JPH0947629A - 窒素ガス発生装置の温度制御機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 膜分離法による窒素ガス発生機と空気圧縮機
を一体に囲繞する窒素ガス発生装置において、空気圧縮
機で発熱する熱を、窒素ガス発生機のガス分離効率を高
めるために、利用する温度制御機構を得ることを目的と
する。 【構成】空気圧縮機に付設されるアフタークーラの冷却
ファンを、窒素ガス発生機の窒素ガス分離筒の直前に取
付けられる温度センサーと、温度センサーの信号で制御
する制御回路をもつ温度調節器の指令で、冷却ファンを
運転制御して、アフタークーラの熱交換度を制御するこ
とによって、昇温された一定空気温度の原料空気を、窒
素ガス分離筒に供給すると共に、空気圧縮機本体を空冷
した排風熱を、空気圧縮機と窒素ガス発生機を仕切る仕
切板に排風熱導通孔を設けて、窒素ガス分離筒の周囲を
通過させて、該窒素ガス分離筒を早期に昇温させるよう
にした温度制御機構である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、膜分離法による窒素ガ
ス発生機に供給する原材料を作る空気圧縮機を、窒素ガ
ス発生機と共に内蔵して、パッケージセットとした窒素
ガス発生装置において、窒素ガス発生機の窒素ガス分離
のための温度制御に、空気圧縮機で発生する熱を、有効
利用しようとするものである。

【０００２】

【従来の技術】混合気体を分離するガス分離装置には、
吸着剤を用いて分離する圧力変動吸着方式（ＰＳＡ方
式）と、微細透過孔膜を用いた膜分離方式があり、原料
気体を空気として、窒素または、酸素を分離していずれ
かを発生させて利用する装置が一般的に知られている。
前記二つの方式はいずれの場合も圧縮気体を供給する必
要があり、種々の圧縮機を用いた圧縮気体が使用されて
いる。前記ガス発生装置において、従来は、ガス発生装
置と空気圧縮機を別体で設備するかまたは、ガス発生装
置に見合う圧縮機を併設して設備され、併設して設備す
る場合は、ガス発生装置専用の独立した圧縮機となって
いるのが通例となっている。

【０００３】空気圧縮機と窒素ガス発生機を一体に囲繞
して、パッケージに収納した窒素ガス発生装置におい
て、空気圧縮機は通常大気中の水分を除去するためにア
フタークーラと称する熱交換器セットが付設され、吐出
空気を冷却して空気中に含まれる水分を凝結させて除去
し、水分を除去した圧縮空気が空気タンクに貯溜されて
いる。この水分除去は、圧縮空気を動力源として使用す
る空気機械では欠かすことのできないものである。しか
るに、窒素ガス発生装置では一旦熱交換器で冷却した空
気を、窒素ガス発生機に供給する際、再度加熱して供給
している。再度加熱するのは、膜分離法による窒素ガス
分離において、窒素ガス分離筒の中での分子活動を活発
化して、分離効率を高めることと、昇温した原料空気を
一定純度に安定して分離するために、一定温度で供給す
るために付設されるものである。

【０００４】一方圧縮空気を供給するための圧縮機は、
窒素ガス発生機への供給圧力を厳密に一定にするため、
窒素ガス発生機に圧縮空気を供給する間は、圧縮機が一
定圧力で常時負荷運転するように制御され、常時負荷運
転によって生じる余分の空気を、リリーフ弁によって常
時排気することによって制御している。常時負荷運転に
よって吐出される高温圧縮空気は、通常冷却がなければ
空気中に含まれる水分は凝結することがなく、ドレン水
の発生もほとんどない。したがって、常時運転する圧縮
機で発生する空気の温度が一定であるならば、昇温され
た空気のまま窒素ガス発生機に供給することも可能とな
るものである。

