JP4594223B2

JP4594223B2 - 窒素ガス発生装置

Info

Publication number: JP4594223B2
Application number: JP2005346572A
Authority: JP
Inventors: 武勝本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-11-30
Filing date: 2005-11-30
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2025-11-30
Also published as: JP2007153629A

Description

本発明は吸着剤を用いて空気から酸素ガスに分離し窒素ガスを生成する窒素ガス発生装置に関する。

一般に、窒素ガス発生装置として、空気圧縮機、ドライヤ、分離手段等を備えたＰＳＡ式（Pressure Swing Absorption）の気体分離装置を用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。この場合、気体分離装置の分離手段は、分子ふるいカーボンやゼオライトなどからなる吸着剤を用いて空気を窒素ガスと酸素ガスに分離している。

特開２００３−１１７３３０号公報

そして、このような従来技術による気体分離装置は、（ａ）吸着工程：吸着剤が充填された吸着槽に圧縮機により圧縮された圧縮空気を導入すると共に、製品タンク内に残存する窒素ガスを吸着槽に還流して吸着槽内を昇圧させ圧力を利用して吸着剤に酸素分子を吸着させる工程、（ｂ）取出工程：吸着工程から引続き、圧縮機から圧縮空気を吸着槽に導入し続けると同時に、吸着剤により分離生成された窒素ガスを吸着槽より取り出す工程、（ｃ）均圧工程：取出工程終了後の吸着槽に残存する窒素濃度の高い残留ガスを吸着工程前の他の吸着槽に供給して各吸着槽間の圧力を均圧化を図り、次回の吸着工程の吸着効率を高めて、より高純度の窒素ガスを生成するための工程、（ｄ）再生工程：均圧工程終了後の吸着槽内を大気解放または真空ポンプで減圧して吸着剤に吸着された酸素分子を脱着することにより吸着剤を再生する工程、が順次行われる。そして、これらの各工程（ａ）〜（ｄ）を各吸着槽毎に繰返し行い、窒素ガスを分離生成すると共に、各吸着槽から吐出された窒素ガスは貯留タンク内に貯留させるものである。

ところで、上述した特許文献１の気体分離装置では、酸素ガスと窒素ガスを分離する分離手段（吸着槽）で水分を嫌うため、空気圧縮機と分離手段の間にドライヤを設け、該ドライヤを用いて圧縮空気中の水分を除去していた。一方、窒素ガスを種々の圧力で使用するために、気体分離装置から吐出された窒素ガスをさらに昇圧することがある。このとき、乾燥した窒素ガスを圧縮機を用いて昇圧すると、例えばピストンリング等が早期に摩耗して圧縮機のシール性能が得られず、またグリースが早期に劣化するという問題がある。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、圧縮機のシール性能を維持しつつ窒素ガスを昇圧することができる窒素ガス発生装置を提供することにある。

上述した課題を解決するために請求項１の発明は、空気を圧縮する空気圧縮機と、該空気圧縮機により生成された圧縮空気内の水分を除去するドライヤと、該ドライヤから吐出された乾燥した圧縮空気のうち酸素ガスを分離して窒素ガスを生成する分離手段とを備えた窒素ガス発生装置において、前記分離手段の後段には、該分離手段によって生成された窒素ガスに水分を補給する水分補給手段を設け、該水分補給手段の後段には、窒素ガスを昇圧する昇圧器を設けたことを特徴としている。

請求項２の発明では、前記水分補給手段は、前記空気圧縮機またはドライヤから排出される水分を用いる構成としている。

請求項１の発明によれば、分離手段の後段に水分補給手段を設けたから、水分補給手段を用いて、分離手段によって生成された乾燥した窒素ガスに水分を補給することができる。このため、水分補給手段の後段に設けられた昇圧器は、水分を含んだ窒素ガスを昇圧するから、窒素ガス中の水分によってピストンリング等の摩耗を抑制してシール性能を長期に亘って維持することができる。

請求項２の発明によれば、水分補給手段は、空気圧縮機またはドライヤから排出される水分を用いる構成としたから、水分を別途外部から供給する必要がなく、窒素ガスの生成のコストを低減することができる。

