JP2019209295A - 酸素吸着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸素吸着量を把握することのできる酸素吸着装置を提供する。【解決手段】酸素吸着装置１は、ガスが通過することで酸素を吸着する吸着部１０と、吸着部１０に吸着されている酸素の量である酸素吸着量を測定する測定部２１とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、酸素吸着装置に関する。

造形装置では、粉状材料にレーザを照射した際にヒュームと呼ばれる煙状の物質（粉状材料の加熱や昇華によって生じる粉塵、煙霧、蒸気、揮発性粒子をいう。）が照射箇所から発生する。そこで、特許文献１に記載の造形装置では、発生したヒュームが上昇してレーザの経路を遮ることでレーザの照射量が低下することを抑制するために、レーザの経路が遮られないようにチャンバー内において局所的にガスを流している。そして、造形装置は、ガスに含まれる酸素を吸着する酸素吸着装置が設けられることがある。

こうした酸素吸着装置は、ガスに含まれる酸素を吸着する一方で、適宜のタイミングでその吸着した酸素を例えば大気中に放出する。酸素吸着装置は、酸素吸着剤を備えている。酸素吸着剤としては、銅触媒（還元銅）やニッケル触媒が多く使用されている。これらの触媒は、金属が酸化されて酸化銅や酸化ニッケルになることで酸素を吸着する。酸素と化合した酸化銅や酸化ニッケルは水素を用いて還元処理されることで、元の活性状態に復元される。この時の酸素と水素とが結合して発生した水蒸気は大気中に放出される。

国際公開第２０１１／０４９１４３号公報 特許第４８８３３９４号公報

ところで、酸素吸着装置の吸着能力には限界がある。このため、造形装置のチャンバー内へのガスの供給量が増大すると、酸素を放出する前に酸素吸着装置の吸着能力が限界に達してしまうおそれがある。しかしながら、酸素吸着装置が吸着した酸素吸着量を把握することはできないため、吸着能力が限界に達する直前まで酸素吸着装置に酸素を吸着させることは困難である。なお、造形装置に使われる酸素吸着装置に限らず、特許文献２に記載のグローブボックスなどの他の装置に使われる酸素吸着装置においても同様の課題がある。

本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、酸素吸着量を把握することのできる酸素吸着装置を提供することにある。

上記課題を解決する酸素吸着装置は、ガスが通過することで酸素を吸着する吸着部と、前記吸着部に吸着されている酸素の量である酸素吸着量を測定する測定部と、を備える。上記構成によれば、吸着部に吸着されている酸素吸着量を把握することができる。

上記酸素吸着装置について、前記測定部は、前記吸着部に流入する前記ガスの酸素濃度と前記吸着部から流出する前記ガスの酸素濃度との差に基づいて前記酸素吸着量を測定することが好ましい。

上記構成によれば、吸着部に吸着されている酸素吸着量を直接的に測定することに代えて、吸着部に流入するガスの酸素濃度と吸着部から流出するガスの酸素濃度との差に基づく間接的な方法により酸素吸着量を測定することができる。

上記酸素吸着装置について、前記測定部は、酸素が吸着されることによる前記吸着部の重量の変化量に基づいて前記酸素吸着量を測定することが好ましい。上記構成によれば、吸着部の重量の変化量に基づく直接的な方法により吸着部に吸着されている酸素吸着量を測定することができる。

上記酸素吸着装置について、前記測定部は、測定される前記酸素吸着量と前記吸着部の酸素吸着量の限界値とに基づいて前記吸着部の吸着余力を求めることが好ましい。上記構成によれば、吸着部の吸着余力を把握することができるようになる。

上記酸素吸着装置について、前記測定部が測定した前記吸着余力と前記吸着部の使用可否を判定するための判定値との比較に基づいて前記吸着部の使用可否を判定する判定部を備えることが好ましい。上記構成によれば、判定部による比較に基づいて吸着部を使用するか否かを判定することができる。

上記酸素吸着装置について、不活性ガスを循環使用する装置に用いられることが好ましい。上記構成によれば、不活性ガスを循環使用する装置では酸素の量が増加することがあるため、吸着部に吸着されている酸素吸着量を把握しつつ酸素吸着装置を使用することができる。

本発明によれば、酸素吸着量を把握することができる。

酸素吸着装置の第１の実施形態の概略構成を示すブロック図。 同実施形態の酸素吸着装置の動作を示すフローチャート。 酸素吸着装置の第２の実施形態の概略構成を示すブロック図。 同実施形態の酸素吸着装置の動作を示すフローチャート。

