KR100440873B1 - 산소발생장치 - Google Patents

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KR100440873B1 KR10-2001-0034416A KR20010034416A KR100440873B1 KR 100440873 B1 KR100440873 B1 KR 100440873B1 KR 20010034416 A KR20010034416 A KR 20010034416A KR 100440873 B1 KR100440873 B1 KR 100440873B1
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Abstract

개시된 내용은 산소발생장치에 관한 것으로, 특히 공기압축기로 외부공기를 흡입하여 압축공기를 생산 출력하고, 출력되는 압축공기를 압축공기저장부에 저장하였다가 필요한 양만큼의 압축공기를 공급받아 농축산소를 생산하는 농축산소발생수단을 적어도 2개이상 구비하고, 상기 농축산소발생수단을 병렬 연결한 농축산소발생부를 구비하여 대용량의 농축산소를 동시에 생산할 수 있는 산소발생장치에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 산소발생장치는 외부공기를 흡입하여 압축공기를 생산 출력하는 공기압축기와, 상기 공기압축기에서 출력되는 압축공기를 저장하는 압축공기저장부 및 상기 압축공기저장부에 저장된 압축공기를 공급받아 농축산소를 생산하는 농축산소발생수단을 적어도 2개이상 구비하고, 상기 농축산소발생수단을 병렬 연결한 농축산소발생부로 달성된다. 이와 같은 본 발명의 산소발생장치는 압축공기저장부를 구비하여 언제든지 저장된 압축공기로 농축산소를 생산할 수 있을 뿐만 니라, 압축공기저장부와 농축산소발생수단을 병렬로 여러대 설치하여 많은 양의 농축산소를 동시에 생산할 수 있어 단위시간당 생산량을 증대할 수 있다.

Description

산소발생장치{Oxygen concentrator}
본 발명은 산소발생장치에 관한 것으로, 특히 공기압축기로 외부공기를 흡입하여 압축공기를 생산 출력하고, 출력되는 압축공기를 압축공기저장부에 저장하였다가 필요한 양만큼의 압축공기를 공급받아 농축산소를 생산하는 농축산소발생수단을 적어도 2개이상 구비하고, 상기 농축산소발생수단을 병렬 연결한 농축산소발생부를 구비하여 대용량의 농축산소를 동시에 생산할 수 있는 산소발생장치에 관한 것이다.
일반적으로, 산소발생기는 대기중에서 산소를 분리농축하는 장치로, 이러한 산소발생기의 작동원리는 제올라이트(Zeolite)라 불리는 흡착제가 소정의 기체분자를 흡착시키는 성질을 이용한다. 대기중 약 80%를 차지하는 질소는 산소보다 제올라이트에 잘 흡착되므로 공기를 흡착제가 충전된 흡착베드에 유입시키게 되면 질소성분은 흡착되고, 질소성분이 줄어든 기체는 베드상단 출구로 배출된다. 그럼으로써 이렇게 배출된 기체의 주성분으로 산소를 얻게 된다.
위의 질소흡착과정은 가압기체를 소정의 흡착제로 통과시킴으로써 질소만이 흡착되고 나머지 기체는 통과시켜 공기중의 산소를 분리하여 얻는 과정으로, 이때 흡착제인 제올라이트는 질소를 흡착하여 성능이 격감함으로 질소를 그로부터 분리(탈착)하여 원래의 성능을 회복시켜 주어야 된다. 이 과정이 세정과정으로 흡착제에 흡착된 질소를 생산되는 산소를 저압상태에서 재순환시켜 탈착함으로써 흡착제를 세정하여 흡착능을 회복시키게 된다.
종래에 알려진 산소발생장치는 통상 2탑 1압축기방식으로 1대의 공기압축기와 2대의 흡착탑을 사용하였다. 이러한 방식은 각 흡착탑을 교차적으로 압축, 세정하여 농축된 산소를 생산한다. 따라서, 압축하는 시간과 세정하는 시간이 동일하다. 다시 부연설명하면, 위의 산소발생장치는 크게 압축단계와 세정단계를 수행하게 되는 데, 이를 좀더 세분하면 저압단계, 고압단계, 제 1이퀄라이저단계, 세정단계, 대기압단계, 제 2이퀄라이저단계의 여섯 단계를 거치게 된다. 여기서, 첫번째 과정인 저압단계는 탑의 압력을 높이는 단계이고, 그 다음 고압단계는 농축산소를 생산하는 단계이고, 제 1이퀄라이저단계는 농축산소중 일부를 대기압상태인 탑으로 보내어 초기압력을 높여주는 단계이고, 세정단계는 압력을 떨어뜨리면서 질소를 배출하는 단계이고, 대기압단계는 세정된 상태에서 약간 정체하는 단계이고, 제 2이퀄라이저단계는 가압하기 전에 다른 흡착탑으로부터 농축된 산소를 받아들여서 초기압력을 상승시키는 단계이다.
