JP7319043B2 - 気体分離装置、及び、気体分離装置システム - Google Patents

Description

本発明は気体分離装置に関する。

気体分離装置の方式としてＰＳＡ（Pressure Swing Adsorption）方式がある。このＰＳＡ方式の気体分離装置は、圧縮空気を利用して製品ガスを生成する。

本技術分野に関連する背景技術として特許文献１がある。特許文献１は、圧縮空気の供給システムに関し、空気圧縮機とその下流に連なる空気流路を備えた圧縮空気供給設備と、前記空気流路の途中に設けられ該流路内の圧力を検出すると共に、該検出値を電気信号に変換し送信する機能を備えた圧力検出手段と、前記空気流路の途中に設けられ該空気流路を流れる圧縮空気の流量を検出すると共に、該検出値を電気信号に変換し送信する機能を備えた流量検出手段と、前記圧力検出手段及び流量検出手段からの検出値の情報を受信し、それらを基に圧縮空気使用量並びにその使用量に基づく圧縮空気使用料金を算出する手段とを備えたことを特徴とする圧縮空気供給システムが開示されている。

特開２００４－０８４５４０号公報

特許文献１は、圧縮空気の流量センサの精度について考慮されていない。そのため、真値＋精度範囲内の流量で使用された場合、正確に課金することが難しく、過大/過小課金となる可能性がある。

本発明は気体分離装置を利用する利用者に有料で製品ガスを供給するシステムに関する。そして、製品ガスの使用量に応じた従量課金で利用者に請求する。その際、従量課金における顧客への不適切請求の防止を図ることができる気体分離装置、及び、気体分離装置システムを提供することである。

本発明は、その一例を挙げるならば、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された圧縮空気を貯留する空気槽と、空気槽に貯留された圧縮空気のうち一部の気体を吸着する吸着槽と、吸着槽で吸着されなかった製品ガスを貯留する製品ガス貯留タンクと、圧縮機と吸着槽の動作を制御する制御部とを有する気体分離装置であって、製品ガスの使用量である製品ガスの流量を検知する流量検出装置を備え、制御部は、流量検出装置で検出した流量を積算して積算流量を記録し、流量検出装置の真値＋精度範囲内の値は積算しないように構成する。

本発明によれば、気体分離装置を利用する利用者に有料で製品ガスを供給するシステムにおいて、従量課金における顧客への不適切請求の防止が可能となる。

実施例１における気体分離装置の全体構成図である。 実施例１における流量検出装置の精度に対する積算流量の対応を説明する図である。 実施例２における流量検出装置の精度に対する積算流量の対応を説明する図である。

以下、本発明の実施例を、図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例におけるＰＳＡ方式の気体分離装置の全体構成図である。図１において、気体分離装置１は、圧縮空気を供給する空気供給ユニット２と、製品ガスを生成するＰＳＡユニット３で構成される。

本実施例では、一例として空気供給ユニット２とＰＳＡユニット３は別筐体に分かれて格納されているが、上記二つのユニットが同じ筐体内に格納されていてもよい。

この空気供給ユニット２は、空気を圧縮する圧縮機４と、容量制御を行うためのインバータ回路１０（容量制御・台数制御を含む）と、圧縮空気を貯留させる空気槽５と、圧縮空気を除湿するエアードライヤー６と、析出したドレン水を回収しながら不純物を除去するドレンフィルタ７を有している。本実施例では、一例として、これら圧縮機４と、空気槽５と、エアードライヤー６とドレンフィルタ７とは筐体に格納されている。

一方、ＰＳＡユニット３は、空気供給ユニット２から供給される圧縮空気から所定の気体を分離することにより、製品ガスを生成する吸着槽１９Ａ、１９Ｂと、製品ガス（窒素）を貯留する窒素槽（製品ガス貯留タンク）４１を有している。

空気槽５で貯留された圧縮空気は後述の吸着槽１９Ａ、１９Ｂに供給され、空気槽５で貯留された圧縮空気から所定の気体が分離される。本実施例では、吸着槽１９Ａ、１９Ｂで酸素を吸着することにより、窒素を分離する場合について説明するが、窒素を吸着することにより酸素を分離してもよいし、大気以外の圧縮空気から他の気体を分離するものであってもよい。

