(57)【要約】【課題】空気中から酸素ガスを製造する酸素ガス製造装置において、低コストでより純度の高い酸素ガスを生成可能とする。【解決手段】空気から酸素ガスを製造する酸素ガス製造装置であって、空気中から酸素分子を吸着する酸素吸着材を有する吸着部と、吸着部を減圧して酸素吸着材から酸素分子を脱離させて酸素ガスとする減圧部とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気から酸素ガスを製造する酸素ガス製造装置であって、
前記空気中から酸素分子を吸着する酸素吸着材を有する吸着部と、
前記吸着部を減圧して前記酸素吸着材から前記酸素分子を脱離させて前記酸素ガスとする減圧部と
を備えることを特徴とする酸素ガス製造装置。
【請求項２】
前記吸着部に供給する前記空気を冷却する冷却部を備えることを特徴とする請求項１記載の酸素ガス製造装置。
【請求項３】
前記冷却部よりも前記空気の流れの上流側に配置されると共に、前記空気中から前記吸着部によって前記酸素分子が吸着された残成分である残成分ガスと、前記吸着部に供給する前記空気とを熱交換する熱交換器を備えることを特徴とする請求項２記載の酸素ガス製造装置。
【請求項４】
前記酸素ガスの流れに対して直列的に接続されると共に、前記酸素吸着材から脱離された前記酸素ガスを昇圧する複数の昇圧部を有することを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の酸素ガス製造装置。
【請求項５】
前記昇圧部ごとに前記酸素ガスを冷却する後冷却部を備えることを特徴とする請求項４記載の酸素ガス製造装置。
【請求項６】
前記酸素吸着材は、金属有機構造体からなることを特徴とする請求項１〜５いずれか一項に記載の酸素ガス製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素ガス製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、原料空気から窒素分子を吸着するゼオライト等の吸着材を備えた酸素濃縮装置が開示されている。このような酸素濃縮装置は、コンプレッサによって加圧した原料空気を吸着材が収容された吸着筒に供給することによって吸着材に窒素分子を吸着させ、酸素濃度の高い空気を生成している。なお、吸着筒を真空引きすることによって吸着材から窒素成分が脱離され、これによって吸着材は再生される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１６／０４７８０５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ゼオライトは空気中の窒素分子を吸着するため、酸素以外の空気中に含まれる成分（アルゴン成分）等は吸着材に吸着されずに残存する。このため、特許文献１に開示された方法では、酸素ガス中からアルゴン成分等を除去することができず、酸素ガスの純度を十分に高めることができず、運転コストに見合う純度が得られない。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、空気中から酸素ガスを製造する酸素ガス製造装置において、より低コストに純度の高い酸素ガスを生成可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【０００７】
第１の発明は、空気から酸素ガスを製造する酸素ガス製造装置であって、上記空気中から酸素分子を吸着する酸素吸着材を有する吸着部と、上記吸着部を減圧して上記酸素吸着材から上記酸素分子を脱離させて上記酸素ガスとする減圧部とを備えるという構成を採用する。
【０００８】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記吸着部に供給する上記空気を冷却する冷却部を備えるという構成を採用する。
【０００９】
第３の発明は、上記第２の発明において、上記冷却部よりも上記空気の流れの上流側に配置されると共に、上記空気中から上記吸着部によって上記酸素分子が吸着された残成分である残成分ガスと、上記吸着部に供給する上記空気とを熱交換する熱交換器を備えるという構成を採用する。
【００１０】
第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、上記酸素ガスの流れに対して直列的に接続されると共に、上記酸素吸着材から脱離された上記酸素ガスを昇圧する複数の昇圧部を有するという構成を採用する。
【００１１】
第５の発明は、上記第４の発明において、上記昇圧部ごとに上記酸素ガスを冷却する後冷却部を備えるという構成を採用する。
【００１２】
