KR102607312B1 - 실외배치형 산소 발생기를 포함하는 산소 발생 시스템을이용한 실내 공간 내 산소공급 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법은 실외공기로부터 질소를 흡착하여 산소를 생성하도록 설계된 산소 발생기를 포함하는 산소 발생 시스템을 이용하여 수행되는 것으로써 실외공기의 조건에 따라 선택적으로 VOCs를 제거하고 습도를 조절할 수 있도록 설계하여 실내로 공급되는 산소의 유량을 극대화할 수 있는 이점이 있다.
Description
본 발명은 실외배치형 산소 발생기를 포함하는 산소 발생 시스템을 이용한 실내 공간 내 산소공급 방법에 대한 것이다.
구체적으로, 본 발명은 실외공기로부터 질소를 흡착하여 산소를 생성하도록 설계된 산소 발생기를 포함하는 산소 발생 시스템을 이용하여 실내 공간으로 산소를 공급하는 방법으로, 실외공기의 조건에 따라 선택적으로 VOCs를 제거하고 습도를 조절할 수 있도록 설계하여 실내로 공급되는 산소의 유량을 극대화할 수 있는 산소공급 방법에 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.
한편, RVSA 방식의 산소 발생 장치는 산소를 생성하는 산소 발생기와 산소가 토출되는 노즐이 모두 실내에 배치되는 실내형 타입과 산소를 생성하는 산소 발생기는 외부에 존재하고 이로부터 생성된 산소를 별도의 토출 라인을 통해 실내로 공급하는 실외형 타입이 존재하는데, 실외형 타입의 경우, 실외공기 속에 잔존 하는 각종 유해물질, 예를 들어 NOx, SOx나 기타 휘발성 유기화합물(VOCs)을 제거하는 구성을 필수적으로 도입하여야 하고 또한 계절별 실외공기의 습도 차이가 극명한바 실외공기의 습도를 일정 수준 이하로 유지할 수 있도록 하는 구성을 필수적으로 도입하여야 한다.
이러한 관점에서, 기존의 실외형 산소 발생 장치는 VOCs 및 수분을 제거할 수 있는 필터를 장치 내에 고정 배치하고 실외공기가 해당 필터를 필수적으로 통과하게끔 설계하는 것이 일반적인데, 이러한 설계에서는 필터의 한계 부하 때문에 토출 산소의 유량에 제약이 있고 소음이 증대되는 등 여러 문제점이 수반된다.
따라서, VOCs 및 수분을 안정적으로 제거 및 조절하면서 소음을 최소화할 수 있고 토출 산소의 유량 제약 문제를 개선할 수 있는 실외형 산소 발생 장치 및 이를 포함하는 산소 발생 시스템과 이를 이용한 실내 공간 산소공급 방법에 대한 개발이 필요한 실정이다.
본 발명은 실외공기로부터 VOCs를 효과적으로 제거하고 습도를 안정적으로 조절한 후 질소를 흡착함으로써 실내 공간으로 많은 유량의 산소를 공급할 수 있는 산소공급 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, VOCs 농도 및 습도를 선택적으로 조절함과 동시에 실외공기 유입 부하 문제를 해결하여 소음을 줄이면서 실내로 공급되는 산소 유량을 증대시킬 수 있는 실내 공간 내 산소공급 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 실외배치형 산소 발생기에 VOCs 농도 및 습도를 측정하는 센서부를 이중 배치함으로써 VOCs 농도 및 습도가 기설정 값을 초과한 상태로 질소 탈착이 이루어지는 것을 원천차단할 수 있는 산소 발생 시스템을 이용한 실내 공간 내 산소공급 방법을 제공한다.
본 발명은 또한, VOCs 농도 및 습도의 제거가 원활하게 이루어지지 않는 경우 실외공기 유입을 중단하여 공회전에 따른 전력 손실을 방지할 수 있는 실내 공간 내 산소공급 방법을 제공한다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로써, 실외에 고정 배치되어 실외공기로부터 질소를 흡착하여 산소를 생성한 후 실내로 공급하도록 설계되고 실외공기의 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 분기된 실외공기의 흐름을 안내하는 제 1 내지 제 4 분기 라인을 포함하는 실외배치형 산소 발생기; 상기 산소 발생기로부터 생성된 산소가 실내로 공급되도록 안내하는 산소공급 라인; 및 상기 산소공급 라인의 끝단에 위치하여 산소를 실내 공간으로 공급하도록 설계된 실내배치형 산소 분사기;를 포함하는 산소 발생 시스템을 이용한 실내 공간 내 산소공급 방법으로서, 실외공기의 VOCs 농도 및 습도를 측정하는 단계; 실외공기의 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 실외공기를 상기 제 1 내지 제 4 분기 라인 중 어느 한 라인으로 분기하는 단계; 상기 제 1 분기 라인으로 분기된 실외공기에 대해 VOCs 제거 및 습도조절을 수행하거나, 상기 제 2 분기 라인으로 분기된 실외공기에 대해 습도조절을 수행하거나, 또는 상기 제 3 분기 라인으로 분기된 실외공기에 대해 VOCs 제거를 수행하는 선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계; 상기 제 1 및 2 분기 라인 중 어느 한 라인으로 분기된 실외공기를 상대적으로 용량이 작은 질소흡착 베드에 통과시켜 질소를 흡착함으로써 산소를 생성하거나, 또는 상기 제 3 및 4 분기 라인 중 어느 한 라인으로 분기된 실외공기를 상대적으로 용량이 큰 질소흡착 베드에 통과시켜 질소를 흡착함으로써 산소를 생성하는 단계; 및 생성된 산소를 상기 산소공급 라인을 매개로 실내로 안내한 후 상기 산소 분사기를 통해 실내 공간으로 공급하는 단계;를 포함하는 실내 공간 내 산소공급 방법에 대한 것이다.
