(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
火災防止および／または消火のための不活性化方法であって、
閉じた部屋（２）の大気の一部を混合チャンバに供給し、前記閉じた部屋（２）の前記大気の一部を前記混合チャンバにおいて新鮮空気と混合することによって、少なくとも酸素及び窒素を含む初期混合気体を提供する工程と、
前記工程において提供された前記初期混合気体を窒素発生器に流す工程と、
流された前記初期混合気体から酸素の少なくとも一部が窒素発生器（３，４）により分離され、それにより窒素富化な混合気体が前記窒素発生器（３，４）の出口（４ａ）に供給される工程と、
前記窒素富化な混合気体が、前記閉じた部屋（２）の空間雰囲気にパイプで送られる工程と、
前記閉じた部屋（２）の前記空間雰囲気における酸素レベルを計測する工程と、
前記窒素発生器（３，４）の前記出口（４ａ）における前記窒素富化な混合気体の残留酸素含有量を計測する工程と、
前記閉じた部屋（２）の前記空間雰囲気における計測された酸素レベル、及び前記窒素発生器の前記出口（４ａ）における前記窒素富化な混合気体の計測された残留酸素含有量に基づいて前記窒素発生器の動作を制御する工程と、を備え、
前記窒素富化な混合気体の残留酸素含有率は、所定の特性曲線に従って設定され、前記特性曲線は、最短時間期間内に前記閉じた部屋（２）の空間雰囲気において通常大気に比べて減じられて所定の酸素含有率を設定できるように、前記閉じた部屋（２）における空間雰囲気の酸素含有率に関連する前記窒素富化な混合気体の残留酸素含有率の時間最適化された値を示す、不活性化方法。
【請求項２】
閉じた部屋（２）の大気の一部を混合チャンバに供給し、前記閉じた部屋（２）の前記大気の一部を前記混合チャンバにおいて新鮮空気と混合することによって、少なくとも酸素及び窒素を含む初期混合気体を提供する提供工程と、
前記提供工程において提供された前記初期混合気体を窒素発生器に流す工程と、
流された前記初期混合気体から酸素の少なくとも一部が窒素発生器（３，４）により分離され、それにより窒素富化な混合気体が前記窒素発生器（３，４）の出口（４ａ）に供給される工程と、
前記窒素富化な混合気体が、前記閉じた部屋（２）の空間雰囲気にパイプで送られる工程と、
前記閉じた部屋（２）の空間雰囲気における酸素レベルを計測する工程と、
前記窒素発生器（３，４）の前記出口（４ａ）における前記窒素富化な混合気体の残留酸素含有量を計測する工程と、を備え、
前記提供工程における前記初期混合気体の組成は、前記空間雰囲気の前記酸素レベルの計測結果、及び前記窒素富化な混合気体の前記残留酸素含有量に基づいてバルブの動作によって制御され、
前記窒素富化な混合気体の残留酸素含有率は、所定の特性曲線に従って設定され、前記特性曲線は、最短時間期間内に前記閉じた部屋（２）の空間雰囲気において通常大気に比べて減じられて所定の酸素含有率を設定できるように、前記閉じた部屋（２）における空間雰囲気の酸素含有率に関連する前記窒素富化な混合気体の残留酸素含有率の時間最適化された値を示す、不活性化方法。
【請求項３】
前記窒素富化な混合気体の残留酸素含有率は、前記閉じた部屋の空間雰囲気の酸素含有率が減少すると低下する、請求項１に記載の不活性化方法。
【請求項４】
前記閉じた部屋（２）の空間雰囲気に広がっている酸素含有率は、直接的または間接的に連続して、または所定時間に、および／または所定の事象時のいずれかにおいて測定され、また
前記窒素富化な混合気体の残留酸素含有率が、連続して、または所定時間に、および／または所定の事象時に所定の値に設定され、前記閉じた部屋の空間雰囲気の酸素含有率を可能な最短時間内に前記それぞれの現在の酸素含有率に基づいた所定のドローダウンに低下させることができる、請求項１または２に記載の不活性化方法。
【請求項５】
前記窒素富化な混合気体の残留酸素含有量は、閉じた部屋の空間雰囲気に広がっている酸素含有量の関数として０．０１〜１０．０体積％の値に設定される、請求項１又は２に記載の不活性化方法。
【請求項６】
前記窒素富化な混合気体の残留酸素含有量は、閉じた部屋の空間雰囲気に広がっている酸素含有量の関数として５．５〜７．５体積％の値に設定される、請求項１又は２に記載の不活性化方法。
【請求項７】
酸素の少なくとも一部が分離される初期混合気体の酸素含有率が、前記閉じた部屋（２）の空間雰囲気に現在広がっている酸素含有量の関数として変化する、請求項１又は２に記載の不活性化方法。
【請求項８】
前記初期混合気体を供給するため、閉じた部屋（２）内の大気の一部が、調整された方法で前記部屋（２）から排気され、新鮮空気が調整された方法で前記部屋から排気された空気の一部と混合される、請求項１又は２に記載の不活性化方法。
【請求項９】
単位時間当たりに前記部屋（２）から排出される空気に混合される新鮮空気の量は、単位時間当たりに前記部屋（２）から排気される大気量が、単位時間当たりに前記閉じた部屋の空間雰囲気にパイプで送られる窒素富化な混合気体量に等しくなるように選定される、請求項８に記載の不活性化方法。
【請求項１０】
前記窒素混合気体の残留酸素含有率が前記閉じた部屋（２）の空間雰囲気の現在広がっている酸素含有量の関数として自動調整される、請求項１又は２に記載の不活性化方法。
【請求項１１】
閉じた部屋（２）の空間雰囲気の通常の大気に比べて減じられる予め規定可能な酸素含有率を設定および／または維持する不活性化システムであって、
初期窒素／酸素混合気体に含まれた酸素の少なくとも一部を分離し、それにより窒素発生器（３，４）の出口（４ａ）に窒素富化な混合気体を供給する窒素発生器（３，４）を含み、
