JPH04371210A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はＰＳＡ式（Ｐｒｅｓｓｕ
ｒｅ　Ｓｗｉｎｇ　Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）　　の気体
分離装置に係り、特に製品ガス生成時の消費電力を製品
ガスの消費量に応じて節減するよう構成した気体分離装
置に関する。

【０００２】

【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と窒素と酸
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。

【０００３】このため、例えば窒素ガスを取り出すＰＳ
Ａ式気体分離装置にあっては、吸着剤が充填された吸着
槽にコンプレッサからの圧縮空気を導入して昇圧する昇
圧工程と、吸着剤により分離生成された窒素を取出す取
出工程と、該吸着槽内を大気解放しまたは真空ポンプで
減圧する減圧工程とを繰返す。即ち、昇圧工程では、吸
着槽内の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、次の昇圧工程に備えるようになって
いる。

【０００４】また、一対の吸着槽を有する装置では、一
方の吸着槽で取出工程が完了し、他方の吸着槽で減圧工
程が完了した後、均圧工程を行う。この均圧工程では、
両吸着槽間を連通させて取出工程の後の吸着槽に残留す
るガスを減圧工程の吸着槽へ供給して均圧化を図り、よ
り高純度の製品ガスを生成するようにしている。

【０００５】そして、製品ガスである窒素は吸着槽内を
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
一定圧で、かつ連続的に使用する場合には取出側にバッ
ファタンクを設け、このバッファタンク内に窒素ガスを
蓄えるように構成されている。

【０００６】尚、上記の窒素発生装置では、上記昇圧、
取出、均圧、減圧の各工程の動作時間が予め決められて
おり、すなわち、所定濃度の製品ガスが得られるサイク
ル時間で動作するようになっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の気体
分離装置では、バッファタンク内の圧力に拘らずコンプ
レッサからの圧縮空気を吸着槽に供給して製品ガスを生
成している。そのため、例えばバッファタンクの下流側
での製品ガス使用量が減少してバッファタンク内の圧力
が吸着槽の昇圧工程時の圧力と同圧になると、吸着槽で
生成された製品ガスはバッファタンクに供給されず排気
工程時に大気中に排出されてしまうばかりか、その間も
コンプレッサは起動し続け、製品ガスの生成工程が継続
されているため、その間の消費電力が無駄になるといっ
た課題がある。

【０００８】又、コンプレッサはコンプレッサに設けら
れた空気タンクの上限圧力を検出する圧力スイッチが設
けられ、タンク圧力が上限値になると自動的にアンロー
ド（無負荷運転）状態になり、コンプレッサを駆動する
モータの負荷を軽減して消費電力を節減するようになっ
ている。

【０００９】しかるに、この種のコンプレッサを上記気
体分離装置に用いたとしても、コンプレッサの空気タン
ク内の圧縮空気は１回の昇圧工程でそのほとんどが吸着
槽に供給されてしまうため、製品ガスの使用量が減少し
た場合でも、気体分離装置の運転中はコンプレッサは圧
縮運転する時間長く、ほとんどアンロード状態になるこ
とがない。

