JP2012077683A

JP2012077683A - 二連型真空ポンプ装置、およびそれを備えるガス精製システム、ならびに二連型真空ポンプ装置の制御方法

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Publication number: JP2012077683A
Application number: JP2010223841A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Haruna; 一生春名; Kiyokazu Maruta; 清和丸田; Hidenori Kuwata; 英典桑田; Koichi Shima; 康一志摩
Original assignee: Sumitomo Seika Chemicals Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Seika Chemicals Co Ltd
Priority date: 2010-10-01
Filing date: 2010-10-01
Publication date: 2012-04-19
Anticipated expiration: 2030-10-01
Also published as: JP4664444B1

Abstract

【課題】ガスの温度や気流振動に影響されることなく、少ない所要動力で減圧排気できる二連型真空ポンプ装置を提供する。
【解決手段】二連型真空ポンプ装置Ｙ２は、容積式の真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂ及びライン５２，６０を備える。各真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂは吸気口４１と排気口４２を有し、二連型真空ポンプ装置Ｙ２の吸気口４１近傍に圧力検出器８０を備えている。ライン５２は、真空ポンプ４０Ａの排気口４２と真空ポンプ４０Ｂの吸気口４１を連結する。ライン６０は、連結ライン５２に接続された端部Ｅ６と端部Ｅ５とを有し、バッファー管Ｚ１および当該管Ｚ１と端部Ｅ５との間に位置する開閉弁６１を含み、圧力検出器８０の圧力検出信号を開閉弁６１の開閉信号とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、二連の真空ポンプを含む装置（二連型真空ポンプ装置）、およびそれを備えるガス精製システムに関する。さらに、本発明は、二連型真空ポンプ装置の所要動力を最小にして運転する制御方法にも関する。

容積式の真空ポンプが、様々な用途で使用されている。例えば、ガス精製方法としての圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を実行するうえで、容積式の真空ポンプを二基直列に接続した二連型真空ポンプが使用される場合がある。

ＰＳＡ法では、例えば、不純物を吸着するための吸着剤が充填された吸着塔が使用される。そのような吸着塔を使用して行われるＰＳＡ法によるガスの精製においては、吸着塔にて、例えば次のような吸着工程および減圧再生工程を含むサイクルが繰り返される。吸着工程では、塔内が相対的に高圧な状態にある吸着塔に対して混合ガスたる原料ガスが導入されて、当該原料ガス中の不純物が吸着剤に吸着されつつ、当該吸着塔から非吸着ガスが導出される。この非吸着ガスは、目的ガスが富化されたガスであり、精製ガスとして取得される。減圧再生工程では、塔内が減圧されて相対的に低圧化されつつ、吸着剤から不純物が脱着され、この不純物を含む脱着ガスが塔外へ導出される。この減圧再生工程にて吸着塔内を減圧するために、容積式真空ポンプが使用される場合があるのである。このような容積式真空ポンプについては、例えば下記の特許文献１，２に記載されている。

容積式真空ポンプから排出されるガスにおいては、比較的に大きな気流振動が生じる。容積式真空ポンプの排気口が所定のラインと連結されている場合には、容積式真空ポンプからの排出ガスの気流振動（排ガス振動）に起因して、当該ラインの一部を構成する要素ないし部材（例えば、開閉弁のシャフト）の機械的強度の劣化が促進されることがある。気流振動を伴ってライン内を流れるガスに曝され続ける、ライン内の部材は、当該ガスから振動エネルギーを付与され続けて不当に振動し続けるからである。当該部材の当該振動は、部材構成材料組織の局所的破壊を誘発し、ひいては、当該部材の機械的強度の劣化を促進することがあるのである。また、容積式真空ポンプは、いわゆるシール水がポンプ機構内に供給されつつ稼動される場合がある。この場合、容積式真空ポンプの排気口からは、シール水に由来する微小水滴がガスとともに振動して排出されて、当該微小水滴の振動が実質的に排ガス振動に含まれることとなる。そして、この場合、当該微小水滴もライン内の部材に対して振動エネルギーを付与し続けるので、部材の機械的強度の劣化の促進は顕著となる傾向がある。

以上のような問題を解決するために、本発明の発明者らは、先願である特願２００９−２９１７９６号において、吸気口および排気口を有する容積式の第１真空ポンプと、吸気口および排気口を有する第２真空ポンプと、前記第１真空ポンプの前記排気口および前記第２真空ポンプの前記吸気口の間を連結する連結ラインと、前記連結ラインに接続された第１端部およびガス導出用の第２端部を有するバイパスラインと、を備え、前記バイパスラインは、バッファー管、および、当該バッファー管と前記第２端部の間に位置する開閉弁を含む、二連型真空ポンプ装置を提案した。このような二連型真空ポンプ装置では、所要動力を低減するための方法として、第１真空ポンプの排気量を第２真空ポンプの排気量より大きくして、第１真空ポンプと第２真空ポンプの連結ラインに圧力検出器を設置して、減圧排気しているときにこの圧力を検出し、その検出圧力が大気圧以上となっているときには開閉弁を開として第２真空ポンプが排気する以上に過剰なガス量を大気へ排出し、連結ラインにおける検出圧力が減少して大気圧以下となった場合には圧力検出器が作動しバイパス弁を閉として第１真空ポンプと第２真空ポンプが連携するように排出することが考えられる。しかしながら、連結ラインに圧力を検出する検出器を設置して連結ラインの圧力で開閉弁の開閉を行うと、第１真空ポンプ出口につながる連結ラインの気流振動により圧力検出器が破損し正しく圧力を検出し続けることができなくなる。

また、二連型真空ポンプ装置における所要動力を低減するための別の方法として、この連結ラインの圧力検出器を用いずに減圧排気初期から所要時間を予測して、操作時間プログラミングして、決まった時間にこの開閉弁を開閉させるという解決策も考えられる。しかしながら、この解決策では、例えば温度が比較的高い夏季には吸着剤のガス吸着量が減少するため、連結ラインの圧力が早く降下し、温度が比較的低い冬季にはガス吸着量が増加するため連結ラインの圧力の降下速度が遅くなり、このバイパス弁の適正な開閉タイミングがずれることがあった。

