KR101647017B1 - 응축 수분 배출 기능을 가지는 산소 농축 방법 및 장치 - Google Patents

응축 수분 배출 기능을 가지는 산소 농축 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

산소 농축 장치는, 산소에 대해 질소를 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제로 채워지는 적어도 하나의 흡착 베드, 상기 흡착 베드로 가압 공기를 공급하는 공기 공급기, 상기 공기 공급기로부터 상기 흡착 베드로 가압 공기가 공급되도록 하고 상기 흡착 베드를 감압하여 질소 흡착 공정 및 질소 탈착 공정이 교대로 수행되도록 유로를 조절하는 유로 조절 밸브 유닛, 그리고 상기 공기 공급기로부터 공급되는 가압 공기에 함유된 수분을 분리하여 배출하는 수분 배출 유닛을 포함한다. 상기 유로 조절 밸브 유닛과 상기 수분 배출 유닛은 하나의 하우징 내에 적어도 부분적으로 각각 수용된다.

Description

응축 수분 배출 기능을 가지는 산소 농축 방법 및 장치{Oxygen concentrating method and apparatus having condensate water removing function}
본 발명은 압력 순환 흡착 방식의 산소 농축 방법 및 장치에 관한 것이다.
산소 농축 장치는 대기 중에서 산소를 분리 및 농축하는 장치로서 가정용, 공업용, 의료용 등으로 널리 이용되고 있다.
다양한 방식의 산소 농축 장치에 사용되고 있으며, 그 중 압력 순환 흡착(또는 압력 변동 흡착, Pressure Swing Adsorption, 이하 PSA) 방식은 흡착제를 이용하여 산소를 분리하여 농축시키는 원리에 기반하며 공기 중의 질소를 흡착제에 의해 흡수하여 산소의 농도를 높이는 방법을 이용한다. 압력 순환 흡착(PSA) 방식은 압축공기와 흡착제만을 이용하기 때문에 공해물질의 배출이 없고 사용이 쉬워 널리 사용되고 있는 방식이다.
압력 순환 흡착 공정을 이용한 산소 농축 장치에 주로 사용되는 흡착제는 합성 제올라이트(Zeolite)이다. 질소는 상대적으로 높은 압력 하에서 산소보다 제올라이트에 보다 잘 흡착된다. 이 특성을 이용하여 공기 중의 질소를 제고하여 산소 농도가 상대적으로 높은 기체가 얻어진다.
이때, 제올라이트가 질소를 흡착하면, 그 흡착 성능이 저하되고, 따라서 원래의 흡착 성능을 회복하기 위한 제올라이트로부터 질소를 탈착하는 것이 필요하다.
질소 흡착을 위해 압축 공기가 흡착제로 채워지는 흡착 베드로 공급되는데, 이때 공기의 압축 과정에서 물이 생길 수 있다. 제올라이트가 물을 함유하는 압축 공기에 노출되며, 제올라이트의 질소 흡착 성능이 저하되고 PSA 공정 중 압력 변화에 의해 내구성이 저하되고 그에 의해 제올라이트의 입자가 마모되거나 파괴될 수 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해 압력 순환 흡착 방식의 산소 농축 장치는 수분 제거 장치를 구비한다. 예를 들어, 압축된 공기를 실리카겔이나 활성 알루미나와 같은 수분 건조제가 적층된 수분제거장치를 통과시켜 수분을 제거시키는 흡착 수분제거 방식(대한민국 공개특허공보 제10-2000-0030484호)의 수분 제거 장치, 압축공기의 이슬점 온도를 낮추어 공기 중의 수분을 응축시켜 제거하는 냉동 수분제거 방식(대한민국 공개특허공보 제10-2003-0017054호)의 수분 제거 장치 등이 소개된 바 있다.
