JP2017149590A - 高圧窒素富化ガス発生装置および同装置の動作方法 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の小型化、可搬化を実現し、家庭用電源等を用いて窒素ガスの精製を手軽に行うことができる高圧窒素富化ガス発生装置を提供する。【解決手段】空気を取り込み圧縮する空気圧縮部０１０２と、空気圧縮部０１０２にて圧縮した空気を冷却する第一の圧縮済空気冷却部０１０７と、第二の圧縮済空気冷却部０１０９と、水分及びダストを除去した圧縮空気を圧縮済空気冷却部にて発生した熱を用いて昇温する昇温部０１１１と、可撓性を有する分離膜を用いて昇温済空気から窒素富化ガスを分離する窒素富化ガス分離部０１１２と、分離した窒素富化ガスを圧縮する窒素富化ガス圧縮部０１０３と、を有し、空気圧縮部０１０２と、窒素富化ガス圧縮部０１０３とは対向配置され、この対向配置された空間である中心空間を挟んで第一の圧縮済み空気冷却部０１０７と、第二の圧縮済み空気冷却部０１０９とがさらに対向配置されている高圧窒素富化ガス発生装置。【選択図】図１

Description

本発明は、小型の高濃度の高圧窒素富化ガスを発生させる装置および同装置の動作方法に関する。

一般的に、窒素ガスを生成するためのプラントは小規模といえども大型のモータ、冷却塔、ガスタンクなどを一連の設備として集約したものであり、移動可能な規模のものはない。そのため必要に応じてボンベに窒素ガスを充填することで窒素ボンベを運搬し、運搬先にて窒素ボンベから窒素ガスの供給を行っていた。

一般的な窒素ガスプラントの構造としては特許文献１で示されるようなものがある。

特開平１１−５１３９７３

従来からの窒素ボンベの運搬による窒素の供給は繰り返し継続的に行わなければならない場合が多く、窒素を需要地において生産したいという要請は従来からあった。しかしながら特許文献１記載の従来の設備では、プラントの小型化のための工夫がされておらず、窒素の需要地で簡易に窒素の生産を行うことはできなかった。

以上のような課題を解決するために、本発明は、空気を取り込み圧縮する空気圧縮部と、空気圧縮部にて圧縮した空気を冷却する第一の圧縮済空気冷却部と、冷却された圧縮空気から水分及びほこりやちりなどのダストを除去する第一のエアフィルタ部と、第一のエアフィルタを通過した空気を冷却する第二の圧縮済空気冷却部と、第二の圧縮済空気冷却部にて冷却された圧縮空気からさらに水分及びダストを除去する第二のエアフィルタ部と、水分及びダストを除去した圧縮空気を圧縮済空気冷却部にて発生した熱を用いて昇温する昇温部と、可撓性を有する分離膜を用いて昇温済空気から窒素富化ガスを分離する窒素富化ガス分離部と、分離した窒素富化ガスを圧縮する窒素富化ガス圧縮部と、を有し、空気圧縮部と、窒素富化ガス圧縮部とは対向配置されこの対向配置された空間である中心空間を挟んで第一の圧縮済空気冷却部と、第二の圧縮済空気冷却部とがさらに対向配置されている高圧窒素富化ガス発生装置などを提案する。

主に以上のような構成をとる本発明によって、装置の小型化、可搬化を実現し、家庭用電源等を用いて窒素ガスの精製を手軽に行うことができるようになる。

本実施形態の高圧窒素富化ガス発生装置の構造の一例を示す図 本実施形態の高圧窒素富化ガス発生装置の各機能の配置の一例を示す図 本実施形態の高圧窒素富化ガス発生装置の各機能の配置の一例を示す図 分離膜の構造の一例を説明するための図 分離膜の管部分同士の近接面の構造の一例を示す図 分離膜の構造の別の一例を説明するための図 本実施形態の高圧窒素富化ガス発生装置の処理の流れの一例を示す図

