JP7347757B2 - 圧力スイング吸着装置用の増圧弁ユニット、圧力スイング吸着装置、圧力スイング吸着装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、圧力スイング吸着（ＰＳＡ：Pressure Swing Adsorption）装置用の増圧弁ユニット、ＰＳＡ装置、および、ＰＳＡ装置の制御方法に関する。

圧力スイング吸着装置（以下、ＰＳＡ装置）は、原料ガスから特定のガスを吸着し目的のガスを生成する。ＰＳＡ装置は、装置本体と圧縮機とを備える。装置本体は、ガス生成部とガス提供部とを備える。

ガス生成部は、特定のガスに対して高い吸着力を示す吸着剤が充填された吸着タンクを備える。ガス生成部は、原料ガスを吸着タンクに導入して吸着タンク内を加圧することで、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生成し、また、吸着タンク内を減圧して、吸着剤に吸着したガスを吸着タンク外に放出させることで、吸着剤を再生させる。ガス生成部は、目的のガスの生成と吸着剤の再生を繰り返す。

特許文献１のＰＳＡ装置のガス生成部は、２つの吸着タンクを備え、一方の吸着タンクで目的のガスを生成しつつ他方の吸着タンクで吸着剤を再生し、これを所定の時間単位で交互に繰り返す。これにより、目的のガスを連続して生成することができる。特許文献２のＰＳＡ装置のガス生成部は、複数の吸着タンクで１つのグループを構成し、そのようなグループの増減によってガス生成能力を調整することができる。

ガス提供部は、ガス生成部によって生成された目的のガスをＰＳＡ装置の外部に提供する。ガス提供部は、目的のガスを貯留するバッファタンクなどを含む。

圧縮機は、原料ガスを圧縮してガス生成部に供給する。ＰＳＡ装置では、各種の圧縮機が使用可能である。圧縮機は、一般的に、その吐出側の圧力が所定の圧力（アンロード開始圧力）に上昇すると、アンロード運転に移行する（例えば、特許文献３）。

圧縮機がアンロード運転に移行すると、その消費電力はロード運転に比べて小さくなる。しかしながら、この間、圧縮機は、圧縮された原料ガスを生成しない。したがって、アンロード運転への移行は、ＰＳＡ装置全体としてみれば、エネルギーを無駄に消費しているといえる。

圧縮機がアンロード運転に移行しないようにしつつも、原料ガスを可能な限り高い圧力でガス生成部に供給できるようにすることが望ましい。したがって、ＰＳＡ法によるガス生成の一連の工程において圧縮機の吐出側の最大圧力が上記アンロード開始圧力よりわずかに低くなるように調整されることが望ましい。しかしながら、圧縮機のメーカによって同一の出力でも圧縮された原料ガスの生成能力にばらつきがあり、上記のような調整は簡単ではない。

特開第２０１０－７５７７８号公報 特開第２００１－３２７８２９号公報 特開第２０２０－１５０２１号公報

本発明は、圧縮機のアンロード運転への移行を防止してＰＳＡ装置の効率的な運転に貢献し得る増圧弁ユニットを提供することを目的する。また、本発明は、増圧弁ユニットを備えたＰＳＡ装置、および、増圧弁ユニットを用いたＰＳＡ装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明によれば、原料ガスを圧力スイング吸着装置の圧縮機から前記圧力スイング吸着装置のガス生成部へ中継するための増圧弁ユニットが提供され、
前記増圧弁ユニットは、
前記圧縮機から吐出された前記原料ガスを受け入れるための入口および前記原料ガスを前記ガス生成部へ送り出すための出口を備える第１流路と、
前記第１流路から分岐して再び前記第１流路に合流する第２流路と、
前記第２流路に設けられた増圧弁と、
前記圧縮機の吐出側の圧力を検出するための圧力検出手段と、
前記第２流路を開閉するための開閉手段と、を備え、
前記圧力検出手段が第１圧力を検出すると前記第２流路が前記開閉手段により開かれて、前記原料ガスが前記入口を通じて前記増圧弁に導入可能になりかつ前記増圧弁により増圧される前記原料ガスが前記出口を通じて放出可能になる。

前記圧力検出手段が、前記第２流路の開状態の時に、前記第１圧力未満である第２圧力を検出すると、前記第２流路が前記開閉手段により閉じられてよい。前記圧力検出手段は、前記第１圧力でＯＮになり前記第２圧力でＯＦＦになるヒステリシス特性を有する圧力センサでよい。前記増圧弁ユニットは、前記第２流路の分岐点と合流点との間において前記第１流路の逆流を防止する逆流防止手段をさらに備えてよい。

さらに、本発明によれば、ＰＳＡ装置が提供され、
前記ＰＳＡ装置は、
圧力スイング吸着法によって原料ガスから特定のガスを吸着して目的のガスを生成するガス生成部と、
前記原料ガスを圧縮して吐出する圧縮機であって、その吐出側の圧力がアンロード開始圧力に上昇するとアンロード運転に移行する圧縮機と、
前記原料ガスを前記圧縮機から前記ガス生成部へ中継するために前記圧縮機と前記ガス生成部とに接続された増圧弁ユニットと、を備え、
前記増圧弁ユニットは、
増圧弁と、
前記圧縮機の吐出側の圧力を検出するための圧力検出手段と、を備え、
前記圧力検出手段が、前記アンロード開始圧力未満である第１圧力を検出すると、前記圧縮機からの前記原料ガスを前記増圧弁に導入し前記増圧弁を作動させて、前記圧縮機の吐出側の圧力を低下させつつ前記増圧弁により増圧された前記原料ガスを前記ガス生成部へ供給する。

