酸素製造方法及び酸素製造装置
【課題】小型でエネルギー原単位の小さい効率的な酸素製造方法を提供する。
【解決手段】空気を冷却、液化することにより、酸素富化気体Ａｏを製造する方法において、吸入空気ａを絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮後空冷し、これを絶対圧０．１ＭＰａまで膨張冷却し、それぞれの冷却後に結露した水分を除去する圧縮・膨張工程を数回繰り返すことにより、０℃以下の低温で絶対湿度がモル比で０．５％以下の乾燥空気Ｄａを製造後、その乾燥空気Ｄａを絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮し、圧縮後の乾燥空気Ｄａを環流空気との熱交換で液化直前温度まで冷却し、冷却後の乾燥空気Ｄａを絶対圧で０．１ＭＰａまで断熱膨張させることにより、モル比で吸入空気の１０％前後の酸素富化気体Ａｏを製造する方法である。
【解決手段】空気を冷却、液化することにより、酸素富化気体Ａｏを製造する方法において、吸入空気ａを絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮後空冷し、これを絶対圧０．１ＭＰａまで膨張冷却し、それぞれの冷却後に結露した水分を除去する圧縮・膨張工程を数回繰り返すことにより、０℃以下の低温で絶対湿度がモル比で０．５％以下の乾燥空気Ｄａを製造後、その乾燥空気Ｄａを絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮し、圧縮後の乾燥空気Ｄａを環流空気との熱交換で液化直前温度まで冷却し、冷却後の乾燥空気Ｄａを絶対圧で０．１ＭＰａまで断熱膨張させることにより、モル比で吸入空気の１０％前後の酸素富化気体Ａｏを製造する方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気を冷却、液化することにより、酸素富化気体を製造する酸素製造方法及び酸素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、空気を冷却液化して酸素を分離する深冷酸素製造法は、排気空気を減らして酸素ないし窒素の生成歩留まりを上げるため、また生成物気体を高圧タンクに充填して出荷するため、空気を絶対圧で最低０．５ＭＰａ（５気圧）以上に圧縮後、冷却してから膨張による空気の液化を行っている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−８５１６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このため、従来の方法では、酸素製造のエネルギー原単位は０．３ｋＷ／ｋｇ程度まで小さくできるが、空気の圧縮機が大型化するだけでなく、熱交換器や蒸留塔も高圧に対応して大型化するという問題があった。
【０００５】
一方、特許文献１のように材料空気を圧縮することなく、パルスチューブ冷凍機のような別の冷却手段で空気を冷却液化する方法も提案されているが、液化能力が数Ｗ、冷凍機の効率も数％と小さい上、１Ｌ／分（１．３ｇ／分）程度の酸素を作るのに１ｋＷ程度の動力を必要とし、エネルギー原単位は上記の５０倍程度と大きい。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、小型でエネルギー原単位の小さい効率的な酸素製造方法及び酸素製造装置を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、エネルギー効率の高い低公害内燃機関用酸素製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、空気を冷却、液化することにより、酸素富化気体を製造する方法において、吸入空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮後空冷し、これを絶対圧０．１ＭＰａまで膨張冷却し、それぞれの冷却後に結露した水分を除去する圧縮・膨張工程を数回繰り返すことにより、０℃以下の低温で絶対湿度がモル比で０．５％以下の乾燥空気を製造後、その乾燥空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮し、圧縮後の乾燥空気を環流空気との熱交換で液化直前温度まで冷却し、冷却後の乾燥空気を絶対圧で０．１ＭＰａまで断熱膨張させることにより、モル比で吸入空気の１０％前後の酸素富化気体を製造する酸素製造方法である。
【０００９】
請求項２の発明は、上記乾燥空気を液化直前温度まで冷却した後、液化、蒸留し、酸素含有量が９９％程度のほぼ純粋液体酸素を得る請求項１記載の酸素製造方法である。
【００１０】
請求項３の発明は、上記ほぼ純粋液体酸素を気化して酸素含有量が９９％程度のほぼ純粋気体酸素を得る請求項２記載の酸素製造方法である。
【００１１】
請求項４の発明は、吸入空気中の窒素をＡｒに置き換え、Ａｒ含有量が１％程度のほぼ純粋気体酸素を得る請求項３記載の酸素製造方法である。
【００１２】
請求項５の発明は、空気を冷却、液化することにより、酸素富化気体を製造する装置において、
吸入空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮する圧縮機、圧縮後の乾燥空気を空冷する冷却器、さらに膨張冷却する膨張機、結露した水分を除去する除湿器からなる複数段の圧縮・膨張手段と、
これら複数段の圧縮・膨張手段から得られる乾燥空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮する主圧縮機と、
主圧縮機からの乾燥空気を環流空気との熱交換で液化直前温度まで冷却する熱交換器と、
熱交換器からの乾燥空気を液化するコンデンサと、
コンデンサからの液体空気を蒸留し、ほぼ純粋液体酸素と窒素に分離する蒸留器と、
蒸留器からのほぼ純粋液体酸素を気化する複数段の気化器と
を備えた酸素製造装置である。
【００１３】
請求項６の発明は、上記圧縮機と上記膨張機は、同軸で直接、あるいは間接的に連結される請求項５記載の酸素製造装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、空気を０．２ＭＰａ以下の低い圧力に圧縮するだけであり、小型でエネルギー原単位の小さい酸素富化気体の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。まず、本実施形態に係る酸素製造装置を説明する。
【００１６】
図１は、本発明の好適な実施形態を示す酸素製造装置の概略図である。図１中の点線矢印は気体の流れや配管を、実線矢印は液体の流れや配管を示す。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態に係る酸素製造装置（以下、装置ともいう）１は、空気を冷却、液化することにより、酸素富化気体を製造するものであり、外気（吸入空気）ａから液体空気（液体Ａｉｒ）Ｌａを製造する液化部２（図１中の上半分の部分）と、その液化部２に接続され、液体空気Ｌａからほぼ純粋液体酸素（液体Ｏ2 ）Ｌｏと酸素富化気体としての酸素（ほぼ純粋気体酸素）Ａｏとを製造する気化部３（図１中の下半分の部分）とで主に構成される。
【００１８】
