KR101547549B1

KR101547549B1 - 고압력 환경에서 사용 가능한 멀티 포트 밸브

Info

Publication number: KR101547549B1
Application number: KR1020140047686A
Authority: KR
Inventors: 강득주; 김주희; 최상균
Original assignee: 주식회사 제이오
Priority date: 2014-04-21
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2015-08-27

Abstract

본 발명은 고압력 환경에서 사용 가능한 멀티 포트 밸브에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 피스톤들이 회전체 둘레를 따라 고르게 밀착된 상태에서 스프링의 탄성력이 가해지기 때문에, 회전체가 고정체로부터 이탈될 우려가 없으며, 또한 회전체가 회전하여 연결홀이 특정 피스톤에 마주하고 있는 상태에서만 실링이 이루어지면 되기 때문에 스프링의 탄성력이 상대적으로 약하더라도 충분한 실링 효과를 얻을 수가 있고, 더불어 낮은 탄성력의 스프링을 사용함으로써 마찰 부하도 줄어들어 회전체나 피스톤의 마모도를 현저하게 떨어뜨릴 수 있다.

Description

고압력 환경에서 사용 가능한 멀티 포트 밸브{Multi port valve for high pressure circumstances}

본 발명은 멀티 포트 밸브에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 수소 정제 공정의 고압력 환경에서 효과적으로 사용이 가능한 멀티 포트 밸브에 관한 것이다.

산업 현장에서의 수소 생산은 천연가스, 나프타 및 기타 탄화수소원을 수증기 개질하거나 혹은 석유화학산업의 여러 혼합기체로부터 회수하는 방식으로 수행된다. 이때, 종래 대부분의 수소정제 공정은 불순물(예컨대 질소, CH₄, CO₂)이 낮은 압력보다는 높은 압력에서 흡착량이 많다는 물질적인 현상을 이용한 압력변동흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption) 방식을 이용한다.

즉 불순물들을 고정상의 흡착탑을 사용하여 고압에서 흡착시키고, 이후 흡착탑의 압력을 낮춰주면 불순물이 탈착 제거된다. 불순물들에 비해 수소 성분은 상대적으로 적게 흡착되는데, 이와 같이 불순물을 흡착한 후 탈착 제거 함으로써 높은 순도의 수소를 얻어낼 수 있다.

PSA 공정을 통해 수소를 대량으로 생산하기 위해서는 기본적으로 흡착탑의 크기를 크게 하면 되지만, 공간적인 제약이 뒤 따른다.

따라서 상대적으로 작은 크기의 흡착탑을 여러개 연결하여 PSA 공정 사이클이 이루어지도록 하면, 작은 공간에서도 연속적인 수소 생산이 가능하다. 즉 PSA 공정은 흡착 단계 - 병류 감압 단계 - 향류 감압 단계 - 저압 세정 단계 - 축압 단계 등의 사이클로 이루어지는데, 밸브를 이용하여 흡착탑 들의 유로를 제어해주면, 각 흡착탑이 상기 사이클을 순차적으로 수행함으로써 연속적인 수소 생산이 가능한 것이다.

여기서 작은 크기의 흡착탑은 상기 PSA의 각 공정 주기가 짧기 때문에, 대량의 수소 생산을 위해서는 흡착탑의 개수를 늘려주어야 한다. 하지만 흡착탑의 개수가 늘어날 경우, 다양한 유로를 연결시켜주기 위한 밸브의 개수도 많아지고 제어도 어려워진다는 문제점이 있다. 이를 위해 멀티 포트 밸브가 사용된다.

도1은 종래의 멀티 포트 밸브의 개략적인 단면도를 도시한 것이다. 도1에 도시된 종래의 멀티 포트 밸브를 간략히 설명하면, 가장 하단에 고정체2(50)가 마련되어 있고, 고정체2(50)의 중앙에는 원료가스가 유입되는 연결홀C(51)가 형성되어 있으며, 그 둘레를 따라 각각의 흡착탑(미도시)과 연결되는 연결홀1(52) 및 연결홀2(53)가 형성되어 있다. 고정체2(50) 위에는 상기 연결홀C(51)와 연결홀1,2(52,53)에 대응하는 위치에 연통홀C(41)와 연통홀1,2(42,43)가 형성된 고정체1(40)이 위치한다. 또한 고정체1(40)의 각 연통홀(41,42,43)에는 스프링(45,47,49)에 의해 상 방향으로 가압되는 피스톤(44,46,48)이 설치되어 있다. 그리고 고정체1(40)의 위에는 샤프트(20)에 연동되고 하단에 연결홈(31)이 형성된 회전체(30)가 설치되며, 회전체(30)는 하우징(10)으로 가려진다.

도1에 도시된 종래의 멀티 포트 밸브는 회전체(30)가 회전하면서 연결홈(31)이 중앙의 연통홀C(41)를 특정 연통홀, 예컨대 연통홀1(42) 또는 연통홀2(43)에 연결시킴으로써, 원료가스가 특정 흡착탑에 유입되도록 한다.

이때 효율적인 수소 정제를 위해서는 높은 압력의 가스를 사용해야 하며, 높은 압력의 가스가 유실되지 않기 위해서는 멀티 포트 밸브의 실링 작용이 중요하다.