前記増圧弁ユニットは、前記増圧弁の作動時に、前記圧力検出手段が前記第１圧力未満である第２圧力を検出すると、前記原料ガスの前記増圧弁への導入を止め前記増圧弁を作動停止して、前記原料ガスを前記増圧弁に導入することなく前記圧縮機から前記ガス生成部へ中継してよい。前記ガス生成部は、前記特定のガスを前記目的のガスより優先的に吸着する吸着剤が充填された吸着タンクを複数備え、前記原料ガスをある吸着タンクに導入し当該ある吸着タンク内を加圧し前記特定のガスを当該ある吸着タンク内の前記吸着材に吸着させて前記目的のガスを生成しつつ、別の吸着タンクを減圧して当該別の吸着タンク内の前記吸着剤を再生する加圧・再生工程と、前記加圧・再生工程後に前記ある吸着タンクと前記別の吸着タンクとを均圧にする均圧工程と、を実施してよい。そして、前記増圧弁が前記加圧・再生工程の間に作動され、前記均圧工程の間に作動停止されてよい。

また、ＰＳＡ装置を制御する制御方法が提供され、
前記制御方法は、
前記圧力検出手段が前記アンロード開始圧力未満である第１圧力を検出する前、前記原料ガスを前記増圧弁に導入することなく前記圧縮機から前記増圧弁ユニットを介して前記ガス生成部に供給し、
前記圧力検出手段が前記第１圧力を検出すると、前記原料ガスを前記圧縮機から前記増圧弁に導入し前記増圧弁を作動させて、前記圧縮機の吐出側の圧力を低下させつつ前記増圧弁により増圧された前記原料ガスを前記ガス生成部に供給し、
前記圧力検出手段が、前記増圧弁の作動時に、前記第１圧力未満である第２圧力を検出すると、前記増圧弁への前記原料ガスの導入を止め前記増圧弁を作動停止して、前記原料ガスを前記増圧弁に導入することなく前記圧縮機から前記増圧弁ユニットを介して前記ガス生成部へ供給する。

前記制御方法は、
前記圧縮機からの前記原料ガスをある吸着タンクに導入し当該ある吸着タンク内を加圧し前記特定のガスを当該ある吸着タンク内の前記吸着材に吸着させて前記目的のガスを生成しつつ、別の吸着タンクを減圧して当該別の吸着タンク内の前記吸着剤を再生する第１加圧・再生工程と、
前記圧縮機からの前記原料ガスを前記別の吸着タンクに導入し当該別の吸着タンク内を加圧し前記特定のガスを当該別の吸着タンク内の前記吸着材に吸着させて前記目的のガスを生成しつつ、前記ある吸着タンクを減圧して当該ある吸着タンク内の前記吸着剤を再生する第２加圧・再生工程と、
前記第１および第２加圧・再生工程後に、前記ある吸着タンクと前記別の吸着タンクとを均圧にする均圧工程を備え、
前記制御方法は、さらに、
前記増圧弁を、前記第１および第２加圧・再生工程の間に作動させ、前記均圧工程の間に作動停止してよい。

ＰＳＡ装置は、圧力検出手段に代えて流量検出手段を用いてよい。前記増圧弁ユニットは、前記流量検出手段が、前記加圧・再生工程中の前記原料ガスの圧力の上昇に伴って前記原料ガスの流量が所定の流量まで低下したことを検出すると、前記圧縮機からの前記原料ガスを前記増圧弁に導入し前記増圧弁を作動させて、前記圧縮機の吐出側の圧力を低下させつつ前記増圧弁により増圧された前記原料ガスを前記ガス生成部へ供給する。ここで、前記所定の流量は、前記アンロード開始圧力に対応する流量より大きい。前記増圧弁ユニットは、前記均圧工程の開始に応答して、前記増圧弁を作動停止させてもよい。

本発明に係る増圧弁ユニットは、圧縮機のアンロード運転への移行を防止し、ＰＳＡ装置の効率的な運転に貢献し得る。

本発明の例示のＰＳＡ装置の概略図である。 図１のＰＳＡ装置の増圧弁ユニットの概略図である。 圧力センサのヒステリシス特性を説明する。 図４Ａ－図４Ｄは、ガス生成サイクルと圧力変化を示す。 図５Ａ、図５Ｂは、風量と圧力の関係を示す。 比較例に係るＰＳＡ装置の概略図である。 ガス生成部の他の例示である。 本発明の別の例示のＰＳＡ装置の概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態が説明される。図１は、例示のＰＳＡ装置を示す。ＰＳＡ装置は、ＰＳＡ法によって、原料ガスから特定のガスを吸着して、目的のガスを生成する。例えば、ＰＳＡ装置は、空気を原料ガスとする。この場合、ＰＳＡ装置は、窒素を吸着して酸素を生成する酸素ＰＳＡ装置、酸素を吸着して窒素を生成する窒素ＰＳＡ装置、及び、水分を吸着してドライエアを生成するＰＳＡドライヤなどがある。

