JPH0459014A - 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（こＰＳＡ式％式％ に係り、特に吸着剤の脱着精度を高め吸着剤の再生を確
実に行なうよう構成した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、分子ふるいカーホン
からなる吸着剤を用いて、空気を窒素と酸素に分１ζｆ
ｆｉ　Ｌ、いずれか一方を製品ノＪ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尋人して加圧する吸
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、製品ガスとしての窒素を
外部に取出し、一方脱着工程て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。

発明か解決しようとする課題 従来の装置では例えば起動時吸着槽に圧縮空気を供給し
てから、目的とする純度の製品ガスか取り出せるように
なるまでの立」二り時間か長いといった課題かある。そ
のため、製品タンク内に貯溜された製品ガスを減圧され
た吸着槽に還流させて吸着槽内に残留していた気体を吸
着槽の排気配管より大気中にパージすることか考えられ
ている。

ところか、窒素発生装置において、吸着槽内を製品ガス
でパージする際は、製品タンクと吸着槽との間に配設さ
れた取出用弁を開弁じて、製品タンク内に蓄圧された約
”’ｇｆ／ｃｉ程度の圧力に圧縮された製品ガスを短時
間還流させることになる。

その場合、パージ時間か短いので吸着槽内の残留気体を
効率よくパージすることかできす、吸着剤に吸着された
酸素を十分脱着することができず、脱着精度か低いとい
った課題が生ずる。

そのため、上記の如く圧縮された製品ガスをそのまま吸
着槽に還流させるたけては、吸着槽に残存する酸素を完
全にパージすることかできず、原料気体か吸着槽に供給
されても高純度の窒素ガスか得られるまで時間かかかり
立上り時間を短縮することができないといった課題も生
ずる。

又、脱着精度か高まるようにパージ時間を長くすると、
製品ガスの消費量か増太し、折角製造した製品ガスか浪
費されてしまうことになる。

又、上記パージ方法とは別にパージ時間を長くするため
、起動特製品タンク内に貯溜された製品ガスを低圧に減
圧して少量ずつ吸着槽に還流させ、徐々に吸着槽内の残
存気体をパーツする方法か考えられている。ところか、
この方法では製品カスを低圧に減圧する減圧弁が設けら
れた専用のパジ配管か必要であり、気体分離装置の構成
が複雑化するばかりか製造コストも増大してしまうとい
った課題が生ずる。尚、」−記課題は起動時たけてなく
通常の製品ガス生成する際の脱着工程においても生ずる
。

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、内部に一の気体を吸着する吸着剤か充填され
た吸着槽に圧縮気体を供給し、該吸着槽と製品タンクと
の間に設けられた弁を開弁し該吸着剤により一の気体が
除去されたことで生成された製品ガスを前記製品タンク
に蓄圧する吸着工程と、前記吸着槽内の残存気体を外部
に排出して吸着槽内を減圧する脱着工程とを繰り返す気
体分離装置において、 前記吸着槽内か減圧された状態で前記弁を間欠的に開弁
じ、前記製品タンク内の製品ガスを複数回に分けて前記
吸着槽に還流させる製品ガス還流手段を具備してなる。

作用 吸着槽内か減圧された状態で吸着槽と製品タンクとの間
に設けられた弁を間欠的に開弁させて、製品タンク内の
加圧された製品ガスを少量ずつ複数回に分けて還流させ
ることにより、吸着槽内の残存気体を徐々にパージし、
還流動作を繰り返すことにより効率良く吸着槽内をパー
ジ（脱着）する。

実施例 第１図に本発明になる気体分離装置の一実施例を示す。

同図中、１，２は第１．第２の吸着槽て、各吸着槽１，
２内にはそれぞれ分子ふるいカーボンｌＡ、２Ａか充填
されている。

３は圧縮空気供給源となるコンプレッサて、コンプレッ
サ３からの圧縮空気は空気ドライヤ４及び配管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の途中にはそれぞれ
電磁弁からなる空気供給用弁８，９か設けられている。

