JP5743308B2 - 可燃性ガスの濃縮システム - Google Patents

Description

本発明は、可燃性ガスおよび空気を含有する原料ガスを、内部に可燃性ガスを選択的に吸着する吸着材が充填された吸着ユニットに供給して、可燃性ガスを選択的に吸着させて濃縮する可燃性ガスの濃縮システムに関する。

可燃性ガスを燃料などとして有効に利用する場合には、その可燃性ガスを含有する原料ガスから空気などのガスを分離して、適当な範囲にまで可燃性ガスを濃縮する必要がある。このような可燃性ガスを濃縮する装置や方法は種々提案されているが、例えば特許文献１では、可燃性ガスとしてのメタンガスを含有する炭鉱から発生するガス（いわゆる炭鉱ガス）を原料ガスとして、この原料ガスから吸着材を用いて空気（主に窒素、酸素、二酸化炭素が含まれる）を分離し、メタンガスを濃縮して利用する発明が提案されている。

具体的には、特許文献１に記載の可燃性ガスの濃縮システムは、内部に可燃性ガスを選択的に吸着する吸着材が充填された吸着ユニットと、外部から吸着ユニットの内部に原料ガスを送給可能な原料ガス送給手段と、吸着ユニットの内部からガスを吸引処理可能な吸引手段とを備える。そして、原料ガス送給手段により吸着ユニットの内部に原料ガスを送給して吸着材に可燃性ガスを吸着させる吸着処理と、吸着処理の後で吸引手段の吸引力により吸着材から可燃性ガスを脱着させて外部へ取り出す脱着処理とが実行される。上記吸引手段として、例えば、ポンプと、そのポンプを駆動する駆動用モータとで構成される真空ポンプ装置が用いられる。

特開２００９−２２０００４号公報

可燃性ガスの濃縮システムを稼動させるとき、吸引手段は脱着処理においてのみ必要である。そのため、脱着処理を実行しないとき、省エネルギ性を向上させるために吸引手段を運転停止させてもよい。 しかし、脱着処理を実行する度に吸引手段の運転開始と運転停止とを繰り返していては、吸引手段の寿命を短くする可能性がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、吸引手段の寿命を考慮しながら、省エネルギ性を向上させることのできる可燃性ガスの濃縮システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る可燃性ガスの濃縮システムの特徴構成は、
内部に可燃性ガスを選択的に吸着する吸着材が充填された吸着ユニットを複数備え、
前記可燃性ガスを含有する原料ガスを、外部から前記吸着ユニットの内部に送給可能な原料ガス送給手段と、
複数の前記吸着ユニットの内部の吸引用に兼用で設けられ、前記吸着ユニットの内部のみからガスを吸引処理可能なポンプと、当該ポンプを駆動する駆動用モータとを有する吸引手段と、
前記原料ガス送給手段により前記吸着ユニットの内部に前記原料ガスを送給して前記吸着材に可燃性ガスを吸着させ残余のガスをガス放出路へ放出する吸着処理と、前記吸着処理の後で前記吸引手段の吸引力により前記吸着材から可燃性ガスを脱着させてガス回収路へ取り出す脱着処理と、を実行する制御手段と、を備え、
前記吸着処理に関し、前記制御手段は、前記吸着ユニットのガス放出路で検出された可燃性ガスの濃度が所定の濃度以上になったことを吸着材が吸着限界に達したこととして認識して前記吸着処理を終了し、
前記脱着処理に関し、前記制御手段は、前記吸着ユニットの内部圧力を監視して当該吸着ユニット内が所定の圧力まで減圧されることで、当該吸着ユニットの前記脱着処理を終了し、当該脱着処理において脱着される可燃性ガスの濃縮ガスを得る構成で、
前記制御手段は、前記吸着処理及び前記脱着処理に加えて、複数の前記吸着ユニットのうちの、前記吸着処理を実行した後の吸着ユニットの内部と前記脱着処理を実行した後の吸着ユニットの内部とを連通路を介して連通させて、前記吸着処理を実行した後の吸着ユニットの内部の圧力と前記脱着処理を実行した後の吸着ユニットの内部の圧力とを均衡させる均圧処理を実行し、
対となる所定の吸着ユニットの一方が前記吸着処理を、他方のユニットが前記脱着処理とを実行し、且つ、前記均圧処理を実行しないで濃縮ガスを得る濃縮段階と、
前記濃縮段階とは別の段階として、何れの吸着ユニットにおいても前記脱着処理を実行することなく、前記均圧処理を実行する均圧実行段階とを有し、
前記均圧実行段階においても前記吸引手段を作動させ、かつ、インバータ制御により前記駆動用モータの回転速度を制御することで、前記均圧実行段階の前記吸引手段の吸引力が、前記均圧実行段階以外の段階での前記吸引手段の吸引力よりも小さくなるように、前記吸引手段を作動させる点にある。

上記特徴構成によれば、脱着処理を実行しないときにも吸引手段を作動させることで、脱着処理を実行する度に吸引手段の運転開始と運転停止とを頻繁に繰り返すような運転形態は採られない。そのため、吸引手段の運転開始と運転停止とを頻繁に繰り返すような運転形態を採った場合に比べて、吸引手段の寿命を長くできる。
加えて、制御手段が、脱着処理を実行しないときの吸引手段の吸引力が、脱着処理を実行するときの吸引手段の吸引力よりも小さくなるように吸引手段を作動させることで、脱着処理を実行しないときに吸引手段を作動させるために要するエネルギは、脱着処理を実行するときに吸引手段を作動させるために要するエネルギよりも小さくなる。つまり、可燃性ガスの濃縮システムの省エネルギ性を向上させることができる。
従って、吸引手段の寿命を考慮しながら、省エネルギ性を向上させることのできる可燃性ガスの濃縮システムを提供できる。

