KR100554777B1 - 압력 스윙 흡착 장치 및 성분 가스의 농도 변경 방법 - Google Patents

압력 스윙 흡착 장치 및 성분 가스의 농도 변경 방법 Download PDF

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Abstract

유량과 무관하게 사전결정된 부분에 추가로, 가스 혼합물을 일 흡착기로 반송하여 특정 제품 가스를 제조하는 한편, 제품 가스의 실질적인 부분의 양자를 다른 흡착기로 반송하여 다른 흡착기 가스와 제품 가스의 선택적인 양을 퍼지함에 의해서, 가스 혼합물의 적어도 하나의 성분의 농도를 선택적으로 변경시킴으로써, 유용한 상대 농도 범위로부터 선택가능한 제품 가스의 성분의 소망하는 상대적인 농도를 제조하는 압력 스윙 흡착 장치.

Description

압력 스윙 흡착 장치 및 성분 가스의 농도 변경 방법{PRESSURE SWING ADSORPTION APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 압력 스윙 흡착에 의하여 가스 혼합물을 분리하는 가스 농축 장치에 관한 것으로, 특히 성분 가스의 농도를 선택적으로 변경할 수 있는 제품 가스의 제조에 관한 것이다.
본 발명과 관련된 일반적인 유형의 압력 스윙 흡착 장치가 미국 특허 제 4,802,899 호와 제 5,531,807 호에 기술되어 있다. 일반적으로 압력 스윙 흡착 장치는 공급 스트림으로부터의 가스 혼합물이 공흐름방향(co-current direction)으로 흡착기를 통하여 순차적으로 흐를 때 가스 혼합물로부터 적어도 하나의 성분 가스를 분류하기 위한 흡착 물질의 고정층을 갖는 적어도 한쌍의 흡착기를 구비하고 있다. 하나의 흡착기가 흡착을 행하는 동안, 다른 흡착기에서는 상기 하나의 흡착기로부터 회수되어 역흐름방향으로 상기 다른 흡착기를 통해 흐르는 제품 가스에 의하여 그것에 흡착된 성분 가스가 동시에 퍼지된다. 상기 다른 흡착기가 퍼지되면, 가스 혼합물은 순흐름방향으로 다른 흡착기로 배향되어서, 상기 다른 흡착기가 흡착을 수행하고 상기 하나의 흡착기는 동시에 퍼지된다.
흡착기의 가스 이동 영역을 제어함에 의하여 고도로 농축된 제품 가스가 얻어진다. 종래의 흡착기는 도 1a에 도시한 바와 같은 4개의 영역을 포함한다. 예를 들면 압축 공기가 입구(4)를 통하여 흡착기(2)로 진입할 때, 공기는 약 78%의 질소, 21%의 산소, 0.9%의 아르곤 및 가변량의 물을 함유한다. 제 1 영역 또는 물 영역(6)이 물을 포획한다. 제 2 영역(8)은 분류된 질소 및 적은 양의 산소를 흡착한다. 제 3 영역 또는 물질 이동 영역(mass transfer zone: "MTZ")(10)은 더욱 분류된 질소를 포획함으로써 제 2 영역(8)으로부터의 거리와 관련하여 농도가 증가한 변화된 농도의 제품 산소 가스를 포함한다. 제 4 영역(12)은 고도로 농축된 제품 산소 가스를 포함하며 흡착기(2)의 종단부(14)까지 연장된다.
흡착기(2)의 입구(4) 근방에서 물 영역(6)을 안정화시키고 MTZ(10)을 제 2 영역(8)과 제 4 영역(12) 사이에서 선명한 경계로 유지시킴으로써 고도로 농축된 제품 산소 가스가 얻어진다. 이 영역(6, 10)은 흡착기(2)를 통하여 역으로 흐르는 제품 산소 가스를 배향시킴으로써 안정화되고 유지된다.
그러나 일부 응용예로서 제품 산소 가스의 저농도를 요구하는 것도 있다. 본 발명의 목적은 소망하는 특정한 농도 및 유량(이들 특성은 서로 독립적임)을 갖는 제품 산소 가스를 제조하기 위한 장치를 제어하는 것이다.
제품 가스에서 산소의 소망하는 농도를 변경시키기 위한 하나의 종래의 제안은 공급 스트림으로부터의 순환 공기를 고도로 농축된 산소 제품과 혼련시키는 것이다. 그러한 제안은 각종 유해한 효과를 갖는다. 하나의 유해한 효과는 제품 산소 가스의 농도가 가스 혼합물의 유량에 따라 좌우되는 것이다. 따라서 가스 혼합물의 유량이 혼란되면, 제품 가스의 농도가 영향을 받는다. 다른 유해한 효과는 혼련된 공기가 잠재적으로 습기를 함유하고 있어, 제품 산소 가스에서의 소망하지 않는 응축을 야기시킬 수 있다는 것이다.
다른 더 이전의 제안은 제품 산소 가스를 높은 유량으로 만드는 것에 의해서 압축 스윙 흡착을 과흡입하는 것이다. 그러나 높은 유량은 제 1 영역(6), 제 2 영역(8) 및 MTZ(10)을 이동시키고 연장시킨다. 특히 MTZ(10)은 이동하여 도 1b에 도시한 바와 같이 흡착기(2)의 종단부(14)를 통과해서 이동하여 그것을 지나 연장된다. 이것이 발생하면 제품 산소 가스는 미지의 제어가능하지 않은 더 낮은 농도로 회수된다. 또한 과흡입은 다수의 해로운 효과를 갖는다. 첫째, 물 영역(6)과 MTZ 영역(10)을 안정화시키기가 어렵기 때문에 장치의 효율이 저하된다. 둘째, MTZ(10)이 종단부(14)에 있을 때에 MTZ(10)을 제어하기가 어려우며, 따라서 도 1c에 도시한 바와 같이 발생된 제품 산소 가스의 농도 범위를 제어하기가 어렵다. 셋째, 특정 농도를 반복 제조하기가 어렵다. 마지막으로, 제품 가스의 유량과 농도는 서로 본질적으로 연관되어 있는데, 그 이유는 유량이 제품 가스의 농도 레벨을 제어하기 때문이다.
