JP4365403B2 - 圧力スイング吸着式ガス発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、圧力スイング吸着法により窒素または酸素ガスを発生させるための、圧力スイング吸着式ガス発生装置に関する。

窒素または酸素ガスを製造するための非低温技術の１つとして、ＰＳＡ（圧力スイング吸着）法が知られている。ＰＳＡ法によれば、例えば、空気を原料とし、吸着剤により原料空気の酸素を吸着することにより、窒素を分離して高純度の窒素ガスを製品ガスとして得ることができる。なお、ＰＳＡの技術は、厳密な意味でのＰＳＡプロセスだけでなく、ＶＳＡ（真空スイング吸着）のような同様のプロセスも含む意味で用いられる。

ＰＳＡプロセスにおいては、高圧における吸着量が低圧における吸着量よりも大きいことを利用する。すなわち、高圧において酸素を吸着させた吸着剤を、低圧下において酸素を脱着させる、という吸脱着の繰り返しにより、吸着剤の吸着能力を回復させながら、連続運転を行う。従って、ＰＳＡの工程においては、吸着剤を充填した吸着槽を２つ使用し、一方の吸着槽において高圧下での吸着工程が行われている間に、他方の吸着槽において低圧下での脱着工程を行う。（例えば特許文献１参照）
このように、吸着槽を２つ用いて交互に吸脱着工程を行うために、原料空気の導入口から吸着槽を経て製品槽に至るガスの流路を、行われるべき工程に応じて切り換える。すなわち、吸着工程を行う吸着槽への原料空気の導入、製品ガスの導出、あるいは脱着工程を行う吸着槽からの排気等が適切に行われるように、多数のバルブを適時切り換えて運転を行う。
特開２００２−２３９３３０号公報

上述のような構成の圧力スイング吸着式ガス発生装置により、大流量で製品ガスを供給するためには、大容量の原料空気源が必要であり、また吸着槽および製品槽にも大きな容量が必要である。したがって、消費される製品ガス量が多ければ大型の装置が必要であり、製品ガスの消費量の増大に応じて供給可能な製品ガスの流量を増大させるためには、より大型の装置と置き換えることを要し、設備投資の負担が大きい。

また、製品ガスの供給を小流量から大流量に亘って増減可能とする場合も、吸着槽および製品槽を、最大の製品ガス流量に合わせて大きなものにする必要がある。したがって、そのような大型の装置により、小さな製品ガス流量を供給する場合は、経済的でない運転にならざるを得なかった。

したがって本発明は、製品ガス供給流量の増大に対する対応が容易であり、また、製品ガスを小流量から大流量に亘って増減させて供給する運転を経済的に行うことが可能な圧力スイング吸着式ガス発生装置を提供することを目的とする。

本発明の圧力スイング吸着式ガス発生装置は、吸着剤を充填した第１吸着槽および第２吸着槽と、原料空気を前記第１吸着槽および第２吸着槽へ導入する流路を各々開閉する第１および第２吸着バルブと、前記第１および第２吸着槽で前記原料空気から分離された製品ガスを貯蔵する製品槽と、前記第１および第２吸着槽からの排気用流路を各々開閉する第１および第２排気バルブと、前記第１および第２吸着槽の間を連通させる均圧用流路を開閉する均圧バルブと、前記第１および第２吸着槽の間を流量調節弁を介して連通させた還流用流路と、前記第１および第２吸着槽と前記製品槽との間の流路を各々開閉する第１および第２出口バルブと、前記各バルブの開閉を制御するバルブ駆動信号を供給する制御装置とを備える。圧縮された原料空気を供給して高圧下で前記吸着剤による吸着を行う吸着動作と、圧力を低下させて前記吸着剤に吸着したガスを脱着させる脱着動作を、前記各バルブを切り替えることにより、前記第１および第２吸着槽において交互に行うことが可能であり、前記制御装置は、前記第１吸着槽で吸着動作を行い前記第２吸着槽で脱着動作を行うＡ工程と、前記第２吸着槽で吸着動作を行い前記第１吸着槽で脱着動作を行うＢ工程と、前記均圧バルブを開放して前記両吸着槽の圧力を均等にする均圧工程とを、前記Ａ工程と前記Ｂ工程が、両工程間に前記均圧工程を挟みながら交互に行われるように制御する。

