KR100507405B1 - 기체농축장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 특정성분에 대하여 선택적인 흡착특성을 가지는 흡착제에 압력차이를 가하여 농축기체를 얻는 장치에 관한 것으로, 압력차이는 진공펌프수단을 사용하여 얻어진다. 본 발명에 의한 장치는 산업용의 대형 기체분리공정에 응용을 위한 것이 아니며, 일상생활에서 사용되는 공조 장치나 정수기 및 냉장고 등의 소형 가정용 기기, 특히 산소농축기에 응용하기 위한 것이다. 본 장치는 진공스윙 흡착방식에 기초하여 구동되며, 상기 진공펌프수단은 하나의 모터에 두개의 펌프용 헤드를 구비하여 하나는 진공재생을 위하여 다른 또하나는 생산되는 농축가스 토출용으로 사용되게 된다. 생산가스 전단에 조절밸브나 토출기의 모터제어를 통하여 유량과 농도가 결정되게 된다.

Description

기체농축장치{gas concentration device}

본 발명은 혼합기체 중의 특정성분을 농축하는 장치에 관한 것으로 특히 특정 기체를 선택적으로 흡착하는 흡착제를 사용하고, 여기에 압력차이를 가하여 기체를 농축시키는 장치에 관한 것이다.

흡착제를 사용하여 특정기체의 농도를 증가시키는 기체농축 장치에는 상기 흡착제를 포함하는 흡착베드 내에 일정압력 이상의 압축된 혼합기체를 공급하고, 상기 압력에 의하여 흡착제 내에 흡착된 특정기체를 대기압 상태에서 탈착, 배출시키고 상대적으로 흡착도가 떨어지는 기체를 농축하여 생산하는 압축스윙흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption)에 기초한 장치들이 1950년대 이래로 계속 발전되어 일반적으로 사용되고 있으며 최근 10년 동안 소형장치에도 응용되어 많은 발전을 이루었다. 이들은 상기와 같이 대기압 이상에서 작동되거나, 대기압 이하에서 작동되거나(VSA,Vacuum Swing Adsorption) 혹은 진공압과 대기압이상에서(VPSA) 작동된다. 이들은 최근들어 대규모의 산업용으로 특정기체를 생산하는 이외에, 공기중으로부터 질소를 분리하여 소형으로서 주로 의료용과 기타 사무실이나 가정의 밀폐된 공간에 산소를 공급하는 용도와, 정수기에 용존산소량을 높이거나 폐수처리장이나 양식장 등에 사용되고 있다.

본 발명은 대기압 이하에서 작동되는 VSA 방식에 의하여 구동됨을 기초로 하는 기체농축기에 관한 것이며, 보다 특정하게는 산업용이 아닌 소형 산소농축기에 초점을 맞추어 정수기, 냉장고 및 일반공조용에 응용이 가능한 장치에 관한 것이다.

통상의 흡착제를 사용하는 기체농축공정에서의 공통적인 목적은 저전력, 저비용, BSF(Bed Size Factor)의 감소를 통한 흡착베드의 소형화 및 생산성증대 등에 있다. 그러나, 이들 공정은 산업용에 초점이 맞추어져 개발이 되어, 보통 90% 이상의 고농도의 농축기체를 얻는 데에 중점개발되어 왔다. 공기중으로부터 산소를 농축시켜 산소부화공기를 얻는 경우에, 환자를 위한 의료용의 경우나 산업용은 고순도의 산소가 필요하나, 일반적으로 가정이나 사무실에서 환기의 목적이나 쾌적한 환경조성을 위하여 공조의 목적으로 기체 농축기가 사용될 경우에는 약간의 산소농도 증가를 위하여 산소농축기가 사용되므로 고순도는 별 의미가 없으며, 실내로 공급되는 총 산소유량이 실내 산소농도를 결정하게된다. 따라서, 가정용 공기청정기와 결합되거나 에어컨으로 결합되는 소용량 산소농축기의 산소농도는 목적공간의 최종적인 산소농도 상승치에 맞추어 설계되는 것이 바람직하다.

