KR20050009394A - 기체 분리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기체 분리 장치에 관한 것으로, 대기압의 외부공기를 흡입하는 대기 흡입 필터와; 상기 대기 흡입 필터에서 흡입된 외부공기를 개폐 및 차단하며, 상기 대기 흡입 필터의 출력단에 일측이 각각 연결된 두개의 삼방향 제 1과 2 밸브와; 상기 삼방향 제 1과 2 밸브의 타측에 일측이 각각 연결되어, 기체를 분리하고 나머지 기체를 농축하는 제 1 과 제 2 흡착탑과; 상기 제 1과 2 흡착탑의 타측에 연결되어 농축 기체를 흡입 및 배출하고, 상기 제 1과 2 밸브의 다른 하나의 타측에 연결되어 상기 분리된 기체를 흡입 및 배출하는 진공펌프로 구성된다.
따라서, 본 발명은 종래의 진공 스윙 흡착(VSA) 방식의 기체분리장치에서 버블펌프를 따로 두지 않고 하나의 진공펌프에서 독립된 두 개의 흡기 및 배기수단을 사용함으로서 장치의 구조가 간단하고 설치공간이 작아지는 효과가 있다.
또한, 진공펌프에 있는 두개의 피스톤의 행정거리를 달리함으로서 장치의 성능을 용이하게 조절할 수 있는 효과가 있다.

Description

기체 분리 장치 {Apparatus for separating gas}
본 발명은 대기중에 포함된 기체를 분리하여 농축하는 기체 분리 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 진공 스윙 흡착(VSA) 방식의 기체분리장치에서 버블펌프를 따로 두지 않고 하나의 진공펌프에서 독립된 두 개의 흡기 및 배기수단을 사용함으로서 장치의 구조가 간단하고 설치공간이 작아지는 기체 분리 장치에 관한 것이다.
일반적으로 가정용 또는 산업용으로 사용되는 기체 분리 장치는 대기 중에서 주성분 기체인 질소와 산소를 상호 분리해 내는 기능을 한다.
현재, 사용되는 산소 발생기는 개인용, 가정용, 자동차용, 응급구조용, 산업용 등 다양하게 사용되며, 최근에 가정용 정수기의 음용수에 공급하여 식수내 용존 산소량을 증가시키는 용도로도 사용된다.
한편, 질소 발생장치의 경우, 산업용 고순도 질소 발생용으로 사용되며 식품 저장시 장기 보관을 위한 저장 분위기 조절용으로 사용된다.
종래의 산소 발생기 또는 질소 발생기의 원리는 거의 모두 대기를 끌어들여 특정 기체에 대해 선택성이 있는 흡착제나 부화막을 통과시킴으로서, 특정 기체만을 분리하여 사용하고 불필요한 기체는 외부로 배출시키게 된다.
대기의 기체는 질소와 산소가 99% 이상을 차지하므로, 산소 발생기의 경우에는 산소가 걸러지고 남은 질소를, 질소 발생기의 경우에는 질소를 걸러내고 남은 산소를 배출시키게 된다.
대기를 흡입하여 흡착제 또는 부화막으로 전달시키는 방법으로는 압력을 가하여 공기의 흐름을 발생시키는 압력 스윙 흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 방식 또는 유로내의 압력을 낮추어 대기압과의 압력차를 이용하여 대기의 흐름을 발생시키는 진공스윙흡착(Vacuum Swing Adsorption, VSA) 방식이 사용된다.
예로서, 종래의 VSA 방식의 산소 발생기의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 종래의 VSA 방식의 산소 발생기의 개략적인 구성도로서, 일측이 진공펌프(12)의 흡기단과 연결되고 다른 일측이 제 1 흡착탑(13)과 연결되며, 또 다른 일측이 흡입필터와 연결된 3방향 제 1 밸브(21)의 유로를 진공펌프(12)와 제 1 흡착탑(13)으로 개방하여 제 1 흡착탑(13)을 감압한다.
