JP6290114B2 - ガス製造装置およびガス製造処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、吸着処理によって特定の成分を分離させ、目的とする成分のガスを取り出すガス処理技術に関する。

原料ガスから特定成分のガスを分離する技術として、特定の圧力状態で吸着剤に原料ガスを流して、分離したいガスを吸着させるＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption：圧力変動吸着）方式を利用したものが知られている。ＰＳＡ方式のガス分離処理では、圧縮空気を吸着剤に通して分離させる吸着工程、吸着剤によって分離したガス成分を放出して次の吸着工程に備える再生工程を繰り返し行う。またガス分離処理では、たとえば対となる複数の吸着槽を備え、この吸着槽間で交互に吸着工程、再生工程を行うことで、ガス製造効率を高めている。このように複数の吸着槽を用いる場合、吸着工程と再生工程との間に、吸着槽同士を連通させて槽内の均圧化を図る均圧工程を行うことが知られている。

均圧工程では、高純度のガスを取り出すための吸着処理を終えて内部が高圧状態の吸着槽から、再生処理が完了した低圧状態の吸着槽に対してガスを流すことで、高純度のガスを製造するための工夫がされてきた。

このような均圧処理を実現するため、たとえば一方の吸着タンクの略中央部分に対して連結管路が接続され、一方の吸着タンク内にある吸着経路の途中部分から圧力の高い製品ガスを取出し、この製品ガスを他方の吸着タンクに取り込ませるものがある（たとえば、特許文献１）。また、１対の吸着槽において、再生工程を終えた吸着槽の出口側と吸着工程を終えた吸着槽の出口側を接続して均圧させた後、再生工程を終えた吸着槽の入側に切り換えて直列均圧を行うものが記載されている（たとえば、特許文献２）。

特開平１０−１９２６３６号公報 特開平５−１９２５２７号公報

ところで、ガス製造装置では、原料ガスに対し製品ガスの回収効率を上げるために、均圧処理を迅速化するほか、吸着処理が終了した吸着槽に残留するガスから効率的に目的とする製品ガスを回収することが重要である。すなわち残留したガス内には、回収目的のガス成分が含まれており、この残留ガス内のガス成分を回収することがガス製造装置によるガスの供給量に関わってくる。吸着工程が完了した吸着槽に残留するガスから効率良く製品ガスを回収するためには、再生工程が完了した吸着槽に対する均圧工程が重要となる。

さらに吸着工程では、原料空気を流入させる吸着槽の入側に対し、吸着剤を通過することで特定の成分のガスから分離されることで製品ガスの純度が高くなり、この純度が吸着槽の出側にいくに従って製品ガスの純度が高くなる。すなわち吸着槽内部には純度の異なる製品ガスが存在する。従来の均圧工程では、たとえば吸着槽の出側同士と入側同士を連通させることで、残留ガスを再生工程が終了した吸着槽側に流し込むものがある。しかし、入側同士を連通させた場合、純度の低いガスから相手側の吸着槽に流入させることになる。このとき製品ガスとして回収したい高レベルまたは中レベルまでの純度の製品ガスが、たとえば吸着槽内部で原料ガスに近い状態の低レベルの製品ガスに拡散してしまい、ガスの回収率を低下させるおそれがある。さらに、残留ガス内の高純度の製品ガスを吸着槽の入側に入れると、次の吸着工程において、再び吸着処理を行わせることになり、時間的な無駄が生じることになる。

また、吸着槽内部では、吸着工程が完了した場合でも内部のガスの流れが安定せず、偏流状態となっている場合がある。これにより吸着槽の途中部分では、圧力状態や残留ガス内に含まれる製品ガス成分の純度が一定にならない場合がある。従って吸着槽の中間部分から残留ガスを回収して他の吸着槽に流入させても、想定した状態での均圧処理や純度の高い製品ガスを優先的に回収することはできず、製品ガスの製造処理の安定化が図れない。

斯かる課題について特許文献１、２には開示も示唆も無く、特許文献１、２に開示された構成では解決することができない。

そこで、本発明の目的は、原料ガスに対する製品ガスの回収効率の向上を図ることにある。

上記目的を達成するため、本発明の一側面は、第１の吸着部と、第２の吸着部と、第１の連通部と、第２の連通部とを備える。第１の吸着部は、吸着剤が充填された少なくとも二つの吸着槽を該吸着槽の管径よりも狭小に形成された第１の連結管路によって直列に連結し、これらの吸着槽に原料ガスを流して吸着処理を行う。第２の吸着部は、吸着剤が充填された少なくとも二つの吸着槽を該吸着槽の管径よりも狭小に形成された第２の連結管路によって直列に連結し、これらの吸着槽に原料ガスを流し、前記第１の吸着部の吸着処理と異なるタイミングで吸着処理を行う。第１の連通部は、前記第１の連結管路に接続され、前記第１の吸着部の上流側に連結された前記吸着槽の出側を前記第２の吸着部の上流側に連結された前記吸着槽の入側に連通させる。第２の連通部は、前記第２の連結管路に接続され、前記第２の吸着部の上流側に連結された前記吸着槽の出側を前記第１の吸着部の上流側に連結された前記吸着槽の入側に連通させる。そして、前記第１の吸着部を吸着工程から均圧工程に移行させる際に、前記第１の連通部を開通させて、前記第１の吸着部の下流側の前記吸着槽内のガスよりも純度の低いガスが溜められた上流側の前記吸着槽から、前記第２の吸着部の上流側の前記吸着槽に前記第１の吸着部内のガスを前記第１の吸着部のガスの流動方向に沿って流し、前記第２の吸着部を吸着工程から均圧工程に移行させる際に、前記第２の連通部を開通させて、前記第２の吸着部の下流側の前記吸着槽内のガスよりも純度の低いガスが溜められた上流側の前記吸着槽から、前記第１の吸着部の上流側の前記吸着槽に前記第２の吸着部内のガスを前記第２の吸着部のガスの流動方向に沿って流す。

上記ガス製造装置において、好ましくは、第１の開閉弁と、第２の開閉弁と、制御部とを備える。第１の開閉弁は、前記第１の連通部に設置され、開閉により前記第１の連通部内の前記ガスの流れを開放し、または遮断する。第２の開閉弁は、前記第２の連通部に設置され、開閉により前記第２の連通部内の前記ガスの流れを開放し、または遮断する。制御部は、前記第１の吸着部と前記第２の吸着部とに対し、ガスの吸着工程または前記吸着剤の再生工程を異なるタイミングで実行させ、その吸着工程と再生工程との移行時に、前記第１の開閉弁と前記第２の開閉弁とを開閉させて前記均圧工程を実行させる。

上記ガス製造装置において、好ましくは、前記第１の吸着部の下流側に連結された前記吸着槽の出側と前記第２の吸着部の下流側に連結された前記吸着槽の出側とを連通する第３の連通部を備え、前記第１の吸着部または前記第２の吸着部を吸着工程から均圧工程に移行させる際に、前記第３の連通部を開通させ、前記第３の連通部を通じて前記ガスを流入させる。

上記ガス製造装置において、好ましくは、さらに、前記吸着工程、前記再生工程および前記均圧工程の処理時間を計時するタイマを備え、前記制御部は、前記タイマによる計時結果に基づき、設定された処理時間に応じて、前記吸着処理または再生処理を実行させ、前記再生工程から前記均圧工程に移行する際、前記処理時間の経過前に、前記再生処理中の前記吸着槽の排気を停止させる。

上記ガス製造装置において、好ましくは、複数の前記吸着槽を所定の間隔で配置させて支持する支持筐体を備え、該支持筐体は、前記吸着槽の一端を載置させ、少なくとも上流側の前記吸着槽が配置される位置に、前記吸着槽内に前記原料ガスを導くガス導入部を収納した載置部を備える。

上記目的を達成するため、本発明の一側面は、少なくとも二つの吸着槽を該吸着槽の管径よりも狭小に形成された第１の連結管路によって直列に連結した第１の吸着部と、少なくとも二つの吸着槽を該吸着槽の管径よりも狭小に形成された第２の連結管路によって直列に連結した第２の吸着部にそれぞれ原料ガスを流し、異なるタイミングで吸着処理を行い、前記第１の吸着部を吸着工程から均圧工程に移行させる際に、前記第１の連結管路に接続されて前記第１の吸着部の上流側の前記吸着槽の出側から前記第２の吸着部の上流側の前記吸着槽の入側に連通した第１の連通部を開通させて、前記第１の吸着部の上流側の前記吸着槽内の下流側の前記吸着槽内のガスよりも純度の低いガスを、前記第１の吸着部のガスの流動方向に沿って前記第２の吸着部の上流側の前記吸着槽に流入させ、前記第２の吸着部を吸着工程から均圧工程に移行させる際に、前記第２の連結管路に接続されて前記第２の吸着部の上流側の前記吸着槽の出側から前記第１の吸着部の上流側の前記吸着槽の入側に連通した第２の連通部を開通させて、前記第２の吸着部の上流側の前記吸着槽内の下流側の前記吸着槽内のガスよりも純度の低いガスを、前記第２の吸着部のガスの流動方向に沿って前記第１の吸着部の上流側の前記吸着槽に流入させる工程を含む。

