JP2006511346A - 気体濃縮装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、混合気体の中の特定気体に対して選択的な吸着性を有する吸着剤に圧力差を加え、特定気体を分離して濃縮気体を生産する機体濃縮装置に関するもので、混合気体から不純物をろ過するフィルターと；前記フィルターを経て供給された混合気体から特定の気体を分離する吸着剤を収容しながら、この分離された気体を排出する流路に逆流防止手段が具備された多数の吸着ベッドと；吸着ベッドの生産端部の流路を相互に連結して浄化と富圧過程を遂行する微細管と；吸着ベッドに混合気体を供給する流路と繋がり、真空圧と混合気体の圧力差を発生させる真空ポンプ手段と；吸着ベッド、混合気体の供給流路および真空ポンプ手段とそれぞれ繋がる流路が形成された単一体の流路ベースと、前記流路ベースに装着されて吸着ベッドに真空圧と混合気体の圧力を交互に加える、ベースに形成された流路転換用のソレノイド駆動部で成り立つバルブ手段と；吸着ベッドから分離して生産された気体に、前記フィルターから供給された混合気体の流量および濃度を調節して目的の空間に供給する気体供給手段を有することを特徴とする気体濃縮装置を提供する。

Description

本発明は、混合気体から特定の気体を分離する装置の中で、吸着剤に圧力差を加えて特定気体を分離する気体濃縮装置に関するものである。詳細に言えば、前記吸着剤を収容する２つの吸着ベッドに連結されるそれぞれのバルブ手段が一体化するとともに、前記吸着剤を保護するための別途の逆流防止手段を具備し、前記バルブ手段を前記吸着ベッドにキャップ附着方式で結合させることで、構造を単純化した気体濃縮装置に関するものである。

一般的に、混合気体から特定の気体を分離して富化気体（「濃縮気体」ともいう）を生産する方法は、商業的に、気体分離膜による方式と、圧力差をゼオライト分子体（Ｚｅｏｌｉｔｅ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｉｅｖｅ， ＺＭＳ）やカーボン分子体（Ｃａｒｂｏｎ Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｉｅｖｅ， ＣＭＳ）などの吸着剤に加える圧力変動吸着（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ， ＰＳＡ）方式とに別される。この中で、圧力変動吸着（ＰＳＡ）方式は、特定気体に対して選択的な吸着特性を有する吸着剤に圧力差を加えて富化気体を生産する工程である。前記圧力差は運転圧力によって常圧以上で運転される通常のＰＳＡと、真空圧過程を経るＶＳＡ（Ｖａｃｕｕｍ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）と、この２つの組合せであるＶＰＳＡに分けることができる。普通、これらを合わせてＰＳＡ方式と呼ぶ。

１９５０年代以来発展したＰＳＡ方式は、産業的に酸素、窒素および水素などを生産する時に多く用いられており、最近は、空気の乾燥以外にも酸素浄水器やエアクリーナーなどの小型家電製品形態の酸素濃縮器にも適用されている。産業用で高濃度の酸素や窒素などを生産する場合、吸着剤を含む吸着ベッドは、ほとんど塔の形態で立てられており、これらは多数のバルブとともに連携して運転される。

しかし、小型の酸素濃縮器のような医療用や家電用に応用される場合は、サイズと経済性が考慮されなければならないので、産業用とは異なる簡単な吸着ベッド形態と単純なバルブの構造、その他、部品の効率的な結合ができるように設計されなければならない。これによって、圧力変動吸着方式に使用される吸着ベッドと周辺装置は、最小限のバルブと装置を使用して最大限単純化しようとする努力が維持されて来た。常圧以上で運転される通常のＰＳＡ方式の場合、主に多数の吸着ベッドと回転バルブで構成され、それぞれのバルブに順次に圧力がかかるように構成されている。このような方式は、濃度と流量の変動幅が小さく比較的安定した生産ができるという長所があるが、回転バルブ自体がモーターと流路を形成する回転盤で構成される機械的な装置に過ぎないために、小型化と経済性において限界がある。また、ソレノイドバルブをそれぞれの吸着ベッドに使用する場合においても、通常１気圧以上の高圧用なので、加工の程度と構造が精緻で複雑な構成になっているだけではなく、動作制御も複雑になる短所がある。

図１は、従来のＰＳＡ工程による、２つの吸着ベッド１、１’を有する気体濃縮装置を単純化した概略図で、一般的に広く知られている事項である。ここでの気体濃縮装置はポンプ手段の結合によって運転工程が決まるようになる。つまり、気体に圧力を加える真空ポンプ手段４と気体圧縮手段８の工程とを比べると、気体圧縮手段８のみが単独で用いられる場合、吸着剤への吸着工程は気体圧縮手段８の圧力で決まり、脱着工程の圧力は大気圧となって通常のＰＳＡ工程を成す。

