JP5325937B2 - 気体分離装置 - Google Patents

Description

本発明は気体分離装置に係り、特にＰＳＡ式（Pressure Swing Absorption）の気体分離装置に関し、例えば窒素発生装置または酸素発生装置として用いて好適な気体分離装置に関する。

一般に、ＰＳＡ式気体分離装置は、例えば分子ふるいカーボン、ゼオライト等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、いずれか一方を製品ガスとして取り出し、使用するものである（例えば、特許文献１参照）。

このような従来技術による気体分離装置は、吸着剤が充填された一対の吸着槽を備えている。ここで、例えば窒素ガスを製品ガスとして生成する場合には、（１）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、（２）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出す工程、（３）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の均圧化を図り、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、（４）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、気体分離装置は、これらの各工程（１）〜（４）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構成となっていた。

また、特許文献１には、吸着工程時に圧縮機を駆動するモータを増速して、圧縮空気の供給量を増大させる構成が開示されている。これにより、モータを全ての工程に対して一定速度で運転した場合に比べて、吸着工程の時間を短縮することができるから、工程（１）〜（４）からなる１サイクルの時間を短縮して、窒素ガスの生成効率を向上させていた。

特開平６−３１１２９号公報

ところで、上述した従来技術の気体分離装置では、各工程（１）〜（４）に応じてモータの回転数を変化させる構成としているものの、圧縮機の消費エネルギーを低下させ、装置の省エネ化を図るという観点は全く考慮されていなかった。

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、省エネの効果を奏することができる気体分離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本発明は、空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機を駆動する電動モータと、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を貯留する空気槽と、内部に吸着剤が充填され前記空気槽から吐出された圧縮空気のうち一の気体を分離して他の気体を製品ガスとして生成する吸着槽と、該吸着槽により生成された製品ガスを貯留する貯留タンクと、前記電動モータの回転数を制御することにより前記圧縮機の運転を制御し、かつ前記吸着槽に圧縮空気を供給して一の気体を吸着し前記吸着槽から他の気体を製品ガスとして取出す吸着取出工程を繰返す制御手段とを備えた気体分離装置に適用される。

請求項１の発明が採用する構成の特徴は、前記貯留タンクから外部に供給する製品ガスの使用量を検出する使用量検出手段を備え、前記制御手段は、前記使用量検出手段により検出した検出使用量が予め決められた第１の基準使用量よりも少ないときには、該第１の基準使用量よりも多いときに比べて前記吸着取出工程の時間を延長し、前記電動モータの回転数を減速させて駆動する時間を延長する構成としたことにある。

請求項２の発明では、前記制御手段は、前記使用量検出手段により検出した検出使用量が予め決められた第２の基準使用量よりも多いときには、該第２の基準使用量よりも少ないときに比べて前記吸着取出工程の時間を短縮する構成としている。

請求項３の発明では、前記貯留タンクの圧力を検出する貯留タンク圧力検出手段を備え、前記使用量検出手段は、該貯留タンク圧力検出手段によって検出した検出圧力値の時間変化分によって前記製品ガスの使用量を検出する構成としている。

本発明によれば、吸着槽内の圧力が早く上昇し、濃度も高い状態となりやすい低温時、または使用流量が少ないときには、吸着取出工程時間を延長するので、圧縮機の消費エネルギーを低下させ、装置の省エネ化を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態による窒素発生装置を示す全体構成図である。 ＰＳＡ式窒素発生装置の第１，第２の吸着槽の各工程を示す説明図である。 空気槽、第１，第２の吸着槽、窒素槽の圧力の時間変化を示す特性線図である。 吸着取出工程制御回路の動作を示す流れ図である。 図４中の吸着工程取出工程時間の設定処理を示す流れ図である。 図４中のモータ駆動処理を示す流れ図である。 周囲温度と窒素ガスの濃度との関係を示す特性線図である。 吸着槽の圧力と酸素の吸着量との関係を示す特性線図である。 吸着取出工程時間と酸素、窒素の吸着量との関係を示す特性線図である。 第２の実施の形態による窒素発生装置を示す全体構成図である。 第２の実施の形態による吸着工程取出工程時間の設定処理を示す流れ図である。 窒素ガスの発生量と窒素ガスの濃度との関係を示す特性線図である。 第３の実施の形態による窒素発生装置を示す全体構成図である。 第３の実施の形態による吸着工程取出工程時間の設定処理を示す流れ図である。 図１４に続く流れ図である。 変形例による窒素発生装置を示す全体構成図である。

本発明は、以下に説明する複数の発明を包含する発明群に属する発明であり、以下に、その発明群の実施の形態として、第１ないし第３の実施の形態について説明するが、そのうち、第２および第３の実施の形態が、本出願人が特許請求の範囲に記載した発明に対応するものである。
以下、本発明の実施の形態による気体分離装置をＰＳＡ式窒素発生装置に適用し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。

まず、図１ないし図９は第１の実施の形態を示している。そして、図において、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等の吸着剤１Ａ，２Ａが充填されている。このとき、吸着剤１Ａ，２Ａは多数の空隙を備えると共に、この空隙の穴径は酸素分子の分子径とほぼ同等な値に設定されている。このとき、酸素分子の分子径に比べて窒素分子の分子径の方が大きいため、吸着剤１Ａ，２Ａは、酸素分子のみを吸着することができる。

３は圧縮空気供給源となる圧縮機で、圧縮機３は駆動手段として例えば電動モータ４が接続されている。このとき、圧縮機３は、電動モータ４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。そして、圧縮機３は、電動モータ４の回転数に応じた吐出量の圧縮空気を吐出する。また、圧縮機３の吐出口には空気タンクとしての空気槽５が接続されている。

