KR100476573B1 - 분자거름망형가스분리장치및그방법 - Google Patents
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Abstract
분자체형 가스 분리장치(10)는 싸이클의 흡착 충전단계 동안에 공급가스(14)의 비제품 가스를 흡착하고 싸이클의 탈착 재생단계에서는 앞에서 흡착된 비제품 가스를 제거하는 적어도 하나의 분자체 베드(11-13)와, 탈착 재생단계 동안에 비제품 가스를 배출하는 배출수단(18)과 흡착 충전단계 동안에 제품 가스를 토출하는 배출수단(31), 제품 가스의 성분농도에 응답하는 센서수단(36) 및 흡착 충전단계와 탈착 재생단계 사이에서 상기 분자체 베드의 동작을 전환하는 제어수단(20)을 포함하여 공급 가스로부터 제품가스를 분리하는 것에 있어서, 상기 제어수단(20)은 각 싸이클의 탈착 재생단계 기간에 대한 흡착 충전단계의 기간을 조정하도록 된 것을 특징으로 하여 구성된다.
Description
본 발명은 가스 스트림으로부터 가스 제품을 분리하는 분자체형 가스 분리장치에 관한 것이다. 선행 기술의 분자체형 가스 분리장치는 유럽 특허 명세서 제0129304호에 개시되어 있으며, 그 가스 분리장치는 예를들어 산소를 함유하는 가스 제품을 장치로부터 통과시키는 반면 공급 가스로부터 질소가스와 기타 다른 가스들은 흡착하는 재료를 각각 포함하는 예를들어 3개의 분자체 베드(bed)들을 포함하는 것으로, 예를들어 항공기 탑승자용의 산호 호흡장치에 사용될 수 있다.
선행 기술 명세서 EP0129304호에는, 각각의 베드의 동작이 주기적으로 이루어지는 장치가 기재되어 있다. 각 주기에서, 각각의 분자체 베드는 주로 질소가스가 분자체 베드에 의해 흡착되는 흡착 충전단계와 비제품 가스인 질소가스가 분자체 베드로부터 제거되는 탈착재생 단계를 받게 된다. 이것은 본 기술 분야에서 널리 알려진 바와 같이, 흡착 충전단계 동안에 제 1 압력에서 분자체 베드로 공급가스를 도입함으로써 이루어지고, 탈착 재생단계에서는 분자체 베드가 제 1 압력 보다 낮은 제 2 압력을 받게 된다.
항공기 탑승자를 위하여 항공기 고도가 증가함에 따라 호흡을 위하여 제품가스의 산소 농도를 증가시켜 공급해야 한다. 상기한 선행 기술의 명세서 EP0129304에서, 흡착 충전단계와 탈착 재생단계들의 상대적인 기간들을 사실상 일정하게 유지하는 반면에 각각의 분자체 베드에 대한 전체 순환 주기시간을 조정함으로써 제품가스에서의 산소 농도는 변화된다.
이러한 선행 기술의 장치가 실제로 만족할 정도로 동작하지만, 장치를 보다 효율적으로 만드는 것이 요구되었다.
분자체 베드들의 작용에 대한 실험은 각 싸이클에 탈착 재생단계 기간을 증가시킴으로써 흡착된 가스가 흡착재로부터 얼마나 잘 제거되는지를 보여주었다.
본 발명은 첨부된 도면을 참고하여 보다 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 가스 분리장치의 개략적인 구성도.
도 2는 고도변화에 의한 호흡가스의 변화에 따른 다른 산소 농도 요건을 보여주는 그래프이다.
도 3은 선행 기술의 제어방법에서 제품 가스변화시 산소 농도의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 3a는 선행 기술의 장치를 작동시킴으로써 산소 농도의 주기적인 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따라 가스 분리장치를 작동시킴으로써 제품가스에서의 산소 농도가 어떻게 변화되는지를 보여주는, 도 3과 유사한 그래프이다.
도 4a는 본 발명에 따라 가스 분리장치를 작동시킴으로서 산소 농도의 주기적인 변화를 보여주는 그래프이다.