（第１の実施形態）
図１及び図２を参照して、酸素吸着装置の第１の実施形態について説明する。
図１に示すように、酸素吸着装置１は、ガスが通過することで酸素を吸着する吸着部１０と、吸着部１０にガスを送る送風機１１とを備えている。送風機１１は、吸着部１０の上流に位置している。吸着部１０は、酸素を吸着する触媒を有し、通過するガスに含まれる酸素濃度を低下させる。吸着部１０の酸素の吸着能力には限界がある。そこで、本実施形態の酸素吸着装置１は、吸着部１０に吸着されている酸素の量である酸素吸着量を測定することで、吸着能力の限界に達する直前まで酸素を吸着させることを可能としている。

酸素吸着装置１は、吸着部１０に流入するガスの酸素濃度を計測する第１酸素濃度計１３を備えている。第１酸素濃度計１３は、吸着部１０の上流且つ送風機１１の下流に設置されている。第１酸素濃度計１３は、計測結果を制御装置２０に出力する。第１酸素濃度計１３で計測された第１酸素濃度をＣ１（％）とする。

酸素吸着装置１は、吸着部１０から流出するガスの酸素濃度を計測する第２酸素濃度計１４を備えている。第２酸素濃度計１４は、吸着部１０の下流に設置されている。第２酸素濃度計１４は、計測結果を制御装置２０に出力する。第２酸素濃度計１４で計測された第２酸素濃度をＣ２（％）とする。

酸素吸着装置１は、吸着部１０に流入するガスの流量を計測する流量計１２を備えている。流量計１２は、吸着部１０の上流且つ送風機１１の下流に設置されている。流量計１２で計測された流量をＦ（ｍ^３／秒）とする。なお、第１酸素濃度計１３と流量計１２との位置はどちらが上流側であってもよい。

酸素吸着装置１は、酸素吸着装置１を制御する制御装置２０を備えている。制御装置２０は、吸着部１０に吸着されている酸素の量である酸素吸着量を測定する及び酸素濃度差を算出する測定部２１と、吸着部１０の使用可否を判定する判定部２２とを備えている。

制御装置２０は、警報装置２３が接続されている。警報装置２３は、音、光、文字等の表示の少なくとも一つを使用して、吸着部１０が使用不可であることを報知する。制御装置２０は、吸着部１０が使用不可であると判定したときに、警報装置２３を介して報知する。

測定部２１は、吸着部１０に流入するガスの酸素濃度と吸着部１０から流出するガスの酸素濃度との差に基づいて単位時間あたりの酸素吸着量ＯＡ（ｍ^３／秒）を測定する。また、測定部２１は、測定される酸素吸着量の積算量ＯＴ（ｍ^３）と吸着部１０の酸素吸着量の限界値である破過容量Ｏｍａｘ（ｍ^３）とに基づいて吸着部１０の吸着余力Ｏｒｅｍ（％）を求める。

判定部２２は、測定部２１が測定した吸着余力Ｏｒｅｍ（％）と吸着部１０の使用可否を判定するための判定値ＯＸ（％）との比較に基づいて吸着部１０の使用可否を判定する。判定値ＯＸ（％）は、酸素吸着装置１を停止させるまでに要する時間や、酸素吸着装置１に流入するガスの流量等に基づいて設定される。

ここで、制御装置２０による酸素吸着量ＯＡ（ｍ^３／秒）及び吸着余力Ｏｒｅｍ（％）の算出について説明する。
単位時間あたりの酸素吸着量ＯＡ（ｍ^３／秒）は、以下の式（１）で求められる。

ＯＡ＝Ｆ×（Ｃ１−Ｃ２）・・・（１）
また、酸素吸着量の積算量ＯＴ（ｍ^３）は、以下の式（２）で求められる。

吸着余力Ｏｒｅｍ（％）は以下の式（３）で求められる。
Ｏｒｅｍ＝１００×（１−ＯＴ／Ｏｍａｘ）・・・（３）

次に、図２を参照して、上記酸素吸着装置１の動作について説明する。
図２に示すように、制御装置２０は、第１酸素濃度Ｃ１及び第２酸素濃度Ｃ２を取得する（ステップＳ１１）。すなわち、制御装置２０は、第１酸素濃度計１３及び第２酸素濃度計１４から計測結果として第１酸素濃度Ｃ１及び第２酸素濃度Ｃ２を取得する。

次に、制御装置２０は、第１酸素濃度Ｃ１及び第２酸素濃度Ｃ２から濃度差を算出する（ステップＳ１２）。すなわち、測定部２１は、Ｃ１−Ｃ２から吸着部１０の上流と下流との酸素の濃度差を算出する。

