KR102256728B1 - 내습성 분자 여과기 베드 - Google Patents

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Abstract

온보드 산소발생 시스템(OBOGS)을 위한 공기 분리 유닛이 습기를 가진 유입구 공기를 수용하기 위한 유입구 및 건조한 생성물 가스를 배출하기 위한 배출구를 가진 하우징을 포함한다. 상기 하우징은 외측 벽 및 두 개이상의 원형 벽들을 포함하여 하우징내부에 동심구조를 가진 일련의 원형 챔버들을 형성한다. 제1 원형 챔버는 상기 외측벽 및 제1 원형 벽에 의해 형성되며 유입구와 유체적으로 연결되고, 상기 제1 원형 챔버는 상기 습기를 가진 유입구 공기를 수용하고 건조된 공기를 배출하도록 구성된 건조제 재료를 포함한다. 제1 원형 벽 및 제2 원형 벽에 의해 형성되고 제1 통로에 의해 상기 제1 원형 챔버가 충진되지 않은 제2 원형 챔버가 유체적으로 연결된다. 제2 원형 벽 및 제3 원형 벽에 의해 형성되고 제1 단부에서 제2 통로 및 제2 단부에서 배출구를 통해 상기 제2 원형 챔버가 제3 원형 챔버가 유체적으로 연결된다. 상기 제3 원형 챔버는 건조된 공기로부터 불필요한 성분을 선택적으로 제거하고 건조한 생성물 가스를 출력하기 위해 공기 분리 재료를 수용한다. 건조된 공기 탭이 제2 원형 챔버와 유체적으로 연결되어 건조된 공기의 일부분은 하우징으로부터 제거된다.

Description

내습성 분자 여과기 베드
본 발명은 일반적으로 공급 가스 내의 가스 성분을 분리하기 위한 분자 여과기 베드(molecular sieve beds)에 관한 것이고, 보다 상세하게는 가스가 분자 여과기 베드에 의해 가스가 분리되기 전에 공급 가스(source gas)로부터 수분 함량을 감소시키는 장치 및 방법에 관한 것이며, 공급 가스로부터 산소를 분리하기 위한 온보드 산소 발생 시스템(OBOGS)의 분자 여과기 베드에 관한 것이다.
압력 스윙 흡착(PSA) 기술을 이용하는 온보드 산소 발생 시스템(OBOGS)은 통기성이 있고 산소가 농후한 생성물 가스를 발생시키는 것으로 당 업계에 공지되어있다. PSA 시스템은 일반적으로 제올라이트와 같은 분자 여과기 재료를 사용하여 산소의 통과를 허용하는 동시에 항공기의 엔진 블리드 공기로부터 질소를 흡착함으로써 항공기의 엔진 블리드 공기와 같은 공기 공급원으로부터 유입 공기를 분리한다. 다음에 분리된 산소는 최종적으로 특정 영역(예를 들어, 조종석, 캐빈) 및 항공기에 탑승한 직원(예를 들어, 조종사, 승무원, 승객)에게 전달되어 통기성 가스를 제공할 수 있다. 흡착된 질소는 공지된 방식으로 압력 스윙 기술을 이용하여 감압상태를 가지는 제올라이트(zeolite)로부터 주기적으로 세정될 수 있다. 다음에 세정된 질소는 기체 외부로 버려지거나 항공기의 연료 탱크 누손량(ullage)의 불활성화작용과 같은 다른 용도로 사용된다.
시스템 작동 및 효율을 개선하기 위해 이중 베드 시스템과 같은 다중 베드 시스템이 사용되며, 제1 베드가 엔진 블리드 공기로부터 산소를 능동적으로 분리하는 동안 제2 베드가 감압상태를 가지며 제올라이트를 재생시킨다. 스위칭 밸브 조립체는 엔진 블리드 공기를 수용하는 베드 및 재생되는 베드를 결정할 수 있다. 이렇게 하여, 제1 베드의 공기 분리 효율은 원하는 산소 순도를 가지며 산소가 풍부한 배출 가스를 충분하게 발생시키지 못하면, 스위칭 밸브 조립체는 가압 된 엔진 블리드 공기를 재생된 제2 베드로 제공하고, 손상된 제1 베드가 감소된 압력에서 제올라이트의 재생을 허용한다.
온보드 산소발생시스템(OBOGS)의 효율 문제는, 가압 된 유입구 공기로부터 오염된 습기 및 물/화학 증기가 분자 여과기 베드로 들어가고 제올라이트 활성 부분을 간섭하여 분자 여과기 층의 가스 분리 효율을 저하시킬 때 발생할 수 있다. 예를 들어, 수분은 제올라이트의 결정 구조를 손상시킬 수 있다. 또한, 특히 수분이 베드의 중심으로 깊이 이동한 경우, 재생 단계동안 제올라이트 베드로부터 탈착하는 것이 매우 어려울 수 있다. 결과적으로, 베드 내의 제올라이트 입자가 손상되거나 액상 물을 흡착했을 때, 입자들은 질소를 덜 효과적으로 흡착하여 분자 여과기 베드의 공기 분리 효율이 감소된다.