さらに、上記特徴構成によれば、１つの吸引手段を、複数の吸着ユニットの内部の吸引用に兼用で設けることで、吸引手段の設置数を少なくできる。加えて、１つの吸引手段を用いて複数の吸着ユニットに対して吸着処理及び脱着処理を実行するとき、複数の吸着ユニットの何れにも脱着処理を実行しないときの吸引手段の吸引力が、脱着処理を実行するときの吸引手段の吸引力よりも小さくなるように吸引手段を作動させることで、複数の吸着ユニットの何れにも脱着処理を実行しないときに吸引手段を作動させるために要するエネルギを小さくできる。

さらに、上記特徴構成によれば、制御手段が、均圧処理を実行するとき（即ち、均圧実行段階）の吸引手段の吸引力が、脱着処理を実行するときの吸引手段の吸引力よりも小さくなるように吸引手段を作動させることで、均圧処理を実行するときに吸引手段を作動させるために要するエネルギを小さくできる。
さらに、上記特徴構成によれば、制御手段は、ポンプを駆動するモータの回転速度をインバータ制御により制御することで、吸引手段の吸引力を容易に調整できる。

本発明に係る可燃性ガスの濃縮システムの更に別の特徴構成は、前記制御手段は、前記脱着処理の初期における前記吸引手段の吸引力が、前記初期以降における前記吸引手段の吸引力より大きくなるように前記吸引手段を作動させる点にある。

脱着処理の初期は吸着ユニットの吸着材に吸着されている可燃性ガスの量が多いため、吸引手段の吸引力が大きければ多量の可燃性ガスを脱着させることができる。一方で、脱着処理の初期以降は吸着ユニットの吸着材に吸着されている可燃性ガスの量が少なくなるため、吸引手段の吸引力を大きくしても比較的少量の可燃性ガスしか脱着させることはできない。
本特徴構成によれば、制御手段が、脱着処理の初期における吸引手段の吸引力が、その初期以降における吸引手段の吸引力より大きくなるように吸引手段を制御するので、脱着処理の初期には多量の可燃性ガスを効果的に脱着させることができ、且つ、その初期以降には消費エネルギを小さくしつつ効率的に可燃性ガスを脱着させることができる。

第１実施形態の可燃性ガスの濃縮システムの構成を説明するブロック図である。 各吸着ユニットの内部の圧力の推移を示すグラフである。 真空ポンプ装置の駆動用モータの回転速度の推移を示すグラフである。 真空ポンプ装置の駆動用モータの軸出力の推移を示すグラフである。 第２実施形態の可燃性ガスの濃縮システムの構成を説明するブロック図である 。

＜第１実施形態＞ 以下に図面を参照して第１実施形態の可燃性ガスの濃縮システムについて説明する。
図１は、第１実施形態の可燃性ガスの濃縮システムの構成を説明するブロック図である。濃縮システムＳ１（Ｓ）は、吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）と、原料ガス送給手段としてのブロアＢと、吸引手段としての真空ポンプ装置Ｐと、制御手段Ｃとを備える。

各吸着ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３は、互いに同じ構成であり、内部に可燃性ガスを選択的に吸着する吸着材ａが充填された吸着塔として構成される。吸着材ａは、可燃性ガスを選択的に吸着できれば、特に制限されない。例えば、メタンを可燃性ガスとして吸着する場合、吸着材ａとして、ＭＰ法による平均細孔直径が４．５〜１５Åで、かつ大気圧および２９８Ｋ下におけるメタンガス吸着量が２０Ｎｃｃ／ｇ以上である活性炭、ゼオライト、シリカゲルおよび有機金属錯体（フマル酸銅、テレフタル酸銅、シクロヘキサンジカルボン酸銅など）からなる群から選択される少なくとも一つであるメタン吸着材を用いるとよい。

加えて、濃縮システムＳ１は、ガス路として、吸着ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３に原料ガスを供給するガス供給路ｄ１と、そのガス供給路ｄ１からガスが供給される状態で吸着材ａでの可燃性ガスの吸着を終えた後、残余のガス（オフガス）を外部に放出するガス放出路ｄ２とを有する。吸着ユニットＵ１につながるガス供給路ｄ１にはガス供給路開閉弁１が設けられ、吸着ユニットＵ２につながるガス供給路ｄ１にはガス供給路開閉弁４が設けられ、吸着ユニットＵ３につながるガス供給路ｄ１にはガス供給路開閉弁８が設けられている。吸着ユニットＵ１につながるガス放出路ｄ２にはガス放出路開閉弁３が設けられ、吸着ユニットＵ２につながるガス放出路ｄ２にはガス放出路開閉弁６が設けられ、吸着ユニットＵ３につながるガス放出路ｄ２にはガス放出路開閉弁１０が設けられている。加えて、濃縮システムＳ１は、各吸着ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３から製品ガスを製品タンクＴに回収するためのガス回収路ｄ３を有する。吸着ユニットＵ１につながるガス回収路ｄ３にはガス回収路開閉弁２が設けられ、吸着ユニットＵ２につながるガス回収路ｄ３にはガス回収路開閉弁５が設けられ、吸着ユニットＵ３につながるガス回収路ｄ３にはガス回収路開閉弁９が設けられている。

