JP6313638B2 - 圧縮装置およびそれを用いた気体分離装置 - Google Patents

Description

本発明は、パッケージ型圧縮機およびそれを用いた複数の吸着層を持つ気体分離装置に関する。

一般的な圧縮装置は、主に、取り込んだ空気を圧縮する圧縮機と、圧縮された圧縮空気を貯留する空気タンク（空気槽）と、圧縮空気を除湿するドライヤーと、析出したドレン水を回収しながら不純物を除去するドレンフィルタで構成される。また、空気圧縮機を用いた気体分離装置としては、主に、圧縮空気から所定の気体を分離することにより製品ガスを生成する吸着槽と製品ガスを貯留する貯留槽を有している。

この分野に関する従来技術として、特開２０１１−２５１２４３号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、気体分離装置の空気供給ユニットとして、空気槽を下に配置し、その上に圧縮機を配置した構成が開示されている。空気槽を下に配置する理由としては、空気槽に析出するドレン水を処理する配管が必要であり、一般的に、水漏れ等に対する他の機器への考慮から下に配置している。

特開２０１１−２５１２４３号公報

特許文献１では、空気槽を下に配置し、その上に圧縮機を配置した構成としているが、空気槽を下に配置するためにそれを支えるフレーム等が必要になり装置が大型化するという欠点があった。

本発明の目的は、小型化を図った圧縮装置およびそれを用いた気体分離装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本発明は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を除湿するエアードライヤと、ドライヤで除湿された圧縮空気を貯留する空気槽とが一つの筐体内に納められており、圧縮機の上部に空気槽が配置されている圧縮装置およびそれを用いた気体分離装置とする。

本発明によれば、小型化を図った圧縮装置およびそれを用いた気体分離装置を提供することが出来る。

本実施例に係る気体分離装置の全体構成図の斜視図である。 本実施例に係る気体分離装置の全体構成図の正面図である。 本実施例に係る気体分離装置の全体構成図の左側面図である。 本実施例に係る気体分離装置の全体構成図の正面図のダクト部断面図である。 本実施例に係る気体分離装置の全体構成図の背面図である。 本実施例に係る気体分離装置の処理フロー図である。 本実施例に係る気体分離装置の処理フローの変形例である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。

図１は本実施例に係る気体分離装置の全体構成図の斜視図である。
気体分離装置１０２は、圧縮空気を供給する圧縮装置である圧縮機部１０１と、製品ガスを生成する吸着部で構成される。図１において、本実施例に係る気体分離装置は、前面に圧縮機部、背面に吸着部で構成されており、それぞれが仕切板等で仕切られて１つの筐体内に格納されている。

圧縮機部１０１は、空気を圧縮する圧縮機２と、圧縮機２を回転させる電動機３と、圧縮空気を冷却する１ｓｔアフタークーラ４、２ｎｄアフタークーラ５と、２ｎｄアフタークーラ５を冷却する図示しない電動ファンと、圧縮空気を除湿するエアードライヤ６と、圧縮空気を貯留させる空気槽（空気タンク）７、凝縮したドレン水を回収しながら不純物を除去するドレンフィルタ８およびドレン水を排出するオートドレントラップ１０を有している。

図２は本実施例に係る気体分離装置の正面図であり、圧縮機部の正面図を示している。図２に示すように、圧縮機部は、下段に圧縮機室１１、中段に吸気室１２、上段にエアードライヤ室１３と大きく３つの区画に分かれている。空気槽７は中段の吸気室１２に設置されている。このように、空気槽を上に配置することで、空気槽を支えるフレーム等が不要となり圧縮機部をコンパクトにすることができる。

また、下段の圧縮機室１１に圧縮機２は配置されている。圧縮機２としては、往復動式、スクリュー式あるいはスクロール式の圧縮機が用いられている。圧縮機２は電動機により駆動されるので振動の発生要因となるが、下段に配置することで、圧縮機部への振動の影響を小さくすることができる。