特開平１０−２９６０３４号公報特開２００６−２７２３２５号公報

本発明は、真空ポンプの気流振動による影響を受けずに、また、季節変動でガス温度が変化してガス吸着量が変わっても第１真空ポンプと第２真空ポンプの連結ラインの圧力変化を正しく予測し、正確にバイパス弁の開閉を行い、真空ポンプの所要動力を最小化できる二連型真空ポンプ装置を提供することを課題とする。

本発明の別の課題は、以上のように所要動力を最小化できる二連型真空ポンプ装置を含むガス精製システムを提供することにある。

本発明のさらに別の課題は、以上のような二連型真空ポンプ装置における所要動力を最小化するための制御方法を提供することにある。

本発明の第１の側面によると、二連型真空ポンプ装置が提供される。この二連型真空ポンプ装置は、吸気口および排気口を有する容積式の第１真空ポンプと、吸気口および排気口を有する第２真空ポンプと、前記第１真空ポンプの前記排気口および前記第２真空ポンプの前記吸気口の間を連結する連結ラインと、前記連結ラインに接続された第１端部およびガス導出用の第２端部を有するバイパスラインと、前記バイパスラインにおける前記第１端部および前記第２端部の間に配置された開閉弁と、前記第１真空ポンプの前記吸気口の近傍の圧力を検出する圧力検出器と、を備え、前記開閉弁を前記圧力検出器に連動させるように構成されている。

本発明の第１の側面による二連型真空ポンプ装置の使用に際しては、第１真空ポンプの吸気口は、例えば所定のラインを介して、大気圧より低い所定圧力まで内部を減圧することが必要な容器（減圧対象容器）に連結される。そのような減圧対象容器としては、例えば、ＰＳＡ法を実行するための吸着塔や、半導体製造装置の真空チャンバなどが挙げられる。また、本ポンプ装置の稼動時には、連結ラインを介して直列に接続された第１および第２真空ポンプが稼動される。第１真空ポンプないしその排気口からの排気量のうち、第２真空ポンプの排気量を超える流量のガスは、第２真空ポンプにとっての過剰ガスである。本ポンプ装置の稼動時においては、例えば、第１真空ポンプの排気量が第２真空ポンプの排気量を超えているとき（即ち、過剰ガスのあるとき）には、バイパスラインの開閉弁を開状態として、過剰ガスが連結ラインからバイパスラインに流入するように本装置のガス流れを制御し、また、第１真空ポンプの排気量が第２真空ポンプの排気量を超えていないとき（過剰ガスのないとき）には、バイパスラインの開閉弁を閉状態として、両真空ポンプを完全直列状態とする。この過剰ガスが生じている状態にあっては、当該過剰ガスは、連結ラインからバイパスラインに流入した後、バイパスライン内において、開閉弁を通過し、その後に第２端部から導出される。バイパスラインの第２端部は、例えば、第２真空ポンプの排気口から伸びる配管を通じて、間接的に消音器に連結されている。一方、過剰ガスが生じていない状態にあっては、完全直列状態にある第１および第２真空ポンプが協働して減圧対象容器の内部を減圧し、第２真空ポンプから所定量のガスが導出される。このとき、バイパスラインの開閉弁は閉状態にあるため、バイパスラインを通過するガスはない。

本ポンプ装置の特性として、予め二連型真空ポンプ装置の吸気口圧力に応じて、見掛け排気量（標準状態に換算していない排気量）がどのように変化するか、および、所要動力がどのように変化するかを、図５のような特性グラフとして予測しておく。この特性グラフは、第１真空ポンプのみが作用して連結ラインからバイパスラインの開閉弁を通じて第２真空ポンプにとって過剰なガスが外部に排出される最適なポイントを示唆しており、吸気口圧力が例えば−４２ｋＰａＧにまで低下し、同時に連結ラインの圧力が大気圧にまで降下し、第２真空ポンプにとって過剰なガスが０となるとき、第１真空ポンプと第２真空ポンプが連携して直列に排気ガスを排出すれば、二連型真空ポンプ装置が最小で最適な所要動力をもたらすことを表している。

本発明者らは、本ポンプ装置の特性において、第１真空ポンプと第２真空ポンプの連結ラインの圧力が大気圧となるとき、これに対応する第１真空ポンプの吸気口の圧力がガス温度によって変動しないこと、具体的にはガス温度が変化してガス吸着量が変わっても、例えば、吸気口の圧力が−４２ｋＰａＧのときに、連結ラインの圧力が大気圧であってガス温度によって変化しないことを発見した。この−４２ｋＰａＧの圧力は第１真空ポンプと第２真空ポンプの組み合わせにおいて第１真空ポンプの排気量を大きくすると、所要動力の折れ曲がり点は−４２ｋＰａＧ以下の方向へ移動し、第２真空ポンプの排気量を大きくすると−４２ｋＰａＧ以上の方向へ移動する。更にガス温度の影響については、ガス温度が高くなる夏季には（例えば４０℃のとき）、吸着剤へのガス吸着量が減少し、減圧再生時の吸気口側の圧力が下がり、図８の下側の曲線のように変化する。一方、ガス温度が低下する冬季には（例えば２０℃になると）吸着剤へのガス吸着量が増加し、減圧再生時の吸気口側の圧力は上昇し図８の上側の曲線のように変化する。しかしながら、本ポンプ装置はルーツポンプで定容量式であるので季節変動によるガス温度変化から起こるガス吸着量変化の影響を受けず見掛け排気量は変わらない。

本発明の第１の側面において、前記第１真空ポンプの前記排気口からの排気量が前記第２真空ポンプの排気量に一致したことを示す圧力値を前記圧力検出器が検出したときに、前記開閉弁は開状態から閉状態へと切り替えるように構成されている。このような構成は、二連型真空ポンプ装置を効率よく稼動させるのに資する。この開閉弁を連結ラインの圧力が大気圧に降下する前に閉じると、図６のように第２真空ポンプの所要動力が増加し、また、大気圧以下に減圧される状態にまで開のままで放置すると図７のように第１真空ポンプの所要動力が増加する。したがって、連結ラインの圧力が大気圧まで降下する点を予測し、第１真空ポンプの吸気口側の圧力値を圧力検出器で検出し、その信号でバイパスラインの開閉弁を閉じると、正確な切り替えタイミングを捕らえることができる。

