JP7236069B2 - 圧力スイング吸着装置の制御方法及び圧力スイング吸着装置 - Google Patents

Description

本発明は，圧力スイング吸着（ＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption）方式により，原料ガスから特定の成分を吸着して除去することで，目的とするガスを生成する圧力スイング吸着装置の制御方法，及び前記制御方法を実行する圧力スイング吸着装置に関する。

圧力スイング吸着装置は，加圧された原料ガス中の特定のガスに対して高い吸着力を示す吸着剤を使用し，原料ガスを導入して吸着塔内を加圧して原料ガス中の特定のガスを吸着剤に吸着させて目的のガスを取り出す工程と，吸着塔内を減圧して吸着剤が吸着したガスを放出させて吸着剤を再生させる工程を繰り返すことで，目的とするガスの製造を行う。

このような圧力スイング吸着装置としては，製造するガスの種類に応じて，原料である圧縮空気中の酸素を吸着剤に吸着させて窒素ガスを製造する「窒素ＰＳＡ装置」，圧縮空気中の窒素を吸着剤に吸着させて酸素ガスを製造する「酸素ＰＳＡ装置」，圧縮空気中の水分を吸着させて非加熱で乾燥した空気を製造する「ＰＳＡドライヤ」等がある。

これらの圧力スイング吸着装置１は，いずれも図３に示すように，圧縮空気から特定の成分を吸着・除去して目的のガスを製造する圧力スイング吸着装置本体１０と，前記圧力スイング吸着装置本体１０に圧縮空気を供給する圧縮機３０によって構成されている。

〔圧力スイング吸着装置本体〕
このうちの圧力スイング吸着装置本体１０は，吸着剤が充填された複数の吸着塔（図示の例では一対の吸着塔Ｔ１，Ｔ２）を備え，各吸着塔Ｔ１，Ｔ２を数十秒単位で交互に加圧と減圧を繰り返し行うことで，一の吸着塔において吸着剤の再生を行っているときに，他の吸着塔を使用して目的とするガスを製造することで，製品ガスを連続して製造することができるように構成されている。

一例として図３及び図４を参照し，原料ガスである圧縮空気から窒素を吸着により除去して酸素を製造する場合を例に挙げて説明すると，圧力スイング吸着装置本体１０は，以下に説明する工程を繰り返すことで酸素ガスを製造する。

なお，以下の説明において，バルブＳＶ１～ＳＶ８のうち，特に説明のないものは閉じた状態にある。

（１）吸着塔Ｔ１の還流・吸着工程（吸着塔Ｔ２の再生工程）
圧縮機３０からの圧縮空気は，バルブＳＶ１の開により吸着塔Ｔ１内に還流され，吸着塔Ｔ１内の圧力が徐々に高まって吸着圧力まで昇圧すると，導入された圧縮空気中の窒素ガス，炭酸ガス，水分等が吸着剤に吸着される。

このとき，吸着塔Ｔ１上方のバルブＳＶ５は開いているが，吸着塔Ｔ１内の圧力が，その二次側の圧力（バッファタンクＢＴ内の圧力）以上に上昇するまで，吸着塔Ｔ１からバッファタンクＢＴ側へのガスの取出しは行われない。

一方，吸着塔Ｔ１において上記還流・吸着が行われている際，吸着塔Ｔ２側では，下部に設けたバルブＳＶ４を開くことで，吸着塔Ｔ２内の放気が行われて大気圧まで減圧することで，吸着塔Ｔ２内の吸着剤に吸着された窒素ガスが大気放出され，これにより吸着剤の再生が行われる。

（２）吸着塔Ｔ１からの酸素の取出工程（吸着塔Ｔ２の再生工程）
バルブＳＶ１を開状態に維持して吸着塔Ｔ１に対する圧縮空気の導入を継続することで吸着塔Ｔ１内の圧力がその二次側の圧力（バッファタンクＢＴ内の圧力）以上に上昇すると，吸着塔Ｔ１内で吸着剤に窒素ガス，炭酸ガス，水分等が吸着されて製造された酸素ガスが，開状態に維持されているバルブＳＶ５を通過してバッファタンクＢＴ側に製品ガスとして取り出され，製品ガス出口１２を介して提供される。

この間，吸着塔Ｔ２側では，吸着塔Ｔ２の下部に設けたバルブＳＶ４が依然開状態を維持しており，吸着剤の再生が継続して行われる。

（３）吸着塔Ｔ１，Ｔ２の均圧工程
吸着塔Ｔ１からの酸素ガスの取出しと，吸着塔Ｔ２の吸着剤の再生が終了すると，バルブＳＶ１とＳＶ５を閉じて，吸着塔Ｔ１と圧縮機３０間及びバッファタンクＢＴ間の流路を閉じると共に，バルブＳＶ４を閉じて，吸着塔Ｔ２の放気を停止する。

