JP2011183256A - 気体分離装置及びその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、省スペース化を実現しつつ、純度の高い気体を供給する気体分離装置及びその方法を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明における気体分離装置は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された空気を冷却するアフタークーラーと、前記アフタークーラーにより冷却された空気の除湿を行うドライヤーと、前記ドライヤーにより除湿された圧縮空気を貯留する空気タンクとを備え、前記空気タンクに貯留された空気から所定の気体を分離し、分離時に生じる排気をアフタークーラーに供給することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は窒素または酸素等の製品ガスを大気から抽出する装置またはその方法に関するものである。

特許文献１の気体分離装置は、コンプレッサーからの圧縮空気を空気ドライヤーにより乾燥させて吸着剤が充填された吸着槽に供給し、該圧縮空気を複数種の気体に分離している。

また、特許文献２の気体分離装置は、圧縮機による圧縮空気を冷凍式ドライヤーにより除湿して、空気槽に供給し、空気槽の空気を吸着槽に供給し、製品ガスを分離している。

また、特許文献３のＰＳＡ装置は、圧縮機を通った圧縮ガスを冷却器、水分離器に供給した後、供給緩衝器を経て、吸着剤を含む容器に送っている。

また、特許文献４の気体分離装置は、圧縮機から吐出された圧縮空気を空気タンクに貯留した後、冷凍ドライヤーにより除湿を行い、吸気槽に乾燥した圧縮空気を供給し、気体を分離している。

特開平３−１５７１１７ 特開２００９−８２７８２ 特開平４−２６５１０４ 特開２００８−３０７５０４

特許文献１の窒素ガス発生装置は、コンプレッサーと空気ドライヤーの高分子分離膜との間にアフタークーラーがないため、コンプレッサーで圧縮された高温の圧縮空気が空気ドライヤーに供給され、効率よく除湿を行うことができなく、これにより、純度の高い気体を分離することができなかった。

また、特許文献２の空気を分離するための装置は冷凍式ドライヤーを用いているため、省スペース化を実現するのが困難であった。

また、特許文献３のＰＳＡ装置は、圧縮機からの高温の圧縮ガスを直接冷却器、水分離器に供給しているため、十分な冷却を行った後、効率よく除湿を行うためには、冷却器、水分離器を特許文献２のような冷凍式ドライヤーにしなければならなく、省スペース化を実現するのが困難であった。

また、特許文献４の気体分離装置は、空気タンクの後にドライヤー配置しているため、吸着槽の切り替わり時において、ドライヤー内を急激に空気が流れるため、除湿不足が発生する他、析出したドレン水を吸着槽に供給してしまうという問題点があった。

本発明は、気体の分離時に生じる排気を利用することにより、省スペース化を実現しつつ、純度の高い気体を供給する気体分離装置及びその方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために本発明における気体分離装置は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機により圧縮された空気を冷却するアフタークーラーと、前記アフタークーラーにより冷却された空気を除湿するドライヤーと、前記ドライヤーにより除湿された圧縮空気を貯留する空気タンクとを備え、前記空気タンクに貯留された空気から所定の気体を分離する気体分離装置であって、分離時に生じる排気を前記アフタークーラーに供給することを特徴とするものである。

また、本発明における気体分離方法は、空気を圧縮する圧縮工程と、前記圧縮工程による圧縮された空気を冷却する冷却工程と、前記冷却工程により冷却された空気を除湿する除湿工程と、前記除湿工程により除湿された空気を貯留する貯蔵工程と、前記貯蔵工程により貯留された空気から所定の気体を分離する分離工程とを備え、前記冷却工程では前記分離工程で生じた排気により冷却を行うことを特徴とするものである。

本発明によれば、省スペース化を実現しつつ、純度の高い気体を供給する気体分離装置及びその方法を提供することができる。

本発明の実施例１による気体分離装置を示す概略構成図である。 本発明の実施例２、３による気体分離装置を示す概略構成図である。

以下、本発明に係る各実施例について図面に基づいて説明する。

本発明の実施例１について図１を用いて説明する。

図１に示す本実施例における気体分離装置１はＰＳＡ式の気体分離装置である。気体分離装置１は、空気を圧縮する圧縮機２と、この圧縮機２により生成された圧縮空気を冷却するアフタークーラー３と、アフタークーラー３で析出したドレン水を回収しながら不純物を除去するドレンフィルター４、アフタークーラー４で冷却された圧縮空気を除湿するエアードライヤー５と、エアードライヤー５で除湿後の圧縮空気を貯留させる空気槽（空気タンク）７と、空気槽７から圧縮空気の逆流を防止するための逆止弁６と、圧縮空気から析出するドレン水と塵埃等を除去するエアーフィルター８を有している。空気槽７で貯留された圧縮空気は後述の一対の吸着槽１９に供給され、空気槽７で貯留された圧縮空気から所定の気体が分離される。本実施例では、一対の吸着槽１９で酸素を吸着することにより、窒素を分離する場合について説明するが、窒素を吸着することにより酸素を分離してもよいし、大気以外の圧縮空気から他の気体を分離するものであってもよい。

