JP3628390B2 - 空気圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置 - 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空気圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
混合気体をを分離するガス分離装置には、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が一般的に知られている。前記二つの方式はいずれの場合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。
圧縮空気が工場配管されている場合は、配管から供給される圧縮空気をガス発生装置に接続することで原材料は得られるが、しかし、小規模工場、研究所等の場合は、ガス発生装置と共に空気圧縮機を同時に設備しなければならない。一方圧縮空気は、エア駆動型機械の動力源として、二流体噴霧の一方の流体源として、また、除塵等のエア源としてなど生産工場に置いて欠かすことのできない必要設備となっている。
【０００３】
前記ガス発生装置において、従来は、ガス発生装置と空気圧縮機を別体で設備するかまたは、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は、ガス発生装置専用の圧縮機となっているのが通例となっている。
【０００４】
空気圧縮機には運転制御機構としてアンローダまたは、圧力スイッチ制御により空気タンク等に貯溜される吐出圧力が設定された最高圧力になると、前記制御機構が作動して、無負荷運転または、運転停止が行われる。そして、前記吐出圧力が低下すると再負荷運転が行われる。この設定された最高圧力と、圧力が低下して再起動する圧縮空気の圧力差が略１．５気圧あり、これが窒素ガス発生機に供給される場合に、この圧力差が膜分離法式による窒素ガス発生機では窒素ガス濃度の変動をもたらし、窒素ガスの純度を一定にすることが困難となる。そのため窒素ガス発生機においては、圧縮空気を供給する空気回路にリリーフ弁を設けて圧縮機が常時一定圧力で運転するように、窒素ガス発生機からの純度に応じ供給する空気量と、圧縮機の吐出空気容量との差の量だけ常時空気を逃がすことによって、供給圧力の安定を維持していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、空気圧縮機と窒素ガス発生機を併設して、一体のパッケージに収納するガス発生装置において、供給圧力を一定圧力に維持するために、リリーフ弁を介して常時逃がして、無駄にしている圧縮空気を、定流量弁を用いて利用可能にする圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置を得ようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、空気圧縮機と窒素ガス発生機を併設するガス発生装置において、前記両機を一体に囲繞してパッケージに収納するガス発生装置であって、窒素ガス発生機の圧縮空気供給側に配設される自動弁を介して、窒素ガス分離筒に原料空気を供給する配管回路に、供給圧力安定のための、リリーフ弁および、定流量弁を分岐して併設し、定流量弁を介して吐出される圧縮空気を、窒素ガス発生機から吐出される窒素ガスと共に、併用可能にした空気圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置であり、そして、前記パッケージに圧縮空気取出口と窒素ガス取出口を設けたものである。
【０００７】
また、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するガス発生装置において、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空気圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置である。
【０００８】
【作用】
スクロール圧縮機または、往復圧縮機等の圧縮機を併設して一体のパッケージに収納した圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置で、圧縮機から供給される空気は自動弁を介して、窒素ガス発生機に供給する。該自動弁は窒素ガス発生機の吐出側に付設される圧力スイッチの信号によって制御される。自動弁を介して供給される圧縮空気は、供給圧力を一定にするための三方分岐回路を持ち、一つはリリーフ弁，マフラーを介して排出し、一つは定量流量弁，逆止弁を介して圧縮空気取出口に接続する。そして今一つの主回路となる分岐口から、一定圧力とした供給空気が、残存水分を排除するためのミクロフィルタを経て、分子活動を活発化と、ガス供給温度を一定に保つためのヒーターで昇温させて、微細孔膜からなる窒素ガス分離筒で、酸素，水，二酸化炭素等の透過速度の早い分子からなる酸素富化空気と、窒素，アルゴン等の透過速度の遅い分子からなる不活性ガスに分離され、窒素を主体とする不活性ガスが分離筒取出口から吐出される。分離筒取出口からの窒素ガスは、パッケージ外面に付設される窒素ガス取出口から吐出され窒素ガスタンクに貯溜される。
【０００９】
上記構成において、三方分岐回路をもつ圧力制御回路で定流量弁は、リリーフ弁の調整圧力と同等か、極僅か低い圧力に調整されて一定流量で圧縮空気取出口から空気タンクに一旦貯溜されて使用される。これによって従来はリリーフ弁，マフラーから常時放出されていた圧縮空気が使用できるようになる。そして、圧縮空気取出口からの空気が使われないか、あるいは、貯溜している空気タンク等が所定圧力になった場合には、もう一方の分岐回路であるリリーフ弁から従来と同じように排気される。
【００１０】
