(57)【要約】【課題】コストを低減しながらガスを昇圧可能なガス昇圧方法及びガス昇圧装置を提供する。【解決手段】一実施形態に係るガス昇圧方法は、複数の吸着剤充填管を有する吸着塔１０にガス導入流路３０から原料ガスを導入するとともに、吸着塔に設けられている熱交換部２０内に冷媒を流すことで吸着剤を冷却して、原料ガスを吸着剤に吸着させる吸着工程と、熱交換部内に熱媒を流して吸着剤を加熱し、吸着剤から原料ガスを脱着させることによって原料ガスを吸着塔内で昇圧する昇圧工程と、昇圧された原料ガスを、吸着塔から第１ガス放出流路５０に放出し、第１背圧弁Ｖ４の第１設定圧力まで吸着塔内の圧力を放圧する第１放圧工程と、第１放圧工程の後、吸着塔内の原料ガスを、吸着塔から第２ガス放出流路５５に放出して、第２背圧弁Ｖ５の第２設定圧力まで吸着塔内の圧力を放圧する第２放圧工程と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス昇圧装置が備える吸着塔であって吸着剤が充填された複数の吸着剤充填管を有する前記吸着塔にガス導入流路から原料ガスを導入するとともに、前記吸着塔に一体的に設けられている熱交換部内に冷媒を流すことで前記吸着剤を冷却して、前記原料ガスを前記吸着剤に吸着させる吸着工程と、
前記熱交換部に熱媒を供給して前記吸着剤を加熱し、前記吸着剤から前記原料ガスを脱着させることによって、前記原料ガスを前記吸着塔内で昇圧する昇圧工程と、
昇圧された前記原料ガスを、前記吸着塔から第１ガス放出流路に放出し、前記第１ガス放出流路に配設された第１背圧弁の第１設定圧力まで前記吸着塔内の圧力を放圧する第１放圧工程と、
前記第１放圧工程の後、前記吸着塔内の前記原料ガスを、前記吸着塔から第２ガス放出流路に放出し、前記第２ガス放出流路に設けられた第２背圧弁に設定されており前記第１設定圧力より低い第２設定圧力まで前記吸着塔内の圧力を放圧する第２放圧工程と、
を備える、
ガス昇圧方法。
【請求項２】
前記ガス昇圧装置は、複数の前記吸着塔を備えており、
各前記吸着塔を用いて、前記吸着工程、前記昇圧工程、前記第１放圧工程及び前記第２放圧工程を順に実施し、
複数の前記吸着塔のうち少なくとも２つの前記吸着塔に対しては、前記吸着工程、前記昇圧工程、前記第１放圧工程及び前記第２放圧工程を異なるタイミングで実施する、
請求項１に記載のガス昇圧方法。
【請求項３】
前記ガス昇圧装置は、４つの前記吸着塔を備えており、
４つの前記吸着塔を第１吸着塔、第２吸着塔、第３吸着塔及び第４吸着塔と称した場合、
前記第１吸着塔、前記第２吸着塔、前記第３吸着塔及び前記第４吸着塔それぞれにおいて、前記吸着工程、前記昇圧工程、前記第１放圧工程及び前記第２放圧工程を含むサイクルを繰り返し実施し、
前記第１吸着塔において前記吸着工程を実施している間に、前記第２吸着塔において前記昇圧工程が実施され、前記第３吸着塔において前記第１放圧工程が実施され、及び前記第４吸着塔において前記第２放圧工程が実施されるように、前記第１〜第４吸着塔において、前記吸着工程、前記昇圧工程、前記第１放圧工程及び前記第２放圧工程を異なるタイミングで実施する、
請求項２に記載のガス昇圧方法。
【請求項４】
前記第１放圧工程では、前記熱交換部内に前記熱媒を流し、
前記第２放圧工程では、前記熱交換部内に前記冷媒を流す、
請求項１〜３の何れか一項に記載のガス昇圧方法。
【請求項５】
前記第２設定圧力は、前記原料ガスの前記吸着塔への導入時の前記吸着塔内の圧力である、
請求項１〜３の何れか一項に記載のガス昇圧方法。
【請求項６】
前記熱媒は、前記吸着塔の周囲の空気雰囲気からの自然入熱であり、
前記冷媒は、液化ガス気化設備で排熱された冷熱である、
請求項１〜５の何れか一項に記載のガス昇圧方法。
【請求項７】
前記第２放圧工程で放出された前記原料ガスを、前記第２ガス放出流路を介して前記ガス導入流路に戻す、
請求項１〜６の何れか一項に記載のガス昇圧方法。
【請求項８】
前記吸着剤がカーボンモレキュラーシーブ、ゼオライト及び活性炭の何れかである、
請求項１〜７の何れか一項に記載のガス昇圧方法。
【請求項９】
前記原料ガスが窒素ガス、酸素ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、アルゴンガス、または水素ガスである、
請求項１〜８の何れか一項に記載のガス昇圧方法。
【請求項１０】
温度変動吸着法によって原料ガスを昇圧するガス昇圧装置であって、
吸着剤が充填された複数の吸着剤充填管を有する吸着塔と、
前記吸着塔に一体的に設けられる熱交換部であって、前記熱交換部内に冷媒及び熱媒が流される前記熱交換部と、
前記吸着塔内に前記原料ガスを導入するためのガス導入流路と、
前記ガス導入流路に配設される第１開閉弁と、
前記吸着塔から放出された前記吸着塔内の前記原料ガスの一部を流す第１ガス放出流路と、
前記吸着塔から放出された前記吸着塔内の前記原料ガスの少なくとも一部を前記ガス導入流路に戻す第２ガス放出流路と、