질소가 제올라이트에 흡착되지 않고 베드를 통과할 때("질소 통과(nitrogen breakthrough)"로서 당 업계에 공지됨), 질소는 출력 생성물 가스 내에 동반되어 산소 백분율을 감소시키도록 작용할 것이다.(예를 들어, 고도에 따라) 낮은 산소 농도가 요구되는 경우에 때때로 질소 통과가 필요하다. 이 경우, 특정 농도의 질소가 온보드 산소발생 시스템(OBOGS)를 통과하여 원하는 비율의 산소를 함유 한 생성 가스를 생성할 수 있다. 그러나 의도하지 않거나 통제되지 않은 질소 통과는, 항공기 승무원이 원하는 산소 비율을 제공받지 못하여 저산소증이나 저산소 혈증과 같이 심각하고 치명적인 건강상의 문제를 겪을 수 있어서 비참한 결과를 초래할 수 있다. 따라서 질소 통과가 필요한 경우, 분리된 가스에서 원하는 산소 농도를 유지하도록 제어되어야 하며 유해한 건강에 악영향을 주는 것을 피해야 한다.
온보드 산소발생 시스템(OBOGS)은 공압 밸브(직접 구동되거나 전기적으로 구동되는 파일럿 솔레노이드 밸브)를 구동하기 위해 공급 공기를 사용할 수도 있다. 다중 베드 시스템에서, 상기 밸브는 상기 설명과 같이 분자 여과기 베드를 통해 공급 공기를 선택적으로 순환시키기 위해 이용될 수 있다. 상기 밸브는 온보드 산소 센서의 교정을 도울 수 있다. 그러나 공급 공기의 습기로 인해 공압식 밸브 및/또는 솔레노이드 밸브가 부식성 손상을 입을 수 있다. 습기를 가진 공기는 또한, 산소 센서의 정확한 교정을 방해하는 한편 센서의 내부 회로가 잠재적으로 부식에 의한 손상에 노출시킬 수 있다.
따라서, 공급 공기 중에 수분 및 물/화학 증기를 갖는 것이 바람직하지 않다는 것을 알 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해 몇 가지 제안된 솔루션이 개발되었다. 그러한 제안된 해결책 중 하나는 제올라이트 베드속으로 들어갈 수 있는 수분을 감소시키기 위해 공기 분리 유닛 전에 공기 분리 시스템 내에 하나 이상의 융합(coalescing) 필터를 포함시키는 것이다.
융합 필터는 일반적으로 붕소 규산염 유리 필터 또는 그 등가물 상에 수분 및 증기 미립자(예를 들어, 액적)가 합쳐지게 하여 작동한다. 미립자는 유리 필터의 얇은 외부에 응축물로서 응집되며, 충분한 밀도를 가질 때 중력은 상기 응축물을 필터 아래에 위치한 드레인으로 흐르게 한다. 그러나 융합 필터는 일반적으로 특정 항공기 적용예들에서 효과적이지 않다. 예를 들어, 항공기 내에서 주기적인 압력 변동(pressure swinging)은 미립자가 조기에 유리 필터로부터 떨어지게 만들고 이어서 유입구 공기 유동 내에서 분자 여과기 베드속으로 이동하게 만든다. 융합 필터는 또한, PSA 증기 상 동안 붕소 규산염 유리 필터를 통과한 수분 및 증기 미립자를 여과하기에 효과적이지 않아서 분자 여과기 유입구 및 여과기 베드에서 응축을 발생시킨다. 또한, 융합 필터는 해당 항공기가 거꾸로 기동할 때와 같이 상하 반대의 방향으로 배열될 때 일시적으로 비효과적일 수 있다.
제안된 또 다른 해결책은 원심 분리기의 사용이다. 원심 분리기는 일반적으로 공기유동을 분리기 내에서 구심력을 통해 이동시켜 오염된 수분 및 오일 미립자를 블리드 공기로부터 분리한다. 원심력에 의해 밀도가 높은 물 및/또는 오일 미립자가 분리기의 외벽으로 이동하여 미립자는 수집되고 배출구 포트로 이동한다. 밀도가 높은 오염물을 효과적으로 제거하는 동안, 상기 오염물들이 방출되기 전에 분리기의 외벽으로 가압될 정도로 충분한 밀도를 가지지 못하면 원심 분리기는 효과적으로 미립자들 및 수분을 제거하지 못 한다. 오히려, 이러한 분리되지 않은 오염물은 유입구 공기내에 남아서 습기가 체 베드속으로 들어갈 수 있다.
제안된 또 다른 해결책은 분자 여과기 베드 상에 얇은 건조제 재료층을 포함하는 것이며, 예를 들어, 전체 내용이 본 명세서에 포함된 버드 씨의 미국 특허 제 6,681,807호( '807 특허)에 공개되어있다. '807 특허에 공개된 것처럼, 건조제 재료층(예를 들어, 활성화된 알루미나)이 제올라이트 베드의 표면에 침착될 수 있고, 유입구 가스가 분자 여과기속으로 들어가기 전에 건조제 재료는 유입구 가스 공기 유동으로부터 수분 및 증기 미립자를 흡수한다. 그러나, 상기 해결책이 가지는 문제점에 의하면, 분자 여과기가 건조제와 밀착되어 있고 여과기가 건조제보다 습기에 대해 더 높은 친화도를 갖기 때문에 시스템이 작동하지 않을 때 건조제로부터 수분을 끌어당길 수 있다. 또한, 얇은 건조제 재료 층은 습기를 흡착할 수 있도록 건조제 재료 내에 충분한 공기 유동 잔류 시간을 허용하지 않을 수 있다. 건조제 층의 깊이가 증가되면 공기 유동의 잔류 시간이 증가하지만 건조제는 주위의 분자 여과기 성분을 침입한다.