第６の発明は、上記第１〜第５いずれかの発明において、上記酸素吸着材が、金属有機構造体からなるという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、酸素吸着材によって空気中の酸素分子を吸着し、酸素吸着材で吸着された酸素分子を脱離することによって酸素ガスとする。このため、不純成分をほぼ含まない酸素ガスを製造することができる。したがって、本発明によれば、空気中から酸素ガスを製造する酸素ガス製造装置において、より純度の高い酸素ガスを生成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態における酸素ガス製造装置の概略構成を示すフロー図である。
【図２】本発明の一実施形態における酸素ガス製造装置の動作を説明するためのフロー図である。
【図３】本発明の一実施形態における酸素ガス製造装置の動作を説明するためのフロー図である。
【図４】本発明の一実施形態における酸素ガス製造装置の動作を説明するためのフロー図である。
【図５】本発明の一実施形態における酸素ガス製造装置の動作を説明するためのフロー図である。
【図６】本発明の一実施形態における酸素ガス製造装置の動作を説明するためのフロー図である。
【図７】本発明の一実施形態における酸素ガス製造装置の動作を説明するためのフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して、本発明に係る酸素ガス製造装置の一実施形態について説明する。
【００１６】
図１は、本実施形態の酸素ガス製造装置１の概略構成を示すフロー図である。本実施形態の酸素ガス製造装置１は、空気Ｘから酸素ガスＸ１を大量に製造するための装置であり、例えばプラント設備等に設置されている。図１に示すように、空気供給部２と、熱交換器３と、第１吸着部４と、第２吸着部５と、残成分ガス排出部６と、酸素ガス排出部７と、バイパス部８と、圧力調整部９とを備えている。
【００１７】
空気供給部２は、ブロワ２ａと供給配管２ｂと、クーラ２ｃ（冷却部）とを備えている。ブロワ２ａは、供給配管２ｂの入口端と接続されており、外部から供給配管２ｂに空気Ｘを圧送する。なお、本実施形態の酸素ガス製造装置１においては、第１吸着部４及び第２吸着部５で空気Ｘから酸素分子を吸着する場合に、空気Ｘを積極的に加圧する必要がない。このため、空気供給部２は、供給配管２ｂに空気Ｘの流れを形成できる程度の出力のブロワ２ａを備えていれば十分であり、コンプレッサ等で昇圧することなく空気Ｘを第１吸着部４及び第２吸着部５に供給する。
【００１８】
供給配管２ｂは、一端がブロワ２ａと接続され、他端側が第１吸着部４及び第２吸着部５と接続された配管であり、空気Ｘをブロワ２ａから第１吸着部４及び第２吸着部５まで案内する。また、図１に示すように、供給配管２ｂの途中部位は、熱交換器３の内部を通過している。このような供給配管２ｂを流れる空気Ｘは、熱交換器３の内部にて後述の残成分ガスＸ２と熱交換されることによって冷却される。
【００１９】
クーラ２ｃは、供給配管２ｂの空気Ｘの流れ方向において熱交換器３の下流側に配置されており、第１吸着部４及び第２吸着部５に供給する空気Ｘを冷却する。なお、後に小説するが、本実施形態の酸素ガス製造装置１では、第１吸着部４及び第２吸着部５にて、酸素分子を吸着することによって発熱する金属有機構造体からなる吸着材（酸素吸着材４ｈ及び酸素吸着材５ｈ）を用いる。このため、クーラ２ｃは、少なくとも、第１吸着部４及び第２吸着部５に供給される空気Ｘが、金属有機構造体での酸素分子の吸着反応時の発熱によって、金属有機構造体の温度が酸素分子を吸着しない温度まで昇温しないように予め空気Ｘを冷却しておく。このようなクーラ２ｃは、空気Ｘを冷却することによって発生したドレン水Ｙを外部に排出可能に構成されている。
【００２０】
ただし、酸素分子の吸着による発熱がないあるいは発熱が少量である吸着材を第１吸着部４及び第２吸着部５で用いる場合には、酸素ガス製造装置１は、クーラ２ｃを設置しない構成を採用することも可能である。また、酸素分子の吸着による発熱が大きい吸着材を用いる場合であっても、第１吸着部４あるいは第２吸着部５に冷却部を設置することによって、空気供給部２におけるクーラ２ｃを省略する構成を採用することも可能である。
【００２１】
熱交換器３は、空気供給部２の供給配管２ｂにおける空気Ｘの流れ方向において、ブロワ２ａの上流かつクーラ２ｃの下流に配置されている。この熱交換器３には、供給配管２ｂの途中部位と共に、残成分ガス排出部６の後述する残成分ガス案内配管６ａの途中部位が通過されている。このような熱交換器３は、供給配管２ｂを流れる空気Ｘと残成分ガス案内配管６ａを流れる残成分ガスＸ２とを熱交換することによって、第１吸着部４及び第２吸着部５に供給する空気Ｘを冷却する。