하나의 예시에서, 상기 실외배치형 산소 발생기는 실외공기의 VOCs 농도를 측정하는 VOCs 센서 및 습도를 측정하는 습도 센서를 포함하는 제 1 센서부; 상기 제 1 센서부에서 측정된 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 유입된 실외공기를 분기하는 실외공기 분기 밸브; 상기 실외공기 분기 밸브를 통해 분기된 실외공기로서 상기 VOCs 센서에 의해 측정된 VOCs 농도가 기설정 값을 초과함에 따라 유입되는 실외공기의 VOCs를 제거하기 위해 설치되고, Si/Al의 몰비가 50 내지 90의 범위 내에 있는 탈알루미늄화된 Y 제올라이트를 포함하는 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드; 상기 실외공기 분기 밸브를 통해 분기된 실외공기로서 상기 습도 센서에 의해 측정된 습도가 기설정 값을 초과함에 따라 유입되는 실외공기의 습도를 제거하기 위해 설치되고, Si/Al의 몰비가 1.1 내지 1.5의 범위 내에 있는 파우지사이트 구조의 NaX 제올라이트를 포함하는 습도조절용 친수성 흡착 베드; 상기 실외공기 분기 밸브를 통해 분기되는 실외공기가 상기 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드 및 습도조절용 친수성 흡착 베드를 순차 통과하도록 유도하는 제 1 분기 라인; 상기 실외공기 분기 밸브를 통해 분기되는 실외공기가 상기 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드를 우회하고 상기 습도조절용 친수성 흡착 베드만 통과하도록 유도하는 제 2 분기 라인; 상기 실외공기 분기 밸브를 통해 분기되는 실외공기가 상기 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드만 통과하고 상기 습도조절용 친수성 흡착 베드를 우회하도록 유도하는 제 3 분기 라인; 상기 실외공기 분기 밸브를 통해 분기되는 실외공기가 질소를 흡착하는 흡착 베드로 직행하도록 유도하는 제 4 분기 라인; 상기 제 1 및 제 2 분기 라인을 통해 분기되는 실외공기 중 질소를 선택적으로 흡착하여 산소를 생성하는 제 1 질소흡착 베드; 상기 제 3 및 4 분기 라인을 통해 분기되는 실외공기 중 질소를 선택적으로 흡착하여 산소를 생성하는 제 2 질소흡착 베드로서 상기 제 1 질소흡착 베드 대비 상대적으로 큰 용량을 가지는 제 2 질소흡착 베드; 상기 제 1 및 제 2 질소흡착 베드로부터 생성되는 산소를 실내 공간으로 토출하는 산소 토출부 및 상기 제 1 및 제 2 질소흡착 베드로부터 탈착되는 질소를 실외로 토출하는 질소 토출부를 포함하는 에어 컴프레서; 상기 에어 컴프레서의 산소 토출부로부터 토출되는 산소를 질소탈착용 산소와 실내공급용 산소로 분기하도록 설계된 산소 유량 분기 밸브; 상기 질소탈착용 산소가 상기 제 1 및 제 2 질소흡착 베드 중 어느 하나에만 제공되도록 상기 질소탈착용 산소의 흐름을 제어하는 산소 흐름 제어 밸브; 및 상기 제 1 센서부에서 측정된 실외공기의 VOCs 농도 및 습도에 따라 상기 제 1 내지 4 분기 라인 중 어느 한 라인으로 실외공기를 분기시키도록 상기 실외공기 분기 밸브의 동작을 제어하는 프로세서;를 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드는 Si/Al의 몰비가 70 내지 90의 범위 내에 있는 탈알루미늄화된 Y 제올라이트를 포함할 수 있고, 상기 습도조절용 친수성 흡착 베드는 미세기공의 크기가 0.6 내지 0.9nm의 범위 내에 있고 미세기공의 비표면적이 500 내지 800m2/g의 범위 내에 있는 파우지사이트 구조의 NaX 제올라이트를 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 질소흡착 베드 및 2 흡착 베드는 각각 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 멤브레인;을 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 2 질소흡착 베드는 상기 제 1 질소흡착 베드 대비 110 내지 150%의 용량을 가질 수 있다.
본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법은 또한, 상기 제 1 내지 제 3 분기 라인 중 어느 한 라인으로 분기되는 실외공기의 VOCs 농도 및 습도를 질소흡착 베드에 통과시키기 전에 재측정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법은 또한, 재측정된 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 상기 선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계가 재수행될 수 있도록 실외공기의 순환을 유도하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법은 또한, 상기 실외공기의 순환을 유도하는 단계에 따라 순환되는 실외공기의 순환수를 연산하여 상기 순환수가 기설정 값을 초과하는 경우 실외공기 유입을 차단하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법을 따르면, VOCs가 효과적으로 제거되고 습도가 안정적으로 조절된 고순도 산소를 높은 유량으로 실내 공간으로 제공할 수 있다.
본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법을 따르면, 실외공기로부터 VOCs 농도 및 습도를 선택적으로 조절함과 동시에 실외공기 유입 부하 문제를 해결하여 실외배치형 산소 발생기에 의해 야기되는 소음을 줄이고 실내로 공급되는 산소 유량을 증대시킬 수 있다.
본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법을 따르면, 실외공기의 VOCs 농도 및 습도가 기설정 값을 초과한 상태로 질소 탈착이 이루어지는 것을 원천차단함으로써 실내 공간으로 유입되는 산소 내 VOCs가 잔존 하는 것을 사전에 방지할 수 있고 습도를 목적 범위 내로 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법을 따르면, VOCs 농도 및 습도의 제거가 원활하게 이루어지지 않는 경우 실외공기 유입을 중단하여 공회전에 따른 전력 손실을 방지할 수 있다.
물론, 본 발명의 효과가 상기 언급한 범위 내로 제한되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법에 대한 일 블록 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법을 구현하는 산소 발생 시스템에 대한 일 구성 블록도이다.
도 3, 7 및 8은 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법을 구현하는 실외배치형 산소 발생기의 일 구성 블록도이다.
도 3 및 5는 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법을 구현하는 실외배치형 산소 발생기 내 제 1 및 제 2 질소흡착 베드로 각각 유입되는 실외공기의 흐름과 이와 연관된 선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계 및 산소를 생성하는 단계를 보다 구체적으로 설명하기 위한 일 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법을 구현하는 실외배치형 산소 발생기에 포함되는 제 1 질소흡착 베드 및 2 흡착 베드의 상세 구성을 설명하기 위한 일 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법을 구현하는 산소 발생 시스템에 대한 일 구성 블록도이다.
도 3, 7 및 8은 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법을 구현하는 실외배치형 산소 발생기의 일 구성 블록도이다.
도 3 및 5는 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법을 구현하는 실외배치형 산소 발생기 내 제 1 및 제 2 질소흡착 베드로 각각 유입되는 실외공기의 흐름과 이와 연관된 선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계 및 산소를 생성하는 단계를 보다 구체적으로 설명하기 위한 일 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법을 구현하는 실외배치형 산소 발생기에 포함되는 제 1 질소흡착 베드 및 2 흡착 베드의 상세 구성을 설명하기 위한 일 도면이다.
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 한정되지는 않는다. 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 “VOCs”는 대기 중으로 휘발되어 악취를 유발하고 광화학반응에 의해 오존을 발생시키며, 2차 미세먼지의 원인물질이 되는 탄화수소화합물을 의미하는 것으로서 벤젠이나 포름알데히드, 톨루엔, 자일렌, 에틸렌, 스틸렌, 아세트알데히드 등의 휘발성 유기 화합물을 의미한다.
본 발명은 실내 공간 내 산소공급 방법에 대한 것이다. 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법은 RVSA 방식의 산소 발생기로서 실외에 고정 배치되어 실외공기로부터 질소를 흡착하여 산소를 생성한 후 실내로 공급하도록 설계되고 실외공기의 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 분기된 실외공기의 흐름을 안내하는 제 1 내지 제 4 분기 라인을 포함하는 실외배치형 산소 발생기를 필수 구성으로 포함하는 산소 발생 시스템을 통해 구현된다.
구체적으로, 본 발명은 실외공기의 VOCs 농도 및 습도에 따라 선택적으로 VOCs를 제거하고 습도를 조절하도록 하는 방식을 채택함으로써 기존 고정 배치된 필터를 통한 VOCs 제거 및 습도조절 방식 대비 소음을 경감 하고 토출 산소 유량을 증대시키는 것을 일 기술적 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 실외공기의 습도조절 여부와 그에 따른 실외공기의 분기 라인 차이에 따라 서로 다른 용량을 가지는 질소흡착 베드에 통과시키는 방식을 채택함으로써 질소흡착 베드의 잉여 부하를 경감시키는 것을 또 다른 기술적 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 실외공기의 VOCs 농도 및 습도를 재측정하고, 재측정된 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 상기 선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계가 재수행될 수 있도록 실외공기의 순환을 유도하는 단게를 도입함으로써, VOCs 농도 및 습도가 기설정 값을 초과한 상태로 질소 탈착이 이루어지는 것을 원천차단하는 것을 또 다른 기술적 특징으로 한다.
