JP2653698B2 - 気体分離装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は気体分離装置に係り、特に一定の濃度の製品
ガスを生成するよう構成した気体分離装置に関する。

従来の技術 一般に、PSA式気体分離装置は、分子ふるいカーボン
からなる吸着剤を用いて、空気と窒素と酸素に分離し、
いずれか一方を製品ガスとして取出し、使用するもので
ある。

このため、例えばPSA式の窒素発生装置にあっては、
吸着剤が充填された吸着槽に圧縮空気を導入して昇圧す
る吸着工程と、吸着槽内を大気開放し又は真空ポンプで
減圧する脱着工程とを繰返し、吸着工程では吸着槽内の
吸着剤に酸素分子を吸着させて、窒素を外部に取出し、
一方脱着工程では吸着された酸素を脱着し、次の吸着工
程に備えるようになっている。

この種の窒素発生装置では、食品の鮮度維持等に窒素
ガスの需要が拡がるとともに、窒素ガスを効率よく生成
することが研究されている。食品保存用としての窒素発
生装置の開発初期段階では、例えば乾物等の食品が対象
となっていたので、より高純度の窒素ガスが要望されて
いた。

ところが、青果物あるいは鮮魚等の鮮度を維持する食
品貯蔵法の研究が進むにつれて、食品を貯蔵する低温貯
蔵庫内に窒素を主成分とした適量の酸素、炭酸ガスの混
合気味を供給することが、鮮度を維持する上で最良であ
ることが解明された。そして、窒素、酸素、炭酸ガスの
混合割合は対象となる食品の種類によって夫々異なるこ
とも確認されている。

発明が解決しようとする課題 従来の気体分離装置では高純度の窒素ガスを生成する
ことを目的として開発されているので、低酸素濃度ガス
を生成することが難しかった。従来の装置を使用して上
記の如く、窒素、酸素等の気体が一定の割合で混合され
た混合気体を生成するには、例えば吸着槽へ供給される
圧縮空気の圧力を調整する方法が考えられる。この方法
では導入圧力の低下により吸着効率が低下して不経済で
あるといった課題が発生する。又、所望とする混合気体
を得る別の方法としては、高純度の窒素ガスを生成する
気体分離装置の多に酸素が密封されたボンベ及びボンベ
と製品タンクとを接続する配管、ボンベから供給される
酸素の供給量を製品タンク内の濃度に応じて調整する手
段等を設けた装置が考えられる。しかしながら、このよ
うな装置では装置全体が複雑化して大掛りな装置となる
ばかりか、ボンベ内の気体消費量をチェックしてボンベ
交換作業を行なわなければならず、管理が面倒であると
いった課題が生ずる。

そこで、本発明は上記課題を解決した気体分離装置を
提供することを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明は、上記気体分離装置において、吸着剤に吸着
された一の気体を排気する排気管路と製品タンクとを接
続する接続配管を設け、接続配管に排気管路と製品タン
クとの間を開閉する開閉弁を設け、製品タンクに製品ガ
スの気体濃度を検出する気体濃度検出手段を設けるとと
もに、気体濃度検出手段により検出された製品タンク内
の製品ガス濃度が設定濃度より低いとき吸着槽における
吸着時間を延長するタイマ手段と、気体濃度検出手段に
より検出された製品タンク内の製品ガス濃度が所定濃度
より高いとき開閉弁を開弁して吸着槽より排気される一
の気体を製品ガスに混合する気体混合手段と、を具備し
てなる。

作用 吸着槽に圧縮空気が導入されてから取出用弁が開弁す
るまでの吸着時間に応じて一の気体分子の吸着量が変化
することに着目し、製品タンク内の気体濃度が低いとき
は吸着時間を延長し吸着槽における一の気体の吸着量を
増加させて製品ガスの気体濃度を高める。又、製品タン
ク内の気体濃度が高いときは、吸着剤に吸着された一の
気体を製品タンクに供給して製品ガスの気体濃度を下げ
る。

