JPH0231814A - 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 本発明は気体分離装置に係り、特にＰＳＡ式（Ｐｒｅｓ
ｓｕｒｅ　Ｓ＊ｉｎａ　Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）　　の
気体分離装置に関し、例えば窒素発生装置又は酸素発生
装置として用いて好適な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
から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、
吸着剤を充填した吸着塔にコンプレッサにより圧縮され
た圧縮空気を導入して昇圧する吸着工程と、吸着塔内を
大気開放し又は真空ポンプで減圧する脱着工程とを繰返
し、吸着工程では吸着塔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、一方脱着工程では吸着され
た酸素を脱着し、次の吸着工程に備えるようになってい
る。そして、製品ガスである窒素は吸着塔内を昇圧状態
にして取出すものであるため、発生する窒素ガスは断続
的で圧力変化も大きい。このため、窒素発生装置では窒
素ガスを一定圧力で、かつ連続的に使用する場合には取
出側に製品タンクを設け、製品タンク内に窒素ガスを貯
えるように構成されている。

発明が解決しようとする課題 従来の装置においては、製品タンクの取出側に取出量を
調節ないし制限する絞り弁を設け、取出量を予め手動で
設定しておくことにより、所望濃度の窒素ガスを発生さ
せる構成としている。また、製品タンクを備えていない
形式の窒素発生装置では吸着塔からの取出用配管に上記
と同様の絞り弁を設け、窒素発生階を予め設定しておく
構成としている。

しかし、上記従来技術によるものは、窒素発生装置とし
て実際に設置され、稼動状態に入った後は、前記絞り弁
の弁開度はほとんど再調節されないのが実情である。

ところが、吸着塔から発生する窒素ガスの濃度は、吸着
剤の性能変化はもとよりコンプレッサによる原料空気圧
力の変動、窒素ガス発生量の変動、気温、湿度の変化等
外部環境変化によっても変動する。従って、従来の装置
では所望とする濃度の窒素ガスが安定的に得られないと
いった課題があった。

さらに、窒素発生装置においては窒素濃度をより高める
ための研究開発が進み、かなり高濃度の窒素ガスが得ら
れるようになるとともに、その用途が拡大され多目的に
使用される傾向にある。

特に、食品保存のために使用される装置では、高濃度の
窒素ガスが要求されているが、その対傘物の種類によっ
て最適とされる窒素濃度は異なっている。そのため、窒
素発生装置では窒素ガスを使用する対象物に応じて最適
とされる任意の濃度を調整でき、且つその濃度を安定に
保つことが要望されていた。

そこで、本発明は上記課題を解決するとともに、上記要
望に応じ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及び作用 本発明は上記気体分離装置において、圧縮気体供給源と
前記吸着塔との間に吸着塔に供給される混合気体の圧力
を調整する圧力制御弁を設け、吸着塔より取出された気
体中の一の気体又は他の気体の気体濃度を測定する濃度
測定手段と、製品ガスとして取出される気体濃度が設定
され、濃度測定手段からの測定濃度と設定濃度とを比較
する比較手段と、比較手段からの信号に基づいて圧力調
整弁を作動せしめ前記吸着塔より取出される気体濃度が
設定濃度を保つよう混合気体の供給圧力を制御する制御
手段とを備えてなり、所望とする任意の気体濃度が設定
できるようにするとともに設定した濃度の気体が安定的
に供給されるようにしたものである。

実施例 第１図に本発明になる気体分離装置の一実施例としての
窒素発生装置を示す。

両図中、１．２は第１．第２の吸着塔で、各吸着塔１．
２内には夫々吸着剤としての分子ふるいカーボン（第１
図中、ナシ地模様で示す）１Ａ。

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４，５を介して吸着塔１，２
に夫々交互に供給されるようになっており、このため配
管４，５の途中には夫々電磁弁からなる空気供給用弁６
．７が設けられている。

８．９はＷＡ＠時に吸着塔１．２からの気体を排出する
配管で、夫々共通排出配管１０に接続されており、排出
配管１０は脱着排ガス（本実施例では吸着された酸素）
を排出するようになっている。

そして、前記配管８．９の途中には夫々吸着塔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１１．１２が設けられている。