上記課題を解決するために、前記第１吸着槽および第２吸着槽、前記製品槽、前記第１および第２吸着バルブ、前記第１および第２排気バルブ、前記均圧バルブ、前記還流用流路、および前記第１および第２出口バルブを含むガス発生ユニットを複数台と、前記複数のガス発生ユニットに、前記第１および第２吸着バルブを介して前記原料空気を供給する原料空気源と、前記複数台のガス発生ユニットの各製品槽に貯蔵された前記製品ガスが集積される集積製品槽と、原料空気槽内の圧力を検出する原料空気圧力検出器と、前記集積製品槽から流出する製品ガスの流量を検出する製品ガス流量検出器と、前記集積製品槽から流出する前記製品ガス中の酸素濃度を検出する含有酸素濃度検出器と、前記集積製品槽内の圧力を検出する集積製品槽圧力検出器とを備える。更に、１台の前記ガス発生ユニットと、前記集積製品槽と、前記制御装置とが親機として一体に構成され、他の前記ガス発生ユニットは、子機として各々別個に構成されて前記親機に対して着脱可能に接続される。前記制御装置は、前記複数台のガス発生ユニットにおける前記各バルブの開閉を制御するバルブ駆動信号を供給して運転を制御し、前記複数台のガス発生ユニットのうち運転する台数を前記各検出器の検出値に応じて変更するとともに、複数台の前記ガス発生ユニットを運転させるときに、前記Ａ工程、前記Ｂ工程、および前記均圧工程を切り替えるタイミングが、前記各ガス発生ユニット毎に等時間間隔でずれるように制御する。

上記構成の圧力スイング吸着式ガス発生装置によれば、運転条件の設定値に適合させるために必要な台数のガス発生ユニットを選択的に運転させて、消費される製品ガス量の増減に応じた経済運転が可能である。しかも、一定周期の切り替えタイミングで複数台のガス発生ユニットを等時間間隔で切り替えることにより、集積製品槽での圧力低下が少なく、原料空気圧力に近い製品ガス圧力を安定して得ることができる。したがって、大きな容量のガス発生システムをコンパクトに構成することができ、増設も容易である。

本発明の圧力スイング吸着式ガス発生装置において、前記原料空気源として前記原料空気を貯蔵して供給する原料空気槽を備えることが好ましい。

また、前記親機は、前記原料空気源として前記原料空気を貯蔵して供給する原料空気槽を備えることが好ましい。

また、前記各検出器の検出値を表示するディスプレイを更に備え、前記制御装置が運転する前記ガス発生ユニットの台数を手動により操作可能である構成とすることもできる。

また、前記原料空気を圧縮するためのインバータ式空気圧縮機を備え、前記制御装置は、前記ガス発生ユニットの運転台数に応じて前記インバータ式空気圧縮機の能力を制御することが好ましい。

以下、本発明の実施の形態おける圧力スイング吸着式ガス発生装置について、図面を参照した詳細に説明する。本発明の一実施の形態として、ＰＳＡ法を用いた窒素ガス発生装置について説明する。なお、ＰＳＡ法を用いた酸素ガス発生装置の場合は、吸着槽に充填する吸着剤が異なること、酸素濃度検出器による濃度検出値の用い方が相違する等、若干の変更は必要であるが、窒素ガス発生装置と同様に構成することができる。

図１は、本発明の一実施の形態における窒素ガス発生装置の構成を示す概要図である。この装置は、複数台（図１では３台）のガス発生ユニット１０ａ、１０ｂ、および１０ｃと、原料空気槽１１と、集積製品槽１２と、制御装置１３とを備える。