【０００５】また、窒素ガス発生機の膜分離法式による
窒素ガス分離筒は、金属製の円筒容器内に多数本の細い
チューブからなる分離膜によって分離されるが、窒素ガ
ス発生機の運転立上げ時、窒素ガス分離筒が所定温度に
なるまで窒素ガスの純度が安定しないために、相当時間
待たなければならない問題を持っている。一方空気圧縮
機は圧縮熱で昇温した圧縮機本体を、圧縮機本体の駆動
軸等に付設される冷却ファンによって冷却し、その排風
熱はそのままパッケージの天井の排気孔から排気してパ
ッケージ内の昇温を回避している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】空気圧縮機と窒素ガス
発生機を併設して一体に囲繞するパッケージ式窒素ガス
発生装置において、従来、空気圧縮機に付設されるアフ
タークーラで冷却し、窒素ガス発生機に原料空気を供給
する際、再度昇温して供給している温度制御機構を、本
発明は、空気圧縮機に付設されるアフタークーラでの熱
交換度を制御して、圧縮機で昇温した空気を、昇温した
状態で窒素ガス発生機に供給する温度制御機構を得よう
とするものである。

【０００７】また、窒素ガス発生装置の運転立上げ時、
窒素ガス分離筒および、その周辺温度が昇温して安定す
るまで窒素ガスの安定純度が得られず、窒素ガスを得る
までに相当の立上げ時間を要することから、窒素ガス発
生機パッケージ内の早期昇温と、安定化を図るために、
空気圧縮機で発生する排風熱を利用するようにした温度
制御機構を得ようとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、空気圧縮機と
窒素ガス発生機を併設して一体に囲繞するパッケージ式
窒素ガス発生装置において、窒素ガス発生機が膜分離法
式であるとき、窒素ガス発生機に供給する圧縮空気の温
度制御を、空気圧縮機に付設されるアフタークーラを利
用するために、アフタークーラの熱交換器に送風する冷
却ファンを、窒素ガス発生機の窒素ガス分離筒の供給口
に配設する温度センサーからの信号で、温度調節器を介
して、制御することによって、前記アフタークーラの熱
交換度を制御し、圧縮機で発生する高温圧縮空気を、制
御された昇温空気で、窒素ガス発生機に供給する窒素ガ
ス発生装置の温度制御機構である。

【０００９】また、空気圧縮機と窒素ガス発生機を併設
して一体に囲繞するパッケージ式窒素ガス発生装置にお
いて、窒素ガス発生機が膜分離法式であるとき、空気圧
縮機本体を冷却する冷却ファンで発生する排風熱を、空
気圧縮機と窒素ガス発生機を仕切る仕切板の下方部に排
風熱導通孔を設けて、該導通孔から、窒素ガス発生機の
窒素ガス分離筒の外周に、前記排風熱を通過させて排気
するようにした窒素ガス発生装置の温度制御機構であ
る。

【００１０】

【作用】空気圧縮機と窒素ガス発生機を一体に囲繞した
パッケージ式窒素ガス発生装置の空気圧縮機は、圧縮空
気の吐出直後に熱交換器セットであるアフタークーラが
付設される。この熱交換器セットは冷却ファンによって
空冷されている。空冷によって凝結した水は、その後に
付設される水分離器によって水が除去され、空気タンク
に一旦貯溜される。空気タンクより自動弁を介して窒素
ガス発生機に原材料の圧縮空気が供給される。該自動弁
の直後に、空気圧縮機を一定圧力で常時負荷運転させ、
窒素ガス発生機に一定圧力で圧縮空気を供給するための
リリーフ弁が配設され、窒素ガス発生機に供給する空気
量と、空気圧縮機の吐出容量の差の分だけ常時リリーフ
弁より排出して、空気圧縮機が一定圧力で常時負荷運転
される。そして、窒素ガス発生機に供給される空気は、
空気中の水，塵埃等を完全に除去するミクロフィルタを
介して膜分離法式による窒素ガス分離筒に供給される。

