JPH03270709A - 高圧気体製造装置 - 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 本発明は高圧気体製造装置に係り、特に所定の濃度を保
ちつつ製品ガスの高圧化を図るよう構成した高圧気体製
造装置に関する。

従来の技術 従来より分子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
出すＰ　Ｓ　Ａ　（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ＳｗｉｎｇＡｄ
ｓｏｒｐｔ　ｉｏｎ　）式気体分離装置が知られている
。

そして、食品保存の研究が進むにつれて乾物の長期保存
、生鮮食品の鮮度維持などに窒素ガスが有効であること
がｆｌ認されており、窒素発生装置の需要が増加してい
る。特にＰＳＡ式窒素発生装置は取扱が容易で安全であ
り、製造工程に不純物を介在させないなどの利点がある
ため広く多用されている。

上記ＰＳＡ式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、また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分子を脱着し、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ガスは
吸着槽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、窒素ガスを一定圧力（低圧力例えば４ＫＩｆ
　／ｄ）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。また前記気体分離装置内にあっては製
品タンク内の窒素濃度を測定する濃度計を設け、装置の
起動から窒素濃度が所定値以上になったとき取出用弁を
開き製品ガス供給可能としていた。

発明が解決しようとする課題 ところが、大規模な食品貯蔵施設等の一時に大量の窒素
を消費する施設においては、大量の窒素ガスを貯溜する
装置が要望されていた。しかし、従来のように約４Ｋｙ
ｆ／ｃｉ程度の製品ガスのまま貯溜しようとすると製品
タンクが大形化してしまいより広い設置スペースが必要
となる。そのため、製品タンクを大形化せずに製品ガス
の貯蔵醸を増加させる手段として、製品ガスを高圧化（
例えば９〜ＩＯＮｇｆ／Ｃｉ）することが考えられてい
る。

製品タンク内の圧力を高めるには吸着槽への供給圧力を
高圧化すれば良い。しかしながら、このように吸着槽内
への供給圧力が高くなると、吸着槽内における昇圧、降
圧動作による圧力変化が激しくなり吸着剤の破砕される
比率が高まり、装ｅの窒素発生効率が低下してしまう。

また、大気圧から高圧に一気に圧縮することになるので
、圧縮原料気体は高温となり膨張するが吸ＩＩに圧縮空
気が供給される際は次第に温度が低下して圧力が下がり
圧縮効率が低下してしまう。

そのため、従来からある気体分離装置を利用して製品タ
ンクに蓄圧された製品ガスをさらに加圧して高圧化する
ことが考えられている。ところが、製品タンク内の製品
ガスを取出して加圧し続けると製品タンク内の圧力が急
減してしまい、さらには製品ガス濃度も著しく低下する
ため所定の圧力へ戻すのにかなりの時間が掛かつてしま
うといった課題が生じてしまう。

また、製品タンクからの取出ｉｌｌを調整せずに高圧用
タンクへ加圧し続けてしまうとエネルギの無駄となるば
かりか使用ガスｉｔが安定せず圧力変動と共に使用ガス
流量を変更せねばならずその調整が面倒であるといった
ＩＩＩが生ずる。

そこで、本発明は、上記課題を解決した高圧気体製造装
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、吸着剤が充填された吸着槽に圧縮気体を供給
して製品ガスを生成する製品ガス生成装置と、 該製品ガス生成装置で生成された製品ガスの取出ｆｆＥ
ｌｌを調整する１１調整弁と、該流ＩＩＩ整弁から吐出
された製品ガスを加圧する加圧手段と、 該加圧手段により高圧化された製品ガスを貯溜する高圧
用タンクと、 前記高圧用タンクの圧力を監視し、前記高圧用タンクの
圧力が所定圧力以下に低下したとき前記加圧手段を動作
させる圧力監視制御手段と、前記製品ガスの濃度を監視
し、前記製品ガスが所定の濃度を保つように流量調整弁
の弁開度を変更する流Ｉ監視制御手段と、 よりなる。

作用 高圧用タンクの圧力が所定圧力以下になると、加圧手段
が動作して製品ガスの濃度が所定濃度となるように流１
ｍ１整弁の弁開度を変更することにより、常に所望とす
る濃度の製品ガスを高圧用タンク内に貯溜し下流側へ所
定濃度の製品ガスを安定供給しうる。

