KR100530675B1 - 기체농축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기체 농축기에 관한 것으로, 특히 특정기체를 주로 흡착하는 흡착제의 선택적인 흡착도를 이용하여 상기 흡착제에 압력차이를 가함으로써 선택적으로 특정기체를 분리하는 장치에 관한 것이다. 본 발명은 흡착제에 압력차이를 펌프수단에 의하여 발생하는 진공압과 대기압을 가함으로써 만들어지며, 이는 진공스윙흡착방식에 의하여 운전된다. 본 발명은 상기 진공스윙흡착방식에 적합하도록 흡착제를 포함하는 흡착베드와 상기 흡착베드와 연결되는 체크밸브의 구조를 단순화함으로써 경제적으로 장치를 구성할 수 있다.

Description

기체농축기{Gas concentrator}

본 발명은 기체농축기에 관한 것으로, 특히 흡착제의 선택적인 흡착성을 이용하여 흡착제에 압력차이를 가하고 이로부터 특정성분의 기체를 부화시키는 장치에 관한 것이다. 압력차이는 펌프수단에 의하여 발생하는 진공압과 대기압사이의 차이로 이루어지며, 장치의 운전은 진공스윙방식에 기초하여 작동된다.

특정 성분의 기체를 분리하는 방법은 크게 본 발명과 같이 흡착제의 선택적인 흡착성을 이용하는 방법과, 기체의 확산 속도의 차이를 이용하는 기체분리막 방법이 주로 사용된다. 흡착제는 탄소분자체(CMS)나 합성제올라이트(ZMS) 등이 주로 사용되며, 이들은 흡착베드에 담아져 펌프수단에 의하여 압력차이가 가해져 특정성분이 이들 분자체에 흡착되고 여분의 기체가 분리되는 과정을 거치게 된다. 이는 압력스윙흡착방식(PSA, Pressure Swing Absorption)이라 불리우며, 본 발명에서와 같이 진공압에서 작동하는 것을 특히 진공스윙흡착(VSA)이라 세분하기도 한다. 압력스윙흡착방식은 산소분리와 같은 소형 산소농축기에 주로 사용되기도 하는데, 이는 산소의 농도조절이 자유로워 저농도에서 고농도의 산소부화공기의 생산이 가능하다. 그러나, 기체분리막 방식에 비하여 장치가 복잡한 것이 단점이다.

압력스윙방식 중에서 특히 대기압 이하에서 동작하는 진공스윙방식은 일반적으로 소형장치의 경우에는 적합하지 않은 것으로 여겨져 왔는데, 이는 그 압력차이가 작아 효율이 압력스윙방식에 비하여 떨어지는 것으로 알려져 왔다. 그러나, 최근에는 그 재료와 공정이 개선되어 진공스윙방식에 의한 소형장치의 기체분리도 상당히 높은 효율을 가지게 되었다. 특히, 진공스윙방식만이 가지는 결로 문제 해결 및 저소음 등의 장점은 그 적용이 넓어지는 계기가 되었다.

그러나, 압력스윙방식과 진공스윙방식이 가지는 단점인 장치의 복잡성은 여전히 남아있으며, 흡착제의 재생을 위한 유로전환용 밸브수단의 필수적인 사용과 흡착베드 내의 압력을 조절하기 위한 체크밸브수단의 사용 그리고 흡착베드간의 압력평형을 위한 평형밸브 등의 밸브사용은 필수적인 것으로 되어있다.

본 발명은 목적은 상기와 같은 압력차이에 의한 기체농축기의 복잡한 밸브수단을 단순화 하여 흡착제를 포함하는 흡착베드와 손쉽게 결합하도록 하는 진공스윙흡착 방식에 의하여 구동되는 기체농축기의 만드는 것이다.