また、電動モータ４は、インバータ回路４Ａに接続されている。このとき、インバータ回路４Ａは、正弦波の交流を直流に変換するコンバータと、直流を可変周波数の交流に逆変換する複数のトランジスタ（いずれも図示せず）によって構成されている。そして、インバータ回路４Ａは、トランジスタのオン、オフが後述する制御回路１００によって制御され、電動モータ４の定格周波数を任意に変更することができる。従って、電動モータ４の出力軸は、インバータ回路４Ａから出力された交流の可変周波数に応じた回転数で回転駆動する。

５は圧縮空気を貯留する空気槽（空気タンク）で、該空気槽５は、上流側が圧縮機３に接続されると共に、下流側が冷凍ドライヤ６を介して吸着槽１，２に接続されている。ここで、冷凍ドライヤ６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６Ａが設けられている。また、冷凍ドライヤ６の吐出側は、エアフィルタ７を介して配管８，９に接続されると共に、配管８，９を介して吸着層１，２に接続されている。そして、冷凍ドライヤ６は、圧縮機３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１，２に供給している。

また、配管８，９の途中には第１，第２の供給弁Ｖ1，Ｖ2が設けられている。このとき、各供給弁Ｖ1，Ｖ2は、例えば電磁弁によって構成され、後述の制御回路１００によってその開弁、閉弁が制御されている。そして、供給弁Ｖ1，Ｖ2は、交互に開弁、閉弁し、空気槽５内の圧縮空気を吸着槽１，２に交互に供給している。

１０，１１は吸着剤１Ａ，２Ａから酸素分子を脱着させる時に吸着槽１，２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１２に接続されている。そして、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（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第１，第２の排気弁Ｖ3，Ｖ4が設けられている。

１３，１４は吸着槽１，２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１３，１４は他の取出配管１５に連結されている。また、取出配管１５は後述の窒素槽１６に接続されている。これにより、取出配管１３〜１５は、吸着槽１，２と窒素槽１６との間を接続し、吸着槽１，２内の窒素ガスを窒素槽１６内に供給するものである。

また、取出配管１３，１４の途中には第１，第２の取出弁Ｖ5，Ｖ6が設けられている。このとき、各取出弁Ｖ5，Ｖ6は、例えば電磁弁によって構成され、後述の制御回路１００によってその開弁、閉弁が制御されている。そして、取出弁Ｖ5，Ｖ6は、半サイクルの間だけ交互に開弁し、吸着槽１，２内の窒素ガスを窒素槽１６に供給すると共に、窒素槽１６内の窒素ガスを吸着槽１，２に還流させている。

１６は取出配管１５に接続された貯留タンク（バッファタンク）としての窒素槽で、該窒素槽１６は、吸着槽１，２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２０を介して外部の被供給機器（図示せず）に向けて窒素ガスを供給する。

１７，１８は吸着槽１，２間を連通する配管で、各配管１７，１８に吸着槽１，２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１７は、配管８，９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Ｖ7が設けられている。一方、配管１８は、取出配管１３，１４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Ｖ8が設けられている。そして、これらの均圧弁Ｖ7，Ｖ8は吸着槽１，２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１，２間を均圧にする(均圧工程)。なお、配管１８には、絞り１９が並列接続されている。

２０は窒素槽１６に接続された製品ガス取出配管で、該製品ガス取出配管２０は、その途中にフィルタレギュレータ２１と後述の製品ガス取出弁Ｖ10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。

２２は窒素槽１６内の窒素ガスの濃度を検出するための濃度センサで、該濃度センサ２２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２０から分岐した分岐配管２３に接続されると共に、分岐配管２３の途中には電磁弁からなる濃度検出弁Ｖ9と流量調整弁２４とが設けられている。ここで、濃度検出弁Ｖ9は、窒素槽１６内の気体が濃度センサ２２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。そして、濃度センサ２２は、窒素槽１６内の酸素濃度に応じた酸素ガス濃度測定信号を出力する。

また、製品ガス取出配管２０の途中には、分岐配管２３よりも下流側に位置して電磁弁からなる製品ガス取出弁Ｖ10が設けられている。このとき、製品ガス取出弁Ｖ10は、流量調整弁２５を介して外部の被供給機器（図示せず）に接続されている。そして、製品ガス取出弁Ｖ10は、後述の制御回路１００を用いて開弁、閉弁が制御され、濃度センサ２２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１６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。

２６は製品ガス取出配管２０より分岐した排気管で、該排気管２６の途中には、電磁弁からなる排出弁Ｖ11と窒素ガスの排出量を一定に保つ可変の流量調整弁２７とが設けられると共に、その先端にサイレンサ２８が接続されている。そして、排出弁Ｖ11は、後述の制御回路１００を用いて開弁、閉弁が制御され、濃度センサ２２により検出した値（窒素ガス濃度）が例えば９９．９９％程度の設定値を超えない場合に開弁して窒素槽１６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。

２９は空気槽５内の圧力を検出する空気タンク圧力検出手段としての第１の圧力検出器で、該圧力検出器２９は、例えば空気槽５に取付けられると共に、その出力側が制御回路１００に接続されている。そして、圧力検出器２９は、空気槽５内の圧力（検出圧力Ｐa）に応じた第１の圧力検出信号を制御回路１００に向けて出力している。

３０は窒素槽１６内の圧力を検出する貯留タンク圧力検出手段としての第２の圧力検出器で、該圧力検出器３０は、例えば窒素槽１６に取付けられると共に、その出力側が制御回路１００に接続されている。そして、圧力検出器３０は、窒素槽１６内の圧力（検出圧力Ｐn）に応じた第２の圧力検出信号を制御回路１００に向けて出力している。

