JP5389649B2 - 保護雰囲気のリサイクルのための改良された方法および装置 - Google Patents

Description

関連出願についての相互参照
本出願は、「保護雰囲気のリサイクルのための改良された方法および装置」と題され、2006年8月23日に出願された米国仮特許出願第60/839,427号に関連し、前記米国仮特許出願はその全てにおける参照によってここに組入れられる。

発明の背景
発明の分野
本発明は、熱処理の間の、付着性の有機分解副生成物によって汚染された使用済み保護雰囲気ガスの処理およびリサイクルに関する。

背景の議論
加熱処理または他の熱処理に使用される保護雰囲気ガスは、扱われる部品が有機物で覆われるかまたは接着されるような産業において使用された後には久しく排出されてきた。例は、残留圧延オイルで覆われた金属のバッチアニーリング、および有機バインダで結合された金属粉末または繊維の還元および/または焼結を含む。使用済み雰囲気ガス、通常は低圧のものは、言うまでもなく精製されリサイクルされない限りは、あまりに付着堆積物を生じやすいために圧縮することができないと考えられている。これは、総不純物が極めて少ない場合でさえもあてはまる。

本発明の発明者らは、これらの付着傾向は、通常は熱処理工程の間の多環芳香族炭化水素(PAH's)の形成から生じるということを発見している。このタイプの大抵の化合物は、一般的な条件で固体析出物を形成する。これらの固体はさらに熱脱水素化しやすく、結果として「ワニス」、「タール」または「コークス」と呼ばれる一連の接着性固形物を形成する傾向がある。これらの化合物を含むガス混合物が圧縮されたときに、2つの理由によりこれらの付着傾向は特に強くなる。第一に混入物の分圧が増大するので、混合物の全圧の上昇は中間冷却の間の固体形成に向かう熱力学的傾向を増大させる。第二に、多くの圧縮サイクルにおいて経験される高温が、ワニス、タールおよびコークスのような熱分解生成物の形成を促進し得る。これらが圧縮機バルブのような重要な動作部品中で形成された場合には、誤動作が大いに加速されるであろう。

発明の概要
上記の問題を解消するための努力において、発明者らは、雰囲気ガスの純消費を有利に下げるような使用済み雰囲気ガスのリサイクルのための方法および装置を発明している。したがって、本発明は、付着性の有機分解副生成物で汚染された雰囲気ガスの処理を容易にするための方法および装置を有利に提供する。

その結果、本発明は有機被膜またはバインダを含む材料を扱うために保護雰囲気を使用し、ガスリサイクル装置中で付着性堆積物の形成を防止する熱処理装置を操作する方法を有利に提供する。

本発明は、さらに、ガスリサイクル装置中での圧縮に先立って使用済み雰囲気ガスからの気化分解副生成物を除去するための方法および装置を有利に提供する。

本発明は、有機被膜またはバインダからの分解副生成物で汚染された使用済み雰囲気ガスを圧縮するための、付着性堆積物の形成を防止する方法および装置も有利に提供する。

さらに、本発明は有機被膜またはバインダからの分解副生成物で汚染されている圧縮された使用済み雰囲気ガスを、付着物を生じずに冷却するための方法および装置を有利に提供する。

本発明は有機被膜またはバインダからの分解副生成物で汚染された使用済み雰囲気ガスをリサイクルするための、副生成物種を環境に排出することなく捕捉する方法も有利に提供する。

本発明はさらに、有機被膜またはバインダからの分解副生成物で汚染された使用済み雰囲気ガスをリサイクルするための、容積式圧縮の少なくとも1つの段階を用いた方法および装置が有利に提供される。

さらに、本発明は有機被膜またはバインダからの分解副生成物で汚染された使用済み雰囲気ガスをリサイクルするための、オイル潤滑容積式圧縮の少なくとも1つの段階を用いた方法および装置を有利に提供する。

