JP2014030776A - 気体分離装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、複数台搭載している圧縮機のうちのある圧縮機が故障した場合にも、装置全体を停止させずに製品ガスを濃度および発生量を維持することのできる気体分離装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、空気を圧縮する複数台の圧縮機と、内部に吸着剤が充填され、前記圧縮機から供給された圧縮空気のうち一の気体を分離して他の気体を製品ガスとして生成する吸着槽と、前記複数台の圧縮機の運転を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記複数台の圧縮機のうち少なくとも1台をバックアップ用として停止させることを特徴とする気体分離装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は気体分離装置に関する。

本技術分野の背景として、特開２００９−２０７９５１号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、複数の圧縮機を有する気体分離装置が記載されている。

特開２００９−２０７９５１号公報

特許文献１の気体分離装置は、圧縮機から吐出された圧縮空気を吸着槽に供給する吸着工程の開始時において、全ての圧縮機を運転させている。そのため、全ての圧縮機を運転しなければ、製品ガスの濃度および発生量の維持ができないような圧縮空気の供給量で運転を行っている場合、複数台搭載している圧縮機のうち１台でも故障すると、製品ガスの濃度および発生量の維持が困難になる。この場合、気体分離装置を停止、もしくは応急的に残りの故障していない圧縮機で製品ガスの濃度および発生量を低下させて運転を行わなければならない。一方、圧縮機による空気の供給量に余裕を持たせて、全ての圧縮機を運転させなくても、製品ガスの濃度および発生量の維持ができる場合は、無駄な電力を使用していることになる。

本発明は、上記問題点に鑑み、複数台搭載している圧縮機のうちのある圧縮機が故障した場合にも、装置全体を停止させずに製品ガスを濃度および発生量を維持することのできる気体分離装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、空気を圧縮する複数台の圧縮機と、内部に吸着剤が充填され、前記圧縮機から供給された圧縮空気のうち一の気体を分離して他の気体を製品ガスとして生成する吸着槽と、前記複数台の圧縮機の運転を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記複数台の圧縮機のうち少なくとも1台をバックアップ用として停止させることを特徴とする気体分離装置を提供する。

本発明によれば、複数台搭載している圧縮機のうちのある圧縮機が故障した場合にも、装置全体を停止させずに製品ガスを濃度および発生量を維持することのできる気体分離装置を提供することができる。

本発明の実施例１における気体分離装置を示す全体構成図である。 本発明の実施例１におけるローテーション制御のフロー図である。 本発明の実施例１における空気槽、第１、第２の吸着槽、窒素槽の圧力を示す図である。 本発明の実施例１における制御フロー図である。 本発明の実施例２における気体分離装置を示す全体構成図である。 本発明の実施例２における制御フロー図である。

本発明の実施例１について図１を用いて説明する。本実施例における気体分離装置の全体構成について図１を用いて説明する。

図１に示す気体分離装置１はＰＳＡ式の気体分離装置である。気体分離装置１は、空気を供給する空気供給ユニット２と、製品ガスを生成するＰＳＡユニット３で構成される。この空気供給ユニットは、空気を圧縮する圧縮機４と、圧縮空気を貯留させる空気槽（空気タンク）５と、空気槽の圧力を検出する圧力センサーとしての圧力検出手段８と、圧縮空気を除湿するエアードライヤー６と、析出したドレン水を回収しながら不純物を除去するドレンフィルタ７を有している。本実施例では、一例として、これら圧縮機４と、空気槽５と、エアードライヤー６とドレンフィルタ７とは筐体に格納されている。一方、ＰＳＡユニット３は、空気供給ユニット２から供給される圧縮空気から所定の気体を分離することにより、製品ガスを生成する吸着槽１９Ａ、１９Ｂと、製品ガス（窒素）を貯留する窒素層（製品ガス貯留タンク）４１を有している。

