KR100861550B1 - 유량제어밸브를 통해 기체의 농도를 제어하는 농축기체발생장치 및 농축기체 발생방법 - Google Patents

Abstract

종래의 PSA 방식을 개량함으로써, 산소 또는 질소 농축 방법에서의 단점들을 개선하고, 종래의 농축기체 발생장치에 비하여 효율적이며, 흡착제의 선택에 따라 공기 중 산소 또는 질소를 선택적으로 농축할 수 있고, 최종 생성된 농축기체의 농도 및 유입량을 선택적으로 조절할 수 있는 개선된 형태의 농축기체 발생장치가 개시되어 있다. 이를 위하여, 공기흡입구, 공기압축기, 에어 레귤레이터, 제 1 압력계, 공급밸브, 흡착탑, 순환밸브, 유량제어밸브, 배출밸브, 저장탱크, 압력스위치, 및 제어부를 포함하는 농축기체 발생장치 및 농축기체 발생방법을 제공한다. 본 발명에 의하면, 공기 중의 산소의 농도가 90% 이상 또는 공기 중의 질소의 농도가 99.99% 이상이 되는 농축기체를 제조하기 위해 사용되는 총 공기량이 종래의 농축기체 발생장치보다 약 10% 이상 저하되어 제조시간 및 제조비용이 실질적으로 감소된다. 또한, 사용환경에 따라 흡착제를 선택하여 농축된 산소 또는 질소를 선택적으로 생성할 수 있다. 그리고, 흡착탑을 통과한 농축기체의 유량을 조절하여 최종 생성된 농축기체의 농도 및 유입량을 선택적으로 조절할 수 있는 효과가 있다.

Description

유량제어밸브를 통해 기체의 농도를 제어하는 농축기체 발생장치 및 농축기체 발생방법{APPARATUS FOR GENERATING CONCENTRATED GAS BEING CAPABLE OF CONTROLLING CONCENTRATION OF GAS BY USING FLOW CONTROL VALVE AND METHOD OF GENERATING CONCENTRATED GAS BY USING THE SAME}

본 발명은 PSA 방식을 이용한 농축기체 발생장치 및 농축기체 발생방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기 중의 특정기체에 대하여 선택적인 흡착성을 가지는 흡착제를 사용하여 특정기체를 분리함으로써 공기 중 상기 특정기체가 제외된 농축기체를 생산하고, 상기 농축기체 중 일부를 유량제어밸브를 통해 순환시켜 다른 흡착탑을 재생시킴으로써 최종 생산된 농축기체의 농도 및 유입량을 선택적으로 조절할 수 있는 농축기체 발생장치 및 농축기체의 제조방법에 관한 것이다.

오늘날 농축기체 발생장치는 여러 곳에서 다양한 용도로 사용되고 있다. 가장 흔하게는, 사무실이나 일반 가정의 밀폐된 공간에 산소를 공급함으로써 현대인의 일상생활에서 쌓인 피로의 회복 및 세포의 활성화를 돕기 위한 것이 있고, 병원 의 수술실이나 구급차 등에서는 환자에게 산소를 공급하기 위한 의료용 산소발생장치가 사용되고 있다. 또한, 밀폐된 자동차 내에 산소를 공급하기 위한 자동차용 산소발생장치, 잠수부의 공기탱크충전용 산소발생장치, 및 폐수처리장이나 양식장 등에서 사용하기 위한 산소발생장치를 비롯하여, 여러 종류의 산소발생장치가 사용되고 있다.

이들 소규모로 사용되는 산소발생장치는, 공기로부터 질소와 산소를 분리하는 제올라이트 흡착베드를 포함하는 흡착탑, 공기압축, 저장, 유출에 관련하는 작동부와, 밸브를 개폐하기 위한 제어부 및 이들을 결합하기 위한 배관부로 구성되어 있다.

이러한 산소발생장치는 상기 산소발생장치 내로 공급된 압축 공기로부터, 흡착력의 차이로 인하여 상대적으로 우세한 양의 질소가 상기 흡착베드 내에 흡착됨으로써 농축된 산소를 발생시킨다. 이 같은 방식으로 농축된 산소는 산소저장탱크를 경유하여 필요한 곳으로 공급되며, 흡착탑 내에 흡착된 질소는 흡착탑에 가해진 공기압을 해제시키는 경우, 대기압 상태로 되면서 흡착탑으로부터 분리된다. 이와 같이, 흡착탑 내로 압축 공기를 공급하고 흡착탑 내에 흡착된 질소를 대기압 상태에서 탈착, 배출시키는 방식에 의해 농축 산소를 발생시키는 방법을 압축스윙흡착(PSA: Pressure Swing Adsorption) 방식이라 한다.

상기 PSA 방식은 대기 중의 질소와 산소 중 산소만을 선택적으로 분리하여 농축하는 기술로 고순도의 산소 생산이 가능하고 에너지 효율이 높은 장점이 있다.

PSA 방식 산소발생기에서 산소를 생산하기 위해서는 흡착탑, 솔레노이드 밸 브, 산소저장탱크, 공기압축기 등 많은 부품이 사용되고, 부품간 연결을 위하여 배관 및 접관 등도 사용된다.

도 1은 종래의 PSA 방식 산소발생장치를 나타내는 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 종래의 산소발생장치는 공기를 압축하는 공기압축기(120)와, 압축된 공기가 유입되는 두 개의 유로가 형성되며 그 유로를 통제하는 전자밸브(130)와, 상기 전자밸브(130)와 연결되어 질소를 흡착하여 순산소를 배출하는 한 쌍의 흡착베드(140, 140a)와, 상기 흡착베드(140, 140a)를 통하여 분리된 질소를 배출하는 소음기(150)로 구성되어 있다.

여기서, 공기압축기(120)는 흡입구가 유입된 외기 중의 먼지를 제거하고 정화된 공기를 공급하는 여과필터(110)와 연결되고 유출구가 전자밸브(130)의 일단과 연결되도록 구성되어, 여과필터(110)로부터 정화된 공기를 압축하여 전자밸브(130)로 배출하고 있다.

상기 공기압축기(120)와 연결되어 있는 전자밸브(130)는 분기된 유로를 형성하도록 솔레노이드 밸브가 일반적으로 사용된다. 이때, 분기된 각각의 유로는 전류가 공급되면 포트가 개방되면서 내부쪽으로 유입되는 압축공기를 순간적으로 밀어내고 전류의 공급이 차단되면 포트가 폐쇄되는 형태를 이루며, 한 쌍의 흡착베드(140, 140a)에 번갈아 압축공기를 공급하도록 설치되어 있다.

상기 흡착베드(140, 140a)는 2개가 독립적으로 작동되며, 그 입구는 전자밸브(130)와 연결되고, 그 출구에는 산소의 배출압력을 저압으로 유지하는 오리피스(190, 190a, 195)가 연결되어 있다.

즉, 도 1에서와 같이, 여과필터(110)를 거쳐 공기압축기(120)에 유입된 공기는 가압되어 전자밸브(130)의 유로를 따라 흡착베드(140)로 유입되며, 상기 흡착베드(140)에서 배출되는 산소는 오리피스(190, 195)를 거쳐 사용처로 배출된다.

한편, 흡착베드(140)에서 얻어진 산소 중 일부는 오리피스(190a)를 통하여 흡착베드(140a)에 공급되며, 상기 흡착베드(140a)는 감압되어 재생(세정, 탈착)과정을 거친 다음 소음기(150)를 거친 후 외부로 배출된다.

이와는 반대로, 상기 전자밸브(130)의 유로가 바뀌면 흡착베드(140, 140a)의 흡착 및 재생과정은 서로 교대된다.

그러나 종래의 산소농축기는 기체를 흡착하는 공정으로부터 생성된 일정한 농도의 산소 중 일부가 질소의 탈착공정을 위해 흡착베드의 유출구로 환류되어 사용되기 때문에, 특정 기체를 농축하기 위해서 많은 공기가 필요하다는 문제점이 있다. 또한, 많은 공기가 공급되어 다수의 공정을 거쳐야 하므로 제조비용이 비싸고 제조시간이 오래 걸리는 문제점이 있다.