実施例 第１図に本発明になる高圧気体製造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内には夫々分子ふるいカーボンよりなる吸着剤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、空気を約６
〜７に５ｆ１０ｉ程度に圧縮して原料タンク４内に蓄圧
する。タンク４からの圧縮空気は冷凍式のドライヤ５に
より除湿された後配管６，７を介して吸着槽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６
，７の途中には夫々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、夫々共通排出配管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１０゜１１の途中には夫々吸着槽１．
２内の！１１２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間で生成された窒素を夫々取出す取出配管、１７は
該各配管１５．１６と連結した取出配管で、該各配管１
５．１６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１８．１９が
設けられている。また前記取出配管１７は製品タンク２
０と接続されている。

この製品タンク２０は吸着槽１．２から取出された約５
〜６に９ｆ／ａｉ程度の製品ガスを一時的に貯蔵するた
めの補助タンクである。

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
に所定の短時間だけ開弁し、各吸着槽１．２間を均圧に
する。

２３は製品タンク２０に接続された取出配管で、その途
中に減圧弁２３ａ及び製品ガス取出弁２４が設けられて
いる。

２５は酸素センサよりなる濃度計で、製品タンク２０に
貯溜された気体の酸素濃度を検出する。

また、酸素センサ２５からの酸素濃度検出信号は後述す
る制御回路２７に入力される。なお、濃度計２５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
が透過躾を介して電磁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な
どが用いられる。

２６は取出配管２３から取出される窒素純度、すなわち
酸素濃度を設定する濃度設定スイッチで、製品タンク２
０から取出すべき窒素ガス濃度に応じて設定されるもの
である。

また、制御回路２７は例えばマイクロコンピュータなど
によって構成される弁制御手段で、入力側には濃度計２
５、濃度設定スイッチ２６が接続されており、予め入力
されたプログラムに従い、例えば第２図、第３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、製品ガス
取出弁２４等を開閉制御する。

なお、上記１１１１１１回路２７により開閉ｖＩＩｍ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
開弁じ、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。

第１図中、１点鎖線で囲む部分が製品ガスを生成する製
品ガス生成装置２８を構成している。

２９は流量調整弁で、上記製品ガス生成装「２８で生成
された製品ガスの取出流量を調整する。

又、製品タンク２０内に蓄圧された製品ガスは配管３０
を介してｉ量調整弁２９に至り、後述するように製品ガ
スの濃度に応じた流量に調整され、配管３１を介してブ
ースタ（加圧手段）３２に供給される。ブースタ３２は
高圧用のコンプレッサよりなり、空圧を動力源として作
動するよう構成されている。尚、ブースタ３２の詳細は
周知であるのでここでは省略する。

ブースタ３２により高圧（例えば９〜１ｏｏｒ／ｃｉ程
度）に圧縮された製品ガスは、配管３３を介して高圧用
タンク３４に供給される。高圧用タンク３４にはタンク
内に蓄圧された製品ガスの圧力を監視する圧力計３５が
設けられている。３６は高圧用タンク３４内の高圧製品
ガスを取出す取出配管で、電磁弁よりなる高圧用取出弁
３７が配設されている。

制御回路２７には高圧用タンク３４の圧力を監視し、圧
力計３５からの出力信号に基づき高圧用タンク３４の圧
力が所定圧力（本実施例では８Ｄｒ／ｃｊとする）以下
に低下したときブースタ３２を動作させる圧力監視制御
手段２７Ａと、製品ガスの濃度を監視し、濃度計２５か
らの出力信号に基づき製品タンク２０内の製品ガスが所
定の濃度（例えば窒素９９．９％）を保つように流量調
整弁２９の弁開度を変更する流量監視制御手段２７Ｂと
を有する。

ここで、上記高圧気体製造装置の窒素発生サイクルの動
作につき説明する。

まず、窒素発生の基本動作について、第２図。

第３図を参照しながら述べる。

いま、高圧気体製造装置を起動すると、マイクロコンピ
ュータ（図示せず）の制御の下に、窒素発生が行なわれ
る。

まず、第３図に示すように■、■、■の動作が実行され
る。第２図中の■は、空気供給用弁９と気体排出用弁１
３が開弁する。第２の吸着槽２には原料タンク４に蓄圧
された圧縮気体が供給され、第２の吸着槽２は加圧状態
になる。そのため吸着剤２Ａに酸素が吸着される。一方
第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２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の吸着槽１は減圧状態のままである。

