KR100503284B1 - 산소발생장치, 및 이를 통한 산소발생방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 유입공기로부터 질소를 제거하고 산소를 부화하여 공급하기 위한 것으로, 케이스 내부에 제1,2 흡착칼럼과, 상기 제1,2 흡착칼럼으로부터 이격된 일측에 상기 각 흡착칼럼에 대응하는 제1,2 드라이칼럼을 배치하여 하나의 케이스 내에 흡착칼럼과 드라이칼럼을 모두 내장시킨 산소발생장치와, 이를 이용하여 산소를 발생시키는 방법을 제공한다. 이와 같은 산소발생장치는 하나의 케이스 내에 흡착칼럼과 드라이칼럼을 모두 내장되는 구조로 제공됨으로써 시스템의 소형화는 물론, 그로 인한 공간적인 효율성 형상 및 비용절감에 큰 효과를 제공하게 된다. 또한, 본 발명의 산소발생장치는 흡착칼럼과 드라이칼럼을 포함하는 복수개 라인을 각각 직렬로 연결하고 이들 간에 일정량의 산소를 순환시켜 드라이칼럼 내의 이물질과 흡착제로부터 탈리된 흡착물을 단계적으로 배출시킨 후, 흡착칼럼 내부에 미리 일정한 산소분위기를 유지시킨 상태에서 외부공기를 유입하여 더욱 순도가 높은 초고순도의 산소 부화 및 공급이 가능하게 된다.

Description

산소발생장치, 및 이를 통한 산소발생방법{OXYGEN GENERATOR, AND METHOD FOR GENERATING OXYGEN USING THE SAME}

본 발명은 공기중의 산소를 부화하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 외부 유입공기로부터 질소를 제거하고 산소를 부화하여 공급하게 되는 산소발생장치, 및 이를 통한 산소발생방법에 관한 것이다.

일반적인 기체 분리법으로는 크게 화학반응법과, 전기분해법, 및 물리적 분리법 등이 이용되고 있으며, 물리적 분리법에는 기체의 물질에 대한 극성의 차이와 기체분자 크기의 상이성을 이용하여 기체를 분리하는 막분리 방식과, 결정성 고체 화합물의 흡탈착 원리를 이용하여 기체를 분리하는 압력진동흡착(Pressure swing Adsorption; 이하 'PSA방식'이라 함) 기술이 있다.

일반적으로 고순도의 산소는 의료분야는 물론, 일반 산업분야에서 화학공정 등에 많이 이용된다. 공기를 분리하여 산소를 생산하는 방법에도 상기와 같은 다양한 기술이 알려져 있으나, 비교적 적은 양의 산소를 생산하는 데는 저온 공기분리 플랜트를 이용하는 것보다 PSA방식을 이용하는 것이 경제성이 훨씬 높은 장점이 있다.

기체분리를 위한 통상의 PSA 공정에서는, 공급공기를 높은 흡착압력으로 통과시켜 흡착베드가 보다 쉽게 흡착할 수 있는 성분으로서 질소나 산소를 선택적으로 흡착하도록 되어 있다. 그 후에 흡착베드를 낮은 탈착압력으로 감압하여 상기의 보다 쉽게 흡착할 수 있는 성분, 즉 질소 또는 산소를 상기 흡착베드로부터 탈착시켜 제거하고 공기를 다시 공급하여 흡착베드 내에서 상기 흡착 및 탈착과정이 반복적으로 이루어지도록 하게 된다.

99.5%의 순도를 가지는 산소를 생산하기 위한 일 예로, PSA 공정에서는 빠른 순환공정에서 속도에 선택성이 있는 탄소분자체(Carbon Molecule Shieves; CMS)를 흡착제로 사용한다. 탄소분자체(CMS)는 보다 쉽게 흡착할 수 있는 성분으로서 질소를 선택적으로 흡착하여 산소를 생산하게 된다.

그러나, 종래에는 산소 생성을 위해 외부 유입공기로부터 산소를 분리하기 전 흡입공기 속에 포함된 수분을 제거하기 위한 건조기가 별도로 분리 설치되므로 전체적인 설치공간을 크게 차지하여 공간적인 면과 비용적인 면에서 효율성이 떨어지는 문제점이 있었다. 또한, 종래에는 흡착베드에 공급공기를 통과시키면서 그로부터 산소를 부화하여 이를 전량 공급하고 다시 외부공기를 공급받아 산소를 부화하는 구조로 이루어져 있어 탄소분자체(CMS)를 흡착제로 사용하더라도 상기에서 언급한 수준보다 더 높은 고순도의 산소를 공급하는 것은 사실상 불가능하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 하나의 케이스 내에 흡착칼럼과 드라이칼럼을 모두 내장시킨 산소발생장치를 제공하여 시스템의 소형화와, 그로 인한 공간적인 효율성 형상 및 비용절감 효과를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 공급공기로부터 산소를 부화하고 이 부화된 산소의 일정량을 시스템 내에 순환시켜 다시 유입되는 외부공기와 혼합된 상태로 공급되도록 함으로써 공급공기 내 산소 함유량을 보다 높여 초고순도의 산소 부화가 가능하도록 한 산소발생장치, 및 이를 통한 산소발생방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 외부 유입공기로부터 질소를 흡착 제거하고 산소를 부화하는 흡착제를 내재한 제1 및 제2 흡착칼럼을 포함하는 복수의 흡착칼럼과, 상기 각 흡착칼럼으로부터 이격된 일측에 각 흡착칼럼에 대응하여 상기 유입공기를 드라잉하는 제1 및 제2 드라이칼럼을 포함하는 복수의 드라이칼럼을 구비하고, 상기 각 흡착칼럼과 드라이칼럼이 상호 직렬로 연결되어 하나의 케이스 내부에 배치되며, 상기 제1,2 드라이칼럼의 각각의 입구측을 개폐하며 유입 공기의 유동방향을 선택적으로 제어하는 삼방밸브, 및 상기 제1,2 흡착칼럼의 각각의 출구측을 개폐하며 상기 제1,2 흡착칼럼에서 생성된 산소를 선택적으로 유출하도록 하는 삼방밸브를 더 포함하는 산소발생장치를 제공한다.