本実施の形態では、１台のガス発生ユニット１０ｃが、原料空気槽１１、集積製品槽１２、および制御装置１３と組み合わされて親機１４を構成している。親機１４には、原料空気入口４、製品ガスを外部に供給するための製品ガス出口１５、原料空気出口１６、および窒素ガス入口１７が設けられている。原料空気入口４から導入されエアフィルタ５を経由した原料空気が、原料空気槽１１に貯蔵される。原料空気槽１１は、ガス発生ユニット１０ｃおよび２つの原料空気出口１６と接続されている。製品ガス出口１５は、集積製品槽１２と接続されている。集積製品槽１２はまた、ガス発生ユニット１０ｃおよび２つの窒素ガス入口１７と接続されている。

他のガス発生ユニット１０ａ、１０ｂは子機として構成され、親機１４に対して着脱可能である。すなわち、親機１４の原料空気出口１６が、ガス発生ユニット１０ａ、１０ｂに各々設けられた原料空気入口１８と接続される。また、ガス発生ユニット１０ａ、１０ｂに各々設けられた窒素ガス出口１９が、親機１４に設けられた窒素ガス入口１７と接続される。原料空気槽１１から、各ガス発生ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃに原料空気が供給される。集積製品槽１２には、各ガス発生ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃからの製品ガス（窒素ガス）が集積され貯蔵される。

これらの接続により、子機であるガス発生ユニット１０ａ、１０ｂが親機１４と結合され、一体となって運転可能となる。制御装置１３は、各ガス発生ユニット１０ａ、１０ｂ、および１０ｃに設けられたバルブ等の動作を、一括して制御する。この構成により、大きな容量のガス発生システムをコンパクトに構成することができる。増設も容易である。親機１４に接続される子機のガス発生ユニットの台数は、制御装置１３により任意に設定することが可能である。なお、原料空気槽１１、集積製品槽１２、および制御装置１３は、１台のガス発生ユニットと組み合わせて親機を構成する形態に限られることなく、複数台のガス発生ユニットを一括して運転するための共通ユニットとして、ガス発生ユニットと分離して構成することも可能である。

図２に示すように、各ガス発生ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、酸素吸着剤を充填した第１吸着槽１と第２吸着槽２、および製造された窒素ガスが貯蔵される製品槽３を備える。さらに、それらの槽を連結する配管には、第１吸着バルブ（ＳＶ１）、第２吸着バルブ（ＳＶ２）、第１排気バルブ（ＳＶ３）、第２排気バルブ（ＳＶ４）、２つの均圧バルブ（ＳＶ５）、第１出口バルブ（ＳＶ６）、第２出口バルブ（ＳＶ７）、および流量調節弁９が設けられている。

原料空気槽１１から供給される原料空気は、各ガス発生ユニット毎に、第１吸着バルブ（ＳＶ１）および第２吸着バルブ（ＳＶ２）に導かれる。第１吸着バルブ（ＳＶ１）は配管６により第１吸着槽１と、第２吸着バルブ（ＳＶ２）は配管７により第２吸着槽２と接続されている。配管６と配管７で示される流路は、各々第１排気バルブ（ＳＶ３）および第２排気バルブ（ＳＶ４）を介して排気口８に接続されている。第１吸着槽１と第２吸着槽２は、上下に設けた２つの均圧バルブ（ＳＶ５）を介して連通可能となっている。

第１吸着槽１から導出される３本の配管のうち１本は、第１出口バルブ（ＳＶ６）を介して製品槽３に接続されている。第２吸着槽２から導出される３本の配管のうち１本は、第２出口バルブ（ＳＶ７）を介して製品槽３に接続されている。第１吸着槽１と第２吸着槽２は、流量調節弁９を介して相互に接続されている。製品槽３は窒素ガス出口１９に接続され、ここから親機１４の窒素ガス入口１７を介して、窒素ガスが集積製品槽１２に供給される。