본 발명은 또한, 공회전에 따른 전력 손실을 방지할 수 있도록 순환수를 연산함으로써 VOCs 농도 및 습도의 제거가 원활하게 이루어지지 않는 경우 실외공기 유입을 차단하는 것을 또 다른 기술적 특징으로 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법에 대해 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법에 대한 일 블록 순서도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법은 실외공기의 VOCs 농도 및 습도를 측정하는 단계(S1); 실외공기의 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 실외공기를 제 1 내지 제 4 분기 라인 중 어느 한 라인으로 분기하는 단계(S2); 상기 제 1 분기 라인으로 분기된 실외공기에 대해 VOCs 제거 및 습도조절을 수행하거나, 상기 제 2 분기 라인으로 분기된 실외공기에 대해 습도조절을 수행하거나, 또는 상기 제 3 분기 라인으로 분기된 실외공기에 대해 VOCs 제거를 수행하는 선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계(S3); 상기 제 1 및 2 분기 라인 중 어느 한 라인으로 분기된 실외공기를 상대적으로 용량이 작은 질소흡착 베드에 통과시켜 질소를 흡착함으로써 산소를 생성하거나, 또는 상기 제 3 및 4 분기 라인 중 어느 한 라인으로 분기된 실외공기를 상대적으로 용량이 큰 질소흡착 베드에 통과시켜 질소를 흡착함으로써 산소를 생성하는 단계(S4); 및 생성된 산소를 상기 산소공급 라인을 매개로 실내로 안내한 후 상기 산소 분사기를 통해 실내 공간으로 공급하는 단계(S5);를 포함한다.
본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법의 각 단계는 도 2에 도시되어 있는 산소 발생 시스템에 의해 구현되고, 특히 본 발명에 따른 단계 S1 내지 S4는 도 3, 7 및 8에 도시되어 있는 실외배치형 산소 발생기(1)에 의해 구현된다.
구체적으로, 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법은 실외에 고정 배치되어 실외공기로부터 질소를 흡착하여 산소를 생성한 후 실내로 공급하도록 설계되고 실외공기의 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 분기된 실외공기의 흐름을 안내하는 제 1 내지 제 4 분기 라인(500,600,700,800)을 포함하는 실외배치형 산소 발생기(1); 산소 발생기(1)로부터 생성된 산소가 실내로 공급되도록 안내하는 산소공급 라인(2); 및 산소공급 라인(2)의 끝단에 위치하여 산소를 실내 공간으로 공급하도록 설계된 실내배치형 산소 분사기(3);를 포함하는 산소 발생 시스템에 의해 구현된다.
또한, 실외배치형 산소 발생기(1)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 실외공기의 VOCs 농도를 측정하는 VOCs 센서 및 습도를 측정하는 습도 센서를 포함하는 제 1 센서부(100); 제 1 센서부(100)에서 측정된 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 유입된 실외공기를 분기하는 실외공기 분기 밸브(200); 실외공기 분기 밸브(200)를 통해 분기된 실외공기로서 상기 VOCs 센서에 의해 측정된 VOCs 농도가 기설정 값을 초과함에 따라 유입되는 실외공기의 VOCs를 제거하기 위해 설치되고, Si/Al의 몰비가 50 내지 90의 범위 내에 있는 탈알루미늄화된 Y 제올라이트를 포함하는 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300); 실외공기 분기 밸브(200)를 통해 분기된 실외공기로서 상기 습도 센서에 의해 측정된 습도가 기설정 값을 초과함에 따라 유입되는 실외공기의 습도를 제거하기 위해 설치되고, Si/Al의 몰비가 1.1 내지 1.5의 범위 내에 있는 파우지사이트 구조의 NaX 제올라이트를 포함하는 습도조절용 친수성 흡착 베드(400); 실외공기 분기 밸브(200)를 통해 분기되는 실외공기가 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300) 및 습도조절용 친수성 흡착 베드(400)를 순차 통과하도록 유도하는 제 1 분기 라인(500); 실외공기 분기 밸브(200)를 통해 분기되는 실외공기가 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300)를 우회하고 습도조절용 친수성 흡착 베드(400)만 통과하도록 유도하는 제 2 분기 라인(600); 실외공기 분기 밸브(200)를 통해 분기되는 실외공기가 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300)만 통과하고 습도조절용 친수성 흡착 베드(400)를 우회하도록 유도하는 제 3 분기 라인(700); 실외공기 분기 밸브(200)를 통해 분기되는 실외공기가 질소를 흡착하는 흡착 베드로 직행하도록 유도하는 제 4 분기 라인(800); 제 1 및 제 2 분기 라인(500,600)을 통해 분기되는 실외공기 중 질소를 선택적으로 흡착하여 산소를 생성하는 제 1 질소흡착 베드(900); 제 3 및 4 분기 라인(700,800)을 통해 분기되는 실외공기 중 질소를 선택적으로 흡착하여 산소를 생성하는 제 2 질소흡착 베드(1000)로서 제 1 질소흡착(900) 베드 대비 상대적으로 큰 용량을 가지는 제 2 질소흡착 베드(1000); 제 1 및 2 흡착 베드(900,1000)로부터 생성되는 산소를 실내 공간으로 토출하는 산소 토출부(1101) 및 제 1 및 제 2 질소흡착 베드(900,1000)로부터 탈착되는 질소를 실외로 토출하는 질소 토출부(1102)를 포함하는 에어 컴프레서(1100); 에어 컴프레서(1100)의 산소 토출부(1101)로부터 토출되는 산소를 질소탈착용 산소와 실내공급용 산소로 분기하도록 설계된 산소 유량 분기 밸브(1200); 상기 질소탈착용 산소가 제 1 및 제 2 질소흡착 베드(900,1000) 중 어느 하나에만 제공되도록 상기 질소탈착용 산소의 흐름을 제어하는 산소 흐름 제어 밸브(1300); 및 제 1 센서부(100)에서 측정된 실외공기의 VOCs 농도 및 습도에 따라 제 1 내지 4 분기 라인(500,600,700,800) 중 어느 한 라인으로 실외공기를 분기시키도록 상기 실외공기 분기 밸브의 동작을 제어하는 프로세서(1400);를 포함할 수 있다.
실외공기의 VOCs 농도 및 습도를 측정하는 단계(S1)는 실외배치형 산소 발생기(1)에 포함되는 제 1 센서부(100)에 의해 수행될 수 있다.
제 1 센서부(100)는, 예를 들면 실외공기의 VOCs 농도 및 습도를 측정하는 단계(S1)를 실행하는 구성으로 실외공기의 VOCs 농도를 측정하는 VOCs 센서 및 습도를 측정하는 습도 센서를 포함할 수 있다.