そして，バルブＳＶ７とＳＶ８を開いて，吸着塔Ｔ１とＴ２を連通させて，両吸着塔Ｔ１，Ｔ２内の圧力が均圧にされる。

（４）吸着塔Ｔ１の再生工程（吸着塔Ｔ２の還流・吸着工程，及び取出工程）
その後，バルブＳＶ７とＳＶ８を閉じて均圧工程を終了すると共に，バルブＳＶ３を開いて吸着塔Ｔ１を放気して吸着塔Ｔ１内の吸着剤の再生を行うと共に，バルブＳＶ２，ＳＶ６を開いて，吸着塔Ｔ２に対し圧縮機からの圧縮空気を還流して，吸着塔Ｔ２内に充填されている吸着剤に圧縮空気中の窒素ガス，炭酸ガス，水分等を吸着させ，吸着後の高純度の酸素ガスを，バッファタンクＢＴ側に取り出す。

（５）両吸着塔Ｔ１，Ｔ２の均圧工程
このようにして，吸着塔Ｔ１の再生と，吸着塔Ｔ２からの酸素ガスの取出しが完了すると，バルブＳＶ２，ＳＶ３，ＳＶ６を閉じると共に，バルブＳＶ７，ＳＶ８を開き，両吸着塔Ｔ１，Ｔ２を均圧とした後，前述した動作〔前掲の「（１）吸着塔Ｔ１の還流・吸着工程（吸着塔Ｔ２の再生工程）」以降の動作〕を繰り返すことで，酸素ガスを連続して製造することができるように構成されている（特許文献１の図１，図２参照）。

なお，図３及び図４を参照して説明した圧力スイング吸着装置本体１０は，一対の吸着塔Ｔ１，Ｔ２のユニットを一組のみ設けた構成であるが，図５に示すように，一対の吸着塔Ｔ１，Ｔ２を，複数ユニット（図示の例ではＵ１～Ｕ５の５ユニット）設け，各ユニットの吸着塔Ｔ１同士，及び吸着塔Ｔ２同士を，それぞれ吸入側マニホールド１３ａ，１３ｂ，流出側マニホールド１４ａ，１４ｂ，放気マニホールド１５ａ，１５ｂ，及び均圧マニホールド１６ａ，１６ｂで並列に接続することで，吸着塔Ｔ１，Ｔ２のユニット数の増減により，製品ガスの発生能力を増減させることができるように構成した圧力スイング吸着装置本体１０も提案されている（特許文献２の図１）。

〔圧縮機〕
圧力スイング吸着装置に使用する圧縮機３０としては，必要な圧力の圧縮気体を，必要量，圧力スイング吸着装置本体１０に供給することができるものであれば，特に限定されることなく既知の各種の圧縮機を使用可能である。

このような圧縮機３０では，吐出側の圧力，従って，圧力スイング吸着装置本体１０に供給する圧縮空気の圧力を，所定の設定吐出圧力に近付けることができるようにするために，圧縮機本体３１の吸気量を制御すると共に，圧縮機本体３１の吐出側圧力が前記設定吐出圧力に対して所定の高い圧力であるアンロード開始圧力以上になると，圧縮機本体３１に対する吸気を停止してアンロード運転に移行する容量制御が行われる（特許文献３）。

一例として，前掲の特許文献３に記載の圧縮機３０は，図６に示すように，圧縮機本体３１，前記圧縮機本体３１を駆動するエンジンやモータ（本実施例ではモータ）等の原動機３２，前記圧縮機本体３１より吐出された圧縮気体を貯留するレシーバタンク３３を備え，圧縮機本体３１より吐出された圧縮気体を，レシーバタンク３３内に貯留した後，逆止弁３４を介し，必要に応じて圧縮気体をアフタクーラ３５により冷却し，あるいはドライヤ３６により乾燥させた後，サービスバルブ３７に連通された供給流路１１を介して圧力スイング吸着装置本体１０に供給することができるように構成されている。

そして，前述の容量制御を可能とするために，圧縮機本体３１の吸入流路に吸気制御弁３８を設け，圧縮機本体３１の吐出側圧力が設定吐出圧力に近付くように圧縮機本体３１の吸気量を制御すると共に，圧縮機本体３１の吐出側圧力が前記設定吐出圧力に対して所定の高い圧力であるアンロード開始圧力以上になると，吸気制御弁３８を閉じて圧縮機本体３１に対する吸気を停止するよう構成された容量制御装置が設けられている。

特開２０１０－ ７５７７８号公報 特開２００１－３２７８２９号公報 特開２０１５－１２４６１３号公報

以上で説明したように，圧力スイング吸着装置本体１０では，複数の吸着塔Ｔ１，Ｔ２を設けて前述した還流・吸着工程，取出工程，均圧工程，再生工程，均圧工程の各工程を繰り返し行わせることで，製品ガスの製造を行っているが，前述した各工程中，均圧工程では，圧縮機と各吸着塔Ｔ１，Ｔ２の流入側を連通する流路がいずれもバルブＳＶ１，ＳＶ２によって閉じた状態にあるため，圧縮機３０から圧力スイング吸着装置本体１０への圧縮空気の導入が行われず，圧縮機３０で生成された圧縮空気の消費が停止した状態となる。

そのため，圧力スイング吸着装置本体１０が均圧工程に移行すると，圧縮機３０の吐出側圧力が上昇し，前述した容量制御装置が作動して，圧縮機３０は，吸気制御弁３８を閉じて圧縮機本体３１の吸気を停止したアンロード運転に移行する。