３１は窒素発生装置の周囲温度を検出する周囲温度検出手段としての温度検出器で、該温度検出器３１は、例えば吸着槽１，２の周囲に取付けられると共に、その出力側が制御回路１００に接続されている。そして、温度検出器３１は、吸着槽１，２等の周囲温度（検出温度Ｔ）に応じた温度検出信号を制御回路１００に向けて出力している。

３２は電動モータ４の回転数を検出する回転数検出手段としての回転数検出器で、該回転数検出器３２は、例えば電動モータ４の出力軸の周囲に取付けられると共に、その出力側が制御回路１００に接続されている。そして、回転数検出器３２は、電動モータ４の回転数（検出回転数Ｎ）に応じた回転数検出信号を制御回路１００に向けて出力している。

次に、制御回路１００（制御手段）について説明する。制御回路１００は、供給弁Ｖ1，Ｖ2、排気弁Ｖ3，Ｖ4、取出弁Ｖ5，Ｖ6、均圧弁Ｖ7，Ｖ8を開閉制御して窒素ガスを生成するための弁制御回路１０１と、濃度センサ２２から出力される酸素ガス濃度測定信号を用いて窒素槽１６内の窒素ガス濃度を検出し、窒素ガス濃度の検出値に基づいて製品ガス取出弁Ｖ10、排出弁Ｖ11を開閉制御して窒素ガスの排出を制御する排出制御回路１０２と、吸着取出工程での電動モータ４の回転数および吸着取出工程の時間を設定する吸着取出工程制御回路１０３とによって構成されている。

ここで、弁制御回路１０１の動作について図１ないし図３に基づいて説明すると、弁制御回路１０１は、窒素発生装置を起動することにより、各電磁弁の開閉を制御し、窒素ガス（製品ガス）の発生を行う。

ここで、例えば最初に、第１の吸着槽１では、吸着取出工程（工程(a)，(b)）、均圧工程（工程(c)）が実行されるのに対し、第２の吸着槽２では、第１の吸着槽１が吸着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１との均圧工程が実行される。

具体的には、図２中の工程(a)では、第１の吸着槽１に対して吸着工程等が実行され、第１の吸着槽１側の供給弁Ｖ1、取出弁Ｖ5を開弁する。これにより、第１の吸着槽１に原料気体としての圧縮空気が圧縮機３より供給されると共に、窒素槽１６内の窒素ガスが取出配管１３，１５を逆流して上部（下流側）より吸着槽１内に還流する。これにより、第１の吸着槽１は圧縮機３からの圧縮空気と窒素槽１６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、吸着剤１Ａに酸素が吸着される。なお、窒素ガスの還流は、吸着しにくい窒素ガスで吸着槽１内の圧力を高め、吸着剤１Ａの吸着効率を向上させるために行うものである。

一方、第２の吸着槽２に対しては再生工程が実行され、排気弁Ｖ4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。

この結果、工程(a)では、図３に示すように、第１の吸着槽１内の圧力が上昇すると共に窒素槽１６内の圧力が低下し、第１の吸着槽１内の圧力と窒素槽１６内の圧力とがほぼ同じ値になる。これに対し、第２の吸着槽２内の圧力は大気圧程度まで低下する。

次に、図２中の工程(b)では、第１の吸着槽１に対して吸着工程および取出工程が実行され、第１の吸着槽１側の供給弁Ｖ1および取出弁Ｖ5を工程(a)に引続き開弁したままで、圧縮空気を第１の吸着槽１に供給し続けるため、第１の吸着槽１内の圧力が窒素槽１６内の圧力より高くなり、第１の吸着槽１内の窒素ガスが取り出される状態となる。このとき、第２の吸着槽２は排気弁Ｖ4が開弁した減圧状態の再生工程のままである。

このため、工程(b)では、図３に示すように、第１の吸着槽１内の圧力と窒素槽１６内の圧力は圧縮空気によって徐々に上昇する。一方、第２の吸着槽２内の圧力は大気圧程度に保持される。

次に、図２中の工程(c)では、第１，第２の吸着槽１，２に対して均圧工程が実行され、均圧弁Ｖ7，Ｖ8を開弁すると共に供給弁Ｖ1、取出弁Ｖ5、排気弁Ｖ4を閉弁する。これにより、吸着槽１，２と圧縮機３との間が遮断されると共に、吸着槽１，２と窒素槽１６との間が遮断され、吸着槽１，２の間が連通する。この結果、第１の吸着槽１内に残存する窒素ガスは第２の吸着槽２に回収され、図３に示すように、各吸着槽１，２内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、供給弁Ｖ2、取出弁Ｖ6、排気弁Ｖ3を開弁することによって、後半のサイクルに切替り、図２中の工程(a)〜(c)とほぼ同様の工程(d)〜(f)を実行する。そして、この後半のサイクルにおいて、第２の吸着槽２では吸着取出工程（工程(d)，(e)）、均圧工程（工程(f)）を行うのに対し、第１の吸着槽１では、第２の吸着槽２が吸着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２との均圧工程が実行される。

以上のように、弁制御回路１０１は上記サイクルを繰り返すことにより、圧縮機３より供給される原料気体を吸着槽１，２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１，２で分離された窒素ガスを窒素槽１６内に貯留させる。

なお、吸着取出工程（工程(a)，(b)、（工程(d)，(e)）の時間τ0と圧縮空気の供給量は、後述する吸着取出工程制御回路１０３によって制御されており、周囲温度、および窒素ガス（製品ガス）の使用量に応じて変化するものである。

