KR102610176B1 - 산소 공급 장치 및 방법 - Google Patents

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한신규
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Abstract

제1 흡착 베드와 제2 흡착 베드를 포함하는 산소 공급 장치를 이용하여 압력 순환 흡착 방식에 의해 농축 산소를 공급하는 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 방법은, 가압 공정, 상부 균등화 공정, 그리고 상하부 균등화 공정을 포함한다. 상기 상부 균등화 공정은 고유량 구간, 및 상기 고유량 구간보다 낮은 유량의 저유량 구간에서 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비가 서로 다르도록 이루어진다. 상기 상부 균등화 공정 중 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비는 상기 저유량 구간에서 상기 고유량 구간보다 작도록 설정된다.

Description

산소 공급 장치 및 방법{Oxygen providing apparatus and method}
본 발명은 산소를 농축하여 공급하는 산소 공급 장치에 관한 것이다.
산소 농축 장치는 대기 중에서 산소를 분리 및 농축하는 장치로서 의료용, 가정용, 공업용 등으로 널리 이용되고 있다.
다양한 방식의 산소 농축 장치 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 방식의 산소 공급 장치는 낮은 소비전력으로 고 순도의 산소를 공급하는 것을 필요로 한다. 특히 10 Lpm 이상의 고유량 공급이 가능한 산소 공급 장치를 저유량 구간, 예를 들어 2.0 Lpm 이하의 구간에서 에너지 효율적으로 작동 가능할 수 있도록 하는 것이 요구된다.
이 발명의 배경이 되는 기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 높이기 위해 작성된 것이며 이 기술이 속하는 분야에서 이미 알려진 종래기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2000-0030484 (공개일: 2000. 06. 05) 대한민국 공개특허공보 제10-2003-0017054 (공개일: 2003. 03. 03)
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 저유량 구간에서 낮은 소비전력으로 높은 순도의 농축 산소를 공급할 수 있는 압력 순환 흡착 방식의 산소 공급 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 위에서 언급한 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치는 압축 공기를 공급하는 컴프레서, 압력 순환 흡착 방식에 의해 상기 컴프레서에 의해 공급된 상기 압축 공기로부터 질소를 교대로 흡착하여 농축 산소를 생성하는 제1 흡착 베드와 제2 흡착 베드, 상기 컴프레서로부터 상기 제1 및 제2 흡착 베드로 공급되는 상기 압축 공기의 흐름과 상기 제1 및 제2 흡착 베드로부터 배출되는 상기 흡착된 질소를 배출하는 유로를 조절할 수 있도록 구성되는 공정 제어 밸브, 상기 제1 및 제2 흡착 베드로부터 각각 배출되는 상기 농축 산소를 안내하는 제1 농축 산소 유로와 제2 농축 산소 유로를 선택적으로 연통시킬 수 있도록 구성되는 상부 균등화 밸브, 그리고 상기 제1 및 제2 흡착 베드 내의 공정 압력을 기초로 상기 공정 제어 밸브와 상기 상부 균등화 밸브를 각각 제어하는 컨트롤러를 포함한다. 상기 컨트롤러는 상기 제1 흡착 베드로 상기 가압 공기가 공급하여 상기 제1 흡착 베드를 가압하고 상기 농축 산소를 생성하는 가압 공정, 상기 상부 균등화 밸브에 의해 상기 제1 및 제2 농축 산소 유로를 연통시켜 상기 제1 흡착 베드에서 배출되는 상기 농축 산소의 적어도 일부가 상기 제2 흡착 베드로 유입되도록 하는 상부 균등화 공정, 그리고 상기 공정 제어 밸브에 의해 상기 제1 및 제2 흡착 베드의 전단을 서로 연통시키는 상하부 균등화 공정이 수행되도록 제어한다. 상기 컨트롤러는 고유량 구간, 및 상기 고유량 구간보다 낮은 유량의 저유량 구간에서 상기 상부 균등화 공정 중 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비가 서로 다르도록 제어한다. 상기 컨트롤러는 상기 저유량 구간에서 상기 상부 균등화 공정 중 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비가 상기 고유량 구간보다 작도록 제어한다.
상기 저유량 구간에서 상기 상부 균등화 공정 중 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비는 45 내지 55%의 범위에 속하는 값일 수 있고, 상기 고유량 구간에서 상기 상부 균등화 공정 중 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비는 75 내지 85%의 범위에 속하는 값일 수 있다.
상기 저유량 구간에서의 상기 상부 균등화 공정의 지속 시간은 상기 고유량 구간에서의 상기 상부 균등화 공정의 지속 시간보다 길게 설정될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치는 상기 제1 농축 산소 유로와 상기 제2 농축 산소 유로를 연결하는 연결 유로에 설치되는 하나 이상의 린스 오리피스를 더 포함할 수 있다.
상기 컨트롤러는 다음의 수학식에 의해 산출되는 사용 유량에 기초하여 공정 제어를 수행하도록 구성될 수 있다.
