JPH03224613A - 気体分離装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は気体分離装置に係り、・特にＰＳＡ式（Ｐｒｅ
ｓｓｕｒｅ　５ｗ１ｎａ　ＡｄＳＯｒｌ）ｔｉｏｎ）の
気体分離装置に関し、例えば窒素発生装置又は酸素発生
装置として用いて好適な気体分離装置に関する。

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、空気を窒素と酸素に分離し、
いずれか一方を製品ガスとして取出し、使用するもので
ある。

このため、例えばＰＳＡ式窒素発生装置にあっては、吸
着剤を充填した吸着槽に圧縮空気を導入して胃圧する吸
着工程と、該吸着槽内を大気開放し又は真空ポンプで減
圧する脱着工程とを繰返し、吸着工程では吸着槽内の吸
着剤に酸素分子を吸着させて、窒素を外部に取出し、一
方脱着工程では吸着された酸素を脱着し、次の吸着工程
に備えるようになっている。そして、製品ガスである窒
素は吸着槽内を昇圧状態にして取出すものであるため、
発生する窒素ガスは断続的で圧力変化も大きい。このた
め、窒素ガスを一定圧力で、かつ連続的に使用する場合
には取出側に製品タンクを設け、製品タンク内に窒素ガ
スを貯えるように構成されている。

尚、従来の装置では吸着槽で生成した製品ガスを製品タ
ンクに取出した後、吸着槽内に残留するガスを別の吸着
槽に供給して均圧化を図り、より高純度の製品ガスを生
成するようにしている。しかるに、窒素ガスの需要が高
まるとともにさらに高純度の窒素ガスが効率良く生成で
きることが要望されている。

発明が解決しようとする課題 上記問題を解決する装置としては例えば実開昭１−７７
８２８号に記載されたものがある。

この公報の装置では還流用タンクに蓄圧された製品ガス
を吸着槽の上部（下流側）より還流させて高純度の製品
ガスを生成する構成である。しかしながら、この装置に
おいても＠薯槽の上部より製品ガスを還流させるだけな
ので、製品ガスは吸着槽の上部近傍にしか供給されず、
しかもコンプレッサからの圧縮空気は吸着槽の下部から
供給されるため、製品ガスを吸着槽内部全体に供給する
ことができなかった。従って、上記装置では製品ガスを
吸着槽に還流させても、吸着槽から製品ガスを取出す際
還流したガスがそのまま取出されたしまうので、充分な
還流効果が得られず結果的には高純度の製品ガスを効率
良く生成するとかできないといった課題があった。

そこで、本発明は上記課題を解決した気体分離装置を提
供することを目的とする。

課題を解決するための手段 本発明は上記気体分離装置において、 製品タンクと吸着槽との間を接続する複数の配管を設け
、吸着槽を昇圧させるとき開弁され複数の配管を介して
製品タンク内に製品ガスを吸着槽の複数個所より吸着槽
内に還流さぜる遭流用弁を前記複数の配管に設けてなる
。

作用 製品タンク内の製品ガスを複数の配管より同時に吸着槽
へ還流させることにより吸着槽内の全域に製品ガスを供
給し、還流したガスの吸着槽内における通過時間を長く
してより高純度の製品ガスを生成しうる。

実施例 第１図は本発明になる気体分離装置の第１実施例として
の窒素発生装置の概略構成図である。

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

３は圧縮空気供給源となるコンプレッサで、コンプレッ
サ３からの圧縮空気は、タンク３ａに貯溜され、冷凍式
ドライヤ４．配管６．７を介して吸着槽１．２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
６．７の途中にｔ、ｔそれぞれ電磁弁からなる空気供給
用弁８，９が設けられている。

２８は還流用配管で、一端が後述する製品タンク２０に
接続され、他端が配管７に接続されている。この還流用
配管２８には逆止弁２９が配設されており、逆止弁２９
はコンプレッサ３からの圧縮空気が製品タンク２０へ供
給されることを阻止する。

１０．１１は説肴時に吸着槽１．２からの気体を排出す
る配管で、排気音を下げるサイレンサ１２に接続されて
いる。そして、前記配管１０゜１１の途中にはそれぞれ
吸着槽１．２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１３．１４が設けら
れている。

１５．１６は吸着槽１，２からの製品ガスとしての窒素
をそれぞれ取出す取出配管、１７は各配管ｉ５．１６と
連結した取出配管で、配管１５゜１６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１８゜１９がそれぞれ設けられている。

また前記取出配管１７は製品タンク２０と接続されてい
る。

２１は吸着槽１．２間を連通する配管、２２は配管２１
の途中に設けられた電磁弁からなる均圧用弁で、均圧用
弁２２は吸着槽１゜２による半サイクルの終了時に所定
の短時間だけ開弁し、吸着槽１．２間を均圧にする。

２３は製品タンク２０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２４が設けられている。

２５は濃度計で、取出配管２３より分岐する分岐配管２
６に接続されている。又濃度計２５には酸素センサが使
用されており、濃度計２５は取出配管２３を介して製品
タンク２０より取出された気体の酸素濃度を測定する。