제안된 또 다른 해결책은 반경 방향 베드 구조내에 분자 여과기의 상류에 건조제 용기를 포함하는 것이다. 상기 형태의 시스템에서, 혼합형 베드 흡수기는 흡수베드와 평행하게 위치한 용기를 포함할 수 있다. 작동 중에, 습기를 가진 공급 공기의 가압 공기 유동이 용기 내로 들어가며, 여기서 공기 유동은 알루미나 비드 베드에 의해 건조된다. 건조된 공기 유동은 분리된 공기 유동이 배출되기 전에 질소 및 이산화탄소와 같은 오염 가스가 제거되는 공기 분리(제올라이트) 베드의 흡수성 재료를 통과할 수 있다. 이러한 시스템은 공급 가스를 건조할 수 있지만, 이러한 설계는 가열된 재생 가스의 연속적인 역류 유동을 통해 알루미나 비드의 재생을 요구한다. 따라서, 공급 공기가 반경 방향 베드와 하류위치에서 접촉하기 전에 공급 공기는 재생 가스와 서로 혼합된다. 결과적으로, 공급 가스의 공기 유동으로부터 분리되지 않고 부가적인 오염 가스의 분리가 요구되어, 분리 효율이 감소되고 분리기 작동 수명이 감소된다. 역류(counter-current flow)는 또한 용기 내에 공기 유동 저항을 생성하여 흡수 장치에 추가적인 응력을 유발할 수 있습니다. 가열 된 재생 가스의 구현은 또한 불필요한 양의 에너지 사용을 가져온다. 또한, 용기와 반경 방향 흡수제 베드 사이의 짧은 거리는 잔여 공기 유동의 수분이 흡수성 재료 또는 반경 방향 흡수제 베드와 접촉하지 못할 정도로 충분히 큰 물리적 간격을 제공하지 못한다. 베드 두께는 일반적으로 오염된 가스의 최소 잔류 시간에 의해 결정되기 때문에, 반경 방향 베드 흡수제는 일반적으로 다른 분자 여과기 구성보다 많은 체적의 흡수제를 요구한다. 따라서 상기 시스템은 감소된 크기와 무게가 중요한 설계 변수인 항공 응용 분야에 적합하지 않을 수 있다.
입력 공기 유동 습기를 경감하기 위해 제안된 또 다른 해결책은, 공기 유동이 온보드 산소발생 시스템(OBOGS)유닛으로 들어가기 전에 적어도 하나의 열 교환기를 통해 유입 공기(고온 엔진 블리드 공기)를 냉각시키는 것이었다. 상기 방법에 따르면, 습기를 가진 공기는 냉각되어 물 및/또는 오일 증기가 액체로 응축되어 공기유동으로부터 분리되고 배수될 수 있다. 그러나, 일부 물과 물/기름 증기는 제거될 수 있지만, 공기 유동은 열 교환기에서 유출될 때 계속해서 불필요한 증기로 포화된다. 즉, 냉각 공기가 단지 고온 공기보다 수증기를 적게 유지하기 때문에 공기의 상대 습도는 변하지 않는다. 결과적으로, 물/오일 증기는 여전히 여과기 베드내에서 응축될 수 있고 공기의 공기 분리 효율을 감소시킬 수 있는 분자 여과기속으로 운반된다.
따라서, 온보드 산소발생 시스템(OBOGS)에서 사용하기 위한 공급 공기와 같은 공급 공기로부터 수분을 제거하는 시스템 및 방법이 여전히 필요하다. 또한, 온보드 산소발생 시스템(OBOGS)내에서 분자여과기 베드를 순환시키기 위해 사용되는 밸브에 대해 수분이 없는 공기 유동을 제공할 필요가 있다. 수분이 없는 공기 유동은 산소 센서 교정에도 도움이 될 수 있다. 본 발명은 상기 요구들뿐만 아니라 다른 요구를 만족시킨다.
본 발명은 습기를 가진 유입구 공기를 수용하기 위한 유입구 및 건조한 생성물 가스를 배출하기 위한 배출구를 가진 하우징을 포함한 온보드 산소발생 시스템(OBOGS)을 위한 공기 분리 유닛을 이용하여 상기 요구를 충족시킨다. 상기 하우징은 외측 벽 및 두 개이상의 원형 벽들을 포함하여 하우징내부에 동심구조를 가진 일련의 원형 챔버들을 형성한다. 제1 원형 챔버는 상기 외측벽 및 제1 원형 벽에 의해 형성되며 유입구와 유체적으로 연결되고, 상기 제1 원형 챔버는 상기 습기를 가진 유입구 공기를 수용하고 건조된 공기를 배출하도록 구성된 건조제 재료를 포함한다. 제1 원형 벽 및 제2 원형 벽에 의해 형성되고 제1 통로에 의해 상기 제1 원형 챔버가 충진되지 않은 제2 원형 챔버가 유체적으로 연결된다. 제2 원형 벽 및 제3 원형 벽에 의해 형성되고 제1 단부에서 제2 통로 및 제2 단부에서 배출구를 통해 상기 제2 원형 챔버가 제3 원형 챔버가 유체적으로 연결된다. 상기 제3 원형 챔버는 건조된 공기로부터 불필요한 성분을 선택적으로 제거하고 건조한 생성물 가스를 출력하기 위해 공기 분리 재료를 수용한다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 제3 원형 벽 및 중앙 포스트에 의해 형성되고 제1 단부에서 제3 통로 및 제2 단부에서 배출구를 통해 상기 제3원형 챔버와 유체적으로 연결되는 제4 원형 챔버를 추가로 포함한다. 