次に、排出制御回路１０２について説明すると、排出制御回路１０２は、窒素発生装置の起動時には製品ガス取出弁Ｖ10には開弁信号を出力せず、製品ガス取出弁Ｖ10を閉弁させた状態で排出弁Ｖ11に開弁信号を出力する。このとき、排出制御回路１０２は濃度センサ２２からの酸素ガス濃度測定信号を用いて窒素槽１６内の製品ガスの窒素濃度を測定する。そして、排出制御回路１０２は、窒素槽１６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Ｖ11を開弁させて窒素槽１６内の窒素濃度の低い窒素ガスを排気管２６を通じて大気中に排出する。そして、窒素発生装置の起動後からしばらく経過すると、窒素槽１６内の窒素濃度が徐々に高まるから、排出制御回路１０２は、窒素槽１６内の窒素濃度が所定の設定値を超えると、排出弁Ｖ11を閉弁すると共に、製品ガス取出弁Ｖ10を開弁させる。この結果、製品ガス取出配管２０に接続された外部の被供給機器（図示せず）には高濃度の窒素ガスが供給される。

次に、吸着取出工程制御回路１０３について図４に基づいて説明する。

まず、吸着取出工程制御回路１０３は、図４に示すように、ステップ１で後述する吸着取出工程時間の設定処理を行い、吸着取出工程で電動モータ４を回転駆動したときの回転数の設定値（回転数設定値Ｎ0）および吸着取出工程時間τ0を設定する。

次に、ステップ２では、吸着取出工程弁制御処理を行い、第１，第２の吸着槽１，２のうちいずれかに対して吸着取出工程を実行するために、各弁Ｖ1〜Ｖ8の開弁、閉弁を制御する。例えば第１の吸着槽１に対して吸着取出工程（図２中の工程(a),(b)）を実行するときには、弁制御回路１０１を用いて、第１の吸着槽１側の供給弁Ｖ1、取出弁Ｖ5を開弁すると共に、第２の吸着槽２側の排気弁Ｖ4を開弁し、他の弁Ｖ2，Ｖ3，Ｖ6，Ｖ7，Ｖ8は閉弁する。一方、第２の吸着槽２に対して吸着取出工程（図２中の工程(d),(e)）を実行するときには、弁制御回路１０１を用いて、第２の吸着槽２側の供給弁Ｖ2、取出弁Ｖ6を開弁すると共に、第１の吸着槽１側の排気弁Ｖ3を開弁し、他の弁Ｖ1，Ｖ4，Ｖ5，Ｖ7，Ｖ8は閉弁する。なお、第１，第２の吸着槽１，２に対する吸着取出工程は、均圧工程を挟んで交互に行うものである。

次に、ステップ３では、後述するモータ駆動処理を行い、上限回転数を回転数設定値Ｎ0とした状態で電動モータ４を回転駆動し、圧縮機３から第１，第２の吸着槽１，２のうちいずれか一方に向けて圧縮空気を供給する。

次に、ステップ４では、吸着取出工程が終了したか否かを判定する。具体的には、吸着取出工程を開始してから、ステップ１で設定した吸着取出工程時間τ0が経過したか否かを判定する。そして、ステップ４で「ＹＥＳ」と判定したときには、吸着取出工程を開始してから時間τ0が経過したから、均圧工程を行うために後述するステップ５に移行する。一方、ステップ４で「ＮＯ」と判定したときには、吸着取出工程を開始してから時間τ0が経過していないから、ステップ３に移行してモータ駆動処理を継続する。

ステップ５では、均圧工程弁制御処理を行い、第１，第２の吸着槽１，２に対して均圧工程（図２中の工程(c),(f)）を実行する。具体的には、弁制御回路１０１を用いて、均圧弁Ｖ7，Ｖ8を開弁すると共に、供給弁Ｖ1，Ｖ2、取出弁Ｖ5，Ｖ6、排気弁Ｖ3，Ｖ4を閉弁する。

次に、ステップ６では、均圧工程が終了したか否かを、例えば均圧工程を開始してからの経過時間を用いて判定する。そして、ステップ６で「ＹＥＳ」と判定したときには、均圧工程が終了しているから、再び吸着取出工程を行うためにステップ１以降の処理を繰り返す。一方、ステップ６で「ＮＯ」と判定したときには、均圧工程の途中であるから、そのままの状態で待機する。

次に、図４中の吸着工程時間の設定処理について図５に基づいて説明する。

まず、ステップ１１では、温度検出器３１によって検出した窒素発生装置の周囲温度を検出温度Ｔとして読込む。次に、ステップ１２では、検出温度Ｔが基準温度範囲よりも低温な低温範囲か否かを判定するため、これらの間の低温基準温度Ｔaよりも検出温度Ｔが低いか否かを判定する（図７参照）。このとき、基準温度範囲は、吸着剤１Ａ，２Ａに設けられた空隙の穴径が酸素の分子径と同程度になる温度として、常時の大気中の温度（例えば２０℃±１０℃）程度に設定されている。

そして、ステップ１２で「ＹＥＳ」と判定したときには、検出温度Ｔは低温基準温度Ｔaよりも低いから、ステップ１３に移行して、吸着取出工程時間τ0を、基準温度範囲のときに比べて延長する。このとき、検出温度Ｔが低下するに従って、時間τ0の延長量を大きくする構成としてもよく、一定の延長量にしてもよい。

一方、ステップ１２で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ１４に移行して、検出温度Ｔが基準温度範囲よりも高温な高温範囲か否かを判定するため、これらの間の高温基準温度Ｔbよりも検出温度Ｔが高いか否かを判定する（図７参照）。

そして、ステップ１４で「ＹＥＳ」と判定したときには、検出温度Ｔは高温基準温度Ｔbよりも高いから、ステップ１５に移行して、吸着取出工程時間τ0を、基準温度範囲のときに比べて短縮する。このとき、検出温度Ｔが上昇するに従って、時間τ0の短縮量を大きくする構成としてもよく、一定の短縮量にしてもよい。