본 발명의 산소발생장치는, 케이스의 일면을 통해 제1,2 드라이칼럼의 일측으로 분기하여 인입되는 흡기도관, 제1,2 드라이칼럼의 일측으로 흡기도관의 단부에서 분기된 배출관, 제1,2 드라이칼럼과 제1,2 흡착칼럼을 각각 연결하는 연결도관, 제1,2 흡착칼럼으로부터 각각 인출된 가지도관, 각 가지도관이 서로 만나 케이스 외부로 연장된 급기도관, 가지도관 사이를 연결하는 제1 간선파이프, 각 연결도관을 사이를 연결하는 제2 간선파이프, 상기 각종 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함하여 구성된다.

본 발명의 산소발생장치는, 상기 배출관을 개폐하여 제1,2 드라이칼럼으로부터 배출물들의 유출을 제어하는 솔레노이드밸브, 제1,2 간선파이프의 각 단을 개폐하는 솔레노이드밸브, 상기 각 연결도관에 제1,2 흡착칼럼 측으로 개방된 첵크밸브, 상기 각 연결도관에 상기 첵크밸브를 기준으로 제1,2 흡착칼럼 측에서 분기하여 제2 간선파이프로 연결되는 피드백 도관, 피드백 도관을 개폐하여 제1 또는 제2 흡착칼럼에서 이의 각 상대측 드라이칼럼으로 산소의 순환을 제어하는 솔레노이드밸브를 더 포함한다.

본 발명의 산소발생장치를 이용하여 산소를 발생시키는 방법은, 흡기도관을 통해 케이스 내부로 외부공기가 유입되는 단계, 케이스 내부로 유입된 외부공기를 필터링하여 그로부터 불순물을 제거하는 단계, 상기 정화된 유입공기가 흡기측의 삼방밸브에 의해 제1 드라이칼럼의 내부로 유입되는 단계, 제1 드라이칼럼이 상기 유입공기를 건조시키는 단계, 상기 건조된 유입공기가 제1 연결도관을 통해 상기 제1 드라이칼럼에 대응하여 위치되는 제1 흡착칼럼 내부로 유입되는 단계, 제1 흡착칼럼이 상기 유입된 건조공기로부터 질소를 흡착하여 산소를 부화하는 단계, 제1 흡착칼럼으로부터 유출된 산소를 필터링하여 그로부터 불순물을 제거하는 단계, 제1 흡착칼럼으로부터 연장된 급기도관을 통해 상기 정화된 산소를 케이스 외부로 토출시키는 단계, 제1 흡착칼럼으로부터 유출된 산소 중 일부를 상기 제1 흡착칼럼과 이의 상대측인 제2 흡착칼럼을 연결하는 파이프를 통해 상기 제2 흡착칼럼 내부로 유입시키는 단계, 상기 유입된 산소가 제2 흡착칼럼의 내부를 통과하면서 내재된 흡착제의 표면을 세정하여 소정의 흡착물을 제거하는 단계, 상기 제2 흡착칼럼에 대응하여 위치되는 제2 드라이칼럼 내부의 이물질이 배출관을 통해 배출된 후 상기 제2 흡착칼럼 내 흡착제의 표면으로부터 탈리된 흡착물이 이의 세척에 사용된 산소와 함께 상기 제2 드라이칼럼의 내부로 유입되어 배출관을 통해 배출되는 퍼지 단계, 상기 제2 드라이칼럼을 통한 산소와 흡착물의 배출 후 상기 제2 흡착칼럼과 제2 드라이칼럼을 연결하는 제2 연결도관 및 상기 제2 드라이칼럼의 배출측이 폐쇄되고 상기 제1,2 연결도관을 상호 연결하는 제2 간선파이프가 개방되어 상기 제2 드라이칼럼으로부터 유동된 잔여 산소에 의해 제1 드라이칼럼 내부의 이물질이 배출되고 이어서 상기 제2 흡착칼럼으로부터 역류되는 산소가 제1 흡착칼럼을 세정하여 상기 제1 흡착칼럼 내 흡착제로부터 탈리된 흡착물과 함께 제1 드라이칼럼을 통해 배출되는 릴레이 단계로 이루어진 정방향 사이클과; 상기 흡기도관을 통해 케이스 내부로 외부공기가 유입되는 단계, 케이스 내부로 유입된 외부공기를 필터링하여 그로부터 불순물을 제거하는 단계, 상기 정화된 유입공기가 흡기측의 삼방밸브에 의해 제2 드라이칼럼의 내부로 유입되는 단계, 제2 드라이칼럼이 상기 유입공기를 건조시키는 단계, 상기 건조된 유입공기가 제2 연결도관을 통해 상기 제2 드라이칼럼에 대응하여 위치되는 제2 흡착칼럼 내부에 유입되는 단계, 제2 흡착칼럼이 상기 유입된 건조공기로부터 질소를 흡착하여 산소를 부화하는 단계, 제2 흡착칼럼으로부터 유출된 산소를 필터링하여 그로부터 불순물을 제거하는 단계, 제2 흡착칼럼으로부터 연장된 급기도관을 통해 상기 정화된 산소를 케이스 외부로 토출시키는 단계, 제2 흡착칼럼으로부터 유출된 산소 중 일부를 상기 제1 흡착칼럼과 제2 흡착칼럼을 연결하는 파이프를 통해 상기 제1 흡착칼럼 내부로 유입시키는 단계, 상기 유입된 산소가 제1 흡착칼럼의 내부를 통과하면서 내재된 흡착제의 표면을 세척하여 소정의 흡착물을 제거하는 단계, 상기 제1 흡착칼럼에 대응하여 위치되는 제1 드라이칼럼 내부의 이물질이 배출관을 통해 배출된 후 상기 제1 흡착칼럼 내 흡착제의 표면으로부터 탈리된 흡착물이 이의 세척에 사용된 산소와 함께 제1 드라이칼럼의 내부에 유입되어 배출관을 통해 배출되는 퍼지 단계, 상기 제1 드라이칼럼을 통한 산소와 흡착물의 배출 후 상기 제1 흡착칼럼과 제1 드라이칼럼을 연결하는 제1 연결도관 및 상기 제1 드라이칼럼의 배출측이 폐쇄되고 상기 제1,2 연결도관을 상호 연결하는 제2 간선파이프가 개방되어 상기 제1 드라이칼럼으로부터 유동된 잔여 산소에 의해 제2 드라이칼럼 내부의 이물질이 배출되고 이어서 상기 제1 흡착칼럼으로부터 역류되는 산소가 제2 흡착칼럼을 세정하여 상기 제2 흡착칼럼 내 흡착제로부터 탈리된 흡착물과 함께 제2 드라이칼럼을 통해 배출되는 릴레이 단계로 이루어진 역방향 사이클;을 연속적으로 반복하여 수행된다.