液化部２は、外気ａを繰り返し圧縮・膨張して乾燥空気Ｄａを製造する複数段の圧縮・膨張手段４と、これら複数段の圧縮・膨張手段４からの乾燥空気Ｄａを絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａ（約１．５〜２気圧）に圧縮し、主に乾燥空気Ｄａを断熱圧縮するための主圧縮機５と、主圧縮機５からの乾燥空気Ｄａを空冷する第３冷却器６と、第３冷却器６からの乾燥空気Ｄａを環流空気との熱交換で液化直前温度まで冷却する逆流型の熱交換器７と、熱交換器７からの乾燥空気Ｄａを液化して液体空気Ｌａを製造するコンデンサ（凝縮器、あるいは復水器）８とからなる。
【００１９】
本実施形態では、複数段の圧縮・膨張手段４は、第１圧縮・膨張手段４ａと第２圧縮・膨張手段４ｂとの２段で構成される例で説明する。外気ａと第１圧縮・膨張手段４ａ間には、固形不純物粒子などの固形物を除去するフィルターが設けられる。
【００２０】
第１圧縮・膨張手段４ａは、外気ａを絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮する第１圧縮機９ａと、第１圧縮機９ａからの外気ａを空冷する第１冷却器（放熱器）１０ａと、第１冷却器１０ａからの外気ａの結露した水分を除去する第１除湿器１１ａと、第１除湿器１１ａからの外気ａを膨張冷却する第１膨張機１２ａとを備える。
【００２１】
第１圧縮機９ａには加圧用のブロアーや容積型のコンプレッサーを用いる。第１冷却器１０ａには空冷式、水冷式のいずれの冷却器を用いてもよい。第１除湿器１１ａには遠心分離式のドライヤーを用いる。第１膨張機１２ａにはタービン膨張機を用いる。
【００２２】
第２圧縮・膨張手段４ｂも第１圧縮・膨張手段４ａと同じ構成であり、第２圧縮機９ｂと、第２冷却器１０ｂと、第２除湿器１１ｂと、第２膨張機１２ｂとを備える。
【００２３】
第１圧縮機９ａと第１膨張機１２ａは、同軸で直接、あるいは間接的に連結される。同様に、第２圧縮機９ｂと第２膨張機１２ｂも、同軸で直接、あるいは間接的に連結される。図１では、第１圧縮機９ａと第１膨張機１２ａ、第２圧縮機９ｂと第２膨張機１２ｂがモータ１３を介して同軸で直接連結される例で示した。
【００２４】
本実施形態では、第１冷却器１０ａと第１膨張機１２ａ間に第１除湿器１１ａを、第２冷却器１０ｂと第２膨張機１２ｂ間に第１除湿器１１ｂを設けたが、この構成に加え、さらに第１膨張機１２ａと第２圧縮機９ｂ間に第３除湿器を、第２膨張機１２ｂと主圧縮機６間に第４除湿器を設けてもよい。
【００２５】
主圧縮機５は単独でモータ１３に連結される。この主圧縮機５は、装置１内で消費電力や吐出圧が最も大きい。熱交換器７に流入させる環流空気は、装置１の初期運転時に、コンデンサ８から排気される未液化の乾燥空気Ｄａを用いる。定常運転時の環流空気は、後述する酸素Ａｏおよび窒素ｎである。
【００２６】
コンデンサ８は、少なくとも１入力３出力型のものを使用する。コンデンサ８の入力部には熱交換器７が接続され、第１出力部には液体空気ライン１８を介して後述する蒸留器１３が接続され、第２出力部には後述する未液化空気ライン１９を介して第４圧縮機１５ａが接続され、第３出力部には図示しない環流空気ラインを介して熱交換器７が接続される。
【００２７】
気化部３は、コンデンサ８からの液体空気Ｌａを蒸留し、ほぼ純粋液体酸素Ｌｏと窒素（濃縮Ｎ2 、あるいは窒素富化気体）ｎに分離する蒸留器（蒸留塔）１３と、蒸留器１３からのほぼ純粋液体酸素Ｌｏを気化して酸素Ａｏを製造する複数段の気化器１４とを備える。
【００２８】
蒸留器１３は、少なくとも１入力３出力型のものを使用する。蒸留器１３の入力部にはコンデンサ８が接続され、第１出力部には後述する第１気化器１４ａが接続され、第２出力部には窒素ｎの排気ライン２１が接続され、第３出力部にはほぼ純粋液体酸素Ｌｏを取り出す第１取り出しライン２０ａが接続される。排気ライン２１は、熱交換器７を経由し、外気ａに開放される。
【００２９】
本実施形態では、複数段の気化器１４は、第１気化器１４ａと第２気化器１４ｂの２段で構成される例で説明する。
【００３０】
第２気化器１４ｂの出力部には、酸素Ａｏを外部に取り出す第２取り出しライン２０ｂが接続される。第２取り出しライン２０ｂは、熱交換器７を経由し、酸素タンクや内燃機関などの外部に接続される。
【００３１】
第２気化器１４ｂには、未液化空気ライン１９からの未液化空気ｎａを絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮して第２気化器１４ｂに流入させる第４圧縮機（低温用第１圧縮機）１５ａと、第２気化器１４ｂからの未液化空気ｎａを膨張させる第４膨張機（低温用第１膨張機）１６ａとが接続される。
【００３２】
第４圧縮機１５ａには低温でも動作する加圧用のブロアーや容積型のコンプレッサーを用いる。第４膨張機１６ａには低温でも動作するタービン膨張機を用いる。
【００３３】
第１気化器１４ａにも、第２気化器１４ｂに接続される第４圧縮機１５ａ、第４膨張機１６ａと同様に、第５圧縮機（低温用第２圧縮機）１５ｂと、第５膨張機（低温用第２膨張機）１６ｂとが接続される。
【００３４】
第４圧縮機１５ａと第４膨張機１６ａは、同軸で直接、あるいは間接的に連結される。同様に、第５圧縮機１５ｂと第５膨張機１６ｂも、同軸で直接、あるいは間接的に連結される。図１では、第４圧縮機１５ａと第４膨張機１６ａ、第５圧縮機１５ｂと第５膨張機１６ｂが同軸で直接連結される例で示した。第４圧縮機１５ａと第４膨張機１６ａ間、第５圧縮機１５ｂと第５膨張機１６ｂ間、あるいは単独で第４圧縮機１５ａと第５圧縮機１５ｂとには、図示しないモータが接続される。
【００３５】
第４膨張機１６ａと第５圧縮機１５ｂ間には、未液化空気ｎａと、第２気化器１４ｂに流入する液体酸素Ｌｏの気化熱で未液化空気ｎａの一部が液化した液体空気Ｌａとを分離する第１分離器（セパレータ）１７ａが接続される。第１分離器１７ａには、液体空気Ｌａを液体空気ライン１８に戻す液体空気戻しライン２２が接続される。
【００３６】
第５膨張機１６ｂと排気ライン２１間には、第１分離器１７ａと同様の第２分離器１７ｂが接続される。第２分離器１７ｂの第１出力部は、第１気化器１４ａに流入する液体酸素Ｌｏの気化熱で未液化空気ｎａの一部が液化した液体空気Ｌａを液体空気ライン１８に戻す液体空気戻しライン２２に接続される。第２分離器１７ｂの第２出力部は、熱交換器７よりも上流側の排気ライン２１に接続され、ほぼ窒素である未液化空気ｎａが排気される。
【００３７】
次に、本実施形態に係る酸素製造方法を（１）〜（１４）の工程に分けて、酸素製造装置１の動作と共に説明する。
【００３８】
酸素製造装置１は定常状態で運転しているものとし、初期運転時の説明を省略する。定常運転時、熱交換器７における乾燥空気Ｄａの温度は、流入（吸気）口で約３０℃、流出（排気）口で約−１８３℃である。
【００３９】
（１）まず、フィルター等で固形不純物粒子等を除去したほぼ０．１ＭＰａ（大気圧）の外気ａを、第１圧縮・冷却手段４ａにおいて、第１圧縮機９ａで絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに加圧して断熱圧縮し、温度を４０〜６０Ｋ昇温させる。
【００４０】
（２）第１圧縮機９ａからの外気ａを第１放熱器１０ａで空冷してほぼ外気温に冷却し、結露した水分があれば、これを第１除湿器１１ａで除去し、圧縮冷却空気を得る。
【００４１】
（３）この圧縮冷却空気を第１膨張機１２ａで絶対圧０．１ＭＰａまで断熱膨張により冷却させる。このとき、外気ａは十分乾燥していれば最大４０〜６０Ｋ温度低下するが、実際には外気ａに水蒸気が含まれているため、モル湿度で１％の水蒸気が結露すると水の気化熱４１ｋＪ／ｍｏｌと空気の定圧比熱２９Ｊ／Ｋ・ｍｏｌの関係から温度低下は約１４Ｋ（＝４１０００×１／１００÷２９）小さくなる。そこで、結露した水分を第１除湿器１１ａで除去する。
【００４２】