[수학식]
여기서, L은 상기 산소 탱크의 체적(l)이고, △P는 소비 공정 중 상기 산소 탱크 내의 최대 압력(bar)과 최소 압력(bar)의 차이이고, △t는 소비 공정 중 상기 산소 탱크 내의 최대 압력 시점과 최소 압력 시점 사이의 시간 간격(sec)이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 산소 공급 장치는 압축 공기를 공급하는 컴프레서, 압력 순환 흡착 방식에 의해 상기 컴프레서에 의해 공급된 상기 압축 공기로부터 질소를 교대로 흡착하여 농축 산소를 생성하는 제1 흡착 베드와 제2 흡착 베드, 상기 컴프레서로부터 상기 제1 및 제2 흡착 베드로 공급되는 상기 압축 공기의 흐름과 상기 제1 및 제2 흡착 베드로부터 배출되는 상기 흡착된 질소를 배출하는 유로를 조절할 수 있도록 구성되는 공정 제어 밸브, 상기 제1 및 제2 흡착 베드로부터 각각 배출되는 상기 농축 산소를 안내하는 제1 농축 산소 유로와 제2 농축 산소 유로를 선택적으로 연통시킬 수 있도록 구성되는 상부 균등화 밸브, 그리고 상기 제1 및 제2 흡착 베드 내의 공정 압력을 기초로 상기 공정 제어 밸브와 상기 상부 균등화 밸브를 각각 제어하는 컨트롤러를 포함한다. 상기 컨트롤러는 상기 제1 흡착 베드로 상기 가압 공기를 공급하여 상기 제1 흡착 베드를 가압하고 상기 농축 산소를 생성하는 가압 공정, 상기 상부 균등화 밸브에 의해 상기 제1 및 제2 농축 산소 유로를 연통시켜 상기 제1 흡착 베드에서 배출되는 상기 농축 산소의 적어도 일부가 상기 제2 흡착 베드로 유입되도록 하는 상부 균등화 공정, 그리고 상기 공정 제어 밸브에 의해 상기 제1 및 제2 흡착 베드의 전단을 서로 연통시키는 상하부 균등화 공정이 수행되도록 제어한다. 상기 컨트롤러는 다음의 수학식에 의해 산출되는 사용 유량에 기초하여 공정 제어를 수행하도록 구성된다.
[수학식]
여기서, L은 상기 산소 탱크의 체적(l)이고, △P는 소비 공정 중 상기 산소 탱크 내의 최대 압력(bar)과 최소 압력(bar)의 차이이고, △t는 소비 공정 중 상기 산소 탱크 내의 최대 압력 시점과 최소 압력 시점 사이의 시간 간격(sec)이다.
질소 흡착에 의해 농축 산소를 각각 생성할 수 있도록 구성되는 제1 흡착 베드와 제2 흡착 베드, 그리고 상기 제1 및 제2 흡착 베드에 의해 생성된 농축 산소를 저장할 수 있도록 구성되는 산소 탱크
질소 흡착에 의해 농축 산소를 각각 생성할 수 있도록 구성되는 제1 흡착 베드와 제2 흡착 베드, 그리고 상기 제1 및 제2 흡착 베드에 의해 생성된 농축 산소를 저장할 수 있도록 구성되는 산소 탱크를 포함하는 산소 공급 장치를 이용하여 압력 순환 흡착 방식에 의해 농축 산소를 공급하는 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 방법은, 상기 제1 흡착 베드로 가압 공기를 공급하여 상기 제1 흡착 베드를 가압하고 상기 농축 산소를 생성하는 가압 공정, 상기 제1 및 제2 흡착 베드의 후단을 연통시켜 상기 제1 흡착 베드에서 배출되는 상기 농축 산소의 적어도 일부가 상기 제2 흡착 베드로 유입되도록 하는 상부 균등화 공정, 그리고 상기 제1 및 제2 흡착 베드의 전단을 서로 연통시키는 상하부 균등화 공정을 포함한다. 상기 상부 균등화 공정은 고유량 구간, 및 상기 고유량 구간보다 낮은 유량의 저유량 구간에서 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비가 서로 다르도록 이루어진다. 상기 상부 균등화 공정 중 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비는 상기 저유량 구간에서 상기 고유량 구간보다 작도록 설정된다.
상기 저유량 구간에서 상기 상부 균등화 공정 중 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비는 45 내지 55%의 범위에 속하는 값일 수 있고, 상기 고유량 구간에서 상기 상부 균등화 공정 중 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비는 75 내지 85%의 범위에 속하는 값일 수 있다.
상기 저유량 구간에서의 상기 상부 균등화 공정의 지속 시간은 상기 고유량 구간에서의 상기 상부 균등화 공정의 지속 시간보다 길게 설정될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 산소 공급 방법에 따르면, 다음의 수학식에 의해 산출되는 사용 유량에 기초하여 공정 제어가 이루어지도록 구성될 수 있다.
[수학식]
여기서, L은 상기 산소 탱크의 체적(l)이고, △P는 소비 공정 중 상기 산소 탱크 내의 최대 압력(bar)과 최소 압력(bar)의 차이이고, △t는 소비 공정 중 상기 산소 탱크 내의 최대 압력 시점과 최소 압력 시점 사이의 시간 간격(sec)이다.
본 발명에 의하면, 저유량 구간에서 낮은 소비전력으로 높은 순도의 농축 산소를 공급할 수 있다.