尚、空気ドライヤとしては冷凍式のドライヤか使用され
ており、冷凍式の場合起動してから約５分間部度の予冷
のための準備運転時間が必要とされている。

１０．１１は脱着時に吸気槽ｌ、２からの気体を排出す
る配管で、共通排出配管１２に接続されており、排出配
管１２の端部には脱着掛ガスを排出するサイレンサ１２
ａか設けられている。そして、前記配管１．０．１１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１
３．１４か設けられている。

１５．１６は吸気槽１，２の出口側に接続され吸着槽１
，２内で生成された窒素をそれぞれ取出す取出配管、１
７は各配管１５．１６と連結された取出配管で、配管１
５．１６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か
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の下端に接続されている。

尚、この取出用弁１８．１９は後述するように起動時は
製品タンク２０内の目的とする純度の窒素ガス（製品ガ
ス）を吸着槽１．２に還流させる際開弁する還流用弁と
しても機能する。

２１は吸着槽１，２の出口側を連通ずる配管、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じ、各吸着槽１　２間を均圧す
る。

２４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２５か設けられている。

２７は酸素センサて、製品タンク２０に貯溜された気体
の酸素濃度（組成値）を検出する。又、酸素センサ２７
からの酸素濃度検出信号は後述する制ｉ卸回路２９に入
力される。

なお、酸素センサ２７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、酸素か透過膜を介して電界液に
入ると電極で酸素還元反応か起き電流が流れるのを利用
した電磁式酸素センサ、ジルコニア磁器の内外面に電極
を設け、酸素濃度によって起電力か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。

２８は取出配管２４から取出される窒素濃度、即ち酸素
濃度を設定する濃度設定スイッチで、製品タンク２０か
ら取出すべき窒素ガス濃度に応じて適宜に設定されるも
のである。

３０は圧力センサで、製品タンク２０内に蓄圧された窒
素ガスの圧力を検出する。

また、制御回路２９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、入力側には酸素センサ
２７．濃度設定スイッチ２８か接続されている。又、制
御回路２９は第２図に示す処理を実行する還流制御手段
２９Ａを存する。

制御回路２９は予め入力されたプログラムに従い、例え
は第４図に示す加圧（■、■）、取出（■、■）、均圧
（■、■）の各工程に応じて、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２５を開閉制御する。

ここで、第４図に示す如く加圧、取出、均圧、減圧、均
圧の各工程は大きく分けると製品ガスを生成する吸着工
程と、吸着槽１．２内の残存気体と外部に排出する脱着
工程とに分類される。

尚、上記制御回路２９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じ、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。

ここで、上記窒素発生装置の窒素発生サイクルの動作に
ついて説明する。

ます、第２図を参照して窒素発生装置としての起動時の
還流動作について説明し、続いて窒素発生の基本動作に
ついて、第３図、第４図を参照しながら説明する。

いま、窒素発生装置を起動すると、制御回路２９は第２
図に示す処理を実行する。

ます、ステップＳｌ　（以下ステップを省略する）ては
、冷凍式の空気ドライヤ４に通電か行なわれ予冷のため
の準備運転を行なう。続いて、気体排出用弁１３．１４
を開弁させる（Ｓ２）。

気体排出用弁１３．１４の開弁により吸着槽１２内の残
存気体か排出配管１２．サイレンザ１２ａより大気中に
排出され、１１秒間経過すると（Ｓ３）吸着槽１，２内
か略大気圧に減圧される。

次の８４では圧カセンザ３０からの検出信号より製品タ
ンク２０内に蓄圧された窒素ガスの圧力を読み取る。次
に、圧力センサ３０により検出された製品タンク２０内
の圧力に基ついて、予め決められた窒素ガスの所定流量
か還流するための総還流時間、即ち取出用弁１８．１９
の総開弁時間を演算する（Ｓ５）。続いて、予め記憶さ
れてぃる１回当りの開弁時間と８５で求めた還流動作の
総開弁時間とより窒素ガスの還流回数即ち取出用弁１８
．１．９の開弁回数ｎを演算する（Ｓ６）。