제 1 센서부(100)에 포함되는 VOCs 센서는 예를 들면 실외공기 중 벤젠, 톨루엔, 포름알데히드, 자일렌, 에틸렌, 스틸렌, 아세트알데히드 및 유기용제 등의 농도를 측정할 수 있는 공지의 VOCs 가스 측정기 일 수 있다.
제 1 센서부(100)에 포함되는 습도 센서는, 예를 들면 정전식 습도 센서, 저항식 습도 센서 또는 열 센싱 방식의 습도 센서 일 수 있다.
제 1 센서부(100)에 의한 단계 S1이 실행된 후에는 실외공기의 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 실외공기를 제 1 내지 제 4 분기 라인 중 어느 한 라인으로 분기하는 단계(S2)가 수행되는데, 상기 단계 S2는 실외공기 분기 밸브(200)에 의해 수행될 수 있다. 한편, 본 명세서에서 용어 ‘분기 라인’은 실외공기 분기 밸브(200)에서 분기된 실외공기가 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300) 및/또는 습도조절용 친수성 흡착 베드(400)를 통과하도록 안내하는 물리적 통로를 흐르는 공기의 유로를 의미하는 것으로서, 각 분기 라인은 하나 또는 그 이상의 물리적 통로를 공유할 수 있고, 또는 서로 다른 물리적 통로를 구비 할 수도 있다.
구체적으로, 단계 S2는 실외공기의 VOCs 농도 및 습도가 기설정 값을 초과하는 경우 실외공기를 제 1 분기 라인(500)으로 분기하는 것; 실외공기의 VOCs 농도는 기설정 농도 값을 초과하지 않고 습도만 기설정 습도 값을 초과하는 경우 실외공기를 제 2 분기 라인(600)으로 분기하는 것; 실외공기의 VOCs 농도만 기설정 농도 값을 초과하고 습도는 기설정 습도 값을 초과하지 않는 경우 실외공기를 제 3 분기 라인(700)으로 분기하는 것; 및 실외공기의 VOCs 농도 및 습도가 기설정 값을 초과하지 않는 경우 실외공기를 제 4 분기 라인(800)으로 분기하는 것을 포함할 수 있다.
도 4 및 5에는 제 1 내지 제 4 분기 라인(500,600,700,800)에 따른 실외공기의 흐름이 구체적으로 도시되어 있는데, 도 4 및 5에 도시된 바와 같이, 제 1 분기 라인(500)은 실외공기 분기 밸브(200)을 거쳐 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300) 및 습도조절용 친수성 흡착 베드(400)를 통과하는 실외공기의 유로이고, 제 2 분기 라인(600)은 실외공기 분기 밸브(200)을 거쳐 습도조절용 친수성 흡착 베드(400)를 통과하는 실외공기의 유로이며, 제 3 분기 라인(700)은 실외공기 분기 밸브(200)를 거쳐 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300)를 통과하는 실외공기의 유로이고, 제 4 분기 라인(800)은 실외공기 분기 밸브(200)를 거쳐 직접 질소흡착 베드(제 2 질소흡착 베드)에 유입되는 실외공기의 흐름이다.
본 발명에 따른 제 1 내지 제 4 분기 라인(500,600,700,800) 중 어느 한 라인으로 분기하는 단계(S2)와 이를 구현하는 실외공기 분기 밸브(200) 및 이를 제어하는 프로세서(1400)의 구성을 통해, VOCs 농도 및 습도에 따라 실외공기에 대한 선택적 VOCs 제거 및 습도조절을 수행할 수 있고, 이를 통해 기존의 고정형 필터 설계 대비 소음이 저감 될 수 있고 실외공기의 질에 따라 실내로 공급되는 산소의 유량을 증대시킬 수 있다.
단계 S2가 실행된 이후에는 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300) 및 습도조절용 친수성 흡착 베드(400)에 의한 선택적 VOCs 제거 및 습도 조절 단계(S3)가 실행된다.
구체적으로, 선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계(S3)는 제 1 분기 라인(500)으로 분기된 실외공기에 대해 VOCs 제거 및 습도조절을 수행하거나, 제 2 분기 라인(600)으로 분기된 실외공기에 대해 습도조절을 수행하거나, 또는 제 3 분기 라인(700)으로 분기된 실외공기에 대해 VOCs 제거를 수행한다.
보다 구체적으로, 선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계(S3)는 제 1 분기 라인(500)으로 분기된 실외공기에 대해 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300) 및 습도조절용 친수성 흡착 베드(400)에 의한 VOCs 제거 및 습도조절을 수행하거나, 상기 제 2 분기 라인(600)으로 분기된 실외공기에 대해 습도조절용 친수성 흡착 베드(400)에 의한 습도조절을 수행하거나, 또는 상기 제 3 분기 라인(700)으로 분기된 실외공기에 대해 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300)에 의한 VOCs 제거를 수행할 수 있다.
선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계(S3)에 이용되는 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300)는 제 1 또는 제 3 분기 라인(500,600,700)으로 분기되는 실외공기의 VOCs를 제거하기 위해 설치되는 구성으로서 Si/Al의 몰비가 50 내지 90의 범위 내에 있는 탈알루미늄화된 Y 제올라이트를 포함한다.
VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300)에 포함되는 탈알루미늄화된 Y 제올라이트는 50 내지 90의 높은 Si/Al 몰비 범위를 가지는 것으로서 Si/Al의 몰비가 낮은 다른 제올라이트 대비 소수성 물질인 휘발성 유기 화합물에 대한 흡착 효능이 우수하다.
하나의 예시에서, VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300)에 포함되는 탈알루미늄화된 Y 제올라이트는 60 내지 90 또는 70 내지 90의 Si/Al 몰비 범위를 가질 수 있다.
일 구체적인 예시에서, VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300)는 Si/Al의 몰비가 70 내지 90의 범위 내에 있는 탈알루미늄화된 Y 제올라이트를 포함할 수 있다.
상기와 같은 높은 몰비 범위를 가지는 탈알루미늄화된 Y 제올라이트는, 예를 들면 NaY 제올라이트 원료를 암모늄 설페이트 용액 상에서 이온 교환하고 소성시킨 후 수증기처리 및 산 처리를 통해 탈 알루미늄화 개질함으로써 수득 한 것일 수 있다.
선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계(S3)에 이용되는 습도조절용 친수성 흡착 베드(400)는 제 1 또는 제 3 분기 라인(500,600,700)으로 분기된 실외공기의 습도를 제거하기 위해 설치되는 구성으로서 Si/Al의 몰비가 1.1 내지 1.5의 범위 내에 있는 파우지사이트 구조의 NaX 제올라이트를 포함한다.
습도조절용 친수성 흡착 베드(400)에 포함되는 NaX 제올라이트는 Si/Al의 몰비가 1.1 내지 1.5의 범위 내에 있는 파우지사이트 구조를 가지는 것으로서 다른 제올라이트 대비 2nm 이하의 미세기공 크기가 상대적으로 클 수 있다.
하나의 예시에서, 습도조절용 친수성 흡착 베드(400)에 포함되는 NaX 제올라이트는 미세기공의 크기가 0.5 내지 0.9nm 또는 0.6 내지 0.9nm의 범위 내에 있을 수 있다.
일 구체적인 예시에서, 습도조절용 친수성 흡착 베드(400)는 미세기공의 크기가 0.6 내지 0.9nm의 범위 내에 있는 파우지사이트 구조의 NaX 제올라이트를 포함할 수 있다.
