KR100614848B1 - 산소농축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡착제에 압력차이를 가하여 산소를 분리하는 산소농축기에 관한 것으로, 특히 흡착베드 내의 압력이 대기압 이하에서 변동되는 진공스윙방식에 의한 공정을 겪게된다. 흡착베드는 3개 이상을 사용하며, 각 흡착베드에 혼합공기를 공급하는 밸브는 모터에 의하여 구동되는 회전밸브를 사용하게 된다. 본 발명은 종래의 두 개의 흡착베드에서 변동되는 농도와 유량변화를 크게 줄일 수 있으며, 종래의 다흡착베드 시스템에 비하여 매우 단순화 됨으로써 경제성과 크기면에서 유리하다.

다흡착베드, 진공스윙방식

Description

산소농축기{Oxygen Concentrator}

도 1 은 PSA 방식에 의한 두 개의 흡착베드를 갖는 실시예이다.

도 2 는 진공스윙방식에 의한 두 개의 흡착베드를 갖는 실시예이다.

도 3 은 본 발명에 의한 진공스윙방식에 의한 세개의 흡착베드를 갖는 실시예이다.

도 4 는 본 발명에 의한 진공스윙방식의 공정 실시예이다.

본 발명은 흡착제의 특정 기체성분에 대한 선택적인 흡착도를 이용하여, 상기 흡착제에 압력차이를 가하여 공기중으로부터 질소를 분리하여 농축된 산소부화공기를 만들어내는 산소농축기에 관한 것으로, 특히 세 개 이상의 다중 흡착베드를 가지며 진공스윙방식에 의하여 구동되는 산소농축장치에 관한 것이다.

공기 중으로부터 질소를 분리하는 산소농축기는 보통 상업적으로 기체분리막을 사용하는 방법과 제올라이트 분자체등의 흡착제에 압력차이를 가하여 분리하는 방법으로 대별된다. 기체분리막에 의한 방법은 그 장치구성이 간단하나 현재 개발된 재료의 한계상 고농도 농축이 어려우며, 흡착제를 사용하는 방법은 저농도에서 고농도의 다양한 구현이 가능하나 기본적으로 밸브와 컨트롤러의 사용등 그 장치 구성이 복잡한 단점이 있다.

흡착제에 압력차이를 가하는 방법에 따라 대기압과 그 이상의 압력 사이에서 구동되는 압축스윙흡착(Pressure Swing Adsorption,PSA) 방식과 진공압과 대기압 사이에서 운전되는 진공스윙흡착(Vaccuum Swing Adsorption,VSA) 그리고 조합방식인 VPSA 방식으로 구별되며, 보통 통틀어 PSA로 일반적으로 불리운다. 상기 PSA 방식은 보통 두 개의 흡착베드를 사용하며 솔레노이드 밸브를 사용하여 교대로 압력차이를 양쪽 흡착베드에 가함으로써 농축 산소를 만들어 내게 된다. 도 1 및 도 2는 이러한 두 개의 흡착베드를 갖는 종래 방식에 의한 실시예를 나타낸 것으로, 도 1의 실시예는 PSA 방식에 의한 것이며, 도 2의 실시예는 본 출원인에 의하여 출원된 VSA 방식에 의한 예를 나타낸 것이다.

도 1에서 필터(3)를 통과한 혼합 공기는 펌프(4)에 의하여 압축되고 밸브(2)를 통과하여 흡착베드(1) 내의 흡착제에 질소가 주로 흡착되어 산소농도가 높아진 산소부화공기는 체크밸브(6)를 통과하여 산소탱크(7)에 모이게 되고 목적공간으로 분사되게 된다. 여기서 펌프(4)는 공기압축기의 역할을 하게된다. 흡착베드(1)가 생산과정을 겪는 동안 흡착베드(1')는 재생과정을 겪게되며 흡착베드(1)에서 생산되는 일부 산소를 오리피스(5)를 통하여 공급받아 흡착제를 세정하게 되고, 불순물과 질소는 밸브(2)를 거쳐 질소배출구(8)로 배출되게 된다. 도 2는 흡착베드(1,1')가 진공압과 대기압 사이에서 운전되는 장치의 실시예로서 흡착베드(1)는 펌프(4)에 의하여 진공압을 받게되고 상기 진공압과 혼합공기의 압 력차이에 의하여 필터(3)와 밸브(2)를 거쳐 혼합공기가 흡착베드(1)로 유입되게 된다. 상기와 마찬가지로 흡착제에는 질소와 불순물이 주로 흡착되고 흡착베드(1) 상단에는 산소부화공기가 모이게 된다. 기체토출기(9)는 상기 산소부화공기를 흡입하여 목적공간으로 분사하게 되며, 다른 오리피스(10,10')를 사용하여 산소부화공기의 농도를 조절하게 된다. 밸브(2)의 유로전환에 의하여 흡착베드(1,1')는 교대로 생산과정과 재생과정을 겪게 된다.