ＰＳＡ装置は、装置本体１と、圧縮機２と、増圧弁ユニット３とを備える。装置本体１は、ＰＳＡ法により原料ガスから特定のガスを吸着して目的のガスを生成するガス生成部１０と、ガス生成部１０により生成された目的のガスを製品ガスとして貯留しかつ外部に提供するガス提供部１１とを備える。

ガス生成部１０は、互いに並列する複数の吸着タンクＴ１，Ｔ２（実施形態では２つ）を備える。不図示の吸着剤が吸着タンクＴ１，Ｔ２内に充填されている。吸着剤は、特定のガスを目的のガス（製品ガス）より優先して吸着する性質を有する。酸素ＰＳＡ装置の場合、例えば、窒素ガスを酸素ガスより優先して吸着するゼオライト吸着剤が用いられる。窒素ＰＳＡ装置の場合、例えば、酸素ガスを窒素ガスより優先して吸着する分子篩活性炭吸着剤が用いられる。ＰＳＡドライヤの場合、乾燥剤が吸着剤として用いられる。

ガス生成部１０は、吸着タンクＴ１，Ｔ２のそれぞれの一次側に接続された第１流路群１２と、吸着タンクＴ１，Ｔ２のそれぞれの二次側に接続された第２流路群１３と、第１および第２流路群１２，１３の所定の位置に設けられた複数の開閉弁ＳＶ１－ＳＶ８を備える。第１流路群１３は、原料ガスを取り込むための入口１４および特定のガスを外部に排出するため排出口１５を含む。

ガス提供部１１は、第２流路群１３から延長する流路１６と、当該流路１６に設けられて第２流路群１３からの目的のガスを貯留するバッファタンクＢＴなどを備える。流路１６は、目的のガスを製品ガスとして外部に提供するための製品出口１７を含む。実施形態では、ガス生成部１０の入口１４およびガス提供部１１の製品出口１７は、装置本体１の入口および製品出口として機能する。

装置本体１（１０，１１）の構造は、特許文献１などと同様の構成であるためその詳細は省略される。

図１、図４Ａを参照して、ガス生成部１０が原料ガスからＰＳＡ法で目的のガスを生成する方法について説明される。図４Ａ＜１＞において、開閉弁ＳＶ１－ＳＶ８のうち、開状態のものは白塗り、閉状態のものは黒塗りされている。

＜１＞の通り、開閉弁ＳＶ１の開により、原料ガスが後述の圧縮機２からガス生成部１０に供給され、吸着タンクＴ１に導入されて、吸着タンクＴ１内の圧力が次第に上昇し、所定の圧力を超えると、原料ガス中の特定のガスが吸着剤に吸着されて、目的のガスが生成され始める。このとき、開閉弁ＳＶ５が開かれているが、吸着タンクＴ１内の圧力がバッファタンクＢＴ内の圧力を超えるまでバッファタンクＢＴへは流れない。一方、開閉弁ＳＶ４の開により吸着タンクＴ２内が減圧されて、吸着タンクＴ２内の吸着剤に吸着された特定のガスは脱着され、吸着タンクＴ２から排出口１５から放出される。すなわち、吸着剤の再生が行われている。

＜２＞の通り、吸着タンクＴ１内の圧力がバッファタンクＢＴ内の圧力を超えると、目的のガスは、吸着タンクＴ１の２次側から第２流路群１３を通じてバッファタンクＢＴへ流れ、それから、製品ガスとして製品出口１７を通じて外部へ提供される。一方、吸着タンクＴ２では、吸着剤の再生が継続している。図４Ａ＜１＞＜２＞は、以下、第１加圧・再生工程と称する。

＜３＞の通り、第１加圧・再生工程後、ガス生成部１０は、開閉弁ＳＶ１，ＳＶ４，ＳＶ５を閉じ、開閉弁ＳＶ７，ＳＶ８を開き、吸着タンクＴ１，Ｔ２を互いに連通させて、両吸着タンクＴ１，Ｔ２を均圧にする。図４＜３＞は、以下で均圧工程と称する。

＜４＞＜５＞の通り、均圧工程後に、ガス生成部１０は、開閉弁ＳＶ１－ＳＶ８の制御によって、今度は、圧縮機２からの原料ガスを吸着タンクＴ２に導入して吸着タンクＴ２内を加圧し目的のガスを生成する一方で、吸着タンクＴ１内を減圧して吸着タンクＴ１内の吸着剤を再生する。図４Ａ＜４＞＜５＞は、第２加圧・再生工程とされる。

＜６＞の通り、第２加圧・再生工程後に再び均圧工程が実施される。したがって、ガス生成部１０は、図４Ａ＜１＞－＜３＞および＜４＞―＜６＞をそれぞれ半サイクルとし、＜１＞－＜６＞を１サイクルとし、これを繰り返し、連続的に目的のガスを生成する。

図１の通り、圧縮機２は、後述の増圧弁ユニット３を介してガス生成部１０に接続されている。圧縮機２は、原料ガスを、取り込み、圧縮し、吐出するように構成されている。また、圧縮機２は、その吐出側の圧力（すなわち、吐出される圧縮された原料ガスの圧力）が所定の圧力（以下、アンロード開始圧力とする）に上昇するとアンロード運転に移行するように構成されている。