空気槽５で貯留された圧縮空気は後述の吸着槽１９Ａ、１９Ｂに供給され、空気槽５で貯留された圧縮空気から所定の気体が分離される。本実施例では、吸着槽１９Ａ、１９Bで酸素を吸着することにより、窒素を分離する場合について説明するが、窒素を吸着することにより酸素を分離してもよいし、大気以外の圧縮空気から他の気体を分離するものであってもよい。

圧縮機４として、往複動式、スクリュー式あるいはスクロール式等の圧縮機や、外部から１次圧を供給され再圧縮するブースタ圧縮機等が用いられており、それらは複数台搭載されている。本実施例としては、４台搭載しているものとして説明する。

空気槽５には、空気槽５からの圧縮空気を流す配管１６が接続されており、この配管１６には２系統に分岐した配管１７Ａ、１７Ｂが接続されている。配管１７Ａ、１７Ｂには、それぞれ配管１６からの流路を開閉する供給弁１８Ａ、１８Ｂが設けられている。配管１７Ａ、１７Ｂは、酸素分子を吸着して窒素ガスを製品ガスとして取り出すための吸着槽１９Ａ，１９Ｂにそれぞれ接続されている。吸着槽１９Ａ，１９Ｂは圧縮機４から供給された圧縮空気のうち一の気体を分離して他の気体を製品ガスとして生成するものであり、吸着槽１９Ａ，１９Ｂは容積一定である。また、配管１７Ａ、１７Ｂには、それぞれ供給弁１８Ａ、１８Ｂと吸着槽１９Ａ，１９Ｂとの間の位置に配管２１Ａ、２１Ｂが接続されている。これら配管２１Ａ、２１Ｂは、途中に流路を開閉する排気弁２２Ａ、２２Ｂが設けられ、消音用のフィルタ付きの排気サイレンサ２３に接続されている。この排気サイレンサは各吸着層１９Ａ、１９Ｂ毎に設けられていてもよい。また、配管１７Ａ、１７Ｂには、互いの配管１７Ａ、１７Ｂを接続するように配管２５Ａ、２５Ｂが設けられている。配管２５Ａ、２５Ｂには流路を開閉する下均圧弁２６Ａ、２６Ｂが設けられている。

吸着槽１９Ａ，１９Ｂには、例えば、酸素分子を吸着する吸着手段である吸着剤が充填されている。吸着剤は、具体的には分子ふるいカーボンやゼオライト等を用いている。吸着槽１９Ａ、１９Ｂには、互いに合流する配管３１Ａ、３１Ｂがそれぞれ接続されている。これら配管３１Ａ、３１Ｂには、互いの配管３１Ａ、３１Ｂ同士を接続する配管３２Ａ、３２Ｂが設けられている。配管３２Ａ、３２Ｂには絞り３３が設けられている。また、配管３１Ａ、３１Ｂには、互いの配管３２Ａ、３２Ｂよりも吸着槽１９Ａ、１９Ｂから離れた位置に互いの配管３１Ａ、３１Ｂ同士を接続する配管３５Ａ、３５Ｂが設けられている。配管３５Ａ、３５Ｂには流路を開閉する上均圧弁３６Ａ、３６Ｂが設けられている。また、配管３１Ａ、３１Ｂには、それぞれの配管３５Ａ、３５Ｂよりも吸着槽１９Ａ、１９ＢＢから離れた位置に流路を開閉する取り出し弁３８Ａ、３８Ｂがそれぞれ設けられている。配管３１Ａ、３１Ｂの合流位置には配管４０が接続されており、この配管４０には窒素ガスを貯留させる製品ガス貯留タンクとしての窒素層４１が接続されている。