일반적으로 펌프수단에 의한 진공압을 흡착베드 내의 흡착제에 교대로 가해주기 위한 유로전환용 밸브수단은 회전밸브 등의 발명에 의하여 종래의 솔레노이드밸브를 어느 정도 대치할 수 있는 상태이나, 흡착베드 후단의 체크밸브수단은 종래의 공압용 체크밸브를 그대로 사용하여 잦은 진공압과 대기압의 교대 부하에 의하여 고장이 잦고 부피가 크며 그 가격이 상승하는 단점이 있었다. 따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 체크밸브수단을 단순화하여 컴팩트하고 고장이 적으며 저렴한 체크밸브수단을 종래의 흡착베드와 효과적으로 결합하여 진공스윙흡착방식에 가장 적합한 기체분리모듈을 만드는 것이 그 과제이다. 또한, 종래의 체크밸브수단은 진공용이라도 어느정도 이상의 진공압이 걸려야 열리는 것으로써 미세한 진공압에서 작동하는 경우는 매우 드물다. 따라서, 진공스윙흡착방식에 사용되는 체크밸브는 미세한 압력차이에서도 열리도록 하는 밸브수단을 구성하는 것이 바람직하다. 이것은 체크밸브를 통과한 부화기체를 버블펌프와 같은 비교적 작은 진공압을 발생시키는 기기를 사용하여서도 흡입하여 목적공간으로 분사시키는 데에 필요한 것이다. 버블펌프는 관상어용 기포발생기로 많이 이용되며, 자석과 트랜스를 그 기본 구성요소로 하여 주파수에 따라 진동함으로써 기체를 공급하는 기기이다.

일반적으로 부화기체는 산소부화공기인 경우가 많으며, 가정용 소형 산소농축기와 같은 컴팩트한 기기에 본 발명에서와 같은 일체형 체크밸브수단을 사용하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 장치는 피팅일체형 체크밸브의 사용을 기본으로 한다. 종래의 피팅류와 결합된 체크밸브는 주로 공기압축방식에 맞추어 진 것으로 내부에 스프링과 개폐용 헤드의 구성을 기초로 한다. 진공용 또한 스프링의 탄성저하와 헤드의 단면적이 넓어진 것 외에는 특히 다른 구조를 가지지는 않는다.

본 발명에 의한 기체농축기에 사용되는 피팅일체형 체크밸브는 도 1에 도시된다. 가장 경제적이며 단순하고 고장이 없으며, 저진공에서도 열리는 피팅일체형 체크밸브를 구성하기 위하여는 종래와 같은 스프링과 헤드를 사용하지 않는다. 그 구성을 살펴보면 우선 일반적으로 사용되는 원터치나 투터치용 피팅(1)에 고무밸브(2)가 삽입된 형태를 보인다. 고무밸브(2)는 원통형이며 상부에 개폐될 수 있는 개폐용 고무판(3)을 가진다. 상기 고무판(3)은 고무밸브(2)의 몸통(4) 상단에 부착되며, 그 일부만이 몸통(4)과 부착되어 개폐가 될 수 있도록 한다. 도 2는 상기 고무밸브(2)를 위에서 바라본 평면도로써, 도시된 바와 같이 원형의 고무판(3)이 그 몸통(4)과 일부가 부착되어 있으며, 미세한 진공압 차이에 의하여 열릴 수 있도록 되어있다. 고무판(3)은 얇은 것이 바람직하며, 일정 진공압 이상에서도 쭈그러들지 않는 일정 이상의 탄성을 가지는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 피팅 일체형 체크밸브(5)는 진공스윙흡착방식에 효과적으로 사용될 수 있는데, 이는 피팅일체형 체크밸브를 흡착제를 포함하는 흡착베드(6)에 직접 결합시킴으로써 컴팩트한 모듈을 구성할 수 있다. 도 3은 상기와 같은 실시예를 도시한 것으로써, 상기의 피팅일체형 체크밸브를 흡착베드(6)의 상단에 직접 결합하여 구성한 것을 나타낸 것이다. 펌프수단 및 밸브수단 등의 당업자 사이에서 자명한 것은 도시하지 않았으며, 흡착베드 모듈의 구성만을 도시하였다. 일반적으로 평형밸브와 함께 사용되는 흡착베드 간의 미세관(7)은 흡착베드와 베드사이에 설치되며, 미세동관이나 금속 혹은 고무로 제작된 오리피스를 이용할 수 있다. 흡착베드(6) 내의 압력이 외부보다 같거나 낮을 때에는 고무밸브(2) 위에 부착된 고무판(3)의 탄성력과 압력차이에 의하여 닫혀있으며, 흡착베드(6) 내의 압력이 외부보다 높아 고무판(3)이 가지는 탄성력을 초과하게 되면 고무밸브(2)는 열리게 된다. 고무판(3)의 탄성력은 스프링보다 매우 미세하게 제작이 가능하며 제작비용 또한 매우 저렴하게 된다.