一方，数秒間の均圧工程が終了していずれかの吸着塔Ｔ１，Ｔ２に対する圧縮気体の導入が再開されると，これにより圧縮機本体３１の吐出側圧力が低下するため，容量制御装置は吸気制御弁３８を開いて，圧縮機本体３１に対する吸気を再開させることで，圧縮機３０はアンロード運転を終了して全負荷運転を再開する。

このような均圧工程は，吸着塔の加圧が行われる還流・吸着工程，取出工程の後に，また，吸着塔の減圧が行われる再生工程の後に，各１回ずつ行われ，この均圧工程への移行により，圧縮機３０に設けた吸気制御弁３８が開閉することから，数十秒間の圧力スイングサイクル毎に吸気制御弁３８が頻繁に開閉を繰り返す。

そのため，吸気制御弁３８の摺動部や接触部を構成する部品が早期に摩耗することで短期間での部品の交換等が必要になると共に，高頻度にメンテナンスを行う必要があり，ランニングコストがかさむ。

また，圧力スイング吸着装置本体１０が均圧工程にあるとき，圧力スイング吸着装置本体１０は製品ガスの製造を行っていない状態にある一方，圧縮機３０は，無負荷運転に移行することで消費エネルギーが全負荷運転時の７０％程度に減少しているとはいえ，運転が継続されていることから，何も生産していない均圧工程中においても，全負荷運転時の７０％ものエネルギーの消費，従って，運転コストが発生している。

そのため，このような無駄なエネルギー消費を抑制することができれば，圧力スイング吸着装置１をより一層効率的に運転することができる。

そこで本発明は，上記従来技術における欠点を解消するためになされたものであり，圧力スイング吸着装置に搭載される圧縮機に設けられている吸気制御弁３８の摺動部や接触部に設けられている部品を長寿命化でき，かつ，吸気制御弁のメンテナンスの頻度を低減させることができると共に，圧力スイング吸着装置本体が均圧工程に移行した際に圧縮機本体の駆動源によって消費されている消費エネルギーを有効に活用することができる圧力スイング吸着装置の制御方法，及び前記制御方法を実行する圧力スイング吸着装置を提供することを目的とする。

以下に，課題を解決するための手段を，発明を実施するための形態で使用する符号と共に記載する。この符号は，特許請求の範囲の記載と，発明を実施するための形態の記載との対応を明らかにするためのものであり，言うまでもなく，本発明の技術的範囲の解釈に制限的に用いられるものではない。

また，従来技術として説明した圧力スイング吸着装置と共通の部材については，共通の符号を使用した。

本発明の圧力スイング吸着装置１の制御方法は，
複数（実施例において２個）で１組を成す吸着塔Ｔ１，Ｔ２を備え，圧力スイング吸着方式により原料ガスである圧縮空気より特定のガスを吸着除去して目的とするガスを生成する圧力スイング吸着装置本体１０と，
圧縮機本体３１の吐出側の圧力が所定の設定吐出圧力となるように前記圧縮機本体３１の吸気量を制御すると共に，前記圧縮機本体３１の吐出側圧力が前記設定吐出圧力に対し所定の高い圧力であるアンロード開始圧力以上になると前記圧縮機本体３１に対する吸気を停止する吸気制御弁３８を備え，前記圧力スイング吸着装置本体１０に対し圧縮空気を供給する圧縮機３０と，
前記圧縮機３０で発生した圧縮空気を前記圧力スイング吸着装置本体１０に導入する供給流路１１と，
前記圧縮機３０で発生した圧縮空気を，前記圧力スイング吸着装置本体１０を介さずに機外に取り出して空圧機器に供給可能な消費流路５０と，
該消費流路５０に，一次側の圧力を所定圧力に保持する背圧弁５２を設けると共に，該背圧弁の一次側に，該消費流路５０に対する圧縮空気の導入を制御するバルブ５１を設け，
前記圧力スイング吸着装置本体１０の均圧工程中，前記バルブを全開として前記圧縮機３０で発生した圧縮空気を全量，前記消費流路５０に導入可能とすると共に，前記均圧工程以外の工程時において前記バルブ５１により前記消費流路５０を閉じ，又は絞ることを特徴とする（請求項１）。

前記圧力スイング吸着装置本体１０が，前記複数個（実施例において２個）で１組を成す吸着塔Ｔ１～Ｔ６のユニットＵ１～Ｕ３を，複数ユニット（図２の実施例において３ユニット）備えていると共に，使用する吸着塔のユニット数を可変に構成されている場合，
前記バルブ５１を流量調整弁により形成し，使用する前記吸着塔のユニット数を，最大数に対し減少させたとき，前記均圧工程以外の工程時において，前記最大数の吸着塔のユニット使用時に前記圧力スイング吸着装置本体１０が消費する圧縮空気と，減少後のユニット数の吸着塔の使用時に前記圧力スイング吸着装置本体１０が消費する圧縮空気の消費量の差分の圧縮空気を，前記バルブ５１の開度を調整することにより前記消費流路５０に導入可能とすることが好ましい（請求項２）。

