KR910005944Y1 - 가스분리 추출장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

가스분리 추출장치

제 1a 도는 본 고안의 제 1 실시예에 관한 가스 분리추출장치의 유체 회로도, 제 1b 도 및 제 1c 도는 제 1a 도에서 도시된 펌프장치의 단면약도.

제 2 도는 본 고안의 제 1 실시예에 관한 밸런스밸브의 단면도.

제 3 도는 상기 가스분리 추출장치의 컨트롤러의 회로도.

제 4 도는 제 1a 도에 도시된 3방향 솔레노이드밸브의 타임챠트.

제 5 도는 밸런스밸브의 변형예를 나타낸 단면도.

제 6 도는 제 5 도에 도시된 판스프링의 평면도.

제 7 도는 본 고안의 제 2 실시예에 관한 가수분리 추출장치의 유체 회로도.

제 8 도 및 제 9 도는 제 2 실시예에 관한 가요성 튜브의 종단면도.

제 10 도는 제 9 도의 A-A에 따른 횡단면도.

제 11 도는 가스분리추출장치의 시험용 기구를 나타내는 유체 회로도.

제 12a 도 및 제 12b 도는 제 11 도에 도시된 펌프장치의 동작을 나타낸 단면약도.

제 13 도는 제 11 도에 도시된 가스분리추출장치의 컨트롤러의 회로도.

제 14 도는 제 11 도에 도시된 솔레노이드밸브의 타임차트.

본 고안은 압력스윙 사이클 흡착법(Pressure Swing Adsorption)에 의해서 공기나 각종의 혼합가스에서 소망하는 가스를 분리하는 가스 분리 추출장치와 그 장치용의 밸런스 밸브에 관한것이다.

제 11 도에는 본 고안자들에 의해서 이미 제안되어 있는 압력 스윙사이클 흡착법에 의하여 공지로 부터 산소를 분리하는 가스분리추출장치가 개시되어 있다.

이 가스분리추출장치는 가스분리용 탱크(1)와, 제 1 의 3방향 솔레노이드 밸브(2)와, 프리 피스톤 펌프 장치(3)와, 제 2 의 3방향 솔레노이드밸브 (4)를 구비하고 있다.

상기 가스분리용 탱크(1)는 혼합가스로서의 공기의 입구(6)와 분리된 산소의 출구(7)와, 불필요가스의 배출구(8)를 갖추고 있으며, 내부에는 가압상태에서 질소를 흡착하는 흡착제(10)가 수용되어 있다.

프리피스톤 펌프장치(3)는 제 12a, 12b 도에서와 같이, 흡입구(11) 및 토출구(12)와 연통하는 실린더(13)내에 스프링(14)에 의해 탄지 상태로서 프리피스톤(15)을 슬라이드 할수 있게 수용하고 있으며, 실린더(13)의 외주부에는 프리피스톤(15)을 스프링(14)의 탄지력에 대항하여 끌어당기는 전자석(16)이 배치되어 있다. 이 프리피스톤 펌프장치(3)에서, 제 12a 도에 도시된 바와같이 상업용 교류전원의 반파에 있어서는 전자석(16)이 구동되어 스프링(14)에 대항해서 프리피스톤(15)이 제 12a 도에 도시된 바와같이 좌방향으로 끌어 당겨졌을때 흡입밸스(17)가 열려서 공기가 실린더실(18)내로 도입되고, 그 다음에 전류방향이 바꾸어지는 다른 쪽의 반파에 있어서는 다이오드(16A)의 작용에 의해 전자석(16)의 구동이 정지되는데, 이때, 제 12b 도에 도시된 바와같이 프리피스톤(15)은 스프링(14)의 탄지력에 의해서 우방향으로 슬라이드 하여 실린더실(18)내의 공기를 압축시켜서 토출밸브(20)를 열어 그 공기를 토출구(12)에서 내보낸다. 상기 가스분리추출장치에 있어서, 프리피스톤펌프장치(3)는 진공펌프로서의 기능과 동시에 압축 컴프레서로서의 기능을 가지고 있다.