窒素層４１には、吐出口４が設けられた配管４３が接続されている。配管４３の途中位置には窒素層４１側から順に、塵埃等を除去するとともにガスの流量を調整するフィルタレギュレータ４４、流路を開閉する吐出弁４５、製品ガスの流量を調整する流量調整弁４６が設けられている。配管４３のフィルタレギュレータ４４と吐出弁４５との間位置には配管４８および配管４９が接続されており、配管４８には、配管４３側から順に、流路を開閉する開閉弁５０と、ガスの流量を調整する流量調整弁５１と、サイレンサ５２とが設けられている。配管４９には、配管４３側から順に、流路を開閉する開閉弁５４と、ガスの流量を調整する流量調整弁５５と、酸素濃度を検出する酸素センサー５６とが設けられている。圧力検出手段８と酸素センサー５６は圧縮機４の運転を制御する制御部６０に通信可能に接続されており、検出信号を圧縮機４の運転を制御する制御部６０に出力する。

供給弁１８Ａ、１８Ｂ、排気弁２２Ａ、２２Ｂ、下均圧弁２６Ａ、２６Ｂ、上均圧弁３６Ａ、３６Ｂ、取り出し弁３８Ａ、３８Ｂ、吐出弁４５、開閉弁５０および５４は、制御部６０に通信可能に接続されており、制御部６０からの指令で作動する。

ここまで、気体分離装置１の構成を説明してきたが、ここで気体分離装置１において行われる動作について説明する。

気体分離装置１では、圧縮機４によって空気を圧縮する圧縮工程、圧縮工程により圧縮された空気を空気槽５に貯留する貯蔵工程、圧縮空気をエアードライヤー６により除湿する除湿工程、除湿工程により除湿された空気から気体を分離する分離工程が行われる。

気体分離装置１の分離工程では、以下の（ａ）〜（ｄ）の工程が順次繰り返される。

（ａ）吸着工程：圧縮機４により圧縮され空気槽５に貯留された圧縮空気を、供給弁１８を開くことで、吸着剤が充填された吸着槽１９に供給するとともに、窒素層４１内に残存する窒素ガスを、取り出し弁３８を開くことで吸着槽１９に還流して吸着槽１９内を昇圧させ、圧力を利用して吸着剤に酸素分子を吸着させる工程。

（ｂ）取り出し工程：吸着工程から引き続いて、空気槽５から圧縮空気を吸着槽１９に供給し続けると同時に、吸着剤により分離生成された窒素ガスを吸着槽１９より取り出して窒素層４１に貯留させる工程。

（ｃ）均圧工程：上均圧弁３６および下均圧弁２６の開閉により取り出し工程終了後の一対の吸着槽１９の均圧化を図り、次回の吸着工程の吸着効率を高めて、より高純度の窒素ガスを生成するための工程。

（ｄ）再生工程：均圧工程終了後の吸着槽１９内を、排気弁２２を開くことにより配管２１を介して、吸着剤に吸着された酸素分子を脱着することにより吸着剤を再生する工程。なお、この再生工程において、排気弁２２以外の吸着槽１９に関連する供給弁１８、下均圧弁２６、上均圧弁３６および取り出し弁３８は、閉状態とする。

吸着槽１９Ａで吸着工程・取り出し工程（工程（ａ）（ｂ））が行われている間に吸着槽１９Ｂでは、再生工程（工程（ｄ））が行われる。その後、（ｃ）均圧工程が同時に行われ、吸着槽１９Ａ、１９Ｂを入れ替えて吸着工程・取り出し工程（工程（ａ）（ｂ））と再生工程（工程（ｄ））が行われる。

上記の吸着工程（ａ）の時間をＴ１、取り出し工程（ｂ）の時間をＴ２、均圧工程（ｃ）の時間をＴ３とし、気体分離装置の１サイクルの時間Ｔｓ＝Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３とする。即ち、１サイクルの時間は、空気槽５から少なくとも１つの吸着槽１９への空気の供給を開始（吸着工程（ａ）開始）してから空気槽５から複数の吸着槽１９への空気の供給を停止（均圧工程（ｃ））し、再び空気槽５から少なくとも１つの吸着槽１９への空気の供給を開始（吸着工程（ａ）開始）するまでの時間である。