【００２２】
第１吸着部４は、空気受入配管４ａと、酸素ガス出口配管４ｂと、残成分ガス出口配管４ｃと、空気受入バルブ４ｄと、酸素ガス出口配管バルブ４ｅと、残成分ガス出口配管バルブ４ｆと、吸着塔４ｇと、酸素吸着材４ｈと備えている。
【００２３】
空気受入配管４ａは、空気供給部２と吸着塔４ｇとを接続する配管であり、空気供給部２から受け入れた空気Ｘを吸着塔４ｇに案内する。酸素ガス出口配管４ｂは、吸着塔４ｇと酸素ガス排出部７とを接続する配管であり、酸素吸着材４ｈから酸素分子が脱離されて生成された酸素ガスを酸素ガス排出部７に案内する。なお、図１に示すように、これらの空気受入配管４ａと酸素ガス出口配管４ｂの吸着塔４ｇ側端部は一体化されている。
【００２４】
残成分ガス出口配管４ｃは、空気受入配管４ａ及び酸素ガス出口配管４ｂと、酸素吸着材４ｈを挟んで反対側の位置で、吸着塔４ｇと接続された配管である。この残成分ガス出口配管４ｃは、吸着塔４ｇと残成分ガス排出部６とを接続しており、空気Ｘから酸素分子が吸着された後の残成分からなる残成分ガスＸ２を吸着塔４ｇから残成分ガス排出部６に案内する。
【００２５】
空気受入バルブ４ｄは、空気受入配管４ａの途中部位に設けられた開閉弁であり、空気受入配管４ａの開閉を行う。また、酸素ガス出口配管バルブ４ｅは、酸素ガス出口配管４ｂの途中部位に設けられた開閉弁であり、酸素ガス出口配管４ｂの開閉を行う。また、残成分ガス出口配管バルブ４ｆは、残成分ガス出口配管４ｃの途中部位に設けられた開閉弁であり、残成分ガス出口配管４ｃの開閉を行う。これらの空気受入バルブ４ｄ、酸素ガス出口配管バルブ４ｅ及び残成分ガス出口配管バルブ４ｆは、不図示の制御部の制御によって自動で操作されても良いし、手動により操作されても良い。
【００２６】
吸着塔４ｇは、内部に酸素吸着材４ｈを収容する容器状の塔であり、上述のように空気受入配管４ａ、酸素ガス出口配管４ｂ及び残成分ガス出口配管４ｃと接続されている。なお、本実施形態の酸素ガス製造装置１は、プラント設備等に設置することを想定していることから、大型の吸着塔４ｇを備えている。ただし、酸素ガス製造装置１を車両等に搭載する場合には、吸着塔４ｇに換えて小型の吸着筒を備える構成とすることも可能である。
【００２７】
酸素吸着材４ｈは、吸着塔４ｇの内部に配置されており、吸着塔４ｇの内部に供給された空気Ｘ中から酸素分子を吸着し、酸素分子を吸着した後に吸着塔４ｇの内部が減圧されることによって吸着した酸素分子を脱着する。つまり、酸素吸着材４ｈは、吸着塔４ｇに供給された空気Ｘ中の酸素分子を吸着することによって、空気Ｘを酸素成分が除かれたもしくは低減された残成分ガスＸ２とする。また、酸素吸着材４ｈは、吸着塔４ｇの内部が減圧されることによって酸素分子を脱着し、酸素分子が集合した酸素ガスＸ１とする。
【００２８】
第２吸着部５は、空気受入配管５ａと、酸素ガス出口配管５ｂと、残成分ガス出口配管５ｃと、空気受入バルブ５ｄと、酸素ガス出口配管バルブ５ｅと、残成分ガス出口配管バルブ５ｆと、吸着塔５ｇと、酸素吸着材５ｈと備えている。
【００２９】
空気受入配管５ａは、空気供給部２と吸着塔５ｇとを接続する配管であり、空気供給部２から受け入れた空気Ｘを吸着塔５ｇに案内する。酸素ガス出口配管５ｂは、吸着塔５ｇと酸素ガス排出部７とを接続する配管であり、酸素吸着材５ｈから酸素分子が脱離されて生成された酸素ガスを酸素ガス排出部７に案内する。なお、図１に示すように、これらの空気受入配管５ａと酸素ガス出口配管５ｂの吸着塔５ｇ側端部は一体化されている。
【００３０】
残成分ガス出口配管５ｃは、空気受入配管５ａ及び酸素ガス出口配管５ｂと、酸素吸着材５ｈを挟んで反対側の位置で、吸着塔５ｇと接続された配管である。この残成分ガス出口配管５ｃは、吸着塔５ｇと残成分ガス排出部６とを接続しており、空気Ｘから酸素分子が吸着された後の残成分からなる残成分ガスＸ２を吸着塔５ｇから残成分ガス排出部６に案内する。
【００３１】
空気受入バルブ５ｄは、空気受入配管５ａの途中部位に設けられた開閉弁であり、空気受入配管５ａの開閉を行う。また、酸素ガス出口配管バルブ５ｅは、酸素ガス出口配管５ｂの途中部位に設けられた開閉弁であり、酸素ガス出口配管５ｂの開閉を行う。また、残成分ガス出口配管バルブ５ｆは、残成分ガス出口配管５ｃの途中部位に設けられた開閉弁であり、残成分ガス出口配管５ｃの開閉を行う。これらの空気受入バルブ５ｄ、酸素ガス出口配管バルブ５ｅ及び残成分ガス出口配管バルブ５ｆは、不図示の制御部の制御によって自動で操作されても良いし、手動により操作されても良い。
【００３２】