또한, 상기 가스분리 추출장치에 있어서, 제1의 3방향 솔레노이드밸브(2)는 가스분리용 탱크(1)의 배출구(8)를 프리피스톤 펌프장치(3)의 흡입구(11)로 유도하는 통로와, 공기를 받아 들여서 상기 흡입구(11)로 유도하는 통로와, 공기를 받아 들여서 상기 흡입구(11)로 유도하는 통로를 가지며, 제 11 도에 도시된 바와같이 상시(오프동작시)에는 오픈 상태를 유지하며, 공기를 받아들여서 흡입구(11)로 유도하고, 온 동작시에는 밸브 전환에 의해 탱크(1)의 배출구(8)를 흡입구(11)에 연통시킨다.

제2의 3방향 솔레노이드밸브(4)는 프리피스톤펌프장치(3)의 토출구(12)를 가스분리용탱크(1)의 입구(6)에 연통시키는 통로와, 이 토출구(12)를 공기중에 개방시키는 통로를 가지며, 제 11 도에 도시된 상시(오프동작시)에는 상기 토출구(12)를 가스분리용 탱크(1)의 입구(6)측에 연통시키고, 온 동작시에는 밸브전환에 의해 토출구(12)를 공기중에 개방시킨다.

따라서, 제1 및 제2의 3방향 솔레노이드밸브(2, 4)를 소정의 타이밍으로 온, 오프 제어하면, 프리피스톤 펌프장치(3)에 의해 가스분리용 탱크(1)의 감압공정과 가압공정을 되풀이 할수가 있다.

즉, 양 솔레노이드밸브(2, 4)의 오프 동작시에는 가스분리용 탱크(1)가 가압되며, 양 솔레노이드밸브(2, 4)의 온 동작시에는 가스분리용 탱크(1)가 감압된다.

이와같은 종류의 가스분리추출장치를 사용해서 공기중의 산소를 분리 추출하는 조작은 다음과 같이 행해진다.

먼저, 솔레노이드밸브(2, 4)를 오프동작 시킨 상태에서 프리피스톤 펌프장치(3)를 기동시키면, 제1의 3방향 솔레노이드밸브(2)로 부터 도입된 공기는 프리피스톤 펌프장치(3)의 실린더실(18)에서 압축되며(제 12b)도, 이 압축공기는 제2의 3방향솔레노이드밸브(4)를 통해서 가스분리기용 탱크(1)로 도입되어 가스분리용 탱크(1) 내부를 가압시킨다. 가스분리용 탱크(1) 내부가 소정의 압력에 이르게 되며, 공기중의 질소는 흡착제(10)에 흡착되어 가스분리용 탱크(1) 내부는 농축산소로서 채워진 상태가 된다. 이 상태에서 출구(7)를 열어 탱크(1)내의 산소가스를 끄집어 내므로써 공기중의 산소를 분리추출할 수가 있다.

다음에, 가스분리용 탱크(1)의 출구(7)를 닫고, 제1 및 제2의 3방향솔레노이드밸브(2, 4)를 온 동작시켜 프리피스톤 펌프장치(3)를 기동시키면, 가스분리용 탱크(1)내의 잔류가스는 실린더실(18)에 흡입된다(제 12a 도 참조). 따라서, 흡입된 잔류가스는 프리피스톤 펌프장치(3)의 동작에 의해 토출구(12)에서 솔레노이드밸브(4)로 도입되고 공기중에 배출되어 가스분리용 탱크(1) 내부는 감압되어 간다. 탱크내에 압력이 소정의 압력까지 감압되었을 때, 상기 흡착제(10)에 흡착되어 있었던 질소가 방출되기 시작하며, 이 방출된 질소가스를 주성분으로 하는 잔류가스는 제2의 3방향솔레노이드밸브(4)에서 공기중으로 배출된다. 다음에, 잔류가스는 완전히 배출되었을때, 상기 3방향솔레노이드밸브(2, 4)를 오프 동작으로 전환하면, 프리피스톤펌프장치(3)는 컴프레서로 동작하므로써, 가스분리용 탱크(1)내에 공기가 다시 가압공급된다.

이와같이, 3방향 솔레노이드밸브(2, 4)를 전환하여 가스분리용 탱크(1)의 가압동작과 감압동작을 되풀이하므로써 공기중의 산소가 계속하여 분리 추출된다.