本願では、作動状態で、吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）の内部に原料ガスが供給される状態で、吸着ユニットＵでガスが流入する部位を「ガス流入部Ｉｎ」と呼び、吸着ユニットＵからオフガスが放出される状態で、吸着ユニットＵでガスが流出する部位を「ガス流出部Ｏｕｔ」と呼ぶ。

ガス放出路ｄ２には、ガスセンサ１３、１４、１５が設けられている。各ガスセンサ１３、１４、１５は、各吸着ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３内の吸着材ａによる可燃性ガス吸着能力が限界に達した時点、すなわち吸着完了時点（破過時点）を検出するための装置である。制御手段Ｃは、ガスセンサ１３、１４、１５にて検出される可燃性ガス濃度（例えば、メタンガス濃度）が所定の濃度になった時点、即ち、吸着材ａの吸着能力が限界に達した時点を知ることができる。その結果、制御手段Ｃは、吸着ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３への原料ガスの供給終了時点を判断できる。

製品タンクＴは、濃縮後の高濃度の可燃性ガスを安全に貯蔵することができるものであればよく、吸着式ガスタンクを使用するとより好ましい。

原料ガス送給手段としてのブロアＢは、可燃性ガスを含有する原料ガスを、外部から吸着ユニットＵの内部に送給可能に構成される。原料ガスは、可燃性ガスと空気とを含むガスであるが、例えばメタンガスと空気とを含む炭鉱ガスとすることもできる。また、可燃性ガスとしては、可燃性の気体であれば特に制限されないが、例えば炭鉱ガスに含まれるメタンガスとすることもできる。なお、炭鉱ガスとは炭鉱から発生するガスであり、条件により異なるが、炭鉱ガス中には、メタンガス２０〜４０Ｖｏｌ％程度、空気（主として窒素ガス、酸素ガスが含まれる）６０〜８０Ｖｏｌ％程度が含まれている。ブロアＢは、このような原料ガスを吸引し、その原料ガスを圧縮せずに実質的に大気圧にて吸着ユニットＵへ供給する。

吸引手段としての真空ポンプ装置Ｐは、ポンプＰａと、そのポンプＰａを駆動する駆動用モータＰｂとを有し、吸着ユニットＵの内部を減圧して、内部からガスを吸引処理する装置である。本実施形態において、真空ポンプ装置Ｐは、各吸着ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３の内部の吸引用に兼用で１台設けられる。例えば、ポンプＰａとしてはルーツポンプが使用される。真空ポンプ装置Ｐの吸引力（即ち、排気速度）は、駆動用モータＰｂの回転速度が速くなるにつれて大きくなる。本実施形態において、制御手段Ｃは、インバータ制御により駆動用モータＰｂの回転速度を制御することで、吸引手段の吸引力を調整する。製品ガスは、ガス回収路ｄ３に備えられる真空ポンプ装置Ｐが働くことにより、吸着ユニットＵから吸着材ａに吸着された可燃性ガスを加圧状態（製品タンクＴ内は正圧となる）で製品タンクＴに回収可能となっている。

濃縮システムＳ１は、吸着ユニットＵ１の内部と吸着ユニットＵ２の内部との間をつなぐ連通路ｄ４、吸着ユニットＵ１の内部と吸着ユニットＵ３の内部との間をつなぐ連通路ｄ５、吸着ユニットＵ２の内部と吸着ユニットＵ３の内部との間をつなぐ連通路ｄ６を有する。そして、連通路ｄ４には連通路開閉弁７が設けられ、連通路ｄ５には連通路開閉弁１１が設けられ、連通路ｄ６には連通路開閉弁１２が設けられる。

本実施形態において、制御手段Ｃは、メモリ等からなる記憶媒体、ＣＰＵ、入出力部を備えたマイクロコンピュータなどで構成され、このコンピュータが所定のプログラムを実行することにより、ブロアＢ、真空ポンプ装置Ｐ、ガス供給路開閉弁１、４、８、ガス放出路開閉弁３、６、１０、ガス回収路開閉弁２、５、９、連通路開閉弁７、１１、１２などの作動を制御する。特に、本実施形態は、制御手段Ｃが、真空ポンプ装置Ｐを常時運転しておき、インバータ制御により真空ポンプ装置Ｐの吸引力を適宜調整する点に特徴がある。

以下に第１実施形態の濃縮システムＳ１の動作を説明する。
制御手段Ｃは、表１に示すように、第１段階〜第９段階の間において各吸着ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３に対して、吸着処理と、脱着処理と、均圧処理と、昇圧処理と、待機処理とを実行する。吸着処理は、ブロアＢにより吸着ユニットＵの内部に原料ガスを送給して吸着材ａに可燃性ガスを吸着させ残余のガスをガス放出路へ放出する処理である。脱着処理は、吸着処理の後で真空ポンプの吸引力により吸着材ａから可燃性ガスを脱着させてガス回収路へ取り出す処理である。均圧処理は、脱着処理の後の吸着ユニットＵの内部と吸着処理の後の別の吸着ユニットＵの内部とを連通してそれら吸着ユニットＵの内部の圧力を均衡させる処理である。昇圧処理は、吸着ユニットＵの内部に空気（昇圧ガス）を導入して圧力を大気圧付近にまで昇圧する処理である。
図２は、第１段階〜第９段階の間において各吸着ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３に対して、吸着処理と、脱着処理と、均圧処理と、昇圧処理と、待機処理とを実行するときの、各吸着ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３の内部の圧力の推移を示すグラフである。
本願にあっては、第２段階、第３段階、第５段階、第６段階、第８段階、第９段階のように、いずれかの吸着ユニットが吸着処理を、当該吸着ユニットとは異なる吸着ユニットが脱着処理を行なっている段階を「濃縮段階」と呼ぶ。この「濃縮段階」では、特定の吸着ユニットにおいて、可燃性ガスを吸着した吸着材から吸引手段の吸引力により可燃性ガスを脱着させて、可燃性ガスが濃縮された可燃性ガスを得ることができる。さらに、第１段階、第４段階、第７段階のように、一対の吸着ユニット間で均圧処理を行なっている段階を、「均圧実行段階」と呼ぶ。この段階で均圧を行なっているためであり、この段階で、脱着処理は行わない。