그러나, 종래에는 수분 제거 공정이 산소 압축 공정과는 별도로 이루어지기 때문에 효율이 저하될 수 있다. 나아가, 수분 제거 장치가 압축공기 유동부와 별도로 독립적인 장치로 구성되므로 전체 장치의 부피가 커지게 된다. 또한, 수분필터와 같은 수분제거 구동을 위한 추가 구성품이 구비되어야 한다는 단점도 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2000-0030484 (공개일: 2000. 06. 05) 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0017054 (공개일: 2003. 03. 03)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수분 제거 공정이 산소 농축 공정과 연계되어 수행되어 효율을 높일 수 있고 또한 부피가 큰 별도의 수분 제거 장치를 사용하지 않고 압축공기 내에 응축 수분을 제거할 수 있는 산소 농축 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 하부로 유입된 공기가 상부로 이동할 수 있도록 각각 형성되며 산소에 대해 질소를 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제로 각각 채워지는 제1 흡착 베드 및 제2 흡착 베드를 포함하는 산소 농축 장치를 이용하며 상기 제1 및 제2 흡착 베드의 가압 및 감압 공정을 교번시켜 수행함으로써 산소 농축이 이루어지도록 하는 산소 농축 방법은, 상기 제1 흡착 베드로 가압 공기를 공급하여 상기 제1 흡착 베드의 압력을 높여 질소 흡착이 이루어지도록 하고 동시에 상기 제2 흡착 베드의 질소를 배출하는 단계, 상기 제1 흡착 베드의 압력이 미리 설정된 압력에 도달하는 경우 상기 제1 흡착 베드의 상부의 공기를 상기 제2 흡착 베드의 상부로 이동시켜 상기 제1 흡착 베드와 상기 제2 흡착 베드의 상부의 압력을 균등화하는 단계, 상기 제1 흡착 베드의 상부의 공기를 상기 제2 흡착 베드의 상부로 이동시킴과 동시에 상기 제1 흡착 베드의 하부의 공기를 상기 제2 흡착 베드의 하부로 이동시켜 상기 제1 흡착 베드와 상기 제2 흡착 베드의 상부 및 하부의 압력을 균등화하는 단계, 상기 제2 흡착 베드로 가압 공기를 공급하여 상기 제2 흡착 베드의 압력을 높여 질소 흡착이 이루어지도록 하고 동시에 상기 제1 흡착 베드의 질소를 배출하는 단계, 상기 제2 흡착 베드의 압력이 미리 설정된 압력에 도달하는 경우 상기 제2 흡착 베드의 상부의 공기를 상기 제1 흡착 베드의 상부로 이동시키셔 상기 제1 및 제2 흡착 베드의 상부의 압력을 균등화하는 단계, 상기 제2 흡착 베드의 상부의 공기를 상기 제1 흡착 베드의 상부로 이동시킴과 동시에 상기 제2 흡착 베드의 하부의 공기를 상기 제1 흡착 베드의 하부로 이동시켜 상기 제1 흡착 베드와 상기 제2 흡착 베드의 상부 및 하부의 압력을 균등화하는 단계, 그리고 상기 제1 흡착 베드 및 상기 제2 흡착 베드로 공급될 가압 공기로부터 분리된 수분을 미리 설정된 시간 동안 배출하는 단계를 포함한다.
상기 분리된 수분의 배출은 상기 상부 압력을 균등화하는 단계의 시작과 동시에 개시되어 상기 미리 설정된 시간 동안 이루어질 수 있다.
상기 분리된 수분의 배출은 상기 제1 및 제2 흡착 베드로 가압 공기를 공급하는 과정 중 개시되어 상기 미리 설정된 시간 동안 이루어질 수 있고, 상기 상부 압력을 균등화하는 단계는 상기 분리된 수분의 배출이 종료된 후에 개시될 수 있다.
상기 미리 설정된 시간은 0.1-1초의 범위에 속할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 산소 농축 장치는, 산소에 대해 질소를 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제로 채워지는 적어도 하나의 흡착 베드, 상기 흡착 베드로 가압 공기를 공급하는 공기 공급기, 상기 공기 공급기로부터 상기 흡착 베드로 가압 공기가 공급되도록 하고 상기 흡착 베드를 감압하여 질소 흡착 공정 및 질소 탈착 공정이 교대로 수행되도록 유로를 조절하는 유로 조절 밸브 유닛, 그리고 상기 공기 공급기로부터 공급되는 가압 공기에 함유된 수분을 분리하여 배출하는 수분 배출 유닛을 포함한다. 상기 유로 조절 밸브 유닛과 상기 수분 배출 유닛은 하나의 하우징 내에 적어도 부분적으로 각각 수용된다.
상기 수분 배출 유닛은 상기 공기 공급기로부터 공급된 가압 공기로부터 수분을 분리하는 수분 분리 공간을 형성하는 수분 분리 탱크를 포함할 수 있고, 상기 하우징은 상기 공기 공급기의 공기를 상기 수분 분리 공간으로 공급할 수 있도록 외측으로 노출되는 제1 공기 유입구, 상기 공기 공급기의 공기를 상기 유로 조절 밸브 유닛으로 공급할 수 있도록 외측으로 노출되는 제2 공기 유입구, 그리고 상기 수분 분리 공간을 통과한 공기를 외측으로 배출할 수 있도록 형성되는 공기 이동 통로를 포함할 수 있다. 이때, 산소 농축 장치는 상기 제2 공기 유입구와 상기 공기 이동 통로의 출구를 포함하는 공기 이동 공간을 선택적으로 형성하도록 상기 제2 공기 유입구과 상기 공기 이동 통로의 출구를 덮도록 상기 하우징에 선택적으로 체결되는 덮개를 더 포함할 수 있다.