上記ガス製造処理方法において、好ましくは、前記吸着工程から前記均圧工程に移行させる際に、前記第１の吸着部の下流側の前記吸着槽の出側と前記第２の吸着部の下流側の前記吸着槽の出側とを連通した第３の連通部を開通させ、前記第３の連通部を通じて前記ガスを流動させる工程を含む。

上記ガス製造処理方法において、好ましくは、設定された処理時間に応じて、前記吸着処理または再生処理を行い、前記再生工程から前記均圧工程に移行する際、前記処理時間の経過前に、前記再生処理中の前記吸着槽の排気を停止させる工程を含む。

本発明によれば、次のいずれかの効果が得られる。

(1) 直列に連結した複数の吸着槽の内部にそれぞれ純度の異なる製品ガスが貯まり、吸着工程から均圧工程への移行時に、残留した純度の低い製品ガスについて、次に吸着工程を行う吸着部の入側に流して吸着処理行わせることで、製品ガスの回収能力が高められる。

(2) 吸着工程完了から均圧工程を行う際に、回収条件に達した純度の高い製品ガスを流入先の吸着槽内で拡散させず、製品ガスの回収効率の低下を防止できる。

(3) 各吸着槽からそれぞれ残留ガスを回収するので、均圧工程によって、吸着工程を終えた吸着部内の圧力が低下して、不要なガス成分が吸着剤から分離するまでにより多くの残留ガスが回収でき、回収効率の向上、均圧処理の迅速化が図れる。

(4) 下流側に配置された吸着槽内にある純度の高い製品ガスを、他の吸着部の上流側に配置された吸着槽に流入させず、高い純度の製品ガスの回収量を増やせる。

一実施の形態に係るガス製造装置の一例を示す図である。 均圧工程１におけるガス流路の状態例を示す図である。 吸着タンク内部のガス濃度の状態例を示す図である。 ガス製造装置の吸着・再生工程１におけるガス流路の状態例を示す図である。 制御部の一例を示す図である。 ガス製造処理のタイミングの一例を示す図である。 ガス製造処理の一例を示すフローチャートである ガス製造装置の一例を示す図である 吸着タンクの配置実施例を示す図である ガス製造装置の実施例を示す図である。 ガス製造装置の配管構造の一例を示す図である ガス製造装置の実施例を示す図である。 ガス製造装置の配管構造の一例を示す図である。 比較例を示す図である。

〔一実施の形態〕

図１は、一実施の形態に係るガス製造装置の一例を示している。図１に示す構成は一例であり、本発明が斯かる構成に限定されない。

ガス製造装置２Ａは本開示のガス製造装置の一例であり、吸着部４、６内に充填した吸着剤を利用し、原料ガスから目的とする成分の製品ガスと他の成分のガスとを分離させる、ＰＳＡ式のガス分離機能を備える。そしてガス製造装置２Ａは、分離した一部のガスを製品ガスとして取出す。ガス製造装置２Ａは、吸着工程が完了した時に行う吸着部４、６間の均圧工程において、吸着部４または吸着部６内に残留したガスを回収してガス純度（濃度）の低下を抑える。原料ガスにはたとえば空気が用いられ、酸素や窒素などが製品ガスとして分離される。

ガス製造装置２Ａは、たとえば図１に示すように、原料ガス供給部８からガス取り込み流路１０に流された原料ガスが、流路１２、１４を通じて吸着部４、６に供給される。流路１２、１４には、開閉によりそれぞれ吸着部４、６に対する原料ガスの流入または遮断を切り換える開閉弁Ｖ１、Ｖ２が設置されている。

吸着部４、６は、供給された原料ガスを所定の圧力状態にさせ、原料空気から特定のガス成分を吸着する。吸着部４は、本開示の第１の吸着部の一例であり、複数の吸着タンク４Ａ、４Ｂが連結管路１６を通じて直列に連結される。また吸着部６は、本開示の第２の吸着部の一例であり、複数の吸着タンク６Ａ、６Ｂが連結管路１８を通じて直列に連結される。吸着タンク４Ａ、６Ａは、原料ガスを流す方向に対し、吸着タンク４Ｂ、６Ｂよりも上流側となる。

吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂには、内部に吸着剤が充填されておりタンク内部に流入される原料ガスに接触させる。吸着剤は、たとえば分子ふるい性能を有するカーボン（Carbon）材料、ゼオライト（Zeolite）などであって、粒状のほか膜状に形成されており、原料ガスを接触または通過させることで特定のガス成分を吸着する。ＰＳＡ式ガス分離処理では、原料ガスに含まれる成分に対する吸着させたいガス成分、または分離して取り出したいガス成分に応じて、吸着剤の種類や吸着部４、６の圧力状態が設定される。

原料ガス供給部８は、吸着部４、６内に圧縮した原料ガスを供給する手段の一例であり、たとえば原料ガスを貯めるタンクや原料空気を圧縮する手段としてコンプレッサ（Compressor）などを備える。その他原料ガス供給部８には、図示しない原料ガスの供給量を調整する手段や、ガス成分を検出するガスセンサや圧力センサなどを備えてもよい。

連結管路１６は、吸着タンク４Ａと４Ｂの各端部を直列に連通させる連結手段であって、原料ガスの流動方向に沿い、吸着タンク４Ａの出側と吸着タンク４Ｂの入側とを連結する。また連結管路１８は、吸着タンク６Ａと６Ｂの各端部を直列に連通させる連結手段であって、原料ガスの流動方向に沿い、吸着タンク６Ａの出側と吸着タンク６Ｂの入側とを連結する。連結管路１６、１８は、それぞれ吸着タンク４Ａ、４Ｂまたは吸着タンク６Ａ、４Ｂの管径よりも狭小に形成されている。連結管路１６、１８は、吸着部４、６の中間部分において流路を絞ることで、原料ガスの流れを一定方向に整流させることができる。これにより原料ガスは、たとえば単一幅の長い吸着タンク内を流れる場合に対し、流動途中で流路幅が狭まることで、タンクの壁面側と中央側の間の速度勾配が減少するほか、タンク内部でのカルマン渦の発生による偏流、すなわち乱流状態が抑制される。

吸着部４は、吸着タンク４Ａの出側と吸着タンク６Ａの入側とを連通させる均圧流路２０を備えている。この均圧流路２０は、本開示の第１の連通路の一例であり、吸着部４が吸着工程から均圧工程に移行する際に、吸着タンク４Ａ内に残留したガスを吸着タンク６Ａに流入させる。また吸着部６は、吸着タンク６Ａの出側と吸着タンク４Ａの入側とを連通させる均圧流路２２を備えている。この均圧流路２２は、本開示の第２の連通路の一例であり、吸着部６が吸着工程から均圧工程に移行する際に、吸着タンク６Ａ内に残留したガスを吸着タンク４Ａに流入させる。

均圧流路２０は、たとえば吸着タンク４Ａの出側として、一端が連結管路１６に接続され、他端側が吸着タンク６Ａの入側として流路１４に接続されている。均圧流路２０は、本開示の第１の開閉弁の一例である開閉弁Ｖ８を備えている。均圧流路２２は、たとえば一端が吸着タンク６Ａの出側にある連結管路１８に接続され、他端側が吸着タンク４Ａの入側にある流路１２に接続されている。均圧流路２２は、本開示の第２の開閉弁の一例である開閉弁Ｖ９を備えている。ガス製造処理では、吸着部４、６の均圧工程を行うにときに開閉弁Ｖ８、Ｖ９を開閉させて、均圧流路２０または均圧流路２２を開状態にして残留したガスを流す。

なお、均圧流路２０、２２は、吸着タンク４Ａ、６Ａに残留するガスのみが流れるものではなく、吸着タンク４Ｂ、６Ｂや連結管路１６、１８に残留するガスが流れる場合もある。

各吸着部４、６は、原料ガスの供給側に対して下流方向に、製品ガスを流す製品ガス流路２４、２６が接続され、管路２８を通じて製品タンク３０に製品ガスを供給する。製品ガス流路２４、２６には、それぞれ製品ガスの流動を調整する開閉弁Ｖ５、Ｖ６を備える。またガス製造装置２Ａには、吸着タンク４Ｂ、６Ｂの出側同士を連通させる均圧流路３２を備える。均圧流路３２は、本開示の第３の連通部の一例であり、吸着部４または吸着部６が吸着工程から均圧工程に移行する際に開通させて吸着タンク４Ｂ、６Ｂ間で残留したガスを流す。均圧流路３２は、開閉弁Ｖ７を備える。

＜均圧工程について＞

図２は、均圧工程１におけるガス流路の状態例を示し、図３は、吸着タンク内部のガス濃度の状態例を示している。図２および図３に示す構成や状態例は一例である。

ガス製造装置２Ａでは、吸着工程および再生工程が完了したときに吸着部４、６内の内部圧力を調整する均圧工程を行う。均圧工程１では、たとえば吸着部４側で吸着処理が行われ、かつ吸着部６側で吸着剤の再生工程が行われた時に、内部が高圧状態で残留ガスが残る吸着部４から、次に吸着処理を行う吸着部６側に対して残留ガスを流し込む。これによりガス製造装置２Ａは、吸着部６の内部を一定の圧力状態で吸着工程を開始でき、ガス製造処理の迅速化を図る。また、吸着部４内の残留ガスについて、ガスの回収効率の向上を図る。