아울러, 오리피스가 고정된 유속을 제공하기 때문에 사용처에 따라 농축산소의 농도 및 생산량을 조절할 수 없는 문제점이 있다.

이러한 일예로서, 대한민국 등록실용신안 제0219405호(2001년4월2일 공개)에 외부로부터 공기를 받을 들이는 공기흡입구, 상기 공기흡입구로부터 받아들인 공기를 압축하는 컴프레서, 상기 컴프레서와 연결되어 공기를 필터링하는 수분필터, 2개의 유로를 선택적으로 개방하여 상기 수분필터 또는 질소유출구와 교호적으로 단속시키는 솔레노이드밸브, 상기 2개의 유로에 각각 연결되어 질소를 흡착하는 제올 라이트가 내장된 베드, 상기 2개의 베드로부터 배출되는 산소의 농도가 높은 공기를 합쳐 외부로 배출하는 유출구, 상기 수분필터를 통과한 공기의 일부를 분기시켜 상기 유출구를 통과하기 전의 산소의 농도가 높은 공기를 소정의 농도로 오리피스조인트를 이용하여 혼합시키는 분기관을 포함하는 분리형 산소발생장치가 개시되어 있다.

그러나, 전술한 산소발생장치의 내부에 제올라이트가 충진된 베드는 적정 수준의 농축산소를 제조하기 위해서 사용하는 공기량이 많으므로 제조 원가가 상승되고, 제조시간이 길어지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 제 1 목적은 종래의 PSA 방식을 개량함으로써, 산소 또는 질소 농축 방법에서의 단점들을 개선하고, 종래의 농축기체 발생장치에 비하여 효율적이며, 흡착제의 선택에 따라 공기 중 산소 또는 질소를 선택적으로 농축할 수 있고, 선택적으로 농축기체의 농도 및 생산량을 조절할 수 있는 개선된 형태의 농축기체 발생장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 제 2 목적은 농축기체 발생장치를 이용한 개선된 형태의 농축기체 발생방법을 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 제 1 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 의하면 외부로부터 압축공기를 공급받는 공기흡입구, 상기 공기흡입구를 통과한 공기를 압축하는 공기압축기, 상기 공기압축기를 통과한 압축공기의 압력을 조절하는 에어 레귤레이터, 상기 에어 레귤레이터에 연결되어 에어 레귤레이터 후단의 압력변화를 수시로 검출하여 사용자에게 알려주는 제 1 압력계, 상기 에어 레귤레이터를 통과한 압축공기의 유로를 선택적으로 단속하여 제 1 흡착탑의 유입구 및 제 2 흡착탑의 유입구를 교호적으로 연결하는 공급밸브, 상기 제 1 흡착탑의 유입구 및 제 2 흡착탑의 유입구로부터 배출되어 공급밸브를 통과한 압축공기를 외부로 배출하는 소음기, 상기 공급밸브를 통과하여 유입구로 유입된 압축공기로부터 상기 특정기체를 분리하여 공기 중 특정기체를 제외한 기체를 유출구로 배출하는 제 1 흡착탑 및 제 2 흡착탑이 병렬로 설치된 흡착탑, 상기 제 1 흡착탑의 유출구 및 제 2 흡착탑의 유출구를 통과한 농축기체의 유로를 선택적으로 단속하고, 제 1 흡착탑의 유출구에 제 2 흡착탑의 유입구를 연결하며, 제 2 흡착탑의 유출구에 제 1 흡착탑의 유입구를 연결하는 순환밸브, 상기 제 1 흡착탑의 유출구를 통과한 농축기체의 유량을 조절하여 저장탱크에 저장되는 농축기체의 농도 및 저장량을 조절하는 제 1 유량제어밸브 및 제 2 흡착탑의 유출구를 통과한 농축기체의 유량을 조절하여 저장탱크에 저장되는 농축기체의 농도 및 저장량을 조절하는 제 2 유량제어밸브로 구성된 유량제어밸브, 상기 제 1 유량제어밸브를 통과한 농축기체를 선택적으로 단속하는 제 1 배출밸브 및 제 2 유량제어밸브를 통과한 농축기체를 선택적으로 단속하는 제 2 배출밸브로 구성된 배출밸브, 상기 배출밸브를 통과한 농축기체를 공급받아 일정 압으로 저장하여 필요시 외부로 송출하는 저장탱크, 상기 저장탱크내의 압력을 검출하는 압력스위치, 및 상기 압력스위치로부터 검출된 신호를 받아 상기 저장탱크내에 농축기체의 저장량이 부족한 경우 상기 공기압축기 및 밸브들을 구동제어하여 농축기체를 생성공급하는 제어부를 포함하는 농축기체 발생장치를 제공한다.

본 발명의 제 2 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 의하면 ⅰ) 고압 상태인 흡착탑의 유출구와 대기압 또는 저압 상태인 흡착탑의 유입구의 사이에 구비된 순환밸브를 개방하여 고압 상태인 흡착탑의 유출구로부터 대기압 또는 저압 상태인 흡착탑의 유입구로 일단의 기체를 공급하는 단계, ⅱ) 양 흡착탑의 압력이 동일해지거나 소정 범위로 유사해지면 상기 순환밸브를 닫고, 제 1 흡착탑에 연결된 공급밸브 및 제 1 배출밸브를 개방하여 제 1 흡착탑의 유입구로 압축공기를 공급하면서, 상기 제 1 흡착탑의 유출구로 상기 특정기체를 제외한 농축기체를 배출하는 동시에 제 2 흡착탑의 잔여 기체를 대기로 방출시켜 상기 제 2 흡착탑의 압력을 대기압 상태로 유지하는 단계, ⅲ) 상기 제 2 흡착탑이 대기압 상태가 되면 제 2 흡착탑에 연결된 제 2 배출밸브를 개방하여 상기 제 1 흡착탑을 통해 생성된 농축기체 중 일부를 상기 제 1 흡착탑에 연결된 제 1 유량제어밸브 및 제 2 유량제어밸브를 통해 제 2 흡착탑의 유출구로 공급함으로써 제 2 흡착탑의 흡착제를 재생시키는 단계, ⅳ) 단계 ⅲ)를 통해 제 2 흡착탑의 흡착제의 재생이 완료되면 제 1 흡착탑의 유입구로 압축공기를 공급하는 공급밸브를 닫고, 제 1 흡착탑의 유출구와 연결된 제 1 배출밸브를 차단하며, 제 1 흡착탑의 유출구와 제 2 흡착탑의 유입구를 연결하는 순환밸브를 개방하여 제 1 흡착탑의 유출구로부터 제 2 흡착 탑의 유입구로 일단의 기체를 공급하는 단계, ⅴ) 상기 제 1 흡착탑 및 제 2 흡착탑의 압력이 동일해지거나 소정 범위로 유사해지면 상기 순환밸브를 닫고, 제 2 흡착탑에 연결된 공급밸브 및 제 2 배출밸브를 개방하여 제 2 흡착탑의 유입구로 압축공기를 공급하면서, 상기 제 2 흡착탑의 유출구로 상기 특정기체를 제외한 농축기체를 배출하는 동시에 제 1 흡착탑의 잔여 기체를 대기로 방출시켜 상기 제 1 흡착탑의 압력을 대기압 상태로 유지하는 단계, ⅵ) 상기 제 1 흡착탑이 대기압 상태가 되면 제 1 흡착탑에 연결된 제 1 배출밸브를 개방하여 상기 제 2 흡착탑을 통해 생성된 농축기체 중 일부를 상기 제 2 흡착탑에 연결된 제 2 유량제어밸브 및 제 1 유량제어밸브를 통해 1 흡착탑의 유출구로 공급함으로써 제 1 흡착탑의 흡착제를 재생시키는 단계, 및 ⅶ) 단계 ⅰ) 내지 ⅵ)를 순환방식으로 반복하여 저장탱크로 공기 중의 특정기체를 제외한 농축기체를 저장하는 단계를 포함하는 농축기체 발생방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 공기 중의 산소의 농도가 약 90% 이상 또는 공기 중의 질소의 농도가 약 99.99% 이상이 되는 농축기체를 제조하기 위해 사용되는 총 공기량이 종래의 농축기체 발생장치보다 약 10% 이상 저하되어 제조시간 및 제조비용이 실질적으로 감소된다. 또한, 사용환경에 따라 흡착제를 선택하여 농축된 산소 또는 질소를 선택적으로 생성할 수 있다. 그리고 흡착탑을 통과한 농축기체의 유출량을 조절하여 최종 생성되는 농축기체의 농도 및 유입량을 선택적으로 조절할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들에 의한 유량제어밸브를 통해 기체의 농도를 제어하는 농축기체 발생장치(이하, "농축기체 발생장치"라 한다) 및 농축기체 발생방법을 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치를 나타내는 구성도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치는 공기흡입구, 공기압축기, 에어 레귤레이터(air regulator), 제 1 압력계(pressure gauge), 공급밸브(actuated valve), 소음기(muffler), 흡착탑(adsorption bed), 순환밸브, 유량제어밸브(flow control valve), 배출밸브(actuated product valve), 저장탱크, 압력스위치, 및 제어부를 포함한다. 또한, 수분필터(water trap filter), 병합필터(coalescing filter), 제 1 안전밸브(safety relief valve), 체크밸브(check valve), 니들밸브(needle valve), 제 2 압력계, 제 2 안전밸브, 제 3 압력계를 추가로 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 의한 농축기체 발생장치를 구성하는 각 구성요소들은 배관 및 접관에 의해 연결 설치되며, 공기압축기, 공급밸브, 순환밸브, 배출밸브 및 압력스위치는 제어부에 전기적으로 연결되어 제어된다. 이때, 전술한 개별적인 구성요소들은 당업계에서 통상적으로 사용되는 것을 사용하는 것이 바람직하다.

