(57)【要約】【課題】本発明は、複数用途に使用される工場エアーを用いることにより、エネルギーロスを小さくしたガス発生装置及びそのシステムを供給することを目的とする。【解決手段】本発明は、ブースタ圧縮機により昇圧した工場エアーを気体分離装置に供給し、前記気体分離装置から所定のガスを取り出すことを特徴とする。また、本発明におけるガス発生装置は、ブースタ圧縮機により工場エアーを昇圧する昇圧工程と、前記昇圧された空気を気体分離装置により分離する分離工程とにより所定のガスを取り出すガス発生装置を提供するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
工場エアーをブースタ圧縮機により昇圧し、前記ブースタ圧縮機により昇圧した圧縮空気を気体分離装置に供給し、前記気体分離装置により分離された所定のガスを取り出すガス発生装置。
【請求項２】
前記気体分離装置は、前記ブースタ圧縮機により圧縮された空気を吸着槽に導入し、前記吸着槽を昇圧させ、前記吸着槽の吸着剤に前記所定のガス以外のガスの分子を吸着させることにより、前記所定のガスを分離して取り出すＰＳＡ式気体分離装置であることを特徴とする請求項１に記載のガス発生装置。
【請求項３】
前記気体分離装置は複数の吸着槽を有することを特徴とする請求項２に記載のガス発生装置。
【請求項４】
前記ブースタ圧縮機の吐出口と前記気体分離装置の空気供給口との間にエアードライヤーを備えた請求項１に記載のガス発生装置。
【請求項５】
前記工場エアーは、バッファータンクに貯留され、複数用途に使用される圧縮空気であることを特徴とする請求項１に記載のガス発生装置。
【請求項６】
請求項１乃至５に記載のガス発生装置を１つの筐体の中に収めたガス発生システム。
【請求項７】
ブースタ圧縮機により工場エアーを昇圧する昇圧工程と、
前記昇圧された空気を気体分離装置により分離する分離工程とにより所定のガスを取り出すガス発生装置。
【請求項８】
前記分離工程では、
前記ブースタ圧縮機により圧縮された空気のうち、前記所定のガス以外のガスの分子を吸着槽に吸着させる吸着工程と、
前記吸着槽から前記所定のガスを取り出す取出工程と、
前記吸着槽に吸着した分子を脱着させる再生工程と、
を行うことを特徴とする請求項７に記載のガス発生装置。
【請求項９】
前記分離工程では取出工程の後に複数の吸着槽の均圧化を行う均圧工程を行うことを特徴とする請求項８に記載のガス発生装置。
【請求項１０】
前記場エアーは、バッファータンクに貯留され、複数用途に使用される圧縮空気であることを特徴とする請求項７に記載のガス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
窒素または酸素等の製品ガスを空気から抽出する装置、またはそのシステム
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載の窒素ガス発生装置は、専用空気圧縮機および専用ドライヤを利用し、大気圧（０ＭＰａ）から必要な圧力（０．９３ＭＰａ）まで昇圧し、圧縮された空気を気体分離装置（ＰＳＡ式、膜式）に供給接続し、窒素ガスを発生させていた。
【０００３】
また、特許文献２に記載の空気を分離するための装置は空気圧縮機によって圧縮された空気を冷却し、更にブースター圧縮機で圧縮して、精留塔に供給し酸素、窒素を分離していた。
【０００４】
また、特許文献３には、従来におけるブースタ圧縮機が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−５７２４１
【特許文献２】特開平１０−５４６５７
【特許文献３】特開２００９―１３３２８２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の窒素ガス発生装置は、専用空気圧縮機および専用ドライヤを利用しているため、窒素ガスの発生量に応じた大きな出力が必要であり、エネルギーロスが大きい。
【０００７】
また、特許文献２に記載の空気を分離するための装置は専用の空気圧縮機を利用しているため、ブースタ圧縮機に圧縮空気を供給する際の冷却が必要となり、エネルギーロスが大きい。
【０００８】
本発明は、複数用途に使用される工場エアーを用いることにより、エネルギーロスを小さくしたガス発生装置及びそのシステムを供給することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した課題を解決するために本発明におけるガス発生装置は、工場エアーをブースタ圧縮機により昇圧し、前記ブースタ圧縮機により昇圧した圧縮空気を気体分離装置に供給し、前記気体分離装置から所定のガスを取り出すことを特徴とする。