그런데, 시험용 기구 사용시에 다음과 같은 문제가 발생되는 것이다. 상기 프리피스톤 펌프장치(3)의 프리피스톤(15)이 실린더(13)의 헤드측 단면(21)과 충돌하여 상호 충돌부분에 손상을 줄뿐만 아니라, 큰 충돌소음을 발생한다는 것이다. 이 원인을 규명하였던바, 솔레노이드밸브(2, 4)를 동시에 오프 동작시켜서 프리피스톤펌프장치(3)를 진공펌프동작에서 컴프레서 동작으로 전환시켰을때에, 실린더실(18)이 진공상태의 가스분리용 탱크(1)내를 통해서 감압되고, 그 결과, 프리피스톤(15)의 압축 이동에 대한 범퍼력(에어 쿠션작용)이 매우 약해지는 것이 그 원인인 것으로 판명되었다.

이와같은 문제를 해결하기 위해, 개량 시혐용 기구에서는, 제 11 도에서와 같이, 3방향 솔레노이드밸브(4)에서 가스분리용 탱크(1)로 이르는 통로에 분기부를 설치하고 그 분기통로(22)의 단부에 오리피스 및 오리피스의 전환밸브를 갖춘 2방향 솔레노이드밸브(5)를 개재시켜서 상시(오프 동작시)에는 분리통로(22)의 단부를 페쇄하고, 온 동작시에는 분리통로를 오리피스측으로 전환하여 이 오리피스를 통해서 공기중으로 개방하고, 프리피스톤장치(3)의 실린더(13) 내부를 대기압으로 되돌리려는 착상이다.

그러나, 이 개략 시험용 기구에서는 제 13 도에서와 같은 복잡한 제어회로가 필요하다. 이 회로에서 S1, S2, S3은 솔레노이드밸브를 뜻하며, T1, T2, T3은 솔레노이드밸브(S1, S2, S3)의 온동작 시간을 정하는 타이머이며, R1, R2, R3은 솔레노이드밸브(S1, S2, S3)를 온, 오프 시키기 위한 릴레이이다. 그리고, S, R, T에 붙여져 있는 첨자(1)는 제1의 3방향 솔레노이브밸브(S1, 2)를 동작시키는 회로임을 가르키며, 첨자(2)는 제2의 3방향 솔레노이드밸브(S2, 4)를 동작시키는 회로임을 나타내며, 첨자(3)는 2방향 솔레노이드밸브(S3, 5)를 동작시키는 회로임을 가르키며, 각 솔레노이브밸브(S1, S2, S3)는 제 14 도에서 표시한 시퀀스 제어가 행해지고 있다. 즉, 가스분리용 탱크(1)의 감압동작에서 가압동작의 전환시(솔레노이드밸브(2, 4)를 온 상태에서 오프상태로 전환할때)에 그 전환의 타이밍을 겹치지 않게 하여 S1보다도 S2를 시간(t)만큼 늦춰서 오프동작시킨다. 그리고, 그 t시간내에서 2방향 솔레노이드밸브(5), 즉, S3를 온 동작시킨다. 따라서, 제1의 3방향 솔레노이드밸브(2)가 오프 상태가 되어 공기를 받아들이더라도 그 가압공기를 가스분리용 탱크(1)로는 바로 보내지 않고 t시간만큼 제2의 3방향 솔레노이드밸브(4)에서 대기중으로 방출한다.

또한, 다른 한편으로는, 이 t시간내에서 2방향 솔레노이드밸브(5)를 열어 내부의 오리피스통로를 통해서 공기를 받아들이고 그 받아들인 공기를 분리통로(22)를 통해서 진공상태의 가스분리용 탱크(1)내로 일단 보내고 탱크(1)내의 압력을 높여 2방향 솔레노이드밸브(5)를 닫는다. 그리고, 제2의 3방향 솔레노이드밸브(4)를 오프하여 프리피스톤 펌프장치(3)으로 토출구(12)를 가스분리용 탱크(1)의 입구(6)에 연동시킨다.

이와같이, 가스분리용 탱크(1)의 내압을 높인 상태에서 실린더실(18)을 탱크(1)와 연통시키며, 프리피스톤(15)의 헤드측과 레일측의 압력차가 작아지며, 또한, 프리피스톤의 압축운동에 대항하는 실린더실(18)의 범퍼력이 조금은 강해지므로 프리피스톤(15)이 헤드측단면(21)에 충돌하는 일이 다소 적어지며, 상기 헤드측단면(21)과 프리피스톤(15)과의 충돌 부분의 손상이나 충돌 소음 문제는 일단 해소된다.

