JPH0691927B2 - 気体生成装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は気体生成装置に係り、特にPSA式（Pressure Sw
ing Adsorption）の気体生成装置に係り、特に気体濃度
変更時に吸着剤の脱着精度を高め吸着剤の再生を確実に
行なうように構成した気体生成装置に関する。

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、低酸素濃度ガス等の体濃度のガ
スを取出そうとするものである。

PSA式は、吸着剤を充填した吸着槽に圧縮空気を導入し
て酸素を吸着剤に吸着する吸着工程と、該吸着槽内を大
気開放し又は真空ポンプで減圧して吸着した酸素を脱着
する脱着工程とを繰返し、脱着工程では吸着槽内の吸着
剤に酸素分子を吸着させ、一方、脱着工程では吸着され
た酸素を脱着し、次の工程に備えるようになっている。

また、このような装置で酸素濃度を変更するためには吸
着工程及び脱着工程の時間を変えたり、圧縮空気の圧力
を変える方法が考えられる。

発明が解決しようとする課題 しかるに、従来PSA式の気体生成装置で濃度をある一定
濃度からより低い濃度に変更しようとする場合、吸脱着
のサイクル時間等のPSA条件の変更だけでは吸着剤の気
体の脱着の条件が変更した状態に達するまでに時間がか
かるため設定した濃度に達するまでに長い時間がかかっ
てしまう等の問題点があった。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、濃度の変更
時により短時間で設定した濃度を得ることができる気体
生成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 本発明は内部に一の気体を吸着する吸着剤が充填された
吸着槽に一の気体を含む混合気体を供給し、一の気体を
該吸着剤に吸着する吸着工程と、前記吸着剤に吸着した
前記一の気体を前記吸着剤より脱着する脱着工程とをく
り返えすことにより前記吸着槽から前記一の気体の濃度
が前記吸着工程を行なう前の前記混合気体中に占める前
記一の基体の濃度とは異なる濃度の混合基体を得る気体
生成装置において、前記吸着槽から得た気体の一部を前
記吸着槽に還流する還流手段を設け、前記一の気体の濃
度を所定の濃度から他の濃度に変更する際、前記脱着工
程時にだけ前記還流手段により前記吸着槽より得た気体
を前記吸着槽に還流する。

作用 混合気体中に占める一の気体の濃度を所定の濃度から他
の濃度とする際、吸着槽より得た気体を吸着槽に還流す
ることにより吸着剤からの一の気体の脱着がより効率よ
く行なわれる。

実施例 第１図に本発明になる気体生成装置の一実施例を示す。

同図中、2,3は第1,第２の吸着槽で、各吸着槽2,3内には
それぞれ分子ふるいカーボン2A,3Aが充填されている。

１は圧縮空気供給源となるコンプレッサで、コンプレッ
サ１からの圧縮空気は空気吐出配管４及び配管7,8を介
して吸着槽2,3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7,8の途中にはそれぞれ電磁弁
からなる空気供給用弁5,6が設けられている。

10,11は脱着時に吸収剤2,3からの気体は配管7,8より、
共通排出配管25に接続されており、前記配管10,11の途
中にはそれぞれ吸着槽2,3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9,10が
設けられている。

13,14は吸着槽2,3の出口側に接続され吸着槽2,3内で生
成された低濃度酸素をそれぞれ取出す取出配管、17は各
配管13,14と連結した取出配管で、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15,16がそれぞれ設けられてい
る。また前記取出配管17はバッファタンク19に接続され
ている。

また、取出用弁15,16は吸着槽2,3による半サイクルの終
了時に所定の短時間だけ同時に開弁し、各吸着槽2,3間
を均圧にする。

24はバッファタンク19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20が設けられている。

26は酸素センサで、バッファタンク19に貯溜された気体
の酸素濃度（組成値）を検出する。又、酸素センサ26か
らの酸素濃度検出信号は後述する酸素濃度計27を介して
制御回路28に入力される。

なお、酸素センサ26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
たガルバニ電池式酸素センサ、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。