また、空気槽の温度が下がりすぎると結露を発生する恐れがあり、空気槽を圧縮機の上方に配置することで、結露防止も期待できる。

また、圧縮機２が配置された圧縮機室１１と吸気室１２とは圧縮機２の吸込みフィルタ付近を除いて板で仕切られた状態となっており、図１の矢印で示したように、冷たい外気が圧縮機室１１の熱の影響を受けず、圧縮機２の吸込みフィルタに直接届く構造としている。

図３は本実施例に係る気体分離装置の左側面図であり、図３に示すように、１ｓｔアフタークーラ４は、圧縮機２の排気風を用いて圧縮空気を冷却し、２ｎｄアフタークーラ５は、エアードライヤ入気温度を低減するため、圧縮機室１１、吸気室１２、エアードライヤ室１３とは独立した専用の吸排気経路内に設置されており、電動ファンを用いてエアードライヤ６を冷却する。
なお、２つのアフタークーラについて、詳細説明すると、１ｓｔアフタークーラ４は、圧縮機２、電動モータ３と、複数の防振ゴムで支えられた一つのベースに固定されており、ほぼ同位相で揺れる構造となっている。振動している１ｓｔアフタークーラ４から先は、固定配管は不可であるため、振動しても問題のないゴムホースやフレキシブルチューブで配管している。２ｎｄアフタークーラ５は、図２に示すように、圧縮機室１１やエアードライヤ室１２と区切られたダクト内に配置されており、１ｓｔアフタークーラ４からの圧縮空気を、専用の電動ファン９を用いて図中の矢印に示すような風の流れによって効率よく冷却することによりエアードライヤ入気温度を低減している。アフタークーラは容量の大きいものを１つとしてもよいが、省スペース化のため複数に分割してもよい。１つの場合は、ゴムホース等の耐熱温度まで圧縮機から出た高温の圧縮空気を冷却する必要があるため、圧縮機側に配置するのがよい。

以上のように、エアードライヤ６は、圧縮空気の除湿を行なうが、圧縮機室１１および吸気室１２の影響を受けない上段のエアードライヤ室１３に設置されている。このため、効率的に除湿が可能となる。エアードライヤ６で凝縮されたドレン水はオートドレントラップ１０にて外部に排出される。
図４は、図２と同様な気体分離装置の正面図であるが、インバータ１０３が内蔵された専用ダクトの断面を示す図である。一般的に、インバータ１０３は、周囲温度により寿命が異なり、周囲温度が低いほど高寿命となる。従来は、高温な圧縮機室内に配置されていたため、専用ダクトを設け、インバータ内蔵電動ファンとは別に専用電動ファンによりインバータの周囲温度を低減し、インバータの寿命を確保していた。本実施例では、図４の点線のダクト断面が示す、インバータ１０３を圧縮機室１１と隣接しない区切った部屋に配置し、発熱体のないエアードライヤ室１２、吸気室１３にあえて隣接させることで、圧縮機室１１の熱の影響を受けず、周囲温度に近い温度に保つようにした。またインバータに内蔵された電動ファンによって、図中の矢印に示すような専用ダクト内に冷却風を流す構造とした。これにより寿命を確保しつつ、従来設けていた専用電動ファンを削減することができる。

空気槽７には、エアードライヤ６で除湿された圧縮空気が貯留される。空気槽７は、吸気室１２内に設置されており、パッケージの吸込み空気が吸気室１２内を通過し、圧縮機室１１に入る経路上に位置するよう設置されている。

一般的に、空気圧縮装置において、騒音低減、安全性確保のため、筐体で覆う構造とすると、パッケージ内の温度が上昇することにより、圧縮機およびモータの信頼性が低下する問題がある。それに対して、エアードライヤ６では出口温度が外気に対して±５℃の範囲内で制御しているので、エアードライヤ６出口温度（空気槽温度）が外気より低い場合、吸気室１２を通過するパッケージ吸込み空気が空気槽７により冷却されることにより、パッケージ内温度の上昇を抑えることができる。したがって、エアードライヤ後に空気槽を備える構成とすることで、圧縮本体およびモータの信頼性を向上することができる。