図１に示すように、原料空気槽１１には、槽内の圧力を検出する原料空気圧力検出器Ｐ０が設置されている。第１吸着槽１および第２吸着槽２にはそれぞれ、第１吸着槽圧力検出器Ｐ１、第２吸着槽圧力検出器Ｐ２が設置されている。集積製品槽１２には、槽内の圧力を検出する集積製品槽圧力検出器Ｐ４が設置されている。集積製品槽１２から製品ガス出口１５に至る流路には、集積製品槽１２から流出する製品ガスの流量を検出する窒素ガス流量検出器Ｆと、流出する製品ガス中の酸素濃度を検出する含有酸素濃度検出器ＯＣが設置されている。なお、以下の記載において、原料空気圧力検出器Ｐ０、第１吸着槽圧力検出器Ｐ１、第２吸着槽圧力検出器Ｐ２、製品槽圧力検出器Ｐ３（図２参照）および集積製品槽圧力検出器Ｐ４が検出する圧力値について、対応する同一符号Ｐ０、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４を用いて表す。

各検出器の出力は、制御装置１３に入力される。また、各バルブの開閉動作は、制御装置１３から供給されるバルブ駆動信号により制御される。制御装置１３は、各種設定値、バルブ駆動制御、および各検出器の出力に基づく運転制御等を、ＣＰＵの通常の動作により行うものであるが、電気的な配線については、図示を省略する。

（ガス発生ユニット単体の動作）
次に、各ガス発生ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃの各々の単独での動作について、図２〜５を参照して説明する。第１吸着槽１および第２吸着槽２では、圧縮された原料空気が供給されて高圧下で吸着剤による吸着を行う吸着動作と、圧力を低下させて吸着剤に吸着したガスを脱着させる脱着動作を、各バルブを切り替えることにより交互に行うことが可能である。以下の説明では、第１吸着槽１で吸着動作を行い第２吸着槽２で脱着動作を行う工程をＡ工程、第２吸着槽２で吸着動作を行い第１吸着槽１で脱着動作を行う工程をＢ工程、均圧バルブ（ＳＶ５）を開放して両吸着槽の圧力を均等にする工程をＣ工程（あるいは均圧工程）と称する。Ａ工程とＢ工程が、両工程間にＣ工程を挟みながら交互に行われて、窒素または酸素ガスを取り出す運転が連続的に行われる。

図２〜図４は、ガス発生ユニットについて、それぞれ異なる工程における動作を示す。図２は、第１吸着槽１が吸着工程で、第２吸着槽２が脱着工程にある状態、すなわちＡ工程を示す。図３は均圧工程を示す。図４は、第１吸着槽１が脱着工程で、第２吸着槽２が吸着工程にある状態、すなわちＢ工程を示す。各槽等を結ぶ線は配管であり、ガスが流れている状態が太線で示される。各図において、バルブに施したハッチングは開放状態を示し、ハッチングが施されていないバルブは閉鎖状態にある。また、各吸着槽１、２および製品槽３に施されたハッチングは、窒素ガスが存在する状態を示す。

上記構成の窒素ガス発生装置の動作について、図２〜図４とともに、図５に示される圧力分布および動作タイミングを参照して説明する。

図５のＰ０１に示されるカーブは、第１吸着バルブ（ＳＶ１）、および第２吸着バルブ（ＳＶ２）に供給される原料空気圧を示す。Ｐ１〜Ｐ３はそれぞれ、第１吸着槽圧力検出器Ｐ１、第２吸着槽圧力検出器Ｐ２、製品槽圧力検出器Ｐ３から得られる圧力値を示す。ＳＶ１、ＳＶ２、ＳＶ３、ＳＶ４、ＳＶ５、ＳＶ６、ＳＶ７はそれぞれ、対応するバルブを開閉させるためのバルブ駆動信号を示す。ハッチングが施されている領域では、バルブ駆動信号により各バルブが開放された状態であり、他の領域では各バルブが閉鎖された状態である。チャートの横軸は時間を示し、時間軸の方向にＣ工程、Ａ工程、Ｃ工程、Ｂ工程、Ｃ工程というように工程が繰り返される。Ａ〜Ｃの符号の上部に記載された時間は、各工程の継続時間である。