吸着ユニットＵ１では、第１段階〜第３段階の間に吸着処理が行われ、第４段階に均圧処理が行われ、第５段階〜第６段階の間に脱着処理が行われ、第７段階に均圧処理が行われ、第８段階に昇圧処理が行われ、第９段階に待機処理が行われる。各吸着ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３の構成は互いに同じであるので、各吸着ユニットＵ１、Ｕ２、Ｕ３で行われる吸着処理、均圧処理、脱着処理、昇圧処理、待機処理の手順は実質的に同じである。つまり、吸着ユニットＵ２及び吸着ユニットＵ３では、各処理が行われるタイミングが吸着ユニットＵ１と異なる。従って、以下、第１段階〜第９段階の間に吸着ユニットＵ１で行われる吸着処理、均圧処理、脱着処理、昇圧処理、待機処理の手順を中心に説明し、吸着ユニットＵ２及び吸着ユニットＵ３で行われる各処理の手順の詳細な説明は省略する。

〔第１段階〜第３段階〕
制御手段Ｃは、第１段階〜第３段階において吸着ユニットＵ１に対して吸着処理を実行する。具体的には、制御手段Ｃは、ガス供給路開閉弁１及びガス放出路開閉弁３を開弁し、ガス回収路開閉弁２、連通路開閉弁７及び連通路開閉弁１１を閉弁する。加えて、制御手段Ｃは、ブロアＢを作動させることにより、原料ガスをガス供給路ｄ１を通じて吸着ユニットＵ１内に供給して原料ガスに含まれる可燃性ガスを吸着材ａに吸着させ、吸着ユニットＵ１内に供給された原料ガスのうち吸着材ａに吸着されなかったオフガスを、ガス放出路ｄ２を通じて吸着ユニットＵ１の外部空間に放出させる。これにより、炭鉱ガスなどの原料ガスを大気圧下で吸着ユニットＵ１内に供給して、炭鉱ガスに含まれる可燃性ガスとしてのメタンガスを吸着材ａに選択的に吸着させつつ、オフガス内に貴重なメタンガスが含まれたまま流出するのを防止できる。

表１に示すように、制御手段Ｃは、第１段階において、何れの吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）に対しても脱着処理を実行していないが、真空ポンプ装置Ｐを継続して運転している。但し、制御手段Ｃは、このように複数の吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）の何れにも脱着処理を実行しないときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力が、脱着処理を実行するときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力よりも小さくなるように真空ポンプ装置Ｐを制御する。具体的には、制御手段Ｃは、インバータ制御により真空ポンプ装置Ｐの駆動用モータＰｂの回転速度を制御することで、真空ポンプ装置Ｐの吸引力を調整する。本実施形態では、制御手段Ｃは、表２に示すように、駆動用モータＰｂの回転速度を６００ｒｐｍに制御している。尚、制御手段Ｃは、何れかの吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）で脱着処理を実行するとき、駆動用モータＰｂの回転速度を１１００ｒｐｍに制御している。

その後、制御手段Ｃは、ガスセンサ１３により、ガス放出路ｄ２に放出されたオフガス中の可燃性ガスの濃度が所定の濃度以上であるか否かを検出する。制御手段Ｃは、検出された可燃性ガスの濃度が所定の濃度以上である場合には、原料ガスの吸着ユニットＵ１への供給を停止して、吸着処理を終了する。つまり、制御手段Ｃは、ガス放出路ｄ２で検出された可燃性ガスの濃度が所定の濃度以上になったことを、吸着材ａが吸着限界に達したこととして認識して、吸着処理を終了する。

〔第４段階〕
制御手段Ｃは、第４段階において、吸着ユニットＵ１の内部圧力と吸着ユニットＵ３の内部圧力とを均衡させる均圧処理を実行する。具体的には、制御手段Ｃは、吸着ユニットＵ１と吸着ユニットＵ３との間をつなぐ連通路ｄ５に設けられている連通路開閉弁１１を開弁し、ガス供給路開閉弁１、ガス回収路開閉弁２及びガス放出路開閉弁３、連通路開閉弁７を閉弁する。

図２に示すように、第４段階が開始される前の時点において、吸着ユニットＵ１の内部圧力は第３段階で吸着処理が実行された後の比較的高い圧力を示し、吸着ユニットＵ３の内部圧力は第３段階で脱着処理が実行された後の比較的低い圧力を示す。そして、第４段階において連通路開閉弁１１が開弁されて均圧処理が実行されると、吸着ユニットＵ１の内部圧力が低下し、吸着ユニットＵ３の内部圧力が上昇して、両者の圧力が均衡する。その結果、吸着ユニットＵ１では、吸着材ａには吸着されずに主に気相状態で吸着ユニットＵ１の内部に残っている低濃度の可燃性ガスを含むガスが吸着ユニットＵ３の方へ拡散されるため、その低濃度の可燃性ガスが引き続く第５段階で脱着処理を実行するときに製品タンクＴの方へ回収されないようにできる。また、吸着ユニットＵ３では、後に行われる昇圧処理の前に、吸着ユニットＵ３の内部の圧力をある程度上昇させておくことができる。