さらに、本発明は、有機被膜またはバインダからの分解副生成物で汚染された使用済み雰囲気ガスをリサイクルするための方法および装置であって、機械的に駆動するギアを潤滑するために使用されるオイルがその本来の潤滑特性を維持するために使用されるオイル潤滑容積式圧縮の少なくとも1つの段階を用いた方法および装置を有利に提供する。

本発明のより完全な応用およびその多くの付随する利点は、特に添付図と併せて考慮された場合に以下の詳細な説明を参照することで容易に明らかとなるであろう。
図１は、汚染されたガスのための圧縮システムの模式図を表す。 図２は、本発明による圧縮機潤滑を具備した圧縮システムの模式図を表す。 図３は、室温での2つの異なる圧縮機潤滑剤中の炭化水素混入物の溶解限界を示すチャートである。 図４は、ガス冷却器の下に配置されたガス緩衝器を具備した本発明による圧縮システムの模式図を表す。 図５は、一体化されたガス緩衝装置を具備した本発明による圧縮システムの模式図を表す。 図６は、システムの入口への廃液のリサイクルを備える一体化されたガス緩衝装置と、溶媒注入手段と、廃液送出手段とを具備した本発明による圧縮システムの模式図を表す。

発明の詳細な説明
本発明の態様を以下に添付図を参照して記載する。以下の記載において、実質的に同じ機能および配置を有する構成要素は同じ参照番号によって表示され、反復的な記載は必要な場合だけに為される。

図1は、所望の吸引温度まで熱交換器または冷却器2の中で冷却され得るガス流1を導入する圧縮システムの模式図を表す。冷却されたガスは、次に、ガス圧縮機4の吸引によって生じる圧力の変動を最小化する脈動緩衝容器またはチャンバー3に移動する。圧縮機4は、1つ以上の往復ピストン、ロータリースクリューまたはローブ、振動スクロールを用いた容積式圧縮機もしくは動圧縮機、遠心または軸流圧縮機またはその他のタイプの圧縮機でもよい。

圧縮機4の吐出は、最終容器またはチャンバー9に移動する前に所望の温度まで冷却されるところである冷却器8に入る前に、脈動緩衝装置またはチャンバー7に接続される。

圧縮され、冷却されたガス10は、使用のため、またはさらなる処理のために容器9を出る。例えば、容器9は、多段階往復ピストン圧縮機におけるような追加の圧縮の段階に先立っての脈動緩衝装置に供され得る。容器9は、液体および/または固体粒子分離容器としても供され得る。このために、容器9は内部バッフル、フィラー要素、充填媒体、サイクロン部分または液滴分離をもたらす他の要素を具備し得る。同様に、吸引バフ研磨容器(suction buffing vessel) 3は、圧縮機4の前の分離デバイスとしても供され得る。容器3および9から分離された材料を排出するために、それらはそれぞれドレーンバルブ5および11を備えたドレーンを具備する。ドレーンバルブは手動バルブまたは自動バルブであり得る。ドレーンバルブは、レーダー、キャパシタンス、熱伝導率、超音波、機械浮きまたは光学式のような、収集される材料に見合う任意のタイプのレベル検出器である、レベル検出器6および12によっても作動し得る。ドレーンバルブ5および11は、レベル検出器6および12の代わりにタイマー、圧縮機の回転数または他の手段に基づいて自動化され得る。自動化の方法は、本発明を全く限定しない。

以下の表1は、0℃での加熱処理雰囲気から凝縮された混入物の代表的な組成を示す。これら全ての化合物は、多芳香族炭化水素であり、全ては室温で固体である。これらの化合物は、他の炭化水素、水蒸気、および固体と同様に、1,000 ppm超の濃度で流入雰囲気流1の中に存在し得る。このような濃度は冷却器2および8に急速な付着をもたらし、メンテナンスのための望まれない休止時間をもたらす。熱交換器2または容器3の中で付着が生じないような濃度、温度および圧力でさえ、熱交換器8および容器9の中のガス全圧が高くなると、付着堆積物の形成をもたらし得る。同様に、生成ガス10が、最良のガスの精製に影響を与えるために望ましいと思われるその後の圧縮段階で圧縮される場合は、その後の段階で付着を経験する。