이 외에 본 발명의 실시예로 인해 얻을 수 있거나 예측되는 다양한 효과에 대해서는 본 발명의 실시예에 대한 상세한 설명에서 직접적으로 또는 암시적으로 개시한다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다. 본 명세서의 실시예들은 유사한 참조부호들이 동일하거나 또는 기능적으로 유사한 요소를 지칭하는 첨부한 도면들과 연계한 이하의 설명을 참조하여 더 잘 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치를 개략적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치의 제어 요소들의 개략적인 블록도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치의 제1 흡착 베드에 의한 산소 공급이 이루어지는 가압 공정의 상태를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치의 사용 유량이 작은 저유량 구간, 특히 사용 유량이 0.5 Lpm인 경우 공정 진행 중 제1 및 제2 흡착 베드 내의 압력 프로파일을 보여준다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치의 사용 유량이 큰 고유량 구간, 특히 사용 유량이 10.0 Lpm인 경우 공정 진행 중 제1 및 제2 흡착 베드 내의 압력 프로파일을 보여준다.
위에서 참조된 도면들은 반드시 축적에 맞추어 도시된 것은 아니고 본 발명의 기본 원리를 예시한 다양한 특징들의 간략한 표현을 제시하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어 특정 치수, 방향, 위치 및 형상을 포함하는 본 발명의 특정 설계 특징들이 특정 의도된 응용과 사용 환경에 의해 일부 결정될 것이다.
아래에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 설명된 실시예에 한정되지 않는다.
본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예들을 기술하기 위한 목적을 위한 것일 뿐이고 본 발명을 한정하는 것을 의도하는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 단수 형태는 문맥상 분명하게 달리 나타내지 않는 한, 또한 복수 형태들을 포함하는 것으로 의도된다. 본 명세서에서 사용되는 "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는 명시된 특징들, 정수, 단계들, 작동, 엘리먼트들 및/또는 컴포넌트들의 존재를 나타내지만, 하나 이상의 다른 특징, 정수, 단계들, 작동, 컴포넌트들, 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것은 아니라는 것이 또한 이해되어야 할 것이다. 본 명세서에 사용되는 바와 같이, "및/또는" 이라는 용어는 연관되어 나열된 하나 이상의 항목들 중 임의의 하나 또는 모든 조합들을 포함한다. "결합된"이라는 용어는 컴포넌트들이 상호 간에 직접 연결되거나 또는 하나 이상의 매개 컴포넌트들을 통해 간접적으로 연결되는 두 개의 컴포넌트들 간의 물리적 관계를 표시한다.
본 발명의 구성요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성 요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나, 결합되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 한다.
본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치는 복수의 흡착 베드를 이용하여 압력 순환 흡착 방식에 의해 농축 산소를 생성하여 공급하며, 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 방법은 본 발명의 실시예에 의해 수행될 수 있다. 이하에서 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치에 대해 설명하고, 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 방법은 산소 공급 장치에 대한 설명으로부터 이해될 수 있으므로 이에 대한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치를 개략적으로 보여주는 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치의 제어 요소들의 개략적인 블록도이다. 산소 공급 장치(10)는 공급 가스, 예를 들어 공기로부터 산소를 농축하여 산소 농축 가스를 생성하여 공급한다.
산소 공급 장치(10)는 제1 흡착 베드(11)와 제2 흡착 베드(13)를 포함하고, 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)에서 교대로 질소 흡착이 이루어지는 압력 순환 흡착 방식으로 농축 산소를 생성할 수 있다. 알려진 바와 같이, 산소 공급 장치(10)는 가압을 통한 질소 흡착에 의한 산소 생성 및 흡착된 질소의 배출을 통해 농축 산소를 생성할 수 있으며, 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)는 교대로 이들 공정을 수행할 수 있도록 구성될 수 있다. 개략적으로, 제1 흡착 베드(11)에서 질소 흡착에 의한 농축 산소가 생성되는 동안 제2 흡착 베드(13)에서는 흡착된 질소의 배출이 이루어지고, 반대로 제2 흡착 베드(13)에서 질소 흡착에 의한 농축 산소가 생성되는 동안 제1 흡착 베드(11)에서는 흡착된 질소의 배출이 이루어진다.
산고 공급 장치(10)는 제1 흡착 베드(11)로 가압 공기를 공급하여 흡착 베드(11)를 가압하고 농축 산소를 생성하는 가압 공정, 제1 흡착 베드(11)와 후단과 제2 흡착 베드(13)의 후단을 연통시켜 상부 균등화가 이루어지도록 하는 상부 균등화 공정, 그리고 상부 균등화 공정에 이어 제1 흡착 베드(11)의 전단과 제1 흡착 베드(13)의 전달을 연통시켜 상하부 균등화가 이루어지도록 하는 상하부 균등화 공정을 포함하는 일련의 공정을 수행하도록 구성되고, 이를 통해 가압 공기로부터 농축 산소를 생성한다.
제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)는 압력의 크기에 따른 질소 흡착 특성을 가지는 흡착제, 예를 들어 제올라이트를 이용하여 공기에서 질소를 선택적으로 제거하여 산소 농도를 높이는 방법으로 산소 농축 가스를 생성할 수 있다.
컴프레서(17)는 공기를 압축하여 공급한다. 예를 들어 컴프레서(17)는 BLDC 컴프레서일 수 있다. 도 1을 참조하며, 공급 공기에 함유된 불순물을 제거하기 위한 필터(19) 및 공기 흡입 시 발생하는 소음을 저감하기 위한 소음기(21)가 컴프레서(17)의 전단에 배치될 수 있다. 또한 컴프레서(17)를 통과한 압축 공기를 냉각하기 위한 공기 냉각기(23)가 컴프레서(17)의 후단에 배치될 수 있다.