（４）第１圧縮機９ａと第１膨張機１２ａは、同軸で直接、あるいは間接的に連結されるため、吸気される空気の温度差が小さく、またそれぞれの吸気口と排気口の圧力差は同じであるから、第１圧縮機９ａを駆動するエネルギーの大部分は第１膨張機１２ａで発生する膨張エネルギーで賄うことができ、駆動のためのエネルギーを節約できる。
【００４３】
（５）同様に、第２圧縮・膨張手段４ｂにおいて、上述した第１圧縮・冷却手段４ａと同様の工程を行うことで、圧縮・膨張工程を２回繰り返す。これにより、外気ａの温度を０℃、モル湿度を０．５％以下にすることができる。すなわち、０℃以下の低温で絶対湿度がモル比で０．５％以下の乾燥空気Ｄａが得られる。
【００４４】
（６）ただし、圧縮・膨張工程の繰り返し回数は、当然外気ａの温度や湿度によって異なるので、各膨張機の出口の温度を検出し、温度が所定の温度を下回った場合は下流の圧縮機と膨張機の対は停止し、所定の温度以下になった吸気を切替バルブによって主圧縮機５に供給する。
【００４５】
（７）除湿冷却された乾燥空気Ｄａを、主圧縮機５で絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに加圧して断熱圧縮し、４０〜６０Ｋ温度上昇させ、第３冷却器６で空冷した後、熱交換器７に送る。熱交換器７内では、環流空気としての気化した酸素Ａｏおよび分離された窒素ｎによって、乾燥空気Ｄａは液化直前の温度約９０Ｋまで冷却され、熱交換の相手気体（酸素Ａｏおよび窒素ｎ）を外気温まで昇温させる。
【００４６】
（８）液化直前温度まで冷却された乾燥空気Ｄａを、コンデンサ８内で再び大気の圧力０．１ＭＰａまで断熱膨張し、モル比で１０％程度の外気ａを液化させる。このとき、外気ａ中の酸素は窒素に比べて沸点が高く、蒸気圧が低いため窒素より多く液化しやすく、大気のモル濃度約２０％に比べて酸素の濃い液体空気Ｌａが生成される。一方、乾燥空気Ｄａのうち、コンデンサ８で液化しない未液化空気ｎａは、未液化空気ライン１９で第４圧縮機１５ａに送られる。
【００４７】
（９）液体空気Ｌａは液体空気ライン１８で蒸留器１３に送られ、蒸留器１３で窒素と酸素の蒸気圧の差を用いて、気体の窒素ｎと液体酸素Ｌｏに分離される。ここで、蒸留器１３の第１取り出しライン２０ａから液体酸素Ｌｏを取り出せば、酸素含有量が９９％程度のほぼ純粋液体酸素が得られる。
【００４８】
（１０）液体酸素Ｌｏは第１気化器１４ａに送られ、続いて第２気化器１４ｂに送られる。一方、未液化空気ｎａを、第４圧縮機１５ａで絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに断熱圧縮し、１０〜１５Ｋ昇温させることで、第２気化器１４ｂにおいて、第２気化器１４ｂを通る液体酸素Ｌｏの残部を気化する。このとき、未液化空気ｎａは、液体酸素Ｌｏの気化熱により液体酸素Ｌｏの温度−１８３℃（９０Ｋ）に再冷却される。
【００４９】
第２気化器１４ｂからの未液化空気ｎａを、第４膨張機１６ａで絶対圧０．１ＭＰａに加圧して断熱膨張し、冷却して一部を液化する。その後、液体分を有する未液化空気ｎａは、第１分離器１７ａに送られ、第１分離器１７ａで液体分が分離され、第５膨張機１５ｂに送られる。分離された液体分は、液体空気Ｌｏとして液体空気戻しライン２２で液体空気ライン１８に戻される。
【００５０】
（１１）さらに、上述と同様にして液化空気ｎａを、第５圧縮機１５ｂで絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに断熱圧縮し、１０〜１５Ｋ昇温させることで、第１気化器１４ａにおいて、第１気化器１４ａを通る液体酸素Ｌｏの一部を気化する。このとき、未液化空気ｎａは、液体酸素Ｌｏの気化熱により液体酸素Ｌｏの温度−１８３℃（９０Ｋ）に再冷却される。
【００５１】
第１気化器１４ａからの未液化空気ｎａを、第５膨張機１６ｂで絶対圧０．１ＭＰａに加圧して断熱膨張し、冷却して一部を液化する。その後、液体分を有する未液化空気ｎａは、第２分離器１７ｂに送られ、第２分離器１７ｂで液体分が分離され、窒素ｎとして排気ライン１８に送られる。分離された液体分は、液体空気Ｌｏとして液体空気戻しライン２２で液体空気ライン１８に戻される。
【００５２】
（１２）これにより、定常運転時には、蒸留器１３にモル比で外気ａの５０％の液体空気Ｌｏが流入される。また、液体酸素Ｌｏは第１，２気化器１４ａ，１４ｂで気化され、酸素Ａｏとして第２取り出しライン２０ｂに送られる。
【００５３】
第１気化器１４ａで気化する液体酸素Ｌｏの気化熱と、この気化熱で冷却後断熱膨張により一部が液化する未液化空気ｎａの潜熱とはほぼ等しいことから、気化する液体酸素Ｌｏの量と液化する未液化空気ｎａの量はほぼ等しい。これを続けて第２気化器１４ｂで繰り返すことにより、液体空気Ｌａの量を初期運転時にコンデンサ８で液化する外気ａの数倍に増やすことができる。
【００５４】
液体空気Ｌａを蒸留塔１３を使用せず、前述の第１，第２気化器１４ａ，１４ｂで気化してもよい。この場合、酸素富化気体として酸素含有量が約４０％程度未満の酸素Ａｏが得られ、これを医療用、あるいは運動用酸素補充空気として利用できる。
【００５５】
（１３）第２取り出しライン２０ｂからの酸素Ａｏと、排気ライン２１からの窒素ｎは、環流空気として熱交換器７に流入され、外気ａと熱交換することで、外気温まで加熱される。その後、酸素Ａｏは第２取り出しライン２０ｂから酸素タンクや内燃機関などの外部に送られる。この酸素Ａｏは、モル比で外気ａの１０％前後の酸素富化気体であり、酸素含有量が９９％程度のほぼ純粋気体酸素である。窒素ｎは排気ライン２１から外気ａに放出される。
【００５６】
（１４）外気ａ中の窒素をＡｒに置き換え、例えば、酸素富化気体としての酸素Ａｏを製造してもよい。例えば、酸素９８％、窒素１％未満、Ａｒ１％程度の酸素Ａｏを製造し、これを内燃機関の作動気体として用いれば、車両の燃費が向上し、炭酸ガスの排出量が削減できるだけでなく、ＮＯｘや煤のような有害な排気ガスの発生を防止できる。また、この酸素Ａｏをディーゼルエンジンの作動気体として使用すれば、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）が不要となる。（１３）で酸素Ａｏを製造後、これとＡｒを所定の割合で混合し、これを内燃機関の作動気体として用いてもよい。
【００５７】
本実施形態の作用を説明する。
【００５８】
本実施形態に係る酸素製造方法は、まず、液化部２の複数段の圧縮・膨張手段４で外気ａを低圧で繰り返し圧縮・膨張し、絶乾状態の乾燥空気Ｄａを製造している。この乾燥空気Ｄａを熱交換器７でほどよく冷やし、その一部をコンデンサ８で液化（初期運転時はモル比で外気ａの１０％前後、定常運転時はモル比で外気ａの５０％前後）して液体酸素Ｌｏを製造している。さらに、気化部３で未液化空気ｎａを用いて液体酸素Ｌｏを繰り返し気化することで、酸素Ａｏを製造している。
【００５９】
つまり、本実施形態に係る酸素製造方法は、外気ａを０．２ＭＰａ以下の低圧で膨張・膨張する工程を繰り返した後、一部を液化して液体酸素Ｌｏを製造し、これを未液化空気ｎａで繰り返し気化する際、未液化空気ｎａを０．２ＭＰａ以下の低圧で圧縮・膨張する工程を繰り返している。
【００６０】
したがって、本実施形態に係る酸素製造方法は、外気ａや未液化空気ｎａを圧縮エネルギーが小さい低圧で圧縮しているので、小型の装置１でエネルギー原単位の小さい酸素富化気体としての酸素Ａｏを製造できる。
【００６１】
小型の装置１でエネルギー原単位の小さい酸素Ａｏを製造できる理由として、液化部２や気化部３における圧縮・膨張工程で、各圧縮機と各膨張機間を流れる気体の温度差が小さいこと、従来のように５気圧以上で空気を圧縮する方法に比べ、各部品内や各部品間を接続する配管も薄くできることも挙げられる。