상기 수분 배출 유닛은 상기 수분 분리 공간에 저장된 수분을 선택적으로 배출할 수 있도록 작동하는 수분 배출 조절 밸브를 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 흡착 베드는 제1 및 제2 흡착 베드를 포함할 수 있고, 산소 농축 장치는 상기 제1 및 제2 흡착 베드의 상부 유출입구를 선택적으로 연통하도록 작용하는 온/오프 밸브, 그리고 상기 상부 유출입구를 연결하는 유로에 설치되는 오리피스를 더 포함할 수 있다. 상기 유로 조절 밸브 유닛은 상기 공기 공급기, 상기 제1 및 제2 흡착 베드의 하부 유출입구, 그리고 질소 배출로의 유로를 선택적으로 조절할 수 있으며, 상기 온/오프 밸브가 오프 상태에서 상기 제1 흡착 베드로 가압 공기가 공급되어 상기 제1 흡착 베드에서 질소 흡착 공정이 일어나는 과정이 수행될 수 있다. 상기 수분 배출 유닛은 제1 흡착 베드에서의 질소 흡착 공정이 종료된 직후 또는 질소 흡착 공정 진행 중에 상기 온/오프 밸브가 온 된 상태에서 상기 가압 공기로부터 분리된 수분을 배출하도록 작용할 있다. 상기 온/오프 밸브가 오프 상태에서 상기 제2 흡착 베드로 가압 공기가 공급되어 상기 제2 흡착 베드에서 질소 흡착 공정이 일어나는 과정이 수행될 수 있고, 상기 수분 배출 유닛은 제2 흡착 베드에서의 질소 흡착 공정이 종료된 직후 또는 질소 흡착 공정 진행 중에 상기 온/오프 밸브가 온 된 상태에서 상기 공급 공기로부터 분리된 수분을 배출하도록 작용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 수분 제거 공정이 산소 농축 공정과 연계되어 실행됨으로써, 전체적인 효율을 높일 수 있다. 또한 유로 조절 유닛과 수분 제거 유닛이 단일의 하우징 내에 배치됨으로써, 구조가 간단하고 전체 체적이 감소한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산소 농축 장치의 개략적인 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 산소 농축 장치의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 산소 농축 장치의 유로 조절 밸브 유닛과 수분 배출 유닛을 수용하는 하우징의 사시도이다.
도 4는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ선을 따라 절개한 단면도이다.
도 5 내지 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 산소 농축 장치의 산소 농축 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 산소 농축 장치에 의한 산소 농축 공정에서 압력 변화를 보여주는 도면이다.
이하에서 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 4를 참조하면, 산소에 대해 질소를 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제로 채워지는 적어도 하나의 흡착 베드(11, 13)가 구비된다. 도면에는 두 개의 흡착 베드(11, 13)가 구비되는 경우가 예시적으로 도시되어 있으나 흡착 베드(11, 13)의 개수는 이에 한정되지 않는다.
흡착 베드(11, 13)는 탑(tower)의 형태를 가질 수 있으며 상부 및 하부에 각각 개구가 구비되어 공기가 유입되고 유출될 수 있도록 형성되며, 예를 들어 공기가 하부의 개구로 유입된 후 내부의 흡착제를 통과하면서 상부로 이동하고 그리고 나서 상부의 개구를 통해서 배출되도록 형성될 수 있다. 흡착 베드(11, 13) 내에 구비되는 흡착제는 공기에 함유된 산소와 질소 중 질소를 보다 잘 흡착하는 성질을 가지는 재질로 형성될 수 있으며, 예를 들어 합성 제올라이트(Zeolite)일 수 있다.
공기 공급기(20)는 흡착 베드(11, 13)로 가압 공기를 공급한다. 공기 공급기(20)는 공기를 압축하여 공급할 수 있는 컴프레셔(compressor)일 수 있다. 예를 들어, 공기 공급기(20)는 가압 공기 공급 유로(101)를 통해서 흡착 베드(11, 13)로 가압 공기를 공급할 수 있다.
유로 조절 밸브 유닛(30)은 공기 공급기(20)와 흡착 베드(11, 13) 사이에 배치되어 질소 흡착 공정 및 질소 탈착 공정이 교대로 수행되도록 유로를 조절하는 역할을 한다. 예를 들어, 유로 조절 밸브 유닛(30)은 공기 공급기(20)로부터 가압 공기가 흡착 베드(11, 13) 중 어느 하나로 공급되도록 하는 유로를 형성하여 해당 흡착 베드의 흡착제에 의해 의해 질소 흡착 공정이 이루어지도록 할 수 있으며, 또한 흡착 베드(11, 13) 중 어느 하나의 공기가 배기 소음기(40)를 통해 외부로 배출되도록 하는 유로를 형성하여 해당 흡착 베드에서 질소 탈착 공정이 이루어지도록 할 수 있다. 이때, 흡착 베드(11, 13)는 유로(101a, 101b)에 의해 유로 조절 밸브 유닛(30)에 각각 연결된다.