好ましくは、第１および第２真空ポンプは、それぞれ、ケーシングと当該ケーシング内のロータとを有するルーツポンプであり、単一のモータによって第１真空ポンプのロータと第２真空ポンプのロータとが連動して回転駆動されるように構成されている。このような構成は、本二連型真空ポンプ装置の所要動力を低減するうえで好適である。

本発明の第２の側面によるとガス精製システムが提供される。このガス精製システムは、圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を利用してガスを精製するための、吸着剤が内部に充填された吸着塔と、当該吸着塔の内部を減圧するための、本発明の第１の側面に係る二連型真空ポンプ装置と、を備える。このような構成のガス精製システムにおいては、第１の側面に係る二連型真空ポンプ装置によって奏される技術的効果を享受しつつ、ＰＳＡ法によって目的ガスを精製することが可能である。

本発明の第３の側面によると二連型真空ポンプ装置の制御方法が提供される。この制御方法では、前記圧力検出器により前記第１真空ポンプの前記吸気口の近傍の圧力を検出し、前記圧力検出器により検出した圧力が、前記第１真空ポンプの前記排気口からの排気量が前記第２真空ポンプの排気量に一致したことを示す値になったときに、前記開閉弁を開状態から閉状態へと切り替える。この制御方法によれば、第１の側面に係る二連型真空ポンプ装置にて意図された技術的効果が発揮されることになる。

本発明の実施形態に係るガス精製システムの概略構成図である。ルーツポンプの一断面図であり、例えば、図１の線II−IIに沿った断面図である。図１に示した実施形態に係るガス精製システムの変形例の概略構成図である。図１のガス精製システムによって実行することが可能なガス精製方法における１サイクル（ステップ１〜４）を表す工程表である。二連型真空ポンプ装置の吸気口圧力と見掛け排気量および最適な所要動力との関係を示すグラフである。二連型真空ポンプ装置の吸気口圧力と見掛け排気量およびバイパスラインの開閉弁を早いタイミングで閉じた場合の所要動力との関係を示すグラフである。二連型真空ポンプ装置の吸気口圧力と見掛け排気量およびバイパスラインの開閉弁を遅いタイミングで閉じた場合の所要動力との関係を示すグラフである。ガス温度が変化したときの減圧再生時間と吸気口圧力との関係を示すグラフである。

図１は、本発明の実施形態に係るガス精製システムＸ１の概略構成を表す。ガス精製システムＸ１は、ＰＳＡ装置Ｙ１と、二連型真空ポンプ装置Ｙ２と、消音器Ｙ３とを備える。

ＰＳＡ装置Ｙ１は、吸着塔１０Ａ，１０Ｂと、原料ブロワ２１と、タンク２２と、配管３１〜３４とを備え、混合ガスたる原料ガスから圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を利用して不純物を吸着除去して目的ガスを濃縮分離することが可能なように構成されている。精製対象たる目的ガスは、本実施形態では、空気中の酸素である。この場合、主な不純物は窒素である。

吸着塔１０Ａ，１０Ｂのそれぞれは、両端にガス通過口１１，１２を有し、ガス通過口１１，１２の間において、原料ガス中の不純物を選択的に吸着するための吸着剤が充填されている。本実施形態では、吸着剤として、主な不純物たる窒素を選択的に吸着するためのゼオライト系吸着剤が採用される。

原料ブロワ２１は、本実施形態では空気ブロワであり、原料ガスとして吸引した空気を吸着塔１０Ａ，１０Ｂに向けて供給ないし送出するためのものである。タンク２２は、精製されたガス（本実施形態では酸素）を一旦貯留するためのものである。

配管３１は、主幹路３１’および分枝路３１Ａ，３１Ｂを有する。主幹路３１’は、端部Ｅ１を有する。端部Ｅ１は、原料ブロワ２１のガス送出口に接続されている。分枝路３１Ａ，３１Ｂは、それぞれ、吸着塔１０Ａ，１０Ｂのガス通過口１１側に連結されている。また、分枝路３１Ａ，３１Ｂには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３１ａ，３１ｂが付設されている。

配管３２は、主幹路３２’および分枝路３２Ａ，３２Ｂを有する。主幹路３２’は、端部Ｅ２を有する。端部Ｅ２は、タンク２２に接続されている。分枝路３２Ａ，３２Ｂは、それぞれ、吸着塔１０Ａ，１０Ｂのガス通過口１２側に連結されている。また、分枝路３２Ａ，３２Ｂには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３２ａ，３２ｂが付設されている。

配管３３は、主幹路３３’および分枝路３３Ａ，３３Ｂを有する。主幹路３３’は、端部Ｅ３を有する。端部Ｅ３は、二連型真空ポンプ装置Ｙ２に対して接続されている。分枝路３３Ａ，３３Ｂは、それぞれ、吸着塔１０Ａ，１０Ｂのガス通過口１１側に連結されている。また、分枝路３３Ａ，３３Ｂには、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３３ａ，３３ｂが付設されている。主幹路３３'の端部Ｅ３の近傍には、圧力検出器８０が設置されており、当該圧力検出器８０は真空ポンプ４０Ａの吸気口４１の圧力を常時検出する。この圧力検出器８０で検出される圧力値（入口圧力値）を監視することにより、真空ポンプ４０Ａの排気口４２につながる連結ライン５２内の圧力（出口圧力値）を間接的に予測し、この入口圧力値が所定の閾値になったとき、開閉弁６１が開閉するように信号を発信する。この入口圧力値の所定の閾値は、例えば上記出口圧力値（連結ライン５２内の圧力）が大気圧になる値に設定される。

配管３４は、配管３２の分枝路３２Ａ，３２Ｂを架橋するように設けられている。具体的には、配管３４は、分枝路３２Ａにおける自動弁３２ａと吸着塔１０Ａとの間に連結され、且つ、分枝路３２Ｂにおける自動弁３２ｂと吸着塔１０Ｂとの間に連結されている。また、配管３４には、開状態と閉状態との間を切り替わることが可能な自動弁３４ａが付設されている。