吸着塔５ｇは、内部に酸素吸着材５ｈを収容する容器状の塔であり、上述のように空気受入配管５ａ、酸素ガス出口配管５ｂ及び残成分ガス出口配管５ｃと接続されている。なお、本実施形態の酸素ガス製造装置１は、プラント設備等に設置することを想定していることから、大型の吸着塔５ｇを備えている。ただし、酸素ガス製造装置１を車両等に搭載する場合には、吸着塔５ｇに換えて小型の吸着筒を備える構成とすることも可能である。
【００３３】
酸素吸着材５ｈは、吸着塔５ｇの内部に配置されており、吸着塔５ｇの内部に供給された空気Ｘ中から酸素分子を吸着し、酸素分子を吸着した後に吸着塔５ｇの内部が減圧されることによって吸着した酸素分子を脱着する。つまり、酸素吸着材５ｈは、吸着塔５ｇに供給された空気Ｘ中の酸素分子を吸着することによって、空気Ｘを酸素成分が除かれたもしくは低減された残成分ガスＸ２とする。また、酸素吸着材５ｈは、吸着塔５ｇの内部が減圧されることによって酸素分子を脱着し、酸素分子が集合した酸素ガスＸ１とする。
【００３４】
第１吸着部４の酸素吸着材４ｈと、第２吸着部５の酸素吸着材５ｈとしては、空気Ｘ中から選択的に酸素分子を吸着する吸着材を用いることができるが、例えば金属有機構造体からなる吸着材を用いることができる。このような金属有機構造体としては、例えば、Cr3(1,3,5-benzenetricarboxylate)2、Fe2(2,5-dioxido-1,4-benzenedicarboxylate)、あるいは、Co3[(Co4Cl)3(BTTri)8]2・14DMFを用いることができる。
【００３５】
Co3[(Co4Cl)3(BTTri)8]2・14DMFは、Co(BTTri)と称する。また、Fe2(2,5-dioxido-1,4-benzenedicarboxylate)は、Fe2(dobdc)と称する。これらのCo(BTTri)及びFe2(dobdc)は、低温（−６０℃程度）において酸素分子の吸着量が高く、また常圧状態から減圧状態に圧力を変化させることによって酸素分子の脱着を行うことができる材料である。特に、Co(BTTri)は、繰返し酸素分子の吸脱着を安定的に行うことができ、本実施形態の酸素ガス製造装置１における酸素吸着材４ｈ及び酸素吸着材５ｈに適した材料である。
【００３６】
Cr3(1,3,5-benzenetricarboxylate)2は、Cr3(btc)2と称する。Cr3(btc)2は、常温にて非常の多くの酸素分子を吸着し、１００℃程度に昇温することによって酸素分子の脱着を行うことができる材料ある。このため、Cr3(btc)2からなる酸素吸着材を用いる場合には、酸素吸着材を加熱するヒータ等を備える構成を採用することになる。
【００３７】
残成分ガス排出部６は、残成分ガス案内配管６ａと、残成分ガスタンク６ｂと、残成分ガス案内配管バルブ６ｃとを備えている。残成分ガス案内配管６ａは、第１吸着部４の残成分ガス出口配管４ｃ及び第２吸着部５の残成分ガス出口配管５ｃと接続された配管であり、第１吸着部４から排出された残成分ガスＸ２及び第２吸着部５から排出された残成分ガスＸ２を外部に向けて案内する。また、図１に示すように、残成分ガス案内配管６ａの途中部位は、熱交換器３を通過している。
【００３８】
残成分ガスタンク６ｂは、残成分ガスＸ２の流れ方向において、熱交換器３よりも上流側にて残成分ガス案内配管６ａの途中部位に配置されており、残成分ガスＸ２を一時的に貯蔵する。この残成分ガスタンク６ｂは、熱交換器３に対して供給される残成分ガスＸ２の流量を安定化する。残成分ガス案内配管バルブ６ｃは、残成分ガスＸ２の流れ方向において、残成分ガスタンク６ｂよりも上流側にて残成分ガス案内配管６ａの途中部位に設置された開閉弁である。この残成分ガス案内配管バルブ６ｃは、残成分ガス案内配管６ａの開閉を行う。なお、残成分ガス案内配管バルブ６ｃは、不図示の制御部の制御によって自動で操作されても良いし、手動により操作されても良い。
【００３９】
酸素ガス排出部７は、酸素ガス案内配管７ａと、上流真空ポンプ７ｂ（昇圧部）と、上流クーラ７ｃ（後冷却部）、下流真空ポンプ７ｄ（昇圧部）と、下流クーラ７ｅ（後冷却部）と、酸素ガスタンク７ｆとを備えている。酸素ガス案内配管７ａは、第１吸着部４の酸素ガス出口配管４ｂ及び第２吸着部５の酸素ガス出口配管５ｂと接続された配管であり、第１吸着部４から排出された酸素ガスＸ１及び第２吸着部５から排出された酸素ガスＸ１を外部に向けて案内する。
【００４０】