＜概要＞

本発明は小型化、可搬化した窒素富化ガス生産装置である。小型化、可搬化するためにコンプレッサと冷却ユニットのファンの駆動モータを共用し、また気体分離モジュールを可撓性の分離膜を高密度かつ効率的に集約することとした。

＜機能的構成＞

図１は、本実施形態の高圧窒素富化ガス発生装置の一例を示す概念図である。この図にあるように、本実施形態の「高圧窒素富化ガス発生装置」０１００は、「モータ」０１０１と、「第一コンプレッサ」０１０２と、「第二コンプレッサ」０１０３と、「第二冷却ユニット用冷却ファン」０１０４と、「第一冷却ユニット用冷却ファン」０１０５と、「インテークフィルタ」０１０６と、「第一冷却ユニット用放熱路」０１０７と、「第一エアフィルタ」０１０８と、「第二冷却ユニット用放熱路」０１０９と、「第二エアフィルタ」０１１０と、「加熱ユニット」０１１１と、「気体分離モジュール」０１１２と、「第一絞り弁」０１１３と、「第二絞り弁」０１１４と、「流量計」０１１５と、「露点計」０１１６と、「酸素濃度計」０１１７と、「高圧タンク」０１１８と、「ドレン弁」０１１９と、「低圧用圧力計」０１２０と、「低圧用減圧弁」０１２１と、「低圧用安全弁」０１２２と、「低圧用カプラ」０１２３と、「圧力スイッチ」０１２４と、「デジタル圧力表示器」０１２５と、「高圧用カプラ」０１２６と、からなる。

なお図１で示した例はあくまで本実施形態の高圧窒素富化ガス発生装置の構造の一例を示すものであり、すでに説明した本発明が解決すべき課題との関係において必須の構成以外については適宜これを省略したり、新たな構成を付加したりしてもよい。

以下に記載する高圧窒素富化ガス発生装置を構成する各機能は、いずれもハードウェア、ソフトウェア、又はハードウェア及びソフトウェアのいずれによって実現され得る。ハードウエアとしてはコンプレッサ、冷却ユニット、各種配管、各種弁、気体分離モジュール、流量計、露点計、濃度計、フィルタ、圧力計、カプラ、モータなどとともに、これらを制御するためのコンピュータに関連して、ＣＰＵやメインメモリ、ＧＰＵ、画像メモリ、グラフィックボード、バス、あるいは二次記憶装置（ハードディスクや不揮発性メモリ、ＣＤやＤＶＤなどの記憶媒体とそれらの媒体の読取ドライブなど）、情報入力に利用される操作ボタン等の入力デバイス、タッチパネル、専らタッチパネルをタッチする目的で利用する電子ペン、その他の外部周辺装置などのハードウェア構成部、またその外部周辺装置用のインターフェース、通信用インターフェース、それらハードウェアを制御するためのドライバプログラムやその他アプリケーションプログラムなどが挙げられる。
そして、ハードウエアと、プログラムに従ったＣＰＵの演算処理によって、入力デバイスやその他インターフェースなどから入力されメモリやハードウェア上に保持されているガスなどが加工、蓄積されたり、モータそのほかの駆動系を制御するための命令が生成されたりする。ここで、上記プログラムは、モジュール化された複数のプログラムとして実現されてもよいし、２以上のプログラムを組み合わせて一のプログラムとして実現されても良い。

以下では「高圧窒素富化ガス発生装置」０１００の構造について個別に説明する。
「モータ」０１０１は本発明においては二つのコンプレッサと、二つの冷却ユニットに用いられる。そのためにモータは四つの装置が取り囲む中心、本件発明ではこれを中心空間というが、中心空間にモータは配置される。このように、複数の機構に対しモータを共用することによってモータを複数備える必要を排除し、全体の小型化に貢献している。「第一コンプレッサ」０１０２は、「インテークフィルタ」０１０６からの空気を圧縮するための初段コンプレッサである。初段コンプレッサにて圧縮された空気は、第一冷却ユニットにて冷却される。第一冷却ユニットは、「第一冷却ユニット用ファン」０１０５と、「第一冷却ユニット用放熱路」０１０７から構成されており、「第一冷却ユニット用ファン」０１０５によって「第一冷却ユニット用放熱路」０１０７から放熱がされる。なお、後述するが、この熱は「加熱ユニット」０１１１にて流用される。そして重要なポイントは第一冷却ユニットの「第一冷却ユニット用ファン」０１０５は、「第一コンプレッサ」０１０２の駆動に用いたモータと同一のモータによって駆動されている点である。

