JPH0731827A

JPH0731827A - ガス濃縮方法

Info

Publication number: JPH0731827A
Application number: JP5200425A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Sato; 重雄佐藤; Noboru Sato; 暢佐藤; Kazukiyo Takano; 和潔高野
Original assignee: Sanyo Electronic Industries Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electronic Industries Co Ltd
Priority date: 1993-07-19
Filing date: 1993-07-19
Publication date: 1995-02-03

Abstract

(57)【要約】【目的】医療用や健康用等に使用する圧力変動吸着法
（以下、ＰＳＡ法という）による酸素濃縮装置において
も、１個の吸着筒で、かつ、製品ガスを貯留するタンク
がなくても連続的に製品ガスを吐出することが可能なガ
ス濃縮方法を提供する。【構成】ＰＳＡ法による電磁弁４の動作、非動作に伴
い、吸着筒５内の圧力が変動するが、この変動する圧力
の最低値よりも、製品ガス取出し口２０の吐出圧力を低
く、かつ、大気圧より高く設定するように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、複数の成分を含有する
原料ガスから、少なくとも１種類のガスを選択的に吸着
しうる吸着剤を用いるガス分離方法、例えば、空気から
窒素を、窒素とエチレンの混合ガスからエチレンを、あ
るいは、水素とメタン及び／または一酸化炭素の混合ガ
スからメタン及び／または一酸化炭素を分離する圧力変
動吸着法（以下、ＰＳＡ法ともいう）のガス分離方法の
改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、複数の成分を含有する原料ガスか
ら、少なくとも１種類のガスを選択的に吸着しうる吸着
剤を用いて、該吸着剤に吸着し易い成分と、吸着し難い
成分を分離する操作を交番的に繰返すことにより混合ガ
スから所望のガスを分離するＰＳＡ法によるガス分離方
法は、種々提案されている。（例えば、特公昭３５−１
４９５２９，同昭３８−２５９６９，同昭５６−２４５
６９，同昭５５−２８７２５の各公報参照）

【０００３】これらの公報に開示された発明は、単数、
もしくは複数の吸着筒を用いてガスの分離を行うが、こ
の際にこれらのうち１個の吸着筒についてみれば、その
吸着筒の吸着工程と、脱着工程とがあり、この脱着相の
当該吸着筒においては、製品ガスの取出しはできない。

【０００４】これに対するものとして、ユニオン・カー
バイト・コーポレーション（米国）の特許出願による急
速圧力変動吸着法（以下、ラピットＰＳＡ法、あるいは
Ｒ・ＰＳＡ法ともいう）が特公昭５７−５２０９０号公
報に開示されている。これは単一の吸着筒にＲ・ＰＳＡ
法に適した小粒子の吸着剤（２０〜１２０メッシュ）を
充填し、この吸着剤がガスの流れに対して抵抗を与える
ようにし、そして吸着筒の長さと、原料ガスの導入時
間、逆外向き流れ時間に制限を加えて吸着効率を上げる
方法である。

【０００５】このＲ・ＰＳＡ法の特徴の一つは、供給す
る複数の成分を含有する混合ガスの少なくとも一成分が
該吸着筒の第１端である入口端に導入された原料ガスか
ら選択的に吸着除去されたガスが吸着筒の第二端である
出口端から放出されて使用に供する製品ガスとなる。

【０００６】また、別の特徴としては、一般のＰＳＡ法
によるガス濃縮方法に比較して非常に短時間の原料ガス
の供給時間につづいて停止時間、その後に排気時間があ
り、該吸着筒に充填された吸着剤の圧力損失により、前
記の停止時間の後、ただちに排気時間となり漸減する低
圧帯域が該吸着筒の第１端である入口端から、同第２端
である出口端に向って進み、これにより脱着したガスの
流れが原料ガスの流れに対して向流的に生じて同じく短
時間に排気ガスとして排出されるが、この間も製品ガス
は該出口端より流出を続けている。

【０００７】ミシガン大学のビー・エッチ・ターノック
氏等の発明に代表されるＲ・ＰＳＡ法は、前記の特許
（特公昭５７−５２０９０号）以前のものであって、こ
れは、原料ガスの供給時間と、排気ガスの排気時間とを
等時間にとっているが、前記の特許は、これらの供給時
間と排気時間等との間に制限を与えている。

【０００８】例えば、供給時間０．３〜１秒、停止時間
が供給時間の５〜１０倍で、かつ、５秒より短く、排気
時間が８〜２０秒である。また、別の例としては、供給
時間０．１〜１秒、停止時間が供給時間の５倍より短
く、かつ、２秒より短いもので、排気時間が１〜６秒で
ある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の技
術に対して、本発明は次のような新規な構成により、新
たな効果を得ることを目的とするものである。ＰＳＡ法によるガス濃縮方法において、吸着筒が１個
のみであっても、かつ、製品ガスを貯留するための製品
ガスタンクが無くても、連続的に製品ガスを取出すこと
が可能なガス濃縮方法を提供する。ＰＳＡ法による切替操作時間、すなわちサイクルタイ
ムを、前記のＲ・ＰＳＡ法によるガス濃縮方法のサイク
ルタイム程も、短くしない。