本実施例における圧縮機４のローテーション制御について、図２を用いて説明する。４台搭載している圧縮機４のうち、気体分離装置１を運転している間の圧縮機運転台数は３台と規定し、規定台数以上は運転を行わない制御とする。（ｎ台圧縮機を搭載している場合は、ｎ−１台を規定台数とする。）即ち、少なくとも1台の圧縮機４はバックアップ用として運転を停止する。制御部６０から圧縮機４の切り替え信号を圧縮機４に送信することで、運転している圧縮機４のうち１台を停止させ、停止していた圧縮機４を起動するように停止させる圧縮機４を切り替えるローテーション制御する。

ローテーション制御について具体的に説明する。まず、圧縮機Ａ、Ｂ、Ｃを運転し、圧縮機Ｄを停止させる。次に、停止させる圧縮機を切り替え、圧縮機Ｂ、Ｃ、Ｄを運転し、圧縮機Ａを停止させる。次に、停止させる圧縮機を切り替え、圧縮機Ｃ、Ｄ、Ａを運転し、圧縮機Ｂを停止させる。次に、停止させる圧縮機を切り替え、圧縮機Ｄ、Ａ、Ｂを運転し、圧縮機Ｃを停止させる。このような制御を装置停止まで繰り返す。

気体分離装置１を運転している間、少なくとも１台の圧縮機４をバックアップ用として運転を停止することにより、圧縮機が故障した場合でもバックアップ用の圧縮機４を起動させることにより、窒素ガスの純度および発生量を維持することができる。また、各圧縮機４をローテーション制御することにより各圧縮機４の運転時間を平準化し、気体分離装置の長寿命化を図ることができる。

本実施例における圧縮機４から供給される空気量と空気槽５、吸着槽１９Ａ、１９Ｂ、窒素槽４１の圧力の変化との関係について図３を用いて説明する。本実施例では、上記の、圧縮機４の１台を停止させ、停止していた圧縮機４を起動する時間は上記（ｃ）均圧工程中に行う。図３−１に示すように、例えば、圧縮機Ａの停止と圧縮機Ｂの起動を同時に行った場合、停止した圧縮機Ａの空気量は瞬間的に０となるが、起動した圧縮機Ｂの空気量は徐々に上昇するため、圧縮機４の切り替えを行った瞬間に空気量が減少してしまう。圧縮機Ｂの空気量が増加するまで時間ｔ１を要する。図３−２に示すように、吸着工程・取り出し工程（工程（ａ）（ｂ））行われている間、つまり吸着槽１９Ａもしくは吸着槽１９Ｂに圧縮空気を供給している時に圧縮機４を切り替えると、切り替えてから時間ｔ１の間は空気槽５の圧力が低下し、吸着槽１９Ａ、１９Ｂ、窒素層４１の圧力も低下してしまうことから取り出す窒素ガスの純度が低下してしまう。そのため、図３−３に示すように圧縮機４から吸着槽１９Ａ、１９Ｂへ圧縮空気を供給する供給弁１８Ａ、１８Ｂが閉となっており、圧縮機４から吸着槽１９Ａ、１９Ｂへ圧縮空気が供給されていない（ｃ）均圧工程中に圧縮機の切り替えを行うことで、空気槽５の圧力低下を防止し、吸着槽１９Ａ、Ｂ、窒素層４１の圧力の低下とそれに伴う取り出す窒素ガスの純度低下を抑制することができる。