컴프레셔(17)에서 배출된 압축 공기는 공정 제어 밸브(25)를 통해 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)로 공급된다. 공정 제어 밸브(25)는 유로 조절을 통해 농축 산소의 생산을 위한 각 공정이 수행될 수 있도록 작용한다. 공정 제어 밸브(25)는 컴프레셔(17)에 연결된 공급 유로(26), 제1 흡착 베드(11)에 연결된 유로(27), 제2 흡착 베드(13)에 연결된 유로(28), 및 질소 배출을 위한 질소 배출 유로(29)에 각각 연결된 4개의 유로를 포함할 수 있으며, 3개의 제어 위치를 구현할 수 있다. 3개의 제어 위치는 공급 유로(26)가 제1 흡착 베드(11)에 연결된 유로(27)에 연통되고 제2 흡착 베드(13)에 연결된 유로(28)가 질소 배출 유로(29)에 연통되는 제1 제어 위치, 공급 유로(26)가 제1 흡착 베드(11)에 연결된 유로(27)와 제2 흡착 베드(13)에 연결된 유로(28)에 각각 연결되는 제2 제어 위치, 그리고 공급 유로(26)가 제2 흡착 베드(13)에 연결된 유로(28)에 연통되고 제1 흡착 베드(11)에 연결된 유로(27)가 질소 배출 유로(29)에 연통되는 제3 제어 위치를 포함한다. 제1 흡착 베드(11)에서 농축 산소가 생성되는 공정은 공정 제어 밸브(25)가 제1 제어 위치에 있는 상태에서 진행되고, 제2 흡착 베드(11)에서 농축 산소가 생성되는 공정은 공정 제어 밸브(25)가 제3 제어 위치에 있는 상태에서 진행된다. 그리고 뒤에서 설명한 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)의 상부와 하부의 압력을 균등화시키기 위한 상하부 균등화 공정은 공정 제어 밸브(25)가 제2 제어 위치에 있는 상태에서 진행된다. 이런 의미에서 공정 제어 밸브(25)는 4개의 연결 유로와 3개의 제어 위치를 갖는 4/3 웨이 밸브로 구현될 수 있다.
제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)에 포집된 질소는 공정 제어 밸브(25)를 경유하여 질소 배출 유로(29)를 통해 배출된다. 도 1을 참조하면, 질소 배출 시 발생하는 소음을 줄이기 위한 소음기(31)가 질소 배출 유로(29)에 설치될 수 있다.
산소 탱크(37)는 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)에 의해 생성된 농축 산소를 저장한다. 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)에서 생성된 농축 산소 가스를 산소 탱크(37)로 안내하기 위한 농축 산소 유로(33, 35)가 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)의 후단에 각각 연결된다. 농축 산소 유로(33, 35)는 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)와 산소 탱크(37)에 각각 연결된다. 도면에 도시되지 않았으나, 산소 탱크(37)의 산소는 필요한 용도를 위해 공급될 수 있도록 구성될 수 있다. 산소 탱크(37)에 저장된 농축 산소의 압력을 감지하는 압력 센서(39)가 산소 탱크(37)에 설치될 수 있다.
농축 산소 유로(33, 35)에는 농축 산소의 역류를 방지하기 위한 체크 밸브(41, 43)가 설치될 수 있다. 체크 밸브(41, 43)는 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)에서 배출된 농축 산소가 농축 산소 유로(33, 35)를 통해 산소 탱크(37)로 흐르는 것을 허용하고 농축 산소가 그 반대 방향으로 흐르는 것을 차단할 수 있도록 구성된다.
도 1을 참조하면, 하나 이상의 린스 오리피스(45, 47)가 농축 산소 유로(33, 35)를 연결하는 제1 연결 유로(49)에 설치될 수 있다. 린스 오리피스(45, 47)를 통해 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)에서 교대로 배출되는 농축 산소의 일부가 반대편의 제2 및 제1 흡착 베드(13, 11)로 공급될 수 있으며, 린스 오리피스(45, 47)를 통해 공급된 농축된 산소는 흡착 베드(11, 13) 내의 흡착제에 흡착된 질소를 세정하기 위해 사용될 수 있다. 이에 의해 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)에서 질소의 흡착 및 세정이 교대로 이루어질 수 있다.
또한 도 1을 참조하면, 상부 균등화 밸브(51)가 농축 산소 유로(33, 35)를 연결하는 제2 연결 유로(53)에 설치될 수 있다. 상부 균등화 밸브(51)는 온/오프 밸브로 구현될 수 있으며, 농축 산소 유로(33, 35)는 상부 균등화 밸브(51)의 온 상태에서는 서로 연통되고 오프 상태에서는 서로 차단된다. 뒤에서 설명할 상부 균등화 공정은 상부 균등화 밸브(51)가 온 상에서 수행되며, 이에 의해 압력이 높은 쪽의 흡착 베드(11, 13)의 농축 산소가 상부 균등화 밸브(51)를 통해 반대편의 흡착 베드(11, 13)로 이동한다.