次の８７では、空気ドライヤ４のべ（何時間Ｔと８６で
求めた開弁回数ｎとより取出用弁１８゜１９か閉弁して
から次に開弁するまでの時間間隔１２　（インターバル
）を演算する。

上記Ｓ７の演算が終わると、取出用弁１８゜Ｉ９を開弁
して還流動作が開始される（Ｓ８）。

吸着槽１，２内は気体排出用弁１３．１４の開弁により
大気圧に減圧されているので、取出用弁１８．１９の開
弁と同時に製品タンク２０内の窒素ガスが取出配管１７
及び１５．１６を逆流して吸着槽１，２の上部に供給さ
れる。

取出用弁１８．１９の開弁後予め記憶された開弁時間か
経過すると一旦取出用弁１８．１９を閉弁させる（Ｓ９
）。そして、取出用弁１８．１９の開弁回数をカウント
しＳ６において求めた開弁回数ｎに達したかどうかを確
認する（Ｓ　１０）。

取出用弁１８．１９の開弁回数かｎ回に達していないと
きは、Ｓ　１．１に移り、Ｓ７で算出した時間間隔ｔ２
が経過したかどうかをみる。従って、取出用弁１８．１
９か閉弁してから時間ｔ２か経過すると８８に戻り、取
出用弁１８．１９を再び開弁させる。

この８８〜Ｓｌｌの処理はＳ６で算出された開弁回数（
ｎ回）繰り返される。その結果、取出用弁１８．１９は
時間間隔ｔ２において、間欠的に開弁される。従って、
製品タンク２０内に蓄圧された高純度の窒素ガスは、上
記のような取出用弁１８．１９の開・閉動作の繰り返し
により少量ずつ吸着槽１．２の上部に断続的に還流され
る。

そのため、吸着槽１．２の内には上部より目的とする純
度の窒素ガスが断続的に複数回供給され、窒素ガスは徐
々に吸着槽１，２の下方に移動し、吸着槽１，２内をパ
ージする。尚、吸着槽１．　２内の残存気体は窒素ガス
か断続的に供給されるたびに徐々に排出配管１２を介し
て大気中に排出される。

Ｓ１２では空気ドライヤ４の準備運転に必要な時間Ｔ（
本実施例では約５分間）経過したかどうかをみている。

このように長時間窒素ガスが少量ずつ複数回に分けて間
欠的に吸着槽１，２に還流されることにより、分子ふる
いカーボンＩＡ。

２Ａに吸着された酸素は比較的少ない窒素ガス流量て効
率良く脱着される。そのため、脱着精度か高められる。

しかも、窒素ガスか複数回に分けて少量ずつ還流される
ので、窒素ガスの消費量を節約することかてき、パージ
時間か長時間になっても窒素ガスの消費量は意外に少な
く浪費されない。

上記時間Ｔか経過すると空気ドライヤ４の準備運転か完
了し、原料気体の除湿か可能となるとともに、吸着槽１
　２内のパージ（脱着）も完了する（Ｓ１３）。

続いて、気体排出用弁１３．１４を閉弁する（Ｓ１４）
。そして、コンプレッサ３か始動され（ステップ５１５
）、窒素発生の準備段階か終了する。

この後は通常の窒素発生動作か行なわれる。その際、吸
着槽１，２内には製品ガスとしての窒素ガスが充満して
いるので、窒素発生の立上りか速く短時間で目的とする
純度の窒素ガスを生成しうる。

ここで、通常の窒素発生動作について説明する。

ます、第４図に示すように■、■、■の動作か実行され
る。第３図中の■は、空気供給用弁９と気体排出用弁１
３が開弁じ、第２の吸着槽２に原料気体としての圧縮空
気が供給されて第２の吸着槽２は加圧状態（吸着工程）
にあり２分子ふるいカーボン２Ａに酸素が吸着される。