ガス製造装置２Ａでは、たとえば図２に示すように、均圧工程１において、均圧流路２０にある開閉弁Ｖ８を開状態にさせる。また下流側の吸着タンク４Ｂは、均圧流路３２にある開閉弁Ｖ７を開状態にすることで均圧準備が完了する。

このガス製造装置２Ａは、直列に連結された吸着タンク４Ａと４Ｂまたは吸着タンク６Ａと６Ｂ内に、ガスの流れ方向に沿って、純度レベルが異なる製品ガスを溜めるように形成されている。吸着部４には、たとえば図３に示すように、下流側に高純度の製品ガスＨＧ、中流側に中純度の製品ガスＭＧ、また上流側に低純度の製品ガスＬＧがある。ガスの吸着処理では、原料ガスが吸着剤を通過した距離または時間などが製品ガスの純度に大きく影響するため、吸着部４の下流側にいくに従って製品ガスの純度が高くなる。吸着タンク４Ａには低純度の製品ガスを溜め、吸着タンク４Ｂには高純度の製品ガスを溜める。吸着処理された製品ガスの純度は、高純度ではたとえば約９９.９９〔％〕であり、中純度ではたとえば約９９〔％〕であり、低純度ではたとえば約７９〜９９〔％〕を想定している。吸着タンク４Ａ、４Ｂ内に溜まる製品ガスの純度は、たとえば吸着剤の能力やタンク長さＬ１、Ｌ２またはタンク内で吸着剤によって形成される流路の長さなどにより異なる。

吸着タンク４Ａ、４Ｂには、たとえば流動方向の長さや幅、もしくは吸着剤を含む収容容積が設定される。吸着タンク４Ａ、４Ｂは、たとえばタンクの幅Ｄと長さＬを利用したＬ／Ｄの値を基準に採用すればよい。このＬ／Ｄ値が大きい程、タンク内に充填された吸着剤に対する原料ガスからの吸着効率が良くなり、製品ガスの純度が高くなる。Ｌ／Ｄ値が大きい程、タンク内でのガスの流路が狭小となり、管路内を流れるガスの速度勾配の影響が抑えられ、吸着剤の一部がガスに接触しない状態となるのを防止できる。しかしＬ／Ｄ値が大きすぎる場合には、吸着タンク４Ａ、４Ｂが長くなり、ガス製造装置２Ａが大型化するほか、流路抵抗の影響が大きくなる可能性もある。従って、吸着タンク４Ａ、４Ｂは、たとえばＬ／Ｄ＝２〜１０となる範囲が望ましい。また吸着タンク４Ａ、４Ｂは、Ｌ／Ｄ＝３〜８がさらによく、Ｌ／Ｄ＝４〜６となるものがより好ましい。

吸着タンク４Ａ、４Ｂは、同じ容積、長さ、幅のものを用いる場合に限られず、タンク毎に異なるものを用いてもよい。吸着タンク４Ａ、４Ｂは、たとえば原料ガスの取り込み容量や流速などの値に基づいて、タンクの容積、長さ、幅を設定してもよい。

ガス製造装置２Ａの均圧工程１では、均圧流路２０が開放されることで、吸着タンク４Ａに残留する中純度の製品ガスから順に、低純度の残留ガスを吸着タンク６Ａの入側に流入させていく。このように高い純度の残留ガスから取出し、吸着部６のガスの流動方向に沿って流すことで、流入先の吸着タンク６Ａ内でも製品ガスの純度の階層状態を維持させる。そして吸着タンク６Ａ内の上流側に溜まる低純度の製品ガスは、吸着工程２において、吸着タンク６Ａ、６Ｂ内で吸着工程を経ることで、純度が高められる。

均圧流路３２は、純度の高い製品ガスが多く含まれている吸着タンク４Ｂ内の残留ガスを吸着タンク４Ａ内の残留ガスと混合させないように、吸着タンク６Ｂの出側に流入させる。

均圧工程１では、複数の吸着タンクを利用し、これらの吸着タンク毎に溜まる製品ガスの純度に応じて残留ガスを回収し、吸着工程を終えた吸着部４内の残留ガスから純度の高い製品ガスを回収する。

なお、吸着部６側の吸着タンク６Ａ、６Ｂは、吸着部４側と同様の条件のものを用いればよい。吸着部４内に残留したガスの純度のレベルは一例であり、たとえばガスのレベルを高純度ガスＨＧと低純度ガスＬＧの２つ基準を想定してもよく、または４つ以上の基準を想定してもよい。

また、均圧工程２は、たとえば吸着部６側の吸着工程２が完了した後に行う。この均圧工程２では、開閉弁Ｖ９を開状態にし、均圧流路２２を導通させる。これにより、吸着タンク６Ａ内に溜まった中純度以下の製品ガスを含む残留ガスを吸着タンク４Ａの入側に流入させて、均圧状態にする。さらに吸着タンク６Ｂは、開閉弁Ｖ７が開状態になることで、均圧流路３２を通じて、高純度の製品ガスを含む残留ガスを吸着タンク４Ｂの出側に流して均圧状態にする。

＜吸着・再生工程について＞

図４は、ガス製造装置の吸着・再生工程１におけるガス流路の状態例を示している。

ガス製造処理では、たとえば吸着・再生工程１として、吸着部４側に原料ガスを流入させ、吸着処理により製品ガスを発生させるとともに、吸着部６側で吸着剤の再生処理を行う。再生処理は、吸着剤に吸着したガス成分を分離させ、排気ガスとして吸着部６から排出して、吸着剤を再生させる。また、ガス製造処理では、吸着・再生工程２として、吸着部６側に原料ガスを流して製品ガスを発生させるとともに、吸着部４側で再生処理を行う。

吸着・再生工程１では、たとえば図４に示すように、開閉弁Ｖ１、Ｖ５を開状態にし、吸着部４側に原料ガスを流すガス流路を形成するとともに、開閉弁Ｖ４を開状態にして吸着部６から流路１４を通じて排気管路４０側にガス流路を形成する。また、吸着・再生工程２では、たとえば開閉弁Ｖ２、Ｖ６を開状態にし、吸着部６側に原料ガスを流すガス流路を形成するとともに、開閉弁Ｖ３を開状態にして吸着部４から流路１２を通じて排気管路３８側にガス流路を形成する。

排気管路３８、４０は、吸着部４、６内のガスを外部に排気する手段の一例であり、開閉弁Ｖ３、Ｖ４によってそれぞれの排気流路の開閉が切り換えられる。この排気管路３８、４０は、たとえば吸着部４、６よりも上流側に形成されており、流路１２、１４に連結させるほか、吸着タンク４Ａ、６Ａの一部に直接連結させてもよい。その他、排気管路３８、４０は、吸着部４、６よりも下流側に接続してもよい。

吸着部４、６には、それぞれの出側同士を連通させる管路３４を備えている。この管路３４は、本開示の第４の連通部の一例であり、一部にオリフィス３６を備え、吸着タンク４Ｂ、６Ｂ間で製品ガスを流動させている。

吸着部６では、再生工程１の実行時に、開閉弁Ｖ４を開いてタンク内の圧力を大気圧に開放するとともに、吸着部４側から管路３４を通じて高純度の製品ガスを流すことで、原料ガスから分離した特定のガス成分が吸着剤から離されて吸着部外に排出される。ＰＳＡ方式のガス製造処理では、吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂ内の圧力を所定値に上げることで、吸着させたい特定のガス成分に対する吸着剤の吸着能力を高めている。逆に再生処理では、吸着部６内を減圧して吸着能力を低下させることで、特定のガス成分を離脱させていく。その後、吸着部６内の圧力が大気圧になると、吸着剤は特定のガス成分が豊富な状態となり、同時に吸着剤の周りも、特定のガス成分が豊富な状態となる。そのため、吸着剤は、それ以上特定のガス成分を脱着しなくなる。そこで、ガス製造装置２Ａでは、オリフィス３６を通じて吸着部６内に製品ガスを適量流入させると、吸着剤の周りに製品ガスが送り込まれて酸素ガスが追い出される。吸着剤は、特定のガス成分が吸着している細孔内とその周囲の特定のガス成分濃度に差ができ、この特定のガス成分の拡散力で、製品ガスとの置換が進んで脱着させることができる。これにより再生処理が完了する。

再生工程２では、たとえば開閉弁Ｖ３を開くとともに、吸着部４が吸着部６から製品ガスを取り込み、特定ガスの排出を行う。

ガス製造装置２Ａの制御は、制御部４２（図１）が行う。この制御部４２は、たとえばガス製造処理として、吸着・再生工程および均圧工程に関する制御やそれらの工程切換え制御、開閉弁Ｖ１〜Ｖ９の開閉制御、原料ガス供給部８に対するガス供給制御、その他、各工程の実行時間の管理やガス成分の監視制御などを行う。