컨트롤러(61)는 공정 제어 밸브(25)와 상부 균등화 밸브(51)의 제어를 통해 상부 균등화 공정이 수행되도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러(61)는 제1 또는 제2 흡착 베드(11, 13)의 압력이 최대가 되는 시점에서 상부 균등화 공정이 시작되도록 하고 그 후 설정된 시간동안 상부 균등화 공정이 수행되도록 제어할 수 있다. 제1 또는 제2 흡착 베드(11, 13)의 압력이 최대가 되는 시점은 산소 탱크(37)의 압력이 최대가 되는 시점과 실질적으로 동일하므로, 압력 센서(39)에 의해 감지되는 산소 탱크(37)의 압력이 최대가 되는 시점에서 상부 균등화 공정이 개시되도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 컨트롤러(61)가 산소 탱크(37) 내의 압력을 나타내는 압력 센서(39)의 압력 신호를 기초로 공정 제어 밸브(25)와 상부 균등화 밸브(51)의 작동을 제어할 수 있다. 나아가 기존에 알려진 바와 같이 컨트롤러(61)는 압력 순환 흡착 방식에 의한 산소 농축이 이루어지도록 필요한 제어를 수행할 수 있다. 컨트롤러(61)는 제1 흡착 베드(11)로 압축 공기를 공급하여 제1 흡착 베즈(11)를 가압하고 농축 산소를 생산하는 가압 공정, 상부 균등화 밸브(51)의 온에 의한 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)의 상부 압력의 균등화가 이루어지도록 하는 상부 균등화 공정, 공정 제어 밸브(25)의 조절을 통해 흡착 베드(11, 13)의 입력 단에 연결된 유로(27, 28)를 연통시켜 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)의 하부 압력의 균등화가 추가로 이루어지도록 하는 상하부 균등화 공정이 차례로 수행되도록 제어할 수 있다. 컨트롤러(61)는 마이크로프로세서, 메모리 및 관련 하드웨어와 소프트웨어를 포함할 수 있으며, 농축 산소를 생성하고 공급하는 공정들의 수행을 제어할 수 있도록 프로그램될 수 있다.
제1 흡착 베드(11)의 가압 공정 중 제1 흡착 베드(11)에서 배출되는 농축 산소의 일부는 린스 오리피스(45, 47)를 통해 제2 흡착 베드(13)로 이동하고 이에 의해 제2 흡착 베드(13)의 세정이 이루어진다. 도 3에는 제1 흡착 베드(11)가 가압 공기를 공급하고 산소를 생산하는 가압 공정에 있는 상태가 도시되어 있으며, 컴프레서(17)에 의해 가압된 공기가 제1 흡착 베드(11)로 공급되어 농축 산소가 생성되며, 농축 산소는 체크 밸브(41)를 통해 산소 탱크(37)로 공급된다. 이때, 농축 산소의 일부는 린스 오리피스(45, 47)를 통해 제2 흡착 베드(13)로 공급되어 세정 공정이 수행되며, 린스 공정의 결과 제2 흡착 베드(13)에 흡착된 질소가 공정 제어 밸브(25)를 통해 질소 배출 유로(29)를 통해 외부로 배출된다.
상부 균등화 공정 및 상하부 균등화 공정 중 제2 흡착 베드(13) 내의 압력을 대체로 증가하며, 컨트롤러(61)는 상하부 균등화 공정 후 제2 흡착 베드(13)의 가압 공정이 차례로 이루어지도록 제어한다. 이와 같은 일련의 과정들의 반복에 의해 압력 순환 흡착 방식의 산소 농축이 이루어진다. 이러한 압력 순환 흡착의 기본적인 공정은 본 발명이 속하는 기술분야에서 알려진 사항이므로 이에 대한 더 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치(10)는 저유량 구간에서도 산소의 순도를 확보화면서 낮은 소비전력을 구현할 수 있도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 튜브 형태를 갖는 흡착 베드(11, 13)의 유동 압력 강하를 줄여 흡착 베드(11, 13)의 린스를 위한 농축 산소의 양을 줄여 소비전력을 낮출 수 있도록 구성된다. 이를 위해, 흡착 베드(11, 13)의 길이를 기존의 장치에 비해 짧게 하고 흡착 베드(11, 13)의 폭은 더 크게 하고 린스 오리피스(45, 47)의 직경을 줄임으로써, 유동 압력 강하를 줄여 린스를 위한 농축 산소의 양을 줄일 수 있다. 린스를 위해 사용되는 농축 산소의 양의 감소는 컴프레셔(17)의 용량의 저감으로 이어지며 이에 의해 소비전력의 저감이 이루어질 수 있다.