특히, 이 도면에서는 구성요소들의 작용관계를 알기 쉽게 하기 위해서 공기흐름은 실선으로, 제어신호는 점선으로 표시한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치는 공기흡입구(2)를 포함한다.

상기 공기흡입구(2)는 농축기체 발생장치의 내부에서 사용되는 공기를 외부로부터 흡입하여 농축기체 발생장치의 내부 유로로 공급한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치는 공기압축기(4)를 포함한다.

상기 공기압축기(4)는 공기흡입구(2) 및 제어부(52)에 연결되어 상기 제어부(52)의 제어에 따라 외부의 공기를 흡입하는 동시에 공기흡입구(2)를 통과한 공기를 압축시킨 다음 압축된 공기를 농축기체 발생장치의 내부 유로로 공급한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치는 에어 레귤레이터(10)를 포함한다.

상기 에어 레귤레이터(10)는 상기 공기압축기(4)와 연결되어 공기압축기(4)를 통과한 압축공기의 압력을 조절한다. 이때, 공기압축기(4)와 에어 레귤레이 터(10) 사이에는 수분필터(6) 및 병합필터(8)가 구비될 수 있다.

상기 수분필터(6)는 공기압축기(4)를 통과한 압축공기에 포함된 일정량의 수분을 걸러주며, 상기 병합필터(8)는 수분필터(6)를 통과한 압축공기의 불순물을 제거하는 기능을 수행한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치는 제 1 압력계(12)를 포함한다.

상기 제 1 압력계(12)는 에어 레귤레이터(10)에 연결되어 에어 레귤레이터(10) 후단의 압력변화를 수시로 검출하여 표시함으로써 사용자가 용이하게 흡착탑 유입공기의 압력변화를 파악할 수 있도록 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치는 제 1 안전밸브(14)를 더 포함할 수 있다.

상기 제 1 안전밸브(14)는 상기 에어 레귤레이터(10)에 연결되어 에어 레귤레이터(10)를 통과한 압축공기가 이동하는 배관의 내압이 8.75 ㎏/㎠ 이상으로 상승되면 외부에 개방되어 내압을 줄이는 역할을 수행한다. 즉, 제 1 안전밸브(14)는 배관의 내압이 일정 수준, 예컨대 8.75 ㎏/㎠ 이상으로 상승하여 발생되는 배관 자체의 변형, 뒤틀림에 따른 안전사고를 예방하기 위해 구비되는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치는 공급밸브(16)를 포함한다.

상기 공급밸브(16)는 에어 레귤레이터(10) 및 제어부(52)에 연결되고, 상기 에어 레귤레이터(10)를 통과한 압축공기의 유로를 선택적으로 단속하여 제 1 흡착탑(20)의 유입구 및 제 2 흡착탑(22)의 유입구를 교호적으로 연결한다. 또한, 공급밸브(16)는 제 1 흡착탑(20)의 유입구 및 제 2 흡착탑(22)의 유입구를 소음기(18)와 선택적으로 연결하여 제 1 흡착탑(20)의 유입구 및 제 2 흡착탑(22)의 유입구로부터 유출된 압축공기를 소음기(18)를 통해 외부로 배출한다.

이러한, 공급밸브(16)는 솔레노이드 밸브를 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 공급밸브(16)는 제어부(52)와 연결되어 제어부(52)로부터 전류가 공급되면 포트가 개방되면서 내부로 유입되는 압축공기를 순간적으로 밀어내고 전류의 공급이 차단되면 포트가 폐쇄되는 형태로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(52)와 연결되어 전류가 공급되면 공급밸브(16)는 교차적으로 제 1 흡착탑(20) 및 제 2 흡착탑(22)과의 연결통로가 개방되고, 전류의 공급이 차단되면 포트가 폐쇄되어 제 1 흡착탑(20) 및 제 2 흡착탑(22)과의 연결통로가 폐쇄된다.

필요에 따라, 공급밸브(16)는 에어 레귤레이터(10)를 통과한 압축공기를 제 1 흡착탑(20)의 유입구로 공급하는 제 1 공급밸브(미도시), 에어 레귤레이터(10)를 통과한 압축공기를 제 2 흡착탑(22)의 유입구로 공급하는 제 2 공급밸브(미도시), 제 1 흡착탑(20)에 흡착되었다가 재생(세정, 탈착)을 통해 탈착된 특정기체를 소음기(18)를 통해 외부로 유출하는 제 1 유출밸브(미도시), 제 2 흡착탑(22)에 흡착되었다가 재생(세정, 탈착)을 통해 탈착된 특정기체를 소음기(18)를 통해 외부로 유출하는 제 2 유출밸브(미도시)로 구성될 수도 있다. 여기서, 유출밸브는 흡착탑 내부에 흡착된 고압기체를 외부로 배출하여 흡착탑의 재가동을 원활하게 하기 위해 구비되는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치는 소음기(18)를 포함한다.

상기 소음기(18)는 제 1 흡착탑(20)의 유입구 및 제 2 흡착탑(22)의 유입구로부터 배출되어 공급밸브를 통과한 압축공기를 외부로 배출하는 것이다. 즉, 소음기(18)는 공급밸브(16)에 연결되어 흡착탑(20, 22)의 흡착제에 의해 흡착되는 특정기체를 제외한 기체를 농축하는 과정에서 상기 흡착제에 흡착되어 공기로부터 분리되는 특정기체를 공급밸브(16)를 통해 외부로 배출할 때, 주변대기와의 압력차에 의한 소음발생을 저감하기 위해 구비된다.

본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치는 흡착탑(20, 22)을 포함하며, 상기 흡착탑(20, 22)은 내부에 공기 중의 특정기체를 우선적으로 흡착하는 흡착제, 바람직하게는 고형 흡착제를 구비한다. 이때, 상기 흡착제로는 제올라이트를 포함하는 ZMS(Zeolite Molecular Sieve) 또는 CMS(Carbon Molecular Sieve)가 사용될 수 있다.