＜制御部の構成について＞

図５は制御部の一例を示す図である。

制御部４２は、たとえばガス製造装置２Ａの筐体内部に収納される制御基板やシーケンサなどのＰＬＣ（Programmable Logic Controller）であって、コンピュータで形成される。また制御部４２は、筐体外部に配置されたＰＣ（Personal Computer）などを利用してもよい。制御部４２は、たとえばプロセッサ（Processor）５０、メモリ５２、タイマ５４、Ｉ／Ｏ（Input／Output）５６等が含まれる。

プロセッサ５０は、ガス製造装置２Ａの基本動作を制御するＯＳ（Operating System）や吸着・再生工程や均圧工程における原料ガス供給部８や開閉弁Ｖ１〜Ｖ９等の動作を制御するプログラムの演算手段の一例である。メモリ５２は、記憶手段の一例であり、ＯＳや各種プログラムを格納するＲＯＭ（Read Only Memory）などの記憶領域や、プロセッサ５０によるプログラムの演算処理を実行させるためのＲＡＭ（Random Access Memory）などの処理領域が含まれる。タイマ５４は、吸着・再生工程、均圧工程などの処理時間を計時する手段の一例であり、ハードウェアとしてのタイマのほか、プログラムの実行により計時するソフトウェアタイマであってもよい。Ｉ／Ｏ５６は、制御部４２の外部インターフェースの一例であり、信号ケーブル用のコネクタや無線通信を利用する場合の送受信コネクタを備えてもよく、制御対象である開閉弁Ｖ１〜Ｖ９やその他の装置と接続される。

＜ガス製造処理の流れについて＞

図６は、ガス製造処理のタイミングの一例を示す図である。図６に示すタイミングや監視データは一例である。

原料ガスの吸着工程１、２は、図６に示すように、異なるタイミングで行われる。ガス製造処理では、吸着部４側の吸着工程１と吸着部６側の再生工程１とが同じ期間で行われ、別タイミングで、吸着部４側の再生工程２と吸着部６側の吸着工程２が同じ期間で行われる。また吸着・再生工程１と吸着・再生工程２との間には、それぞれ均圧工程１、２を実行する。各開閉弁Ｖ１〜Ｖ９は、吸着工程を実行する吸着部４、６側に原料ガスを流入し、製造された製品ガスを製品タンク３０側に流す回路を形成するとともに、再生工程を実行する吸着部４、６側を他の吸着部４、６から遮断し、排気通路を形成する。均圧工程では、吸着工程の実行に応じて、均圧流路２０、２２のいずれかを形成する。

ここで、制御部４２は、排気流路を開閉する開閉弁Ｖ３、Ｖ４に対し、再生工程の完了よりも所定時間Ｔ３だけ前に閉止させている。吸着・再生工程１の開始をガス製造処理のスタート（０）とすれば、均圧工程１が完了して時間Ｔ２が経過すると、吸着工程の実施時間Ｔ１よりも時間Ｔ３だけ前の時刻ＴＡになると制御部４２が開閉弁Ｖ４をＯＦＦさせえる。また開始時刻ＴＢになると、吸着部６側の吸着工程２が開始され、所定時間Ｔ１が経過して時刻ＴＤになるまで行われる。この時刻ＴＤよりも所定時間Ｔ３前の時刻ＴＣになると、開閉弁Ｖ３を閉止する。このように開閉弁Ｖ３、Ｖ４の開閉スピードに応じて閉止させることで、均圧されたガスが排気弁から漏れることを防ぎ、回収ガスを確実に再生側のタンクに移すことができる。なお、開閉弁Ｖ３、Ｖ４の開閉タイミングは、その開閉スピードに合せて設定すればよく、時間Ｔ３は、たとえば０〜５〔Ｓ〕に設定すればよい。

吸着・再生工程１を行った吸着部４では、内部の圧力が初期値Ｐ１から時間経過に応じて徐々に増加し、吸着工程完了時に所定値Ｐ２になる。吸着部４は、供給される原料ガスを継続的に吸着し、タンク内部に分離した不要なガスが溜まっていくことで、圧力値が上昇していく。初期値Ｐ１は、たとえば吸着部によって原料ガスから製品ガス以外のガス成分の吸着に適した圧力値が設定される。再生工程１では、吸着部６内を大気圧に開放するので、内部圧力が略０となる。また製品タンク３０内は、製品ガスが溜まっていくことで圧力値が上昇していく。

均圧工程１では、吸着部４側から吸着部６側に製品ガスを供給することで、吸着部４の圧力は、たとえば初期値Ｐ１となる。このとき吸着部６側では、均圧工程１によって、圧力値０から初期圧力値Ｐ１に回復させる。

なお、吸着・再生工程、均圧工程の実行時間は、一定の値に限られず、変動させてもよい。この場合、制御部４２は、たとえば予め実験により吸着時間と圧力との関連条件に基づいて工程時間を設定してもよい。

＜ガス製造処理について＞

図７はガス製造処理の一例を示すフローチャートである。図７に示す処理手順、処理内容は一例であり、処理手順や処理内容に限定されるものではない。

＜吸着・再生工程１＞

このガス製造処理は、本開示のガス製造処理方法や製造処理プログラムの一例であり、工程処理と開閉弁の開閉制御が含まれる。ガス製造処理では、吸着・再生工程１の開始処理が行われる（Ｓ１）。この開始処理では、たとえば要求に応じてガスの製造流量などに基づいて原料ガス供給部８に対して原料ガスの供給量の設定などの指示が行われる。また、制御部４２は、タイマ５４による計時情報を利用して吸着・再生工程の実行時間の管理処理を行う。

制御部４２は、開閉弁Ｖ１、Ｖ４、Ｖ５を開状態にするとともに、他の開閉弁Ｖ２、Ｖ３、Ｖ６〜Ｖ９を閉状態にする（Ｓ２）。開閉弁Ｖ１を開状態にさせて原料空気を吸着タンク４Ａ、４Ｂに導入させる。これにより吸着タンク４Ａ、４Ｂ内の圧力が上昇し、吸着剤によって特定のガス成分が優先的に吸着されていき、製品ガスの濃度（純度）が高まる。製品ガスは、開状態の開閉弁Ｖ５を通じて製品タンク３０に溜められ、高濃度ガスとして供給される。吸着部６では、排気流路の開放により内部圧力が低下していき、吸着剤に付着したガス成分が分離する。吸着部４側から吸着部６に製品ガスの一部がオリフィス３６を通過して流入すると、残留したガス成分が排気流路側に流され、吸着剤が再生する。

制御部４２は、タイマ５４から計時情報を受け、所定時間Ｔ１としてたとえば、２０〜１８０〔秒〕が経過したか否かを判断する（Ｓ３）。吸着・再生工程１は、所定時間Ｔ１が経過するまで（Ｓ２のＮＯ）継続する。この所定時間Ｔ１の値は一例であり、より好ましくは、３０〜６０〔秒〕の範囲である。

その他、制御部４２では、所定時間Ｔ１の計時とともに、この所定時間Ｔ１が経過する前の所定時間Ｔ３が経過したか否かを監視してもよい。これにより、再生工程の実行時間が所定時間Ｔ３未満になった時に開閉弁Ｖ４を先に閉止させる。

＜均圧工程１＞

吸着・再生工程１が完了すると（Ｓ３のＹＥＳ）、ガス製造装置２Ａでは、均圧工程１を開始させる（Ｓ４）。この処理では、たとえば原料ガス供給部８の停止や、製品タンク３０内の残量ガス監視等を行う。制御部４２は、タイマ５４による計時情報を利用して均圧工程の実行時間の管理処理を行う。

制御部４２は、開閉弁Ｖ７、Ｖ８を開状態にし、他の開閉弁を閉状態にして（Ｓ５）、加圧状態の吸着タンク４Ａ、４Ｂ内の残留した製品ガスを吸着タンク６Ａ、６Ｂ側に流して均圧する。

制御部４２は、タイマ５４から計時情報を受け、所定時間Ｔ２としてたとえば、１〜１０〔秒〕が経過したか否かを判断する（Ｓ６）。均圧工程１は、所定時間Ｔ２が経過するまで（Ｓ６のＮＯ）継続する。この所定時間Ｔ１の値は一例である。均圧工程１では、吸着タンク４Ａ、４Ｂおよび吸着タンク６Ａ、６Ｂ内のそれぞれの圧力が、たとえば均圧工程開始時の初期圧力の１／５〜１／２の範囲に減圧または昇圧させる。

均圧工程では、吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂ内の圧力値について、たとえば予め実験などにより設定した条件に基づいて所定時間Ｔ２を設定すればよく、その他、圧力センサなどを用いて圧力状態を監視してもよい。

＜吸着・再生工程２＞

均圧工程１が完了すると（Ｓ６のＹＥＳ）、吸着部６側で原料ガスの吸着工程を行い、吸着部４側で分離したガスを排気する再生行程を行う吸着・再生工程２の開始処理が行われる（Ｓ７）。制御部４２は、吸着・再生処理１と同様に、原料ガスの供給指示や、処理時間の監視を開始する。制御部４２は、開閉弁Ｖ２、Ｖ３、Ｖ６を開状態にするとともに、他の開閉弁を閉状態にして（Ｓ８）、吸着部６側に原料ガスの流入路および製品タンク３０側への供給流路を形成し、吸着部４側に排気流路を形成する。