수분의 크기를 고려해 보았을 때, 상기 범위 내 미세기공을 가지는 NaX 제올라이트에는 수분 분자 2개가 흡착될 수 있는바 다른 제올라이트 대비 수분 흡착 특성의 우수성을 확보할 수 있다. 또한, 상기 범위 내 미세기공을 가지는 NaX 제올라이트에는 질소 분자 또한 흡착되는바 습도조절용 친수성 흡착 베드(400)는 산소를 생성하는 단계(S4) 이전에 질소를 사전에 흡착하여 산소를 생성하는 효과도 달성할 수 있다.
습도조절용 친수성 흡착 베드(400)에 포함되는 NaX 제올라이트는 또한 미세기공의 비표면적이 400 내지 800 m2/g 또는 500 내지 800m2/g의 범위 내에 있을 수 있다.
일 구체적인 예시에서, 습도조절용 친수성 흡착 베드(400)는 미세기공의 비표면적이 500 내지 800m2/g의 범위 내에 있는 파우지사이트 구조의 NaX 제올라이트를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제 4 분기 라인(800)으로 분기된 실외공기는 별도의 VOCs 제거 및 습도조절 없이 질소흡착을 통한 산소의 즉각적 생성을 위해 제 2 질소흡착 베드(1000)로 유입되어 산소 생성에 이용될 수 있다.
선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계(S3) 이후에는 실외공기가 질소흡착 베드에 유입되어 산소를 생성하는 단계(S4)가 실행된다.
즉, 선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계(S3)를 거친 실외공기는 제 1 및 2 분기 라인(500,600)을 통해 제 1 질소흡착 베드(900)로 유입되거나, 또는 제 3 및 4 분기 라인(700,800)을 통해 제 2 질소흡착 베드(1000)로 유입되어 산소를 생성한다.
특히, 본 발명에 따른 단계 S4는 습도조절용 친수성 흡착 베드(400)를 통과한 실외공기(제 1 및 2 분기 라인(500,600)으로 분기된 실외공기)가 단계 S4 이전에 사전 질소흡착에 이루어진 것을 고려하여, 제 1 및 2 분기 라인(500,600) 중 어느 한 라인으로 분기된 실외공기를 상대적으로 용량이 작은 질소흡착 베드(제 1 질소흡착 베드(900))에 통과시켜 질소를 흡착함으로써 산소를 생성하도록 하고 상기 제 3 및 4 분기 라인(700,800) 중 어느 한 라인으로 분기된 실외공기는 상대적으로 용량이 큰 질소흡착 베드(제 2 질소흡착 베드(1000))에 통과시켜 질소를 흡착함으로써 산소를 생성하도록 하여 흡착 베드 내 잉여 부하를 방지할 수 있고 궁극적으로 실내 공간으로 공급되는 산소 유량을 극대화할 수 있도록 하였다.
구체적으로, 산소를 생성하는 단계(S4)는 제 1 및 2 분기 라인(500,600) 중 어느 한 라인으로 분기된 실외공기를 제 1 질소흡착 베드(900)에 통과시켜 질소를 흡착함으로써 산소를 생성하는 것 및 상기 제 3 및 4 분기 라인(700,800) 중 어느 한 라인으로 분기된 실외공기를 제 2 질소흡착 베드(1000)에 통과시켜 질소를 흡착함으로써 산소를 생성하는 것을 포함할 수 있다.
제 1 질소흡착 베드(900)는 제 1 및 2 분기 라인(500,600) 중 어느 한 라인으로 분기된 실외공기로부터 질소를 흡착함으로써 산소를 생성하는 것에 이용되는 구성이고, 제 2 질소흡착 베드(1000)는 제 3 및 4 분기 라인(700,800) 중 어느 한 라인으로 분기된 실외공기로부터 질소를 흡착함으로써 산소를 생성하는 것에 이용되는 구성으로서 제 1 질소흡착(900) 베드 대비 상대적으로 큰 용량을 가진다.
하나의 예시에서, 제 2 질소흡착 베드(1000)는 제 1 질소흡착 베드(900) 대비 110 내지 150%의 용량을 가질 수 있다.
제 1 및 제 2 질소흡착 베드(900,1000)는 실외공기로부터 질소를 흡착하여 산소를 생성할 수 있는 제올라이트를 함유하는 흡착 베드 이면 그 종류는 특별히 제한되지 아니한다.
도 6에 본 발명에 따른 제 1 및 제 2 질소흡착 베드(900,1000)의 상세 구조에 대한 일 예시 도면이 도시되어 있는데, 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 질소흡착 베드(900,1000)는 각각 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(901,1001); 제 1 영역(901,1001)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(902,1002); 및 제 1 영역(901,1001)과 제 2 영역(902,1002)을 물리적으로 구획하되 제 1 영역(901,1001)에 위치하는 상기 제 1 제올라이트가 제 2 영역(901,1001)으로 이동하거나 제 2 영역(901,1001)에 위치하는 상기 제 2 제올라이트가 제 1 영역(901,1001)으로 이동하는 것을 제어하는 제올라이트계 멤브레인(903,1003)을 포함할 수 있다.
제 1 영역(901,1001)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.
하나의 예시에서, 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.
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(902,1002)은, 제 1 영역(901,1001)의 후단에 위치하는 영역으로써, 전단에 위치하는 제 1 영역(901,1001) 대비 더 높은 질소 흡착율을 가지는 제올라이트가 위치하여 제 1 및 2 질소흡착 베드(900, 1000) 끝단의 산소 순도가 향상되는 영역이다.
구체적으로, 제 2 영역(902,1002)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(901,1001) 및 제 2 영역(902,1002)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.
상기와 같이, 제 1 영역(901,1001) 및 제 2 영역(902,1002)에 각각 상대적으로 질소 탈착 효율이 우수한 제 1 제올라이트와 상대적으로 질소 흡착능이 우수한 제 2 제올라이트를 포함시킴으로써, 적은 유량의 질소 탈착용 산소를 이용하더라도 고순도의 산소를 토출할 수 있고, 궁극적으로 목적하는 고순도의 산소를 유량 저감없이 토출할 수 있다.
또한, 제 1 영역(901,1001)은 제 2 영역(902,1002) 대비 제 1 및 2 질소흡착 베드(900,1000) 내 부피가 상대적으로 적을 수 있다. 이는 질소 탈착 효율의 향상에 기여 하는 영역을 질소흡착에 기여 하는 영역 대비 더 넓게 설계하는 경우, 산소 유량을 증대시키거나 베드 부하를 경감시킴에 있어 바람직하지 않을 수 있기 때문이다.
하나의 일 예시에서, 제 1 영역(901,1001)은 제 1 및 제 2 질소흡착 베드(900, 1000) 전체 길이 대비 20 % 내지 45% 또는 20% 내지 40%에 해당하는 영역을 차지할 수 있다.
제 1 영역(901,1001)과 제 2 영역(902,1002)의 사이에는 상기 각 영역을 물리적으로 구분하는 제올라이트계 멤브레인(903,1003)이 위치한다.
