JP2521437Y2

JP2521437Y2 - 窒素コンプレッサー

Info

Publication number: JP2521437Y2
Application number: JP1993041907U
Authority: JP
Inventors: 船田一郎; 安岡憲二
Original assignee: 株式会社小島製作所
Priority date: 1993-06-30
Filing date: 1993-06-30
Publication date: 1996-12-25
Anticipated expiration: 2006-12-25
Also published as: JPH077725U

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本考案は、ガス分離膜を含むガス
膜分離装置、特に、空気を分離して圧力窒素ガスを取り
出す装置（窒素コンプレッサー）に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】今日までに、窒素透過膜を用いた空気分
離装置がすでに実用化されている。例えば、従来より知
られているガス分離膜を利用した窒素ガス濃縮装置とし
ては、図３のフロー図に示されるような構成のものがあ
る。図３の装置においては、原料空気は、まず空気圧縮
機からチラーへ送られ、入口流量弁で流量調節されて窒
素ガス透過膜ユニットに送られる。そして、この窒素ガ
ス透過膜ユニットにより排ガスと製品窒素ガスとに分離
され、製品窒素ガスは出口流量調節弁、逆止弁を経て取
り出される。ただし、このような装置では、場合によっ
て空気圧縮機とチラーが存在しないこともあり、窒素ガ
ス透過膜ユニットの入口部に所定の流量と所定の露点の
空気が供給されていれば良い。

【０００３】しかしながら、このような従来の装置の場
合、調節弁（ニードル弁）は本来、弁座と弁（ニード
ル）との間のガス流路部をガスが流動する時の流動抵抗
を調整でき、これにより、ガス流量が調整されるので、
窒素ガス透過膜ユニットの入口側圧力が一定の場合には
出口側のガス流量も一定となるが、入口側の圧力が変動
すれば、その変動に応じて製品窒素流量も変動するた
め、この変動により製品窒素濃度が変動するという問題
点がある。又、必要とされる製品窒素ガスの純度に応じ
て入口流量弁を手動で調節しなければならないので、製
品純度の制御幅（変動幅）が大きく、一定純度の製品を
得ることが困難であった。

【０００４】本考案者等は、このような窒素透過膜分離
プロセスにおける製品窒素純度が変動する原因を検討し
た結果、製品窒素量を一定に保持すれば、製品窒素純度
も保持できることを見い出し、窒素透過膜分離装置の製
品窒素量を一定に保持することが可能な構造として、従
来の装置の出口流量調節弁の部分を、制御弁を含む流路
が並列に複数個配列された構造とすることにより、本考
案を完成させた。

【０００５】

【考案が解決しようとする課題】本考案は、上記の、従
来の窒素透過膜による空気分離装置における所定の製品
窒素純度を一定にして安定に取り出すことが困難である
という問題点を解決することを課題とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本考案の窒素コンプレッ
サーは、窒素ガス透過膜ユニットを含み、しかも前記窒
素ガス透過膜ユニットの入口側に、原料空気を供給可能
な空気圧縮機が設けられており、前記空気圧縮機の出口
側に、前記窒素ガス透過膜ユニットヘ供給される原料空
気の流量を調節するための入口弁が設けられた構造の空
気分離装置において、前記原料空気が、前記空気圧縮機
によって圧縮された後、前記入口弁を通って前記窒素ガ
ス透過膜ユニットヘ送り込まれるようになっており、前
記窒素ガス透過膜ユニットの出口側には、複数個の窒素
ガスラインが並列に配置されていること、前記窒素ガス
ラインはそれぞれ、製品取出し弁と制御弁とが直列に配
置されて構成されていること、前記窒素ガスラインにお
ける流量が、前記各制御弁によって予め製品窒素純度に
対応した製品窒素量となるように設定されていること、
及び、前記制御弁の出口側に圧力スイッチが設けられて
おり、前記圧力スイッチからの電気信号によって、製品
窒素流量が一定になるように、前記入口弁が制御される
ことを特徴とする。

【０００７】又、前記の窒素コンプレッサーにおいて、
前記窒素ガスラインと並列に放出弁が設けられており、
前記放出弁から、過剰の製品窒素が放出可能であること
を特徴とするものでもある。