하지만 도1에 도시된 종래의 멀티 포트 밸브에서는 회전체(30)와 고정체1(40)이 면접촉을 하고 있기 때문에 높은 압력의 가스를 밀폐시키는 데에 어려움이 따른다.

즉 도1에 도시된 멀티 포트 밸브에서는 원료가스가 유입되는 유로는 피스톤C(44)에 의해 실링이 이루어지고, 흡착탑과 연결되는 유로들은 피스톤1(46) 및 피스톤2(48)에 의해 실링이 이루어지는데, 이때 모든 피스톤들(44,46,48)이 회전체(30)의 한쪽 면에 밀착된 상태이다. 따라서 높은 압력의 가스를 실링하기 위해서는 고강도의 스프링(45,47,49)을 사용해야 하고, 스프링들(45,47,49)이 압박하는 힘이 모두 회전체(30)의 한쪽면에 가해지기 때문에, 회전체(30)를 회전시키는 것이 상당히 힘들게 되며, 마찰 부하도 커져서 회전체(30) 또는 피스톤(44,46,48) 들의 마모도 빠르게 진행된다는 문제점이 있다.

더군다나 도1에서는 흡착탑과 유로를 연결하는 위치에 각가 2개의 피스톤(46,48)만 도시하였으나, 흡착탑이 더 늘어날 경우 피스톤과 스프링의 개수도 늘어나기 때문에 마찰 부하는 더욱 증가하게 된다.

한편 PSA 공정을 위한 멀티 포트 밸브에 대하여 다루어진 종래 기술로는 미국등록특허 제8,272,401호 등이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 마찰 부하가 적으면서도 효율적인 실링이 가능하여 고압력 환경에서 사용이 가능한 멀티 포트 밸브를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고압력 환경에서 사용 가능한 멀티 포트 밸브는, 내측에 회전체가 안착될 수 있는 안착부가 형성되어 있고, 외측으로부터 상기 안착부까지 연통되는 복수의 블록장착부와, 외측으로부터 상기 안착부까지 연통되는 입출홀이 형성되어 있는 고정체; 상기 블록장착부에 장착되고, 유로가 형성된 피스톤과 상기 피스톤을 상기 고정체의 상기 안착부 측으로 가압하는 스프링으로 이루어진 복수의 피스톤블록; 및 상기 고정체의 안착부에 안착되며, 둘레의 일 지점에서 타 지점까지 연결되는 연결홀이 형성되어 있어서, 회전 위치에 따라 상기 복수의 피스톤블록 중 특정 피스톤블록의 유로가 상기 입출홀과 연통되도록 하는 회전체;를 포함한다.

여기서, 상기 회전체에는 상기 피스톤블록 측과 마주하는 상부연결홀과, 상기 입출홀과 마주하는 하부연결홀이 형성되어 있고, 상기 상부연결홀과 상기 하부연결홀은 서로 연결되어 있으며, 상기 하부연결홀이 상기 입출홀과 마주하는 부분에는 대기공간이 마련되어 있어서, 상기 회전체가 어떤 회전 위치에 있더라도 상기 대기공간을 통해 상기 하부연결홀과 상기 입출홀은 유로 연결 상태를 유지할 수 있다.

또한, 상기 회전체에서 상기 피스톤블록과 마주하는 지점에는 상기 회전체의 호길이 방향으로 연장되는 연장홀이 형성되어 있고, 상기 연장홀이 상기 상부연결홀과 연결되어 있어서, 상기 회전체가 특정 회전 위치에 진입하여 상기 연장홀이 1개 또는 복수개의 피스톤블록과 마주하면, 상기 연장홀과 마주한 피스톤블록들 전체의 유로가 상기 상부연결부와 연결될 수 있다.

또, 상기 멀티 포트 밸브는 2단 이상으로 다단 적층 된 후, 각 단의 회전체들이 연동되어 함께 회전 가능하다.

또, 상기 멀티 포트 밸브는 수소 정제를 위한 압력 변동 흡착 시스템에 적용되어 복수의 흡착탑들과, 원료가스공급부와, 생산가스수집탱크와, 테일가스수집탱크 사이의 유로 연결을 제어하는 데에 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 멀티 포트 밸브에 의하면, 피스톤들이 회전체의 한쪽 면에 모두 밀착되어 있는 것이 아니라, 회전체 둘레를 따라 좁은 면적 상에서 밀착되고 있기 때문에 마찰 부하가 크게 줄어든다.

즉, 종래의 멀티 포트 밸브에서는 회전체의 아래쪽 면에 피스톤들이 모두 밀착하고 있는 상태이기 때문에, 회전체가 한쪽 방향의 스프링 탄성력을 모두 받아서 들뜬 상태가 될 가능성이 매우 높아, 높은 압력에서는 사용할 수가 없었으며, 무리하게 회전체와 고정체를 밀착 시켜 사용한다면 마찰 부하가 높아 밀착 면의 마모가 매우 빠르게 진행될 수 밖에 없었다.