【００６２】
さらに、本実施形態に係る酸素製造方法は、乾燥空気Ｄａと環流空気を熱交換する逆流型の熱交換器７を１個使用するだけであり、全体として酸素製造装置１の容積が小さくできる。
【００６３】
また、本実施形態に係る酸素製造方法は、従来のＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）式の酸素濃縮器では、酸素含有量が９６％程度の酸素しか製造できなかったのに対し、酸素含有量が９９％程度のほぼ純粋気体酸素である酸素Ａｏを製造できる。
【００６４】
本実施形態に係る酸素製造装置１を使用すれば、本実施形態に係る酸素製造方法を簡単に実施できる。この酸素製造装置１を車両に搭載すれば、酸素Ａｏを内燃機関の作動気体として用いることで、車両の燃費を向上でき、さらには燃料電池車の燃費の向上も期待できる。
【実施例】
【００６５】
図１の酸素製造装置１を使用して本実施形態に係る酸素製造方法を実施するにあたり、シミュレーションを行った。
【００６６】
１．計算条件
（１）外気ａ中の各分子の物性
【００６７】
【表１】
【００６８】
表１の物性に基づき、以下の計算を行った。
【００６９】
２．除湿時の温度
（１）圧縮
空気を断熱圧縮・膨張する場合の温度変化は空気の比熱比を１．４とすると、一定量の理想気体の断熱変化の方程式より、
ＴＶ1.4-1＝Ｃｏｎｓｔ．、ＰＶ1.4＝Ｃｏｎｓｔ． より
Ｔ1.4／Ｐ0.4＝Ｃｏｎｓｔ．
断熱圧縮前の絶対圧力をＰ１、絶対温度Ｔ１、圧縮後の絶対圧力をＰ２、絶対温度をＴ２とすると、
Ｔ１1.4／Ｐ１0.4＝Ｔ２1.4／Ｐ２0.4 より
Ｔ２＝Ｔ１×（Ｐ２／Ｐ１）0.4/1.4
０．１ＭＰａ、３００Ｋの空気を０．１５〜０．２ＭＰａに断熱圧縮した場合の温度はそれぞれ
３００×１．５0.4/1.4＝３３７Ｋ （＋３７Ｋ）
３００×２0.4/1.4 ＝３６６Ｋ （＋６６Ｋ）
となる。
【００７０】
（２）膨張
０．１５〜０．２ＭＰａ、３００Ｋの乾燥空気を０．１ＭＰａに断熱圧縮した場合の温度はそれぞれ
３００／１．５0.4/1.4＝２６７Ｋ （−３３Ｋ）
３００／２0.4/1.4 ＝２４６Ｋ （−５４Ｋ）
となる。
【００７１】
（３）除湿のシミュレーション
温度ｔ℃、絶対圧０．１ＭＰａ（大気圧）における飽和モル湿度をｈ％とすると、
ｈ＝１０0.029t-0.22
外気が３０℃で飽和湿度であったとするとモル湿度は
ｈ＝１０0.029×30-0.22＝４．５％となる。
これを０．１５ＭＰａまで圧縮後、空冷で３０℃に冷却すると飽和蒸気圧が同じ
０．１×４．５／１００＝０．００４５ＭＰａであるから、
モル湿度は０．００４５／０．１５×１００＝３％に除湿される。
これを０．１ＭＰａに断熱膨張したときの温度変化ΔＴ（Ｋ）は、断熱膨張時の除湿量をΔｈ％とすると、水の潜熱４０．６ｋＪ／ｍｏｌと空気の定圧比熱２９ｊ／Ｋ・ｍｏｌの関係から
ΔＴ＋Δｈ／１００×４０６００／２９＝乾燥空気の温度変化（＝３３Ｋ）から求められる。
【００７２】
以上の式を用いて０．１→０．１５ＭＰａの圧縮、空冷、０．１５→０．１ＭＰａの膨張を繰り返したときの温度とモル湿度の変化は以下の表２のようになる。
【００７３】
【表２】
【００７４】
表２に示すように、この場合は４回の圧縮・膨張が必要であるが、外気ａのモル湿度１．７％以下であれば、また、圧縮時の圧力が０．１５ＭＰａより高ければ、さらに圧縮膨張の回数を低減できる。
【００７５】
３．空気の液化
（１）コンデンサ８での断熱膨張
除湿空気Ｄａをさらに０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮空冷し、未液化空気ｎａや液化後の気化酸素Ａｏとの熱交換で液化直前温度の９０Ｋまで冷却し、０．１ＭＰａまで断熱膨張した場合の過冷却温度（液化せずに気体のまま冷却する温度）はそれぞれ
９０／１．５0.4/1.4＝８０Ｋ （−１０Ｋ）
９０／２0.4/1.4 ＝７４Ｋ （−１８Ｋ）
（２）コンデンサ８での液化率
過冷却温度低下が−１０〜−１６Ｋの場合に、温度変化分が全て空気の液化に使われると、それぞれの液化率（％）は空気の平均潜熱３１ｋＪ／ｍｏｌと平均定圧比熱２９ｊ／Ｋ・ｍｏｌの関係から
１０×２９／３１００×１００＝ ９％
１６×２９／３１００×１００＝１５％
（３）気化熱の活用
９０Ｋの未液化空気を０．１５〜０．２ＭＰａに断熱圧縮すると圧縮後の温度はそれぞれ
９０×１．５0.4/1.4＝１０１Ｋ （＋１１Ｋ）
９０×２0.4/1.4 ＝１１０Ｋ （＋２０Ｋ）
この圧縮空気を酸素富化液化空気または蒸留後の分離液化酸素の気化器で９０Ｋに冷却後、０．１ＭＰａまで断熱膨張させると、
過冷却温度や液化率は３．（１）および（２）のコンデンサ８とほぼ同じとなる。
【００７６】
すなわち、未液化空気ｎａの断熱圧縮、第１および第２気化器１４ａ，１４ｂによる冷却・断熱膨張による液化を繰り返すと、累計液化率は増加するが、液体空気Ｌｏの酸素濃度（モル比で外気ａの約５０％が望ましい）や蒸留器１３での酸素分離効率は低下するため、最適な回数（図１では２回の例を示した）に抑える必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の好適な実施形態を示す酸素製造装置と酸素製造方法を説明する概略図である。
【符号の説明】
【００７８】
１ 酸素製造装置
２ 液化部
３ 気化部
４ 圧縮・膨張手段
７ 熱交換器
８ コンデンサ
１３ 蒸留器
１４ａ 第１気化器
１４ｂ 第２気化器
ａ 外気（吸入空気）
Ｄａ 乾燥空気
Ｌａ 液体空気
Ｌｏ 液体酸素
ｎａ 未液化空気
Ａｏ 酸素（酸素富化気体）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気を冷却、液化することにより、酸素富化気体を製造する酸素製造方法及び酸素製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、空気を冷却液化して酸素を分離する深冷酸素製造法は、排気空気を減らして酸素ないし窒素の生成歩留まりを上げるため、また生成物気体を高圧タンクに充填して出荷するため、空気を絶対圧で最低０．５ＭＰａ（５気圧）以上に圧縮後、冷却してから膨張による空気の液化を行っている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−８５１６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このため、従来の方法では、酸素製造のエネルギー原単位は０．３ｋＷ／ｋｇ程度まで小さくできるが、空気の圧縮機が大型化するだけでなく、熱交換器や蒸留塔も高圧に対応して大型化するという問題があった。
【０００５】
一方、特許文献１のように材料空気を圧縮することなく、パルスチューブ冷凍機のような別の冷却手段で空気を冷却液化する方法も提案されているが、液化能力が数Ｗ、冷凍機の効率も数％と小さい上、１Ｌ／分（１．３ｇ／分）程度の酸素を作るのに１ｋＷ程度の動力を必要とし、エネルギー原単位は上記の５０倍程度と大きい。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、小型でエネルギー原単位の小さい効率的な酸素製造方法及び酸素製造装置を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、エネルギー効率の高い低公害内燃機関用酸素製造装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、空気を冷却、液化することにより、酸素富化気体を製造する方法において、吸入空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮後空冷し、これを絶対圧０．１ＭＰａまで膨張冷却し、それぞれの冷却後に結露した水分を除去する圧縮・膨張工程を数回繰り返すことにより、０℃以下の低温で絶対湿度がモル比で０．５％以下の乾燥空気を製造後、その乾燥空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮し、圧縮後の乾燥空気を環流空気との熱交換で液化直前温度まで冷却し、冷却後の乾燥空気を絶対圧で０．１ＭＰａまで断熱膨張させることにより、モル比で吸入空気の１０％前後の酸素富化気体を製造する酸素製造方法である。