그 후, 제 1 밸브(21)의 유로를 제 1 흡착탑(13)과 대기 흡입필터(15)로 형성하면, 대기압의 외부 공기가 압력 차에 의하여 제 1 흡착탑(13)으로 흡입되고, 흡입된 대기는 제 1 흡착탑(13) 내의 흡착제에 의해 질소가 흡착되고 농축된 산소는 버블펌프(15)에 의해 외부로 공급된다.
그리고, 상기 3 방향 제 1 밸브(21)의 유로를 다시 진공펌프와 흡착탑으로 바꾸어주면, 상기 제 1 흡착탑(13)의 흡착제에 의해 흡착된 질소는 상기 제 1 흡착탑(13)을 감압하는 과정에서 진공펌프(12)에 의해 탈착되어 외부로 배출된다.
다시, 상기 제 1 밸브(21)의 유로를 변환하여 외부 대기를 흡기하는 과정을 반복시킨다.
한편, 상기 제 2 흡착탑(14)에서는 제 1 흡착탑(13)에서와 같은 과정이 1/2 주기의 시간차를 두고 진행된다.
즉, 상기 제 1 밸브(21)의 유로가 진공펌프와 흡착탑(13)쪽으로 형성되어 제1 흡착탑(13)의 질소 탈착 및 감압 과정이 이루어질 때, 3방향 제 2 밸브(22)가 동시에 열려 제 2 흡착탑(14)에서 대기 흡입 및 질소 흡착 과정이 이루어진다.
또한, 제 1 밸브(21)의 유로가 제 1 흡착탑(13)과 흡입필터로 형성되어 제 1 흡착탑(13)에서의 흡기 및 흡착 과정이 이루어질 때, 제 2 흡착탑(14)에서는 탈착 및 감압 과정이 이루어진다.
이와 같이 하여 버블 펌프(15)를 통하여 외부에 공급되는 농축 산소는 연속적으로 생산이 되는 것이다.
그리고, 상기 버블펌프(15)에 의한 산소의 배출 과정은 버블펌프(15) 흡기단의 압력이 흡착탑 상부의 압력보다 낮을 경우에, 흡착탑 내에 구비된 체크밸브가 열리면서 농축된 산소가 버블펌프에 의해 흡입되어 외부로 배출된다.
여기서, 질소의 흡착율은 흡착제의 종류나 장치의 크기, 펌프의 용량에 따라 달라지고, 이에 따라 농축된 산소의 농도도 달라진다.
즉, 흡착제를 통과한 공기는 100% 산소만으로 이루어지지는 않는다.
상기 제 1 흡착탑(13) 또는 제 2 흡착탑(14) 내의 흡착된 질소는 탈착 과정에서 진공펌프에 의해 외부로 배출되는데, 이때 다시 대기 흡입시 역류해 들어오지 않도록 통상 관 또는 호스를 통하여 원격 배출시킨다.
이와 같이, 종래 기술에 따른 VSA방식의 산소 발생기 또는 질소 발생기는 원리적으로 두 대의 펌프가 구비되어야 하므로, 구성이 복잡하고 넓은 설치 공간이 필요하며, 장치 가격의 대부분을 차지하는 펌프의 비용에 대한 부담이 큰 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 진공 스윙 흡착(VSA) 방식의 기체분리장치에서 버블펌프를 따로 두지 않고 하나의 진공펌프에서 독립된 두 개의 흡기 및 배기수단을 사용함으로서 장치의 구조가 간단하고 설치공간이 작아지는 기체 분리 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 진공펌프에 있는 두개의 피스톤의 행정거리를 달리함으로서 장치의 성능을 용이하게 조절할 수 있는 기체 분리 장치를 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 대기압의 외부공기를 흡입하는 대기 흡입 필터와;
상기 대기 흡입 필터에서 흡입된 외부공기를 개폐 및 차단하며, 상기 대기 흡입 필터의 출력단에 일측이 각각 연결된 두개의 삼방향 제 1과 2 밸브와;
상기 삼방향 제 1과 2 밸브의 타측에 일측이 각각 연결되어, 기체를 분리하고 나머지 기체를 농축하는 제 1 과 제 2 흡착탑과;
상기 제 1과 2 흡착탑의 타측에 연결되어 농축 기체를 흡입 및 배출하고, 상기 제 1과 2 밸브의 다른 하나의 타측에 연결되어 상기 분리된 기체를 흡입 및 배출하는 진공펌프로 구성된 기체 분리 장치가 제공된다.