また，本発明の圧力スイング吸着装置１は，
複数（実施例において２個）で１組を成す吸着塔Ｔ１，Ｔ２を備え，圧力スイング吸着方式により原料ガスである圧縮空気より特定のガスを吸着除去して目的とするガスを生成
する圧力スイング吸着装置本体１０と，
圧縮機本体３１の吐出側の圧力が所定の設定吐出圧力となるように前記圧縮機本体３１の吸気量を制御すると共に，前記圧縮機本体３１の吐出側圧力が前記設定吐出圧力に対し所定の高い圧力であるアンロード開始圧力以上になると前記圧縮機本体３１に対する吸気を停止する吸気制御弁３８を備え，前記圧力スイング吸着装置本体１０に圧縮空気を供給する圧縮機３０と，
前記圧縮機３０で発生した圧縮空気を前記圧力スイング吸着装置本体１０に導入する供給流路１１と，
前記圧縮機３０で発生した圧縮空気を，前記圧力スイング吸着装置本体１０を介さずに機外に取り出して空圧機器に供給可能な消費流路５０と，
該消費流路５０に，一次側の圧力を所定圧力に保持する背圧弁５２を設けると共に，該背圧弁５２の一次側に，該消費流路５０に対する圧縮空気の導入を制御するバルブ５１を設け，
前記バルブ５１が，前記圧力スイング吸着装置本体１０の均圧工程中，前記消費流路５０を全開とすると共に，前記均圧工程以外の工程時において前記消費流路５０を閉じ，又は絞ることを特徴とする（請求項３，図１及び図２参照）。

前記圧力スイング吸着装置本体１０は，前記複数個（実施例において２個）で１組を成す吸着塔Ｔ１～Ｔ６のユニットＵ１～Ｕ３を，複数ユニット（図２の実施例において３ユニット）備えていると共に，使用する吸着塔のユニット数を可変に構成することができ，
この場合，前記バルブ５１を，前記均圧工程以外のとき，使用する前記吸着塔の組数が最大数のときに前記消費流路を閉じ，使用する前記吸着塔の組数の減少に応じて増大する所定の開度で前記消費流路５０を開放する流量調整弁により構成するものとしても良い（請求項４，図２参照）。

以上で説明した本発明の構成により，本発明の圧力スイング吸着装置１では，以下の顕著な効果を得ることができた。

前記圧力スイング吸着装置本体１０が均圧工程に移行して圧縮空気の消費が停止したことで，均圧工程への移行前の圧縮空気の消費量との差分である余剰分の圧縮空気を，前記消費流路５０を介して消費側に供給可能とした。

これにより，圧力スイング吸着装置本体１０が均圧工程に移行して圧縮空気の消費が停止しても，圧縮機３０の吐出側圧力の上昇を抑えることができ，その結果，圧縮機３０はアンロード運転に移行せず吸気制御弁３８を開いた状態に維持することで，吸気制御弁３８の開閉頻度を減少させることができた。

吸気制御弁３８の開閉頻度の減少により，吸気制御弁３８の摺動部や接触部に摩耗が生じ難くなり，吸気制御弁３８の摺動部品や接触部品の寿命を延ばして交換回数を減少させることができると共に，メンテナンスの回数が減少することで，圧力スイング吸着装置１の運転に伴うランニングコストを低減させることができた。

しかも，均圧工程に移行した際に生じた余剰分の圧縮空気を，前記消費流路５０を介して消費側に供給できるようにしたことで，従来，製品ガスの製造に貢献していなかったアンロード運転時に消費される電力等のエネルギーを，消費側に対して供給される圧縮空気を生成するために有効に利用することができ，圧力スイング吸着装置本体１０を介した製品ガス（例えば高濃度酸素）の提供と，空圧機器に対する圧縮空気の供給を同時に行うことができる圧力スイング吸着装置１を提供することができた。

更に，前記圧力スイング吸着装置本体１０が，複数個で１組を成す吸着塔Ｔ１～Ｔ６を，複数ユニットＵ１～Ｕ３備えていると共に，使用する吸着塔のユニット数を可変に構成されており，使用する前記吸着塔のユニット数を，最大数に対し減少させたとき，該ユニット数の減少によって生じた余剰分の圧縮空気を，前記消費流路５０を介して消費側に供給するよう構成したことで，使用するユニット数の減少に伴って生じた余剰の圧縮空気についても，消費側にて有効に利用することができた。

本発明の圧力スイング吸着装置の説明図。 本発明の別の圧力スイング吸着装置の説明図。 従来の圧力スイング吸着装置の説明図。 圧力スイング吸着装置本体の動作説明図（特許文献１）。 従来の別の圧力スイング吸着装置の説明図（特許文献２）。 従来の圧縮機の説明図（特許文献３）。

以下に，添付図面を参照しながら本発明の圧力スイング吸着装置について説明する。

なお，以下の説明では，本発明の圧力スイング吸着装置を，圧縮空気から酸素ガスを製造する，酸素ＰＳＡ装置として構成した例について説明するが，本発明の圧力スイング吸着装置は，酸素ＰＳＡ装置に限定されず，前述した窒素ＰＳＡ装置，ＰＳＡドライヤ等，圧縮空気を原料ガスとする圧力スイング吸着装置全般に適用可能である。