상기와 같은 두 개의 흡착베드를 사용하는 장치는 그 압력변동이 급격히 발생하므로 농도와 유량의 변화가 클 수 밖에 없게된다. PSA에서는 이를 줄이기 위하여 산소탱크(7)를 사용하게 되며, 그 변동량을 충분히 줄이려면 보다 큰 산소탱크(7)를 사용하여야 한다. VSA에 있어서도 오리피스(10)를 조절하거나 기체토출기(9) 후단에 역시 별도의 산소탱크를 부가하여 그 변동량을 줄일 수 있으나 그 한계가 있다. 따라서, 압력변동을 완화하기 위하여 세개 이상의 흡착베드를 사용하는 방법이 사용되어 왔으며, 특히 이는 PSA에 있어서 적용되어 최근에는 12개의 흡착베드를 사용하고 밸브(2)는 솔레노이드 밸브가 아닌 모터를 사용하여 유로가 형성된 회전판을 구동하여 각 흡착베드에 혼합공기를 공급하는 장치가 사용되기도 한다. VSA의한 장치도 복잡한 밸브장치에 의하여 구현될 수 있으나, 구성이 복잡하고 경제성이 떨어지는 단점이 있다.

본 출원인에 의하여 제안된 도 2와 같은 단순화된 VSA의 실시예에 있어서도 다중 흡착베드를 사용할 수 있으나, 단순히 솔레노이드 밸브를 사용하는 경우는 그 밸브구성이 매우 복잡하여 지고, 상기 체크밸브(6,6')와 오리피스(5)를 종래와 같 은 구조로 구성하는 경우는 컨트롤과 전체 장치가 복잡하여 지므로 다중 흡착베드 사용을 위한 단순화된 연결구조를 갖도록 하는 것이 바람직하게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 보완하기 위한 것으로, 진공스윙방식에 의하여 구동되는 다중 흡착베드 장치를 구현하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 종래의 다중 흡착베드 장치가 갖는 다중 밸브의 사용에서 벗어나, 단순한 회전밸브와 체크밸브를 사용하고, 흡착베드간의 단순 연결구조의 오리피스를 사용함으로써 진공스윙방식에 적합한 단순화된 다중흡착베드를 갖는 산소농축장치를 구현하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명에의한 산소농축기는 대기압 이하에서 작동되며, 저진공압을 사용함으로써 진공펌프의 수명을 연장시키고 저소음을 갖는 장치로 구현됨으로써 가정 실내용으로 사용될 수 있는 산소농축기를 구현하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 혼합 공기로부터 불순물을 걸러주는 필터, 내부에 흡착제를 포함하는 용기인 3개 이상의 흡착베드, 흡착베드의 유로를 전환하기 위한 밸브, 상기 흡착베드 내에 진공압을 형성하기 위한 펌프, 흡착베드 생산측에 위치하며 흡착베드 간에 약간의 생산기체를 공급하기 위한 미세관인 오리피스, 생산기체를 일방향으로 흘려주고 흡착베드를 밀폐하여 흡착제를 보호해주기 위한 체크밸브, 생산기체와 혼합기체의 양을 적절히 조절하여 농도를 조정하기 위한 오리피스 그리고 생산된 기체를 목적공간으로 분사하기 위한 기체토출 기로 구성된다.

도 3은 VSA 공정에 의하여 구동되는 멀티베드 시스템의 실시예를 나타낸 것으로, 기본적으로 두 개의 흡착베드를 가지는 장치와 그 구성이 거의 같으며, 각 흡착베드 상단의 생산기체 생산부에는 각각 체크밸브를 가지고 있다. 그 기본적인 동작은 표준공정을 기준으로 설명된다. 흡착베드(1)를 기준으로 살펴보면, 펌프(4)와 흡착베드(1)는 밸브(2)에 형성된 유로를 통하여 연결되며, 펌프(4)는 흡착베드(1)에 진공압을 가하여 하단부터 상단에 이르기까지 점차적으로 진공압을 형성하게 되는 제 1단계 공정을 겪게 된다. 여기 밸브(2)는 솔레노이드 밸브의 경우에는 3웨이 밸브가 적어도 세 개가 필요하므로 그 구성이 복잡해지고 컨트롤러의 요소가 필수가 된다. 따라서, 흡착제를 사용하는 산소농축기의 경우에는 세 개 이상의 흡착베드를 사용하는 경우에는 모터를 사용하여 유로가 형성된 판을 회전시킴으로써 각 흡착베드와 연결하는 회전밸브가 바람직하다.