即ち、濃度計２５は製品タンク２０より取出された窒素
ガス中に含まれている酸素濃度を監視しており、酸素濃
度に比例した電流値の信号を出力する。即ち、製品タン
ク２０内に蓄圧されたガスの窒素濃度が下ると、必然的
に酸素濃度が高まるため、濃度計２５は製品タンク２０
内の窒素濃度が低濃度となったことを検出できる。又、
濃度計２５からの酸素濃度測定信号は後述する制御回路
２７に入力される。

なお、濃度計２５に使用される酸素センサとしては酸素
分子の常磁性を利用した磁気式酸素センサ、酸素が透過
膜を介して電解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電磁式酸素センサ、ジルコニア
磁気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。

また、制御回路２７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、所定のプログラムに基
づいて、空気供給用弁８．９、気体排出用弁１３，１４
、取出用弁１８．１９、均圧用弁２２、取出用弁２４を
開閉制御する。

尚、上記Ｉｌ制御回路２７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、上記のように構成された窒素発生装置の動作につ
き説明する。

まず、窒素発生装置としての基本動作について、第２図
、第３図を参照しながら述べる。

いま、窒素発生装置を始動すると、制御回路２７の制蓼
の下に、各電磁弁が作動し、窒素（製品ガス）発生が行
われる。

まず、第２図、第３図に示すように■、■、■の動作が
実行される。第２図中の■は、空気供給用弁９．取出用
弁１９と気体排出用弁１３が開弁し、第２の吸着槽２に
原料気体としての圧縮空気がコンプレッサ３より供給さ
れる。

同時に、製品タンク２０の製品ガスは還流用配管２８よ
り配管７を介して下部（上流側）より吸着槽２内に還流
する。さらに製品ガスは取出し配管１７．１６を逆流し
て上部（下流側）より吸着槽２内に還流する。従って、
吸着槽１，２においては第１図中破線矢印で示すように
上、下流側より同時に製品ガスが還流するため、吸着槽
１．２の内部全体に高純度の窒素ガスを短時間で供給す
ることができる。従って第２の吸着槽２はコンプレッサ
３からの圧縮空気と上、下方向より還流したガスにより
昇圧状態にあり、分子ふるいカーボン２Ａに酸素が吸着
され、一方策１の吸着槽１は気体排出用弁１３の開弁に
より減圧状態にあり、吸着していた酸素が脱着して排出
されている状態を示している。

次に、第２図中の■は空気供給用弁９を閉弁し、取出用
弁１９を開弁した状態として第２の吸着槽２内の窒素ガ
スを取出している状態を示している。

このとき、第１の＠看槽１は減圧状態のままである。

次に、第２図中の■は均圧操作で、均圧用弁２２を開弁
すると共に各取出用弁１８，１９、空気供給用弁９、気
体排出用弁１３を閉弁する。これにより、第２の吸着槽
２内に残存する窒素富化ガスは第１の吸着槽１に回収さ
れ、各吸着槽１゜２は均圧となる。なお、前記均圧操作
は通常１〜３秒である。

これにより、１サイクルのうちの前半の半サイクルが終
了したことになり、空気供給用弁８．取出用弁１８．気
体排出用弁１４を開弁することによって、第３図（Ｂ）
に示すように第２図中の■〜■に示す後半の半サイクル
を繰返す。かくして、１サイクルを１２０秒とすると、
吸着槽１，２からは各半サイクルの後半で窒素ガスを取
出し、製品タンク２０に供給することができる。

尚、上記■の工程で、気体供給用弁９が開弁されるため
、コンプレッサ３からの圧縮気体とともに製品タンク２
０からの製品ガスが第２の吸着槽２に供給される。２回
目以降になると、すでに、第２の吸着槽２には前回の■
の均圧工程により通常の原料気体よりも窒素濃度の高い
ガスが供給されている。

そのため、均圧工程時に導入されたガスが吸着槽２の上
部から還流された製品ガスによりさらに吸着槽２の内部
へ押し込められる。よって、均圧化により導入されたガ
スは取出用弁１９を介して製品タンク２０へ取出される
まで長い時間吸着槽２に滞留することができ、それだけ
多くの酸素分子が吸着される。又、吸着槽２の下部より
還流された製品ガスは吸着槽２の下部から上部に移動し
て取出用弁１９により取出されるまでの吸着槽２内にお
ける滞留時間が長くなるため、還流された製品ガス中に
含まれる酸素分子もより多く吸着される。このため、製
品タンク２０より還流させる製品ガス量が従来と同じで
あっても吸着効率が高められ、分子ふるいカーボン２Ａ
により高純度の窒素ガスが生成される。