종래에 알려진 또 다른 산소발생장치는 3탑 2압축기방식으로 2대의 공기압축기와 3대의 흡착탑을 사용하였다. 이러한 방식은 이미 특허 출원된 특허출원 2000-46211에 상세히 기재되어 있다. 이를 간단히 살펴보면, 2대의 공기압축기에서 발생된 압축공기를 각 흡착탑으로 보내고, 각 흡착탑을 교차적으로 압축, 세정하여 농축된 산소를 생산한다. 이 산소발생장치는 크게 저압단계와, 고압단계 및 세정단계를 수행하게 되는 데, 상기 흡착탑들 중 어느 하나가 저압단계에 있으면, 다른 하나는 고압단계에 그리고, 나머지 하나는 세정단계에 있게 된다. 이와 같이 서로 다른 과정에 있는 흡착탑들은 저압,고압,세정의 사이클이 순환되면서 농축산소를 연속적으로 생산하게 된다.
위와 같은 기존의 방식은 한번에 일정량의 농축산소만을 생산하기 때문에 많은 양의 농축산소를 필요로 할 경우에는 시간이 많이 소요되는 단점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상술한 제결점들을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 공기압축기로 외부공기를 흡입하여 압축공기를 생산 출력하고, 출력되는 압축공기를 압축공기저장부에 저장하였다가 필요한 양만큼의 압축공기를 공급받아 농축산소를 생산하는 농축산소발생수단을 적어도 2개이상 구비하고, 상기 농축산소발생수단을 병렬 연결한 농축산소발생부를 구비하여 대용량의 농축산소를 동시에 생산할 수 있는 산소발생장치를 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 산소발생장치의 개략적인 구성을 보여주는 블럭도
도 2는 본 발명에 따른 산소발생장치의 전체적인 시스템구성을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 산소발생장치의 일실시예를 설명하기 위한 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 제1산소발생수단의 각 탑 시간별 압력응답특성 및 운전단계별 특성을 나타낸 도표.
*도면의 주요부분에 대한 부호설명
100 : 공기압축기 102 : 필터
200 : 압축공기저장부 500 : 제어부
300 : 농축산소발생부 300a,300b,300c : 농축산소발생수단
310a,310b,310c:산소농축부 312a,312b,312c : 제1흡착탑
314a,314b,314c:제2흡착탑 316a,316b:제3흡착탑
320a,320b,320c:압축공기공급부 322a,322b,322c:제1솔레노이드밸브
324a,324b,324c:제2솔레노이드밸브 326a,326b:배기밸브
328a,328b,328c:배출소음기 330a,330b,330c: 압력유량조절부
332a,332b,332c:압력조정밸브 334a,334b,334c: 니들밸브
340a,340b,340c: 이퀄라이져밸브부 341a,341b,341c: 제 1오리피스
342a,342bc:제2오리피스 343a,343b: 제3오리피스
344a,344b:제 1체크밸브 345a,345b:제2체크밸브
346a,346b:제3체크밸브 347a,347b,347c:제 1이퀄라이저밸브
348a,348b: 제 2이퀄라이저밸브 349a,349b:제 3이퀄라이저밸브
400 : 저장탱크 402a,402b,402c:제 1역류방지체크밸브
404a,404b,404c:제 2역류방지체크밸브 406a,406b: 제 3역류방지체크밸브
410 : 압력조절기 420 : 유량계
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산소발생장치는 외부공기를 흡입하여 압축공기를 생산 출력하는 공기압축기와, 상기 공기압축기에서 출력되는 압축공기를 저장하는 압축공기저장부 및 상기 압축공기저장부에 저장된 압축공기를 공급받아 농축산소를 생산하는 농축산소발생수단을 적어도 2개이상 구비하고, 상기 농축산소발생수단을 병렬 연결한 농축산소발생부로 달성된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 산소발생장치의 개략적인 구성을 보여주는 블럭도이다.
도시한 바와 같이, 본 장치는 외부공기를 흡입하여 압축공기를 생산 출력하는 공기압축기(100)와, 상기 공기압축기(100)에서 출력되는 압축공기를 저장하는 압축공기저장부(200) 및 상기 압축공기저장부(200)에 저장된 압축공기를 공급받아 농축산소를 생산하는 농축산소발생수단(300a,300b,300c)을 구비하고, 상기 농축산소발생수단(300a,300b,300c)을 병렬 연결한 농축산소발생부(300)로 이루어진다.
상기 농축산소발생부(300)의 농축산소발생수단(300a,300b,300c)은 농축산소를 생산하는 산소농축부(310a,310b,310c)와, 상기 산소농축부(310a,310b,310c)에 압축공기를 선택적으로 공급하는 압축공기공급부(320a,320b,320c)와, 상기 압축공기저장부(200)에 저장된 압축공기를 일정한 압력으로 일정량 압축공기공급부(320a,320b,320c)로 공급하게 하는 압력/유량조절부(330a,330b,330c) 및 상기 산소농축부(310a,310b,310c)에서 생산된농축산소를 세정 및 가압효율을 상승시키는 이퀄라이저밸브부(340a,340b,340c)로 이루어져 있다.