〔圧力スイング吸着装置の全体構成〕
図１中の符号１は，本発明の一実施例の圧力スイング吸着装置であり，この圧力スイング吸着装置１は，図３を参照して説明した従来の圧力スイング吸着装置１と同様，圧縮空気中の窒素ガスを吸着して酸素ガスを生成する圧力スイング吸着装置本体１０と，この圧力スイング吸着装置本体１０に圧縮空気を供給する，圧縮機３０を備えている。

〔圧縮機〕
本発明の圧力スイング吸着装置１に使用する圧縮機３０は，圧力スイング吸着装置本体１０に対し，必要な圧力の圧縮空気を必要量，供給することができるものであれば，既知の各種の圧縮機を使用可能であり，これに限定されるものではないが前掲の特許文献３として紹介した圧縮機が適用可能である。

このような圧縮機は，吐出側の圧力，従って，圧力スイング吸着装置本体１０に供給する圧縮空気の圧力を，所定の設定吐出圧力に近付けることができるようにするために，図６を参照して説明した圧縮機３０のように，圧縮機本体３１の吸入流路に設けた吸気制御弁３８を備え，圧縮機本体３１の吐出側圧力が設定吐出圧力に近付くように圧縮機本体３１の吸気量を制御すると共に，圧縮機本体３１の吐出側圧力が前記設定吐出圧力に対して所定の高い圧力であるアンロード開始圧力以上になると，吸気制御弁３８を閉じて圧縮機本体３１に対する吸気を停止する容量制御装置を備えている。

〔圧力スイング吸着装置本体〕
以上のように構成された圧縮機から圧縮空気の供給を受ける圧力スイング吸着装置本体１０は，図３及び図４を参照して説明した従来の圧力スイング吸着装置本体１０と同様の構成であり，複数（本実施例では２個）で１組を成す吸着塔Ｔ１，Ｔ２が，圧縮機３０に連通されている供給流路１１と，製造された酸素ガスを貯留するバッファタンクＢＴ間に並列に配置されている。

この吸着塔Ｔ１，Ｔ２に連通する各配管に設けられたバルブＳＶ１～ＳＶ８の動作，及びこれらのバルブＳＶ１～ＳＶ８の開閉動作に伴い圧力スイング吸着装置本体１０が還流・吸着工程，取出工程，均圧工程，再生工程，均圧工程の各工程を行うように構成されている点についても，図３及び図４を参照して説明した，従来の圧力スイング吸着装置本体１０と同様の構成である。

〔消費流路〕
本実施例の圧力スイング吸着装置１における圧力スイング吸着装置本体１０及び圧縮機３０の構成は図３を参照して説明した圧力スイング吸着装置１の構成と同様であるが，本発明の圧力スイング吸着装置１では，図３を参照した説明した従来の圧力スイング吸着装置１とは異なり，圧縮機３０で発生した圧縮空気を圧力スイング吸着装置本体１０に導入する供給流路１１の他，圧力スイング吸着装置本体１０を介することなく圧縮機からの圧縮空気を機外に取り出すことができる消費流路５０を備えていると共に，この消費流路５０に対する圧縮空気の流れを制御するバルブ５１を備えている。

このバルブ５１は，圧力スイング吸着装置本体１０が均圧工程以外の工程にあるとき，すなわち，圧力スイング吸着装置本体１０で圧縮空気が消費されているときに閉弁して消費流路５０に対する圧縮空気の導入を停止すると共に，圧力スイング吸着装置本体１０が均圧工程となり，圧力スイング吸着装置本体１０による圧縮空気の消費が行われていないときに全開となり，圧縮機３０で発生した圧縮空気を全量，消費側に供給することができるように構成している。

このように，消費流路５０に設けたバルブ５１を均圧工程の開始と共に開き，均圧工程の終了と共に閉じるようにする構成としては，一例として，このバルブ５１を電磁開閉弁によって構成し，圧力スイング吸着装置本体１０に設けたバルブＳＶ１～ＳＶ８のシーケンス制御を行う制御装置（図示せず）からの制御信号を，この開閉弁にも制御信号として入力するものとすれば良く，例えば，圧力スイング吸着装置本体１０のバルブＳＶ７，ＳＶ８に対する制御信号をバルブ５１にも入力し，バルブＳＶ７，ＳＶ８の開弁時にバルブ５１を開き，バルブＳＶ７，ＳＶ８の閉弁時に，バルブ５１を閉じるように構成する。

なお，図１中の符号５２は背圧弁であり，該背圧弁５２の一次側圧力を，圧縮機３０に設けたドライヤ３６の機能を確保するために必要な圧力（一例として０．４５MPa以上）に確保し，大気圧下露点よりも１０℃低い圧縮空気を提供する。

〔作用等〕
以上のように構成された本発明の圧力スイング吸着装置１において，各吸着塔Ｔ１，Ｔ２は，一例として４５秒の周期（図４の半サイクル）毎に加圧と減圧を交互に繰り返すと共に，この周期中に，各４秒間の均圧工程が行われる。

従って，前述した消費流路５０と該消費流路５０を開閉するバルブ５１を備えていない従来の圧力スイング吸着装置１（図３参照）では，均圧工程へ移行して圧力スイング吸着装置本体１０による圧縮空気の消費が停止する度に，圧縮機３０の吐出側圧力がアンロード開始圧力以上に上昇して吸気制御弁３８が開閉していたことから，吸気制御弁３８の開閉回数は，８０回／時間で，圧力スイング吸着装置１を１日（２４時間）運転すると，吸気制御弁３８の開閉回数は，１９２０回／日，１年間では，７００８００回／年となっていた。