前記第１ガス放出流路に配設される第１背圧弁と、
前記第１ガス放出流路において前記第１背圧弁と前記吸着塔の間に配設される第２開閉弁と、
前記第２ガス放出流路に配設される第２背圧弁と、
前記第２ガス放出流路において前記第２背圧弁と前記吸着塔の間に配設される第３開閉弁と、
を備える、
ガス昇圧装置。
【請求項１１】
並列に配置された複数の前記吸着塔を備え、
前記ガス導入流路は、複数の前記吸着塔が共有する第１配管を有し、
前記第１ガス放出流路は、複数の前記吸着塔が共有する第２配管を有し、
前記第２ガス放出流路は、複数の前記吸着塔が共有する第３配管を有し、
複数の前記吸着塔は、前記第１配管、前記第２配管及び前記第３配管に接続されている、
請求項１０に記載のガス昇圧装置。
【請求項１２】
並列に配置された４つの前記吸着塔を備える、
請求項１０又は１１に記載のガス昇圧装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス昇圧方法およびガス昇圧装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス昇圧方法は、産業を支える高圧ガスを製造する非常に重要な技術である。一般的なガス昇圧装置である電動圧縮機は、往復式、回転式、軸流式等、多岐に渡る圧縮原理で低圧の原料ガスを圧縮する。
【０００３】
しかしながら、高圧、高流量の圧縮ガスを製造するほどに運転動力が大きくなり、電気駆動のために高圧ガス製造のコストが高くなる。また、金属部品を駆動させて機械的にガスを圧縮しているため、ガス種によっては駆動部が脆化して破損するリスクがある。
【０００４】
このような不都合の解決策の一つとして、近年、電動昇圧機を用いずに非機械的に、低圧ガスを高圧ガスに昇圧する技術が広まりつつある。例えば、特開平９−２４９４０１号公報（特許文献１）では、水素吸蔵合金を用いて、水素吸蔵合金の水素吸蔵特性を利用して低圧水素から高圧水素を製造する水素圧縮技術が提唱されている。
【０００５】
また、特開２００６−２４２１４１号公報（特許文献２）では、水素吸蔵合金の代替として吸着剤を用いたガス昇圧方法が提唱されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２４９４０１号公報
【特許文献２】特開２００６−２４２１４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２の方法では吸着剤の充填容器を液化ガス冷媒中に浸漬するため、大量の吸着剤の熱交換を処理するためには大量の冷媒を必要とするために冷媒のコストが高くなるという問題があった。
【０００８】
そこで、本発明は、コストを低減しながらガスを昇圧可能なガス昇圧方法及びガス昇圧装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面に係るガス昇圧方法は、ガス昇圧装置が備える吸着塔であって吸着剤が充填された複数の吸着剤充填管を有する上記吸着塔にガス導入流路から原料ガスを導入するとともに、上記吸着塔に一体的に設けられている熱交換部内に冷媒を流すことで上記吸着剤を冷却して、上記原料ガスを上記吸着剤に吸着させる吸着工程と、上記熱交換部に熱媒を供給して上記吸着剤を加熱し、上記吸着剤から上記原料ガスを脱着させることによって、上記原料ガスを上記吸着塔内で昇圧する昇圧工程と、昇圧された上記原料ガスを、上記吸着塔から第１ガス放出流路に放出し、上記第１ガス放出流路に配設された第１背圧弁の第１設定圧力まで上記吸着塔内の圧力を放圧する第１放圧工程と、上記第１放圧工程の後、上記吸着塔内の上記原料ガスを、上記吸着塔から第２ガス放出流路に放出し、上記第２ガス放出流路に設けられた第２背圧弁に設定されており上記第１設定圧力より低い第２設定圧力まで上記吸着塔内の圧力を放圧する第２放圧工程と、を備える。
【００１０】
上記方法では、吸着工程で吸着剤を冷却することで原料ガスを吸着させた後、昇圧工程において、吸着剤を加熱して吸着剤から原料ガスを脱着する。吸着工程と昇圧工程における吸着剤の温度の違いによって吸着剤の吸着容量に違いが生じることから、昇圧工程で原料ガスを昇圧可能である。すなわち、上記ガス昇圧方法は、温度変動吸着法を利用した昇圧方法である。昇圧工程の後に、第１放圧工程を実施するので、昇圧工程で昇圧された原料ガスを取り出しながら、吸着塔内の圧力を下げられる。更に、第１放圧工程の後に、第２放圧工程を実施することで、例えば吸着工程、昇圧工程、第１放圧工程及び第２放圧工程を順に繰り返す場合、あるサイクルの第２放圧工程の後に次のサイクルの吸着工程に移行し易い。上記方法では、吸着塔に一体的に設けられた熱交換部に冷媒を流すことで吸着剤の冷却を行っている。そのため、少ない冷媒で吸着剤を効率的に冷却できる。その結果、原料ガスを昇圧するためのコストが低減できる。
【００１１】