圧縮機４として、往複動式、スクリュー式あるいはスクロール式等の圧縮機や、外部から１次圧を供給され再圧縮するブースタ圧縮機等が用いられている。

空気槽５には、圧縮空気を流す配管１６が接続されており、この配管１６の端末位置には２系統に分岐した配管１７Ａ、１７Ｂが接続されている。配管１７Ａ、１７Ｂには、それぞれ流路を開閉する供給弁１８Ａ、１８Ｂが途中に設けられており、酸素分子を吸着して窒素ガスを製品ガスとして取り出すための吸着槽１９Ａ，１９Ｂがそれぞれ接続されている。この吸着槽は容積一定である。

また、配管１７Ａ、１７Ｂには、それぞれ供給弁１８Ａ、１８Ｂと吸着槽１９Ａ，１９Ｂとの間位置に配管２１Ａ、２１Ｂが接続されており、これら配管２１Ａ、２１Ｂには、途中に流路を開閉する排気弁２２Ａ、２２Ｂが、端末に消音用のフィルタ付きの排気サイレンサ２３が設けられている。この排気サイレンサは各吸着槽１９Ａ、１９Ｂ毎に設けられていてもよい。

また、配管１７Ａ、１７Ｂには、互いの配管２１Ａ、２１Ｂと吸着槽１９Ａ、１９Ｂとの間位置を結ぶように配管２５Ａ、２５Ｂが接続されており、この配管２５Ａ、２５Ｂには流路を開閉する下均圧弁２６Ａ、２６Ｂが設けられている。

吸着槽１９Ａ，１９Ｂには、例えば、酸素分子を吸着する吸着手段である吸着剤が充填されている。吸着剤は、具体的には分子ふるいカーボンやゼオライト等を用いている。吸着槽１９Ａ、１９Ｂには、互いに合流する配管３１Ａ、３１Ｂがそれぞれ接続されている。これら配管３１Ａ、３１Ｂには、互いの吸着槽１９Ａ、１９Ｂ側同士を結ぶように配管３２Ａ、３２Ｂが接続されており、この配管３２Ａ、３２Ｂには絞り３３が設けられている。

また、配管３１Ａ、３１Ｂには、互いの配管３２Ａ、３２Ｂよりも吸着槽１９Ａ、１９Ｂとは反対側同士を結ぶように配管３５Ａ、３５Ｂが接続されておりこの配管３５Ａ、３５Ｂには流路を開閉する上均圧弁３６Ａ、３６Ｂが設けられている。また、配管３１Ａ、３１Ｂには、それぞれの配管３５Ａ、３５Ｂよりも吸着槽１９Ａ、１９Ｂとは反対側に流路を開閉する取り出し弁３８Ａ、３８Ｂがそれぞれ設けられている。

配管３１Ａ、３１Ｂの合流位置には配管４０が接続されており、この配管４０には窒素ガスを貯留させる製品ガス貯留タンクとしての窒素槽４１が接続されている。この窒素槽４１には、吐出口４２が設けられた配管４３が接続されており、この配管４３の途中位置には窒素槽４１側から順に、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４４、流路を開閉する吐出弁４５、製品ガスの流量を調整する流量調整弁４６、製品ガスの流量をセンシングする流量検出装置（流量検出センサ）６１が設けられている。

配管４３のフィルタレギュレータ４４と吐出弁４５との間位置には配管４８および配管４９が接続されており、配管４８には、配管４３側から順に、流路を開閉する開閉弁５０と、ガスの流量を調整する流量調整弁５１と、サイレンサ５２とが設けられている。

配管４９には、配管４３側から順に、流路を開閉する開閉弁５４と、ガスの流量を調整する流量調整弁５５と、酸素濃度を検出する酸素センサ５６とが設けられている。酸素センサ５６および流量検出装置６１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。制御部６０は検出信号を受けて、吸着槽１９Ａ、１９Ｂにおける窒素ガスの生成を制御する。

具体的には、供給弁１８Ａ、１８Ｂ、排気弁２２Ａ、２２Ｂ、下均圧弁２６Ａ、２６Ｂ、上均圧弁３６Ａ、３６Ｂ、取り出し弁３８Ａ、３８Ｂ、吐出弁４５、開閉弁５０および５４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。