또한 본 발명의 실시예에서는 제1 및 제2 흡착 베드(11, 13)의 단면적을 증가시키고 길이를 줄임으로써 린스에 사용되는 농축 산소의 흐름이 원활하도록 하고 이에 의해 보다 작은 양의 린스 가스에 의해 질소 흡착이 효과적으로 이루어질 수 있다. 이와 같이 흡착 베드(11, 13)의 유동 압력 강하를 줄임으로써 린스 가스의 양을 줄일 수 있으며 이는 소비전력을 낮추는 하나의 요소가 된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 사용 유량에 따라 압력 순환 흡착 공정의 최적화가 이루어지도록 구성된다. 이를 위해 상부 균등화 공정 중 압력 강하가 일어나는 흡착 베드의 초기 압력, 즉 최고 압력에 대한 최종 압력, 즉 최저 압력의 비가 사용 유량이 큰 경우보다 사용 유량이 작은 경우에 더 작도록 설정된다. 예를 들어, 사용 유량이 큰 고유량 구간, 예를 들어 사용 유량이 8.0 내지 10.0 Lpm에 속하는 구간인 경우 상부 균등화 공정의 최고 압력에 대한 최저 압력의 비는 75 내지 85%의 범위에 속하는 값으로 설정될 수 있고, 사용 유량이 작은 저유량 구간, 예를 들어 사용 유량이 0.5 내지 2.0 Lpm에 속하는 구간인 경우 상부 균등화 공정의 최고 압력에 대한 최저 압력의 비는 45 내지 55%의 범위에 속하는 값으로 설정될 수 있다. 이는 한편으로는 고유량 구간에 비해 저유량 구간에서 상부 균등화 공정 중 압력 강하가 더 크다는 것을 의미하며 다른 한편으로는 고유량 구간에 비해 저유량 구간에서 상부 균등화 공정의 지속 시간이 더 크다는 것을 의미한다.
고유량 조건, 예를 들어 10 Lpm 사용 유량에 적합한 고용량 컴프레서를 적용한 경우에도 낮은 유량에서 산소 농도를 확보할 수 있다. 고용량 컴프레서의 적용에 의해 공급 공기량이 많기 때문에 가압 공정 시간이 확보되기 어려운 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 산소 공급 장치는 공급 공기의 일부를 별도의 바이패스 밸브를 통해 외부로 버리는 방법으로 유량을 제어하기도 하였으나, 이는 소비전력의 증가되는 문제를 야기한다. 이에 반해, 본 발명의 실시예에서는 저유량 구간에서 상부 균등화 공정의 최고 압력에 대한 최저 압력의 비를 크게 함으로써, 즉 상부 균등화 공정의 시간을 충분히 길게 함으로써, 산소가 소비되는 시간을 확보하는 동시에 반대편 흡착 베드로 고순도 산소를 보내 제올라이트를 재생하는 시간으로 활용한다. 즉 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치에서는 저유량 구간에서, 공급 공기를 버리는 대신에, 반대편 흡착 베드의 세정(린스) 공정에 사용함으로써 소비전력을 낮추면서 충분한 세정에 의해 후속 공정에서의 농축 산소의 순도를 높일 수 있다.
다음 표 1은 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치의 유량 별 공정 제어 파라미터를 보여준다. 표 1에 나타난 바와 같이, 저유량 구간에서 상부 균등화 공정의 최고 압력에 대한 최저 압력의 압력 비가 고유량 구간보다 크게 설정됨을 알 수 있다. 이때, 위에서 설명한 바와 같이, 상부 균등화 공정의 시작 시점은 산소 탱크(37) 내의 압력을 감지하는 압력 센서(39)의 신호를 기초로 결정될 수 있고, 표 1에 기재된 상부 균등화 시간동안 상부 균등화 공정을 수행함으로써 상부 균등화 공정 압력 범위의 최저값이 달성되도록 할 수 있다.
유량 상부 균등화 시간 (sec) 상부 균등화 공정 압력 범위 (bar) 압력 비 (%) 산소 순도 (%) 컴프레서 RPM 소비전력 (W)
0.5 Lpm 3.5 1.70bar 0.925bar 54.0 95.6 1,100 228
1.0 Lpm 3.5 1.65bar 0.85bar 51.5 95.6 1,100 228
1.5 Lpm 3.5 1.70bar 0.85bar 50.0 95.5 1,100 228
2.0 Lpm 3.2 1.75bar 0.90bar 51.5 95.6 1,100 231
5.0 Lpm 1.5 1.85bar 1.30bar 70.0 95.1 1,150 257
10.0 Lpm 0.7 2.30bar 1.90bar 82.% 94.4 1,750 393
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치의 사용 유량이 작은 저유량 구간, 특히 사용 유량이 0.5 Lpm인 경우 공정 진행 중 제1 및 제2 흡착 베드 내의 압력 프로파일을 보여주고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치의 사용 유량이 큰 고유량 구간, 특히 사용 유량이 10.0 Lpm인 경우 공정 진행 중 제1 및 제2 흡착 베드 내의 압력 프로파일을 보여준다.
도 4를 참조하면, 0.5 Lpm의 사용 유량에서 상부 균등화 공정의 제1 흡착 베드의 최고 압력(Phigh)은 1.70 bar이고 최저 압력(Plow)은 0.925 bar이고, 따라서 최고 압력(Phigh)에 대한 최저 압력(Plow)의 비는 54%이다. 이때, 상부 균등화 공정, 상하부 균등화 공정 및 가압 공정의 전반 일부를 포함하는 산소 소비 단계의 지속 시간은 14 sec이고, 가압 공정의 후반 일부를 포함하는 산소 생산 단계의 지속 시간은 1.5 sec이다.
한편, 도 5를 참조하면, 10.0 Lpm의 사용 유량에서 상부 균등화 공정의 제1 흡착 베드의 최고 압력(Phigh)은 2.30 bar이고 최저 압력(Plow)은 1.90 bar이고, 따라서 최고 압력(Phigh)에 대한 최저 압력(Plow)의 비는 82.6%이다. 이때, 산소 소비 단계의 지속 시간은 5.0 sec이고, 산소 생산 단계의 지속 시간은 6.0 sec이다.