반면 본원 발명에 따른 멀티 포트 밸브에서는, 피스톤들이 회전체의 어느 한쪽 면에 모두 밀착되어 있는 것이 아니라, 회전체 둘레를 따라 고르게 밀착된 상태에서 스프링의 탄성력이 가해지기 때문에, 회전체가 고정체로부터 이탈될 우려가 없으며, 또한 회전체가 회전하여 연결홀이 특정 피스톤에 마주하고 있는 상태에서만 실링이 이루어지면 되기 때문에 스프링의 탄성력이 상대적으로 약하더라도 충분한 실링 효과를 얻을 수가 있고, 더불어 낮은 탄성력의 스프링을 사용함으로써 마찰 부하도 줄어들어 회전체나 피스톤의 마모도를 현저하게 떨어뜨릴 수 있다.

또한 회전체의 회전축이 연장되는 선상에는 피스톤이 구비되지 않기 때문에, 멀티 포트 밸브를 다단으로 연결한 후, 하나의 회전 동력으로 다단의 멀티 포트 밸브에 구비된 회전체를 한꺼번에 구동시키는 것도 가능하여 제어가 단순하다.

도1은 종래의 멀티 포트 밸브의 구조를 설명하기 위한 개략적인 단면도.
도2는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 포트 밸브를 설명하기 위한 분해 사시도.
도3은 도2에서 피스톤블록을 설명하기 위한 분해사시도.
도4는 도2에 도시된 멀티 포트 밸브의 개략적인 평단면도와 측단면도.
도5는 도2에 도시된 멀티 포트 밸브가 2단으로 설치된 상태의 개략적인 평단면도와 측단면도.
도6 및 도7은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 포트 밸브가 적용된 압력 변동 흡착 시스템에서 멀티 포트 밸브의 회전체 상태에 따른 각 흡착탑의 유로 연결 상태를 설명하기 위한 도면.
도8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 포트 밸브를 설명하기 위한 개략적인 측단면도.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 다만 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.

도2는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 포트 밸브를 설명하기 위한 분해 사시도이고, 도3은 도2에 도시된 멀티 포트 밸브에서 피스톤블록을 설명하기 위한 분해 사시도이며, 도4는 도2에 도시된 멀티 포트 밸브의 개략적인 평단면도와 측단면도이다.

설명에 앞서 본 발명의 실시예에 따른 멀티 포트 밸브는 도2 및 도4에 도시된 바와 같은 하나의 고정체와 하나의 회전체로 이루어진 기본유닛을 기초로 하되, PSA 공정에서 사용되는 흡착탑 들의 상단이나 하단 포트를 다양한 형태로 연결시켜주기 위하여 도5에서처럼 기본유닛이 2단으로 적층된 구조로 사용되거나, 그 이상의 다단으로 사용될 수 있다. 여기서 서로 다른 단에 위치한 유닛들을 구분하기 위하여, 가장 상단에 위치한 기본유닛의 구성 명칭 뒤에는 A를 표기하고, 두번째 단에 위치한 기본유닛의 구성 명칭 뒤에는 B를 표기하도록 한다. 단, 이하에서는 가장 상단에 위치한 기본유닛을 중점적으로 설명토록 하며, 두번째 단 이하의 유닛에서 생략되는 설명은 첫번째 단의 기본유닛에 대한 설명으로부터 그 기능이 자명하게 유추될 것이다.

도2 내지 도4에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 멀티 포트 밸브는 크게 고정체A(110)와 회전체A(130)로 이루어진다.

고정체A(110)는 흡착탑들(1~9)의 상단 또는 하단 포트들이 연결되거나, 원료가스공급부(Fin)가 연결되거나, 생산가스수집탱크(P) 또는 테일가스수집탱크(T)의 포트들이 연결되는 구성이다. 이러한 고정체A(110)에는 내측 중심에 회전체A(130)가 안착되는 안착부A(111,113)가 형성되어 있다.

회전체A(130)는 상대적으로 직경이 큰 원통형상의 회전체상부A(132)와 직경이 작은 원통형상의 회전체하부A(135)로 구분되며, 회전체상부A(132)의 상단에는 샤프트A(131)가 마련되어 있다. 따라서 모터(미도시)의 구동으로 샤프트A(131)가 회전하면 회전체상부A(132)와 회전체하부A(135)가 함께 회전한다. 이렇게 상하부 직경이 다른 회전체A(130)가 안착되기 위하여 고정체A(110)의 안착부A(111,113) 역시 상부안착부A(111)와 하부안착부A(113)로 단턱지게 형성되어 있다.

고정체A(110)의 하부 일 지점에는 측면에서부터 내측의 하부안착부A(113)까지 관통되는 입출홀A(114)가 형성되어 있다. 입출홀A(114)에는 원료가스공급부(Fin)가 연결되거나, 실시하기에 따라 생산가스수집탱크(P) 또는 테일가스수집탱크(T)가 연결된다.

고정체A(110)의 상부 둘레에는 외측에서부터 내측의 상부안착부A(111)까지 관통되는 복수의 블록장착부A(112-A1 ~ 112-A9)가 형성되어 있으며, 블록장착부A(112-A1 ~ 112-A9)에는 피스톤블록A(120-A1 ~ 120-A9)가 장착된다. 본 실시예에서는 9개의 흡착탑(1~9)을 갖는 PSA 시스템에서 사용될 수 있도록 고정체A(110) 상부에 9개의 블록장착부A(112-A1 ~ 112-A9)가 형성되어 있고, 각각의 블록장착부A(112-A1 ~ 112-A9)에 9개의 피스톤블록A(120-A1 ~ 120-A9)가 장착되는 것을 도시하였다.

