JPH0321317A - 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、特に一定の組成ｉ１Ｉ（
Ｉｔ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　（ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｓｗｉｎｇ　　
Ａｄｓｏｒｐ−ｔｉｏｎ）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、
吸着剤が充填された吸着槽に圧縮空気を導入して加圧す
る吸着工程と、吸肴槽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、吸着工程では吸着槽内の
吸着剤に酸素分子を吸者させて、窒素を外部に取出し、
一方ＩＢ２着工程では吸着された酸素を脱着し、次に吸
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１ｍ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ざれているので、例えば酸素濃度
が１〜１５％程度の高Ｍ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、例えば吸肴槽へ供給される圧縮空気の圧力を
調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、上記気体分離装置においては、所望の
組成値の製品ガスが安定供給できるとともに、製造コス
トの低減及び装置の複雑化防止等のため従来からある気
体分離装置の構造を大幅に改造することなく、従来の装
置をできるだけそのまま利用できる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 本発明は、上記気体分離装置において、吸着槽より取出
される製品ガスの組成値を設定する組成ｌａ設定手段と
、製品ガスの組成値を検出する組成値検出手段と、組成
値検出手段からの検出信号に応じて組成値設定手段によ
り設定された組成値の製品ガスが生成されるよう吸着槽
における加圧時間を変更する製品ガス組成補正手段と、
を具備してなる。

作用 吸着槽に圧縮した原料気体を供給して、吸着槽内を加圧
状態に保つ加圧時間を適宜変更して、吸着槽で生成され
る製品ガスの組成値を補正する。

これにより、予め設定された組成値の製品ガスが安定供
給される。

実施例 第１図に本発明になる気体分ＩＩ１ｔ￥Ａ買の第１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１Ａ，２Δが充
填されている。

３は圧縮空気供給源となるコンブレツ勺で、コンブレッ
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Ｉｌｔ２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ｉｏ．ｉ１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ｆＩ１＋　
１［１の下に交互に開弁ずる電磁弁からなる取出用弁１
８．１９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は吸肴Ｍ１，２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は吸肴槽１．２による半サイクルの終了時
に所定の短時間だけ開弁し、各吸着槽１，２間を均圧に
する。

２　４　＜．ｔ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（組成値検出手段）で、製品タンク２
０に貯溜された気体のｍ素濃度（組成値）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２９に入力ざれる。

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界液に
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。

２８は取出配管２４から取出される窒素純度、即ち酸素
濃度を設定する濃度設定スイッチ（組成値設定手段）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、制仰回路２９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制御手段で、入力側には酸素センサ
２７，ｓ度設定スイッチ２８が接続されている。又、ｌ
ＩＪｔｌ１回路２９は後述するように第２図に示す処理
を実行するガス組成補正手段２９Ａを有する。

３０はプログラマブルコントローラで、制御回路２９か
らの指示があると予め入力されたプログラムに従い、例
えば第４図に示す加圧（■，■）．取出（■，■），均
圧（■．■）の各工程に応じて、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をｌｍｆｆｉｌｌＪＷＬ６。

尚、上記制御回路２９により開閉制御される各Ｎ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、窒素発生装置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、窒素発生装置を起動すると、マイクロコンビュー
タ《図示せず〉の制御の下に、窒素発生が行なわれる。

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が開弁じ、第２の吸肴槽２に原料気体としての圧縮空
気が供給されて第２の吸看槽２は加圧状態にあり、分子
ふるいカーボン２Ａに酸素が吸着される。一方第１の吸
肴槽１は減圧状態にあり、吸肴していた酸素が脱着して
排出されている状態をボしている。

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を開弁じ、第２の吸着
漕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の吸着槽１は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１８．１
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を開弁ずる。

これにより、第２の吸肴槽２内に残存する窒索富化ガス
は第１の吸着１１に回収され、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
を聞弁することによって、第４図（Ｂ）に示すように第
３図中の■〜■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、吸若槽１，２に充
填ざ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、すなわち前記■の加圧時間ど
吸着量との関係は第５図に示すようになる。

第５図からわかるように、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着時間がｔｏ
を過ぎたあたりから遅れて上界する。従って酸素分子の
吸着？ｌをふまえて加圧時問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。