図５は本実施例に係る気体分離装置の背面図であり、吸着部の正面図を示している。図５に示すように、空気槽７で貯留された圧縮空気は後述の一対の吸着槽１９に供給され、所定の気体が分離される。本実施例では、一対の吸着槽１９で酸素を吸着することにより、窒素を分離する場合について説明するが、窒素を吸着することにより酸素を分離してもよいし、大気以外の圧縮空気から他の気体を分離するものであってもよい。

吸着槽１９で分離された窒素ガス（製品ガス）は、その製品ガスを貯留する貯留槽である窒素槽４１に貯留される。また、吸着槽１９には、後述する排気弁２２と、それに接続される消音用のフィルタ付きの排気サイレンサ２３が設けられている。

本実施例では、図５に示すように、一対の吸着槽１９および窒素槽４１は縦向きに並べて設置しており、一対の吸着槽１９で窒素槽４１を挟む並びで配置している。また、排気サイレンサ２３を、この一対の吸着槽の胴回りに添わせるように軸方向に向けて設置する。また吸着部は、圧縮機部の圧縮機室１１、吸気室１２、エアードライヤ室１３とは板で仕切られた空間である吸着室１４となっており、周りからの温度の影響を受けにくい構造となっている。したがって、後述する気体分離工程の吸着剤再生工程時に排気される冷たい排気ガスを効率よく一対の吸着槽１９に接触させることにより、吸着室１４内および吸着槽１９を冷却でき、吸着性能を向上させることができる。

また、エアードライヤを通過した圧縮空気が気体分離装置に流れ込む際に、気体分離装置に供給する圧縮空気温度が高いと吸着性能が低下する問題がある。 本実施例では、前述したように、空気槽７は、吸気室１２内に設置されており、パッケージの吸込み空気が吸気室１２内を通過し、圧縮機室１１に入る経路上に位置するよう設置されている。そして、エアードライヤ６では出口温度が外気に対して±５℃の範囲内で制御している。したがって、エアードライヤ出口温度（空気槽温度）が外気より高い場合、吸気室１２を通過するパッケージ吸込み空気により空気槽７を冷却することにより、吸着部側に低温の圧縮空気を供給することができ、これによっても吸着性能を向上することができる。

また、一般的に、圧縮空気が吸着槽に供給される際に、エアードライヤで凝縮したドレン水が吸着槽へ巻き上がり、吸着性能低下やさらには吸着剤の破損が発生するという問題がある。それに対して、前述したように、エアードライヤ後に空気槽を備えることにより、エアードライヤと吸着槽の間に空気槽による配管ボリュームを持たせることにより、ドレン水の巻き上がりを防止することができ、吸着性能向上および信頼性向上を実現することができる。

図６は、本実施例に係る気体分離装置の処理フロー図である。図６において、吸着部は、空気槽７から配管１６が接続されており、圧縮部側から吸着部側へこの配管１６を介して連結されている。この配管１６の端末位置には一対の配管１７ａ、ｂが接続されている。これら配管１７ａ、ｂには、それぞれ流路を開閉する供給弁１８ａ、ｂが途中に設けられており、端末には酸素分子を吸着して窒素ガスを製品ガスとして取り出すための吸着槽１９ａ、ｂがそれぞれ接続されている。また、一対の配管１７ａ、ｂには、それぞれ供給弁１８ａ、ｂと吸着槽１９ａ、ｂとの間位置に配管２１ａ、ｂが接続されており、これら配管２１ａ、ｂには、途中に流路を開閉する排気弁２２ａ、ｂが、端末に消音用のフィルタ付きの排気サイレンサ２３ａ、ｂが設けられている。また、一対の配管１７ａ、ｂには、互いの配管２１ａ、ｂと吸着槽１９ａ、ｂとの間位置を結ぶように配管２５ａ、ｂが接続されており、この配管２５ａ、ｂには流路を開閉する一対の下均圧弁２６ａ、ｂが設けられている。