前記窒素富化な混合気体を前記閉じた部屋（２）に供給するための供給ライン系統（７）を含み、
前記閉じた部屋（２）の前記空間雰囲気における計測された酸素レベル、及び前記窒素発生器の前記出口（４ａ）における前記窒素富化な混合気体の計測された残留酸素含有率に基づいて前記窒素発生器の動作が制御されるように、前記窒素発生器（３，４）を制御するよう設計された制御機器（５）により特徴づけられ、
前記制御機器（５）は、前記窒素富化な混合気体の残留酸素含有率が、所定の特性曲線に従って設定されるように設計されており、前記特性曲線は、前記制御機器（５）が最短時間期間内に前記閉じた部屋（２）の空間雰囲気において通常大気に比べて減じられて所定の酸素含有率を設定できるように、前記閉じた部屋（２）における空間雰囲気の酸素含有率に関連する前記窒素富化な混合気体の残留酸素含有率の時間最適化された値を示す、不活性化システム。
【請求項１２】
前記制御機器（５）はさらに、前記窒素発生器（３，４）の出口（４ａ）で供給される窒素富化な混合気体の残留酸素含有量が、前記閉じた部屋（２）の空間雰囲気の酸素含有率が減少すると自動的に低下するように、前記閉じた部屋の空間雰囲気の現在広がっている酸素含有量の関数として設計され、および／または
前記制御機器（５）はさらに、窒素発生器（３，４）の出口（４ａ）で供給される窒素富化な混合気体が１０．００体積％〜０．０１体積％の間の残留酸素含有率を示すように、前記窒素発生器（３，４）を制御するよう設計される、請求項１１に記載の不活性化システム。
【請求項１３】
前記部屋の空気の酸素含有量を、連続的に、または所定時間に、および／または所定事象時に測定し、前記測定酸素含有値を現在の酸素含有量として前記制御機器（５）に送るよう設計された酸素測定システム（１６）をさらに含む、請求項１１又は１２に記載の不活性化システム。
【請求項１４】
前記初期混合気体を供給するために混合チャンバ（６，６’）がさらに設けられ、
第一のライン系統（９）は混合チャンバ（６，６’）内に開口し、それを介して前記部屋（２）内部の空間空気の一部が前記制御機器（５）で調整される方法で部屋（２）から排気されて前記混合チャンバ（６，６’）に供給可能であり、
第二のライン（８）は前記混合チャンバ（６，６’）内に開口し、それを介して新鮮空気が前記制御機器（５）により調整される方法で前記混合チャンバ（６，６’）に供給可能である、請求項１１又は１２に記載の不活性化システム。
【請求項１５】
前記第一のライン系統（９）において制御機器（５）を用いて制御可能な第一の弁（１１，１０’）、具体的には閉止弁、および前記第二のライン系統（８）において制御機器（５）を用いて制御可能な第二の弁（１０，１０’）、具体的には閉止弁、を含み、前記制御機器（５）は、時間単位当たりに前記部屋（２）から排気される大気量が、時間単位当たりに前記閉じた部屋（２）の空間雰囲気に供給される窒素富化な混合気体量に等しくなるように、前記第一および／または第二の弁（１１，１０；１０’）を制御するよう設計される、請求項１４記載の不活性化システム。
【請求項１６】
前記第一弁（１１，１０’）および第二弁（１０，１０’）が、制御機器（５）を用いて制御可能な１つに組み合わされた３方弁（１０’）として実現される、請求項１５に記載の不活性化システム。
【請求項１７】
前記窒素発生器（３，４）は窒素発生器（４）およびコンプレッサ（３）を含み、窒素純度および前記気体発生器（４）の出口（４ａ）で供給された前記窒素富化な混合気体の残留酸素含有率はそれぞれ、前記制御機器（５）を用いて調整することができ、前記コンプレッサ（３）は、前記混合チャンバ（６，６’）および前記窒素発生器（４）の間に配置される、請求項１４に記載の不活性化システム。
【請求項１８】
熱交換装置（１３）が、前記閉じた部屋（２）から排気された空間空気と前記コンプレッサ（３）の排熱との間で熱エネルギーを伝達するために前記第一のライン系統（９）に設けられている、請求項１４に記載の不活性化システム。
【請求項１９】
前記混合チャンバ（６，６’）が、窒素発生器（３，４）の入口にまたは入口の前に配置されたフィルタ（６’）として実現される、請求項１４に記載の不活性化システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部分に記載の不活性化方法に関連する。
【発明の概要】
【０００２】
したがって、本発明は、特に、閉じた部屋の空間雰囲気において、通常の大気と比べて低く予め規定可能な酸素含有率を設定しかつ維持する、火災防止および／または消火のための不活性化方法に関連する。この目的を達成するために、初期混合気体は酸素、窒素および他の適切な組成を含み、気体分離システムは、この供給される初期混合気体から酸素の少なくとも一部を分離し、その分離により窒素富化の混合気体が気体分離システムの出口に供給され、この窒素富化な混合気体は閉じた部屋の空間雰囲気中に導入される。
【０００３】
本発明はさらに、閉じた部屋の空間雰囲気において、通常の大気と比べて低く予め規定可能な酸素含有率を設定および／または維持するための不活性化システムに関し、この不活性化システムは、初期の窒素／酸素混合気体に含まれる酸素の少なくとも一部を分離し、その分離により気体分離システムの出口に窒素富化の混合気体を供給する気体分離システムを含み、不活性化システムは、窒素富化な混合気体を閉じた部屋に供給するための供給ラインシステムを含む。
【０００４】