【０００９】
請求項２の発明は、上記乾燥空気を液化直前温度まで冷却した後、液化、蒸留し、酸素含有量が９９％程度のほぼ純粋液体酸素を得る請求項１記載の酸素製造方法である。
【００１０】
請求項３の発明は、上記ほぼ純粋液体酸素を気化して酸素含有量が９９％程度のほぼ純粋気体酸素を得る請求項２記載の酸素製造方法である。
【００１１】
請求項４の発明は、吸入空気中の窒素をＡｒに置き換え、Ａｒ含有量が１％程度のほぼ純粋気体酸素を得る請求項３記載の酸素製造方法である。
【００１２】
請求項５の発明は、空気を冷却、液化することにより、酸素富化気体を製造する装置において、
吸入空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮する圧縮機、圧縮後の乾燥空気を空冷する冷却器、さらに膨張冷却する膨張機、結露した水分を除去する除湿器からなる複数段の圧縮・膨張手段と、
これら複数段の圧縮・膨張手段から得られる乾燥空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮する主圧縮機と、
主圧縮機からの乾燥空気を環流空気との熱交換で液化直前温度まで冷却する熱交換器と、
熱交換器からの乾燥空気を液化するコンデンサと、
コンデンサからの液体空気を蒸留し、ほぼ純粋液体酸素と窒素に分離する蒸留器と、
蒸留器からのほぼ純粋液体酸素を気化する複数段の気化器と
を備えた酸素製造装置である。
【００１３】
請求項６の発明は、上記圧縮機と上記膨張機は、同軸で直接、あるいは間接的に連結される請求項５記載の酸素製造装置である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、空気を０．２ＭＰａ以下の低い圧力に圧縮するだけであり、小型でエネルギー原単位の小さい酸素富化気体の製造方法を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。まず、本実施形態に係る酸素製造装置を説明する。
【００１６】
図１は、本発明の好適な実施形態を示す酸素製造装置の概略図である。図１中の点線矢印は気体の流れや配管を、実線矢印は液体の流れや配管を示す。
【００１７】
図１に示すように、本実施形態に係る酸素製造装置（以下、装置ともいう）１は、空気を冷却、液化することにより、酸素富化気体を製造するものであり、外気（吸入空気）ａから液体空気（液体Ａｉｒ）Ｌａを製造する液化部２（図１中の上半分の部分）と、その液化部２に接続され、液体空気Ｌａからほぼ純粋液体酸素（液体Ｏ2 ）Ｌｏと酸素富化気体としての酸素（ほぼ純粋気体酸素）Ａｏとを製造する気化部３（図１中の下半分の部分）とで主に構成される。
【００１８】
液化部２は、外気ａを繰り返し圧縮・膨張して乾燥空気Ｄａを製造する複数段の圧縮・膨張手段４と、これら複数段の圧縮・膨張手段４からの乾燥空気Ｄａを絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａ（約１．５〜２気圧）に圧縮し、主に乾燥空気Ｄａを断熱圧縮するための主圧縮機５と、主圧縮機５からの乾燥空気Ｄａを空冷する第３冷却器６と、第３冷却器６からの乾燥空気Ｄａを環流空気との熱交換で液化直前温度まで冷却する逆流型の熱交換器７と、熱交換器７からの乾燥空気Ｄａを液化して液体空気Ｌａを製造するコンデンサ（凝縮器、あるいは復水器）８とからなる。
【００１９】
本実施形態では、複数段の圧縮・膨張手段４は、第１圧縮・膨張手段４ａと第２圧縮・膨張手段４ｂとの２段で構成される例で説明する。外気ａと第１圧縮・膨張手段４ａ間には、固形不純物粒子などの固形物を除去するフィルターが設けられる。
【００２０】
第１圧縮・膨張手段４ａは、外気ａを絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮する第１圧縮機９ａと、第１圧縮機９ａからの外気ａを空冷する第１冷却器（放熱器）１０ａと、第１冷却器１０ａからの外気ａの結露した水分を除去する第１除湿器１１ａと、第１除湿器１１ａからの外気ａを膨張冷却する第１膨張機１２ａとを備える。
【００２１】
第１圧縮機９ａには加圧用のブロアーや容積型のコンプレッサーを用いる。第１冷却器１０ａには空冷式、水冷式のいずれの冷却器を用いてもよい。第１除湿器１１ａには遠心分離式のドライヤーを用いる。第１膨張機１２ａにはタービン膨張機を用いる。
【００２２】
第２圧縮・膨張手段４ｂも第１圧縮・膨張手段４ａと同じ構成であり、第２圧縮機９ｂと、第２冷却器１０ｂと、第２除湿器１１ｂと、第２膨張機１２ｂとを備える。
【００２３】
第１圧縮機９ａと第１膨張機１２ａは、同軸で直接、あるいは間接的に連結される。同様に、第２圧縮機９ｂと第２膨張機１２ｂも、同軸で直接、あるいは間接的に連結される。図１では、第１圧縮機９ａと第１膨張機１２ａ、第２圧縮機９ｂと第２膨張機１２ｂがモータ１３を介して同軸で直接連結される例で示した。
【００２４】
本実施形態では、第１冷却器１０ａと第１膨張機１２ａ間に第１除湿器１１ａを、第２冷却器１０ｂと第２膨張機１２ｂ間に第１除湿器１１ｂを設けたが、この構成に加え、さらに第１膨張機１２ａと第２圧縮機９ｂ間に第３除湿器を、第２膨張機１２ｂと主圧縮機６間に第４除湿器を設けてもよい。
【００２５】
主圧縮機５は単独でモータ１３に連結される。この主圧縮機５は、装置１内で消費電力や吐出圧が最も大きい。熱交換器７に流入させる環流空気は、装置１の初期運転時に、コンデンサ８から排気される未液化の乾燥空気Ｄａを用いる。定常運転時の環流空気は、後述する酸素Ａｏおよび窒素ｎである。
【００２６】
コンデンサ８は、少なくとも１入力３出力型のものを使用する。コンデンサ８の入力部には熱交換器７が接続され、第１出力部には液体空気ライン１８を介して後述する蒸留器１３が接続され、第２出力部には後述する未液化空気ライン１９を介して第４圧縮機１５ａが接続され、第３出力部には図示しない環流空気ラインを介して熱交換器７が接続される。
【００２７】
気化部３は、コンデンサ８からの液体空気Ｌａを蒸留し、ほぼ純粋液体酸素Ｌｏと窒素（濃縮Ｎ2 、あるいは窒素富化気体）ｎに分離する蒸留器（蒸留塔）１３と、蒸留器１３からのほぼ純粋液体酸素Ｌｏを気化して酸素Ａｏを製造する複数段の気化器１４とを備える。
【００２８】
蒸留器１３は、少なくとも１入力３出力型のものを使用する。蒸留器１３の入力部にはコンデンサ８が接続され、第１出力部には後述する第１気化器１４ａが接続され、第２出力部には窒素ｎの排気ライン２１が接続され、第３出力部にはほぼ純粋液体酸素Ｌｏを取り出す第１取り出しライン２０ａが接続される。排気ライン２１は、熱交換器７を経由し、外気ａに開放される。
【００２９】
本実施形態では、複数段の気化器１４は、第１気化器１４ａと第２気化器１４ｂの２段で構成される例で説明する。
【００３０】