도 1은 종래의 VSA 방식의 산소 발생기의 개략적인 구성도
도 2는 본 발명에 따른 기체 분리 장치의 개략적인 구성도
도 3은 본 발명에 따른 기체 분리 장치에 사용된 진공펌프의 개략적인 연결 구성도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 대기 흡입 필터 111,112 : 흡착탑
121,122 : 밸브 130 : 진공펌프
131,132 : 흡기구 133,134 : 배기구
135a,135b : 헤더 136a,136b : 피스톤
137a,137b : 캠 138a,138b : 모터축
139 : 모터
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 기체 분리 장치의 개략적인 구성도로서, 외부공기를 흡입하는 대기 흡입 필터(100)와; 상기 대기 흡입 필터(100)에서 흡입된 외부공기를 개폐 및 차단하며, 상기 대기 흡입 필터(100)의 출력단에 일측이 각각 연결된 두개의 삼방향 제 1과 2 밸브(121,122)와; 상기 삼방향 밸브 제 1과 2 밸브(121,122)의 하나의 타측에 일측이 각각 연결되며, 기체 분리 및 농축하는 제1 및 제 2 흡착탑(111,112)과; 상기 제 1과 2 흡착탑(111,112)의 타측에 연결되어 농축 기체를 흡입 및 배출하고, 상기 제 1과 2 밸브(121,122)의 다른 하나의 타측에 연결되어 상기 분리된 기체를 흡입 및 배출하는 두쌍의 흡기단 및 배기단으로 이루어진 진공펌프(130)로 구성된다.
상기 기체 분리는 상기 제 1과 2 흡착탑(111,112) 내부에 각각 장착된 흡착제에 의해 기체가 흡착되어 분리되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 진공펌프(130)는 제 1과 2 흡착탑(111,112)의 타측에 연결되는 제 1 흡기구(131)와 상기 제 1 흡기구(131)에 연통되는 제 1 배기구(133)를 통해서, 농축 기체를 흡입 및 배출한다.
또한, 상기 제 1과 2 밸브(121,122)의 다른 하나의 타측과 연결되는 제 2 흡기구(132)와 상기 제 2 흡기구(132)에 연통되는 제 2 배기구(134)를 통해서 상기 제 1과 2 흡착탑(111,112)에서 분리된 기체를 흡입 및 배출한다.
이렇게 구성된 본 발명에 따른 기체 분리 장치의 동작은 다음과 같다.
먼저, 상기 상기 3방향 밸브의 유로가 진공펌프(130)와 제 2 흡착탑(112) 사이에 연결되도록 개방하여 상기 제 2 흡착탑(112)의 내부를 감압한다.
이 후, 제 1 밸브(121)의 유로가 흡착탑(112)과 대기 흡입필터 사이에 형성되도록 하면, 외부의 대기가 압력차에 의해 상기 제 2 흡착탑(112)의 내부로 들어가게 된다.
연이어, 상기 제 2 흡착탑(112)으로 흡입된 대기 성분 중, 기체의 종류에 따라 선별적으로 흡착하는 흡착제에 의해 일정성분의 기체는 흡착되고, 흡착되지 않은 기체는 농축되어 상기 진공펌프(130)의 제 2 흡기구(132)의 흡입과정에 의해 외부로 배출된다.