【００１１】上記構成において、窒素ガス分離筒の直前
に空気温度を検知する温度センサーが設けられる。この
温度センサーからの信号によって温度調節器で、前記し
たアフタークーラに付設される冷却ファンの運転ｏｎ，
ｏｆｆまたは、回転数制御を行う。通常圧縮機から吐出
される空気温度は、１００℃前後の高温で吐出される。
そして、窒素ガス分離筒に供給される空気温度は略５０
℃が適正値となっている。したがって、空気圧縮機が常
時負荷運転で安定した空気温度で吐出され、冷却ファン
の運転を停止した状態で空気を供給した場合、アフター
クーラ，空気タンクおよび、配管回路で自然冷却され、
窒素ガス分離筒直前での空気温度は、供給温度の適正値
よりやや高い温度まで冷却している。空気圧縮機はパッ
ケージ内に収納されているので比較的外気温度の影響は
受けにくいが、しかし、窒素ガス発生装置の運転立上げ
時または、寒冷時の外気温度との差によってパッケージ
内温度は変化する。したがって、窒素ガス分離筒直前の
供給空気温度も変化するので、その温度を検知し、前記
冷却ファンの運転を制御することによって、供給温度の
安定を図ることができる。この窒素ガス発生装置の温度
制御は、空気圧縮機が一定圧力で常時負荷運転すること
によって、空気圧縮機から吐出される空気温度が略一定
であり、昇温された空気をそのまま流した場合に、凝結
して水滴になることが少ないことと、気化した水分は、
窒素ガス分離筒で酸素富化空気として排出されることで
比較的容易に可能となるものである。

【００１２】次に、従来例で記述したように、空気圧縮
機本体を冷却した排風熱は、パッケージ天井に設けられ
る排気孔より排気しているが、請求項２に記載する発明
は、この排風熱の全部または一部を仕切板で仕切られた
窒素ガス発生機側のパッケージに流すことによって、窒
素ガス分離筒の外壁等を暖めて、窒素ガス安定分離の立
上げ時間を早めることである。

【００１３】窒素ガス分離筒は昇温された原料空気が窒
素ガス分離筒の中を通過し、その熱で窒素ガス分離筒の
外壁温度が熱伝導によって昇温し安定するまで窒素ガス
の純度が安定しない。そこで、圧縮機本体を冷却した排
風熱を、前記仕切板の下方に排風熱導通孔を設けて排風
熱を流し、窒素ガス発生機のパッケージ中に、縦に設置
される窒素ガス分離筒の下部から上部に向けて排風熱を
通過させて排気することによって、窒素ガス分離筒の昇
温安定を早めることができる。また、排風熱を窒素ガス
発生機側に流し適当な温度に昇温させる排風熱の量は、
圧縮機本体側の排気孔または、窒素ガス発生機側の排気
孔の、何れかまたは、両方の排気孔面積を調節すること
によって行われる。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明
する。図１は本発明の空気圧縮機を内蔵したパッケージ
式の窒素ガス発生機の側面構造図である。空気圧縮機１
０と、窒素ガス発生機１１は台枠３上に併設して固定さ
れ、前記両機を、防音材が張付けられた組立式のパネル
板１３で箱型に囲繞してパッケージとしている。そし
て、空気圧縮機１０と窒素ガス発生機１１の間は、仕切
板１４で区画されている。仕切板１４の下方に空気圧縮
機本体１を空冷した排風熱を、窒素ガス発生機側に導入
するための、排風熱導通孔１４ａが明けられている。矢
印で示す排風熱は排風熱導通孔１４ａから、窒素ガス発
生機内に縦に取付けられている窒素ガス分離筒１２の周
囲を流れて、窒素ガス分離筒を暖め、天井板１３ｃに明
けられている排気孔１３ｅから排気される。

