(57)【要約】【課題】  構成が簡単で運転コストが低く、産業廃棄物を発生しない高濃度高圧酸素生成装置の提供。【構成】  高濃度高圧酸素生成装置２０は、圧縮空気の供給路２１と、窒素分離膜モジュール１０を用いた窒素−酸素分離装置２２と、酸素圧縮装置２７を備える。供給路２１から流入する圧縮空気は窒素−酸素分離装置２２で窒素を分離され、得られた高濃度酸素を酸素圧縮装置２７で圧縮して高濃度高圧酸素を生成し、その高濃度高圧酸素は酸素ボンベ２９に充填される。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮空気から高濃度高圧酸素を生成する装置において、圧縮空気の供給路２１と、窒素分離膜モジュール１０を用いた窒素―酸素分離装置２２と、酸素圧縮装置２７を備え、前記供給路２１から圧縮空気を窒素―酸素分離装置２２に供給し、得られた高濃度酸素を酸素圧縮装置２７で圧縮して高濃度高圧酸素を生成するように構成したことを特徴とする高濃度高圧酸素生成装置。
【請求項２】
請求項１において、前記窒素―酸素分離装置２２は複数の窒素分離膜モジュール１０を用い、前記供給路２１側の窒素分離膜モジュール１０の酸素出口部１４をそれより下流側の窒素分離膜モジュール１０の入口部１３に接続して構成されていることを特徴とする高濃度高圧酸素生成装置。
【請求項３】
請求項１または２において、さらに窒素圧縮装置３４を設け、前記窒素―酸素分離装置２２で得られた高濃度窒素をその窒素圧縮装置３４で圧縮し、高濃度高圧酸素とは別に高濃度高圧窒素を生成するように構成したことを特徴とする高濃度高圧酸素生成装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、酸素圧縮装置２７に酸素ボンベ供給路２８を接続し、生成した高濃度高圧酸素を酸素ボンベ２９に充填可能としたことを特徴とする高濃度高圧酸素生成装置。
【請求項５】
請求項３または４において、窒素圧縮装置３４に窒素ボンベ供給路３６を接続し、生成した高濃度高圧窒素を窒素ボンベ３７に充填可能としたことを特徴とする高濃度高圧酸素生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧縮空気から窒素分離膜モジュールを用いた窒素−酸素分離装置と圧縮装置を備えた高濃度高圧酸素生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの分野で酸素が利用されているが、高純度の酸素は深冷分離法やＰＳＧ法等により製造され、それをボンベに充填して利用施設に輸送するか、または直接配管で利用施設に輸送する方法が採用されている。
【０００３】
しかしそれ程高純度ではなくても、酸素をある程度高濃度に含む空気（以下、これを高濃度酸素という）を利用する装置や設備も多く存在する。例えばオゾン発生装置のような酸素利用装置や燃焼装置のような燃焼反応利用装置等では高濃度酸素を利用することによって装置効率や燃焼効率を高めることができる。そのような装置や設備では比較的少量の高濃度酸素を低コストで供給することが要求される。
【０００４】
従来から、比較的少量の高濃度酸素を生成する方法として、吸着分離式の酸素生成装置が知られている。図３は吸着分離式の酸素生成装置のプロセスフロー図である。外部空気はサイレンサ（消音器）１を設けた配管ａから空気圧縮装置２に供給され、そこで圧縮された空気（圧縮空気）は配管ｂでバッファー用の空気槽３に供給され、さらに空気槽３の圧縮空気は酸素生成装置４に供給される。酸素生成装置４は配管ｃで合成ゼオライトを充填した２つの吸着塔５、アフターフィルタ６、サージタンク７、ポンプ８，９を備えている。なおＶ１〜Ｖ５は開閉弁である。
【０００５】