そこで、本発明では第４図に示す加圧工程■，■の加圧
時間に応じて酸素分子の級着量が変化することに着目し
、１１３６１１回路２９には酸素センサ２７からの検出
信号に基づき予め設定された組成値の製品ガスが生成さ
れるよう吸着槽１．２における加圧時間を変更する製品
ガス組成補正手段２９Ａが設けられている。

具体的には吸着槽１において、空気供給用弁８の開弁に
より吸着槽１内が加圧され、取出用弁１８が開弁する．
までの加圧時間を管理する。この加圧取出時間と製品ガ
スの酸素濃度との関係は、第６図に示すようになる。尚
、第６図は第５図中加圧時間ｔｏ以降のデータである。

即ち、第６図中、加圧工程及び取出工程の時間を例えば
１２０秒（加圧時間６０秒）とした場合、吸着槽１．２
においては２％の酸素濃度を含有した製品ガスが生成さ
れる。

次に、窒素濃度〈又は酸素濃度）を所望の設定航にあり
御するための処理動作について、第２図を参照しつつ説
明する。

まず、濃度設定スイッチ２８により、取出すべき製品ガ
スの組成、例えば窒素ガス中の酸素濃度を２％に設定す
る。なお、この設定濃度（ｌ！！素濃度）が２％という
ことは、窒素純度は９８％であり、又逆に濃度設定スイ
ッチ２８によって窒素濃度９８％の値を設定するように
してもよい。又、製品ガスの組成埴として酸素２％窒素
９８％と設定するようにしても良い。

次に、酸素センサ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、ＩＪ肺回路２９はこのｍ度検出信号による
測定値を読込む〈ステップＳ１）。

次のステップＳ２では、設定値と測定値とを比較し、測
定値が設定値より大きいか否かを判定する。このステッ
プＳ２において測定値が設定植より大きくないとぎは、
ステップＳ３に移り測定値が設定値より小さいか否かを
判定する。このステップＳ３で測定値が設定値より小さ
くないときは、測定値＝設定値であるので、そのまま通
常のサイクル時間〈加圧、取出時間＝１２０秒〉の動作
が行なわれ（ステップＳ４）、一定時間（例えば５分間
程度〉待機した後（ステップＳ５〉、ステップＳ１に戻
る。

従って、酸素センサ２７により検出された測定濃度が製
品ガスの設定ｌＩＩｆと等しい場合は、ステップ３１〜
Ｓ５の処理が繰返される。そのため、加圧工程及び取出
工程の時間は例えば１２０秒のまま各工程が実行され、
加圧時間は変史されない。

ところが、ステップＳ２において、測定値が設定値より
大きい場合、ステップＳ６に移りサイクル時間を一定時
間短くする。即ち、測定濃度２％に対して測定濃度が３
％であった場合、例えば取出用弁１８．１９の開弁を１
０秒早くして加圧時間を６０秒から５０秒に短縮する。

そして、ステップＳ５で一定時間Ｉｆｆ持した後ステッ
プＳ１に戻り酸素センサ２７の検出信居を読込み、ステ
ップＳ２で測定値と設定値とを比較する。ステップＳ２
において、まだ設定値く測定値であればステップＳ６に
移りサイクル時間をさらに短縮する。このステップＳ１
．Ｓ２．Ｓ６．Ｓ５の処理は設定値＝測定値となるまで
繰返し実行される。

又、ステップＳ３において、設定埴〉測定植であるとき
は、ステップＳ７に移りサイクル時間を一定時間長くす
る。

即ち、設定濃度２％に対して測定濃度が１％であった場
合、例えば取出用弁１８．１９の聞弁を１０秒遅くして
、加圧時間を６０秒から７０秒に延長する。そして、ス
テップＳ５で一定時間待機した後、ステップＳ１に戻り
酸素セン＋Ｌ２７の検出信号を読込みステップ８２．３
３で測定値と設定値とを比較する。

ステップＳ３において、まだ設定値〉測定値であればス
テップＳ７に移りサイクル時間をさらに延長する。この
ステップＳ１．Ｓ２．Ｓ３．Ｓ７．Ｓ５の処理は設定値
＝測定値となるまで繰返し実行される。