상기 제4 원형 챔버는 건조된 공기로부터 불필요한 성분을 선택적으로 제거하고 건조한 생성물 가스를 배출하기 위해 공기 분리 재료를 수용하도록 구성된다. 제3 원형 챔버 내부의 공기 분리 재료의 적어도 일부분은 제4 원형 챔버 내부의 공기 분리 재료의 적어도 일부분과 다를 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 공기 분리 유닛은 제2 원형 챔버와 유체적으로 연결된 건조된 공기 탭을 포함하고, 건조된 공기가 제3 원형 챔버속으로 들어가기 전에 건조된 공기의 일부분은 하우징으로부터 제거된다. 상기 공기 분리 재료는 질소가스를 흡착하고 산소 생성물 가스를 배출하도록 선택된 제올라이트를 포함한다. 상기 건조제 재료는 다공성 또는 비 다공성 알루미나 계 입자 재료를 포함하고, 상기 제1 통로는 제1 원형 벽내에 형성된 오리피스를 포함하고, 상기 오리피스는 건조제 재료의 직경보다 작은 직경을 가진다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 온보드 산소발생 시스템(OBOGS)을 위한 공기 분리 시스템은 제1 및 제2 공기 분리 유닛들, 전환가능한 밸브 조립체 및 플리넘을 포함한다. 각각의 공기 분리 유닛이 습기를 가진 유입구 공기를 수용하기 위한 유입구 및 건조한 생성물 가스를 배출하기 위한 배출구를 가진 하우징을 포함한다. 상기 하우징은 외측 벽 및 두 개이상의 원형 벽들을 포함하여 하우징내부에 동심구조를 가진 일련의 원형 챔버들을 형성한다. 제1 원형 챔버는 상기 외측벽 및 제1 원형 벽에 의해 형성되며 유입구와 유체적으로 연결되고, 상기 제1 원형 챔버는 상기 습기를 가진 유입구 공기를 수용하고 건조된 공기를 배출하도록 구성된 건조제 재료를 포함한다. 제1 원형 벽 및 제2 원형 벽에 의해 형성되고 제1 통로에 의해 상기 제1 원형 챔버가 충진되지 않은 제2 원형 챔버가 유체적으로 연결된다. 제2 원형 벽 및 제3 원형 벽에 의해 형성되고 제1 단부에서 제2 통로 및 제2 단부에서 배출구를 통해 상기 제2 원형 챔버가 제3 원형 챔버가 유체적으로 연결된다. 상기 제3 원형 챔버는 건조된 공기로부터 불필요한 성분을 선택적으로 제거하고 건조한 생성물 가스를 출력하기 위해 공기 분리 재료를 수용한다. 상기 하우징은 제2 원형 챔버와 유체적으로 연결된 건조된 공기 탭을 포함하며, 상기 건조된 공기의 일부분이 하우징으로부터 제거된다. 제2 원형 벽 및 제3 원형 벽에 의해 형성되고 제1 단부에서 제2 통로 및 제2 단부에서 배출구를 통해 상기 제2 원형 챔버가 제3 원형 챔버와 유체적으로 연결된다. 상기 제3 원형 챔버는 건조된 공기로부터 불필요한 성분을 선택적으로 제거하고 건조한 생성물 가스를 출력하기 위해 공기 분리 재료를 수용하도록 구성된다. 전환가능한 밸브 조립체가 습기를 가진 유입구 공기를 수용하고 제1 상태에 있을 때 제1 공기 분리 유닛 및 제2 상태에 있을 때 제2 공기 분리 유닛으로 상기 습기를 가진 유입구 공기를 선택적으로 전달하도록 구성될 수 있다. 상기 플리넘은 제1 단부에서 각각의 상기 제1 및 제2 공기 분리 유닛들의 건조된 공기 탭 및 제2 단부에서 상기 전환가능한 밸브 조립체와 유체적으로 연결된다. 상기 플리넘은 상기 선택된 제1 또는 제2 공기 분리 유닛으로부터 건조된 공기의 일부분을 수용하고 습기를 가진 유입구 공기를 수용하는 선택된 공기 분리 유닛으로부터 출력되는 건조한 생성물 가스의 순도의 함수로서 상기 제1 상태 및 제2 상태사이에서 상기 전환가능한 밸브 조립체를 선택적으로 순환시킨다.
본 발명의 또 다른 특징에 의하면, 공기 분리 시스템은 상기 플리넘과 작동가능하게 연결된 제어 유닛을 추가로 포함하고, 상기 플리넘은 상기 제어 유닛으로부터 제어 신호를 수신할 때 제1 상태 및 제2 상태사이에서 상기 전환가능한 밸브 조립체를 선택적으로 순환시킨다. 출력 가스 센서가 각각의 제1 및 제2 공기 분리 유닛들의 배출구로부터 하류 위치에 배열될 수 있고 건조한 가스 생성물의 순도를 측정하도록 구성될 수 있다. 측정된 순도가 임계 한계 아래로 떨어질 때 상기 제어 유닛은 플리넘으로 제어신호를 보낼 수 있다.
본 발명의 다른 목적, 장점 및 신규한 특징들이 하기 상세한 설명에서 부분적으로 공개되고 본 발명을 실시하는 동안 첨부된 도면들을 고려하여 당업자들에게 이해된다.
도 1은 공기 분리 유닛의 내부 부품들을 나타내기 위해 도시하지 않은 외벽을 가지며 본 발명의 특징을 따르는 공기 분리 유닛을 도시하는 사시도.
