JPH02307507A - 気体分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は気体分１ｌＩＩ装冒に係り、特に一定の濃度の
製品ガスを生成するよう構成した気体分離装置に関する
。

従来の技術 一般に、ＰＳＡ式気体分離装置は、分子ふるいカーボン
かうなる吸着剤を用いて、空気を窒素と酸素に分離し、
いずれか一方を製品ガスとして取出し、使用するもので
ある。

このため、例えばＰＳＡ式の窒素発生装置にあっては、
吸着剤が充填された吸着槽に圧縮空気を導入して昇圧す
る吸着工程と、吸着槽内を大気開放し又は真空ポンプで
減圧するｌｌ！２＠工程とを繰返し、吸着工程では吸着
槽内の吸着剤に酸素分子を吸着させて、窒素を外部に取
出し、一方１１１２着工程では吸着された酸素を１１！
２＠シ、次の吸着工程に備えるようになっている。

この種の窒素発生装置では、食品の鮮度維持等に窒素ガ
スの需要が拡がるとともに、窒素ガスを効率よく生成す
ることが研究されている。食品保存用としての窒素発生
装置の開発初期段階では、例えば乾物等の食品が対象と
なっていたので、より高純度の窒素ガスが要望されてい
た。

ところが、青果物あるいは鮮魚等の鮮度を維持する食品
貯蔵法の研究が進むにつれて、食品を貯蔵する低温貯蔵
庫内に窒素を主成分とした適量の酸素、炭酸ガスの混合
気体を供給することが、鮮度を維持する上で最良である
ことが解明された。

そして、窒素、酸素、炭酸ガスの混合割合は対象となる
食品の種類によって夫々異なることも確認されている。

発明が解決しようとする課題 従来の気体分離装置では高純度の窒素ガスを生成するこ
とを目的として開発されているので、低酸素濃度ガスを
生成することが難しかった。従来の装置を使用して上記
の如く、窒素、酸素等の気体が一定の割合で混合された
混合気体を生成するには、例えば吸着槽へ供給される圧
縮空気の圧力を：ｊ４整する方法が考えられる。この方
法では導入圧力の低下により吸着効率が低下して不経済
であるといった課題が発生する。又、所望とする混合気
体を得る別の方法としては、高純度の窒素ガスを生成す
る気体分離装置の他に酸素が密封されたボンベ及びボン
ベと製品タンクとを接続する配管、ボンベから供給され
る！！素の供給量を製品タンク内の濃度に応じて調整す
る手段等を設けた装置が考えられる。しかしながら、こ
のような装置では装置全体が複雑化して大計りな装置と
なるばかりか、ボンベ内の気体消費薯をヂエツクしてボ
ンベ交換作業を行なわなければならず、管理が面倒であ
るといった課題が生ずる。

そこで、本発明は上記課題を解決した気体分離装置を提
供することを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明は、上記気体分離装置において、吸着剤に吸着さ
れた一の気体を排気する排気管路と製品タンクとを接続
する接続配管を設け、接続配管に排気管路と製品タンク
との間を開閉する開ｍ弁を設け、製品タンクに製品ガス
の気体濃度を検出する気体濃度検出手段を設けるととも
に、気体濃度検出手段により検出された製品タンク内の
製品ガスＩ２ｒ！１が設定濃度より低いとき吸着槽にお
ける吸着時間を延長するタイマ手段と、気体濃度検出手
段により検出された製品タンク内の製品ガス濃度が設定
濃度より高いとき開閉弁を開弁し吸着槽より排気される
一の気体を製品ガスに混合する気体混合手段と、を兵制
してなる。

作用 吸ｗｍに圧縮空気が導入されてから取出用弁が開弁する
までの＠着時周に応じて一の気体分子の吸着量が変化す
ることに着目し、製品タンク内の気体濃度が低いときは
吸着時間を延長し吸着槽における一の気体の吸＠量を増
加させて製品ガスの気体濃度を高める。又、製品タンク
内の気体濃度が高いときは、吸着剤に吸着された一の気
体を製品タンクに供給して製品ガスの気体濃度を下げる
。