29は取出配管24から取出される酸素濃度を設定する濃度
設定スイッチで、バッファタンク19から取出すべき酸素
ガス濃度に応じて適宜に設定されるものである。

23は還流用配管で、上記取出配管13,14に逆止弁11,12を
介して接続されている。

還流用配管23には絞り弁21と還流用弁22とが配設されて
いる。還流用弁22は後述するように濃度切換時に開弁さ
れ、バッファタンク19内のガス（低濃度酸素ガス）を吸
着槽2,3へ流させる。又、絞り弁21はガスが圧縮されて
いるので、還流されるガスの流量を調整している。

また、制御回路28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、入力側には酸素濃度計2
7,濃度設定スイッチ29が接続されている。

接続回路28は予め入力されたプログラムに従い、空気供
給用弁5,6,気体排出用弁9,10,取出用弁15,16,18,還流用
弁22を開閉制御する。

尚、上記制御回路28により開閉制御される各電磁弁は、
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。

次に装置の動作について説明する。まず、酸素濃度設定
スイッチ29で酸素濃度を５％とするように設定して装置
の運転を開始すると、制御回路28は以下に述べるステッ
プで低濃度酸素ガスを得る。

空気供給弁6,排気弁9,取出用弁16,共通取出用弁18を開
弁、他の弁を閉弁する。したがって、コンプレッサ１か
らの圧縮空気は空気吐出配管4,空気供給用弁6,空気供給
配管８を通って吸着槽３に供給される。吸着槽３では分
子ふるいカーボン3Aが圧縮空気中により酸素を吸着す
る。したがって、吸着槽３からは低酸素濃度のガスが排
出され、この低酸素濃度のガスは取出用配管14,取出用
弁16,共通取出用配管17,共通取出弁18を通ってバッファ
タンク19に供給される。低酸素濃度ガスはバッファタン
ク19で経過時間によらず略均一な濃度とされ、バッファ
タンク19より取出用絞り弁20,最終取出用配管24を通っ
て製品ガスとして取り出される。

一方、このとき、吸着槽２は再生中で排気用弁９が開、
空気供給弁５及び取出用弁15が閉であるため、その内部
の分子ふるいカーボン2Aは大気圧にさらされ、吸着して
いた酸素を吐き出す。吐き出された酸素は排気用弁9,排
気用配管を通って外部に排気される。

次に取出用弁15,16を開弁とし、空気供給用弁6,排気用
弁9,共通取出用弁18を閉弁とし、吸着槽２と３との圧力
を均一にして吸着槽３のガスの一部を吸着槽２に回収し
収率を上げる。

次に空気供給弁5,排気用弁10,取出用弁15,共通取出用弁
18を開弁し、他の弁を閉弁する。圧縮空気は空気供給用
弁5,空気供給配管７を通り、吸着槽２に供給される。吸
着槽２では分子ふるいカーボン2Aに酸素が吸着され、低
酸素濃度ガスが取り出される。低酸素濃度ガスは吸着槽
２より取出用配管13,取出用弁15,共通取出用配管17を通
りバッファタンク19に貯溜される。

また、一方、吸着槽３は排気用弁10が開弁されているた
め、大気圧となり、分子ふるいカーボン3Aに吸着されて
いた酸素が脱着され、排気用弁10,排気用配管25を通っ
て外部に排気される。

次に取出用弁15,16の両方を開弁し、他の弁を閉じ、吸
着槽２と吸着槽３とを取出用配管13,14を介して接続す
る。したがって、吸着槽２と吸着槽３とが均圧な状態と
なり、吸着槽２から吸着槽３にガスが回収され、吸着槽
３の収率を向上させている。

以上の４ステップを１サイクルとして繰り返すことによ
り低酸素濃度ガスを連続的に取り出すことができる。な
お、酸素濃度はサイクル時間により制御されていて、酸
素濃度５％の低酸素濃度ガスを得るときにはサイクル時
間を600〔Ｓ〕とし、酸素濃度１％の低酸素濃度ガスを
得るときにはサイクル時間を180〔Ｓ〕とする。これ
は、時間が長くなるほど分子ふるいカーボン2A,3Aがち
っ素を吸着するため、サイクル時間が長いほど相対的に
酸素濃度は高くなるためである。