피스톤블록A(120-A1 ~ 120-A9)는 흡착탑(1~9)의 상단 포트 또는 하단 포트와 연결되는 구성이며, 회전체A(130)의 상태에 따라 선택적으로 흡착탑(1~9)과 입출홀A(114)을 연결시킨다. 또한 피스톤블록A(120-A1 ~ 120-A9)는 회전체A(130)와 밀착 되는 부분에서의 실링을 수행하기 위한 구성을 포함하여 이루어진다.

9개의 피스톤블록A(120-A1 ~ 120-A9) 중 흡착탑1(1)과 연결되는 피스톤블록A1(120-A1)의 분해사시도가 도시된 도3과, 피스톤블록A1(120-A1)이 고정체A(110)에 장착된 상태에서 개략적인 단면을 도시한 도4의 확대도를 참조하면, 피스톤블록A1(120-A1)은 흡착탑연결부A1(121-A1), 피스톤A1(124-A1), 밀착부A1(127-A1) 및 스프링A1(129-A1)으로 구성되고, 이들 구성은 고정체A(110)의 블록장착부A1(112-A1)에 삽입 설치된다.

흡착탑연결부A1(121-A1)은 고정체A(110)의 블록장착부A1(112-A1) 외측에서 볼팅 결합 등의 방식으로 체결되며, 흡착탑연결부A1(121-A1)을 관통하여 유로A1-1(123-A1-1)이 형성되어 있고, 유로A1-1(123-A1-1)의 일측(회전체A 방향)은 유로A1-1(123-A1-1)보다 내경이 큰 상태로 확장되는 피스톤안착홀A1(122-A1)이 형성되어 있어서, 피스톤A1(124-A1)의 일측이 삽입된다.

피스톤A1(124-A1)에는 일측에서부터 타측까지 관통되는 유로A1-2(126-A1-2)가 형성되어 있고, 피스톤A1(124-A1)의 일측은 흡착탑연결부A1(121-A1)의 피스톤안착홀A1(122-A1)에 안착되고, 타측에는 유로A1-3(128-A1-3)이 형성된 밀착부A1(127-A1)이 마련되어 있다. 또한 피스톤A1(124-A1)의 일 지점을 둘러싸는 상태로 지지턱A1(125-A1)이 마련되어 있다. 따라서 스프링A1(129-A1)의 일측은 흡착탑연결부A1(121-A1)에 지지되고, 타측은 피스톤A1(124-A1)에 고정 설치된 지지턱A1(125-A1)에 지지된다.

여기서 흡착탑연결부A1(121-A1)은 고정체A(110)에 고정된 상태이기 때문에 스프링A1(129-A1)에서 발생하는 탄성력은 피스톤A1(124-A1)의 지지턱A1(125-A1)을 가압하여, 밀착부A1(127-A1)이 회전체A(130)에 밀착되도록 한다.

도4에 도시된 바와 같이 피스톤블록A1(120-A1)이 블록장착부A1(112-A1)에 장착된 상태에선 유로A1-1(123-A1-1)과, 유로A1-2(126-A1-2)와, 유로A1-3(128-A1-3)이 모두 연결되어 하나의 유로를 형성하게 된다.

물론 피스톤블록A1(120-A1)에서 형성된 유로는 회전체A(130)의 회전 위치에 따라 입출홀A(114)까지 연결되거나 또는 차단된다.

즉 도2 및 도4를 참조하면 회전체A(130)의 회전체상부A(132)에는 중심에서 측면까지 연장되는 상부연결홀A(133)가 형성되어 있고, 회전체하부A(135)에는 중심에서 측면까지 연장되는 하부연결홀A(136)가 형성되어 있다. 물론 상부연결홀A(133)와 하부연결홀A(136)는 서로 연결된 상태이다. 또한 회전체하부A(135)와 고정체A(110)의 하부안착부A(113) 사이에는 소정 거리 이격된 상태로 대기공간A(137)가 마련되어 있으며, 대기공간A(137)에서 입출홀A(114)의 상하부는 실링수단A(138)로 밀폐된다. 따라서 입출홀A(114)를 통해 원료가스가 유입되면, 원료가스는 회전체하부A(135) 둘레의 대기공간A(137)에 먼저 유입되기 때문에, 회전체하부A(135)의 하부연결홀A(136)는 어느 방향을 향하고 있더라도 대기공간A(137)의 원료가스를 공급 받을 수 있다.

회전체A(130)의 연결홀A(133,136)에 유입된 원료가스는 회전체상부A(132)의 회전 위치에 따라 서로 다른 흡착탑(1~9)과 연결된다. 즉 상부연결홀A(133)가 피스톤블록A1(120-A1)과 마주하고 있다면, 입출홀A(114)와 대기공간A(137)를 통해 연결홀A(133,136)로 유입된 원료가스는 피스톤블록A1(120-A1)의 유로(123-A1-1, 126-A1-2, 128-A1-3)를 거쳐 흡착탑1(1)로 유입된다.