그렇다고는 하지만, 상기 개량 시험용 기구에 대해서, 내부에 오리피스통로를 가지는 2방향 솔레노이드밸브(5)를 설치하기 위해서는 그 솔레노이드밸브(5)를 구동하기 위한 별도의 전기회로를 추가해야 하므로 구성회로가 한층 더 복잡해지고 또한, 장치 설비에 있어서 고가의 비용이 든다는 문제점이 생긴다. 또한, 가스분리용 탱크(1)내의 진공을 대기압으로 되돌릴때에 오리피스를 거쳐서 공기를 가스분리용 탱크(1)로 유도하는 수단으로는, 프리피스톤(15)이 헤드측단면(21)과 충돌하지 않는 압력으로 높일때까지의 시간(t)이 너무 소요되어 작업효율이 저하한다는 문제가 있다. 또한, 2방향 솔레노이드밸브(5)의 온 동작시간(t)을 필요이상으로 길게하면 작업성이 그 만큼 저하하고, t가 너무 짧으면 프리피스톤(15)의 충돌이 일어나기 때문에 이 t의 적절한 시간을 정하는 것이 어렵고 장치를 구동하는 회로의 설계에는 세심한 주의가 필요하며, 시간이 소요된다.

본 고안의 목적은 가스분리용 탱크를 감압하는 공정에서 가압하는 공정으로 전환할때에 가스분리용 탱크내의 부압이 펌프장치에 전달되는 것을 저지하는 압력밸런스 밸브를 제공하는데 있으며, 또한, 상기 전환 조작시에 펌프 장치에서의 실린더내의 압력을 적절한 압력까지 단시간에 높이며, 펌프장치내에서 피스톤의 충돌이 발생하지 않는 가스분리추출장치를 제공하는데 있다.

본 고안의 목적은 아래의 가스분리 추출장치 및 장치용의 밸런스밸브에 의해서 달성된다. 즉, 이 가스분리 추출장치는, 흡입구, 배출구 및 혼합가스에서 특정의 가스성분을 흡착하는 흡착수단을 가지며, 이 혼합가스에서 상기 가스성분을 분리 추출하기 위한 탱크 수단과, 흡입구, 배출구, 실린더 및 이 실린더내에 수용된 피스톤을 가지며, 이 피스톤의 왕복동작에 의해서 상기 탱크 수단의 내부의 가압과 감압을 교대로 행하는 펌프수단과, 상기 탱크수단의 배출구와 상기 탱크수단의 흡입구와의 사이에 접속된 제1의 3방향 솔레노이드밸브와, 상기 펌프수단의 토출구와 상기 탱크수단의 흡입구와의 사이에 접속된 제2의 3방향 솔레노이드밸브와, 상기 제2의 3방향 솔레노이드밸브와 상기 탱크수단의 흡입구와의 사이에 접속되며, 상기 탱크수단이 감압상태에서 가압상태로 바꾸어질때에 이 탱크 수단과 상기 펌프 수단과의 사이의 차압을 서서히 해소하기 의한 압력 밸런스 수단을 구비하고 있다.

본 고안에서는 프리피스톤 펌프장치의 토출구와 가스분리용 탱크의 혼합가스의 입구와의 사이에 특유의 압력밸런스 수단이 설치되어 있으므로, 가스분리용 탱크의 감압배출동작에서 가압공급동작으로 이행할때에 이 밸런스 수단이 설치되어 있으므로, 가스분리용 탱크의 감압배출동작에서 가압공급동작으로 이행할때에 이 밸런스 수단이 압력완화작용을 행하며, 가스분리용 탱크의 진공압이 프리피스톤 펌프장치의 토축구측에 직접미치는 일은 없다. 따라서, 실린더실의 범퍼력의 저하가 방지되며, 프리피스톤이 실린더의 헤드측단면에 충돌하는 등의 피해는 확실하게 방지된다.