발명의 요약
본 발명은 유량과 농도가 서로 독립적으로 제어되도록 제품 산소 가스의 소망하는 농도와 유량을 얻게 설정될 수 있는 신규하고 개선된 압축 스윙 흡착 장치(산소 농축기)를 제공함으로써 전술한 해로운 효과를 제거한다. 그것은 흡착기를 통과하는 제품 가스의 가변 양을 유량과 무관하게 역흐름방향으로 제어하여서, 유용한 농도 범위로부터 소망하는 농도의 제품 가스를 제조하는 가변 제어 수단을 장치내에 제공함으로써 달성된다. 제품 가스의 소망하는 농도가 독립적으로 달성되면, 장치가 제품 가스의 농도와 무관하게 제품 가스의 유량을 제어할 수 있다.
본 발명의 상기 및 기타 목적과 특징 및 잇점은 첨부 도면과 관련된 이하의 설명으로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1a는 고도로 농축된 제품 가스를 제조하도록 설계된 흡착기를 통하여 전진할 때 공기내의 N2 농도에 대한 그래프(종래 기술),
도 1b는 보다 낮게 농축된 제품 가스를 제조하도록 설계된 흡착기를 통하여 전진할 때 공기내의 N2 농도에 대한 그래프(종래 기술),
도 1c는 도 1b에 도시된 흡착기로부터 제조된 제품 가스의 농도 범위에 대한 그래프(종래 기술),
도 2는 본 발명에 따른 산소 농축기의 유량 연결부와 작동 요소를 도시하는 개략도,
도 3은 도 2의 연결부와 작동 요소를 갖는 산소 농축기의 정면도,
도 4는 상이한 소망하는 농도의 제품 가스를 제조하도록 설계된 흡착기를 통하여 전진할 때 가스 혼합물내의 N2 농도에 대한 그래프,
도 5는 도 1c에 도시한 그래프와 관련하여 도 2에 도시한 흡착기로부터 제조된 결과적인 제품 가스 농도 범위의 그래프,
도 6은 도 2의 산소 농축기의 전기 시스템의 개략도.
이제 우선 도 2 및 도 3을 참조하면, 압축 스윙 흡착에 의해서 가스 혼합물로부터 적어도 하나의 구성요소 및 성분을 분류하기 위한 본 발명에 따른 압력 스윙 흡착 장치의 실시예(일괄하여 20으로 도시됨)가 도시된다.
도 2를 참조하면, 작동 요소(30)의 조립체를 통하여 기체 공기 혼합물이 장치(20)로 공급된다. 요소(30)는 초기에 흡입 공진기(58)의 입구(22)로 공급 가스 스트림을 수용하여서 공급 스트림의 흡입에 대한 노이즈를 감소시킨다. 공급 스트림은 공진기 출구(23)를 통과해서 배관(106)을 통하여 펌프 또는 압축기 조립체(24)로 이동한다. 열 교환기(108)와 압축기(110)를 포함하는 압축기 조립체(24)가 공급 스트림을 조립체 배관(107)을 통하여 밸브 블록(64), 특히 제 1 공급 밸브(116)로 이동시킨다.
공급 밸브(116)로부터 배관(128)을 통과한 공급 스트림이 순흐름방향으로 제 1 흡착기(62)의 입구(82a)로 들어간다. 흡착기(62)에 있는 동안 공급 스트림은 제품 가스의 소망하는 농도로 분류된다. 그 다음에 제품 가스는 제 1 흡착기(62)의 출구(84a)를 통하여 제품 매니폴드 조립체(66)로 전진한다.
제품 매니폴드(66)에 있는 동안 제품 가스는 3방향으로 배향하는 제어가 가능하다. 제 1 방향은 T자 연결부(140)와 배관(138)을 통과하여 제품 균압 밸브(136)로 향한다. 제 2 방향은 T자 연결부(140)와 배관(144)을 통과하여 퍼지 오리피스(144)로 향한다. 마지막 방향은 T자 연결부(140, 160)와 배관(138, 158)을 통과하여 제 2 퍼지 루프(156), 특히 종래의 농축 밸브(93)로 향한다. 퍼지 오리피스(144)가 개방되고 농축 밸브(93)가 폐쇄되면 제품 가스의 농도는 도 1a에 도시한 것과 같이 높을 것이다. 본 발명에 있어서는, 퍼지 오리피스(144)와 농축 밸브(39)가 개방되어 제품 가스의 농도를 독립적으로 제어한다. 특히, 오리피스(144) 및 밸브(93)는 MTZ(10)의 위치[가능한 위치로는 선(10a, 10b 및 10c)과 화살표(164)로 표시한 것과 같이 이들 선 사이의 변화가 있다]와, 도 4에 도시한 것과 같이 제 2 흡착기(60)의 물 영역(6), 그리고 도 5에 도시한 것과 같이 제품 가스의 농도 범위를 제어한다.
도 2를 참조하면, 제품 가스중 소량이 퍼지 오리피스(144, 146) 및 T자 연결부(150, 142)를 통하여 전진하고, 밸브(93) 및 T자 연결부(162, 142)를 통과하여 전진한 제품 가스는 제 2 흡착기(60)의 출구(84b) 및 입구(82b)를 통하여 역방향으로 배향된다. 역방향 제품 가스는 도시한 바와 같이 흡착기(60)를 퍼지하고 퍼지된 질소와 함께 배관(130)을 통하여 밸브 블록(64), 특히 배출 밸브(122) 및 배출 소음기(126)로 전진하여 도시된 바와 같이 배출된다. 퍼지 오리피스(144)를 통하여 전진한 제품 가스의 기타 및 유용한 부분은 T자 연결부(150)를 통하여 유량 제어 조립체(68)로 배향된다.