이 때, 상기 농축기체의 배출과정은 제 2 흡착탑(112) 내부의 압력이 상기 진공펌프(130)의 제 2 흡기구(132)에 의한 압력보다 높을 경우 농축기체는 상기 진공펌프(130)의 제 2 흡기구(132)로 흡입된다.
다음, 흡착제에 흡착된 기체의 탈착 과정은 제 1 밸브(121)의 유로를 외부 대기를 차단하고, 상기 진공 펌프(130)와, 상기 제 2 흡착탑(112)간으로 형성하면 상기 흡착탑(112)내의 압력이 감소하면서 흡착제에 흡착된 기체가 상기 진공 펌프(130)의 제 2 흡기구(132)를 통하여 배기된다.
한편, 상기 제 1 흡착탑(111)에서 동작도 전술된 공정과 동일하게 수행된다.
그러므로, 상기 진공펌프(130)에 의한 흡, 배기 동작은 계속적으로 이루어지며, 밸브들의 주기적인 동작에 의해 상기 제 1과 2 흡착탑(111,112)의 흡착 및 탈착 과정이 교대로 진행된다.
즉, 상기 제 1과 2 흡착탑(111,112) 내에서 기체 분리 및 농축과정은 끊김 없이 연속적으로 이루어진다.
따라서, 본 발명의 기체 분리 장치는 대기중의 산소와 질소를 각각 분리하여, 고농도의 농축 기체를 연속적으로 생산할 수 있는 것이다.
또한, 본 발명의 장치는 통상의 VSA 방식의 기체 분리장치가 분리된 농축기체 배출용 버블 펌프를 따로 구비하여 설치하는 것에 비해 매우 간단한 구조이며, 설치공간의 축소등 장점이 있다.
게다가, 본 발명은 동일한 진공펌프에서 독립된 두개의 흡기구 및 배기구를 두어 사용하므로, 기체 분리 효율이 훨씬 높은 장치를 구현할 수 있는 장점이 있다.
도 3은 본 발명에 따른 기체 분리 장치에 사용된 진공펌프의 개략적인 연결 구성도로서, 진공펌프는 양측 각각에 한 쌍의 모터축들(138a,138b)이 형성된 모터(139)와; 상기 모터(139)의 모터축들(138a,138b) 각각에 연결된 캠들(137a,137b)과; 상기 캠들(137a,137b)의 회전으로 각각 직선 왕복 운동하는 피스톤들(136a,136b)과; 실린더 형태이며, 상기 피스톤들(136a,136b)이 각각 실린더 내부에 삽입되어 있으며, 상기 실린더 외측으로 각각 흡입구와 배기구가 형성되어 있는 한 쌍의 헤더들(135a,135b)로 구성된다.
여기서, 상기 하나의 헤더(135a)는 하나의 흡기구(132)와 하나의 배기구(134)가 형성되어 있으며, 또한, 상기 다른 하나의 헤더(135b)는 하나의 흡기구(131)와 하나의 배기구(133)가 형성되어 있어, 독립적으로 공기의 흡입 및 배출 작용을 할 수 있다.
따라서, 상기 진공펌프는 모터(139)의 작동으로, 모터축들(138a,138b)에 연결된 캠들(137a,137b)이 회전하게 된다.
상기 캠들(137a,137b)들의 회전으로, 피스톤들(136a,136b)은 실린더 내부에서 직선 왕복 운동을 하여, 실린더 내부로 공기를 흡입하거나, 실린더 내부의 공기를 배출시킬 수 있게 된다.
본 발명에 따른 기체 분리 장치에 장착되는 진공펌프의 다른 실시예로, 진공펌프에 있는 각 피스톤들의 행정 거리를 서로 다르게 구성하여 설치하는 방법이 있으며, 이것은, 진공펌프에 설치된 피스톤의 행정거리를 정해주는 캠들에서 조절할 수 있다.