본 발명의 첫째 목적에 따른, 공급 가스로부터 제품가스를 분리하는 분자체형 가스 분리장치는 싸이클의 흡착 충전단계 동안에 공급가스의 비제품 가스를 흡착하고 싸이클의 탈착 재생단계에서는 앞에서 흡착된 비제품 가스를 제거하는 적어도 하나의 분자체 베드와, 탈착 재생단계 동안에 비제품 가스를 배출하는 배출수단과 흡착 충전단계 동안에 제품 가스를 토출하는 배출수단, 제품 가스의 성분농도에 응답하는 센서수단 및 흡착 충전단계와 탈착 재생단계 사이에서 상기 분자체 베드의 동작을 전환하는 제어수단을 포함하는 것에 있어서, 상기 제어수단은 각 싸이클의 탈착 재생단계 기간에 대한 흡착 충전단계의 기간을 조정하도록 된 것을 특징으로 하여 구성된다.
이로써 가스 분리장치에서 각 싸이클의 탈착 재생단계 기간에 대한 흡착 충전단계의 기간을 조정함으로써 분자체 베드(또는 베드들)의 각 싸이클에서 제품가스에서 요구되는 성분에 대한 제어가 향상되는 것으로 밝혀졌다.
선행 기술의 유럽 특허 명세서 제 0129304호에서 각 싸이클 시간이 동작 주기동안에 변화되고 흡착충전단계와 탈착 재생단계들의 상대적 기간이 대체로 일정하게 유지되는데 대하여, 본 발명에 따른 장치에서는 각 분자체 베드에 대한 전체 싸이클 기간은 동작 기간동안 대체로 일정하게 유지될 수 있는 한편 각 싸이클에서 흡착 충전단계와 탈착 재생단계의 상대적 기간들은 조정된다.
본 발명은 여러 잇점들을 제공한다. 특히, 제품가스에서 요구되는 성분의 농도가 요구되는 수준에서 벗어나는 것이 크게 감소되고, 따라서 요구되는 성분의 허용가능한 농도 보다 낮거나 높게 제품가스를 생산할 위험이 크게 감소된다.
더욱이, 제품가스에서의 요구되는 성분의 농도가 낮은 경우에 특히, 탈착 재생단계의 기간이 감소될 수 있으며, 이것은 장치로 송급될 필요가 있는 공급가스의 전체 량이 감소될 수 있어서 결과적으로 효율이 더 높아짐을 의미한다.
바람직한 실시예에서, 장치는 사용할 때 분자체 베드들중 적어도 하나는 항상 흡착 충전단계로 동작하여 제품가스를 발생하도록 제어장치에 의해 서로 단계를 벗어나게 동작될 수 있는 복수개의 분자체 베드들을 포함한다.
그러므로 바람직하게는, 서로 단계를 벗어나지만 공동의 싸이클 기간으로 흡착 충전단계와 탈착 재생단계들 사이에서 전환되는 N개의 분자체 베드들이 있는 경우에, 본 발명의 장치는 각 베드에서의 전체 싸이클 기간에 대한 흡착 충전단계 기간의 비율은 항상 1:N 보다 크도록 동작될 수 있다.
흡착 충전단계와 탈착 재생단계들 사이에서의 전환을 위하여, 장치의 각 베드는 제어수단에 의해 개폐될 수 있는 관련 밸브들을 포함할 수 있어서 흡착 충전단계 동안에 제품가스의 토출과 공급가스의 도입을 허용하며 탈착 재생단계 동안에 비제품 가스의 배출시킬 수 있도록 한다.
본 발명의 장치는 전체 분자체 베드 또는 각각의 베드를 수용하는 하우징을 포함하며, 각각의 밸브는 해당 가스가 하우징으로 유입 또는 배출되도록 허용하는 단순한 개폐밸브로 될 수 있지만 필요하면 밸브들중 적어도 하나의 밸브는 능동 밸브로 될 수 있으며, 이로써 공급가스 또는 제품가스 또는 비제품 가스들중 하나가 하우징에 유입 또는 배출되는 것을 허용하도록 밸브의 개폐범위는 조정될 수 있으며 밸브가 개폐위치들 사이에서 전환되는 속도는 가변적으로 될 수 있다.