유로 조절 밸브 유닛(30)은 공기 공급기(20)에 연결된 유로, 흡착 베드(11, 13)의 하부 유로(101a, 101b), 배기 소음기(40)가 설치되는 질소 배출로(41)의 유로를 선택적으로 조절하도록 작용한다.
흡착 베드(11, 13)의 상단 개구에는 질소가 흡착된 후의 공기(즉, 산소 농도가 높은 공기이며 이하에서 단순히 '산소'라고 함)를 배출하기 위한 배출 유로(102, 103)가 각각 연결되며, 각 배출 유로(102, 103)에는 산소가 배출되는 방향으로만 흐르도록 작용하는 체크 밸브(51, 52)가 각각 설치될 수 있다. 그리고 배출 유로(102, 103)를 연결하는 온/오프 솔레노이드 밸브(60)가 구비될 수 있다. 또한 배출 유로(102, 103)를 연결하는 유로(104)는 오리피스(70)가 구비될 수 있다.
수분 배출 유닛(70)은 공기 공급기(20)로부터 공급되는 가압 공기에 함유된 수분을 분리하여 배출한다. 공기 공급기(20)가 공기를 가압하여 공급하기 때문에 공기 중의 수분이 응축될 수 있으며 이러한 응축 수분이 흡착 베드(11, 13)로 유입되는 경우 질소 흡착률의 저하 등의 문제를 유발할 수 있는데, 수분 배출 유닛(70)은 응축수를 분리하여 배출함으로써 이러한 문제를 해결한다.
이때, 도 3 및 도 4를 참조하면, 수분 배출 유닛(70)과 유로 조절 밸브 유닛(30)은 하나의 하우징(80) 내에 적어도 부분적으로 각각 수용된다. 수분 배출 유닛(70)과 유로 조절 밸브 유닛(30)이 하나의 하우징(80) 내에 배치됨으로써, 장치의 전체 크기가 감소할 수 있다.
하우징(80)은 유로 조절 밸브 유닛(30)에서 배출되는 공기가 흡착 베드(11, 13)로 공급될 수 있도록 유로 조절 밸브 유닛(30)과 유로(101a, 101b)을 연결하는 통로를 구비하도록 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 공기 공급기(20)의 공기를 수분 배출 유닛(70)으로 공급하기 위한 제1 공기 유입구(81)가 구비되고, 이와 별도로 공기 공급기(20)의 공기를 유로 조절 밸브 유닛(30)으로 공급하기 위한 제2 공기 유입구(83)가 구비된다. 공기 공급기(20)에 연결된 공기 공급 유로(101)를 형성하는 공기 공급 관이 제1 공기 유입구(81)에 연결되는 경우에는 가압 공기가 제1 공기 유입구(81), 수분 배출 유닛(70), 및 제2 공기 유입구(83)를 차례로 거친 후 유로 조절 밸브 유닛(30)으로 공급되며, 공기 공급기(20)의 공기 공급 관이 제2 공기 유입구(83)에 연결되는 경우에는 가압 공기가 수분 배출 유닛(70)을 거치지 않고 제2 공기 유입구(83)를 거쳐 유로 조절 밸브 유닛(30)으로 바로 공급된다(도 4의 점선 원 내부 참조). 이러한 구조에 의해 공기 공급 관을 제1 및 제2 공기 유입구(81, 83) 중 어느 하나에 선택적으로 연결함으로써, 수분 배출 기능이 선택적으로 구현되도록 할 수도 있다. 이에 따라 수분 배출 장치를 갖는 장치와 갖지 않는 장치를 별도로 설계할 필요 없이 하나의 장치에 의해 수분 배출 기능이 선택적으로 사용될 수 있다.
이때, 제1 공기 유입구(81) 및 제2 공기 유입구(83)는 공기 공급 관이 연결될 수 있도록 하우징(80)의 외부로 노출되도록 형성된다.
한편, 도 4를 참조하면, 수분 배출 유닛(70)은 제1 공기 유입구(81)를 통해 유입된 공기로부터 수분을 분리하는 수분 분리 공간(72)을 형성하는 수분 분리 탱크(71)를 포함한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 수분 분리 탱크(71)는 하우징(80)의 내부에 수용될 수 있으며, 수분 분리 공간(72)은 아래로 갈수록 좁아지는 깔때기 형태를 가질 수 있다. 수분 분리 공간(72)으로 유입된 가압 공기에 함유된 수분이 응결되어 수분 분리 공간(72)의 아래 부분에 모이게 된다.
하우징(80)은 수분 분리 공간(72)과 외부를 연통하는 공기 이동 통로(84)를 형성한다. 수분 분리 공간(72)에서 수분이 제거된 공기는 공기 이동 통로(84)를 통해서 유로 조절 밸브 유닛(30)으로 이동한다. 이때, 공기 이동 통로(84)를 통해 수분 분리 공간(72)으로부터 배출된 공기는 제2 공기 유입구(83)를 통해서 유입되어 유로 조절 밸브 유닛(30)으로 공급되도록 구성된다.