次に、制御装置２０は、上記濃度差に基づいて酸素吸着量ＯＡを算出する（ステップＳ１３）。すなわち、測定部２１は、式（１）により濃度差（Ｃ１−Ｃ２）に基づいて酸素吸着量ＯＡを算出する。

次に、制御装置２０は、吸着余力Ｏｒｅｍを算出する（ステップＳ１４）。すなわち、測定部２１は、式（２）及び式（３）により吸着余力Ｏｒｅｍを算出する。
次に、制御装置２０は、使用可否を判定する（ステップＳ１５）。すなわち、判定部２２は、吸着余力Ｏｒｅｍと吸着部１０の使用可否を判定するための判定値ＯＸとの比較に基づいて吸着部１０の使用可否を判定する。判定部２２は、吸着余力Ｏｒｅｍが判定値ＯＸよりも大きければ（Ｏｒｅｍ＞ＯＸ）、吸着部１０を使用することができると判定する。一方、判定部２２は、吸着余力Ｏｒｅｍが判定値ＯＸ以下であれば（Ｏｒｅｍ≦ＯＸ）、吸着部１０を使用することができないと判定する。

次に、制御装置２０は、判定結果を出力する（ステップＳ１６）。すなわち、制御装置２０は、図示しない表示部に使用可否を表示してもよい。また、制御装置２０は、吸着部１０が使用不可であると判定したときに、警報装置２３を介して報知する。

以上説明したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏することができる。
（１）吸着部１０に吸着されている酸素吸着量ＯＡ及び酸素吸着量の積算量ＯＴを把握することができる。

（２）吸着部１０に吸着されている酸素吸着量を直接的に測定することに代えて、吸着部１０に流入するガスの酸素濃度である第１酸素濃度Ｃ１と吸着部１０から流出するガスの酸素濃度である第２酸素濃度Ｃ２との差に基づく間接的な方法により酸素吸着量ＯＡを測定することができる。

（３）吸着部１０の吸着余力Ｏｒｅｍを把握することができるようになる。
（４）判定部２２による比較に基づいて吸着部１０を使用するか否かを判定することができる。

（第２の実施形態）
図３及び図４を参照して、酸素吸着装置の第２の実施形態について説明する。この実施形態の酸素吸着装置は、酸素吸着量の測定方法が上記第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態との相違点を中心に説明する。

図３に示されるように、酸素吸着装置１は、第１酸素濃度計１３及び第２酸素濃度計１４に代えて、吸着部１０の重量を計測する重量計１５を備えている。重量計１５は、計測結果を制御装置２０に出力する。酸素吸着装置１は、流量計１２を備えている。

制御装置２０は、測定部２１と判定部２２とを備えている。測定部２１は、酸素が吸着されることによる吸着部１０の重量の変化量に基づいて酸素吸着量ＯＡ（ｇ）を測定する。すなわち、測定部２１は、初期重量からの重量変化から酸素吸着量ＯＡ（ｇ）を測定する。

測定部２１は、第１の実施形態と同様に、測定される酸素吸着量ＯＡ（ｇ）と吸着部１０の酸素吸着量の限界値である破過容量Ｏｍａｘ（ｇ）とに基づいて吸着部１０の吸着余力Ｏｒｅｍ（％）を以下の式（４）で求める。

Ｏｒｅｍ＝１００×（１−ＯＡ／Ｏｍａｘ）・・・（４）
判定部２２は、第１の実施形態と同様に、測定部２１が測定した吸着余力Ｏｒｅｍ（％）と吸着部１０の使用可否を判定するための判定値ＯＸ（％）との比較に基づいて吸着部１０の使用可否を判定する。

次に、図４を参照して、上記酸素吸着装置１の動作について説明する。
図４に示すように、制御装置２０は、重量を取得する（ステップＳ２１）。すなわち、制御装置２０は、重量計１５から計測結果として重量を所定時間毎に取得する。

次に、制御装置２０は、初期重量との重量差を算出する（ステップＳ２２）。すなわち、測定部２１は、酸素が吸着されることによる重量の変化量として所定時間毎に初期重量との重量差を算出する。なお、測定部２１は、単位時間毎に重量差を算出してもよい。

次に、制御装置２０は、上記重量差に基づいて酸素吸着量ＯＡを算出する（ステップＳ２３）。すなわち、測定部２１は、初期重量との重量差に基づいて酸素吸着量ＯＡを算出する。

ステップＳ２３以降のステップＳ２４，Ｓ２５，Ｓ２６の処理は、第１の実施形態のステップＳ１４，Ｓ１５，Ｓ１６の処理と同様である。
以上説明したように、本実施形態によれば、第１の実施形態の（１）、（３）、（４）の効果に加え、以下の効果を奏することができる。

