで、窒素ガスの使用状態は、製品槽３から流出する製品ガスの流量を流量センサーＦにより検出した製品ガス流量Ｌｐにより表される。また、製品ガス流量Ｌｐの最大値として設定される最大発生量Ｌｍとして、定格発生量を定義する。最大発生量Ｌｍに対する低減された発生量比率Ｒを、Ｒ＝Ｌｐ／Ｌｍとして定義する。

本実施の形態では、最大（定格）発生量Ｌｍより少ない製品ガス流量Ｌｐで運転した時に、窒素ガス純度を所定範囲内に維持したまま、吸脱着周期Ｔを、発生量比率Ｒ＝Ｌｐ／Ｌｍに応じて段階的に切り替えることにより、高い回収効率を維持したまま原料空気量を低減させる吸脱着時間制御が行われる。

吸脱着時間制御の具体例について、以下に説明する。まず、図１に示した比率設定部１２は、発生量比率Ｒについて段階的に設定された複数の発生量比率Ｒ_i＝Ｌ_i／Ｌｍ（ｉ＝０〜ｎ；ｎは正の整数）の設定入力値を保持する。発生量比率Ｒは最大発生量Ｌｍに対して低減された結果の比率であり、従って、Ｒ≦１である。また、周期設定部１３は、吸脱着周期Ｔについて、発生量比率Ｒ_iの各々に対応させて段階的に設定された吸脱着周期Ｔ_iの設定入力値を保持する。これらの設定値は、タッチパネル１４を用いた操作により入力設定される。

周期制御部１１は、製品ガスの流量Ｌｐ（発生量比率Ｒ＝Ｌｐ／Ｌｍ）に応じて、比率設定部１２が保持する発生量比率Ｒ_iの各々と周期設定部１３が保持する吸脱着周期Ｔ_iの対応に基づいて吸脱着周期Ｔを選択し、選択された吸脱着周期Ｔに従って吸脱着動作を制御する。

この制御に用いられる上述の設定値は、次の条件に従って調整される。

Ｒ₀＝０、Ｒ_n＝１、かつ、
０＜ｉ＜ｎの範囲では０＜Ｒ_i＜１（但し、Ｒ_i＜Ｒ_i+1）、及び
Ｔ_i＞Ｔ_i+1
また、吸脱着周期Ｔは、下記の（数１）に従って選択される。

Ｒ_i-1＜（Ｒ＝Ｌｐ／Ｌｍ）≦Ｒ_iのとき、Ｔ＝Ｔ_i （１）
また、吸脱着周期Ｔ_iは、発生量比率Ｒ＝Ｌｐ／Ｌｍ＝Ｒ_iのとき、所望の製品ガス純度が維持されるように設定されることが望ましい。

図３は、そのような吸脱着時間制御の基準となる流量運転プログラムの設定の態様を示す表である。縦方向に並ぶＳＴＥＰ１〜ＳＴＥＰ５は、発生量比率Ｒ_iの各設定値に対応する区分を示す。各区分毎に、百分率で表した発生量比率Ｒ_i（０％〜１００％）、吸脱着周期Ｔ_i（秒）、及び設定流量の値が示されている。この例では、ｎ＝５である。

例えば、ＳＴＥＰ１では、ｉ＝５で、発生量比率Ｒ₅が１００％である。従って、設定流量表示欄に記載された設定流量１００．０Ｎｍ³／ｈが、定格発生量すなわち最大発生量Ｌｍである。この区分では、吸脱着周期Ｔ₅は６０．０秒であり、吸脱着周期Ｔの下限に対応する。

また、ＳＴＥＰ２は、ｉ＝４で、発生量比率Ｒ₄が７５％であり、設定流量が７５．０Ｎｍ³／ｈに設定された区分である。この区分では、吸脱着周期Ｔ₄は９０．０秒である。上記（数１）に従えば、Ｒ₄＜（Ｒ＝Ｌｐ／Ｌｍ）≦Ｒ_nの範囲、すなわち発生量比率Ｒが７５％を超えて１００％以下の範囲では、吸脱着周期Ｔは６０．０秒が選択される。

同様にして、発生量比率Ｒが５０％を超えて７５％以下の範囲では、吸脱着周期Ｔは９０．０秒が選択される。発生量比率Ｒが２５％を超えて５０％以下の範囲では、吸脱着周期Ｔは１２０．０秒が選択される。発生量比率Ｒが０％を超えて２５％以下の範囲では、吸脱着周期Ｔは１５０．０秒が選択される。

以上のように、本実施の形態の窒素ガス発生装置によれば、最大発生量Ｌｍより少ない製品ガス流量Ｌｐで運転される場合、窒素ガス純度を維持したまま、吸脱着時間を製品ガス流量Ｌｐに応じて段階的に切り替えることにより、高い回収効率を維持したまま原料空気量を低減させることが可能である。発生量比率Ｒ_iの区分、及び対応する吸脱着周期Ｔ_iは、その設定値を変更することが可能であり、実用上の状況に応じて最適の状態で省エネギー運転を実現することができる。