次に、第２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を開弁する。

これにより、第２の吸着槽２内に残存する窒素ガスは第
１の＠肴槽１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
を開弁することによって、第３図（Ｂ）に示すように第
２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。

このようにして、製品タンク２０には約４噌ｆ／ｃｉ程
度に圧縮された製品ガスが蓄圧される。

ところが、上記のように吸着槽１．２から交互に製品ガ
スが製品タンク２０へ供給されると、製品タンク２０内
の圧力は第４図に示すように吸着槽１．２のピーク値（
１点鎖線、２点鎖線で示す）が変動するに伴ない実線で
示すように変動することになる。このような圧力変動が
下流側へ影響しないように製品ガスの供給圧力を安定さ
せるため、誠圧弁２３ａにより取出圧力を４Ｋｇｆ／ｌ
：ｉ程度に減圧する。

そして、製品ガス生成装置１２８から取出された製品ガ
スは流量調整弁２７を通過してブースタ３２に至り、ブ
ースタ３２により加圧される。尚、ブースタ３２により
高圧用タンク３４に加圧された製品ガスを供給する場合
、高圧用タンク３４の圧力と製品ガス使用流量との関係
は第５図中線図工のようになる。このように、製品ガス
使用流量が高圧用タンク３４の圧力と反比例して直線的
に変化してしまうと、製品ガスを取出す際は常時高圧用
タンク３４内の圧力が変動しているため、取出流量を圧
力変化に応じて調整しなければならなくなり、所定の規
定流量を維持できなくなる。そこで、流１３１整弁２９
の弁開度を変更してＦＥＷをＱ２．Ｑ３に調整すると第
５図中線図■、■のように圧力変動があっても所定の規
定流量を維持しうる。しかし、高圧用タンク３４の圧力
が急激に降下して、規定圧力の下限値より高圧用タンク
３４の圧力が大幅に低くなった場合、高圧用タンク３４
内を規定圧力の上限値まで昇圧させるのに長時間かかっ
てしまう。

そのため、本実施例ではｌｉＩＩｔＭ１回路２７は圧力
監視ＩＩＩ＠手段２７Ａ及び流量監視制御手段２７Ｂの
作用により第６図に示す処理を実行する。即ち、制御回
路２７は後述するように高圧用タンク３４の圧力及び製
品タンク２０内の酸素濃度を監視しながらｉ％Ｅ１ｍ整
弁２９、ブースタ３２を制御して最適な方法で製品ガス
の高圧化を図る。

まず、１１Ｉ１１１回路２７は第６図中ステップＳ１（
以下「ステップ」を省略する）において製品タンク２０
の酸素濃度が規定値以上（Ｎ２９９．９％予め濃度設定
スイッチ２６により設定されている〉になると８２でブ
ースタ３２を起動する。ブースタ３２は製品タンク２０
の製品ガスを加圧して高圧用タンク３４に高圧製品ガス
を供給する。ブースタ３２の起動は高圧用タンク３４の
圧力が規定圧力の上限値（本実施例では１０に９ｆ／ａ
ｉとする）に達するまで継続される。即ち、Ｓ３におい
て高圧用タンク３４の圧力が規定圧力の上限値に達する
と、Ｓ４に移りブースタ３２を停止させ、続いて高圧用
取出弁３７を開弁して高圧製品ガスの取出しを始める。

そして、高圧製品ガスの取出しは高圧用タンク３４内の
圧力が降下を始め規定圧力の下限値（本実施例では８Ｋ
ｇｆ／ｃｉとする）になるまで続く。

Ｓ５において規定圧力の下限値に達すると、Ｓ６に移り
再びブースタ３２を起動させる。

Ｓ７において製品タンク２０内の酸素濃度を監視してお
り、最素濃度が基準濃度（本実施例ではＮ２９９％とす
る〉以上であると、Ｓ８に移り高圧用タンク３４の圧力
を監視する。そして、この圧力が基準圧力（本実施例で
は９鯨ｆ／ｌ：Ｉｆ）以下に降下しているときはＳ９に
移り流ＩＩＩ整弁２９の弁開度をさらに開にして流量を
０２に調整する。