【０００８】まず、本考案による窒素ガス分離膜を利用
した窒素コンプレッサーの好ましい一例における構成図
を図１に示し、本考案を説明する。図１に示した本考案
の窒素コンプレッサーにおいては、原料空気は、空気圧
縮機（ＡＣ）により所定の圧力（５．０〜８．５ kg/cm
²G ）まで圧縮され、窒素ガス透過膜分離で都合の悪い
不純物やゴミはフィルターで除去され、水分は冷凍式チ
ラー（ＣＨ）で露点、−１５℃程度まで除湿される。そ
して、このようにして得られた清浄空気は、入口弁（Ｅ
Ｖ）を通り電気ヒータにより一定温度に保たれ、窒素ガ
ス透過分離膜ユニット（ＭＳ）に送り込まれる。

【０００９】この窒素ガス透過分離膜ユニットとして
は、図２に示されるような内部構造を有する窒素ガス透
過分離膜モジュールが使用され、その内部には、マカロ
ニのように真ん中に孔の開いた、たこ糸ほどの太さの糸
（中空糸）が配置されている。この中空糸膜の内側に空
気が送り込まれると、中空糸の内外の分圧差によって、
水分、炭酸ガス、酸素などの透過速度の速い分子は中空
糸膜を内から外へ通り抜け、排気される。窒素やアルゴ
ンなど透過速度の遅い分子は中空糸内をそのまま通り、
約０．４〜０．７ kg/cm²の圧力低下で製品窒素として
回収される。

【００１０】本考案の窒素コンプレッサーでは、図１に
示されるように、種々の製品窒素純度に対応するように
予め制御弁により流量が設定されている複数個の窒素ガ
スラインが、窒素ガス透過膜ユニットの出口側に並列に
設置されており、各ラインはそれぞれ、製品取出弁１〜
３と制御弁１〜３とが直列に配置されて構成されてい
る。ただし、図１の窒素コンプレッサーでは、窒素ガス
ラインが３つ設けられたものが例示されているが、本考
案では窒素ガスラインがこれに限定されるものではな
く、２以上であれば良い。空気から窒素ガスを得る際の
製品窒素量と製品純度との間には、図４に示されるよう
な相関関係があり、製品純度に応じて製品窒素流量が決
まる。例えば、図４の場合では、窒素透過膜の原料空気
圧力は７．０ kg/cm²G であり、製品窒素純度が９９％
Ｎ₂の場合の製品窒素量は０．６ NL/h であり、これを
ライン１とする。又、製品窒素純度が９７％Ｎ₂の場合
の製品窒素量は１．１ NL/h であり、これをライン２と
する。更に、製品窒素純度が９５％Ｎ₂の場合の製品窒
素量は１．６ NL/h であり、これをライン３とし、図１
に示すように予め制御弁１〜３にて製品窒素量を製品純
度に応じて決めておけば、どの純度の場合にも製品窒素
流量が安定しているので、それに対応する製品窒素純度
が安定し、又、製品純度に応じて弁で簡単に切り替える
ことができる。

【００１１】尚、この図１の窒素コンプレッサーにあっ
ては、制御弁１〜３として質量制御弁（マスフローコン
トロール弁）が設けられており、図１に示されている放
出弁（ＲＶ）は、必要に応じて設けられるものである。
質量制御弁の場合には、入口圧力が変動してもダイアフ
ラムによる圧力調節機構の作用により流量が一定になる
という利点がある。

【００１２】又、原料空気圧力が５．０ kg/cm²G の
時、製品窒素純度を９９％としたい場合には、その純度
に対応する製品窒素流量をライン１により事前に質量制
御弁により１Nm³/h が流れるように設定しておき、製
品窒素純度を９８％としたい場合には、その純度に対応
する製品窒素流量をライン２により事前に質量制御弁に
より２Nm³/h が流れるように設定すれば良い。