その後「エアフィルタ」０１０８を通過して空気中の水分、ほこり、そのほかの不要成分を除去し、冷却された空気は第二冷却ユニットに達する。第二冷却ユニットは「第二冷却ユニット用放熱路」０１０９と「第二冷却ユニット用ファン」０１０４とから構成され、この「第二冷却ユニット用ファン」０１０４も前述のモータにて駆動される。さらに「エアフィルタ」０１１０を通過してさらに浄化された空気は、その後「加熱ユニット」０１１１に導かれる。この「加熱ユニット」０１１１での加熱昇温には、第一冷却ユニットにて排出された熱又は／及び第二冷却ユニットにて排出された熱が利用される。

「加熱ユニット」０１１１にて昇温した空気は「気体分離モジュール」０１１２に導かれる。ここでは空気を可撓性のチューブ状流路に高圧で通過させることによってチューブ状流路外に酸素を逃がし、チューブ状流路内の窒素分圧を高める。「気体分離モジュール」０１１２に関しては後ほど詳細の説明をする。

「気体分離モジュール」０１１２を通過後、窒素富化ガスは高圧側の「第二コンプレッサ」０１０３を通過し、一例では「ドレン弁」０１１９を流路に有する「高圧タンク」０１１８に充填される。この「第二コンプレッサ」０１０３も前述のモータが共用され、結果としてモータは一台四役を担うこととなる。

「高圧タンク」０１１８に充填された窒素富化ガスは「低圧用圧力計」０１２０、「低圧用減圧弁」０１２１、「低圧用安全弁」０１２２を介して「低圧用カプラ」０１２３から外部装置に充填され、また、「圧力スイッチ」０１２４、「デジタル圧力表示器」０１２５を介して「高圧用カプラ」０１２６を介して外部装置に充填される。

また、他の例では、「第二絞り弁」０１１４、「流量計」０１１５、「露点計」０１１６、「酸素濃度計」０１１７を介して外部装置に供給される。これらの構成をとることで、本実施形態の高圧窒素富化ガス発生装置にて窒素以外にも、気体分離モジュールにて分離された酸素を集積する際に用いることが可能である。

ここで図２および図３を示す。同各図はいずれも本実施形態の高圧窒素富化ガス発生装置の各構成の配置の一例を示す図であり、図２（ａ）は同装置の正面図、同図（ｂ）は同装置の右側面図である。また、図３（ａ）は図２（ｂ）のＡ−Ａ面断面図であり、図３（ｂ）は図２（ｂ）のＢ−Ｂ面断面図である。

図２にて示されているように、本実施形態の高圧窒素富化ガス発生装置は、筐体の底面に「圧力タンク」０２１８を設けることで装置の小型化を実現している。また、小型化を実現するのみならず「取手」０２５０を設けたことにより可搬化をも実現可能にした。外形についてさらに言うと、「高圧圧力計」０２２５や、「低圧圧力計」０２２０、「高圧カプラ」０２２６、「低圧カプラ」０２２３をすべて同一面上に設けたことにより、優れた操作性を提供することも可能になった。

また図３（ａ）に示されているように、本実施形態の高圧窒素富化ガス発生装置は特にその取手が配されている上部付近に装置内部を覆うように「気体分離モジュール」０３１２を設けることが望ましい。当該構成を採用することで、装置内にて発生した熱を効率よく利用することができる。また、モータは装置の中央部付近に設けられた空間である「中心空間」０３６０付近に配され、空気圧縮部と、窒素富化ガス圧縮部とがモータを挟んで対向配置されることが望ましい。当該構成をとると、モータを共用する二つのコンプレッサと二つの冷却ユニットとの接続がしやすくなるとともに、モータの周囲を他の機構が囲むように装置が構成されるようになるため、外部にモータの振動音が聞こえにくくなり、防音効果をもたらすことにもなる。