制御部４２は、タイマ５４から計時情報を受け、所定時間Ｔ１としてたとえば、２０〜１８０〔秒〕が経過したか否かを判断する（Ｓ９）。吸着・再生工程２は、所定時間Ｔ１が経過するまで（Ｓ９のＮＯ）継続する。

＜均圧工程２＞

吸着・再生工程２が完了すると（Ｓ９のＹＥＳ）、ガス製造装置２Ａでは、均圧工程２を開始させる（Ｓ１０）。均圧工程２の開始処理については、均圧工程１の場合と同様であり、説明を割愛する。

制御部４２は、開閉弁Ｖ７、Ｖ９を開状態にし、他の開閉弁を閉状態にして（Ｓ１１）、加圧状態の吸着タンク６Ａ、６Ｂ内の残留した製品ガスを吸着タンク４Ａ、４Ｂ側に流して均圧する。制御部４２は、タイマ５４から計時情報を受け、所定時間Ｔ２が経過したか否かを判断する（Ｓ１２）。均圧工程２は、所定時間Ｔ２が経過するまで（Ｓ１２のＮＯ）継続する。

ガス製造処理では、斯かる吸着・再生工程１、均圧工程１、吸着・再生工程２、均圧工程２を１セットとして、２つの吸着部４、６で交互に製品ガスの製造が行える。均圧工程２が完了した後も製品ガスの製造を継続する場合、再び吸着・再生工程１から行えばよい。

＜ガス製造装置の変形例について＞

図８はガス製造装置の一例を示す図である。

このガス製造装置２Ｂは、たとえば吸着部４、６を含む複数のガス製造ユニット２−１、２−２、・・・２−Ｎ（Ｎは自然数）を並列に連結している。各ガス製造ユニット２−１、２−２、・・・２−Ｎは、それぞれ吸着部４、６間で交互に吸着・再生工程、均圧工程を含むガス製造機能を備えており、１ユニットずつ動作させることができる。このガス製造装置２Ｂは、たとえば図示しない制御部４２からの指示に基づいて、ユニット毎の稼動数を増減させることができる。すなわち、製品ガスの要求量が多い場合には、稼動するユニット数を増やして製品ガスの供給能力を増やし、要求量が少ない場合には、稼動するユニット数を減らし、または予め限定したユニットのみを稼動させることができる。

また、このようなガス製造ユニット２−１、２−２、・・・２−Ｎを組み合わせ、一部のユニットが故障した場合でも、停止中のユニットを稼動させることで、要求された流量の製品ガスを供給することが可能となる。

＜一実施の形態の効果＞

次に、この実施の形態に示す構成により実現できる効果について列挙する。

(1) 各吸着部４、６に対し、吸着タンク４Ａ、４Ｂまたは吸着タンク６Ａ、６Ｂ内に、ガスの流動方向に沿って段階的に純度が異なる製品ガスを溜めることができる。そして、これらの吸着部４、６を連通させてタンク内に残留した製品ガスを回収することで、原料ガスに対する製品ガスの回収効率を高めることができる。

(2) 上流側の吸着タンク４Ａ、６Ａ同士を連通させ、かつ下流側の吸着タンク４Ｂ、６Ｂ同士を連通させることで、均圧工程において、残留した高純度の製品ガスと、低純度のガスとが混合するのを防止でき、製品ガスの回収効率を低下させない。

(3) 下流側に配置された吸着タンク４Ｂ、または吸着タンク６Ｂ内にある純度の高い製品ガスを、他の吸着部の上流側に配置された吸着タンクに流入させず、高い純度の製品ガスの回収量を増やせる。

(4) 上流側の吸着タンク４Ａ、６Ａについて、それぞれの出側と入側が交互に連通され、均圧工程では、吸着タンク４Ａ（６Ａ）の出側から吸着タンク６Ａ（４Ａ）の入側に向けて残留ガスを流入させるので、流入先のタンク内で純度の高い製品ガスが拡散し、純度が低下するのを防止できる。すなわち、均圧流路２０、２２では、吸着タンク４Ａ、６Ａ内の残留ガスについて、純度の高いほうから順に流すことで、均圧工程前後で、吸着タンク４Ａ、６Ａ内での製品ガスの純度の状態が維持でき、製品ガスの回収効率が高められる。

(5) 上流側の残留ガスは、均圧工程において、純度に応じて、吸着タンク４Ａ、６Ａの流入先が決まり、次の吸着工程において、再度製品ガスの吸着工程が行われるので、製品ガスの純度が上がり、回収率を上げることができる。

(6) 吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂ間を狭小な連結管路１６、１８によって絞ることで、タンク壁面と中央部分との速度勾配による影響を抑えられ、吸着部４、６内のガスの流れが安定化し、吸着効率を上げることができる。また、均圧工程では、この狭小な連結管路１６、１８を通じて吸着タンク４Ａまたは吸着タンク６Ａ内の残留ガスを他の吸着部側に流すことで、純度の異なる製品ガスが混合するのを抑えられ、製品ガスの回収効率が高められる。

(7) 各吸着タンクのＬ／Ｄを大きい値に設定して細長い管路にすることで、内部でガスが渦を巻きにくくする。これにより吸着剤内を層流状態またはそれに近い流れで通すことができ、吸着機能の向上を図れる。また吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂを絞ることで、圧縮された原料ガスが吸着タンク内に充填された吸着剤の層密度が薄い部分や、圧力が小さい部分に集中して流れることで、部分的に吸着効率が悪くなる、所謂ショートパスの発生を防止できる。

(8) 各吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂからそれぞれ残留ガスを回収するので、均圧工程によって吸着工程を終えた吸着部内の圧力が低下し、不要なガス成分が吸着剤から分離するまでにより多くの残留ガスが回収でき、回収効率の向上、均圧処理の迅速化が図れる。

(9) ガス製造装置２Ａは、従来、吸着部毎に設置した単一の吸着タンクを用いた場合に対し、複数の小型の吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂを用いて同じ容積とすることで、加工性や可搬性の向上、配置の自由度の向上、部品交換の容易化などのメンテナンス性の向上が図れる。

(10) 従来の大型タンクと同等のガス製造能力に対し、小型のタンクに関する規格や安全基準、認可などが適用できるなどの有利な点がある。

(11) 小型の吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂを用いることで、吸着剤の使用量を減らすことができる。

(12) 小型の吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂを連結して配置することで、ガス製造装置の低背化、省スペース化が図れ、従来のガス製造装置と同じ設置スペースであれば、より多くのタンクを配置でき、ガスの製造量が高められる。

(13) 吸着タンクを小型化するとともに、原料ガスから製品ガスの回収効率が上げられるので、供給する原料ガスの流量を抑えられるなど、省電力化が図れる。

〔実施例〕

図９は、吸着タンクの配置実施例を示す図である。図９に示す構成は一例である。

吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂは、たとえば中空な円筒部材で形成されており、同等な高さで並列に配置される。吸着タンク４Ａ、４Ｂはたとえば開口した両端面側にそれぞれ蓋部材７０、７２を密着させており、内部に充填した吸着剤および流入したガスが漏れ出るのを阻止している。吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂは、たとえば蓋部材７２側の端面を支持筐体６０Ａ、６０Ｂの載置面６２に載置され、図示しない固定手段によって固定支持される。この蓋部材７０、７２には、それぞれ、コネクタ部７４、７６が設置されており、原料ガスを流す管路やタンク同士を連通させる管路などが接続される。蓋部材７０、７２は、たとえば支持筐体６０Ａ、６０Ｂや図示しない他の筐体に対して固定手段で固定されるほか、蓋部材７０、７２同士を図示しない固定手段で一体化させる。

この支持筐体６０Ａ、６０Ｂは、本開示の支持筐体の一例であって、吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂを設定した高さに配置させて固定支持する。支持筐体６０Ａは、たとえば吸着部４である吸着タンク４Ａ、４Ｂを支持し、支持筐体６０Ｂはたとえば吸着部６である吸着タンク６Ａ、６Ｂを支持させることで、吸着部４、６毎に吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂをユニット化することができる。この支持筐体６０Ａ、６０Ｂは、たとえば金属材料で形成されており、側面部分に立壁部６４が形成されることで、床面に対して載置面６２を所定の高さすることができる。また載置面６２の背面側には、たとえば管路や弁、その他の部品を配置させ、収納するための収納空間６６が形成される。また載置面６２には、蓋部材７２のコネクタ部７６やこのコネクタ部７６に接続された管路を収納空間６６側に配置させる貫通孔が形成されている。この貫通孔は、本開示のガス導入部の一例である。

その他支持筐体６０Ａ、６０Ｂには、たとえば載置面６２にガスの流路を設置するための配管コネクタ７８、８０を備えるほか、立壁部６４の一面側に複数の配管コネクタ９０、９２、９４、９６が設置される。