여기서 상부연결홀A(133)는 연장홀A(134)를 통해 회전체상부A(132)의 측면으로 노출된다. 즉 도2 및 도4의 (a)를 참조하면, 회전체상부A(132)의 측면에는 원주 방향을 따라 소정 호길이의 연장홀A(134)가 형성되어 있고, 연장홀A(134)의 일 지점에 상부연결홀A(133)의 끝단이 연결되어 있다. 따라서 회전체A(130)가 회전하면서 특정 지점에서 멈추게 되면, 연장홀A(134)의 호길이에 걸쳐 마주하는 해당 피스톤블록은 모두 연결홀A(133,136)와 연통하여 원료가스를 유입받을 수 있는 상태가 되는 것이다.

예컨대 도4의 (a)에서와 같은 상태로 회전체A(130)가 위치하고 있다면, 연장홀A(134)가 피스톤블록A1~A3(120-A1~120-A3)의 밀착부들과 마주하고 있어서, 원료가스는 피스톤블록A1~A3(120-A1 ~ 120-A3)을 통해 흡착탑1(1)~흡착탑3(3)으로 유입된다.

여기서 연장홀A(134)의 호길이는 전체 피스톤블록(120-A1~120-A9)의 개수 및 흡착탑들(1~9)의 공정 사이클에 따라 서로 다르게 설계될 수 있다. 즉 연장홀A(134)의 호길이에 따라 회전체A(130)의 특정 위치에서 한꺼번에 연통되는 흡착홀의 개수가 달라질 수 있으며, 이미 확보된 호길이라 하더라도 회전체A(130)의 회전 각도에 따라 특정 시점에서는 흡착홀2~4(2~4)가 연결되고, 그 다음 시점에서는 흡착홀2~5(2~5)가 연결되는 것도 가능하다.

또한 도2 내지 도4에서 확인할 수 있듯이, 본 실시예에서는 피스톤블록들(120-A1 ~ 120-A9)이 회전체(130)의 한쪽 면에 모두 밀착되어 있는 것이 아니라, 회전체(130) 둘레를 따라 좁은 면적 상에서 밀착되고 있기 때문에 마찰 부하가 크게 줄어든다.

반면 본 실시예에서는 피스톤블록들(120-A1 ~ 120-A9)이 회전체(130)의 어느 한쪽 면에 모두 밀착되어 있는 것이 아니라, 회전체(130) 둘레를 따라 고르게 밀착된 상태에서 스프링의 탄성력이 가해지기 때문에, 회전체(130)가 고정체(110)로부터 이탈될 우려가 없으며, 또한 회전체(130)가 회전하여 연결홀(133,136)이 특정 피스톤블록과 마주하고 있는 상태에서만 실링이 이루어지면 되기 때문에 스프링의 탄성력이 상대적으로 약하더라도 충분한 실링 효과를 얻을 수가 있고, 더불어 낮은 탄성력의 스프링을 사용함으로써 마찰 부하도 줄어들어 회전체(130)나 피스톤블록(120-A1 ~ 120-A9)의 마모도를 현저하게 떨어뜨릴 수 있다.

한편 도2 내지 도4에서는 하나의 고정체A(110)와 하나의 회전체A(130)를 구비한 멀티 포트 밸브의 기본 유닛에 대하여 설명하였고, 또한 원료가스 유입에 대해서만 다루어졌지만, 실제 PSA 공정에서 사용될 시에는 도2 내지 도4에 도시된 기본유닛이 다단으로 적층되어 사용된다.

도5의 (b)를 참조하면 상단에는 도4에 도시된 고정체A(110)와 회전체A(130)로 구성된 멀티 포트 밸브의 기본유닛이 설치되어 있고, 그 아래에 고정체B(210)와 회전체B(230)로 구성된 유닛이 설치된다.

두번째 단에 설치된 유닛을 살펴보면 고정체B(210)에 피스톤블록B1~B9(220-B1 ~ 220-B9)이 설치되어 있고 하부에는 측면으로 연통되는 입출홀B(214)가 형성되어 있다. 또한 회전체상부B(232)와 회전체하부B(235)로 구현되는 회전체B(230)가 고정체B(210)에 안착되어 있고, 회전체B(230)에는 상부연결홀B(233)와 하부연결홀B(236) 및 연장홀B(234)가 형성되어 있다. 두번째 단에 설치된 유닛의 대부분의 구성들은 첫번째 단에 설치된 유닛과 그 기능 작용이 동일하나, 차이점이 있다면 회전체상부B(232)에 별도의 샤프트가 구비되지 않았다는 것이다. 즉 회전체B(230)는 회전체A(130)와 동일 회전축 상에서 연동되도록 설치되기 때문에 회전체A(130)에 마련된 샤프트A(131)가 회전하면 회전체A(130)는 물론 회전체B(230)도 함께 회전하게 된다.

즉 본 발명의 실시예에 따른 멀티 포트 밸브의 기본유닛은 회전체(130,230)의 회전축이 연장되는 선상에 피스톤이 구비되어 있지 않기 때문에, 도5와 같은 다단 적층이 가능한 것이며, 하나의 회전 동력으로 다단의 멀티 포트 밸브에 구비된 회전체(130,230)를 한꺼번에 구동시킬 수가 있어서 제어가 단순하다.