상기 흡착탑(20, 22)은 공급밸브(16)와 연결되며, 공급밸브(16)를 통과하여 흡착탑(20, 22)의 유입구로 유입된 압축공기로부터 특정기체를 분리하여 공기 중 특정기체를 제외한 기체를 흡착탑(20, 22)의 유출구로 배출하는 제 1 흡착탑(20) 및 제 2 흡착탑(22)이 병렬로 설치된다.

일 실시 양태로서, 본 발명에 따른 흡착탑(20, 22)이 흡착제로 제올라이트를 포함하는 ZMS를 사용하면, 흡착탑(20, 22)을 통과하는 공기는 수분, 일산화탄소, 이산화탄소, 탄화수소, 질소, 산소 순으로 흡착되어 비교적 흡착도가 낮은 산소가 농후한 기체로 배출된다. 이때, 배출된 공기 중의 산소의 농도는 약 90% 이상의 비율로 증가된다. 즉, 상기 흡착제가 ZMS이면 공기 중 특정기체를 제외한 기체로서 흡착탑(20, 22)의 유출구로 배출되는 기체는 산소이다.

다른 실시 양태로서, 본 발명에 따른 흡착탑(20, 22)이 흡착제로 CMS를 사용하면, 흡착탑(20, 22)을 통과하는 공기는 산소를 우선적으로 흡착하고 질소의 흡착도가 낮으므로 질소가 농후한 기체로 배출된다. 이때, 배출된 공기 중의 질소의 농도는 약 99.99% 이상의 비율로 증가된다. 즉, 상기 흡착제가 CMS이면 공기 중 특정기체를 제외한 기체로서 흡착탑(20, 22)의 유출구로 배출되는 기체는 질소이다.

필요에 따라, 흡착탑(20, 22)의 일측에는 상기 흡착탑(20, 22) 내부의 압력변화를 수시로 검출하여 표시함으로써 사용자가 용이하게 흡착탑(20, 22) 내부의 압력변화를 파악할 수 있도록 압력계가 구비될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치는 순환밸브(24)를 포함한다.

상기 순환밸브(24)는 상기 제 1 흡착탑(20)의 유출구 및 제 2 흡착탑(22)의 유출구를 통과한 농축기체의 유로를 선택적으로 단속하고, 제 1 흡착탑(20)의 유출구에 제 2 흡착탑(22)의 유입구를 연결하며, 제 2 흡착탑(22)의 유출구에 제 1 흡 착탑(20)의 유입구를 연결한다.

이러한, 순환밸브(24)는 솔레노이드 밸브를 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 순환밸브(24)는 제어부와 연결되어 전류가 공급되면 포트가 개방되면서 내부로 유입되는 압축공기를 순간적으로 밀어내고 전류의 공급이 차단되면 포트가 폐쇄되는 형태로 이루어질 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 순환밸브(24)는 제 1 흡착탑(20) 및 제 2 흡착탑(22)의 압력이 다를 경우 제어부(52)를 통해 전류가 공급되면 제 1 흡착탑(20) 및 제 2 흡착탑(22)의 압력을 맞추기 위해 개방된다. 이때, 상기 개방은 압력이 높은 흡착탑의 유출구에서 압력이 낮은 흡착탑의 유입구로 기체가 흐를 수 있도록 한다. 이러한 압력 조절을 통하여 제 1 흡착탑(20) 및 제 2 흡착탑(22)의 압력이 동일해지거나 소정 범위내로 유사해지면 제어부(52)에 의한 전류의 공급이 차단되어 상기 순환밸브(24)가 닫힌다. 여기서, 소정 범위는 0.1 내지 2.4 ㎏/㎠ 정도인 것이 바람직하다.

필요에 따라, 순환밸브(24)는 제 1 흡착탑(20)의 유출구에 연결되어 배출된 농축기체를 제 2 흡착탑(22)의 유입구로 공급하는 제 1 순환밸브 및 제 2 흡착탑(22)의 유출구에 연결되어 배출된 농축기체를 제 1 흡착탑(20)의 유입구로 공급하는 제 2 순환밸브로 구성될 수도 있다.

또한, 제 1 흡착탑(20)의 유출구를 통과한 농축기체가 제 2 흡착탑(22)의 유입구로 원활히 흐르도록 제 1 흡착탑(20)의 유출구와 순환밸브(24) 사이에 제 1 체크밸브(26)가 구비되고 순환밸브(24)와 제 2 흡착탑(22)의 유입구 사이에 제 2 체 크밸브(27)가 구비되며, 제 2 흡착탑(22)의 유출구를 통과한 농축기체가 제 1 흡착탑(20)의 유입구로 원활히 흐르도록 제 2 흡착탑(22)의 유출구와 순환밸브(24) 사이에 제 3 체크밸브(28)가 구비되고, 순환밸브(24)와 제 1 흡착탑(20)의 유입구 사이에 제 4 체크밸브(29)가 구비될 수 있다.

즉, 순환밸브(24)는 제 1 흡착탑(20)의 유출구를 통해 배출된 농축기체를 제 2 흡착탑(22)의 유출구가 아닌 유입구로 공급하거나 제 2 흡착탑(22)의 유출구를 통해 배출된 농축기체를 제 1 흡착탑(20)의 유입구로 공급하여 제 1 흡착탑(20) 및 제 2 흡착탑(22)의 압력을 유사범위로 조정하는 것이다. 이와 같이, 본원 발명에 따른 농축기체 발생장치는 제 1 흡착탑(20)의 유출구를 통해 배출된 농축기체가 제 2 흡착탑(22)의 유출구로 공급되어 압력을 맞추기 위한 과정만을 수행하는 도 1에 도시된 종래의 농축기체 발생장치와는 달리 제 1 흡착탑(20)의 유출구를 통해 배출된 농축기체가 제 2 흡착탑(22)의 유입구로 공급되어 제 2 흡착탑(22)의 압력을 조절하는 동시에 제 2 흡착탑(22)의 흡착제를 통한 재농축과정을 수행하여 제 2 흡착탑의 유출구를 통해 배출되는 농축기체의 농도를 향상시킨다.

따라서, 본원 발명에 따른 농축기체 발생장치에서는 제 2 흡착탑(22)을 통과하여 생성된 농축기체와 제 1 흡착탑(20)을 통과한 후 제 2 흡착탑(22)을 통과하여 생성된 재농축기체가 혼합되므로, 저장탱크(44)에 저장되는 농축기체는 하나의 흡착탑만을 통과한 후 저장되는 농축기체보다 높은 농도를 갖는 농축기체가 저장된다.

본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치는 유량제어밸브(30, 32)를 포함한다.

상기 유량제어밸브(30, 32)는 제 1 흡착탑(20)의 유출구를 통과한 농축기체의 유량을 조절하여 저장탱크(44)에 저장되는 농축기체의 농도 및 유입량을 조절하는 제 1 유량제어밸브(30) 및 제 2 흡착탑(22)의 유출구를 통과한 농축기체의 유량을 조절하여 저장탱크(44)에 저장되는 농축기체의 농도 및 유입량을 조절하는 제 2 유량제어밸브(32)로 구성된다. 여기서, 유량제어밸브(30, 32)는 체크밸브의 기능이 부가된 니들밸브를 사용하는 것이 바람직하다.

이와 같이, 유량제어밸브(30, 32)는 도 1에 도시된 바와 같이 제 1 흡착탑(140)을 통과한 농축기체가 제 2 흡착탑(140a)을 세정하기 위해 이동하는 통로를 제공하며 상기 농축기체의 유량속도를 고정시킴으로써 최종 생성된 농축기체의 농도 및 저장량을 일정한 상태로 유지시키는 오리피스와는 달리 일정한 유량을 제공하지 않고, 사용자의 선택에 따라 농축기체의 유량을 제어하여 최종 생성된 농축기체의 농도 및 저장량을 조절할 수 있다.