また、真空ポンプ手段４と気体圧縮手段８が同時に使用される場合、脱着圧力が真空ポンプ手段４により真空圧となるので、真空圧と気体圧縮手段８による圧力の間で運転されるＶＰＳＡ工程を成す。気体供給手段７は、一種の真空ポンプ手段として、気体圧縮手段８を使用せず、真空ポンプ手段４と組み合わせられると、吸着ベッド１、１’内の吸着剤が圧縮力を受けないので、一般的に、大気圧以下で駆動するＶＳＡ工程を経る。

また、気体圧縮手段８、真空ポンプ手段４および気体供給手段７が同時に用いられる場合は、ＶＰＳＡ工程を経るが、構造の複雑性と経済性のためにほとんど使用されていない。

前記ＰＳＡ方式の場合とは異なる、真空圧を受けるＶ（Ｐ）ＳＡ工程に用いられる吸着ベッド１、１’とバルブ手段２の場合は、これまでの工程開発によって小型化が可能になったので、ＶＳＡ工程に相応しい吸着ベッド１、１’とバルブ手段２の設計が求められている。

つまり、図１に示したように、吸着剤を含む吸着ベッド１、１’は、２つ以上の多数を使用することが可能で、これに直接繋がる流路に切り替えるためのバルブ手段２は、吸着ベッド１、１’に加わる真空ポンプ手段４による真空圧と、フィルター３を通して流入される混合気体の圧力あるいは気体圧縮手段８の圧力を切り替えて受けるようになる。

一般的に、２つの吸着ベッド１、１’が使用される場合は、それぞれの吸着ベッド１、１’に別途のソレノイドバルブを具備して制御するようになるが、吸着ベッド１、１’の数が多くなる場合は、モーターによって駆動される回転盤に流路を形成し、各吸着ベッド１、１’に混合気体を供給する回転バルブを使用するようになる。

図１に示したように、２つの吸着ベッド１、１’を使用し、真空ポンプ手段４と気体供給手段７を用いるＶＳＡ工程を採択する場合は、バルブ手段２に作用する圧縮力がないので、一般的に使用される間接作動式（Ｐｉｌｏｔ Ｔｙｐｅ）のソレノイドバルブは使用できなくなり、直接電気的な力によって駆動される直動式のソレノイドバルブのみが使用されるようになる。

そして、単一の４ウェイ（４−Ｗａｙ）ソレノイドバルブをそのまま使用する場合は、その構成上各々の吸着ベッドの制御が不可能になり、一方の吸着ベッド１が開かれれば、他方の吸着ベッド１’は閉まる構造になってしまう。それ故、柔軟性のある工程を実現することは難しく、また、ある一方が必ず外部と接触するようになっていて別途の密閉装置を使用しない限り、吸着剤の保護にも問題があり得る。

したがって、通常独立した３ウェイ（３−Ｗａｙ）のソレノイドバルブを使用するが、この場合は吸着ベッド１、１’との連結が複雑になるとともに、前記バルブ手段２を構成するバルブ同士の間の連結が必要になり、これによるサイズの拡大と複雑な組み立て、そして部品数の増加による経済性の低下など、不利なところがある。

また、商業的に用いられる気体分離方法にもそれぞれの長・短所が存在する。気体分離膜による方式は、装置構成は簡単であるが、周辺の使用温度や水気の吐出問題などの短所があり、吸着剤を使用する方式は、水気吐出の問題はないが、装置構成が複雑で、特に吸着剤が不純物と水気に弱いので、普段の保管に留意する必要がある。

それ故、吸着剤を使用する場合は、装置構成を最大限簡単にして短所を補わなければならないし、水気による影響を少なくするための装置を構成しなければならない。そして、気体分離膜の場合は前処理でほこりさえろ過すれば済むが、吸着剤を使用する場合は、工程中に吸着剤を再生して使用しなければならないので、本質的に微細な不純物および水気の吸着が徐々に増える。このような点では、通常のＰＳＡ工程より真空圧によって再生過程が起こるＶ（Ｐ）ＳＡ工程のほうが有利だと言える。