【００１０】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。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、圧縮空気を生
成するコンプレッサと、該コンプレッサからの圧縮空気
が供給され一の気体分子を吸着する吸着剤が充填された
吸着槽と、該吸着槽により分離生成された製品ガスを貯
溜するバッファタンクと、前記バッファタンク内の圧力
を検出する圧力センサと、前記バッファタンク圧力の上
限値と下限値とを記憶する記憶手段と、前記圧力センサ
により検出されたバッファタンクの圧力が前記記憶手段
に記憶された上限値に達したとき、前記コンプレッサを
停止させるとともに前記吸着槽への圧縮空気供給を停止
させ、前記圧力センサにより検出されたバッファタンク
の圧力が前記記憶手段に記憶された下限値に達したとき
、前記コンプレッサを起動させるとともに前記吸着槽へ
圧縮空気を供給し製品ガスを生成せしめる制御手段と、
よりなる。又、本発明は、圧縮空気を生成するコンプレ
ッサと、該コンプレッサからの圧縮空気が供給され一の
気体分子を吸着する吸着剤が充填された吸着槽と、該吸
着槽により分離生成された製品ガスを貯溜するバッファ
タンクと、前記バッファタンク内の圧力を検出する圧力
センサと、前記バッファタンク圧力の上限値と下限値と
を記憶する記憶手段と、前記圧力センサにより検出され
たバッファタンクの圧力が前記記憶手段に記憶された上
限値に達したとき、前記コンプレッサを無負荷運転させ
るとともに前記吸着槽への圧縮空気供給を停止させ、前
記圧力センサにより検出されたバッファタンクの圧力が
前記記憶手段に記憶された下限値に達したとき、前記コ
ンプレッサを起動させるとともに前記吸着槽へ圧縮空気
を供給し製品ガスを生成せしめる制御手段と、よりなる
。

【００１２】又、本発明は、圧縮空気を生成するコンプ
レッサと、該コンプレッサからの圧縮空気が供給され一
の気体分子を吸着する吸着剤が充填された吸着槽と、該
吸着槽により分離生成された製品ガスを貯溜するバッフ
ァタンクと、前記バッファタンク内の圧力を検出する圧
力検出センサと、前記バッファタンク圧力の上限値と下
限値とを記憶する記憶手段と、前記圧力センサにより検
出されたバッファタンクの圧力が前記記憶手段に記憶さ
れた上限値に達したとき、前記コンプレッサを駆動する
モータの回転を減速させるとともに前記吸着槽への圧縮
空気供給を停止させ、前記圧力センサにより検出された
バッファタンクの圧力が前記記憶手段に記憶された下限
値に達したとき、前記モータの回転を増速させるととも
に前記吸着槽へ圧縮空気を供給し製品ガスを生成せしめ
る制御手段と、よりなる。

【００１３】

【作用】バッファタンクの圧力が上限値に達したとき吸
着槽への空気供給を停止するとともにコンプレッサを停
止させ、あるいはコンプレッサを無負荷運転させ、ある
いはコンプレッサを駆動するモータの回転を減速させる
ことにより消費電力を節約し、且つ必要以上に製品ガス
を生成して無駄に排気してしまうことが防止され、製品
ガスを有効に利用する。

【００１４】

【実施例】図１乃至図３に本発明になる気体分離装置の
第１実施例を示す。

【００１５】各図中、気体分離装置１は圧縮空気から窒
素を製品ガスとして生成するＰＳＡ式の窒素発生装置で
あり、スタート信号の入来により作動開始する。制御回
路２は冷凍式ドライヤ３，コンプレッサ５を有する空気
供給ユニット６，吸着ユニット７及び貯蔵ユニット８の
各バルブを制御する。

【００１６】コンプレッサ５からの圧縮空気は冷凍式ド
ライヤ３で除湿され、乾燥した清浄な圧縮空気として吸
着ユニット７に供給される。空気供給ユニット６と吸着
ユニット７とは配管９を介して接続されている。従って
、ドライヤ３で乾燥された圧縮空気は配管９を通って吸
着ユニット７で分岐した給気側の配管１０，１１を介し
て分子ふるいカーボン（吸着剤）が充填された第１，第
２の吸着槽７Ａ，７Ｂに供給される。又配管１０，１１
には排気用の配管１２，１３が分岐している。吸着槽７
Ａ，７Ｂの上部には取出側の配管１４，１５が接続され
ており、両配管１４，１５間には両吸着槽７Ａ，７Ｂを
接続する均圧用の配管１６が横架されている。又、上記
配管１４，１５は吸着ユニット７と貯蔵ユニット８とを
接続する配管１７と連通している。