또한, 가스분리용 탱크가 감압배출동작에서 가압공급동작으로 전환될때에, 프리피스톤 펌프장치에서 공급되는 혼합가스외에도 밸런스 수단의 가스도입구멍에서 대량의 혼합가스가 가스 분리용 탱크로 공급되므로 가스분리용 탱크의 진공파괴가 아주 순식간에 행해져서 이로인해, 가스분리작용의 효율화가 대폭적으로 개선되게 된다. 또한, 압력밸런스 수단의 구성은 대단히 간이하며, 따라서, 이 밸런스 수단을 조립하여 구성되는 가스분리장치의 구성도 간이해지며, 장치의 비용도 절감시킬수가 있다.

본 고안의 바람직한 실시예에서는 제1, 제2의 3방향 솔레노이드 밸브를 구동하여 오프상태로 하면, 프리피스톤 펌프장치는 가스분리용 탱크에 대해 감압동작에서 혼합가스의 가압동작으로 전환된다.

이 동작전환시에는 가스분리용 탱크내부는 진공상태에 있으므로, 밸런스밸브의 가압밸브는 당해 밸브자체의 폐쇄력(예컨대, 스프링에 의한 폐쇄력과 자중의 힘)과 가스분리용 탱크측의 부압력에 의해서 가압가스의 유입구와 가압가스의 유출구를 차단하고 있다. 따라서, 프리피스톤 펌프장치의 토출구측이 가스분리용 탱크내의 부압력의 영향을 받는 일이 없으므로 프리피스톤 펌프장치의 실린더내에서는 피스톤 쇼크가 발생하지 않는다.

이 프리피스톤 펌프장치에 의한 가압동작의 개시에 의해서 펌프장치에서 가압된 가스의 압력이 상기 가압밸브의 폐쇄력을 이기게 되면, 이 가압밸브가 열리고 가압가스의 밸런스밸브의 밸브실에 순간적으로 들어간다. 가압밸브가 열리면, 가스분리용 탱크내의 부압력이 밸브실내에 미쳐서 밸브실은 혼합가스의 압력보다 저압상태로 되게 하므로 그 차압에 의해서 부압밸브가 열린다. 이 부압밸브의 개방에 의해서 혼합가스도입구로 부터 대량의 혼합가스 즉, 공기가 밸브실로 들어가고, 밸브실은 순식간에 대기압으로 된다. 상기 도입구에서 밸브실로 들어간 혼합가스는 가압가스의 유입구에서 공급되는 혼합가스와 함께 가압가스의 유출구를 통해서 가스분리용 탱크에 보내진다. 이 대량의 혼합가스 유입으로 당해 가스분리용 탱크는 순식간에 혼합가스압력이 발생되어, 이후 상기 프리피스톤 펌프장치의 동작으로서 가압상태로 되돌아가게 된다. 이와같이 해서, 가압상태가 되면 밸브실내의 압력이 혼합가스압력보다 높아지므로 혼합가스의 도입구에 설치된 부압밸브는 폐쇄된다. 한편, 프리피스톤 펌프장치에서 보내진 가압된 혼합가스는 계속해서 분리용 탱크에 보내지고 당해 가스분리용 탱크내에서 혼합가스는 가압상태가 되고 탱크내에 수용된 흡착제의 흡착작용으로 흡착되어 소망하는 가스만이 분리 추출된다. 추출된 가스는 출구에서 수집된다.

이하 도면을 참조하면서 본 고안의 실시예에 대해서 설명한다.

제 1a 도에서와 같이 본 고안의 제1실시예에 관한 가스분리추출장치는 가스분리용 탱크(1), 제1의 3방향 솔레노이드밸브(2), 프리피스톤 펌프장치(3), 제2의 3방향 솔레노이드밸브(4) 및 밸런스밸브(23)를 구비하고 있다.

상기 가스분리용 탱크(1)는 혼합가스로서의 공기의 입구(6), 분리한 산소의 출구(7), 불필요 가스의 배출구(8)를 구비하고 있으며, 내부에는 가압상태에서 질소를 흡착하는 흡착제(10)가 수용되어 있다.

