KR102208032B1 - Rvsa 방식의 고순도 산소 발생 장치 - Google Patents

Rvsa 방식의 고순도 산소 발생 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 RVSA 방식의 고순도 산소 발생 장치에 대한 것이다.
본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치는 제올라이트의 질소 흡착력을 이용하여 에어 컴프레서에 의해 흡입된 외부 공기로부터 산소를 추출해내는 RVSA 방식으로 구동되고 고순도 산소를 유량 저감없이 외부 토출할 수 있다.

Description

RVSA 방식의 고순도 산소 발생 장치 {High purity oxygen generator applied to RVSA method}
본 발명은 RVSA 방식의 고순도 산소 발생 장치에 대한 것이다.
구체적으로, 본 발명은 제올라이트의 질소 흡착력을 이용하여 에어 컴프레서에 의해 흡입된 외부 공기로부터 산소를 추출해내는 RVSA 방식의 고순도 산소 발생 장치에 대한 것이다.
현재 기체의 분리 및 정제 공정으로서 사용되는 RVSA(Rapid Vacuum Swing Adsorption) 공정으로는 공기의 건조공정, 수소의 정제 및 회수 공정, CH4의 회수공정, 가스로부터 CO2의 회수공정, 혼합가스로부터 미량 성분의 제거공정, 그리고 공기로부터 산소와 질소의 분리 및 농축공정 등이 있으며, 현재에도 RVSA 공정의 적용성 확대와 공정 개선을 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
RVSA 방식의 기체 분리 및 정제 공정은 제올라이트 자체(Zeolite Molecular Sieve)의 가스에 대한 흡착력 차이를 이용하여 혼합가스부터 특정가스를 추출해 내는 기술로서, 다양한 가스의 혼합체인 공기로부터 질소, 이산화탄소, 산소 등을 분리할 수 있다.
위와 같은 RVSA 방식의 기체 분리 및 정제 공정은 산소 발생 장치에도 적용되는데, RVSA 방식을 적용한 산소 발생 장치는 제품의 크기가 콤팩트하고 유량이 많으며 저소음이고 저전력이 소요된다는 장점이 있어 가정용 혹은 차량용으로 많이 이용된다.
다만, RVSA 방식의 산소 발생 장치는 고순도로 산소를 분리하지 못한다는 단점이 있고, 또한 고순도 산소를 생성하고자 하는 경우 토출되는 산소 유량이 감소하는 등 산소 순도-유량 반비례 관계를 형성하는 것이 일반적인데, 이는 제올라이트 흡착베드의 질소 탈착을 수행하는 퍼징 공정과 연관되어 있다.
보다 구체적으로, 질소 탈착을 위한 퍼징 기체인 산소 유량을 증가시키는 경우 퍼징에 따른 질소 탈착 효율이 증가하여 산소 순도 향상은 도모되고 장기 이용성을 확보할 수 있는 이점은 있지만, 퍼징 유량의 증가에 따라 최종적으로 토출되는 산소 유량은 감소하게 되고, 따라서 설치 환경이나 사용자의 선택에 따라 산소 순도와 유량을 적절히 조절하는 방법 이외에는 산소 유량과 산소 순도를 모두 향상시키는 어려운 것이 현실이다.
위와 같은 RVSA 방식의 산소 발생 장치의 단점을 극복하고 생성되는 산소의 유량 및 순도를 향상시키면서 동시에 제품의 장기 이용성을 향상시키기 위해서는, 제올라이트의 질소 흡착능을 개선하고, 퍼징에 의한 제올라이트 내 흡착 질소의 탈착 공정 효율 향상을 도모해야 하며, 또한 기타 밸브 설계의 최적화를 꿰해야 하나, 이를 달성하는데는 상당한 기술적 어려움이 존재한다.
KR 등록특허공보 제10-1355161호
본 발명은 외부유입 공기로부터 고순도의 산소를 유량 저감없이 효과적으로 발생시킬 수 있는 RVSA 방식의 고순도 산소 발생 장치를 제공한다.
본 발명은 상기 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로써, 고순도 산소 발생 장치에 대한 것이다.
상기 고순도 산소 발생 장치는 외부유입 공기로부터 수분을 필터링하는 공기필터; 상기 공기필터를 통과한 외부유입 공기의 유량을 제어하는 한 쌍의 솔레노이드 밸브; 상기 한 쌍의 솔레노이드 밸브를 통과하여 유입되는 외부유입 공기 중 질소를 선택적으로 흡착하는 제올라이트를 포함하는 한 쌍의 흡착베드로서, Si와 Al의 몰비(Si/Al)가 0.90 내지 1.10의 범위 내에 있는 LSX(Low Silica X)에 리튬 이온을 이온 교환하여 형성되고 Li와 Al의 몰비(Li/Al)가 0.65 내지 0.95의 범위 내에 있는 제 1 제올라이트가 충전된 제 1 영역; 상기 제 1 영역의 후단에 위치하고 상기 제 1 제올라이트에 칼슘 이온을 이온 교환하여 형성되고 Ca와 Al의 몰비(Ca/Al)가 0.25 내지 0.45의 범위 내에 있는 제 2 제올라이트가 충전된 제 2 영역; 및 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역을 물리적으로 구획하되 상기 제 1 영역에 위치하는 상기 제 1 제올라이트가 상기 제 2 영역으로 이동하거나 상기 제 2 영역에 위치하는 상기 제 2 제올라이트가 상기 제 1 영역으로 이동하는 것을 제어하는 제올라이트계 멤브레인을 각각 포함하는 한 쌍의 흡착베드; 상기 한 쌍의 흡착베드로부터 산소를 흡입하여 외부로 토출하는 산소 토출부 및 상기 한 쌍의 흡착베드로부터 탈착되는 질소를 흡입하여 외부로 토출하는 질소 토출부를 포함하는 에어 컴프레서; 상기 에어 컴프레서의 산소 토출부로부터 토출되는 산소를 질소탈착용 산소와 외부토출용 산소로 분기하는 산소유량 분기밸브; 상기 산소유량 분기밸브에 의해 분기된 질소탈착용 산소를 상기 한 쌍의 흡착베드의 제 2 영역 방향으로 가압 제공하는 진공펌프; 상기 진공펌프에서 상기 한 쌍의 흡착베드의 제 2 영역 방향으로 제공되는 질소탈착용 산소가 상기 한 쌍의 흡착베드 중 어느 하나에만 제공되도록 상기 질소탈착용 산소의 흐름을 제어하는 산소흐름 제어밸브; 및 상기 한 쌍의 솔레노이트 밸브, 상기 에어 컴프레서, 상기 산소유량 분기밸브, 상기 진공펌프 및 상기 산소흐름 제어밸브의 동작을 제어하여 목적하는 산소 순도 및 유량을 외부로 토출하도록 설계된 프로세서를 포함한다. 또한, 상기 제 1 영역은 상기 제 2 영역 대비 흡착베드 내에서 적은 영역을 차지한다.