一方、ステップ１４で「ＮＯ」と判定したときには、検出温度Ｔは、低温範囲および高温範囲のいずれでもなく、基準温度範囲に含まれる。このため、ステップ１６に移行して、吸着取出工程時間τ0を、基準温度範囲のときと同じ値に維持する。

最後に、ステップ１３，１５，１６を終了すると、ステップ１７に移行してリターンする。

次に、図４中のモータ駆動処理について図６に基づいて説明する。

まず、ステップ２１では、圧力検出器２９によって検出した空気槽５の圧力を検出圧力Ｐaとして読込む。また、ステップ２２では、電動モータ４の回転数を上限回転数Ｎ1に設定する。

次に、ステップ２３では、検出圧力Ｐaが予め設定された圧力上限値としての圧力設定値Ｐ0よりも低圧か否かを判定する。そして、ステップ２３で「ＹＥＳ」と判定したときには、検出圧力Ｐaが圧力設定値Ｐ0に到達しておらず、空気槽５の圧力が圧力設定値Ｐ0よりも低い昇圧途中の状態となっている。このため、ステップ２４に移行して、モータ４の回転数は上限回転数Ｎ1を維持するようにする。

また、ステップ２３で「ＮＯ」と判定したときには、検出圧力Ｐaが圧力設定値Ｐ0以上となっているから、ステップ２５に移って検出圧力Ｐaが圧力設定値Ｐ0よりも高圧か否かを判定する。そして、ステップ２５で「ＹＥＳ」と判定したときには、空気槽５の圧力が圧力設定値Ｐ0を超えて高圧になっている。このため、空気槽５の圧力を減圧するために、ステップ２６に移行してインバータ回路４Ａを用いて電動モータ４の回転数を減速し、ステップ２８でリターンする。

一方、ステップ２５で「ＮＯ」と判定したときには、検出圧力Ｐaが圧力設定値Ｐ0とほぼ同じ値になっている。このため、空気槽５の圧力を圧力設定値Ｐ0に維持するために、ステップ２７に移行してインバータ回路４Ａを用いて電動モータ４の回転数を現在の値に維持し、ステップ２８でリターンする。

かくして、本実施の形態では、制御回路１００は空気槽５の検出圧力Ｐａに応じて圧縮機３（電動モータ４）の回転数を制御するから、例えば検出温度Ｔが高いときには、吸着槽１，２内の圧力が上がりにくいので、電動モータ４の回転数が上限回転数Ｎ1である時間が延長されることになり、検出温度Ｔが低いときには、吸着槽１，２内の圧力が上がりやすいので、電動モータ４の回転数は早い段階で減速され、吸着槽１，２内の圧力を低下させることができる。

ここで、従来技術では、周囲温度に関係なく、電動モータ４を駆動していた。このため、図７中に点線で示すように、周囲温度が高温範囲となる場合には、窒素ガスの濃度が低下する傾向があり、所望の濃度下限値よりも低下することがあった。一方、周囲温度が低温範囲となる場合には、濃度下限値に比べて濃度が大きく上回る傾向があった。

これに対し、本実施の形態では、制御回路１００は、温度検出器３１によって検出した検出温度Ｔが基準温度範囲よりも高い高温範囲となるときには、空気槽５内の圧力が上がりにくいので、電動モータ４の回転数が上限回転数Ｎ1を保つ時間が延びることになる。このため、周囲温度が基準温度範囲よりも高い場合であっても、吸着槽１，２内の圧力を高めることができる。このとき、図８に示すように、吸着槽１，２内の圧力上昇に応じて酸素の吸着量が増加する。この結果、周囲温度の上昇によって、窒素の吸着量が増加して窒素ガスの濃度が低下するときでも、周囲温度を考慮しない場合に比べて、図７中に実線で示すように、窒素ガスの濃度の低下を抑制することができる。

また、制御回路１００は、検出温度Ｔが基準温度範囲よりも低い低温範囲となるときには、電動モータ４が上限回転数Ｎ1を保つ時間が短くなる。このため、図７中に実線で示すように、窒素ガスの濃度が過剰に高くならないのに加え、電動モータ４の消費電力（消費エネルギー）を低減することができる。

また、図９に示すように、吸着取出工程時間τ0の最適値は、周囲温度に応じて変化する。具体的には、周囲温度が高温基準温度Ｔbよりも高い高温範囲のときには、吸着剤１Ａ，２Ａの空隙の穴径が膨脹して酸素の分子径よりも大きくなる傾向があり、酸素および窒素の吸着量がいずれも増加する傾向がある。ここで、周囲温度が高温範囲にあるときには、酸素の吸着量に対する窒素の吸着量の比率が増加する傾向があるから、窒素ガスの濃度は常温時に比べて低下する傾向がある（図７参照）。このため、窒素ガスの濃度を周囲温度が基準温度範囲のときと同程度に確保するためには、酸素の吸着量を確保しつつ窒素の吸着量を抑制する必要がある。従って、吸着取出工程時間τ0の最適値は、周囲温度が基準温度範囲となるときに比べて、短くなる。

また、温度が高いと空気の膨張により、同体積で比較すると、空気に含まれる酸素分子、窒素分子共に分子量としては下がる。よって吸着槽１，２内の圧力が上がりにくく、それに伴い濃度も良くなりにくい。このため、電動モータ４が上限回転数Ｎ1を保つ時間を長くし、吸着槽１，２内の圧力を上げ、濃度の悪化を防止する。

一方、周囲温度が低温基準温度Ｔaよりも低い低温範囲のときには、吸着剤１Ａ，２Ａの空隙の穴径が縮小して酸素の分子径よりも小さくなる傾向があり、酸素および窒素の吸着量がいずれも減少する傾向がある。ここで、周囲温度が低温範囲にあるときには、酸素の吸着量に対する窒素の吸着量の比率が減少する傾向があるから、窒素ガスの濃度は常温時に比べて高くなる傾向がある（図７参照）。このため、窒素ガスの濃度を周囲温度が基準温度範囲のときと同程度に確保するためには、窒素の吸着量が過剰に増加しない範囲で酸素の吸着量を増加する必要がある。従って、吸着取出工程時間τ0の最適値は、周囲温度が基準温度範囲となるときに比べて、長くなる。