一方、１３．１４は吸着塔１，２からの窒素を夫々取出
す取出配管、１５は該各配管１３．１４と連結した取出
配管で、該配管１３．１４の途中には半サイクルの間だ
け後述の制御の下に交互に開弁する電磁弁からなる取出
用弁１６．１７が夫々設けられている。

１８は吸着塔１．２間を連通ずる配管、１９は配管１８
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１９は吸着塔１，２による半４ｆイクルの終了時に所
定の短時間だけ開弁じ、各吸着塔１．２間を均圧にする
。

取出配管１５は製品ガスとしての窒素ガスを貯留する製
品タンク２０に直列に接続されている。

製品タンク２０には製品タンク２０の窒素ガスを下流側
に供給する取出配管２１が接続されており、取出配管２
１の途中には、製品ガスの取出流量を調整する絞り弁２
２が配設されている。

２３は酸素センサ（″ａ度測測定手段で、絞り弁２２よ
り下流側で配＠２１に分岐接続されている。

従って、酸素センサ２３は製品タンク２０より取出され
た窒素ガスのｓｉｎ度を測定し、酸素濃度に比例する電
流値の信号を出力する。

なお、酸素センサ２３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電極
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。

２４は酸素濃度モニタ（比較手段）で、上記酸素センサ
２３からの測定値信号を供給され、且つ製品タンク２０
より製品ガスとして取出される窒素ガスの酸素濃度が設
定される。そして、酸素濃度モニタ２４は酸素センサ２
３からの信号に基づく酸素濃度測定値と予め設定された
設定値とを比較し、製品タンク２０から取出された窒素
ガスの酸素濃度が設定濃度より高いか、低いかを測定す
る。尚、その判定結果としての信号はシーケンサ２５に
入力される。

２６は圧力制御弁で、コンプレッサ３と吸着塔１．２と
の間の配管４に配設されており、コンプレッサ３から供
給される圧縮気体の圧力を制御する。圧力制御弁２６は
ステッピングモータ２７の駆動力により作動して吸着塔
１．２への供給圧力を制御する構成である。

シーケンサ２５は酸素濃度モニタ２４からの信号に基づ
いて上記ステッピングモータ２７を起動させ、圧力制御
弁２６を作動せしめる圧力制御手段を有するとともに予
め設定されたプログラムに従い、空気供給用弁６，７、
気体排出用弁１１゜１２、取出用弁１６．１７、均圧用
弁１９、絞り弁２２等を開閉制御するものである。

次に、上記の如く構成された窒素発生装置の動作につき
説明する。

いま、窒素発生装置を起動すると、マイクロコンピュー
タ（図示せず）の制御の下に、シーケンサ２５が作動し
、次のように窒素発生が行なわれる。

ここでは、上記構成になる窒素発生装置の基本動作につ
き説明し、その後本発明の要部である吸着塔１．２へ供
給される圧縮空気の圧力制御について説明する。

第２図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を参照して空気中の酸素
を吸着して窒素を発生させる吸着、均圧、脱着工程につ
き説明する。尚、第２図中黒塗りの弁は「開弁」状態を
示し、白抜きの弁は「開弁」状態を示す。

まず、第２図（Ａ＞中、空気供給用弁７を開弁しコンプ
レッサ３からの圧縮空気を第２の吸着塔２に供給する。

また、第１の吸着塔１に接続された気体排出用弁１１を
開弁する。

尚、装置始動時にあっては、製品タンク２０内に十分な
窒素ガスが蓄圧されるまでの立上り時間をできるだけ短
くするため、後述するように圧力制御弁２７はコンプレ
ッサ３からの気体圧力をほとんど減圧しない状態に作動
している。

そのため、第２の吸着塔２においては、上流側のコンプ
レッサ３より圧縮空気が供給されることにより、吸着塔
２内は短時間で昇圧する。これにより、吸着塔２内の圧
縮空気中の酸素が分子ふるいカーボン２Ａに吸着され、
高純度の窒素ガスが得られる。

吸着塔２内が十分昇圧した段階で、取出用弁１７が開弁
し、吸着塔２内で分離生成された窒素ガスが配管１４．
１５を介して製品タンク２０内に導入される。

この間、他方の吸着塔１では気体排出用弁１１の開弁に
より減圧され、分子ふるいカーボン１Ａに吸着していた
酸素は脱着して排出配管１０を介して排出される。この
脱着工程により、分子ふるいカーボン１Ａは再生される
。