제올라이트계 멤브레인(903,1003)은 제 1 영역(901,1001)과 제 2 영역(902,1002)을 물리적으로 구획하되 제 1 영역(901,1001)에 위치하는 상기 제 1 제올라이트가 제 2 영역(902,1002)으로 이동하거나 제 2 영역(902,1002)에 위치하는 상기 제 2 제올라이트가 제 1 영역(901,1001)으로 이동하는 것을 제어하는 역할을 수행한다.
제올라이트계 멤브레인(903,1003)은 제 1 및 2 질소흡착 베드(900, 1000)의 제 1 영역(901,1001)과 제 2 영역(902,1002) 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(903,1003)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.
제 1 및 제 2 질소흡착 베드(900,1000)에는 실외공기가 선택적으로 유입되기 때문에 어느 한 흡착 베드에서 질소흡착 공정이 수행되면 다른 한 흡착베드에서는 질소 탈착 공정이 수행될 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법은 제 1 및 2 분기 라인(500,600) 중 어느 한 라인으로 분기된 실외공기를 제 1 질소흡착 베드(900)에 통과시켜 질소를 흡착함으로써 산소를 생성하는 경우 제 2 질소흡착 베드(1000)에서 질소탈착 공정이 이루어지고, 상기 제 3 및 4 분기 라인(700,800) 중 어느 한 라인으로 분기된 실외공기를 제 2 질소흡착 베드(1000)에 통과시켜 질소를 흡착함으로써 산소를 생성하는 경우 제 1 질소흡착 베드(900)에서 질소탈착 공정이 이루어질 수 있다.
산소를 생성하는 단계(S4) 이후에는 생성된 산소를 산소공급 라인(2)을 매개로 실내로 안내한 후 산소 분사기(3)를 통해 실내 공간으로 공급하는 단계(S5)가 실행된다.
구체적으로, 산소를 생성하는 단계(S4)를 통해 생성된 산소는 에어 컴프레서(1100)의 산소 토출부(1101), 산소공급 라인(2) 및 산소 분사기(3)를 매개로 실내 공간으로 공급될 수 있다. 또한, 산소를 생성하는 단계(S4)를 통해 생성된 산소는 산소유량 분기밸브(1200) 및 산소 흐름 제어 밸브(1300)를 매개로 질소탈착용 산소로 이용될 수도 있다.
에어 컴프레서(1100)는, 제 1 및 2 흡착 베드(900,1000)로부터 생성되는 산소를 실내 공간으로 토출하는 산소 토출부(1101) 및 제 1 및 제 2 질소흡착 베드(900,1000)로부터 탈착되는 질소를 실외로 토출하는 질소 토출부(1102)를 포함한다.
에어 컴프레서(1100)는 산소 토출부(1101)와 질소 토출부(1102)를 포함하여, 각각 산소와 질소를 흡입한 후, 실내 및 실외로 토출하는 역할을 하는 구성이다.
구체적으로, 산소 토출부(1101)는 제 1 및 제 2 질소흡착 베드(900, 1000)로부터 고순도 산소를 흡입하여 소정 유량 및 소정 농도의 산소를 산소공급 라인(2) 및 산소 분사기(3)를 매개로 실내 공간으로 토출한다.
질소 토출부(1102)는 제 1 및 제 2 질소흡착 베드(900, 1000)로부터 탈착되는 질소를 흡입하여 실외로 토출하는데, 구체적으로 제 1 및 제 2 질소흡착 베드(900, 1000)의 제 1 영역(901,1001)으로부터 토출되는 질소를 흡입하여 실외로 토출할 수 있다.
에어 컴프레서(1100)의 산소 토출부(401)에 연장된 영역에서는 에어 컴프레서(1100)의 산소 토출부(1101)로부터 토출되는 산소를 질소탈착용 산소와 실내공급용 산소로 분기하는 산소유량 분기밸브(1200)가 위치한다.
산소유량 분기밸브(1200)는 산소 토출부(1101)로부터 토출되는 산소를 질소탈착용 산소와 실내공급용 산소로 분기하는 구성으로서, 프로세서(1400)의 제어 하에 동작되어 분기 시간 및 유량 등이 조절될 수 있다.
산소유량 분기밸브(1200)에서 분기된 실내공급용 산소는 산소공급 라인(2) 및 산소 분사기(3)를 통해 실내 공간으로 공급되고, 질소탈착용 산소는 진공펌프(미도시)를 매개로 제 1 및 2 질소흡착 베드(900, 1000)에 제공된다.
진공펌프를 통과하여 가압된 질소탈착용 산소는 제 1 및 2 질소흡착 베드(900, 1000)의 후면 방향, 구체적으로 제 2 영역(902,1002) 방향으로 제공되는데, 이 때 산소 흐름 제어 밸브(1300)는 질소탈착용 산소가 제 1 및 2 질소흡착 베드(900, 1000) 중 어느 하나에만 제공되도록 상기 질소탈착용 산소의 흐름을 제어하는 역할을 한다.
구체적으로, 산소흐름 제어밸브(1300)는 질소탈착용 산소가 제 1 및 제 2 질소 흡착베드의 제 2 영역(902, 1002) 방향으로만 제공되도록 상기 질소탈착용 산소의 흐름을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법에 이용되는 산소 발생기(1)의 각 구성은 프로세서(1400)의 제어하에 구동한다.
구체적으로, 프로세서(1400)는 실외공기의 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 실외공기를 제 1 내지 제 4 분기 라인(500,600,700,800) 중 어느 한 라인으로 분기시키도록 실외공기 분기 밸브(200)의 동작을 제어할 수 있다.
프로세서(1400)는 또한, 산소 유량 분기 밸브(1200) 및 산소 흐름 제어 밸브(1300)의 동작을 제어하여 질소탈착용 산소와 실내공급용 산소의 흐름 및 분기 유량과 질소탈착용 산소의 공급 베드 종류를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법은 또한, VOCs 농도 및 습도가 기설정 값을 초과한 상태로 질소 탈착이 이루어지는 것을 원천차단할 수 있도록 제 1 내지 제 3 분기 라인(500,600,700) 중 어느 한 라인으로 분기되는 실외공기의 VOCs 농도 및 습도를 질소흡착 베드에 통과시키기 전에 재측정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 단계를 수행하기 위해 실외배치형 산소 발생기(1)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제 2 질소흡착 베드(900,1000)의 전단에 위치하여 제 1 내지 3 분기 라인(500,600,700)을 통해 제 1 및 제 2 질소흡착 베드(900,1000) 중 어느 한 베드로 유입되는 실외공기의 VOCs 농도를 재측정하는 VOCs 센서 및 습도를 재측정하는 습도 센서를 포함하는 제 2 센서부(1500)를 더 포함할 수 있다.
제 2 센서부(1500)의 VOCs 센서 및 습도 센서는 제 1 센서부(100)의 것과 실질적으로 동일한 종류의 것일 수 있다.
제 2 센서부(1500)에 의해 수행되는 VOCs 농도 및 습도의 재측정 단계에 통해 재측정된 VOCs 농도 및 습도가 여전히 기설정 값을 초과하는 경우 실외공기에 대한 VOCs의 제거 및 습도조절이 원활히 이루어지지 아니한 것으로 볼 수 있는바, 해당 실외공기에 대한 선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계(S3)가 다시 이루어질 수 있도록 하는 재순환 단계가 추가로 수행될 수 있다.