実施例 第１図に本発明になる気体分離装置の一実施例を示す。

同図中、１．２は第１．第２の吸着槽で、各吸着槽１，
２内にはそれぞれ分子ふるいカーボンＩＡ、２Ａが充填
されている。

３は圧縮空気供給源となるコンプレッサで、コンプレッ
サ３からの圧縮空気は配管６．７を介して吸着槽１．２
にそれぞれ交互に供給されるようになっており、このた
め該配管６．７の途中にはそれぞれ電磁弁からなる空気
供給用弁８．９が設けられている。

１０．１１は脱着時に吸着槽１．２からの気体を排出す
る配管で、共通排出配管１２に接続されており、排出配
管１２は脱着排ガスを排出するようになっている。そし
て、前記配管１ｏ、ｉｉの途中にはそれぞれ吸着槽１．
２内の脱着排ガスを半サイクル毎に交互に排出する電磁
弁からなる気体排出用弁１３．１４が設けられている。

１５．１６は吸着槽１．２の出口側に接続され吸着槽１
，２内で生成された窒素をそれぞれ取出す取出配管、１
７は各配管１５．１６と連結した取出配管で、配管１５
．１６の途中には半サイクルの間だけ後述のＩｔｌＪ御
の下に交互に開弁する電磁弁からなる取出用弁１８．１
９がそれぞれ設けられている。また前記取出配管１７は
製品タンク２０と接続されている。

２１は吸着槽１．２の出口側を連通ずる配管、２２は配
管２１の途中に設けられた電磁弁からなる均圧用弁で、
均圧用弁２２は吸着槽１．２による半サイクルの終了時
に所定の短ｖ１ｆｆｉだけ開弁し、各吸着槽１，２間を
均圧にする。

２４は製品タンク２０に接続された取出配管で、その途
中には電磁弁からなる取出用弁２５が設けられている。

２７は酸素センサ（気体濃度検出手段）で、製品タンク
２０に貯溜された気体の酸素濃度を検出する。又、酸素
センサ２７からの酸素濃度検出信号は後述する制御回路
３４に入力される。

なお、酸素センサ２７としては酸素分子の常磁性を利用
した磁気式酸素センサ、酸素が透過膜を介して電解液に
入ると電極で酸化還元反応が起き電流が流れるのを利用
した電磁式酸素センサ、ジルコニア磁器の内外面にＮ極
を設け、酸素濃度によって起電力が発生するのを利用し
たジルコニア式酸素センサ等が用いられる。

２Ｂは排気用の配管１０と製品タンク２０とを接続する
第１の接続配管で、＠着槽１の出口側近傍に上流側ＷＩ
Ｊ閉弁２９が配設され、製品タンク２０近傍には下流側
開閉弁３０が配設されている。

又、吸着槽２側においても排気用の配管１１と製品タン
ク２０とを接続する第２の接続配管３１が配設されてお
り、この接続配管３１には上流側開閉弁３２．下流側開
閉弁３３が配設されている。

尚、上記開閉弁２９．３０及び３２．３３は通常閉弁し
ているが、後述する制御回路３４からの指令により製品
タンク２０内の酸素濃度が低下したとき、換言すれば窒
素濃度が高いとき開弁する。

３５は取出配管２４から取出される窒素純度、即ち酸素
濃度を設定するｌ１ｌＩ１１設定スイツチで、製品タン
ク２０から取出すべき窒素ガス濃度に応じて適宜に設定
されるものである。

また、ｗ４１！１１回路３４は例えばマイクロコンピュ
ータ等によって構成される弁１１Ｊｔｌ１手段で、入力
側には酸素セン＋Ｊ２７．１度設定スイッチ３５が接続
されている。尚、ＩＱ御回路３４には第２図に示す処理
を実行するタイマ手段３４Ａ、気体混合手段３４Ｂが設
けられている。

従って、制御回路３４は所定のプログラムに基づいて、
空気供給用弁８．９．気体排出用弁１３゜１４、取出用
弁１８，１９．均圧用弁２２．取出用弁２５．Ｒｆ！１
弁２９，３０．３２．３３を開閉ｍｗする。