このようにして、製品タンク２０より取出された製品ガ
スが予め設定された酸素濃度を有する一定の組成値とな
るように取出用弁１８．１９の開弁時間がｔＩＩＪＩＩ
ｔされるため、高酸素濃度の窒素ガスを自動的に生成す
ることができ、しかも、装置の構造を大幅に改造したリ
せずに従前からある装置を利用して酸素と窒素とが一定
の割合で混合された製品ガスを安定供給することができ
る。又、濃ｒ！１設定スイッチ２８の操作により設定値
を変更できるので、途中で設定値を変更した場合でも設
定された組成値の製品ガスが得られるように加圧時間が
補正される。しかも、本発明では吸着槽１．２への供給
圧力が減圧されないため、吸着効率を低下させずに効率
良く製品ガスを生或しうる。

第７図に本発明の第２実施例を示す。第７図において第
１図と同一構成部分については、その説明を省略する。

第７図中、プログラマブルコントローラ３０の記憶部に
は基準サイクルタイムのプログラム３０Ａと、短縮サイ
クルタイムのプログラム３０Ｂと、延長サイクルタイム
のプログラム３０Ｃとが入力されている。

加圧、取出、均圧［［程までの半サイクル時間と酸素濃
度との関係は第８図に示すように表わされる。尚、第８
図は第５図中加圧時間ｔｏまでのデータである。第８図
中、酸素濃度Ａｏの製品ガスを生成するには半サイクル
Ｗ＃間をｔ２に設定する。

又、ｉｌｌ素濃度ＡＯより低い酸素濃度Ａ＋の製品ガス
を生或するには半サイクル時間をｊｚ（＞ｔｚ）に延長
し、酸素濃度Ａｏより高い酸素濃度Ａ２の製品ガスを生
成するときは半サイクル時間をｔ４（＜ｔ２）に短縮す
る。

又、第８図中半サイクル時間をｔ１に設定するのが最も
純度の高い窒素ガスを効率的に得る方法であるが、一定
の酸素濃度を有する製品ガスを得るには、例えば半サイ
クル時間ｔ２が基準サイクル時間となる。そして、酸素
濃度が変化したときは、その変化量に応じて半サイクル
時間をｔ３又はｔ４に変更して製品ガスのガス組成を補
正する。

従って、例えば酸素５％．窒素９５％の製品ガスを得る
場合、前記基準サイクルタイムのプログラム３０Ａには
半サイクル時間ｊ２　（９０秒）の加圧、取出し、均圧
工程の動作が入力されており、短縮サイクルタイムのプ
ログラム３０Ｂに半サイクル時間ｔ４　　（６０秒〉の
各工程動作が入力されている。又延長サイクルタイムの
プログラム３０Ｃには半サイクル時間ｔ３　　（　１２
０秒）の各工程動作が入力されている。そして、制御回
路２９′には酸素センサ２７により検出された酸素１１
度に応じて基準サイクルタイム．ｙｒ１縮サイクルタイ
ム，延長サイクルタイムのプログラム３０Ａ〜３０Ｃの
うちいずれかを選択するガス組成補正千段２９Ａ′が設
けられている。

ここで、ｉ＆ｌｔｌｍ回路２９′がｌｌｌ素センサ２７
からの検出信号に基づいて一定のガス組成を有する製品
ガスを生成する処理につき説川する。

第９図に示す如く、制御回路２９′は第２図に示すステ
ップＳ１〜Ｓ３と同様ステップ３１１〜Ｓ１３の処理を
実行する。

ステップＳ１２．Ｓ１３において設定値一測定埴の場合
、ステップ８１４に移り基準サイクルタイムのプログラ
ム３０Ａを選択し、半サイクル時間ｔ２の加圧、取出、
均圧工程が実行される。そして、一定時間待機した後（
ステップＳ１５〉、ステップ８１１に戻り酸素センサ２
７の検出信号を読込む。その結果、設定値＝測定値であ
ればステップ８１１〜８１５の処理が繰返される。

又、ステップ８１１において設定値く測定値であれば、
ステップ８１６に移り延長サイクルタイムのプログラム
３０Ｃを選択し、半サイクル時間ｔ３の各］［程勤作が
実行される。そして、ステップＳ１５で一定時間待機し
た後、ステップ８１１に戻り酸素センサ２７からの検出
信号を読込む。

このとき、ステップＳ１２で設定値〈測定値であれば延
長サイクルタイムの動作が継続して実行される。従って
、ステップＳ１　１．３１　２，Ｓｌ　６．８１５の処
理は製品タンク２０より取出された製品ガスの酸素濃度
が低下し設定値＝測定値となるまで繰返される。