유량 제어 조립체(68)내에는 혼합 탱크(154), 테스트 블록 요소(169), 압력 조정기(170), 종래의 유량 제어 밸브(92), 체크 밸브(190a, 190b), 종래의 박테리아 필터(198) 및 출구 연결부(100)가 있다. 혼합 탱크(154)는 배관(152) 및 T자 연결부(150)를 통하여 제품 가스를 받아들여서 제품 가스를 소망하는 농도로 평균화시킨다. 일단 혼합 탱크(154)를 통과하고 나면 제품 가스가 배관(167)을 통과하여, 유량 제어 밸브(92)에 도달할 때까지 압력 조정기(170)로 감시한다. 제품 가스 유량은 유량 제어 밸브(92)에 의해서 독립적으로 제어되어 배관(172) 및 체크 밸브(190a)를 통하여 출구 연결부(100)로 진행한다.
흡착기(62)가 포화되고 흡착기(60)가 퍼지되면, 전술한 과정이 역전되어, 산소 농축 제품 가스를 제조하기 위하여 흡착기(60)가 사용된다. 역공정은 3가지 차이점을 제외하곤 전술한 공정과 동일하다. 첫번째 차이점은 펌프(24)로부터의 공급 스트림이 흡착기(60)를 위하여 공급 밸브(118)로 배향된다는 것이다. 제 2 차이점은 퍼지 오리피스(144)가 퍼지 오리피스(146)로 대체된다는 것이다. 마지막 차이점은 배출 밸브(122)가 배출 밸브(120)로 대체된다는 것이다. 따라서 제품 가스의 일부가 흡착기(60)로부터 퍼지 오리피스(146)를 통하여 조립체(68)로 흐르고 잔부가 밸브(136) 및 제 2 루프(156)를 통하여 역방향으로 흘러서 밸브(120) 및 소음기(126)를 통하여 질소를 퍼지한다. 공급 밸브(116, 118) 및 배출 밸브(120, 122)는 솔레노이드 밸브 쌍이다. 각 쌍에 있어서는, 각 흡착기(60, 62)를 통과하는 가스의 방향에 따라서 하나는 개방되고 다른 하나는 폐쇄된다.
후술하는 바로부터 명백한 바와 같이, 압력 스윙 흡착을 하여 공기를 분류함으로써 산소가 풍부한 스트림을 제조하는 것과 관련한 장치(20) 및 요소(30)를 특정하게 기술하고 도시한다. 따라서 장치(20)로 공급된 공급 스트림은 압축된 대기 공기이다. 전술한 설명은 소망하는 농도의 산소 제품 가스를 제조하는 것에 국한되지만, 당업자라면 이러한 압력 스윙 흡착 장치를 이용하여 다른 가스를 제조할 수도 있을 것이다.
도 3에 도시한 산소 농축기(20)는 보호 하우징(28)을 지지하는 베이스(26)를 구비한다. 상기 보호 하우징(28)은 제거가능한 후방 패널(도시하지 않음), 제거가능한 전방 패널(38), 제거가능한 좌측 패널(40) 및 제거가능한 우측 패널(42)을 갖는 캐비넷 조립체(34)를 규정한다. 베이스(26)는 고정형 중앙 지지 구조체를 구비하는데, 이 지지 구조체는 그것에 요소(30)를 부착하기 위한 지지 판을 형성한다. 고정형 상측 전방 패널(48)은 제어 패널(50)을 보유한다. 농축기(20)의 전방측에 있는 작동 요소(30)는 흡입 공진기(58), 압축기 조립체(24), 제어 패널(50), 한쌍의 흡착기(60, 62) 및 제품 유량 제어 조립체(68)를 구비한다. 농축기의 후방측에 있는 작동 요소(30)는 한쌍의 흡착기(60, 62), 밸브 블록(64), 제품 매니폴드 조립체(66), 제품 유량 제어 조립체(68) 및 회로 기판(70)을 구비한다. 이들 요소의 기능은 후술한다.
각 흡착기(60, 62)는 지지 구조체에 부착된 실질적으로 길다란 용기를 구비하며, 그것을 통하여 진행하는 공기로부터 질소를 흡착하기에 적합한 흡착 물질 층으로 거의 채워진 내부 공동(cavity)을 갖는다. 더구나, 각 흡착기(62 또는 60)는 대응하는 흡착기 용기(80a 또는 80b)의 각 하단부 및 상단부에 인접한 입구(82a 또는 82b) 및 출구(84a 또는 84b)를 구비한다. 각 흡착기(60 또는 62)의 입구 및 출구는 흡착 물질의 층을 통하여 서로 유체 연통하고 있다. 따라서 각 흡착기 입구(82a 또는 82b)내로 배향된 공기는 흡착 물질에 대하여 노출되고, 그럼으로써 공기내의 질소가 흡착되고, 다음에 결과적인 산소 농축 제품 가스는 출구(84a 또는 84b)를 통하여 대응하는 흡착기를 빠져 나온다.
흡착기(60, 62)의 흡착 층은 알루미나 나트륨 규산염으로 알려져 있는 분자 체 물질(molecular sieve material)과 같은 임의의 다수의 흡착 물질로 구성될 수도 있다. 특징적으로, 흡착 물질은 대응하는 흡착기(60 또는 62)를 통해서 입구(82a 또는 82b)로부터 출구(84a 또는 84b)로 진행된 공기로부터 질소를 흡착해서, 흡착기 출구(84b 또는 84a)를 빠져 나온 제품 산소 가스가 소망하는 농도의 산소 가스가 되게 한다. 또한, 흡착 물질은 흡착 물질을 재생하기 위한 목적으로 퍼지 가스가 흡착기(60 또는 62)를 통하여 역방향으로 흐를 때 흡착된 질소를 해방시킨다. 다른 흡착기(60 또는 62)가 재생을 행하는 동안에, 다른 하나의 흡착기(60 또는 62)만이 흡착을 행한다. 재생 효율을 증가시키기 위하여, 흡착을 수행하는 흡착기(60 또는 62)에 의해서 제조된 제품 가스의 양을 이용하여, 재생을 행하는 다른 흡착기를 퍼지한다.
압축기 조립체(24)의 바로 뒤에는 도 6에 개략적으로 도시한 종래의 팬(63)이 위치되어 후방 패널(도시하지 않음)상에 위치된 통기 오리피스(도시하지 않음)를 통하여 장치(20)내로 공기를 흡인한다. 이 공기는 장치(20)를 통하여 순환해서 요소(30)를 냉각하고 이 공기의 일부는 흡입 공진기(58)의 흡입구(22)로 흡인된다.