한편, 본 장치는 상기 농축산소발생부(300)에서 생산된 농축산소를 저장하는 저장탱크(400)를 구비하고 있다.
또한, 상기 공기압축기(100)와 압축공기저장부(200) 및 농축산소발생수단(300a,300b,300c)의 각부분들을 제어하는 제어부(500)도 구비하고 있다. 보다 상세한 설명은 도 2의 시스템 구성도를 참조하여 설명하기로 한다.
첨부 도면 도 2는 본 발명에 따른 산소발생장치의 전체적인 시스템구성을 설명하기 위한 도면이다.
도시된 바와 같이, 공기압축기(100)는 외부의 공기를 흡입하여 압축공기를 생산하고 출력하며, 흡입구측에 먼지 및 이물질을 걸러내기 위한 필터(102)를 구비하고 있다. 상기 공기압축기(100)에서 생산된 압축공기는 압축공기저장부(200)에 저장된다. 상기 압축공기저장부(200)에 저장된 압축공기는 농축산소를 생산하는 농축산소발생부(300)로 이동된다.
상기 농축산소발생부(300)의 농축산소발생수단은 제1,제2,제3농축산소발생수단(300a,300b,300c)으로 이루어져 있다. 상기 제1,제2,제3농축산소발생수단(300a,300b,300c)은 병렬로 연결되어 상기 압축공기저장부(200)에 저장된 압축공기를 공급받는다.
상기 제1,제2,제3농축산소발생수단(300a,300b,300c)은 각각 농축산소를 생산하는 산소농축부(310a,310b,310c)와, 상기 산소농축부(310a,310b,310c)에 압축공기를 선택적으로 공급하는 압축공기공급부(320a,320b,320c) 및 상기 압축공기저장부(200)에 저장된 압축공기를 일정한 압력으로 일정량 압축공기공급부(320a,320b,320c)로 공급하게 하는 압력/유량조절부(330a,330b,330c)로 이루어진다.
여기서, 상기 제1농축산소발생수단(300a)과 상기 제2농축산소발생수단(300b)은 동일한 구성에 의해 농축산소를 생산하기 때문에, 이하에서는 제1농축산소발생수단(300a)과 제3농축산소발생수단(300c)을 위주로 상세히 설명하기로 한다.
상기 제1,제3농축산소발생수단(300a,300c)으로 들어오는 압축공기는 압력/유량조절부(330a,330c)에 구비된 압력조정밸브(pressure regulating valve)(332a,332c)와, 유량을 조절하는 니들(needdle)밸브(334a,334c)에 의해 압력과 유량이 조절된 후, 압축공기공급부(320a,320c)로 공급된다.
상기 제1농축산소발생수단(300a)의 상기 압축공기공급부(320a)는 상기 압축공기저장부(200)와 연결되어 상기 산소농축부(310a)의 제 1,제 2,제 3흡착탑(312a,314a,316a)에 압축공기를 선택적으로 공급하는 제 1,제 2솔레노이드밸브(322a,324a) 및 상기 제 1,제 2솔레노이드밸브(322a,324a)와 연결되어 세정시 발생되는 질소를 외부로 배기하는 배기밸브(326a)로 이루어져 있다. 상기 제 1,제 2솔레노이드밸브(322a,324a)는 5포트2위치 밸브로, 제 1솔레노이드밸브(322a)는 제 1,제 2흡착탑(312a,314a)과 연결되어 있으며, 제 2솔레노이드밸브(324a)는 제 2,제 3흡착탑(314a,316a)과 연결되어 있다. 특히, 제 1솔레노이드밸브(322a)는 제 1위치(A)에서 압축공기저장부(200)로부터 압축공기를 제 1흡착탑(312a)으로 유입되게하며, 제 2위치(B)에서는 제 2흡착탑(314a)으로 유입되게 한다. 또한, 제 2솔레노이드밸브(324a)는 제 1위치(A)에서 압축공기저장부(200)로부터 압축공기를 제 2흡착탑(314a)으로 공급되게 하며, 제 2위치(B)에서는 제 3흡착탑(316a)으로 공급되게 된다. 상기 배기밸브(326a)는 유로를 개폐하는 직동식 밸브이다.
한편, 상기 제3농축산소발생수단(300c)의 상기 압축공기공급부(320c)는 상기 압축공기저장부(200)와 연결되어 상기 산소농축부(310c)의 상기 제 1,제 2흡착탑(312c,314c)에 압축공기를 선택적으로 공급하는 제 1,2솔레노이드밸브(322c,324c) 및 상기 제 1,2솔레노이드밸브(322c,324c)와 연결되어 세정시 발생되는 질소가 외부로 배기되는 배출소음기(328c)로 이루어져 있다. 상기 제 1,2솔레노이드밸브(322c324c)는 5포트2위치 밸브이다.