상기와 같이 진공스윙방식에 의하여 동작되는 기체농축기에 상기와 같은 피팅일체형 체크밸브를 사용하여 흡착베드 내에 진공압과 대기압을 교대로 펌프수단을 이용하여 가함으로써, 흡착제에 특정성분의 기체를 흡착시켜 상대적으로 흡착성이 적은 기체의 부화기체를 얻을 수 있게 된다.

본 발명에 따른 피팅일체형 체크밸브수단을 포함하는 기체농축기의 흡착베드를 체크밸브수단과 일체형으로 손쉽게 구성함으로써, 기체농축기의 컴팩트화, 단순화, 경제성증가 및 단순한 체크밸브의 고장저하로 인한 기체농축기의 수명증대의 효과가 있다.

본 발명에 따른 피팅일체형 체크밸브수단을 포함하는 기체농축기에 있어서, 체크밸브수단의 고무판 탄성력을 미세하게 제작이 가능하므로, 매우 낮은 진공압 차이에서도 체크밸브가 열림에 따라 진공스윙방식에 따라 동작하는 기체농축기의 성능향상의 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 기체농축기에 사용되는 체크밸브 장치의 도식도이다.

도 2는 도 1의 체크밸브장치의 고무밸브 평면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 기체농축기의 도식도이다.

Claims (6)

1. 기체에 대하여 선택적인 흡착성을 갖는 흡착제를 내부에 포함하는 흡착베드를 가지며,

   상기 흡착베드 상단과 연결되는 체크밸브 수단이 구비되어,

   상기 흡착베드 내의 압력이 외부의 압력과 같거나 낮은 경우에는 상기 체크밸브 수단은 닫히고, 상기 흡착베드 내의 압력이 외부의 압력보다 큰 경우에는 상기 고무판의 탄성력을 초과하여 상기 체크밸브 수단이 열리게 함으로써 특정기체의 부화공기를 얻는 기체농축기에 있어서,

   상기 체크밸브 수단은 상기 흡착베드 상단에 연결되는 피팅과, 상기 피팅 내부에 삽입되는 고무밸브를 포함하며,

   상기 고무밸브는 몸통부와, 상기 몸통부의 상단 가장자리에 부착된 고무판으로 구성된 것을 특징으로 하는 기체농축기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기체농축기는 펌프수단을 구비하여, 펌프수단에 의한 진공압과 대기압 사이에서 운전되며, 상기 체크밸브 수단과 연결되는 별도의 기체공급수단을 별도로 구비하여 상기 체크밸브 수단이 열려 생산되는 부화기체를 흡입하여 목적공간으로 분사시키는 것을 특징으로 하는 기체농축기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 별도의 기체공급수단은 자석과 트랜스를 주요 구성성분으로 하는 버블펌프 임을 특징으로 하는 기체농축기.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 부화기체는 산소부화공기임을 특징으로 하는 기체농축기.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 기체농축기는 두 개의 흡착베드를 구비하며 상기 두 흡착베드 사이에 미세관을 연결하는 것을 특징으로 하는 기체농축기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 미세관은 고무를 재료로 만들어진 오리피스 임을 특징으로 하는 기체농축기.