하나의 예시에서, 상기 한 쌍의 솔레노이드 밸브는 순차 교번 개폐될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 및 제 2 제올라이트는 각각 직경이 1.5 mm 내지 5.0 mm의 범위 내에 있고, 미세 기공이 3Å 내지 10 Å의 범위 내에 있을 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 제올라이트는 상기 제 2 제올라이트보다 상대적으로 큰 직경과 작은 미세 기공을 가질 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제올라이트계 멤브레인은 FAU 제올라이트, MFI 제올라이트, CHA 제올라이트, DDR 제올라이트 및 MWW 제올라이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 성분을 포함하는 메조포러스 멤브레인일 수 있다.
상기 고순도 산소 발생 장치는 또한, 상기 흡착베드로부터 제공되는 산소의 유량을 조절하는 산소유량 조절부; 및 상기 외부유입 공기가 상기 에어 컴프레서의 산소 토출부로 유입되는 유량을 조절하는 외부유입 공기 유량 조절부를 더 포함할 수 있다.
상기 고순도 산소 발생 장치는 또한, 상기 한 쌍의 흡착베드 전단에 위치하여 상기 한 쌍의 솔레노이드 밸브를 통과한 외부유입 공기가 상기 한 쌍의 흡착베드로 유입될 수 있도록 상기 외부유입 공기의 흐름을 제어하고, 질소탈착 공정에 의해 상기 한 쌍의 흡착베드로부터 배출되는 질소가 상기 질소 토출부를 통해 외부로 배출될 수 있도록 상기 질소의 흐름을 제어하는 한 쌍의 제 1 제어밸브; 및 상기 한 쌍의 흡착베드 후단에 위치하여 상기 한 쌍의 흡착베드로부터 배출되는 산소가 산소 토출부를 통해 외부로 배출될 수 있도록 상기 산소의 흐름을 제어하고, 상기 진공 펌프에서 상기 한 쌍의 흡착베드의 제 2 영역 방향으로 제공되는 질소탈착용 산소가 산소 토출부로 재유입되는 것을 방지할 수 있도록 상기 질소탈착용 산소의 흐름을 제어하는 한 쌍의 제 2 제어밸브를 더 포함할 수 있다.
상기 고순도 산소 발생 장치는 또한, 상기 산소흐름 제어밸브를 통해 상기 한 쌍의 흡착베드의 제 2 영역 방향으로 제공되는 질소탈착용 산소 중 일부를 분기하여 상기 한 쌍의 흡착베드의 제 1 영역 방향으로 제공하도록 설계된 바이패스부를 더 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 한 쌍의 흡착베드 각각은 제 2 영역 방향으로 제공되는 산소에 의해 질소 탈착이 수행되는 제 1 흡착베드 및 제 1 영역 방향으로 제공되는 산소에 의해 질소 탈착이 수행되고 상기 제 1 흡착베드의 하부에 위치하는 제 2 흡착베드로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 고순도 산소 발생 장치는 상기 제 1 흡착베드의 제 2 영역 방향으로 상기 질소탈착용 산소가 제공되는 경우 상기 제 2 흡착베드의 제 1 영역 방향으로 상기 질소탈착용 산소가 제공되도록 상기 산소흐름 제어밸브 및 상기 바이패스부로부터 제공되는 산소의 흐름을 제어하는 제 3 내지 제 8 제어밸브를 더 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 프로세서는 상기 제 1 흡착베드의 제 2 영역 방향으로 상기 질소탈착용 산소가 제공되는 경우 상기 제 2 흡착베드의 제 1 영역 방향으로 상기 질소탈착용 산소가 제공되도록 상기 제 3 내지 제 8 제어밸브의 개폐를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치는 질소 탈착을 위해 흡착베드로 제공되는 산소 유량을 증가시키지 아니하고도 높은 질소 탈착 효율을 달성할 수 있어, 고순도의 산소를 유량 저감없이 토출할 수 있다.
본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치는 또한, 흡착베드 내 제올라이트의 질소 탈착 효율 증대에 따라 흡착베드 교체 주기를 연장시킬 수 있어 타 산소 발생 장치 대비 장기 사용성이 우수하다.
물론, 본 발명의 효과가 상기 언급한 범위 내로 제한되는 것은 아니다.
도 1, 4 및 7은 본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치의 일 구성 블록도이다.
도 2는 제올라이트의 파우지사이트 구조를 설명하기 위한 일 도면이다.
도 3은 흡착베드의 길이 방향에 따른 질소 농도 구배 및 질소 흡착율 구배를 설명하기 위한 일 도면이다.
도 5 및 6은 본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치 내 외부유입 공기, 산소 및 질소의 흐름을 보다 구체적으로 설명하기 위한 일 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 바이패스부의 구조를 보다 구체적으로 설명하기 위한 일 예시도이다.
이하, 본 발명에 대하여, 도면 및 예시를 들어 보다 구체적으로 설명한다.
본 명세서에서, 단수의 표현은 달리 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는, 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
본 발명의 실시예들은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 특정한 실시 형태에 대해 범위를 한정하려는 것이 아니며, 발명된 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 실시예들을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소는 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서, "포함하다" 또는 "구성되다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서, "이루어지다" 또는 "이루어지는" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합 이외의 다른 구성이 포함되어 있지 아니함을 강조하기 위한 것으로써, 상기 구성 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제한 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 제시하는‘밸브’ 혹은 ‘부’는 적어도 하나의 기능이나 동작을 수행하며, 적어도 하나의 프로세서에 의해 동작이 제어될 수 있다.
본 명세서에서 용어 ‘고순도’는, 산소 토출 순도와 토출 유량과의 상관관계를 고려하였을 때, 타 산소 발생 장치 대비 상대적으로 높은 토출 유량을 유지하면서 순도가 높은 산소가 토출될 수 있음을 강조하기 위한 용어이다. 따라서, 상기 ‘고순도’라는 용어의 불명확함에도 불구하고, 본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치의 한정된 구조를 통해 본 발명을 명확히 특정하고 이해할 수 있음은 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 사람에게 자명하다.
본 발명은 RVSA 방식의 고순도 산소 발생 장치에 대한 것이다.
본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치는 에어 컴프레서에 의해 흡입된 외부유입 공기로부터 제올라이트 흡착베드를 매개로 산소를 추출 혹은 분리하는 RVSA 방식의 산소 발생 장치를 의미한다.
본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치는, 가정용 혹은 차량용 이동형 산소 발생 장치로서, 5L/min 내지 15L/min의 토출 유량 범위와 30% 내지 99%의 산소 토출 순도 범위를 가질 수 있다.