二連型真空ポンプ装置Ｙ２は、二つの真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂと、モータ５１と、連結ライン５２と、配管５３と、バイパスライン６０とを備え、真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂの稼動によって上述のＰＳＡ装置Ｙ１の吸着塔１０Ａ，１０Ｂの内部を減圧し得るように構成されている。

真空ポンプ４０Ａは、容積式の真空ポンプであり、本実施形態ではルーツポンプである。真空ポンプ４０Ｂも、本実施形態ではルーツポンプである。真空ポンプ４０Ｂの排気量は、真空ポンプ４０Ａの排気量より小さい。真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂは、それぞれ、吸気口４１および排気口４２を有する。上述のＰＳＡ装置Ｙ１における配管３３の端部Ｅ３は、真空ポンプ４０Ａの吸気口４１に接続されている。

ルーツポンプは、例えば、図２に示すように、ケーシング４０ａと、当該ケーシング４０ａ内の二個の例えばマユ型のロータ４０ｂとを有する。二個のロータ４０ｂは、互いに反対方向に同期回転するように構成されている。このようなルーツポンプの駆動時には、吸気口４１からケーシング４０ａ内に入った気体は、ケーシング４０ａとロータ４０ｂ間の空間に閉じ込められ、ロータ４０ｂの回転で排気口４２の側に排出される。また、本実施形態では、いわゆるシール水を真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂの各ケーシング４０ａ内に供給するためのシール水供給手段（図示略）が、二連型真空ポンプ装置Ｙ２に設けられている。シール水により、ケーシング４０ａとロータ４０ｂの間に形成される空間について高い気密性を実現することが可能となる。

モータ５１は、真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂを稼動させるためのものである。二連型真空ポンプ装置Ｙ２においては、単一のモータ５１によって真空ポンプ４０Ａのロータ４０ｂと真空ポンプ４０Ｂのロータ４０ｂとが連動して回転駆動されるように構成されている。具体的には、単一のモータ５１によって真空ポンプ４０Ａのロータ４０ｂと真空ポンプ４０Ｂのロータ４０ｂとが連動して回転駆動されるように、モータ５１と真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂの間は、軸部品やギア部品等を介して機械的に連結されている。

連結ライン５２は、真空ポンプ４０Ａの排気口４２に接続され、真空ポンプ４０Ｂの吸気口４１に接続され、当該排気口４２と吸気口４１の間を連結する。配管５３は、端部Ｅ４，Ｅ７を有する。配管５３の端部Ｅ４は、真空ポンプ４０Ｂの排気口４２に接続されている。配管５３のもう一方の端部Ｅ７は、消音器Ｙ３に接続されている。

バイパスライン６０は、ライン入口たる端部Ｅ６およびライン出口たる端部Ｅ５を有し、且つ、開閉弁６１およびバッファー管Ｚ１をライン内に有する。端部Ｅ６は、真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂ間の連結ライン５２に接続されている。端部Ｅ５は、配管５３に接続されている。開閉弁６１は、バイパスライン６０におけるバッファー管Ｚ１と端部Ｅ５の間に位置し、本実施形態では、検出圧力が圧力検出器８０の圧力設定値に到達した時点で開閉される。二連型真空ポンプ装置Ｙ２の稼動時には、開閉弁６１が開状態とされてバイパスライン６０をガスが通流可能とされる期間があるが、開閉弁６１は、真空ポンプ４０Ａの排気口４２からの排気量が漸減して真空ポンプ４０Ｂの排気量に一致したときの吸気口４１の圧力を検知し、開状態から閉状態へと切り替えられるように、構成されている。上述したように、真空ポンプ４０Ｂの排気量は、真空ポンプ４０Ａの排気量より小さく設計されているため、このような制御が必要となる。

バッファー管Ｚ１は、真空ポンプ４０Ａで発せられた気流振動を吸収する役目を果たす。

消音器Ｙ３は、本ガス精製システムＸ１から排気されるガスの当該排気に際して放射される騒音を小さくするための装置である。従って、騒音が問題にならないのであれば、消音器Ｙ３は省略して、配管５３及びバイパスライン６０を直接大気中に開放してもよい。また、図１の実施形態では、バイパスライン６０は配管５３に合流させた上で同一の消音器Ｙ３に接続しているが、図３に示すように、配管５３とバイパスライン６０とをそれぞれ別の消音器Ｙ３、Ｙ３’に接続するようにしてもよい。

以上のような構成を有するガス精製システムＸ１（ＰＳＡ装置Ｙ１および二連型真空ポンプ装置Ｙ２を含む）を使用して、原料ガス（本実施形態では空気）から目的ガス（本実施形態では酸素）を精製することができる。具体的には、ＰＳＡ装置Ｙ１および二連型真空ポンプ装置Ｙ２の稼動時において、ＰＳＡ装置Ｙ１における自動弁３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ，３４ａを所定のタイミングで開閉状態を切り替えることによって、システム内にて所望のガスの流れ状態を実現して、ＰＳＡ装置Ｙ１の吸着塔１０Ａ，１０Ｂにて以下のステップ１〜４からなる１サイクルを繰り返し、精製酸素ガスを取得することができる。１サイクル（ステップ１〜４）においては、図４に示すように、吸着塔１０Ａ，１０Ｂのそれぞれにて、吸着工程、減圧再生工程、および復圧工程が行われる。

ステップ１では、吸着塔１０Ａにて吸着工程が行われ、且つ、吸着塔１０Ｂにて減圧再生工程が行われる。ステップ１にて吸着工程が行われる吸着塔１０Ａは、後述のステップ４（吸着塔１０Ａでは復圧工程が行われる）を経て塔内が相対的に高圧（大気圧より若干高い約４０ｋＰａＧ：Ｇはゲージ圧を示し、以下も同じ）の状態にある。そして、ステップ１では、このような吸着塔１０Ａのガス通過口１１側に、原料ブロワ２１から、配管３１における主幹路３１’および分枝路３１Ａを介して、空気が導入され続け、当該空気中の主に窒素が吸着塔１０Ａ内の吸着剤に吸着され、且つ、酸素が富化された精製酸素ガスが吸着塔１０Ａのガス通過口１２側から導出され続ける。精製酸素ガスは、配管３２の分枝路３２Ａおよび主幹路３２’を介してタンク２２へと導かれて当該タンク２２に貯留される。この精製酸素ガスについては、タンク２２から所定の装置やプラントに供給し続けてもよい。