従って、■の工程で取出用弁１９が開弁されると、通常
よりも窒素濃度の高い窒素ガスが製品タンク２０内に蓄
圧される。

このような、上記■、■の工程における還流効果は吸着
槽１の■、■の工程でも同様に得られる。

尚、上記のように高純度の製品ガスの生成が可能になる
ため、例えば製品ガスの純度を一定のレベルに保つよう
にした場合、従来の装置よりも多量のガスを生成するこ
とができる。従って、高純度の製品ガスを生成できるた
め、製品タンク２０より取出される製品ガスの流量を増
加さゼることができる。又吸着槽１．２より１回の工程
で取出される製品ガスの純度が従来よりも高いため、製
品タンク２０内の純度が高くなる時間が短縮される。す
なわち、立ち上がり時間の短縮の効果も得られる。

尚、上記実施例では本来吸着槽１，２で生成された製品
ガスを製品タンク２０へ供給するため取出配管１７を還
流用配管としても使用しており、気体供給用弁８．９及
び取出用弁１８，１９を還流用弁として使用しているの
で構成の複雑化が防止されている。

又、第１図中、破線で示すように還流用配管２８とタン
ク３ａとを配管３６（配管途中に電磁弁３７．逆止弁３
８が配設されている）で接続し、配管３６上の電磁弁３
７を一時的に開弁することにより、タンク３ａに略大気
温度近くまで冷却された高純度の製品ガスが供給される
ため、タンク３ａ内に蓄圧されたコンプレッサ３からの
高温の圧縮気体が熱交換により冷却される。しかもエア
ドライヤ４よりも温度、露点の低い状態の製品ガスがタ
ンク３ａに還流することにより、タンク３ａ内の圧縮空
気は通常の原料気体よりも窒素純度が轟く、しかも温度
、露点が低くなっているため、より高純度の製品ガスが
得られる。

第４図に本発明の第２実施例を示す。第４図中、製品タ
ンク２０の上部には別の還流用配管３０が接続されてい
る。この還流用配管３０の途中には逆止弁３１が配設さ
れている。３３．３５は夫々還流用配管３０より分岐し
た還流用配管で、還流用弁３２．３４が配設され第１の
吸着槽１．第２の吸着槽２の略中夫に接続されている。

従って、還流工程時においては前述の如く、■、■の工
程で気体供給用弁８，９及び取出用弁１８．１９を開弁
し、且つ還流用弁３２．３４を開弁する。これにより、
製品タンク２０内の製品ガスは取出し配管１７．配管１
５．１６を介した第１の還流路と、還流用配管２８．配
管６，７を介した第２の還流路と、別の還流用配管３０
．３３．３５を介した第３の還流路より各吸着槽１．２
に供給される。

よって、第４図中破線で示すように、製品タンク２０か
らの製品ガスが吸着槽１，２の上部、下部及び中間部の
３方向より還流されるため、本実施例のように縦長の吸
着槽１．２であっても短時間で吸着槽１，２内全体に製
品ガスを供給することができる。

又、上記実施例では円柱状の縦長形状の吸着槽を例に挙
げて説明したが、吸着槽の形状はこれに限らず他の形状
であってもその形状に応じて複数の還流用配管を適宜配
設するようにすれば良い。

又、還流用配管の数は３本以上に増やしても良いのは勿
論である。

発明の効果 上述の如く、本発明になる気体分離装置は、複数の配管
を介して製品タンク内の製品ガスを吸着槽の複数個所よ
り吸着槽内に還流させることができるので、製品タンク
から吸着槽に還流させた製品ガスが長い時間吸着槽内で
滞留することができ、その分吸着効率が向上してより高
純度の製品ガスを生成することができる。又、高純度の
製品ガスを生成できるため、製品タンクから取出される
製品ガスの流量を増加させることができ、しかも吸着槽
より１回の工程で取出される製品ガスの純度が従来より
も高いため、製品タンク内の純度が高くなる時間が短縮
され、立ち上がり時間の短縮を図ることもできる。さら
に、従来と同じ量の製品ガスを還流させても複数の配管
により製品ガスを還流させるため充分な還流効果が得ら
れ、特に吸着槽の形状が縦長形状等の場合でも吸着槽の
内部全体に製品ガスを供給することができ、しがも従来
からの配管及び気体供給用弁、取出用弁を利用すること
により構成の簡略化を図ることもできる等の特長を有す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明になる気体分離装置の第１実施例の概略
構成図、第２図及び第３図は各工程を説明するための工
程図、第４図は本発明の第２実施例の概略構成図である
。 １．２・・・吸着槽、１△、２Ａ・・・分子ふるいカー
ボン、３・・・コンプレッサ、３２．３４・・・電磁弁
、２０・・・製品タンク、２Ｂ、３０．３３．３５・・
・還流用配管、２９．３１・・・逆止弁。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 内部に吸着剤が充填された吸着槽に圧縮した原料気体を
   供給して前記吸着槽を昇圧状態にした後吸着槽の取出用
   弁を開弁させて該吸着剤により生成された製品ガスを製
   品タンク内に蓄圧する気体分離装置において、 前記製品タンクと前記吸着槽との間を接続する複数の配
   管を設け、 前記吸着槽を昇圧させるとき開弁され前記複数の配管を
   介して前記製品タンク内に製品ガスを前記吸着槽の複数
   個所より吸着槽内に還流させる還流用弁を前記複数の配
   管に設けてなることを特徴とする気体分離装置。