ただし、Ｖ（Ｐ）ＳＡ工程を用いる場合でも、外部とまったく隔離されない場合は、運転停止時に空気中の水気を吸収する恐れがある。これを防止するために吸湿剤などを使用することもできるが、これは根本的な解決方法ではないだけに、吸着ベッド１、１’と外部空気とを完全に隔離できる別途の装置が必要になる。実際、ＰＳＡ製品の低価格化のために単一バルブを使用する場合、別途のバルブなしにすべての吸着ベッド１、１’の密閉は不可能である。

また、吸着ベッドと外部空気とを密閉するために、一般バルブをいくつか使用することもできるが、このようなバルブ手段は高価格化および制御の複雑性、そしてサイズの拡大の問題がある。よって、より簡単な装置の開発が求められているのが現状である。

本発明は、従来の技術の問題を解決するために、ＶＳＡ工程に用いられるバルブ手段と吸着ベッドとを簡単に結合して一体化させることで、組み立ての効率性と生産性を高める。すなわち、ＶＳＡ工程用装置のモジュール化による、小型の気体濃縮装置の組み立ての単純化を具現するとともに、装置使用後の保管中にも吸着剤と空気とを完全に遮断し保護することで、装置の小型化と低価格の実現による経済的効率の向上と、信頼できる気体濃縮装置を提供することが目的である。

本発明は、前記の目的を達成するために、混合気体から特定気体に対して選択的な吸着特性を有する吸着剤に圧力差を加え、特定の気体を分離して濃縮気体を生産する気体濃縮装置において、前記混合気体から不純物をろ過するフィルターと；前記フィルターを経て供給された混合気体中の特定気体を分離する吸着剤を収容しながら、分離された気体を排出する流路に逆流防止手段が具備された多数の吸着ベッドと；前記吸着ベッドの生産端部の流路を相互連結して浄化と富圧過程を遂行する微細管と；前記吸着ベッドに混合気体を供給する、流路に繋がって真空圧と混合気体の圧力差を発生させる真空ポンプ手段と；前記吸着ベッド、混合気体の供給流路および真空ポンプ手段とそれぞれ繋がる流路が形成された単一体の流路ベースと、前記流路ベースに装着されて前記吸着ベッドに真空圧と混合気体の圧力を交互に加えるために流路ベースに形成された流路を転換させるソレノイド駆動部とで成り立つバルブ手段と；前記吸着ベッドから分離されて生産された気体に前記フィルターから供給された混合気体を調節供給し、流量および濃度が調節された気体を目的の空間に供給する気体供給手段を有する気体濃縮装置を提供する。

また、本発明において、前記流路ベースは流路が形成された単一体であり、前記ソレノイド駆動部を装着できる装着部、前記吸着ベッドに繋がるベッド連結部および混合気体の供給流路に繋がる流路連結部が形成されている。このように形成された流路ベースを前記吸着ベッドにキャップ附着方式で挿入し締結することができる気体濃縮装置を提供する。

さらに、本発明は、前記ソレノイド駆動部が、駆動部全体を支持するフレーム、このフレームに内蔵され、電流の供給を受けて機動力を提供するコイル、このコイルの機動力による往復運動を通して流路を開閉させるプランジャーおよび前記プランジャーを案内するガイドパイプ、このガイドパイプに延長形成されたポンプ手段の連結部を有する気体濃縮装置を提供する。

さらにまた、本発明は、前記吸着ベッドから分離された気体を排出する各々の流路に形成される逆流防止手段を、チェックバルブまたは流量流れに抵抗を有する流量減少微細管の中から選択して適用し、この際、選択される前記チェックバルブは、流路に形成される外部ガイドと、外部ガイドの内部空間に挿入する時、ボディーに流路が形成されたチェックプランジャーと、気体が流入する前記外部ガイドの入口部に密着されるように前記チェックプランジャーに附着する密閉用ダンパーと、前記気体が排出される前記外部ガイドの出口部に位置して、前記チェックプランジャーを支持する支持スプリングを有する気体濃縮装置を提供する。

さらにまた、本発明は、前記吸着ベッドから分離されて排出される気体の逆流を防止するとともに、外部空気を遮断する密閉手段と、前記真空ポンプ手段の吸入または排気流路に密閉手段が設置される気体濃縮装置を提供する。

さらにまた、本発明は、前記気体供給手段が前段部に吸着ベッドを通過して出る気体の流量を調節するために流路に設置した流量調節手段と、前記吸着ベッドとを通過しない混合気体の供給流路に設置された流量調節手段によって、流量および濃度が調節された気体を目的の空間に供給する気体濃縮装置を提供する。