なお、図３（ａ）（ｂ）に示されているように、外部から空気を取り込むためのインテークフィルタは、装置の両側面に配されている。具体的には第一コンプレッサを利用して取り込んだ空気の圧縮を行うことにより「空気圧縮部」０１０１の機能を実現するが、このとき空気がおよそ４．０ＭＰａないし４．９ＭＰａ、より具体的には４．３ＭＰａないし４．７ＭＰａとなるように圧縮を行うことで効率的な窒素抽出が可能になる。

「圧縮済空気冷却部」０１０２は、空気圧縮部にて圧縮した空気を冷却するように構成されている。具体的には、冷却ユニットを用いて空気を冷却しこの冷却ユニットについては冷却ファンを用いて圧縮した空気を冷却する。空気圧縮部にて高圧を加えることにより、ここで冷却するための露点はマイナス２０度以下となる。圧縮空気を冷却することで後記エアフィルタ部における、空気中の水分やダストの除去を行いやすくする。

「エアフィルタ部」０１０３は、冷却された圧縮空気から水分およびダストを除去するように構成されている。水分やダストの他にも、油分や雑菌を除去するようなフィルタとしてもよく、適宜のエアフィルタを一又は複数枚用いることにより実現可能である。エアフィルタを用いることで純度の高い窒素ガスを抽出することが可能である。

なお、本実施形態の高圧窒素富化ガス発生装置においてはエアフィルタ部を複数設けてもよく、その構成をとる場合にはそれぞれのエアフィルタの前に個々に圧縮済空気冷却部を設けるとよい。先に図１を用いた説明では、第一冷却ユニットと第二冷却ユニットを設けた場合の一例を示しており、このように繰り返し空気を浄化するための当該構成を採用することにより、不純物質による後記窒素富化ガス分離部の閉塞に伴う窒素分離度合の低下といった事態を防ぐことに寄与する。

「昇温部」０１０４は、水分及びダストを除去した圧縮空気を圧縮済空気冷却部にて発生した熱を用いて昇温するように構成されている。具体的には加熱ユニットにより実現され、昇温部について望ましくは、温度センサなどを用いることにより、対象となる空気の温度が３０℃ないし５０℃、より望ましくは３８℃から４５℃となるように昇温を制御する昇温制御手段を設けることが望ましい。いったん圧縮済空気冷却部にて冷却された空気を加熱することにより、後記窒素富化ガス分離部における気体の分離性能を活性化させることができる。

なお、昇温部は、圧縮済空気冷却部の冷却ファンからの送風によって昇温をすることが望ましい。圧縮済空気冷却部にて駆動されている冷却ファンが発する送風を装置外部に放出するのではなく、装置内にて空気の昇温に流用する構成を採用することにより、昇温部にて独自の昇温機構を設ける必要がなく、装置全体の小型化ないしコスト低減に寄与する。

「窒素富化ガス分離部」０１０５は、可撓性を有する分離膜を用いて昇温済空気から窒素富化ガスを分離するように構成されている。図１や図３において示された「気体分離モジュール」０１１２、０３１２により実現される。可撓性を有することにより、高圧窒素富化ガス発生装置における窒素富化ガス分離部の配置位置に関する設計自由度が向上し、装置の小型化を実現することができる。

ここで図４ないし６を用いて分離膜の具体的形状について説明する。本実施形態の窒素富化ガス分離部にて用いられる分離膜はいずれもホース状形状あるいは中空毛布をおりたたんだようなひだ状形状にて構成され、折りたたみが可能な程度な可撓性を有している。