이하, 첨부된 예시도면을 참조하여 본 발명에 따른 산소발생장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

첨부도면 도 1은 본 발명에 따른 산소발생장치의 구성을 도시한 정면도이고, 도 2는 도 1에 따른 산소발생장치의 좌측면도이며, 도 3은 도 1에 따른 산소발생장치의 우측면도이고, 도 4는 도 1에 따른 산소발생장치의 평면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 산소발생장치는 케이스(101) 내부에 복수의 흡착칼럼(111)(112)을 나란하게 배열하고, 각 흡착칼럼(111)(112)으로부터 이격된 일측에 상기 흡착칼럼(111)(112)에 대응되게 드라이칼럼(121)(122)을 배치하여 하나의 케이스(101) 내에 복수의 흡착칼럼(111)(112)과 드라이칼럼(121)(122)을 모두 내장시킨 구조를 제공한다.

본 발명에서 흡착칼럼(111)(112)과 드라이칼럼(121)(122)의 수량은 제한이 없으며, 이하 설명되는 일 실시예에서는 그 수량을 각각 2개씩 배치하여 설명하기로 한다.

제1 흡착칼럼(111)과 제2 흡착칼럼(112)은 흡착제로서 각각 탄소분자체(CMS)가 내재되어 있으며, 이는 외부로부터 유입된 공급공기에서 질소를 흡착하고 산소를 부화하게 된다. 본 발명에서 제1,2 흡착칼럼(111)(112)에 내재되는 흡착제는 상기 탄소분자체(CMS) 이외에도 활성탄(Activated carbon)이나 알루미나(Alumina), 또는 제오라이트(Zeolite) 등을 이용할 수 있다. 또한, 제1,2 드라이칼럼(121)(122)은 건조제로서 실리카겔(Silica gel)이나 활성탄(Activated carbon), 또는 알루미나(Alumina) 등이 선택적으로 내재되며, 이는 외부로부터 유입된 공급공기에서 수분을 흡수하여 드라잉된 공기로 제공하게 된다.

본 발명의 산소발생장치에서 제1,2 흡착칼럼(111)(112)의 사이에는 케이스(101)의 일면을 통해 인입된 도관(102; 이하 '흡기도관'이라 함)이 하강 연장한 후, 양방향으로 분기하여 제1,2 드라이칼럼(121)(122)의 하단으로 각각 인입된다. 상기 흡기도관(102)에는 외부 유입공기 속에 포함된 먼지 등의 불순물을 제거하기 위한 에어필터(131)가 구비되고, 제1,2 드라이칼럼(121)(122)으로 인입되는 각 분기단(102a)(102b)에서 배출관(103a)(103b)이 각각 분기되어 이 배출관(103a)(103b)의 끝단에 상기 제1,2 드라이칼럼(121)(122)에서 건조 후 발생된 물질들을 여과하여 배출시키는 배기필터(132)(133)가 구비되며, 상기 제1,2 분기단(102a)(102b)의 입구측에는 이들 분기단(102a)(102b)에서 배기필터(132)(133)로 운반되는 배출물질들의 흐름을 제어하기 위한 개폐용 솔레노이드밸브(141)(142)가 구비된다.