【００１０】一般のＰＳＡ法によるガス濃縮方法によ
る装置の製品ガスを貯留するための製品ガスタンクを、
本発明にかかるガス濃縮方法を用いた吸着筒と兼用にす
ることにより、この一般のＰＳＡ法による切替操作時間
と同期したサイクルで、本発明にかかる該吸着筒側には
別段の制御弁等を付設しなくても、加圧吸着、減圧脱着
を繰返すことにより、生成する製品ガスをより高濃度に
して、系全体の効率を高める。すなわち、電力元単位を
下げることができる。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明では次のような構成によるＰＳＡ法によっ
て、新たなガス濃縮方法を実施するものである。吸着筒の、長手方向の寸法対直径または横断面の対角
線の寸法比（Ｌ／Ｄともいう）が２以上のものに吸着剤
（吸湿剤を含む場合もある）を充填し、該吸着筒の第１
端である入口端から原料ガスを加圧供給し、また、同入
口端を減圧して同入口端から、吸着剤に吸着している強
吸着性ガスを脱着排気して該吸着剤を浄化再生する操作
を交番的に繰返すことにより、該吸着筒の第２端である
出口端から減圧手段として圧力調整弁を介して、弱吸着
性ガスを主成分とする製品ガスを連続的に取出すことが
可能なように構成する。

【００１２】該吸着筒の圧力変化や製品ガスの吐出圧
力は、次に示す範囲になるように該吸着筒の容量や製品
ガスの使用流量、あるいは原料ガスの供給圧力や供給流
量を選定する。吸着工程時の原料ガスの供給にともなう
最大昇圧値をＰ₁，脱着工程の排気ガスの放出にともな
う最低減圧値をＰ₂，製品ガスの吐出圧力をＰ₃とした
場合に、Ｐ₁≫Ｐ₂であり、かつＰ₂＞Ｐ₃にする必要
がある。

【００１３】該吸着筒に充填する吸着剤の粒形状は、
この吸着筒の寸法、形状（Ｌ／Ｄ）と、ＰＳＡ法による
切替操作のサイクルタイムとの関係は、このＰＳＡ法に
よるガス濃縮方法による製品ガスの濃度に大きく影響す
る。

【００１４】吸着筒のＬ／Ｄが大きいものは、吸着剤の
粒形状が比較的大きくても良い。そして、前記のサイク
ルタイムが短いものは、この吸着剤の中心まで及ぶ吸
着，脱着のスピードが吸着筒内のガス流速に対応しなけ
ればならないので、吸着剤の粒形状の小さいもの程良い
が、本発明のＰＳＡ法によるガス濃縮方法における吸着
剤の粒形状は、前記のＲ・ＰＳＡ法では必然的に必要と
なる吸着剤の層で生ずる圧損を利用する程の小さい粒形
状にする必要はない。

【００１５】例えば、次のような粒形状の吸着剤で良好
な結果を得ることができる。ａ）吸着筒寸法、φ５０×２００（ｍｍ），サイクルタ
イム５〜１５秒の場合には、吸着剤（ゼオライト）は１
３Ｘ型又は５Ａ型で、４０〜８０メッシュ。ｂ）吸着筒寸法、φ９０×４００（ｍｍ），サイクルタ
イム７〜２０秒の場合には、吸着剤（ゼオライト）は１
３Ｘ型で、２０〜６０メッシュ。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の実施例について図を参照して
説明するが、これは説明用の実施態様であって、本発明
はこの実施例に限定されるものではない。図１（Ａ）
は、本発明の実施例のフロー図で、本図は制御部と、吸
着筒内の吸着剤等の図示は省略した。吸入フィルタ１
は、コンプレッサ２が複数の成分を含有する原料ガスで
ある大気を吸入する際の大気中の塵埃等を取除くための
ものである。電磁弁４は、一定条件（操作時間あるいは
サイクルタイムともいう）のもとで制御してＰＳＡ法に
よるガス濃縮装置としての動作をする。

【００１７】この一定条件は、一定時間であっても、あ
るいは該吸着筒内の圧力を検出して、その圧力が一定値
になった時点であってもよいが、本実施例では、一定時
間とした。また、吸着筒５から製品ガスを取出すための
出口端１４からは、圧力調整弁９と流量設定手段１０
と、製品ガス取出し口２０を介して製品ガスとしての酸
素を取出すように構成した。

【００１８】本実施例では、圧力調整弁９の設定圧力を
３０ｋＰａとした。これは、前述のように、該吸着筒内
の圧力変動値の最低値（約５０ｋＰａ）より低くするこ
とにより、取出す製品ガスの圧力を一定値にするため
と、医療用のＰＳＡ法による酸素濃縮装置の製品ガスの
人体吸入用圧力も、この値が適しているためである。な
お、製品ガスの圧力や流量が多少変動しても実用上支障
にならない場合には、この圧力調整弁は省略しても良い
場合がある。