圧縮機２として、例えば、特許文献３に開示されているものが用いられてよい。圧縮機２は、原料ガスを圧縮するように（圧縮された原料ガスを生成するように）構成された圧縮部２０と、原料ガスを圧縮部２０に取り込むための不図示の吸気口と、圧縮された原料ガスを外部へ吐出するための吐出口２１とを有する。圧縮部２０は、原料ガスの圧縮のための駆動源となるモータまたはエンジンなどを含む。

圧縮機２は、その吐出側の圧力がアンロード開始圧力にまで上昇すると、不図示の吸気制御弁を閉じて吸気口を閉じ、それにより圧縮部２０に対する吸気を停止し、原料ガスの圧縮（圧縮された原料ガスの生成）を停止する。一方で、圧縮機２は、圧縮部２０のモータまたはエンジンなどの駆動源を完全に停止しない。こうして、アンロード運転（無負荷運転・空転）が実施される。

圧縮機２は、上記の他、供給する原料ガスの量に応じてモータの回転数を制御可能なインバータ式であってもよい。圧縮機２は、その他に周知の様々のものが採用されてよい。

増圧弁ユニット３は、図１の通り、原料ガスを圧縮機２からガス生成部１０へ中継するために圧縮機２とガス生成部１０とに接続されている。増圧弁ユニット３は、筐体３０と、第１流路３１、第２流路３２とを含む。第１流路３１は、原料ガスを圧縮機２から受け入れるために圧縮機２の吐出口２１に接続された入口３３と、原料ガスをガス生成部１０へ送り出すためにガス生成部１０の入口１４に接続された出口３４とを含む。第２流路３２は、第１流路３１から分岐して再び第１流路３２に合流する。

図２を通り、増圧弁ユニット３は、さらに、第２流路３２に設けられた増圧弁３５を備える。増圧弁３５は、公知のものが利用されてよい。増圧弁３５は、その一次側（入口３３側）に原料ガスが導入されたときに作動して、その二次側（出口３４側）において原料ガスを増圧するものである。増圧弁３５として、周知のものを用いることができる。

さらに、増圧弁ユニット３は、圧縮機２の吐出側の圧力を検出するための圧力検出手段を備える。実施形態の圧力検出手段は、圧力センサ３６である。第２流路３２の分岐点３２０より上流で第１流路３１に接続され、圧縮機２の吐出側（増圧弁３５の一次側）の圧力を検出する。圧力センサ３６は、上記アンロード開始圧力未満である第１圧力Ｐ１と、第１圧力Ｐ１未満である第２圧力Ｐ２とを少なくとも検出することができるように構成されている。圧力センサ３６は、周知のものが用いられてよい。例えば、図３の通り、第１圧力Ｐ１でＯＮになり、ＯＮになった後に第２圧力Ｐ２でＯＦＦになるヒステリシス特性を有するものでよい。

さらに、増圧弁ユニット３は、第２流路３２を開閉するための開閉手段を備える。実施形態の開閉手段は、開閉弁３７であり、増圧弁３５より上流において第２流路３２に設けられている。

さらに、増圧弁ユニット３は、第２流路３２の分岐点３２０と合流点３２１との間において第１流路３１の逆流を防止する逆流防止手段を備える。実施形態の逆流防止手段は、逆止弁３８であり、分岐点３２０と合流点３２１との間で第１流路３１に設けられている。

増圧弁ユニット３は、通常、第２流路３２を開閉弁３７によって閉じている。このとき、原料ガスは、入口３３を通じて導入され、第２流路３２を経ることなく（増圧弁３５を作動させることなく）第１流路３１を流れ、出口３４を通じて放出可能である。

増圧弁ユニット３は、圧力センサ３６が第１圧力Ｐ１を検出すると、開閉弁３７を開きそれにより第２流路３２を開く。これにより、原料ガスが入口３３を通じて増圧弁３５の一次側に導入可能になり（増圧弁３５が原料ガスを動力として作動可能になり）、かつ、増圧弁３５によって増圧される増圧弁３５の二次側の原料ガスが出口３４を通じて放出可能となる。なお、逆止弁３８は、二次側において増圧された原料ガスが、第１流路３１を逆流することを防止する。

圧力センサ３６が、第２流路３２の開状態の時（増圧弁３５の作動時）に、第２圧力Ｐ２を検出すると、増圧弁ユニット３は、開閉弁３７を閉じて第２流路３２を閉じる。これにより、再び、原料ガスが入口３３を通じて増圧弁３５を経由させることなく第１流路３１を流れ、出口３４を通じて放出可能となる。

図４Ａ，Ｃ，Ｄを参照して、ＰＳＡ装置全体の制御方法が説明される。図４Ｃは、圧縮機２の吐出側の圧力変化を示し、図４Ｄは、加圧される吸着タンクＴ１またはＴ２の圧力変化を示す。図４Ｃ，Ｄにおいて、アンロード開始圧力は０．８Ｍｐａ、第１圧力Ｐ１は、０.８ＭＰａよりわずかに小さい０．７８Ｍｐａに、第２圧力は０．５５Ｍｐａに設定されているものとする。なお、これらの値は、例示にすぎない。以下の増圧弁ユニット３の各構成要素の動作制御は、増圧弁ユニット３中の不図示の制御部（例えばＰＬＣなど）によって行われている。