前記タイプの不活性化システムは、特に監視により保護された部屋において火災のリスクを低減し、消火するためのシステムであり、保護された部屋は火災を防止するか、または火災を制圧する目的で連続的に不活性にされる。前記の不活性化システムの動作機構は、個別の領域の酸素濃度を例えば約１２〜１５体積％の値に連続的に低下させることにより閉じた部屋の火災リスクが押しとどめられるという事実に基づいている。最も燃えやすい材料でも、この酸素濃度でもはや燃焼することができない。この出願の主領域は、特にＩＴ領域、電気開閉装置および配電器小部屋、閉じられた施設と高価な商品保管場所である。
【０００５】
この不活性化方法で得られる防止効果または消火効果は、酸素置換の原理に基づく。一般に公知のように、通常の大気は、約２１体積％の酸素、約７８体積％の窒素および約１体積％の他の気体から成る。保護された部屋において発生する火災のリスクを効果的に低減させることができるようにするため、個別の部屋の酸素濃度は、例えば窒素などの不活性気体を導入することにより低減される。酸素の割合が１５体積％以下に低下すると、消火効果が現れることが知られている。個別の保護された部屋内に含まれた燃えやすい材料に応じて、酸素割合を例えば１２体積％にさらに低下させることが必要になってくる。このように、保護された部屋を連続的に不活性にすることにより、その保護された部屋の火災発生リスクも効果的に最小化される。
【０００６】
本発明は、できるだけ経済的に閉じた部屋で所定の不活性レベルを設定し、維持できるように、上記のタイプの不活性化システムをさらに発展させる問題を解決する。具体的には、閉じた部屋の不活性化に関連する稼動コストを低減する解決策が明細に述べられる。さらに、閉じた部屋の経済的で特に連続的に不活性化できる不活性方法が述べられる。
【０００７】
この方法に関して、この課題は本発明により、窒素富化な混合気体の残留酸素含有量が、閉じた部屋の空間雰囲気にその時点で広がっている酸素含有量の関数として選択された値に調節されるように気体分離システムが制御される上記のタイプの不活性化方法により解決される。
【０００８】
前記機構に関して、本発明が基本とする課題は、窒素富化な混合気体の残留酸素含有量が、閉じた部屋の空間雰囲気にその時点で広がっている酸素含有量の関数として選択された値に調節されるように気体分離システムを制御するように設計された制御機器を提供するという本発明による上記タイプの不活性化システムにより解決される。
【０００９】
本発明は、気体分離システムの出口で供給される窒素富化な混合気体の窒素純度と、気体分離システムの出口に供給される窒素富化な混合気体の残留酸素含有率それぞれが、「降下時間」と呼ばれる効果を持っている。この用語「降下時間」は、閉じた部屋の空間雰囲気を所定の不活性レベルに調節するために要求された時間長さを言う。
【００１０】
特に、窒素純度が増すと気体分離システムの空気比が急激に上昇することが、ここで認識される。
【００１１】
用語「空気比」は、単位時間当たりに気体分離システムの出口に供給される窒素富化な気体の体積に対する、単位時間当たりに気体分離システムに供給される初期混合気体の体積比を言う。窒素発生器は、通常、気体分離システムの出口において任意の窒素純度の選択ができ、同様に窒素発生器自体でも設定することができる。窒素純度が低く設定されると、窒素発生器の稼動コストが小さくなることは一般に妥当性がある。これにより、気体分離システムの出口に窒素富化な混合気体を供給する際、コンプレッサを比較的短時間だけ運転することができるようになる。
【００１２】
しかしながら、部屋を不活性にする場合、不活性化システムの稼動コストに関しては、他の付加的な要因を考慮する必要がある。そのような要因は特に、所定の不活性レベルに到達するまで閉じた部屋の空間雰囲気中の酸素を、気体分離システムの出口に窒素富化な混合気体を供給して置換し、維持するパージ係数を含んでいる。これらのパージ係数は、単位時間当たりに気体分離システムによって供給された窒素富化な気体の体積、閉じた部屋の空間体積、および閉じた部屋の空間雰囲気にその時点で広がっている酸素含有量と所定の不活性レベルに対応する酸素含有量との間の差異を含んでいる。ここで考慮すべきことは、降下時間の観点から、パージ運転速度が速くなると窒素富化な混合気体の残留酸素含有率が低くなるので、気体分離システムの出口に供給された混合気体の窒素純度と窒素富化な混合気体の酸素含有率がそれぞれ、同様に重要な役割を演ずることである。
【００１３】
ここで使用される用語「気体分離システム」は、少なくとも「酸素」および「窒素」成分を含む初期混合気体において分離することにより酸素富化気体にする効果が得られるシステムだけでなく窒素富化気体にする効果が得られるシステムとしても理解される。この気体分離システムを機能させるには、通常、気体分離膜の効果に基づく。本発明に使用される気体分離システムは、主として初期混合気体から酸素を分離するよう設計されている。このタイプの気体分離システムは、しばしば「窒素発生器」と呼ばれる。
【００１４】
このタイプの気体分離システムは、例えば、初期混合気体（例えば酸素、窒素、希ガスなど）に含有される異なる成分が、それら成分の分子構造に基づいて異なる速度で膜を通過して拡散する膜モジュールなどを使用する。中空繊維膜をその膜として使用することができる。酸素、二酸化炭素および水素は高い拡散速度を有しているため、膜モジュールを通過する際、相対的に早く初期混合気体から抜ける。低い拡散速度を持つ窒素は、膜モジュールの中空繊維膜を通って非常にゆっくり浸透するため、中空繊維／膜モジュールを通過すると高濃度になる。気体分離システムに存在する混合気体の窒素純度または残留酸素含有率はそれぞれ、その通過流速により決定される。圧力および流速を変化させて、気体分離システムにより要求された窒素純度および窒素必要量を調節することができる。特に窒素純度は、気体が膜を通過する速度（滞留時間）により調整される。