【００１７】貯蔵ユニット８は製品ガスとしてのＮ２　
ガスが蓄圧されるバッファタンク２０と、バッファタン
ク２０内の酸素濃度を計測する酸素センサ２１と、バッ
ファタンク２０内の圧力を検出する圧力センサ２３とよ
りなる。バッファタンク２０の下部には上記配管１７が
接続されており、吸着槽７Ａ，７Ｂで分離された高純度
のＮ２　ガスは配管１７を介してバッファタンク２０に
供給される。又、バッファタンク２０の上部にはＮ２　
ガスを取り出す取出配管１８が接続されている。この取
出配管１８は下流側のＮ２　ガスを使用する装置（図示
せず）へ延在している。

【００１８】尚、バッファタンク２０は吸着槽７Ａ，７
Ｂよりも充分大きい容量を有しており、下流側の製品ガ
ス使用量に対し、装置を一時停止させて再起動する間に
下流側へ製品ガスを供給し続けることができる程度の余
裕のある容量をもっている。又、圧力センサ２３はバッ
ファタンク２０内の圧力Ｐ２　を常時検出しており、そ
の検出信号を制御回路２に出力する。制御回路２のメモ
リ２Ａには予め、圧力設定器（図示せず）によりバッフ
ァタンク２０内の圧力上限値ＰＨ　及び圧力下限値ＰＬ
　が記憶され、制御回路２は圧力センサ２３により検出
された圧力Ｐ０　と圧力上限値ＰＨ　、圧力下限値Ｐと
を比較して後述するようにコンプレッサ５及び吸着ユニ
ット７の運転を制御する。尚、吸着ユニット７より吐出
される圧力をＰ０　、バッファタンク２０の圧力をＰ２
　、バッファタンク２０の下流側で必要とする圧力をＰ
３　とすると、各圧力は次のような関係となる。

【００１９】Ｐ０　＞Ｐ２　＞Ｐ３　 これに対し、制御回路２に設定されたバッファタンク２
０の高圧側の上限値ＰＨ　、低圧側の下限値Ｐとの関係
は次のように表わせる。

【００２０】Ｐ０　≧ＰＨ　＞ＰＬ　＞Ｐ２　又、起動
開始時、Ｎ２　ガスをバッファタンク２０へ供給できる
ようになるまで一定時間を要するため、下限値ＰＬ　は
、Ｎ２　ガス使用量及びバッファタンク２０の容量との
関係より設定する必要がある。つまり、吸着ユニット７
停止後、バッファタンク２０内のＮ２　ガスを下流側へ
供給できなくなる前に再起動するようにＰＬ　を設定す
る。

【００２１】上記のようにコンプレッサ５により生成さ
れた圧縮空気は空気を第１，第２の吸着槽７Ａ，７Ｂへ
供給し、あるいは分離されたＮ２　ガスを送出する配管
１０〜１８にはバルブＶ１　〜Ｖ８　が配設されている
。吸着ユニット７，貯蔵ユニット８の各バルブＶ１　〜
Ｖ８　は常閉形の電磁弁からなり、通常閉弁している。

【００２２】制御回路２のメモリ２Ａには上記各バルブ
Ｖ１　〜Ｖ８　を開閉制御してＮ２　ガスを生成するプ
ログラムが入力されている。

【００２３】吸着ユニット７では第１，第２の吸着槽７
Ａ，７Ｂ内に上記空気ドライヤ３により乾燥された圧縮
空気が供給されて、昇圧、減圧を繰り返しながら原料空
気から窒素と酸素をとを分離する。尚、吸着ユニット７
では製品ガスとしての窒素を安定供給するため、第１の
吸着槽７Ａが昇圧されて吸着工程のとき第２の吸着槽７
Ｂでは減圧されて脱着工程が行なわれ、又、第１の吸着
槽７Ａが脱着工程のとき第２の吸着槽７Ｂは吸着工程と
なる。

【００２４】従って、制御回路２は予め入力されたプロ
グラムに基づいて吸着槽７Ａ，７Ｂが交互に窒素ガスを
生成するように吸着ユニット７の各バルブＶ１　〜Ｖ８
　を開閉制御する。