図５における工程Ａは、図２に示される工程であり、第１吸着槽１では吸着工程が、第２吸着槽２では脱着工程が行われる。

この工程Ａでは、第１吸着バルブ（ＳＶ１）、第２排気バルブ（ＳＶ４）、第１出口バルブ（ＳＶ６）に供給されるバルブ駆動信号は開放信号であり、他のバルブには閉鎖信号が供給される。第１吸着槽１では、加圧原料空気が第１吸着槽１の底部に導入されて吸着工程が行われる。原料空気圧力Ｐ０１の上昇とともに第１吸着槽圧力Ｐ１も上昇する。それに伴い、酸素吸着剤により原料空気から酸素が吸着され、槽上部から窒素ガスが流出して出口バルブ（ＳＶ６）を通って製品槽３に導入される。これに伴い、製品槽圧力Ｐ３が上昇する。

第２吸着槽２は第２排気バルブ（ＳＶ４）を通して減圧され、第２吸着槽圧力Ｐ２が急激に下降する。このとき、流量調節弁９を通して、第１吸着槽１の頂部から取り出される環流窒素が、第２吸着槽２の頂部に導入される。これらの動作により、酸素吸着剤から酸素が脱着排気される。

工程Ｃは、図３に示される均圧工程である。この工程では、均圧バルブ（ＳＶ５）が開放され、他のバルブは閉鎖される。従って、原料空気圧力Ｐ０１は、原料空気入口４から供給される圧力まで上昇する。第１吸着槽圧力Ｐ１は下降し、第２吸着槽圧力Ｐ２は上昇して、両吸着槽の圧力が均等になる。この均圧工程は、吸着工程から脱着工程に移る際に、加圧ガスを大気中に放出することによるエネルギ損失を低減するために行う。すなわち、脱着工程に移る槽の圧力を吸着工程に移る槽に供給して、約半分の加圧エネルギを回収する。

工程Ｂは、図４に示される工程であり、第１吸着槽１では脱着工程が、第２吸着槽２では吸着工程が行われる。このときの動作は、工程Ａにおける動作と対称であり、第１吸着槽１と第２吸着槽２における動作が工程Ａとは逆になる。すなわち、工程Ｂでは、第２吸着バルブ（ＳＶ２）、第１排気バルブ（ＳＶ３）、第２出口バルブ（ＳＶ７）に開放信号が供給され、他のバルブには閉鎖信号が供給され、工程Ａと同様の動作が行われるので、具体的な説明は省略する。

以上のように、吸着工程と脱着工程が、均圧工程を挟んで、第１吸着槽１と第２吸着槽２で交互に行われ、連続して窒素ガスが発生される。なお、吸着工程を続けると、吸着されない酸素が槽頂部より流出して、窒素の濃度が低下する破過状態となる。従って、この現象が現れる前に吸着槽が切り替わるように、工程Ａあるいは工程Ｂの継続時間が設定される。

（ガス発生ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃの同時運転動作）
次に、図１に示したガス発生ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃを同時に運転するときの動作について、図６〜図９を参照して説明する。各図において、ガス発生ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃをそれぞれ、ユニットａ、ユニットｂ、ユニットｃと記述する。図６は、図１の複数台のユニットａ〜ｃを同時に運転させたときの動作における、ユニットａ〜ｃの各バルブの動作タイミングと、ユニットａ〜ｃの製品槽圧力Ｐ３および集積製品槽圧力Ｐ４の変化を示す。図７は、ユニットａ〜ｃの各バルブの動作タイミングと、各第２吸着槽圧力Ｐ２の変化を示す。図８は、ユニットａ〜ｃの各バルブの動作タイミングと、各第１吸着槽圧力Ｐ１の変化を示す。図９は、ユニットａ〜ｃに供給される原料空気圧力Ｐ０１および原料空気槽圧力Ｐ０の変化を示す。