尚、上記制御回路３４により開閉υＩｔＩＤされる各電
磁弁は、開弁信号の供給により励磁されたとき開弁し、
励磁されないときにはバネ力で閉弁するようになってい
る。

ここで、上記窒素発生装置の一般的な窒素発生サイクル
の動作につき説明する。

まず、窒素発生ＩＩとしての基本動作について、第３図
、第４図を参照しながら述べる。

いま、窒素発生１ｉ１を起動すると、マイクロコンピュ
ータ（図示せず）の制御の下に、窒素発生が行われる。

まず、第４図に示すように■、■、■の動作が実行され
る。第３図中の■は、空気供給用弁９と気体排出用弁１
３が開弁し、第２の吸着槽２に原料気体とらでのＢ縮空
気が供給されて第２の吸着槽２は昇圧状態にあり、分子
ふるいカーボン２Ａに酸素が吸着される。−力筒１の吸
着槽１は減圧状態にあり、吸着していた酸素が脱着して
排出されている状態を示している。

次に、第３図中の■は空気供給用弁９と気体排出用弁１
３の他に、新たに取出用弁１９を開弁し、第２の吸着槽
２内の窒素ガスを取出している状態を示している。この
とき、第１の吸＠ｖ１１％０１減圧状態のままである。

次に、第３図中の■は均圧操作で、各取出用弁１Ｂ、１
９．及び空気供給用弁９．気体排出用弁１３を閉弁する
とともに均圧用弁２２を開弁する。

これにより、第２の吸着槽２内に残存する窒素富化ガス
は第１の吸着槽１に口取され、各吸着槽１゜２は均圧と
なる。なお、前記均圧操作は通常１〜３秒である。

これにより、１サイクルのうちの前半の半サイクルが終
了したことになり、空気供給用弁８．気体排出用弁１４
を開弁することによって、第４ｗ１（Ｂ）に示すように
第３ｆｊＡ中の■〜■に示す後半の半サイクルを繰返す
。かくして、吸着槽１．２からは各半サイクルの後半で
窒素ガスを取出し、製品タンク２０に供給することがで
きる。そして、起動後しばらくすると、発生する窒素ガ
スの純度は安定する。

尚、上記窒素発生サイクルにおいて、吸着１１゜２に充
填された分子ふるいカーボンＩＡ、２Ａが気体分子を吸
着する気体分子吸着特性、すなわち吸着時間と吸着量と
の関係は第５図に丞すよｉになる。

第５図かられかるように、酸素分子の吸着量が短時間で
上昇するのに対し、窒素分子の吸着量は吸１１１ＩＩＩ
がｔｏを過ぎたあたりから遅れて上昇する。従って酸素
分子の吸着特性をふまえて吸着時間を変えることにより
酸素吸着量を調整することが可能となる。

さらに、上記窒素発生サイクルのサイクル時間と酸素濃
度との関係は、第６図に示すようになる。

従って、上記窒素発生装置においては第６図かられかる
ように半サイクル時浦をｔ＋としたときの酸素濃度が最
も低く、換言すれば最も効率的に窒素ガスを生成できる
。

しかしながら、前述の如く鮮度が要求される青果物の貯
蔵庫等では、窒素ガスに酸素を３１ｆｌｌ含有した混合
気体が要望されており、高純度（例えば９９．９％）の
窒素ガスでは不適となる。

そこで、本発明では吸着時間に応じてｍ累分子の吸着量
が変化することに看目し、通常の半サイクル時間をｔｘ
　　（第６図参照）に設定する。そして、製品タンク２
０内に蓄圧された製品ガスの酸素濃度が高くなったとき
半サイクル時間をｔ２からｔ３に変更して吸着時間を延
長する。即ち、制御回路３４には酸素センサ２７からの
酸素濃度検出信号に基づき、製品タンク２０内の気体濃
度を算出し、予め設定された酸素濃度あるいは窒素濃度
と算出した気体濃度とを比較して、製品タンク２０内の
酸素濃度が所定濃度より高いとき（窒素濃度が低いとき
）、半サイクル時間を延長するタイマ手段３４Ａが設け
られている。

又、１ｌＪ１１回路３４には製品タンク２０内の酸素濃
度が所定濃度より低いとき（窒素濃度が高いとき）、吸
着槽１．２内の分子ふるいカーボンＩＡ。

２Ａに吸着された酸素分子を排気せずに接続配管２８．
３１を介して製品タンク２０に供給して適―の酸素を窒
素ガスに混合させるように各電磁弁をＩｌｌ閉する気体
混合手段３４Ｂが設けられている。