一実施形態に係るガス昇圧方法において、上記ガス昇圧装置は、複数の上記吸着塔を備えており、各上記吸着塔を用いて、上記吸着工程、上記昇圧工程、上記第１放圧工程及び上記第２放圧工程を順に実施し、複数の上記吸着塔のうち少なくとも２つの上記吸着塔に対しては、上記吸着工程、上記昇圧工程、上記第１放圧工程及び上記第２放圧工程を異なるタイミングで実施してもよい。この場合、上記ガス昇圧方法によって、効率的に、昇圧された原料ガス（高圧ガス）を製造可能である。
【００１２】
一実施形態に係るガス昇圧方法において、上記ガス昇圧装置は、４つの上記吸着塔を備えており、４つの上記吸着塔を第１吸着塔、第２吸着塔、第３吸着塔及び第４吸着塔と称した場合、上記第１吸着塔、上記第２吸着塔、上記第３吸着塔及び上記第４吸着塔それぞれにおいて、上記吸着工程、上記昇圧工程、上記第１放圧工程及び上記第２放圧工程を含むサイクルを繰り返し実施し、上記第１吸着塔において上記吸着工程を実施している間に、上記第２吸着塔において上記昇圧工程が実施され、上記第３吸着塔において上記第１放圧工程が実施され、及び上記第４吸着塔において上記第２放圧工程が実施されるように、上記第１〜第４吸着塔において、上記吸着工程、上記昇圧工程、上記第１放圧工程及び上記第２放圧工程を異なるタイミングで実施してもよい。
してもよい。
【００１３】
この場合、第１〜第４吸着塔がそれぞれ吸着工程、昇圧工程、第１放圧工程及び第２放圧工程を含むサイクルを繰り返すことで、第１〜第４吸着塔の何れかにおいて第１放圧工程が実施される。そのため、昇圧された原料ガスを連続的に第１ガス放出流路から取り出し得る。
【００１４】
上記第１放圧工程では、上記熱交換部内に上記熱媒を流し、  上記第２放圧工程では、上記熱交換部内に上記冷媒を流してもよい。この場合、第１放圧工程において、所望の圧力の原料ガスを安定して第１ガス放出流路に放出でき、第２放圧工程の時間を短縮可能である。
【００１５】
上記第２設定圧力は、上記原料ガスの上記吸着塔への導入時の上記吸着塔内の圧力であり得る。この場合、上記吸着工程、上記昇圧工程、上記第１放圧工程及び上記第２放圧工程を順次実施した後、続けて吸着工程を実施し易い。
【００１６】
上記熱媒は、上記吸着塔の周囲の空気雰囲気からの自然入熱であり、上記冷媒は、液化ガス気化設備で排熱された冷熱であってもよい。この場合、熱媒及び冷媒のコストが低減されるので、原料ガスの昇圧に要するコストを更に低減できる。
【００１７】
上記第２放圧工程で放出された上記原料ガスを、上記第２ガス放出流路を介して上記ガス導入流路に戻してもよい。この場合、原料ガスを有効活用できる。
【００１８】
上記吸着剤の例は、カーボンモレキュラーシーブ、ゼオライト及び活性炭である。
【００１９】
上記原料ガスの例は、窒素ガス、酸素ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、アルゴンガス、または水素ガスである。
【００２０】
本発明の他の側面に係るガス昇圧装置は、温度変動吸着法によって原料ガスを昇圧するガス昇圧装置であり、吸着剤が充填された複数の吸着剤充填管を有する吸着塔と、上記吸着塔に一体的に設けられる熱交換部であって、上記熱交換部内に冷媒及び熱媒が流される上記熱交換部と、上記吸着塔内に上記原料ガスを導入するためのガス導入流路と、上記ガス導入流路に配設される第１開閉弁と、上記吸着塔から放出された上記吸着塔内の上記原料ガスの一部を流す第１ガス放出流路と、上記吸着塔から放出された上記吸着塔内の上記原料ガスの少なくとも一部を上記ガス導入流路に戻す第２ガス放出流路と、上記第１ガス放出流路に配設される第１背圧弁と、上記第１ガス放出流路において上記第１背圧弁と上記吸着塔の間に配設される第２開閉弁と、上記第２ガス放出流路に配設される第２背圧弁と、上記第２ガス放出流路において上記第２背圧弁と上記吸着塔の間に配設される第３開閉弁と、を備える。
【００２１】
上記ガス昇圧装置では、吸着塔に一体的に設けられた熱交換部によって吸着剤充填管内の吸着剤を冷却したり、加熱したりできる。そのため、温度変動吸着法を適用して原料ガスを昇圧可能である。よって、上記ガス昇圧装置を用いて、上述したガス昇圧方法を好適に実施可能であることから、原料ガスの昇圧に要するコストを低減できる。
【００２２】
一実施形態に係るガス昇圧装置は、並列に配置された複数の上記吸着塔を備え、上記ガス導入流路は、複数の上記吸着塔が共有する第１配管を有し、上記第１ガス放出流路は、複数の上記吸着塔が共有する第２配管を有し、上記第２ガス放出流路は、複数の上記吸着塔が共有する第３配管を有し、複数の上記吸着塔は、上記第１配管、上記第２配管及び上記第３配管に接続されていてもよい。この場合、昇圧された原料ガスを効率的に製造可能である。
【００２３】