各図における各ユニットａ〜ｃの単独の動作タイミングおよび圧力変化は、図５に示したとおりである。一方、制御装置１３による制御は、図６〜図９に示すユニットａ〜ｃにおけるＡ工程、Ｂ工程、およびＣ工程を切り替えるタイミングが、各ユニットａ〜ｃ毎に相互に等時間間隔でずれるように設定される。その様子が、各図における各バルブの動作タイミング間の時間間隔で示される。また、その結果の製品槽３、第２吸着槽２および第１吸着槽の圧力変化のずれが、各図における二点鎖線（ユニットａ）、細線の実線（ユニットｂ）、および一点鎖線（ユニットｃ）で示される。

図６〜図９に示された例では、各ユニットａ〜ｃにおけるＡ工程またはＢ工程と、Ｃ工程とを組み合わせた動作時間が６０秒に設定されている。したがって、二点鎖線で示されるユニットａの（Ｃ工程＋Ａ工程）の開始から２０秒後に、細い実線で示されるユニットｂの（Ｃ工程＋Ａ工程）が開始され、更に２０秒後に、一点鎖線で示されるユニットｃの（Ｃ工程＋Ａ工程）が開始される。次の２０秒後に、二点鎖線で示されるユニットａの（Ｃ工程＋Ｂ工程）が開始され、以下同様に、ユニットｂの（Ｃ工程＋Ｂ工程）、ユニットｃの（Ｃ工程＋Ｂ工程）というように繰り返される。

図６に太い実線で示される集積製品槽１２の圧力変化は、３つの製品槽３の圧力変化が総合されたものになる。その結果、変化の振幅が小さく抑制されていることが判る。また、図９に太い実線で示される原料空気槽１１の圧力変化は、ユニットａ〜ｃに供給される原料空気の圧力変化が総合されたものになる。その結果、変化の振幅が小さく抑制されていることが判る。

以上のように、ユニットａ〜ｃの工程切り替えのタイミングが、相互に等時間間隔でずれるように設定されことにより、以下のような効果が得られる。

各ユニットでは、製品ガスは間歇的に製造されるため、製品ガスを貯蔵する製品槽３に貯蔵して、一定圧力に調圧されて供給される。そのため、供給される原料空気圧力よりも相当低い圧力の製品ガスしか得られない。圧力スイング吸着式ガス発生装置により高い圧力の製品ガスを供給するためには、高圧力の原料空気源、および大きな容量の製品槽が必要であった。

これに対して、本実施の形態のように、一定周期の切り替えタイミングで複数台のガス発生ユニットを等時間間隔で切り替えることにより、集積製品槽１２には、一定時間間隔を運転されるガス発生ユニットの台数で除した分割時間間隔で製品ガスが供給されるため、図６に太い実線で示したように、集積製品槽１２での圧力低下が少なく、原料空気圧力に近い製品ガス圧力を得ることができる。

また、単一のガス発生ユニットを有する従来の装置では、原料空気吸い込み量および圧力が大きく変動するため、空気圧縮機の負担が大きく、電力消費、オイル上がり、および故障率低減のために、ガス発生ユニットと空気圧縮機の間に大きな容量のエアータンクを必要とする。

これに対して複数のガス発生ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃに対して共通の原料空気槽１１を設けることにより、ガス発生ユニットへの原料空気の供給の時間間隔が短縮されるため、図９に太い実線で示したように、原料空気吸い込み量および圧力の変動が少なく、大きな容量のエアータンクが不要となる。

複数のガス発生ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃのうちの運転される台数は、原料空気圧力検出器Ｐ０、集積製品槽圧力検出器Ｐ４、窒素ガス流量検出器Ｆ、および含有酸素濃度検出器ＯＣの検出値を適宜組み合わせた結果に応じて決定することができる。その場合、各検出装置の検出出力を制御装置１３に入力させて、制御装置１３により運転台数を決定し、決定された台数の運転を制御する構成とすることができる。