도 2는 도 1에 도시되고 일반적으로 선 2-2을 따르는 공기 분리 유닛을 도시한 횡단면도.
도 3은 본 발명의 특징을 따르는 선택적인 공기 분리 유닛을 도시한 횡단면도.
도 4는 본 발명의 특징을 따르는 공기 분리 유닛을 도시한 블록선도.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 특징을 따르는 온보드 산소발생 시스템(OBOGS)이 도시된다. 공기 분리 유닛(10)은 항공기(도시되지 않음) 내에 설치될 수 있고 공기 압축기로부터 압축 공기 또는 항공기의 엔진(들)으로부터 배출된 고압 블리드 공기와 같은 공기 공급원에 의해 제공되는 유입구 공기 내에서 개별 가스 성분(예를 들어, 산소 및 질소)를 분리할 수 있다. 공기 분리 유닛(10)은 호흡 가능한 공기를 하류의 특정 영역(예를 들어, 조종실 및/또는 캐빈) 및/또는 예를 들어, 약 95% 체적산소일 수 있는 농후 산소 농도를 가진 항공기의 직원들(예를 들어, 조종사, 승객 및/또는 승무원)에게 전달하기 위해 유입구 공기를 분리할 수 있다.
공기 분리 유닛(10)은 일반적으로 외부 측벽(14), 상부 플레이트(16) 및 하부 플레이트(18)를 갖는 하우징(12)을 포함하는 베드 유닛(11)을 포함한다. 하우징(12)의 구속체내에 일련의 동심 원형 챔버(20,22,24,26)들이 형성된다. 제1원형 벽(21)이 외부 측벽(14) 및 제1 원형 벽(21)사이에서 제1 원형 챔버(20)를 형성하고, 제2원형 벽(23)이 제1 원형 벽(21) 및 제2 원형 벽(23)사이에서 제2 원형 챔버(22)를 형성하며, 제3원형 벽(25)이 제2 원형 벽(23) 및 제3 원형 벽(25)사이에서 제3 원형 챔버(24)를 형성하고, 중심 포스트(27)가 제3 원형 벽(25) 및 중심 포스트(27)사이에서 제4 원형 챔버(24)를 형성한다. 도 2는 종 방향 축(X-X)에 대해 좌측에 위치하고 재료 내용물을 포함한 원형 챔버(20,22,24,26)를 가진 하우징(12)의 단면을 도시하고, 종 방향 축(X-X)에 대해 우측에 위치한 동일한 원형 챔버들은 용이한 설명을 위해 재료 내용을 가지지 않는 것으로 도시된다.
도 1 및 도 2에 도시된 것처럼, 유입구(28)는(도면에 도시되지 않은)공기 공급원으로부터 제1원형 챔버(20)로 유입구 공기(30)를 향하도록 구성된다. 제1 원형 챔버(20)는 액상 물로 한정되지 않지만 수증기 또는 오일 또는 연료와 같은 화학적 증기와 같은 유입구 공기(30)속의 특정 오염물을 흡수하도록 선택된 건조제 재료(32)로 충진되도록 구성된다. 적합한 건조제 재료(32)의 비제한적인 예는, 예를 들어 직경이 약 5mm 내지 약 12mm인 다공성 또는 비 다공성 알루미나 계 미립자 또는 구형체일 수 있다. 따라서, 예를 들어, 유입구(28)를 통해 제1 원형 챔버(20)속으로 들어간 후에, 유입구 공기(30)는 건조제 재료(32)을 통해 유동할 수 있고, 건조된 공기(34)가 제1 원형 챔버(20)로부터 제1 원형 벽(21) 내에 형성된 제1 통로(36)를 경유하여 제1 원형 챔버(22)속으로 유동하기 전에 유입구 공기(30) 내의 액상 및 물/화학 증기가 유입구 공기(30)로부터 실질적으로 제거된다. 제1 통로(36)는 제1 원형 벽(21) 내에서 하나 이상의 오리피스에 의해 형성될 수 있고, 건조제 재료가 제1 원형 챔버(20)를 탈출하여 제2 원형 챔버(22)로 들어가는 것을 방지하도록 각각의 오리피스는 제1 원형 챔버(20) 내의 건조제 재료(32)의 직경보다 작은 직경을 갖는다. 본 명세서에서 "건조된 공기"는 실질적으로 수분이 없고 약 5퍼센트(5%) 미만의 상대 습도를 가지는 공기를 나타낸다.
제2 원형 챔버(22)는 제3 원형 챔버(24) 내부의 공기 분리 재료(40)(예를 들어, 제올라이트)로부터 제1 원형 챔버(20) 내부의 건조제 재료(32)를 분리하는 간격을 제공하도록 구성된 개방(충진되지 않은) 통로(38)를 형성한다. 하우징(12)은 제2 원형 챔버(22)의 방출 단부(48)와 연결된 건조 공기 탭(tap)(42)을 포함하고, 하기 설명과 같이 제3 원형 챔버(24) 및 제4 원형 챔버(26)속의 건조 공기(34)의 기체 성분을 분리하기 전에 시스템 사용자(예를 들어, 항공기 승무원)는 하우징(12)으로부터 건조 공기(44)를 빼낼 수 있다. 다음에, 하기 설명에서 상세하게 설명되는 것처럼 온보드 산소발생 시스템의 성능을 감시하기 위해 상기 시스템내에 포함될 수 있는 시스템 밸브를 작동시키고 산소 센서(46)를 교정하기 위해 상기 건조 공기(44)가 이용될 수 있다.