각 베드의 탈착 재생단계의 말기에 다음의 흡착 충전단계전에, 필요하면 제품가스가 장치에 도입되어 하우징으로부터 잔류하는 비제품가스를 퍼징(purging)시킬 수 있다.
흡착 충전단계와 탈착 재생단계들의 적어도 일부 단계들 사이에 가스공급 또는 제품가스 또는 비제품가스가 하우징에 인입 또는 배출되는 것이 허용된다.
흡착 충전단계와 탈착 재생단계들의 적어도 일부분들 사이에는 베드로의 공급가스의 송급, 베드로 부터의 제품가스 배출 및 베드로 부터의 비제품 가스의 배출들중 적어도 2가지가 동시에 발생될 수 있는 중첩 단계가 있을 수 있다.
본 발명은 특히, 배타적인 것은 아니지만 소위 산소 농축기에 이용될 수 있으며, 이 경우 제품가스에서 요구되는 모니터된 성분은 산소일 수 있고 분자체 베드는 질소가스를 흡착할 수 있는 분자체 베드 재료를 포함하여서 제품가스가 예를 들어 항공기의 탑승자가 호흡하는데 사용될 수 있다. 더욱이, 제어수단은 제품가스의 산소농도를 고도에 따라 가변적일 수 있는 목표 농도에 근접하게 얻도록 장치를 제어할 수 있다.
본 발명의 둘째 목적에 따라, 본 발명의 첫째 목적에 따른 가스 분리장치를 구비한 항공기를 제공하는 것이다.
본 발명의 셋째 목적에 따라, 제품가스의 성분 농도를 감지하며, 제품가스의 성분 농도를 미리 설정된 한계치내에서 얻도록 분자체 베드의 각 싸이클에서 탈착재생단계의 기간에 대하여 흡수 충전단계의 기간을 조정하는 단계들을 포함하는, 본 발명의 첫째 목적에 따른 가스 분리장치를 동작시키는 방법을 제공하는 것이다.
도 1에 도시된 분자체형 가스 분리장치(10)는 본 실시예에서 항공기의 탑승자에 산소가 풍부한 공기(제품 가스)를 공급하도록 된 것이다.
본 실시예에서, 가스 분리장치(10)는 3개의 분자체 베드(11,12,13)들을 포함하며, 상기 베드들은 항공기의 엔진의 압축기와 같은 공급원(14)으로 부터 공기(가스)를 공급받게 되며 배출 라인(18)으로 토출하기 전에 산소가 풍부하게 된 공기형태의 제품가스를 토출하도록 되어 있다.
공기 공급원(14)으로 부터의 공급공기는 가스 분리장치(10)로 토출되기 전에 필터링될 수 있으며, 공급공기가 미리 설정된 압력으로 전달되도록 공급공기의 압력이 조정될 수 있다.
제품가스는 각각의 베드(11-13)들로 부터 배출 라인(18)을 통하여, 도면에 도시되지 않고 본 발명을 구성하지 않는 적당히 요구되는 유량으로 조정하는 조정 수단으로 유동되며, 항공기 탑승자들은 상기 조정수단에 의해 공급된 제품가스 자체를 호흡하거나 또는 공기와 같은 다른 가스와 혼합될 수 있다.
각각의 베드(11-13)는 공기 공급원(14)으로부터 베드들에 전달된 공급가스에서 주로 질소가스를 흡착하도록 되어 있으며, 이를 위하여 "제올라이트"(zeolite)로서 알려진 분자체 재료를 포함하며, 상기 제올라이트는 산소를 통과시켜 제품가스 배출라인(18)의 제품가스는 산소가 풍부하게 된 공기로 된다. 본 발명에 따른 가스 분리장치(10)를 작동시킴으로써 제품가스에서의 산소 농도는 예를들어 여러 요건들에 적합하게 변화될 수 있다.