드라잉(drying) 후 건조된 공기가 토출되는 제1,2 드라이칼럼(121)(122)의 상단에는 각각 도관(104a,104b; 이하 '제1,2 연결도관'이라 함)이 인출되어 서로 대응하는 제1,2 흡착칼럼(111)(112)의 상단으로 각각 인입되고, 제1,2 흡착칼럼(111)(112)의 하단에 다시 도관(105a,105b; 이하 '가지도관'이라 함)이 인출된 후 이들 가지도관(105a,105b)이 만나 하나의 도관(105; 이하 '급기도관'이라 함)으로 되어 케이스(101) 외부로 연장된다. 급기도관(105)에는 제1,2 흡착칼럼(111)(112)에서 생성된 산소를 케이스(101) 외부로 토출하기 전 한번 더 여과시키기 위한 에어필터(134)가 구비된다. 또한, 가지도관(105a)(105b)은 이들 사이에 서로 대응하는 제1 또는 제2 흡착칼럼(111)(112)으로의 산소의 순환을 유도하기 위한 제1 간선파이프(106)로 연결된다. 제1 간선파이프(106)의 각 단에는 산소의 흐름을 제어하는 개폐용 솔레노이드밸브(143)(144)가 구비되고, 이들 솔레노이드밸브(143)(144)의 외측으로 상기 제1 간선파이프(106)의 양단에 우회파이프(107)가 연결되어 이 우회파이프(107)에 산소의 통과유량을 조절하기 위한 개폐밸브(107a)가 구비된다.

한편, 제1,2 연결도관(104a)(104b)에는 제1,2 흡착칼럼(111)(112) 측으로 개방된 첵크밸브(151)(152)가 각각 구비되고, 각 첵크밸브(151)(152)를 중심으로 제1,2 드라이칼럼(121)(122) 측에 상기 제1,2 연결도관(104a)(104b)을 서로 연결하는 제2 간선파이프(108)가 구비된다. 제2 간선파이프(108)에는 상기 제1,2 드라이칼럼(121)(122) 간에 산소의 흐름을 제어하는 개폐용 솔레노이드밸브(145)(146)가 구비된다. 또한, 제1,2 연결도관(104a)(104b)에는 상기 첵크밸브(151)(152)를 중심으로 제1,2 흡착칼럼(111)(112) 측에서 분기하여 상기 제2 간선파이프(108)에 연결되는 도관(108a,108b; 이하 '피드백 도관'이라 함)이 형성되며, 이 피드백 도관(108a,108b)에는 상기 제1 또는 제2 흡착칼럼(111)(112)으로부터 제1,2 연결도관(104a)(104b)을 통해 이의 각 상대측 드라이칼럼(121)(122)으로 산소의 순환을 제어하는 개폐용 솔레노이드밸브(147)(148)가 구비된다.

상기 도면의 미설명된 부호 '102c' 및 '105c'는 각각 "삼방밸브"를 도시한 것으로서, 삼방밸브(102c)는 제1,2 드라이칼럼(121)(122)에 인입되는 흡기도관(102)의 분기측을 개폐하여 외부 유입공기의 유동방향을 선택적으로 제어하게 되며, 삼방밸브(105c)는 가지도관(105a)(105b)의 제1 및 제2 흡착칼럼(111)(112) 측을 선택적으로 개폐하여 급기도관(105)과 연통시키게 된다. 또한, 미설명 부호 '105d'는 '토출밸브', 부호 '150'은 "제어부"를 각각 도시한 것으로, 제어부(150)는 상술된 각종 밸브의 개폐를 자동으로 제어한다.

다음에서는 상기의 구성을 갖는 본 발명의 작동관계에 대해 설명한다.

첨부도면 도 5는 도 1에 따른 산소발생장치의 회로 구성도이고, 도 6은 도 5에 따른 산소발생장치의 작동을 도시한 블럭도로서, 도 6a는 정방향 사이클에 대한 블럭도이고, 도 6b는 역방향 사이클에 대한 블럭도이다.

본 발명에 따른 산소발생장치의 작동은 정방향 사이클과 역방향 사이클이 연속적으로 이루어지면서 공급공기로부터 산소를 부화하게 된다.