これとともに、ステップ１では、後述のステップ３〜４（吸着塔１０Ｂでは吸着工程が行われる）を経た吸着塔１０Ｂにおいて、二連型真空ポンプ装置Ｙ２によって内部が減圧される。具体的には、吸着塔１０Ｂのガス通過口１１側と二連型真空ポンプ装置Ｙ２の真空ポンプ４０Ａの吸気口４１側とが配管３３を介して連通した状態とされたうえで、二連型真空ポンプ装置Ｙ２によって吸着塔１０Ｂの内部が減圧される。これにより、吸着塔１０Ｂ内の吸着剤から主に窒素が脱着されて塔外に導出され、当該窒素（オフガス）は、吸着塔１０Ｂのガス通過口１１側から配管３３における分枝路３３Ｂおよび主幹路３３’を介して二連型真空ポンプ装置Ｙ２へと導かれる。吸着塔１０Ｂ内の吸着剤から窒素が脱着することにより、当該吸着剤は再生されることとなる。このような減圧再生工程の開始時における吸着塔１０Ｂの内部圧力は、例えば約４０ｋＰａＧである。また、減圧再生工程の終了時における吸着塔１０Ｂの最終到達内部圧力は、ガス温度によって変化するが、例えば、−６６〜−７２kＰａＧである。

ステップ２では、吸着塔１０Ａにてステップ１から引き続き吸着工程が行われ、且つ、吸着塔１０Ｂにて復圧工程が行われる。ステップ２では、具体的には、ステップ１から引き続き、原料ブロワ２１から吸着塔１０Ａのガス通過口１１側に空気が供給され続け、吸着塔１０Ａのガス通過口１２側から精製酸素ガスが導出され続ける。精製酸素ガスの一部は、タンク２２に導入されて貯留される。精製ガスの他の一部は、配管３４を介して吸着塔１０Ｂのガス通過口１２側に導かれる。ステップ２では、吸着塔１０Ｂのガス通過口１２側から精製酸素ガスが導入されることにより、吸着塔１０Ｂの内部圧力が回復される（即ち、吸着塔１０Ｂ内が相対的に高圧（例えば大気圧から約４０ｋＰａＧの圧力）の状態に復帰させられる。

ステップ３〜４では、ステップ１〜２で吸着塔１０Ａにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ｂにおいて吸着工程が行われる。したがって、ステップ３〜４では、吸着塔１０Ｂのガス通過口１２側から精製酸素ガスが導出され続け、この精製酸素ガスは、タンク２２に導入されて貯留される。これとともに、ステップ３〜４では、ステップ１〜２で吸着塔１０Ｂにおいて行われたのと同様に、吸着塔１０Ａにおいて、減圧再生工程（ステップ３）および復圧工程（ステップ４）が行われる。ステップ３における吸着塔１０Ａの減圧再生工程では、吸着塔１０Ａのガス通過口１１側と二連型真空ポンプ装置Ｙ２の真空ポンプ４０Ａの吸気口４１側とが配管３３を介して連通した状態とされたうえで、二連型真空ポンプ装置Ｙ２によって吸着塔１０Ａの内部が減圧され、これにより、吸着塔１０Ａ内の吸着剤から主に窒素が脱着されて塔外に導出され、当該窒素（オフガス）は、吸着塔１０Ａのガス通過口１１側から配管３３における分枝路３３Ａおよび主幹路３３’を介して二連型真空ポンプ装置Ｙ２へと導かれる。吸着塔１０Ａ内の吸着剤から窒素が脱着することにより、当該吸着剤は再生されることとなる。

以上のようにして、ガス精製システムＸ１からは、空気を原料として精製酸素ガスを取得し続けることができる。このようなガス精製システムＸ１において、二連型真空ポンプ装置Ｙ２については、具体的には以下のように稼動させる。

上述のステップ１（吸着塔１０Ｂでは減圧再生工程が行われている）においては、ＰＳＡ装置Ｙ１の吸着塔１０Ｂのガス通過口１１側と、二連型真空ポンプ装置Ｙ２の真空ポンプ４０Ａの吸気口４１側とが、配管３３を介して連通している状態にあり、モータ５１によって真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂ（連結ライン５２を介して直列に接続されている）が駆動されて、吸着塔１０Ｂの内部が減圧される。二連型真空ポンプ装置Ｙ２におけるバイパスライン６０の開閉弁６１は、このステップ１（減圧再生工程）の開始時においては吸気口４１の近傍における配管３３の内部圧力は大気圧より若干高い圧力にあり（吸着塔１０Ｂにおける吸着圧力が例えば４０ｋＰａＧであるため）、連結ライン５２の内部も大気圧以上となっている。そのため、ＰＳＡ装置Ｙ１の吸着塔１０Ｂにおける減圧再生工程の開始直後には、吸着塔１０Ｂからのオフガスは、二連型真空ポンプ装置Ｙ２において、真空ポンプ４０Ａを通過した後、一部が真空ポンプ４０Ｂを通過し、一部がバイパスライン６０を通過し、消音器Ｙ３を通じて外部へ排出される。

また、ステップ１にある吸着塔１０Ｂ（減圧再生工程が行われている）からのオフガスを吸引し続ける真空ポンプ４０Ａからの排気量は、吸着塔１０Ｂと連結されている真空ポンプ４０Ａの吸気口４１の側の圧力（即ち、二連型真空ポンプ装置Ｙ２の入口圧力）に応じて変化する。具体的には、当該減圧再生工程が進行するほど、吸着塔１０Ｂの内部圧力は小さくなり（従って、真空ポンプ４０Ａの吸気口４１側圧力も小さくなり）、それに応じて真空ポンプ４０Ａからの排気量は減少していく。