圧縮機２が、圧縮された原料ガスを、増圧弁ユニット３を介してガス生成部１０に供給する。ガス生成部１０が、圧縮機２からの原料ガスを用いて第１加圧・再生工程（図４Ａ＜１＞＜２＞）を実施する。圧力が、第１加圧・再生工程の開始とともに上昇し始める（図４Ｃ，Ｄ参照）。第１加圧・再生工程の開始において、圧縮機２の吐出側の圧力は第１圧力Ｐ１より小さく、増圧弁ユニット３は、第２流路３２を閉じており、増圧弁３５を作動させることなく原料ガスを圧縮機２からガス生成部１０に中継するだけである。

圧縮機２の吐出側の圧力がＰ１に上昇すると、これが圧力センサ３６によって検出される。すると、増圧弁ユニット３は、開閉弁３７を開いて第２流路３２を開き、圧縮機２からの原料ガスを増圧弁３５に導入して増圧弁３５を作動させる。増圧弁３５への原料ガスの導入により、吐出側の圧力が減少する（図４Ｃ）。そして、原料ガスは、増圧弁３５の作動によって増圧弁３５の二次側で増圧され、出口３４を通じてガス生成部１０に供給され、吸着タンクＴ１に導入される。すなわち、吐出側の圧力は減少するものの、吸着タンクＴ１内の圧力は緩やかではあるが上昇し続ける（図４Ｄ）。したがって、アンロード開始圧力を超える圧力を吸着タンクＴ１に提供することも可能である。

原料ガスの一部が増圧弁３５の作動に用いられるので、圧縮機２からの全原料ガスがガス生成部１０へ供給されるわけではないが、原料ガスの一部を増圧した状態で供給することができる。圧縮機２からガス生成部１０への原料ガスの供給割合は、増圧弁３５などの性能に依存する。

その後に、ガス生成部１０は、均圧工程を実施する（図４Ａ＜３＞）。このときに、圧力降下が生じ、第２圧力Ｐ２（＜Ｐ１）が圧力センサ３６によって検出される。すると、増圧弁ユニット３は、開閉弁３７を閉じて第２流路３２を閉じて、増圧弁３５を作動停止させる。

次いで、ガス生成部１０は、第２加圧・減圧工程および均圧工程（図４Ａ＜３＞－＜６＞）を実施する。このときの増圧弁ユニット３の作動は先の半サイクルと同じであるのでその説明は省略される。

以上のように、実施形態は、増圧弁ユニット３を用いて、圧縮機２がアンロード運転に移行することを防止しつつ、増圧弁３５により増圧された原料ガスをガス生成部１０に供給する。

図４Ｂ、図６は、増圧弁ユニット３を含まない比較例を示す。図６は、従来の構成と同様であるため同様の符号を付しその説明は省略される。圧縮機２が、図４Ｂの通りアンロード運転に移行してしまうと、その消費電力は全ロード運転時よりも減少する。とわいえ、圧縮された原料ガスを生産することなく運転が継続されていることから、無駄に電力を消費しているといえる。

例えば、非インバータ式の圧縮機では、アンロード運転時の消費電力は、一般的に、全ロード運転時の約７０％であり、全ロード運転時の約７０％もの電力を無駄に消費している。また、インバータ式の圧縮機では、アンロード運転時の消費電力は、一般的に、全ロード運転時の約３０％の消費電力であり、非インバータ式より低いものの、全ロード運転時の約３０％もの電力を無駄に消費している。

一方、増圧弁ユニット３は、圧縮機２がアンロード運転に移行して圧縮された原料ガスを全く生成しない状態をなくすことができるので、ＰＳＡ装置の効率的に実施に貢献し得る。

図５Ａ，図５Ｂは、比較例（図５Ａ）と本願の実施形態（図５Ｂ）におけるガス生成部１０への風量と圧力の関係を、アンロード開始圧力を０．８０Ｍｐａとして示す。本願の実施形態は、風量増Ｓ１から風量減Ｓ２の差分を、アンロード開始圧力よりも大きい圧力で提供することができる。

増圧弁ユニット３は、既存のＰＳＡ装置に組み込んで使用することができるという利点がある。なお、増圧弁ユニット３は、図７および特許文献２に示されるように、複数の吸着タンク（実施形態では２つ）で１つのグループを構成し、そのようなグループＵ１－Ｕ５の増減によってガス生成能力を調整することができる装置本体１のガス生成部１０に適用されてもよい。また、増圧弁ユニット３は、図１のように装置本体１とは別体として設けられてもよいし、装置本体１内に設けられてもよい。

工場の省エネ対策として、圧縮空気（原料ガスの一例）の低圧化が一般的になっている。工場の圧縮空気の圧力が、装置本体１が必要とする設計圧力に満たない時でも、本機能により、工場の圧縮空気を、増圧弁ユニット３を用いて、装置本体１が必要とする設計圧力まで昇圧して供給する事ができる。増圧弁ユニット３の仕組みにより、増圧弁の作動させるために圧縮空気を余分に使用することとなるが、ＰＳＡ装置専用の圧縮機を購入する既存の方法と、圧縮機の設置面積、整備費用等を含めた工場全体としての設備費用の低減が見込まれるメリットとを鑑み、顧客が選択できるようにしてよい。