図４（ａ）で示されているように、昇温済空気は分離膜を通過する際、空気中の各構成物質の透過スピードに応じて酸素などを膜外部に放出する。そして分離膜を通過する際に残存している窒素ガスを取得する。

なお、上記図４（ａ）を示して行った説明のとおり、分離膜は幾重にも折りたたまれることで体積あたりの昇温済空気の流通面積を大きくすることができ、よってより多くの窒素ガスを抽出することが可能である。そして具体的には、分離膜同士が略接するように折りたたむことが望ましい。図４（ｂ）で示したように、分離膜を折りたたむ際に、同図（ａ）で示した場合に比べ、同図（ｂ）で示したように分離膜同士の折りたたみの程度をきつくすることで断面積あたりの分離膜の流通面積をより大きくすることができる。

ただし、逆に分離膜同士を過度に接触させると、かえって窒素抽出の効率を悪化させうる。分離膜表面から外部に放出される各種物質が相互に分離膜表面近傍にて接触することにより、分離膜内部に比べ分離膜外部の気圧が相対的に高くなる可能性があり、そうなることで、分離膜における空気の分離の効率が低減してしまう恐れがあるからである。ここで図５を示す。同図は折りたたまれた分離膜の構成の一例を示す図であるが、同図に示されているように、折りたたまれた分離膜同士の略接触面の間に一又は複数の「スペーサ」０５０１、０５０２を設けることが考えられる。当該構成を採用することで、折りたたまれた分離膜間の距離を一定範囲内に固定して分離膜内の圧力を一定に保持することができ、安定した窒素ガス抽出を実現することが可能になる。

なお、分離膜を折りたたむ場合には、折り返しの部分で空気抵抗が生じる。折り返しが多ければ多いほど空気抵抗に基づく圧力損失が大きくなるため、分離膜は、できるだけ折り返しの数が少なくなるように折りたたまれた形状とすることが好ましい。ここでは図４や図６を用いて折り返しの形状について詳しく説明する。図４（ａ）（ｂ）にて示された分離膜はいずれも、分離膜の長手方向に垂直に管部分が構成されるように折り曲げられた形状にて構成されている。それに対し図６にて示された分離膜は、分離膜の長手方向に平行に管部分が構成されるように折り曲げられている。ここでもし仮に図４（ｂ）の分離膜の断面積０４５０と図６の分離膜の断面積０６５０とが同一面積であった場合には、図４にて示した形状よりも図６にて示した形状のほうが管部分が占める割合のほうが大きくなるため、図６にて示したように、管部分は分離膜の長手方向に対し平行に構成されるように配置されることが好ましい。

また、分離膜を通過する間に空気の温度が変化しないよう、分離膜内温度を所定範囲内に制御する分離膜内温度制御手段を設けてもよい。具体的には昇温部にて説明したように、分離膜内の温度が３０℃ないし５０℃、より望ましくは３８℃から４５℃となるように制御することが好ましい。具体的には高圧窒素富化ガス発生装置の冷却ファンなどから生じた熱を利用して制御を行うことが好ましい。

「窒素富化ガス圧縮部」０１０６は、分離した窒素富化ガスを圧縮するように構成されている。圧縮の程度は窒素富化ガスの利用態様に応じて適宜定められてよいが、０．５ＭＰａないし０．９ＭＰａ、より好ましくは０．６ＭＰａないし０．８ＭＰａの範囲で窒素富化ガスを圧縮することが好ましい。当該構成を採用することで、１ＭＰａ以上の圧力で圧縮されたガスの生成に対して設けられている法令の規制を受けることなく、簡便に窒素富化ガスの供給を受けることができる。