한편 본 발명의 실시예에 따른 멀티 포트 밸브는 도5에 도시된 바와 같은 2단 적층을 넘어서 3단 또는 4단 적층 구조를 통해 PSA 공정에 적용될 수 있다. 예컨대 9개의 흡착탑(1~9)이 사용되는 PSA 시스템이라면 흡착탑(1~9) 상단에는 4개의 유닛이 적층된 멀티 포트 밸브가 사용될 수 있고, 흡착탑(1~9) 하단에는 도5에 도시된 바와 같은 2개의 유닛이 적층된 멀티 포트 밸브가 사용될 수 있다.

도5를 보다 구체적으로 설명하면, 상단 유닛의 피스톤블록A1(120-A1)과 하단 유닛의 피스톤블록B1(220-B1)에는 각각 흡착탑1(1)의 하단이 연결되고, 피스톤블록A2(120-A2)2와 피스톤블록B2(220-B2)에는 각각 흡착탑2(2)가 연결된다. 같은 방식으로 흡착탑9(9)까지 각각의 피스톤블록에 연결된다.

이때 2단으로 적층된 멀티 포트 밸브의 개략적인 평단면도를 도시한 도5의 (a)를 참조하면, 회전체A(130)에 형성된 연장홀A(134)는 상대적으로 호길이가 길고, 회전체B(230)에 형성된 연장홀B(234)는 상대적으로 호길이가 짧다. 따라서 회전체B(230)의 회전 상태에 따라서 연장홀B(234)는 1개의 피스톤블록B(220-B1 ~ 220-B9)와 마주하거나 또는 2개의 피스톤블록B(220-B1 ~ 220-B9)와 마주하게 된다.

또한 상단에 설치된 멀티 포트 밸브의 고정체A(110)의 입출홀A(114)는 원료가스공급부(Fin)와 연결되고, 하단에 설치된 멀티 포트 밸브의 고정체B(210)의 입출홀B(214)는 테일가스수집탱크(T)와 연결된다. 따라서 모터(미도시)의 구동으로 회전체A(130)의 연장홀A(134)와 회전체B(230)의 연장홀B(234)가 특정 위치, 예컨대 도5의 (a)와 같은 상태로 위치한다면, 피스톤블록A1~A3(120-A1 ~ 120-A3)과 연결된 흡착홀1~3(1~3)의 하단은 연결홀A(133,136)와 입출홀A(114)를 통해 원료가스공급부(Fin)로부터 원료가스를 공급받게 되고, 동시에 피스톤블록B7(220-B7)과 연결된 흡착홀7(7)의 하단은 연결홀B(233,236)와 입출홀B(214)를 통해 테일가스수집탱크(T)로 연결되어 흡착홀7의 폐가스가 배출된다.

도5에 도시된 연장홀A(134)와 연장홀B(234)의 호길이와 회전 위치는 일례를 도시한 것에 불과하며, 멀티 포트 밸브의 기본유닛의 적층 개수, 흡착탑의 개수 및 PSA 사이클 공정에 따라 설계는 다양하게 변경될 수가 있다.

도6 및 도7은 본 발명의 실시예에 따른 멀티 포트 밸브가 적용된 압력 변동 흡착 시스템에서 멀티 포트 밸브의 회전체 상태에 따른 각 흡착탑의 유로 연결 상태를 설명하기 위한 도면이다.

도6의 (a)에 도시된 압력 변동 흡착 시스템에는 9개의 흡착탑(1~9)이 구비되어 있고, 원료가스공급부(Fin)와 생산가스수집탱크(P) 및 테일가스수집탱크(T)도 준비되어 있다.

흡착탑(1~9)의 하부는 2단으로 적층된 멀티 포트 밸브에 연결되어 있으며, 흡착탑(1~9)의 상부는 4단으로 적층된 멀티 포트 밸브에 연결되어 있다. 물론 각각의 멀티 포트 밸브에서 기본유닛들의 유로 연결은 입출홀들의 연결 상태, 피스톤블록들의 연결 상태 및 회전체의 회전 위치와 연장홀들의 호길이 상태에 따라 달라진다.

도6의 (a)는 총 18단계로 이루어지는 PSA 공정 사이클의 첫번째 단계이다. 즉 흡착탑(1~9) 상단과 하단에 각각 설치된 멀티 포트 밸브에서 회전체가 미리 설계된 1단계 위치에 위치하면, 흡착탑2~4(2~4)의 하단은 원료가스공급부(Fin)와 연결되고 상단은 생산가스수집탱크(P)와 연결됨으로써, 흡착탑2~4(2~4)에서는 흡착 공정(adsorption)이 이루어진다. 즉 원료가스가 고압의 흡착압력 상태로 흡착탑2~4(2~4)에 유입되며, 이때 불순물은 흡착탑2~4(2~4) 내에서 흡착되고, 고순도의 수소는 상단으로 빠져나와 생산가스수집탱크(P)에서 수집된다.

물론 미설명된 흡착탑들(1,5,6,7,8,9)도 각 공정에 맞는 유로가 형성되어 감압이나 정제 등의 공정 과정을 수행한다.

도6의 (a)와 같은 1단계 상태에서 회전체가 기 설정된 바에 따라 일정 각도 회전하면 도6의 (b)와 같은 유로 연결 상태가 된다. 즉 흡착탑2~4(2~4)에서는 여전히 흡착 공정이 진행되고 있지만, 흡착탑5(5)의 하단은 폐쇄된 채 상단만 생산가스수집탱크(P)와 연결되어 있다. 즉 흡착탑5(5)는 고순도의 수소가 유입되어 가압되고 있는 축압 공정(repressurization)이 수행중인 것이다.