ステップ１にある吸着塔１０Ｂからのオフガスを吸引し続ける真空ポンプ４０Ａからのこのような排気量のうち、真空ポンプ４０Ｂの排気量を超える流量のガスは、真空ポンプ４０Ｂにとっての過剰ガスである（上述のように、真空ポンプ４０Ｂの排気量は、真空ポンプ４０Ａの排気量より小さい）。真空ポンプ４０Ｂにとっての過剰ガスは、吸着塔１０Ｂの減圧再生工程（ステップ１）の開始時からある期間だけ存在する。減圧再生工程にて吸着塔１０Ｂの内部圧力が小さくなると、真空ポンプ４０Ａの吸気口４１側圧力も同様に小さくなる。それに応じて真空ポンプ４０Ａからの排気量は真空ポンプ４０Ｂの吸気量に一致するまで減少し続ける。減圧再生工程における真空ポンプ４０Ａの吸気口４１側の圧力変化は、ガス温度によって図８に示されるようになる。すなわち、ガス温度が高くなると吸着剤のガス吸着量が減少するため、第１真空ポンプ４０Ａの吸気口４１（二連型真空ポンプ装置Ｙ２の入口）側圧力は減圧再生時間の中で早く降下し、ガス温度が低くなると吸着剤のガス吸着量が増加するため、この圧力の降下は遅くなる。

一方、二連型真空ポンプ装置Ｙ２の排気量特性として、図５に吸気口圧力と見掛け排気量（標準状態に換算しない排気量をいい、標準状態に換算した排気量をいう場合には、標準状態を表す“Ｎ”の表示を付加する）、および所要動力の最適な関係を表わした。この関係はガス温度には影響を受けず、第１真空ポンプ４０Ａと第２真空ポンプ４０Ｂの連結ライン５２内の圧力が大気圧以下となる点は吸気口４１での圧力がほぼ−４２ｋＰａＧ付近で移動せず、排気ガスの温度が変わり吸着剤の吸着ガス量が変化しても変わることはない。従って、気流振動のない吸気口４１側近傍に圧力検出器８０を設置し、予め第１真空ポンプ４０Ａと第２真空ポンプ４０Ｂの連結ライン５２内の圧力が大気圧以上となったり大気圧以下となったりするときの変化点に達するときの、入口圧力値（例えば−４２ｋＰaＧ）を設定しておけば第１真空ポンプ４０Ａと第２真空ポンプ４０Ｂを常に無駄のない組み合わせで運転し、二連型真空ポンプ装置Ｙ２として最小の所要動力運転を行うことができる。

二連型真空ポンプ装置Ｙ２においては、吸着塔１０Ｂの減圧再生工程の開始時から過剰ガスの存在する期間中（即ち、真空ポンプ４０Ａからの排気量が真空ポンプ４０Ｂの排気量を超えているとき）には、吸気口４１側の圧力が圧力検出器８０の圧力設定値（例えば、−４２ｋＰａＧ）より高いことを検出し、バイパスライン６０の開閉弁６１を開状態として、当該過剰ガスが連結ライン５２からバイパスライン６０に流入するようにガス流れを制御する。また、この圧力が圧力検出器８０の上記圧力設定値となったとき、即ち、真空ポンプ４０Ａからの排気量が漸減して真空ポンプ４０Ｂの排気量に等しくなったとき、バイパスライン６０の開閉弁６１を閉状態として両真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂを完全直列状態とする。吸着塔１０Ｂの減圧再生工程の開始時から過剰ガスが生じている期間中にあっては、当該過剰ガスは、連結ライン５２からバイパスライン６０に流入した後、バイパスライン６０内において、バッファー管Ｚ１を通過し、続いて開閉弁６１を通過し、その後に端部Ｅ５とＥ７を介して消音器Ｙ３（または図３の別個の消音器Ｙ３’）に導入され、当該過剰ガスは消音器Ｙ３を介してガス精製システムＸ１外に排気される。これとともに、過剰ガスが生じている状態にあっては、連結ライン５２を介して真空ポンプ４０Ａと連結されている真空ポンプ４０Ｂの排気口４２からも所定量のガスが排出される（但し、この場合は、実質的な減圧の仕事は前段の真空ポンプ４０Ａのみにて行われており、後段の真空ポンプ４０Ｂは減圧に実質的に関与していない）。真空ポンプ４０Ｂの排気口４２は、配管５３を介して端部Ｅ７に連結されており、真空ポンプ４０Ｂからの排出ガスも、端部Ｅ７を介して消音器Ｙ３に導入され、当該ガスは消音器Ｙ３を介してガス精製システムＸ１外に排気される。一方、吸着塔１０Ｂの減圧再生工程において過剰ガスが生じていない状態にあっては、完全直列状態にある真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂが協働して減圧対象容器たる吸着塔１０Ｂの内部を減圧し、真空ポンプ４０Ｂから所定量のガスが排出される。このガスは、配管５３および端部Ｅ７を介して消音器Ｙ３に導入される（そして、当該ガスは消音器Ｙ３を介してガス精製システムＸ１外に排気される）。このとき、バイパスライン６０の開閉弁６１は閉状態にあるため、バイパスライン６０を通過するガスはない。

上述のステップ１における吸着塔１０Ｂについての減圧再生工程は、以上のように二連型真空ポンプ装置Ｙ２を減圧稼動させることにより、実行する。上述のステップ３における吸着塔１０Ａについての減圧再生工程も、吸着塔１０Ｂの減圧再生工程に関して上述したのと同様にして二連型真空ポンプ装置Ｙ２を減圧稼動させることにより、実行する。

二連型真空ポンプ装置Ｙ２の減圧稼動時には、上述のように、減圧開始時に開状態にある開閉弁６１は、真空ポンプ４０Ａからの排気量が漸減して真空ポンプ４０Ｂの排気量に一致したときに開状態から閉状態へと吸気口４１側の圧力を圧力検出器８０にて検出して切り替えられる。このような構成は、減圧工程の後半において真空ポンプ４０Ａと真空ポンプ４０Ｂが直列に作動し二連型真空ポンプ装置Ｙ２を効率よく稼動させるのに資する。しかも、二連型真空ポンプ装置Ｙ２の所要動力を最小化できる圧力検出器８０の設定値は温度変化の影響を殆ど受けないから、減圧開始時からの経過時間を予め設定して開閉弁６１の開閉制御を行う場合と比較して、温度変化による所要動力増加の問題は生じない。