又、Ｓ７で製品タンク２０内の酸素濃度が基準濃度に達
していないときはＳ１０に移り流ＩＩＩ整弁２９の弁開
度を絞り流量を０３に減少させる。又Ｓ８で高圧用タン
ク３４内が基準圧力以上のときもＳ１０に移り流１１１
整弁２９を絞る。

次の８１１では高圧用タンク３４内の圧力が規定圧力の
上限値に達していないときは、Ｓ７に戻り、上記８７〜
８１０の処理を繰り返す。又、Ｓ１１で高圧用タンク３
４内の圧力が規定圧力の上限値に達すると、Ｓ１２に移
りブースタ３２を停止させＳ５に戻る。そして、高圧用
タンク３４から高圧製品ガスが取出されるとともに高圧
用タンク３４の圧力が低下すると再びＳ５〜Ｓ１２の処
理が繰り返し実行される。

このように、製品タンク２０内の酸素濃度及び高圧化タ
ンク３４の圧力の大きさを監視しながら流量調整弁２９
の弁開度を調整してブースタ３２を作動させるため、製
品タンク２０内の製品ガスの酸素濃度が基準濃度に達し
ていないときは流量が増加してしまうことによる、製品
タンク２０内の製品ガス濃度の急減が防止され、且つ高
圧用タンク３４内の圧力が規定圧力の上限に達している
のにブースタ３２を必要以上に作動させることを防止す
る。よって、ブースタ３２は高圧用タンク３４の圧力の
大きさに応じて効率的に駆動される。

又、上記製品タンク２０の基準濃度及び高圧用タンク３
４の基準圧力は夫々所望とする値に設定することができ
る。

尚、上記実施例では窒素ガスを高圧化する装置を例に挙
げたが、窒素以外の例えば酸素ガスを高圧化する場合も
本発明が適用できるのは言うまでもない。

発明の効果 上述の如く、本発明になる高圧気体製造装置は、製品ガ
ス生成装置で生成された製品ガスの濃度を監視しながら
、流量調整して製品ガスを高圧化するため、製品ガスの
規定濃度を維持しつつ短時間で昇圧させることができ、
高圧の製品ガスを安定供給することができる。又、高圧
用タンクの製品ガスを急激に使用しても、製品ガスの規
定濃度を維持しながら効率良く加圧することができる。

さらに、高圧の製品ガスを短時間に多量に継続的に使用
する場合にも有効に機能して高圧の製品ガスを供給しう
る等の特長を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる高圧気体製造装置の概略構成図、
第２図、第３図は夫々製品ガス生成工程を説明するため
の図、第４図は吸着槽及び製品りンクの圧力変動を説明
するための縮図、第５図は高圧用タンクの圧力と製品ガ
ス使用量との関係を示す線図、第６図は制御回路が実行
する処理を説明するためのフローチャートである。 １．２・・・吸１１．３・・・コンプレッサ、４・・・
原料タンク、２０・・・製品タンク、２４・・・製品ガ
ス取出弁、２５・・・濃度計、２６・・・濃度設定スイ
ッチ、２７・・・制御回路、２７Ａ・・・圧力監視１１
１ｔ１手段、２７Ｂ・・・流量監視制御手段、２８・・
・製品ガス生成装置、２９・・・流量調整弁、３２・・
・ブースタ、３４・・・高圧用タンク、３５・・・圧力
計。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 吸着剤が充填された吸着槽に圧縮気体を供給して製品ガ
   スを生成する製品ガス生成装置と、該製品ガス生成装置
   で生成された製品ガスの取出流量を調整する流量調整弁
   と、 該流量調整弁から吐出された製品ガスを加圧する加圧手
   段と、 該加圧手段により高圧化された製品ガスを貯溜する高圧
   用タンクと、 前記高圧用タンクの圧力を監視し、前記高圧用タンクの
   圧力が所定圧力以下に低下したとき前記加圧手段を動作
   させる圧力監視制御手段と、前記製品ガスの濃度を監視
   し、前記製品ガスが所定の濃度を保つように流量調整弁
   の弁開度を変更する流量監視制御手段と、 よりなることを特徴とする高圧気体製造装置。