도 4 및 도 5를 비교하면, 고유량 구간에 비해 저유량 구간에서 상부 균등화 공정 중 압력이 감소하는 흡착 베드(도 4 및 도 5에서 제1 흡착 베드)의 최고 압력 대비 최저 압력의 비가 작고 소비 공정의 지속 시간은 길며, 이에 의해 소비 공정 중 반대편 흡착 베드로 공급되는 농축 산소의 양이 증가하여 반대편 흡착 베드의 충분한 세정이 이루어질 수 있다. 이는 소비전력의 감소 및 농축 산소의 순도 증가로 이어진다.
상기한 방법들에 의해 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치는 기존의 장치에 비해 1 Lpm 당 소모 소비전력을 크게 줄일 수 있다. 예를 들어, 기존의 산소 공급 장치는 1 Lpm 당 소비전력이 52 w/Lpm이나 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치는 1 Lpm 당 소비전력이 39.5 w/Lpm이다.
본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 방법은 제1 흡착 베드와 제2 흡착 베드를 포함하는 산소 공급 장치를 이용하여 압력 순환 흡착 방식에 의해 농축 산소를 공급하고, 제1 흡착 베드로 가압 공기를 공급하여 제1 흡착 베드를 가압하고 농축 산소를 생성하는 가압 공정, 제1 및 제2 흡착 베드의 후단을 연통시켜 제1 흡착 베드에서 배출되는 농축 산소의 적어도 일부가 제2 흡착 베드로 유입되도록 하는 상부 균등화 공정, 그리고 제1 및 제2 흡착 베드의 전단을 서로 연통시키는 상하부 균등화 공정을 포함한다. 상부 균등화 공정은 고유량 구간, 및 고유량 구간보다 낮은 유량의 저유량 구간에서 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비가 서로 다르도록 이루어진다. 상부 균등화 공정 중 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비는 저유량 구간에서 고유량 구간보다 작도록 설정된다.
본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 장치(10)는 농축 산소의 사용량을 감지하는 기능을 갖도록 구성된다. 예를 들어, 사용자가 농축 산소를 10 Lpm의 유량으로 사용하다가 사용 유량을 줄일 수 있는데 이때 농축 산소를 생성하는 산소 생성 파트로 어떠한 입력도 주지 않을 수 있다. 특히 사용자 측에 산소 유량을 조절하는 별도의 유량 조절 장치가 있는 경우 산소 생성 파트 쪽에서는 유량 변경을 전기적으로나 물리적으로 알 수 없다. 이 경우 산소 생성 파트는 10 Lpm 공정으로만 작동하기 때문에 소비전력이 크고, 이에 따라 사용량 감지 기능을 가져야 해당하는 유량에 맞는 공정을 하여 소비전력도 낮출 수 있고 특히 저유량 공정으로 들어갈 수 있다. 산소 사용량은 일반적으로 산소 토출 라인에 설치된 유량 센서가 유량 계측기를 통해 감지될 수 있으나, 이러한 경우에는 별도 비용이나 산소 압력 강하가 일어나는 부작용이 있다. 이러한 점을 감안하여, 본 발명의 실시예에서는 추가적인 기구물의 설치 없이 기존의 압력 순환 흡착 방식의 공정 장치를 통해 산소 사용량을 감지할 수 있도록 구성된다.
구체적으로, 사용 유량(F, 단위 Lpm)은 다음 수학식 1에 의해 산출될 수 있다. 이때 사용 유량은 상부 균등화 공정, 상하부 균등화 공정 및 가업 공정을 포함하는 소비 공정에서 산출될 수 있다.
Figure 112023058974967-pat00004
여기서, L은 산소 탱크의 체적(l)이고, △P는 산소 탱크 내의 최대 압력(bar)과 최소 압력(bar)의 차이이고, △t는 산소 탱크 내의 최대 압력 시점과 최소 압력 시점 사이의 시간 간격(sec)이다.
컨트롤러(61)는 상기 수학식 1에 의해 산출되는 사용 유량에 기초하여 공정 제어를 수행할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 10 Lpm 사용 유량을 기준으로 공정 제어를 수행하던 중 산출된 사용 유량이 2 Lpm으로 변경된 경우에 저유량 공정으로 제어할 수 있다.