그러나, 용존산소율을 높이는 경우와 같은 정수기에 응용할 경우에는 상기 공조용의 경우와 같은 30~40%대 정도의 산소농도보다는 50~80%정도의 농도가 유리한 것으로 알려져 있다. 이를 위하여 종래의 산업용 VSA 시스템을 소형에 적용할 경우에는 그 구성이 복잡하여 경제성과 크기 때문에 소형에의 적용에 문제가 있으며, 이미 출원된 본 출원인에 의한 단순화된 VSA 시스템은 후술될 압축된 공정을 사용하여 농도보다는 그 생산량에 초점을 맞춤으로써 경제성과 사이즈에서의 장점, 그리고 전체 생산량은 올라가는 장점이 있으나 고농도 생산에는 약간의 어려움이 있었다.

특히 상기와 같은 단순히 압축된 공정을 사용하여 어느정도의 고농도를 생산하는 경우에 생산기체단의 진공펌프수단이 리크(leak)가 발생하면 고농도 생산이 불가해지며, 이는 특히 피스톤펌프와 같은 경우에 진공부하가 커지면 피스톤과 실린더 사이의 간극에 리크가 발생하여 농축기체의 농도가 저하되는 것을 알 수 있다. 이 경우에는 다이아프램 펌프와 같이 거의 리크가 일어날 수 없는 밀폐형 펌프를 사용하는 것이 좋으나 일반적으로 고내구성을 요구하는 곳에서는 다이아프램보다는 피스톤을 사용한 펌프가 유리한 것으로 알려져 있다.

정리하면, 종래 기술은 90%이상의 고농도 기술과 공조에의 응용을 위한 30~40% 정도의 저농도 기술에 초점이 맞추어져 그 방법 및 장치가 개발되어 왔으므로 50%이상 90% 정도의 농도를 가진 농축기체를 생산량이 많도록 구현하는 새로운 장치의 개발이 바람직하다.

종래의 펌프수단을 살펴보면, 하나의 모터에 두개의 펌프수단을 구동하여 병렬 연결하여 두대의 펌프효과를 내는 단순응용 이외에, 두개를 독립적으로 구성함으로써 한쪽은 압축공기공급 및 다른 한쪽은 진공재생용으로 사용하는 종래기술에 의한 장치는 많이 응용되어왔다. 즉, 하나의 모터 축에 두개의 펌프헤드를 부착하여 이들을 각각 운용함으로써 원하는 장치를 구성하여 스페이스와 전력소모를 줄이는 경우가 많았다. 그러나, 대기압이하에서 만 구동되는 VSA 시스템에 의한 장치가 하나의 모터에 의하여 구동되는 경우는 없었으며, 다른 응용에 있어서도 피스톤이나 다이아프램등의 한가지 펌프형식만이 동일 모터에 부착되어 구동되어 왔다. 따라서, 펌프형식이 가지는 장점을 최대한 이용하지는 못하였다. 또한, 상기와 같이 어느정도의 고농도를 원하는 경우에는 리크가 없는 다이아프램이 유리하나 진공압을 가하는 펌프수단인 경우에는 피스톤타입이 유리하므로 일체형 펌프수단을 사용할 경우에 다양한 응용에의 적절한 펌프수단의 선택이 자유롭지 못하였다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 생산공정은 VSA 방식에 기초하여 단순화되고 압축된 고생산성 공정을 사용하되, 그 생산기체의 농도를 40%~90% 고농도로 유지하고 안정적으로 생산하기 위한 장치를 구성하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 진공재생을 위한 진공펌프수단과 생산기체 공급을 위한 진공펌프수단을 일체형으로 구현하여 VSA 시스템에 응용하고, 두 개의 펌프수단을 행정거리를 달리설정하는 등 적절히 비대칭형으로 구성하여 안정적으로 농축기체를 생산하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 하나의 모터에 두개의 펌프수단 헤드를 결합하며, 피스톤방식과 다이아프램방식등 응용 용도에 따른 다른 방식의 펌프헤드를 하나의 모터에 구비하여 농축기 시스템에 가장 적합한 펌프수단을 농축모듈과 결합함으로써 안정적인 장치를 구성하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 장치는 도면을 기초로 상세히 설명된다.