이러한 공기의 흐름을 위해 하우징(80)에 선택적으로 체결될 수 있도록 형성되는 덮개(90)가 구비된다. 예를 들어, 덮개(90)는 볼트(91)에 의해 하우징(80)에 선택적으로 체결될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이 덮개(90)가 하우징(80)에 체결된 상태에서 제2 공기 유입구(83)와 공기 이동 통로(84)에 각각 연통되는 공기 이동 공간(93)이 형성된다. 즉, 덮개(90)는 제2 공기 유입구(83)의 외측 단을 수용하도록 하우징(80)에 체결되고, 공기 이동 통로(84)는 수분 분리 공간(72)과 공기 이동 공간(93)을 연결하도록 하우징(80)에 형성된다. 이러한 구조에 의해, 수분 분리 공간(72)으로 유입된 가압 공기는 수분 분리 후 공기 이동 통로(84)를 거쳐 공기 이동 공간(93)으로 유입되고 다시 제2 공기 유입구(83)를 통해 유로 조절 밸브 유닛(30)으로 유입된다.
이때, 수분 제거 기능을 필요로 하지 않는 경우에는 덮개(90)를 제거한 상태에서 공기 공급기(20)에 연결되는 공기 공급 관을 제2 공기 유입구(83)에 바로 연결할 수 있으며(도 4의 상부의 점선 원 내부 참조), 이에 의해 가압 공기가 수분 배출 유닛(70)을 거치지 않고 제2 공기 유입구(83)를 통해서 유로 조절 밸브 유닛(30)으로 바로 유입될 수 있다. 이 경우 도 2에서 점선 화살표로 도시된 바와 같이 공기 공급기(20)의 가압 공기가 수분 배출 유닛(70)을 거치지 않고 유로 조절 밸브 유닛(30)로 바로 공급되도록 하는 유로가 형성된다.
한편, 도 2를 참조하면, 수분 배출 유닛(70)은 수분 분리 공간(72)에 저장된 수분을 선택적으로 배출할 수 있도록 온/오프 작동을 하는 수분 배출 조절 밸브(73)를 더 포함할 수 있다. 수분 배출 조절 밸브(73)의 온/오프 작동에 의해 산소 농축 장치가 작동하는 중 적당한 시점에 원하는 시간 동안 수분 배출이 일어나도록 조절할 수 있으며, 이에 의해 수분 배출에 의한 성능 저하를 최소화할 수 있다. 그리고 수분 분리 공간(72)과 수분 배출 조절 밸브(73)를 연결하는 수분 배출로(74)에는 오리피스(75)가 구비될 수 있다.
이하에서 첨부된 도 5 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 산소 농축 장치를 이용하여 수행되는 산소 농축 과정에 대해 설명한다. 이하에서 도면부호 11에 의해 지시된 흡착 베드를 제1 흡착 베드라 칭하고, 도면부호 13에 의해 지시된 흡착 베드를 제2 흡착 베드라 칭한다. 도 5 내지 도 12에서 유로 조절 밸브(30) 내의 화살표 방향은 유로 방향을 의미한다.
먼저, 도 5는 제1 흡착 베드(11)에서 가압 공정의 결과로 질소 흡착이 일어나는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 공기 공급기(20)에서 공급된 가압 공기가 유로 조절 밸브 유닛(30)을 거쳐 제1 흡착 베드(11)로 공급된다. 이에 의해 제1 흡착 베드(11) 내의 압력이 증가하여 질소 흡착이 일어나고 질소가 제거된 공기가 체크 밸브(51)를 통과하여 산소 탱크로 공급된다. 이 과정에서, 흡착 베드(11, 13)의 상단에 구비되는 온/오프 밸브(60)는 오프 상태로 유지된다. 이때 제1 흡착 베드(11)에서 배출되는 공기의 일부는 오리피스(70)를 통하여 제2 흡착 베드(13)로 유입되고, 제2 흡착 베드(13)로 유입된 공기는 유로 조절 밸브 유닛(30)을 거쳐 배기 소음기(40)를 통해 외부로 배출된다. 이때, 이전 단계에서 제2 흡착 베드(13)에 흡착되어 잔존하던 질소가 공기와 함께 배출된다.
다음으로, 도 6은 제1 흡착 베드(11)에서의 가압 공정 및 수분 배출 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 가압 공기가 제1 흡착 베드(11)로 공급되는 중에 수분 배출 조절 밸브(73)를 온 시켜 수분 분리 공간(72)에 쌓인 수분을 외부로 배출한다. 수분 배출 공정은 제1 흡착 베드(11)의 가압 공정의 마지막 단계에서 수행된다. 이때, 수분 배출 공정은 미리 설정된 시간 동안 수행될 수 있으며, 예를 들어 미리 설정된 시간은 0.1-1초의 범위에 속할 수 있다.