一実施形態に係るガス昇圧装置は、並列に配置された４つの上記吸着塔を備えてもよい。この場合、昇圧された原料ガスを連続的に取り出し可能である。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、コストを低減しながらガスを昇圧可能なガス昇圧方法及びガス昇圧装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】一実施形態に係るガス昇圧方法に好適に使用されるガス昇圧装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００２７】
図１は、本発明の一実施形態に係るガスの昇圧方法を実施するのに使用可能なガス昇圧装置１の概略構成を表す。ガス昇圧装置１は、原料ガスを昇圧することによって高圧ガス（製品ガス）を製造する装置である。原料ガスの例は、窒素ガス、酸素ガス、一酸化炭素ガス、二酸化炭素ガス、アルゴンガス、または水素ガスである。ガス昇圧装置１は、４つの吸着塔１０と、４つの熱交換部２０と、ガス導入流路３０と、混合器４０と、第１ガス放出流路５０と、第２ガス放出流路５５と、を備える。
【００２８】
４つの吸着塔１０は、ガス導入流路３０に接続され並列配置されている。吸着塔１０は、温度変動吸着法によって、ガス導入流路３０から吸着塔１０内に導入された原料ガスを昇圧し、高圧ガスを製造するための塔である。本実施形態において高圧ガスは、吸着塔１０に原料ガスを導入する時の吸着塔１０内の圧力より高い圧力であればよい。高圧ガスの圧力の例は、２〜２０ＭＰａである。
【００２９】
各吸着塔１０の入口１０ａはガス導入流路３０に接続されている。ガス導入流路３０は、主配管（第１配管）３１と、主配管３１から分岐しており各吸着塔１０の入口１０ａに接続する分岐管３２とを有する。この場合、主配管３１は、４つの吸着塔１０に共有されている。分岐管３２には、吸着塔１０に原料ガスを導入する場合と、原料ガスの吸着塔１０への導入を遮断する場合とを切り替える切替バルブ（第１開閉弁）Ｖ１が配設されている。
【００３０】
吸着塔１０の出口１０ｂは第１ガス放出流路５０に接続されているとともに、第２ガス放出流路５５に接続されている。
【００３１】
第１ガス放出流路５０は、主配管（第２配管）５１と、主配管５１から分岐しており各吸着塔１０の出口１０ｂに接続する分岐管５２とを有する。この場合、主配管５１は、４つの吸着塔１０に共有されている。分岐管５２には、吸着塔１０からガスを第１ガス放出流路５０（具体的には主配管５１）に流す場合とガスを遮断する場合とを切り替える切替バルブ（第２開閉弁）Ｖ２が配設されている。
【００３２】
第２ガス放出流路５５は、主配管（第３配管）５６と、主配管５６から分岐しており各吸着塔１０の出口１０ｂに接続する分岐管５７とを有する。この場合、主配管５６は、４つの吸着塔１０に共有されている。分岐管５７には、吸着塔１０からガスを第２ガス放出流路５５（具体的には主配管５６）に流す場合と、ガスを遮断する場合とを切り替える切替バルブ（第３開閉弁）Ｖ３が配設されている。
【００３３】
分岐管５２と分岐管５７とは、切替バルブＶ２及び切替バルブＶ３より吸着塔１０側で合流して出口１０ｂに接続されている。
【００３４】
第１ガス放出流路５０は、吸着塔１０内で昇圧されたガス（以下、「高圧ガス」とも奏す）をガス昇圧装置１の系外に取り出すためのガス流路である。第１ガス放出流路５０が有する主配管５１には、第１背圧弁Ｖ４が配設されている。これにより、吸着塔１０内の圧力が第１背圧弁Ｖ４の第１設定圧力になるまで吸着塔１０内のガスを取り出すことが可能である。
【００３５】
第２ガス放出流路５５は、吸着塔１０内の高圧ガスを取り出し、ガス導入流路３０が有する主配管３１上に配置された混合器４０を介して上記高圧ガスをガス導入流路３０に戻すためのガス流路である。第２ガス放出流路５５を介してガス導入流路３０に戻される高圧ガスを「循環ガス」と称す場合もある。第２ガス放出流路５５には、第２背圧弁Ｖ５が配設されている。これにより、吸着塔１０内の圧力が第２背圧弁Ｖ５の第２設定圧力になるまで吸着塔１０内の高圧ガスを取り出すことが可能である。第２設定圧力は、第１設定圧力より小さい。第２設定圧力は、通常、吸着塔１０への原料ガスの導入時の吸着塔１０内の圧力である。
【００３６】
吸着塔１０は、吸着剤が充填された複数の吸着剤充填管１１を備える。複数の吸着剤充填管１１は、吸着塔１０の入口１０ａから出口１０ｂに向けて延在しており、互いに平行に配置されている。吸着剤は、原料ガスの吸着に適したものであればよい。吸着剤の例は、カーボンモレキュラーシーブ、ゼオライト、または活性炭である。吸着塔１０は、入口１０ａから導入された原料ガスが、各吸着剤充填管１１内を流れるように構成されている。
【００３７】
４つの熱交換部２０と４つの吸着塔１０は、一対一に対応しており、各熱交換部２０は、対応する吸着塔１０に一体的に設けられている。一実施形態において、熱交換部２０は吸着塔１０を覆っている。一実施形態において、熱交換部２０は多管式であってもよい。
【００３８】