図４及び図５は、本実施の形態の窒素ガス発生装置を用いることによる効果を示す。図４は、原料空気消費率について、吸脱着周期Ｔを一定にした標準運転の場合と、図３に示した設定による本実施の形態の運転の場合とで比較した数値を示す。図５は、図４の表をグラフ表示した図である。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における窒素ガス発生装置の構成を示す概要図である。この装置は、基本的には図１に示した実施の形態１の装置と同様の構成を有する。従って、同様の要素については同一の参照符号を付して重複する説明を簡略化する。

実施の形態１の装置では、原料空気を窒素ガス発生装置の外部から供給を受けたのに対して、本実施の形態では、原料空気入口４から導入されエアフィルタ１５を経由した空気が、コンプレッサー１６（例えば、オイルフリースクロールコンプレッサーを使用）により圧縮されて原料空気として供給される。

コンプレッサー１６により圧縮されて原料空気は、一旦、原料空気槽１７に貯蔵された後、第１吸着槽１または第２吸着槽２に供給される。原料空気槽１７には、槽内の圧力を検出する原料空気圧力センサーＰ０１が設置されている。原料空気圧力センサーＰ０１が検出する圧力値を、同一符号Ｐ０１で示す。

制御装置１０には、コンプレッサー駆動制御部１８が設けられている。コンプレッサー駆動制御部１８は、原料空気圧センサーＰ０１の検出圧力Ｐ０１の大きさに応じて、コンプレッサー１６の駆動と停止を選択して制御（発停制御）する。すなわち、検出圧力Ｐ０１が所定の基準値Ｐｔに対して、Ｐ０１＜Ｐｔであるときは、コンプレッサー１６を駆動し、Ｐ０１≧Ｐｔであるときは、コンプレッサー１６を停止させる。

但し、実際には運転の安定性を確保するために、検出圧力Ｐ０１の履歴に応じた制御を行う。すなわち、下基準値Ｐｔｌと上基準値Ｐｔｈ（Ｐｔｌ＜Ｐｔｈ）を設定する。そして、コンプレッサー１６を駆動して検出圧力Ｐ０１が上昇する過程では、Ｐ０１≧Ｐｔｈとなったときにコンプレッサー１６を停止させる。一方、コンプレッサー１６を停止して検出圧力Ｐ０１が減少する過程では、Ｐ０１≦Ｐｔｌとなったときにコンプレッサー１６の駆動を開始する。それにより、コンプレッサー１６の発停が頻繁に行なわれることを回避する。下基準値Ｐｔｌ及び上基準値Ｐｔｈはそれぞれ、例えば、０．７５ＭＰ及び０．８５ＭＰに設定される。

このように、内蔵しているコンプレッサー１６を、原料空気槽１７の圧力Ｐ０１に応じて発停制御することにより、コンプレッサー１６の消費電力を低減することができる。また、コンプレッサー１６の寿命を大幅に伸ばすことが可能となる。このようなコンプレッサー１６の発停制御により消費電力を有効に低減できるのは、実施の形態１と同様に、吸脱着周期Ｔを変化させることにより原料空気消費率を低減させる構成を前提とすることによる。

すなわち、原料空気槽１７から供給される圧縮された原料空気の流量は、製品ガスの使用状態、つまり、製品ガス流量Ｌｐ（窒素ガス吐出量）の多少に応じて変動する。製品ガス流量Ｌｐが少なければ、原料空気槽１７から流出する流量は少ない。

ここで、コンプレッサー１６を連続的に運転すると、原料空気槽１７からの流出流量が少ない場合、原料空気槽１７の圧力Ｐ０１が必要レベルに達していても、コンプレッサー１６が無駄に駆動されることになる。この場合、上述のように、Ｐ０１≧Ｐｔであるときは、コンプレッサー１６を停止させるように制御しても、第１吸着槽１及び第２吸着槽２での吸脱着動作には影響がない。そこで、コンプレッサー１６を停止させれば、消費電力を低減することができる。また、吸脱着周期Ｔを変化させることにより原料空気消費率を低減させる構成を採ることにより、コンプレッサー１６を停止させる時間を長くとることができ、消費電力の低減がより効果的になる。

図７に、本実施の形態の窒素ガス発生装置を用いることによるコンプレッサの消費電力低減の効果を示す。同図から、コンプレッサを従来の標準運転に方法により連続運転させた場合に比べて、本実施の形態によりコンプレッサを発停制御した場合には、吐出空気量に応じて格段に消費電力が低減されることが判る。