도 3에 도시한 바와 같은 제어 패널(50)은 종래의 유량 제어 밸브(92)와 종래의 농축 밸브(93)(오리피스 사이즈가 상이한 에섹스(Essex) 밸브 모델 제 FM023-1 호와 같은 것이 있음), 시간 측정기(94), 회로 차단기(96), 온/오프 스위치(98), 출구 연결부(100) 및 보조 산소 연결부(102)와 같은 패널 기구(90)를 포함한다. 이들 패널 기구에 대해서는 후술할 것이다.
많은 이들 패널 기구(90)와 작동 요소(30)가 회로 기판(70)에 전기적으로 접속된다. 도 6에 도시되고 후술하는 회로 기판(70)이 절연된 격리 애자에 의해서 지지 구조체에 장착된다.
도 2에 도시한 제품 매니폴드 조립체(66)는 균압 밸브(136), 배관(138, 148, 158), 퍼지 오리피스(144, 146), T자 연결부(140, 142, 150, 160, 162) 및 농축 밸브(93)를 구비한다.
제품 유량 제어 조립체(68)는 배관(152, 167, 172), 혼합 탱크(154), 테스트 블록 요소(169), 압력 조정기(170), 유량 제어 밸브(92), 체크 밸브(190a, 190b) 및 출구 연결부(100)를 구비한다.
전술한 바와 같이 흡입 공진기(58)가 입구(22)를 통하여 공기를 받아 들일 때 장치(20)의 작동이 개시된다. 공진기(58)는 조립체 배관(106)에 의해서 압축기 조립체(24)에 연결된다.
도 2에 도시하는 바와 같이, 압축기 조립체(24)는 열 교환기(108), 압축기(110), 릴리프 밸브(112) 및 고압 스위치(124)와 같은 종래의 요소를 구비한다. 밸브(112)는 배관(106)을 통하여 압축기(110)에 작동적으로 연결된다. 작동시, 밸브(112)는 압축기(110)로 공급되는 공기의 압력을 사전결정된 압력으로 제한한다. 유사하게, 고압 스위치(124)는 열 교환기(108)에 작동적으로 연결되어, 공급 스트림 압력을 사전결정된 한계값으로 제한한다. 고압 스위치(124)는 밸브 블록(64)내의 고압을 표시하는 종래의 스위치이다. 표시기는 소리에 의한 것일 수도 있고 시각에 의한 것을 수도 있으며 양자일 수도 있다. 시각에 의한 표시기는 회로 기판(70)(도 6) 상에서 발견되는 종래의 발광 다이오드 장치(132)를 통하여 보여지는 것이 통상적이다.
밸브 블록(64)은 각종 기구의 적절한 작동을 보장하는 일체화된 밸브 조정 및 출입구 조정 시스템이다. 이 기구는 한쌍의 공급 밸브(116, 118), 한쌍의 배출 밸브(120, 122) 및 배출 소음기(126)를 구비한다. 공급 밸브(116, 118)는 열 교환기(108)와 흡착기 입구(82a, 82b) 사이에 연결된다. 이와 관련하여, 배관(128, 130)의 2개의 부분이 밸브 블록(64)으로부터 흡착기 입구(82a, 822b)로 적절히 연장된다.
배출 밸브(120, 122)는 흡착기 입구(82a, 82b)와 상호 연결되어, 배관(128, 130)을 통해 소음기(127)까지 역흐름방향으로 퍼지된 가스 및 퍼지된 질소를 배향시켜서 소음기(126)를 통하여 대기중으로 방출한다. 통상 가스의 압축된 스트림을 대기중으로 방출하는 것과 관련된 소리는 소음기(126)에 의해 제거된다.
제품 매니폴드 조립체(66)는 흡착기(60, 62)의 출구(84b, 84a)로부터 제품 가스를 받아 들이며, 제품 제조 사이클 및 재생 사이클의 사이에서 흡착기(60, 62)의 내부 압력을 균압으로 하기 위한 제품 및 균압 밸브(136)를 구비한다. 제품 및 균압 밸브(137)는 배관(138) 및 T자 연결부(140, 142)에 의해서 흡착기 출구(84a, 84b)에 작동적으로 연결된다. 밸브(136)를 개방시킴으로써, 흡착기 용기(80a, 80b)가 흡착기(60, 62)의 내부 압력의 균압을 허용하는 방식으로 흡착기 출구(84a, 84b)를 통하여 서로 연통한다. 밸브(136)를 폐쇄함으로써, 밸브(136)를 통한 흡착기 출구(84a, 84b) 사이의 기체 제품의 흐름이 방지된다.
게다가 도 2를 참조하면, 한쌍의 퍼지 오리피스(144, 146)가 T자 연결부(140, 142)와 제 3 T자 연결부(150) 사이의 배관 섹션(148)에 의해서 제품 균압 밸브(136)에 평행 흐름 관계로 연결된다. 작동시, 오리피스(144, 146)는 최적의 고농도 제품 산소 가스를 얻기 위하여 역으로 흡착기(60, 62)를 통과하는 제품 산소 가스의 퍼지 흐름을 제한한다. 도 5에 도시한 바와 같이 농축 밸브(93), 제품 산소 가스 압력 이탈(product oxygen gas pressure excursion)과만 관련하여 오리피스(144, 146)가 감쇠되어, T자 연결부(150)를 통해서, 혼합 탱크(154)에 연결되어 있는 배관(152)으로 진행한다.
본 발명에 따르면, 흡착기(60, 62)의 내부 압력을 균압으로 하는 것과 함께, 배관(138)상의 T자 연결부(160, 162)에 의해서 퍼지 오리피스(144, 146) 및 제품 균압 밸브(136)로 평행 흐름 관계로 연결된 퍼지 배관(158)의 부분을 구비하는 제 2 퍼지 루프(156)가 도시된다. 퍼지 배관(158)에는 농축 밸브(93)가 상호 연결된다. 밸브(93)는 최소 유량으로부터 최대 유량까지에 걸쳐 있는 다수의 오리피스를 포함한다. 그것은 제품 가스의 상이한 소망하는 농축을 얻기 위하여 변경될 수 있다. 하기의 표 1에 있어서, 문자(A-G)는 퍼지 루프(156)내의 제품 가스의 상이한 양을 제공하는 각종 오리피스 사이즈를 나타내는데, A는 최대이고 G는 최소이다.