熱交換部２０は、熱交換槽２１を備えており、熱交換槽２１内に、吸着塔１０が備える複数の吸着剤充填管１１が配置されている。よって、熱交換槽２１は複数の吸着剤充填管１１を囲んでいる。熱交換部２０は、熱交換槽２１において冷媒を流して複数の吸着剤充填管１１内の吸着剤を冷却するとともに、熱交換槽２１において熱媒を流して複数の吸着剤充填管１１内の吸着剤を加熱するように構成されていればよい。本実施形態では、熱交換部２０は、断らない限り、熱交換槽２１と、冷媒供給排出管２２と、冷媒用ラジエタ２３と、熱媒供給排出管２４と、熱媒用ラジエタ２５とを有する。
【００３９】
冷媒供給排出管２２は、熱交換槽２１に接続されており、冷媒を熱交換槽２１に供給するとともに、熱交換槽２１内の冷媒を排出するための冷媒の流路である。冷媒は、吸着剤を所望の温度（例えば、−７０℃〜−８０℃）まで冷却可能なものであれば限定されない。冷媒の例は、液化ガス気化設備で捨てられる冷熱である。このような冷熱を冷媒に使用する際には、冷媒供給排出管２２は、例えば液化ガス気化設備で捨てられる冷熱を流す配管に接続されていればよい。冷媒として、例えば液化アルゴン、液化ヘリウム、液化ネオン、液化酸素、液化窒素といった液化ガスを使用する場合、又はその他の冷媒、例えば冷熱を大気中に排熱するガス、または不凍液等を使用する場合には、それらを貯留したボンベ等の冷媒供給源に冷媒供給排出管２２を接続すればよい。冷媒供給排出管２２には、冷媒供給排出管２２に冷媒を流す場合と、冷媒を遮断する場合とを切り替える切替バルブＶ６が配設されている。
【００４０】
冷媒用ラジエタ２３は、冷媒供給排出管２２と、冷媒供給排出管２２から分岐した分岐管２２ａとによって熱交換槽２１に接続されている。冷媒用ラジエタ２３は、冷媒供給排出管２２によって熱交換槽２１に供給された冷媒を熱交換槽２１内で循環させるためのものである。分岐管２２ａには、冷媒を循環させる場合と、その循環を停止する場合とを切り替える切替バルブＶ７が配置されている。
【００４１】
熱媒供給排出管２４は、熱交換槽２１に接続されており、熱媒を熱交換槽２１に供給するとともに、熱交換槽２１内の熱媒を排出するための熱媒の流路である。熱媒は、吸着剤を、昇圧に適した温度（例えば、１５〜２５℃）まで加熱可能であればよい。熱媒の例は、吸着塔１０周囲の空気雰囲気からの自然入熱である。このような自然入熱を熱媒に使用する際には、熱媒供給排出管２４の一端（熱交換槽２１層と反対側の端）を解放しておけばよい。熱媒の他の例は、空気、窒素のようなガス、または不凍液であり、その場合は、それらの熱媒供給源に熱媒供給排出管２４を接続すればよい。熱媒供給排出管２４には、熱媒供給排出管２４に熱媒を流す場合と、遮断する場合とを切り替える切替バルブＶ８が配設されている。
【００４２】
熱媒用ラジエタ２５は、熱媒供給排出管２４と熱媒供給排出管２４から分岐した分岐管２４ａとによって熱交換槽２１に接続されている。熱媒用ラジエタ２５は、熱媒供給排出管２４によって熱交換槽２１に供給された熱媒を熱交換槽２１内で循環させるためのものである。分岐管２４ａには、熱媒を循環させる場合と、循環を停止する場合とを切り替える切替バルブＶ９が配設されている。
【００４３】
混合器４０は、ガス導入流路３０の主配管３１上に配置されており、混合器４０には、第２ガス放出流路５５が有する主配管５６が接続されている。よって、混合器４０は、切替バルブＶ１を介して各吸着塔１０の入口１０ａと接続され、切替バルブＶ３を介して各吸着塔１０の出口１０ｂに接続されている。混合器４０は、第２ガス放出流路５５によって流れてきた吸着塔１０からの高圧ガス（循環ガス）を、ガス導入流路３０を流れる原料ガスと混合し、その混合ガスを原料ガスとして各吸着塔１０に供給する。
【００４４】
ガス昇圧装置１は、ガス昇圧装置１の動作を制御する制御部（不図示）を更に備えてもよい。制御部は、例えば、各吸着塔１０に対応して設けられた切替バルブＶ１〜Ｖ３，Ｖ６〜Ｖ９に電気的に接続されており、切替バルブＶ１〜Ｖ３，Ｖ６〜Ｖ９の開閉を制御する。切替バルブＶ１〜Ｖ３，Ｖ６〜Ｖ９を制御することによって、制御部は、ガス昇圧装置１において本実施形態に係るガス昇圧方法を実施する。制御部は、ガス昇圧装置１に対して専用に設けられた制御装置でもよいし、又は、切替バルブＶ１〜Ｖ３，Ｖ６〜Ｖ９の開閉制御プログラムがインストールされたパーソナルコンピュータであってもよい。
【００４５】
次に、ガス昇圧装置１を利用したガス昇圧方法であって、本実施形態に係るガス昇圧方法の一例を説明する。以下、説明の便宜のため、４つの吸着塔１０を第１〜第４吸着塔１０と称す。
【００４６】
ガス昇圧方法は、低温吸着工程（吸着工程）、昇温昇圧工程（昇圧工程）、高温放圧工程（第１放圧工程）及び降温放圧工程（第２放圧工程）を備え、これらの工程は、低温吸着工程、昇温昇圧工程、高温放圧工程及び降温放圧工程の順に実施される。ガス昇圧方法では、低温吸着工程、昇温昇圧工程、高温放圧工程及び降温放圧工程を一つのサイクルとし、第１〜第４吸着塔１０においてタイミングをずらして、第１〜第４吸着塔１０それぞれにおいて上記サイクルを繰り返す。各工程を第１吸着塔１０に対して実施する場合を例にして、各工程を説明する。