프리피스톤 펌프장치(3)는 제 1b, 1c 도에서와 같이 흡입구(11)와 토출구(12)에 연통하는 실린더(13)내에 스프링(14)에 의해 탄지 상태로 프리피스톤(15)을 슬라이딩 할수 있게 수용하고 있으며, 실린더(13)의 외주부에는 당해 프리피스톤(15)을 스프링(14)의 탄지력에 대항하여 끌어 당기는 전자석(16)이 배치되어 있다. 이 프리피스톤 펌프장치(3)에서는 제 1b 도에서와 같이 상업용 교류전원의 반파에서 전자석(16)이 구동되어 스프링(14)에 대항해서 프리 피스톤(15)이 제 1b 도에서와 같이 왼쪽방향으로 끌어 당겨졌을때 흡입밸브(17)가 열려서 공기가 실린더실(18)내로 도입되고, 다음에 전류방향이 바꾸어지는 다른쪽의 반파에서 다이오드(16A)의 작용에 의해 전자석(16)의 구동이 정지되며, 이때, 프리피스톤(15)은 스프링(14)의 탄지력에 의해서 제 1c 도에서와 같이 오른쪽으로 슬라이딩하여 실린더실(18)내의 공기를 압축하고 토출밸브(20)가 열려서 그 공기를 토출구(12)에서 내보낸다. 상기 가스분리 추출장치에서는 이 프리피스톤 펌프장치(3)가 진공펌프로서의 기능과 동시에 압축 컴프레서로서의 기능을 하고 있다.

또한, 상기 가스 분리 추출장치에서, 제1의 3방향 솔레노이드밸브(2)는 가스분리용 탱크(1)의 배출구(8)를 프리피스톤 펌프장치(3)의 흡입구(11)로 유도하는 통로와 공기를 받아들여서 상기 흡입구(11)로 유도하는 통로를 가지고 있으며, 제 1a 도에서의 상시(오프 동작시)에는 오프 상태를 유지하고 공기를 받아들여서 흡입구(11)로 유도하고, 온동작시에는 밸브 전환에 의해 탱크(1)의 배출구(8)를 흡입구(11)에 연통시킨다.

제2의 3방향 솔레노이드밸브(4)는 프리피스톤 펌프장치(3)의 토출구(12)를 가스분리용 탱크(1)의 입구(6)로 연통시키는 통로와, 이 토출구(12)를 공기중에 개방하는 통로를 가지고 있으며, 제 1a 도에서와 같이 상시 (오프동작시)는 상기 토출구(12)를 가스분리용 탱크(1)의 입구(6)에 연통시키고 온 동작시에는 밸브의 전환에 의해 토출구(12)를 공기중에 개방한다.

따라서, 제1 및 제2의 3방향 솔레노이드밸브(2, 4)를 소정의 타이밍으로 온, 오프하면, 프리피스톤 펌프장치(3)에 의해 가스분리용 탱크(1)의 감압동작과 가압동작을 되풀이하여 행할수가 있다.

즉, 양 솔레노이드밸브(2, 4)의 오프동작시에는 가스분리용 탱크(1)가 가압되고, 양 솔레노이드밸브(2,4)의 온 동작시에는 가스분이용 탱크(1)가 감압된다.

본 고안에 관한 가스분리 추출장치를 사용해서 공기중의 산소를 분리 추출하는 조작은 다음과 같이 행해진다.

먼저, 솔레노이드밸브(2, 4)를 오프 동작시킨 상태에서 프리피스톤 펌프장치(3)를 기동시키면, 제1의 3방향 솔레노이드밸브(2)에서 도입된 공기는 프리피스톤 펌프장치(3)의 실린더실(18)에서 압축되며(제 1c 도 참조), 이 압축 공기는 제2의 3방향 솔레노이드밸브(4)를 통해서 가스분리용 탱크(1)로 들어가고, 이 가스분리용 탱크(1) 내부를 가압한다. 가스분리용 탱크(1) 내부가 소정의 압력이 되면 공기중의 질소는 흡착제(10)에 흡착되고 가스분리용 탱크(1) 내부는 농축산소로서 채워진 상태가 된다. 이 상태에서 출구(7)를 열고 탱크(1)내의 산소가스를 끄집어 내므로써 공기중의 산소를 분리 추출할 수가 있다.

다음에, 가스분리용 탱크(1)의 출구(7)를 닫고, 제1, 제2의 3방향 솔레노이드 밸브(2, 4)를 온 동작시켜서 프리피스톤 펌프장치(3)를 기동시키면, 가스분리용 탱크(1)내의 잔류가스는 실린더실(18)로 흡입된다(제 1b 도 참조).