그러므로, 이런 진공펌프는 모터의 회전축으로부터 피스톤 하부의 베어링의 회전축까지의 거리에 따라 행정거리를 조절할 수 있다.
즉, 진공펌프의 양단에 설치된 피스톤의 행정거리에 따라 각각의 흡기구와 배기구에서의 진공압과 유량을 자유로이 조절할 수 있는 것이다.
이와 같이, 서로 다른 행정거리를 갖는 피스톤으로 구성된 진공펌프를 사용하여 상기와 같은 기체 분리 장치를 구성할 수 있다.
이 때, 행정거리가 큰 피스톤을 갖는 헤드를 흡착탑 감압용으로 사용하고, 행정거리가 작은 피스톤을 갖는 헤드를 농축기체 배출용으로 사용하여 장치를 구성한다.
이렇게 피스톤 방식의 진공펌프는 피스톤의 행정거리에 따라 펌프의 진공압과 유량이 결정되므로, 감압용 및 농축기체 배출용 진공압과 유량을 조절하여 흡착탑의 길이 및 밸브 온(On)/오프(Off) 주기에 따라 장치의 기체 분리 효율을 최적화하여 사용할 수 있다.
한편, 기체 분리장치의 성능 및 효율은 진공펌프의 진공압, 흡착탑의 크기, 밸브 동작주기 등이 서로 연관성을 가지고 결정된다.
가령, 농축기체 배출용 흡입구의 진공압 및 유량이 반드시 큰 것이 고효율을 나타내지는 않는다.
그러므로, 장치 구성시 표현하고자하는 성능을 고려하여 각 부품의 적절한 선택이 필요하며, 전술된 서로 다른 행정거리를 갖는 피스톤으로 구성된 진공펌프는 기체분리 장치의 성능을 용도에 따라 용이하게 조절할 수 있는 장점이 있는 것이다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 종래기술에 따른 진공 스윙 흡착(VSA) 방식의 기체분리장치에서 버블펌프를 따로 두지 않고 하나의 진공펌프에서 독립된 두 개의 흡기 및 배기수단을 사용함으로서 장치의 구조가 간단하고 설치공간이 작아지는 효과가 있다.
또한, 진공펌프에 있는 두개의 피스톤의 행정거리를 달리함으로서 장치의 성능을 용이하게 조절할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (4)

  1. 대기압의 외부공기를 흡입하는 대기 흡입 필터와;
    상기 대기 흡입 필터에서 흡입된 외부공기를 개폐 및 차단하며, 상기 대기 흡입 필터의 출력단에 일측이 각각 연결된 두개의 삼방향 제 1과 2 밸브와;
    상기 삼방향 제 1과 2 밸브의 타측에 일측이 각각 연결되어, 기체를 분리하고 나머지 기체를 농축하는 제 1 과 제 2 흡착탑과;
    상기 제 1과 2 흡착탑의 타측에 연결되어 농축 기체를 흡입 및 배출하고, 상기 제 1과 2 밸브의 다른 하나의 타측에 연결되어 상기 분리된 기체를 흡입 및 배출하는 진공펌프로 구성된 기체 분리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기체 분리는,
    상기 제 1과 2 흡착탑 내부에 각각 장착된 흡착제에 의해 기체가 흡착되어 분리되는 것을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 진공펌프는,
    양측 각각에 한 쌍의 모터축들이 형성된 모터와;
    상기 모터의 모터축들 각각에 연결된 캠들과;
    상기 캠들의 회전으로 각각 직선 왕복 운동하는 피스톤들과;
    실린더 형태이며, 상기 피스톤들이 각각 실린더 내부에 삽입되어 있으며, 상기 실린더 외측으로 각각 흡입구와 배기구가 형성되어 있는 한 쌍의 헤더들로 구성 한 것을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 피스톤들의 각각의 행정 거리를 서로 다르게 구성하는 것을 특징으로 하는 기체 분리 장치.
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