JP3608178B2 - 窒素ガス発生装置の温度制御機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、膜分離法による窒素ガス発生機に供給する原材料を作る空気圧縮機を、窒素ガス発生機と共に内蔵して、パッケージセットとした窒素ガス発生装置において、窒素ガス発生機の窒素ガス分離のための温度制御用に、空気圧縮機で発生する熱を、有効利用しようとするものである。
【０００２】
【従来の技術】
混合気体を分離するガス発生装置には、吸着剤を用いて分離する圧力変動吸着方式（ＰＳＡ方式）と、微細透過孔膜を用いた膜分離方式があり、原料気体を空気として、窒素、または酸素を分離して、いずれかを発生させて利用する装置は、一般的に知られている。前記２つの方式のいずれの場合にも、圧縮気体を供給する必要があり、種々の圧縮機を用いた圧縮気体が使用されている。
【０００３】
前記ガス発生装置においては、従来は、ガス発生装置と空気圧縮機を別体として設置するか、または、ガス発生装置に見合う圧縮機を併設して設備され、併設して設備する場合には、ガス発生装置専用の独立した圧縮機とされているのが通例である。
【０００４】
空気圧縮機と窒素ガス発生機を一体に囲繞して、パッケージに収納した窒素ガス発生装置においては、空気圧縮機には、通常、大気中の水分を除去するためのアフタークーラと称する熱交換器セットが付設され、吐出空気を冷却して、空気中に含まれている水分を凝結させて除去し、水分を除去した圧縮空気が、空気タンクに貯溜されている。この水分除去は、圧縮空気を動力源として使用する空気機械では、欠かすことのできないものである。
【０００５】
ところで、窒素ガス発生装置では、一旦熱交換器で冷却した空気を、窒素ガス発生機に供給する際、再度加熱して供給している。再度加熱するのは、膜分離法による窒素ガス分離において、窒素ガス分離筒の中での分子活動を活発化して、分離効率を高め、かつ昇温した原料空気を一定純度に安定して分離するために、一定温度で供給するためである。
【０００６】
一方、圧縮空気を供給するための圧縮機では、窒素ガス発生機への供給圧力を厳密に一定にするため、窒素ガス発生機に圧縮空気を供給する間は、圧縮機が一定圧力で常時負荷運転するように制御され、常時負荷運転によって生じた余分の空気を、リリーフ弁によって常時排気することによって制御している。常時負荷運転によって吐出される高温圧縮空気を冷却しなければ、空気中に含まれる水分は凝結することがなく、ドレン水の発生もほとんどない。したがって、常時運転する圧縮機で発生する空気の温度が一定であると、昇温された空気のまま、窒素ガス発生機に供給することも可能となる。
【０００７】
また、窒素ガス発生機の膜分離法式による窒素ガス分離筒では、金属製の円筒容器内に多数の細いチューブからなる分離膜を設けることによって分離されるが、窒素ガス発生機の運転開始時、窒素ガス分離筒が所定温度になるまでの間は、窒素ガスの純度が安定しないために、相当時間待たなければならないという問題がある。一方、圧縮熱で昇温した圧縮機本体は、圧縮機本体の駆動軸等に付設されている冷却ファンによって冷却され、その排風熱は、そのまま、パッケージの天井の排気孔から排出されて、気してパッケージ内の昇温を回避している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
空気圧縮機と窒素ガス発生機を併設して一体に囲繞されているパッケージ式窒素ガス発生装置においては、従来、原料空気を空気圧縮機に付設されているアフタークーラで冷却して、窒素ガス発生機に供給する際、再度昇温している温度制御機構を、本発明では、空気圧縮機に付設されているアフタークーラでの熱交換度を制御し、圧縮機で昇温した空気を、昇温させた状態で、窒素ガス発生機に供給するようにした温度制御機構を得ようとするものである。
【０００９】