図2は、本発明による代替の圧縮スキームを示し、圧縮機4はポンプ22を介してこの場合では潤滑剤である溶媒21の供給を受ける。液体混合物が排出脈動緩衝容器7に集まり得るので、容器7はドレーンバルブ23を備えたドレーンを具備する。ドレーンバルブ23は、先述したように手動で作動し得るか、または自動で(例えば、レベルスイッチ24または他の手段によって)作動し得る。潤滑剤21の添加は、圧縮機4の密封性および磨耗寿命を高めることに有利に役立つ。

発明者らは、原料流1の中の混入物を、チャンバー7および9中に収集されてバルブ23および11を介してそれぞれ排出され得る、溶媒中に捕捉されたかまたは溶解された任意の混入物と溶媒との液体混合物へと分離するために、潤滑剤21の化学組成および添加の速度が有利に選択され得ることを決定している。潤滑剤は、圧縮機4自体を潤滑するために使用されるものと同じ潤滑剤であり得る。溶解された炭化水素、水および固体混入物は潤滑剤の性質を変化させ得るので、圧縮機の機械部品のための潤滑剤供給から分離された潤滑剤供給を用いることが好ましい。圧縮機、特に容積式圧縮機中における別個のオイル供給の使用は広く実施されている。例えば、ロータリーベイン、ロータリースクリュー、振動スクロール、ロータリーローブおよび往復ピストン圧縮機が、ガス流路のための一つの潤滑剤供給および機械装置のための第2の供給によって動作することはよく知られている。

図3は、室温下で2つの異なる圧縮機潤滑剤中の代表的な混入炭化水素の溶解限界を示す。ナフタレンのようなより低い融点の混入物は、より高い融点の混入物よりも室温潤滑剤への溶解限度が高い。さらに、この例において、より低い粘度の潤滑剤は、混入物の大部分を有利に溶解した。異なるガス流が異なる混入物を運ぶので、全ての場合について好ましい潤滑剤を同定することは不可能であるが、選択された潤滑剤が興味のある温度で問題となっている混入物を溶解する適切な能力を持つことを確保するために、溶解限界を確立することは明らかに重要である。図3に示された全ての混入物は、100℃で1 g/10 mLの濃度レベルで、両方の潤滑剤中に完全に溶解した。それ故に、本発明による圧縮システム内での局所的な付着の防止は、潤滑剤および混入物流の相対量、潤滑剤および混入混合物の温度、混入物の局所濃度、ならびに潤滑剤の化学組成によって影響され得る。

図4は、図1および2の圧縮機排出緩衝器7が下部の緩衝チャンバー31で置換される、本発明の圧縮システムの他の態様を示す。下部の緩衝チャンバー31は、凝縮液体を緩衝チャンバー31に排出するように配置された冷却器33よりも部分的または完全に下方に配置される。冷却器33は、緩衝チャンバー31よりも部分的または完全に上方にあり、かつ冷却器33の吐出と流体連通している上部の緩衝チャンバー32に接続される。この態様において、圧縮機4の吐出の中に他に存在するものよりも低い飽和温度を持つ化合物は、下部の緩衝チャンバー31に継続的に排出されるか、または還流される。これは、緩衝チャンバー31中の温度を著しく下げるだけでなく、冷却器33および緩衝チャンバー31の表面からの固体析出物の連続的な洗浄をもたらす。これは、レベル検出器36または他の手段によって作動し得るドレーンバルブ34を備えたドレーンを介して排出される緩衝チャンバー31に収集された液体混合物中の高い飽和温度の化合物の総濃度の低下をもたらす。いくつかの状況下では、液体が上部の緩衝チャンバー32に蓄積し得ないこともあり得るが、液体の蓄積および除去のための設備は、ドレーンバルブ35およびレベル検出器37を備えたドレーンを介して提供され得ることが考えられる。図4に示されるように、この態様の機能要素は、単一の機械アセンブリ30に統合され得る。代替的に、装置は複数のサブアセンブリで構築され得る。