예컨대, 배출밸브(34, 36)가 개방되어 있고, 제 1 유량제어밸브(30)가 완전 개방되어 있으며, 제 2 유량제어밸브(32)가 약 50% 정도 개방되어 있는 상태를 기준으로, 제 2 유량제어밸브(32)가 약 75% 및 약 25% 개방된 경우를 비교하면 다음과 같다.

먼저, 제 2 유량제어밸브(32)가 약 75% 정도 개방되면, 제 2 흡착탑(22)의 세정을 위해 제 2 흡착탑(22)의 유출구로 유입되는 농축기체의 유량은 증가되고, 저장탱크(44)로 유입되는 농축기체의 유량은 감소된다. 즉, 흡착탑의 세정에 필요한 농축기체의 유입량이 증가되어 흡착탑이 원활히 세정되므로 상기 흡착탑을 통해 농축되는 농축기체의 농도는 향상되지만 흡착탑의 세정에 사용되는 농축기체량이 증가되므로 최종적으로 저장탱크(44)에 유입되는 농축기체의 유입량은 감소된다.

이와 반대로, 제 2 유량제어밸브(32)가 약 25% 정도 개방되면, 제 2 흡착탑(22)의 세정을 위해 제 2 흡착탑(22)의 유출구로 유입되는 농축기체의 유량은 감소되고, 저장탱크(44)로 유입되는 농축기체의 유량은 증가된다. 즉, 흡착탑의 세정에 필요한 농축기체의 유입량이 감소되면 흡착탑의 세정이 불충분하게 되어 상기 흡착탑을 통해 농축되는 농축기체의 농도는 감소되지만 최종적으로 저장탱크(44)에 유입되는 농축기체의 유입량은 증가된다.

즉, 본 발명의 농축기체 발생장치는 유량제어밸브(30, 32)의 제어를 통해 농축기체의 사용처에 따라 최종 생산되는 농축기체의 농도 및 유입량을 조절할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치는 배출밸브(34, 36)를 포함한다.

상기 배출밸브(34, 36)는 흡착탑(20, 22) 및 제어부(52)와 연결되며, 제 1 유량제어밸브(30)를 통과한 농축기체를 선택적으로 단속하는 제 1 배출밸브(34) 및 제 2 유량제어밸브(32)를 통과한 농축기체를 선택적으로 단속하는 제 2 배출밸브(36)로 구성된다.

이러한, 배출밸브(34, 36)는 솔레노이드 밸브를 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 배출밸브(34, 36)는 제어부(52)와 연결되어 제어부(52)로부터 전류가 공급되면 포트가 개방되면서 내부로 유입되는 농축기체를 순간적으로 밀어내고 전류의 공급이 차단되면 포트가 폐쇄되는 형태로 이루어질 수 있다. 보다 구체적으로, 제어부(52)와 연결되어 전류가 공급되면 배출밸브(34, 36)는 저장탱크(44)와의 연결통로가 개방되고, 전류의 공급이 차단되면 포트가 폐쇄되어 저장탱크(44)와의 연결통로가 폐쇄된다.

한편, 제 1 배출밸브(34)가 개방되고 제 2 배출밸브(36)가 폐쇄되면 제 1 배출밸브를 통과한 농축기체는 전부 저장탱크에 저장되지만, 제 1 배출밸브(34)와 제 2 배출밸브(36)가 모두 개방되면 제 1 배출밸브(34)를 통과한 농축기체의 일부는 저장탱크(44)에 저장되고, 나머지 일부는 제 2 배출밸브(36)를 통해 제 2 흡착탑(22)으로 공급된다.

본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치는 저장탱크(44)를 포함한다.

상기 저장탱크(44)는 배출밸브(34, 36)와 연결되며, 배출밸브(34, 36)를 통과한 농축기체를 공급받아 일정압으로 저장하며, 필요시 농축기체를 외부로 송출한다.

이때, 상기 저장탱크(44)의 일측에는 압력스위치(46), 제 3 압력계(50) 및 제 2 안전밸브(48)가 연결설치될 수 있다.

상기 압력스위치(46)는 저장탱크(44)의 압력변화를 검출하여 제어부(52)에 통보하여 저장탱크(44)에 저장되는 농축기체량을 조절하는 것으로, 제어부(52)는 상기 압력스위치(46)의 통보에 따라 공기압축기(4) 및 내부밸브(16, 24, 34, 36)들의 작동 및 정지를 주기적으로 반복제어하고 제 1 흡착탑(20) 및 제 2 흡착탑(22)의 공기흐름을 통제하여 농축기체의 생산을 지속하거나 중단시킨다.

또한, 제 3 압력계(50)는 저장탱크(44) 내의 압력변화를 수시로 검출하여 사용자에게 알려주며, 제 2 안전밸브(48)는 저장탱크(44)의 내압이 10 ㎏/㎠ 이상으로 상승되면 개방되도록 구성된다.

필요에 따라, 상기 배출밸브와 저장탱크(44) 사이에는 체크밸브(38), 니들밸브(40), 제 2 압력계(42)가 연결설치될 수 있다.

상기 체크밸브(38)는 위험방지 또는 기능확보 등을 위해 한쪽 방향만의 흐름을 허용하고, 역방향의 흐름을 방지하는 밸브이고, 상기 니들밸브(40)는 유량을 조절하기 쉽게 밸브 디스크가 바늘 모양으로 되어 있는 밸브이며, 제 2 압력계(42)는 내부 유로의 압력변화를 수시로 검출하여 사용자에게 알려주는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치는 제어부(52)를 더 포함할 수 있다.

상기 제어부는 모든 구성요소들을 통제하여 소망하는 출력을 얻을 수 있도록 제어하는 것이며, 공기압축기(4), 공급밸브(16), 순환밸브(24), 배출밸브(34, 36), 압력스위치(46)와 전기적으로 연결된다.

전술한 구성을 포함하는 농축기체 발생방법의 일 실시예를 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 제어부(52)는 저장탱크(44)에 설치된 압력스위치(46)로부터 그 내부의 압력을 읽어들여 농축기체의 생산여부를 판단한다. 이때, 저장탱크(44) 내의 농축기체가 부족하다고 판단되면 제어부(52)는 공기압축기(4)에 신호를 보낸다. 이에 따라, 공기압축기(4)가 작동하여 외부로부터 공기를 흡입함으로써 압축공기를 생성하며, 상기 압축공기를 수분필터(6) 및 병압필터(8)를 거쳐 압축공기를 필터링한 후 상기 압축공기를 공급밸브(16)를 통해 흡착탑(20, 22)의 유입구로 공급한다. 이때, 각 흡착탑의 압력차가 존재하면, 순환밸브(24)를 개방하여 압력이 높은 흡착탑의 유출구로부터 압력이 낮은 흡착탑의 유입구로 기체를 공급하며, 양 흡착탑(20, 22)의 압력이 동일해지거나 소정 범위로 유사해지면 상기 순환밸브(24)를 닫고, 제 1 흡착탑(20)의 유입구로 압축공기를 공급한다.

그 다음, 상기 제 1 흡착탑(20)의 유출구로 농축기체를 배출하여 저장탱크(44)에 저장하는 동시에 제 2 흡착탑(22)을 대기압 상태로 유지하며, 상기 농축기체의 일부를 배출밸브(34, 36) 및 유량제어밸브(30, 32)를 통해 제 2 흡착탑(22)의 유출구로 공급함으로써 제 2 흡착탑(22)의 흡착제를 재생시킨다.

그 다음, 공급밸브(16)를 닫고, 제 1 배출밸브(34)를 차단하며, 순환밸브(24)를 개방하여 제 1 흡착탑(20)의 유출구로부터 제 2 흡착탑(22)의 유입구로 일단의 기체를 공급하고, 양 흡착탑(20, 22)의 압력이 동일해지거나 소정 범위로 유사해지면 순환밸브(24)를 닫으며, 공급밸브(16) 및 제 2 배출밸브(36)를 개방하 여 제 2 흡착탑(22)의 유입구로 압축공기를 공급한다.