【００１５】図中１は空気圧縮機本体で、本実施例では
無給油式スクロール圧縮機となっているが、本発明では
この圧縮機が往復空気圧縮機等の他の圧縮機が使用され
ても同様の効果が得られるものである。該圧縮機本体１
は空気タンク２の上のベース２ａに固定されていて、圧
縮機本体１上の全閉外扇モータ４によって駆動される。
そして、圧縮機本体１の発熱を空冷するため、駆動プー
リー等に付設される、冷却ファン（不図示）が取付けら
れ排風熱が発生する。

【００１６】吸込フィルタ５から吸引した空気は圧縮機
本体１で圧縮され、吐出管６を介して熱交換器セットで
あるアフタークーラ７に導入される。アフタークーラ７
には、その外部より、冷却するための冷却ファン１５が
取付けられ、窒素ガス発生機の原材料供給口に設けられ
る温度センサーおよび、温度調節器からの信号によって
冷却ファン１５のｏｎ，ｏｆｆまたは、回転が制御され
る。アフタークーラ７を冷却した風は、圧縮機本体１を
冷却した排風熱の一部と共に、天井板１３ｃの圧縮機側
に設けられる排気孔１３ｄから排気される。アフターク
ーラ７を経た制御された昇温空気は、導入管８を介し
て、水分離器９に入り、水，塵埃を除去して、一旦空気
タンク２に貯溜される。空気タンク２は、比較的小形の
タンクであるが、圧縮機で吐出される空気圧の脈動を、
完全に平均化するだけの容積となっている。該空気タン
ク２には、窒素ガス発生機１１に供給する吐出ジョイン
ト２ｂが接続されている。

【００１７】図２は図１の窒素ガス発生装置の正面図を
示す。図１と同一構成部品には同一符号を付して説明す
る。図２において，１３ａはパッケージの組立式パネル
板の一部を前面扉としているもので、内部点検等のため
に手動開閉可能な扉となっている。１５は図１で説明し
たアフタークーラ７を空冷するための冷却ファンであ
る。前面扉１３ａの上のパネル板１３ｂに、本装置を制
御する制御基盤１６があり、圧縮機の運転制御，窒素ガ
ス発生機の運転制御，自動弁の制御および、アフターク
ーラ７の冷却ファン１５の運転制御を行う温度調節器の
操作機能等が、一括して行えるようになっている。その
他、パネル板１３ｂ上には窒素ガスの圧力および圧縮空
気の圧力を表示する圧力計および、取出される窒素ガス
の純度を判定する酸素濃度計１７等が配設されている。

【００１８】図３は本発明の窒素ガス発生装置の全体構
成と、原料供給空気の温度制御機構を模式的に示すフロ
ー図である。図３において、図１，図２と同一構成要素
には同一符号を付して説明する。また、実線は配管回路
を示し、斜線付実線は制御回路を示したものである。そ
して、本実施例では各所に配設される自動弁として、電
気制御による電磁弁が使用されているので、以下電磁弁
と称する。

【００１９】図３において、空気圧縮機１０から吐出さ
れる高温圧縮空気は、アフタークーラ７に導入される
が、運転初期は温度調節器２２からの指令により、冷却
ファン１５は、運転せず、吐出空気は昇温状態で水分離
器９を介して、空気タンク２に貯溜される。空気タンク
２には空気タンク底部に、自然冷却によって凝結し、徐
々に蓄積したドレン水を、自動的に排水するためのオー
トドレン２０が付設されている。空気タンク２より吐出
される昇温状態の圧縮空気が、窒素ガス発生機に供給さ
れる。

【００２０】電磁弁２１を経た直後に、空気圧縮機１０
を常時負荷運転させ、窒素ガス分離筒１２への供給圧力
を厳密に一定にさせるための、リリーフ弁回路が分岐さ
れている。リリーフ弁２３は、窒素ガス分離筒１２に供
給する空気量と、空気圧縮機１の吐出容量との差の量だ
け常時一定量排出するための調節機能をもち、このリリ
ーフ弁２３の調節によって、空気圧縮機１は、一定圧力
で原料供給中常時負荷運転する。リリーフ弁２３からの
排出空気をマフラー２４を介して放気される。