第２気化器１４ｂの出力部には、酸素Ａｏを外部に取り出す第２取り出しライン２０ｂが接続される。第２取り出しライン２０ｂは、熱交換器７を経由し、酸素タンクや内燃機関などの外部に接続される。
【００３１】
第２気化器１４ｂには、未液化空気ライン１９からの未液化空気ｎａを絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮して第２気化器１４ｂに流入させる第４圧縮機（低温用第１圧縮機）１５ａと、第２気化器１４ｂからの未液化空気ｎａを膨張させる第４膨張機（低温用第１膨張機）１６ａとが接続される。
【００３２】
第４圧縮機１５ａには低温でも動作する加圧用のブロアーや容積型のコンプレッサーを用いる。第４膨張機１６ａには低温でも動作するタービン膨張機を用いる。
【００３３】
第１気化器１４ａにも、第２気化器１４ｂに接続される第４圧縮機１５ａ、第４膨張機１６ａと同様に、第５圧縮機（低温用第２圧縮機）１５ｂと、第５膨張機（低温用第２膨張機）１６ｂとが接続される。
【００３４】
第４圧縮機１５ａと第４膨張機１６ａは、同軸で直接、あるいは間接的に連結される。同様に、第５圧縮機１５ｂと第５膨張機１６ｂも、同軸で直接、あるいは間接的に連結される。図１では、第４圧縮機１５ａと第４膨張機１６ａ、第５圧縮機１５ｂと第５膨張機１６ｂが同軸で直接連結される例で示した。第４圧縮機１５ａと第４膨張機１６ａ間、第５圧縮機１５ｂと第５膨張機１６ｂ間、あるいは単独で第４圧縮機１５ａと第５圧縮機１５ｂとには、図示しないモータが接続される。
【００３５】
第４膨張機１６ａと第５圧縮機１５ｂ間には、未液化空気ｎａと、第２気化器１４ｂに流入する液体酸素Ｌｏの気化熱で未液化空気ｎａの一部が液化した液体空気Ｌａとを分離する第１分離器（セパレータ）１７ａが接続される。第１分離器１７ａには、液体空気Ｌａを液体空気ライン１８に戻す液体空気戻しライン２２が接続される。
【００３６】
第５膨張機１６ｂと排気ライン２１間には、第１分離器１７ａと同様の第２分離器１７ｂが接続される。第２分離器１７ｂの第１出力部は、第１気化器１４ａに流入する液体酸素Ｌｏの気化熱で未液化空気ｎａの一部が液化した液体空気Ｌａを液体空気ライン１８に戻す液体空気戻しライン２２に接続される。第２分離器１７ｂの第２出力部は、熱交換器７よりも上流側の排気ライン２１に接続され、ほぼ窒素である未液化空気ｎａが排気される。
【００３７】
次に、本実施形態に係る酸素製造方法を（１）〜（１４）の工程に分けて、酸素製造装置１の動作と共に説明する。
【００３８】
酸素製造装置１は定常状態で運転しているものとし、初期運転時の説明を省略する。定常運転時、熱交換器７における乾燥空気Ｄａの温度は、流入（吸気）口で約３０℃、流出（排気）口で約−１８３℃である。
【００３９】
（１）まず、フィルター等で固形不純物粒子等を除去したほぼ０．１ＭＰａ（大気圧）の外気ａを、第１圧縮・冷却手段４ａにおいて、第１圧縮機９ａで絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに加圧して断熱圧縮し、温度を４０〜６０Ｋ昇温させる。
【００４０】
（２）第１圧縮機９ａからの外気ａを第１放熱器１０ａで空冷してほぼ外気温に冷却し、結露した水分があれば、これを第１除湿器１１ａで除去し、圧縮冷却空気を得る。
【００４１】
（３）この圧縮冷却空気を第１膨張機１２ａで絶対圧０．１ＭＰａまで断熱膨張により冷却させる。このとき、外気ａは十分乾燥していれば最大４０〜６０Ｋ温度低下するが、実際には外気ａに水蒸気が含まれているため、モル湿度で１％の水蒸気が結露すると水の気化熱４１ｋＪ／ｍｏｌと空気の定圧比熱２９Ｊ／Ｋ・ｍｏｌの関係から温度低下は約１４Ｋ（＝４１０００×１／１００÷２９）小さくなる。そこで、結露した水分を第１除湿器１１ａで除去する。
【００４２】
（４）第１圧縮機９ａと第１膨張機１２ａは、同軸で直接、あるいは間接的に連結されるため、吸気される空気の温度差が小さく、またそれぞれの吸気口と排気口の圧力差は同じであるから、第１圧縮機９ａを駆動するエネルギーの大部分は第１膨張機１２ａで発生する膨張エネルギーで賄うことができ、駆動のためのエネルギーを節約できる。
【００４３】
（５）同様に、第２圧縮・膨張手段４ｂにおいて、上述した第１圧縮・冷却手段４ａと同様の工程を行うことで、圧縮・膨張工程を２回繰り返す。これにより、外気ａの温度を０℃、モル湿度を０．５％以下にすることができる。すなわち、０℃以下の低温で絶対湿度がモル比で０．５％以下の乾燥空気Ｄａが得られる。
【００４４】
（６）ただし、圧縮・膨張工程の繰り返し回数は、当然外気ａの温度や湿度によって異なるので、各膨張機の出口の温度を検出し、温度が所定の温度を下回った場合は下流の圧縮機と膨張機の対は停止し、所定の温度以下になった吸気を切替バルブによって主圧縮機５に供給する。
【００４５】
（７）除湿冷却された乾燥空気Ｄａを、主圧縮機５で絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに加圧して断熱圧縮し、４０〜６０Ｋ温度上昇させ、第３冷却器６で空冷した後、熱交換器７に送る。熱交換器７内では、環流空気としての気化した酸素Ａｏおよび分離された窒素ｎによって、乾燥空気Ｄａは液化直前の温度約９０Ｋまで冷却され、熱交換の相手気体（酸素Ａｏおよび窒素ｎ）を外気温まで昇温させる。
【００４６】
（８）液化直前温度まで冷却された乾燥空気Ｄａを、コンデンサ８内で再び大気の圧力０．１ＭＰａまで断熱膨張し、モル比で１０％程度の外気ａを液化させる。このとき、外気ａ中の酸素は窒素に比べて沸点が高く、蒸気圧が低いため窒素より多く液化しやすく、大気のモル濃度約２０％に比べて酸素の濃い液体空気Ｌａが生成される。一方、乾燥空気Ｄａのうち、コンデンサ８で液化しない未液化空気ｎａは、未液化空気ライン１９で第４圧縮機１５ａに送られる。
【００４７】
（９）液体空気Ｌａは液体空気ライン１８で蒸留器１３に送られ、蒸留器１３で窒素と酸素の蒸気圧の差を用いて、気体の窒素ｎと液体酸素Ｌｏに分離される。ここで、蒸留器１３の第１取り出しライン２０ａから液体酸素Ｌｏを取り出せば、酸素含有量が９９％程度のほぼ純粋液体酸素が得られる。
【００４８】
（１０）液体酸素Ｌｏは第１気化器１４ａに送られ、続いて第２気化器１４ｂに送られる。一方、未液化空気ｎａを、第４圧縮機１５ａで絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに断熱圧縮し、１０〜１５Ｋ昇温させることで、第２気化器１４ｂにおいて、第２気化器１４ｂを通る液体酸素Ｌｏの残部を気化する。このとき、未液化空気ｎａは、液体酸素Ｌｏの気化熱により液体酸素Ｌｏの温度−１８３℃（９０Ｋ）に再冷却される。
【００４９】
第２気化器１４ｂからの未液化空気ｎａを、第４膨張機１６ａで絶対圧０．１ＭＰａに加圧して断熱膨張し、冷却して一部を液化する。その後、液体分を有する未液化空気ｎａは、第１分離器１７ａに送られ、第１分離器１７ａで液体分が分離され、第５膨張機１５ｂに送られる。分離された液体分は、液体空気Ｌｏとして液体空気戻しライン２２で液体空気ライン１８に戻される。
【００５０】
（１１）さらに、上述と同様にして液化空気ｎａを、第５圧縮機１５ｂで絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに断熱圧縮し、１０〜１５Ｋ昇温させることで、第１気化器１４ａにおいて、第１気化器１４ａを通る液体酸素Ｌｏの一部を気化する。このとき、未液化空気ｎａは、液体酸素Ｌｏの気化熱により液体酸素Ｌｏの温度−１８３℃（９０Ｋ）に再冷却される。
【００５１】