表１に示すように、制御手段Ｃは、第４段階において何れの吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）に対しても脱着処理を実行していないが、真空ポンプ装置Ｐを継続して運転している。但し、制御手段Ｃは、第１段階の場合と同様に、複数の吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）の何れにも脱着処理を実行しないときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力が、脱着処理を実行するときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力よりも小さくなるように真空ポンプ装置Ｐを制御する。第４段階でも、制御手段Ｃは、表２に示すように、駆動用モータＰｂの回転速度を６００ｒｐｍに制御している。

〔第５段階〜第６段階〕
制御手段Ｃは、第５段階〜第６段階において吸着ユニットＵ１に対して脱着処理を実行する。具体的には、制御手段Ｃは、ガス供給路開閉弁１、ガス放出路開閉弁３、連通路開閉弁７及び連通路開閉弁１１を閉弁して、ガス回収路開閉弁２を開弁する。制御手段Ｃは、第４段階において、真空ポンプ装置Ｐの吸引力を大きくして（駆動用モータＰｂの回転速度を１１００ｒｐｍに制御して）、吸着ユニットＵ１内を大気圧よりも低く減圧して、吸着された可燃性ガスを吸着材ａから脱着させる。その結果、可燃性ガスがガス回収路ｄ３側へ吸引されて、製品タンクＴ内に収集されて貯蔵される。制御手段Ｃは、吸着ユニットＵ１内を所定の圧力まで減圧すると、吸着ユニットＵ１からの可燃性ガスの回収を停止するべく、ガス回収路開閉弁２を閉じる。図２に示すように、吸着材ａからの可燃性ガスの脱着が進行すると、吸着ユニットＵ１の内部圧力が徐々に低下してくるので、制御手段Ｃは、吸着ユニットＵ１の内部圧力を監視することで、脱着処理の完了判断を行える。

〔第７段階〕
制御手段Ｃは、第７段階においてＵ１に対して均圧処理を実行する。特に、制御手段Ｃは、吸着ユニットＵ１の内部圧力と吸着ユニットＵ２の内部圧力とを均衡させる均圧処理を実行する。具体的には、制御手段Ｃは、ガス供給路開閉弁１、ガス回収路開閉弁２、ガス放出路開閉弁３及び連通路開閉弁１１を閉弁し、吸着ユニットＵ１と吸着ユニットＵ２との間をつなぐ連通路ｄ４に設けられている連通路開閉弁７を開弁する。

図２に示すように、第７段階が開始される前の時点において、吸着ユニットＵ１の内部圧力は第６段階で脱着処理が実行された後の比較的低い圧力を示し、吸着ユニットＵ２の内部圧力は第６段階で吸着処理が実行された後の比較的高い圧力を示す。そして、第７段階において連通路開閉弁７が開弁されて均圧処理が実行されると、吸着ユニットＵ１の内部圧力が上昇し、吸着ユニットＵ２の内部圧力が低下して、両者の圧力が均衡する。その結果、吸着ユニットＵ１では、後に行われる昇圧処理の前に内部の圧力をある程度上昇させておくことができる。また、吸着ユニットＵ２では、吸着材ａには吸着されずに主に気相状態で吸着ユニットＵ２の内部に残っている低濃度の可燃性ガスを含むガスが吸着ユニットＵ１の方へ拡散される。

制御手段Ｃは、上記第４段階の均圧処理の場合と同様に、第７段階において何れの吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）に対しても脱着処理を実行していないが、真空ポンプ装置Ｐを継続して運転している。但し、制御手段Ｃは、第４段階の場合と同様に、複数の吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）の何れにも脱着処理を実行しないときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力が、脱着処理を実行するときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力よりも小さくなるように真空ポンプ装置Ｐを制御する。第７段階でも、制御手段Ｃは、表２に示すように、駆動用モータＰｂの回転速度を６００ｒｐｍに制御している。

〔第８段階〕
制御手段Ｃは、第８段階において吸着ユニットＵ１に対して昇圧処理を実行する。具体的には、制御手段Ｃは、ガス放出路開閉弁３を開弁し、ガス供給路開閉弁１、ガス回収路開閉弁２、連通路開閉弁７及び連通路開閉弁１１を閉弁する。これにより、ガス放出路開閉弁３を介して外部から吸着ユニットＵ１の内部に空気（昇圧ガス）を流入させることにより吸着ユニットＵ１内の圧力を大気圧付近にまで昇圧して、後に実行される上記吸着処理において、可燃性ガスを吸着し易くすることができる。

〔第９段階〕
制御手段Ｃは、第９段階において吸着ユニットＵ１に対して待機処理を実行する。具体的には、制御手段Ｃは、ガス供給路開閉弁１、ガス回収路開閉弁２、ガス放出路開閉弁３、連通路開閉弁７及び連通路開閉弁１１を閉弁した状態のまま、後の吸着処理の開始を待つ。

以上のように、本実施形態の濃縮システムＳ１では、制御手段Ｃは、第１段階〜第９段階の間において、複数の吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）の何れにも脱着処理を実行しないときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力が、脱着処理を実行するときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力よりも小さくなるように真空ポンプ装置Ｐを制御している。図３は、第１段階〜第９段階の間での真空ポンプ装置Ｐの駆動用モータＰｂの回転速度の推移を示すグラフである。図４は、第１段階〜第９段階の間での真空ポンプ装置Ｐの駆動用モータＰｂの軸出力の推移を示すグラフである。図３及び図４では、比較例として第１段階〜第９段階の間で真空ポンプ装置Ｐの駆動用モータＰｂの回転速度を一定に制御する通常運転の場合について示す。