도 2에 있어서, 도면에 도시된 그래프는 호흡가스에서 요구되는 산소 농도가 고도에 따라 어떻게 변하는지를 나타내고 있으며, 상기 그래프는 예를들어 항공기 고도가 증가함에 따라 안락한 호흡을 하기 위해 요구되는 산소 농도의 최대와 최소치를 나타내고 있다. 이로부터, 낮은 고도에서는 제품가스에서 상당히 낮은 산소 농도가 요구되며 그 최소치는 지면에 근접한 대기중 산소의 자연적인 농도(21%)로 될 수 있다.
다시 도 1을 참고하여 설명하면, 가스 분리장치(10)는 부호 20으로 표시된 제어장치에 의해 제어될 수 있다. 각각의 베드(11-13)는 인입측이 공급공기 유입밸브(21,22,23)들 각각에 연결되어 있으며, 또한 배출측은 일방향의 제품가스 배출 밸브(28,29,30)들 각각에 연결되어 있다.
각각의 베드는 주기적으로 작동되며, 각 싸이클에는 흡착 충전단계와 탈착 재생단계가 포함된다. 상기 흡착 충전단계 동안에 공급 공기 유입밸브(21-23)들과 제품가스 배출밸브(28-30)들은 개방되어 하우징에 수용된 베드(11-13)들로 유입된 공기는 베드들에 있는 흡착재료에 의해 비제품가스가 흡착되어 분리되는 한편, 배드들을 통과하여 그 하우징으로 부터 배출밸브(28-30)들을 통해 배출라인(18)으로 분리장치(10)로 부터 배출된다. 상기 흡착 충전단계 동안에 분자체 베드(11-13)의 흡착재료는 비제품가스가 크게 충전된다.
탈착 재생단계 동안에는, 공급 공기 유입밸브(21-23)와 제품가스 배출밸브(28-30)들은 폐쇄되는 한편, 베드(11-13)들로의 통기 밸브(25,26,27)들이 개방되어 상기 베드들은 통기 라인(31)을 통하여 공급공기(14) 보다 낮은 압력인 대기압에 노출된다. 비제품가스는 각각의 베드(11-13)들로 부터 제거되어 베드들이 정화되도록 하고 각각의 하우징으로 부터 배출용 통기 라인(31)을 통해, 즉 항공기의 외부로 배출된다.
공기 공급 밸브(21-23)와 제품가스 배출밸브(28-30) 및 환기밸브(25-27)들의 작동은 제어수단(20)의 제어하에 이루어진다.
탈착 재생단계의 끝쪽으로 베드(11-13)들의 압력이 충분히 낮게 되면, 제품가스는 제품가스 밸브(28-30)들이 폐쇄되었음에도 불구하고 각각의 퍼지밸브 또는 오리피스(32-34)들을 통해 베드(11-13)의 하우징 속으로 들어갈 수 있게 된다. 상기 퍼지밸브(32-34)들은 오직 작은 량의 제품가스만이 베드(11-13)들로 들어갈 수 있게 되고 나머지 비제품 가스로 베드(11-13)들을 퍼지시킨다.
가스 분리장치(10)는 3개의 베드(11-13)들의 흡착 충전 및 탈착 재생단계들이 수행되도록 작동되며, 상기 베드(11-13)들의 적어도 하나는 항상 흡착단계에서 작동하게 된다.
산소 센서(36)는 제품가스 배출라인(18)에 제공되어 제품가스에서의 산소 농도를 감지하도록 한다. 센서(36)의 출력측은 제어수단(20)에 연결되어 제품가스에서의 산소 농도를 변화시켜 산소 농도를 미리 설정한 한계치들로 유지하도록 베드(11-13)들의 작동을 제어한다.
도 3에 있어서, 선행 기술의 가스 분리장치에서 제품가스의 실제 산소 농도가 싸이클 기간의 변화에 따라 어떻게 변하는지를 그래프로 보여주고 있다. 통상적으로 전술한 유럽 특허 명세서 제 0129304호에 기재된 것은 같은 가스 분리장치는 2개의 고정된 싸이클 기간, 예를들어 9 또는 30초 사이에서만 작동한다. 도 3에서 표시된 평균 산소 농도는 고도 변화에 대하여 호흡 가스를 위해 제품가스에서 요구되는 산소 농도이다. 표시된 최대 및 최소의 산소 농도는 부정확성을 제어하기 위하여 평균치로 부터의 싸이클 편차이다.