また、窒素ガス発生装置の運転開始時、窒素ガス分離筒、およびその周辺の温度が昇温して安定するまでは、窒素ガスの安定純度が得られず、窒素ガスを得るまでに相当の時間を要する。そのため本願発明では、窒素ガス発生機パッケージ内の早期昇温と、安定化を図るために、空気圧縮機で発生する排風熱を利用するようにした温度制御機構を得ようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、空気圧縮機と窒素ガス発生機を併設して一体に囲繞したパッケージ式窒素ガス発生装置において、窒素ガス発生機に供給する圧縮空気の温度制御を行うために、空気圧縮機に付設されているアフタークーラを利用することを特徴とし、アフタークーラにおける熱交換器に送風するための冷却ファンを、窒素ガス発生機の窒素ガス分離筒の供給口に配設する温度センサーからの信号により、温度調節器を介して、オン、オフ、もしくは回転数を制御することによって、前記アフタークーラの熱交換度を制御し、かつ圧縮機で発生する高温圧縮空気を、制御された昇温空気の状態で、窒素ガス発生機に供給するようにした窒素ガス発生装置の温度制御機構に関するものである。
【００１１】
また、本発明は、空気圧縮機と窒素ガス発生機を併設して一体に囲繞したパッケージ式窒素ガス発生装置において、空気圧縮機本体を冷却するための冷却ファンで発生する排風熱を、空気圧縮機と窒素ガス発生機を仕切る仕切板の下部に設けた排風熱導通孔から、窒素ガス発生機の窒素ガス分離筒の外周を通過させて、排気させるようにした窒素ガス発生装置の温度制御機構にも関するものである。
【００１２】
【作用】
空気圧縮機と窒素ガス発生機を一体に囲繞したパッケージ式窒素ガス発生装置における空気圧縮機は、圧縮空気の吐出直後に熱交換器セットであるアフタークーラが付設される。この熱交換器セットは、冷却ファンによって空冷されている。空冷によって凝結した水は、その後に付設されている水分離器によって除去され、空気タンクに一旦貯溜される。
【００１３】
空気タンクより、自動弁を介して窒素ガス発生機に原材料の圧縮空気が供給される。この自動弁の直後に、空気圧縮機を一定圧力で常時負荷運転させ、窒素ガス発生機に一定圧力で圧縮空気を供給するためのリリーフ弁を設け、窒素ガス発生機に供給する空気量と、空気圧縮機の吐出容量の差の分だけ、常時リリーフ弁より排出して、空気圧縮機が一定圧力で常時負荷運転される。窒素ガス発生機に供給される空気は、空気中の水，塵埃等を完全に除去するミクロフィルタを介して、膜分離法式による窒素ガス分離筒に供給される。
【００１４】
上記構成において、窒素ガス分離筒の直前に、空気温度を検知する温度センサーが設けられている。この温度センサーからの信号によって、温度調節器により、前記したアフタークーラに付設される冷却ファンのオン、オフ、または、回転数制御を行う。通常圧縮機から吐出される空気温度は、１００℃前後の高温で吐出される。窒素ガス分離筒に供給される空気温度は、ほぼ５０℃の適正値となっている。
【００１５】
したがって、空気圧縮機が常時負荷運転で安定した空気温度で吐出され、冷却ファンの運転を停止した状態で空気を供給した場合、アフタークーラ，空気タンク、および配管回路で自然冷却され、窒素ガス分離筒直前での空気温度は、供給温度の適正値よりやや高い温度まで冷却している。空気圧縮機は、パッケージ内に収納されているので、比較的外気温度の影響を受けにくい。しかし、窒素ガス発生装置の運転開始時、または、寒冷時の外気温度との差によって、パッケージ内温度は変化する。したがって、窒素ガス分離筒直前の供給空気温度も変化するので、その温度を検知し、前記冷却ファンの運転を制御することによって、供給温度の安定を図ることができる。
【００１６】
この窒素ガス発生装置の温度制御は、空気圧縮機が一定圧力で常時負荷運転することによって、空気圧縮機から吐出される空気温度がほぼ一定であり、昇温された空気をそのまま流した場合に、凝結して水滴になることが少ないことと、気化した水分は、窒素ガス分離筒で酸素富化空気として排出されることとにより、比較的容易に可能となるものである。
【００１７】
次に、前記の従来の技術の項で記述したように、空気圧縮機本体を冷却した排風熱は、パッケージ天井に設けられている排気孔より排出されるが、請求項２に記載されている発明では、この排風熱の全部または一部を、仕切板で仕切られた窒素ガス発生機側のパッケージに流すことによって、窒素ガス分離筒の外壁等を暖めて、窒素ガス安定分離の立上げ時間を早めるようになっている。