上述のように、本発明は、ＶＳＡ工程の真空圧を受けて運転される装置において、内部に吸着剤を有する吸着ベッドと、本発明による流路転換のバルブ装置の連結部が単純化・小型化されることによる装置の経済性と効率性の向上、そしてサイズの縮小による小型家電機器への応用ができるという効果がある。

また、本発明は、単一構造物にバルブ駆動部と吸着ベッド容器が結合されることによって装置の堅固性が高まり、吸着ベッドとバルブとが一体化されることによってサイズの縮小が行われる。そしてポンプ手段および他の制御手段との簡単な連結だけで済む、装置のモジュール化によって生産費が節減されるという経済的な効果もある。

さらに、本発明は、気体濃縮装置の休止中でも、吸着ベッド内の吸着剤を外部と完全に密閉できるので、装置の長期保存が可能である。

以下、添付された図面を参照して本発明の構成を詳細に説明する。

図３は本発明のＶＳＡ工程による気体濃縮装置の第１実施例を示した概略図、図４は本発明のＶＳＡ工程による気体濃縮装置に適用されるバルブ手段を示した正面図、図５は本発明のＶＳＡ工程による気体濃縮装置に適用されるソレノイド駆動部を示した正断面図、図６は本発明のＶＳＡ工程による気体濃縮装置に適用されるバルブ手段を示した正断面図、図７は本発明のＶＳＡ工程による気体濃縮装置に適用されるバルブ手段と吸着ベッドとの締結状態の側面図、をそれぞれ示したものである。

本発明は、前記のそれぞれの図に示されているように具体的な実施例に適用されているが、これのみに限定されるものではなく、本発明の技術思想を超えない範囲内で多様な変形実施が可能なものである。

図３に示された本発明の気体濃縮装置の基本的な動作を見ると、まず、真空ポンプ手段４が吸着ベッド１の真空圧を形成する。そして混合気体の圧力と真空圧との圧力差によってフィルター３を通過した混合気体は、バルブ手段２を経て吸着ベッド１内に流入される。

前記吸着ベッド１内の吸着剤は、特定成分の気体を吸着し、不十分な吸着や吸着しない成分の気体は、チェックバルブ６と流量調節手段１０を経た後、気体供給手段７によって吸入され、目的の空間に噴射されるようになる。一般的に、吸着ベッド１が生産段階である間は、他の吸着ベッド１’は再生過程を経るようになっている。そしてこのような再生過程は、ベッド連結微細官５を通った一部の生産気体が他の吸着ベッド１’へ移動することで、浄化と富圧過程を遂行するようになる。このようなベッド連結微細管５は、産業用では平衡バルブとして用いられるとか、吸着ベッド１とベッド１’の間を単純連結する管路を構成するようになる。

前記の流量調節手段９、１０は、供給される気体の流量と濃度を決めるようになり、フィルター３を通過した混合気体は、エアクリーナーのような装置に適用される酸素濃縮器と同様に、必要によっては、流量調節手段９を通過した生産気体と適切に混合することができる。吸着ベッド１、１’の数は、産業用の場合、３つ以上のマルチベッドが主に使用されており、小型の場合は、２つの吸着ベッドシステムが主に使用される。

また、吸着ベッド１、１’の気体排出流路に具備された一組のチェックバルブ６、６’は、真空ポンプ手段４によって吸着ベッド１、１’内部を脱着する作用をし、真空圧を作る時には気体供給手段７からの逆流を防止するための装置として、吸着ベッド１、１’の数ほど使用されるようになる。

前記のように行われる本発明の気体濃縮装置において、図４に示したように、前記吸着ベッド１、１’の組み立て性を単純化して、ＶＳＡ工程用装置のモジュール化を通して小型気体濃縮装置における組み立ての単純化が可能なバルブ手段２’を適用した。

前記バルブ手段２’は、吸着ベッド１、１’の連結部２１、２１’および混合気体の供給流路であるフィルター連結部２０が形成された単一体の流路ベース１４と、前記流路ベース１４に装着されて吸着ベッド１、１’に真空圧と混合気体の圧力を交互に加えるために流路ベース１４に形成された流路を転換させる一組のソレノイド駆動部１２、１３で成り立つ。

本発明に使用されるソレノイド駆動部１２、１３は、真空圧が作用する機器に主に使用されるもので、電気力によって行われる直動式で構成される。前記ソレノイド駆動部１２、１３は、図５に示されているように、通常のソレノイドと同一のもので、その構造は全体を支持するフレーム１５、電流の流れで機動力を提供するコイル１６、往復運動によって開閉作用を行うプランジャー１７、そして前記プランジャー１７を案内するガイドパイプ１８で構成される。示されていないスプリングは、普通、プランジャー１７に力を加え、バルブ手段２’を開状態または閉状態のまま維持させるようになる。