吸着塔５に充填した合成ゼオライトは空気中の窒素を効率よく吸着する、いわゆる窒素分離型の合成ゼオライトである。吸着塔４に流入した圧縮空気はそこで吸着により窒素を分離し、残りの高濃度酸素はその下流側から配管ｄに流出する。高濃度酸素はアフターフィルタ５で微細な固形分等の不純物を除去し、さらにサージタンク７により圧力を均一化してポンプ８により図示しない負荷設備に供給される。
【０００６】
合成ゼオライトがある程度窒素を吸着すると、それに応じてその吸着能力が低下していくので、２つの吸着塔５を交互に吸着工程と再生工程に切り換える。すなわち図２における左側の吸着塔５が吸着工程、右側の吸着塔５が再生工程の場合は、左側の吸着塔５の開閉弁Ｖ１，Ｖ２を開けて開閉弁Ｖ３，Ｖ４を閉じ、右側の吸着塔５の開閉弁Ｖ３，Ｖ４を開けて開閉弁Ｖ１，Ｖ２を閉じる。再生工程にある吸着塔５では、配管ｄから開閉弁Ｖ２を経て高濃度酸素が流入し、窒素を含む排ガスが開閉弁Ｖ３を経て吸引用のポンプ９を設けた配管ｅからオフガスとして排出される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、前記吸着式の酸素生成装置４は、再生工程のために余分の吸着塔５を設けなければならない上に、多数の開閉弁や吸引用のポンプを付加する必要ある。そのため装置構成が複雑になり設置コストや運転コストが高いという問題がある。また吸着用の合成ゼオライトは長時間使用すると交換しなければならないので、産業廃棄物として処理する必要がある。
【０００８】
さらに、上記高濃度酸素生成装置は得られた高濃度酸素をポンプ８で直接負荷設備に移送しているが、負荷設備が離れている場合には配管が長くなり、途中の圧力損失を考慮するとポンプ８の吐出圧をかなり高圧とする必要がある。そのため移送設備の設置コストや移送の運転コストが高くなり、高濃度酸素を酸素ボンベに充填して負荷設備に移送する場合より不利になる。
そこで本発明は従来の高濃度酸素生成装置の問題を解決することを課題とし、そのための新しい高濃度高圧酸素生成装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決する本発明は、圧縮空気から高濃度高圧酸素を生成する装置である。本装置は圧縮空気の供給路と、窒素分離膜モジュールを用いた窒素−酸素分離装置と、酸素圧縮装置を備えている。そして、前記供給路から圧縮空気を窒素−酸素分離装置に供給し、得られた高濃度酸素を酸素圧縮装置で圧縮して高濃度高圧酸素を生成するように構成したことを特徴とする（請求項１）。
【００１０】
上記装置において、前記窒素−酸素分離装置は複数の窒素分離膜モジュールを用い、前記供給路側の窒素分離膜モジュールの酸素出口部をそれより下流側の窒素分離膜モジュールの入口部に接続することにより構成できる（請求項２）。
【００１１】
上記いずれかの装置において、さらに窒素圧縮装置を設け、前記窒素−酸素分離装置で得られた高濃度窒素をその窒素圧縮装置で圧縮し、高濃度高圧酸素とは別に高濃度高圧窒素を生成するように構成することができる（請求項３）。
【００１２】
さらに上記いずれかの装置において、酸素圧縮装置に酸素ボンベ供給路を接続し、生成した高濃度高圧酸素を酸素ボンベに充填可能とすることができる（請求項４）。
【００１３】
上記窒素圧縮装置を設けたいずれかの装置において、窒素圧縮装置に窒素ボンベ供給路を接続し、生成した高濃度高圧窒素を窒素ボンベに充填可能とすることができる（請求項５）。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように本発明の高濃度高圧酸素生成装置は、圧縮空気の供給路と、窒素分離膜モジュールを用いた窒素−酸素分離装置と、酸素圧縮装置を備え、前記供給路から圧縮空気を窒素−酸素分離装置に供給し、得られた高濃度酸素を酸素圧縮装置で圧縮して高濃度高圧酸素を生成するように構成したことを特徴とする。