【００１０】
また、他の観点における本発明におけるガス発生装置は、ブースタ圧縮機により工場エアーを昇圧する昇圧工程と、前記昇圧された空気を気体分離装置により分離する分離工程とにより所定のガスを取り出すガス発生装置を提供するものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、複数用途に使用される工場エアーを用いることにより、従来のガス発生装置に比べ、小さなエネルギーロスで所定のガスを発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例１によるガス発生システムを示す図である。
【図２】本発明の実施例２によるガス発生システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１３】
図１は本発明の実施例１におけるガス発生システムを示す。
【００１４】
図１に示すガス発生システムは、工場エアー１を利用して、ブースタ圧縮機２により工場エアーを昇圧し、ブースタ圧縮機２により昇圧した圧縮空気をエアードライヤー３と気体分離装置４とに供給し、供給された気体を分離して所定のガスを取り出すものである。図１において、配管１１は工場エアーの空気槽（バッファータンク）２１の吐出口から出ており、ブースタ圧縮機２の吸込口に連結されている。配管１２はブースタ圧縮機２の吐出口から出ており、エアードライヤー３の空気入口に連結されている。配管１３はエアードライヤー３の空気出口から出ており、気体分離装置４の空気供給口に連結されている。
【００１５】
ここで、工場エアー１とは、バッファータンク２１に貯留され、複数用途に使用される圧縮空気をいう。工場エアー１は、ピストン式の往復動型圧縮機やスクロール式の回転型圧縮機、斜板式の圧縮機、スクリュー式の回転型圧縮機等で圧縮されることにより生成される。基本的には油分のない空気を使用する。油分を含む場合にはフィルタを設置することにより対応する。工場エアー１は、本発明におけるガス発生システムを含め、複数の用途に使用される。従って、特許文献２に記載の空気を分離するための装置では、ブースタ圧縮機で圧縮するために専用の空気圧縮機を用いて空気を圧縮していたが、本実施例では、工場エアー１の圧力まで圧縮するための専用の圧縮機が不要となる。従って、専用の圧縮機を設置するスペース・コストが不要となるため、システム・装置全体としての省スペース化・低コスト化を実現できる。工場エアー１は、通常の圧縮機におけるタンクよりも大きいバッファータンク２１に貯留されるため、圧縮によって発熱してもすぐに常温に戻る。従って、特許文献２に記載の空気を分離するための装置とは異なり、ブースター圧縮機２で工場エアーを圧縮する前に圧縮空気を冷却する必要がない。従って、冷却のための装置を設置するスペース・コストが不要となるため、システム・装置全体としての省スペース化・低コスト化を実現できる。また、冷却に必要なエネルギーロスを少なくすることができ、装置全体としての省エネルギー化を実現できる。
【００１６】
ブースタ圧縮機２は、例えば、特許文献３に示されるように、外部のエア供給源（圧縮気体供給源）から大気圧よりも高圧に昇圧された一次側圧縮エア（一次側圧縮気体）が導入配管を介して導入され、これをさらに圧縮し圧力を高めて二次側圧縮エア（二次側圧縮気体）として吐出配管を介して供給先に向け吐出するものである。ここで、ブースタ圧縮機は例えば、駆動源によって駆動されたクランク機構によりピストンを往復動させることにより空気を圧縮する。ここで、ブースタ圧縮機は大気圧よりも高圧に昇圧された空気をさらに圧縮するものであるため、大気圧を圧縮する通常の圧縮機と比較して駆動負荷を低減させることが要請されてきた。駆動負荷の低減の方法としては、例えば、特許文献３に示される方法も含めて、具体的には、パイロットバルブ、逃がし弁、ストップバルブといった方法がある。
【００１７】
気体分離装置４は、例えば、窒素ガスを生成するＰＳＡ式気体分離装置である。また、本実施例では、酸素分子を吸着して窒素ガスを生成する気体分離装置として気体分離装置４を説明するが、窒素ガスに限らず、他のガスを分離して生成する気体分離装置であってもよい。気体分離装置４は、酸素分子を吸着する吸着剤が充填された吸着槽２３を有しており、吸着槽に圧縮機で生成された圧縮空気が供給されると、吸着槽内が昇圧することにより窒素分子以外のガス分子である酸素分子が吸着されて窒素分子が分離され、窒素分子を取り出すことができる。ここで、酸素分子の吸着効率を上げるためには、吸着槽内に供給する圧縮空気を高くする必要がある。これにより、酸素分子の吸着効率を上げ、より高純度の窒素ガスを分離して取り出すことができる。そして、ＰＳＡ式気体分離装置において、分離された窒素ガスは、ガス供給配管を介して窒素ガス槽２４に供給される。ここでは、吸着槽２３は１つであってもよいが、図１に示すように２つ以上設けることにより、ある吸着槽を吸着を行っている間に他の吸着槽で脱着を行うといったことが可能となる。つまり、吸着槽２３を複数設けることにより、効率よく窒素ガスを分離することができる。