排気ファン９は、上記の冷却、除湿、貯留、フィルタリングをおこなっている筐体中の換気および排気をおこなうが、排気風がアフタークーラー３を通過するよう、配置されている。

圧縮機２として、往復動式、スクリュー式あるいはスクロール式の圧縮機が用いられている。

アフタークーラー３は複数回屈曲した配管により形成され、内部を圧縮空気が流通し、排気風を配管の外部に供給することにより冷却を行うものである。アフタークーラー３は直線状に配管を形成した場合よりも表面積が増加する形状であれば、複数回屈曲する形状でなくても例えば、渦巻状であってもよい。ここで、圧縮機２により生成された圧縮空気は高温であり、高温のままエアードライヤー５に圧縮空気が供給されると、高分子膜式のエアードライヤーを水蒸気が通過してしまい、効率よく除湿を行うことができない。そこで、特許文献４のように、除湿を行う前に空気タンクに貯留することにより、常温まで圧縮空気を冷却する方法もある。しかし、この場合、空気タンクの後に高分子膜式のエアードライヤー５を配置することになるので、高分子膜式のエアードライヤーに急激に空気が流れ、高分子膜が損傷する可能性があった。そこで、本実施例のように空気槽７を高分子膜式のエアードライヤー５よりも後に配置する必要があった。一方、このように配置した場合は特に圧縮機２からの圧縮空気を効率よく冷却する必要がある。一方、特許文献２の冷凍式ドライヤーは消費電力が大きく、本実施例の高分子膜式ドライヤーよりも構造が複雑であるため、配置するためのスペースが必要であり、コストを抑えるのも困難である。従って、特許文献２のように冷凍式ドライヤーを用いた場合は、低消費電力化・省スペース化・低コスト化を実現するのが困難であり、特許文献３の場合も冷凍式ドライヤーを用いないと十分な冷却は実現できなかった。そこで、本実施例では、アフタークーラー３に気体の分離時に生じる排気を供給することにより圧縮空気を冷却している。後述の通り、気体の分離時に生じる排気は断熱膨張により、断熱膨張するため、室温に比べ低い温度となっており、アフタークーラー３に供給することにより効率よく冷却を行うことがでできる。

エアードライヤー５は高分子膜式エアードライヤーが用いられている。高分子膜式エアードライヤーは、高分子の膜によって水分を通さないようにするものであり、特許文献２の冷凍式ドライヤーを用いた場合と比較して、低消費電力・省スペース・低コストである。

空気槽７には、空気槽７からの圧縮空気を流す配管１６が接続されており、この配管１６の端末位置には一対の配管１７が接続されている。これら配管１７には、それぞれ流路を開閉する供給弁１８が途中に設けられており、端末には酸素分子を吸着して窒素ガスを製品ガスとして取り出すための吸着槽１９がそれぞれ接続されている。また、一対の配管１７には、それぞれ供給弁１８と吸着槽１９との間位置に配管２１が接続されており、これら配管２１には、途中に流路を開閉する排気弁２２が、端末に消音用のフィルタ付きの排気サイレンサ２３が設けられている。また、一対の配管１７には、互いの配管２１と吸着槽１９との間位置を結ぶように配管２５が接続されており、この配管２５には流路を開閉する一対の下均圧弁２６が設けられている。

一対の吸着槽１９には、例えば、酸素分子を吸着する吸着手段である吸着剤が充填されている。吸着剤は、具体的には分子ふるいカーボンやゼオライト等を用いている。

一対の吸着槽１９には、端末位置で互いに合流する配管３１がそれぞれ接続されている。これら配管３１には、互いの吸着槽１９側同士を結ぶように配管３２が接続されており、この配管３２には絞り３３が設けられている。また、一対の配管３１には、互いの配管３２よりも吸着槽１９とは反対側同士を結ぶように配管３５が接続されており、この配管３５には流路を開閉する一対の上均圧弁３６が設けられている。また、一対の配管３１には、それぞれの配管３５よりも吸着槽１９とは反対側に流路を開閉する取出弁３８がそれぞれ設けられている。

一対の配管３１の合流位置には配管４０が接続されており、この配管４０の端末位置には窒素ガスを貯留させる製品槽としての窒素槽４１が接続されている。この窒素槽４１には、端末位置が吐出口４２とされた配管４３が接続されており、この配管４３の途中位置には窒素槽４１側から順に、塵埃等を除去するとともにガスの流量を調整するフィルターレギュレーター４４、流路を開閉する吐出弁４５、ガスの流量を調整する流量調整弁４６が設けられている。