また、温度が低いと空気の膨張が少ないので、同体積で比較すると、空気に含まれる酸素分子、窒素分子共に分子量としては上がる。よって吸着槽１，２内の圧力が上がりやすく、それに伴い濃度も良くなりやすい。このため、電動モータ４が上限回転数Ｎ1を保つ時間を短くし、吸着槽１，２内の圧力の上昇を抑え、濃度が過剰に良くなる事を防止する。

さらに、本実施の形態では、制御回路１００は、検出温度Ｔが高温基準温度Ｔbよりも高い高温範囲のときには、該高温基準温度Ｔb以下のときに比べて吸着取出工程時間τ0を短縮するから、吸着取出工程時間τ0を最適値に設定することができる。これにより、周囲温度が高温範囲にあり、窒素の吸着量が増加する傾向がある場合でも、吸着取出工程の間に吸着剤１Ａ，２Ａが必要以上に窒素を吸着することがなくなる。このため、吸着槽１Ａ，２Ａによって酸素だけを分離して窒素を確実に取出すことができるから、周囲温度が基準温度範囲となるときに比べて、窒素ガスの濃度の低下を防止することができる。

また、制御回路１００は、検出温度Ｔが低温基準温度Ｔaよりも低い低温範囲のときには、低温基準温度Ｔaと高温基準温度Ｔbとの間（基準温度範囲）のときに比べて吸着取出工程時間τ0を延長するから、吸着取出工程時間τ0を最適値に設定することができる。このため、周囲温度が低温範囲にあり、窒素ガスの濃度が必要以上に高くなる傾向がある場合でも、吸着取出工程時間τ0を延長することによって、周囲温度が基準温度範囲となるときに比べて、窒素ガスの濃度を同程度にすることができる。このとき、吸着取出工程時間τ0の延長に伴って、空気槽５の圧力が圧力設定値Ｐ0付近に維持される時間が長くなる。これにより、圧縮機３（電動モータ４）は上限回転数Ｎ1よりも低い値で駆動する時間が長くなるから、電動モータ４の消費電力（消費エネルギー）を低減することができる。

次に、図１０ないし図１２は本発明による第２の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、制御回路は、製品ガスの検出使用量により吸着取出工程の時間を変更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。

４１は窒素槽１６から外部に供給する窒素ガス（製品ガス）の使用量を検出する使用量検出手段としての流量検出器で、該流量検出器４１は、例えば流量調整弁２５の下流側に位置して製品ガス取出配管２０の途中に設けられている。そして、流量検出器４１は、その出力側が制御回路１１１に接続されると共に、窒素ガスの流量（検出流量Ｑn）に応じた流量検出信号を制御回路１１１に向けて出力している。

１１１は本実施の形態による制御回路で、該制御回路１１１は、第１の実施の形態による制御回路１００とほぼ同様に、弁制御回路１０１、排出制御回路１０２および吸着取出工程制御回路１１２によって構成されている。但し、第１の実施の形態と異なり、制御回路１１１には温度検出器が接続されていない。

また、吸着取出工程制御回路１１２は、第１の実施の形態による吸着取出工程制御回路１０３とほぼ同様に、図４に示す吸着取出工程および均圧工程の制御処理を行うと共に、図６に示すモータ駆動処理を行う。但し、図４中の吸着工程時間の設定処理は、第１の実施の形態とは異なり、後述するように図１１に示す処理を行う。

次に、本実施の形態による吸着取出工程制御回路１１２を用いた吸着工程時間の設定処理について図１１に基づいて説明する。

まず、ステップ３１では、流量検出器４１によって検出した窒素ガスの使用量を検出流量Ｑnとして読込む。次に、ステップ３２では、検出流量Ｑnが第１の基準使用量Ｑaよりも少ない少量範囲か否かを判定する（図１２参照）。このとき、基準使用量範囲は、周囲温度が基準温度範囲で吸着取出工程時間τ0を最適な値に設定したときに、窒素発生装置が定常的に発生可能な窒素ガスの供給量の範囲に設定されている。このため、第１の基準使用量Ｑa（少量基準使用量）は、基準使用量範囲のうち最小の使用量に設定されている。また、第２の基準使用量Ｑb（多量基準使用量）は、基準使用量範囲のうち最大の使用量に設定されている。

そして、ステップ３２で「ＹＥＳ」と判定したときには、検出流量Ｑnが第１の基準使用量Ｑaよりも少ないから、ステップ３３に移行して吸着取出工程時間τ0を延長する。また、モータ駆動処理では、使用量が少ないときには、吸着槽１，２の圧力が高く、濃度は良くなる傾向があるので、上限回転数Ｎ1で運転される時間は短くなり、早いうちに電動モータ４を減速する。

一方、ステップ３３で「ＮＯ」と判定したときには、検出流量Ｑnは第１の基準使用量Ｑa以上となっているから、ステップ３４に移行して、検出流量Ｑnが第２の基準使用量Ｑbよりも多い多量範囲か否かを判定する。そして、ステップ３４で「ＹＥＳ」と判定したときには、ステップ３５に移行して、吸着取出工程時間τ0を短縮する。このとき、吸着槽１，２および空気槽５の圧力は下がる傾向にあるので、モータ駆動処理では、上限回転数Ｎ1で電動モータ４を駆動する時間が延長される。

一方、ステップ３４で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ３６に移行して吸着取出工程時間τ0を維持する。