본 발명에 의한 장치의 구성은 우선 도 1에 도시된 바와 같이 흡착제를 내부에 포함하는 흡착베드(1,9)와 상기 흡착베드(1,9) 내에 진공압을 형성하여 흡착제를 재생하는 원동력을 제공하는 진공펌프수단(2), 혼합흡입기체의 불순물을 걸러주는 흡입필터(3), 혼합기체의 유입과 배출을 위하여 유로를 전환시켜주는 밸브(4), 흡착베드(1,9)에 의하여 생산된 농축기체를 한쪽 방향으로 흘려주기 위한 체크밸브(5), 생산된 농축기체를 원하는 목적공간으로 분사하기 위한 토출기(6), 그리고 생산되는 농축기체의 유량과 농도를 조절하기 위한 유량조절밸브나 미세관으로 구성되는 조절수단(10) 으로 구성된다.

상기와 같은 구성수단들은 두개의 흡착베드로 구성된 VSA 방식의 장치로서 가장 일반적인 예를 나타낸 것이다. 3베드 이상의 멀티 베드 시스템은 쉽게 확장될 수 있으며, 미세관(11) 등의 부가적 수단은 필요에 따라 부착되어 질 수 있다.

단순화된 VSA 시스템의 작동단계는 다음과 같다. 우선 진공펌프수단(2)에 의하여 흡착베드(1) 내에 진공압이 형성되며, 이때 흡착베드(1) 내의 흡착제에 흡착된 기체 및 불순물이 제거되는 흡착제 재생과정이 동시에 진행된다. 이어서 흡입필터(3)를 통과한 혼합기체는 흡착베드(1) 내로 유입되고 상기 진공압에 의하여 특정기체가 선택적으로 흡착제에 흡착되게 된다. 상대적으로 흡착이 덜되어지는 기체는 흡착베드(1)의 베드상단(7)에 올라오게 되고 체크밸브(5)를 거쳐 토출기(6)에 의하여 목적공간으로 이동되게 된다. 흡착베드(9)는 흡착베드(1)와 교대로 농축기체를 생산하게 되며, 밸브(4)는 상기 흡착베드(1,9)에 교대로 진공압을 가함으로써 연속생산을 가능하게 한다.

최근에 본 출원인에 의해 출원된 VSA 공정은 토출기(6)를 또 다른 진공펌프수단으로 구성하여 토출기(6)가 가지는 진공압에 따라 생산량과 농도를 결정하고, 재생단계와 생산단계를 오버랩하여 전체 공정을 매우 단순화하여 RPSA(Rapid Pressure Swing Adsorption) 공정과 유사한 두탑 이상의 VSA 공정을 도출해 내었다. 상기와 같은 VSA 공정의 대략적인 압력분포도는 도 2에 도시하였으며, 고농도보다는 최대의 생산성에 초점을 맞추어 사실상 산소부압공정이 생략되고, 생산공정도 탈착공정의 일부로 간주하여 흡착공정과 탈착공정 마저도 오버랩되는 시간을 설정하여 연속생산이 되도록 하여 총생산유량의 변동을 줄이고 있다. 즉, 도 2에서와 같이 각각 A와 B는 흡착베드(1)의 입력단과 출력단의 압력변화 곡선이고 C와 D는 흡착베드(9)의 입력단과 출력단의 압력변화 곡선이라고 하면, 흡착베드(1)을 기준으로 시간 t1은 탈착과정, t2는 흡착과정을 나타낸다. 이 때, X를 농축기체 공급수단인 토출기(6)가 가지는 진공압으로 생산이 가능한 수준으로 보면 흡착베드(1,9)의 출력단 압력 B와 D가 X보다 높은 경우는 토출기에 의한 생산단계가 된다. 그림의 경우는 연속생산이 가능한 경우이며, 여기서 t3는 흡착베드(1,9)의 출력단 압력이 압력 X보다 모두 큰 경우이므로 양쪽 흡착베드(1,9)에 동시 생산이 되는 경우이다. 이러한 방식은 원래 공조용에 초점을 맞추어 설계된 것으로 사실상 90%이상의 농도를 가진 농축기체를 생산하는 것은 어렵다.