【００１５】
分離された酸素富化な混合気体は、通常、集められ、大気圧で環境中に放出される。圧縮された窒素富化な混合気体は、気体分離システムの出口に供給される。生成された気体の成分の分析は、残留酸素含有量を体積百分率で測定することにより確かめられる。窒素含有率は、１００％から残留酸素含有率を差し引いて計算される。その際、この値は窒素含有率または窒素純度として指定されるが、この成分フローには、窒素だけでなく、例えば希ガスなどの他の気体成分も含むので、現実には不活性含有率であるということを考慮に入れる必要がある。
【００１６】
気体分離システム、窒素発生器はそれぞれ、上流のフィルタ・ユニットにより不純物が取り除かれた圧縮空気が送り込まれる。原理上は、窒素富化な気体を供給するために、２つのモレキュラーシーブ・ベッドを利用する圧力スイング工程（ＰＳＡ技術）を用いることが考えられ、それにより２つのシーブはフィルタ・モードから発生モードに交互に切り換えられて窒素富化な気体のフローが生じる。
【００１７】
例えば、膜技術が窒素発生器に使用されると、異なる気体が異なる速度で材料を通って拡散することは一般知識で理解される。窒素発生器技術の場合、空気の主成分、すなわち窒素、酸素および水蒸気の異なる拡散速度が、窒素と窒素富化な空気それぞれのフローを生成するために使用される。詳細には、膜技術に基づく窒素発生器を技術的に実現するため、水蒸気および酸素の拡散に優れ、窒素に対しては低い拡散速度となる分離材料が、中空繊維膜の外側表面に適用される。そのような処理された中空繊維の内側を空気が通過すると、水蒸気および酸素は中空繊維壁を通って外向きに急速に拡散し、一方窒素は、大部分が繊維内に保持され、その結果中空繊維を通過する間に窒素がかなり多く集中する。この分離工程の有効性は、基本的に繊維内の流速および中空繊維壁に対する隔てられた圧力差に依存する。流速および／または中空繊維膜の内部と外部間の高い圧力差を低減すると、得られる窒素フローの純度が高くなる。一般に、膜技術に基づく窒素発生器はこのように、窒素発生器の空気分離システムの圧縮空気源により供給された圧縮空気の滞留時間の関数として、窒素発生器により供給された窒素富化な空気の窒素富化度合いを調整することができる。
【００１８】
その一方で、ＰＳＡ技術が窒素発生器に用いられる場合は、例えば、特別に処理された活性炭における大気の酸素と大気の窒素の異なる結合速度が利用される。用いられる活性炭の構造はそれによって多数の微細孔およびサブミクロン孔（ｄ＜１ｎｍ）を有する極めて大きな表面積になるように変えられている。そのような孔径で、空気の酸素分子は窒素分子より早くその孔の中に拡散するので、活性炭付近の空気は窒素富化となる。ＰＳＡ技術に基づく窒素発生器の場合、窒素発生器により供給された窒素富化な空気の窒素富化度合いは、このようにして膜技術に基づく発生器の場合と同様に、窒素発生器の圧縮空気源により供給された圧縮空気の滞留時間の関数として調整することができる。
【００１９】
上記のように本発明の解決策は、一方で、気体分離システムの空気比が、窒素純度を上げると急激に増加し、他方で、所定の不活性レベルに設定するため、閉じた部屋の空間雰囲気のその時点で広がっている酸素含有量と窒素富化な混合気体の残留酸素含有量との間の差異を小さくすると、不活性化システムのコンプレッサは、長時間運転しなければならない。したがって、気体分離システムのコンプレッサ上流側が最適な効率でそのオペレーティングポイントにデジタル的に駆動されるので、不活性状態にされる部屋に対して、部屋を一定の残留酸素含有率に設定するかどうか、あるいは新規の降下レベルに何時下げるかにかかる降下工程の時間長さに不活性化システムの電力消費が事実上直接比例することが考慮される。
【００２０】
それ故、例えば単に９０体積％の低い値が窒素純度に対して選択されると、不活性気体・システムは、不活性レベルを設定するために相対的に長時間の運転をしなければならない。窒素純度の値が例えば９５体積％に高められる場合、設定される不活性レベルの酸素含有率と気体分離システムの出口に供給される混合気体の残留酸素含有率との間の差異は同様に増加し、それによりコンプレッサの必要な運転時間を短縮し、不活性レベルの設定を含む不活性化システムの電力消費を低減するということに留意することが必要である。しかしながら、気体分離システムの出口における窒素純度を高くする環境では、ここで同様に効果を持つ空気比も必然的に増加する。不活性レベルを設定するために要求されるコンプレッサの運転時間または不活性化システムの電力消費に関しては、この環境はマイナスの効果を有している。窒素純度を高めることによる空気比がかなり増加する場合、このマイナス効果は広がる。
【００２１】
窒素純度に対して一定の値が選択される先行技術から知られている従来システムとは異なり、本発明による解決策は、閉じた部屋を不活性状態にすると、気体分離システムの出口に供給された残留酸素含有量および窒素富化な混合気体は、気体分離システムの窒素純度を要求時間に関して最適化される値に設定するように、閉じた部屋の空間雰囲気においてその時点で広がっている酸素含有量に、最適にまたは選択的に自動調整されることである。
【００２２】
本明細書で使用されるとき、「時間最適化窒素純度値」という語句は、気体分離システムの窒素純度または気体分離システムの出口に供給された残留酸素含有量および窒素富化な混合気体として理解されるべきものであり、不活性化システムで規定され、単位時間当たりの窒素富化な混合気体の体積が一定である窒素富化な混合気体は、現状の酸素含有量から定められた不活性レベルに対応する所定の酸素含有量に低下させるための最小時間期間を担う。