【００１３】本考案の窒素コンプレッサーでは、窒素ガ
ス透過膜ユニットの入口側の流量は入口弁（ＥＶ）によ
り制御されるが、好ましい構造の装置にあっては、図１
に示されるように、制御弁の出口側に圧力スイッチ（Ｐ
Ｓ）を設置し、圧力スイッチからの電気信号によって入
口自動弁を制御する。図１において、斜めの２本線が入
った実線で連結されている部分は電気的に連動すること
を意味しており、圧力スイッチのＯＮ−ＯＦＦ信号を入
口自動弁ＥＶに送り、出口側圧力が上限値になれば、Ｏ
ＦＦ信号が送られて入口自動弁ＥＶが閉状態になり、窒
素透過膜への原料空気の供給が停止されて、出口側圧力
が低下し、圧力は下限値になる。そうすれば、圧力スイ
ッチからＯＮ信号が送られるので、入口自動弁は開状態
となり、原料空気は窒素透過膜に供給される。本考案で
は、このような操作を繰り返すことにより入口側の原料
空気が設定範囲内で制御されるのである。従って、本考
案の窒素コンプレッサーを用いた場合には、製品窒素純
度に対応した製品窒素量を安定した流量で製品として取
り出すことができるので、製品窒素純度を一定値にする
ことが可能となる。この際、制御制度を向上させるに
は、圧力スイッチによる制御幅を小さくすれば良い。

【００１４】図５には、制御弁の出口側に圧力スイッチ
が設けられ、圧力スイッチからの電気信号によって製品
窒素流量が一定になるように、前記入口弁が制御される
構造を有した本考案の窒素コンプレッサーが示されてお
り、ライン１〜３は、例えばそれぞれ製品窒素純度が９
９％、９７％、９５％となるように設定されている。よ
って、必要とする製品窒素純度を応じて、ライン１〜３
の内のどのラインを使用するかを適宜選択すれば良く、
例えば製品取出弁１〜３を三方弁のようにすれば非常に
便利である。この図５は、窒素ガス透過膜ユニットの出
口側を表しているので、この図面の左側には窒素ガス透
過膜ユニット存在している。

【００１５】又、本考案では、上述の窒素コンプレッサ
ーにおいて、前記窒素ガスラインと並列に放出弁を設
け、この放出弁から、過剰の製品窒素が放出可能な構造
としても良く、このような窒素コンプレッサーの場合、
製品窒素純度が所定純度に到達した後、製品窒素ガスと
して取り出す際、その純度の変動を出来るだけ少なくす
るために、製品窒素ガスラインと並列に配置された逃が
し弁の開閉を製品流量制御弁の出口部に設置された圧力
制御機構により制御して、製品窒素量を一定に保ち、製
品窒素純度を一定に制御することもできる。

【００１６】図６には、制御弁として流量調節弁（ニー
ドル弁）１〜３が設けられたライン１〜３を有する本考
案の窒素コンプレッサーのフロー図が示されており、ラ
イン１〜３と並列になるようにして放出弁が設けられて
いる。従って、図６に示される窒素コンプレッサーにあ
っては、窒素ガス透過膜ユニットの出口側の製品窒素流
量を製品純度に応じて対応させる機構は、前述の図５の
窒素コンプレッサーと同じであるが、入口側の原料空気
量の制御機構が図５の窒素コンプレッサーと異なってい
る。即ち、原料空気量は常に少し過剰気味に窒素ガス透
過膜ユニットに送入されており、過剰の製品窒素の一部
を放出弁から放出して製品窒素量を一定に保持できるよ
うになっている。この際、入口弁の開閉調節は、前述の
場合と同様に圧力スイッチによって電気制御される。

【００１７】以下に本考案の実施例を挙げて本考案を更
に具体的に説明するが、本考案は、これに限定されるも
のではない。

【実施例】原料空気量：６．５ NL/h を０．７５ｋＷの
ベビー・コンプレッサーで７．０kg/cm²G まで昇圧し
てその内、６．５ NL/h を原料空気として図２に示すよ
うな窒素透過膜モジュール・ユニット（サイズ：φ９０
×５３０ｍｍ、メーカ名：Air Products and Chemical
Inc., PREMEA Division 、品番：ＣＰＡ１）に供給し
て、製品窒素量と製品窒素純度との相関を求めた。その
結果、図４に示されるような相関があることがわかっ
た。