図5は図4におけるシステムの代替の態様を示し、ここで緩衝アセンブリ30は単一の装置である。この態様において、冷却器33は、下部の緩衝チャンバー31に流体連通している入口と、上部の緩衝チャンバー32に流体連通している吐出38とを持つ管を具備する。この態様において冷却器33は取外し可能であって、バルブ40を介して導入されかつ流量インジケーター41を通過する冷却液を備えたU字管バンドル型の冷却器である。上部のチャンバー32から排出されたガス10の温度は、バルブ40を介して流量を制御するために有利に使用され得る。この制御は、電子的制御装置を介して、もしくは温度自動調節バルブのような機械的制御装置を介して手動または自動でなされ得る。緩衝アセンブリ30は、ガス流10の中の液体または固体混入物の持ち越しを防ぐために、液滴合体手段43を有利に具備する。液滴の合体は充填床、カートリッジフィルタまたはその他当業者に既知の手段によって達成され得る。上部および下部のチャンバー32および31は図5において同じ径を持つように示されてはいるが、これらのチャンバーは異なる径を持ち得る。さらに、図5は、チャンバーを隔てる単一で共通の圧力境界を示すが、これらのチャンバーは、代替的には各々が別個の圧力境界を具備し得る。

先の図は、供給ガス1が、冷却器2の中に存在する圧力および温度下で付着堆積物を形成する化学種によって汚染されない場合は有用である本発明の態様を示す。図6は、冷却器2または入口緩衝容器3の中で付着が生じ得る状況について有利である本発明の態様を示す。この態様においては、凝縮された潤滑剤とバルブ34および35からの混入物流との混合物が容器3に供給され、例えば、混合物がその後に容器3に移動する地点50にて(図6に描かれたように)冷却器2の入口に戻され得るか、または代替的に、混合物が容器3に直接戻され得るか、容器3の上流の位置にて容器3にガス1を運ぶ配管に戻され得るか(このような冷却器が存在する場合は、冷却器2の上流または下流のいずれか)、または混合物を容器3に供給するために重力が使用されるように、容器3の下流に位置する配管にすら戻され得る。バルブ34および35からの液体が潤滑剤と混合されるので、それらは、冷却器2および容器3に特有の低い温度および圧力で析出物を形成し得る成分よりも低い分子量、飽和温度および融点を持つ。したがって、これらの液体は析出物を溶解するために使用され得る。本発明中で意図されるようなガス10のための追加の圧縮段階が与えられる場合、これらの追加の圧縮段階に関連した緩衝アセンブリ30の中で捕捉された液体も、位置50に戻され得る。これらの液体は、バルブ35および34からの液体よりも連続的により低い分子量となり得る。圧縮の多くの段階の限度において、戻される液体は本質的に潤滑剤のみであり得る。

容器3からの混合物液体の処分を離れたタンクに準備するか、または容器3の中のガス圧がバルブ5の通過させるために不十分である状況において容器3からの混合物液体の処分を準備するためには、ポンプ51を提供することが有利であり得る。ポンプ51は、ポンプ51の中の液体混合物の冷却および固化を防ぐための連続的な操作を容易にするために、背圧バルブ52を具備し得る。バルブ5は、システムから液体を除去するためにも使用され得、示されるように、レベル検出器6によっても作動し得る。