第１気化器１４ａからの未液化空気ｎａを、第５膨張機１６ｂで絶対圧０．１ＭＰａに加圧して断熱膨張し、冷却して一部を液化する。その後、液体分を有する未液化空気ｎａは、第２分離器１７ｂに送られ、第２分離器１７ｂで液体分が分離され、窒素ｎとして排気ライン１８に送られる。分離された液体分は、液体空気Ｌｏとして液体空気戻しライン２２で液体空気ライン１８に戻される。
【００５２】
（１２）これにより、定常運転時には、蒸留器１３にモル比で外気ａの５０％の液体空気Ｌｏが流入される。また、液体酸素Ｌｏは第１，２気化器１４ａ，１４ｂで気化され、酸素Ａｏとして第２取り出しライン２０ｂに送られる。
【００５３】
第１気化器１４ａで気化する液体酸素Ｌｏの気化熱と、この気化熱で冷却後断熱膨張により一部が液化する未液化空気ｎａの潜熱とはほぼ等しいことから、気化する液体酸素Ｌｏの量と液化する未液化空気ｎａの量はほぼ等しい。これを続けて第２気化器１４ｂで繰り返すことにより、液体空気Ｌａの量を初期運転時にコンデンサ８で液化する外気ａの数倍に増やすことができる。
【００５４】
液体空気Ｌａを蒸留塔１３を使用せず、前述の第１，第２気化器１４ａ，１４ｂで気化してもよい。この場合、酸素富化気体として酸素含有量が約４０％程度未満の酸素Ａｏが得られ、これを医療用、あるいは運動用酸素補充空気として利用できる。
【００５５】
（１３）第２取り出しライン２０ｂからの酸素Ａｏと、排気ライン２１からの窒素ｎは、環流空気として熱交換器７に流入され、外気ａと熱交換することで、外気温まで加熱される。その後、酸素Ａｏは第２取り出しライン２０ｂから酸素タンクや内燃機関などの外部に送られる。この酸素Ａｏは、モル比で外気ａの１０％前後の酸素富化気体であり、酸素含有量が９９％程度のほぼ純粋気体酸素である。窒素ｎは排気ライン２１から外気ａに放出される。
【００５６】
（１４）外気ａ中の窒素をＡｒに置き換え、例えば、酸素富化気体としての酸素Ａｏを製造してもよい。例えば、酸素９８％、窒素１％未満、Ａｒ１％程度の酸素Ａｏを製造し、これを内燃機関の作動気体として用いれば、車両の燃費が向上し、炭酸ガスの排出量が削減できるだけでなく、ＮＯｘや煤のような有害な排気ガスの発生を防止できる。また、この酸素Ａｏをディーゼルエンジンの作動気体として使用すれば、ＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）が不要となる。（１３）で酸素Ａｏを製造後、これとＡｒを所定の割合で混合し、これを内燃機関の作動気体として用いてもよい。
【００５７】
本実施形態の作用を説明する。
【００５８】
本実施形態に係る酸素製造方法は、まず、液化部２の複数段の圧縮・膨張手段４で外気ａを低圧で繰り返し圧縮・膨張し、絶乾状態の乾燥空気Ｄａを製造している。この乾燥空気Ｄａを熱交換器７でほどよく冷やし、その一部をコンデンサ８で液化（初期運転時はモル比で外気ａの１０％前後、定常運転時はモル比で外気ａの５０％前後）して液体酸素Ｌｏを製造している。さらに、気化部３で未液化空気ｎａを用いて液体酸素Ｌｏを繰り返し気化することで、酸素Ａｏを製造している。
【００５９】
つまり、本実施形態に係る酸素製造方法は、外気ａを０．２ＭＰａ以下の低圧で膨張・膨張する工程を繰り返した後、一部を液化して液体酸素Ｌｏを製造し、これを未液化空気ｎａで繰り返し気化する際、未液化空気ｎａを０．２ＭＰａ以下の低圧で圧縮・膨張する工程を繰り返している。
【００６０】
したがって、本実施形態に係る酸素製造方法は、外気ａや未液化空気ｎａを圧縮エネルギーが小さい低圧で圧縮しているので、小型の装置１でエネルギー原単位の小さい酸素富化気体としての酸素Ａｏを製造できる。
【００６１】
小型の装置１でエネルギー原単位の小さい酸素Ａｏを製造できる理由として、液化部２や気化部３における圧縮・膨張工程で、各圧縮機と各膨張機間を流れる気体の温度差が小さいこと、従来のように５気圧以上で空気を圧縮する方法に比べ、各部品内や各部品間を接続する配管も薄くできることも挙げられる。
【００６２】
さらに、本実施形態に係る酸素製造方法は、乾燥空気Ｄａと環流空気を熱交換する逆流型の熱交換器７を１個使用するだけであり、全体として酸素製造装置１の容積が小さくできる。
【００６３】
また、本実施形態に係る酸素製造方法は、従来のＰＳＡ（Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｗｉｎｇ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ）式の酸素濃縮器では、酸素含有量が９６％程度の酸素しか製造できなかったのに対し、酸素含有量が９９％程度のほぼ純粋気体酸素である酸素Ａｏを製造できる。
【００６４】
本実施形態に係る酸素製造装置１を使用すれば、本実施形態に係る酸素製造方法を簡単に実施できる。この酸素製造装置１を車両に搭載すれば、酸素Ａｏを内燃機関の作動気体として用いることで、車両の燃費を向上でき、さらには燃料電池車の燃費の向上も期待できる。
【実施例】
【００６５】
図１の酸素製造装置１を使用して本実施形態に係る酸素製造方法を実施するにあたり、シミュレーションを行った。
【００６６】
１．計算条件
（１）外気ａ中の各分子の物性
【００６７】
【表１】
【００６８】
表１の物性に基づき、以下の計算を行った。
【００６９】
２．除湿時の温度
（１）圧縮
空気を断熱圧縮・膨張する場合の温度変化は空気の比熱比を１．４とすると、一定量の理想気体の断熱変化の方程式より、
ＴＶ1.4-1＝Ｃｏｎｓｔ．、ＰＶ1.4＝Ｃｏｎｓｔ． より
Ｔ1.4／Ｐ0.4＝Ｃｏｎｓｔ．
断熱圧縮前の絶対圧力をＰ１、絶対温度Ｔ１、圧縮後の絶対圧力をＰ２、絶対温度をＴ２とすると、
Ｔ１1.4／Ｐ１0.4＝Ｔ２1.4／Ｐ２0.4 より
Ｔ２＝Ｔ１×（Ｐ２／Ｐ１）0.4/1.4
０．１ＭＰａ、３００Ｋの空気を０．１５〜０．２ＭＰａに断熱圧縮した場合の温度はそれぞれ
３００×１．５0.4/1.4＝３３７Ｋ （＋３７Ｋ）
３００×２0.4/1.4 ＝３６６Ｋ （＋６６Ｋ）
となる。
【００７０】
（２）膨張
０．１５〜０．２ＭＰａ、３００Ｋの乾燥空気を０．１ＭＰａに断熱圧縮した場合の温度はそれぞれ
３００／１．５0.4/1.4＝２６７Ｋ （−３３Ｋ）
３００／２0.4/1.4 ＝２４６Ｋ （−５４Ｋ）
となる。
【００７１】
（３）除湿のシミュレーション
温度ｔ℃、絶対圧０．１ＭＰａ（大気圧）における飽和モル湿度をｈ％とすると、
ｈ＝１０0.029t-0.22
外気が３０℃で飽和湿度であったとするとモル湿度は
ｈ＝１０0.029×30-0.22＝４．５％となる。
これを０．１５ＭＰａまで圧縮後、空冷で３０℃に冷却すると飽和蒸気圧が同じ
０．１×４．５／１００＝０．００４５ＭＰａであるから、
モル湿度は０．００４５／０．１５×１００＝３％に除湿される。
これを０．１ＭＰａに断熱膨張したときの温度変化ΔＴ（Ｋ）は、断熱膨張時の除湿量をΔｈ％とすると、水の潜熱４０．６ｋＪ／ｍｏｌと空気の定圧比熱２９ｊ／Ｋ・ｍｏｌの関係から
ΔＴ＋Δｈ／１００×４０６００／２９＝乾燥空気の温度変化（＝３３Ｋ）から求められる。
【００７２】
以上の式を用いて０．１→０．１５ＭＰａの圧縮、空冷、０．１５→０．１ＭＰａの膨張を繰り返したときの温度とモル湿度の変化は以下の表２のようになる。
【００７３】
【表２】
【００７４】
表２に示すように、この場合は４回の圧縮・膨張が必要であるが、外気ａのモル湿度１．７％以下であれば、また、圧縮時の圧力が０．１５ＭＰａより高ければ、さらに圧縮膨張の回数を低減できる。
【００７５】
３．空気の液化
（１）コンデンサ８での断熱膨張