次に、第２図（Ｂ）に示す如く、均圧用件１９が開弁す
るとともに、これまで開弁していた空気供給用弁７、取
出用弁１７、気体排出用弁１１が閉弁する。従って、吸
着塔２内に残存する窒素ガスの一部が配管１８を介して
吸着塔１内に回収され、これにより吸着塔１．２間が均
圧化されて収率が高められる。なお、上記吸着塔１．２
の均圧操作は短時間で行なわれる。

上記窒素発生装置では第２図（Ａ＞、（Ｂ）に示す一連
の吸着工程が一方の吸着塔２で行なわれるとともに脱着
工程が他方の吸着塔１で行なわれて１＋ｌイクルのうち
の半サイクルが終了したことになる。

上記前半の半サイクルが終了した後は、第２図（Ｃ）に
示す如く第１の吸着塔１と第２の吸着塔２において、上
記一連の動作と逆の動作が行なわれる。即ち、空気供給
用弁６、取出用弁１６、気体排出用弁１２が開弁され、
第１の吸着塔１において圧縮空気の供給によって吸着工
程が行なわれ、第２の吸着塔２において脱着工程が行な
われる。

そして、第２図（Ｂ）に示す均圧操作が行なわれて後半
の半サイクルが終了する。

窒素発生装置では上記前半、後半の半サイクルが繰返さ
れ、かくじＣ１丈イクルを１２０秒とすると、吸着塔１
，２からは各半サイクルの後半で窒素ガスを取出して製
品タンク２０に供給することができる。

従って、上記１サイクルの動作が連続的に繰返されるこ
とにより、製品タンク２０内に高溌度の窒素ガスが蓄圧
される。そして、製品タンク２０内に設定した濃度の窒
素が十分に蓄圧されると絞り弁２２が開弁じ、窒素ガス
は絞り弁２２の絞りに応じた流量で下流側に供給される
。このようにして製品タンク２０より供給される窒素ガ
スの酸素濃度は酸素センサ２３により常時測定されてい
る。

ここで、上記一連の吸着、脱着工程により製品タンク２
０内に窒素ガスが蓄圧されるとともにタンク２０内の窒
素ガス濃度を一定に制御する動作につき第３図を参照し
て説明する。

尚、分子ふるいカーボンＩＡ、２Ａの特性上、コンプレ
ッサ３からの圧縮空気の圧力、即ち吸着塔１．２へ供給
される吸着塔入口圧力と吸着塔１゜２より取出される窒
素ガスの濃度との関係は、第４図に示す如くであり、圧
力が高くなるほど窒素濃度は高まる。従ってコンプレッ
サ３からの圧力を制御することにより所望とする任意の
濃度を有する窒素ガスが得られる。

第３図において、装置が始動されると、まず酸素センサ
２３により測定された製品タンク２０内の酸素濃度が読
み込まれる（ステップ８１）。

次に、ステップＳ２で酸素センサ２３による酸素測定濃
度が予め設定された酸素設定濃度より高い値であるか否
かをみる。まだ始動して間もない頃は、製品タンク２０
内に十分窒素ガスが貯えられておらず、酸素濃度も比較
的高い。このようなときはステップＳ３に移り、ステッ
ピングモータ２７を起動させ、圧力制御弁２６がコンブ
レラυ３からの圧力を減圧しないよう、即ち吸着塔１゜
２への供給圧力が上昇するように圧力制御弁２６を作動
させる。

ステップＳ４では酸素測定濃度が設定濃度より低い値で
あるか否かをみている。まだ製品タンク２０内の酸素濃
度が設定濃度より高い場合、ステップＳ６に移り、一定
時間（例えば５分程度）待機する。これは、ステップＳ
３で吸着塔１．２への供給圧力を上昇させても、製品タ
ンク２０内の酸素濃度が実際に低下するには第２図に示
す吸着工程を行った後になるためである。

やがて、吸着塔１，２からの窒素ガスが供給されること
により製品タンク２０内の酸素濃度が設定濃度より低下
する。そのため再びステップＳ１に房り、ステップＳ１
で酸素センサ２３からの測定値を読み込むと、ステップ
Ｓ２において測定濃度〈測定濃度となるため、ステップ
Ｓ４に移る。