（５）吸着部の重量の変化量に基づく直接的な方法により吸着部に吸着されている酸素吸着量を測定することができる。
なお、上記各実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することもできる。

・上記各実施形態において、吸着余力Ｏｒｅｍ（％）を以下の式（５）で求めてもよい。Ｏｒｅｍ＝Ｏｍａｘ−ＯＴ・・・（５）
・上記各実施形態では、送風機１１を吸着部１０の上流に設置したが、送風機１１を吸着部１０の下流に設置してもよい。

・上記各実施形態において、判定部２２の構成を省略してもよい。
・上記各実施形態において、測定部２１による吸着部１０の吸着余力の算出を省略してもよい。このような場合は、判定部２２は、酸素吸着量に基づいて使用可否を判定する。

・上記各実施形態において、測定部２１による吸着部１０の酸素吸着量及び吸着余力の算出を省略してもよい。このような場合は、判定部２２は、濃度差又は重量差に基づいて使用可否を判定する。すなわち、酸素濃度差は吸着部１０に酸素が蓄積されるに従い小さくなり最終的には酸素を吸着除去する能力がなくなる、または非常に小さくなり破過と言われる状態となる。この酸素濃度差と酸素吸着装置１を用いた造形装置等で生産された製品の品質との関係を把握して、酸素濃度差の限界を経験的に決めることができる場合もある。このような場合は、ステップＳ１２において算出された濃度差を、ステップＳ１５において限界濃度差と直接比較することで使用可否を判定する。

・上記各実施形態の構成において、酸素吸着装置１内に水分を吸着する水分吸着部を加えてもよい。例えば、第１の実施形態では、吸着部１０の内部に収容されている酸素を吸着する触媒に加えて水分吸着剤を同じ容器内に投入することができる。または、酸素濃度計の種類と検出感度とに依存し不活性ガス中の水蒸気量が酸素濃度値に影響する場合は、水分吸着部を吸着部１０とは別に酸素の濃度差（Ｃ１−Ｃ２）の算出に影響しないような場所に設置するとよい。例えば、第２酸素濃度計１４の計測部よりも下流に水分吸着部が設置される。また、第２の実施形態では、吸着部１０に水分吸着剤を同居させることはできなく、吸着部１０とは別に水分吸着部を設ける必要がある。例えば、流量計１２の計測部の上流、又は吸着部１０の下流に水分吸着部が設置される。

・本発明の酸素吸着装置は特に不活性ガスを循環使用する装置に好適に使用することができる。該不活性ガスを循環使用する装置とは前記の造形装置やグローブボックスである。例えば酸素を嫌う作業が行われるグローブボックスなどの作業空間ではガス循環精製装置を付属させ、該作業空間の不活性ガスを送風機を用いて酸素吸着装置に引き込み、酸素を除去してから元の作業空間に戻すという操作（ガス循環精製）が行われる。かかる装置には作業空間に酸素濃度計を設置して酸素濃度の監視が行われるが、多くの場合、行われる作業による酸素濃度の変化が大きく、作業空間に設置した酸素濃度計では、吸着部の酸素吸着量の推定はまったくできない。そのため、突然に作業空間の酸素濃度が上昇し、製品不良の発生を事前に把握することができない。本発明の酸素吸着装置を用いることにより、複雑な作業が行われる作業空間においても酸素濃度の上昇を事前に予測することができるようになる。

１…酸素吸着装置、１０…吸着部、１１…送風機、１２…流量計、１３…第１酸素濃度計、１４…第２酸素濃度計、１５…重量計、２０…制御装置、２１…測定部、２２…判定部、２３…警報装置。

Claims (6)

1. ガスが通過することで酸素を吸着する吸着部と、
   前記吸着部に吸着されている酸素の量である酸素吸着量を測定する測定部と、を備える
   酸素吸着装置。
2. 前記測定部は、前記吸着部に流入する前記ガスの酸素濃度と前記吸着部から流出する前記ガスの酸素濃度との差に基づいて前記酸素吸着量を測定する
   請求項１に記載の酸素吸着装置。
3. 前記測定部は、酸素が吸着されることによる前記吸着部の重量の変化量に基づいて前記酸素吸着量を測定する
   請求項１に記載の酸素吸着装置。
4. 前記測定部は、測定される前記酸素吸着量と前記吸着部の酸素吸着量の限界値とに基づいて前記吸着部の吸着余力を求める
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の酸素吸着装置。
5. 前記測定部が測定した前記吸着余力と前記吸着部の使用可否を判定するための判定値との比較に基づいて前記吸着部の使用可否を判定する判定部を備える
   請求項４に記載の酸素吸着装置。
6. 不活性ガスを循環使用する装置に用いられる
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の酸素吸着装置。

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