上流真空ポンプ７ｂは、酸素ガス案内配管７ａにおける酸素ガスＸ１の流れ方向において、上流クーラ７ｃ、下流真空ポンプ７ｄ及び下流クーラ７ｅよりも上流側にて酸素ガス案内配管７ａの途中部位に配置された真空ポンプである。この上流真空ポンプ７ｂは、低圧側が第１吸着部４及び第２吸着部５に向け、高圧側が酸素ガスタンク７ｆに向けるようにして酸素ガス案内配管７ａの途中部位に設けられており、結果的に、第１吸着部４及び第２吸着部５を減圧すると共に第１吸着部４及び第２吸着部５側から供給された酸素ガスＸ１を昇圧して酸素ガスタンク７ｆ側に吐出する。この上流真空ポンプ７ｂは、第１吸着部４及び第２吸着部５を減圧可能な減圧部と、酸素ガスＸ１を昇圧する昇圧部としての機能を有している。
【００４１】
上流クーラ７ｃは、酸素ガス案内配管７ａにおける酸素ガスＸ１の流れ方向において、上流真空ポンプ７ｂの下流側にて酸素ガス案内配管７ａの途中部位に配置されている。この上流クーラ７ｃは、上流真空ポンプ７ｂによって昇圧されることで昇温した酸素ガスＸ１を冷却する。
【００４２】
下流真空ポンプ７ｄは、酸素ガス案内配管７ａにおける酸素ガスＸ１の流れ方向において、上流クーラ７ｃと下流クーラ７ｅとの間にて酸素ガス案内配管７ａの途中部位に配置された真空ポンプである。この下流真空ポンプ７ｄは、低圧側が第１吸着部４及び第２吸着部５に向け、高圧側が酸素ガスタンク７ｆに向けるようにして酸素ガス案内配管７ａの途中部位に設けられており、結果的に、第１吸着部４及び第２吸着部５を減圧すると共に上流真空ポンプ７ｂで昇圧された酸素ガスＸ１をさらに昇圧して酸素ガスタンク７ｆ側に吐出する。この下流真空ポンプ７ｄは、第１吸着部４及び第２吸着部５を減圧可能な減圧部と、酸素ガスＸ１を昇圧する昇圧部としての機能を有している。
【００４３】
下流クーラ７ｅは、酸素ガス案内配管７ａにおける酸素ガスＸ１の流れ方向において、下流真空ポンプ７ｄの下流側にて酸素ガス案内配管７ａの途中部位に配置されている。この下流クーラ７ｅは、下流真空ポンプ７ｄによって昇圧されることで昇温した酸素ガスＸ１を冷却する。
【００４４】
このように本実施形態の酸素ガス製造装置１においては、酸素ガスＸ１の流れに対して直列的に接続されると共に、第１吸着部４及び第２吸着部５から脱離された酸素ガスＸ１を昇圧する複数の昇圧部（上流真空ポンプ７ｂ及び下流真空ポンプ７ｄ）を有している。さらに、本実施形態の酸素ガス製造装置１においては、昇圧部（上流真空ポンプ７ｂ及び下流真空ポンプ７ｄ）ごとに酸素ガスＸ１を冷却する後冷却部（上流クーラ７ｃ及び下流クーラ７ｅ）を備えている。
【００４５】
酸素ガスタンク７ｆは、酸素ガスＸ１の流れ方向において、下流クーラ７ｅよりも下流側にて酸素ガス案内配管７ａの途中部位に配置されており、酸素ガスＸ１を一時的に貯蔵する。この酸素ガスタンク７ｆは、外部に排出される酸素ガスＸ１の流量を安定化する。
【００４６】
バイパス部８は、第１吸着部４の残成分ガス出口配管４ｃと第２吸着部５の残成分ガス出口配管５ｃとを接続する部位であり、第１吸着部４の吸着塔４ｇの圧力を第２吸着部５の吸着塔５ｇの圧力とを均圧化する。これによって、バイパス部８は、第１吸着部４と第２吸着部とのうち、酸素分子を吸着した酸素吸着材を有する方を減圧する。
【００４７】
このバイパス部８は、バイパス配管８ａと、バイパス配管バルブ８ｂとを備えている。バイパス配管８ａは、残成分ガスＸ２の流れ方向にて一端が残成分ガス出口配管バルブ４ｆよりも吸着塔４ｇ側にて残成分ガス出口配管４ｃに接続され、残成分ガスＸ２の流れ方向にて他端が残成分ガス出口配管バルブ５ｆよりも吸着塔５ｇ側にて残成分ガス出口配管５ｃに接続されている。バイパス配管バルブ８ｂは、バイパス配管８ａの途中部位に設置された開閉弁であり、このバイパス配管８ａの開閉を行う。なお、バイパス配管バルブ８ｂは、不図示の制御部の制御によって自動で操作されても良いし、手動により操作されても良い。
【００４８】
圧力調整部９は、酸素ガス排出部７の酸素ガスタンク７ｆと第１吸着部４の残成分ガス出口配管４ｃ及び第２吸着部５の残成分ガス出口配管５ｃとを直接的あるいは貫徹的に接続されている。この圧力調整部９は、バイパス部８によって均圧化された第１吸着部４の吸着塔４ｇと第２吸着部５の吸着塔５ｇとのうち、常圧に戻す側に対して酸素ガスＸ１を供給する。
【００４９】
圧力調整部９は、圧力調整配管９ａと、圧力調整配管バルブ９ｂとを備えている。圧力調整配管９ａは、一端が酸素ガスタンク７ｆと接続され、他端が第１吸着部４の残成分ガス出口配管４ｃに対して残成分ガス排出部６の残成分ガス案内配管６ａの一部を介して間接的に接続されている。また、圧力調整配管９ａは、他端が第２吸着部の残成分ガス出口配管５ｃに対して直接的に接続されている。また、圧力調整部９は、残成分ガスＸ２の流れ方向において、残成分ガス出口配管バルブ４ｆの下流側にて残成分ガス出口配管４ｃと接続されている。また、圧力調整部９は、残成分ガスＸ２の流れ方向において、残成分ガス出口配管バルブ５ｆの下流側にて残成分ガス出口配管５ｃと接続されている。
【００５０】