図３及び図４に示すように、制御手段Ｃが、複数の吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３）の何れにも脱着処理を実行しないときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力が、脱着処理を実行するときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力よりも小さくなるように真空ポンプ装置Ｐを制御することで、不要な電力消費が行われることを防止できる。例えば、図４に示すように、第１段階〜第９段階の間における平均電力は、１台の真空ポンプ装置Ｐが備える駆動用モータＰｂに対して上述したような本発明のインバータ制御を実施した場合には約８６ｋＷとなり、駆動用モータＰｂを一定回転速度で運転する通常運転を実施した比較例の場合には約９１ｋＷとなる。その結果、本発明の濃縮システムＳ１を採用することで、１時間当たり約５ｋＷの電力を削減できる。更に、真空ポンプ装置Ｐを複数台設置する場合には、その台数分だけ削減可能な電力が増大する。

＜第２実施形態＞
第２実施形態の可燃性ガスの濃縮システムは、２塔の吸着ユニットを備える点で上記第１実施形態の濃縮システムと異なっている。以下に、第２実施形態の濃縮システムについて説明するが、第１実施形態と同様の構成部分については説明を省略する。

図５は、第２実施形態の可燃性ガスの濃縮システムの構成を説明するブロック図である。濃縮システムＳ２（Ｓ）は、吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２）と、原料ガス送給手段としてのブロアＢと、吸引手段としての真空ポンプ装置Ｐと、制御手段Ｃとを備える。この濃縮システムＳ２は、第１実施形態で説明した濃縮システムＳ１から吸着ユニットＵ３に関連する構成部分を取り除いたものである。

第２実施形態の濃縮システムＳ２は、各吸着ユニットＵ１、Ｕ２に原料ガスを供給するガス供給路ｄ１と、そのガス供給路ｄ１からガスが供給される状態で吸着材ａでの可燃性ガスの吸着を終えた後、残余のガス（オフガス）を外部に放出するガス放出路ｄ２とを有する。吸着ユニットＵ１につながるガス供給路ｄ１にはガス供給路開閉弁１が設けられ、吸着ユニットＵ２につながるガス供給路ｄ１にはガス供給路開閉弁４が設けられている。吸着ユニットＵ１につながるガス放出路ｄ２にはガス放出路開閉弁３が設けられ、吸着ユニットＵ２につながるガス放出路ｄ２にはガス放出路開閉弁６が設けられている。加えて、濃縮システムＳ２は、各吸着ユニットＵ１、Ｕ２から製品ガスを製品タンクＴに回収するためのガス回収路ｄ３を有する。吸着ユニットＵ１につながるガス回収路ｄ３にはガス回収路開閉弁２が設けられ、吸着ユニットＵ２につながるガス回収路ｄ３にはガス回収路開閉弁５が設けられている。

第２実施形態の濃縮システムＳ２では、吸着ユニットＵ１の内部と吸着ユニットＵ２の内部とを連通可能な連通路ｄ４が設けられている。連通路ｄ４には連通路開閉弁７が設けられている。連通路開閉弁７が開弁されると、吸着ユニットＵ１の内部の圧力と吸着ユニットＵ２の内部の圧力とが均衡する。

以下に第２実施形態の濃縮システムＳ２の動作を説明する。
制御手段Ｃは、表３に示すように、第１段階〜第６段階の間において各吸着ユニットＵ１、Ｕ２に対して、吸着処理と、脱着処理と、均圧処理と、昇圧処理とを実行する。
第２実施形態では、第１段階、第４段階、第６段階が「濃縮段階」となり、第２段階、第５段階が「均圧実行段階」となる。

吸着ユニットＵ１では、第１段階に吸着処理が行われ、第２段階に均圧処理が行われ、第３段階〜第４段階の間に脱着処理が行われ、第５段階に均圧処理が行われ、第６段階に昇圧処理が行われる。各吸着ユニットＵ１、Ｕ２の構成は互いに同じであるので、各吸着ユニットＵ１、Ｕ２で行われる吸着処理、均圧処理、脱着処理、昇圧処理の手順は実質的に同じである。つまり、吸着ユニットＵ２では、各処理が行われるタイミングが吸着ユニットＵ１と異なる。従って、以下、第１段階〜第６段階の間に吸着ユニットＵ１で行われる吸着処理、均圧処理、脱着処理、昇圧処理の手順を中心に説明し、吸着ユニットＵ２で行われる各処理の手順の詳細な説明は省略する。

〔第１段階〕
制御手段Ｃは、第１段階において吸着ユニットＵ１に対して吸着処理を実行する。具体的には、制御手段Ｃは、ガス供給路開閉弁１及びガス放出路開閉弁３を開弁し、ガス回収路開閉弁２及び連通路開閉弁７を閉弁する。加えて、制御手段Ｃは、ブロアＢを作動させることにより、原料ガスをガス供給路ｄ１を通じて吸着ユニットＵ１内に供給して原料ガスに含まれる可燃性ガスを吸着材ａに吸着させ、吸着ユニットＵ１内に供給された原料ガスのうち吸着材ａに吸着されなかったオフガスを、ガス放出路ｄ２を通じて吸着ユニットＵ１の外部空間に放出する。