【００２１】窒素ガス分離筒１２に供給される昇温状態
の圧縮空気は、空気中の水，塵埃等を完全に除去するた
めに、除去効率の高いミクロフィルタ２５が配設され
る。ミクロフィルタ２５から窒素ガス分離筒１２に供給
される。窒素ガス分離筒１２に供給される直前の配管に
温度センサー１９が付設されている。温度センサー１９
で測定された温度が、温度調節器２２で設定された温度
と比較対比して制御する制御回路が組込まれていて、そ
の制御信号によって、アフタークーラ７を冷却する冷却
ファン１５の、ｏｎ，ｏｆｆまたは、回転制御が行わ
れ、安定した空気温度で窒素ガス分離筒１２に空気が供
給される。温度センサー１９の前に点線で示されるヒー
ター２８は、従来例で説明したヒーター位置を示すもの
で、本発明では、基本的には不必要とするものである
が、予備的な補助装置として付設してもよいことを示す
ものである。

【００２２】温度センサー１９，温度調節器２１およ
び、冷却ファン１５の制御によって一定温度に制御され
た一定圧力の圧縮空気が、微細孔膜で作られる細い糸状
のチューブの集合体からなる窒素ガス分離筒１２で、酸
素等のガスと、窒素ガス等に分離される。窒素ガス分離
筒１２は、必要とする窒素ガスの容量および、窒素ガス
の純度または、供給する原料空気の量に適応する本数が
付設される。図３のフロー図で点線で示す１２Ａは、空
気圧縮機の出力が大きく吐出量の多い場合に追加される
窒素ガス分離筒１２Ａを示したものである。

【００２３】窒素ガス分離筒１２から吐出する窒素ガス
の回路に、必要に応じて電磁弁３５を開いて、窒素ガス
の中に含まれる酸素の濃度または、酸素の有無を検知す
る酸素濃度計１７が配設され、窒素ガスの純度が換算さ
れる。三個の流量調整弁２６，２６ａ，２６ｂおよび、
これに接続される電磁弁２７，２７ａ，２７ｂは、窒素
ガスの純度を設定するための流量調整弁で、例えば窒素
ガスの純度を９９．９％，９９％，９７％の三段階に設
定し、必要とする窒素ガスの純度によって、電磁弁２
７，２７ａ，２７ｂのいずれかを選択して弁が開かれ
る。これは、流量調整弁２６の流量を厳密に調整して、
窒素ガス分離筒１２内のガス通過速度を調節することに
よって調整される。

【００２４】所定の純度で吐出される窒素ガスは、逆止
弁３１を介して窒素ガスタンク３２に貯溜される。逆止
弁３１の前に配設される電磁弁２２，マフラー３０は、
始動時または、再起動時に電磁弁２１が開かれたとき、
窒素ガス発生機１１の配管回路中に滞留している残留ガ
スを、制御基盤１６の中に付設されるタイマーによっ
て、一定時間マフラー３０から排出し、窒素ガスが所定
の純度になってから、窒素ガスタンク３２に貯溜され
る。そして窒素ガスタンク３２または、逆止弁３１後の
配管回路に付設される圧力スイッチ３３が、設定された
所定の圧力になると、作動して電磁弁２１を閉じる。窒
素ガスの使用等によって窒素ガスタンクの圧力が低下す
ると、再び圧力スイッチ３３が作動して電磁弁２１が開
かれる。

【００２５】図４は膜分離法による窒素ガス分離筒１２
の原理を示す模式図である。図４において、窒素ガス分
離筒１２の一方の端部に圧縮空気供給口１２ａがあり、
筒の中央部に微細孔膜で作られた細いチューブ１２ｂが
多数本あり、多数本のチューブの両端を多孔板１２ｃの
孔に接続し、多数本のチューブ１２ｂ内に圧縮空気を流
すことによってチューブ側壁の微細孔より酸素，ヘリュ
ウム，水等の速度の早い分子がチューブ外に透過し、酸
素富化空気孔１２ｄより排出する。そして窒素，アルゴ
ン等の速度の遅い分子はチューブ内をそのまま通過し、
窒素ガス分離筒端部の分離筒取出口１２ｅより窒素ガス
を主体とする不活性ガスが吐出される。