また、二連型真空ポンプ装置Ｙ２においては、上述のように、単一のモータ５１によって真空ポンプ４０Ａのロータ４０ｂと真空ポンプ４０Ｂのロータ４０ｂとが連動して回転駆動されるように構成されている。このような構成は、二連型真空ポンプ装置Ｙ２の所要動力を低減するうえで好適である。

次に本発明の実施例について、比較例とともに説明する。但し、比較例は本発明の効果を確認するために出願人が行った実験例であるにすぎず、公知技術に属する技術ではないことに留意すべきである。

〔実施例１〕
二連型真空ポンプ装置Ｙ２の第１真空ポンプ４０Ａの見掛け排気量を１４，８００ｍ³／ｈ、第２真空ポンプ４０Ｂの見掛け排気量を１４，１００ｍ³/ｈのルーツポンプとして直列に接続し、ガス温度３０℃のときに、ガス精製システムＸ１を使用して、図４に示す吸着工程、減圧再生工程、および復圧工程からなる１サイクル（ステップ１〜４）を吸着塔１０Ａ，１０Ｂのそれぞれにて繰り返すことにより、原料ガスたる空気から酸素を取得した。本実施例では、ＰＳＡ装置Ｙ１の原料ブロア２１による空気の供給量は８，３００Ｎｍ³／ｈ（Ｎ：標準状態を表し、以下も同じ）とした。吸着工程にある吸着塔１０Ａ、１０Ｂの内部圧力を最大４０ｋＰaＧとした。また、減圧再生工程にある１０Ａ、１０Ｂの内部の減圧再生工程末期圧力は−６９ｋＰaＧとなり、復圧工程にある吸着塔１０Ａ、１０Ｂについては、その内部圧力を大気圧にまで復帰させた。また、吸着塔１０Ａ，１０Ｂについての減圧再生工程は、吸気口４１側の圧力が圧力検出器８０で図５のような特性として、−４２ｋＰaＧの圧力値に到達したときにバイパス弁６１が開から閉となるように設定した。

本実施例の二連型真空ポンプ装置Ｙ２については、具体的には次のように減圧稼動させた。減圧再生工程の開始時から圧力検出器８０の指示値がほぼ大気圧から−４２ｋＰａＧの間、即ち真空ポンプ４０Ａからの排気量が真空ポンプ４０Ｂの排気量を超えているときには、バイパスライン６０の開閉弁６１に信号を発信して開状態として、当該過剰ガスが連結ライン５２からバイパスライン６０に流入するようにガス流れを制御した。そして、真空ポンプ４０Ａからの排気量が漸減して真空ポンプ４０Ｂの排気量に一致したとき、すなわち圧力検出器８０が−４２ｋＰaＧを示したとき、開閉弁６１を開状態から閉状態へと切り替えて両真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂを完全直列状態としたうえで、二連型真空ポンプ装置Ｙ２の減圧稼動を継続した。その結果真空ポンプの積算平均所要動力は２０６ｋｗとなった。

〔実施例２〕
二連型真空ポンプ装置Ｙ２の第１真空ポンプ４０Ａの見掛け排気量を、１４，８００ｍ³／ｈ、第２真空ポンプ４０Ｂの見掛け排気量を１４，１００ｍ³/ｈのルーツポンプとして直列に接続し、ガス温度４０℃のときに、ガス精製システムＸ１を使用して、図４に示す吸着工程、減圧再生工程、および復圧工程からなる１サイクル（ステップ１〜４）を吸着塔１０Ａ，１０Ｂのそれぞれにて繰り返すことにより、原料ガスたる空気から酸素を取得した。また、ＰＳＡ装置Ｙ１の原料ブロア２１による空気の供給量は８，３００Ｎｍ³／ｈとし、吸着工程にある吸着塔１０Ａ、１０Ｂの内部圧力を最大４０ｋＰaＧとした。減圧再生工程にある１０Ａ、１０Ｂの内部の減圧再生工程末期圧力は−７２ｋＰaＧまで降下した。復圧工程にある吸着塔１０Ａ、１０Ｂについては、その内部圧力を大気圧にまで復帰させた。また、吸着塔１０Ａ，１０Ｂについての減圧再生工程は、吸気口４１側の圧力が圧力検出器８０で図４のような特性として、−４２ｋＰaＧの圧力値に到達したときにバイパス弁６１が開から閉となるように設定した。

二連型真空ポンプ装置Ｙ２については、実施例１と同様の操作を行い圧力検出器８０が−４２ｋＰaＧを示したとき、開閉弁６１を開状態から閉状態へと切り替えて両真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂを完全直列状態としたうえで、二連型真空ポンプ装置Ｙ２の減圧稼動を継続した。その結果真空ポンプの積算平均所要動力は２１３ｋｗとなった。

〔比較例１〕
実施例１と同様に、二連型真空ポンプ装置Ｙ２の第１真空ポンプ４０Ａの見掛け排気量を１４，８００ｍ³／ｈとし、第２真空ポンプの見掛け排気量を１４，１００ｍ³/ｈのルーツポンプにして直列に連結し、ガス温度３０℃のときに、実施例１と同様の構成を有するガス精製システムＸ１を使用して、図４に示す吸着工程、減圧再生工程、および復圧工程からなる１サイクル（ステップ１〜４）を吸着塔１０Ａ，１０Ｂのそれぞれにて繰り返すことにより、原料ガスたる空気から酸素を取得した。本比較例では、ＰＳＡ装置Ｙ１の原料ブロア２１による空気の供給量は実施例１と同様に８，３００Ｎｍ³／ｈとし、吸着工程にある吸着塔１０Ａ、１０Ｂの内部圧力を最大４０ｋＰaＧとした。また、吸着塔１０Ａ，１０Ｂについての減圧再生工程では末期圧力は−６９ｋＰａＧとなった。バイパス弁６１の開状態から閉状態への切り替えは図８のように減圧再生時間が７．５秒経過したときにバイパス弁６１が開から閉となるように設定した。そのときの吸気口の圧力は−３５ｋＰaＧを示していた。復圧工程にある吸着塔１０Ａ、１０Ｂについては、その内部圧力を大気圧まで復帰させた。