하나의 예시에서, 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법은 재측정된 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계(S3)가 재수행될 수 있도록 실외공기의 순환을 유도하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 단계를 수행하기 위해 실외배치형 산소 발생기(1)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 제 2 센서부(1500)에서 재측정된 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 실외공기가 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300) 및 습도조절용 친수성 흡착 베드(400) 중 어느 하나 이상의 흡착 베드에 재유입될 수 있도록 실외공기의 순환을 유도하는 실외공기 순환 밸브(1600); 및 실외공기 순환 밸브(1600)를 통해 순환되는 실외공기가 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드(300) 및 습도조절용 친수성 흡착 베드(400) 중 어느 하나 이상의 흡착 베드에 재유입될 수 있도록 유도하는 제 1 내지 제 3 순환 라인(500C,600C,700C);을 더 포함할 수 있다. 이 때 실외공기 순환 밸브(1600)의 동작은 프로세서(1400)에 의해 제어 및 조절될 수 있다.
하나의 예시에서, 프로세서(1400)는 제 2 센서부(1500)에서 재측정된 실외공기의 VOCs 농도 및 습도에 따라 제 1 내지 3 순환 라인(500C,600C,700C) 중 어느 한 라인으로 실외공기를 순환시키도록 실외공기 순환 밸브(1600)의 동작을 제어할 수 있다.
본 발명은 또한 VOCs 농도 및 습도의 제거가 원활하게 이루어지지 않는 경우 실외공기 유입을 중단하여 공회전에 따른 전력 손실을 방지할 수 있도록 실외공기의 유입을 차단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법은 상기 실외공기의 순환을 유도하는 단계에 따라 순환되는 실외공기의 순환수를 연산하여 상기 순환수가 기설정 값을 초과하는 경우 실외공기 유입을 차단하는 단계;를 더 포함할 수 있다. 상기 단계는, 예를 들면 실외공기 순환 밸브(1600)에 의해 순환하는 실외공기의 순환수를 연산하는 프로세서(1400)에 의해 실행될 수 있다.
구체적인 예시에서, 프로세서(1400)는 실외공기 순환 밸브(1600)의 동작에 따라 제 1 내지 제 3 순환 라인(500C,600C,700C) 중 어느 한 라인으로 순환하는 실외공기의 순환수를 연산하여 상기 순환수가 기설정 값을 초과하는 경우 실외공기 유입을 중단하도록 실외공기 분기 밸브(200)를 제어할 수 있다.
생성된 산소를 실내 공간으로 공급하는 단계(S5)는 에어 컴프레서(1200)에 포함되는 산소 토출부(1201), 산소공급 라인(2) 및 산소 분사기(3)에 의해 수행된다.
생성된 산소를 실내 공간으로 공급하는 단계(S5)에 이용되는 산소공급 라인(2)은 실외배치형 산소 발생기(1)로부터 생성되는 산소를 실내의 각 영역으로 흐르게 하는 산소의 공급 유로로서 역할을 한다.
구체적으로, 산소공급 라인(2)은 산소 토출부(1201)를 통해 토출되는 산소를 이송하는 메인 산소공급 라인 및 실내의 각 영역에 산소를 공급할 수 있도록 상기 메인 산소공급 라인에서 분기하여 형성된 복수의 서브 산소 공급 라인을 포함할 수 있다. 상기 복수의 서브 산소공급 라인은, 예를 들면 산소 분사기(3)와 상응하는 위치에서 상응하는 개수를 구비 할 수 있고, 이를 통해 산소를 실내 공간의 각 영역으로 제공하도록 설계될 수 있다.
산소공급 라인(2)을 통해 실내의 각 영역으로 흐른 산소는 산소 분사기(3)를 통해 실내 공간으로 공급된다.
생성된 산소를 실내 공간으로 공급하는 단계(S5)에 이용되는 산소 분사기(3)는 산소공급 라인(2)의 끝단에 위치하여 산소를 실내 공간으로 공급하도록 설계된다.
생성된 산소를 실내 공간으로 공급하는 단계(S5)에 이용되는 산소 분사기(3)는 실내 공급의 크기 및 규격에 따라 그 개수가 달라질 수 있는데, 예를 들면 산소 분사기(3)는 제 1 내지 10 산소 분사기로 이루어질 수 있고, 또는 제 1 내지 5 산소 분사기로 이루어질 수도 있다.
산소 분사기(3)의 구체적인 형상 및 구조는 특별히 제한되는 것은 아니고, 효과적으로 실내 공간으로 산소를 토출할 수 있도록 설계된 공지의 노즐 타입 분사기이면 그 형상, 구조 및 형태는 특별히 제한되지 아니한다.
본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법에 이용되는 산소 발생 시스템은 수동 혹은 자동으로 동작할 수 있는데, 이는 컨트롤러에 의해 구현될 수 있다.
구체적으로, 컨트롤러는 사용자가 실외배치형 산소 발생기(1), 산소공급 라인(2) 및 산소 분사기(3)의 동작을 제어하기 위해 도입된 구성으로서 실내 공간의 일 벽면에 고정 배치되거나, 또는 리모트 컨트롤러로서 휴대 및 이동 가능하게 설계될 수도 있다.
컨트롤러에서는 실외배치형 산소 발생기(1)의 VOCs 농도 설정값, 습도 설정값, 산소 순도 및 유량, 가동 시간 등을 설정할 수 있고, 산소공급 라인(2) 중 특정 라인의 개폐 등을 설정할 수 있으며, 산소 분사기(3)의 분사량, 분사 각도 등을 설정할 수도 있다.
이상에서, 본 발명에 따른 실내 공간 내 산소공급 방법을 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.