【００２３】
本発明の解決策の好ましい実施形態は、従属請求項に記載される。
【００２４】
本発明の不活性化方法の好ましい実施では、所定の特性曲線に従い好ましく自動設定されるように、残留酸素含有量と気体分離システムの窒素純度それぞれを用意して実現される。この特性曲線は、閉じた部屋の空間雰囲気の酸素含有量に関連する窒素富化な混合気体の残留酸素含有率の時間最適化された動きを示す。「残留酸素含有率の時間最適化された動き」の表現は、閉じた部屋の空間雰囲気の酸素含有率に依存している残留酸素含有率の時間最適化された値を表す。上記のように、残留酸素含有率の時間最適化された値は、気体分離システム用に選択される残留酸素含有率の値に対応し、その結果、本発明の不活性化方法では、閉じた部屋の空間雰囲気において通常の大気に比べて最短時間期間内で低減される所定の酸素含有率を設定することができる。
【００２５】
本発明の不活性化方法の好ましい実現で、閉じた部屋の空間雰囲気にその時点で広がっている酸素含有量の因子として残留酸素含有率が設定されることに従う特性曲線は、気体分離システム／不活性化システム用に予め定められる（測定または計算される）。
【００２６】
本発明の解決策は、閉じた部屋を最小の可能な稼動コストで不活性状態にすることができるように、その部屋の空間雰囲気にその時点で広がっている酸素含有量の関数として、気体分離システムの窒素純度と窒素富化な混合気体のそれぞれを好ましく自動調整することに関連するので、閉じた部屋の空間雰囲気の現在の酸素含有量を、直接または間接に連続的に、または所定の時間および／または所定の事象の際のいずれかで測定することが好ましい。さらに、窒素富化な混合気体の残留酸素含有率が所定の時間最適化された値に、連続的にまたは所定の時間におよび／または所定の事象の際に設定されるようにすることが好ましい。この所定の時間最適化された値は、この不活性化方法で、閉じた部屋の空間雰囲気の酸素含有率を、現在の酸素含有率にそれぞれに基づいた所定のドローダウンに出来る限り最短時間内に低下させることができる残留酸素含有率に対応するということである。
【００２７】
さらに、本発明の解決策の好ましい発展により、気体分離システムの窒素純度が、閉じた部屋の空間雰囲気にその時点で広がっている酸素含有量の関数として変化するばかりでなく、初期混合気体の酸素含有率もまた閉じた部屋の空間雰囲気にその時点で広がっている酸素含有量の関数として変化する。これは、気体分離システムに供給された初期混合気体が低減された酸素含有率を示すとき、気体分離システムの空気比が下げられるという知識を利用する。
【００２８】
このように、初期混合気体の供給に関して、本発明の解決策の好適な実現では、閉じた部屋内から大気の一部を制御して排気し、部屋の空気における排気された分に新鮮な空気を制御して供給する。窒素富化な気体の供給またはその大気の一部を排気することによる閉じた部屋の内部圧力の変化を防止するため、部屋から排気された大気に混ぜられた新鮮な空気量は、単位時間当たりに部屋から排気される大気量が、気体分離システムの出口に供給され、単位時間当たりに閉じた部屋の空間雰囲気にパイプで送られる窒素富化な混合気体の体積に等しくなるように選択される。
【００２９】
以下、添付の図面を用いて本発明の不活性化システムの好ましい実現について説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る不活性化システムの概略図である。
【図２】本発明の第二の実施形態に係る不活性化システムの概略図である。
【図３】本発明の第三の実施形態に係る不活性化システムの概略図である。
【図４】図１，２または３による不活性化システムにおいて窒素純度に対する空気比のグラフ、および窒素純度に対する降下時間のグラフ、特に酸素含有率が元の１７．４体積％から１７．０体積％に低下する場合、および酸素含有率が元の１３．４体積％から１３．０体積％に低下する場合のグラフを示す。
【図５】図１，２または３による不活性化システムにおいて閉じた部屋の空間雰囲気における現在の酸素含有量に対する時間最適化された窒素純度のグラフである。
【図６】図１，２または３による不活性化システムにおいて、初期混合気体から酸素の少なくとも一部を分離し、それにより気体分離システムの出口に窒素富化な混合気体を供給するために、気体分離システムに供給された初期混合気体の酸素含有量に対する気体分離システムの空気比のグラフである。
【図７】本発明の解決策において閉じた部屋の空間雰囲気の酸素含有量を低下させて実現できるエネルギー節約のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図１は、本発明による不活性化システム１の第一の実施形態を図式的表現で示す。記載の不活性化システム１は、閉じた部屋２の空間雰囲気において予め規定した不活性レベルに設定し、それを維持する役割を果たす。閉じた部屋２は、火災に対する予防的防護措置として、例えば１２体積％あるいは１３体積％の特定の不活性レベルに大気の酸素含有量を低下させて維持する貯蔵室などである。
【００３２】
閉じた部屋２は、制御機器５を用いて選択的に自動的に不活性状態にされる。この目的のために、図１に示した実施形態による不活性化システム１は、コンプレッサ３および窒素発生器４により構成される気体分離システムを含む。コンプレッサ３は、少なくとも酸素と窒素成分を含む窒素発生器４に、圧縮した初期混合気体を供給する。そのために、コンプレッサ３の出口は、窒素発生器４に圧縮した初期混合気体を供給するようにライン系統１７を用いて窒素発生器４の入口に接続される。コンプレッサ３の出口の初期混合気体を、例えば７．５〜９．５バール、好ましくは８．８バールの圧力に圧縮することが考えられる。