【００１８】
昇温された原料空気は、窒素ガス分離筒の中を通過し、その熱により、窒素ガス分離筒の外壁温度が昇温し安定するまで、窒素ガスの純度は安定しない。そこで、圧縮機本体を冷却した排風熱を、前記仕切板の下方に設けた排風熱導通孔を流し、窒素ガス発生機のパッケージ中に、縦方向に設置されている窒素ガス分離筒の下部から上部に向けて排風熱を通過させて排気することによって、窒素ガス分離筒の昇温安定を早めることができる。
【００１９】
また、排風熱を窒素ガス発生機側に流して、適当な温度に昇温させる排風熱の量は、圧縮機本体側の排気孔、または窒素ガス発生機側の排気孔の、いずれか、または双方の排気孔の面積を調節することによって行われる。
【００２０】
【実施例】
本発明の実施例を、図面に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の空気圧縮機を内蔵したパッケージ式の窒素ガス発生機の側面図である。空気圧縮機１０と、窒素ガス発生機１１は、台枠３上に並置して固定され、前記両機を、防音材が張付けられた組立式のパネル板１３で箱型に囲繞して、パッケージとしてある。空気圧縮機１０と窒素ガス発生機１１の間は、仕切板１４で区画されている。仕切板１４の下部に、空気圧縮機本体１を空冷した排風熱を、窒素ガス発生機側に導入するための排風熱導通孔１４ａがあけられている。矢印で示す排風熱は、排風熱導通孔１４ａから、窒素ガス発生機内に縦方向に取付けられている窒素ガス分離筒１２の周囲を流れて、窒素ガス分離筒を暖め、天井板１３ｃに明けられている排気孔１３ｅから排出される。
【００２１】
図１における１は空気圧縮機本体で、実施例では、無給油式スクロール圧縮機としてあるが、本発明では、往復空気圧縮機等の他の圧縮機を使用しても、同様の効果が得られるものである。圧縮機本体１は、空気タンク２の上のベース２ａに固定されており、圧縮機本体１上の全閉外扇モータ４によって駆動される。圧縮機本体１の発熱を空冷するため、駆動プーリー等に冷却ファン（不図示）が取付けられている。
【００２２】
吸込フィルタ５を経て吸引された空気は、圧縮機本体１で圧縮され、吐出管６を介して、熱交換器セットであるアフタークーラ７に送入される。アフタークーラ７には、冷却ファン１５が取付けられ、窒素ガス発生機の原材料供給口に設けられている温度センサー、温度調節器からの信号によって、冷却ファン１５のオン、オフ、または、回転が制御される。
【００２３】
アフタークーラ７を冷却した空気は、圧縮機本体１を冷却した排風熱の一部と共に、天井板１３ｃの圧縮機側に設けられた排気孔１３ｄから排出される。アフタークーラ７を経た制御された昇温空気は、導入管８を通って、水分離器９に入り、水，塵埃が除去された後、空気タンク２に貯溜される。空気タンク２は、比較的小形であるが、圧縮機で吐出される空気圧の脈動を、完全に平均化するだけの容積となっている。空気タンク２には、窒素ガス発生機１１に供給する吐出ジョイント２ｂが接続されている。
【００２４】
図２は、図１の窒素ガス発生装置の正面図である。図１と同一の構成部品には、同一の符号を付してある。
図２において、１３ａは、パッケージの組立式パネル板の一部をもって形成した、内部点検等のために手動開閉可能な前面扉である。１５は、図１で説明したアフタークーラ７を空冷するための冷却ファンである。前面扉１３ａの上の上部パネル板１３ｂに、本装置を制御する制御基盤１６が設けられ、圧縮機の運転制御，窒素ガス発生機の運転制御、自動弁の制御、およびアフタークーラ７の冷却ファン１５の運転制御を行う温度調節器の操作機能等が、一括して行えるようになっている。その他、上部パネル板１３ｂには、窒素ガスの圧力、および圧縮空気の圧力を表示する圧力計、および取出される窒素ガスの純度を判定する酸素濃度計１７等が配設されている。
【００２５】