空気槽５、吸着槽１９Ａ、１９Ｂ、窒素槽４１には、圧力を検知する圧力検出手段６３が設けられている。また気体分離装置１には周囲温度を検知する温度センサ６２が設けられている。

ここまで、気体分離装置１の構成を説明したが、次に、気体分離装置において行われる気体分離方法について説明する。

気体分離装置１では、圧縮機４によって空気を圧縮する圧縮工程、圧縮工程により圧縮された空気を空気槽５に貯留する貯蔵工程、圧縮空気をエアードライヤー６により除湿する除湿工程、除湿工程により除湿された空気から気体を分離する分離工程が行われる。

気体分離装置１の分離工程では、以下の（ａ）～（ｄ）の工程が順次繰り返される。

（ａ）吸着・還流工程：圧縮機４により圧縮され空気槽５に貯留された圧縮空気を、供給弁１８を開くことで、吸着剤が充填された吸着槽１９に供給するとともに、窒素槽４１内に残存する窒素ガスを、取り出し弁３８を開くことで吸着槽１９に還流して吸着槽１９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。

（ｂ）取り出し工程：吸着工程から引き続いて、空気槽５から圧縮空気を吸着槽１９に供給し続けると同時に、吸着剤により分離生成された窒素ガスを吸着槽１９より取り出して窒素槽４１に貯留させる工程。

（ｃ）均圧工程：上均圧弁３６および下均圧弁２６の開閉により取り出し工程終了後の一対の吸着槽１９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。

（ｄ）再生工程：均圧工程終了後の吸着槽１９内を、排気弁２２を開くことにより配管２１を介して、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２２以外の吸着槽１９に関連する供給弁１８、下均圧弁２６、上均圧弁３６および取り出し弁３８は、閉状態とする。

吸着槽１９Ａで吸着工程・取り出し工程（工程（ａ）（ｂ））が行われている間に吸着槽１９Ｂでは、再生工程（工程（ｄ））が行われる。その後、（ｃ）均圧工程が同時に行われ、吸着槽１９Ａ、１９Ｂを入れ替えて吸着工程・取り出し工程（工程（ａ）（ｂ））と再生工程（工程（ｄ））が行われる。

上記の吸着工程（ａ）、取り出し工程（ｂ）、均圧工程（ｃ）の時間を併せてサイクルタイムとする。

本実施例は、気体分離装置を利用する利用者に有料で製品ガスを供給するシステムに関する。その際、製品ガスの使用量に応じた従量課金で利用者に請求する。本実施例における、具体的な従量課金について以下説明する。

気体分離装置１の吐出口４２に設けている流量検出装置６１は、製品ガスの使用量Ｑをセンシングする。流量検出装置６１は、常時センシングを行い、制御部６０に信号を送る。制御部６０は、流量検出装置６１で検出した流量の瞬時値を基に流量を積算して積算流量を記録する。気体分離装置の管理者は、記録した積算流量を基に従量課金で気体分離装置の利用者に料金を請求する。

なお、図１において、気体分離装置１は通信部７０を有しており、制御部６０で記録した積算流量を通信部７０を介して、図示しない、外部のインターネット等の広域ネットワークを介してクラウド上のサーバに送信し、サーバ経由で、気体分離装置の利用者に従量課金による料金請求を行なってもよい。

本実施例では、流量検出装置６１を気体分離装置１の内部に搭載し、気体分離装置１内の制御部６０で制御できるようにし、流量検知（積算）タイミングを窒素ガス発生装置の運転開始から運転停止までとすることで、装置未稼働時の過大な課金を防止する。なお、窒素ガスの取り出し開始から停止までとしてもよい。

また、流量検出装置６１の精度について考慮すると、真値＋精度範囲内の流量で使用された場合、正確に課金することが難しく、過大、過小課金となる可能性がある。そのため、本実施例では、従量課金における顧客への不適切請求の防止を図るために、流量検出装置の精度に対して積算流量の対応を以下のように行う。

図２は、本実施例における流量検出装置の精度に対する積算流量の対応を説明する図である。図２において、横軸は実際の流量（真値）、縦軸は流量検出装置による検知値であり、流量検出装置の検出可能範囲の最大値を１００％とし、気体分離装置の製品として定める最大使用容量である仕様流量を８０％とする。また、実線は真値（２５℃）、破線は＋Ｘ％の精度範囲、一点破線は－Ｘ％の精度範囲を示す。