일반적으로, RVSA 방식의 산소 발생 장치에서 흡착베드 내 제올라이트에 흡착되어 있는 질소탈착을 위해 질소탈착용 산소 유량을 증대시키는 경우, 퍼징에 따른 질소 탈착 효율이 증가하여 산소 순도 향상은 도모될 수 있지만, 분기된 산소 유량의 증가에 따라 최종적으로 외부 토출되는 산소 유량은 감소하게 되고, 따라서 설치 환경이나 사용자의 선택에 따라 산소 순도와 유량을 적절히 조절하는 방법 이외에는 산소 유량과 산소 순도를 모두 향상시키는 어려웠다.
본 발명자는, 상기 문제점을 극복하고자, 흡착베드를 길이 방향에 따라 2개의 영역으로 구획한 후, 상대적으로 퍼징 기체의 압력 로드가 심한 흡착베드의 전단 영역에는 흡착 질소의 탈착이 용이한 구조를 가지는 제올라이트 성분을 충전시키고 흡착베드의 출구 영역인 흡착베드의 후단 영역에는 상대적으로 질소 흡착능이 뛰어나 흡착베드에서 토출되는 기체 내 산소 순도 향상에 기여할 수 있는 제올라이트 성분을 충전시키며 후단 영역을 상대적으로 더 넓게 설계함으로써, 적은 유량의 질소 탈착용 산소를 이용하더라도 고순도의 산소를 토출할 수 있고, 궁극적으로 목적하는 고순도의 산소를 유량 저감없이 토출할 수 있는 산소 발생 장치를 완성하기에 이르렀다.
본 발명자는 또한, 상기 흡착베드를 길이 방향에 따라 2개 영역으로 구획하고 각각 상대적으로 질소 탈착이 용이한 구조를 가지는 제올라이트 및 상대적으로 질소 흡착능이 우수한 제올라이트를 충전시키는 것과 더불어, 분기된 질소 탈착용 산소를 흡착베드의 입구 방향으로 우회제공할 수 있도록 설계된 바이패스 구조를 도입함으로써, 상기 효과를 더욱 증대시키고자 하였다.
도 1은 본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치에 대한 일 구성 블록도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치는 외부유입 공기로부터 수분을 필터링하는 공기필터(100); 공기필터(100)를 통과한 외부유입 공기의 유량을 제어하는 한 쌍의 솔레노이드 밸브(200); 한 쌍의 솔레노이드 밸브(200)를 통과하여 유입되는 외부유입 공기 중 질소를 선택적으로 흡착하는 제올라이트를 포함하는 한 쌍의 흡착베드(300)로서, Si와 Al의 몰비(Si/Al)가 0.90 내지 1.10의 범위 내에 있는 LSX(Low Silica X)에 리튬 이온을 이온 교환하여 형성되고 Li와 Al의 몰비(Li/Al)가 0.65 내지 0.95의 범위 내에 있는 제 1 제올라이트가 충전된 제 1 영역(301a,302a); 제 1 영역(301a,302a)의 후단에 위치하고 상기 제 1 제올라이트에 칼슘 이온을 이온 교환하여 형성되고 Ca와 Al의 몰비(Ca/Al)가 0.25 내지 0.45의 범위 내에 있는 제 2 제올라이트가 충전된 제 2 영역(301b,302b); 및 제 1 영역(301a,302a)과 상기 제 2 영역(301b,302b)을 물리적으로 구획하되 제 1 영역(301a,302a)에 위치하는 상기 제 1 제올라이트가 제 2 영역(301b,302b)으로 이동하거나 제 2 영역(301b,302b)에 위치하는 상기 제 2 제올라이트가 제 1 영역(301a,302a)으로 이동하는 것을 제어하는 제올라이트계 멤브레인(301c,302c)을 각각 포함하는 한 쌍의 흡착베드(300); 한 쌍의 흡착베드(300)로부터 산소를 흡입하여 외부로 토출하는 산소 토출부(401) 및 한 쌍의 흡착베드(300)로부터 탈착되는 질소를 흡입하여 외부로 토출하는 질소 토출부(402)를 포함하는 에어 컴프레서(400); 에어 컴프레서(400)의 산소 토출부(401)로부터 토출되는 산소를 질소탈착용 산소와 외부토출용 산소로 분기하는 산소유량 분기밸브(500); 산소유량 분기밸브(500)에 의해 분기된 질소탈착용 산소를 한 쌍의 흡착베드(300)의 제 2 영역 방향으로 가압 제공하는 진공펌프(600); 진공펌프(600)에서 한 쌍의 흡착베드(300)의 제 2 영역 방향으로 제공되는 질소탈착용 산소가 한 쌍의 흡착베드(300) 중 어느 하나에만 제공되도록 상기 질소탈착용 산소의 흐름을 제어하는 산소흐름 제어밸브(700); 및 한 쌍의 솔레노이드 밸브(200); 에어 컴프레서(400); 산소유량 분기밸브(500), 진공펌프(600) 및 산소흐름 제어밸브(700)의 동작을 제어하여 목적하는 산소 순도 및 유량을 외부로 토출하도록 설계된 프로세서(800)를 포함한다. 또한, 제 1 영역(301a,302a)은 제 2 영역(301b,302b) 대비 흡착베드(300) 내에서 적은 영역을 차지한다.
본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치에 포함되는 공기필터(100)는 산소 발생 장치의 공기 흡입구(미도시)로부터 유입되는 외부유입 공기에 존재하는 수분을 필터링하는 역할을 수행하는 구성이다.
공기필터(100)는 또한, 헤파필터와 같이 미세먼지 혹은 초미세먼지를 필터링하는 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 공기필터(100)를 통과한 외부유입 공기는 수분이나 미세먼지 혹은 초미세먼지 같은 오염물질에 제거된 공기일 수 있다.
공기필터(100)를 통과한 외부유입 공기는 한 쌍의 솔레노이드 밸브(200)로 유입된다.
한 쌍의 솔레노이드 밸브(200)는 공기필터(100)를 통과한 외부유입 공기의 유량을 제어하는 역할을 수행하는 구성으로서, 프로세서(800)의 제어 하에 순차 교번 개폐되어 외부유입 공기를 한 쌍의 흡착베드(300) 중 어느 하나에 선택적으로 제공할 수 있다.