도6의 (b)와 같은 2단계 상태에서 회전체가 일정 각도 더 회전하여 도7의 (a)와 같은 유로 연결 상태가 되면, 흡착탑5(5)는 축압 공정을 마치고 흡착 공정으로 진입한 것이고, 흡착탑2(2)는 흡착탑6(6)과 연결됨으로써, 흡착탑2(2) 내의 흡착제 내에 잔존하고 있는 수소가 흡착탑6(6)으로 회수되는 병류 감압 과정(cocurrent depressurization)이 진행되고 있는 것이다.

PSA 공정 사이클은 크게 흡착 단계 - 병류 감압 단계 - 향류 감압 단계 - 저압 세정 단계 - 축압 단계가 순차적으로 진행되며, 각 공정은 기 공지된 사항이기 때문에 구체적인 설명은 생략토록 한다. 또한 앞서 설명한 바와 같이 멀티 포트 밸브의 회전체가 회전하면서 흡착탑(1~9)의 상단 및 하부의 연결 상태를 바꿔줌으로써 각 흡착탑(1~9)에서의 공정 상태를 변화시킬 수 있으며, 압력 변동 흡착 시스템에 9개의 흡착탑(1~9)이 사용될 경우 도6의 (a)에 도시된 1단계부터 도7의 (b)에 도시된 18단계까지 사이클이 순차적으로 이루어질 수 있다.

도8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 멀티 포트 밸브를 설명하기 위한 개략적인 측단면도이다. 도8에 도시된 멀티 포트 밸브는 입출홀A(314)가 형성된 고정체A(310)에 피스톤블록A1~A9(320-A1 ~ 320-A9)이 장착되어 있고, 입출홀B(414)가 형성된 고정체B(410)에 피스톤블록B1~B9(420-B1 ~ 420-B9)이 장착되어 있는 상태에서 서로 다른 유로를 형성시키기 위한 연결홀들(332,333,335,337)이 형성된 회전체(330)가 고정체A(310)와 고정체B(410)에 안착된 상태에서, 구동체(341)와 벨트(342)의 작동으로 회전체(330)가 작동할 수 있는 형태이다.

즉, 도5에 도시된 멀티 포트 밸브와 유사하나, 도8의 실시예에서는 고정체A(310)를 뒤집어 놓은 상태에서 고정체A(310)의 안착부A(311)와 고정체B(410)의 안착부B(411)에 하나의 회전체(330)를 결합해 놓은 것이다. 이에 따라 본 실시예에 따른 회전체(330)는 상대적으로 직경이 큰 원통 형상의 회전체중앙부(331) 위에 회전체상부(334)가 마련되어 있고, 회전체중앙부(331) 아래에는 회전체하부(336)가 마련되어 있다. 따라서 회전체상부(334)와 회전체중앙부(331)의 윗부분은 고정체A(310)의 안착부A(311)에 안착되고, 회전체하부(336)와 회전체중앙부(331)의 아랫부분은 고정체B(410)의 안착부B(411)에 안착된다. 그리고 회전체중앙부(331)의 윗부분과 회전체상부(334)에는 피스톤블록A(320-A1 ~ 320-A9)와 입출홀A(314)를 연결하기 위한 연결홀A1(332) 및 연결홀A2(335)가 형성되어 있고, 회전체중앙부(331)의 아랫부분과 회전체하부(336)에는 피스톤블록B(420-B1 ~ 420-B9)와 입출홀B(414)를 연결하기 위한 연결홀B1(333) 및 연결홀B2(337)가 형성되어 있다.

또한 회전체중앙부(331)는 구동체(341)와 벨트(342)로 연동되어 있어서, 구동체(341)가 작동하면 회전체중앙부(331)는 물론 회전체상부(334)와 회전체하부(336)도 함께 회전함으로써, 피스톤블록A(320-A1 ~ 320-A9)에 연결된 흡착탑(1~9)들이 특정 시점에서 연결홀A(332,335)를 통해 입출홀A(314)와 연동될 수 있으며, 피스톤블록B(420-B1 ~ 420-B9)에 연결된 흡착탑(1~9)들 역시 연결홀B(333,337)의 위치에 따라 특정 시점에서 입출홀B(414)와 연동될 수 있다.

본 실시예에서는 회전체(330)와 구동체(341)가 벨트(342)를 통해 연동되는 것을 도시하였으나, 실시하기에 따라 체인이나 감속기어 등을 적용시킬 수도 있다.

또한 고정체와 회전체의 기본유닛으로 이루어진 멀티 포트 밸브의 다단 결합 형태는 도5와 도8에 도시된 것 외에도 다양하게 변경 가능하다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 멀티 포트 밸브에 의하면, 피스톤블록들이 회전체의 한쪽 면에 모두 밀착되어 있는 것이 아니라, 회전체 둘레를 따라 좁은 면적 상에서 밀착되고 있기 때문에 마찰 부하가 크게 줄어든다.