窒素ガス発生のための原材料としての圧縮空気は、前記したように、ミクロフィルタ，昇温ヒータを経て、窒素ガス分離筒で分離される。分離される窒素ガスの純度は、窒素ガス分離筒内を通過する気体の通過速度に比例し、通過速度が遅い場合は純度の高い窒素ガスが得られ、早い場合はその純度が低下する。すなわち、セットされた窒素ガス分離筒の本数等の通過容量に対して、供給される圧縮空気の量によって純度が決定する。このことから、窒素ガス分離筒の吐出側に流量調整弁が付設され、その流量調整によって必要な純度が設定される。また、窒素ガスの純度は、窒素ガス分離筒で分離された窒素ガス中に含まれる酸素量または、酸素の有無を酸素濃度計によって検知し、酸素濃度の表示から窒素ガスの純度が換算される。
【００１１】
【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はパッケージ方式による空気圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置の側面構造図である。図１において、空気圧縮機１０と窒素ガス発生機１１は台枠３上に併設して固定され、前記両機を、防音材が貼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いる。そして空気圧縮機１０と窒素ガス発生機１１の間には、熱が直接窒素ガス発生機側に影響しないための、仕切板１４で区画されている。図中１は、圧縮機本体で、本実施例では無給油式スクロール圧縮機本体となっているが、本発明ではこの圧縮機が往復空気圧縮機等の他の圧縮機が使用されても同様の効果が得られるもので、本発明を限定する要素ではない。該圧縮機本体１は空気タンク２上のベース２ａに固定されていて圧縮機本体１上の全閉外扇モータ４によって駆動される。吸込フィルタ５から吸引した空気は圧縮機本体１で圧縮され、吐出管６を介して、アフタークーラ７で空冷される。空冷された圧縮空気は導入管８を介して、水分離器９で凝縮した水を遠心分離や、フィルタによって分離し排出する。水分が除去された圧縮空気は、導入管を介して空気タンク２に貯溜される。該空気タンク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。
【００１２】
図２は、空気圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置の正面図を示す。図１と同一構成部品には同一符号を付して説明する。
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前面扉としているもので、内部点検等のために、手動開閉可能な扉となっている。１５は前記アフタークーラ７を空冷するためのファンである。前面扉１３ａ上のパネル板１３ｂに、本装置を制御する制御基盤１６があり、圧縮機の運転制御，窒素ガス発生機の運転制御，自動弁自動制御等の制御が一括して行えるようになっている。その他、パネル板１３ｂ上には、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。
【００１３】
図３は、本発明の空気圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置のフロー図である。図３において図１，図２と同一構成要素には同一符号を付して説明する。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たものである。そして本実施例では各所に配設される自動弁として電気制御による電磁弁が使用されているので、以下電磁弁と称する。
図３において、空気圧縮機１０から吐出された圧縮空気はアフタークーラ７で冷却され、圧縮空気の冷却によって凝縮した空気中の水分を、水分離器９によって分離排除した空気が、空気タンク２に貯溜される。空気タンク２には空気タンクの底部に、自然冷却によって凝結し、蓄積する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より吐出される圧縮空気は、電磁弁２１を介して窒素ガス分離のための原材料としての圧縮空気が窒素ガス発生機１１に供給される。
【００１４】
電磁弁２１を経た直後にクロスジョイントによって配管回路が三方に分岐されている。一つは所定圧力で弁が開放されるリリーフ弁２３を介してマフラー２４から大気に排出される。リリーフ弁２３は微小圧力差で作動するダイヤフラム式のものが配設される。今一つの回路は、定流量弁２２から逆止弁２２ａを介して圧縮空気取出口１９から圧縮空気が取出され空気タンク（不図示）等に貯溜され圧縮空気として使用可能にしている。主回路に供給する原材料としての圧縮空気を一定圧力にするためのリリーフ弁２３および、定流量弁２２は、まず定流量弁２２から空気圧縮機が常時負荷運転し、原材料としての圧縮空気が一定圧力を維持する一定量の空気を吐出させる。そして定流量弁２２から吐出された圧縮空気が使用されないかまたは、空気タンクが所定圧力になると定流量弁２２は自動的に閉鎖され、リリーフ弁２３が開放され、マフラー２４より大気に排出する。このことによって、空気圧縮機は一定圧力を維持しながら常時運転し、主回路の窒素ガス発生機に供給される圧力は厳密に一定に維持されて供給される。そして、窒素ガス吐出側に付設される圧力スイッチ３３からの信号によって、電磁弁２１が閉じられ、空気圧縮機は通常の制御運転に切換えられる。
【００１５】
主回路の圧縮空気は、空気中の水分，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を経た供給空気は、供給空気の温度を高めて分子活動を活発にするためと、供給温度を一定にするためのヒーター２８が配設されている。ヒーター２８は、供給空気の温度変化が、窒素ガス分離濃度に影響するために、所定の一定温度に制御するための検知体と、制御回路を内蔵している。また、温度が高過ぎると分離膜に悪影響を及ぼすので通常７０℃以下の適当な温度に制御される。