【００２６】

【発明の効果】空気圧縮機と窒素ガス発生機を一体に囲
繞したパッケージ式窒素ガス発生装置において、空気圧
縮機に付設されるアフタークーラに送風する冷却ファン
の運転制御によって、熱交換度を制御する、温度制御機
構としたことによって、窒素ガス分離筒の前に配設して
いた昇温ヒーターが不用となることによる、装置のコス
トダウンと、電力消費節減となる効果を奏する。

【００２７】また、従来ヒーター昇温では周囲温度の低
温時、設定温度に達する迄時間を要したが、圧縮機から
の昇温空気がそのまま使用されることから、設定温度の
到達時間が短縮され、窒素ガス純度の安定時間が早くな
る。

【００２８】また、空気圧縮機本体を冷却した排風熱を
窒素ガス発生機に導入することによって、窒素ガス分離
筒が早期に昇温安定し、窒素ガスの分離効率が高まり、
窒素ガス設定純度に到達する時間が早くなり、窒素ガス
を取出すまでの立上げ時間が短縮されて、窒素ガス発生
装置の大きな特徴となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパッケージ式窒素ガス発生装置の側面
構造図である。

【図２】図１の窒素ガス発生装置の正面構造図である。

【図３】本発明の窒素ガス発生装置の全体構成を温度制
御機構と共に模式的に示すフロー図である。

【図４】膜分離法によるガス分離を説明するための原理
図である。

【符号の説明】

１ 圧縮機本体 ２ 空気タンク ３ 台枠 ７ アフタークーラ ９ 水分離器 １０ 空気圧縮機 １１ 窒素ガス発生機 １２，１２Ａ 窒素ガス分離筒 １３ パネル板 １３ｄ，１３ｅ 排気孔 １４ 仕切板 １４ａ 排風熱導通孔 １５ 冷却ファン １６ 制御基盤 １７ 酸素濃度計 １８ 窒素ガス取出口 １９ 温度センサー ２１ 電磁弁（自動弁） ２２ 温度調節器 ２６，２６ａ，２６ｂ流量調整弁 ２８ ミクロフィルタ ３３ 圧力スイッチ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気圧縮機と窒素ガス発生機を併設して
   一体に囲繞するパッケージ式窒素ガス発生装置におい
   て、窒素ガス発生機に供給する圧縮空気の温度制御を、
   空気圧縮機に付設されるアフタークーラを利用するため
   に、アフタークーラの熱交換器に送風する冷却ファン
   を、窒素ガス発生機の窒素ガス分離筒の供給口に配設す
   る温度センサーからの信号で、温度調節器を介して、制
   御することによって、前記アフタークーラの熱交換度を
   制御し、圧縮機で発生する高温圧縮空気を、制御された
   昇温空気の状態で窒素ガス発生機に供給する窒素ガス発
   生装置の温度制御機構。
2. 【請求項２】 空気圧縮機と窒素ガス発生機を併設して
   一体に囲繞するパッケージ式窒素ガス発生装置におい
   て、空気圧縮機本体を冷却するための、冷却ファンで発
   生する排風熱を、空気圧縮機と窒素ガス発生機を仕切る
   仕切板の下方部に排風熱導通孔を設けて、該導通孔か
   ら、窒素ガス発生機の窒素ガス分離筒の外周に、該排風
   熱を通過させて排気するようにした窒素ガス発生装置の
   温度制御機構。
3. 【請求項３】 前記窒素ガス発生装置の窒素ガス発生機
   は、膜分離法による窒素ガス発生方式である請求項１お
   よび、２記載の窒素ガス発生装置の温度制御機構。