제2 원형 챔버(22)의 배출 단부(48)에 제2 통로(50)가 위치하여 건조된 공기(34)가 제 3 원형 챔버(24)속으로 통과할 수 있다. 제3 원형 챔버(24)는 분자 여과기 재료(40)(이에 제한되는 것은 아니지만, 제올라이트 미립자 등)을 수용하도록 구성되어 채워진 여과기 베드(packed sieve bed)(54)를 형성한다. 본 발명의 특징에 따르면, 채워진 여과기 베드(54)는 건조된 공기(34)의 공기 유동으로부터 질소 가스를 선택적으로 흡착하여 산소 농후 공기(OEA)(56)를 배출하는 제올라이트 재료로 채워진다.
공기 분리 유닛(10)내에서 질소 흡착을 증가시키고 상대적으로 긴 유동 경로를 형성하기 위해 제3 통로(58)는 제3 원형 챔버(24)와 제4 원형 챔버(26) 사이에 배치되어 유체 연통을 제공할 수 있다. 상기 제3 원형 챔버(24)와 유사하게, 제 4 원형 챔버(26)는 일반적으로 채워진 여과기 베드(60)를 형성하기 위해 분자 여과기 재료(52)를 수용한다. 채워진 여과기 베드(60)는 제3 원형 챔버(24)로부터 수용된 OEA(56)의 잔류 질소 가스를 제거하여 배출구(64)를 통해 실질적으로 순수한(예를 들어, >95%) 산소 생성물 가스(62)를 배출한다. 배출구(64)에서 배출되어야 하는 목표 생성물 가스 및 유입구 가스 성분에 따라 제4 원형 챔버(26)는 제3 원형 챔버(24)와 다른 분자 여과기 재료로 채워질 수 있다는 것을 당업자는 이해할 것이다.
도 3 및 도 4를 참고할 때, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 온보드 산소발생 시스템(OBOGS)의 공기 분리 유닛(10')은 일반적으로 하우징(12')을 포함할 수 있고 상기 하우징은 서로 인접하게 배열된 한 쌍의 각각의 베드 유닛(13a/13b)을 포함하도록 구성된다. 각각의 베드 유닛(13a,13b)은 공기 분리 유닛(10)에 관하여 상기 설명에서 설명된 하우징(12) 및 일련의 관련된 원형 챔버(20, 22, 24,26)와 유사한 동심구조를 가진 일련의 원형 챔버(20a/20b, 22a/22b, 24a/24b, 26a/26b)를 형성한다. 상기 설명과 같이, 제1 원형 챔버(20/20b)는 실질적으로 건조제 재료(32)로 채워질 수 있고, 제2 원형 챔버(22a/22b)는 각각의 제1 원형 챔버(20a/20b) 및 각각의 제3 원형 챔버(24a/24b)사이에서 간격을 제공하도록 구성된 각각의 개방 통로(38a/38b)를 형성할 수 있다. 제3 원형 챔버(24a/24b)는 각각의 채워진 여과기 베드(54a/54b)를 형성하도록 분자 여과기 재료(40)를 수용 할 수 있고, 제4 원형 챔버(26a/26b)는 각각의 채워진 여과기 베드(60a/60b)를 형성하도록 분자 여과기 재료(52)를 수용할 수 있다. 각각의 베드 유닛(13a/13b)은 또한 분리되지 않은 건조 공기(44)를 빼내기 위한 각각의 건조된 공기 탭(tap)(42a/42b) 및 OEA 생성물 가스(62)를 하류 위치(예를 들어, 항공기 조종실, 또는 선발 승무원(예를 들어, 조종사))에게 전달하기 위한 각각의 배출구(64a/64b)를 포함할 수 있다.
도 4에 개략적으로 도시된 온보드 산소발생 시스템(80)은 본 발명의 다른 특징을 따른 공기 분리 유닛(10')을 포함할 수 있다. 공기 분리 유닛(10')은 유입구 공기(30)의 입력을 베드 유닛(13a) 또는 베드 유닛(13b)으로 선택적으로 순환시킬 수 있는 슬라이드 밸브(82)와 같은 전환 가능한 밸브 조립체에 결합될 수 있다. 예를 들어, 베드 유닛(13a)은 유입구 공기(30)로 채워져 OEA 생성물 가스(62)를 배출하고, 베드 유닛(13b)은 감압되어 질소 가스를 제거(desorb)하고 여과기 베드(54b, 60b)를 재생하며 계속되는 분리 사이클을 준비하기 위해 건조제 재료(32)을 건조시킨다.