하나의 예시에서, 한 쌍의 솔레노이드 밸브(300)는 순차 교번 개폐될 수 있다. 상기에서 ‘순차 교번 개폐된다’는 것은, 한 쌍의 솔레노이드 밸브(300) 중 어느 하나가 열린 상태가 되어 공기필터(100)로부터 외부유입 공기를 받아들인 후 한 쌍의 흡착베드(300) 중 어느 하나에 상기 외부유입 공기를 제공하는 경우, 다른 하나의 솔레노이드 밸브는 닫힌 상태가 되어 한 쌍의 흡착베드(300) 중 다른 하나에 외부유입 공기가 제공되지 아니하도록 동작된다는 것을 의미한다. 한편, 한 쌍의 솔레노이드 밸브(300)의 교번 개폐 동작은, 프로세서(800)에 의해 제어된다.
한 쌍의 솔레노이드 밸브(200)를 통과한 외부유입 공기는 한 쌍의 흡착베드(300)에 유입된다.
한 쌍의 흡착베드(300)는 한 쌍의 솔레노이드 밸브(200)를 통과하여 유입되는 외부유입 공기 중 질소를 선택적으로 흡착하는 제올라이트를 포함하는 것으로써, 제 1 영역(301a,301b), 제 1 영역(301a,301b)의 후단에 위치하는 제 2 영역(302a,302b) 및 제 1 영역(301a,301b)과 제 2 영역(302a,302b)을 물리적으로 구획하는 제올라이트계 멤브레인(301c,302c)를 포함한다.
도 3에는 흡착베드의 길이 방향에 따른 질소 농도 구배 및 질소 흡착율 구배를 설명하기 위한 일 도면이 도시되어 있는데, 일반적으로 흡착베드(300) 앞단에 위치하는 영역은 상대적으로 질소 흡착율 증가 구배가 상승하는 반면 산소 퍼징에 의한 질소 탈착 효율은 저하되는 경향이 있고, 흡착베드(300)의 뒷단에 위치하는 영역은 상대적으로 질소 흡착율 증가 구배가 감소하는 반면 산소 퍼징에 의한 질소 탈착 효율 구배는 상승하는 특징이 있다 (도 3 점선).
그러나, 본 발명에 따른 흡착베드(300)는 앞단에 위치하는 제 1 영역(301a,301b)에 질소 탈착 효율이 우수한 제 1 제올라이트를 충전시키고 뒷단에 위치하는 제 2 영역(302a,302b)에 질소 흡착 효율이 우수한 제 2 제올라이트를 충전시킴으로써, 흡착베드(300) 앞단에서의 질소 탈착 효율 저하를 방지함과 동시에 흡착베드(300) 뒷단에서의 질소 흡착 구배 경사를 유지할 수 있도록 하였다 (도 3 실선).
구체적으로, 제 1 영역(301a,301b)은, 한 쌍의 흡착베드(300) 앞단에 위치하는 영역으로써, 후단에 위치하는 제 2 영역(302a,302b) 대비 더 많은 질소탈착용 산소 기체의 압력 부하가 걸리기 때문에 질소 탈착 효율이 후단에 위치하는 제 2 영역(302a,302b)보다 상대적으로 떨어지는데, 본 발명에서는 제 1 영역(301a,301b)에 질소탈착 효율이 우수한 제 1 제올라이트를 충전시킴으로써 이러한 문제점을 극복하고자 하였다.
더 구체적으로, 제 1 영역(301a,301b)은 Si와 Al의 몰비(Si/Al)가 0.90 내지 1.10의 범위 내에 있는 LSX(Low Silica X)에 리튬 이온을 이온 교환하여 형성되고 Li와 Al의 몰비(Li/Al)가 0.65 내지 0.95의 범위 내에 있는 제 1 제올라이트가 충전된다.
상기 제 1 제올라이트는, 우수한 질소 흡착능을 가짐과 동시에, 산소에 의한 질소 탈착이 용이한 구조인 사이트 III 내 존재하는 리튬 이온을 함유하는 파우지사이트 구조를 가지는 제올라이트이다.
도 2에는 일반적인 파우지사이트 구조가 도시되어 있는데, 본 발명에 따른 파우지사이트 구조를 가지는 제 1 제올라이트는 사이트 I, 사이트 II 및 사이트 III 중 상대적으로 기공이 큰 사이트 III에 리튬 이온이 다수 위치할 수 있도록 리튬 이온과 Al의 몰비가 0.65 내지 0.95로 조절된 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 제 1 제올라이트는 Li와 Al의 몰비(Li/Al)가 0.65 내지 0.95의 범위 내에 있는 파우지사이트 구조의 LiLSX 일 수 있다.
보다 구체적인 예시에서, 상기 제 1 제올라이트는 Li와 Al의 몰비(Li/Al)가 0.70 내지 0.95 또는 0.75 내지 0.95의 범위 내에 있는 파우지사이트 구조의 LiLSX 일 수 있다.
상기 LiLSX는 LSX(Low Silica X)에 리튬 이온을 이온 교환하여 형성되는데, 상기에서 LSX(Low Silica X)는 Si와 Al의 몰비가 1에 인접한 합성 제올라이트로서 소달라이트(Sodalite)에서 육각형 면이 겹육각형 고리를 만들어 결합한 파우지사이트 구조를 가지는 제올라이트를 의미한다.
LSX(Low Silica X)에 리튬 이온을 이온 교환하는 방법은, 예를 들면 LiCl과 같은 염 1 내지 3M을 이용하여 LSX의 이온 교환을 수행하는 것을 포함할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
제 2 영역(302a,302b)은, 제 1 영역(301a,302a)의 후단에 위치하는 영역으로써, 전단에 위치하는 제 1 영역(301a,302a) 대비 더 높은 질소 흡착율을 가지는 제올라이트가 위치하여 흡착베드(300) 끝단의 산소 순도를 향상시키는 역할을 수행하는 영역이다.
구체적으로, 제 2 영역(302a,302b)은 상기 제 1 제올라이트에 칼슘 이온을 이온 교환하여 형성되고 Ca와 Al의 몰비(Ca/Al)가 0.25 내지 0.45의 범위 내에 있는 제 2 제올라이트가 충전된다.
상기 제 2 제올라이트는, 세공 크기가 상대적으로 큰 사이트 III 뿐만 아니라, 사이트 I 및 II에도 질소를 흡착할 수 있는 칼슘 양이온이 위치하는 파우지사이트 구조를 가지는 제올라이트로서, 제 1 제올라이트 대비 우수한 질소흡착능을 가지는 제올라이트이다.
보다 구체적으로, 제 2 제올라이트는 제 1 제올라이트인 Li와 Al의 몰비(Li/Al)가 0.65 내지 0.95, 0.70 내지 0.95 또는 0.75 내지 0.95의 범위 내에 있는 파우지사이트 구조의 LiLSX에 칼슘 이온을 이온 교환하여 형성되고, Ca와 Al의 몰비(Ca/Al)가 0.25 내지 0.45의 범위 내에 있는 LiCaLSX 일 수 있다.