센서(36)에 의해 감지된 제품가스 배출라인(18)에서의 산소 농도가 변화함에 따라, 종래 기술의 방법에서는 각각의 베드의 싸이클 주기는, 산소가 제품가스에서 더 또는 덜 요구되는지에 따라 9초와 30초 사이에서 전환되었다. 예를들어 종래 가스 분리장치가 각 베드에 대하여 9초의 고정된 싸이클 주기로 작동되고 가스 배출라인(18)에서의 센서(36)가 특정 고도에 대하여 요구되는 최대 농도를 향해 상승되고 있음을 탐지하면, 제품가스에서의 산소 농도를 감소시키도록 싸이클 주기가 30초로 전환된다.
이러한 싸이클 주기들의 변경은 싸이클중간에, 또는 어떤 싸이클의 초기 또는 말기에 일어날 수 있다.
도 3a에는 요구되는 특정한 (평균) 산소 농도에 대하여 감지된 실제 산소 농도가 예시되어 있으며, 그로부터 배출라인(18)에서의 제품가스의 실제 산소 농도가 평균 또는 요구되는 산소 농도 수준으로 최대와 최소 산소 농도 수준들 사이에서 변화하는 것을 알수 있다. 이러한 변화는 주기적일 수도 있지만, 보다 통상적으로는 요구되는 평균 산소 농도를 중심으로 불규칙하게 변화된다.
물론, 예를들어 항공기에 있어서는 고도가 계속적으로 변화되기 때문에 항공기 탑승자의 호흡수가 변화될 수 있으며 실제로는 결코 도 3a에 도시된 바와같이 안정된 상태에 이르지 못하게 된다. 그러므로, 배출라인(18)산소 변경에 대한 요건은 고도가 변화함에 따라 변화되므로 배출관(18)에서의 실제의 산소 농도는 상당할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시된 것과 유사한 그래프로서 본 발명에 따른 가스 분리장치(10)의 동작결과를 나타내고 있다. 배출라인(18)에서의 제품가스의 최대, 평균 및 최소의 산소 농도는 가스 분리장치(10)의 베드(11-13)들 각각에 대한 단일의 싸이클 주기들에 대하여 표시되는 대신에, 산소 농도는 베드(11-13)들의 흡착 충전단계와 탈착 재생 단계들의 전체 싸이클 주기에 대한 흡착 충전단계의 증대된 상대적 기간에 대하여 변화된다. 본 실시예에서, 고정된 실제 싸이클 주기는 7.2초이며 이러한 싸이클 주기는 그래프의 목적에 따라 18 단위들로 분할된다.
그래프의 좌측에서, 산소 농도가 (실제 얻을 수 있는 최대인 제품가스의 94%에 이르는) 최대일 때, 분자체 베드(11-13)들은 그 각각에 있어서 흡착 충전단계와 탈착 재생단계의 전체 싸이클 주기에 대하여 흡착 충전단계의 상대적 기간이 6:18이 되도록 작동되며, 이러한 상대적 기간이 그래프의 우측에서 18:18까지의 비율로 증가되어, 본질적으로 분자체 베드(11-13)들이 탈착 재생단계에서 결코 작동하지 않을 때 베드들은 비제품 가스로 포화상태가 되어 제품가스에서 가능한 산소의 최대 농도가 대기에서 자연적인 상태, 즉 21%로 된다.
본 발명에 따라 가스 분리장치(10)는 제품가스의 배출라인(18)의 산소 센서(36)로부터의 출력에 응답하여 각 싸이클에서 탈착 재생단계에 대하여 흡착 충전단계의 상대적 기간이 요구되는 산소 농도를 얻도록 변화된다. 도 4로부터 볼 수 있듯이, 최대와 최소의 산소 농도들 사이의 간격은 도 3에 표시된 바와같이 싸이클 주기를 변화시킴으로써 가스 분리장치를 작동시키는 것보다 매우 작게 될 수 있다.