次に、窒素濃度（又は酸素濃度）を所望の設定値にＩＱ
ＩＩするための処理動作について、第２図を審照しつつ
説明する。

まず、濃度設定スイッチ３５により、取出すべき窒素ガ
スの純度、例えば窒素ガス中の酸素濃度を所定の値Ｐ１
例えば５％に設定する。すると、ＩＪ　ＩＩ　１ｍ路３
４はこの設定値を読込む（ステップＳ１）。なお、この
設定濃度（酸素濃度）が５％ということは、窒素純度は
９５％であり、又逆に濃度設定スイッチ３５によって窒
素濃度９５％の値を設定するようにしてもよい。

次に、ｌＩ累センサ２７は製品タンク２０内に蓄圧され
た製品ガス中の酸素濃度を測定し、濃度検出信号を出力
しているから、制御＠路３４はこの濃度検出信号による
測定値Ｍを読込む（ステップ８２）。

次のステップＳ３では、読込んだ設定値Ｐと測定値Ｍと
を比較し、両者の値が等しいか否か比較する。

いま、ステップＳ３において製品タンク２ｏ内の製品ガ
スの酸素濃度が５％（Ｐ−・Ｍ）であるとき、ステップ
Ｓ４に移り半サイクル時１３６　ｉ　ｚの窒素発生サイ
クルが行なわれる。そして、時ｆｉ　ｊ　２の半サイク
ルが終了すると再びステップ８２゜８３の処理が繰返さ
れる。

一方、ステップＳ３で設定値Ｐと測定値Ｍが等しくない
と判定したときには、ステップｓ５に移り、測定値Ｍの
方が大きいか否か判定する。ここで、例えば製品ガスの
酸素濃度が６％になったと仮定する。この場合、ステッ
プＳ５においてＰくＭとなるため、ステップＳ６に移り
、半サイクルｌＩｍをｔ２からｔ３に延長した窒素発生
ザイクルを設定する。そして、ステップｓ７では、第４
図に示す■、■、■の各工程による半サイクル時間がｔ
３で行なわれる。即ち、吸着槽２において、取出用弁１
９の開弁動作が遅延され、その結果■の昇圧工程による
吸着時間が延長され、第３図に示す如く、酸素濃度の低
い、換言すれば窒素濃度の高い製品ガスが生成される。

上記ステップ８６．８７により時間ｔ３の窒素発生サイ
クルが実行されると、再びステップ８２゜８３．８５の
処理が実行される。そして、ステップＳ５においてＰＧ
Ｍであれば製品タンク２０内の酸素濃度が５％に低下す
るまでステップ８６゜８７の処理が繰返される。

又、ステップＳ５において、製品タンク２０内の酸素濃
度が４％に低下したと仮定する。この場合、ステップＳ
５においてＰ＞Ｍとなるため、ステップＳ８に移り前記
ステップＳ４と同様半サイクル時間ｔ２の窒素発生サイ
クルを実行する。そして、この半サイクルの減圧工程（
排気工程）時、吸着槽１，２内の残留ガスを製品タンク
２０に供給する。第４図に示す半すイクルの取出工程■
の後の吸着槽１．２には昇圧工程■で分子ふるいカーボ
ンＩＡ、２Ａに吸着された高純度のＩＩＸガスが豊富に
残留しており、ステップＳ９ではこの酸素ガスを製品タ
ンク２０に供給する。

即ち、ｖＪＩ１１回路３４は吸着槽１が減圧工程になる
とき、排出用弁１３を閉弁したまま蒲閉弁２９゜３０を
開弁して吸着槽１内の残留ガスを接続配管２８を介して
製品タンク２０に供給し、あるいは吸着槽２が減圧工程
のときは排出用弁１４を閉弁したままｒｌａｒＭ弁３２
．３３を開弁して吸着槽２内の残留ガスを接続配管３１
を介して製品タンク２０に供給する。