＜処理の流れ＞
図７は、本実施形態の高圧窒素富化ガス発生装置の処理の流れの一例を示す図である。同図の処理の流れは以下のステップからなる。最初にステップＳ０７０１では、空気を外部より取り込む。ステップＳ０７０２では取り込んだ空気を圧縮し、ステップＳ０７０３では圧縮した空気を冷却する。その後ステップＳ０７０４では冷却した圧縮済空気をエアフィルタに透過させ、ステップＳ０７０５では再び圧縮済空気を冷却する。ステップＳ０７０６ではステップＳ０７０５にて冷却された圧縮済空気を再びエアフィルタに透過させ、 ステップＳ０７０７では、冷却ファンの発する熱を用いて圧縮済空気を加熱する。そしてステップＳ０７０８では、加熱した空気を気体分離モジュールに通し窒素を分離する。その後ステップＳ０７０９では分離した窒素を抽出しタンクに貯蔵する。そしてステップＳ０７１０にてかかる処理を終了するとの判断結果になるまで、ステップＳ０７０１以下の処理を繰り返し行う。

＜効果＞
以上の構成を有する高圧窒素富化ガス発生装置を利用することにより、小型化、可搬化に優れ、家庭用電源等を用いて窒素ガスの精製を手軽に行うことができるようになる。

高圧窒素富化ガス発生装置…０１００、空気圧縮部…０１０１、圧縮済空気冷却部…０１０２、エアフィルタ部…０１０３、昇温部…０１０４、窒素富化ガス分離部…０１０５、窒素富化ガス圧縮部…０１０６

Claims (6)

1. 空気を取り込み圧縮する空気圧縮部と、
   空気圧縮部にて圧縮した空気を冷却する第一の圧縮済空気冷却部と、
   冷却された圧縮空気から水分及びダストを除去する第一のエアフィルタ部と、
   第一のエアフィルタを通過した空気を冷却する第二の圧縮済空気冷却部と、
   第二の圧縮済空気冷却部にて冷却された圧縮空気からさらに水分及びダストを除去する第二のエアフィルタ部と、
   水分及びダストを除去した圧縮空気を圧縮済空気冷却部にて発生した熱を用いて昇温する昇温部と、
   可撓性を有する分離膜を用いて昇温済空気から窒素富化ガスを分離する窒素富化ガス分離部と、
   分離した窒素富化ガスを圧縮する窒素富化ガス圧縮部と、
   を有し、
   空気圧縮部と、窒素富化ガス圧縮部とは対向配置され
   この対向配置された空間である中心空間を挟んで第一の圧縮済み空気冷却部と、第二の圧縮済み空気冷却部とがさらに対向配置されている高圧窒素富化ガス発生装置。
2. 空気圧縮部のコンプレッサと、圧縮済空気冷却部の冷却ファンとは、中心空間に配置される共通のモータを用いて駆動されている請求項１に記載の高圧窒素富化ガス発生装置。
3. 昇温部は圧縮済空気冷却部の冷却ファンからの送風によって昇温をする請求項１又は２に記載の高圧窒素富化ガス発生装置。
4. 窒素富化ガス圧縮部は、空気圧縮部のコンプレッサと前記中心空間に配置される共通のモータで駆動される請求項１から３のいずれか一に記載の高圧窒素富化ガス発生装置。
5. 窒素富化ガス分離部の分離膜は幾重にも折りたたまれることで体積当たりの昇温済空気の流通面積を大きくした請求項１から４のいずれか一に記載の高圧窒素富化ガス発生装置。
6. 冷却された圧縮空気から水分及びダストを除去するエアフィルタ部を有する高圧窒素富化ガス発生装置の動作方法であって、
   空気を取り込み中心モータにて取り込んだ空気を圧縮する空気圧縮ステップと、
   空気圧縮ステップにて圧縮した空気を中心モータにて駆動される冷却ユニットにて冷却する圧縮済空気冷却ステップと、
   エアフィルタ部にて水分及びダストを除去した圧縮空気を圧縮済空気冷却ステップにて発生した熱を用いて昇温する昇温ステップと、
   可撓性を有する分離膜を用いて昇温済空気から窒素富化ガスを分離する窒素富化ガス分離ステップと、
   分離した窒素富化ガスを前記中心モータにて圧縮する窒素富化ガス圧縮ステップと、
   を有する高圧窒素富化ガス発生装置の動作方法。

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