흡착기(60, 62)중 하나의 재생 작동중, 농축 밸브(93)는 수동으로, 또 경우에 따라서는 자동으로, 어떤 양의 제품 산소 가스가 흡착기(62, 60)의 출구(84a, 84b) 사이에서 이동하도록 설정될 수 있다. 농축 밸브(93)를 통하여 흐르는 제품 산소 가스의 양이 증가하면, 흡착기의 MTZ(10)은 도 4에 도시한 바와 같이 선(10c)까지 제어가능한 방식으로 흡착기(2)의 층을 통하여 퍼져 나가고 이와 동시에 물 영역(6)이 안정화된다. 다시 말해서, 밸브(93)를 통하여 흐르는 제품 가스의 양이 감소하면 흡착기의 MTZ(10)이 유사하게 선명해지지만 도 1a에 도시한 바와 같이 95%의 산소 스트림과 동일하지는 않다. 그럼으로써 화살표(164)로 도시한 바와 같이 흡착기(60)의 MTZ(10)은 이용가능한 농도 범위로부터 결과적인 소망하는 농도의 제품 산소 가스를 제조하도록 제어가능하다. 결과적인 제품 산소 가스는 도 5에 도시한 바와 같이 가스의 압력 이탈을 감소시킴으로써 관리가능하고 제어가능한 농도를 가지며, 이것은 후술하는 제품 유량 제어 조립체(68)를 통하여 추가로 제어할 수 있다.
제품 산소 가스가 도 2에 도시하는 것과 같이 제품 매니폴드 조립체(66)를 빠져 나갈 때 제품 가스는 혼합 탱크(154)를 통하여 유량 제어 조립체(68)로 진입해서 제품 가스의 농도를 평균화시킨다. 게다가 혼합 탱크(154)는 예를 들면 흡착기(60, 62)에 사용된 것과 같은 흡착 물질을 수용하여, 제품 가스 내에서 질소가 평균화되도록 할 수 있다.
제품 유량 제어 조립체(68)의 나머지는 그것을 통하여 흐르는 제품 산소 가스를 수용하기 위하여 배관(167)을 통해서 혼합 탱크(154)에 연결된다. 제품 유량 제어 조립체(68)는 도 6에 도시하는 바와 같이 유량 제어 밸브(92), 소망하는 농도 범위를 유지시키는 압력 조정기(170), 및 테스트 블록 요소(169)를 포함한다. 테스트 블록 요소(169)는 배관(167)내의 사전선택된 위치에서 제품 산소 가스의 압력을 감지하기 위한 저압 스위치(168) 및 고압 스위치(124)를 구비한다. 스위치(168, 124)는 제어 패널(50)과 상호 연결된다.
밸브(92, 93)는 많은 각종 오리피스 사이즈를 각기 포함한다. 이들 오리피스 사이즈는, 제품 산소 가스의 흐름을 제어하거나 또는 바람직하게는 표 1에 도시한 바와 같은 범위내에서 약 95.5％ 산소로부터 약 21％의 산소까지 농축 밸브(93)와 관련하여 범위가 설정된 소망하는 농도의 제품 산소 가스를 얻도록 수동으로 (또 경우에 따라서는 자동으로) 설정될 수 있다.
표 1
농축 ％ O2 농도(유량 제어 밸브)
밸브 리터/분
위치 06 07 08 09 10 11 12 13 14 15
A 77 72 67 62 56 53 50 48 46 45
B 57 55 54 53 51 50 48 47 45 44
C 51 50 49 47 47 46 45 44 44 43
D 46 46 45 44 44 43 42 42 42 41
E 43 43 42 42 42 41 40 40 39 39
F 41 41 41 40 40 39 39 39 39 39
G 40 40 39 39 39 38 38 37 37 37
유량 제어 밸브(92)의 방출측 또는 하류측에는 패널(50)상의 출구 연결부(100)에 연결되어 있는 배관(172) 부분이 부착되며, 그것을 통하여 제품 산소 가스가 농축기(20)를 빠져 나간다.
도 2 및 도 6에 도시한 바와 같이 농축기(20)의 밸브 조정 수단을 배열 설명함에 의하여 산소 농축기(20)의 작동을 간단하게 기술할 수 있다. 농축기(20)의 출발부에서는, 회로 기판(70)에 인쇄되어 있는 종래의 스위치 및 중계 스위치의 타이밍 기구를 통하여 밸브(116, 118, 120, 122 및 136)가 개방되어 배압을 제거한 다음에 폐쇄된다. 그것에 의해서 입구(22)를 통해 농축기(20)로 진입한 소오스 공기는 흡착기(62)에 의해서 그것의 입구(82a)로부터 그것의 출구(84a)로 순흐름방향으로 배향된다. 흡착기 출구(84a)로부터 방출된 소정 양의 산소[선택된 농축 밸브(93)의 오리피스 사이즈에 따라 달라짐]는 밸브(93)를 그리고 부분적으로는 오리피스(144, 146)를 역흐름방향으로 통과한 후에 흡착기(60)에 의해서 그것의 출구(84b)로부터 입구(82b)를 통과하고 타이밍 기구에 의해서 개방되는 배출 밸브(122)를 통과한다. 소망하는 산소 농도를 갖는 결과적인 제품 가스의 잔부는 혼합 탱크(154)로 반송된다.