上記から明らかなように、第１圧力Ｐ１は、アンロード開始圧力未満に設定されるものであるが、アンロード開始圧力に近い値に設定されることが好ましい。例えば、第１圧力Ｐ１は、好ましくはアンロード開始圧力の８０％以上に、より好ましくは９０％以上の値に設定される。当然、第１圧力Ｐ１がアンロード開始圧力の８０％未満の値に設定されてもよい。

＜実験例＞
ガス発生装置としての性能の１つとして、ＪＩＳ Ｂ９９５１ ５．２．２項にて、製品ガスの回収率が明記されている。製品ガスの回収率（％）は、（製品として取り出された目的のガス体積）÷（原料に含まれる目的のガス体積）×１００とされる。単純に、回収率を固定すると、（原料に含まれる目的のガス体積）（分母）を増量すれば、（製品として取り出された目的のガス体積）（分子）が増える。原料ガスを空気とすると、原料の空気の体積を増量すれば、製品ガスも増量する。増圧弁ユニットは、圧縮機が圧縮空気を生成していない状態（アンロード運転）を無くし、圧縮空気の増量により目的のガスを増量できる。すなわち、増圧弁ユニットの機能により、圧縮機はアンロード運転に移行することなく全運転し続け、圧縮空気を増量させ、結果的に、製品ガスを増量させる。

増圧弁ユニットを含まない比較例のＰＳＡ装置と、増圧弁ユニットを含む本願の実施形態のＰＳＡ装置とで、実験を行った。原料ガスは空気であり、目的のガス（製品ガス）は窒素とした。

理論値
圧縮機の風量 １６００Ｌ／分（２６．６Ｌ／秒）
窒素ガスの回収率 約２０％ （空気比）
窒素純度 （窒素＋アルゴン）９９．９９％条件
６０秒の周期（図４Ａの半サイクル）毎に加圧と減圧を交互に繰り返す。

増圧弁ユニットなし（比較例）
圧縮機のアンロード運転 ７秒／分
圧縮機の圧縮空気生成量 （６０秒－７秒）×２６．６Ｌ／秒＝１４１０Ｌ／分
窒素ガス発生量 １４１０×２０％＝２８２Ｌ／分

増圧弁ユニットあり（本願の実施形態）
圧縮機のアンロード時間 無し
増圧弁の駆動時間 ７秒／分
７秒間の増圧弁による圧縮空気量
増圧弁を作動させる為に消費する空気量は供給空気量の約５０％
２６．６Ｌ／秒×７秒×５０％≒９３Ｌ／分増加
全運転時間（５３秒）の空気生成量１４１０Ｌ／分に増量分を足すと１５０３Ｌ／分となる。
窒素ガス発生量 １５０３×２０％＝３００．６Ｌ／分

窒素ガス取出量の増加
３００．６Ｌ／分－２８２Ｌ／分＝１８．６Ｌ／分
百分率での増加は、１０６％となる。

したがって、増圧弁ユニットを用いることで、窒素ガス（目的のガス）の取出量が約６％増加した。これは、比較例では、圧縮機が、半サイクルの度にアンロード運転に移行し、約７秒間、圧縮空気を全く生成せず、一方の本願の実施形態では、圧縮機が、アンロード運転に移行せず、圧縮空気を常時生成しているからである。

消費電力について考察すると、比較例では、アンロード時間（秒）は，前述した圧力スイングの周期（６０秒）に対し、１１．６％＝（７／６０）×１００であり、圧縮機の動作時間中、約１１％の動作時間は、窒素ガスの生成に使用されていない。この間、圧縮機は無駄に運転されていることになる。アンロード運転への移行により、圧縮機の消費電力が全ロード運転時の７０％程度であると仮定すると、以下の式の通り、全電力消費量のうち約８．４６％の電力が，無駄に消費されていることになる。
（７秒×７０％）／{（５３秒×１００％）+（７秒×７０％）}×１００＝８．４６％

一方、本願の実施形態では、比較例において無駄に消費されていた約８．４６％の電力を圧縮空気の生成に有効に利用することできる。従って、電力を無駄なく消費することができる。

図８は、別の例示のＰＳＡ装置を示す。増圧弁ユニット３は、圧力検出手段（圧力センサ３６）に代えて、圧縮機２からガス生成部１０へ流れる原料ガスの流量（風量）を検出するための流量検出手段として、流量センサ３９を備える。流量センサ３９は、周知のものが用いられてよい。

ガス生成部１０が第１／第２加圧・再生工程（図４Ａ＜１＞＜２＞／＜４＞＜５＞）を実施すると、図４Ｃ，Ｄの通り、圧縮機２の吐出側の圧力および吸着タンクＴ１／Ｔ２の圧力が上昇する。圧力の上昇に伴い、圧縮機２からの原料ガスの流量は次第に減少する。すなわち、第１／第２加圧・再生工程を実施中において、原料ガスの圧力と流量に反比例の関係があり、したがってアンロード開始圧力に対応する流量（アンロード開始流量と称する）がある。

第１／第２加圧・再生工程中の吐出側および吸着タンクＴ１／Ｔ２内の原料ガスの圧力の上昇に伴って原料ガスの流量が低下していく。原料ガスが、アンロード開始流量より大きい所定の流量にまで低下すると、これが流量センサ３９によって検出される。