더 구체적인 예시에서, 상기 제 2 제올라이트는 Ca와 Al의 몰비(Ca/Al)가 0.25 내지 0.40 또는 0.25 내지 0.35의 범위 내에 있는 파우지사이트 구조의 LiCaLSX 일 수 있다.
제 1 영역(301a,302a) 및 제 2 영역(302a,302b)에 각각 포함되는 제 1 제올라이트 및 제 2 제올라이트는 소정 직경을 가지는 구형, 반구형, 타원형 혹은 반타원형으로 내부에 세부 기공을 포함하는 다공성 입자 일 수 있다. 따라서, 제 1 제올라이트 및 제 2 제올라이트는 소정 입자 직경 및 세공 기공 직경을 가질 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 및 제 2 제올라이트는 각각 직경이 1.5 mm 내지 5.0 mm의 범위 내에 있고, 미세 기공이 3Å 내지 10Å의 범위 내에 있을 수 있다.
한편, 입자 직경이 작고 미세 기공이 큰 제올라이트가 다수 위치하는 흡착베드 일수록 비표면적의 상대적 증가에 따른 질소 흡착 사이트의 증가로 인해, 질소흡착능 향상이 극대화될 수 있는 바, 제 2 제올라이트는 제 1 제올라이트 대비 상대적으로 큰 비표면적을 가지는 것으로써, 상대적으로 작은 직경을 가짐과 동시에 상대적으로 큰 미세 기공을 가지는 것 일 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 제올라이트는 상기 제 2 제올라이트보다 큰 직경을 가지고, 상기 제 2 제올라이트보다 작은 미세 기공을 가질 수 있다.
더 구체적인 예시에서, 제 1 제올라이트는 직경이 3.0mm 내지 5.0mm의 범위 내에 있고, 미세 기공이 3Å 내지 6Å의 범위 내에 있을 수 있고, 제 2 제올라이트는 직경이 1.5 mm 내지 2.5mm의 범위 내에 있고, 미세 기공이 7Å 내지 10Å의 범위 내에 있을 수 있다.
상기와 같이, 제 1 영역(301a,302a) 및 제 2 영역(302a,302b)에 각각 상대적으로 질소 탈착 효율이 우수한 제 1 제올라이트와 상대적으로 질소 흡착능이 우수한 제 2 제올라이트를 포함시키고, 제 1 영역(301a,302a)의 흡착베드(300) 내 부피를 상대적으로 적게 구성함으로써, 적은 유량의 질소 탈착용 산소를 이용하더라도 고순도의 산소를 토출할 수 있고, 궁극적으로 목적하는 고순도의 산소를 유량 저감없이 토출할 수 있다.
즉, 제 1 영역(301a,302a)은 제 2 영역(302a,302b) 대비 흡착베드 내에서 적은 영역을 차지하는데, 이는 질소 탈착 효율의 향상에 기여하는 영역을 질소 흡착에 기여는 영역 대비 더 넓게 설계하는 경우, 고순도 산소를 유량 저감없이 발생시키고자 하는 본 발명의 목적을 달성할 수 없어 바람직하지 않기 때문이다.
보다 구체적으로, 제 1 영역(301a,302a)은 흡착베드(300) 전체 길이 대비 20 % 내지 45% 또는 20% 내지 40%에 해당하는 영역을 차지할 수 있다.
제 1 영역(301a,302a)과 제 2 영역(302a,302b)의 사이에는 상기 각 영역을 물리적으로 구분하는 제올라이트계 멤브레인(301c,302c)이 위치한다.
제올라이트계 멤브레인(301c,302c)은 제 1 영역(301a,302a)과 제 2 영역(302a,302b)을 물리적으로 구획하되 제 1 영역(301a,302a)에 위치하는 상기 제 1 제올라이트가 제 2 영역(302a,302b)으로 이동하거나 제 2 영역(302a,302b)에 위치하는 상기 제 2 제올라이트가 제 1 영역(301a,302a)으로 이동하는 것을 제어하는 역할을 수행한다.
제올라이트계 멤브레인(301c,302c)은 흡착베드(300)의 제 1 영역(301a,302a)과 제 2 영역(302a,302b) 각각에 존재하는 제올라이트가 상호 이동하는 것을 제어함과 동시에 공기 기체 내 산소나 질소가 자유롭게 통과할 수 있을 정도의 기공을 가지는 메조포러스(mesoporous) 멤브레인 일 수 있다.
하나의 예시에서, 제올라이트계 멤브레인(301c,302c)은 FAU 제올라이트, MFI 제올라이트, CHA 제올라이트, DDR 제올라이트 및 MWW 제올라이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 성분을 포함하는 메조포러스(mesoporous) 멤브레인 일 수 있다.
외부유입 공기는 한 쌍의 흡착베드(300)를 통과하면 질소가 제거된 고순도 산소로 변화하는데, 이는 질소 탈착 공정에서 의해 한 쌍의 흡착베드(300)로부터 토출되는 질소와 함께 에어 컴프레서(400)로 흡입된다.
에어 컴프레서(400)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 흡착베드(300)로부터 산소를 흡입하여 외부로 토출하는 산소 토출부(401) 및 한 쌍의 흡착베드(300)로부터 탈착되는 질소를 흡입하여 외부로 토출하는 질소 토출부(402)를 포함한다.
에어 컴프레서(400)는 산소 토출부(401)와 질소 토출부(402)를 포함하여, 각각 산소와 질소를 흡입한 후, 외부로 토출하는 역할을 수행하는 구성이다.
구체적으로, 산소 토출부(401)는 한 쌍의 흡착베드(300) 각각으로부터 고순도 산소를 흡입하고, 외부유입 공기와 적절히 혼합하여 소정 유량 및 소정 농도의 산소를 외부 토출한다.
한편, 목적 산소 유량 및 순도에 따라 외부유입 공기의 혼합 정도를 변경하기 위해 본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치는 한 쌍의 흡착베드(300) 각각으로부터 제공되는 고순도 산소의 유량을 제어하는 산소유량 조절부(900) 및 외부유입 공기의 유량을 조절하는 외부유입 공기 유량 조절부(1000)를 더 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 4 내지 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치는 흡착베드(300)로부터 제공되는 산소의 유량을 조절하는 산소유량 조절부(900); 및 상기 외부유입 공기가 에어 컴프레서(400)의 산소 토출부(401)로 유입되는 유량을 조절하는 외부유입 공기 유량 조절부(1000)를 더 포함할 수 있다. 산소유량 조절부(900) 및 외부유입 공기 유량 조절부(1000)는 프로세서(800)의 제어 하에 각각 흡착베드(300)를 통과한 산소의 유량 및 외부유입 공기의 유량을 조절할 수 있다.