以下、本発明の実施の形態による窒素ガス発生装置としてＰＳＡ式の気体分離装置を用いた場合を例に挙げて、添付図面を参照して詳細に説明する。

図１および図２は、第１の実施の形態を示している。そして、図１において、１はＰＳＡ式の気体分離装置で、該気体分離装置１は、後述する空気圧縮機２、ドライヤ５、吸着ユニット９等によって構成されている。

２は圧縮空気供給源となる圧縮機で、圧縮機２は例えば電動モータ３等によって駆動し、吸込口から吸込んだ空気を圧縮して圧縮空気を生成する。また、圧縮機２の吐出口には空気タンクとしての空気槽４が接続されている。

５は空気槽４の吐出口に接続された水分除去手段としての例えば冷凍式のドライヤで、該ドライヤ５にはその内部に溜まった水分を排出するためのドレン排出弁５Ａが設けられると共に、ドライヤ５の吐出側はエアフィルタ６を介して配管７，８に接続されている。そして、ドライヤ５は、配管７，８を介して後述の吸着層１０，１１に接続されている。これにより、ドライヤ５は、圧縮機２により生成された圧縮空気中の水分を除去して、乾燥した圧縮空気を吸着槽１０，１１に供給している。

９は空気中の酸素を吸着して窒素を分離する吸着ユニットで、該吸着ユニット９は、後述の吸着槽１０，１１等によって構成されている。

１０，１１は第１，第２の吸着槽で、各吸着槽１０，１１内にはそれぞれ吸着剤としての分子ふるいカーボン１０Ａ，１１Ａが充填されている。また、吸着槽１０，１１は配管７，８を介して空気槽４に接続されると共に、配管７，８の途中には電磁弁からなる遮断手段としての空気供給弁１２，１３が設けられている。そして、空気供給弁１２，１３が交互に開弁、閉弁することによって、空気槽４内の圧縮空気が吸着槽１０，１１に対してそれぞれ交互に供給される。

１４，１５は吸着剤から酸素分子を脱着させる時に吸着槽１０，１１からの気体（ガス）を排出する配管で、排気音を下げるサイレンサ１６に接続されている。そして、配管１４，１５の途中にはそれぞれ吸着槽１０，１１内の脱着排ガスを半サイクル（一方の吸着槽が吸着工程から均圧工程まで）毎に交互に排出する電磁弁からなる排ガス排気弁１７，１８が設けられている。

１９，２０は吸着槽１０，１１から製品ガスとしての窒素ガスをそれぞれ取り出す取出配管で、該取出配管１９，２０は他の取出配管２１に連結されている。また、取出配管１９，２０の途中には半サイクルの間だけ後述の制御回路４１の制御の下に交互に開弁する電磁弁からなる取出弁２２，２３がそれぞれ設けられている。一方、取出配管２１は後述の窒素槽２４に接続されている。

２４は取出配管２１に接続された貯留タンクとしての窒素槽で、該窒素槽２４は、吸着槽１０，１１により生成された製品ガスとしての窒素ガスを貯留し、後述の製品ガス取出配管３０を介して後述の加湿器４２に向けて窒素ガスを供給する。

２５，２６は吸着槽１０，１１間を連通する配管で、各配管２５，２６に吸着槽１０，１１の上流側と下流側との両端にそれぞれ配置されている。また、配管２５は、配管７，８間を接続すると共に、その途中には電磁弁からなる下均圧弁２７が設けられている。一方、配管２６は、取出配管１９，２０間を接続すると共に、その途中には電磁弁からなる上均圧弁２８が設けられている。そして、これらの均圧弁２７，２８は吸着槽１０，１１による半サイクルの終了間際に所定の数秒だけ開弁し、吸着槽１０，１１間を均圧にする(均圧工程)。なお、配管２６には、絞り２９が並列接続されている。

３０は窒素槽２４に接続された製品ガス取出配管で、該製品ガス取出配管３０は、その途中にフィルタレギュレータ３１と後述の製品ガス取出弁３６とが設けられると共に、外部の被供給機器（図示せず）に接続されている。

３２は窒素槽２４内の窒素ガスの濃度を検出する濃度センサで、該濃度センサ３２は、例えば酸素センサによって構成され、製品ガス取出配管３０から分岐した分岐配管３３に接続されると共に、分岐配管３３の途中には電磁弁からなる濃度検出弁３４と流量調整弁３５とが設けられている。ここで、濃度検出弁３４は、窒素槽２４内の気体が濃度センサ３２に供給可能となるように、装置の作動中は常時開弁している。