なお、支持筐体６０Ａ、６０Ｂは、たとえば連結可能にしてもよく、または一体に形成してもよい。

次に、支持筐体６０Ａ、６０Ｂを利用したガス製造装置の配管構成例について説明する。

＜Ｕ字設置の場合の配管の一例＞

図１０は、ガス製造装置の実施例を示す図である。

ガス製造装置２Ｃは、並列に配置した複数の吸着タンク４Ａ、４Ｂ間、および吸着タンク６Ａ、６Ｂ間を直列に連結させるために、それぞれの上面部同士を連結させた、所謂「Ｕ字設置」を採用している。このガス製造装置２Ｃでは、たとえば図１０に示すように、ガス取り込み流路１００から原料ガスを取り込み、開閉弁Ｖ１、Ｖ２が設置された流路１０２、１０４を通じて、吸着タンク４Ａ、６Ａの入側である底面部分に原料ガスが供給される。吸着タンク４Ａ、４Ｂの出側である上面部分に連結管路１０６、１０８が接続されており、吸着タンク４Ｂ、６Ｂの入側である上面部分に原料ガスが導かれる。

この連結管路１０６、１０８は、均圧流路１１０、１１２が分岐しており、それぞれ吸着タンク６Ａ、４Ａの入側に接続する流路１０４、１０２に合流する。これにより均圧工程において吸着タンク４Ａ、６Ａの出側から他の吸着タンク６Ａ、４Ａの入側に連通させて、残留ガスを流すことができる。

吸着部４、６で製造された製品ガスは、吸着タンク４Ｂ、６Ｂの出側である底面部分から、それぞれ開閉弁Ｖ５、Ｖ６が設置された製品ガス流路１１４、１１６を通じて管路１１８に流され、製品タンク３０内に導かれる。

製品ガス流路１１４、１１６は、一部が分岐されており、開閉弁Ｖ７を備えた均圧流路１２０によって連結される。これにより、均圧工程において、下流側の吸着タンク４Ｂ、６Ｂの出側同士が連結されて、純度の高い残留ガスを流すことができる。

また、流路１０２、１０４には、たとえばそれぞれ開閉弁Ｖ１、Ｖ２の後に分岐され、排気管路１２２、１２４が接続されている。再生工程では、吸着タンク４Ａ、６Ａの入側から排出された排気ガスが流路１０２、１０４の一部を逆流し、排気管路１２２、１２４を通じて装置外部に排出される。

図１１は、ガス製造装置の配管構造の一例を示している。

図１１に示すガス製造装置２Ｄは、たとえば「Ｕ字設置」を採用したガス流路について、開閉弁Ｖ１〜Ｖ９の配置や連結状態の実施例を示している。このガス製造装置２Ｄでは、一部の開閉弁が支持筐体６０Ａ、６０Ｂを介して設置されるほか、収納空間６６を通じて流路が配管される。ここでは、原料ガスの流れ方向に沿って、配管状態を説明する。

このガス製造装置２Ｄでは、たとえば装置の左右側に設置されたガス取り込み流路１３０、１４０を通じて原料ガスを取り込み、開閉弁Ｖ１、Ｖ２および分岐管路１３２、１４２に接続された流路１３４、１４４を通過させ、配管コネクタ９０、９４を通って吸着タンク４Ａ、６Ａの底面部分に原料ガスが供給される。吸着タンク４Ａ、６Ａ内を上昇して、その出側に達した原料ガスは、蓋部材７０のコネクタ部７４側に流される。このコネクタ部７４には、図示しない連結管路が接続される。

連結管路は、図示しない吸着タンク４Ｂ、６Ｂに原料ガスを流す管路であり、その一部に均圧流路１５０、１５２が連結される。均圧流路１５０、１５２は、設置された開閉弁Ｖ８、Ｖ９の開閉に応じて、吸着タンク４Ａ、６Ａを通過した原料ガスをガス取り込み流路１４０、１３０側に流す流路である。すなわち、この均圧流路１５０、１５２は、均圧工程において、吸着タンク４Ａ、６Ａ同士の出側と入側とを互いに連結している。ガス取り込み流路１４０、１３０に流された原料ガスは、分岐管路１３２、１４２を通じて吸着タンク４Ａ、６Ａに流入する。

ガス取り込み流路１３０、１４０に連結された分岐管路１３２、１４２は、それぞれ排気管路１３６、１４６が接続されている。排気管路１３６、１４６は、たとえば再生工程において、吸着タンク４Ａ、６Ａの入側から排出されたガスが配管コネクタ９０、９４を通じて流路１３４、１４４に逆流したガスが流れ込み、配管コネクタ７８、８０を通じて装置外部に排出させる。

また、ガス製造装置２Ｄには、たとえば吸着部４、６の前面中央側に、開閉弁Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７が連結された管路が形成されており、その下部側の一部に配管コネクタ９２、９６に対して製品ガス流路１６０、１６２が接続される。配管コネクタ９２、９６は、収納空間内を通じて図示しない吸着タンク４Ｂ、６Ｂの出側に接続された流路に接続されており、製品ガスが流される。製品ガスは、製品ガス流路１６０、１６２から開閉弁Ｖ５、Ｖ６を通過し、管路１６８から図示しない製品タンクに流される。

その他、製品ガス流路１６０、１６２と開閉弁Ｖ５、Ｖ６の間には、開閉弁Ｖ７に接続される均圧流路１６４Ａ、１６４Ｂが分岐されるほか、オリフィス１６６を備えた管路が形成される。均圧流路１６４Ａ、１６４Ｂは、均圧工程において、吸着タンク４Ｂ、６Ｂ同士を連通させる。

開閉弁Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７を備えた管路は、たとえば吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂに対して下部側の高さに配置されるものに限られず、その上部側の高さに合せて配置してもよい。これらの管路は、たとえば図示しないガス製造装置２Ｄの外部筐体によって固定支持すればよい。

＜Ｓ字設置の場合の配管の一例＞

図１２は、ガス製造装置の実施例を示す図である。

ガス製造装置２Ｅは、たとえば並列に配置された吸着タンク４Ａ、４Ｂ間、および吸着タンク６Ａ、６Ｂ間を直列に連結させるために、上面側の端面と底面側の端面とを連結させる、所謂「Ｓ字設置」が採用されている。

このガス製造装置２Ｅは、たとえば図１２に示すように、ガス取り込み流路２００から原料ガスを取り込み、開閉弁Ｖ１、Ｖ２が設置された流路２０２、２０４を通じて、吸着タンク４Ａ、６Ａの入側である底面部分に原料ガスが供給される。吸着タンク４Ａ、４Ｂの出側である上面部分には、連結管路２０６、２０８が接続されている。吸着タンク４Ａ、６Ａを通過した原料ガスは、連結管路２０６、２０８を通じて吸着タンク４Ｂ、６Ｂの底面側に導かれる。すなわち、「Ｓ字設置」のガス製造装置２Ｅでは、各吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂの底面部分を入側、上面部分を出側とし、全てのタンク内でガスを上昇方向に流すように流路を接続している。

連結管路２０６、２０８は、流路上で均圧流路２１０、２１２が分岐しており、それぞれ吸着タンク６Ａ、４Ａの入側への流路２０４、２０２に合流する。これにより均圧工程において吸着タンク４Ａ、６Ａの出側から他の吸着タンク６Ａ、４Ａの入側を連通させて、残留ガスを流すことができる。

吸着部４、６で製造された製品ガスは、吸着タンク４Ｂ、６Ｂの上面部分から、それぞれ開閉弁Ｖ５、Ｖ６が設置された製品ガス流路２１４、２１６を通じて管路２１８に流され、製品タンク３０内に導かれる。

製品ガス流路２１４、２１６は、一部が分岐されており、開閉弁Ｖ７を備えた均圧流路２２０によって連結される。これにより、均圧工程において、下流側の吸着タンク４Ｂ、６Ｂの出側同士が連結されて、純度の高い残留ガスを流すことができる。

また、流路２０２、２０４には、たとえばそれぞれ開閉弁Ｖ１、Ｖ２の後の分岐点２０１、２０３に、排気管路２２２、２２４が接続されている。再生工程では、吸着タンク４Ａ、６Ａの入側から排出された排気ガスが流路２０２、２０４の一部を逆流し、排気管路２２２、２２４を通じて装置外部に排出される。

図１３は、ガス製造装置の配管構造の一例を示している。

図１３に示すガス製造装置２Ｆは、「Ｓ字設置」を採用したガス流路について、開閉弁Ｖ１〜Ｖ９の配置や連結状態の実施例を示している。このガス製造装置２Ｆでは、一部の開閉弁が支持筐体６０Ａ、６０Ｂを介して設置されるほか、収納空間６６を通じて流路が配管される。

ガス製造装置２Ｆでは、たとえば装置の左右側に設置されたガス取り込み流路２３０、２４０を通じて原料ガスを取り込み、開閉弁Ｖ１、Ｖ２および分岐管路２３２、２４２に接続された流路２３４、２４４を通過させ、配管コネクタ９０、９４を通って吸着タンク４Ａ、６Ａの底面部分に原料ガスを供給する。吸着タンク４Ａ、６Ａ内を上昇して、その出側に達した原料ガスは、蓋部材７０のコネクタ部７４側に流される。このコネクタ部７４には、連結管路２５０、２５２が接続されている。原料ガスは、連結管路２５０、２５２によって、支持筐体６０Ａ、６０Ｂの収納空間６６を介して吸着タンク４Ｂ、６Ｂの底面側に流される。