続いて、図２〜図７を参照して、本実施形態の酸素ガス製造装置１の動作について説明する。なお、本実施形態の酸素ガス製造装置１では、第１吸着部４の酸素吸着材４ｈによる酸素分子の吸脱着と、第２吸着部５の酸素吸着材５ｈによる酸素分子の吸脱着とを時系列的に交互に行う。以下の説明では、説明の便宜上、まず第１吸着部４の酸素吸着材４ｈにて酸素分子の吸着を行う工程から説明を行うが、これが動作開始直後の工程であることを示すものではない。
【００５１】
図２に示すように、空気受入バルブ４ｄを開放状態、酸素ガス出口配管バルブ４ｅを閉鎖状態、残成分ガス出口配管バルブ４ｆを開放状態、空気受入バルブ５ｄを閉鎖状態、酸素ガス出口配管バルブ５ｅを閉鎖状態、残成分ガス出口配管バルブ５ｆを閉鎖状態、残成分ガス案内配管バルブ６ｃを開放状態、バイパス配管バルブ８ｂを閉鎖状態、圧力調整配管バルブ９ｂを閉鎖状態とする。
【００５２】
図２に示す状態では、ブロワ２ａによって供給配管２ｂに供給された空気Ｘは、熱交換器３で残成分ガスＸ２と熱交換されることで冷却され、さらにクーラ２ｃで冷却され、空気受入配管４ａを介して第１吸着部４の吸着塔４ｇに供給される。第１吸着部４の吸着塔４ｇに空気Ｘが供給されると、酸素吸着材４ｈによって空気Ｘ中の酸素分子が吸着され、空気Ｘは残成分ガスＸ２となる。残成分ガスＸ２は、残成分ガス出口配管４ｃから残成分ガス案内配管６ａに案内され、残成分ガスタンク６ｂで一時的に貯蔵された後、熱交換器３で空気Ｘを冷却してから外部に排気される。
【００５３】
このような図２に示す状態が一定時間維持されることによって、常圧下で空気Ｘ中の酸素分子が第１吸着部４の酸素吸着材４ｈで多く吸着される。なお、図２に示す状態では、第１吸着部４の吸着塔４ｇの内部は常圧であるが、第２吸着部５の吸着塔５ｇではその前の酸素ガスＸ１の放出によって常圧（大気圧）よりも低い低圧状態となっている。
【００５４】
続いて、図３に示すように、空気受入バルブ４ｄを閉鎖状態、酸素ガス出口配管バルブ４ｅを開放状態、残成分ガス出口配管バルブ４ｆを閉鎖状態、空気受入バルブ５ｄを閉鎖状態、酸素ガス出口配管バルブ５ｅを閉鎖状態、残成分ガス出口配管バルブ５ｆを閉鎖状態、残成分ガス案内配管バルブ６ｃを閉鎖状態、バイパス配管バルブ８ｂを開放状態、圧力調整配管バルブ９ｂを閉鎖状態とする。
【００５５】
図３で示す状態では、低圧状態の第２吸着部５の吸着塔５ｇがバイパス配管８ａを通じて常圧の第１吸着部４の吸着塔４ｇと連通状態となり、吸着塔４ｇと吸着塔５ｇとが均圧化される。この結果、第１吸着部４の吸着塔４ｇの内部が常圧から低圧状態となり、吸着塔４ｇに収容された酸素吸着材４ｈから酸素分子が脱離される。酸素分子が酸素吸着材４ｈから脱離されることで発生した酸素ガスＸ１は、第１吸着部４の酸素ガス出口配管４ｂから酸素ガス排出部７の酸素ガス案内配管７ａに供給される。酸素ガス案内配管７ａに供給された酸素ガスＸ１は、上流真空ポンプ７ｂで１次昇圧され、上流クーラ７ｃで１次冷却され、下流真空ポンプ７ｄで２次昇圧され、下流クーラ７ｅで２次冷却され、酸素ガスタンク７ｆを介して外部に排出される。
【００５６】
続いて、図４に示すように、空気受入バルブ４ｄを閉鎖状態、酸素ガス出口配管バルブ４ｅを開放状態、残成分ガス出口配管バルブ４ｆを閉鎖状態、空気受入バルブ５ｄを閉鎖状態、酸素ガス出口配管バルブ５ｅを閉鎖状態、残成分ガス出口配管バルブ５ｆを開放状態、残成分ガス案内配管バルブ６ｃを閉鎖状態、バイパス配管バルブ８ｂを閉鎖状態、圧力調整配管バルブ９ｂを開放状態とする。
【００５７】
図４に示す状態では、上流真空ポンプ７ｂと下流真空ポンプ７ｄの動作によって引き続き第１吸着部４の吸着塔４ｇの内部が低圧状態となり、酸素吸着材４ｈが脱着されて酸素ガスＸ１となる。酸素ガスＸ１は、第１吸着部４の酸素ガス出口配管４ｂから酸素ガス排出部７の酸素ガス案内配管７ａに供給され、上流真空ポンプ７ｂで１次昇圧され、上流クーラ７ｃで１次冷却され、下流真空ポンプ７ｄで２次昇圧され、下流クーラ７ｅで２次冷却され、酸素ガスタンク７ｆを介して外部に排出される。また、図４に示す状態では、酸素ガスタンク７ｆに貯蔵された酸素ガスＸ１の一部が圧力調整配管９ａを通じて、第２吸着部５の吸着塔５ｇに供給される。この結果、第２吸着部５の吸着塔５ｇが常圧となる。
【００５８】
続いて、図５に示すように、空気受入バルブ４ｄを閉鎖状態、酸素ガス出口配管バルブ４ｅを閉鎖状態、残成分ガス出口配管バルブ４ｆを閉鎖状態、空気受入バルブ５ｄを開放状態、酸素ガス出口配管バルブ５ｅを閉鎖状態、残成分ガス出口配管バルブ５ｆを開放状態、残成分ガス案内配管バルブ６ｃを開放状態、バイパス配管バルブ８ｂを閉鎖状態、圧力調整配管バルブ９ｂを閉鎖状態とする。
【００５９】