３６は分岐配管３３よりも下流側に位置して製品ガス取出配管３０の途中に設けられた電磁弁からなる製品ガス取出弁で、該製品ガス取出弁３６は、流量調整弁３７を介して加湿器４２に接続されている。そして、製品ガス取出弁３６は、後述の制御回路４１を用いて開弁、閉弁が制御され、濃度センサ３２等により検出した値（窒素ガス濃度）が例えば９９．９％程度の設定値を超えた場合に開弁して窒素槽２４内の窒素ガスを外部に取り出し可能とし、設定値を超えない場合には閉弁する。

３８は製品ガス取出配管３０より分岐した排気管で、該排気管３８の途中には、電磁弁からなる排出弁３９と窒素ガスの排出量を一定に保つ可変の流量調整弁４０とが設けられている。そして、排出弁３９は、後述の制御回路４１を用いて開弁、閉弁が制御され、濃度センサ３２により検出した値（窒素ガス濃度）が例えば９９．９％程度の設定値を超えない場合に開弁して窒素槽２４内の窒素ガスを外部に排出し、設定値を超えた場合には閉弁する。

４１は制御回路で、該制御回路４１は、空気供給弁１２，１３、排ガス排気弁１７，１８、取出弁２２，２３、均圧弁２７，２８を開閉制御して窒素ガスを生成する。また、制御回路４１は、濃度センサ３２から出力される酸素ガス濃度測定信号を用いて窒素槽２４内の窒素ガス濃度を検出し、該検出値に基づいて製品ガス取出弁３６、排出弁３９を開閉制御して窒素ガスの排出を制御する。そして、制御回路４１は、第１，第２の吸着槽１０，１１に対して吸着工程、取出工程、均圧工程、再生工程を交互に実行して、圧縮空気から窒素ガスと酸素ガスを分離して窒素ガスを取り出す。また、制御回路４１は、窒素槽２４内の窒素濃度が例えば９９．９％を超えたときに、排出弁３９を閉弁すると共に、製品ガス取出弁３６を開弁し、加湿器４２に向けて窒素ガスを供給する。

４２は吸着ユニット９の後段に設けられた水分補給手段としての加湿器で、該加湿器４２は、製品ガス取出配管３０を通じて窒素槽２４に接続されると共に、水分供給配管４３を通じて外部の水分供給源４４に接続されている。また、加湿器４２には、昇圧窒素ガス供給配管４５を通じて後述の昇圧器４６の出力側に接続されている。そして、加湿器４２は、例えば窒素ガスを一時的に貯留するタンクと、該タンク内に水分を噴霧する噴霧器（いずれも図示せず）とによって構成されている。これにより、加湿器４２は、タンク内に窒素ガスが供給されると、昇圧窒素ガス供給配管４５を通じて供給される昇圧器４６からの窒素ガスを用いて水分をタンク内に噴霧し、窒素ガスに水分を補給する。これにより、加湿器４２は、窒素ガスの濃度を低下させることなく、窒素ガスに水分を補給することができる。

４６は加湿器４２の後段に設けられた昇圧器で、該昇圧器４６は、例えば往復動圧縮機によって構成され、その吸気口が加湿窒素ガス供給配管４７を通じて加湿器４２に接続されると共に、吐出口が吐出配管４８を通じて窒素ガスを使用する外部の被供給機器に接続されている。また、吐出配管４８には昇圧窒素ガス供給配管４５が分岐した状態で接続されている。これにより、昇圧器４６は、水分を含んだ窒素ガスを圧縮し、昇圧した窒素ガスを吐出配管４８および昇圧窒素ガス供給配管４５に向けて吐出する。

本実施の形態による窒素ガス発生装置は上述のように構成されるものであり、次にその作動について説明する。

まず、空気圧縮機２から吐出された圧縮空気は、ドライヤ５によって水分が除去された後に、吸着ユニット９に供給される。そして、吸着ユニット９は、以下のように、吸着槽１０，１１で吸着工程、取出工程、均圧工程、再生工程を繰返すことによって、圧縮空気の窒素ガスと酸素ガスを分離して、窒素ガスを生成する。