【００４７】
［低温吸着工程］
低温吸着工程では、切替バルブＶ１を開いて、ガス導入流路３０から原料ガスを第１吸着塔１０内に導入する。この際、切替バルブＶ２及び切替バルブＶ３は閉状態とする。低温吸着工程では、熱交換部２０の切替バルブＶ６及び切替バルブＶ７を開状態に切り替えて冷媒を熱交換部２０内で循環させることによって、吸着剤充填管１１内の吸着剤を低温（例えば−８０℃〜−７０℃）状態にする。これにより、吸着塔１０内に導入された原料ガスが吸着剤充填管１１内の吸着剤に吸着する。低温吸着工程の実施時間は、原料ガスの導入量、吸着剤の吸着性能及び吸着剤の量などに応じて適宜設定すればよい。上記冷媒の循環は、低温吸着工程の終了時まで実施する。低温吸着工程では、切替バルブＶ８は開状態とし、切替バルブＶ９は閉状態とする。切替バルブＶ８は閉状態でもよい。
【００４８】
［昇温昇圧工程］
低温吸着工程の終了後、第１吸着塔１０の切替バルブＶ１を開状態から閉状態に切り替える。昇温昇圧工程においても切替バルブＶ３及び切替バルブＶ２は閉状態を維持する。昇温昇圧工程においては、熱交換部２０の切替バルブＶ７を開状態から閉状態に切り替えて冷媒の循環を停止させるとともに、切替バルブＶ６の開状態を維持して、熱交換槽２１から冷媒を冷媒供給排出管２２を介して抜き出す。一方、熱交換部２０の切替バルブＶ８の開状態を維持しながら切替バルブＶ９を閉状態から開状態に切り替えて、熱媒を熱交換槽２１内で循環させて、吸着剤充填管１１内の吸着剤を加熱する。これにより、吸着剤に吸着していた原料ガスが脱着し、吸着塔１０内部で、高圧ガス（昇圧された原料ガス）が製造される。昇温昇圧工程の実施時間は、原料ガスの導入量、吸着剤の吸着性能及び吸着剤の量などに応じて適宜設定すればよい。上記熱媒の循環は、次の高温放圧工程の終了時まで実施する。すなわち、切替バルブＶ６、切替バルブＶ７、切替バルブＶ８及び切替バルブＶ９の状態は、高温放圧工程の終了時まで継続する。
【００４９】
［高温放圧工程］
高温放圧工程では、切替バルブＶ１及び切替バルブＶ３は閉状態を維持する一方、切替バルブＶ２を閉状態から開状態に切り替える。これにより、第１吸着塔１０内で昇圧された原料ガスである高圧ガスの一部が第１ガス放出流路５０に放出され、第１背圧弁Ｖ４を介して、ガス昇圧装置１の系外に取り出される。このように取り出された高圧ガスは、製品ガスとして例えば高圧ガス供給先に供給される。上記高圧ガスの放出に伴って、第１背圧弁Ｖ４の第１設定圧力まで第１吸着塔１０の圧力が低下する。
【００５０】
［降温放圧工程］
降温放圧工程では、切替バルブＶ１は閉状態を維持しながら切替バルブＶ２を開状態から閉状態に切り替えるとともに、切替バルブＶ３を閉状態から開状態に切り替える。これにより、第１吸着塔１０内の高圧ガスの少なくとも一部は、第２ガス放出流路５５に放出され、第２背圧弁Ｖ５を介して混合器４０に流れ込む。それに伴って、第２背圧弁Ｖ５の第２設定圧力まで第１吸着塔１０内の圧力が低下する。通常、第２設定圧力は、低温吸着工程で原料ガスを吸着塔１０内に導入する時の圧力である。
【００５１】
降温放圧工程では、熱交換部２０の切替バルブＶ９を閉状態に切り替えて熱媒の循環を停止させるとともに、切替バルブＶ８の開状態を維持して、熱媒を熱交換槽２１から抜き出す。一方、切替バルブＶ６の開状態を維持しながら切替バルブＶ７を閉状態から開状態に切り替えて、熱交換槽２１内に冷媒を循環させる。吸着塔１０では、この冷媒の循環状態は、次の低温吸着工程の終了まで継続する。
【００５２】
降温放圧工程で、第２背圧弁Ｖ５を介して放出された高圧ガスは、混合器４０に流入し、混合器４０によってガス導入流路３０に流れる原料ガスと混合され、その混合ガスが、次の低温吸着工程において原料ガスとして吸着塔１０に導入される。
【００５３】
第２〜第４吸着塔１０において実施される低温吸着工程、昇温昇圧工程、高温放圧工程及び降温放圧工程も第１吸着塔１０に着目して説明した場合と同様である。
【００５４】
本実施形態のガス昇圧方法では、高圧ガスが連続して第１ガス放出流路５０から取り出されるように、第１〜第４吸着塔１０それぞれにおいてタイミングをずらしながら、上記４つの工程を含むサイクルが順次繰り返される。具体的には、第１吸着塔１０において低温吸着工程が行われている間に、第２吸着塔１０において昇温昇圧工程が、第３吸着塔１０において高温放圧工程が、第４吸着塔１０において降温放圧工程が、第１吸着塔１０における場合と同様に進行される。
【００５５】