続いて、ステップ８１０ではステップＳ３と同様製品タ
ンク２０内の酸素濃度が予め設定された濃度（５％）に
なったかどうかをみており、製品タンク２０内の製品ガ
スに含有される酸素濃度が５％になるまで上記ステップ
Ｓ９の処理がＪｌｌｌ統される。そして、製品タンク２
０内の製品ガスの酸素濃度が５％（Ｐ−・Ｍ）になった
時点でｒ！Ａ！！１１弁３０又は３３を開弁し排出用弁
１３又は１４を開弁する（ステップ５１１）。

これにより、吸着槽１．２内の残留ガス及び接続配管２
８．３１内の酸素が大気中に排気される。

その後Ｒ１ｆｌ弁２９．３２を開弁し、そして、再びス
テップＳ２に戻り上記ステップ８２〜Ｓ１１までの処理
を適宜繰り返す。このようにして、ＩＩＪｔ１回路３４
は製品タンク２０内に蓄圧された製品ガスのガス組成の
酸素比率が濃度設定スイッチ３５により設定された５％
となるように窒素生成量あるいは酸素供給量をｌ１ｊｌ
ｌｌｂで、所望とする一定比率の混合ガスを製品ガスと
して生成する。

又、上記の如く、吸着槽１．２への原料気体の供給圧力
が絞られることなく常時最大圧力で供給されるため、製
品ガスを効率良く生成することができるとともに、窒素
発生サイクルをタイマ管理により周期的作動としている
ので、温度湿度等の環境条件により製品ガスの組成に変
調を生じても酸素センサ２７により製品タンク２０内の
ガス組成を監視し、酸素センサ２７からの検出信号に基
づいて前述の如く製品ガス組成を一定状態に保持するこ
とができる。

上記実施例では窒素発生ｉｌｌを用いて説明したが、本
発明が酸素発生装置にも適用できるのは勿論である。

発明のｇｈ果 上述の如く、本発明になる気体分離装置は、吸着槽への
供給圧力を低下させることなく製品ガスの組成を一定比
率に保持できるので、効率良く製品ガスを生成できると
ともに、従来の装置を改良して所定濃度の製品ガスを安
定的に供給できるので、ｉｉＭ全体が複雑化したり大計
りとなることもなく、又酸素ボンベの交換等の面倒な作
業を不要にできる。特に食品保存設備に所定の混合比率
の製品ガスを生成するのに好適であり、食品保存に必要
な混合気体を安定的に生成することができる等の特長を
有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる気体分離装置の一実施例の概略構
成図、第２図はＩ制御回路が実行する処理の７０−ヂャ
ート、第３図及び第４図は夫々窒素発生サイクルの工程
図、第５図は気体分子吸着量と吸着時開との関係を示す
線図、第６図はり°イタ４時間と酸素濃度との関係を示
す線図である。 １・・・第１の吸着槽、ＩＡ、２Ａ・・・分子ふるいカ
ーボン、２・・・第２の吸着槽、１３．１４−・・気体
排出用弁、１８．１９・・・取出用弁、２０・・・製品
タンク、２７・・・酸素センサ、２８．３１−・・接続
配管、２９．３０．３２．３３・・・開閉弁、３４・・
・制御＠路、３４Ａ・・・タイマ手段、３４Ｂ−・・気
体混合手段、３５・・・濃度設定スイッチ。 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 内部に一の気体分子を吸着する吸着剤が充填された吸着
   槽に、圧縮した原料気体を供給し、前記吸着剤により生
   成された製品ガスを前記吸着槽の出口側の取出用弁より
   取出して製品タンクに貯溜する気体分離装置において、 前記吸着剤に吸着された一の気体を排気する排気管路と
   製品タンクとを接続する接続配管を設け、前記接続装置
   に前記排気管路と製品タンクとの間を開閉する開閉弁を
   設け、 前記製品タンクに製品ガスの気体濃度を検出する気体濃
   度検出手段を設けるとともに、 前記気体濃度検出手段により検出された製品タンク内の
   製品ガス濃度が設定濃度より低いとき前記吸着槽におけ
   る吸着時間を延長するタイマ手段と、 前記気体濃度検出手段により検出された製品タンク内の
   製品ガス濃度が設定濃度より高いとき、前記開閉弁を開
   弁し前記吸着槽より排気される一の気体を前記製品ガス
   に混合する気体混合手段と、を具備してなることを特徴
   とする気体分離装置。