連結管路２５０、２５２には、一部に均圧流路２６０、２６２が連結されている。均圧流路２６０、２６２は、開閉弁Ｖ８、Ｖ９が設置された流路２５４、２５６に接続されており、開閉弁Ｖ８、Ｖ９の開閉に応じて、吸着タンク４Ａ、６Ａを通過した原料ガスをガス取り込み流路２４０、２３０側に流す。すなわち、この均圧流路２６０、２６２および流路２５４、２５６は、均圧工程において、吸着タンク４Ａ、６Ａの出側と他の吸着タンク６Ａ、４Ａの入側とを連通し、原料ガスを吸着タンク４Ａ、６Ａ内に流入させる。

ガス取り込み流路２３０、２４０に連結された分岐管路２３２、２４２には、それぞれ排気管路２３６、２４６が接続されている。排気管路２３６、２４６は、たとえば再生工程において、吸着タンク４Ａ、６Ａの入側から排出されたガスが配管コネクタ９０、９４を通じて流路２３４、２４４に逆流させたガスが流れこみ、配管コネクタ７８、８０を通じて装置外部に排出させる。

また、吸着部４、６の前面中央側には、開閉弁Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７が連結された管路が配置されており、上部側に吸着タンク４Ｂ、６Ｂの出側と接続する製品ガス流路２７０、２７２が接続される。製品ガス流路２７０、２７２から取り込んだ製品ガスは、開閉弁Ｖ５、Ｖ６を通過し、管路２５８を通じて製品タンク側に供給される。また製品ガス流路２７０、２７２は、一部が分岐されており、開閉弁Ｖ７を備えた均圧流路２６６で合流するほか、オリフィス２７４を備えた管路が形成される。均圧流路２６６は、既述のように、均圧工程において、吸着タンク４Ｂ、６Ｂ間で製品ガスを流すのに用いられる。

開閉弁Ｖ５、Ｖ６、Ｖ７を備えた管路は、たとえば吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂに対して下部側の高さに配置されるものに限られず、その上部側の高さに合せて配置してもよい。これらの管路は、たとえば図示しないガス製造装置２Ｄの外部筐体によって固定支持すればよい。

なお、ガス製造装置２Ｃ〜２Ｆに形成される流路は、たとえば屈曲させた金属製の管路を利用するほか、樹脂等のフレキシブルな材質の管路を利用してもよい。

＜実施例の効果＞

この実施例の構成によれば、次のような効果も期待できる。

(1) 小型の吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂを並列に配置させ、それぞれ変形可能な管路で連結させることで、ガス製造装置の小型化、省スペース化や低背化が図れる。

(2) 支持筐体６０Ａ、６０Ｂ、および蓋部材７０、７２を介して固定支持させることで、吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂを安定支持でき、ガス製造装置の安全性が高められる。

(3) 支持筐体６０Ａ、６０Ｂによりユニット化することで、吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂの可搬性や部品交換性、配置の自由度が高められる。

(4) タンクの容積を小さくできるので、吸着工程時の内部圧力も小さくなり、ガス洩れや装置の一部が破損した場合でも、外部への影響を小さくできるので、安全性が高められる。

(5) 各吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂに対し、開閉弁Ｖ１〜Ｖ９またはその一部を装置の下方側や前面側に集約して配置し、ガス製造装置を低重心化させることで、設置状態の安定化を図ることができる。

(6) 複数の吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂや管路および開閉弁Ｖ１〜Ｖ９の全部または一部を共通の支持筐体６０Ａ、６０Ｂで支持させることで、ガス製造装置の使用環境に関わらず、支持状態の安定化を図ることができる。すなわち、ガス製造装置２Ｃ〜２Ｆは、設置環境を選ばない。

(7) 小型のタンクを複数利用することで、部品毎の分解や組立て処理の容易化が図れる。また部品毎のメンテナンス性の向上、および吸着剤や開閉弁などの交換作業の容易化が図れる。

〔比較例〕

次に、吸着部４、６を複数の吸着タンク４Ａ、４Ｂまたは吸着タンク６Ａ、６Ｂを直列に連結した場合について比較例を示す。図１４は、吸着タンクの比較例を示している。

この比較例では、吸着部４、６が容積Ｖとしてたとえば２００〔Ｌ〕で形成される場合の例を示す。本発明の吸着部４、６は、たとえば図１４のＡに示すように、幅Ｄ１＝Ｄ２＝２９１〔ｍｍ〕、長さＬ１＝Ｌ２＝１５００〔ｍｍ〕である。この時の長さと幅の比率Ｌ／Ｄは、５．１５となる。

比較対象１のタンクは、たとえば図１４のＢに示すように、吸着タンク４Ａ、４Ｂよりも幅Ｄが広く設定されている。この比較対象１ではたとえば幅Ｄ３＝５００〔ｍｍ〕となり、容積を同じにすることで、長さＬ３＝１０００〔ｍｍ〕となる。この長さと幅の長さ比は、たとえばＬ／Ｄ＝２となる。

比較対象２のタンクは、たとえば図１４のＣに示すように、単一の管路であって、幅Ｄ４＝２９１〔ｍｍ〕とし、本発明の吸着タンク４Ａ、４Ｂと同様に管路幅を設定している。また比較対象２のタンクは、容積および幅Ｄの値に基づいて、長さＬ４＝３０００〔ｍｍ〕で形成されており、その長さと幅の比率が、Ｌ／Ｄ＝１０．３となる。

管路内に流れるガスは、流速が管の中央側で速く、管壁面に近づくにつれて遅くなる、速度勾配が生じる。この速度勾配は、たとえば流れるガスの粘性やタンクの内壁やまたは内部に充填された吸着剤との間の流動抵抗などが影響する。流れによって生じるガスの速度勾配は、たとえば、ガスの流速などの影響も受けるが、タンク内の流れが進むに従って、勾配が多くなり、吸着タンク内の下流側において、流れの差が生れてしまう。このような流れの差が生まれると、ガスの先端側に、ガスが流れにくくなるデッドスペースＸが生じてしまう場合がある。このようなデッドスペースＸが大きくなると、吸着剤の一部側に集中してガスが流れることになり、吸着能力が落ち、ガスの純度が低下するおそれがある。

デッドスペースＸは、たとえば比較例１が一番大きく、次に比較例２となり、本発明の吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂが最も少なく、吸着剤に対するガスの接触面積が大きいため、ガスの回収率を低下させず、多くの製品ガスの製造が行える。

このように通常の単一のタンクを利用する場合に対し、本発明の吸着タンク４Ａ、４Ｂを用いれば、狭小な連結管路１６、（１８）を介在させることで、各吸着タンク４Ａ、４Ｂ毎のデッドスペースＸの発生が抑えられ、ガスの回収率を維持できる。これは連結管路１６が狭小な部分でガスの流れを部分的に堰き止めることで、速度勾配がリセットされることによる。また複数の吸着タンク４Ａ、４Ｂを利用することで、設定された吸着部４、６の必要容積に対して流路の長さが分割されるので、タンクの流路でガスの流れが十分に発達せず、速度勾配を抑えることができる。

〔他の実施の形態〕

以上説明した実施の形態について、変形例を以下に列挙する。

(1) 上記実施の形態では、各吸着部４、６に対してそれぞれ２つずつの吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂを備える場合を示したがこれに限られない。各吸着部４、６には、３つ以上の吸着タンクを直列に連結してもよい。３つ以上の吸着タンクを利用する場合、タンク同士を連通させる均圧流路は、たとえば上流側から対応する吸着タンク同士の入側と出側同士に均圧流路を設置すればよい。そのほか、均圧流路は、再下流側の吸着タンク以外の複数の吸着タンクについて、まとめて出側と入側とを互いに連通させてもよい。

(2) 上記実施の形態では、吸着部４、６は、それぞれ複数の吸着タンク４Ａと４Ｂ、および吸着タンク６Ａと６Ｂが別部材の連結管路１６、１８で連結されることを示したがこれに限られない。連結管路１６、１８は、たとえば吸着タンク４Ａと４Ｂ、または吸着タンク６Ａ、６Ｂとが一体に形成され、その間に狭小な連結部（１６、１８）が形成されてもよい。この場合、連結部（１６、１８）の内部には、吸着剤を充填させない構造とすればよい。

(3) 上記実施の形態では、連結管路１６、１８に対して均圧流路２０、２２が接続される場合を示したがこれに限られない。均圧工程では、吸着タンク４Ａの出側と吸着タンク６Ａの入側とを連通させ、または吸着タンク６Ａの出側と吸着タンク４Ａの入側とを連通させればよく、吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂの端部から直接均圧流路２０、２２を接続してもよい。

(4) 上記実施の形態では、並列に配置した複数の吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂについて、隣り合うタンク同士が吸着部４、６になるように連結管路１６、１８を接続する場合を示したがこれに限られない。連結管路１６、１８は、たとえば四角形状に対向して配置した４つの吸着タンク４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂに対して、対角線上に連結させてもよい。