조절수단(10)에 의하여 유량을 조절하여 어느정도의 농도조절이 가능하지만, 고농도 조절을 위하여 유량을 줄이는 경우에 일종의 진공펌프수단인 토출기(6)는 많은 부하를 받게 된다. 따라서, 토출기(6) 쪽의 진공펌프수단은 고농도를 위하여 리크가 발생하지 않는 밀폐형이 적합하다.

도 3은 본 발명에 의한 진공펌프수단(2)과 토출기(6)가 일체형으로 구성된 예를 나타낸다. 하나의 모터(12)에 각각 두개의 펌프 헤드가 부착되어 진공펌프수단(2)과 토출기(6)를 구성하게 된다. 여기서, 진공펌프수단(2)으로 사용되는 펌프헤드의 용량은 진공재생을 위하여 충분한 진공압과 유량을 가지는 것이 바람직하고, 연속적으로 고부하가 걸리는 것이 아니므로 리크의 염려는 없으며 약간의 리크가 전체 시스템에 큰 영향을 미치는 것은 아니다. 그러나, 토출기(6) 쪽의 펌프수단은 농축기체를 생산하는 쪽이므로 그 유량은 사용자가 원하는 유량 이상만 되면 되므로 진공펌프수단(2)에 비하여 일반적으로 작은 성능을 가지는 것으로 충분하게 된다. 따라서, 상기 펌프수단이 피스톤타입의 펌프수단인 경우에는 토출기(6) 쪽의 행정거리를 조절하여 그 유량을 조절하고, 행정거리가 작을 수록 그 유량과 걸리는 부하가 작으므로 리크의 위험성도 줄어들게 된다.

상기와 같이 하나의 모터에 두개의 펌프수단을 비대칭형으로 구성함으로써 원하는 농축기체의 생산유량에 적합하게 구현하는 것이 가능하며, 시스템의 안정성과 전력소비량의 감소, 그리고 리크의 위험성 감소로 인한 고농도 생산이 가능하게 된다.

두개의 펌프수단의 구성은 종래와 같이 동일한 타입의 펌프수단으로 구성되는 것 뿐만 아니라, 본 발명에서는 또한 전혀 다른 타입으로 구성될 수 있다. 즉, 도 4에 도시하는 바와 같이 진공펌프수단(2) 쪽은 내구성이 우수한 피스톤타입의 펌프수단을 구비하고, 토출기(6) 쪽은 밀폐성이 좋은 다이아프램방식의 펌프수단을 구비할 수 있다. 피스톤(13)과 다이아프램(14)으로 구성된 일체형 펌프수단을 사용함으로써 소량의 고농도 농축기체를 생산하는 경우에 유리하게 되며, 각각의 특성에 적합하게 펌프수단을 구성함으로써 내구성제고 및 특정 응용분야에 적합하게 시스템을 구성할 수 있는 장점이 있다.

본 발명에 의한 공정과 펌프수단을 사용함으로써 생산량을 증대시킴과 동시에 농축기체의 농도를 안정적으로 높일 수 있어, 산소농축기에 적용할 경우에 일반 공조용으로 본 농축기를 사용할 수 있는 이외에 정수기와 같이 어느 정도의 고농도를 요구하는 곳에 사용할 수 있다.

본 발명에 의한 공정과 펌프수단의 사용에 따라 농축기의 고내구성화, 전력소비감소 및 리크방지의 효과가 있다.

도 1 은 본 발명에 의한 장치의 전체적인 개략도.

도 2 는 본 발명에 의한 장치의 공정에 따른 압력변화도.

도 3 은 본 발명에 따른 펌프수단의 도식도.

도 4 는 본 발명에 따른 다른 타입의 펌프수단을 갖는 펌프수단의 도식도.