一対の吸着槽１９ａ、ｂには、例えば、酸素分子を吸着する吸着手段である吸着剤が充填されている。吸着剤は、具体的には分子ふるいカーボンやゼオライト等を用いている。また、一対の吸着槽１９ａ、ｂには、端末位置で互いに合流する配管３１ａ、ｂがそれぞれ接続されている。これら配管３１ａ、ｂには、互いの吸着槽１９ａ、ｂ同士を結ぶように配管３２ａ、ｂが接続されており、この配管３２ａ、ｂには絞り３３が設けられている。また、一対の配管３１ａ、ｂには、互いの配管３２ａ、ｂよりも吸着槽１９ａ、ｂとは反対側同士を結ぶように配管３５ａ、ｂが接続されており、この配管３５ａ、ｂには流路を開閉する一対の上均圧弁３６ａ、ｂが設けられている。また、一対の配管３１ａ、ｂには、それぞれの配管３５ａ、ｂよりも吸着槽１９ａ、ｂとは反対側に流路を開閉する取出弁３８ａ、ｂがそれぞれ設けられている。一対の配管３１ａ、ｂの合流位置には配管４０が接続されており、この配管４０の端末位置には窒素ガスを貯留させる製品槽としての窒素槽４１が接続されている。

窒素槽４１には、端末位置が吐出口４２とされた配管４３が接続されており、この配管４３の途中位置には窒素槽４１側から順に、塵埃等を除去するとともにガスの流量を調整するフィルターレギュレータ４４、流路を開閉する吐出弁４５、ガスの流量を調整する流量調整弁４６が設けられている。

配管４３のフィルターレギュレータ４４と吐出弁４５との間位置には配管４８および配管４９が接続されており、配管４８には、配管４３側から順に、流路を開閉する開閉弁５０と、ガスの流量を調整する流量調整弁５１と、サイレンサ５２とが設けられている。配管４９には、配管４３側から順に、流路を開閉する開閉弁５４と、ガスの流量を調整する流量調整弁５５と、酸素濃度を検出する酸素センサー５６とが設けられている。なお、酸素センサー５６は圧縮部および吸着部のどちらに設置されていてもよい。本実施例では制御室１５として圧縮部の内部に設置する。

酸素センサー５６は制御部６０に通信可能に接続されており、検出信号を制御部６０に出力する。また、供給弁１８、排気弁２２、下均圧弁２６、上均圧弁３６、取出弁３８、吐出弁４５、流量調整弁４６、開閉弁５０、流量調整弁５１、および開閉弁５４、制御部６０に通信可能に接続されており、制御部６０からの指令で作動する。

ここまで、気体分離装置１の構成を説明してきたが、ここで気体分離装置において行われる気体分離方法について説明する。

気体分離装置１では、圧縮機２によって空気を圧縮する圧縮工程、圧縮工程により圧縮された空気を１ｓｔアフタークーラ４および２ｎｄアフタークーラ５により冷却する冷却工程、冷却工程により冷却された空気をエアードライヤ６により除湿する除湿工程、除湿工程により除湿された空気を空気槽７に貯留する貯蔵工程、貯蔵工程により貯留された空気から所定の気体を分離する分離工程が行わる。