【００１９】同図において、配管の近傍に図示した実線
と破線の矢印は、気体の流れ方向を示すもので、実線は
電磁弁４が動作（ＯＮ）時のもので、破線は同じく非動
作（ＯＦＦ）時のものである。サイレンサ２２は、電磁
弁４が非動作（ＯＦＦ）のときに、吸着筒５の入口端１
３から排気ガスを大気に放出するときの音を軽減するた
めにサイレンサ２２を通るものであり、空気タンク３０
は、電磁弁４が非動作（ＯＦＦ）の場合（すなわち、コ
ンプレッサ２側の入力ポートが閉）に、常時動作してい
るこのコンプレッサ２から供給される原料ガスを一時貯
留するためのものである。また、このサイレンサ２２
は、ここを通るガス流に対して若干の空気抵抗を有する
が、この空気抵抗のために、吸着筒５内の圧力が瞬時に
大気圧まで低下しないようにする効果もある。

【００２０】図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の構成におけ
る、電磁弁４の制御に伴なう吸着筒５及び製品ガスの取
出し圧力の変化を模式的に示した図である。

【００２１】本実施例では、加圧供給による供給時間
と、減圧排気による排気時間は、相互に等しく、かつ、
交番的に交互に操作するように制御したが、この例に限
らず、供給時間と排気時間との間に停止時間を含んでい
ても、あるいは、供給時間と排気時間とが等しくなくて
も、該吸着筒内の最低圧力よりも製品ガスの取出し圧力
の方が低くければ、その作用効果に変わりはない。

【００２２】

【発明の効果】本発明を実施することにより、次のよう
な効果がある。医療用や健康用に使用する比較的小型のＰＳＡ法によ
る酸素濃縮装置において、吸着筒が１個のみであって
も、製品ガスを貯留する製品ガスタンクを省略すること
ができるので、同装置をいっそう小型軽量化することが
できる。従来の一般のＰＳＡ法による酸素濃縮装置（前段ＰＳ
Ａ）の、製品ガスを貯留する製品ガスタンク以降の構成
を、本発明にかかる構成（後段ＰＳＡ）で置換すること
により、その本発明にかかる後段ＰＳＡ側には、別段の
電気的制御機能は付設しなくても、前段ＰＳＡの圧力変
動に伴ない後段ＰＳＡも吸・脱着作用を行なうために、
結果的に、この後段ＰＳＡもガス濃縮効果を生ずるので
装置全体の効率をいっそう高めることができる。ＰＳＡ法によるサイクルタイムが、Ｒ・ＰＳＡ法によ
るものに比較して、格段に長いので、被制御素子（特に
電磁弁）の寿命が、Ｒ・ＰＳＡ法のものに比較して相当
長くなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１（Ａ）は、本発明の実施例の制御部及び吸
着剤等の図示を省略したフロー図である。同（Ｂ）は、
この実施例の電磁弁の動作に伴なう吸着筒、製品ガスの
取出圧力の変化を模式的に示した図である。

【符号の説明】

１吸入フィルタ２コンプレッサ４電磁弁５吸着筒９圧力調整弁１０流量設定手段１３入口端１４出口端２０製品ガス取出し口２２サイレンサ３０空気タンク

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも１個の、吸着剤、または吸着
剤及び吸湿剤を充填した吸着筒を有し、該吸着筒が吸着
工程時においては、この吸着筒の入口端より複数の成分
を含有する原料ガスを加圧供給して、該吸着剤に強吸着
性ガスを吸着させるとともに、該吸着筒の他端の出口端
より弱吸着性ガスを製品ガスとして、減圧手段を介して
取出し、また、該吸着筒が脱着工程時においては、この
吸着筒の入口端を前記の原料ガスの流れに対して向流的
に減圧排気して該吸着剤に吸着している強吸着性ガスを
脱着して該吸着剤等を浄化再生することを交番的に繰返
すことにより、連続して使用に供する製品ガスを吐出す
ることが可能な圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）によるガス
濃縮方法において、該製品ガスの吐出圧力は、吸着工程
にある吸着筒内の圧力、または、脱着工程にある吸着筒
内の圧力の、いずれよりも低く、かつ、製品ガスを貯留
するための製品ガスタンクの付設を省略した構成とし、
該吸着筒の入口端を減圧排気する脱着工程時にあって
も、使用に供するための製品ガスを連続して吐出するこ
とが可能である構成としたことを特徴とするガス濃縮方
法。
【請求項２】前記の製品ガスの減圧手段が、圧力調整
弁であることを特徴とする請求項１に記載のガス濃縮方
法。
【請求項３】請求項１又は請求項２に記載のガス濃縮
方法を特徴とするガス濃縮装置。