【００３３】
窒素発生器４は、例えば中空繊維膜モジュールなどの少なくとも１つの膜モジュール１９を含み、コンプレッサ３により供給された初期混合気体は圧縮され、適用可能なフィルタ１８を通過した後、そのモジュール１９を通る。膜モジュール１９内部において、初期混合気体（特に酸素と窒素）に含まれる異なる成分は、それらの分子構造に従い異なる速度で膜モジュール１９の中空繊維膜を通過して拡散する。気体分離は、窒素が低い拡散速度で中空繊維膜を非常にゆっくり貫通し、その際、それが通過すると膜モジュール１９の中空繊維膜で濃縮されるという周知の動作原理に基づいている。その結果、窒素富化な混合気体が窒素発生器４の出口４ａに供給される。この窒素富化な混合気体−同様に、窒素発生器４の入口に供給された初期混合気体−は圧縮状態であるが、窒素発生器４の少なくとも１つの膜モジュール１９を通過すると、例えば１．５〜２．５バールの圧力低下を引き起こす。
【００３４】
図１に明確には示されていないが、窒素発生器４で分離された酸素富化な混合気体は、集められて大気圧で周囲に放出される。
【００３５】
窒素発生器４の出口４ａに供給された窒素富化な混合気体は、閉じた部屋２の空間雰囲気の酸素含有量を低下させるために、また窒素富化な気体を調整することにより部屋２において予め設定した低下レベルを維持するために、供給ライン７を通じて閉じた部屋２に供給される。
【００３６】
閉じた部屋２の内部圧力は、窒素富化な混合気体の供給に伴って変化しないため、適切な圧力開放が行われる。これは、例えば、圧力開放弁（図１に図示せず）を独立して開きおよび／または閉じるようにすることにより実現される。一方、圧力開放のためには、部屋２を不活性状態にする際、放出された大気を戻りライン系統９を介して混合チャンバ６に供給することが考えられる。
【００３７】
閉じた部屋２から放出された大気は、戻りライン９の第一の入口９ａを介して混合チャンバ６に供給される。混合チャンバ６はさらに、新鮮空気を混合チャンバ６に供給するための供給ライン系統８に開く第二の入口８ａを含む。初期混合気体は、混合チャンバ６に準備され、コンプレッサ３で圧縮され、少なくとも一部の酸素が気体分離システム（窒素発生器４）内で分離される。このため、混合チャンバ６の出口は、適切なライン系統１５によりコンプレッサ３の入口に接続される。
【００３８】
詳細には、制御機器５を用いて制御可能な第一弁１１は、戻りライン系統９に設けられ、具体的には閉止弁として実現され、同様に制御機器５を用いて制御可能な第二弁１０は、新鮮空気供給ライン系統８に、具体的には閉止弁の様式で設けられる。そうすることにより、それぞれの弁１０，１１を適切に作動させた状態で、部屋２から排気された空気に混合された新鮮空気量は、単位時間当たりに部屋２から排気された空気量が、閉じた部屋の空間雰囲気にパイプで送られるように窒素発生器４の出口４ａに供給される単位時間当たりにの窒素富化な混合気体量に等しくなるように選択される。
【００３９】
図１に概略的に図示された本発明の実施形態による不活性化システム１は、不活性化システム１の制御可能な構成部品に対応して接続されている上記の制御機器５により特徴付けられ、気体分離システム３，４の出口４ａで供給された窒素富化な混合気体が、閉じた部屋２の空間雰囲気にその時点で広がっている酸素含有量に依存する残留酸素含有率を示すように、窒素発生器４、気体分離システム３，４をそれぞれ自動制御するよう設計されている。具体的には、本発明の好ましい不活性化システム１は、酸素測定システム１６を用いて測定される閉じた部屋２の空間雰囲気の残留酸素含有量に依存して、窒素富化な混合気体は、１０．００体積％〜０．０１体積％の間の残留酸素含有率を示し、窒素富化な混合気体の残留酸素含有率は、閉じた部屋の空間雰囲気の酸素含有率が低下するのに伴って減少する。
【００４０】
この目的のために、本発明の不活性化システム１は、閉じた部屋２の空間雰囲気の現在の酸素含有量を測定または検出するための上述の酸素測定システム１６に加えて、さらに窒素発生器４の出口４ａに供給される窒素富化な混合気体の残留酸素含有量を測定し、また窒素発生器４の出口４ａに供給される混合気体の窒素純度を測定するための残留酸素含有量測定システム２１を含む。双方の測定システム１６，２１は、制御機器５に対応して接続される。
【００４１】
図２は、本発明の第二の実施形態による不活性化システム１の概略図を示す。第二の実施形態による不活性化システム１は特に、例えば冷蔵室あるいは冷蔵倉庫などの空調管理された部屋を可能な限り経済的に所定の不活性レベルに設定し、維持するのに適している。図２に示した実施形態による不活性化システム１の構造および機能は、繰り返しを避けるため、図１を参照して上述した構造および機能に基本的に対応するので、以下にその相違についてのみ記載する。
【００４２】
図２に示したように、空調管理された部屋２の最も経済的な不活性化に対して、部屋２と混合チャンバ６間の戻りライン系統９に熱交換システム１３を設けることが好ましい。さらに、図２に示したように、閉じた部屋２から排気された冷却された大気が混合チャンバ６にパイプで送られる前に、戻りライン系統９を介して熱交換システム１３に送られる際に戻りライン系統９の凍結を防止するために、戻りライン系統９が適切な断熱材２０により少なくとも部分的に覆われているという利点を有する。熱交換システム１３は、必要に応じてサポート用のファン１４を含むことが可能であり、それにより大気は圧力低下なしに閉じた部屋２の空間雰囲気から排気される。