ステップＳ４では測定濃度が設定濃度より低くなると、
ステップＳ５に移りステッピングモータ２７を起動して
圧力制御弁２６をステップＳ３のときと逆方向に作動さ
せ、コンプレツナ３からの気体圧力を降下させる。これ
により、吸着塔１．２への供給圧力が下り、吸着塔１．
２における昇圧工程時の圧力も下ることになる。そのた
め、吸着塔１．２で生成された窒素ガスの濃度は低下す
る。

このように、ステップ８１〜Ｓ６を繰り返すことにより
圧力制御弁２６は予め設定された濃度の窒素ガスが製品
タンク２０に貯えられるよう、吸着塔１．２への供給圧
力を制御する。その結果、製品タンク２０には吸着剤Ｉ
Ａ、２Ａの性能変化、コンプレッサ３による空気圧力の
変動、窒素ガス発生爪の変動、及び気温、湿度の変化等
の影響を受けることなく一定の濃度の窒素ガスが安定的
に供給される。

又、窒素ガスを使用する対象物が異なり、それに応じて
窒素ガスの濃度を変更する場合には、設定濃度を任意の
濃度に設定しなおせば良い。そうすれば、圧力制御弁２
６は新たに設定された濃度が得られるように吸着塔１．
２への供給圧力を前述の動作と同様に制御する。

尚、上記実施例では酸素センサを用いて製品タンク２０
内の酸素濃度を測定したが、窒素センサ等により窒素濃
度を測定するようにしても良い。

又、上記実施例では圧力制御弁を用いたが、例えば減圧
弁を用いても良い。その場合、減圧弁のスプリング長を
可変させてコンプレッサ３がらの気体圧力を所定の圧力
に減圧する。

又、上記実施例では１対の吸着塔１．２を有する窒素発
生装置を例に挙げて説明したが、吸着塔の数はこれに限
らないのは勿論である。又、本発明は窒素発生装置だけ
に限らず、例えば酸素発生装置にも適用できる。

発明の効果 上述の如く、本発明になる気体分離装置は、吸着塔へ供
給される気体圧力を制御することにより吸着塔より生成
される気体が設定された濃度を保つようにできるので、
例えば吸着剤の性能低下、コンプレッサによる空気圧力
の変動、窒素ガス発生量の変動、気温、湿度の変化等が
生じても一定の濃度の気体を安定的に供給することがで
きる。

また、気体濃度の設定を変えることにより吸着塔への供
給圧力が自動的に変更されて制御されるため、必要とす
る濃度の気体を安定的に得られ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図は吸着、脱着、均圧の各工程を説明するた
めの工程図、第３図は吸着塔への供給圧力を制御するフ
ローチャート、第４図は吸着塔への供給圧力と、吸着塔
で生成される気体濃度との関係を示す図である。 １．２・・・吸着塔、３・・・］コンプレッサ２０・・
・製品タンク、２３・・・酸素センサ、２４・・・酸素
濃度モニタ、２５・・・シーケンサ、２６・・・圧力制
御弁、２７・・・ステッピングモータ。 特許出願人　ト　キ　コ　株式会社 しし ７曙−１１１１：！ 第２図 （Ａ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 内部に吸着材が充填された吸着塔に、圧縮空気供給源よ
   り圧縮した混合気体を供給して吸着塔内を昇圧せしめ、
   前記吸着剤により混合気体中の一の気体を分離吸着し、
   他の気体を生成する気体分離装置において、 前記圧縮気体供給源と前記吸着塔との間に前記吸着塔に
   供給される混合気体の圧力を調整する圧力制御弁を設け
   、前記吸着塔より取出された気体中の一の気体又は他の
   気体の気体濃度を測定する濃度測定手段と、製品ガスと
   して取出される気体濃度が設定され、前記濃度測定手段
   からの測定濃度と設定濃度とを比較する比較手段と、前
   記比較手段からの信号に基づいて前記圧力制御弁を作動
   せしめ前記吸着塔より取出される気体濃度が設定濃度を
   保つよう混合気体の供給圧力を制御する制御手段とを備
   えてなることを特徴とする気体分離装置。