最後に、ステップ３３，３５，３６を終了すると、ステップ３７に移行してリターンする。

かくして、このように構成される本実施の形態でも、第１の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。即ち、本実施の形態では、制御回路１１１は、窒素ガスの検出流量Ｑnが第１の基準使用量Ｑaよりも少ないときには、吸着取出工程時間τ0を延長する構成としている。ここで、電動モータ４の回転数が減速されると、吸着槽１，２の圧力が低下して酸素の吸着量が減少するから、窒素ガスの濃度は低下する傾向がある。

このとき、検出流量Ｑnが第１の基準使用量Ｑaよりも少ないから、検出流量Ｑnが基準使用量範囲内である常時に比べて、窒素ガスの濃度は高くなる傾向がある。即ち、吸着取出工程時間τ0を常時と同じ値に設定した場合には、図１２中に点線で示すように、検出流量Ｑnが少量範囲に含まれるときには、常時に比べて、窒素ガスの濃度は高くなる傾向がある。

これに対し、本実施の形態では、検出流量Ｑnが第１の基準使用量Ｑaよりも少ないときには、吸着取出工程時間τ0を延長する。このため、図１２中に実線で示すように、窒素ガスの濃度を常時と同程度に確保することができる。また、モータ駆動処理により回転数を減速する時間が延びるから、電動モータ４の消費エネルギーを低下させることができる。

次に、図１３ないし図１５は本発明による第３の実施の形態を示し、本実施の形態の特徴は、制御回路は、検出流量が第１の基準使用量よりも少ないときには、吸着取出工程の時間を延長すると共に、検出温度が低温基準温度よりも低いときには、吸着取出工程の時間を延長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は窒素槽１６から外部に供給する窒素ガス（製品ガス）の使用量を検出する使用量検出手段としての流量検出器で、該流量検出器５１は、例えば流量調整弁２５の下流側に位置して製品ガス取出配管２０の途中に設けられている。そして、流量検出器５１は、その出力側が制御回路１２１に接続されると共に、窒素ガスの流量（検出流量Ｑn）に応じた流量検出信号を制御回路１２１に向けて出力している。

１２１は本実施の形態による制御回路で、該制御回路１２１は、第１の実施の形態による制御回路１００とほぼ同様に、弁制御回路１０１、排出制御回路１０２および吸着取出工程制御回路１２２によって構成されている。

また、吸着取出工程制御回路１２２は、第１の実施の形態による吸着取出工程制御回路１０３とほぼ同様に、図４に示す吸着取出工程および均圧工程の制御処理を行うと共に、図６に示すモータ駆動処理を行う。但し、図４中の吸着工程時間の設定処理は、第１の実施の形態とは異なり、後述するように図１４および図１５に示す処理を行う。

本実施の形態による吸着取出工程制御回路１２２を用いた吸着工程時間の設定処理について図１４および図１５に基づいて説明する。

まず、ステップ４１では、温度検出器３１によって検出した窒素発生装置の周囲温度を検出温度Ｔとして読込み、ステップ４２では、流量検出器５１によって検出した窒素ガスの使用量を検出流量Ｑnとして読込む。

次に、ステップ４３では、検出流量Ｑnが第１の基準使用量Ｑaよりも少ない少量範囲か否かを判定する。そして、ステップ４３で「ＹＥＳ」と判定したときには、検出流量Ｑnが第１の基準使用量Ｑaよりも少ないから、ステップ４４に移行して、第１の吸着取出工程時間τ1を、基準使用量範囲のときに比べて延長する（第１の判断手段）。

一方、ステップ４３で「ＮＯ」と判定したときには、検出流量Ｑnは第１の基準使用量Ｑa以上となっているから、ステップ４５に移行して、検出流量Ｑnが第２の基準使用量Ｑbよりも多い多量範囲か否かを判定する。

そして、ステップ４５で「ＹＥＳ」と判定したときには、検出流量Ｑnは第２の基準使用量Ｑbよりも多いから、ステップ４６に移行して、第１の吸着取出工程時間τ1を、基準使用量範囲のときに比べて短縮する。

一方、ステップ４５で「ＮＯ」と判定したときには、検出流量Ｑnは、少量範囲および多量範囲のいずれでもなく、基準使用量範囲に含まれる。このため、ステップ４７に移行して、第１の吸着取出工程時間τ1を、基準使用量範囲のときと同じ値に維持する。

ステップ４４，４６，４７を終了すると、ステップ４８に移行して、検出温度Ｔが低温基準温度Ｔaよりも低い低温範囲か否かを判定する。そして、ステップ４８で「ＹＥＳ」と判定したときには、検出温度Ｔは低温基準温度Ｔaよりも低いから、ステップ４９に移行して、第２の吸着取出工程時間τ2を、基準温度範囲のときに比べて延長する（第２の判断手段）。

また、ステップ４８で「ＮＯ」と判定したときには、ステップ５０に移行して、検出温度Ｔが高温基準温度Ｔbよりも高い高温範囲か否かを判定する。

そして、ステップ５０で「ＹＥＳ」と判定したときには、検出温度Ｔは高温基準温度Ｔbよりも高いから、ステップ５１に移行して、第２の吸着取出工程時間τ2を、基準温度範囲のときに比べて短縮する。

一方、ステップ５０で「ＮＯ」と判定したときには、検出温度Ｔは、低温範囲および高温範囲のいずれでもなく、基準温度範囲に含まれる。このため、ステップ５２に移行して、第２の吸着取出工程時間τ2を、基準温度範囲のときと同じ値に維持する。