제 2 단계 공정은 흡착베드(1)가 펌프(4)와 필터(3)로 부터 차단되며, 단지 그 상단부가 다른 흡착베드(1',1'')와 미세관인 오리피스(5,5'')와 연결되어 있으므로, 상대적으로 고압인 흡착베드로부터 생산기체의 일부가 흘러들어오게 되어 흡착베드(1) 상단부로부터 점차 흡착베드(1) 내의 압력이 약간 상승하게 된다. 제 3 단계 공정은 흡착베드(1)의 하단부가 필터(3)와 연결되어 외부의 혼합공기 고유의 압력에 의하여 흡착베드(1) 내로 공기가 흡입되어 특정기체가 선택적으로 흡착되는 단계이다. 제 3단계에서 상대적으로 덜 흡착되는 산소는 체크밸브(6)와 오리피스(10)를 지나 기체토출기(9)에 의하여 목적공간으로 분사되게 된다. 여기 서 체크밸브(6)는 PSA에서 사용되는 일반적인 솔레노이드 밸브나 고압용일 필요가 없으며, 단지 개폐진공압이 낮은 단순한 체크밸브이면 가능하다. 기체토출기(9)의 개폐진공압은 낮을 수록 경제적이므로 200mmHg 이하의 개폐진공압을 갖는 고무와 같은 재질의 체크밸브가 바람직하다.

상기와 같은 표준 3 단계 공정에서 생산되는 일부 산소는 다른 흡착베드(1',1'')로 오리피스(5,5'')를 통하여 공급되어 질소 세정과 산소부압공정을 형성하게 된다. 도 4는 상기와 같은 순환공정을 세 개의 흡착베드(1,1',1'')에 대하여 순차적으로 도시한 것이다. 흡착베드(1,1',1'') 내부에 표시된 수자는 기본 공정 단계를 나타낸다. 흡착베드(1)의 제 1단계를 살펴보면, 탈착흐름(11)은 펌프(4)가 흡착베드(1)에 진공압을 가하는 단계로서 흡착베드(1)는 하단으로부터 점차 진공압이 증가하게 된다. 이 때, 흡착베드(1')는 생산단계로서 흡착베드(1') 하단부가 필터(3)에 연결되어 혼합공기가 흡착베드(1') 내부로 들어오는 흡착흐름(14)을 받게된다. 이 흐름에 의하여 불순물과 질소가 주로 흡착되고, 상대적으로 덜 흡착되는 산소는 상단부를 통하여 생산이 이루어지게 된다. 흡착베드(1')의 생산흐름(15) 중의 일부인 세정흐름(16)은 다른 흡착베드(1,1'')로 공급되어지는 산소부화공기의 흐름을 나타낸다. 이러한 세정흐름(16)은 흡착베드(1)의 세정흐름(12)으로 연결되어 탈착과정 중에 도움을 주게 된다. 점선으로 표시되며 두 방향의 화살표가 표시된 양방향흐름(13)은 본 출원인에 의해 출원된 공정의 특징으로서, 기체토출기(9)에 의해 가해지는 진공압에 의해 그 흐름이 바뀌는 시간이 달라지게 된다. 즉, 탈착흐름(11)에 의하여 흡착베드(1) 내부의 상 단부가 완전히 진공압이 걸리기 전에는 기체토출기(9)에 의한 진공압이 흡착베드(1)의 상단부의 진공압보다 더 클경우에는 양방향흐름(13)은 기체토출기(9) 방향이 된다. 시간이 지나 완전히 펌프(4)에 의하여 흡착베드(1)의 상단부가 진공압을 받게되면 체크밸브(5)는 완전히 닫히게 되고, 흡착베드(1)는 세정흐름(12)이 흡착베드(1) 내부로 향하게 되어 양방향흐름(13)은 흡착베드(1) 방향을 향하게 된다.

제 2 단계는 흡착베드(1) 하단부는 닫힌 상태로 세정흐름(12)에 의하여 흡착베드(1)의 상단부가 약간 압력이 높아지게 되는 단계이며, 역시 양방향흐름(13)은 흡착베드(1) 상단부의 압력과 기체토출기(9)에 의한 압력에 의하여 결정되게 된다. 제 3 단계는 상기에서 흡착베드(1')의 생산단계를 설명한 바와 같이 흡착베드(1) 내부로 혼합공기가 유입되어 흡착제에 흡착되는 단계를 나타낸다.