図５に示す状態では、ブロワ２ａによって供給配管２ｂに供給された空気Ｘは、熱交換器３で残成分ガスＸ２と熱交換されることで冷却され、さらにクーラ２ｃで冷却され、空気受入配管５ａを介して第２吸着部５の吸着塔５ｇに供給される。第２吸着部５の吸着塔５ｇに空気Ｘが供給されると、酸素吸着材５ｈによって空気Ｘ中の酸素分子が吸着され、空気Ｘは残成分ガスＸ２となる。残成分ガスＸ２は、残成分ガス出口配管５ｃから残成分ガス案内配管６ａに案内され、残成分ガスタンク６ｂで一時的に貯蔵された後、熱交換器３で空気Ｘを冷却してから外部に排気される。
【００６０】
このような図５に示す状態が一定時間維持されることによって、常圧下で空気Ｘ中の酸素分子が第２吸着部５の酸素吸着材５ｈで多く吸着される。なお、図５に示す状態では、第２吸着部５の吸着塔５ｇの内部は常圧であるが、第１吸着部４の吸着塔４ｇではその前の酸素ガスＸ１の放出によって常圧（大気圧）よりも低い低圧状態となっている。
【００６１】
続いて、図６に示すように、空気受入バルブ４ｄを閉鎖状態、酸素ガス出口配管バルブ４ｅを閉鎖状態、残成分ガス出口配管バルブ４ｆを閉鎖状態、空気受入バルブ５ｄを閉鎖状態、酸素ガス出口配管バルブ５ｅを開放状態、残成分ガス出口配管バルブ５ｆを閉鎖状態、残成分ガス案内配管バルブ６ｃを閉鎖状態、バイパス配管バルブ８ｂを開放状態、圧力調整配管バルブ９ｂを閉鎖状態とする。
【００６２】
図６で示す状態では、低圧状態の第１吸着部４の吸着塔４ｇがバイパス配管８ａを通じて常圧の第２吸着部５の吸着塔５ｇと連通状態となり、吸着塔４ｇと吸着塔５ｇとが均圧化される。この結果、第２吸着部５の吸着塔５ｇの内部が常圧から低圧状態となり、吸着塔５ｇに収容された酸素吸着材５ｈから酸素分子が脱離される。酸素分子が酸素吸着材５ｈから脱離されることで発生した酸素ガスＸ１は、第２吸着部５の酸素ガス出口配管５ｂから酸素ガス排出部７の酸素ガス案内配管７ａに供給される。酸素ガス案内配管７ａに供給された酸素ガスＸ１は、上流真空ポンプ７ｂで１次昇圧され、上流クーラ７ｃで１次冷却され、下流真空ポンプ７ｄで２次昇圧され、下流クーラ７ｅで２次冷却され、酸素ガスタンク７ｆを介して外部に排出される。
【００６３】
続いて、図７に示すように、空気受入バルブ４ｄを閉鎖状態、酸素ガス出口配管バルブ４ｅを閉鎖状態、残成分ガス出口配管バルブ４ｆを開放状態、空気受入バルブ５ｄを閉鎖状態、酸素ガス出口配管バルブ５ｅを開放状態、残成分ガス出口配管バルブ５ｆを閉鎖状態、残成分ガス案内配管バルブ６ｃを閉鎖状態、バイパス配管バルブ８ｂを閉鎖状態、圧力調整配管バルブ９ｂを開放状態とする。
【００６４】
図７に示す状態では、上流真空ポンプ７ｂと下流真空ポンプ７ｄの動作によって引き続き第２吸着部５の吸着塔５ｇの内部が低圧状態となり、酸素吸着材５ｈが脱着されて酸素ガスＸ１となる。酸素ガスＸ１は、第２吸着部５の酸素ガス出口配管５ｂから酸素ガス排出部７の酸素ガス案内配管７ａに供給され、上流真空ポンプ７ｂで１次昇圧され、上流クーラ７ｃで１次冷却され、下流真空ポンプ７ｄで２次昇圧され、下流クーラ７ｅで２次冷却され、酸素ガスタンク７ｆを介して外部に排出される。また、図７に示す状態では、酸素ガスタンク７ｆに貯蔵された酸素ガスＸ１の一部が圧力調整配管９ａを通じて、第１吸着部４の吸着塔４ｇに供給される。この結果、第１吸着部４の吸着塔４ｇが常圧となる。
【００６５】
このような図２〜図７で示す工程を繰り返すことによって、空気Ｘから酸素ガスＸ１が連続的に製造される。以上のような本実施形態の酸素ガス製造装置１によれば、酸素吸着材４ｈ及び酸素吸着材５ｈによって空気Ｘ中の酸素分子を吸着し、酸素吸着材４ｈ及び酸素吸着材５ｈで吸着された酸素分子を脱離することによって酸素ガスＸ１とする。このため、不純成分をほぼ含まない酸素ガスＸ１を製造することができ、空気Ｘ中から窒素を吸着する場合よりも純度の高い酸素ガスＸ１を生成することが可能となる。
【００６６】
また、本実施形態の酸素ガス製造装置１においては、第１吸着部４及び第２吸着部５に供給する空気Ｘを冷却するクーラ２ｃを備えている。このため、酸素吸着材４ｈ及び酸素吸着材５ｈとして、低温での酸素分子の吸着性に優れかつ酸素分子を吸着することによって発熱するものを用いても、酸素分子の吸着効率が低下することを抑止することが可能となる。
【００６７】
また、本実施形態の酸素ガス製造装置１においては、クーラ２ｃよりも空気Ｘの流れの上流側に配置されると共に、残成分ガスＸ２と第１吸着部４及び第２吸着部５に供給する空気Ｘとを熱交換する熱交換器３を備えている。クーラ２ｃで冷却した空気から酸素吸着材４ｈ及び酸素吸着材５ｈで酸素分子を吸着した場合であっても、残成分ガスＸ２の温度は常温以下であると考えられる。このため、残成分ガスＸ２と空気Ｘとを熱交換器３で熱交換することによって、予め空気Ｘが冷却され、クーラ２ｃでの必要エネルギを削減することが可能となる。