【００４３】
熱交換システム１３は、部屋から排気され、冷却された大気を適切に暖めるために、コンプレッサ３の動作の結果生じた排熱の少なくとも一部を利用する。排気された大気の温度を窒素発生器４の機能および効率の点で有利な例えば２０℃の適温に上昇させるために、例えば水などの熱交換媒体を用いて、コンプレッサ３の排気の熱エネルギーの少なくとも一部を部屋から排気された空気に伝達するフィンコイル熱変換器などの熱変換システム１３として種々のシステムが用いられる。
【００４４】
閉じた部屋２から排気された大気は、熱変換システム１３を通してフィルタ処理された後、戻りライン系統９の第一入口９ａを介して混合チャンバ６に送られる。混合チャンバ６はさらに、供給ライン系統８により新鮮空気を混合チャンバ６に供給するための第二の入口８ａを含む。コンプレッサ３で圧縮され、酸素の少なくとも一部が気体分離システム（窒素発生器４）内で分離される初期混合気体は、混合チャンバ６において提供される。このため、混合チャンバ６の出口は、適切なライン系統１５を用いてコンプレッサ３の入口に接続される。
【００４５】
図３は、本発明の第三の実施形態による不活性化システム１の概略図を示す。図３に示した実施形態による不活性化システム１の構造および機能は、繰り返しを避けるため、図１を参照して上述した不活性化システムの構造および機能に基本的に対応するので、以下にその相違についてのみ記載する。
【００４６】
図３に示したようにこの実施形態において、図１による実施形態で特に閉止弁として構成され、新鮮空気供給ライン系統８、戻りライン系統９それぞれに設けられる２つの弁１０，１１は、不活性化システム１の構造を単純化するため、１つの３方弁１０’に置き換えられ、この３方弁１０’は制御機器５を用いて制御可能である。
【００４７】
図３の実施形態に示した混合チャンバは、さらに、フィルタ６’として実現される。フィルタ６’として実現される混合チャンバは、２つの機能を果たす。すなわち、第一に、初期混合気体を提供し、新鮮空気供給ライン系統を介して供給された新鮮空気を戻りライン系統９により供給される部屋２から排気された大気に混合することである。第二に、フィルタ６’として実現された混合チャンバは、コンプレッサ３で圧縮される前に、提供された初期混合気体をフィルタ処理する役目を果たす。これにより、コンプレッサ３の入口への追加フィルタが省略される。
【００４８】
図４〜６のグラフを参照して以下に詳細に示されているように、窒素発生器４の窒素純度を適切に調整し、また気体分離システム４の出口４ａで供給される窒素富化な混合気体を適切にそれぞれ調整することにより、要求される時間の観点で最適化された方法で、閉じた部屋の空間雰囲気において所定の降下レベルが設定され得る。したがって、本発明の解決策では、これにより、閉じた部屋を不活性状態にする際に、閉じた部屋の空間雰囲気のその時点の酸素含有率を関数として窒素発生器４の窒素純度が設定され、調整される。
【００４９】
窒素純度は、窒素発生器４の少なくとも１つの膜モジュール１９内の初期混合気体の滞留時間を変動させることにより変化させることができる。これによって、例えば膜モジュール１９の出口において適当な制御弁２４を用いることにより、膜モジュール１９を通して流量および背圧を制御することが考えられる。膜における高い圧力および長い滞留時間（低い流量）は、窒素発生器４の出口４ａでの高い窒素純度をもたらす。
【００５０】
時間最適化された値は、不活性化システムが可能な最短時間内に、閉じた部屋２を所定の不活性レベルに設定し、維持することができるそれぞれの窒素純度に対して選択されることが好ましい。閉じた部屋の空間雰囲気の所定の不活性レベルを設定し、維持する際、適切な時間最適化された値を用いることにより、降下工程（連続する一定の残留酸素含有量を制御するかどうかあるいは新規の降下レベルにいつ低下させるか）に要求される時間を短縮することができ、またコンプレッサ３が最適化された効率でそのオペレーティングポイントにデジタル的に運転されるので（イン／アウト）、不活性システムによって必要とされるエネルギーをも低減させることができる。
【００５１】
図１または２に示した実施形態による不活性化システム１は、さらにコンプレッサ３と、通常の大気の酸素含有率（すなわち約２１体積％）より低い酸素含有率を示す初期混合気体を含む窒素発生器４とを備える気体分離システムをもたらす混合チャンバ６により特徴付けられる。特に、この目的のため上記の戻りライン系統９が設けられ、閉じた部屋２の大気の少なくとも一部が、制御機器５により調整する方法で弁１１を通って混合チャンバ６に供給される。このように、閉じた部屋において酸素含有率がすでに低下している場合、戻りライン系統９は、通常の大気に比べて窒素富化された混合気体を混合チャンバ６に供給する。コンプレッサ３と窒素発生器４それぞれに、必要とされる体積の初期混合気体を供給するために、部屋の大気のこの一部は、混合チャンバ６の供給空気と混合される。初期混合気体の酸素含有率は、気体分離システムと窒素発生器４それぞれの空気比に影響を及ぼし、また窒素発生器４の窒素純度に対して時間最適化された値にも影響を及ぼすので、図１に示した本発明の不活性化システム１の実施形態は、出力混合気体の酸素含有量を測定するために、混合チャンバ６の出口とコンプレッサ３の入口間のライン系統１５に酸素測定システム２２を備えている。さらに、供給空気および窒素富化された部屋の酸素含有量を、連続的にまたは所定の時間に、あるいは所定の事象時に測定するために、戻りライン系統９と新鮮空気供給ライン８それぞれに、対応する測定システム２３，２４を任意で備えることが考えられる。測定された値に基づいて、初期混合気体（特に酸素含有量の観点で）の組成を、弁１０および／または１１の対応する動作により適切に制御することができる。