먼저 정방향 작동사이클을 살펴보면, 흡기도관(102)을 통해 케이스(101) 내부로 외부공기가 유입되는데(S1-1), 이 과정에서 유입공기는 에어필터(131)를 통과하면서 필터링되어 먼지와 같은 불순물이 제거된다(S1-2). 에어필터(131)에 의해 정화된 유입공기는 흡기측에 위치되는 삼방밸브(102c)가 제1 분기단(102a) 측을 개방함으로 인해 제1 드라이칼럼(121) 측으로 유동(S1-3)하여 상기 제1 드라이칼럼(121) 내에서 수분이 제거된 건조한 공기로 드라잉된다(S1-4). 제1 드라이칼럼(121)에서 드라잉된 공기는 제1 연결도관(104a)을 통해 상기 제1 드라이칼럼(121)과 대응하여 위치되는 제1 흡착칼럼(111)의 내부로 유입된다(S1-5). 제1 흡착칼럼(111)은 이에 내재된 흡착제가 상기 유입된 건조공기로부터 질소를 흡착하고 산소를 부화하게 된다(S1-6). 부화된 산소는 제1 흡착칼럼(111)으로부터 가지도관(105a)을 따라 유출되는데, 이때 삼방밸브(105c)가 상기 가지도관(105a) 측을 개방하여 급기도관(105)과 가지도관(105a)은 서로 연통하게 된다. 가지도관(105a)을 통해 유출된 산소는 급기도관(105)을 따라 유동하면서 토출밸브(105d)를 통해 케이스(101) 외부로 토출된다(S1-8). 상기 토출밸브(105d)를 통해 외부로 토출되는 산소는 토출 전 급기도관(105) 상에 구비되는 에어필터(134)에 의해 다시 필터링되어 불순물이 완전히 제거(S1-7)된 상태로 토출된다. 한편, 상기 제1 흡착칼럼(111)으로부터 산소가 유출되는 과정에서 일부의 산소는 상기 제1 흡착칼럼(111)의 다른 일측에 인출된 우회파이프(107)를 통해 제2 흡착칼럼(112)의 내부로 유입된다(S1-9). 이때, 상기 우회파이프(107)의 일측에 제1 흡착칼럼(111)과 제2 흡착칼럼(112)을 연결하는 제1 간선파이프(106)에는 이에 구비된 솔레노이드밸브(143)(144)가 폐쇄된 상태로 유지되며, 따라서 상기 우회파이프(107)를 통해 제2 흡착칼럼(112)으로 운반되는 산소의 양은 개폐밸브(107a)의 개폐정도에 따른다. 이와 같이 제2 흡착칼럼(112)에 유입된 산소는 이를 통과하면서 상기 제2 흡착칼럼(112)에 내재된 흡착제(미도시)의 표면을 세정하여 이에 부착된 소정의 흡착물(미도시)을 제거하게 된다(S1-10). 이때, 제2 드라이칼럼(122) 내부에 잔류된 이물질은 솔레노이드밸브(142)의 개방에 의해 배출관(103b)을 통해서 배출되고, 이어서 상기 흡착제 표면으로부터 제거된 흡착물이 이의 세정에 사용된 산소와 함께 제2 흡착칼럼(112)으로부터 솔레노이드밸브(148)의 개방에 의해 피드백 도관(108b)을 통해 제2 드라이칼럼(122) 내부로 유입된 후 상기 배출관(103b)을 따라 배출되는 퍼지 단계가 이루어진다(S1-11). 제2 드라이칼럼(122)으로부터 이물질과 흡착물의 순차적인 배출이 이루어진 후, 상기 솔레노이드밸브(142)(148)가 폐쇄되고 제1 간선파이프(106)에 구비된 솔레노이드밸브(143,144)는 개방되어 상기 제1 간선파이프(106)을 통한 보다 많은 양의 산소가 제2 흡착칼럼(112) 내부로 유입되어 상기 제2 흡착칼럼(112) 내부 압력은 상승된다. 이와 동시에, 상기 제1,2 연결도관(104a)(104b)을 연결하는 제2 간선파이프(108)에 구비된 솔레노이드밸브(145,146)가 개방되면서 잔여 산소가 이를 통해 제1 드라이칼럼(121) 내부로 유입되는데, 이때 다시 솔레노이드밸브(141)가 개방되면서 제1 드라이칼럼(121) 내부의 이물질이 배출관(103a)을 통해 배출되고, 이어서 제1 흡착칼럼(111)과 제1 드라이칼럼(121) 사이의 피드백 도관(108a)에 구비된 솔레노이드밸브(147)가 개방되면서 상기 제2 흡착칼럼(112)으로부터 역류된 산소가스가 제1 흡착칼럼(111) 내부의 흡착제를 세정하여 제1 드라이칼럼(121)과 배출관(103a)을 통해 상기 흡착제로부터 탈리된 흡착물을 배출하는 릴레이 단계가 이루어진다(S1-12).

상기와 같은 정방향 사이클이 완료되면 연속하여 역방향 사이클이 이루어지게 된다. 역방향 사이클이 작동될 시, 상기 다수의 솔레노이드밸브(141)(143)(144)(145)(146)(147)는 폐쇄된 상태로 유지된다.