그 다음, 제 2 흡착탑(22)의 유출구로 농축기체를 배출하여 저장탱크(44)에 저장하는 동시에 제 1 흡착탑(20)의 압력을 대기압 상태로 유지한다.

그 다음, 전술한 진행과정을 순환방식으로 반복하여 저장탱크(44)에 농축기체를 저장한다. 여기서, 농축기체는 흡착탑(20, 22)의 흡착제를 통해 분리되는 공기 중 특정기체를 제외한 기체를 의미한다.

보다 구체적으로, 공기압축기(4)를 통해 압축된 공기가 공급밸브(16)를 통과한 이후의 과정을 설명하면 다음과 같다.

첫 번째 단계는 각 흡착탑에 압력차이가 있을 경우 수행하는 단계로서, 고압 상태인 흡착탑의 유출구와 대기압 또는 저압 상태인 흡착탑의 유입구의 사이에 구비된 순환밸브(24)를 개방하여 고압 상태인 흡착탑의 유출구로부터 대기압 또는 저압 상태인 흡착탑의 유입구로 일단의 기체를 공급하는 단계이다. 즉, 압력차이가 있는 흡착탑과 흡착탑을 순환밸브(24)를 통해 연결시켜 고압 상태인 흡착탑으로부터 대기압 또는 저압 상태인 흡착탑으로 일단의 기체가 유입되도록 한다.

두 번째 단계는 양 흡착탑(20, 22)의 압력이 동일해지거나 소정 범위로 유사해지면 상기 순환밸브(24)를 닫고, 제 1 흡착탑(20)에 연결된 공급밸브(16) 및 제 1 배출밸브(34)를 개방하여 제 1 흡착탑(20)의 유입구로 압축공기를 공급하면서, 상기 제 1 흡착탑(20)의 유출구로 상기 특정기체를 제외한 농축기체를 배출하는 동시에 제 2 흡착탑(22)의 잔여 기체를 대기로 방출시키는 단계로서, 공급밸브(16)의 내부 유로를 제 1 흡착탑(20)의 유입구와 연결시켜 공기흡입구(2), 공기압축기(4), 에어 레귤레이터(10) 등을 통해 공급밸브(16)로 공급되는 압축공기를 제 1 흡착탑(20)의 내부로 공급한다. 또한, 소음기(18)와 연결된 공급밸브(16)의 내부 유로를 제 2 흡착탑(22)의 유입구와 연결시켜 제 2 흡착탑(22)의 잔여 기체를 대기 중으로 배출시킴으로써 제 2 흡착탑(22)이 대기압 상태가 되도록 한다. 아울러, 제 1 흡착탑(20)의 내부에 구비된 흡착제를 통해 특정기체 및 불순물을 흡착시킨 후 상기 특정기체 및 불순물을 제외한 기체를 제 1 배출밸브(34)를 통해 저장탱크(44)로 공급한다. 이때, 상기 제 1 흡착탑(20) 및 제 2 흡착탑(22)에 사용되는 흡착제는 서로 동일한 것을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 제 1 흡착탑(20) 및 제 2 흡착탑(22)의 흡착제로 ZMS를 사용하면 유입된 압축공기의 성분 중 수분, 일산화탄소 및 이산화탄소, 탄화수소, 질소, 산소 등의 순으로 흡착력이 낮으므로, 이 흡착력의 차이로 인하여 배출되는 압축공기 중의 산소의 농도는 약 90% 이상의 비율로 증가된다. 이와 반대로, 흡착제로 CMS를 사용하면 배출되는 압축공기 중의 질소의 농도가 약 99.99% 이상의 비율로 증가된다.

세 번째 단계는 상기 제 2 흡착탑(22)이 대기압 상태가 되면 제 2 흡착탑(22)에 연결된 제 2 배출밸브(36)를 개방하여 상기 제 1 흡착탑(20)을 통해 생성된 농축기체 중 일부를 상기 제 1 흡착탑(20)에 연결된 제 1 유량제어밸브(30) 및 제 2 유량제어밸브(32)를 통해 제 2 흡착탑(22)의 유입구로 공급함으로써 제 2 흡착탑(22)의 흡착제를 재생시키는 단계이다. 이 단계에서 제 1 흡착탑(20)의 유출 구를 통과한 농축기체의 일부는 순차적으로 제 1 유량제어밸브(30), 제 1 배출밸브(34), 제 2 배출밸브(36) 및 제 2 유량제어밸브(32)를 통해 제 2 흡착탑(22)의 유출구로 공급되어 제 2 흡착탑(22)의 흡착제를 재생시키며, 흡착제의 재생을 완료한 농축기체는 공급밸브(16) 및 소음기(18)를 통하여 외부로 배출된다.

이때, 제 1 유량제어밸브(30) 및 제 2 유량제어밸브(32)를 제어하여 상기 제 1 유량제어밸브(30) 및 제 2 유량제어밸브(32)를 통과하는 농축기체의 유량을 조절함으로써, 저장탱크(44)에 저장되는 농축기체의 농도 및 저장량을 조절할 수 있다.

즉, 제 2 유량제어밸브(32)를 조작하여 농축기체가 제 2 유량제어밸브(32)를 통과하는 통로의 크기를 상향조정하면 제 2 흡착탑(22)으로 유입되는 농축기체의 유량이 증가되어 흡착제를 재생시킨 후 소음기(18)를 통해 외부로 배출되는 농축기체의 유량이 증가되므로 저장탱크(44)에 저장되는 농축기체의 저장량은 감소되지만, 제 2 유량제어밸브(32)를 통과하는 통로의 크기를 하향조정하면 제 2 흡착탑(22)으로 유입되는 농축기체의 유량이 감소되어 저장탱크(44)에 저장되는 농축기체의 저장량은 증가된다. 이때, 제 2 흡착탑(22)으로 유입되는 농축기체의 유량이 증가되면 흡착제의 재생은 원활히 진행되므로 추후 제 2 흡착탑(22)을 통과하는 농축기체의 농도가 향상되어 저장탱크(44)에 저장되는 농축기체의 농도는 증가되지만, 제 2 흡착탑(22)으로 유입되는 농축기체의 유량이 감소되면 저장탱크(44)에 저장되는 농축기체의 농도는 저하된다.

네 번째 단계는 세 번째 단계를 통해 제 2 흡착탑(22)의 흡착제의 재생이 완료되면 제 1 흡착탑(20)과 제 2 흡착탑(22)의 압력을 동일하거나 소정 범위로 유사 하게 제어하는 단계이다. 보다 구체적으로는 제 1 흡착탑(20)의 유입구로 압축공기를 공급하는 공급밸브(16)를 닫고, 제 1 흡착탑(20)의 유출구와 연결된 제 1 배출밸브(34)를 차단하며, 제 1 흡착탑(20)의 유출구와 제 2 흡착탑(22)의 유입구를 연결하는 순환밸브(24)를 개방하여 제 1 흡착탑(20)의 유출구로부터 제 2 흡착탑(22)의 유입구로 일단의 기체를 공급한다. 이와 같이, 상기 제 1 흡착탑(20) 및 제 2 흡착탑(22)의 압력을 맞추기 위하여 제 1 흡착탑(20)의 유출구와 제 2 흡착탑(22)의 유입구를 연결시키면 압력의 차이에 의해 제 1 흡착탑(20)의 기체가 제 2 흡착탑(22)으로 이동한다.