【００１５】
このように構成した高濃度高圧酸素生成装置によれば、装置構成が簡単になり設置コストが低い。また装置に合成ゼオライトなどの消耗品を必要としないので、運転コストも低く産業廃棄物も発生しない。さらに所望の圧力の高濃度高圧酸素を容易に得ることができる。
【００１６】
上記装置において、前記窒素−酸素分離装置は、複数の窒素分離膜モジュールを用い、前記供給路側の窒素分離膜モジュールの酸素出口部をそれより下流側の窒素分離膜モジュールの入口部に接続することにより構成できる。このように複数の窒素分離膜を多段接続して窒素−酸素分離装置を構成することにより、所望濃度の高濃度高圧酸素を容易に生成して負荷設備に供給することができる。
【００１７】
上記いずれかの装置において、さらに窒素圧縮装置を設け、前記窒素−酸素分離装置で得られた高濃度窒素をその窒素圧縮装置で圧縮し、高濃度高圧酸素とは別に高濃度高圧窒素を生成するように構成することができる。このように窒素圧縮装置を設けることにより、同じ圧縮空気から高濃度高圧酸素と高濃度高圧窒素を同時に生成し、酸素を必要とする負荷設備と窒素を必要とする負荷設備にそれぞれ供給することができる。
【００１８】
さらに上記いずれかの装置において、酸素圧縮装置に酸素ボンベ供給路を接続し、生成した高濃度高圧酸素を酸素ボンベに充填可能とすることができる。このように構成すると、生成した高濃度高圧酸素を直接酸素ボンベに充填することができる。そのため高濃度高圧酸素を酸素ボンベに充填して遠隔の負荷設備に移送することが可能になるので、配管やポンプで移送する場合より大幅にコストダウンできる。
【００１９】
上記窒素圧縮装置を設けたいずれかの装置において、窒素圧縮装置に窒素ボンベ供給路を接続し、生成した高濃度高圧窒素を窒素ボンベに充填可能とすることができる。このように構成すると、生成した高濃度高圧窒素を直接窒素酸素ボンベに充填することができる。そのため高濃度高圧窒素を窒素ボンベに充填して遠隔の負荷設備に移送することが可能になるので、配管やポンプで移送する場合より大幅にコストダウンできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
次に本発明の実施の形態を図面により説明する。先ず本発明に係る高濃度高圧酸素生成装置に使用する窒素分離膜モジュールについて説明する。
図２は窒素分離膜モジュールの縦断面図である。窒素分離膜モジュール１０は細長い筒状の容器１１と、容器１１内に多数束ねて収容した中空糸からなる窒素分離膜１２と、空気を導入する入口部１３と、酸素を多く含む空気（酸素濃度２５〜５０％程度）が流出する酸素出口部１４および高濃度窒素空気が流出する窒素出口部１５を有する。このような窒素分離膜モジュール１０として、例えばアクアエア社（米国）製のＰＡＡ２３０や、宇部興産製のＮＭ−Ｃ１０Ａが市販されている。
【００２１】
窒素分離膜１２は周壁に微細な孔を多数設けた中空糸状に形成され、その１次側（内側）の一方の端部、すなわち空気の入口部１３から空気を供給すると、酸素成分を多く含む空気が微細な孔から２次側（外側）に分離され、分離された高濃度酸素は酸素出口部１４から排出する。一方、窒素出口部１５からは高濃度窒素を含む空気（以下、これを高濃度窒素という。）が流出する。なお窒素分離膜モジュール１０は要求される処理量に応じ、複数本を並列接続して使用される。
【００２２】
図１は本発明に係る高濃度高圧酸素生成装置のプロセスフロー図である。高濃度高圧酸素生成装置２０は圧縮空気の供給路２１と、複数の窒素分離膜モジュール１０を多段接続した窒素−酸素分離装置２２と、酸素圧縮装置２７と、窒素圧縮装置３４を備えている。なお図１においてａ〜ｃ、ｆ〜ｐは配管である。