まず、最初に、第２の吸着槽１１では、吸着工程、取出工程、均圧工程が実行されるのに対し、第１の吸着槽１０では、第２の吸着槽１１が吸着工程、取出工程を行っている間に再生工程が実行され、再生工程の終了後に第２の吸着槽１１との均圧工程が実行される。

そして、第２の吸着槽１１の吸着工程では、第２の吸着槽１１側の空気供給弁１３、取出弁２３を開弁する。これにより、第２の吸着槽１１に原料気体としての圧縮空気が圧縮機２より供給されると共に、窒素槽２４内の窒素ガスが取出配管２０，２１を逆流して上部（下流側）より吸着槽１１内に還流する。これにより、第２の吸着槽１１は圧縮機２からの圧縮空気と窒素槽２４内の窒素ガスとの上・下方向から流入したガスにより昇圧状態にあり、分子ふるいカーボン１１Ａに酸素が吸着される。

一方、第１の吸着槽１０では再生工程が実行され、排ガス排気弁１７の開弁により減圧状態にあり、吸着していた酸素が脱着して排出されている。

次に、第２の吸着槽１１の取出工程では、第２の吸着槽１１側の空気供給弁１３および取出弁２３を吸着工程に引続き開弁したままで、圧縮空気を第２の吸着槽１１に供給し続けるため、第２の吸着槽１１内の圧力が窒素槽２４内の圧力より高くなり、第２の吸着槽１１内の窒素ガスが取り出される状態となる。このとき、第１の吸着槽１０は排ガス排気弁１７が開弁した減圧状態の再生工程のままである。

次に、均圧工程では、均圧弁２７,２８を開弁すると共に空気供給弁１３、取出弁２３、排ガス排気弁１７を閉弁する。これにより、吸着槽１０，１１と圧縮機２との間が遮断されると共に、吸着槽１０，１１と窒素槽２４との間が遮断され、吸着槽１０，１１の間が連通する。この結果、第２の吸着槽１１内に残存する窒素ガスは第１の吸着槽１０に回収され、各吸着槽１０，１１の圧力は均圧となる。

以上により、１サイクルのうちの前半のサイクルが終了したことになり、空気供給弁１２、取出弁２２、排ガス排気弁１８を開弁することによって、後半のサイクルに切替り、これらの工程を繰り返す。そして、この後半のサイクルにおいて、第１の吸着槽１０では吸着工程、取出工程、均圧工程を行うのに対し、第２の吸着槽１１では、第１の吸着槽１０が吸着工程、取出工程を行っている間に再生工程が実行され、再生工程の終了後に第１の吸着槽１０との均圧工程が実行される。

以上のように、制御回路４１は上記サイクルを繰り返すことにより、圧縮機２より供給される原料気体（圧縮空気）を吸着槽１０，１１内で窒素ガスとそれ以外のガス（酸素ガス）とに分離し、吸着槽１０，１１で分離された窒素ガスを窒素槽２４内に貯留させる。

また、制御回路４１は、気体分離装置１の起動時には製品ガス取出弁３６を閉弁させた状態で、窒素槽２４内の窒素ガス濃度を測定する。そして、制御回路４１は、窒素槽２４内の窒素濃度が予め決められた所定の設定値（例えば９９．９％）を超えるまでの間は、排出弁３９を開弁させて窒素槽２４内の低濃度の窒素ガスを排気管３８から排出する。その後、窒素槽２４内の窒素濃度が高まって所定の設定値を超えると、制御回路４１は、排出弁３９を閉弁すると共に、製品ガス取出弁３６を開弁させる。この結果、高濃度の窒素ガスは製品ガス取出配管３０を介して加湿器４２に供給される。

また、加湿器４２に窒素ガスが供給されると、加湿器４２は、昇圧窒素ガス供給配管４５から供給される昇圧した窒素ガスと水分供給配管４３から供給される水分とを用いて、気体分離装置１（吸着ユニット９）から吐出された乾燥した窒素ガスに対して水分を補充する。これにより、加湿状態の窒素ガスが昇圧器４６に供給されるから、昇圧器４６は、水分を含んだ窒素ガスを圧縮する。この結果、昇圧器４６は、窒素ガス中の水分によってピストンリング等の摩耗を抑制してシール性能を長期に亘って維持することができる。