【００１８】
窒素ガス槽２４の吐出口に接続された配管１５には、塵埃等を除去するとともにガスの圧力を調整するフィルタレギュレータ３１、流路を開閉する吐出弁３２、ガスの流量を調整する流量調整弁３３が設けられている。
【００１９】
配管１６のフィルタレギュレータ３１と吐出弁３２との間位置には配管１７および配管１８が接続されており、配管１７には、配管１６側から順に、流路を開閉する開閉弁３４と、ガスの流量を調整する流量調整弁３５と、サイレンサ３６とが設けられている。配管１８には、配管１６側から順に、流路を開閉する開閉弁３７と、ガスの流量を調整する流量調整弁３８と、酸素濃度を検出する酸素センサ３９とが設けられている。
【００２０】
酸素センサ３９は制御部６０に通信可能に接続されており、検出信号を制御部６０に出力する。また、駆動用電磁弁５０、供給弁５１、排気弁５５、下均圧弁５３、上均圧弁５４、取出弁５２、吐出弁３２、流量調整弁３３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。
【００２１】
（圧縮空気の分離工程）
ここで、気体分離装置４で行われる圧縮空気の分離工程について説明する。圧縮空気の分離工程は、以下の（ａ）〜（ｄ）の工程を順次行うように構成されている。
【００２２】
（ａ）吸着工程：ブースタ圧縮機２により昇圧され空気槽２２に貯留された圧縮空気を、供給弁５１を開くことで、吸着剤が充填された吸着槽２３に導入するとともに、窒素槽２４内に残存する窒素ガスを、取出弁５２を開くことで吸着槽２３に還流して吸着槽２３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。
【００２３】
（ｂ）取出工程：吸着工程から引き続いて、空気槽２２から圧縮空気を吸着槽２３に導入し続けると同時に、吸着剤により分離生成された窒素ガスを吸着槽２３より取り出して窒素槽２４に貯留させる工程。
【００２４】
（ｃ）均圧工程：下均圧弁５３および上均圧弁５４の開閉により取出工程終了後の均圧化を図り、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。
【００２５】
（ｄ）再生工程：均圧工程終了後の吸着槽２３内の排気弁５５を開くことにより配管１４、排気サイレンサ５６を介して大気開放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５５以外の吸着槽２３に関連する供給弁５１、下均圧弁５３、上均圧弁５４および取出弁５２は、閉状態とする。
【００２６】
制御部６０は、これらの各工程（ａ）〜（ｄ）の切り替えを、あらかじめ設定された時間、あるいは空気槽２２、吸着槽２３および窒素槽２４等の圧力条件に基づいて、吸着槽２３に配置された供給弁５１、排気弁５５、下均圧弁５３、上均圧弁５４および取出弁５２の開閉を制御することにより行う。しかも、各工程（ａ）〜（ｄ）の切り替えを、各吸着槽２３毎に繰り返し行い、各吸着槽２３における工程が連携して実行されるように、すなわち、一方の吸着槽２３で吸着工程および取出工程が完了し、他方の吸着槽２３で再生工程が完了した後、均圧工程を行うように、制御部６０は制御する。
【００２７】
なお、（ｃ）均圧工程は吸着槽２３が１つの場合は不要である。
【００２８】
ここで、特許文献１に記載の従来の窒素ガス発生装置では、発生させた窒素ガスの吐出圧力を得るため、大気圧（０ＭＰａ）から必要な圧力（０．９３ＭＰａ）まで昇圧し、気体分離装置に供給するため、窒素ガスの発生量に応じた圧力、風量の大出力の圧縮機が必要であった。一方、以上説明したように本実施例におけるガス発生装置はブースタ圧縮機２において工場エア−１を昇圧する昇圧工程と昇圧された圧縮空気を気体分離装置４によって分離する分離工程とによって窒素ガスを取り出している。
【００２９】
本実施例では、気体分離装置４として、ＰＳＡ式気体分離装置について説明してきたが、原料空気を昇圧して液化し、液化した後に沸点の違いで期待を分離するＡＳＵ式分離装置を気体分離装置として適用してもよい。ＰＳＡ気体分離装置は、供給する気体の圧力を高くすることによって、吸着効率をより高くすることができる。従って、ＰＳＡ気体分離装置は、工場エアー１、ブースタ圧縮機２を用いることによって、高圧の圧縮空気を効率よく得ることができる本実施例の利点をＡＳＵ式気体分離装置よりも活かすことができる。