耐久性の基準として一般的な目安とされている機械的耐久回数１００万回を基準にすると，均圧工程毎に開閉する吸気制御弁３８では，約１．４年毎に摺動部品や接触部の部品交換等が必要となり，メンテナンスの頻度が高くなる。

これに対し，前述したように消費流路５０と該消費流路５０を開閉するバルブ５１を設け，均圧工程時，消費流路５０に設けたバルブ５１を開いて余剰となった圧縮空気を消費側において利用できるようにした本発明の圧力スイング吸着装置１では，均圧工程に移行して圧力スイング吸着装置本体１０による圧縮空気の消費が停止しても，これによって生じた余剰の圧縮空気は消費流路５０を介して消費側に供給されることで圧縮機３０の吐出側圧力が上昇することを防止でき，その結果，均圧工程の度に吸気制御弁３８が開閉することを防止でき，吸気制御弁３８の摺動部や衝突部における摩耗の発生が防止され，吸気制御弁３８の部品の寿命が延びることでメンテナンスの頻度を大幅に減らすことができた。

また，消費電力について考えると，均圧工程（４秒）は，前述した圧力スイングの周期（４５秒）に対し，８．９％（４／４５×１００）であり，圧縮機の作動時間中，約９％の動作時間は，酸素ガスの製造に使用されていない時間となり，この間，圧縮機は無駄に運転されていることになる。

均圧工程中は，吸気制御弁３８が閉じた無負荷運転が行われることで，吸気制御弁３８を全開とした全負荷運転時に対し圧縮機の消費電力が７０％程度に低下したとしても，全電力消費量のうち，約６．３％の電力が，無駄に消費されていることになる。

従って，前述した均圧工程中，消費流路を介して消費側に圧縮空気を供給して圧縮空気を空圧機器の駆動等に利用できるようにすることで，無駄に消費されていた約６．３％の電力を，消費側に供給する圧縮空気の生成に有効に利用することができた。

なお，図１に示す圧力スイング吸着装置１を１時間運転した時に，消費流路を介して得られた圧縮空気の実測値は，合計で５m³/hであった。

実施例１の圧力スイング吸着装置１に使用した圧縮機３０の風量は１m³/minであり，１秒間あたり１６．６Ｌ/sec，１時間の運転中で均圧工程は合計，４秒×８０回の計３２０秒間行われることから，１時間あたりに消費流路５０を介して消費側で利用できる圧縮空気の量は，理論値で，
３２０sec×１６．６Ｌ=５３３３Ｌ/h（約５．３m³/h）
となり，実測値である５m³／hに極めて近い数値であった。

従って，本発明の圧力スイング吸着装置では，均圧工程中に圧縮機を駆動するために費やされた電力を，略理論値に近い圧縮空気を消費側に供給するために利用できており，消費された電力を，無駄なく利用することができるものとなっている。

以上，図１を参照して説明した実施例１の圧力スイング吸着装置では，Ｔ１，Ｔ２一対の吸着塔を，１組のみ設けた構成であったが，本発明の圧力スイング吸着装置１は，図１に示した構成に代え，図２に示すように，一対の吸着塔（Ｔ１，Ｔ２），（Ｔ３，Ｔ４），（Ｔ５，Ｔ６）を，複数ユニット（図２に示す実施例ではＵ１～Ｕ３の３ユニット）設けた構成としている。

この図２に示す圧力スイング吸着装置１の構成において，各ユニットＵ１～Ｕ３を構成する吸着塔Ｔ１～Ｔ６のそれぞれの入口と出口には，バルブＳＶ９～ＳＶ２０が設けられており，各バルブＳＶ９～ＳＶ２０を開閉操作することで，酸素の製造に使用する吸着塔のユニット数を，１ユニット（吸着塔２個）～３ユニット（吸着塔６個）の間で変更することができるように構成した。

また，消費流路５０に設ける前述のバルブ５１として，電空弁等の消費流路５０内を流れる圧縮空気の流量を調整可能な弁を使用し，圧力スイング吸着装置本体１０が均圧工程以外の工程にあるとき，圧力スイング吸着装置本体１０で使用する吸着塔のユニット数に応じて消費流路５０を閉じ又は，絞ると共に，均圧工程時，消費流路５０を全開とすることができるように構成した。

一例として，Ｕ１～Ｕ３の３ユニットの吸着塔を設けた図２に示す実施形態では，均圧工程時以外のバルブ５１の開度は，Ｕ１～Ｕ３全てのユニットの吸着塔が使用されている場合には全閉，Ｕ１とＵ２の２ユニットの吸着塔を使用する場合には，圧縮機３０より供給される圧縮空気の１／３を消費流路５０に導入可能な開度で，１ユニット（Ｕ１）のみを使用する場合には圧縮機３０より供給される圧縮空気の２／３が消費流路５０に導入可能な開度となるように，前記バルブ５１の開度を調整すると共に，均圧工程では，いずれの場合にも，前記バルブ５１を全開として，圧縮機３０より供給された圧縮空気の全量を消費流路５０に導入可能に構成している。