圧縮機４の切り替えにおける動作フロー図を図４に示す。圧縮機４の切り替えにおいて、運転していた圧縮機４のうちある１台を停止させてから、停止させていたバックアップ用の圧縮機４を起動させるまでの時間をＴｉとする。圧縮空気の吸着槽１９への供給が止まる均圧工程直前の空気槽５の圧力Ｐairを制御部にて受信し、Ｐairが制御部にてあらかじめ設けておいた設定圧力Ｐよりも低い場合、Ｔｉ＝０とする。つまり、運転していた圧縮機４の停止とバックアップ用の圧縮機４の起動を同時に行う。均圧工程直前の空気槽５の圧力Ｐairが設定圧力Ｐよりも高い場合は、空気槽５の圧力に余裕があり、すぐに次の圧縮機４を起動しなくとも取り出す窒素ガスの純度は悪化しないため、圧縮機４を停止させてから、次に圧縮機４を起動させるまでの時間Ｔｉ＝Ｔ３とする。つまり、均圧工程開始時に圧縮機を停止させ、均圧工程終了までに圧縮機を起動させる。図２と同様に運転させる圧縮機４を切り替えながら、装置が停止されるまでこのような制御を繰り返す。

空気槽５の圧力Ｐairが設定圧力Ｐよりも高い場合、ローテーション制御により次に起動させる圧縮機の起動をＴ３の時間遅らせることができるので、圧縮機の運転時間を減少させることで、省エネ効果を得ることができる。

従来のように気体分離装置を運転している間、複数台の圧縮機を全て運転させる制御を行った場合、圧縮機が故障した場合、窒素ガスの純度および発生量の維持が困難になる。そのため、装置全体を停止、もしくは応急的に残りの圧縮機のみで窒素ガスを発生させていた。装置全体を停止した場合、気体分離装置使用者の生産ラインを停止させる可能性があり、応急的に残りの圧縮機のみで気体分離装置を運転した場合は、窒素ガスの生成効率が著しく低下していた。一方、圧縮機が故障した場合でも、窒素ガスの純度および発生量の維持ができるように圧縮機からの空気の供給量に余裕を持たせた場合は、無駄な電力を使用していることになる。

本実施例によれば、気体分離装置１を運転している間、少なくとも１台の圧縮機４を停止させているので、圧縮機が故障した場合にも、装置を停止せずに、また窒素ガスの生成効率を低下させることなく窒素ガスを供給することができる。また、無駄な電力を使用せず、省エネ効果を得ることができる。

本発明の実施例２について説明する。実施例１と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。本実施例においても圧縮機を４台搭載しているものとして説明する。

図５に本実施例における気体分離装置１の全体構成を示す。本実施例では、圧縮機４に搭載している複数台の圧縮機の温度を検出する温度センサーとしての温度検出手段９と、電流値を検出する電流センサーとしての電流値検出手段１０を設けた。温度検出手段９と電流値検出手段１０は、圧縮機４が運転している間に信号を制御部６０に送信する。

本実施例における圧縮機の制御フロー図を図６に示す。

制御部６０によりあらかじめ温度と電流値の規定値Ｔ、Ａを設けておき、運転を行っている各圧縮機のうち少なくとも１台の圧縮機において、温度Ｔａ、Ｔｂ、Ｔｃ、Ｔｄまたは電流値Ａａ、Ａｂ、Ａｃ、Ａｄどちらか一方でも規定値を越えた場合、制御部６０にてその圧縮機４を故障と判断する。この場合、故障と判断された圧縮機４は停止され、バックアップ用の圧縮機４に切り替えられ、故障と判断されていない全ての圧縮機４で運転が行われる。

故障と判断した場合に、気体分離装置２が均圧工程以外の工程を行っている時にバックアップ用の圧縮機４と切り替えを行うと、実施例１と同様に空気量が減少し取り出す窒素ガスの純度が低下してしまう。そこで、本実施例では、故障と判断した場合でも、気体分離装置１が均圧工程に入るまで故障と判断した圧縮機４の運転を継続する。均圧工程中に故障と判断した圧縮機４を停止し、バックアップ用の圧縮機４の運転を行う。なお、バックアップ用の圧縮機４の運転の開始は均圧工程より前に行ってもよい。これにより、窒素ガスの純度と発生量の維持を確実に行うことができる。