配管４３のフィルターレギュレーター４４と吐出弁４５との間位置には配管４８および配管４９が接続されており、配管４８には、配管４３側から順に、流路を開閉する開閉弁５０と、ガスの流量を調整する流量調整弁５１と、サイレンサ５２とが設けられている。配管４９には、配管４３側から順に、流路を開閉する開閉弁５４と、ガスの流量を調整する流量調整弁５５と、酸素濃度を検出する酸素センサー５６とが設けられている。

酸素センサー５６は制御部６０に通信可能に接続されており、検出信号を制御部６０に出力する。また、供給弁１８、排気弁２２、下均圧弁２６、上均圧弁３６、取出弁３８、吐出弁４５、流量調整弁４６、開閉弁５０、流量調整弁５１、および開閉弁５４、制御部６０に通信可能に接続されており、制御部６０からの指令で作動する。

ここまで、気体分離装置１の構成を説明してきたが、ここで気体分離装置において行われる気体分離方法について説明する。

気体分離装置１では、圧縮機２によって空気を圧縮する圧縮工程、圧縮工程により圧縮された空気をアフタークーラー２により冷却する冷却工程、冷却工程により冷却された空気をエアードライヤー５により除湿する除湿工程、除湿工程により除湿された空気を空気槽７に貯留する貯蔵工程、貯蔵工程により貯留された空気から所定の気体を分離する分離工程が行わる。

気体分離装置１の分離工程では、以下の（ａ）〜（ｄ）の工程を順次行われる。

（ａ）吸着工程：圧縮機２により圧縮され空気槽７に貯留された圧縮空気を、供給弁１８を開くことで、吸着剤が充填された吸着槽１９に導入するとともに、窒素槽４１内に残存する窒素ガスを、取出弁３８を開くことで吸着槽１９に還流して吸着槽１９内を昇圧させ、圧力を利用して吸着剤に酸素分子を吸着させる工程。

（ｂ）取出工程：吸着工程から引き続いて、空気槽７から圧縮空気を吸着槽１９に導入し続けると同時に、吸着剤により分離生成された窒素ガスを吸着槽１９より取り出して窒素槽４１に貯留させる工程。

（ｃ）均圧工程：上均圧弁３６および下均圧弁２６の開閉により取出工程終了後の一対の吸着槽１９の均圧化を図り、次回の吸着工程の吸着効率を高めて、より高純度の窒素ガスを生成するための工程。なお、ここでは吸着槽１９が複数ある場合について説明したが、吸着槽１９は１つであってもよく、その場合は均圧工程は不要である。

（ｄ）再生工程：均圧工程終了後の吸着槽１９内を、排気弁２２を開くことにより配管２１を介して、吸着剤に吸着された酸素分子を脱着することにより吸着剤を再生する工程。なお、この再生工程において、排気弁２２以外の吸着槽１９に関連する供給弁１８、下均圧弁２６、上均圧弁３６および取出弁３８は、閉状態とする。

なお、本実施例では（ｄ）再生工程において、排気サイレンサ２３を、アフタークーラー３の排気風上流側近傍に設置し、吸着槽１９内を大気開放して、吸着剤に吸着された酸素分子を脱着することにより吸着剤を再生させている。

この排気は、吸着槽１９の加圧状態から断熱膨張するため、室温に比べ低い温度となっており、アフタークーラー３の近傍で大気開放させることで、低温の気体がアフタークーラー３を通過し、排気ファン１０により排気されるため、圧縮空気の冷却効率を上げることが可能となる。

制御部６０は、これらの各工程（ａ）〜（ｄ）の切り替えを、あらかじめ設定された時間、あるいは空気槽６、吸着槽１９および窒素槽４１等の圧力条件に基づいて、吸着槽１９に配置された供給弁１８、排気弁２２、下均圧弁２６、上均圧弁３６および取出弁３８の開閉を制御することにより行う。しかも、各工程（ａ）〜（ｄ）の切り替えを、各吸着槽１９毎に繰り返し行い、各吸着槽１９における工程が連携して実行されるように、すなわち、一方の吸着槽１９で吸着工程および取出工程が完了し、他方の吸着槽１９で再生工程が完了した後、均圧工程を行うように、制御部６０は制御する。
このように、ＰＳＡ式気体分離装置では、空気槽７に貯留した圧縮空気が供給弁１８の開閉により、急激に吸着槽１９に流入するため、空気槽７に貯蔵する前にエアードライヤー５にて除湿することで、吸着槽１９に供給される圧縮空気の除湿不足を防止することができる。また、空気槽７には除湿された圧縮空気が貯蔵されるため、タンク内で発生するドレン水が減少できるため、鉄製のタンクなどにおいては、錆の発生を減少させることができる。