【００２３】
各窒素分離膜モジュール１０は図２と同様なものを使用する。図１には複数本の窒素分離膜モジュール１０を多段接続した状態が示されているが、必要な処理能力に応じて各段の窒素分離膜モジュール１０をそれぞれ複数本並列接続して構成することができる。
【００２４】
上記のように窒素−酸素分離装置２２は複数の窒素分離膜モジュール１０を多段接続して構成している。すなわち、図１の最も下側に示す供給路２１側の第１の窒素分離膜１０における入口部１３が圧縮空気の供給路２１（配管ｃ）に接続され、その酸素出口部１４がブロワや加圧ポンプ等の吸入加圧ポンプ２５を設けた配管ｆを介して、その上側に示す下流側の第２の窒素分離膜モジュール１０における入口部１３に接続され、さらに第２の窒素分離膜モジュール１０の酸素出口部１４は吸入加圧ポンプ２６を設けた配管ｇを介して、それよりさらに下流側の窒素分離膜モジュール１０の入口側１３に接続される。
【００２５】
供給路２１から供給される圧縮空気は、２０％程度の酸素濃度と８０％程度の窒素を含み、残りは微量の不活性ガス等からなる。第１の窒素分離膜モジュール１０の酸素出口部１４から流出する高濃度酸素の酸素濃度は、通常２５〜５０％程度であり、窒素出口部１５から流出する高濃度窒素の窒素濃度は通常５０〜７５％程度になる。そして第２の窒素分離膜モジュール１０の酸素出口部１４から流出する高濃度酸素の酸素濃度が上昇する。以下段数が増加するごとに、それに応じて分離される高濃度酸素の酸素濃度は高くなる。
【００２６】
従って負荷設備に要求される酸素濃度に応じて窒素分離膜モジュール１０の段数を選択する。例えば負荷設備に要求される酸素濃度が２５〜５０％程度であれば、窒素分離膜モジュール１０は第１の窒素分離膜モジュール１０のみでよい。
【００２７】
最も下流側の窒素分離膜モジュール１０の酸素出口部１４から配管ｈに流出する高濃度酸素は、酸素圧縮装置２７で加圧されて高濃度高圧酸素となって配管ｉに流出する。配管ｉは酸素ボンベ供給路２８を構成し、その先端部は複数の酸素ボンベ２９に高濃度高圧酸素を順次充填できるようになっている。そのため酸素圧縮装置２７の吐出圧力は、高濃度高圧酸素を酸素ボンベ２９に所望の圧力で充填できるように設定される。なお酸素ボンベ２９は通常市販されている酸素用の高圧ボンベを使用できる。
【００２８】
本実施形態の酸素圧縮装置２７はシリンダとピストンを備え、そのピストンを油圧で駆動することにより高濃度酸素を昇圧する。駆動油は油タンク３０に貯留され、その駆動油を配管ｌに設けた加圧ポンプ３１で加圧して駆動部３２に供給する。
【００２９】
駆動部３２は例えば２つの３方電磁弁を有し、それらを操作部３３からの駆動信号により交互に作動することにより、配管ｏ，ｐから油圧を交互に供給し、酸素圧縮装置２７のピストンを一定周期で往復駆動する。操作部３３は例えば駆動スイッチとそれによって駆動するタイマー装置を備え、そのタイマー装置から２つの３方電磁弁に交互に駆動指令を出力する。なお、駆動部３２から排出する駆動油は配管ｎを経て油タンク３０に戻される。
【００３０】
本実施形態では各窒素分離膜モジュール１０の窒素出口部１５から流出する高濃度窒素を配管ｊで集めて窒素圧縮装置３４に供給している。窒素圧縮装置３４は前記酸素圧縮装置２７と同様に構成される。そして配管ｌからの駆動油が駆動部３５に供給され、その駆動部３５は操作部３３からの駆動指令により窒素圧縮装置３４のピストンを往復駆動する。
【００３１】
窒素圧縮装置３４の出口側は配管ｋにより構成される窒素ボンベ供給路３６に流出し、複数の窒素ボンベ３７に高濃度高圧窒素を順次充填できるようになっている。この窒素圧縮装置３４の吐出圧力は高濃度高圧窒素を窒素ボンベ３７に所望の圧力で充填できるように設定される。なお窒素ボンベ３７は通常市販されている窒素用の高圧ボンベを使用できる。