질소 토출부(402)는 한 쌍의 흡착베드(300)로부터 탈착되는 질소를 흡입하여 외부로 토출하는데, 구체적으로 한 쌍의 흡착베드(300)의 제 1 영역으로부터 토출되는 질소를 흡입하여 외부로 토출할 수 있다.
다른 예시에서, 도 7에 도시되어 있는 것처럼, 본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치가 질소탈착용 산소를 흡착베드(300)로 유입시키기 위해 바이패스 구조를 가지는 경우, 질소 토출부(402)는 한 쌍의 흡착베드(300)의 제 1 영역(301a,302a) 및 제 2 영역(301b,302b)으로부터 토출되는 질소를 흡입하여 외부로 토출할 수 있다.
에어 컴프레서(400)의 질소 토출부(402) 후단에는, 예를 들면 토출되는 질소에 의해 발생하는 소음을 줄이기 위한 사일런서(sliencer, 미도시)가 위치할 수 있다.
또한, 에어 컴프레서(400)의 산소 토출부(401) 후단에는 에어 컴프레서(400)의 산소 토출부(401)로부터 토출되는 산소를 질소탈착용 산소와 외부토출용 산소로 분기하는 산소유량 분기밸브(500)가 위치한다.
산소유량 분기밸브(500)는 산소 토출부(401)로부터 토출되는 산소를 질소탈착용 산소와 외부토출용 산소로 분기하는 역할을 수행하는 구성으로서, 프로세서(800)의 제어 하에 동작되어 분기 시간 및 분기 유량 등이 조절될 수 있다.
산소유량 분기밸브(500)에서 분기된 외부토출용 산소는 산소 발생 장치 외부로 토출되고, 질소탈착용 산소는 진공펌프(600)를 매개로 흡착베드(300)에 제공된다.
진공펌프(600)는 산소유량 분기밸브(500)에 의해 분기된 질소탈착용 산소를 상기 한 쌍의 흡착베드(300)의 제 2 영역 방향으로 가압 제공하는 역할을 수행하는 구성으로서, 프로세서(800)의 제어 하에 압력 및 구동 조건이 설정될 수 있다.
진공펌프(600)를 통과하여 가압된 질소탈착용 산소는 흡착베드(300)의 제 2 영역 방향으로 제공되는데, 이 때 산소흐름 제어밸브(700)는 질소탈착용 산소가 한 쌍의 흡착베드(300) 중 어느 하나에만 제공되도록 상기 질소탈착용 산소의 흐름을 제어하는 역할을 수행한다.
구체적으로, 산소흐름 제어밸브(700)는, 도 5에 도시된 바와 같이, 진공펌프(600)를 통과하여 가압된 질소탈착용 산소가 하단 흡착베드의 제 2 영역 방향으로만 제공되도록 상기 질소탈착용 산소의 흐름을 제어할 수 있다.
다른 예시에서, 산소흐름 제어밸브(700)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 진공펌프(600)를 통과하여 가압된 질소탈착용 산소가 상단 흡착베드의 제 2 영역 방향으로만 제공되도록 상기 질소탈착용 산소의 흐름을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치의 각 구성은 프로세서(800)의 제어 하에 동작되고 구현된다.
구체적으로, 프로세서(800)는 한 쌍의 솔레노이트 밸브(200), 에어 컴프레서(400), 산소유량 분기밸브(500), 진공펌프(600) 및 산소흐름 제어밸브(700)의 동작을 제어하여 목적하는 산소 순도 및 유량을 외부로 토출하도록 설계된다.
프로세서(800)는 본 발명에 따른 산소 발생 장치의 각 구성을 제어하는 역할을 수행하는 구성으로서, 각 구성과 전기적 신호로 연결되어 각 구성의 동작 및 구동을 제어할 수 있다.
프로세서(800)는 또한, 한 쌍의 흡착베드(300)의 어느 일단에 위치하고 질소 탈착 효율을 측정할 수 있는 센서로부터 획득되는 질소 탈착 효율 측정 결과에 따라 사용자에게 산소 발생 장치 내 흡착베드(300)의 교체 주기 알림을 제공할 수 있도록 설계될 수 있다. 상기 교체 주기 알림은, 예를 들면 LED 램프나 음성 알림 등으로 구현될 수 있고, 각 알림 구성은 프로세서(800)의 제어 하에 구동 및 동작될 수 있다.
본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치는 또한, 질소 탈착 효율의 증대 및 그에 따른 고순도 산소의 적정 유량 토출을 위해 설계된 바이패스 구조를 더 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치는, 도 7에 도시된 바와 같이, 산소흐름 제어밸브(700)를 통해 한 쌍의 흡착베드(300)의 제 2 영역 방향으로 제공되는 질소탈착용 산소 중 일부를 분기하여 한 쌍의 흡착베드(300)의 제 1 영역 방향으로 제공하도록 설계된 바이패스부(1100)를 더 포함할 수 있다.
도 8에는 본 발명에 따른 바이패스부(1100)의 상세 구조를 설명하기 위한 일 예시도가 도시되어 있는데, 도 8에 도시되어 있는 바와 같이, 바이패스부(1100)은 산소흐름 제어밸브(700)를 통해 한 쌍의 흡착베드(300)의 제 2 영역 방향으로 제공되는 질소탈착용 산소 중 일부를 우회하여 흡착베드(300)의 제 1 영역 방향으로 제공함으로써, 흡착베드(300) 내 질소 탈착 효율 향상을 극대화 시키고, 궁극적으로 고순도 산소를 유량 저감없이 외부로 토출할 수 있도록 도와주는 구성이다.
본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치가 바이패스부(1100)를 포함할 경우, 도 8에 도시된 것처럼, 한 쌍의 흡착베드(300) 각각은 2단 구조의 개별 흡착베드가 적층되어 있는 구조를 가지고, 각 개별 흡착베드로의 질소탈착용 산소 공급은 개별 제어밸브에 의해 제어될 수 있다.