あるいは、原料空気圧力検出器Ｐ０、集積製品槽圧力検出器Ｐ４、窒素ガス流量検出器Ｆ、および含有酸素濃度検出器ＯＣの検出値を表示するディスプレイを備え、制御装置１３が運転するガス発生ユニットの台数を手動により操作する構成とすることもできる。

台数決定の基準としては、例えば、原料空気圧力Ｐ０を基準とする場合、圧力値が低い程、運転台数を増加させる。集積製品槽圧力Ｐ４を基準とする場合、圧力値が低い程、運転台数を増加させる。窒素ガス流量Ｆを基準とする場合、流量が大きい程、運転台数を増加させる。含有酸素濃度ＯＣを基準とする場合、濃度が高い程、運転台数を増加させる。複数の検出器の出力を組み合わせて用いる場合、いずれの検出値を優先させるか等、運転環境の実態に応じて最適な設定は異なるので、試験運転の結果等に基づいて設定を行う。

以上のように、各検出器の出力値に応じて、運転条件の設定値を得るために必要な台数のガス発生ユニットを運転させることにより、消費される製品ガス量が増減しても、容易に経済運転が可能である。

なお、原料空気を圧縮するためのインバータ式空気圧縮機を備え、制御装置１３により、ガス発生ユニット１０ａ、１０ｂ、１０ｃの運転台数に応じてインバータ式空気圧縮機の能力を制御する構成とすることが望ましい。それにより、運転台数に対して原料空気の圧縮を過剰に行うことが回避され、経済運転に有効である。

本発明の圧力スイング吸着式ガス発生装置によれば、必要な台数のガス発生ユニットを選択的に運転させて、消費される製品ガス量の増減に応じた経済運転が可能である。しかも、集積製品槽での圧力低下が少なく、原料空気圧力に近い製品ガス圧力を安定して得ることができ、窒素ガスまたは酸素ガスを供給するシステムとして有用である。

本発明の一実施の形態における圧力スイング吸着式ガス発生装置として構成された窒素ガス発生装置を示す概要図 図１の装置に含まれるガス発生ユニットの単独の動作における一工程の状態を示す概要図 同ガス発生ユニットの動作における他の工程の状態を示す概要図 同ガス発生ユニットの動作における更に他の工程の状態を示す概要図 同ガス発生ユニットの動作における圧力変化および動作タイミングを示す図 図１の装置における複数台のガス発生ユニットを同時に運転させたときの動作における集積製品槽の圧力変化および動作タイミングを示す図 同第２吸着槽の圧力変化および動作タイミングを示す図 同第１吸着槽の圧力変化および動作タイミングを示す図 同原料空気槽の圧力変化を示す図

符号の説明

１ 第１吸着槽
２ 第２吸着槽
３ 製品槽
４ 原料空気入口
５ エアフィルタ
６、７ 配管
８ 排気口
９ 流量調節弁
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ ガス発生ユニット
１１ 原料空気槽
１２ 集積製品槽
１３ 制御装置
１４ 親機
１５ 製品ガス出口
１６ 原料空気出口
１７ 窒素ガス入口
１８ 原料空気入口
１９ 窒素ガス出口
Ｐ０ 原料空気圧検出器
Ｐ１ 第１吸着槽圧力検出器
Ｐ２ 第２吸着槽圧力検出器
Ｐ３ 製品槽圧力検出器
Ｐ４ 集積製品槽圧力検出器
Ｆ 窒素ガス流量検出器
ＯＣ 酸素濃度検出器
ＳＶ１ 第１吸着バルブ
ＳＶ２ 第２吸着バルブ
ＳＶ３ 第１排気バルブ
ＳＶ４ 第２排気バルブ
ＳＶ５ 均圧バルブ
ＳＶ６ 第１出口バルブ
ＳＶ７ 第２出口バルブ

Claims (5)