상기 제1농축산소발생수단(300a)에 구비된 상기 산소농축부(310a)는 상기 압축공기공급부(320a)로부터 공정에 필요한 공기를 선택적으로 공급받아 저압, 고압, 세정이 한 싸이클을 이루면서 농축산소를 생산하는 제1, 제2, 제3흡착탑(312a,314a,316a)으로 이루어진 3탑식이다. 상기 흡착탑들(312a,314a,316a)은 어느 하나가 저압단계에 있으면, 다른 하나는 고압단계에 그리고, 나머지 하나는 세정단계에 있게 된다. 이와 같이 서로 다른 과정에 있는 흡착탑들(312a,314a,316a)은 저압,고압,세정의 사이클이 순환되면서 농축산소를 생산하게 된다. 즉, 제 1흡착탑을 예를 들어 설명하면, 제 1흡착탑(312a)은 고압과정을 거친후 세정과정 그리고 저압과정을 연속적으로 수행하여 농축산소를 연속적으로 생산하게 된다.
한편, 상기 제3농축산소발생수단(300c)에 구비된 상기 산소농축부(310c)는 상기 압축공기공급부(320c)로부터 공정에 필요한 공기를 선택적으로 공급받아 가압, 세정이 한 싸이클을 이루면서 농축산소를 생산하는 제1, 제2흡착탑(312c,314c)으로 이루어진 2탑식이다. 상기 2탑식 산소농축부(310c)의 흡착탑들(312c,314c)은 어느 하나가 가압단계에 있으면, 다른 하나는 세정단계에 있게 된다. 이와 같이 서로 다른 과정에 있는 흡착탑들(312c,314c)은 가압,세정의 사이클이 순환되면서 농축산소를 생산하게 된다. 즉, 제 1흡착탑을 예를 들어 설명하면, 제 1흡착탑(312c)은 가압과정을 거친후 세정과정을 연속적으로 수행하여 농축산소를 생산하게 된다.
또한, 상기 제1농축산소발생수단(300a)에는 상기 제 1,제 2,제 3흡착탑(312a,314a,316a) 중 어느 일측 흡착탑에서 생산된 농축산소를 세정에 필요한 흡착탑으로 공급하는 한편 초기압을 필요로 하는 흡착탑으로 공급하여 세정 및 가압효율을 상승시키는 이퀄라이저밸브부(340a)가 구비되어 있다. 상기 이퀄라이저밸브부(340a)는 제 1흡착탑(312a)에서 제 3흡착탑(316a)으로, 제 3흡착탑(316a)에서 제 2흡착탑(314a)으로 그리고, 제 2흡착탑(314a)에서 제 1흡착탑(312a)으로 세정에 필요한 농축산소를 공급하는 오리피스들(341a,342a,343a)과 이와 쌍을 이루고 직렬로 연결된 체크밸브들(344a,345a,346a) 및 쌍을 이룬 상기 오리피스들(341a,342a,343a) 및 체크밸브들(344a,345a,346a)과 병렬로 연결되어 농축이 덜된 산소를 가압초기에 공급하여 초기압력을 상승시키는 이퀄라이저밸브들(347a,348a,349a)로 구성되어 있다. 상기 쌍을 이룬 오리피스(341a,342a,343a)와 체크밸브(344a,345a,346a)는 상기 제 1흡착탑(312a)과상기 제 3흡착탑(316a)에 연결되어 세정에 필요한 농축산소를 공급하는 제 1오리피스(341a) 및 제 1체크밸브(344a)와, 상기 제 3흡착탑(316a)과 상기 제 2흡착탑(314a)에 연결되어 세정에 필요한 농축산소를 공급하는 제 2오리피스(342a)와 제 2체크밸브(345a) 및 상기 제 2흡착탑(314a)과 상기 제 1흡착탑(312a)에 연결되어 세정에 필요한 농축산소를 공급하는 제 3오리피스(343a)와 제 3체크밸브(346a)로 이루어진다. 한편, 상기 이퀄라이저밸브들(347a,348a,349a)은 상기 제 1흡착탑(312a)과 상기 제 3흡착탑(316a) 사이에 연결되어 농축산소를 단속공급하는 제 1이퀄라이저밸브(347a)와, 상기 제 3흡착탑(316a)과 상기 제 2흡착탑(314a) 사이에 연결되어 농축산소를 단속공급하는 제 2이퀄라이저밸브(348a) 및 상기 제 2흡착탑(314a)과 상기 제 1흡착탑(312a) 사이에 연결되어 농축산소를 단속공급하는 제 3이퀄라이저밸브(349a)로 이루어져 있다.
한편, 상기 제3농축산소발생수단(300c)에도 제 1,제 2흡착탑(312c,314c)에 농축산소를 공급하여 세정 및 가압효율을 상승시키는 이퀄라이저밸브부(340c)가 구비되어 있다. 상기 이퀄라이저밸브부(340c)는 제 1흡착탑(312c)에서 제 2흡착탑(314c)으로, 제 2흡착탑(314c)에서 제 1흡착탑(312c)으로 세정에 필요한 농축산소를 공급하는 오리피스(341c)와, 제 1흡착탑(312c)과 제 2흡착탑(314c) 사이에 구비되어 농축이 덜된 산소를 가압초기에 공급하여 초기압력을 상승시키는 제1이퀄라이저밸브(347c)로 구성되어 있다.