ここで、酸素濃度５％運転時から酸素濃度１％で運転し
ようとする場合には、まず、濃度設定スイッチ29を酸素
濃度１％側に設定する。制御回路28は濃度設定スイッチ
29の切替動作に応じてサイクル時間を600〔Ｓ〕から180
〔Ｓ〕とすると共に還流用弁22を開弁する。

還流用弁22が開弁するとバッファタンク19内の低酸素濃
度ガスは逆止弁11又は12を介して吸着槽２又は３に供給
される。低酸素濃度ガスの還流圧は絞り弁21により調整
され、コンプレッサ１からの圧縮空気圧より小さく大気
圧より大きい値とされている。このため、低酸素濃度ガ
スは逆止弁11,12の働きにより還流圧より低い気圧とな
る再生中の吸着槽２又は３のどちらかに還流される。

低酸素濃度ガスが還流された吸着槽２又は３では低酸素
濃度ガスにより分子ふるいカーボン2A又は3Aに吸着され
ていた酸素の脱着が効率よく行なわれる。還流用弁22は
酸素センサ26及び酸素濃度計27により計測された酸素濃
度が１％になると制御回路28により閉じられ、通常の運
転が行なわれる。したがって、再生時間が短くなっても
十分な酸素の脱着を行なうことができ、設定された酸素
濃度である１％に到達するまでの時間が第２図I,IIに示
すように本実施例の装置でパージを行なわないものの35
分に比し、10分と短い時間で済む。本実施例では酸素濃
度５％から１％にする場合について説明したが、これに
限ることなく要は所定の濃度から他の濃度とする場合で
あればよく、例えば濃度１％から５％など、低い濃度か
ら高い濃度へ変更する場合も考えられる。

なお、本実施例では酸素濃度の制御をサイクル時間の制
御により行ったが、これに限ることはなく、例えば、圧
縮空気の圧力を変更することによっても制御は可能であ
る。また、還流時間の設定も酸素センサ26及び酸素濃度
計27により酸素濃度を計測して、その計測結果に応じて
行っているが、予め設定しておいた時間だけ還流を行な
う構成としてもよい。さらに、本実施例では一の気体を
酸素としたが、これに限ることはなく他の気体とするこ
とも可能である。

発明の効果 上述の如く、本発明によれば、吸着剤を用いて気体の濃
度を変える装置で、現在得ている濃度から他の濃度とす
る際に吸着剤から気体を脱着する工程時に吸着槽より得
た気体を吸着槽に還流することにより吸着剤の脱着をよ
り効率的に行なうことができるため、現在得ている濃度
から他の濃度に素早く移行させ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図は本発明の一実施例の概略構成図、第２図は従来
及び、本発明の一実施例の応答特性図である。 １…コンプレッサ、2,3…吸着槽、2A,3A…分子ふるいカ
ーボン、11,12…逆止弁、15,16…取出用弁、21…還流用
絞り弁、22…還流用弁、26…酸素センサ、27…酸素濃度
計、28…制御回路、29…酸素濃度設定スイッチ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内部に一の気体を吸着する吸着剤が充填さ
   れた吸着槽に該一の気体を含む混合気体を供給し、該一
   の気体を該吸着剤に吸着する吸着工程と、前記吸着剤に
   吸着した前記一の気体を前記吸着剤より脱着する脱着工
   程とをくり返えすことにより前記吸着槽から前記一の気
   体の濃度が前記吸着工程を行なう前の前記混合気体中に
   占める前記一の気体の濃度と異なる一定の濃度の混合気
   体を得る気体生成装置において、 前記吸着槽より得た気体を前記吸着槽に還流する還流手
   段を設け、前記一の気体の濃度を所定の濃度から他の濃
   度に変更する際、前記脱着工程時に前記還流手段により
   前記吸着槽より得た気体の一部を前記吸着槽に還流する
   ことを特徴とする気体生成装置。