二連型真空ポンプ装置Ｙ２については、具体的には次のように減圧稼動させた。吸気口４１の圧力が減圧再生工程の開始時から７．５秒間、ほぼ大気圧から−３５ｋＰａＧに至る間、バイパスライン６０の開閉弁６１を開状態として、その後、開閉弁６１を強制的に開状態から閉状態へと切り替えて両真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂを完全直列状態とした上で、二連型真空ポンプ装置Ｙ２の減圧稼動を継続した。その結果、真空ポンプの平均積算所要動力は２１６ｋｗとなり、吸気口４１側の圧力検出器８０で制御しない場合より１０ｋｗ増加した。

なお、この比較例１に対応する吸気口圧力、見掛け排気量及び所要動力の関係を図６のグラフに示している。

〔比較例２〕
実施例２と同様に、二連型真空ポンプ装置Ｙ２の第１真空ポンプ４０Ａの排気量を１４，８００ｍ³／ｈとし、第２真空ポンプの排気量を１４，１００ｍ³/ｈのルーツポンプにして直列に連結し、ガス温度４０℃のときに、実施例２と同様の構成を有するガス精製システムＸ１を使用して、図４に示す吸着工程、減圧再生工程、および復圧工程からなる１サイクル（ステップ１〜４）を吸着塔１０Ａ，１０Ｂのそれぞれにて繰り返すことにより、原料ガスたる空気から酸素を取得した。本比較例では、ＰＳＡ装置Ｙ１の原料ブロア２１による空気の供給量は実施例２と同様に８，３００Ｎｍ³／ｈとし、吸着工程にある吸着塔１０Ａ、１０Ｂの内部圧力を最大４０ｋＰaＧとした。また、吸着塔１０Ａ，１０Ｂについての減圧再生工程では末期圧力は−７２ｋＰａＧとなった。バイパス弁６１の開状態から閉状態への切り替えは図８のように減圧再生時間が１５秒経過したときにバイパス弁６１が開から閉となるように設定した。そのときの吸気口の圧力は−５０ｋＰaＧを示していた。復圧工程にある吸着塔１０Ａ、１０Ｂについては、その内部圧力を大気圧まで復帰させた。

二連型真空ポンプ装置Ｙ２については、具体的には次のように減圧稼動させた。吸気口４１の圧力が減圧再生工程の開始時から１５秒間、ほぼ大気圧から−５０ｋＰａＧに至る間、バイパスライン６０の開閉弁６１を開状態として、その後、開閉弁６１を強制的に開状態から閉状態へと切り替えて両真空ポンプ４０Ａ，４０Ｂを完全直列状態としたうえで、二連型真空ポンプ装置Ｙ２の減圧稼動を継続した。その結果真空ポンプの平均積算所要動力は２２４ｋｗとなり、吸気口４１側の圧力検出器８０で制御しない場合より１１ｋｗ増加した。

なお、この比較例２に対応する吸気口圧力、見掛け排気量及び所要動力の関係を図７のグラフに示している。

Ｘ１，ガス精製システム
Ｙ１ＰＳＡ装置
Ｙ２二連型真空ポンプ装置
Ｙ３消音器
１０Ａ，１０Ｂ吸着塔
２１原料ブロワ
２２タンク
４０Ａ，４０Ｂ真空ポンプ
４０ａケーシング
４０ｂロータ
４１吸気口
４２排気口
５１モータ
５２連結ライン
６０バイパスライン
６１開閉弁
８０圧力検出器
Ｚ１バッファー管

Claims

吸気口および排気口を有する容積式の第１真空ポンプと、
吸気口および排気口を有する第２真空ポンプと、
前記第１真空ポンプの前記排気口および前記第２真空ポンプの前記吸気口の間を連結する連結ラインと、
前記連結ラインに接続された第１端部およびガス導出用の第２端部を有するバイパスラインと、
前記バイパスラインにおける前記第１端部および前記第２端部の間に配置された開閉弁と、
前記第１真空ポンプの前記吸気口の近傍の圧力を検出する圧力検出器と、を備え、
前記開閉弁を前記圧力検出器に連動させるように構成した、二連型真空ポンプ装置。
前記第１真空ポンプの前記排気口からの排気量が前記第２真空ポンプの排気量に一致したことを示す圧力値を前記圧力検出器が検出したときに、前記開閉弁は開状態から閉状態へと切り替えるように構成されている、請求項１に記載の二連型真空ポンプ装置。
前記開閉弁は、前記第１真空ポンプの吸気口近傍におけるガス温度が高いときには相対的に早く開状態から閉状態へと切り替わり、当該ガス温度が低いときには相対的に遅く切り替わる、請求項１に記載の二連型真空ポンプ装置。
前記第１および第２真空ポンプは、それぞれ、ケーシングと当該ケーシング内のロータとを有するルーツポンプであり、単一のモータによって前記第１真空ポンプの前記ロータと前記第２真空ポンプの前記ロータとが連動して回転駆動されるように構成されている、請求項１〜３のいずれか一つに記載の二連型真空ポンプ装置。
圧力変動吸着法を利用してガスを精製するための吸着剤が内部に充填された吸着塔と、前記吸着塔の内部を減圧するための、請求項１〜４のいずれか一つに記載の二連型真空ポンプ装置と、を備えるガス精製システム。
請求項１〜４のいずれか一つに記載の二連型真空ポンプ装置の制御方法であって、
前記圧力検出器により前記第１真空ポンプの前記吸気口の近傍の圧力を検出し、
前記圧力検出器により検出した圧力が、前記第１真空ポンプの前記排気口からの排気量が前記第２真空ポンプの排気量に一致したことを示す値になったときに、前記開閉弁を開状態から閉状態へと切り替えるようにした、二連型真空ポンプ装置の制御方法。