図３は、本発明の窒素ガス発生装置の全体構成と、原料供給空気の温度制御機構を模式的に示すフロー図である。図３において、図１，図２と同一の構成要素には、同一の符号を付してある。また、実線は、配管回路を示し、斜線付実線は、制御回路を示している。なお、この実施例では、各所に配設される自動弁を、電気制御による電磁弁としてあるので、以下これを電磁弁と呼ぶ。
【００２６】
図３において、空気圧縮機１０から吐出された高温圧縮空気は、アフタークーラ７に導入され、運転初期には、温度調節器２２からの指令により、冷却ファン１５は作動せず、吐出空気は、昇温状態で、水分離器９を介して空気タンク２に貯溜される。空気タンク２の底部には、自然冷却によって凝結し、徐々に蓄積したドレン水を、自動的に排水するためのオートドレン２０が付設されている。空気タンク２より吐出される昇温状態の圧縮空気は、窒素ガス発生機に供給される。
【００２７】
電磁弁２１の直後に、空気圧縮機１０を常時負荷運転させて、窒素ガス分離筒１２への供給圧力を厳密に一定にさせるための、リリーフ弁回路が分岐されている。リリーフ弁２３は、窒素ガス分離筒１２に供給する空気量と、空気圧縮機１の吐出容量との差の量だけ、常時一定量排出するための調節機能をもち、このリリーフ弁２３の調節によって、空気圧縮機１は、一定圧力で原料供給中常時負荷運転する。リリーフ弁２３からの排出空気は、マフラー２４を介して放出される。
【００２８】
窒素ガス分離筒１２に供給される昇温状態の圧縮空気は、空気中の水，塵埃等を完全に除去するために、除去効率の高いミクロフィルタ２５が配設される。ミクロフィルタ２５から窒素ガス分離筒１２に供給される。窒素ガス分離筒１２に供給される直前の配管に温度センサー１９が付設されている。
【００２９】
温度センサー１９で測定された温度が、温度調節器２２で設定された温度と比較対比して制御する制御回路が組込まれており、その制御信号によって、アフタークーラ７を冷却する冷却ファン１５の、オン、オフ、または、回転制御が行われ、空気は、安定した温度で、窒素ガス分離筒１２に供給される。温度センサー１９の前に設けてあるヒーター２８は、従来例で説明したヒーターを示し、本発明では、基本的には不必要であるが、予備的な補助装置として付設してもよいことを示すものである。
【００３０】
温度センサー１９，温度調節器２２および冷却ファン１５を制御することによって、一定温度に制御された一定圧力の圧縮空気が、微細孔膜で作られた細い糸状のチューブの集合体からなる窒素ガス分離筒１２内で、酸素等のガスと窒素ガス等に分離される。
【００３１】
窒素ガス分離筒１２は、必要とする窒素ガスの容量、および窒素ガスの純度、または供給する原料空気の量に適応する数が設けられている。図３のフロー図で点線で示す１２Ａは、空気圧縮機の出力が大きく、吐出量の多い場合に追加される窒素ガス分離筒である。
【００３２】
窒素ガス分離筒１２から吐出する窒素ガスの回路に、必要に応じて電磁弁３５を開いて、窒素ガスの中に含まれる酸素の濃度、または酸素の有無を検知する酸素濃度計１７が配設され、窒素ガスの純度が換算される。
【００３３】
３個の流量調整弁２６，２６ａ，２６ｂ、およびそれぞれに接続されている電磁弁２７，２７ａ，２７ｂは、窒素ガスの純度を設定するための流量調整弁であり、例えば窒素ガスの純度を、９９．９％，９９％，９７％の３段階に設定し、必要とする窒素ガスの純度によって、電磁弁２７，２７ａ，２７ｂのいずれかが選択して開かれる。これは、流量調整弁２６の流量を厳密に調整して、窒素ガス分離筒１２内のガス通過速度を調節することによって調整される。
【００３４】
所定の純度で吐出される窒素ガスは、逆止弁３１を介して窒素ガスタンク３２に貯溜される。逆止弁３１の前に配設されている電磁弁２９およびマフラー３０は、始動時、または再起動時に電磁弁２１が開かれたとき、窒素ガス発生機１１の配管回路中に滞留している残留ガスを、制御基盤１６の中に付設されるタイマーによって、一定時間マフラー３０から排出するもので、窒素ガスは、所定の純度になってから、窒素ガスタンク３２に貯溜される。窒素ガスタンク３２、または逆止弁３１後において配管回路に付設されている圧力スイッチ３３は、設定された所定の圧力になると、作動して電磁弁２１を閉じるようになっている。窒素ガスの使用等によって窒素ガスタンクの圧力が低下すると、再び圧力スイッチ３３が作動して、電磁弁２１は開かれる。