以上のように構成することで，本実施例（図２）の圧力スイング吸着装置１は，圧力スイング吸着装置本体１０が均圧工程以外の作動状態にあるときは，吸着塔Ｔ１～Ｔ６の使用ユニット数に応じた圧縮空気が供給流路１１を介して圧力スイング吸着装置本体１０に導入され，吸着塔の使用ユニット数に応じた量の酸素が製造される。

その結果，吸着塔の使用ユニット数が２ユニットである場合には，３ユニット全ての吸着塔を使用した場合に比較して圧力スイング吸着装置本体１０で消費される圧縮空気量は２／３に，使用ユニット数が１ユニットである場合には１／３に減少し，圧力スイング吸着装置本体１０に導入される圧縮空気量の減少によって，均圧工程時以外にも，余剰の圧縮空気が発生する。

本実施例の圧力スイング吸着装置１の構成では，吸着塔の使用ユニット数が，最大数である３ユニットよりも少ない場合，消費流路５０に設けたバルブ５１を吸着塔の使用ユニット数に応じた開度で開くことで，均圧工程以外の工程時においても，消費流路５０に対し，余剰分の圧縮空気を導入することができるように構成した。

図２に示す実施例２の圧力スイング吸着装置１を，３ユニットの吸着塔全てを使用して１時間運転した場合，２ユニットの吸着塔を使用して１時間運転した場合，及び１ユニットの吸着塔を使用して１時間運転した場合に，消費流路５０を介して得られた圧縮空気の実測値と理論値を下記の表１に示す。

なお，いずれの運転中においても，吸気制御弁３８の作動回数は０回であった。

以下の結果から，吸着塔Ｔ１～Ｔ６をいずれのユニット数で使用した場合共に，実測値と理論値が極めて近い数値となることが確認された。

このことから，本発明の圧力スイング吸着装置１では，圧縮機３０を駆動するために使用された電力を，略理論値に近い圧縮空気を消費側に供給するために利用できていると言え，圧縮機を駆動するために消費された電力を，略，無駄なく利用することができるものであることが確認できた。

なお，消費流路を介して得られる圧縮空気の理論値は，それぞれ以下のようにして計算した。

（１）全ての吸着塔の使用時
使用した圧縮機の風量１m³/minより，１秒間あたりの風量は，
１m³／６０≒１６．６Ｌ/sec
圧力スイング吸着装置の１時間の運転中，均圧工程の合計時間は，
４秒×８０回=３２０秒
従って，１時間あたりに消費流路を介して利用できる圧縮空気の理論値は，
３２０sec×１６．６Ｌ＝５３３３Ｌ/h（約５．３m³/h）となる。

Ｕ１～Ｕ３全てのユニットの使用時，消費流路５０に設けたバルブ５１は，均圧工程時以外，閉状態を維持して消費側への圧縮空気の供給は行われないことから，前述の約５．３m³/hが，１時間当たりの運転で消費流路５０を介して利用できる圧縮空気の総量（理論値）となる。

（２）２ユニットの吸着塔使用時
圧力スイング吸着装置１の１時間の運転中，均圧工程時に消費流路５０を介して利用できる圧縮空気の合計量は，前述したように約５．３m³である。

２ユニットの吸着塔使用時，均圧工程以外の工程時に消費流路５０に対しては，更に圧縮機３０で発生した圧縮空気の１／３が導入されることから，これにより１秒間あたりに消費流路５０に導入される圧縮空気の風量は，
１６．６Ｌ÷３≒５．５３L/sec
圧力スイング吸着装置１の１時間（３６００秒）の運転中，均圧工程の時間（３２０秒）を除く残りの運転時間は，３２８０秒であり，圧力スイング吸着装置１の１時間の運転中，均圧工程以外の工程時に消費流路５０に導入される圧縮空気の理論値は，
５．５３L/sec×３２８０＝１８１３８．４Ｌ（約１８．１m³）となる。

従って，２ユニットの吸着塔を使用して圧力スイング吸着装置を１時間運転した場合に，消費流路５０を介して利用可能な圧縮空気の総量は，理論値において，
５．３m³＋１８．１m³＝２３．４m³/h となる。

（３）１ユニットの吸着塔使用時
圧力スイング吸着装置１の１時間の運転中，均圧工程時に消費流路５０に導入される圧縮空気の合計量が約５．３m³であることは前述した通りである。

１ユニットの吸着塔使用時，均圧工程以外の工程時に消費流路５０に対しては圧縮機３０で発生した圧縮空気の２／３が導入されることから，１秒間あたり消費流路５０に導入される圧縮空気は，
１６．６Ｌ×２／３≒１１．１L/sec
圧力スイング吸着装置１の１時間（３６００秒）の運転中，均圧工程の時間（３２０秒）を除く残りの運転時間は，３２８０秒であり，圧力スイング吸着装置１の１時間の運転中，均圧工程以外の工程時に消費流路５０に導入される圧縮空気の理論値は，
１１．１L/sec×３２８０＝３６４０８Ｌ（約３６．４m³）となる。