역방향 사이클의 작동을 살펴보면, 흡기도관(102)을 통해 케이스(101) 내부로 유입(S2-1)된 외부공기는 에어필터(131)에 의해 필터링되면서 불순물이 제거된 상태로 공급된다(S2-2). 이 불순물이 제거된 유입공기는 흡기측의 삼방밸브(102c)가 제1 분기단(102a) 측을 폐쇄하고 제2 분기단(102b) 측을 개방함으로 인해 제2 드라이칼럼(122) 측으로 유동(S2-3)하여 상기 제2 드라이칼럼(122) 내에서 수분이 제거된 건조한 공기로 드라잉된다(S2-4). 제2 드라이칼럼(122)에서 드라잉된 공기는 제2 연결도관(104b)을 통해 제2 흡착칼럼(112)의 내부로 유입된다(S2-5). 제2 흡착칼럼(112)은 이에 내재된 흡착제가 상기 유입된 건조공기로부터 질소를 흡착하고 산소를 부화하게 된다(S2-6). 부화된 산소는 제2 흡착칼럼(112)으로부터 가지도관(105b)을 따라 유출되는데, 이때 삼방밸브(105c)가 상기 가지도관(105b) 측을 개방하여 급기도관(105)과 가지도관(105b)은 서로 연통하게 된다. 가지도관(105b)을 통해 유출된 산소는 급기도관(105)을 따라 유동하면서 토출밸브(105d)를 통해 케이스(101) 외부로 토출된다(S2-8). 상기 토출밸브(105d)를 통해 외부로 토출되는 산소는 그 토출 전 급기도관(105) 상에 구비된 에어필터(134)에 의해 다시 필터링되어 불순물이 완전히 제거(S2-7)된 상태로 토출된다. 한편, 상기 제2 흡착칼럼(112)으로부터 산소가 유출되는 과정에서 일부의 산소는 우회파이프(107)를 통해 제1 흡착칼럼(111)의 내부로 유입된다(S2-9). 이때, 제1 간선파이프(106)에 구비된 솔레노이드밸브(143)(144)는 폐쇄된 상태로 유지되고, 상기 우회파이프(107)를 통해 제1 흡착칼럼(111)으로 운반되는 산소의 양은 개폐밸브(107a)의 개폐정도에 따른다. 이와 같이 제1 흡착칼럼(111)에 유입된 산소는 이를 통과하면서 상기 제1 흡착칼럼(111)에 내재된 흡착제(미도시)의 표면을 세정하여 이에 부착된 소정의 흡착물(미도시)을 제거하게 된다(S2-10). 이때, 제1 드라이칼럼(121) 내부에 잔류된 이물질은 솔레노이드밸브(141)의 개방에 의해 배출관(103a)을 통해서 배출되고, 이어서 상기 흡착제 표면으로부터 제거된 흡착물이 이의 세정에 사용된 산소와 함께 제1 흡착칼럼(111)으로부터 솔레노이드밸브(147)의 개방에 의해 피드백 도관(108a)을 통해 제1 드라이칼럼(121) 내부로 유입된 후 상기 배출관(103a)을 따라 배출되는 퍼지 단계가 이루어진다(S2-11). 제1 드라이칼럼(121)으로부터 이물질과 흡착물의 순차적인 배출이 이루어진 후, 상기 솔레노이드밸브(141)(147)가 폐쇄되고 제1 간선파이프(106)에 구비된 솔레노이드밸브(143,144)는 개방되어 상기 제1 간선파이프(106)을 통한 보다 많은 양의 산소가 제1 흡착칼럼(111) 내부로 유입되어 상기 제1 흡착칼럼(111) 내부 압력은 상승된다. 이와 동시에, 상기 제1,2 연결도관(104a)(104b)을 연결하는 제2 간선파이프(108)에 구비된 솔레노이드밸브(145,146)가 개방되면서 잔여 산소가 이를 통해 제2 드라이칼럼(122) 내부로 유입되고, 다시 솔레노이드밸브(142)가 개방되면서 제2 드라이칼럼(122) 내부의 이물질이 배출관(103b)을 통해 배출되고, 이어서 제2 흡착칼럼(112)과 제2 드라이칼럼(122) 사이의 피드백 도관(108b)에 구비된 솔레노이드밸브(148)가 개방되면서 상기 제1 흡착칼럼(111)으로부터 역류된 산소가스가 제2 흡착칼럼(112) 내부의 흡착제를 세정하여 제2 드라이칼럼(122)과 배출관(103b)을 통해 상기 흡착제로부터 탈리된 흡착물을 배출하게 되는 릴레이 단계가 이루어진다(S2-12).

첨부도면 도 7은 본 발명에 따른 산소발생장치의 다른 일 실시예를 도시한 좌측면도이고, 도 8은 도 7에 따른 산소발생장치의 회로 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 산소발생장치는 제1,2 흡착칼럼과 제1,2 드라이칼럼 사이를 각각 연결하는 제1,2 연결도관에 산소 부화를 위한 멤브레인필터를 더 설치한 구조를 제공한다. 상기 멤브레인필터의 내부에는 소정의 흡착제를 내장하여 제1,2 드라이칼럼에서 제1,2 흡착칼럼으로 유입되기 전 건조된 공기로부터 일정량의 질소를 흡착, 제거함으로써 산소분위기가 높은 공기를 상기 제1,2 흡착칼럼에 제공하여 보다 더 순도가 높은 산소를 부화할 수 있게 되는 것이다.

한편, 본 발명의 산소발생장치에서 상기 정방향 사이클과 역방향 사이클은 상호 연동하여 반복적으로 수행된다. 또한, 상기에서 흡착칼럼과 드라이칼럼은 각각 2개씩 직렬로 연결된 구성으로 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정하지 않고 각각 3개 이상의 흡착칼럼과 드라이칼럼을 구비하는 구성으로 변형하여 실시할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자들에게는 자명하게 파악되는 사항일 것이다. 아울러, 상기 산소발생장치에서 제1,2 드라이칼럼에 의한 드라잉시간은 각각 2분 정도, 퍼지단계에서의 소요시간은 각각 20초 정도, 그리고 릴레이단계에서의 소요시간은 각각 3초 정도로 설정하여 제어부에 의해 제어되도록 함이 바람직하다. 상술한 바로부터 볼 때, 본 발명의 산소발생장치에서 정방향 사이클과 역방향 사이클의 동작시간은 각각 2분을 초과하여 작동하게 되는 것을 알 수 있다. 그러나, 이는 제어부의 시간 설정에 따라 좌우되는 바, 반드시 상기 설정시간에 한정하지는 않는다.