その後、制御手段Ｃは、ガスセンサ１３により、ガス放出路ｄ２に放出されたオフガス中の可燃性ガスの濃度が所定の濃度以上であるか否かを検出する。制御手段Ｃは、検出された可燃性ガスの濃度が所定の濃度以上である場合には、原料ガスの吸着ユニットＵ１への供給を停止して、吸着処理を終了する。つまり、制御手段Ｃは、ガス放出路ｄ２で検出された可燃性ガスの濃度が所定の濃度以上になったことを、吸着材ａが吸着限界に達したこととして認識して、吸着処理を終了する。

〔第２段階〕
制御手段Ｃは、第２段階において、吸着ユニットＵ１の内部圧力と吸着ユニットＵ２の内部圧力とを均衡させる均圧処理を実行する。具体的には、制御手段Ｃは、吸着ユニットＵ１と吸着ユニットＵ２との間をつなぐ連通路ｄ４に設けられている連通路開閉弁７を開弁し、ガス供給路開閉弁１、ガス回収路開閉弁２及びガス放出路開閉弁３を閉弁する。

第２段階が開始される前の時点において、吸着ユニットＵ１の内部圧力は第１段階で吸着処理が実行された後の比較的高い圧力を示し、吸着ユニットＵ２の内部圧力は第１段階で脱着処理が実行された後の比較的低い圧力を示す。そして、第２段階において連通路開閉弁７が開弁されて均圧処理が実行されると、吸着ユニットＵ１の内部圧力が低下し、吸着ユニットＵ２の内部圧力が上昇して、両者の圧力が均衡する。その結果、吸着ユニットＵ１では、吸着材ａには吸着されずに主に気相状態で吸着ユニットＵ１の内部に残っている低濃度の可燃性ガスを含むガスが吸着ユニットＵ２の方へ拡散されるため、その低濃度の可燃性ガスが引き続く第３段階で脱着処理を実行するときに製品タンクＴの方へ回収されないようにできる。また、吸着ユニットＵ２では、後に行われる昇圧処理の前に、吸着ユニットＵ２の内部の圧力をある程度上昇させておくことができる。

制御手段Ｃは、第２段階において何れの吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２）に対しても脱着処理を実行していないが、真空ポンプ装置Ｐを継続して運転している。但し、制御手段Ｃは、複数の吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２）の何れにも脱着処理を実行しないときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力が、脱着処理を実行するときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力よりも小さくなるように真空ポンプ装置Ｐを制御する。第２段階では、制御手段Ｃは、表４に示すように、駆動用モータＰｂの回転速度を６００ｒｐｍに制御している。

〔第３段階〜第４段階〕
制御手段Ｃは、第３段階〜第４段階において吸着ユニットＵ１に対して脱着処理を実行する。具体的には、制御手段Ｃは、ガス供給路開閉弁１、ガス放出路開閉弁３及び連通路開閉弁７を閉弁して、ガス回収路開閉弁２を開弁する。制御手段Ｃは、第３段階〜第４段階において、真空ポンプ装置Ｐの吸引力を大きくして（駆動用モータＰｂの回転速度を１１００ｒｐｍに制御して）、吸着ユニットＵ１内を大気圧よりも低く減圧して、吸着された可燃性ガスを吸着材ａから脱着させる。制御手段Ｃは、吸着ユニットＵ１内を所定の圧力まで減圧すると、吸着ユニットＵ１からの可燃性ガスの回収を停止するべく、ガス回収路開閉弁２を閉じる。

〔第５段階〕
制御手段Ｃは、第５段階において吸着ユニットＵ１の内部圧力と吸着ユニットＵ２の内部圧力とを均衡させる均圧処理を実行する。第５段階の均圧処理を実行するときの手順は第２段階の均圧処理を実行するときの手順と同じである。

第５段階が開始される前の時点において、吸着ユニットＵ１の内部圧力は第４段階で脱着処理が実行された後の比較的低い圧力を示し、吸着ユニットＵ２の内部圧力は第４段階で吸着処理が実行された後の比較的高い圧力を示す。そして、第５段階において連通路開閉弁７が開弁されて均圧処理が実行されると、吸着ユニットＵ１の内部圧力が上昇し、吸着ユニットＵ２の内部圧力が低下して、両者の圧力が均衡する。その結果、吸着ユニットＵ１では、後に行われる昇圧処理の前に内部の圧力をある程度上昇させておくことができる。また、吸着ユニットＵ２では、吸着材ａには吸着されずに主に気相状態で吸着ユニットＵ２の内部に残っている低濃度の可燃性ガスを含むガスが吸着ユニットＵ１の方へ拡散される。

制御手段Ｃは、上記第２段階の均圧処理の場合と同様に、第５段階において何れの吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２）に対しても脱着処理を実行していないが、真空ポンプ装置Ｐを継続して運転している。但し、制御手段Ｃは、第２段階の場合と同様に、複数の吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２）の何れにも脱着処理を実行しないときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力が、脱着処理を実行するときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力よりも小さくなるように真空ポンプ装置Ｐを制御する。第５段階でも、制御手段Ｃは、表４に示すように、駆動用モータＰｂの回転速度を６００ｒｐｍに制御している。

〔第６段階〕
制御手段Ｃは、第６段階において吸着ユニットＵ１に対して昇圧処理を実行する。具体的には、制御手段Ｃは、ガス放出路開閉弁３を開弁し、ガス供給路開閉弁１、ガス回収路開閉弁２及び連通路開閉弁７を閉弁する。これにより、ガス放出路開閉弁３を介して外部から吸着ユニットＵ１の内部に空気（昇圧ガス）を流入させることにより吸着ユニットＵ１内の圧力を大気圧付近にまで昇圧して、後に実行される上記吸着処理において、可燃性ガスを吸着し易くすることができる。