また、前記ソレノイド駆動部１２、１３に形成されたポンプ連結部１９は、図４に示された流路連結部１１を通じて相互が繋がり、本発明の気体濃縮装置を構成する真空ポンプ手段４にも繋がる。そして流路ベース１４のフィルター連結部２０は、混合気体をろ過して供給するフィルター３と繋がり、ベッド連結部２１、２１’は、吸着ベッド１、１’の一端部とそれぞれ繋がる。

このようにして、前記ベッド連結部２１、２１’に繋がれた吸着ベッド１、１’は、真空ポンプ手段４による真空圧とフィルター連結部２０にかかる混合気体の圧力を、図５に示されたプランジャー１７の開閉運動によって選択的に受けるようになる。

前記のように、プランジャー１７は、電流が流れて機動力を提供するコイル１６によって開閉作用をするようになるが、図６に示されているように、同図の左側のプランジャー１７は下降の状態で、ベッド連結部２１と流路連結部１１とが繋がった状態を見せているが、右側のプランジャー１７’は上昇の状態で、ベッド連結部２１’とフィルター連結部２０とが繋がった状態を見せている。

前記のように一体型で構成されたバルブ手段２’は、吸着ベッド１、１’とベッド連結部２１、２１’とによって結合できるが、より簡単に構成するためには吸着ベッド１、１’の構成部品と一体型で構成させ、ソレノイド駆動部１２、１３を直接挿入して組み立てるのが一番望ましい。

すなわち、本発明の吸着ベッド１、１’は、普通、円筒状の容器で構成されて吸着剤が内部に供給される構造であり、外部は、両方に連結部を形成するキャップ（Ｃａｐ）が両方を阻む構造になっている。したがって、混合気体の供給流路であるフィルター連結部２０と、ソレノイド駆動部１２、１３の装着される装着部が形成された流路ベース１４は、前記吸着ベッド１、１’の両方を連結する吸着ベッドキャップ（Ｃａｐ）形態に一体化できるように構成されている。

つまり、図７に示されているように、ベッド連結部２１、２１’が吸着ベッド１、１’を挿入できるようにその口径が拡張されている。そして吸着ベッド１、１’にはバルブ手段２’の流路ベース１４がキャップ附着方式で結合されており、前記流路ベース１４には、ソレノイド駆動部１２、１３を装着できる装着部が形成されているので、簡単に挿入し装着できるようになっている。また混合気体を供給するフィルター連結部２０も、キャップ附着方式の流路ベース１４の一方に形成されているので、簡単にフィルター３と繋がる。

本発明のバルブ手段２’の動作関係を示した図６においては、スプリングと流路を開閉する接触部位に使用されるシーリングゴムが省略されており、そして真空圧で行われるソレノイドバルブは、高圧で行われるものとは違ってその開閉部の材質がゴムなので、精密加工の必要がなく、チープな製作が可能である。よって、マルチベッドシステムと回転バルブを使用するより組み立ての効率性と経済性に優れている。

また、本発明を構成するソレノイド駆動部１２、１３が、流路ベース１４の装着部に装着される方式は、前記の実施例以外にも流路ベース１４の多様な部位に多様な方向で結合可能であるということは当業者の間に自明なことである。そして前記ポンプ連結部１９の実施例において、２つの例が示されているが、流路連結部１１のような別途の射出物やホースを使用して一本化することも可能である。

一方、本発明の気体濃縮装置は、動きの止まった待機状態の間も吸着ベッド１、１’内の吸着剤と外部空気とが完全に遮断されるので、性能低下の防止が可能である。しかし、図１および図２に示された従来の実施例では、チェックバルブ６、６’と気体供給手段７を通して外部と繋がったり、バルブ手段２’を通して吸入フィルターの方に繋がったり、あるいは、バルブ手段２’とか真空ポンプ手段４を通して外部と繋がるようになっている。

前記チェックバルブ６、６’を完全密閉型で用いる場合は、吸着ベッド１、１’の生産端の方は外部と遮断されるようになるが、リークのある一般のゴム膜で形成されたチェックバルブ６、６’を採用する場合は、気体供給手段７によって外部と遮断されるようになる。一般的に、気体供給手段７は真空ポンプを使用するとかブロワー（Ｂｌｏｗｅｒ）を使用するようになるが、普通、内部には簡単なチェックバルブが具備されている。