この検出を受けて、増圧弁ユニット３は、先の実施形態と同様に、開閉弁３７を開いて第２流路３２を開き、圧縮機２からの原料ガスを増圧弁３５に導入して増圧弁３５を作動させ、それによって、圧縮機２の吐出側の圧力を低下させつつ増圧弁３５により増圧された原料ガスをガス生成部１０へ供給する。

その後、ガス生成部１０は、均圧工程（図４Ａ＜３＞／＜６＞）を実施する。増圧弁ユニット３は、ガス生成部１０が均圧工程を開始することに応答して、開閉弁３７を閉じて第２流路３２を閉じて、増圧弁３５を作動停止させる。均圧工程は、開閉弁ＳＶ７，ＳＶ８（均圧弁とも称される）を開くことによって開始される。したがって、例えば、増圧弁ユニット３は、開閉弁ＳＶ７／ＳＶ８の閉から開への切り替えに応答して、増圧弁３５を作動停止させてよい。

この実施形態でも、先に実施形態と同様に、圧縮機２のアンロード運転への移行を防止でき、ＰＳＡ装置の効率的な運転を可能にし得る。なお、均圧工程の開始（均圧弁の開）に応答して増圧弁３５を作動停止させる構成は、圧力センサ３６を用いた先に実施形態で採用されてもよい。前記所定の流量は、上述の段落００５７欄に記載した第１圧力Ｐ１の範囲に対応する流量の範囲で設定されることが好ましいが、これに限定されるものではない。

１ 装置本体
１０ ガス生成部
Ｔ１，Ｔ２ 吸着タンク
２ 圧縮機
３ 増圧弁ユニット
３１ 第１流路
３２ 第２流路
３２０ 分岐点
３２１ 合流点
３３ 入口
３４ 出口
３５ 増圧弁
３６ 圧力検出手段としての圧力センサ
３７ 開閉手段としての開閉弁
３８ 逆流防止手段としての逆止弁
３９ 流量検出手段としての流量センサ
Ｐ１ 第１圧力
Ｐ２ 第２圧力

Claims (11)