상기와 같은 기본 3 단계 공정에 의하여, 세 개의 흡착베드(1,1',1'')는 연속적으로 산소부화공기를 생산하게 되며, 세 개 이상의 흡착베드를 사용하는 경우도 동일한 공정을 겪게되나, 단지 그 압력변동이 충분한 시간을 가지고 이루어지게 되므로 농도와 유량의 편차가 줄어들게 되는 차이점이 있다. 따라서, 응용처에 따라 그 변동폭을 고려하여 멀티 흡착베드 시스템을 설계하는 것이 바람직하다.

오리피스(10,10')는 흡착베드(1,1',1'')에서 생산되는 산소부화공기의 양과 필터(3)에서 공급되는 공기의 양을 조절하여 유량과 농도를 조절할 수 있는 장치이며, 유량조절밸브를 사용할 수도 있으나 스펙이 결정되어 있을 경우에는 고정 오리피스를 사용하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 단계적으로 각 흡착베드에 혼합공 기와 펌프압을 공급하려면, 유로전환이 복잡해지므로 일반적을 모터와 회전판, 그리고 고정판에 의하여 유로를 전환하는 회전밸브를 사용하는 것이 바람직하다. 회전밸브의 기본적인 구성은 당업자 사이에 자명하며, 각 단계는 회전판과 고정판에 형성된 홈과 모터의 회전수에 의하여 그 길이가 결정되게 된다.

본 발명은 진공스윙방식에 의하여 구동되는 멀티 흡착베드 장치를 구현한 것으로, 종래의 장치에 비하여 저소음 및 저진동 그리고 농도와 유량의 편차가 적은 장치를 동시에 구현할 수 있는 효과가 있다.

본 발명에 의한 장치는 오리피스를 각 부분에서 적절히 사용하고, 종래의 회전밸브와 효과적으로 결합함으로써 전체 장치가 매우 간단히 구현되어 경제적이며 크기가 작아지는 효과가 있다.

본 발명에 의한 장치는 산업용기기가 아닌 소형 가정용 및 의료용에 적용이 가능하여 일반인이 사용할 수 있도록 구현할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 흡착제의 질소와 산소에 대한 선택적인 흡착도를 이용하여 상기 흡착제에 진공스윙방식에 의한 압력차이를 가하여 산소부화공기를 생산하는 산소농축기에 있어서,

   상기 산소농축기는 상기 흡착제를 포함하는 적어도 세 개이상의 흡착베드를 구비하고,

   상기 흡착베드와 연결되어 혼합공기로부터 불순물을 걸러주는 필터와,

   상기 흡착베드에 진공압을 가하여 주는 펌프와,

   상기 필터와 상기 펌프를 선택적으로 상기 흡착베드에 연결하여 유로를 전환하여 주는 밸브와,

   상기 각 흡착베드의 산소부화공기 생산단인 상단에 각각 설치된 체크밸브와,

   상기 각 흡착베드의 상단에 연결되며 어느 하나의 흡착베드에서 발생된 산소부화공기를 다른 두 개의 흡착베드로 일부 공급하기 위한 미세관으로 이루어진 오리피스와,

   상기 흡착베드와 체크밸브를 통과한 산소부화공기를 목적공간으로 분사하는 기체 토출기를 포함하며,

   각 흡착베드는 상기 펌프에 의하여 내부가 진공압을 받는 탈착단계인 제 1 단계와, 상기 필터와 상기 펌프와의 연결이 차단되고 주변의 흡착베드에서 생산된 일부 산소부화공기가 베드 상단으로 공급되는 제 2 단계와, 혼합공기가 흡착베드로 유입된 후 질소가 흡착되어 산소부화공기가 생산되는 제 3 단계로 이루어진 일련의 공정이 순차적으로 순환되며 진행되는 것을 특징으로 하는 산소농축기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 단계 시에 흡착베드의 상단부는 기체토출기에 의한 진공압과 펌프에 의해 가해진 흡착베드 내의 진공압의 차이에 의하여 유체흐름 방향이 결정되며, 제 2 단계와 제 3 단계에서도 흡착베드의 상단부의 압력과 기체토출기에 의한 진공압 차이에 의하여 그 흐름이 결정되어 두 개 이상의 흡착베드로부터 생산이 발생하는 것을 특징으로 하는 산소농축기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 체크밸브는 200mmHg 이하의 진공압에서 개폐가 가능한 것을 특징으로 하는 산소농축기.

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