実施例 第１図に本発明になる気体分離装置の一実施例を示
す。

同図中、1,2は第1,第２の吸着槽で、各吸着槽1,2内に
はそれぞれ分子ふるいカーボン1A,2Aが充填されてい
る。

３は圧縮空気供給源となるコンプレッサで、コンプレ
ッサ３からの圧縮空気は配管6.7を介して吸着槽1,2にそ
れぞれ交互に供給されるようになっており、このため該
配管6,7の途中にはそれぞれ電磁弁からなる空気供給用
弁8,9が設けられている。

10,11は脱着時に吸着槽1,2からの気体を排出する配管
で、共通排出配管12に接続されており、排出配管12は脱
着排ガスを排出するようになっている。そして、前記配
管10,11の途中にはそれぞれ吸着槽1,2内の脱着排ガスを
半サイクル毎に交互に排出する電磁弁からなる気体排出
用弁13,14が設けられている。

15,16は吸着槽1,2の出口側に接続され吸着槽1,2内で
生成された窒素をそれぞれ取出す取出配管、17は各配管
15,16と連結した取出配管で、配管15,16の途中には半サ
イクルの間だけ後述の制御の下に交互に開弁する電磁弁
からなる取出用弁18,19がそれぞれ設けられている。ま
た前記取出配管17は製品タンク20と接続されている。

21は吸着槽1,2の出口側を連通する配管、22は配管21
の途中に設けられた電磁弁からなる均圧用弁で、均圧用
弁22は吸着槽1,2による半サイクルの終了時に所定の短
時間だけ開弁し、各吸着槽1,2間を均圧にする。

24は製品タンク20に接続された取出配管で、その途中
には電磁弁からなる取出用弁25が設けられている。

27は酸素センサ（気体濃度検出手段）で、製品タンク
20に貯溜された気体の酸素濃度を検出する。又、酸素セ
ンサ27からの酸素濃度検出信号は後述する制御回路34に
入力される。

なお、酸素センサ27としては酸素分子の常磁性を利用
した磁気式酸素センサ、酸素が透過膜を介して電解液に
入ると電極で酸化還元反応が起き電流が流れるのを利用
した電磁式酸素センサ、ジルコニア磁器の内外面に電極
を設け、酸素濃度によって起電力が発生するのを利用し
たジルコニア式酸素センサ等が用いられる。

28は排気用の配管10と製品タンク20とを接続する第１
の接続配管で、吸着槽１の出口側近傍に上流側開閉弁29
が配設され、製品タンク20近傍には下流側開閉弁30が配
設されている。又、吸着槽２側においても排気用の配管
11と製品タンク20とを接続する第２の接続配管31が配設
されており、この接続配管31には上流側開閉弁32,下流
側開閉弁33が配設されている。

尚、上記開閉弁29,30及び32,33は通常閉弁している
が、後述する制御回路34からの指令により製品タンク20
内の酸素濃度が低下したとき、換言すれば窒素濃度が高
いとき開弁する。

35は取出配管24から取出される窒素純度、即ち酸素濃
度を測定する濃度設定スイッチで、製品タンク20から取
出すべき窒素ガス濃度に応じて適宜に設定されるもので
ある。

また、制御回路34は例えばマイクロコンピュータ等に
よって構成される弁制御手段で、入力側には酸素センサ
27,濃度設定スイッチ35が接続されている。尚、制御回
路34には第２図に示す処理を実行するタイマ手段34A,気
体混合手段34Bが設けられている。

従って、制御回路34は所定のプログラムに基づいて、
空気供給用弁8,9,気体排出用弁13,14,取出用弁18,19,均
圧用弁22,取出用弁25,開閉弁29,30,32,33を開閉制御す
る。