구체적인 예시에서, 도 8에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치가 바이패스부(1100)를 포함할 경우, 한 쌍의 흡착베드 각각은 제 2 영역 방향으로 제공되는 산소에 의해 질소 탈착이 수행되는 제 1 흡착베드(3011) 및 제 1 영역 방향으로 제공되는 산소에 의해 질소 탈착이 수행되고 제 1 흡착베드(3011)의 하부에 위치하는 제 2 흡착베드(3012)로 이루어질 수 있으며, 이 때 본 발명의 고순도 산소 발생 장치는 제 1 흡착베드(3011)의 제 2 영역 방향으로 상기 질소탈착용 산소가 제공되는 경우 상기 제 2 흡착베드(3012)의 제 1 영역 방향으로 상기 질소탈착용 산소가 제공되도록 산소흐름 제어밸브(700) 및 바이패스부(1100)로부터 제공되는 산소의 흐름을 제어하는 제 3 내지 제 8 제어밸브(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 제 3 내지 제 8 제어밸브는, 적층 구조의 흡착베드가 상호 역방향 퍼징이 이루어질 수 있도록 질소탈착용 산소의 흐름을 제어하는 역할을 수행하는 구성으로서, 예를 들면 프로세서(800)의 제어 하에 각각 개별적으로 개폐되어 전술한 질소탈착용 산소 흐름 제어를 구현할 수 있다
보다 구체적으로, 프로세서(800)는 제 1 흡착베드(3011)의 제 2 영역 방향으로 상기 질소탈착용 산소가 제공되는 경우 제 2 흡착베드(3012)의 제 1 영역 방향으로 상기 질소탈착용 산소가 제공되도록 상기 제 3 내지 제 8 제어밸브의 개폐를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치는, 전술한 구성들을 통해, 질소 탈착을 위해 흡착베드로 제공되는 산소 유량을 증가시키지 아니하고도 높은 질소 탈착 효율을 달성할 수 있고, 고순도의 산소를 유량 저감없이 토출할 수 있는 효과를 달성할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치는 흡착베드 내 제올라이트의 질소 탈착 효율 증대에 따라 흡착베드 교체 주기를 연장시킬 수 있어 타 산소 발생 장치 대비 장기 사용성이 우수한 이점이 있다.
이하, 도 5 및 도 6을 참조하여, 본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치 내 외부유입 공기, 산소 및 질소의 흐름과 이에 필요한 추가 구성을 설명한다.
도 5에는 한 쌍의 흡착베드(300) 중 상단 흡착베드로부터 고순도 산소가 토출되고, 하단 흡착베드가 산소 퍼징되는 경우, 각 기체의 흐름을 설명하기 위한 일 기체 흐름도가 도시되어 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 외부유입 공기는 공기필터(100)를 거쳐 한 쌍의 솔레노이드 밸브(200) 중 상단 솔레노이브 밸브를 통과한 후, 한 쌍의 흡착베드(300) 중 상단 흡착베드를 통과하게 되며, 상단 흡착베드를 통과한 외부유입 공기는 질소가 제거된 고순도 산소로 토출되어 제어 밸브(제 2 제어밸브)의 제어 하에 에어 컴프레서(400)로 흡입되고, 산소유량 분기밸브(500)에 의해 외부토출용 산소와 질소흡착용 산소로 분기된 후, 각각 외부 및 진공 펌프(600) 방향으로 토출된다. 이어서, 진공펌프(600) 방향으로 제공되는 질소흡착용 산소는 산소흐름 제어밸브(700)에 의해 하단 흡착베드로만 공급되어 질소 탈착 공정을 수행한다. 이어서, 질소 탈착 공정이 수행된 하단 흡착베드의 제 1 영역 방향에서는 질소가 토출되어 에어 컴프레서(400)의 질소 토출부(401)를 매개로 외부로 배출된다.
반대로, 한 쌍의 흡착베드(300) 중 하단 흡착베드로부터 고순도 산소가 토출되고, 상단 흡착베드가 산소 퍼징되는 경우, 각 기체의 흐름을 설명하기 위한 일 기체 흐름도가 도 6에 도시되어 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 외부유입 공기는 공기필터(100)를 거쳐 한 쌍의 솔레노이드 밸브(200) 중 하단 솔레노이브 밸브를 통과한 후, 한 쌍의 흡착베드(300) 중 하단 흡착베드를 통과하게 되며, 하단 흡착베드를 통과한 외부유입 공기는 질소가 제거된 고순도 산소로 토출되어 제어 밸브(제 2 제어밸브)의 제어 하에 에어 컴프레서(400)로 흡입되고, 산소유량 분기밸브(500)에 의해 외부토출용 산소와 질소흡착용 산소로 분기된 후, 각각 외부 및 진공 펌프(600) 방향으로 토출된다. 이어서, 진공펌프(600) 방향으로 제공되는 질소흡착용 산소는 산소흐름 제어밸브(700)에 의해 상단 흡착베드로만 공급되어 질소 탈착 공정을 수행한다. 이어서, 질소 탈착 공정이 수행된 상단 흡착베드의 제 1 영역 방향에서는 질소가 토출되어 에어 컴프레서(400)의 질소 토출부(401)를 매개로 외부로 배출된다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 상단 및 하단에 위치하는 흡착베드의 상호 교번적 산소 및 질소 토출 공정이 수행되기 위해서는 토출되는 산소 및 질소의 흐름을 제어하는 제어밸브의 구성이 더 포함되어야 할 수 있다.
하나의 예시에서, 본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치는 한 쌍의 흡착베드(300) 전단에 위치하여 한 쌍의 솔레노이드 밸브(200)를 통과한 외부유입 공기가 한 쌍의 흡착베드(300)로 유입될 수 있도록 상기 외부유입 공기의 흐름을 제어하고, 질소탈착 공정에 의해 상기 한 쌍의 흡착베드로부터 배출되는 질소가 질소 토출부(402)를 통해 외부로 배출될 수 있도록 상기 질소의 흐름을 제어하는 한 쌍의 제 1 제어밸브(1200); 및 한 쌍의 흡착베드(300) 후단에 위치하여 한 쌍의 흡착베드(300)로부터 배출되는 산소가 산소 토출부(401)를 통해 외부로 배출될 수 있도록 상기 산소의 흐름을 제어하고, 진공 펌프(600)에서 한 쌍의 흡착베드(300)의 제 2 영역 방향으로 제공되는 질소탈착용 산소가 산소 토출부(401)로 재유입되는 것을 방지할 수 있도록 상기 질소탈착용 산소의 흐름을 제어하는 한 쌍의 제 2 제어밸브(1300)를 더 포함할 수 있다.
이상에서, 본 발명에 따른 고순도 산소 발생 장치를 상세한 설명과 도면을 예시로 들어 구체적으로 설명하였지만, 이는 본 발명에 따른 일례에 불과할 뿐, 상기 예시들이 본 발명의 기술적 사상 내지는 권리범위를 제한하지 아니함을 물론이고, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 사람은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 위 예시들을 기초로 다양한 변화 및 변경이 가능하다.