이상에서 설명된 바와 같이, 본 발명은 하나의 케이스 내에 흡착칼럼과 드라이칼럼을 모두 내장시킨 산소발생장치를 제공함으로써 시스템의 소형화는 물론, 그로 인한 공간적인 효율성 형상 및 비용절감에 큰 효과를 제공하게 된다.

또한, 본 발명의 산소발생장치는 흡착칼럼과 드라이칼럼을 포함하는 복수개 라인을 각각 직렬로 연결하고 이들 간에 일정량의 산소를 순환시켜 드라이칼럼 내의 이물질과 흡착제로부터 탈리된 흡착물을 단계적으로 배출시킨 후, 흡착칼럼 내부에 미리 일정한 산소분위기를 유지시킨 상태에서 외부공기를 유입하여 더욱 순도가 높은 초고순도의 산소 부화 및 공급이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 산소발생장치의 구성을 도시한 정면도

도 2는 도 1에 따른 산소발생장치의 좌측면도

도 3은 도 1에 따른 산소발생장치의 우측면도

도 4는 도 1에 따른 산소발생장치의 평면도

도 5는 도 1에 따른 산소발생장치의 회로 구성도

도 6은 도 5에 따른 산소발생장치의 작동을 도시한 블럭도로서, a는 정방향 사이클에 대한 블럭도, b는 역방향 사이클에 대한 블럭도

도 7은 본 발명에 따른 산소발생장치의 다른 일 실시예를 도시한 좌측면도

도 8은 도 7에 따른 산소발생장치의 회로 구성도

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

101 : 케이스 111,112 : 흡착칼럼

121,122 : 드라이칼럼 102 : 흡기도관

103a,103b : 배출관 104a,104b : 연결도관

102c,105c : 삼방밸브 105 : 급기도관

105a,105b : 가지도관 106,108 : 간선파이프

107 : 우회파이프 108a,108b : 피드백 도관

131,134 : 에어필터 132,133 : 배기필터

141,142,143,144,145,146,147,148 : 솔레노이드밸브

150 : 제어부 151,152 : 첵크밸브

Claims (6)

1. 외부 유입공기로부터 질소를 흡착 제거하고 산소를 부화하는 흡착제를 내재한 제1 및 제2 흡착칼럼을 포함하는 복수의 흡착칼럼과, 상기 각 흡착칼럼으로부터 이격된 일측에 각 흡착칼럼에 대응하여 상기 유입공기를 드라잉하는 제1 및 제2 드라이칼럼을 포함하는 복수의 드라이칼럼을 구비하고, 상기 각 흡착칼럼과 드라이칼럼이 상호 직렬로 연결되어 하나의 케이스 내부에 배치되며, 상기 제1,2 드라이칼럼의 각각의 입구측을 개폐하며 유입 공기의 유동방향을 선택적으로 제어하는 삼방밸브, 및 상기 제1,2 흡착칼럼의 각각의 출구측을 개폐하며 상기 제1,2 흡착칼럼에서 생성된 산소를 선택적으로 유출하도록 하는 삼방밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 케이스의 일면을 통해 제1,2 드라이칼럼의 일측으로 분기하여 인입되는 흡기도관, 제1,2 드라이칼럼의 일측으로 상기 흡기도관의 단부에서 분기된 배출관, 상기 제1,2 드라이칼럼과 제1,2 흡착칼럼을 각각 연결하는 연결도관, 상기 제1,2 흡착칼럼으로부터 각각 인출된 가지도관, 상기 각 가지도관이 서로 만나 케이스 외부로 연장된 급기도관, 상기 가지도관 사이를 연결하는 제1 간선파이프, 상기 각 연결도관을 사이를 연결하는 제2 간선파이프, 상기 각종 밸브의 개폐를 제어하는 제어부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 배출관을 개폐하여 제1,2 드라이칼럼으로부터 배출물들의 유출을 제어하는 솔레노이드밸브, 상기 제1,2 간선파이프의 각 단을 개폐하는 솔레노이드밸브, 상기 각 연결도관에 제1,2 흡착칼럼 측으로 개방된 첵크밸브, 상기 각 연결도관에 상기 첵크밸브를 기준으로 제1,2 흡착칼럼 측에서 분기하여 제2 간선파이프로 연결되는 피드백 도관, 상기 피드백 도관을 개폐하여 제1 또는 제2 흡착칼럼에서 이의 각 상대측 드라이칼럼으로 산소의 순환을 제어하는 솔레노이드밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 흡기도관, 급기도관 및 배출관에는 각각 하나 이상의 필터가 구비되고, 상기 제1 간선파이프에는 이의 양단으로 우회하여 연장되는 우회파이프가 형성되며, 상기 제2 간선파이프는 각 연결도관에서 상기 첵크밸브를 기준으로 제1 및 제2 드라이칼럼 측에 위치되는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
5. 제 2항에 있어서,