尚、上記制御回路34により開閉制御される各電磁弁
は、開弁信号の供給により励磁されたとき開弁し、励磁
されないときにはバネ力で閉弁するようになっている。

ここで、上記窒素発生装置の一般的な窒素発生サイク
ルの動作につき説明する。

まず、窒素発生装置としての基本動作について、第３
図、第４図を参照しながら述べる。

いま、窒素発生装置を起動すると、マイクロコンピュ
ータ（図示せず）の制御の下に、窒素発生が行われる。

まず、第４図に示すように，，の動作が実行さ
っる。第３図中のは、空気供給用弁９と気体排出用弁
13が開弁し、第２の吸着槽２に原料気体としての圧縮空
気が供給されて第２の吸着槽２は昇圧状態にあり、分子
ふるいカーボン2Aに酸素が吸着される。一方第１の吸着
槽１は減圧状態にあり、吸着していた酸素が脱着して排
出されている状態を示している。

次に、第３図中のは空気供給用弁９と気体排出用弁
13の他に、新たに取出用弁19を開弁し、第２の吸着槽２
内の窒素ガスを取出している状態を示している。このと
き、第１の吸着槽１は減圧状態のままである。

次に、第３図中のは均圧操作で、各取出用弁18,19,
及び空気供給用弁9,気体排出用弁13を閉弁するとともに
均圧用弁22を開弁する。これにより、第２の吸着槽２内
に残存する窒素富化ガスは第１の吸着槽１に回収され、
各吸着槽1,2は均圧となる。なお、前記均圧操作は通常
１〜３秒である。

これにより、１サイクルのうちの前半の半サイクルが
終了したことになり、空気供給用弁8,気体排出用弁14を
開弁することによって、第４図（Ｂ）に示すように第３
図中の〜に示す後半の半サイクルを繰返す。かくし
て、吸着槽1,2からは各半サイクルの後半で窒素ガスを
取出し、製品タンク20に供給することができる。そし
て、起動後しばらくすると、発生する窒素ガスの純度は
安定する。

尚、上記窒素発生サイクルにおいて、吸着槽1,2に充
填された分子ふるいカーボン1A,2Aが気体分子を吸着す
る気体分子吸着特性、すなわち吸着時間と吸着量との関
係は第５図に示すようになる。

第５図からわかるように、酸素分子の吸着量が短時間
で上昇するのに対し、窒素分子の吸着量は吸着時間がt₀
を過ぎたあたりから遅れて上昇する。従って酸素分子の
吸着特性をふまえて吸着時間を変えることにより酸素吸
着量を調整することが可能である。

さらに、上記窒素発生サイクルのサイクル時間と酸素
濃度との関係は、第６図に示すようになる。従って、上
記窒素発生装置においては第６図からわかるように半サ
イクル時間をt₁としたときの酸素濃度が最も低く、換言
すれば最も効率的に窒素ガスを生成できる。

しかしながら、前述の如く鮮度が要求される青果物の
貯蔵庫等では、窒素ガスに酸素を適量含有した混合気体
が要望されており、高純度（例えば99.9％）の窒素ガス
では不適となる。

そこで、本発明では吸着時間に応じて酸素分子の吸着
量が変化することに着目し、通常の半サイクル時間をt₂
（第６図参照）に設定する。そして、製品タンク20内に
蓄圧された製品ガスの酸素濃度が高くなったとき半サイ
クル時間をt₂からt₃に変更して吸着時間を延長する。即
ち、制御回路34には酸素センサ27からの酸素濃度検出信
号に基づき、製品タンク20内の気体濃度を算出し、予め
設定された酸素濃度あるいは窒素濃度と算出した気体濃
度とを比較して、製品タンク20内の酸素濃度が所定濃度
より高いとき（窒素濃度が低いとき）、半サイクル時間
を延長するタイマ手段34Aが設けられている。