バルブ34および35からの混合物のリサイクルが望まれていない場合、または混合物が扱いに難があるか、もしくは付着を生じる場合は、容器3の中のポート55が溶媒の注入のために使用され得る。このような溶媒注入は、冷却器2の上流にある注入地点にて実施され得る。溶媒の使用は、圧縮機潤滑剤による希釈のためには高すぎる濃度下でも混入物の扱いを容易にするか、または圧縮機潤滑剤の使用を節約することを容易にする。代替的に、溶媒注入は圧縮機潤滑の代わりに使用され得る。表1のもののような炭化水素混入物を溶解するために、アルコール、エーテル、軽質炭化水素、ジメチル塩化物(di-methyl chloride)、ガソリンおよびディーゼル油のような溶媒が全て溶媒として供される。発明者らは、他の不純物が他の溶媒に容易に溶解され得ることを予期している。存在する混入物を溶解するために有用な任意の溶媒の使用が本発明で意図される。本発明の1つの態様において、合体手段56が溶媒注入地点55の下流に設けられるが、凝縮された液体が容器3に排出され得るように容器3と流体連通している。これは、ガス1と地点55を介して注入される溶媒との間の緊密な接触を有利に提供し、こうすることで混入物の除去を最大化する。

本発明の更なる態様において、冷却器2は直接接触冷却器であり得る。炭化水素混入物については、混入物が最小の溶解度となる冷媒を用いた直接接触冷却器が好ましい。このような冷媒の例は水である。直接接触冷却器2が使用される場合、不混和性の炭化水素混入物は迅速に分離され、冷媒は無限にリサイクルされ得る。直接接触冷却器2は、地点50で注入されるリサイクルされた潤滑剤に使用され得るか、入口容器3への直接の潤滑剤再注入に使用され得るか、または潤滑剤リサイクルなしで使用され得る。異なるガス組成、圧力および温度は、いかなるものも本質的に好ましいものとならないように、これらルートのうちどれかを望ましいものにし得る。

ここに図示および記載された典型的な態様は、本発明の好ましい態様を説明するものであって、かつ請求項の範囲を限定することを全く意図しないことに留意すべきである。

数値変更および本発明の変形は、上記の教示に照らして可能である。それ故に、本発明はここで詳細に記載された以外でも、添付された請求項の範囲内で実施され得ることが理解される。

Claims (21)