本発明の実施例２について図２を用いて説明する。ここで、実施例１と同じ構成については同一の符号で示し、その説明を省略する。

本実施例では、圧縮機２とアフタークーラー３との間に仕切り板を配置して区画したことを特徴とする。また、本実施例では圧縮機２とアフタークーラー３との間に仕切りを設けたため、発熱の大きい圧縮機２を個別に冷却する排気ファン１０を設けた。

仕切りを設けることで、発熱の大きい圧縮機２の熱がアフタークーラー３に伝わりにくくなる。これにより、アフタークーラー３を通過する排気はより低温となるため、さらに冷却効率を上げることが可能となる。また、アフタークーラー３には、気体分離時に生じる排気が供給される。従って、圧縮機２がこの排気を吸込むと圧縮空気中に分離によって得ようとする気体の濃度が低くなり、気体の生成効率が低くなる。そこで、本実施例では、仕切りを設けることにより、気体の分離時に生じる排気を圧縮機２が吸込むことがなくなり、気体の生成効率を下がるのを防止することができる。

本発明の実施例２について図２を用いて説明する。ここで、実施例２と同じ構成については同一の符号で示し、その説明を省略する。

本実施例では、圧縮機２をアフタークーラー３、エアードライヤー５、空気槽７よりも上に配置した。

圧縮機２は発熱により高温になるため、アフタークーラー３、エアードライヤー５、空気槽７よりも上に配置することで、圧縮機２の熱がアフタークーラー３、エアードライヤー５、空気槽７に伝わるのを防止することができる。

これまで説明してきた実施例は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されない。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１・・・気体分離装置
２・・・圧縮機
３・・・アフタークーラー
４・・・ドレンフィルター
５・・・エアードライヤー
６・・・逆止弁（チェックバルブ）
７・・・空気槽
８・・・エアーフィルター
９・・・排気ファン
１０・・・排気ファン（圧縮機用）
１８・・・供給弁
１９・・・吸着槽
２２・・・排気弁
２３・・・排気口
２６・・・下均圧弁
３３・・・オリフィス
３６・・・上均圧弁
３８・・・取出弁
４１・・・窒素槽
４２・・・吐出口
４４・・・フィルターレギュレーター
４５・・・吐出弁
４６・・・流量調整弁
５０・・・開閉弁（排気用）
５１・・・流量調整弁（排気用）
５２・・・サイレンサ
５４・・・開閉弁（センサー用）
５５・・・流量調整弁（センサー用）
５６・・・酸素センサー
６０・・・制御部

Claims (11)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機により圧縮された空気を冷却するアフタークーラーと、
   前記アフタークーラーにより冷却された空気を除湿するドライヤーと、
   前記ドライヤーにより除湿された圧縮空気を貯留する空気タンクとを備え、
   前記空気タンクに貯留された空気から所定の気体を分離する気体分離装置であって、
   分離時に生じる排気を前記アフタークーラーに供給することを特徴とする気体分離装置。
2. 前記空気タンクに貯留された空気の一部を吸着する吸着槽を備えることを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。
3. 前記アフタークーラーは、内部を前記圧縮された空気が流通し、複数回屈曲した配管により形成されることを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。
4. 前記ドライヤーは高分子膜により除湿を行うことを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。
5. 前記排気は、吸着槽に吸着された空気を脱着することにより生じることを特徴とする請求項２に記載の気体分離装置。
6. 前記アフタークーラーと前記圧縮機との間に仕切り板を配置することを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。
7. 前記圧縮機を前記アフタークーラー、前記ドライヤー及び前記空気槽よりも上に配置することを特徴とする請求項６に記載の気体分離装置。
8. 空気を圧縮する圧縮工程と、
   前記圧縮工程による圧縮された空気を冷却する冷却工程と、
   前記冷却工程により冷却された空気を除湿する除湿工程と、
   前記除湿工程により除湿された空気を貯留する貯蔵工程と、
   前記貯蔵工程により貯留された空気から所定の気体を分離する分離工程とを備え、
   前記冷却工程では前記分離工程で生じた排気により冷却を行うことを特徴とする気体分離方法。
9. 前記分離工程は、
   貯留された空気の一部を吸着槽に吸着する吸着工程と、
   前記吸着槽に吸着されなかった所定の気体を取り出す取出工程と、
   前記吸着槽に吸着した空気を脱着する再生工程とを備えることを特徴とする請求項８に記載の気体分離方法。
10. 前記除湿工程では、高分子膜に前記冷却工程により冷却された空気を通すことを特徴とする請求項８に記載の気体分離方法。
11. 前記冷却工程では、前記再生工程により脱着した空気を前記圧縮工程により圧縮された空気が流通する配管に供給することにより冷却することを特徴とする請求項９に記載の気体分離方法。

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