又、制御回路34には製品タンク20内の酸素濃度が所定
濃度より低いとき（窒素濃度が高いとき）、吸着槽1,2
内の分子ふるいカーボン1A,2Aに吸着された酸素分子を
排気せずに接続配管28,31を介して製品タンク20に供給
して適量の酸素を窒素ガスに混合させるように各電磁弁
を開閉する気体混合手段34Bが設けられている。

次に、窒素濃度（又は酸素濃度）を所望の設定値に制
御するための処理動作について、第２図を参照しつつ説
明する。

まず、濃度設定スイッチ35により、取出すべき窒素ガ
スの純度、例えば窒素ガス中の酸素濃度を所定の値P,例
えば５％に設定する。すると、制御回路34はこの設定値
を読込む（ステップS1）。なお、この設定濃度（酸素濃
度）が５％ということは、窒素純度は95％であり、又逆
に濃度設定スイッチ35によって窒素濃度95％の値を設定
するようにしてもよい。

次に、酸素センサ27は製品タンク20内に蓄圧された製
品ガス中の酸素濃度を測定し、濃度検出信号を出力して
いるから、制御回路34はこの濃度検出信号による測定値
Ｍを読込む（ステップS2）。

次のステップS3では、読込んだ設定値Ｐと測定値Ｍと
を比較し、両者の値が等しいか否か比較する。

いま、ステップS3において製品タンク20内の製品ガス
の酸素濃度が５％（Ｐ＝Ｍ）であるとき、ステップS4に
移り半サイクル時間t₂の窒素発生サイクルが行なわれ
る。そして、時間t₂の半サイクルが終了すると再びステ
ップS2,S3の処理が繰返される。

一方、ステップS3で設定値Ｐと測定値Ｍが等しくない
と判定したときには、ステップS5に移り、測定値Ｍの方
が大きいか否か判定する。ここで、例えば製品ガスの酸
素濃度が６％になったと仮定する。この場合、ステップ
S5においてＰ＜Ｍとなるため、ステップS6に移り、半サ
イクル時間をt₂からt₃に延長した窒素発生サイクルを設
定する。そして、ステップS7では、第４図に示す，
，の各工程による半サイクル時間がt₃で行なわれ
る。即ち、吸着槽２において、取出用弁19の開弁動作が
遅延され、その結果の昇圧工程による吸着時間が延長
され、第３図に示す如く、酸素濃度の低い、換言すれば
窒素濃度の高い製品ガスが生成される。

上記ステップS6,S7により時間t₃の窒素発生サイクル
が実行されると、再びステップS2,S3,S5の処理が実行さ
れる。そして、ステップS5においてＰ＜Ｍであれば製品
タンク20内の酸素濃度が５％に低下するまでステップS
6,S7の処理が繰返される。

又、ステップS5において、製品タンク20内の酸素濃度
が４％に低下したと仮定する。この場合、ステップS5に
おいてＰ＞Ｍとなるため、ステップS8に移り前記ステッ
プS4と同様半サイクル時間t₂の窒素発生サイクルを実行
する。そして、この半サイクルの減圧工程（排気工程）
時、吸着槽1,2内の残留ガスを製品タンク20に供給す
る。第４図に示す半サイクルの取出工程の後の吸着槽
1,2には昇圧工程で分子ふるいカーボン1A,2Aに吸着さ
れた高純度の酸素ガスが豊富に残留しており、ステップ
S9ではこの酸素ガスを製品タンク20に供給する。

即ち、制御回路34は吸着槽１が減圧工程になるとき、
排出用弁13を閉弁したまま開閉弁29,30を開弁して吸着
槽１内の残留ガスを接続配管28を介して製品タンク20に
供給し、あるいは吸着槽２が減圧工程のときは排出用弁
14を閉弁したまま開閉弁32,33を開弁して吸着槽２内の
残留ガスを接続配管31を介して製品タンク20に供給す
る。