특히, 상기 제 1 흡착탑(20)의 유출구와 순환밸브(24) 사이 및 순환밸브(24)와 제 2 흡착탑(22)의 유입구 사이에 각각 제 1 체크밸브(26) 및 제 2 체크밸브(27)를 구비하여 제 1 흡착탑(20)의 유출구로부터 배출된 일단의 기체가 역류하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 제 2 흡착탑(22)의 유출구와 순환밸브(24) 사이 및 순환밸브(24)와 제 1 흡착탑(20)의 유입구 사이에 각각 제 3 체크밸브(28) 및 제 4 체크밸브(29)를 구비하여 제 2 흡착탑(22)의 유출구로부터 배출된 일단의 기체가 역류하는 것을 방지할 수 있다.

다섯 번째 단계는 네 번째 단계를 통해 상기 제 1 흡착탑(20) 및 제 2 흡착탑(22)의 압력이 동일해지거나 소정 범위로 유사해지면, 상기 순환밸브(24)를 닫고, 제 2 흡착탑(22) 유입구에 연결된 공급밸브(16) 및 제 2 배출밸브(36)를 개방하여 제 2 흡착탑(22)의 유입구로 압축공기를 공급하면서, 상기 제 2 흡착탑(22)의 유출구로 상기 특정기체를 제외한 농축기체를 배출하는 동시에 제 1 흡착탑(20)의 잔여 기체를 대기로 방출시켜 상기 제 1 흡착탑(20)의 압력을 대기압 상태로 유지하는 단계로서, 공급밸브(16)의 내부 유로를 제 2 흡착탑(22)의 유입구와 연결시켜 공기흡입구(2), 공기압축기(4), 에어 레귤레이터(10) 등을 통해 공급밸브(16)로 공급되는 압축공기를 제 2 흡착탑(22)의 내부로 공급한다. 또한, 소음기(18)와 연결된 공급밸브(16)의 내부 유로를 제 1 흡착탑(20)의 유입구와 연결시켜 제 1 흡착탑(20)의 잔여 기체를 대기 중으로 배출시킴으로써 제 1 흡착탑(20)이 대기압 상태가 되도록 한다. 아울러, 제 2 흡착탑(22)의 내부에 구비된 흡착제를 통해 특정기체 및 불순물을 흡착시킨 후 상기 특정기체 및 불순물을 제외한 기체를 제 2 배출밸브(36)를 통해 저장탱크(44)로 공급한다.

여섯 번째 단계는 상기 제 1 흡착탑(20)이 대기압 상태가 되면 제 1 흡착탑(20)에 연결된 제 1 배출밸브(34)를 개방하여 상기 제 2 흡착탑(22)을 통해 생성된 농축기체 중 일부를 상기 제 2 흡착탑(22)에 연결된 제 2 유량제어밸브(32) 및 제 2 유량제어밸브(34)를 통해 1 흡착탑(20)의 유입구로 공급함으로써 제 1 흡착탑(20)의 흡착제를 재생시키는 단계이다. 이 단계에서는 제 1 흡착탑(20)의 흡착제를 재생시키기 위해 제 2 흡착탑(22)의 유출구를 통과한 압축공기의 일부를 순차적으로 제 2 유량제어밸브(32), 제 2 배출밸브(36), 제 1 배출밸브(34) 및 제 1 유량제어밸브(30)를 통해 제 1 흡착탑(20)의 유출구로 공급하여 제 1 흡착탑(20)의 흡착제를 재생시키며, 흡착제의 재생을 완료한 농축기체는 공급밸브(16) 및 소음기(18)를 통하여 외부로 배출된다. 여기서 농축기체는 공기 중의 특정기체를 제외한 기체, 예컨대 질소 또는 산소에 흡착제를 통해 흡착되지 못한 미량의 특정기체 가 포함될 수 있다.

일곱 번째 단계는 첫 번째 단계 내지 여섯 번째 단계를 순환방식으로 반복하여 저장탱크(44)로 공기 중의 특정기체를 제외한 농축기체를 저장하는 단계로서, 저장탱크(44)에 연결된 압력스위치(46)가 저장탱크(44)의 압력변화를 검출하여 제어부에 통보하여 저장탱크(44)에 저장되는 압축공기량을 조절한다.

이하, 본 발명을 바람직한 일 실시예를 참조하여 다음에서 구체적으로 상세하게 설명한다. 단, 다음의 실시예는 본 발명을 구체적으로 예시하기 위한 것이며, 이것만으로 한정하는 것은 아니다.

[실시예]

공기흡입구, 공기압축기, 수분필터, 병합필터, 에어 레귤레이터, 제 1 압력계, 제 1 안전밸브, 공급밸브, 소음기, 제 1 흡착탑, 제 2 흡착탑, 제 1 흡착탑의 유출구와 제 2 흡착탑의 유입구를 연결하고 제 2 흡착탑의 유출구와 제 1 흡착탑의 유입구를 연결하는 순환밸브, 제 1 유량제어밸브, 제 2 유량제어밸브, 제 1 배출밸브, 제 2 배출밸브, 체크밸브, 니들밸브, 제 2 압력계, 저장탱크, 제 3 압력계, 제 2 안전밸브, 압력스위치, 제어부로 구성된 본원 발명에 따른 농축기체 발생장치를 제조하였다.

[비교예]

실시예와 동일한 조건에서 농축기체 발생장치를 제조하되, 실시예의 제 1 유량밸브 및 제 2 유량밸브가 미 포함되고, 실시예의 순환밸브 대신 제 1 흡착탑의 유출구와 제 2 흡착탑의 유출구를 연결하는 오리피스가 포함된 농축기체 발생장치를 제조하였다.

[실험예]

상기 실시예와 비교예를 통하여 저장탱크에 90% 농도의 산소가 저장되도록 농축기체 발생장치를 운영할 경우 저장된 산소의 유속에 따른 공급된 산소의 유속을 평가하기 위하여 기능 평가 실험을 실시하였으며, 그 결과를 다음의 표 1에 나타내었다. 이때, 유속의 단위는 SCFM(standard cubic feet per minute), SCFH(standard cubic feet per hour) 및 N㎥/M으로 나타내었다.

< 표 1 > 농축기체 발생장치의 기능 평가 실험 결과

농축산소의 유속(SCFM)	실시예		비교예
	SCFH	N㎥/M	SCFH	N㎥/M
250	40	1.05	45	1.18
350	60	1.57	68	1.78
4,000	750	19.72	850	22.3

상기에서 저장탱크로 유입되는 농축산소의 유속에 따라 농축기체 발생장치의 공기흡입구로 유입되는 공기의 유속을 측정한 결과 실시예의 농축기체 발생장치의 공기흡입구로 유입되는 공기의 유속이 비교예의 농축기체 발생장치의 공기흡입구로 유입되는 공기의 유속에 비해 약 10% 이상 저하되는 것으로 나타났다.

즉, 동일한 농축산소를 생산하기 위해 실시예에 사용된 공기량은 비교예에 사용된 공기량보다 적으므로, 비교예의 농축기체 발생장치에 비해 실시예의 농축기체 발생장치의 효율성이 향상된 것으로 평가되었다.

상기에서 설명 드린 바와 같이 본 발명은 상기 실시예를 통해 그 물성의 우수성이 입증되었지만 본 발명은 상기의 실시예에 의해서만 반드시 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다.