【００２５】上記気体分離装置１においては、スタート
スイッチ（図示せず）の操作によりコンプレッサ５が起
動して各バルブＶ１　〜Ｖ７　の開閉動作によりＮ２　
ガスが生成される。吸着槽７Ａ，７Ｂで分離生成された
Ｎ２　ガスはバッファタンク２０内に蓄えられる。装置
１の起動当初はバッファタンク２０内のＯ２　濃度が高
くなっているので取出配管１８のＶ８　は閉弁したまま
である。吸着槽７Ａ，７Ｂで生成されたＮ２　ガスが次
第にバッファタンク２０に蓄積されるとともに、バッフ
ァタンク２０内のＮ２　濃度が高まり、Ｏ２　濃度が相
対的に低下する。

【００２６】貯蔵ユニット８においては、起動時バルブ
Ｖ８　が閉弁され、分岐配管１９のバルブＶ９　が開弁
している。

【００２７】そのため酸素センサ２１はバッファタンク
２０内のＯ２　濃度を検出することができる。よって、
バッファタンク２０内のＯ２　濃度が目標値に達すると
同時にバルブＶ８　が開弁され、下流側へのＮ２　ガス
供給が開始される。

【００２８】ここで、上記構成になる気体分離装置にお
いて、制御回路２が実行する処理につき説明する。

【００２９】図２中、制御回路２は電源投入後ステップ
Ｓ１（以下ステップを省略する）で、スタートスイッチ
がオンに操作されるとドライヤ３を始動させ（Ｓ２）、
続いてコンプレッサを始動させる（Ｓ３）。

【００３０】コンプレッサ５のタンク（図示せず）の圧
力が気体分離に必要な圧力Ｐ０　以上になると（Ｓ４）
、停止スイッチがオフであることを確認して（Ｓ５）運
転を開始する（Ｓ６）。即ち、前述したようにバルブＶ
１　〜Ｖ７　を開，閉制御して第１，第２の吸着槽７Ａ
，７Ｂにコンプレッサ５からの圧縮空気を交互に供給し
てＮ２　ガスを生成する。

【００３１】次のＳ７では圧力センサ２３からの検出信
号をチェックし、バッファタンク２０内の圧力が上限値
ＰＨ　以下であれば上記Ｓ５〜Ｓ７を繰り返す。

【００３２】このようにして、吸着槽７Ａ，７Ｂで生成
されたＮ２　ガスがバッファタンク２０に供給されるに
つれてバッファタンク２０内の圧力Ｐ２　も上昇する。

【００３３】尚、圧力Ｐ２　≧ＰＬ　となった時点でバ
ルブＶ８　が開弁して下流側へＮ２　ガスが供給される
。通常は、Ｓ５〜Ｓ７の処理を繰り返しているが、その
日の時間帯によって下流側のＮ２ガス使用量が減少する
ことある。その場合、バッファタンク２０内の圧力Ｐ２
　がさらに上昇し続け、やがてＰ２　≧ＰＨ　となる。

【００３４】従って、Ｓ７において圧力Ｐ２　が上限値
ＰＨ　以上になると、Ｓ８に移り吸着ユニット７を停止
させるとともに、コンプレッサ５を停止させる。つまり
、各バルブＶ１　〜Ｖ７　（Ｖ８を除く）を開弁させて
Ｎ２　がス生成を停止させるとともにコンプレッサ３の
モータヘの通電を停止する。

【００３５】そして、Ｓ１０では圧力Ｐ２　が下限値Ｐ
Ｌ　以下に下がったかどうかをチェックしており、例え
ば下流側でのＮ２　ガス使用量が増加してバッファタン
ク２０の圧力Ｐ２　が下限値ＰＬに達すると、Ｓ１１に
移り停止スイッチがオンでなければＳ３に戻りＳ３〜Ｓ
７の処理を繰り返す。