本実施例によれば、圧縮機が故障した場合にも、温度検出手段９または電流値検出手段１０により迅速に故障を判断することができ、装置を停止せずに、また窒素ガスの生成効率を低下させることなく窒素ガスを供給することができる。

本発明の実施例３について説明する。なお、本実施例において、実施例１と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説明を省略するものとする。本実施例においても圧縮機を４台搭載しているものとして説明する。

本実施例では、実施例１における圧縮機４のローテーション制御を通常モードとし、使用者の要求に応じて、ローテーション制御を中止し４台全ての圧縮機４を運転させ、予め設定された窒素ガスの発生量まで発生量を増加させる流量アップモードを選択可能とする。なお、本実施例では窒素ガスの流量をアップさせているが、窒素ガスの圧力をアップさせてもよい。

流量アップモードを選択した場合、バックアップ用として停止していた圧縮機４を起動させ、圧縮機４の運転台数を通常の３台から４台へと変更する。このとき、圧縮機４の運転台数を変更するとともに、気体分離装置のサイクル時間Ｔｓを、通常モードでのサイクル時間Ｔｓ１から、あらかじめ制御部６０にて設定しておいた流量アップモード用のサイクル時間Ｔｓ２に変更する。なお、流量アップモード用のサイクル時間Ｔｓ２を窒素ガスの使用量等に応じて変更できるようにしてもよい。

このとき、窒素ガス発生量を調整する流量調整弁４６の調整は、手動で行ってもよいし、制御部６０からの信号により自動で調整してもよい。

本実施例によれば、気体分離装置１の使用者の必要窒素ガス発生量が増加した場合にも、新しく気体分離装置１を増設することなく本装置により対応することができる。

これまで説明してきた実施例は、何れも本発明を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されない。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。また、実施例１−３を組み合わせることにより本発明を実施してもよい。

１・・・気体分離装置
２・・・空気供給ユニット
３・・・ＰＳＡユニット
４・・・圧縮機
５・・・空気槽（空気貯留タンク）
６・・・エアードライヤー
７・・・ドレンフィルタ
８・・・圧力検出手段
９・・・温度検出手段
１０・・・電流値検出手段
１９・・・吸着槽
４１・・・窒素層
４４・・・フィルタレギュレータ
５２・・・サイレンサ
５６・・・酸素センサ
６０・・・制御部

Claims (7)

1. 空気を圧縮する複数台の圧縮機と、
   内部に吸着剤が充填され、前記圧縮機から供給された圧縮空気のうち一の気体を分離して他の気体を製品ガスとして生成する吸着槽と、
   前記複数台の圧縮機の運転を制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記複数台の圧縮機のうち少なくとも1台をバックアップ用として停止させることを特徴とする気体分離装置。
2. 前記制御部は、停止させる圧縮機を順番に切り替える制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。
3. 前記制御部は、前記吸着槽への圧縮空気の供給を行わないときに前記圧縮機の切り替えを行うことを特徴とする請求項２に記載の気体分離装置。
4. 前記制御部は、複数の前記吸着槽において均圧化が行われる間に前記圧縮機の切り替えを行うことを特徴とする請求項２に記載の気体分離装置。
5. 前記制御部は、前記吸着槽への圧縮空気の供給を止める前における前記空気槽の圧力が所定の圧力よりも高いときは低いときよりも、次に起動させる前記圧縮機の起動を遅らせることを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。
6. 前記制御部は、運転を行っている圧縮機の温度または電流値が規定値を超えた場合、バックアップ用の前記圧縮機を運転させることを特徴とする請求項５に記載の気体分離装置。
7. 前記制御部は、前記吸着槽への圧縮空気の供給を行っているとき、前記複数台の圧縮機のうち少なくとも1台をバックアップ用として停止させる制御と全ての前記複数台の圧縮機を運転させる制御とを使用者の要求に応じて切り替えることを特徴とする請求項１に記載の気体分離装置。

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