다음으로, 도 7은 흡착 베드(11, 13)의 상부의 압력을 균등화하기 위한 상부 압력 균등화 공정을 설명하기 위한 도면이다.
이 공정은 제1 흡착 베드(11)의 압력이 미리 설정된 압력에 도달하는 경우 제1 흡착 베드(11)의 상부의 공기를 제2 흡착 베드(13)의 상부로 이동시킴으로써 이루어질 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 한 실시예에 따르면, 흡착 베드(11, 13)의 상부의 압력을 균등화하기 위한 도 7의 공정은 도 6의 수분 배출 공정의 종료와 동시에 개시될 수 있다. 도 7을 참조하면, 흡착 베드(11, 13)의 상단에 구비되는 온/오프 밸브(60)를 온 시켜 제1 흡착 베드(11) 내의 공기가 제2 흡착 베드(13)로 이동하도록 하여 흡착 베드(11, 13) 상단의 압력이 비슷해지도록 한다. 이때, 유로 조절 밸브 유닛(30)은 제2 흡착 베드(13)의 질소가 배출 소음기(40)를 통해서 배출되도록 유로를 형성한다. 이에 의해 산소 농축 효율이 향상될 수 있다.
다음으로, 도 8은 흡착 베드(11, 13)의 상부 및 하부의 압력을 균등화하기 위한 상/하부 압력 균등화 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 흡착 베드(11, 13)의 상단에 구비되는 온/오프 밸브(60)가 온 상태를 유지하고 유로 조절 밸브 유닛(30)은 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)의 하단을 서로 연결하는 유로를 형성한다. 이에 의해 제1 흡착 베드(11)의 하단의 공기가 제2 흡착 베드(13)의 하단으로 이동하여 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)의 하부의 압력이 비슷해진다. 이에 의해 산소 회수율을 높일 수 있고 다음 공정에서 필요한 가압 에너지를 줄일 수 있다.
이상에서 도 5 내지 도 8을 참조하여 제1 흡착 베드(11)에서 질소 흡착이 이루어지는 과정을 설명하였으며, 이하에서 도 9 내지 도 12를 참조하여 제2 흡착 베드(13)에서 질소 흡착이 이루어지는 과정을 설명한다. 이때, 제1 흡착 베드(11)와 제2 흡착 베드(13)의 과정은 동일한 방식으로 수행된다.
도 9는 제2 흡착 베드(13)에서 가압 공정의 결과로 질소 흡착이 일어나는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하면, 공기 공급기(20)에서 가압된 공기가 유로 조절 밸브 유닛(30)을 거쳐 제2 흡착 베드(13)로 공급된다. 이에 의해 제1 흡착 베드(13) 내의 압력이 증가하여 질소 흡착이 일어나고 질소가 제거된 공기가 체크 밸브(52)를 통과하여 산소 탱크로 공급된다. 이 과정에서 흡착 베드(11, 13)의 상단에 구비되는 온/오프 밸브(60)는 오프 상태로 유지된다. 이때 제2 흡착 베드(13)에서 배출되는 공기의 일부는 오리피스(70)를 통하여 제1 흡착 베드(11)로 유입되고, 제1 흡착 베드(11)로 유입된 공기는 유로 조절 밸브 유닛(30)을 거쳐 배기 소음기(40)를 통해 외부로 배출된다. 이때, 이전 단계에서 제1 흡착 베드(11)에 흡착되어 잔존하던 질소가 공기와 함께 배출된다.
다음으로, 도 10은 제2 흡착 베드(12)에서의 가압 공정 및 수분 배출 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 가압 공기가 제2 흡착 베드(13)로 공급되는 중에 수분 배출 조절 밸브(73)를 온 시켜 수분 분리 공간(72)에 쌓인 수분을 외부로 배출한다. 수분 배출 공정은 제2 흡착 베드(13)의 가압 공정의 마지막 단계에서 수행된다. 이때, 수분 배출 공정은 미리 설정된 시간 동안 수행될 수 있으며, 예를 들어 미리 설정된 시간은 0.1-1초의 범위에 속할 수 있다.
다음으로, 도 11은 흡착 베드(11, 13)의 상부의 압력을 균등화하기 위한 상부 압력 균등화 공정을 설명하기 위한 도면이다.