(5) 上記実施の形態では、オリフィス３６は、吸着タンク４Ｂ、６Ｂ間を連結した管路３４に狭小領域を形成した場合を示したがこれに限られない。オリフィス３６は、たとえば同径の管路に設けた開閉弁を利用してもよい。すなわち、管路３４は、この開閉弁の開度を調整して流路を狭めることで、オリフィスを形成すればよい。さらに、このような構成に対し、オリフィスを設けた管路３４と開閉弁Ｖ７が別に設けられた均圧流路３２を備える場合を示したが、これに限られない。均圧・再生工程時には、狭小なオリフィスを形成するように開度を設定し、均圧工程では完全な開状態に設定してもよい。

(6) 上記実施の形態では、吸着部４、６の再生工程に際し、吸着剤から不要なガス成分を分離させ、排気させるために、他の吸着部側からオリフィスを通じて、高圧の製品ガスを流す場合を示したがこれに限られない。再生工程における不要ガスの分離や排気には、たとえば排気管路側から真空吸引を行ってもよい。

(7) 吸着部４、６は、それぞれ異なる数の吸着タンクを備えてもよい。この場合、均圧工程における接続先は、たとえば最下流側のタンク同士は、出側同士を接続し、他のタンクは、出側から入側に接続させればよく、さらに、１のタンクから複数のタンクの入側に連通部を分岐配管させてもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態等について説明した。しかし、本発明の技術は上記実施の形態の記載に限定されるものではない。特許請求の範囲に記載され、または明細書に開示された技術の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論である。そして斯かる変形や変更が本開示の技術に含まれることは言うまでもない。

本発明は、原料ガスから吸着剤により特定の製品ガスを分離して供給するガス製造装置に関し、複数の吸着タンクを直列に連結するとともに、上流側の吸着タンク同士の出側と入側とを連通させることで、内部に残留した製品ガスの純度を低下させず、かつ残留ガスをより多く回収することで、製品ガスの回収効率を上げる、製品ガスの供給量を増やせるので、有用である。

２Ａ〜２Ｆ ガス製造装置
２−１、２−２、・・・２−Ｎ ガス製造ユニット
４、６ 吸着部
４Ａ、４Ｂ、６Ａ、６Ｂ 吸着タンク
８ 原料ガス供給部
１０、１００、１３０、１４０、２００、２３０、２４０ ガス取り込み流路
１２、１４、１０２、１０４、１３４、１４４、２０２、２０４、２３４、２４４、２５４、２５６ 流路
１６、１８、１０６、１０８、２０６、２０８、２５０、２５２ 連結管路
２０、２２、３２、１１０、１１２、１２０、１５０、１５２、１６４Ａ、１６４Ｂ、２１０、２１２、２２０、２６０、２６２、２６６ 均圧流路
２４、２６、１１４、１１６、１６０、１６２、２１４、２１６、２７０、２７２ 製品ガス流路
２８、３４、１１８、１６８、２１８、２５８ 管路
３０ 製品タンク
３６ オリフィス
３８、４０、１２２、１２４、１３６、１４６、２２２、２２４、２３６、２４６ 排気管路
４２ 制御部
５０ プロセッサ
５２ メモリ
５４ タイマ
５６ Ｉ／Ｏ
６０Ａ、６０Ｂ 支持筐体
６２ 載置面
６４ 立壁部
６６ 収納空間
７０、７２ 蓋部材
７４、７６ コネクタ部
７８、８０ 配管コネクタ
９０、９２、９４、９６ 配管コネクタ
１３２、１４２、２３２、２４２ 分岐管路
１６６ オリフィス
２０１、２０３ 分岐点

Claims (8)

1. 吸着剤が充填された少なくとも二つの吸着槽を該吸着槽の管径よりも狭小に形成された第１の連結管路によって直列に連結し、これらの吸着槽に原料ガスを流して吸着処理を行う第１の吸着部と、
   吸着剤が充填された少なくとも二つの吸着槽を該吸着槽の管径よりも狭小に形成された第２の連結管路によって直列に連結し、これらの吸着槽に原料ガスを流し、前記第１の吸着部の吸着処理と異なるタイミングで吸着処理を行う第２の吸着部と、
   前記第１の吸着部の上流側に連結された前記吸着槽の出側を前記第２の吸着部の上流側に連結された前記吸着槽の入側に連通させる、前記第１の連結管路に接続された第１の連通部と、
   前記第２の吸着部の上流側に連結された前記吸着槽の出側を前記第１の吸着部の上流側に連結された前記吸着槽の入側に連通させる、前記第２の連結管路に接続された第２の連通部と、
   を備え、
   前記第１の吸着部を吸着工程から均圧工程に移行させる際に、前記第１の連通部を開通させて、前記第１の吸着部の下流側の前記吸着槽内のガスよりも純度の低いガスが溜められた上流側の前記吸着槽から、前記第２の吸着部の上流側の前記吸着槽に前記第１の吸着部内のガスを前記第１の吸着部のガスの流動方向に沿って流し、
   前記第２の吸着部を吸着工程から均圧工程に移行させる際に、前記第２の連通部を開通させて、前記第２の吸着部の下流側の前記吸着槽内のガスよりも純度の低いガスが溜められた上流側の前記吸着槽から、前記第１の吸着部の上流側の前記吸着槽に前記第２の吸着部内のガスを前記第２の吸着部のガスの流動方向に沿って流すことを特徴とするガス製造装置。
2. 前記第１の連通部に設置され、開閉により前記第１の連通部内の前記ガスの流れを開放し、または遮断する第１の開閉弁と、
   前記第２の連通部に設置され、開閉により前記第２の連通部内の前記ガスの流れを開放し、または遮断する第２の開閉弁と、
   前記第１の吸着部と前記第２の吸着部とに対し、ガスの吸着工程または前記吸着剤の再生工程を異なるタイミングで実行させ、その吸着工程と再生工程との移行時に、前記第１の開閉弁と前記第２の開閉弁とを開閉させて前記均圧工程を実行させる制御部と、
   を備えることを特徴とする、請求項１に記載のガス製造装置。
3. 前記第１の吸着部の下流側に連結された前記吸着槽の出側と前記第２の吸着部の下流側に連結された前記吸着槽の出側とを連通する第３の連通部を備え、
   前記第１の吸着部または前記第２の吸着部を吸着工程から均圧工程に移行させる際に、前記第３の連通部を開通させ、前記第３の連通部を通じて前記ガスを流入させることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス製造装置。
4. さらに、前記吸着工程、前記再生工程および前記均圧工程の処理時間を計時するタイマを備え、
   前記制御部は、前記タイマによる計時結果に基づき、設定された処理時間に応じて、前記吸着処理または再生処理を実行させ、
   前記再生工程から前記均圧工程に移行する際、前記処理時間の経過前に、前記再生処理中の前記吸着槽の排気を停止させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のガス製造装置。
5. 複数の前記吸着槽を所定の間隔で配置させて支持する支持筐体を備え、
   該支持筐体は、前記吸着槽の一端を載置させ、少なくとも上流側の前記吸着槽が配置される位置に、前記吸着槽内に前記原料ガスを導くガス導入部を収納した載置部を備えることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のガス製造装置。
6. 少なくとも二つの吸着槽を該吸着槽の管径よりも狭小に形成された第１の連結管路によって直列に連結した第１の吸着部と、少なくとも二つの吸着槽を該吸着槽の管径よりも狭小に形成された第２の連結管路によって直列に連結した第２の吸着部にそれぞれ原料ガスを流し、異なるタイミングで吸着処理を行い、
   前記第１の吸着部を吸着工程から均圧工程に移行させる際に、前記第１の連結管路に接続されて前記第１の吸着部の上流側の前記吸着槽の出側から前記第２の吸着部の上流側の前記吸着槽の入側に連通した第１の連通部を開通させて、前記第１の吸着部の上流側の前記吸着槽内の下流側の前記吸着槽内のガスよりも純度の低いガスを、前記第１の吸着部のガスの流動方向に沿って前記第２の吸着部の上流側の前記吸着槽に流入させ、
   前記第２の吸着部を吸着工程から均圧工程に移行させる際に、前記第２の連結管路に接続されて前記第２の吸着部の上流側の前記吸着槽の出側から前記第１の吸着部の上流側の前記吸着槽の入側に連通した第２の連通部を開通させて、前記第２の吸着部の上流側の前記吸着槽内の下流側の前記吸着槽内のガスよりも純度の低いガスを、前記第２の吸着部のガスの流動方向に沿って前記第１の吸着部の上流側の前記吸着槽に流入させる、
   工程を含むことを特徴とするガス製造処理方法。
7. 前記吸着工程から前記均圧工程に移行させる際に、前記第１の吸着部の下流側の前記吸着槽の出側と前記第２の吸着部の下流側の前記吸着槽の出側とを連通した第３の連通部を開通させ、前記第３の連通部を通じて前記ガスを流動させる工程を含むことを特徴とする請求項６に記載のガス製造処理方法。
8. 設定された処理時間に応じて、前記吸着処理または再生処理を行い、
   前記再生工程から前記均圧工程に移行する際、前記処理時間の経過前に、前記再生処理中の前記吸着槽の排気を停止させる、
   工程を含むことを特徴とする請求項６または請求項７に記載のガス製造処理方法。

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