本発明の圧力スイング吸着式ガス発生装置によれば、消費される製品ガス流量の増減に応じた消費電力の低減が可能であり、窒素ガスを供給するシステムとして有用である。

１ 第１吸着槽
２ 第２吸着槽
３ 製品槽
４ 原料空気入口
５ 製品ガス出口
６、７ 配管
８ 流量調節弁
９ 排気口
１０ 制御装置
１１ 周期制御部
１２ 比率設定部
１３ 周期設定部
１４ タッチパネル
１５ 原料空気槽
１６ エアーフィルター
１７ コンプレッサー
１８ コンプレッサー駆動制御部
Ｐ０、Ｐ０１ 原料空気圧センサー
Ｐ１ 第１吸着槽圧力センサー
Ｐ２ 第２吸着槽圧力センサー
Ｐ３ 製品槽圧力センサー
Ｆ 製品ガス流量センサー
ＯＣ 酸素濃度センサー
ＳＶ１ 第１吸着バルブ
ＳＶ２ 第２吸着バルブ
ＳＶ３ 第１排気バルブ
ＳＶ４ 第２排気バルブ
ＳＶ５ 均圧バルブ
ＳＶ６ 第１出口バルブ
ＳＶ７ 第２出口バルブ

Claims (6)

1. 吸着剤を充填した第１吸着槽および第２吸着槽と、
   前記第１吸着槽および第２吸着槽への原料空気導入流路と、
   前記第１および第２吸着槽で前記原料空気から分離された窒素ガスを貯蔵する製品槽と、
   前記第１および第２吸着槽からの排気用流路と、
   前記第１および第２吸着槽の間を連通させる均圧用流路と、
   前記第１および第２吸着槽と前記製品槽との間の製品ガス流路と、
   前記流路の各々に設けられたバルブと、
   前記製品槽から外部に流出する前記製品ガスの流量Ｌｐを検出する製品ガス流量センサーと、
   前記バルブの各々の開閉を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記均圧用流路を開放する均圧工程の後、前記第１および第２吸着槽の一方で前記吸着剤による吸着工程を行い他方で前記吸着剤からガスを脱着させる脱着工程を行う吸脱着動作を、前記両吸着槽を切換えて繰返す制御を行う圧力スイング吸着式ガス発生装置において、
   前記製品ガス流量Ｌｐの最大値として設定された最大発生量Ｌｍに対する低減された発生量比率Ｒ＝Ｌｐ／Ｌｍに応じて、前記吸脱着動作の一サイクルを継続させる時間である吸脱着周期Ｔを段階的に切換えて前記吸脱着動作を制御することを特徴とする圧力スイング吸着式ガス発生装置。
2. 前記発生量比率Ｒについて段階的に設定された複数の発生量比率Ｒ_i＝Ｌ_i／Ｌｍ（ｉ＝０〜ｎ；ｎは正の整数）の設定入力値を保持する比率設定部と、
   前記吸脱着周期Ｔについて、前記発生量比率Ｒ_iの各々に対応させて段階的に設定された吸脱着周期Ｔ_iの設定入力値を保持する周期設定部とを更に備え、
   前記制御装置は、前記製品ガス流量センサーが検出する前記製品ガスの流量Ｌｐに応じて、前記発生量比率Ｒ_iの各々と前記吸脱着周期Ｔ_iの対応に基づいて選択された前記吸脱着周期Ｔに従って前記吸脱着動作を制御する請求項１に記載の圧力スイング吸着式ガス発生装置。
3. 前記発生量比率Ｒ_i、及び前記吸脱着周期Ｔ_iの値は、下記の条件、
   Ｒ₀＝０、Ｒ_n＝１、０＜ｉ＜ｎの範囲では０＜Ｒ_i＜１（但し、Ｒ_i＜Ｒ_i+1）、及び
   Ｔ_i＞Ｔ_i+1、
   に従って設定され、
   前記制御装置は、前記吸脱着周期Ｔを下記の式（１）
   Ｒ_i-1＜（Ｒ＝Ｌｐ／Ｌｍ）≦Ｒ_iのとき、Ｔ＝Ｔ_i （１）
   に従って選択する請求項２に記載の圧力スイング吸着式ガス発生装置。
4. 前記吸脱着周期Ｔ_iは、発生量比率Ｒ＝Ｌｐ／Ｌｍ＝Ｒ_iのとき、所望の窒素ガス純度が維持されるように設定される請求項３に記載の圧力スイング吸着式ガス発生装置。
5. 前記原料空気を貯蔵して供給する原料空気槽と、
   空気を圧縮して前記原料空気槽に供給するコンプレッサーと、
   前記原料空気槽内の圧力Ｐ０１を検出する原料空気圧センサーとを備え、
   前記制御装置は、前記原料空気圧センサーの検出圧力Ｐ０１に応じて、前記コンプレッサーの駆動と停止を繰り返すことにより、前記検出圧力Ｐ０１を所定値以上に維持する制御を行う請求項１に記載の圧力スイング吸着式ガス発生装置。
6. 下基準値Ｐｔｌ及び上基準値Ｐｔｈ（Ｐｔｌ＜Ｐｔｈ）が設定され、
   前記制御装置は、前記コンプレッサーを駆動して検出圧力Ｐ０１が上昇する過程では、Ｐ０１≧Ｐｔｈとなったときにコンプレッサーを停止させ、コンプレッサーを停止して検出圧力Ｐ０１が減少する過程では、Ｐ０１≦Ｐｔｌとなったときにコンプレッサーの駆動を開始するように制御する請求項５に記載の圧力スイング吸着式ガス発生装置。

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