【００５２】
図１または図２に概略的に示した不活性化システム１を備える本発明による解決策の動作モードは、図４〜６に示したグラフを参照して以下に説明される。図１または２に概略的に示した不活性化システム１について、前提条件として閉じた部屋２の空間体積は１０００ｍ３である。さらに、不活性化システム１は、窒素発生器４の出口４ａで、１時間当たり最大総量４８ｍ３を供給するように設計されていることを想定している。
【００５３】
図４は、図１または図２に概略的に示した不活性化システム１に用いた窒素発生器４に関し、異なる窒素純度に対する空気比のグラフを示す。これに関連して、窒素発生器４の出口４ａに供給される窒素富化な混合気体の残留酸素含有率が減少すると、空気比は急激に増大することに留意すべきである。具体的には、１０体積％（窒素純度９０％）の残留酸素含有率で、空気比は約１．５であり、これは、初期混合気体ｍ３当たり、体積０．６７ｍ３の窒素富化な混合気体を、窒素発生器４の出口４ａに供給できることを意味する。この関係は、図４のグラフから分かるように、窒素純度を高めるとともに減少する。
【００５４】
図４はさらに、異なる窒素純度において、窒素純度を高めるとどのように調整降下時間が対応するか、空気比の経過を示している。具体的には、第一に、閉じた部屋２の空間雰囲気の酸素含有率を元の１７．４体積％から１７．０体積％に低下させるために、コンプレッサ３をどのくらい運転する必要があるかが示される。第二には、図１または２による不活性化システム１において、閉じた部屋の空間雰囲気の酸素含有率を、元の１３．４体積％から１３．０体積％に低下させるために、コンプレッサ３をどのくらい運転する必要があるかが示されている。
【００５５】
２つの降下時間（１７．４体積％→１７．０体積％の降下時間制御および１３．４体積％→１３．０体積％の降下時間制御）の比較により、１７．０体積％の不活性レベルを設定し、維持するため、コンプレッサ３の稼動時間は、約９３．３体積％の窒素純度が窒素発生器４で設定されるときに最小にできることが示されている。しかしながら、酸素含有率１３体積％の不活性レベルに設定し、維持するために時間最適化された純度は、窒素約９４．１体積％である。したがって、閉じた部屋の空間雰囲気に対する所定の不活性レベルを設定するための降下時間とコンプレッサ３の稼動時間はそれぞれ、窒素発生器４で設定される窒素純度と、窒素発生器４の出口４ａで供給される窒素富化な混合気体について窒素発生器４で設定される残留酸素含有率とに依存する。
【００５６】
窒素純度に関連のあるそれぞれの最小の降下時間は、以下では「時間最適化窒素純度」と呼ばれる。図５のグラフは、図１または２による不活性化システム１に対する時間最適化窒素純度を示す。具体的には、図１または２による不活性化システム１の気体分離システム３，４に適用する時間最適化純度は、閉じた部屋２の空間雰囲気における異なる酸素濃度に対して示されている。
【００５７】
図５の特性曲線から、窒素発生器４は、閉じた部屋２の空間雰囲気の酸素含有率を減少させると、気体分離システム３，４の出口４ａで供給される混合気体の残留酸素含有率が減少するように調整されることが直接推測できる。閉じた部屋２を不活性状態にする際、図５に示した窒素純度特性曲線に沿って窒素発生器が動作するとき、コンプレッサ３の最短の可能な稼働時間で、閉じた部屋２の空間雰囲気の所定の不活性レベルを設定、維持し、その結果可能な最低のエネルギー消費にすることができる。
【００５８】
図６は、気体分離システム３，４の空気比に関して初期混合気体の酸素含有率が及ぼす影響のグラフである。この図によれば、気体分離システム３，４の一定の窒素純度において、初期混合気体の酸素含有率が減少すると、空気比が低下する。上述のように、初期混合気体の最初の２１体積％（通常大気の酸素含有率）から酸素含有率を減少させるように、（すでに規定どおりに窒素富化された）部屋から大気の一部が調整された方法で混合チャンバ６に供給される戻り供給ライン９が、図１の概略図に従う不活性化システム１に設けられる。すでに窒素富化された部屋の空気は、このように気体分離システム３，４の空気比をさらに減少させるため、気体分離システム３，４の効率は向上し、所定の活性レベルを設定、維持するために必要なエネルギーもさらに低減することができる。
【００５９】
図６に示した特性曲線は、最適化された窒素供給が、初期混合気体および部屋２の酸素濃度がそれぞれにおいて可能にされることを図４および５のグラフが示す方法を用いる形で組み合わされることが好ましい。
【００６０】
図７は、本発明の解決策を用いて閉じた部屋の空間雰囲気の酸素濃度が低下される場合、閉じた部屋の空間雰囲気で設定された酸素含有率で達成可能なエネルギー節約を、計算実施例として示す。ここで考慮された事例は、一方で、時間最適化窒素純度が部屋の不活性化の間、窒素発生器の窒素純度として選択され、他方で、すでに窒素が添加された部屋の空気が、それによりさらに窒素発生器の空気比を減少させ、その効率を増大させるように再循環された一例である。
【００６１】
本発明は、添付図面の説明により記載した実施形態に限定されるものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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