그 결과 도 4a에 도시된 바와같이, 실제 산소 농도는 특정 고도에서 요구되는 산소 농도 또는 평균 농도 수준으로 변화되지만, 상기 그러한 변화는 실제 싸이클 주기들이 변화되는 도 3a의 장치와 비교하여 상당히 작다.
물론 3개의 분자체 베드장치로, 베드(11-13)들중 적어도 하나는 항상 제품가스를 생산하도록 정상 단계에서 벗어나게, 즉 흡착 충전단계로 베드들을 동작시키는 것이 요구된다. 바람직하게는 각각의 베드에 있어서 흡착충전단계와 탈착 재생단계로 된 전체의 싸이클 주기에 대하여 흡착 충전단계의 상대적 기간은 일반적으로 1:3(6:18) 미만이 되어서는 아니되며, 여기서 베드들이 N개인 경우에 탈착 재생단계에 대한 흡착 충전단계의 상대적 기간은, 베드들(11-13)중 하나는 항상 제품가스를 생산하도록 1:N 미만이 되어서는 안된다.
도 4a로 부터는, 배출관(18)에서의 실제 산소 농도의 변화가 전술한 가스분리장치에서보다 평균 미만이기 때문에 제품가스에서의 허용가능한 산소 농도 보다 더 높거나 낮게 토출될 위험이 상당히 감소됨을 알 수 있다. 더욱이, 탈착 재생단계의 기간이 고정된 것이 아니기 때문에 전술한 가스분리장치에서 처럼 전체적으로, 적어도 다수의 싸이클에 대하여 측정할 때 실제적인 탈착 재생단계의 전체 기간이 통상의 가스 분리장치에서 보다 짧을 수 있으며, 그 결과 감소된 공급 공기량이 가스 분리장치(10)에 공급될 수 있으므로 장치의 효율이 증대된다.
가스 분리장치(10)를 가변 싸이클 주기로 작동시킴으로써 요구되는 충분히 낮은 수준으로 산소 농도를 감소시킬 수는 없으므로 호흡할 제품가스에서 요구되는 낮은 산소 농도를 얻도록 제품가스를 환기시킬 필요가 있으며, 본 발명의 가스 분리장치에서는 흡착 충전단계와 탈착 재생단계의 전체 싸이클 주기에 대하여 상대적인 흡착 충전단계의 기간을 1:1로 접근되게 조정함으로써 극히 낮은 산소 농도를 얻을 수 있다.
본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명을 변경할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가스 분리장치의 대표적인 예만을 도시하고 있으며, 그에 대하여 많은 변경을 가할 수 있다.
통상적으로, 밸브(21-23과 25-27)들 각각은 솔레노이드 조작 밸브로 되는 것이 바람직하지만, 그대신에 그에 균등한 적당한 것으로 대체될 수도 있다. 밸브(28-30)들은 단순히 기계적으로 제어되는 비귀환밸브로 될 수 있으며, 또한 도면에 표시된 바와같이 제어수단(20)에 의해 제어될 수도 있다. 필요하면, 퍼지밸브(32-34)들도 도면에 도시된 바와같이 단순한 오리피스로 될 수 있지만, 비귀환 밸브 또는 솔레노이드 또는 도 1에 점선으로 표시된 제어수단(20)에 의해 제어되는 다른 밸브로 될 수도 있다. 상기 밸브들은 직선으로 이동가능한 스풀 또는 회전가능한 밸브요소를 구비하는 밸브들로 될 수도 있다. 상기 밸브들은 완전 개방 또는 완전 폐쇄 위치들 사이에서 단순히 전환될 수 있으며, 또는 상기 밸브들의 일부의 개방과 페쇄정도가 공급가스, 제품가스 또는 비제품가스들중 하나가 분자체 베드(11-13)들을 수용하는 하우징에 인입 또는 토출되도록 제어되는 반면 다른 밸브들은 그들중 하나 이상이 개방과 폐쇄 상태 사이에서 가변적인 전환속도로 전환될 수 있으며 완전히 또는 부분적으로 개방될 수 있도록 제어될 수 있다. 이렇게 하여 가스분리장치(10)의 베드(11-13)들중 어떤 것이 흡착 충전단계로 부터 탈착 재생단계로 전환될 때 가스분리장치가 받게 되는 충격이 감소될 수 있다. 이것은 배출라인(18)에서의 산소 농도의 주기적 변화를 감소시키는데 유용하다.