1. 付着性の有機分解副生成物材料によって汚染された使用済み保護雰囲気ガスのためのリサイクル装置であって、前記リサイクル装置は、
   使用済み保護雰囲気ガス供給ラインに接続された入口を持つ圧縮機と、
   溶剤を前記圧縮機のガス流路にのみ又は前記圧縮機の上流のガス流路にのみ供給するように構成された溶剤供給源と、
   前記圧縮機の出口に接続された第1のチャンバーであって、前記第1のチャンバーは前記圧縮機から圧縮されたガスを受け、かつ前記溶剤および前記溶剤中に捕捉されたかまたは溶解された任意の混入物を含む混合物を収集するように構成された第1のチャンバーと、
   前記第1のチャンバーの出口に接続され、前記圧縮機から圧縮されたガスを受け、かつ前記溶剤および前記溶剤中に捕捉されたかまたは溶解された任意の混入物を含む前記混合物を収集するように構成された第2のチャンバーと、
   前記第2のチャンバーを前記第1のチャンバーに接続する導管沿いに設けられ、前記導管内で前記圧縮されたガスを冷却するように構成された熱交換器と、
   前記圧縮機の上流に設けられ、かつ前記使用済み保護雰囲気ガス供給ラインに接続された入口を持つ第3のチャンバーと、
   前記第1のチャンバーから前記混合物を排出するように構成されたドレーンバルブを備えたドレーンと、
   を有し、
   前記ドレーンは、前記排出された混合物を前記第3のチャンバーに供給するように構成される
   ことを特徴とするリサイクル装置。
2. 前記溶剤供給源が、前記溶剤としての潤滑剤を前記圧縮機における前記ガス流路に供給するか、または前記圧縮機の上流における前記ガス流路に供給するように構成された請求項１によるリサイクル装置。
3. さらに、前記圧縮機の機械部品に潤滑剤を供給するように構成された機械潤滑剤供給源を含み、前記機械潤滑剤供給源が前記溶媒供給源から分離されている請求項２によるリサイクル装置。
4. 前記第2のチャンバーが、前記第2のチャンバーから前記混合物を排出するように構成されたドレーンバルブを備えたドレーンを含む請求項１によるリサイクル装置。
5. 前記第1のチャンバーが、前記熱交換器よりも部分的にまたは完全に下方の操作高度に設けられ、前記熱交換器内で凝縮された任意の液体が前記第１のチャンバーに排出され得る請求項１によるリサイクル装置。
6. 前記第2のチャンバーが、前記第1のチャンバーよりも部分的にまたは完全に上方の操作高度に設けられた請求項５によるリサイクル装置。
7. 前記第1のチャンバー、前記熱交換器および前記第2のチャンバーが単一のハウジングアセンブリ内に設けられた請求項６によるリサイクル装置。
8. 前記第1のチャンバーの上部に前記第2のチャンバーの下部が連結され、前記上下に連結された第1及び第2のチャンバーの内部に上方から前記熱交換器が挿入されることにより、前記第1及び第2のチャンバーと前記熱交換器とが一体化された単一の装置が構成されている請求項６によるリサイクル装置。
9. 前記単一の装置が、
   前記第1のチャンバーを規定する下部のチャンバーおよび前記第2のチャンバーを規定する上部のチャンバーを持つ容器と、
   前記下部のチャンバーに流体連通している第1の開口および前記上部のチャンバーに流体連通している第2の開口を持つ流管と
   を含み、前記熱交換器が前記流管内に延びている請求項８によるリサイクル装置。
10. 前記使用済み保護雰囲気ガス供給ラインを前記第3のチャンバーの前記入口に接続する導管沿いに設けられた冷却器をさらに含み、前記冷却器は前記導管内で前記使用済み保護雰囲気ガスを冷却するように構成された請求項１によるリサイクル装置。
11. 前記ドレーンが、前記排出された混合物を前記冷却器のガス流路に供給するように構成される請求項１０によるリサイクル装置。
12. 前記ドレーンが、前記排出された混合物を前記第3のチャンバーに直接供給するように構成された請求項１によるリサイクル装置。
13. 前記ドレーンが、前記排出された混合物を前記第3のチャンバーの上流または下流にあるガス流路に供給するように構成された請求項１によるリサイクル装置。
14. 前記第2のチャンバーが、前記第2のチャンバーから前記混合物を排出するように構成された追加のドレーンバルブを備えた追加のドレーンを含み、
    前記追加のドレーンが、前記排出された混合物を前記第3のチャンバーに供給するように構成された請求項１によるリサイクル装置。
15. 前記使用済み保護雰囲気ガス供給ラインを前記第3のチャンバーの前記入口に接続する導管沿いに設けられた冷却器をさらに含み、前記冷却器は前記導管内で前記使用済み保護雰囲気ガスを冷却するように構成され、
    前記ドレーンおよび前記追加のドレーンが、前記排出された混合物を前記冷却器のガス流路に供給するように構成された請求項１４によるリサイクル装置。
16. 前記圧縮機の上流に設けられ、かつ前記使用済み保護雰囲気ガス供給ラインに接続された入口を持つ追加のチャンバーをさらに含む請求項１によるリサイクル装置。
17. 前記使用済み保護雰囲気ガス供給ラインを前記追加のチャンバーの前記入口に接続する導管沿いに設けられた冷却器をさらに含み、前記冷却器は前記導管内で前記使用済み保護雰囲気ガスを冷却するように構成される請求項１６によるリサイクル装置。
18. 第2の溶媒を前記追加のチャンバーに供給するように構成された第2の溶媒供給をさらに含む請求項１６によるリサイクル装置。
19. 前記ドレーンは前記排出された混合物を前記追加のチャンバーに供給するように構成される請求項１６によるリサイクル装置。
20. 前記ドレーンが、前記排出された混合物を前記追加のチャンバーに直接供給するように構成された請求項１９によるリサイクル装置。
21. 前記ドレーンが、前記排出された混合物を前記追加のチャンバーの上流または下流にあるガス流路に供給するように構成された請求項１９によるリサイクル装置。

Images