또한, 본 장치는 제1,제2,제3농축산소발생수단(300a,300b,300c)에서 생산된 농축산소를 저장하기 위한 저장탱크(400)를 구비하고 있으며, 이 저장탱크(400)에저장된 농축산소를 사용자에게 적합한 압력으로 조절하여 공급하는 압력조절기(410) 및 압력조절기(410)를 통해 출력되는 농축산소를 일정량으로 토출할 수 있도록 조절하는 유량계(420)를 구비하고 있다. 물론, 상기 제1,제2,제3농축산소발생수단(300a,300b,300c)과 저장탱크(400) 사이에는 각각 제1,제2,제3농축산소발생수단(300a,300b,300c)에서 생산되어 공급되는 농축산소들이 역류하지 않도록 제 1,제 2,제 3역류방지체크밸브들(402a,404a,406a,402b,404b,406b,402c,404c)이 구비되어 있다.
또한, 본 장치는 상기 공기압축기(100)와 압축공기저장부(200) 및 농축산소발생수단(300a,300b,300c)의 각부분들을 제어하는 제어부(500)도 구비하고 있다.
첨부 도면 3은 본 발명에 따른 산소발생장치의 일실시예를 설명하기 위한 도면이다. 본 도면은 제1농축산소발생수단(300a)의 산소농축부(310a)에 구비된 각각의 흡착탑들을 기준으로 설명한다. 상기 제1농축산소발생수단(300a)의 흡착탑들 중 제 1흡착탑(312a)은 고압상태이고, 제 2흡착탑(314a)은 저압상태이며, 제 3흡착탑(316a)은 세정상태에 있는 것을 나타내고 있다. 상기 상태를 시작으로 본 장치의 농축산소생산사이클에 대해 상세히 설명한다.
도면에 도시한 상태를 시점으로 설명하면, 첫번째 공정에서는 공기압축기(100)로부터 생산되어 압축공기저장부(200)에 저장된 압축공기를 압력/유량조절부(330a)의 압력조정밸브(332a)와 니들밸브(334a)로 압력과 유량을 조정하면서 압축공기공급부(320a)로 보낸다. 상기 압축공기공급부(320a)에 전달된 압축공기는 상기 압축공기공급부(320a)의 제 1솔레노이드밸브(322a)를 이용하여 산소농축부(310a)의 제 1흡착탑(312a)에 압축공기를 공급하여 고압상태에 이르게 한다. 그리고, 상기 압축공기공급부(320a)의 제 2솔레노이드밸브(324a)를 이용하여 산소농축부(310a)의 제 2흡착탑(314a)에 압축공기를 공급해 저압상태에 이르게 한다. 이때, 산소농축부(310a)의 제 3흡착탑(316a)은 세정단계에 있게 되는 데, 세정에 따른 질소배출은 제 2솔레노이드밸브(324a) 및 배기밸브(326a)를 경유하고 배출소음기(328a)를 거쳐 소음되어 외부로 배기되게 된다. 그러면, 위의 제 1,제 2솔레노이드밸브(322a,324a)는 제 1위치(A)에 있게 되며, 이 상태에서 제 1흡착탑(312a)은 고압상태로 농축산소를 생산하고 있는 과정이고, 제 2흡착탑(314a)은 가압상태중에서도 저압상태로 압력이 상승하고 있는 상태이다. 이 상태의 끝부분에서 이퀄라이저과정이 수행되는 데, 이퀄라이저과정은 고압상태에 있는 흡착탑에서 세정상태에 있는 흡착탑으로 농축산소를 일정량 공급하여 압력평형상태를 유도하는 것으로, 본 상태에서는 고압상태에 있는 제 1흡착탑(312a)에서 세정상태에 있는 제 3흡착탑(316a)으로 농축산소를 공급하게 된다. 이때, 농축산소를 공급하는 쪽인 제 1흡착탑(312a)은 제 1이퀄라이저과정을 그리고, 농축산소를 공급받는 쪽인 제 3흡착탑(316a)은 제 2이퀄라이저과정을 수행하게 된다. 상기 이퀄라이저과정은 이퀄라이저밸브부(340a)에 의해 수행되는 데, 이에 대해 보다 상세히 설명하면 고압상태로 농축산소를 생산하고 있는 제 1흡착탑(312a)은 제 1오리피스(341a)와 제 1체크밸브(344a)를 경유하여 저장탱크(400)로 가는 농축산소의 일부를 제 3흡착탑(316a)으로 보내 세정과정에 있는 제 3흡착탑(316a)내의 흡착제로부터 질소탈착을 돕는다. 특히, 제 3흡착탑(316a)의 세정끝부분에 제 1이퀄라이저밸브(347a)를 개방하여제 1흡착탑(312a)에서 농축이 덜된 산소를 제 3흡착탑(316a)으로 보내 다시 완전한 농축산소로 제조하게 된다. 물론, 이 산소의 공급으로 인해 가압단계로 들어가는 제 3흡착탑(316a)은 초기압력을 형성하여 가압을 신속하게 수행하게 된다.