반면 본 실시예에서는 피스톤블록들이 회전체의 어느 한쪽 면에 모두 밀착되어 있는 것이 아니라, 회전체 둘레를 따라 고르게 밀착된 상태에서 스프링의 탄성력이 가해지기 때문에, 회전체가 고정체로부터 이탈될 우려가 없으며, 또한 회전체가 회전하여 연결홀이 특정 피스톤블록에 마주하고 있는 상태에서만 실링이 이루어지면 되기 때문에 스프링의 탄성력이 상대적으로 약하더라도 충분한 실링 효과를 얻을 수가 있고, 더불어 낮은 탄성력의 스프링을 사용함으로써 마찰 부하도 줄어들어 회전체나 피스톤블록의 마모도를 현저하게 떨어뜨릴 수 있다.

또한 회전체의 회전축이 연장되는 선상에는 피스톤블록이 구비되지 않기 때문에, 멀티 포트 밸브를 다양한 형태로 다단 연결한 후, 하나의 회전 동력으로 다단의 멀티 포트 밸브에 구비된 회전체를 한꺼번에 구동시키는 것도 가능하여 제어가 단순하다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

1~9 : 흡착탑1 ~ 흡착탑9
Fin : 원료가스공급부
P : 생산가스수집탱크
T : 테일가스수집탱크
110 : 고정체A
111 : 상부안착부A
112-A1~112-A9 : 블록장착부A1~A9
113 : 하부안착부A
114 : 입출홀A
120-A1~120-A9 : 피스톤블록A1~A9
121-A1 : 흡착탑연결부A1
122-A1 : 피스톤안착홀A1
123-A1-1 : 유로A1-1
124-A1 : 피스톤A1
125-A1 : 지지턱A1
126-A1-2 : 유로A1-2
127-A1 : 밀착부A1
128-A1-3 : 유로A1-3
129-A1 : 스프링A1
130 : 회전체A
131 : 샤프트A
132 : 회전체상부A
133 : 상부연결홀A
134 : 연장홀A
135 : 회전체하부A
136 : 하부연결홀A
137 : 대기공간A
138 : 실링수단A
210 : 고정체B
214 : 입출홀B
220-B1~220-B9 : 피스톤블록B1~B9
230 : 회전체B
232 : 회전체상부B
233 : 상부연결홀B
234 : 연장홀B
235 : 회전체하부B
236 : 하부연결홀B
310, 410 : 고정체A, B
311, 411 : 안착부A, B
314, 414 : 입출홀A, B
320-A1 ~ 320-A9 : 피스톤블록A1~A9
420-B1 ~ 420-B9 : 피스톤블록B1~B9
330 : 회전체
331 : 회전체중앙부
332 : 연결홀A1
333 : 연결홀B1
334 : 회전체상부
335 : 연결홀A2
336 : 회전체하부
337 : 연결홀B2
341 : 구동체
342 : 벨트

Claims

내측에 회전체가 안착될 수 있는 안착부가 형성되어 있고, 외측으로부터 상기 안착부까지 연통되는 복수의 블록장착부와, 외측으로부터 상기 안착부까지 연통되는 입출홀이 형성되어 있는 고정체;
상기 블록장착부에 장착되고, 유로가 형성된 피스톤과 상기 피스톤을 상기 고정체의 상기 안착부 측으로 가압하는 스프링으로 이루어진 복수의 피스톤블록; 및
상기 고정체의 안착부에 안착되며, 둘레의 일 지점에서 타 지점까지 관통하여 연결되는 연결홀이 형성되어 있어서, 회전 위치에 따라 상기 복수의 피스톤블록 중 특정 피스톤블록의 유로가 상기 연결홀을 통해 상기 입출홀과 연통되도록 하는 회전체;를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 포트 밸브.
제1항에 있어서,
상기 회전체에는 상기 피스톤블록 측과 마주하는 상부연결홀과, 상기 입출홀과 마주하는 하부연결홀이 형성되어 있고, 상기 상부연결홀과 상기 하부연결홀은 서로 연결되어 있으며, 상기 하부연결홀이 상기 입출홀과 마주하는 부분에는 대기공간이 마련되어 있어서, 상기 회전체가 어떤 회전 위치에 있더라도 상기 대기공간을 통해 상기 하부연결홀과 상기 입출홀은 유로 연결 상태를 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 멀티 포트 밸브.
제2항에 있어서,
상기 회전체에서 상기 피스톤블록과 마주하는 지점에는 상기 회전체의 호길이 방향으로 연장되는 연장홀이 형성되어 있고, 상기 연장홀이 상기 상부연결홀과 연결되어 있어서, 상기 회전체가 특정 회전 위치에 진입하여 상기 연장홀이 1개 또는 복수개의 피스톤블록과 마주하면, 상기 연장홀과 마주한 피스톤블록들 전체의 유로가 상기 상부연결홀과 연결되는 것을 특징으로 하는 멀티 포트 밸브.
제1항에 있어서,
상기 멀티 포트 밸브는 2단 이상으로 다단 적층 된 후, 각 단의 회전체들이 연동되어 함께 회전 가능한 것을 특징으로 하는 멀티 포트 밸브.
제1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 멀티 포트 밸브는 수소 정제를 위한 압력 변동 흡착 시스템에 적용되어 복수의 흡착탑들과, 원료가스공급부와, 생산가스수집탱크와, 테일가스수집탱크 사이의 유로 연결을 제어하는 데에 사용되는 것을 특징으로 하는 멀티 포트 밸브.