しかし、前記の簡単なチェックバルブが、完全密閉型ではない場合、吸着ベッド１、１’内の吸着剤に影響を及ぼす恐れがあるので、別途の完全密閉型チェックバルブを使用しなければならない。

また、従来の気体濃縮装置の場合、バルブ手段２を前記説明のように、単一の４ウェイバルブを使用するとか３ウェイバルブを２つ使用する。４ウェイバルブの場合、吸着ベッド１、１’がそれぞれのフィルター３と真空ポンプ手段４に繋がるようになっているが、３ウェイバルブの場合は、フィルター３と真空ポンプ手段４の中で選択して繋がるようになっている。

したがって、前記混合気体をろ過して供給するフィルター３と吸着ベッド１、１’とが繋がって通じる場合、吸着ベッド１、１’内の吸着剤を保護するためにフィルター３に吸湿剤などを含ませなければならないが、吸湿剤の機能には限界がある。また、真空ポンプ手段４も気体供給手段７のような内部にチェックバルブが具備されているので、密閉の効果はあるものの、製品によって密閉度が異なるので、リークがある場合には、他の方法を講じなければならない。

図８は、本発明のＶＳＡ工程による気体濃縮装置の第２実施例を示した概略図である。

本発明の気体濃縮装置は、図３および図８に示されているように、密閉手段２３、２４、２４’を具備するようになっている。このような密閉手段２３、２４、２４’においては、一般的なソレノイドバルブの構造が用いられることもあるが、簡単でチープな構成のできるチェックバルブ構造が望ましい。すなわち、吸着ベッド１、１’から気体が排出される流路に形成されたチェックバルブ６、６’と真空ポンプ手段４内部のすべてのチェックバルブにリークが発生した場合を仮定したもので、チェックバルブ６、６’に密閉の問題がなく、真空ポンプ手段４のチェックバルブも本装置に当てはまるように正常に行われると選択的にとり除くことができる。

つまり、本発明の実施例において、混合気体をろ過して供給するフィルター３の方は、バルブ手段２’によって遮断されている状態である。一般的に、チェックバルブ６、６’は装置の構成時に密閉が可能であるが、真空ポンプ手段４の場合は、ポンプの特性に合わせて装置が構成されるので、リーク発生の恐れがある。これを防止するために、真空ポンプ手段４の吸入および排気ラインに密閉手段２４、２４’を設置し、吸着ベッド１、１’から前記チェックバルブ６、６’を経て流量調節手段１０に排出される気体の排出ラインに密閉手段２３を設置することが可能である。

前記密閉手段２３、２４、２４’の動きは次の通りである。まず、真空ポンプ手段６、６’の密閉手段２４、２４’は、２つの中の一つが選択的に用いられる。図３の第１実施例において、吸着ベッド１が生産段階であり、他の吸着ベッド１’は真空圧を受ける再生段階である時に動きが止まると、気体供給手段７と真空ポンプ手段４の動きも止まるようになる。この際、吸着ベッド１、１’は瞬間的にベッド連結微細管５を通して圧力平衡を成し、内部は真空圧がかかる状態になる。

そこで、前記におけるそれぞれの密閉手段２３、２４、２４’は、吸着ベッド１、１’の圧力が真空圧を維持する状態で行われ、吸着ベッド１、１’と外部空気とを遮断する役割を果たすようになる。ところが、一般のソレノイドバルブを使用する場合は、運転中断と同時に遮断させれば良いものの、経済的な面において不利なので、本発明の実施例のように非常に弱い圧力でも行われる一般のチェックバルブを使用するのが望ましい。すなわち、前記密閉手段２４としてのチェックバルブは、装置の運転中には、真空ポンプ手段４が吸着ベッド１、１’に真空圧を形成する時の抵抗を最小限にしながら、運転が止まった後、吸着ベッド１、１’内にかかっている真空圧によって自然に閉まるように設計されなければならない。そして密閉手段２４による真空圧の損失が問題になる場合は、吐出端へ移動して密閉手段２４’を装着する。これは、本発明の気体濃縮装置において、真空圧の損失の及ぼす影響というものが大きいからである。よって、比較的影響の少ない吐出端に構成するのが有利である。

また、吸着ベッド１、１’から気体の排出されるラインに設置される密閉手段２３も、運転が止まった状態で、吸着ベッド１、１’にかかる真空圧によって自然に閉まるようになり、気体の生産中にも気体供給手段７に負担がかからないように、その抵抗を最小限にする、例えば、薄いゴム膜とスプリングで構成されたチェックバルブを使用して構成するのが望ましい．