상기 예와 관련하여 도 4에 추가로 도시된 것처럼, 분리되지 않은 건조 공기(44)는 이중 체크 밸브 조립체(86)의 작동을 통해 건조된 공기 탭(42a)으로부터 플리넘(plenum)(84)으로 향하게 된다. 배출 OEA 생성물 가스(62)의 백분율 산소는 예를 들어, 온보드 산소발생 시스템(OBOGS)(80)(도 4 참조)과 통신하는 산소 센서(46)에 의해 감시될 수 있다. 베드 유닛(13a)에 의해 생성되는 산소 생성물 가스(62)가 미리 정해진 백분율 산소 임계치 아래로 떨어지면, 플리넘(84)이 제어 유닛(47)에 의해 촉발되어 슬라이드 밸브(82)를 작동시키도록 구성된 건조된 공기의 펄스를 방출한다. 여과기 베드(54a,60a)속의 질소를 제거하고 제1 원형 챔버(20a)내에서 건조제 재료(32)을 제거하도록 현재 오염된(corrupted) 베드 유닛(13a)은 감압되는 동안, 슬라이드 밸브(83)의 작동은 유입구 공기(30)를 재생된 베드 유닛(13b) 속으로 향하게 한다. 이렇게 하여, 베드 유닛(13a,13b)들 중 하나가 감압된 상태를 가질 때 다른 하나는 유입구 공기(30)로 충진되어 질소 가스를 선택적으로 제거하고 실질적으로 순수한(예를 들어, > 95%) 산소 생성물 가스(62)를 배출하여, 제올라이트로부터 질소를 제거하며 여과기 베드54(a 또는 b), 60(a 또는 b)내에서 제올라이트 활성 위치를 재생하고 제1 원형 챔버(20a/20b) 내에서 건조제 재료(32)을 건조시킨다. 알 수 있는 것처럼, 유입구 공기(30)의 유입은 슬라이드 밸브(82) 및 베드 유닛(13a 및 13b) 사이에서 순환될 수 있고, 결과적으로 실질적으로 순수한 산소 생성물 기체의 거의 일정한 출력이 달성될 수 있다. 본 발명의 특징에 따르면, 슬라이드 밸브(82)를 구동하기 위해 분리되지 않은 건조 공기(44)의 일부를 추출하는 것은 당업계에 공지된 것처럼, 습한 유입구 공기를 사용하는 슬라이드 밸브의 작동과 비교할 때, 슬라이드 밸브의 작동 수명을 연장시킬 수 있다.
채워진 여과기 베드(54/54a/54b, 60/60a/60b)가 OEA를 발생시키기 위해 질소를 선택적으로 흡착하는 것으로 설명되었지만, 공기 분리 유닛(10,10')은 공기 유동으로부터 질소 이외의 가스를 분리하도록 선택된 분자 여과기재료를 포함하는 충전 여과기 베드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 공기 분리 유닛(10,10')은 공기 유동으로부터 산소 가스를 흡착하도록 선택된 분자 여과기 재료를 포함하여 연료 탱크의 불활성화 및 다른 유사한 적용을 위한 질소 농후 공기(NEA)의 배출 가스를 생성할 수 있다. 또한, 공기 분리 유닛(10')은 단일의 일체형 유닛으로 도시되고 설명되었지만, 2개의- 베드 시스템은 당 업계에 공지된 적절한 배관 및 제어 경로를 통해 서로 근접하게 배열된 2개의 개별 공기 분리 유닛(10)들을 사용할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상기 설명은 예시 및 설명을 위해 제공되었다. 상기 설명은 완전한 것도 아니고 본 발명을 개시된 정밀한 형태로 제한하려는 것도 아니다. 개시된 실시예가 상기 공개 내용을 고려하여 수정될 수 있다는 것을 당업자들이 이해한다. 설명된 실시 예들은 당업자가 다양한 실시 예들에서 그리고 의도한 특정 용도에 적합한 다양한 수정예들로 본 발명을 이용할 수 있도록 본 발명의 원리 및 그 실제적인 응용을 제공하기 위해 선택된다. 따라서, 상기 설명은 제한하는 것이 아니라 예시적인 것으로 고려되어야 하며, 본 발명의 진정한 범위가 하기 청구범위에 기재된다.
10......공기 분리 유닛,
14......외부 측벽,
16......상부 플레이트,
18......하부 플레이트,
12......하우징,
11......베드 유닛,
20,22,24,26......원형 챔버,
21......제1원형 벽,
23......제2원형 벽(23),
25......제3 원형 벽,
24......제4 원형 챔버.

Claims (11)

  1. 습기를 가진 유입구 공기(30)를 수용하기 위한 유입구(28) 및 건조한 생성물 가스(62)를 배출하기 위한 배출구(64)를 가진 하우징(12)을 포함한 온보드 산소발생 시스템(OBOGS)을 위한 공기 분리 유닛(10)으로서, 상기 하우징(12)은 외측 벽(14) 및 제1, 제2 및 제3 원형 벽(21,23,25)들을 포함하여 하우징(12) 내부에 동심구조를 가진 일련의 원형 챔버(20,22,24)들을 형성하고,
    a. 제1 원형 챔버(20)는 상기 외측벽(14) 및 제1 원형 벽(21)에 의해 형성되며 유입구(28)와 유체적으로 연결되고, 상기 제1 원형 챔버(20)는 상기 습기를 가진 유입구 공기(30)를 수용하고 건조된 공기(34)를 배출하도록 구성된 건조제 재료(32)를 포함하며,
    b. 제1 원형 벽 (21) 및 제2 원형 벽(23)에 의해 형성되고 제1 통로(36)에 의해 상기 제1 원형 챔버(20)와 유체적으로 연결되는 충진되지 않은 제2 원형 챔버(22)를 포함하고,
    c. 제2 원형 벽(23) 및 제3 원형 벽(25)에 의해 형성되고 제1 단부에서 제2 통로(48) 및 제2 단부에서 배출구를 통해 상기 제2 원형 챔버(22)와 유체적으로 연결되는 제3 원형 챔버(24)를 포함하며, 상기 제3 원형 챔버(24)는 건조된 공기로부터 불필요한 성분을 선택적으로 제거하고 건조한 생성물 가스(56)를 출력하기 위해 공기 분리 재료(54)를 수용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 공기 분리 유닛.