   상기 각 연결도관에 외부 유입공기로부터 질소를 흡착,제거하여 산소분위기가 높은 공기를 상기 제1,2 흡착칼럼에 제공하는 멤브레인필터가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
6. 흡기도관을 통해 케이스 내부로 외부공기가 유입되는 단계, 케이스 내부로 유입된 외부공기를 필터링하여 그로부터 불순물을 제거하는 단계, 상기 정화된 유입공기가 흡기측의 삼방밸브에 의해 제1 드라이칼럼의 내부로 유입되는 단계, 제1 드라이칼럼이 상기 유입공기를 건조시키는 단계, 상기 건조된 유입공기가 제1 연결도관을 통해 상기 제1 드라이칼럼에 대응하여 위치되는 제1 흡착칼럼 내부로 유입되는 단계, 제1 흡착칼럼이 상기 유입된 건조공기로부터 질소를 흡착하여 산소를 부화하는 단계, 제1 흡착칼럼으로부터 유출된 산소를 필터링하여 그로부터 불순물을 제거하는 단계, 제1 흡착칼럼으로부터 연장된 급기도관을 통해 상기 정화된 산소를 케이스 외부로 토출시키는 단계, 제1 흡착칼럼으로부터 유출된 산소 중 일부를 상기 제1 흡착칼럼과 이의 상대측인 제2 흡착칼럼을 연결하는 파이프를 통해 상기 제2 흡착칼럼 내부로 유입시키는 단계, 상기 유입된 산소가 제2 흡착칼럼의 내부를 통과하면서 내재된 흡착제의 표면을 세정하여 소정의 흡착물을 제거하는 단계, 상기 제2 흡착칼럼에 대응하여 위치되는 제2 드라이칼럼 내부의 이물질이 배출관을 통해 배출된 후 상기 제2 흡착칼럼 내 흡착제의 표면으로부터 탈리된 흡착물이 이의 세척에 사용된 산소와 함께 상기 제2 드라이칼럼의 내부로 유입되어 배출관을 통해 배출되는 퍼지 단계, 상기 제2 드라이칼럼을 통한 산소와 흡착물의 배출 후 상기 제2 흡착칼럼과 제2 드라이칼럼을 연결하는 제2 연결도관 및 상기 제2 드라이칼럼의 배출측이 폐쇄되고 상기 제1,2 연결도관을 상호 연결하는 제2 간선파이프가 개방되어 상기 제2 드라이칼럼으로부터 유동된 잔여 산소에 의해 제1 드라이칼럼 내부의 이물질이 배출되고, 이어서 상기 제2 흡착칼럼으로부터 역류되는 산소가 제1 흡착칼럼을 세정하여 상기 제1 흡착칼럼 내 흡착제로부터 탈리된 흡착물과 함께 제1 드라이칼럼을 통해 배출되는 릴레이 단계로 이루어진 정방향 사이클과;

   상기 흡기도관을 통해 케이스 내부로 외부공기가 유입되는 단계, 케이스 내부로 유입된 외부공기를 필터링하여 그로부터 불순물을 제거하는 단계, 상기 정화된 유입공기가 흡기측의 삼방밸브에 의해 제2 드라이칼럼의 내부로 유입되는 단계, 제2 드라이칼럼이 상기 유입공기를 건조시키는 단계, 상기 건조된 유입공기가 제2 연결도관을 통해 상기 제2 드라이칼럼에 대응하여 위치되는 제2 흡착칼럼 내부에 유입되는 단계, 제2 흡착칼럼이 상기 유입된 건조공기로부터 질소를 흡착하여 산소를 부화하는 단계, 제2 흡착칼럼으로부터 유출된 산소를 필터링하여 그로부터 불순물을 제거하는 단계, 제2 흡착칼럼으로부터 연장된 급기도관을 통해 상기 정화된 산소를 케이스 외부로 토출시키는 단계, 제2 흡착칼럼으로부터 유출된 산소 중 일부를 상기 제1 흡착칼럼과 제2 흡착칼럼을 연결하는 파이프를 통해 상기 제1 흡착칼럼 내부로 유입시키는 단계, 상기 유입된 산소가 제1 흡착칼럼의 내부를 통과하면서 내재된 흡착제의 표면을 세척하여 소정의 흡착물을 제거하는 단계, 상기 제1 흡착칼럼에 대응하여 위치되는 제1 드라이칼럼 내부의 이물질이 배출관을 통해 배출된 후 상기 제1 흡착칼럼 내 흡착제의 표면으로부터 탈리된 흡착물이 이의 세척에 사용된 산소와 함께 제1 드라이칼럼의 내부에 유입되어 배출관을 통해 배출되는 퍼지 단계, 상기 제1 드라이칼럼을 통한 산소와 흡착물의 배출 후 상기 제1 흡착칼럼과 제1 드라이칼럼을 연결하는 제1 연결도관 및 상기 제1 드라이칼럼의 배출측이 폐쇄되고 상기 제1,2 연결도관을 상호 연결하는 제2 간선파이프가 개방되어 상기 제1 드라이칼럼으로부터 유동된 잔여 산소에 의해 제2 드라이칼럼 내부의 이물질이 배출되고 이어서 상기 제1 흡착칼럼으로부터 역류되는 산소가 제2 흡착칼럼을 세정하여 상기 제2 흡착칼럼 내 흡착제로부터 탈리된 흡착물과 함께 제2 드라이칼럼을 통해 배출되는 릴레이 단계로 이루어진 역방향 사이클;을 연속적으로 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 산소발생장치를 통한 산소발생방법.