두번째 공정에서는 제어부(500)에 의해 제 1,제 2솔레노이드밸브(322a,324a)가 제 2위치(B)로 전환되며 배기밸브(326a)는 폐쇄되게 된다. 따라서, 첫번째 공정을 마치고 제 1흡착탑(312a)은 세정을 하게 되고, 제 2흡착탑(314a)은 제 1솔레노이드밸브(322a)를 통해 압축공기저장부(200)로부터 압축공기를 공급받아 고압상태로 진행하여 농축산소를 생산하게 된다. 그리고, 제 3흡착탑(316a)도 압축공기저장부(200)로부터 압축공기를 공급받아 저압단계로 진행하게 된다. 이 상태의 끝부분에서도 이퀄라이저과정이 수행되며, 이때 반드시 고압상태에 있는 제 2흡착탑(314a)으로부터 세정상태에 있는 제 1흡착탑(312a)으로 농축산소를 유동시키게 된다. 이를 위해서, 제 3오리피스(343a)와 제 3체크밸브(346a)를 통하여 고압상태에서 농축산소를 생산하고 있는 제 2흡착탑(314a)으로부터 생산된 농축산소중 일부를 제 1흡착탑(312a)으로 보내 세정을 돕게 되며, 그 끝부분에 제 3이퀄라이저밸브(349a)를 개방하여 농축이 덜된 산소를 제 1흡착탑(312a)으로 보내 초기압력을 형성하여 가압이 신속히 이루어지게 한다.
세번째 공정에서는 제 1솔레노이드밸브(322a)는 제 1위치(A)로 복귀하고 제 2솔레노이드밸브(324a)는 제 2위치(B)를 그대로 유지하게 되며, 배기밸브(326a)는 개방상태로 전환된다. 따라서, 세정을 마친 제 1흡착탑(312a)은 압축공기저장부(200)에 저장된 압축공기를 제 1솔레노이드밸브(322a)를 통해 공급받아 저압상태로 진행한다. 그리고, 제 2흡착탑(314a)은 세정단계로 진행하여 질소를 제 2솔레노이드밸브(324a) 및 배기밸브(326)를 경유하여 배출소음기(328a)로 소음시켜 외부로 배출하게 된다. 또한, 제 3흡착탑(316a)은 고압상태로 진행하여 농축산소를 생산하게 된다. 이 상태의 끝부분에서도 이퀄라이저단계가 일어나는 데, 고압인 제 3흡착탑(316a)으로부터 세정단계인 제 2흡착탑(314a)으로 농축산소를 보내게 된다. 물론, 이것도 제 3흡착탑(316a)과 제 2흡착탑(314a) 사이에 설치된 제 2오리피스(342a)와 제 2체크밸브(345a)를 거쳐 세정에 필요한 농축산소를 공급하고, 제 2이퀄라이저밸브(348a)를 통해 농축이 덜된 산소를 세정끝부분에 있는 제 2흡착탑(314a)으로 보내 가압시 초기압력을 형성하게 한다.
이상과 같은 공정들을 거치면서 각 흡착탑들(312a,314a,316a)에서 생산된 농축산소는 각각 제 1,제 2,제 3역류방지체크밸브(402a,403a,404a)를 통해 저장탱크(400)에 저장되고, 사용자는 이것을 압력조절기(410) 및 유량계(420)를 통해 적정압력과 적정량으로 산소를 공급받아 사용하게 된다.
한편, 많은 양의 농축산소가 필요할 경우에는 상기 제1농축산소발생수단(300a)과, 상기 제2농축산소발생수단(300b)및 제3농축산소발생수단(300c)을 동시에 작동시킨다. 상기 제2농축산소발생수단(300b)은 상기 제1농축산소발생수단(300a)과 동일한 구성을 이루고 있기 때문에 상기 제1농축산소발생수단(300a)과 같은 과정을 거치며 농축산소를 생산한다. 하지만, 제3농축산소발생수단(300c)은 산소농축부(310c)가 2탑식이기 때문에 약간의 차이가 있다. 이하에서는 제3농축산소발생수단(300c)에 의해 농축산소가 생산되는 과정을 설명하기로 한다.