더욱이, 흡착 충전단계와 탈착 재생단계들 사이의 급작스런 전환보다는, 필요하면 베드(11-13)들중 어느 하나 또는 모든 베드들로의 공급가스의 송급과 베드(11-13)로부터의 제품가스 및 베드(11-13)로 부터의 비제품 가스중 적어도 2개가 동시에 일어나는 흡착 충전단계와 탈착 재생단계들중 적어도 일부분들 사이에 중첩단계, 또는 가스공급이 전혀 없거나 최소의 공급가스의 공급 또는 비제품가스가 분자체 베드(11-13)를 포함하는 특정 하우징으로 인입 또는 배출되는 흡착 충전단계 또는 탈착 재생단계들중 적어도 일부분 사이에 정지단계가 있도록 작동될 수 있다.
상기 분자체 베드(11-13)들은 가장 유용하고 효과적인 것으로 알려진 활성 분자체 베드 재료를 수용하는 장방형의 원통구조 또는 다른 형태의 하우징을 포함할 수 있다. 정상단계에서 벗어나게 동작되는 3개의 활성 분자체 베드(11-13)들을 구비한 가스 분리장치(10)가 설명되었지만, 일부의 베드들은 필요하면 정상 단계로 작동될 수 있는 다수의 분자체 베드들을 갖는 가스 분리장치가 제공될 수 있다.
본 발명은 항공기에서의 호흡을 위하여 산소가 풍부한 제품가스를 생산하는 장치에 대하여 설명되었지만, 그러한 가스 분리장치(10)는 필요하면 다른 가스를 분리하는데 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 가스 분리장치는 각 싸이클의 탈착 재생단계 기간에 대한 흡착 충전단계의 기간을 조정함으로써 분자체 베드(또는 베드들)의 각 싸이클에서 제품가스에서 요구되는 성분에 대한 제어가 향상되고, 제품가스에서 요구되는 성분의 농도가 요구되는 수준에서 벗어나는 것이 크게 감소되어 요구되는 성분의 허용가능한 농도 보다 낮거나 높게 제품가스를 생산할 위험이 크게 감소되며, 제품가스에서의 요구되는 성분의 농도가 낮은 경우에 특히, 탈착 재생단계의 기간이 감소될 수 있으며, 이것은 장치로 송급될 필요가 있는 공급가스의 전체 량이 감소될 수 있어서 결과적으로 효율이 더 높아지는 효과가 있다.
Claims (13)
- 싸이클의 흡착 충전단계 동안에 공급가스의 비제품 가스를 흡착하고 싸이클의 탈착 재생단계에서는 앞에서 흡착된 비제품 가스를 탈착시키는 적어도 하나의 분자체 베드와, 탈착 재생단계 동안에 비제품 가스를 배출하는 배출수단과 흡착 충전단계 동안에 제품 가스를 토출하는 배출수단, 제품 가스의 성분농도에 응답하는 센서수단 및 흡착 충전단계와 탈착 재생단계 사이에서 상기 분자체 베드의 동작을 전환하는 제어수단을 포함하는, 공급 가스로부터 제품가스를 분리하는 분자체형 가스 분리장치에 있어서, 상기 제어수단은 각 싸이클의 탈착 재생단계 기간에 대한 흡착 충전단계의 기간을 조정하며, 상기 전체 사이클 주기는 동작 기간중에 대체로 일정하게 유지되는 것을 특징으로 하는 분자체형 가스 분리장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 분리장치는 복수의 분자체 베드들을 포함하며, 상기 베드들중 적어도 하나는 사용시 항상 흡착 충전단계로 동작하도록, 상기 제어수단이 상기 분리장치를 작동시키는 것을 특징으로 하는 분자체형 가스 분리장치.