又、ステップ８１２において、設定値〉測定値の場合、
ステップ８１７に移り短縮サイクルタイムのプ０グラム
３０Ｂを選択し、半サイクル時間ｔ４の各工程動作が実
行される。そして、一定時間持機した後、酸素センサ２
７からの検出信号を読込む。このとき、設定植〉測定値
であれば短縮サイクルタイムのプログラム３０Ｂの動作
が実行され、製品ガスの酸素濃度が上昇し設定値＝測定
値となるまでステップＳ１１．Ｓ１２．Ｓ１３，Ｓ１７
，８１５の処理が繰返される。

このように、ａｌｔ１１回路２９′は酸素セン勺２７か
らの検出信３に基づき製品ガスの酸素濃度の変化に応じ
て半サイクル時間の異なる３種類の訓御ブ０グラムより
ーのＩＨＩＪプログラムを選択し、製品ガスのガス組成
値が予め設定された設定値と等しくなるようにガス組成
を補正する。又、一定の割合で酸素と窒素とを混合した
製品ガスを生成する際、吸着槽１．２への供給圧力が５
Ｋｙ／ａｉｒ程度で運転することにより装置運転上のガ
ス組成の変化は比較的小さい。しかし、装冒の設置場所
の温度、湿度の変化により分子ふるいカーボンＩＡ，２
Ａの吸着性能がバラックことかあり、それにより製品ガ
スのガス組成が変化してしまうことがある。

このような、温度、湿度の変化があっても、上記の如く
製品ガスの組成値に応じて半サイクル時間を変更して酸
素濃度を補正することができるので、設定された濃度の
製品ガスを安定して生成することができる。

発明の効果 上述の姐く、本発明になる気体分離装置は、吸着槽にお
ける加圧時間を変更することにより装置を大幅に改造す
ることなく設定した組成値の製品ガスを安定的に生成す
ることができ、保守、管理等も容易に行なえ、しかも原
料気体の供給圧力を下げないため吸着効率を低下させず
に効率良く製品ガスを生成できる。又、吸着剤の吸着性
能が温度、湿度等の環境の変化により低下しても吸着槽
より取出される製品ガスの組成値を検出し、その検出値
に応じて加圧時周を変更して吸着剤の吸着量を調整でき
、常に一定の組成値の製品ガスが安定供給できるように
糾律することができる。又、組成値設定手段により設定
値を変えることにより所望とする組成値の製品ガスが容
易に得られ、例えば食品貯蔵庫等の需要に合った組成の
製品ガスを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第１実施例の概略
構成図、第２図は制御回路が実行する処理を説明するた
めのフ０−チャート、第３図及び第４図は装置の動作を
説明するための工程図、第５図は吸着剤の気体分−Ｔ吸
着崩と加圧時間との関係を示す線図、第６図は加圧取出
時間と酸素濃度との関係を示す線図、第７図は本発明の
第２実施例の概略構成図、第８図は半サイクル時間と酸
素濃度との関係を示す線図、第９図は第２実施例で実ｔ
１される処理の７０−チャートである。 １・・・第１の吸８槽、ＩＡ．２Ａ・・・分子ふるい力
一ボン、２・・・第２の吸着槽、３・・・コンブレツサ
、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・・・濃度設定スイッチ、２９．２９’・・・
制御回路、２９Ａ．２９Ａ’・・・ガス組成補正手段、
３ｏ・・・プログラムブルコントローラ、３０Ａ・・・
基準サイクルタイムのプログラム、３０Ｂ・・・短縮サ
イクルタイムのプ０グラム、３０Ｃ・・・延長サイクル
タイムのプログラム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 内部に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、前記吸着槽が加圧状態にある間に該吸着剤に
   より生成された製品ガスを取出す気体分離装置において
   、 前記吸着槽より取出される製品ガスの組成値を設定する
   組成値設定手段と、 前記製品ガスの組成値を検出する組成値検出手段と、 前記組成値検出手段からの検出信号に応じて前記組成値
   設定手段により設定された組成値の製品ガスが生成され
   るよう前記吸着槽における加圧時間を変更する製品ガス
   組成補正手段と、 を具備してなることを特徴としてなる気体分離装置。