도시한 바와 같이, 첫번째 공정에서는 공기압축기(100)로부터 생산되어 압축공기저장부(200)에 저장된 압축공기를 압력/유량조절부(330c)의 압력조정밸브(332c)와 니들밸브(334c)로 압력과 유량을 조정하면서 압축공기공급부(320c)로 보낸다. 상기 압축공기공급부(320c)에 전달된 압축공기는 제 1솔레노이드밸브(322c)를 통해 제2솔레노이드밸브(324c)에 보내지고, 이 제2솔레노이드밸브(324c)는 산소농축부(310c)의 제 1흡착탑(312c)에 압축공기를 공급하여 가압상태에 이르게 한다. 이때, 산소농축부(310c)의 제 2흡착탑(314c)은 세정단계에 있게 되는 데, 세정에 따른 질소배출은 제 2솔레노이드밸브(324c)와 제1솔레노이드밸브(322c) 및 배출소음기(328c)를 거쳐 소음되어 외부로 배기되게 된다. 그러면, 위의 제 1솔레노이드밸브(322c)는 제 2위치(B)에 있게 되고, 제 2솔레노이드밸브(324c)는 제 1위치(A)에 있게 되며, 이 상태에서 제 1흡착탑(312c)은 가압상태로 농축산소를 생산하고 있는 과정이고, 제 2흡착탑(314c)은 세정상태이다. 이 상태의 끝부분에서 이퀄라이저과정이 수행되는 데, 이퀄라이저과정은 가압상태에 있는 흡착탑에서 세정상태에 있는 흡착탑으로 농축산소를 일정량 공급하여 압력평형상태를 유도하는 것으로, 본 상태에서는 가압상태에 있는 제 1흡착탑(312c)에서 세정상태에 있는 제 2흡착탑(314c)으로 농축산소를 공급하게 된다. 이때, 농축산소를 공급하는 쪽인 제 1흡착탑(312c)은 제 1이퀄라이저과정을 그리고, 농축산소를 공급받는 쪽인 제 2흡착탑(314c)은 제 2이퀄라이저과정을 수행하는 것이 된다. 상기 이퀄라이저과정은 이퀄라이저밸브부(340c)에 의해 수행되는 데, 이에 대해 보다 상세히 설명하면 가압상태로 농축산소를 생산하고 있는 제 1흡착탑(312c)은 농축산소의일부를 제 2흡착탑(314c)으로 보내 질소탈착을 돕는다. 특히, 제 2흡착탑(314c)의 세정끝부분에 제 1이퀄라이저밸브(347c)를 개방하여 제 1흡착탑(312c)에서 농축이 덜된 산소를 제 2흡착탑(314c)으로 보내 다시 완전한 농축산소로 제조하게 된다. 이때 오리피스(341c)는 제1흡착탑(312c)이 제1이퀄라이져과정을, 제2흡착탑(314c)이 제2이퀄라이져 과정을 수행하고 있을 때 세정에 필요한 농축산소를 공급하는 역할을 한다. 상기한 바와 같이, 각 흡착탑들(312c,314c)에서 생산된 농축산소는 각각 제 1,제 2역류방지체크밸브(402c,404c)를 통해 저장탱크(400)에 저장되고, 사용자는 이것을 압력조절기(410) 및 유량계(420)를 통해 적정압력과 적정량으로 산소를 공급받아 사용하게 된다.
이와 같은 산소발생장치는 산소발생수단을 병렬로 연결하여 소용량 및 대용량 농축산소가 필요한 곳에 널리 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 제1산소발생수단의 각 탑 시간별 압력응답특성 및 운전단계별 특성을 나타낸 도표로, 여기서 제 1흡착탑은 실선으로 제 2흡착탑은 일점쇄선으로 그리고 제 3흡착탑은 점선으로 표시하였다.
흡착탑들의 농축산소생산공정은 3개의 과정이 한 사이클을 이루고 반복되는 데, 실선으로 나타낸 바와 같이 제 1흡착탑은 Ⅰ단계의 저압단계, Ⅱ단계의 고압단계, Ⅲ단계의 세정단계가 1사이클을 이루며 연속적으로 수행되게 된다. 물론, 이때 제 2흡착탑은 일점쇄선으로 도시한 바와 같이 Ⅱ단계에서 사이클이 시작되며 저압단계를 시작하여 Ⅲ,Ⅳ단계를 거치며 고압, 세정이 이루어지게 된다. 물론, 제 3흡착탑도 제 2흡착탑보다 1단계가 늦게 사이클이 시작되어 연속적으로 저압, 고압, 세정의 단계를 거치게 된다.
이상 서술한 바와 같이, 본 발명의 산소발생장치는 공기압축기로 외부공기를 흡입하여 압축공기를 생산 출력하고, 출력되는 압축공기를 압축공기저장부에 저장하였다가 필요한 양만큼의 압축공기를 공급받아 농축산소를 생산하는 농축산소발생수단을 적어도 2개이상 구비하고, 상기 농축산소발생수단을 병렬 연결한 농축산소발생부를 구비하여 대용량의 농축산소를 연속적으로 생산할 수 있다. 이로 인하여, 단위시간당 농축산소 생산량을 증대할 수 있는 효과가 있다. 한편, 기존의 3탑 2압축기방식의 산소발생장치는 공기압축기를 2대 사용하고 있기 때문에 2대의 공기압축기 설치에 따른 비용이 증가되고, 장치 구성이 복잡해 지는 단점이 있었으나, 본 발명의 산소발생장치는 농축산소발생부에 1대의 공기압축기만으로 압축공기를 공급하기 때문에 상기 단점들을 극복할 수 있다.