ステップ４９，５１，５２を終了すると、ステップ５３に移行して、第１，第２の吸着取出工程時間τ1，τ2を加算し、最終的な吸着取出工程時間τ0を算出する。これにより、吸着取出工程制御回路１２２は、ステップ５３によって算出して吸着取出工程時間τ0を用いて、吸着取出工程および均圧工程の制御処理を行うと共に、モータ駆動処理を行う。最後に、ステップ５３が終了すると、ステップ５４に移行してリターンする。なお、モータ駆動処理は第１、第２の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

かくして、このように構成される本実施の形態でも、第１，第２の実施の形態とほぼ同様の作用効果を得ることができる。そして、特に本実施の形態では、制御回路１２１は、検出流量が第１の基準使用量よりも少ないときには、吸着取出工程の時間を延長すると共に、検出温度が低温基準温度よりも低いときには、吸着取出工程の時間を延長する構成としている。これにより、制御回路１２１は、決定手段（ステップ５３）によって、第１，第２の判断手段による第１，第２の吸着取出工程時間τ1，τ2を加算して吸着取出工程時間τ0を決定することができる。これにより、製品ガスの使用量（検出流量Ｑn）および周囲温度の両方を加味して、吸着取出工程時間τ0を決定することができる。

なお、前記第２，第３の実施の形態では、使用量検出手段として窒素ガスの使用量を直接計測する流量検出器４１，５１を用いる構成とした。しかし、本発明はこれに限らず、例えば図１６に示す変形例のように、窒素槽１６の圧力を検出する圧力検出器３０を用いて窒素ガスの使用量を間接的に計測する構成としてもよい。

この場合、制御回路１１１′は、弁制御回路１０１、排出制御回路１０２、吸着取出工程制御回路１１２′に加えて使用量検出手段としての流量検出回路６１を備える。また、流量検出回路６１は、吸着取出工程のうち窒素槽１６の圧力が上昇する圧力上昇運転中については、圧力検出器３０による検出圧力Ｐnが例えば数秒から数分程度の単位時間当りに変化したときの時間変化分ΔＰnを演算し、この時間変化分ΔＰnと窒素槽１６の容量等を用いて窒素槽１６から供給された窒素ガスの使用量を算出する。

また、流量検出回路６１は、吸着取出工程のうち窒素槽１６の圧力が圧力設定値Ｐ0に到達して圧力設定値Ｐ0付近で一定な状態となった圧力一定運転中については、圧力の変動がないから、このときの電動モータ４（圧縮機３）の回転数を用いて窒素ガスの使用量を算出する。さらに、流量検出回路６１は、均圧工程中は圧力の変動が大きく、実際の流量を算出するのが難しいから、均圧工程に入る直前の流量を代用する。なお、均圧工程は、非常に短時間となるため、直前の流量を代用しても特に問題はない。

そして、吸着取出工程制御回路１１２′は、流量検出回路６１による窒素ガスの使用量の算出値を検出流量Ｑnとして用い、吸着取出工程および均圧工程の制御処理を行うものである。これにより、流量検出器を省くことができるから、製造コストを低減することができる。

また、前記各実施の形態では、一対の吸着槽１，２を有するＰＳＡ式窒素発生装置を用いて説明したが、本発明はこれに限ることはなく、単一および２つ以上の吸着槽を有していても良い。

さらに、前記各実施の形態では、気体分離装置として窒素ガスを発生させる窒素発生装置を例に挙げて説明したが、例えば酸素ガスを発生させる酸素発生装置に適用してもよいものである。

また、前記各実施の形態では、空気槽５の圧力を検出したが、窒素槽１６を有する装置にあっては窒素槽１６の圧力を検出して、モータ駆動処理の際に用いてもよい。その場合には、空気槽５を持たなくても良い。

１，２ 吸着槽
３ 圧縮機
４ 電動モータ（駆動手段）
５ 空気槽（空気タンク）
１６ 窒素槽（貯留タンク）
２９ 第１の圧力検出器（空気タンク圧力検出手段）
３０ 第２の圧力検出器（貯留タンク圧力検出手段）
３１ 温度検出器（周囲温度検出手段）
３２ 回転数検出器（回転数検出手段）
４１，５１ 流量検出器（使用量検出手段）
６１ 流量検出回路（使用量検出手段）
１００，１１１，１２１，１１１′ 制御回路（制御手段）
１０３，１１２，１２２，１１２′ 吸着取出工程制御回路

Claims (3)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、該圧縮機を駆動する電動モータと、前記圧縮機から吐出された圧縮空気を貯留する空気槽と、内部に吸着剤が充填され前記空気槽から吐出された圧縮空気のうち一の気体を分離して他の気体を製品ガスとして生成する吸着槽と、該吸着槽により生成された製品ガスを貯留する貯留タンクと、前記電動モータの回転数を制御することにより前記圧縮機の運転を制御し、かつ前記吸着槽に圧縮空気を供給して一の気体を吸着し前記吸着槽から他の気体を製品ガスとして取出す吸着取出工程を繰返す制御手段とを備えた気体分離装置において、
   前記貯留タンクから外部に供給する製品ガスの使用量を検出する使用量検出手段を備え、
   前記制御手段は、前記使用量検出手段により検出した検出使用量が予め決められた第１の基準使用量よりも少ないときには、該第１の基準使用量よりも多いときに比べて前記吸着取出工程の時間を延長し、前記電動モータの回転数を減速させて駆動する時間を延長することを特徴とする気体分離装置。
2. 前記制御手段は、前記使用量検出手段により検出した検出使用量が予め決められた第２の基準使用量よりも多いときには、該第２の基準使用量よりも少ないときに比べて前記吸着取出工程の時間を短縮することを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。
3. 前記貯留タンクの圧力を検出する貯留タンク圧力検出手段を備え、
   前記使用量検出手段は、該貯留タンク圧力検出手段によって検出した検出圧力値の時間変化分によって前記製品ガスの使用量を検出する構成としてなる請求項１または２に記載の気体分離装置。

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