100 : 공기필터
200 : 한 쌍의 솔레노이드 밸브
300 : 한 쌍의 흡착베드
301a,302a : 제 1 영역
301b,302b : 제 2 영역
301c,302c : 제올라이트계 멤브레인
3011 : 제 1 흡착베드
3012 : 제 2 흡착베드
400 : 에어 컴프레서
401 : 산소 토출부
402 : 질소 토출부
500 : 산소유량 분기밸브
600 : 진공펌프
700 : 산소흐름 제어밸브
800 : 프로세서
900 : 산소유량 조절부
1000 : 외부유입 공기 유량 조절부
1100 : 바이패스부
1200 : 제 1 밸브
1300 : 제 2 밸브

Claims (10)

  1. 외부유입 공기로부터 수분을 필터링하는 공기필터;
    상기 공기필터를 통과한 외부유입 공기의 유량을 제어하는 한 쌍의 솔레노이드 밸브;
    상기 한 쌍의 솔레노이드 밸브를 통과하여 유입되는 외부유입 공기 중 질소를 선택적으로 흡착하는 제올라이트를 포함하는 한 쌍의 흡착베드로서, Si와 Al의 몰비(Si/Al)가 0.90 내지 1.10의 범위 내에 있는 LSX(low silica X)에 리튬 이온을 이온 교환하여 형성되고 Li와 Al의 몰비(Li/Al)가 0.65 내지 0.95의 범위 내에 있는 제 1 제올라이트가 충전된 제 1 영역; 상기 제 1 영역의 후단에 위치하고 상기 제 1 제올라이트에 칼슘 이온을 이온 교환하여 형성되고 Ca와 Al의 몰비(Ca/Al)가 0.25 내지 0.45의 범위 내에 있는 제 2 제올라이트가 충전된 제 2 영역; 및 상기 제 1 영역과 상기 제 2 영역을 물리적으로 구획하되 상기 제 1 영역에 위치하는 상기 제 1 제올라이트가 상기 제 2 영역으로 이동하거나 상기 제 2 영역에 위치하는 상기 제 2 제올라이트가 상기 제 1 영역으로 이동하는 것을 제어하는 제올라이트계 멤브레인을 각각 포함하는 한 쌍의 흡착베드;
    상기 한 쌍의 흡착베드로부터 산소를 공급받아 외부로 토출하는 산소 토출부 및 상기 한 쌍의 흡착베드로부터 탈착되는 질소를 공급받아 외부로 토출하는 질소 토출부를 포함하는 에어 컴프레서;
    상기 에어 컴프레서의 산소 토출부로부터 토출되는 산소를 질소탈착용 산소와 외부토출용 산소로 분기하도록 설계된 산소유량 분기밸브;
    상기 산소유량 분기밸브에 의해 분기된 질소탈착용 산소를 상기 한 쌍의 흡착베드의 제 2 영역 방향으로 가압 제공하는 진공펌프;
    상기 진공 펌프에서 상기 한 쌍의 흡착베드의 제 2 영역 방향으로 제공되는 질소탈착용 산소가 상기 한 쌍의 흡착베드 중 어느 하나에만 제공되도록 상기 질소탈착용 산소의 흐름을 제어하는 산소흐름 제어밸브; 및
    상기 한 쌍의 솔레노이트 밸브, 상기 에어 컴프레서, 상기 산소유량 분기밸브, 상기 진공펌프 및 상기 산소흐름 제어밸브의 동작을 제어하여 목적하는 산소 순도 및 유량을 외부로 토출하도록 설계된 프로세서를 포함하고,
    상기 제 1 영역은 상기 제 2 영역 대비 흡착베드 내에서 적은 영역을 차지하는 고순도 산소 발생 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 솔레노이드 밸브는,
    순차 교번 개폐되는 고순도 산소 발생 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 제올라이트는 각각,
    직경이 1.5 mm 내지 5.0 mm의 범위 내에 있고, 미세 기공이 3Å 내지 10 Å의 범위 내에 있는 고순도 산소 발생 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제 1 제올라이트는,
    상기 제 2 제올라이트보다 상대적으로 큰 직경과 작은 미세 기공을 가지는 고순도 산소 발생 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제올라이트계 멤브레인은,
    FAU 제올라이트, MFI 제올라이트, CHA 제올라이트, DDR 제올라이트 및 MWW 제올라이트로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 성분을 포함하는 메조포러스 멤브레인인 고순도 산소 발생 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착베드로부터 제공되는 산소의 유량을 조절하는 산소유량 조절부; 및
    상기 외부유입 공기가 상기 에어 컴프레서의 산소 토출부로 유입되는 유량을 조절하는 외부유입 공기 유량 조절부를 더 포함하는 고순도 산소 발생 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 한 쌍의 흡착베드 전단에 위치하여 상기 한 쌍의 솔레노이드 밸브를 통과한 외부유입 공기가 상기 한 쌍의 흡착베드로 유입될 수 있도록 상기 외부유입 공기의 흐름을 제어하고, 질소탈착 공정에 의해 상기 한 쌍의 흡착베드로부터 배출되는 질소가 상기 질소 토출부를 통해 외부로 배출될 수 있도록 상기 질소의 흐름을 제어하는 한 쌍의 제 1 제어밸브; 및
    상기 한 쌍의 흡착베드 후단에 위치하여 상기 한 쌍의 흡착베드로부터 배출되는 산소가 산소 토출부를 통해 외부로 배출될 수 있도록 상기 산소의 흐름을 제어하고, 상기 진공 펌프에서 상기 한 쌍의 흡착베드의 제 2 영역 방향으로 제공되는 질소탈착용 산소가 산소 토출부로 재유입되는 것을 방지할 수 있도록 상기 질소탈착용 산소의 흐름을 제어하는 한 쌍의 제 2 제어밸브를 더 포함하는 고순도 산소 발생 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 산소흐름 제어밸브를 통해 상기 한 쌍의 흡착베드의 제 2 영역 방향으로 제공되는 질소탈착용 산소 중 일부를 분기하여 상기 한 쌍의 흡착베드의 제 1 영역 방향으로 제공하도록 설계된 바이패스부를 더 포함하는 고순도 산소 발생 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 한 쌍의 흡착베드 각각은,
    제 2 영역 방향으로 제공되는 산소에 의해 질소 탈착이 수행되는 제 1 흡착베드 및 제 1 영역 방향으로 제공되는 산소에 의해 질소 탈착이 수행되고 상기 제 1 흡착베드의 하부에 위치하는 제 2 흡착베드로 이루어져 있고,
    상기 제 1 흡착베드의 제 2 영역 방향으로 상기 질소탈착용 산소가 제공되는 경우 상기 제 2 흡착베드의 제 1 영역 방향으로 상기 질소탈착용 산소가 제공되도록 상기 산소흐름 제어밸브 및 상기 바이패스부로부터 제공되는 산소의 흐름을 제어하는 제 3 내지 제 8 제어밸브를 더 포함하는 고순도 산소 발생 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 제 1 흡착베드의 제 2 영역 방향으로 상기 질소탈착용 산소가 제공되는 경우 상기 제 2 흡착베드의 제 1 영역 방향으로 상기 질소탈착용 산소가 제공되도록 상기 제 3 내지 제 8 제어밸브의 개폐를 제어하는 고순도 산소 발생 장치.
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