Claims (14)

  1. 외부공기를 유입시켜 농축산소를 생산하는 산소발생장치에 있어서,
    외부공기를 흡입하여 압축공기를 생산 출력하는 공기압축기;
    상기 공기압축기에서 출력되는 압축공기를 저장하는 압축공기저장부;
    상기 압축공기저장부에 저장된 압축공기를 공급받아 농축산소를 생산하는 적어도 2개 이상의 농축산소발생수단;
    상기 농축산소발생수단을 병렬 연결한 농축산소발생부;
    상기 농축산소발생부 및 공기압축기를 제어하는 제어부; 및
    상기 농축산소발생부에서 생산된 농축산소를 저장했다가 필요시 사용자에게 공급하는 저장탱크를 포함하고,
    상기 농축산소발생수단은 농축산소를 생산하는 적어도 2개이상의 흡착탑들을 구비한 산소농축부와, 상기 산소농축부에 압축공기를 선택적으로 공급하는 압축공기공급부와, 상기 압축공기저장부에 저장된 압축공기를 일정한 압력으로 일정량 압축공기공급부로 공급하게 하는 압력/유량조절부 및 상기 산소농축부의 상기 흡착탑들 중 어느 일측 흡착탑에서 생산된 농축산소를 세정에 필요한 흡착탑으로 공급하는 한편 초기압을 필요로 하는 흡착탑으로 공급하여 세정 및 가압효율을 상승시키는 이퀄라이저밸브부로 이루어지고,
    상기 압축공기공급부는 상기 공기압축기와 각각 연결되어 상기 흡착탑에 압축공기를 선택적으로 공급하는 제 1,제 2솔레노이드밸브 및 상기 제 1,제 2솔레노이드밸브와 연결되어 세정시 발생되는 질소를 외부로 배기하는 배기밸브로 이루어지는 산소발생장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서, 상기 제 1,제 2솔레노이드밸브는 5포트2위치 밸브이고, 상기 배기밸브는 유로를 개폐하는 직동식 밸브인 것을 특징으로 산소발생장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 압력/유량조절부는 압력조정밸브(pressure regulating valve)와, 유량을 조절하는 니들(needdle)밸브로 이루어진 것을 특징으로 산소발생장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 이퀄라이저밸브부는 각 흡착탑들 사이에 구비되어 세정에 필요한 농축산소를 공급하는 오리피스와, 이와 쌍을 이루며 직렬로 연결된 체크밸브 및 상기 쌍을 이룬 상기 오리피스 및 체크밸브과 병렬로 연결되어 농축이 덜된 산소를 가압초기에 공급하여 초기압력을 상승시키는 이퀄라이저밸브들로 구성된 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 산소농축부는 압축공기공급부로부터 공정에 필요한 공기를 선택적으로 공급받아 저압, 고압, 세정이 한싸이클을 이루면서 농축산소를 생산하는 제1, 제2, 제3흡착탑으로 이루어진 3탑식인 것을 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 산소농축부는 상기 압축공기공급부로부터 공정에 필요한 공기를 선택적으로 공급받아 가압, 세정이 한 싸이클을 이루면서 농축산소를 생산하는 제1,제2흡착탑으로 이루어진 2탑식인 것을 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 농축산소발생부에는 3탑식 산소농축부를 구비한 농축산소발생수단과 2탑식 산소농축부를 구비한 농축산소발생수단이 병렬로 연결된 것을 특징으로 산소발생장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 3탑식 산소농축부를 구비한 농축산소발생수단에 구비된 상기 이퀄라이저밸브부의 상기 쌍을 이룬 오리피스와 체크밸브는 상기 제 1흡착탑과 상기 제 3흡착탑에 연결되어 세정에 필요한 농축산소를 공급하는 제 1오리피스 및 제 1체크밸브와, 상기 제 3흡착탑과 상기 제 2흡착탑에 연결되어 세정에 필요한 농축산소를 공급하는 제 2오리피스와 제 2체크밸브 및 상기 제 2흡착탑과 상기 제 1흡착탑에 연결되어 세정에 필요한 농축산소를 공급하는 제 3오리피스와 제 3체크밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 이퀄라이저밸브들은 상기 제 1흡착탑과 상기 제 3흡착탑 사이에 연결되어 농축산소를 단속공급하는 제 1이퀄라이저밸브와, 상기 제 3흡착탑과 상기 제 2흡착탑 사이에 연결되어 농축산소를 단속공급하는 제 2이퀄라이저밸브 및, 상기 제 2흡착탑과 상기 제 1흡착탑 사이에 연결되어 농축산소를 단속공급하는 제 3이퀄라이저밸브로 이루어진 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 2탑식 산소농축부를 구비한 농축산소발생수단에 구비된 상기 이퀄라이저밸브부는 상기 제 1흡착탑과 상기 제 2흡착탑 사이에 연결되어 농축산소를 단속공급하는 제 1이퀄라이저밸브와, 상기 제 1흡착탑과 상기 제 2흡착탑에 연결되어 세정에 필요한 농축산소를 공급하는 제 1오리피스로 이루어진 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
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