一方策１の吸着槽１は減圧状態（脱着工程）にあり、吸
着していた酸素か脱着して排出されている状態を示して
いる。

次に、第３図中の■は空気供給用弁９と気体排出用弁１
３の他に、新たに取出用弁１９を開弁じ、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の吸着槽ｌは減圧状態のままである。

次に、第３図中の■は均圧操作て、各取出用弁１８．１
９．及び空気供給用弁９．気体排出用弁】３を閉弁する
とともに均圧用弁２２を開弁する。

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１２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か終
了したことになり、空気供給用弁８．気体排出用弁１４
を開弁することによって、第４図（Ｂ）に示すように第
３図中の■〜■に示す後半の半サイクルを繰返す。かく
して、吸着槽１．２からは各半サイクルの後半で窒素カ
スを取出し、製品タンク２０に供給することかできる。

そして、吸着槽１，２内には目的とする純度の窒素ガス
が前記還流動作により充填されているため、起動後回時
間て吸着槽１，２より発生する窒素ガスは目的とする純
度で安定する。

尚、上記実施例では窒素発生装置を例に挙げて説明した
か、これに限らず例えは酸素発生装置にも適用できる。

又、」−２実施例では両吸着槽１，２に接続された取出
用弁１．８．１９を同時に開弁するようにしたか、各取
出用弁１８と１９とを夫々独自に開弁させ開弁動作が時
間的にすれるようにしても良いのは勿論である。

又、上記実施例では起動時に製品タンク２０の製品ガス
を吸着槽１，２へ間欠的に還流させるようにして説明し
たが、これに限らす、通常の窒素発生サイクルにおいて
、即ち第４図に示す脱着工程後に上記実施例の如く製品
ガスを吸着槽１．２へ間欠的に還流させるようにしても
良いのは言うまてもない。

発明の効果 上述の如く、本発明になる気体分離装置は、吸着槽か減
圧された状態で製品タンク内に蓄圧された製品ガスを複
数回に分けて間欠的に少量ずつ吸着槽へ還流させるため
、吸着槽内に残存する気体を徐々にパージして還流動作
を繰返すことにより吸着剤に吸着されていた気体を確実
に脱着することができ、脱着精度を高めることかできる
。しかも、還流される製品ガスが短時間に大量に消費さ
れす製品ガスの消費量を節約できるので、パージ時間を
延長しても製品タンク内の製品ガスか浪費されない。従
って、製品ガスを生成する際には吸着槽内に目的とする
純度の製品ガスか残存しており、短時間で目的とする純
度の製品ガスを生成することができる。また、還流用の
配管及び弁を別個に設けず、吸着槽からの製品ガスを取
出す取出用弁を還流用として併用することにより装置の
構成が複雑化することを防止しう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一実施例の概略構
成図、第２図は製品ガスを還流させる際に制御回路か実
行する処理を説明するためのフローチャート、第３図及
び第４図は夫々製品ガスを生成する際の工程を説明する
ための工程図である。 １．２・・・吸着槽、３・・・コンプレッサ、４・・・
空気ドライヤ、１３．１４・・・気体排出用弁、１８゜
１９．２５・・・取出用弁、２０・・・製品タンク、２
９・・・制御回路、２９Ａ・・・還流制御手段、３０・
・・圧力センサ。 特許出願人　１・　キ　コ　株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 内部に一の気体を吸着する吸着剤が充填された吸着槽に
   圧縮気体を供給し、該吸着槽と製品タンクとの間に設け
   られた弁を開弁し該吸着剤により一の気体が除去された
   ことで生成された製品ガスを前記製品タンクに蓄圧する
   吸着工程と、前記吸着槽内の残存気体を外部に排出して
   吸着槽内を減圧する脱着工程とを繰り返す気体分離装置
   において、 前記吸着槽内が減圧された状態で前記弁を間欠的に開弁
   し、前記製品タンク内の製品ガスを複数回に分けて前記
   吸着槽に還流させる製品ガス還流手段を具備してなるこ
   とを特徴とする気体分離装置。