したがって、気体濃縮装置の運転が止まると、密閉手段２３、２４、２４’は、吸着ベッド１、１’の残留真空圧によって自然に密閉されるので、吸着ベッド１、１’と外部空気との接触による吸着剤の性能低下は発生しなくなる。また、運転中にも真空ポンプ手段４と気体供給手段７の機能は支障がなく行われる。

本発明の気体濃縮装置のバルブ手段２’として、一般的な４ウェイバルブを適用する場合において、吸着ベッド１、１’が選択的にフィルター３と通じる場合は、別途の密閉手段をフィルター３側に設けて遮断しなければならないが、この場合、付加的な費用がかかるので、前記のようなバルブ形態は望ましくない。

一方、前記密閉手段２３が用いられる場合は、チェックバルブ６、６’が密閉機能をうまく遂行できないこともあり得るので、初めからチェックバルブ６、６’を微細管２５、２５’で代置するのが望ましい。前記図８は、このような場合の実施例を示したもので、図３の第１実施例で示されたチェックバルブ６、６’の代りに、一定の流路抵抗を有する微細管２５、２５’で代置したものである。この場合、吸着ベッド１、１’内の真空圧は微細管２５、２５’の有する流れ抵抗によって最大真空圧が決まり、吸着ベッド１、１’の富圧と洗浄（ｃｌｅａｎｉｎｇ ａｎｄ ｐｕｒｇｅ）の機能をするベッド連結微細管５は、前記チェックバルブ６、６’と取り替えた微細管２５、２５’の設置によって、その構成を省略することができる。

図９は、別途の密閉手段２３を使用せず、本発明のチェックバルブ６、６’による完全密閉が可能なチェックバルブの実施例を示したもので、一般のチェックバルブと異なる点は、チェックバルブの外部ガイド２６の内部を動かすチェックプランジャー２７の端の部分に密閉用ダンパー２９が形成されている点と、スプリング２８の力によって平常時の密閉が行われるという点である。

また、同図の矢印は、気体の流れを示すもので、気体はチェックプランジャー２７に形成された穴を経てチェックプランジャー２７の内部に入った後、スプリングを通じて外部に出るようになる。このようなチェックバルブの構造は、密閉の確実性と継続的な往復運動をしなければならないチェックバルブの耐久性を高めてくれる。

前記説明のように、本発明は、バルブ手段２’、吸着ベッド１、１’、ベッド連結微細管５、チェックバルブ６、６’、そして調節手段９、１０が結合してモジュール化された吸着ベッドの構成が可能であって、実際の製作は気体供給手段７、真空ポンプ手段４、そしてフィルター３を連結するだけで行なわれる、非常に単純で経済的な装置の構成が可能である。

一方、図２は、最近本出願人によって先出願された、韓国実用新案第２００３−２５９５７号のＶＳＡ工程による気体濃縮装置を示した概略図で、バルブ手段２と吸着ベッド１、１’との結合と、単純流路設計による吸着ベッド１、１’のモジュール化を通して形成された、構造の簡単な気体分離膜方式との競争構造が形成されている。そして気体分離膜方式と比べてみた時の相違点は、必ず吸着ベッド１、１’に繋がらなければならないバルブ手段２と、両方の吸着ベッド１、１’を連結するベッド連結微細管５と、他のバルブ手段であるチェックバルブ６、６’が、一つの気体膜に対応するという点である。したがって、最大限簡単な構造のバルブ手段２の使用と、吸着ベッド１、１’と一体化されたチェックバルブ６、６’の使用、そして組み立てが簡単で単純構成のできる、ベッド連結微細管５などが、システムの小型化および低価格化の実現のための核心要素である。

前記図２の気体濃縮装置のような吸着剤を使用する場合は、工程中に吸着剤を再生して使用しなければならないので、本質的に微細な不純物および水気の吸着が徐々に増え、運転中断時に空気中の水気を吸収するようになる。これを防止するために、吸湿剤などを使用することもできるものの、これは根本的な解決策ではないだけに、図２の吸着ベッド１、１’を外部空気と完全に隔離できる別途の装置が必要である。

したがって、本発明においては、真空ポンプ手段４の吸入および排気ラインに密閉手段２４、２４’を設置するとともに、吸着ベッド１、１’から前記チェックバルブ６、６’を経て流量調節手段１０に排出される、気体の排出ラインにも密閉手段２３を設置し、運転中断時にも外部空気と吸着ベッド１、１’とを完全に遮断させることで、空気中の微細な不純物および水気の吸着を防止することができるようになった。