- 제 2 항에 있어서, 같은 싸이클 주기들속에 흡착 충전단계와 탈착 재생단계들 사이에서 전환되는 N개의 분자체 베드들이 있으며, 각각의 베드에서 전체 싸이클 주기에 대하여 흡착 충전단계 기간의 비율이 항상 1:N보다 크도록 가스 분리장치가 작동되는 것을 특징으로 하는 분자체형 가스 분리장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 각각의 베드는 밸브들의 작동에 의해 흡착 충전단계와 탈착 재생단계들 사이에서 제어수단에 의해 전환되는 것을 특징으로 하는 분자체형 가스 분리장치.
- 제 4 항에 있어서, 상기 장치가 상기 각각의 분자체 베드를 수용하는 하우징을 포함하고, 상기 밸브들 중의 적어도 하나는 능동밸브이며, 그에 따라,공급가스 또는 제품가스 또는 비제품 가스가 하우징속으로 유입되거나 하우징으로부터 배출되는 것을 허용하는 상기 능동밸브의 개폐의 정도가 조절가능하거나또는, 상기 능동밸브가 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 전환되는 속도가 가변적이거나또는, 공급가스 또는 제품가스 또는 비제품 가스가 하우징속으로 유입되거나 하우징으로부터 배출되는 것을 허용하는 상기 능동밸브의 개폐의 정도가 조절가능하고, 또한, 상기 능동밸브가 개방 상태와 폐쇄 상태 사이에서 전환되는 속도가 가변적인 것을 특징으로 하는 분자체형 가스 분리장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 분리장치는 분자체 베드를 수용하는 하우징을 포함하며, 베드의 다음 흡착 충전단계전에 베드의 탈착 재생단계의 말기에 제품가스가 가스 분리장치에 도입되어 하우징으로부터 잔류하는 비제품 가스를 퍼징시키도록 된 것을 특징으로 하는 분자체형 가스 분리장치.
- 제 1 항에 있어서, 분자체 베드를 수용하는 하우징을 포함하며, 흡착 충전단계와 탈착 재생단계들의 적어도 일부단계들 사이에는 공급가스 또는 제품가스 또는 비제품가스가 하우징 속으로의 인입 또는 배출이 없거나 최소로 허용되는 정지단계가 있는 것을 특징으로 하는 분자체형 가스 분리장치.
- 제 1 항에 있어서, 분자체 베드를 수용하는 하우징을 포함하며, 흡착 충전단계와 탈착 재생단계들의 적어도 일부단계들 사이에는 하우징으로의 공급가스, 하우징으로 부터의 제품가스 및 하우징으로 부터의 비제품가스의 적어도 2가지 송급이 동시에 발생되는 중첩단계가 있는 것을 특징으로 하는 분자체형 가스 분리장치.
- 제 1 항에 있어서, 제품가스의 요구되는 성분은 산소이며, 각각의 베드는 제품가스가 호흡용으로 사용될 수 있도록 질소 가스를 흡착할 수 있는 분자체 베드 재료인 것을 특징으로 하는 분자체형 가스 분리장치.
- 제 9 항에 있어서, 가스 분리장치는 항공기에 제공되며, 제품가스는 항공기 탑승자에 의해 호흡되는 것을 특징으로 하는 분자체형 가스 분리장치.
- 제 10 항에 있어서, 상기 제어수단은 고도에 따라 가변적인 제품가스에서의 목표 산소 농도에 근접한 제품가스에서의 산소 농도를 얻도록 가스 분리장치를 동작시키는 것을 특징으로 하는 분자체형 가스 분리장치.
- 제 1 항, 제 2 항 내지 11 항들중 어느 한 항에 따른 가스 분리장치를 구비하는 항공기.
- 제품가스의 성분농도를 감지하는 단계, 미리 설정된 한계치로 제품가스의 성분농도를 얻도록 분자체 베드에 대한 각 싸이클에서의 탈착 재생단계 기간에 대한 흡착 충전단계의 기간을 조정하는 단계를 포함하는 제 1 항, 제 2 항 내지 11 항들중 어느 한 항에 따른 가스 분리장치를 작동시키는 방법.
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