-- 도면부호설명--

1,9...흡착베드 2...진공펌프수단

3...흡입필터 4...밸브

5...체크밸브 6...토출기

7...베드상단 8...베드하단

10...조절수단 11...미세관

12...모터 13...피스톤

14...다이아프램

Claims (7)

1. 특정기체를 선택적으로 흡착하는 흡착제에 압력차이를 가하여 특정 농축기체를 생산하는 기체농축기에 있어서,

   상기 기체농축기는 진공펌프수단을 구비하여 흡착제를 내부에 포함하는 흡착베드에 진공압을 가함으로써 대기압과의 압력차이에 의하여 농축기체를 생산하며,

   상기 진공펌프수단은 하나의 모터에 두개의 펌프수단을 구비하여, 하나는 흡착베드 내에 진공압을 형성하여 불순물과 흡착기체를 제거하는 재생공정을 수행하는 데에 사용되며, 다른 하나는 흡착베드를 통과한 농축기체를 흡입하여 목적공간으로 토출시키는 데에 사용되는 것을 특징으로 하는 기체농축기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 진공펌프수단에 구비된 두개의 펌프수단은 피스톤과 실린더로 구동되는 펌프형식을 가지며, 상기 각 펌프수단은 다른 행정거리를 가지는 것을 특징으로 하는 기체농축기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 진공펌프수단에 구비된 두개의 펌프수단 중에 하나는 피스톤과 실린더로 구동되는 피스톤타입 펌프이며, 다른 하나는 실린더 내에 고정된 다이아프램의 운동에 의해 구동되는 다이아프램펌프임을 특징으로 하는 기체농축기.
4. 특정기체에 대하여 선택적인 흡착력을 가지는 흡착제를 충진한 두 개 이상의 흡착베드를 사용하여 압력차이에 의해 농축된 부화기체를 만드는 기체농축기에 있어서,

   상기 기체농축기는 진공펌프수단을 구비하여 흡착제를 포함하는 흡착베드 내부에 진공압을 가하여 흡착베드 내부에 진공압을 만드는 탈착단계와,

   유로전환용 밸브를 구비하여 상기 흡착베드를 상기 진공펌프수단과 차단시키고 흡입필터를 통과한 혼합기체의 압력과 상기 흡착베드 내부의 진공압과의 압력차이에 의하여 흡착베드 내로 혼합기체가 유입되어 흡착제에 특정기체가 흡착되는 흡착단계를 포함하며,

   농축기체의 생산은, 상기 흡착단계 및 탈착단계 중에, 진공압을 발생시킬 수 있는 농축기체공급수단인 토출기를 구비하여 생산 기체의 농도가 높아진 흡착베드의 상단에 진공압을 가하여, 토출기의 진공압이 흡착베드 상단의 진공압보다 큰 경우에 농축된 생산 기체를 외부로 배출함으로 연속생산이 이루어지고,

   상기 토출기 전단과 흡착베드 출력단 사이에 조절수단을 구비하여 유량과 농도를 조절하며,

   상기 진공펌프수단은 하나의 모터에 두개의 펌프수단을 구비하여, 하나는 흡착베드 내에 진공압을 형성하여 재생공정인 상기 탈착단계을 수행하는 데에 사용되며, 다른 하나는 흡착베드를 통과한 농축기체를 목적공간으로 토출시키는 데에 사용되는 것을 특징으로 하는 기체농축기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 기체농축기는 탈착공정 중에도 일정시간 생산단계가 이루어지는 것을 특징으로 하는 기체농축기.
6. 제 4 항 혹은 제 5 항에 있어서, 상기 진공펌프수단에 구비된 두개의 펌프수단은 피스톤과 실린더로 구동되는 펌프형식을 가지며, 상기 각 펌프수단은 다른 행정거리를 가지는 것을 특징으로 하는 기체농축기.
7. 제 4 항 혹은 제 5 항에 있어서, 상기 진공펌프수단에 구비된 두개의 펌프수단 중에 하나는 피스톤과 실린더로 구동되는 피스톤타입 펌프이며, 다른 하나는 실린더 내에 고정된 다이아프램의 운동에 의해 구동되는 다이아프램펌프임을 특징으로 하는 기체농축기.