かくして、本実施の形態では、吸着ユニット９の後段に加湿器４２を設けたから、加湿器４２を用いて、吸着ユニット９によって生成された乾燥した窒素ガスに水分を補給することができる。このため、ドライヤ５によって圧縮空気中の水分が除去され、吸着ユニット９が乾燥した窒素ガスを吐出しても、加湿器４２の後段に設けられた昇圧器４６は、水分を含んだ窒素ガスを昇圧することができる。このため、窒素ガス中の水分によって昇圧器４６のピストンリング等の摩耗を抑制してシール性能を長期に亘って維持することができ、耐久性、信頼性を高めることができる。

なお、前記第１の実施の形態では、ドライヤ５に冷凍式ドライヤを用いて説明したが、これに限ることはなく、圧縮空気の水分を除湿することができれば乾燥剤などを利用したドライヤでも良い。

次に、図３は本発明の第２の実施の形態による窒素ガス発生装置を示している。そして、本実施の形態の特徴は、加湿器はドライヤから排出される水分を用いて窒素ガスに水分を補給する構成としたことにある。なお、本実施の形態では、前記第１の実施の形態と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。

５１は本実施の形態による水分補給手段としての加湿器で、該加湿器５１は、第１の実施の形態による加湿器４２とほぼ同様に、吸着ユニット９の後段に設けられ、製品ガス取出配管３０を通じて窒素槽２４に接続されている。また、加湿器５１は、例えば窒素ガスを一時的に貯留するタンクと、該タンク内に水分を噴霧する噴霧器（いずれも図示せず）とによって構成されている。

但し、加湿器５１は、水分供給配管５２がドレン排出弁５Ａを介してドライヤ５に接続されている点で、第１の実施の形態による加湿器４２とは異なっている。また、加湿器５１には、例えば昇圧窒素ガス供給配管４５を通じて昇圧器４６の出力側に接続されている。これにより、加湿器５１は、タンク内に窒素ガスが供給されると、昇圧器４６からの窒素ガスを用いてドライヤ５から排出された水分をタンク内に噴霧し、窒素ガスに水分を補給する。

かくして、本実施の形態でも第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。特に、本実施の形態では、加湿器５１はドライヤ５から排出される水分を用いて加湿する構成としたから、水分を別途外部から供給する必要がなく、窒素ガスの生成のコストを低減することができる。

なお、前記第２の実施の形態では、加湿器５１はドライヤ５から排出される水分を用いる構成としたが、図４に示す変形例のように、例えば水分供給配管５２′空気槽４に接続し、加湿器５１′は空気圧縮機２から排出される水分を用いる構成としてもよい。

また、前記各実施の形態では、一対の吸着槽１０，１１を有するＰＳＡ式の気体分離装置１を用いる構成としたが、これに限ることはなく、圧縮機と吸着槽の間を遮断する遮断手段を有していれば単一および２つ以上の吸着槽を有していても良い。

本発明の第１の実施の形態による窒素ガス発生装置を示すブロック図である。図１中の気体分離装置を示す全体構成図である。第２の実施の形態による窒素ガス発生装置を示すブロック図である。変形例による窒素ガス発生装置を示すブロック図である。

符号の説明

１気体分離装置
２圧縮機
４ドライヤ
９吸着ユニット（分離手段）
４２，５１，５１′ 加湿器（水分補給手段）
４６昇圧器

Claims

空気を圧縮する空気圧縮機と、該空気圧縮機により生成された圧縮空気内の水分を除去するドライヤと、該ドライヤから吐出された乾燥した圧縮空気のうち酸素ガスを分離して窒素ガスを生成する分離手段とを備えた窒素ガス発生装置において、
前記分離手段の後段には、該分離手段によって生成された窒素ガスに水分を補給する水分補給手段を設け、
該水分補給手段の後段には、窒素ガスを昇圧する昇圧器を設けたことを特徴とする窒素ガス発生装置。
前記水分補給手段は、前記空気圧縮機またはドライヤから排出される水分を用いる構成としてなる請求項１に記載の窒素ガス発生装置。