従って，１ユニットの吸着塔を使用して圧力スイング吸着装置１を１時間運転した場合に，消費流路５０を介して利用可能な圧縮空気の総量は，理論値において，
５．３m³＋３６．４m³＝４１．７m³/h となる。

１ 圧力スイング吸着装置
１０ 圧力スイング吸着装置本体
１１ 供給流路
１２ 製品ガス出口
１３ａ，１３ｂ 吸入側マニホールド
１４ａ，１４ｂ 流出側マニホールド
１５ａ，１５ｂ 放気マニホールド
１６ａ，１６ｂ 均圧マニホールド
１７ 圧縮空気出口
３０ 圧縮機
３１ 圧縮機本体
３２ 原動機（モータ）
３３ レシーバタンク
３４ 逆止弁
３５ アフタクーラ
３６ ドライヤ
３７ サービスバルブ
３８ 吸気制御弁
５０ 消費流路
５１ バルブ
５２ 背圧弁
Ｔ１～Ｔ６ 吸着塔
Ｕ１～Ｕ５ ユニット（吸着塔の）
ＳＶ１～ＳＶ２０ バルブ
ＢＴ バッファタンク

Claims (4)

1. 複数で１組を成す吸着塔を備え，圧力スイング吸着方式により原料ガスである圧縮空気より特定のガスを吸着除去して目的とするガスを生成する圧力スイング吸着装置本体と，
   圧縮機本体の吐出側の圧力が所定の設定吐出圧力となるように前記圧縮機本体の吸気量を制御すると共に，前記圧縮機本体の吐出側圧力が前記設定吐出圧力に対し所定の高い圧力であるアンロード開始圧力以上になると前記圧縮機本体に対する吸気を停止する吸気制御弁を備え，前記圧力スイング吸着装置本体に対し圧縮空気を供給する圧縮機と，
   前記圧縮機で発生した圧縮空気を前記圧力スイング吸着装置本体に導入する供給流路と，
   前記圧縮機で発生した圧縮空気を，前記圧力スイング吸着装置本体を介さずに機外に取り出して空圧機器に供給可能な消費流路と，
   該消費流路に，一次側の圧力を所定圧力に保持する背圧弁を設けると共に，該背圧弁の一次側に，該消費流路に対する圧縮空気の導入を制御するバルブを設け，
   前記圧力スイング吸着装置本体の均圧工程中，前記バルブを全開として前記圧縮機で発生した圧縮空気を全量，前記消費流路に導入可能とすると共に，前記均圧工程以外の工程時において前記バルブにより前記消費流路を閉じ，又は絞ることを特徴とする圧力スイング吸着装置の制御方法。
2. 前記圧力スイング吸着装置本体が，前記複数個で１組を成す吸着塔のユニットを，複数ユニット備えていると共に，使用する吸着塔のユニット数を可変に構成されており，
   前記バルブを流量調整弁により形成し，使用する前記吸着塔のユニット数を，最大数に対し減少させたとき，前記均圧工程以外の工程時において，前記最大数の吸着塔のユニット使用時に前記圧力スイング吸着装置本体が消費する圧縮空気と，減少後のユニット数の吸着塔の使用時に前記圧力スイング吸着装置本体が消費する圧縮空気の消費量の差分の圧縮空気を，前記バルブの開度を調整することにより前記消費流路に導入可能としたことを特徴とする請求項１記載の圧力スイング吸着装置の制御方法。
3. 複数で１組を成す吸着塔を備え，圧力スイング吸着方式により原料ガスである圧縮空気より特定のガスを吸着除去して目的とするガスを生成する圧力スイング吸着装置本体と，
   圧縮機本体の吐出側の圧力が所定の設定吐出圧力となるように前記圧縮機本体の吸気量を制御すると共に，前記圧縮機本体の吐出側圧力が前記設定吐出圧力に対し所定の高い圧力であるアンロード開始圧力以上になると前記圧縮機本体に対する吸気を停止する吸気制御弁を備え，前記圧力スイング吸着装置本体に圧縮空気を供給する圧縮機と，
   前記圧縮機で発生した圧縮空気を前記圧力スイング吸着装置本体に導入する供給流路と，
   前記圧縮機で発生した圧縮空気を，前記圧力スイング吸着装置本体を介さずに機外に取り出して空圧機器に供給可能な消費流路と，
   該消費流路に，一次側の圧力を所定圧力に保持する背圧弁を設けると共に，該背圧弁の一次側に，該消費流路に対する圧縮空気の導入を制御するバルブを設け，
   前記バルブが，前記圧力スイング吸着装置本体の均圧工程中，前記消費流路を全開とすると共に，前記均圧工程以外の工程時において前記消費流路を閉じ，又は絞ることを特徴とする圧力スイング吸着装置。
4. 前記圧力スイング吸着装置本体が，前記複数個で１組を成す吸着塔のユニットを，複数ユニット備えていると共に，使用する吸着塔のユニット数を可変に構成されており，
   前記バルブが，前記均圧工程以外のとき，使用する前記吸着塔の組数が最大数のときに前記消費流路を閉じ，使用する前記吸着塔の組数の減少に応じて増大する所定の開度で前記消費流路を開放する流量調整弁であることを特徴とする請求項３記載の圧力スイング吸着装置。

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