  2. 제1항에 있어서, 제3 원형 벽(25) 및 중앙 포스트에 의해 형성되고 제1 단부에서 제3 통로 및 제2 단부에서 배출구를 통해 상기 제3원형 챔버(24)와 유체적으로 연결되는 제4 원형 챔버(26)를 추가로 포함하고, 상기 제4 원형 챔버(26)는 건조된 공기(62)로부터 불필요한 성분을 선택적으로 제거하고 건조한 생성물 가스(64)를 배출하기 위해 공기 분리 재료(52)를 수용하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 공기 분리 유닛.
  3. 제2항에 있어서, 제3 원형 챔버 내부(24)의 공기 분리 재료(54)의 적어도 일부분은 제4 원형 챔버(26) 내부의 공기 분리 재료(52)의 적어도 일부분과 다른 것을 특징으로 하는 공기 분리 유닛.
  4. 제1항에 있어서, 하우징(12)은 제2 원형 챔버(22)와 유체적으로 연결된 건조된 공기 탭(42)을 추가로 포함하고, 건조된 공기(44)가 제3 원형 챔버(24) 속으로 들어가기 전에 건조된 공기(44)의 일부분은 하우징(12)으로부터 제거되는 것을 특징으로 하는 공기 분리 유닛.
  5. 제1항에 있어서, 상기 공기 분리 재료(54)는 제올라이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 분리 유닛.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제올라이트는 질소가스를 흡착하고 산소 생성물 가스를 배출하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 공기 분리 유닛.
  7. 제1항에 있어서, 상기 건조제 재료(32)는 다공성 또는 비 다공성 알루미나 계 입자 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 공기 분리 유닛.
  8. 제1항에 있어서, 상기 제1 통로(36)는 제1 원형 벽(21)내에 형성된 오리피스를 포함하고, 상기 오리피스는 건조제 재료(32)의 직경보다 작은 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 공기 분리 유닛.
  9. 온보드 산소발생 시스템(OBOGS)을 위한 공기 분리 시스템으로서,
    a. 제1 및 제2 공기 분리 유닛들을 포함하고, 각각의 공기 분리 유닛은 습기를 가진 유입구 공기를 수용하기 위한 유입구 및 건조한 생성물 가스를 배출하기 위한 배출구를 가진 하우징을 포함하고, 상기 하우징은 외측 벽 및 제1, 제2 및 제3 원형 벽들을 포함하여 하우징내부에 동심구조를 가진 일련의 원형 챔버들을 형성하고,
    i. 제1 원형 챔버는 상기 외측벽 및 제1 원형 벽에 의해 형성되며 유입구와 유체적으로 연결되고, 상기 제1 원형 챔버는 상기 습기를 가진 유입구 공기를 수용하고 건조된 공기를 배출하도록 구성된 건조제 재료를 포함하며,
    ii. 제1 원형 벽 및 제2 원형 벽에 의해 형성되고 제1 통로에 의해 상기 제1 원형 챔버와 유체적으로 연결되는 충진되지 않은 제2 원형 챔버를 포함하고, 상기 하우징은 제2 원형 챔버와 유체적으로 연결된 건조된 공기 탭을 포함하며, 상기 건조된 공기의 일부분이 하우징으로부터 제거되고,
    iii. 제2 원형 벽 및 제3 원형 벽에 의해 형성되고 제1 단부에서 제2 통로 및 제2 단부에서 배출구를 통해 상기 제2 원형 챔버와 유체적으로 연결되는 제3 원형 챔버를 포함하며, 상기 제3 원형 챔버는 건조된 공기로부터 불필요한 성분을 선택적으로 제거하고 건조한 생성물 가스를 출력하기 위해 공기 분리 재료를 수용하도록 구성되고,
    b. 습기를 가진 유입구 공기를 수용하고 제1 상태에 있을 때 제1 공기 분리 유닛 및 제2 상태에 있을 때 제2 공기 분리 유닛으로 상기 습기를 가진 유입구 공기를 선택적으로 전달하도록 구성된 전환가능한 밸브 조립체를 포함하며,
    c. 제1 단부에서 각각의 상기 제1 및 제2 공기 분리 유닛들의 건조된 공기 탭 및 제2 단부에서 상기 전환가능한 밸브 조립체와 유체적으로 연결된 플리넘을 포함하고, 상기 플리넘은 상기 선택된 제1 또는 제2 공기 분리 유닛으로부터 건조된 공기의 일부분을 수용하고 습기를 가진 유입구 공기를 수용하는 선택된 공기 분리 유닛으로부터 출력되는 건조한 생성물 가스의 순도의 함수로서 상기 제1 상태 및 제2 상태사이에서 상기 전환가능한 밸브 조립체를 선택적으로 순환시키는 것을 특징으로 하는 공기 분리 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    d. 상기 플리넘과 작동가능하게 연결된 제어 유닛을 추가로 포함하고, 상기 플리넘은 상기 제어 유닛으로부터 제어 신호를 수신할 때 제1 상태 및 제2 상태사이에서 상기 전환가능한 밸브 조립체를 선택적으로 순환시키는 것을 특징으로 하는 공기 분리 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    e. 각각의 제1 및 제2 공기 분리 유닛들의 배출구로부터 하류 위치에 배열되고 건조한 가스 생성물의 순도를 측정하도록 구성된 출력 가스 센서를 추가로 포함하고, 측정된 순도가 임계 한계 아래로 떨어질 때 상기 제어 유닛은 플리넘으로 제어신호를 보내는 것을 특징으로 하는 공기 분리 시스템.
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