以上のように、本実施形態の濃縮システムＳ２でも、制御手段Ｃは、第２段階及び第５段階において、複数の吸着ユニットＵ（Ｕ１、Ｕ２）の何れにも脱着処理を実行しないときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力が、脱着処理を実行するときの真空ポンプ装置Ｐの吸引力よりも小さくなるように真空ポンプ装置Ｐを制御している。その結果、第２段階及び第５段階において、不要な電力消費が行われることを防止できる。

＜別実施形態＞
<１>上記実施形態において、制御手段Ｃは、脱着処理の間は真空ポンプ装置Ｐの駆動用モータＰｂを一定回転速度（１１００ｒｐｍ）で作動させる例を説明したが、脱着処理の間に駆動用モータＰｂの回転速度を変更してもよい。例えば、制御手段Ｃが、脱着処理の初期における真空ポンプ装置（吸引手段）Ｐの吸引力が、初期以降における真空ポンプ装置Ｐの吸引力より大きくなるように真空ポンプ装置Ｐを作動させてもよい。このような制御を行うことで、脱着処理の初期には多量の可燃性ガスを吸着材ａから効果的に脱着させることができ、且つ、その初期以降には消費エネルギを小さくしつつ効率的に可燃性ガスを吸着材ａから脱着させることができる。

＜２＞ 上記実施形態において、可燃性ガスの濃縮システムＳの構成は適宜変更可能である。例えば、吸着ユニットＵに対して原料ガスをポンプなどによって高圧で送り込むことで、吸着ユニットＵに吸着される可燃性ガスの量を増加させるための過吸着用の機構を追加で設けてもよい。

＜３＞ 上記実施形態では、２塔、３塔の吸着ユニットＵを備える濃縮システムＳを例示したが、４塔以上の吸着ユニットＵを備える濃縮システムを構成してもよい。

＜４＞ 上記実施形態では、吸着ユニットＵの内部の圧力値や真空ポンプ装置Ｐの駆動用モータＰｂの回転速度などの具体例を示したが、それらの値は適宜変更可能である。

本発明は、可燃性ガスおよび空気を含有する原料ガスを、内部に可燃性ガスを選択的に吸着する吸着材が充填された吸着ユニットに供給して、可燃性ガスを選択的に吸着させて濃縮する可燃性ガスの濃縮システムに利用できる。

ａ 吸着材
Ｂ ブロア（原料ガス送給手段）
Ｃ 制御手段
Ｐ 真空ポンプ装置（吸引手段）
Ｐａ ポンプ
Ｐｂ 駆動用モータＳ
（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３） 可燃性ガスの濃縮システム
Ｔ 製品タンク
Ｕ（Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３） 吸着ユニット

Claims (2)

1. 内部に可燃性ガスを選択的に吸着する吸着材が充填された吸着ユニットを複数備え、
   前記可燃性ガスを含有する原料ガスを、外部から前記吸着ユニットの内部に送給可能な原料ガス送給手段と、
   複数の前記吸着ユニットの内部の吸引用に兼用で設けられ、前記吸着ユニットの内部のみからガスを吸引処理可能なポンプと、当該ポンプを駆動する駆動用モータとを有する吸引手段と、
   前記原料ガス送給手段により前記吸着ユニットの内部に前記原料ガスを送給して前記吸着材に可燃性ガスを吸着させ残余のガスをガス放出路へ放出する吸着処理と、前記吸着処理の後で前記吸引手段の吸引力により前記吸着材から可燃性ガスを脱着させてガス回収路へ取り出す脱着処理と、を実行する制御手段と、を備え、
   前記吸着処理に関し、前記制御手段は、前記吸着ユニットのガス放出路で検出された可燃性ガスの濃度が所定の濃度以上になったことを吸着材が吸着限界に達したこととして認識して前記吸着処理を終了し、
   前記脱着処理に関し、前記制御手段は、前記吸着ユニットの内部圧力を監視して当該吸着ユニット内が所定の圧力まで減圧されることで、当該吸着ユニットの前記脱着処理を終了し、当該脱着処理において脱着される可燃性ガスの濃縮ガスを得る構成で、
   前記制御手段は、前記吸着処理及び前記脱着処理に加えて、複数の前記吸着ユニットのうちの、前記吸着処理を実行した後の吸着ユニットの内部と前記脱着処理を実行した後の吸着ユニットの内部とを連通路を介して連通させて、前記吸着処理を実行した後の吸着ユニットの内部の圧力と前記脱着処理を実行した後の吸着ユニットの内部の圧力とを均衡させる均圧処理を実行し、
   対となる所定の吸着ユニットの一方が前記吸着処理を、他方のユニットが前記脱着処理とを実行し、且つ、前記均圧処理を実行しないで濃縮ガスを得る濃縮段階と、
   前記濃縮段階とは別の段階として、何れの吸着ユニットにおいても前記脱着処理を実行することなく、前記均圧処理を実行する均圧実行段階とを有し、
   前記均圧実行段階においても前記吸引手段を作動させ、かつ、インバータ制御により前記駆動用モータの回転速度を制御することで、前記均圧実行段階の前記吸引手段の吸引力が、前記均圧実行段階以外の段階での前記吸引手段の吸引力よりも小さくなるように、前記吸引手段を作動させる可燃性ガスの濃縮システム。
2. 前記制御手段は、前記脱着処理の初期における前記吸引手段の吸引力が、前記初期以降における前記吸引手段の吸引力より大きくなるように前記吸引手段を作動させる請求項１に記載の可燃性ガスの濃縮システム。

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