1. 原料ガスを圧力スイング吸着装置の圧縮機から前記圧力スイング吸着装置のガス生成部へ中継するための増圧弁ユニットであって、
   前記圧縮機から吐出された前記原料ガスを受け入れるための入口および前記原料ガスを前記ガス生成部へ送り出すための出口を備える第１流路と、
   前記第１流路から分岐して再び前記第１流路に合流する第２流路と、
   前記第２流路に設けられた増圧弁と、
   前記圧縮機の吐出側の圧力を検出するための圧力検出手段と、
   前記第２流路を開閉するための開閉手段と、を備え、
   前記圧力検出手段が第１圧力を検出すると前記第２流路が前記開閉手段により開かれて、前記原料ガスが前記入口を通じて前記増圧弁に導入可能になりかつ前記増圧弁により増圧される前記原料ガスが前記出口を通じて放出可能になる、
   ことを特徴とする増圧弁ユニット。
2. 前記圧力検出手段が、前記第２流路の開状態の時に、前記第１圧力未満である第２圧力を検出すると、前記第２流路が前記開閉手段により閉じられる、
   請求項１に記載の増圧弁ユニット。
3. 前記圧力検出手段は、前記第１圧力でＯＮになり前記第２圧力でＯＦＦになるヒステリシス特性を有する圧力センサである、
   請求項２に記載の増圧弁ユニット。
4. 前記第２流路の分岐点と合流点との間において前記第１流路の逆流を防止する逆流防止手段をさらに備える、
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の増圧弁ユニット。
5. 圧力スイング吸着法によって原料ガスから特定のガスを吸着して目的のガスを生成するガス生成部と、
   前記原料ガスを圧縮して吐出する圧縮機であって、その吐出側の圧力がアンロード開始圧力に上昇するとアンロード運転に移行する圧縮機と、
   前記原料ガスを前記圧縮機から前記ガス生成部へ中継するために前記圧縮機と前記ガス生成部とに接続された増圧弁ユニットと、を備え、
   前記増圧弁ユニットは、
   増圧弁と、
   前記圧縮機の吐出側の圧力を検出するための圧力検出手段と、を備え、
   前記圧力検出手段が前記アンロード開始圧力未満である第１圧力を検出すると、前記圧縮機からの前記原料ガスを前記増圧弁に導入し前記増圧弁を作動させて、前記圧縮機の吐出側の圧力を低下させつつ前記増圧弁により増圧された前記原料ガスを前記ガス生成部へ供給する、
   ことを特徴とする圧力スイング吸着装置。
6. 前記増圧弁ユニットは、前記増圧弁の作動時に、前記圧力検出手段が前記第１圧力未満である第２圧力を検出すると、前記原料ガスの前記増圧弁への導入を止め前記増圧弁を作動停止して、前記原料ガスを前記増圧弁に導入することなく前記圧縮機から前記ガス生成部へ中継する、
   請求項５に記載の圧力スイング吸着装置。
7. 前記ガス生成部は、
   前記特定のガスを前記目的のガスより優先的に吸着する吸着剤が充填された吸着タンクを複数備え、
   前記原料ガスをある吸着タンクに導入し当該ある吸着タンク内を加圧し前記特定のガスを当該ある吸着タンク内の前記吸着材に吸着させて前記目的のガスを生成しつつ、別の吸着タンクを減圧して当該別の吸着タンク内の前記吸着剤を再生する加圧・再生工程と、
   前記加圧・再生工程後に前記ある吸着タンクと前記別の吸着タンクとを均圧にする均圧工程と、を実施し、
   前記増圧弁は、前記加圧・再生工程の間に作動され、前記均圧工程の間に作動停止される、
   ことを特徴とする請求項６に記載の圧力スイング吸着装置。
8. 圧力スイング吸着装置を制御する制御方法であって、
   前記圧力スイング吸着装置は、
   圧力スイング吸着法によって原料ガスから特定のガスを吸着して目的のガスを生成するガス生成部と、
   前記原料ガスを圧縮して吐出する圧縮機であって、その吐出側の圧力がアンロード開始圧力に上昇するとアンロード運転に移行する圧縮機と、
   前記原料ガスを前記圧縮機から前記ガス生成部へ中継するために前記圧縮機と前記ガス生成部とに接続された増圧弁ユニットと、を備え、
   前記増圧弁ユニットは、
   増圧弁と、
   前記圧縮機の吐出側の圧力を検出するための圧力検出手段と、を備え、
   前記制御方法は、
   前記圧力検出手段が前記アンロード開始圧力未満である第１圧力を検出する前、前記原料ガスを前記増圧弁に導入することなく前記圧縮機から前記増圧弁ユニットを介して前記ガス生成部に供給し、
   前記圧力検出手段が前記第１圧力を検出すると、前記原料ガスを前記圧縮機から前記増圧弁に導入し前記増圧弁を作動させて、前記圧縮機の吐出側の圧力を低下させつつ前記増圧弁により増圧された前記原料ガスを前記ガス生成部に供給し、
   前記圧力検出手段が前記増圧弁の作動時に前記第１圧力未満である第２圧力を検出すると、前記増圧弁への前記原料ガスの導入を止め前記増圧弁を作動停止して、前記原料ガスを前記増圧弁に導入することなく前記圧縮機から前記増圧弁ユニットを介して前記ガス生成部へ供給する、
   ことを特徴とする制御方法。
9. 前記ガス生成部は、
   前記特定のガスを前記目的のガスより優先的に吸着する吸着剤が充填された吸着タンクを複数備え、
   前記制御方法は、
   前記圧縮機からの前記原料ガスをある吸着タンクに導入し当該ある吸着タンク内を加圧し前記特定のガスを当該ある吸着タンク内の前記吸着材に吸着させて前記目的のガスを生成しつつ、別の吸着タンクを減圧して当該別の吸着タンク内の前記吸着剤を再生する第１加圧・再生工程と、
   前記圧縮機からの前記原料ガスを前記別の吸着タンクに導入し当該別の吸着タンク内を加圧し前記特定のガスを当該別の吸着タンク内の前記吸着材に吸着させて前記目的のガスを生成しつつ、前記ある吸着タンクを減圧して当該ある吸着タンク内の前記吸着剤を再生する第２加圧・再生工程と、
   前記第１および第２加圧・再生工程後に、前記ある吸着タンクと前記別の吸着タンクとを均圧にする均圧工程を備え、
   前記制御方法は、さらに、
   前記増圧弁を、前記第１および第２加圧・再生工程の間に作動させ、前記均圧工程の間に作動停止する、
   請求項８に記載の制御方法。
10. 圧力スイング吸着法によって原料ガスから特定のガスを吸着して目的のガスを生成するガス生成部と、
    前記原料ガスを圧縮して吐出する圧縮機であって、その吐出側の圧力がアンロード開始圧力に上昇するとアンロード運転に移行する圧縮機と、
    前記原料ガスを前記圧縮機から前記ガス生成部へ中継するために前記圧縮機と前記ガス生成部とに接続された増圧弁ユニットと、を備え、
    前記ガス生成部は、
    前記特定のガスを前記目的のガスより優先的に吸着する吸着剤が充填された吸着タンクを複数備え、
    前記原料ガスをある吸着タンクに導入し当該ある吸着タンク内を加圧し前記特定のガスを当該ある吸着タンク内の前記吸着材に吸着させて前記目的のガスを生成しつつ、別の吸着タンクを減圧して当該別の吸着タンク内の前記吸着剤を再生する加圧・再生工程と、
    前記加圧・再生工程後に前記ある吸着タンクと前記別の吸着タンクとを均圧にする均圧工程と、を実施し、
    前記増圧弁ユニットは、
    前記増圧弁と、
    前記圧縮機から前記ガス生成部へ流れる前記原料ガスの流量を検出するための流量検出手段と、を備え、
    前記流量検出手段が、前記加圧・再生工程中の前記原料ガスの圧力の上昇に伴って前記原料ガスの流量が所定の流量まで低下したことを検出すると、前記圧縮機からの前記原料ガスを前記増圧弁に導入し前記増圧弁を作動させて、前記圧縮機の吐出側の圧力を低下させつつ前記増圧弁により増圧された前記原料ガスを前記ガス生成部へ供給するものであり、
    前記所定の流量は、前記アンロード開始圧力に対応する流量より大きい、
    ことを特徴とする圧力スイング吸着装置。
11. 前記増圧弁ユニットは、前記均圧工程の開始に応答して前記増圧弁を作動停止する、
    請求項１０に記載の圧力スイング吸着装置。

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