【００３０】
＜本実施例におけるエネルギー低減について＞
ここで、大気を工場エアー１の圧力（０．５ＭＰａ）まで昇圧し、ブースタ圧縮機２によってさらに１ＭＰａまで昇圧する本実施例におけるシステムのエネルギー低減効果について、専用の圧縮機によって大気圧から１ＭＰａまで昇圧する従来のシステムと比較して説明する。
【００３１】
従来のように大気（０ＭＰａ）６００Ｌ／ｍｉｎを専用の圧縮機によって１ＭＰａへ昇圧した場合の理論断熱空気動力は次の通りである。
【数１】
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【００３２】
次に本実施例において、大気（０ＭＰａ）６００Ｌ／ｍｉｎを工場エアー１の圧力（０．５ＭＰａ）へ昇圧した場合の理論断熱空気動力は次の通りである。
【数２】
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【００３３】
本実施例では大気を昇圧して得られた工場エアー１を利用して、ガス発生に必要なエアーについて、ブースタ圧縮機で昇圧し、ＰＳＡ式気体分離装置に供給する。
【００３４】
ここで、本実施例におけるシステムでは、工場エアー１は配管またはタンク内で自然冷却されており、温度は常温（２０℃）くらいまで冷やされる。
【００３５】
ここで、使用する工場エアーの温度は、２０℃であり、０．５ＭＰａでの吸込み状態での１ｍｉｎあたりの実風量は以下の通りである。
【数３】
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【００３６】
ここで、２０℃まで冷やされた工場エアー１（０．５ＭＰａ）１０８Ｌ／ｍｉｎを１ＭＰａへ昇圧した場合の理論断熱空気動力は以下の通りである。
【数４】
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【００３７】
ここで、従来のシステムにおける昇圧に要するエネルギー（1）と本実施例における昇圧に要するエネルギー（2）+（3）とを比較する。従来のシステムでは３．３３ｋＷに対し、本実施例におけるシステムは３．０４ｋＷとなっており、約９％のエネルギーを低減させることができる。
＜本実施例におけるドライヤの小型化について＞
次に、大気を工場エアー１の圧力（０．５Ｍｐａ）まで昇圧し、ブースタ圧縮機２によってさらに１ＭＰａまで昇圧する本実施例におけるシステムのドライヤの小型化について、専用の圧縮機によって大気圧から１ＭＰａまで昇圧する従来のシステムと比較して説明する。
【００３８】
（Ｉ）飽和湿分
まず、本実施例におけるシステムでは、常温まで冷えた工場エアー１（０．５ＭＰａ、温度２０℃）を使用するため、ブースタ圧縮機の吸込み空気は圧力０．５ＭＰａ、温度２０℃となる。飽和水蒸気量表より、温度２０℃、圧力０．１０１３ＭＰａのときの飽和湿分が１７．３ｇ／ｍ３であることから、温度２０℃、圧力０．５ＭＰａのときの飽和湿分は、
（数５）
１７．３／（０．５＋０．１０１３）・９．８  ＝  ２．９ｇ／ｍ３  ・・・（4）
即ち、本実施例では、温度２０℃、圧力０．５ＭＰａの工場エアー１をブースター圧縮機により圧縮しているため、飽和湿分が１７．３ｇ／ｍ３から２．９ｇ／ｍ３まで下がった空気をブースター圧縮機よって圧縮していることになる。即ち、本実施例におけるシステムは従来のシステムに比較して吸込み空気の飽和湿分を減らすことができる。そのため、本実施例におけるシステムでは従来のシステムと比較して、気体分離装置４に供給される圧縮空気中の水分を除去するためのドライヤを小型化することができる。
【００３９】
（ＩＩ）入気温度
次に温度２０℃，圧力０ＭＰａから１ＭＰａに昇圧した場合の吐出ガスの絶対温度は、
【数６】
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温度２０℃，圧力０．５ＭＰａから１ＭＰａに昇圧した場合の吐出ガスの絶対温度は
【数７】
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ブースタ圧縮機で昇圧することで、２３１℃の温度差が得られ、ドライヤ入気温度の低減が可能となる。これによりドライヤにて冷却のエネルギーが低減可能となる。・・・（5）
【００４０】
また上記温度差より求められる熱量は
【数８】
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【００４１】
よって２．７ｋＷのエネルギー低減となる。・・・（6）