【００３２】
次に、図１の高濃度高圧酸素生成装置２０により、高濃度高圧酸素と高濃度高圧窒素を同時に生成し、それぞれ酸素ボンベ２９と窒素ボンベ３７に充填する方法を説明する。
先ずサイレンサ（消音器）１を設けた配管ａから外部空気を空気圧縮装置２に供給し、そこで圧縮圧縮空気を生成する。得られた圧縮空気は配管ｂからバッファー用の空気槽３に流入する。
【００３３】
次いで空気槽３の圧縮空気は配管ｃを経て高濃度高圧酸素生成装置２０を構成する第１の窒素分離膜モジュール１０の入口部１３に流入する。第の窒素分離膜モジュール１０で圧縮空気から窒素が分離し、窒素出口部１５から高濃度窒素が配管ｊを経て窒素圧縮装置３４に流出する。一方、残りの高濃度酸素は酸素出口部１４から流出し、吸引加圧ポンプ２５で吸引され加圧状態で第２の窒素分離膜モジュール１０の入口部１３に流入する。
【００３４】
上記のように窒素分離膜モジュール１０の酸素出口部１４から流出する高濃度酸素を吸引加圧ポンプ２５で吸引すると、窒素分離膜モジュール１０における窒素分離膜の１次側と２次側の差圧が大きくなり、窒素分離膜の酸素分離能力が増大する。なお場合によっては吸引加圧ポンプ２５（その下流側に設けた吸引加圧ポンプ２６も同様）を省略することもできる。
【００３５】
第２の窒素分離膜モジュール１０ではさらに窒素が分離され、より濃度の高い高濃度酸素がその酸素出口部１４から流出し、吸引加圧ポンプ２６で吸引されて第３の窒素分離膜モジュール１０など、それより下流側の窒素分離膜モジュール１０の入口部１３に流入する。一方、第２の窒素分離膜モジュール１０の窒素出口部１５からは高濃度窒素が配管ｌを経て窒素圧縮装置３４に流出する。
【００３６】
上記のように多段接続した窒素分離膜モジュール１０で順次酸素濃度が高められ、最下流側の窒素分離膜モジュール１０の酸素出口部１４から酸素濃度が所望範囲まで高められた高濃度酸素が配管ｈに流出する。配管ｈの高濃度酸素は酸素圧縮装置２７で所望の圧力に昇圧され、高濃度高圧酸素となって配管ｉ、すなわち酸素ボンベ供給路２８を経て酸素ボンベ２９に供給される。
一方、窒素圧縮装置３４に流入した高濃度窒素は、そこで所望の圧力に昇圧され高濃度高圧窒素となって配管ｋ、すなわち窒素ボンベ供給路３６を経て窒素ボンベ３７に供給される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係る高濃度高圧酸素生成装置のプロセスフロー図。
【図２】図１の装置に使用される窒素分離膜モジュールの縦断面図。
【図３】吸着分離式の酸素生成装置のプロセスフロー図。
【符号の説明】
【００３８】
１  サイレンサ
２  空気圧縮装置
３  空気槽
４  酸素生成装置
５  吸着塔
６  アフターフィルタ
７  サージタンク
８，９  ポンプ
【００３９】
１０  窒素分離膜モジュール
１１  容器
１２  窒素分離膜
１３  入口部
１４  酸素出口部
１５  窒素出口部
【００４０】
２０  高濃度高圧酸素生成装置
２１  供給路
２２  窒素−酸素分離装置
２５，２６  吸入加圧
２７  酸素圧縮装置
２８  酸素ボンベ供給路
２９  酸素ボンベ
【００４１】
３０  油タンク
３１  加圧ポンプ
３２  駆動部
３３  操作部
３４  窒素圧縮装置
３５  駆動部
３６  窒素ボンベ供給路
３７  窒素ボンベ
ａ〜ｐ  配管
Ｖ１〜Ｖ５  開閉弁
【図１】
2005074315.tif 000003
【図２】
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【図３】
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