図２に示すように、流量検出装置６１の精度範囲を加味し、真値±Ｘ％の精度の場合、真値より多い精度＋Ｘ％の値を考慮し、真値＋０～Ｘ％の流量での使用時は、「０」として記録する制御とする。これにより、流量検出装置６１の真値＋精度範囲内で使用した場合の積算を行わず、不確かな場合での流量値の積算を防ぎ、過大な料金を請求することを防止することが可能となる。

また、仕様流量８０％を超過した場合は、仕様流量警報の発報等の、仕様流量以上であることを知らせる制御とする。また、１００％以上の場合は精度保障外の流量となり、制御部で検知する流量も１００％固定とされてしまうため、実使用量よりも少ない流量となり、不正使用された場合は過小請求となることを知らせる制御とする。

本制御によれば、流量検出装置６１の真値＋精度範囲内および仕様流量範囲外での使用を検知することができ、流量検出装置６１の故障や不正使用による過小請求の防止が可能となる。

なお、真値＋精度範囲内の０～Ｘ％分の流量をあらかじめ差し引いた値を用いて積算するようにしてもよい。

また、上記においては、気体分離装置内の制御部６０で、真値＋精度範囲内の０～Ｘ％の流量での使用時は「０」として記録する制御としたが、気体分離装置の外部で制御してもよい。すなわち、制御部６０で記録した積算流量を通信部７０を介して、図示しない、外部の広域ネットワークを介してクラウド上のサーバに送信する。そして、サーバで真値＋精度範囲内の０～Ｘ％の流量での使用時は「０」として記録する。

また、制御部６０で積算せず、サーバ側で積算してもよい。すなわち、流量検出装置６１で検出した流量データを通信部７０を介して、外部の広域ネットワークを介してクラウド上のサーバに送信する。そして、サーバで真値＋精度範囲内の０～Ｘ％の流量での使用時は「０」として積算、記録する。

気体分離装置の管理者は、サーバで記録した積算流量を基に従量課金で気体分離装置の利用者に料金を請求する。なお、サーバ経由で、気体分離装置の利用者に従量課金による料金請求を行なってもよい。

このように、本実施例によれば、気体分離装置を利用する利用者に有料で製品ガスを供給するシステムにおいて、従量課金における顧客への不適切請求の防止が可能となる。

一般的に、流量検出装置の精度は、その周囲温度によって変化する。そのため、本実施例では、周囲温度も加味した流量検出装置の精度への対応について説明する。

流量検出装置６１の精度は、周囲温度によって、その範囲が±Ｙ％大きくなる特性を持つとする。そのため、本実施例では、実施例１に加え、周囲温度を検知する温度センサ６２により、気体分離装置が設置されている周囲温度を常時センシングし、制御部６０に信号を送る。

図３は、本実施例における流量検出装置の精度に対する積算流量の対応を説明する図である。図３において、横軸、縦軸は、図２と同様である。図３において、実線は真値（所定温度範囲）、破線は＋（Ｘ＋Ｙ）％の精度範囲、一点破線は－（Ｘ＋Ｙ）％の精度範囲、点線は±Ｘ％の精度範囲を示す。
たとえば、２０～３０℃の場合：±（Ｘ）％、３０℃～５０℃の場合：＋（Ｘ＋Ｙ）％、０℃～２０℃の場合：－（Ｘ＋Ｙ）％。

このように、温度範囲毎の適用精度範囲を設け、周囲温度によって実施例１の精度範囲を変更する。そして、実施例１と同様に、真値＋精度範囲内の０～（Ｘ＋Ｙ）％の流量での使用時は、「０」として記録する制御とする。これにより、流量検出装置６１の真値＋精度範囲内で使用した場合の不確かな流量値で積算することを防ぎ、過大な料金を請求することを防止することが可能となる。

また、仕様流量８０％を超過した場合は、仕様流量警報の発報等の、仕様流量以上であることを知らせる制御とする。また、１００％以上の場合は精度保障外の流量となり、不正使用された場合は過小請求となることを知らせる制御とする。