【００１６】
ヒーター２８で一定温度に制御された一定圧力の圧縮空気が、微細孔膜で作られる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で酸素等のガスと、窒素ガス等に分離される。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本数が付設される。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１２Ａを示したものである。
【００１７】
窒素ガス分離筒１２から吐出する窒素ガス回路に、必要に応じて電磁弁３５を開いて、窒素ガス等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、窒素ガスの純度が計算される。三個の流量調整弁２６，２６ａ，２６ｂおよび、これに接続される電磁弁２７，２７ａ，２７ｂは、窒素ガスの純度を設定するための流量調節弁で、例えば窒素ガスの純度を９９．９％，９９％，９７％の三段階に設定し、必要とする窒素ガスの純度によって、電磁弁２７，２７ａ，２７ｂのいずれかを選択して弁が開かれる。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。
【００１８】
所定の濃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の前に配設される電磁弁２２，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から排出し、窒素ガスが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。そして窒素ガスタンク３２または、逆止弁３１後の配管回路に付設される圧力スイッチ３３が、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。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が開かれる。
【００１９】
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の一方の端部に圧縮空気供給口１２ａがあり、筒の中央部に微細孔膜で作られた細いチューブ１２ｂが多数本あり、多数本のチューブ１２ｂの両端を多孔板１２ｃの孔に接続し、多数本のチューブ１２ｂ内を圧縮空気を流すことによってチューブ１２ｂ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１２ｂ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。
【００２０】
【発明の効果】
空気圧縮機と窒素ガス発生機を囲繞してパッケージに収納するガス発生装置において、窒素ガス分離筒に原料空気を供給する配管回路に、リリーフ弁および、定流量弁を分岐して併設し、定流量弁から吐出される圧縮空気を、使用可能にしたことによって、従来無駄に排出されていた圧縮空気が利用でき、動力の節約と共に、本装置が一台二役の用途範囲の広い空気圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置となる。
【００２１】
窒素ガス発生機に膜分離法による窒素ガス分離機構の採用によって、吸着方式に比較して制御機構が簡単な装置となる。
【００２２】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の空気圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置の側面構造図である。
【図２】図１の空気圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置の正面構造図である。
【図３】本発明の空気圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置の全体構成を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
１４ 仕切板
１６ 制御基盤
１７ 酸素濃度計
１８ 窒素ガス取出口
１９ 圧縮空気取出口
２１ 電磁弁（自動弁）
２２ 定流量弁
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するガス発生装置において、前記両機を一体に囲繞してパッケージに収納するガス発生装置であって、窒素ガス発生機の圧縮空気供給側に配設される自動弁を介して、窒素ガス分離筒に原料空気を供給する配管回路に、供給圧力安定のための、リリーフ弁および、定流量弁を分岐して併設し、定流量弁を介して吐出される圧縮空気を、窒素ガス発生機から吐出される窒素ガスと共に、併用可能にした空気圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置。
2. 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する請求項１記載の装置であるとき、前記パッケージに圧縮空気取出口と窒素ガス取出口を設けた空気圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置。
3. 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するガス発生装置において、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記載の空気圧縮機内蔵形窒素ガス発生装置。

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