도 1은 종래의 PSA 방식 산소발생기를 나타내는 구성도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 농축기체 발생장치를 나타내는 구성도이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명 *

2 : 공기흡입구 4 : 공기압축기

6 : 수분필터 8 : 병합필터

10 : 에어 레귤레이터 12 : 제 1 압력계

14 : 제 1 안전밸브 16 : 공급밸브

18 : 소음기 20 : 제 1 흡착탑

22 : 제 2 흡착탑 24 : 순환밸브

26 : 제 1 체크밸브 27 : 제 2 체크밸브

28 : 제 3 체크밸브 29 : 제 4 체크밸브

30 : 제 1 유량제어밸브 32 : 제 2 유량제어밸브

34 : 제 1 배출밸브 36 : 제 2 배출밸브

38 : 체크밸브 40 : 니들밸브

42 : 제 2 압력계 44 : 저장탱크

46 : 압력스위치 48 : 제 2 안전밸브

50 : 제 3 압력계 52 : 제어부

Claims (7)

1. 공기 중의 특정기체에 대하여 선택적인 흡착도를 가지는 흡착제가 구비된 흡착탑에 압축된 공기를 통과시켜 상기 특정기체를 분리하고, 공기 중 특정기체를 제외한 기체를 저장탱크에 저장하는 농축기체 발생장치에 있어서,

   외부로부터 압축공기를 공급받는 공기흡입구;

   상기 공기흡입구를 통과한 공기를 압축하는 공기압축기;

   상기 공기압축기를 통과한 압축공기의 압력을 조절하는 에어 레귤레이터;

   상기 에어 레귤레이터에 연결되어 에어 레귤레이터 후단의 압력변화를 수시로 검출하여 사용자에게 알려주는 제 1 압력계;

   상기 에어 레귤레이터를 통과한 압축공기의 유로를 선택적으로 단속하여 제 1 흡착탑의 유입구 및 제 2 흡착탑의 유입구를 교호적으로 연결하는 공급밸브;

   상기 제 1 흡착탑의 유입구 및 제 2 흡착탑의 유입구로부터 배출되어 공급밸브를 통과한 압축공기를 외부로 배출하는 소음기;

   상기 공급밸브를 통과하여 유입구로 유입된 압축공기로부터 상기 특정기체를 분리하여 공기 중 특정기체를 제외한 기체를 유출구로 배출하는 제 1 흡착탑 및 제 2 흡착탑이 병렬로 설치된 흡착탑;

   상기 제 1 흡착탑의 유출구 및 제 2 흡착탑의 유출구를 통과한 농축기체를 선택적으로 단속하고, 제 1 흡착탑의 유출구에 제 2 흡착탑의 유입구를 연결하며, 제 2 흡착탑의 유출구에 제 1 흡착탑의 유입구를 연결하는 순환밸브;

   상기 제 1 흡착탑의 유출구를 통과한 농축기체의 유량을 조절하여 저장탱크에 저장되는 농축기체의 농도 및 유입량을 조절하는 제 1 유량제어밸브 및 제 2 흡착탑의 유출구를 통과한 농축기체의 유량을 조절하여 저장탱크에 저장되는 농축기체의 농도 및 유입량을 조절하는 제 2 유량제어밸브로 구성된 유량제어밸브;

   상기 제 1 유량제어밸브를 통과한 농축기체를 선택적으로 단속하는 제 1 배출밸브 및 제 2 유량제어밸브를 통과한 농축기체를 선택적으로 단속하는 제 2 배출밸브로 구성된 배출밸브;

   상기 배출밸브를 통과한 농축기체를 공급받아 일정압으로 저장하여 필요시 외부로 송출하는 저장탱크;

   상기 저장탱크내의 압력을 검출하는 압력스위치; 및

   상기 압력스위치로부터 검출된 신호를 받아 상기 저장탱크내에 농축기체의 저장량이 부족한 경우 상기 공기압축기 및 밸브들을 구동제어하여 농축기체를 생성공급하는 제어부를 포함하는 농축기체 발생장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 공기흡입구 및 공기압축기 사이에 수분필터와 병합필터가 구비되고, 상기 배출밸브 및 저장탱크 사이에 순차적으로 체크밸브 니들밸브 및 제 2 압력계가 구비된 것을 특징으로 하는 농축기체 발생장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 공급밸브 및 배출밸브가 솔레노이드 밸브인 것을 특징으로 하는 농축기체 발생장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 흡착제가 ZMS이고, 상기 공기 중 특정기체를 제외한 기체가 산소인 것을 특징으로 하는 농축기체 발생장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 흡착제가 CMS이고, 상기 공기 중 특정기체를 제외한 기체가 질소인 것을 특징으로 하는 농축기체 발생장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 흡착탑의 유출구 및 순환밸브 사이에 제 1 체크밸브가 구비되고, 순환밸브 및 제 2 흡착탑의 유입구 사이에 제 2 체크밸브가 구비되며, 제 2 흡착탑의 유출구 및 순환밸브 사이에 제 3 체크밸브가 구비되고, 순환밸브 및 제 1 흡착탑의 유입구 사이에 제 4 체크밸브가 구비된 것을 특징으로 하는 농축기체 발생장치.
7. 공기 중의 특정기체에 대하여 선택적인 흡착도를 가지는 흡착제가 구비된 제 1 흡착탑 및 제 2 흡착탑에 압축된 공기를 통과시켜 상기 특정기체를 분리하고, 공 기 중 특정기체를 제외한 기체를 저장탱크에 저장하여 농축기체를 생성하는 농축기체 발생방법에 있어서,

   ⅰ) 고압 상태인 흡착탑의 유출구와 대기압 또는 저압 상태인 흡착탑의 유입구의 사이에 구비된 순환밸브를 개방하여 고압 상태인 흡착탑의 유출구로부터 대기압 또는 저압 상태인 흡착탑의 유입구로 일단의 기체를 공급하는 단계;

   ⅱ) 양 흡착탑의 압력이 동일해지거나 소정 범위로 유사해지면 상기 순환밸브를 닫고, 제 1 흡착탑에 연결된 공급밸브 및 제 1 배출밸브를 개방하여 제 1 흡착탑의 유입구로 압축공기를 공급하면서, 상기 제 1 흡착탑의 유출구로 상기 특정기체를 제외한 농축기체를 배출하는 동시에 제 2 흡착탑의 잔여 기체를 대기로 방출시켜 상기 제 2 흡착탑의 압력을 대기압 상태로 유지하는 단계;

   ⅲ) 상기 제 2 흡착탑이 대기압 상태가 되면 제 2 흡착탑에 연결된 제 2 배출밸브를 개방하여 상기 제 1 흡착탑을 통해 생성된 농축기체 중 일부를 상기 제 1 흡착탑에 연결된 제 1 유량제어밸브 및 제 2 유량제어밸브를 통해 제 2 흡착탑의 유출구로 공급함으로써 제 2 흡착탑의 흡착제를 재생시키는 단계;

   ⅳ) 단계 ⅲ)를 통해 제 2 흡착탑의 흡착제의 재생이 완료되면 제 1 흡착탑의 유입구로 압축공기를 공급하는 공급밸브를 닫고, 제 1 흡착탑의 유출구와 연결된 제 1 배출밸브를 차단하며, 제 1 흡착탑의 유출구와 제 2 흡착탑의 유입구를 연결하는 순환밸브를 개방하여 제 1 흡착탑의 유출구로부터 제 2 흡착탑의 유입구로 일단의 기체를 공급하는 단계;

   ⅴ) 상기 제 1 흡착탑 및 제 2 흡착탑의 압력이 동일해지거나 소정 범위로 유사해지면 상기 순환밸브를 닫고, 제 2 흡착탑에 연결된 공급밸브 및 제 2 배출밸브를 개방하여 제 2 흡착탑의 유입구로 압축공기를 공급하면서, 상기 제 2 흡착탑의 유출구로 상기 특정기체를 제외한 농축기체를 배출하는 동시에 제 1 흡착탑의 잔여 기체를 대기로 방출시켜 상기 제 1 흡착탑의 압력을 대기압 상태로 유지하는 단계;

   ⅵ) 상기 제 1 흡착탑이 대기압 상태가 되면 제 1 흡착탑에 연결된 제 1 배출밸브를 개방하여 상기 제 2 흡착탑을 통해 생성된 농축기체 중 일부를 상기 제 2 흡착탑에 연결된 제 2 유량제어밸브 및 제 1 유량제어밸브를 통해 1 흡착탑의 유출구로 공급함으로써 제 1 흡착탑의 흡착제를 재생시키는 단계; 및

   ⅶ) 단계 ⅰ) 내지 ⅵ)를 순환방식으로 반복하여 저장탱크로 공기 중의 특정기체를 제외한 농축기체를 저장하는 단계를 포함하는 농축기체 발생방법.

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