続いて、ステップS10ではステップS3と同様製品タン
ク20内の酸素濃度が予め設定された濃度（５％）になっ
たかどうかをみており、製品タンク20内の製品ガスに含
有される酸素濃度が５％になるまで上記ステップS9の処
理が継続される。そして、製品タンク20内の製品ガスの
酸素濃度が５％（Ｐ＝Ｍ）になった時点で開閉弁30又は
33を閉弁し排出用弁13又は14を開弁する（ステップS1
1）。

これにより、吸着槽1,2内の残留ガス及び接続配管28,
31内の酸素が大気中に排気される。その後開閉弁29,32
を閉弁し、そして、再びステップS2に戻り上記ステップ
S2〜S11までの処理を適宜繰り返す。このようにして、
制御回路34は製品タンク20内に蓄圧された製品ガスのガ
ス組成の酸素比率が濃度設定スイッチ35により設定され
た５％となるように窒素生成量あるいは酸素供給量を制
御して、所望とする一定比率の混合ガスを製品ガスとし
て生成する。

又、上記の如く、吸着槽1,2への原料気体の供給圧力
が絞られることなく常時最大圧力で供給されるため、製
品ガスを効率良く生成することができるとともに、窒素
発生サイクルをタイマ管理により周期的作動としている
ので、温度湿度等の環境条件により製品ガスの組成に変
調を生じても酸素センサ27により製品タンク20内のガス
組成を監視し、酸素センサ27からの検出信号に基づいて
前述の如く製品ガス組成を一定状態に保持することがで
きる。

上記実施例では窒素発生装置を用いて説明したが、本
発明が酸素発生装置にも適用できるのは勿論である。

発明の効果 上述の如く、本発明になる気体分離装置は、吸着槽へ
の供給圧力を低下させることなく製品ガスの組成を一定
比率に保持できるので、効率良く製品ガスを生成できる
とともに、従来の装置を改良して所定濃度の製品ガスを
安定的に供給できるので、装置全体が複雑化したり大掛
りとなることもなく、又酸素ボンベの交換等の面倒な作
業を不要にできる。特に食品保存設備に所定の混合比率
の製品ガスを生成するのに好適であり、食品保存に必要
な混合気体を安定的に生成することができる等の特長を
有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる気体分離装置の一実施例の概略構
成図、第２図は制御回路が実行する処理のフローチャー
ト、第３図及び第４図は夫々窒素発生サイクルの工程
図、第５図は気体分子吸着量と吸着時間との関係を示す
線図、第６図はサイクル時間と酸素濃度との関係を示す
線図である。 １……第１の吸着槽、1A,2A……分子ふるいカーボン、
２……第２の吸着槽、13,14……気体排出用弁、18,19…
…取出用弁、20……製品タンク、27……酸素センサ、2
8,31……接続配管、29,30,32,33……開閉弁、34……制
御回路、34A……タイマ手段、34B……気体混合手段、35
……濃度設定スイッチ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に一の気体分子を吸着する吸着剤が充
   填された吸着槽に、圧縮した原料気体を供給し、前記吸
   着剤により生成された製品ガスを前記吸着槽の出口側の
   取出用弁より取出して製品タンクに貯溜する気体分離装
   置において、 前記吸着剤に吸着された一の気体を排気する排気管路と
   製品タンクとを接続する接続配管を設け、 前記接続配管に前記排気管路と製品タンクとの間を開閉
   する開閉弁を設け、 前記製品タンクに製品ガスの気体濃度を検出する気体濃
   度検出手段を設けるとともに、 前記気体濃度検出手段により検出された製品タンク内の
   製品ガス濃度が設定濃度より低いとき前記吸着槽におけ
   る吸着時間を延長するタイマ手段と、 前記気体濃度検出手段により検出された製品タンク内の
   製品ガス濃度が設定濃度より高いとき、前記開閉弁を開
   弁し前記吸着槽より排気される一の気体を前記製品ガス
   に混合する気体混合手段と、 を具備してなることを特徴とする気体分離装置。