위에서 본 발명의 실시예에 대해 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
10: 산소 공급 장치
11: 제1 흡착 베드
13: 제2 흡착 베드
17: 컴프레서
45, 47: 린스 오리피스
51: 상부 균등화 밸브
25: 공정 제어 밸브
37: 산소 탱크
41, 43: 체크 밸브

Claims (10)

  1. 압축 공기를 공급하는 컴프레서,
    압력 순환 흡착 방식에 의해 상기 컴프레서에 의해 공급된 상기 압축 공기로부터 질소를 교대로 흡착하여 농축 산소를 생성하는 제1 흡착 베드와 제2 흡착 베드,
    상기 컴프레서로부터 상기 제1 및 제2 흡착 베드로 공급되는 상기 압축 공기의 흐름과 상기 제1 및 제2 흡착 베드로부터 배출되는 상기 흡착된 질소를 배출하는 유로를 조절할 수 있도록 구성되는 공정 제어 밸브,
    상기 제1 및 제2 흡착 베드로부터 각각 배출되는 상기 농축 산소를 안내하는 제1 농축 산소 유로와 제2 농축 산소 유로를 선택적으로 연통시킬 수 있도록 구성되는 상부 균등화 밸브, 그리고
    상기 제1 및 제2 흡착 베드 내의 공정 압력을 기초로 상기 공정 제어 밸브와 상기 상부 균등화 밸브를 각각 제어하는 컨트롤러를 포함하고,
    상기 컨트롤러는 상기 제1 흡착 베드로 가압 공기가 공급하여 상기 제1 흡착 베드를 가압하고 상기 농축 산소를 생성하는 가압 공정, 상기 상부 균등화 밸브에 의해 상기 제1 및 제2 농축 산소 유로를 연통시켜 상기 제1 흡착 베드에서 배출되는 상기 농축 산소의 적어도 일부가 상기 제2 흡착 베드로 유입되도록 하는 상부 균등화 공정, 그리고 상기 공정 제어 밸브에 의해 상기 제1 및 제2 흡착 베드의 전단을 서로 연통시키는 상하부 균등화 공정이 수행되도록 제어하고,
    상기 컨트롤러는 고유량 구간, 및 상기 고유량 구간보다 낮은 유량의 저유량 구간에서 상기 상부 균등화 공정 중 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비가 서로 다르도록 제어하고,
    상기 컨트롤러는 상기 저유량 구간에서 상기 상부 균등화 공정 중 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비가 상기 고유량 구간보다 작도록 제어하고,
    상기 저유량 구간에서의 상기 상부 균등화 공정의 지속 시간은 상기 고유량 구간에서의 상기 상부 균등화 공정의 지속 시간보다 길게 설정되는 산소 공급 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저유량 구간에서 상기 상부 균등화 공정 중 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비는 45 내지 55%의 범위에 속하는 값이고,
    상기 고유량 구간에서 상기 상부 균등화 공정 중 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비는 75 내지 85%의 범위에 속하는 값인 산소 공급 장치.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 농축 산소 유로와 상기 제2 농축 산소 유로를 연결하는 연결 유로에 설치되는 하나 이상의 린스 오리피스를 더 포함하는 산소 공급 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 다음의 수학식에 의해 산출되는 사용 유량에 기초하여 공정 제어를 수행하도록 구성되는 산소 공급 장치.
    [수학식]

    여기서, L은 산소 탱크의 체적(l)이고, △P는 소비 공정 중 상기 산소 탱크 내의 최대 압력(bar)과 최소 압력(bar)의 차이이고, △t는 소비 공정 중 상기 산소 탱크 내의 최대 압력 시점과 최소 압력 시점 사이의 시간 간격(sec)이다.
  6. 삭제
  7. 질소 흡착에 의해 농축 산소를 각각 생성할 수 있도록 구성되는 제1 흡착 베드와 제2 흡착 베드, 그리고 상기 제1 및 제2 흡착 베드에 의해 생성된 농축 산소를 저장할 수 있도록 구성되는 산소 탱크를 포함하는 산소 공급 장치를 이용하여 압력 순환 흡착 방식에 의해 농축 산소를 공급하는 산소 공급 방법에 있어서,
    상기 제1 흡착 베드로 가압 공기가 공급하여 상기 제1 흡착 베드를 가압하고 상기 농축 산소를 생성하는 가압 공정,
    상기 제1 및 제2 흡착 베드의 후단을 연통시켜 상기 제1 흡착 베드에서 배출되는 상기 농축 산소의 적어도 일부가 상기 제2 흡착 베드로 유입되도록 하는 상부 균등화 공정, 그리고
    상기 제1 및 제2 흡착 베드의 전단을 서로 연통시키는 상하부 균등화 공정을 포함하고,
    상기 상부 균등화 공정은 고유량 구간, 및 상기 고유량 구간보다 낮은 유량의 저유량 구간에서 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비가 서로 다르도록 이루어지고,
    상기 상부 균등화 공정 중 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비는 상기 저유량 구간에서 상기 고유량 구간보다 작도록 설정되고,
    상기 저유량 구간에서의 상기 상부 균등화 공정의 지속 시간은 상기 고유량 구간에서의 상기 상부 균등화 공정의 지속 시간보다 길게 설정되는 산소 공급 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 저유량 구간에서 상기 상부 균등화 공정 중 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비는 45 내지 55%의 범위에 속하는 값이고,
    상기 고유량 구간에서 상기 상부 균등화 공정 중 상기 제1 흡착 베드 내의 공정 압력 프로파일의 최대 압력에 대한 최소 압력의 비는 75 내지 85%의 범위에 속하는 값인 산소 공급 방법.
  9. 삭제
  10. 제7항에 있어서,
    다음의 수학식에 의해 산출되는 사용 유량에 기초하여 공정 제어가 이루어지도록 구성되는 산소 공급 방법.
    [수학식]

    여기서, L은 상기 산소 탱크의 체적(l)이고, △P는 소비 공정 중 상기 산소 탱크 내의 최대 압력(bar)과 최소 압력(bar)의 차이이고, △t는 소비 공정 중 상기 산소 탱크 내의 최대 압력 시점과 최소 압력 시점 사이의 시간 간격(sec)이다.
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