図１は、従来技術のＰＳＡ工程による気体濃縮装置の概略図である。 図２は、従来技術のＶＳＡ工程による気体濃縮装置の概略図である。 図３は、本発明のＶＳＡ工程による気体濃縮装置の第１実施例を示した概略図である。 図４は、本発明のＶＳＡ工程による気体濃縮装置に適用されるバルブ手段を示した正面図である。 図５は、本発明のＶＳＡ工程による気体濃縮装置に適用されるソレノイド駆動部を示した正断面図である。 図６は、本発明のＶＳＡ工程による気体濃縮装置に適用されるバルブ手段を示した正断面図である。 図７は、本発明のＶＳＡ工程による気体濃縮装置に適用されるバルブ手段が吸着ベッドと締結された状態を示した側面図である。 図８は、本発明のＶＳＡ工程による気体濃縮装置の第２実施例を示した概略図である。 図９は、本発明のＶＳＡ工程による気体濃縮装置に適用されるチェックバルブを示した正断面図である。

Claims (10)

1. 混合気体の中の特定気体に対して選択的な吸着特性を有する吸着剤に圧力を加え、特定の気体を分離して濃縮気体を生産する気体濃縮装置において、
   前記混合気体から不純物をろ過するフィルターと；
   前記フィルターを経て供給された混合気体中の特定気体を分離する吸着剤を収容しながら、この分離された気体を排出する流路に逆流防止手段が具備された、多数の吸着ベッドと；
   前記吸着ベッドの生産端部流路を相互に連結し、浄化と富圧過程を遂行する微細管と；
   前記吸着ベッドに混合気体を供給する流路と繋がり、真空圧と混合気体の圧力差を発生させる真空ポンプ手段と；
   前記吸着ベッド、混合気体の供給流路および真空ポンプ手段とそれぞれ繋がる流路が形成された単一体の流路ベースと、前記流路ベース装着されて前記吸着ベッドに真空圧と混合気体の圧力を交互に加えるために、流路ベースに形成された、流路転換用のソレノイド駆動部で成り立つバルブ手段と；
   前記吸着ベッドから分離して生産された気体に前記フィルターから供給された混合気体を調節供給し、流量および濃度が調節された気体を目的の空間に供給する、気体供給手段を有することを特徴とする気体濃縮装置。
2. 前記流路ベースは流路が形成された単一体であり、前記ソレノイド駆動部が装着できる装着部と、前記吸着ベッドに繋がるベッド連結部と、混合気体の供給流路に繋がる流路連結部とが形成されたことを特徴とする、請求項１に記載の気体濃縮装置。
3. 前記ソレノイド駆動部は、駆動部全体を支持するフレームと、このフレームに内臓されて電流の供給を受けて機動力を提供するコイルと、このコイルの機動力による往復運動で、流路の開閉を行うプランジャーと、前記プランジャーを案内するガイドパイプと、前記ガイドパイプに延長形成されたポンプ手段連結部とを有することを特徴とする、請求項２に記載の気体濃縮装置。
4. 前記流路ベースは、前記吸着ベッドにキャップ附着方式で挿入し締結されることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の気体濃縮装置。
5. 前記吸着ベッドから分離した気体を排出するそれぞれの流路に形成される逆流防止手段は、チェックバルブまたは流量流れに抵抗を有する流量減少の微細管であることを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の気体濃縮装置。
6. 前記チェックバルブは、流路に形成される外部ガイドと、前記外部ガイドの内部空間に挿入されながら、流路がボディーに形成されたチェックプランジャーと、気体の流入部分を前記外部ガイドの入口部に密着させるために、前記チェックプランジャーに附着する密閉用ダンパーと、前記気体の排出部分が外部ガイドの出口部に位置して前記チェックプランジャー支持するスプリングとを有することを特徴とする、請求項５に記載の気体濃縮装置。
7. 前記吸着ベッドから分離して排出される気体の逆流を防止するとともに、外部空気を遮断する密閉手段が流路に設置されることを特徴とする、請求項１に記載の気体濃縮装置。
8. 前記真空ポンプ手段の吸入または排気の流路と外部空気とを遮断する密閉手段が設置されることを特徴とする、請求項１に記載の気体濃縮装置。
9. 前記密閉手段がチェックバルブタイプであることを特徴とする、請求項７または請求項８に記載の気体濃縮装置。
10. 前記気体供給手段は、吸着ベッドを通過して出る気体の流量を調節するために、その前端部の流路に設置された流量調節手段と、前記吸着ベッドを通過しない混合気体を供給する流路に設置された流量調節手段によって、流量および濃度の調節された気体を目的の空間に供給することを特徴とする、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の気体濃縮装置。

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