本実施形態に係るガス昇圧装置１及びガス昇圧方法では、温度変動吸着法を利用して原料ガスを昇圧する。この場合、吸着剤を冷却して原料ガスを吸着剤に吸着させる必要がある（低温吸着工程）。吸着剤の冷却は、熱交換部２０に冷媒を流すことで実施される。そのため、例えば、特許文献２のように、吸着剤の充填容器を液化ガス冷媒中に浸漬する場合に比べて使用する冷媒の量を低減できる。熱交換部２０に冷媒を流すことで吸着剤充填管１１（及び吸着剤）を効率的に冷却できるので、この点でも冷媒の量を低減可能である。その結果、原料ガスの昇圧（換言すれば、高圧ガスの製造）のためのコストを低減可能である。
【００５６】
吸着塔１０に熱交換部２０が一体的に設けられているので、例えば吸着塔を液化ガス冷媒中に浸漬するために、液化ガス冷媒の貯留槽又は吸着塔を移動させるための設備も不要であり、設備コストも低減する。その結果、高圧ガスの製造のためのコストを低減可能である。
【００５７】
冷媒として液化ガス気化設備で捨てられる冷熱を利用するとともに、熱媒として自然入熱を利用した形態（特に、冷媒として液化ガス気化設備で捨てられる冷熱を利用する場合）では、冷媒及び熱媒のコストを低減できる。その結果、高圧ガス製造のためのコストを更に低減可能である。
【００５８】
吸着塔１０に一体的に設けられた熱交換部２０内に冷媒及び熱媒を流すことで、吸着剤の冷却及び加熱を行うことから、吸着剤の温度変動を管理又は調整し易い。そのため、高圧ガスの供給先からの高圧ガスの供給量、高圧ガスの種類（原料ガスの種類）の変更などの要望に対応し易い。
【００５９】
吸着塔は複数の吸着剤充填管１１を備えているので、熱交換部２０（具体的には、熱交換槽２１）内において、冷媒と熱媒とを交換することで吸着剤の温度変化を迅速にすることができる。その結果、ガス昇圧装置１及びそれを用いたガス昇圧方法では、効率的に高圧ガスを製造可能である。
【００６０】
本実施形態で説明したように、４つの吸着塔１０、すなわち、第１〜第４吸着塔１０を利用する場合、第１吸着塔１０において低温吸着工程が行われている間に、第２吸着塔１０において昇温昇圧工程を実施し、第３吸着塔１０において高温放圧工程を実施し、第４吸着塔１０において降温放圧工程を実施可能である。そのため、第１〜第４吸着塔１０において、低温吸着工程、昇温昇圧工程、高温放圧工程及び降温放圧工程を含むサイクルを繰り返していれば、第１〜第４吸着塔１０の何れかは高温放圧工程を実施していることになる。その結果、第１ガス放出流路５０を介して高圧ガスを連続的にガス昇圧装置１から取り出し、例えば高圧ガスの供給先に供給可能である。
【００６１】
上述したように、高温放圧工程において熱交換部２０内に熱媒を流している場合には、高温放圧工程において所望の圧力の原料ガスを安定して第１ガス放出流路５０に放出できる。上述したように、降温放圧工程において熱交換部２０内に冷媒を流している形態では、降温放圧工程の時間を短縮可能である。
【００６２】
第２背圧弁Ｖ５の第２設定圧力が原料ガスの上記吸着塔１０への導入時の吸着塔１０内の圧力である場合には、低温吸着工程、昇温昇圧工程、高温放圧工程及び降温放圧工程を順次実施した後、続けて低温吸着工程を実施し易い。
【００６３】
次に、原料ガスを窒素ガスとした場合及び原料ガスを酸素ガスとした場合のガス昇圧装置１（及びそれを用いたガス昇圧方法）の具体的な形態の性能の例を説明する。以下、数値を挙げてガス昇圧装置１及びそれを用いてガス昇圧方法を実施する場合の設計例を具体的に説明するが、本発明は以下の設計例に限定されない。
【００６４】
〔設計例１〕
設計例１では、原料ガスに窒素ガスを用いて、吸着剤の温度変化によるガス吸着特性を利用したガス昇圧装置１及びそれを利用したガス昇圧方法の設計例を示す。ガス昇圧装置１は、図１に示したように４つの吸着塔１０を備える。吸着塔１０は、内径３００ｍｍ、塔高さ２ｍの吸着塔１０である。設計例１では、低温吸着工程において混合器４０から２２．０ｍ３／ｈの窒素ガスを、塔内圧力が０．４ＭＰａの吸着塔１０に供給した場合に、２．０ＭＰａ、１０.０ｍ３/ｈの高圧窒素ガスを高圧ガス供給先へ供給する場合を想定した。
【００６５】
低温（冷媒の温度）を-７９℃とし、高温（熱媒の温度）を２５℃とし、原料ガスを窒素ガスとし、吸着剤として例えばＣａＸ型ゼオライトを充填して運用した場合、低温吸着工程での吸着剤の吸着容量は９５Ｌ/ｋｇであり、昇温昇圧工程での吸着剤の吸着容量は４６Ｌ/ｋｇである。この吸着容量差を利用した温度変動吸着法によって、低温吸着工程及び高温昇圧工程を実施することで、内径３００ｍｍ、塔高さ２ｍの吸着塔１０では、３．５ＭＰａの高圧窒素ガスが製造される。
【００６６】
１０.０ｍ３/ｈの高圧窒素ガスを吸着塔１０から高圧ガス供給先へ供給する場合、高温放圧工程では、第１背圧弁Ｖ４の第１設定圧力を２．０ＭＰａとし、吸着塔１０の圧力を２．０ＭＰａまで下げる。
【００６７】
降温放圧工程では、第２背圧弁Ｖ５の第２設定圧力を原料ガス導入時の圧力である０．４ＭＰａとした場合、第２背圧弁Ｖ５を介して吸着塔１０から混合器４０へ１２．０ｍ３/ｈの窒素ガスを戻し、吸着塔１０の圧力を０．４ＭＰａまで下げる。そして、混合器４０で混合された１０．０ｍ３/ｈの原料ガスと循環ガスが吸着塔１０に補充される低温吸着工程へと移行して順次サイクルが進行する。