이 공정은 제2 흡착 베드(13)의 압력이 미리 설정된 압력에 도달하는 경우 제2 흡착 베드(13)의 상부의 공기를 제1 흡착 베드(11)의 상부로 이동시킴으로써 이루어질 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 한 실시예에 따르면, 흡착 베드(11, 13)의 상부의 압력을 균등화하기 위한 도 11의 공정은 도 10의 수분 배출 공정의 종료와 동시에 개시될 수 있다. 도 11을 참조하면, 흡착 베드(11, 13)의 상단에 구비되는 온/오프 밸브(60)를 온 시켜 제2 흡착 베드(13) 내의 공기가 제1 흡착 베드(11)로 이동하도록 하여 흡착 베드(11, 13) 상단의 압력이 비슷해지도록 한다. 이때, 유로 조절 밸브 유닛(30)은 제1 흡착 베드(11)의 질소가 배출 소음기(40)를 통해서 배출되도록 유로를 형성한다. 이에 의해 산소 농축 효율이 향상될 수 있다.
다음으로, 도 12는 흡착 베드(11, 13)의 상부 및 하부의 압력을 균등화하기 위한 상/하부 압력 균등화 공정을 설명하기 위한 도면이다.
도 12를 참조하면, 흡착 베드(11, 13)의 상단에 구비되는 온/오프 밸브(60)가 온 상태를 유지하고 유로 조절 밸브 유닛(30)은 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)의 하단을 서로 연결하는 유로를 형성한다. 이에 의해 제2 흡착 베드(13)의 하단의 공기가 제1 흡착 베드(11)의 하단으로 이동하여 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)의 하부의 압력이 비슷해진다. 이에 의해 산소 회수율을 높일 수 있고 다음 공정에서 필요한 가압 에너지를 줄일 수 있다.
도 13을 참조하여 상기한 공정 중 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13) 내의 압력 변화를 설명한다.
도 13을 참조하면, 제1 흡착 베드(11)의 가압 공정(도 13에서 제1 단계로 표시됨)에서 제1 흡착 베드(11) 내의 압력은 점차로 증가하게 된다.
다음, 가압 공정의 마지막 단계에서 제1 흡착 베드(11)의 가압이 이루어지는 상태에서 수분 배출 공정(도 13에서 제2 단계로 표시됨)이 이루어지며, 이때 제1 흡착 베드(11)로 공급되던 가압 공기의 일부가 수분 배출 유닛을 통해 외부로 배출되기 때문에 제1 흡착 베드(11) 내부의 압력은 큰 변동 없이 일정하게 유지된다.
다음, 제1 흡착 베드(11)의 상부의 공기의 제2 흡착 베드(13)의 상부로의 이동에 의한 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)의 상부의 압력을 균등화하는 공정(도 13에서 제3 단계로 표시됨)에서 제1 흡착 베드(11)의 압력이 감소하게 된다.
다음, 제1 흡착 베드(11)의 상부 및 하부의 공기의 제2 흡착 베드(13)의 상부 및 하부로의 이동에 의한 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)의 상부 및 하부 압력을 균등화하는 공정(도 13에서 제4 단계로 표시됨)에서 제1 흡착 베드(11)의 압력을 더욱 감소하게 된다.
다음, 제2 흡착 베드(13)의 가압 공정(도 13에서 제5 단계로 표시됨)에서 제1 흡착 베드(11) 내의 공기가 외부로 배출되므로 제1 흡착 베드(11) 내의 압력이 더욱 감소한다.
다음, 제2 흡착 베드(13)의 수분 배출 공정(도 13에서 제6 단계로 표시됨)에서 제1 흡착 베드(11)의 압력은 대략 일정하게 유지된다.
다음, 제2 흡착 베드(13)의 상부의 공기의 제1 흡착 베드(11)의 상부로의 이동에 의한 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)의 상부의 압력을 균등화하는 공정(도 13에서 제7 단계로 표시됨)에서 제1 흡착 베드(11)의 압력이 증가한다.
다음, 제2 흡착 베드(13)의 상부 및 하부의 공기의 제1 흡착 베드(11)의 상부 및 하부로의 이동에 의한 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)의 상부 및 하부 압력을 균등화하는 공정(도 13에서 제8 단계로 표시됨)에서 제1 흡착 베드(11)의 압력이 증가한다.
이때, 제1 흡착 베드(11)의 가압 공정의 수행될 때 제2 흡착 베드(13)에서는 제1 흡착 베드(11)의 제8 단계에 대응하는 공정이 수행되고 그 후 제1 흡착 베드(11)의 제1 내지 제7 단계에 대응하는 공정이 제2 흡착 베드(13)에서 차례로 수행된다. 도 13의 과정이 하나의 사이클을 이루게 되고 이 사이클이 반복된다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 수분 배출 공정의 시작 시점이 변경될 수 있다. 도 5 내지 도 12를 참조로 설명한 실시예에서는 수분 배출 공정이 흡착 베드의 가압 공정의 마지막 단계에서 개시되고 가압 공정 및 수분 배출 공정의 종료와 동시에 상부 압력 균등화 공정이 개시되었으나, 본 발명의 다른 실시예에서는 흡착 베드의 가압 공정이 종료된 후에 수분 배출 공정과 상부 압력 균등화 공정이 동시에 수행될 수 있다. 즉, 수분 배출 공정이 상부 압력 균등화 공정과 동시에 개시된 후 설정된 시간 동안 수행될 수 있다.