（4）（5）（6）よりブースタ圧縮機の吸込み空気の湿分が少ないこと、ブースタ圧縮機の吐出空気の温度が低いことより本システムに使用するドライヤの小型化が可能となる。
【００４２】
従って、本実施例のように窒素ガス発生装置を構成することにより、従来の窒素ガス発生装置に比べて次のような効果が得られる。
【００４３】
まず、効率よく大量に作られた工場エアー１をブースタ圧縮機２により昇圧するようにしたので、大気圧から昇圧する従来のガス発生装置よりも、圧縮前後の圧縮空気の圧縮比を小さくできるため、高効率となり、少ないエネルギーで窒素ガスを得ることができる。また、窒素ガスを得るためだけに工場エア１の圧力まで上げるための専用の圧縮機が不要となるため、装置全体として省スペース化・低コスト化が実現できる。また、従来のガス発生装置で用いた圧縮機よりも小出力のブースタ圧縮機２を用いたため、供給装置の設置面積を小さくすることができる。また、常温まで冷えた工場エアー１を使用するため、大気圧から昇圧する場合に比べて発生熱を低く抑えることができ、設置場所における環境温度変化を小さく抑えることができる。また、常温まで冷えた工場エアー１を使用するため、大気圧から昇圧する場合に比べて吸込み空気の湿分が小さいため、ドライヤを用いて除湿する場合にドライヤの小型化を測ることができる。
【実施例２】
【００４４】
本発明の実施例２を図２に基づき説明する。本実施例では実施例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。
【００４５】
本実施例における窒素ガス供給システムは、でブースタ圧縮機、ドライヤ、気体分離装置のシステムを、１つの筐体の中に収めたものである。なお、圧縮機、ドライヤ、ＰＳＡと分けて構成してもよい。
【００４６】
本実施例のシステムのよれば、制御を１つの基板ででき、防音のための筐体を装置ごとに設ける必要がないため、省スペース化を実現できる。また、本実施例では、ブースタ圧縮機に供給される工場エアーは筐体の外から供給される。ここで、ＰＳＡを使用すると、ＰＳＡの周囲は酸素ガスが多くなり、窒素ガスが少なくなる。ＰＳＡに供給される圧縮空気に占める窒素ガスの割合が少なくなると、ＰＳＡによって窒素ガスを供給する効率が低くなる。しかし、本実施例のように窒素ガス供給システムを１つの筐体の中に収め、筐体の外から供給された工場エアーを用いることにより、長時間使用しても窒素ガスの供給効率を低下させることなく、窒素ガスを分離し、供給することができる。
【００４７】
なお、本実施例では、ピストン式の往復動型圧縮機や、スクロール式の回転型圧縮機、斜板式の圧縮機、スクリュー式圧縮機等の空気を昇圧可能な圧縮機であれば構わない。
【００４８】
また、本実施例の気体分離装置は、ＰＳＡ式、膜式のいずれでもよいし、一対以上の複数槽を持つ構成も可能である。さらに、ブースタ圧縮機及び気体分離装置のシステムを複数システム並列に接続し、必要に応じて製品ガスの吐出量を増やすことも可能である。
【００４９】
また、本実施例では、１つのパッケージにシステム全体を格納した例を説明したが、パッケージを複槽個持ち、装置毎に分かれてパッケージングされていてもよいし、それぞれをパッケージした後、すべてを連結して１つのパッケージにしてもよい。
【００５０】
また、分離する気体は、窒素ガスに限らず、酸素等の他気体でもよい。
【００５１】
また、工場エアーが油分を含む、または、ブースタ圧縮機が給油式の場合は、気体分離装置の上流側にフィルタ等を設置して油分を除去する構成としてもよい。なお、ブースタ圧縮機に吸い込まれる工場エアーの油分が事前に除去された状態であった場合は、ブースタ圧縮機は潤滑に油を用いないオイルフリータイプの圧縮機を選択できることは言うまでもなく、これにより本システム内ではオイルフィルターの設置を省略可能となり省スペース・低コストを可能とする。
【符号の説明】
【００５２】
１：工場エアー、２：ブースタ圧縮機、３：エアードライヤ、４：気体分離装置、
１１：配管、１２：配管、１３：配管、１４：配管、１５：配管、１６：配管、１７：配管、１８：配管、
２１：工場エアーの空気槽、２２：ブースタ圧縮機の空気槽、２３：吸着槽、２４：窒素ガス槽、
３１：フィルタレギュレータ、３２：窒素ガス吐出弁、３３：流量調整弁、３４：開閉弁、３５：流量調整弁、３６：サイレンサ、３７：開閉弁、３８：流量調整弁、３９：酸素センサ、
５０：駆動用電磁弁、５１：供給弁、５２：取出弁、５３：下均圧弁、５４：上均圧弁、５５：排気弁、５６：排気サイレンサ、６０：制御部
【図１】
2011167602.tif 000010
【図２】
2011167602.tif 000011