【００６８】
また、本実施形態の酸素ガス製造装置１においては、酸素ガスＸ１の流れに対して直列的に接続されると共に、酸素吸着材４ｈ及び酸素吸着材５ｈから脱離された酸素ガスＸ１を昇圧する複数の昇圧部（上流真空ポンプ７ｂ及び下流真空ポンプ７ｄ）を有している。空気Ｘには酸素ガスＸ１の他に窒素ガス等が多く含まれていることから、空気Ｘから酸素分子を吸着分離して製造された酸素ガスＸ１の圧力は、分圧により大気圧よりも低くなる。このため、酸素ガスＸ１の圧力を出荷前に高めることが一般的である。ただし、脱着直後の酸素ガスＸ１の圧力は大気圧よりも極めて低い。このため、一度に大気圧まで昇圧しようとすると、幅広い圧力範囲で昇圧が可能な特殊な真空ポンプ等を用いる必要が生じ、装置コスト及びエネルギコストが増大する。これに対して、本実施形態のように複数の昇圧部を備えることより、特殊な真空ポンプ等を設置する必要がなくなり、装置コスト及びエネルギコストを削減することができる。
【００６９】
さらに、複数の昇圧部を備えることによって、昇圧による酸素ガスＸ１の昇温が段階的に行われ、本実施形態の酸素ガス製造装置１のように、昇圧部ごとに酸素ガスＸ１を冷却する後冷却部（上流クーラ７ｃ及び下流クーラ７ｅ）を設置することで、酸素ガスＸ１が急激に昇温されることを抑制することが可能となる。
【００７０】
また、本実施形態の酸素ガス製造装置１においては、酸素吸着材４ｈ及び酸素吸着材５ｈとして、金属有機構造体からなる酸素吸着材を用いることができる。このような金属有機構造体からなる酸素吸着材を用いることによって、確実に空気Ｘ中から酸素分子を選択的に吸着することが可能となる。すなわち、より低コストに純度の高い酸素ガスＸ１を生成可能とすることができる。また、高純度な酸素ガスＸ１を生成する場合に、圧力を振る（圧力を変化させる）範囲が狭くて済み、結果的にランニングコストを低減することができる。
【００７１】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００７２】
例えば、上記実施形態においては、酸素吸着材４ｈ及び酸素吸着材５ｈとして、金属有機構造体を用いる構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、空気Ｘ中から酸素分子を選択的に吸着可能な材料であれば、酸素吸着材４ｈ及び酸素吸着材５ｈの形成材料として用いることが可能である。
【００７３】
また、上記実施形態においては、２つの吸着部（第１吸着部４及び第２吸着部５）を備える構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。単一の吸着部あるいは３つ以上の吸着部を備える構成を採用することも可能である。
【００７４】
また、上記実施形態においては、昇圧部として真空ポンプを用いる構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、コンプレッサ等を昇圧部として用いることも可能である。
【符号の説明】
【００７５】
１  酸素ガス製造装置
２  空気供給部
２ａ  ブロワ
２ｂ  供給配管
２ｃ  クーラ（冷却部）
３  熱交換器
４  第１吸着部（吸着部）
４ａ  空気受入配管
４ｂ  酸素ガス出口配管
４ｃ  残成分ガス出口配管
４ｄ  空気受入バルブ
４ｅ  酸素ガス出口配管バルブ
４ｆ  残成分ガス出口配管バルブ
４ｇ  吸着塔
４ｈ  酸素吸着材
５  第２吸着部（吸着部）
５ａ  空気受入配管
５ｂ  酸素ガス出口配管
５ｃ  残成分ガス出口配管
５ｄ  空気受入バルブ
５ｅ  酸素ガス出口配管バルブ
５ｆ  残成分ガス出口配管バルブ
５ｇ  吸着塔
５ｈ  酸素吸着材
６  残成分ガス排出部
６ａ  残成分ガス案内配管
６ｂ  残成分ガスタンク
６ｃ  残成分ガス案内配管バルブ
７  酸素ガス排出部
７ａ  酸素ガス案内配管
７ｂ  上流真空ポンプ（昇圧部、減圧部）
７ｃ  上流クーラ（後冷却部）
７ｄ  下流真空ポンプ（昇圧部、減圧部）
７ｅ  下流クーラ（後冷却部）
７ｆ  酸素ガスタンク
８  バイパス部（減圧部）
８ａ  バイパス配管
８ｂ  バイパス配管バルブ
９  圧力調整部
９ａ  圧力調整配管
９ｂ  圧力調整配管バルブ
Ｘ  空気
Ｘ１  酸素ガス
Ｘ２  残成分ガス
Ｙ  ドレン水
【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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