【００３６】即ち、コンプレッサ５及び吸着ユニット７
の運転が再開される。従って、バッファタンク２０内の
圧力Ｐ２　は図３に示すようにジグザグ状に変動する。

【００３７】又、Ｓ５，Ｓ１１において停止スイッチが
オンになると、電源をオフにして停止する。このように
、バッファタンク２０の圧力Ｐ２　を監視してバッファ
タンク２０内に充分Ｎ２　ガスがあるのに吸着ユニット
７を運転し続けてＮ２　ガスを無駄にすることを防止で
き、同時に消費電力を減らして節電することできる。

【００３８】図４，図５に本発明の第２実施例を示す。

【００３９】図４（Ａ）に示すようにコンプレッサ５が
ソレノイドよりなるアンローダバルブ２５を有する場合
、制御回路２は、図５に示す如く、Ｓ９においてコンプ
レッサ５をアンロード（無駄負荷運転）状態に切換える
ようにする。

【００４０】即ち、アンローダバルブ２５を有する場合
、通常コンプレッサ５はピストン２６が降下すると吸気
弁２７が開いて空気がシリンダ２８内に導入され、ピス
トン２６が上昇すると吸気弁２７が閉じるとともに排気
弁２９が開いて圧縮された空気が空気タンク３０に吐出
される。このように、コンプレッサ５はモータによりピ
ストン２６が往復動することにより圧縮空気が空気タン
ク３０に蓄圧される。そして、空気タンク３０内の圧力
が圧力スイッチの設定圧に達するとアンローダバルブ２
５がオンになり、吸気弁２７を上方から押圧して開にす
る。そのため、吸気弁２７はピストン２６が上昇する圧
縮工程のときも開いており、シリンダ２８内の空気は圧
縮されず吸気弁２７より排気される。

【００４１】本実施例では、バッファタンク２０内の圧
力Ｐ２　がＰ２　≧ＰＨ　となったとき、装置の運転を
停止して吸着槽７Ａ，７Ｂへの空気供給を停止するとと
もにアンローダバルブ２５をオンにして図４（Ｂ）に示
す如く無負荷運転状態にする。そして、バッファタンク
２０内がＰ２　≧ＰＬ　となったとき運転を再開すると
ともにアンローダバルブ２５をオフにしてコンプレッサ
５をロード運転に切換える。

【００４２】このように、バッファタンク２０内の圧力
変動に応じてコンプレッサ５の運転状態をロード運転又
はアンロード運転に切換えることにより消費電力を節約
することができる。

【００４３】図６に本発明の第３実施例を示す。

【００４４】図６に示す如く制御回路２はコンプレッサ
５を駆動するモータ５Ａの回転をインバータ３１により
制御する。インバータ３１はバッファタンク２０の圧力
Ｐ２　が上限値ＰＨ　に上昇したとき、吸着ユニット７
を停止させるとともにモータ５Ａの回転を減速する。そ
して、バッファタンク２０の圧力Ｐ２　が下限値ＰＬ　
に降下したとき、吸着ユニット７の運転を再開するとと
もにモータ５Ａの回転を増速して圧縮空気の供給量を増
やす。

【００４５】このように、バッファタンク２０内の圧力
変動に応じてコンプレッサ５のモータ５Ａの回転数を制
御し、且つ吸着ユニット７の停止又は運転するように制
御することにより消費電力を節約できるとともに、製品
ガスを無駄なく生成することを防止できる。

【００４６】

【発明の効果】上述の如く、本発明になる気体分離装置
は、バッファタンクの圧力が上限値に達したとき吸着槽
への空気供給を停止するとともにコンプレッサを停止さ
せ、あるいはコンプレッサを無負荷運転させ、あるいは
コンプレッサを駆動するモータの回転を減速させること
により消費電力を節約できるばかりか、必要以上に製品
ガスを生成して無駄に排気してしまうことを防止できる
。即ち、下流側で使用される製品ガスの使用量に応じて
製品ガスを生成することができるので、使用量が変動し
ても下流側での使用状態に対応して製品ガスを生成でき
、製品ガスを有効に利用できる等の特長を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる気体分離装置の第１実施例の概略
構成図である。