흡착기(62)가 질소로 대략적으로 포화될 때까지 그 작동이 계속된다. 흡착기가 대략적으로 포화되었는지의 판단은 사전결정되는데, 각종 밸브(116, 118, 120, 122, 136)를 제어하는 타이밍 기구에 의해서 제어된다. 그러한 것이 흡착기(62)에 발생하면 공급 밸브(116) 및 배출 밸브(122)가 폐쇄되고 균압 밸브(136)가 개방되어 흡착기(60, 62)의 내부 압력을 균압으로 되게 한다. 흡착기 압력이 균압으로 되면, 균압 밸브(136)가 폐쇄되고, 흡착기(60)를 위한 공급 밸브(118)와 흡착기(62)를 위한 배출 밸브(120)가 개방된다. 그럼으로써 입구(22)를 통하여 농축기(20)로 진입한 소오스 공기는 흡착기(60)에 의해서 그것의 입구(82b)로부터 그것의 출구(84b)로 순흐름방향으로 배향된다. 유사하게 흡착기 출구(84b)로부터 방출된 소정 양의 제품 가스[선택된 농축 밸브(93)의 오리피스 사이즈에 따라 달라짐]는 밸브(93) 및 오리피스(144, 146)를 역흐름방향으로 통과한 후에 흡착기(62)에 의해서 그것의 출구(84a)로부터 입구(82a)를 통과하고 배출 밸브(120)를 통과한다. 결과적인 제품 산소 가스는 밸브(93)의 설정에 따라서 소망하는 산소 농도를 갖는다.
흡착기(60)가 대략적으로 포화되고 퍼지되면, 공급 밸브(118) 및 배출 밸브(120)가 폐쇄되고 균압 밸브(136)가 개방되어 흡착기(60, 62)의 내부 압력을 균압으로 되게 한다. 그 지점에서 작동 사이클이 반복되어 균압 밸브(136)가 폐쇄되고 공급 밸브(116) 및 배출 밸브(122)가 재개방된다. 그 다음에는 하나의 흡착기가 산소가 풍부한 제품 가스를 제품 제조 사이클로 제조하는 동안 다른 흡착기는 재생 작동으로서 흡착된 가스를 퍼지하고 있으며, 그 역의 과정도 수행된다.
전술한 공급, 배출 및 균압 밸브의 각각은 밸브로의 전력의 전환 또는 차단에 반응하는 솔레노이드형 밸브인 것이 바람직하다. 각종 제품 제조 및 재생 작동의 제어는 공급, 배출 및 균압 밸브를 개방 및 폐쇄를 적절히 배열함으로써 수행된다. 농축기(20)에 있어서, 그들 밸브의 제어는 회로 기판(70)상에 인쇄되어 있는 종래의 스위치 및 중계 스위치의 타이밍 기구에 의해서 이루어진다. 타이밍 기구는 사전결정된 기간의 끝에서 밸브 온과 오프를 전환시키기 위하여 밸브에 작동적으로 연결된다. 그러므로 공급, 배출 및 균압 밸브의 각각을 개방 및 폐쇄하는 시간의 양을 자동적으로 제어하는 것에 의하여, 제품 제조 및 재생 작동이 농축기(20)내에서 자동적으로 제어된다.
도 6에 도시한 바와 같이, 회로 기판(70)상에 인쇄된 타이밍 기구는 종래의 회로소자를 통하여 상기 각종 밸브 및 당업자에게 알려져 있는 스위치를 제어한다. 회로 기판(70)은 발광 다이오드 표시 장치(132)에서와 같이 배터리 유닛(173) 및 버저(174)에 연결된다. 버저(174)는 스위치(124, 168)에 연결된다. 보통은 전기 플러그(176) 및 2차 외부 전원(177)과 같은 전기 접속부를 통하여 전력이 공급된다. 플러그(176) 및 전원(177)은 도시한 바와 같이 접속부(179)를 통하여 서로 연결된다. 전력은 회로 차단기(96) 및 마스터 전원 스위치(98)를 통하여 회로 기판(70)으로 공급된다. 그 다음에 회로 기판(70)은 밸브(116, 118, 120, 122, 136), 패널 기구(90), 일련의 고온 차단 스위치(122)를 갖는 압축기 조립체(24), 및 공기 순환 팬으로 배향되어 그것을 제어한다. 비상의 경우를 대비해서 장치(20)는 회로 기판(70)에 전기적으로 접속되어 있는 배터리 유닛(173)을 갖는다. 배터리 유닛(173)이 작동하고 있을 때 버저(174)는 사용자에게 경고음을 보낸다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 전기 회로소자는, 작동 시간과 설정을 결정하고 밸브가 회로 기판(70)에 접속되어 있는 경우 관리자가 밸브(116, 118, 120, 122)의 설정과 선택적으로는 밸브(92, 93)의 설정을 제어할 수 있게 하는 종래의 모뎀 시스템(도시하지 않음)에 접속될 수 있다.
하우징 수단(28)은 종래의 소음 재료로 제조될 수 있으며, 휴대를 위하여 베이스(26)가 도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이 휠(178, 180)을 가질 수 있다.
본 발명의 범주를 이탈함이 없이 전술한 실시예에 대하여 각종 변경 및 대체가 이루어질 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서 전술한 실시예는 예시의 목적으로 기술한 것이며 제한의 목적은 아니다.