除湿空気Ｄａをさらに０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮空冷し、未液化空気ｎａや液化後の気化酸素Ａｏとの熱交換で液化直前温度の９０Ｋまで冷却し、０．１ＭＰａまで断熱膨張した場合の過冷却温度（液化せずに気体のまま冷却する温度）はそれぞれ
９０／１．５0.4/1.4＝８０Ｋ （−１０Ｋ）
９０／２0.4/1.4 ＝７４Ｋ （−１８Ｋ）
（２）コンデンサ８での液化率
過冷却温度低下が−１０〜−１６Ｋの場合に、温度変化分が全て空気の液化に使われると、それぞれの液化率（％）は空気の平均潜熱３１ｋＪ／ｍｏｌと平均定圧比熱２９ｊ／Ｋ・ｍｏｌの関係から
１０×２９／３１００×１００＝ ９％
１６×２９／３１００×１００＝１５％
（３）気化熱の活用
９０Ｋの未液化空気を０．１５〜０．２ＭＰａに断熱圧縮すると圧縮後の温度はそれぞれ
９０×１．５0.4/1.4＝１０１Ｋ （＋１１Ｋ）
９０×２0.4/1.4 ＝１１０Ｋ （＋２０Ｋ）
この圧縮空気を酸素富化液化空気または蒸留後の分離液化酸素の気化器で９０Ｋに冷却後、０．１ＭＰａまで断熱膨張させると、
過冷却温度や液化率は３．（１）および（２）のコンデンサ８とほぼ同じとなる。
【００７６】
すなわち、未液化空気ｎａの断熱圧縮、第１および第２気化器１４ａ，１４ｂによる冷却・断熱膨張による液化を繰り返すと、累計液化率は増加するが、液体空気Ｌｏの酸素濃度（モル比で外気ａの約５０％が望ましい）や蒸留器１３での酸素分離効率は低下するため、最適な回数（図１では２回の例を示した）に抑える必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の好適な実施形態を示す酸素製造装置と酸素製造方法を説明する概略図である。
【符号の説明】
【００７８】
１ 酸素製造装置
２ 液化部
３ 気化部
４ 圧縮・膨張手段
７ 熱交換器
８ コンデンサ
１３ 蒸留器
１４ａ 第１気化器
１４ｂ 第２気化器
ａ 外気（吸入空気）
Ｄａ 乾燥空気
Ｌａ 液体空気
Ｌｏ 液体酸素
ｎａ 未液化空気
Ａｏ 酸素（酸素富化気体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を冷却、液化することにより、酸素富化気体を製造する方法において、吸入空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮後空冷し、これを絶対圧０．１ＭＰａまで膨張冷却し、それぞれの冷却後に結露した水分を除去する圧縮・膨張工程を数回繰り返すことにより、０℃以下の低温で絶対湿度がモル比で０．５％以下の乾燥空気を製造後、その乾燥空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮し、圧縮後の乾燥空気を環流空気との熱交換で液化直前温度まで冷却し、冷却後の乾燥空気を絶対圧で０．１ＭＰａまで断熱膨張させることにより、モル比で吸入空気の１０％前後の酸素富化気体を製造することを特徴とする酸素製造方法。
【請求項２】
上記乾燥空気を液化直前温度まで冷却した後、液化、蒸留し、酸素含有量が９９％程度のほぼ純粋液体酸素を得る請求項１記載の酸素製造方法。
【請求項３】
上記ほぼ純粋液体酸素を気化して酸素含有量が９９％程度のほぼ純粋気体酸素を得る請求項２記載の酸素製造方法。
【請求項４】
吸入空気中の窒素をＡｒに置き換え、Ａｒ含有量が１％程度のほぼ純粋気体酸素を得る請求項３記載の酸素製造方法。
【請求項５】
空気を冷却、液化することにより、酸素富化気体を製造する装置において、
吸入空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮する圧縮機、圧縮後の乾燥空気を空冷する冷却器、さらに膨張冷却する膨張機、結露した水分を除去する除湿器からなる複数段の圧縮・膨張手段と、
これら複数段の圧縮・膨張手段から得られる乾燥空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮する主圧縮機と、
主圧縮機からの乾燥空気を環流空気との熱交換で液化直前温度まで冷却する熱交換器と、
熱交換器からの乾燥空気を液化するコンデンサと、
コンデンサからの液体空気を蒸留し、ほぼ純粋液体酸素と窒素に分離する蒸留器と、
蒸留器からのほぼ純粋液体酸素を気化する複数段の気化器と
を備えたことを特徴とする酸素製造装置。
【請求項６】
上記圧縮機と上記膨張機は、同軸で直接、あるいは間接的に連結される請求項５記載の酸素製造装置。
【請求項１】
空気を冷却、液化することにより、酸素富化気体を製造する方法において、吸入空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮後空冷し、これを絶対圧０．１ＭＰａまで膨張冷却し、それぞれの冷却後に結露した水分を除去する圧縮・膨張工程を数回繰り返すことにより、０℃以下の低温で絶対湿度がモル比で０．５％以下の乾燥空気を製造後、その乾燥空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮し、圧縮後の乾燥空気を環流空気との熱交換で液化直前温度まで冷却し、冷却後の乾燥空気を絶対圧で０．１ＭＰａまで断熱膨張させることにより、モル比で吸入空気の１０％前後の酸素富化気体を製造することを特徴とする酸素製造方法。
【請求項２】
上記乾燥空気を液化直前温度まで冷却した後、液化、蒸留し、酸素含有量が９９％程度のほぼ純粋液体酸素を得る請求項１記載の酸素製造方法。
【請求項３】
上記ほぼ純粋液体酸素を気化して酸素含有量が９９％程度のほぼ純粋気体酸素を得る請求項２記載の酸素製造方法。
【請求項４】
吸入空気中の窒素をＡｒに置き換え、Ａｒ含有量が１％程度のほぼ純粋気体酸素を得る請求項３記載の酸素製造方法。
【請求項５】
空気を冷却、液化することにより、酸素富化気体を製造する装置において、
吸入空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮する圧縮機、圧縮後の乾燥空気を空冷する冷却器、さらに膨張冷却する膨張機、結露した水分を除去する除湿器からなる複数段の圧縮・膨張手段と、
これら複数段の圧縮・膨張手段から得られる乾燥空気を絶対圧０．１５〜０．２ＭＰａに圧縮する主圧縮機と、
主圧縮機からの乾燥空気を環流空気との熱交換で液化直前温度まで冷却する熱交換器と、
熱交換器からの乾燥空気を液化するコンデンサと、
コンデンサからの液体空気を蒸留し、ほぼ純粋液体酸素と窒素に分離する蒸留器と、
蒸留器からのほぼ純粋液体酸素を気化する複数段の気化器と
を備えたことを特徴とする酸素製造装置。
【請求項６】
上記圧縮機と上記膨張機は、同軸で直接、あるいは間接的に連結される請求項５記載の酸素製造装置。
【図１】
【公開番号】特開２００８−１２２０３５（Ｐ２００８−１２２０３５Ａ）
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３０９２０９（Ｐ２００６−３０９２０９）
【出願日】平成１８年１１月１５日（２００６．１１．１５）
【出願人】（３９０００１５７９）プレス工業株式会社 (173)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月２９日（２００８．５．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月１５日（２００６．１１．１５）
【出願人】（３９０００１５７９）プレス工業株式会社 (173)
【Ｆターム（参考）】
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