【図２】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。

【図３】バッファタンクの圧力変動と運転、停止のタイ
ミングを示す図である。

【図４】本発明の第２実施例に適用されたコンプレッサ
を説明するための図である。

【図５】第２実施例の処理を説明するためのフローチャ
ートである。

【図６】本発明の第３実施例を説明するための図である
。

【符号の説明】

１　　気体分離装置 ２　　制御回路 ２Ａ　　メモリ ３　　冷凍式エアドライヤ ５　　コンプレッサ ５Ａ　　モータ ６　　空気供給ユニット ７　　吸着ユニット ７Ａ，７Ｂ　　吸着槽 ８　　貯蔵ユニット ２０　　バッファタンク ２１　　酸素センサ ２３　　圧力センサ ２５　　アンローダバルブ ２６　　ピストン ２７　　吸気弁 ２８　　シリンダ ２９　　排気弁 ３０　　空気タンク ３１　　インバータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　圧縮空気を生成するコンプレッサと、
   該コンプレッサからの圧縮空気が供給され一の気体分子
   を吸着する吸着剤が充填された吸着槽と、該吸着槽によ
   り分離生成された製品ガスを貯溜するバッファタンクと
   、前記バッファタンク内の圧力を検出する圧力センサと
   、前記バッファタンク圧力の上限値と下限値とを記憶す
   る記憶手段と、前記圧力センサにより検出されたバッフ
   ァタンクの圧力が前記記憶手段に記憶された上限値に達
   したとき、前記コンプレッサを停止させるとともに前記
   吸着槽への圧縮空気供給を停止させ、前記圧力センサに
   より検出されたバッファタンクの圧力が前記記憶手段に
   記憶された下限値に達したとき、前記コンプレッサを起
   動させるとともに前記吸着槽へ圧縮空気を供給し製品ガ
   スを生成せしめる制御手段と、よりなることを特徴とす
   る気体分離装置。
2. 【請求項２】　　圧縮空気を生成するコンプレッサと、
   該コンプレッサからの圧縮空気が供給され一の気体分子
   を吸着する吸着剤が充填された吸着槽と、該吸着槽によ
   り分離生成された製品ガスを貯溜するバッファタンクと
   、前記バッファタンク内の圧力を検出する圧力検出セン
   サと、前記バッファタンク圧力の上限値と下限値とを記
   憶する記憶手段と、前記圧力センサにより検出されたバ
   ッファタンクの圧力が前記記憶手段に記憶された上限値
   に達したとき、前記コンプレッサを無負荷運転させると
   ともに前記吸着槽への圧縮空気供給を停止させ、前記圧
   力センサにより検出されたバッファタンクの圧力が前記
   記憶手段に記憶された下限値に達したとき、前記コンプ
   レッサを起動させるとともに前記吸着槽へ圧縮空気を供
   給し製品ガスを生成せしめる制御手段と、よりなること
   を特徴とする気体分離装置。
3. 【請求項３】　　圧縮空気を生成するコンプレッサと、
   該コンプレッサからの圧縮空気が供給され一の気体分子
   を吸着する吸着剤が充填された吸着槽と、該吸着槽によ
   り分離生成された製品ガスを貯溜するバッファタンクと
   、前記バッファタンク内の圧力を検出する圧力センサと
   、前記バッファタンク圧力の上限値と下限値とを記憶す
   る記憶手段と、前記圧力センサにより検出されたバッフ
   ァタンクの圧力が前記記憶手段に記憶された上限値に達
   したとき、前記コンプレッサを駆動させるモータの回転
   を減速させるとともに前記吸着槽への圧縮空気供給を停
   止させ、前記圧力センサにより検出されたバッファタン
   クの圧力が前記記憶手段に記憶された下限値に達したと
   き、前記モータの回転を増速させるとともに前記吸着槽
   へ圧縮空気を供給し製品ガスを生成せしめる制御手段と
   、よりなることを特徴とする気体分離装置。