【００１８】そして、従来の装置（図３の構成を有す
る装置で、圧力スイッチがなく、入口弁は手動で開閉さ
れる）、放出弁が設けられ、かつ制御弁として質量制
御弁が用いられている本考案の窒素コンプレッサー（図
１の構成を有する装置）、放出弁が存在せず、制御弁
として質量制御弁が用いられている本考案の窒素コンプ
レッサー（図５の構成を有する装置）、及び、放出弁
が設けられ、かつ制御弁として流量調節弁が用いられて
いる本考案の窒素コンプレッサー（図６の構成を有する
装置）の４種類の装置を用いて原料空気から９９％の製
品窒素純度を有する製品を得て、その時の純度制御幅を
測定した。尚、図１、図５及び図６の窒素コンプレッサ
ーにおいては、圧力スイッチにより入口弁の開閉が電気
的に制御可能な機構を有し、しかも使用されているライ
ンはいずれもライン１だけであって、ライン２及び３に
は製品ガスは流れていない。前記〜の装置を用いた
際の、空気分離実験の結果を以下の表１に示す。表１に
おける数値は、製品窒素純度の制御精度（制御幅）を示
しており、厳密には製品窒素中の不純物酸素濃度制御幅
として表されている。

【００１９】

【表１】製品窒製品従来の図１図５図６素純度窒素量装置（図３）の装置の装置の装置 ────────────────────────────────── 99 ％ 0.6 NL/h ±１％ ± 0.4％ ± 0.2％ ± 0.6％

【００２０】上記表１に示されるように、製品窒素純度
の制御精度（制御幅）は、従来の装置よりも本考案の
窒素コンプレッサー（〜）の方が優れている。又、
本考案の窒素コンプレッサーのうちでは、制御弁として
質量制御弁が用いられている及びの装置の精度が良
いが、流量制御弁を使用する方が製作費が安価であるの
で、製作費を優先する場合には図６の装置が好まし
い。又、本考案の窒素コンプレッサー（〜）にあっ
ては、ライン１〜３を適宜選択して使用することによ
り、所望の窒素純度を有する製品を取り出すことができ
た。

【００２１】

【考案の効果】複数個の窒素ガスラインが並列に配置さ
れた本考案の窒素コンプレッサーは、単一の窒素ガスラ
インを有する従来の窒素コンプレッサーに比べて、製品
窒素純度の制御精度（制御幅）が優れており、しかも、
各窒素ガスラインにおける流量が、各制御弁によって予
め製品窒素純度に対応した製品窒素量となるように設定
されているので、それぞれのラインを切り替えて使用す
ることにより、所望の純度の製品窒素ガスを取り出すこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の、ガス分離膜を利用した窒素コンプレ
ッサーの好ましい一例を示す構成図である。

【図２】窒素ガス透過分離膜モジュールの部分破断図で
ある。

【図３】従来のガス分離膜を利用した窒素ガス濃縮装置
である。

【図４】ＣＰＡ−１型窒素膜分離装置の製品窒素純度−
製品量との相関を示すグラフである。

【図５】各質量制御弁により製品窒素純度が設定されて
いる本考案の窒素コンプレサーの構成図である。

【図６】各流量調節弁により製品窒素純度が設定され、
しかも放出弁が設けられている本考案の窒素コンプレサ
ーの構成図である。

Claims

(57)【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】窒素ガス透過膜ユニットを含み、しかも
前記窒素ガス透過膜ユニットの入口側に、原料空気を供
給可能な空気圧縮機が設けられており、前記空気圧縮機
の出口側に、前記窒素ガス透過膜ユニットヘ供給される
原料空気の流量を調節するための入口弁が設けられた構
造の空気分離装置において、前記原料空気が、前記空気圧縮機によって圧縮された
後、前記入口弁を通って前記窒素ガス透過膜ユニットヘ
送り込まれるようになっており、前記窒素ガス透過膜ユ
ニットの出口側には、複数個の窒素ガスラインが並列に
配置されていること、前記窒素ガスラインはそれぞれ、
製品取出し弁と制御弁とが直列に配置されて構成されて
いること、前記窒素ガスラインにおける流量が、前記各
制御弁によって予め製品窒素純度に対応した製品窒素量
となるように設定されていること、及び、前記制御弁の
出口側に圧力スイッチが設けられており、前記圧力スイ
ッチからの電気信号によって、製品窒素流量が一定にな
るように、前記入口弁が制御されることを特徴とする窒
素コンプレッサー。
【請求項２】前記窒素ガスラインと並列に放出弁が設
けられており、前記放出弁から、過剰の製品窒素が放出
可能であることを特徴とする請求項１記載の窒素コンプ
レッサー。