도면에는 도시되지 않았으나 각종 밸브, 공기 공급기 등의 작동을 제어하기 위한 컨트롤러가 구비될 수 있으며, 컨트롤러는 마이크로프로세서 및 관련 하드웨어와 소프트웨어를 포함할 수 있다. 컨트롤러는 산소 농축 과정을 수행하기 위한 데이터 및 프로그램을 포함할 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명의 실시예로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
11, 13: 흡착 베드
20: 공기 공급기
30: 유로 조절 밸브 유닛
40: 소음기
41: 질소 배출로
102, 103: 배출 유로
70: 수분 배출 유닛
72: 수분 분리 공간
75: 오리피스
80: 하우징
81: 제1 공기 유입구
83: 제2 공기 유입구
84: 공기 이동 통로
90: 덮개
91: 볼트
93: 공기 이동 공간

Claims (8)

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  5. 산소에 대해 질소를 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제로 채워지는 적어도 하나의 흡착 베드,
    상기 흡착 베드로 가압 공기를 공급하는 공기 공급기,
    상기 공기 공급기로부터 상기 흡착 베드로 가압 공기가 공급되도록 하고 상기 흡착 베드를 감압하여 질소 흡착 공정 및 질소 탈착 공정이 교대로 수행되도록 유로를 조절하는 유로 조절 밸브 유닛, 그리고
    상기 공기 공급기로부터 공급되는 가압 공기에 함유된 수분을 분리하여 배출하는 수분 배출 유닛을 포함하고,
    상기 유로 조절 밸브 유닛과 상기 수분 배출 유닛은 하나의 하우징 내에 적어도 부분적으로 각각 수용되는 산소 농축 장치.
  6. 제5항에서,
    상기 수분 배출 유닛은 상기 공기 공급기로부터 공급된 가압 공기로부터 수분을 분리하는 수분 분리 공간을 형성하는 수분 분리 탱크를 포함하고,
    상기 하우징은 상기 공기 공급기의 공기를 상기 수분 분리 공간으로 공급할 수 있도록 외측으로 노출되는 제1 공기 유입구, 상기 공기 공급기의 공기를 상기 유로 조절 밸브 유닛으로 공급할 수 있도록 외측으로 노출되는 제2 공기 유입구, 그리고 상기 수분 분리 공간을 통과한 공기를 외측으로 배출할 수 있도록 형성되는 공기 이동 통로를 포함하고,
    상기 제2 공기 유입구와 상기 공기 이동 통로의 출구를 포함하는 공기 이동 공간을 선택적으로 형성하도록 상기 제2 공기 유입구과 상기 공기 이동 통로의 출구를 덮도록 상기 하우징에 선택적으로 체결되는 덮개를 더 포함하는 산소 농축 장치.
  7. 제5항에서,
    상기 수분 배출 유닛은 상기 수분 분리 공간에 저장된 수분을 선택적으로 배출할 수 있도록 작동하는 수분 배출 조절 밸브를 포함하는 산소 농축 장치.
  8. 제5항에서,
    상기 적어도 하나의 흡착 베드는 제1 및 제2 흡착 베드를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 흡착 베드의 상부 유출입구를 선택적으로 연통하도록 작용하는 온/오프 밸브, 그리고
    상기 상부 유출입구를 연결하는 유로에 설치되는 오리피스를 더 포함하며,
    상기 유로 조절 밸브 유닛은 상기 공기 공급기, 상기 제1 및 제2 흡착 베드의 하부 유출입구, 그리고 질소 배출로의 유로를 선택적으로 조절하며,
    상기 온/오프 밸브가 오프 상태에서 상기 제1 흡착 베드로 가압 공기가 공급되어 상기 제1 흡착 베드에서 질소 흡착 공정이 일어나는 과정이 수행되고,
    상기 수분 배출 유닛은 제1 흡착 베드에서의 질소 흡착 공정이 종료된 직후 또는 질소 흡착 공정 진행 중에 상기 온/오프 밸브가 온 된 상태에서 상기 가압 공기로부터 분리된 수분을 배출하도록 작용하고,
    상기 온/오프 밸브가 오프 상태에서 상기 제2 흡착 베드로 가압 공기가 공급되어 상기 제2 흡착 베드에서 질소 흡착 공정이 일어나는 과정이 수행되고,
    상기 수분 배출 유닛은 제2 흡착 베드에서의 질소 흡착 공정이 종료된 직후 또는 질소 흡착 공정 진행 중에 상기 온/오프 밸브가 온 된 상태에서 상기 공급 공기로부터 분리된 수분을 배출하도록 작용하는 산소 농축 장치.
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