Claims (29)

  1. 2개 이상의 성분 가스로 이루어진 가스 혼합물내에서 성분 가스의 상대적인 농도를 변경하기 위한 압력 스윙 흡착 장치에 있어서,
    (a) 적어도 2개의 흡착기로서, 각각의 흡착기는 2개의 단부를 구비하고, (i) 상기 흡착기의 일 단부에서 상기 가스 혼합물을 수용하기 위한 수단과, (ii) 상기 가스 혼합물을 흡착기를 통하여 순흐름방향으로 이동시키기 위한 수단과, (iii) 제품 가스를 제조하기 위하여 상기 가스 혼합물내에 상기 성분 가스중 하나의 적어도 실질적인 부분을 흡착하기 위한 물질 이동 영역을 구비하는 복수개의 가스 이동 영역을 규정하는 수단과, (iv) 상기 가스 혼합물을 상기 단부중 다른 단부를 통하여 방출하기 위한 수단을 포함하는, 상기 적어도 2개의 흡착기와,
    (b) 상기 가스 혼합물을 상기 흡착기 수용 수단의 각각으로 교대로 배향시키기 위한 수단과,
    (c) 상기 흡착기의 다른 단부의 각각을 통하여 순흐름방향으로 방출된 상기 제품 가스의 유용한 부분을 수용하기 위하여 방출 수단 양자에 유체적으로 연결된 수단과,
    (d) 하나의 흡착기로부터 순흐름방향으로 흐르는 제품 가스의 사전결정된 부분을 지향시키고, 역흐름방향으로 다른 흡착기를 통해, 상기 다른 흡착기의 다른 단부로부터 일 단부로 흐르도록 하고, 상기 다른 흡착기에 의해 흡착된 상기 하나의 성분 가스를 상기 다른 흡착기의 일 단부를 통해 퍼지 및 배출하도록 하는, 양자의 흡착기의 다른 단부를 유체적으로 접속하는 퍼지 수단을 포함하며,
    (e) 상기 사전결정된 부분에 추가로, 상기 일 단부로부터 배출된 제품 가스의 가변 부분을 선택적으로 전환함으로써 상기 수용 수단에 전달된 제품 가스중의 성분 가스의 농도를 선택적으로 변경하고, 상기 다른 흡착기를 통하여 역흐름방향으로 흐르도록 하여 상기 하나의 흡착기내의 적어도 물질 이동 영역의 위치를 제어하도록 하고, 상기 수용 수단에 의해 수용된 제품 가스중의 다른 성분 가스의 다수의 농도로부터 선택된 하나의 농도의 가스를 제조하도록 하는, 상기 흡착기에 유체적으로 접속된 조정가능한 영역 제어 수단을 더 포함하는
    압력 스윙 흡착 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 조정가능한 영역 제어 수단이, 선택된 양의 추가의 제품 가스를 전환시키기 위한 사이즈의 오리피스를 형성하는 밸브 수단과, 각종 오리피스 사이즈로부터 오리피스 사이즈를 선택하기 위한 수단을 포함하는
    압력 스윙 흡착 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    제품 가스의 유량을 제어하기 위한 수단을 더 포함하는
    압력 스윙 흡착 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 조정가능한 영역 제어 수단이, 선택된 양의 추가의 제품 가스를 전환시키기 위한 사이즈의 오리피스를 형성하는 밸브 수단과, 각종 오리피스 사이즈로부터 오리피스 사이즈를 선택하기 위한 수단을 포함하는
    압력 스윙 흡착 장치.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 조정가능한 영역 제어 수단 및 유량 제어 수단은, 약 95.5％ 내지 약 21％의 범위에서, 상기 수용 수단에 수용된 제품 가스의 일부분내의 다른 성분 가스의 농도를 선택적으로 변경시키는
    압력 스윙 흡착 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 농도의 범위는 약 77％ 내지 약 37％인
    압력 스윙 흡착 장치.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 유량 제어 수단은 약 6리터/분 내지 약 15리터/분의 범위로 상기 제품 가스의 선택된 유량을 제조하는
    압력 스윙 흡착 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    각각의 상기 흡착기의 가스 이동 영역중 하나는, 상기 가스 혼합물내의 물의 대부분을 흡착하기 위한 물 흡착 영역을 포함하고, 상기 조정가능한 영역 제어 수단은 상기 물 흡착 영역을 더욱 안정화시키는
    압력 스윙 흡착 장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    하나의 성분 가스는 질소를 포함하고, 다른 성분 가스는 산소를 포함하는
    압력 스윙 흡착 장치.
  10. 적어도 2가지의 기체 성분으로 이루어진 가스 혼합물내에서 적어도 하나의 성분 가스의 일부를 흡착하기 위한 물질 이동 영역을 각기 갖는 적어도 2개의 복수 영역 흡착기를 갖는 압력 스윙 흡착 장치에서, 다른 성분 가스의 소망 농도를 갖고 제품 가스내의 다른 성분 가스의 상이한 농도중 하나로부터 선택된 제품 가스를 제조하도록 한 다른 성분 가스의 상대 농도를 선택적으로 변경하는 방법에 있어서,
    사전결정된 유량으로, 상기 제품 가스를 제조하기 위해 상기 흡착기의 각각을 통하여 순흐름방향으로 교대로 이동시키고, 상기 하나의 성분 가스의 적어도 실질적인 부분을 흡착함으로써 상기 제 2 흡착기를 퍼지하기 위해 다른 흡착기를 통해 역흐름방향으로 상기 제품 가스를 이동시키는 단계와.
    상기 다른 흡착기로부터 흡착된 하나의 성분 가스를 충분히 퍼지하도록 상기 다른 흡착기중 하나에 의해 제조된 상기 제품 가스의 사전결정된 부분을 이동시키는 단계와,
    상기 사전결정된 부분에 추가로, 상기 하나의 흡착기로부터 상기 제품 가스의 가변 부분을 상기 다른 흡착기로 전환시키고, 유량과는 무관하게 물질 이동 영역의 위치와 상기 하나의 흡착기의 하나의 성분 가스의 흡착량을 제어함으로써, 성분 가스의 선택된 농도로 제품 가스를 제어하도록 하여, 상기 성분 가스의 선택된 농도로 제품 가스를 제조하는 단계와,
    상기 다른 성분 가스의 소망 농도를 갖는 상기 제품 가스의 잔여분을 수용 수단으로 전달하는 단계를 포함하는
    성분 가스의 농도 변경 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제품 가스의 가변 부분을 전환시키는 단계와 무관하게, 유량의 사전결정된 범위내에서 상기 반송된 제품 가스의 유량을 제어하는 단계를 더 포함하는
    성분 가스의 농도 변경 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 물질 이동 영역을 제어하는 단계는, 상기 전환된 제품 가스를 상기 오리피스내로 통과시키고 오리피스 사이즈를 선택하여 제품 가스의 소망하는 양을 전환시키는 단계를 포함하는
    성분 가스의 농도 변경 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 물질 이동 영역을 제어하는 단계는, 상기 전환된 제품 가스를 상기 오리피스내로 통과시키고 오리피스 사이즈를 선택하여 제품 가스의 소망하는 양을 전환시키는 단계를 포함하는
    성분 가스의 농도 변경 방법.