このように、本制御によれば、周囲温度のセンシングを用いて、周囲温度範囲によって異なる流量検出装置６１の精度範囲を設けることにより、より正確に、流量検出装置６１の真値＋精度範囲内で使用した場合の不確かな流量値で積算することを防ぎ、過小請求や過大な課金を防止することが可能となる。

以上、実施例について説明したが、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かり易く説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。また、上記の制御部は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し実行することによりソフトウェアで実現してもよいし、例えば集積回路で設計することによるハードウェアで実現してもよい。

１：気体分離装置、２：空気供給ユニット、３：ＰＳＡユニット、４：圧縮機、５：空気槽、１９：吸着槽、４１：窒素槽、６０：制御部、６１：流量検出装置、６２：温度センサ、６３：圧力検出手段、７９：通信部

Claims (9)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を貯留する空気槽と、
   前記空気槽に貯留された圧縮空気のうち一部の気体を吸着する吸着槽と、
   前記吸着槽で吸着されなかった製品ガスを貯留する製品ガス貯留タンクと、
   前記圧縮機と前記吸着槽の動作を制御する制御部とを有する気体分離装置であって、
   前記製品ガスの使用量である製品ガスの流量を検知する流量検出装置を備え、
   前記流量検出装置の精度が±Ｘ％の場合、前記制御部は、前記流量検出装置で検出した流量から前記Ｘ％分の流量を差し引いた値を用いて積算し記録することを特徴とする気体分離装置。
2. 請求項１に記載の気体分離装置であって、
   前記制御部は、前記流量検出装置で検出した流量が前記気体分離装置の仕様流量を超過した場合は、仕様流量以上であることを知らせることを特徴とする気体分離装置。
3. 請求項１に記載の気体分離装置であって、
   前記制御部は、積算するタイミングを前記気体分離装置の運転開始から運転停止までとすることを特徴とする気体分離装置。
4. 請求項１に記載の気体分離装置であって、
   前記制御部は、積算するタイミングを前記製品ガスの取り出し開始から停止までとすることを特徴とする気体分離装置。
5. 請求項１に記載の気体分離装置であって、
   前記流量検出装置の精度が周囲温度によって±Ｙ％大きくなる特性を持つ場合、前記制御部は、前記周囲温度によって前記流量検出装置の精度範囲を変更し、前記（Ｘ＋Ｙ）％分の流量を差し引いた値を用いて積算することを特徴とする気体分離装置。
6. 空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機で圧縮された圧縮空気を貯留する空気槽と、前記空気槽に貯留された圧縮空気のうち一部の気体を吸着する吸着槽と、前記吸着槽で吸着されなかった製品ガスを貯留する製品ガス貯留タンクと、前記圧縮機と前記吸着槽の動作を制御する制御部と、通信部を有する気体分離装置と、
   前記通信部と広域ネットワークを介して接続されるサーバを有する気体分離装置システムであって、
   前記気体分離装置は前記製品ガスの使用量である製品ガスの流量を検知する流量検出装置を備え、
   前記制御部は、前記流量検出装置で検出した流量を前記通信部を介して前記サーバに送信し、
   前記流量検出装置の精度が±Ｘ％の場合、前記サーバは、受信した前記流量から前記Ｘ％分の流量を差し引いた値を用いて積算し該積算した積算流量を記録することを特徴とする気体分離装置システム。
7. 請求項６に記載の気体分離装置システムであって、
   前記制御部は、前記流量検出装置で検出した流量を積算し、該積算した積算流量を前記通信部を介して前記サーバに送信し、
   前記サーバは、受信した前記積算流量を記録し、前記Ｘ％分の流量を差し引いた値を用いて積算することを特徴とする気体分離装置システム。
8. 請求項６に記載の気体分離装置システムであって、
   前記制御部は、前記流量検出装置で検出した流量から前記Ｘ％分の流量を差し引いた値を用いて積算し、該積算した積算流量を前記通信部を介して前記サーバに送信し、
   前記サーバは、受信した前記積算流量を記録することを特徴とする気体分離装置システム。
9. 請求項６から８の何れか１項に記載の気体分離装置システムであって、
   前記サーバは、前記積算流量に基づき前記気体分離装置の利用者に従量課金による料金請求を行なうことを特徴とする気体分離装置システム。

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