【００３５】
図４は、膜分離法による窒素ガス分離筒１２の原理を示す模式図である。図４において、窒素ガス分離筒１２の一方の端部には圧縮空気供給口１２ａがあり、筒の中央部には、微細孔膜で作られた細いチューブ１２ｂが多数本ある。多数本のチューブの両端を、多孔板１２ｃの孔に接続し、多数本のチューブ１２ｂ内に圧縮空気を流すことによって、チューブの側壁の微細孔より、酸素，ヘリュウム，水等の速度の早い分子がチューブ外に透過し、酸素富化空気孔１２ｄより排出する。そして、窒素，アルゴン等の速度の遅い分子は、チューブ内をそのまま通過し、窒素ガス分離筒端部の分離筒取出口１２ｅより、窒素ガスを主体とする不活性ガスが吐出される。
【００３６】
【発明の効果】
空気圧縮機と窒素ガス発生機を一体に囲繞したパッケージ式窒素ガス発生装置において、空気圧縮機に付設されるアフタークーラに送風する冷却ファンの運転制御によって、熱交換度を制御する温度制御機構としてあるから、窒素ガス分離筒の前に配設していた昇温ヒーターが不要となり、装置のコストダウンと、電力消費量の節減が図られる。
【００３７】
また、従来ヒーター昇温では、周囲温度の低温時、設定温度に達するまでに時間を要したが、本発明では、圧縮機からの昇温空気がそのまま使用されるため、設定温度の到達時間が短縮され、窒素ガス純度の安定時間が早くなる。
【００３８】
さらに、空気圧縮機本体を冷却した排風熱を窒素ガス発生機に導入するため、窒素ガス分離筒が早期に昇温安定し、窒素ガスの分離効率が高まり、かつ窒素ガス設定純度に到達する時間が早くなり、窒素ガスを取出すまでの立上げ時間が短縮される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のパッケージ式窒素ガス発生装置の側面図である。
【図２】図１の窒素ガス発生装置の正面図である。
【図３】本発明の窒素ガス発生装置の全体構成を温度制御機構と共に模式的に示すフロー図である。
【図４】膜分離法によるガス分離を説明するための原理図である。
【符号の説明】
１ 圧縮機本体
２ 空気タンク
３ 台枠
７ アフタークーラ
９ 水分離器
１０ 空気圧縮機
１１ 窒素ガス発生機
１２，１２Ａ 窒素ガス分離筒
１３ パネル板
１３ａ 前面扉
１３ｂ 上部パネル板
１３ｄ，１３ｅ 排気孔
１４ 仕切板
１４ａ 排風熱導通孔
１５ 冷却ファン
１６ 制御基盤
１７ 酸素濃度計
１８ 窒素ガス取出口
１９ 温度センサー
２１ 電磁弁（自動弁）
２２ 温度調節器
２３ リリーフ弁
２６，２６ａ，２６ｂ 流量調整弁
２８ ミクロフィルタ
３３ 圧力スイッチ

Claims (3)

1. 空気圧縮機と窒素ガス発生機を併設して一体に囲繞したパッケージ式窒素ガス発生装置において、窒素ガス発生機に供給する圧縮空気の温度制御を行うために、空気圧縮機に付設されているアフタークーラを利用することを特徴とし、アフタークーラにおける熱交換器に送風するための冷却ファンを、窒素ガス発生機の窒素ガス分離筒の供給口に配設する温度センサーからの信号により、温度調節器を介して、オン、オフ、もしくは回転数を制御することによって、前記アフタークーラの熱交換度を制御し、かつ圧縮機で発生する高温圧縮空気を、制御された昇温空気の状態で、窒素ガス発生機に供給するようにした窒素ガス発生装置の温度制御機構。
2. 空気圧縮機と窒素ガス発生機を併設して一体に囲繞したパッケージ式窒素ガス発生装置において、空気圧縮機本体を冷却するための冷却ファンで発生する排風熱を、空気圧縮機と窒素ガス発生機を仕切る仕切板の下部に設けた排風熱導通孔から、窒素ガス発生機の窒素ガス分離筒の外周を通過させて、排気させるようにした窒素ガス発生装置の温度制御機構。
3. 前記窒素ガス発生装置の窒素ガス発生機は、膜分離法による窒素ガス発生方式である請求項１または２記載の窒素ガス発生装置の温度制御機構。
   詳細な説明

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