  14. 제 10 항에 있어서,
    제품 가스의 가변 부분을 전환시키는 단계는, 약 95.5％ 내지 약 21％의 범위내에서 상기 유용한 제품 가스내의 다른 성분 가스의 농도를 제조하는
    성분 가스의 농도 변경 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 유용한 제품 가스내의 다른 성분 가스의 농도 범위는 약 77％ 내지 약 37％인
    성분 가스의 농도 변경 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 유량의 사전결정된 범위는 약 6리터/분 내지 약 15리터/분인
    성분 가스의 농도 변경 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    각각의 흡착기는 상기 가스 혼합물내의 임의의 물을 실질적으로 흡착하는 영역을 구비하며, 상기 흡착기의 물 흡착 영역을 제어하여 안정화시키는 단계를 더 포함하는
    성분 가스의 농도 변경 방법.
  18. 2개 이상의 성분 가스로 이루어진 가스 혼합물내에서 성분 가스의 상대적인 농도를 변경하기 위한 압력 스윙 흡착 장치에 있어서,
    제 1 및 제 2 흡착기로서, 각각의 흡착기는 상기 성분 가스를 흡착기내로 유입시키고 그리고 그로부터 배출하기 위한 입구 및 출구를 형성하며, 각각의 흡착기는 물질 이동 영역을 포함하고 상기 입구와 상기 출구 사이에 배치된 복수의 가스 이동 영역을 더 형성하며, 상기 가스 혼합물내의 성분 가스중 적어도 대부분은 상기 흡착기에 의해 흡착되고, 상기 가스 혼합물의 잔여분은 다른 성분 가스중 증가된 농도의 제품 가스를 포함하는, 상기 제 1 및 제 2 흡착기와,
    각각의 흡착기를 통해 순흐름방향으로 상기 입구로부터 상기 흡착기의 출구쪽으로 그리고 역흐름방향으로 상기 출구로부터 상기 흡착기의 입구쪽으로 상기 가스 혼합물 및 상기 제품 가스를 선택적으로 흐르게 하기 위한 수단과,
    상기 제품 가스를 제조하기 위해 순흐름방향으로 상기 흡착기중 하나를 통해 교대로 상기 가스 혼합물의 흐름을 선택적으로 지향시키기 위해 상기 흐름 수단 및 상기 흡착기에 유체적으로 접속된 밸브 수단과,
    순흐름방향으로 상기 흡착기로부터 흐르는 상기 제품 가스중 적어도 일부분을 수용 탱크로 전달하기 위한 수단과 상기 흡착기의 출구에 유체적으로 결합된 수용 탱크와,
    상기 다른 흡착기의 입구를 통해, 상기 다른 흡착기로부터 상기 다른 흡착기에 의해 흡착된 성분 가스를 충분히 퍼지 및 배출하도록 상기 하나의 흡착기에 의해 제조된 상기 제품 가스의 사전결정된 부분을 역흐름방향으로 상기 다른 흡착기를 통해 흐르게 지향시키기 위해 상기 흡착기의 각각의 출력부에 유체적으로 접속된 퍼지 수단과,
    제품 가스의 사전결정된 부분에 추가로, 상기 하나의 흡착기로부터 상기 제품 가스의 가변 부분을, 상기 수용 탱크에 전달된 상기 제품 가스내의 다른 성분 가스의 다수의 선택가능한 농도로부터 소정의 하나를 제조하도록 상기 하나의 흡착기내의 적어도 물질 이동 영역의 위치를 제어하기 위해 상기 다른 흡착기의 출구로 선택적으로 지향시킴으로써, 상기 수용 탱크에 전달된 상기 제품 가스내의 성분 가스의 농도를 선택적으로 변경하기 위해 상기 흡착기에 유체적으로 접속된 조정가능한 제어 수단을 포함하는
    압력 스윙 흡착 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 수용 탱크에 전달된 상기 제품 가스내의 다른 성분 가스의 다수의 선택가능한 농도를 증가시키도록 상기 제품 가스의 유량을 선택적으로 제어하기 위한 수단을 더 포함하는
    압력 스윙 흡착 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 조정가능한 영역 제어 수단이, 오리피스를 형성하는 밸브와, 각종 오리피스 사이즈로부터 오리피스 사이즈를 선택하기 위한 수단을 포함하는
    압력 스윙 흡착 장치.
  21. 제 19 항에 있어서,
    유량을 선택적으로 제어하기 위한 수단은 약 6리터/분 내지 약 15리터/분의 범위로 상기 제품 가스의 선택된 유량을 제조하는
    압력 스윙 흡착 장치.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 수용 탱크는 혼합 탱크에 의해 수용된 상기 제품 가스내의 다른 성분 가스의 농도를 평균내도록 흡착 물질을 포함하는 상기 혼합 탱크를 포함하는
    압력 스윙 흡착 장치.
  23. 제 18 항에 있어서,
    상기 조정가능한 영역 제어 수단은, 상기 흡착기에 유체적으로 접속된 상태로 오리피스를 형성하고 추가적인 제품 가스의 일부분을 전환하는 사이즈를 갖는 밸브와, 각종 오리피스 사이즈로부터 오리피스 사이즈를 선택하기 위한 수단을 포함하는
    압력 스윙 흡착 장치.
  24. 제 18 항에 있어서,
    상기 조정가능한 영역 제어 수단의 작동을 자동적으로 제어하기 위한 수단을 더 포함하는
    압력 스윙 흡착 장치.
  25. 제 18 항에 있어서,
    상기 조정가능한 영역 제어 수단은, 약 95.5％ 내지 약 21％의 범위에서, 상기 수용 탱크에 전달된 제품 가스의 일부분내의 다른 성분 가스의 농도를 선택적으로 변경시키는
    압력 스윙 흡착 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    전달된 제품 가스내의 다른 성분 가스의 농도의 범위는 약 77％ 내지 약 37％인
    압력 스윙 흡착 장치.
  27. 제 18 항에 있어서,
    상기 가스 혼합물은 공기인
    압력 스윙 흡착 장치.
  28. 제 18 항에 있어서,
    상기 제품 가스내의 다른 성분 가스는 산소인
    압력 스윙 흡착 장치.
  29. 제 18 항에 있어서,
    각각의 흡착기는 상기 가스 혼합물내의 물의 대부분을 흡착하는 물 흡착 영역을 더 형성하고, 상기 조정가능한 영역 제어 수단은 상기 물 흡착 영역을 더욱 안정화시키는
    압력 스윙 흡착 장치.
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