1. 吸着剤を充填した第１吸着槽および第２吸着槽と、
   原料空気を前記第１吸着槽および第２吸着槽へ導入する流路を各々開閉する第１および第２吸着バルブと、
   前記第１および第２吸着槽で前記原料空気から分離された製品ガスを貯蔵する製品槽と、
   前記第１および第２吸着槽からの排気用流路を各々開閉する第１および第２排気バルブと、
   前記第１および第２吸着槽の間を連通させる均圧用流路を開閉する均圧バルブと、
   前記第１および第２吸着槽の間を流量調節弁を介して連通させた還流用流路と、
   前記第１および第２吸着槽と前記製品槽との間の流路を各々開閉する第１および第２出口バルブと、
   前記各バルブの開閉を制御するバルブ駆動信号を供給する制御装置とを備え、
   圧縮された原料空気を供給して高圧下で前記吸着剤による吸着を行う吸着動作と、圧力を低下させて前記吸着剤に吸着したガスを脱着させる脱着動作を、前記各バルブを切り替えることにより、前記第１および第２吸着槽において交互に行うことが可能であり、
   前記制御装置は、前記第１吸着槽で吸着動作を行い前記第２吸着槽で脱着動作を行うＡ工程と、前記第２吸着槽で吸着動作を行い前記第１吸着槽で脱着動作を行うＢ工程と、前記均圧バルブを開放して前記両吸着槽の圧力を均等にする均圧工程とを、前記Ａ工程と前記Ｂ工程が、両工程間に前記均圧工程を挟みながら交互に行われるように制御する圧力スイング吸着式ガス発生装置において、
   前記第１吸着槽および第２吸着槽、前記製品槽、前記第１および第２吸着バルブ、前記第１および第２排気バルブ、前記均圧バルブ、前記還流用流路、および前記第１および第２出口バルブを含むガス発生ユニットを複数台と、
   前記複数のガス発生ユニットに、前記第１および第２吸着バルブを介して前記原料空気を供給する原料空気源と、
   前記複数台のガス発生ユニットの各製品槽に貯蔵された前記製品ガスが集積される集積製品槽と、
   原料空気槽内の圧力を検出する原料空気圧力検出器と、
   前記集積製品槽から流出する製品ガスの流量を検出する製品ガス流量検出器と、
   前記集積製品槽から流出する前記製品ガス中の酸素濃度を検出する含有酸素濃度検出器と、
   前記集積製品槽内の圧力を検出する集積製品槽圧力検出器とを備え、
   １台の前記ガス発生ユニットと、前記集積製品槽と、前記制御装置とが親機として一体に構成され、
   他の前記ガス発生ユニットは、子機として各々別個に構成されて前記親機に対して着脱可能に接続され、
   前記制御装置は、前記複数台のガス発生ユニットにおける前記各バルブの開閉を制御するバルブ駆動信号を供給して運転を制御し、前記複数台のガス発生ユニットのうち運転する台数を前記各検出器の検出値に応じて変更するとともに、
   複数台の前記ガス発生ユニットを運転させるときに、前記Ａ工程、前記Ｂ工程、および前記均圧工程を切り替えるタイミングが、前記各ガス発生ユニット毎に等時間間隔でずれるように制御することを特徴とする圧力スイング吸着式ガス発生装置。
2. 前記原料空気源として前記原料空気を貯蔵して供給する原料空気槽を備えた請求項１に記載の圧力スイング吸着式ガス発生装置。
3. 前記親機は、前記原料空気源として前記原料空気を貯蔵して供給する原料空気槽を備えた請求項１に記載の圧力スイング吸着式ガス発生装置。
4. 前記各検出器の検出値を表示するディスプレイを更に備え、
   前記制御装置が運転する前記ガス発生ユニットの台数を手動により操作可能である請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧力スイング吸着式ガス発生装置。
5. 前記原料空気を圧縮するためのインバータ式空気圧縮機を備え、
   前記制御装置は、前記ガス発生ユニットの運転台数に応じて前記インバータ式空気圧縮機の能力を制御する請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧力スイング吸着式ガス発生装置。

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