気体分離装置１の分離工程では、以下の（ａ）〜（ｄ）の工程が順次行われる。
（ａ）吸着工程：圧縮機２により圧縮され空気槽７に貯留された圧縮空気を、供給弁１８を開くことで、吸着剤が充填された吸着槽１９に導入するとともに、窒素槽４１内に残存する窒素ガスを、取出弁３８を開くことで吸着槽１９に還流して吸着槽１９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：吸着工程から引き続いて、空気槽７から圧縮空気を吸着槽１９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１９より取り出して窒素槽４１に貯留させる工程。
（ｃ）均圧工程：上均圧弁３６および下均圧弁２６の開閉により取出工程終了後の一対の吸着槽１９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。なお、ここでは吸着槽１９が複数ある場合について説明したが、吸着槽１９は１つであってもよく、その場合は均圧工程は不要である。
（ｄ）再生工程：均圧工程終了後の吸着槽１９内を、排気弁２２を開くことにより配管２１を介して、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。なお、この再生工程において、排気弁２２以外の吸着槽１９に関連する供給弁１８、下均圧弁２６、上均圧弁３６および取出弁３８は、閉状態とする。

なお、図６において、圧縮機部は、前述したように、エアードライヤ後に空気槽を設ける構成として説明したが、図７に示すように、エアードライヤに入る空気を冷やすために空気槽を介してエアードライヤに空気を供給するようにしても良い。すなわち、吸気室１２に配置された空気槽７に、吸込み空気があたることで、エアードライヤ６の入気温度を低減することができ、エアードライヤ６の負担を減らし、効率よく確実に除湿することができる。また、これにより、２ｎｄアフタークーラ５を小さくする、もしくは無くすことも可能である。

以上、本実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１０１・・・空気圧縮機
１０２・・・気体分離装置
１０３・・・インバータ
２・・・圧縮機
３・・・電動機
４・・・１ｓｔアフタークーラ
５・・・２ｎｄアフタークーラ
６・・・エアードライヤ
７・・・空気槽（空気タンク）
８・・・ドレンフィルタ
９・・・電動ファン
１０・・・オートドレントラップ
１１・・・圧縮機室
１２・・・吸気室
１３・・・エアードライヤ室
１４・・・吸着室
１５・・・制御室
１９・・・吸着槽
４１・・・窒素槽
４２・・・吐出口

Claims (5)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を除湿するエアードライヤと、
   前記エアードライヤで除湿された圧縮空気を貯留する空気槽とが一つの筐体内に納められており、
   前記圧縮機は仕切られた圧縮機室に配置され、
   前記エアードライヤは仕切られたエアードライヤ室に配置され、
   前記空気槽は仕切られた吸気室に配置され、
   前記吸気室は、前記圧縮機室よりも上方に配置され、
   前記エアードライヤ室は、前記吸気室および前記圧縮機室よりも上方に配置されている
   ことを特徴とする圧縮装置。
2. 空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を貯留する空気槽と、
   前記空気槽からの圧縮空気を除湿するエアードライヤとが一つの筐体内に納められており、
   前記圧縮機は仕切られた圧縮機室に配置され、
   前記エアードライヤは仕切られたエアードライヤ室に配置され、
   前記空気槽は仕切られた吸気室に配置され、
   前記吸気室は、前記圧縮機室よりも上方に配置され、
   前記エアードライヤ室は、前記吸気室および前記圧縮機室よりも上方に配置されている
   ことを特徴とする圧縮装置。
3. 請求項１または２に記載の圧縮装置であって、
   前記空気槽の配置された前記吸気室は空気吸込み口を有し、
   前記空気槽は、前記空気吸込み口からの吸込み空気が前記吸気室内を通過し前記圧縮機室に入る経路上に位置するよう設置されていることを特徴とする圧縮装置。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の圧縮装置を備え、
   さらに前記圧縮空気のうち一部の気体を吸着する吸着槽を有し
   該吸着槽は仕切られた吸着室に配置され、
   前記一つの筐体内に納められていることを特徴とする気体分離装置。
5. 請求項４に記載の気体分離装置であって、
   さらに、前記吸着槽で分離された気体を貯留する貯留槽と、
   前記吸着槽に接続される排気弁と、それに接続される排気サイレンサを有し、
   前記吸着室内に、前記吸着槽と前記貯留槽を並べ、前記排気サイレンサを前記吸着槽の胴回りに添わせるように設置したことを特徴とする気体分離装置。

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