1 : 실외배치형 산소 발생기
2 : 산소공급 라인
3 : 산소 분사기
4 : 컨트롤러
100 : 제 1 센서부
200 : 실외공기 분기 밸브
300 : VOCs 제거용 소수성 흡착 베드
400 : 습도조절용 친수성 흡착 베드
500, 600, 700, 800 : 제 1,2,3,4 분기 라인
500C,600C,700C : 제 1,2,3 순환 라인
900, 1000 : 제 1,2 질소흡착 베드
1100 : 에어 컴프레서
1101, 1102 : 산소 토출부, 질소 토출부
1200 : 산소 유량 분기 밸브
1300 : 산소 흐름 제어 밸브
1400 : 프로세서
1500 : 제 2 센서부
1600 : 실외공기 순환 밸브
2 : 산소공급 라인
3 : 산소 분사기
4 : 컨트롤러
100 : 제 1 센서부
200 : 실외공기 분기 밸브
300 : VOCs 제거용 소수성 흡착 베드
400 : 습도조절용 친수성 흡착 베드
500, 600, 700, 800 : 제 1,2,3,4 분기 라인
500C,600C,700C : 제 1,2,3 순환 라인
900, 1000 : 제 1,2 질소흡착 베드
1100 : 에어 컴프레서
1101, 1102 : 산소 토출부, 질소 토출부
1200 : 산소 유량 분기 밸브
1300 : 산소 흐름 제어 밸브
1400 : 프로세서
1500 : 제 2 센서부
1600 : 실외공기 순환 밸브
Claims (7)
- 실외에 고정 배치되어 실외공기로부터 질소를 흡착하여 산소를 생성한 후 실내로 공급하도록 설계되고 실외공기의 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 분기된 실외공기의 흐름을 안내하는 제 1 내지 제 4 분기 라인을 포함하는 실외배치형 산소 발생기;
상기 산소 발생기로부터 생성된 산소가 실내로 공급되도록 안내하는 산소공급 라인; 및
상기 산소공급 라인의 끝단에 위치하여 산소를 실내 공간으로 공급하도록 설계된 실내배치형 산소 분사기;를 포함하는 산소 발생 시스템을 이용한 실내 공간 내 산소공급 방법으로서,
실외공기의 VOCs 농도 및 습도를 측정하는 단계;
실외공기의 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 실외공기를 상기 제 1 내지 제 4 분기 라인 중 어느 한 라인으로 분기하는 단계;
상기 제 1 분기 라인으로 분기된 실외공기에 대해 VOCs 제거 및 습도조절을 수행하거나, 상기 제 2 분기 라인으로 분기된 실외공기에 대해 습도조절을 수행하거나, 또는 상기 제 3 분기 라인으로 분기된 실외공기에 대해 VOCs 제거를 수행하는 선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계;
상기 제 1 및 2 분기 라인 중 어느 한 라인으로 분기된 실외공기를 상대적으로 용량이 작은 질소흡착 베드에 통과시켜 질소를 흡착함으로써 산소를 생성하거나, 또는 상기 제 3 및 4 분기 라인 중 어느 한 라인으로 분기된 실외공기를 상대적으로 용량이 큰 질소흡착 베드에 통과시켜 질소를 흡착함으로써 산소를 생성하는 단계; 및
생성된 산소를 상기 산소공급 라인을 매개로 실내로 안내한 후 상기 산소 분사기를 통해 실내 공간으로 공급하는 단계;를 포함하는 실내 공간 내 산소공급 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 실외배치형 산소 발생기는,
실외공기의 VOCs 농도를 측정하는 VOCs 센서 및 습도를 측정하는 습도 센서를 포함하는 제 1 센서부;
상기 제 1 센서부에서 측정된 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 유입된 실외공기를 분기하는 실외공기 분기 밸브;
상기 실외공기 분기 밸브를 통해 분기된 실외공기로서 상기 VOCs 센서에 의해 측정된 VOCs 농도가 기설정 값을 초과함에 따라 유입되는 실외공기의 VOCs를 제거하기 위해 설치되고, Si/Al의 몰비가 50 내지 90의 범위 내에 있는 탈알루미늄화된 Y 제올라이트를 포함하는 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드;
상기 실외공기 분기 밸브를 통해 분기된 실외공기로서 상기 습도 센서에 의해 측정된 습도가 기설정 값을 초과함에 따라 유입되는 실외공기의 습도를 제거하기 위해 설치되고, Si/Al의 몰비가 1.1 내지 1.5의 범위 내에 있는 파우지사이트 구조의 NaX 제올라이트를 포함하는 습도조절용 친수성 흡착 베드;
상기 실외공기 분기 밸브를 통해 분기되는 실외공기가 상기 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드 및 습도조절용 친수성 흡착 베드를 순차 통과하도록 유도하는 제 1 분기 라인;
상기 실외공기 분기 밸브를 통해 분기되는 실외공기가 상기 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드를 우회하고 상기 습도조절용 친수성 흡착 베드만 통과하도록 유도하는 제 2 분기 라인;
상기 실외공기 분기 밸브를 통해 분기되는 실외공기가 상기 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드만 통과하고 상기 습도조절용 친수성 흡착 베드를 우회하도록 유도하는 제 3 분기 라인;
상기 실외공기 분기 밸브를 통해 분기되는 실외공기가 질소를 흡착하는 흡착 베드로 직행하도록 유도하는 제 4 분기 라인;
상기 제 1 및 제 2 분기 라인을 통해 분기되는 실외공기 중 질소를 선택적으로 흡착하여 산소를 생성하는 제 1 질소흡착 베드;
상기 제 3 및 4 분기 라인을 통해 분기되는 실외공기 중 질소를 선택적으로 흡착하여 산소를 생성하는 제 2 질소흡착 베드로서 상기 제 1 질소흡착 베드 대비 상대적으로 큰 용량을 가지는 제 2 질소흡착 베드;
상기 제 1 및 제 2 질소흡착 베드로부터 생성되는 산소를 실내 공간으로 토출하는 산소 토출부 및 상기 제 1 및 제 2 질소흡착 베드로부터 탈착되는 질소를 실외로 토출하는 질소 토출부를 포함하는 에어 컴프레서;
상기 에어 컴프레서의 산소 토출부로부터 토출되는 산소를 질소탈착용 산소와 실내공급용 산소로 분기하도록 설계된 산소 유량 분기 밸브;
상기 질소탈착용 산소가 상기 제 1 및 제 2 질소흡착 베드 중 어느 하나에만 제공되도록 상기 질소탈착용 산소의 흐름을 제어하는 산소 흐름 제어 밸브; 및
상기 제 1 센서부에서 측정된 실외공기의 VOCs 농도 및 습도에 따라 상기 제 1 내지 4 분기 라인 중 어느 한 라인으로 실외공기를 분기시키도록 상기 실외공기 분기 밸브의 동작을 제어하는 프로세서;를 포함하는 실내 공간 내 산소공급 방법. - 제 2항에 있어서,
상기 VOCs 제거용 소수성 흡착 베드는,
Si/Al의 몰비가 70 내지 90의 범위 내에 있는 탈알루미늄화된 Y 제올라이트를 포함하고,
상기 습도조절용 친수성 흡착 베드는,
미세기공의 크기가 0.6 내지 0.9nm의 범위 내에 있고 미세기공의 비표면적이 500 내지 800m2/g의 범위 내에 있는 파우지사이트 구조의 NaX 제올라이트를 포함하는 실내 공간 내 산소공급 방법. - 제 2항에 있어서,
상기 제 1 질소흡착 베드 및 2 흡착 베드는 각각,
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 포함하는 실내 공간 내 산소공급 방법. - 제 1항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 3 분기 라인 중 어느 한 라인으로 분기되는 실외공기의 VOCs 농도 및 습도를 질소흡착 베드에 통과시키기 전에 재측정하는 단계;를 더 포함하는 실내 공간 내 산소공급 방법. - 제 5항에 있어서,
재측정된 VOCs 농도 및 습도의 기설정 값 초과 여부에 따라 상기 선택적 VOCs 제거 및 습도조절 단계가 재수행될 수 있도록 실외공기의 순환을 유도하는 단계;를 더 포함하는 실내 공간 내 산소공급 방법. - 제 6항에 있어서,
상기 실외공기의 순환을 유도하는 단계에 따라 순환되는 실외공기의 순환수를 연산하여 상기 순환수가 기설정 값을 초과하는 경우 실외공기 유입을 차단하는 단계;를 더 포함하는 실내 공간 내 산소공급 방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020230086177A KR102607312B1 (ko) | 2023-07-04 | 2023-07-04 | 실외배치형 산소 발생기를 포함하는 산소 발생 시스템을이용한 실내 공간 내 산소공급 방법 |
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| KR1020230086177A KR102607312B1 (ko) | 2023-07-04 | 2023-07-04 | 실외배치형 산소 발생기를 포함하는 산소 발생 시스템을이용한 실내 공간 내 산소공급 방법 |
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