【００６８】
以上から、設計例１のガス昇圧装置１及びガス昇圧方法は、２．０ＭＰａ、１０.０ｍ３/ｈの高圧窒素ガスを高圧ガス供給先へ供給可能とする性能を有する。更に、４つの吸着塔１０を備えていることで、各吸着塔１０での低温吸着工程、昇温昇圧工程、高温放圧工程及び降温放圧工程のサイクルを異なるタイミングで実施することで、上記２．０ＭＰａ、１０.０ｍ３/ｈの高圧窒素ガスを高圧ガス供給先へ連続して供給可能である。
【００６９】
〔設計例２〕
設計例２では、原料ガスに酸素ガスを用いて、吸着剤の温度変化によるガス吸着特性を利用したガス昇圧装置１でガス昇圧方法を実施して酸素ガスを昇圧する場合の設計例を示す。ガス昇圧装置１は、図１に示したように４つの吸着塔１０を備える。吸着塔１０は、内径３００ｍｍ、塔高さ２ｍの吸着塔１０である。設計例２では、低温吸着工程において混合器４０から４７．０ｍ３／ｈの酸素ガスを、塔内圧力が０．９ＭＰａの吸着塔１０に供給した場合に、５．８ＭＰａ、１０.０ｍ３/ｈの高圧酸素ガスを高圧ガス供給先へ供給する場合を想定した。
【００７０】
低温（冷媒の温度）を-７５℃、高温（熱媒の温度）を２５℃、原料ガスとして酸素ガスを、吸着剤として例えばＣａＸ型ゼオライトを充填して運用した場合、低温吸着工程での吸着剤の吸着容量は１７３Ｌ/ｋｇであり、昇温昇圧工程での吸着剤の吸着容量は７３Ｌ/ｋｇである。この吸着容量差を利用した温度変動吸着法によって、内径３００ｍｍ、塔高さ２ｍの吸着塔１０では、７．３ＭＰａの高圧酸素ガスが製造される。
【００７１】
１０.０ｍ３/ｈの高圧窒素ガスを吸着塔１０から高圧ガス供給先へ供給する場合、高温放圧工程では、第１背圧弁Ｖ４の第１設定圧力を５．８ＭＰａとし、吸着塔１０の圧力を５．８ＭＰａまで下げる。
【００７２】
降温放圧工程では、第２背圧弁Ｖ５の第２設定圧力を原料ガス導入時の圧力である０．９ＭＰａとした場合、第２背圧弁Ｖ５を介して吸着塔１０から混合器４０へ３７．０ｍ３/ｈの酸素ガス（循環ガス）を戻し、吸着塔１０の圧力を０．９ＭＰａまで下げる。そして、混合器４０で混合された１０．０ｍ３/ｈの原料ガスと循環ガスが吸着塔１０に補充される低温吸着工程へと移行して順次サイクルが進行する。
【００７３】
以上から、設計例２のガス昇圧装置１及びガス昇圧方法では、５．８ＭＰａ、１０.０ｍ３/ｈの高圧酸素ガスを高圧ガス供給先へ供給可能とする性能を有する。更に、４つの吸着塔１０を備えていることで、各吸着塔１０での低温吸着工程、昇温昇圧工程、高温放圧工程及び降温放圧工程のサイクルを異なるタイミングで実施することで、上記２．０ＭＰａ、１０.０ｍ３/ｈの高圧窒素ガスを高圧ガス供給先へ連続して供給可能である。
【００７４】
以上、本発明の種々の実施形態及び設計例を説明した。しかしながら、本発明は、例示した種々の実施形態及び設計例に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００７５】
例えば、ガス昇圧装置は一つの吸着塔を備えていればよい。その場合でも、液化ガス冷媒に吸着塔を浸漬する必要がないので、前述したように、原料ガスを昇圧する（換言すれば高圧ガスを製造する）ためのコストが低減可能である。ガス昇圧装置は吸着塔を複数備えてもよい。ガス昇圧装置が複数の吸着塔を備える場合、例えば、複数の吸着塔のうち少なくとも２つの吸着塔を用いて、異なるタイミングで、吸着工程、昇圧工程、第１放圧工程及び第２放圧工程を実施可能である。この場合、昇圧された原料ガス（高圧ガス）を製造可能である。ガス昇圧装置が吸着塔を３つ以上備えることで、３つの吸着塔のうちの何れかで高温放圧工程（第１放圧工程）が行うことが可能出る。そのため、例えば高圧ガスの供給先に、高圧ガスを連続して供給可能である。よって、吸着塔は３つ以上が好ましく、４つ以上であることが更に好ましい。
【００７６】
第１放圧工程では熱媒を熱交換部内で流さなくてもよく、第２放圧工程では、冷媒を熱交換部内で流さなくてもよい。ただし、第１放圧工程において、熱媒を熱交換部内に流すことで、放出される高圧ガスの圧力を均一化し易い。第２放圧工程において、冷媒を熱交換部内で流すことで、第２放圧工程の時間を短縮できる。
【００７７】
第２背圧弁の第２設定圧力は、原料ガスの吸着塔への導入時の吸着塔内の圧力と異なっていてもよい。
【符号の説明】
【００７８】
１…ガス昇圧装置、１０…吸着塔、第１〜第４吸着塔、１１…吸着剤充填管、２０…熱交換部、３０…ガス導入流路、３１…主配管（第１配管）、４０…混合器、５０…第１ガス放出流路、５１…主配管（第２配管）、５５…第２ガス放出流路、５６…主配管（第３配管）、Ｖ１…切替バルブ（第１開閉弁）、Ｖ２…切替バルブ（第２開閉弁）、Ｖ３…切替バルブ（第３開閉弁）、Ｖ４…第１背圧弁、Ｖ５…第２背圧弁。
【図１】
2019171328.tif 000003