따라서, 흡입된 잔류가스는 프리피스톤 펌프장치(3)의 동작에 의해서 토출구(12)에서 솔레노이드밸브(4)로 유도되어 공기중으로 배출되어 가스분리용 탱크(1) 내부는 감압되어간다. 탱크내의 압력이 소정의 압력까지 감압되었을 때, 상기 흡착제(10)에 흡착되어 있는 질소의 방출이 개시되고 이 방출된 질소가스를 주성분으로 하는 잔류가스는 제2의 3방향 솔레노이드밸브(4)로 부터 공기중으로 배출된다.

다음에, 잔류가스의 배출이 완료되었을때에 상기 3방향 솔레노이드밸브(2, 4)를 오프 동작으로 전환시키면, 프리피스톤 펌프장치(3)는 컴프레서로서 동작하게 되어 가스분리용 탱크(1)내에 공기가 다시 가압 공급된다.

이와같이, 3방향 솔레노이드밸브(2, 4)를 전환시켜서 가스분리용 탱크(1)의 가압동작과 감압동작을 되풀이하므로써 공기중의 산소를 연속적으로 분리 추출한다.

다음에, 본 고안에 관한 밸런스 밸브에 대해서 설명한다.

제 2 도에는 밸런스밸브(23)를 상세히 나타내는 단면도가 도시되어 있다. 이 도면에서, 밸런스밸브(23)의 밸브 본체는 소켓 형상의 소켓 하우징(24)과 이 소켓 하우징(24)의 0링(26)을 통해 기밀하게 끼워 맞춰 고정시킨 플러그 형상의 플러그 하우징(25)으로 구성되는데, 이 밸브 본체의 내부에는 밸브실(29) 형성되어 있다.

상기 소켓 하우징(24)의 단벽(27)의 중앙에는 슬라이드구멍(28)이 관통되어 설치 되어 있고, 이 슬라이드구멍(28)의 둘레에는 가스도입구멍(30)이 동일원주상에 배치 형성되어 있다. 그리고, 단벽(27)의 내측에는 상기 가스도입구멍(30)을 둘러싼 링 형상의 밸브자리(32)가 돌출 설치되어 있다. 또한, 소켓 하우징(24)의 둘레벽(31)에는 호스등의 접속용의 통(39)이 외측을 향해 돌출 설치되어 있으며, 이 통(39)은 가스분리용 탱크(1)의 입구(6)에 호스등을 거쳐서 여녈되는 가압가스 유출구멍(19)을 가지고 있다.

상기 가스도입구멍(30)은 부압밸브(33)에 의해서 개폐된다.

이 부압밸브(33)는 원판상의 밸브판(34)과 그 중심부에서 돌출설치된 밸브레버(35)를 가지며, 밸브레버(35)는 밸브실(29)측으로 부터 슬라이드 구멍으로 슬라이딩 할수 있게 삽입되며, 그 삽입선단부는 단벽(27)을 관통해서 밖으로 돌출 되어 있다. 또한, 밸브 레버(35)의 선단부에는 스프링 받침(36)이 부착되어 이 스프링 받침(36)과 단벽(27) 사이에 압축상태의 스프링(37)이 끼워져 있다. 상기 밸브판(34)에는 고무판등의 시일(38)이 부착되고 상시 스프링(37)의 탄지력에 의해서 시일(38)의 면은 밸브자리(32)에 압접되어 가스도입구멍(30)을 패쇄하고 있다.

한편, 플러그 하우징(25)이 밸브실(29)과 인접하는 단부에는 직경이 비교적 큰 밸브삽입구멍(40)이 형성되어 있고, 이 밸브 삽입구멍(40)의 외측에는 동심환상의 구멍(49)이 형성되어 있다. 이 구멍(49)은 상기 통(49)의 구멍과 연통되어서 가압가스유출구멍(19)의 일부를 형성하고 있다

또한, 상기 밸브 삽입구멍(40)에는 가압밸브(41)가 끼워 넣어져 있다. 이 가압밸브(41)에는 폐쇄판(42)과 그 중앙부에서 수직방향으로 돌출 설치된 슬라이딩통(43)을 가지며, 이 슬라이딩통(43)의 기단측 둘레벽에는 원주상으로 등간격으로 복수의 연통구멍(44)이 형성되어있다. 그리고, 플러그 하우징(25)에 대향하는 폐쇄판(42)의 차양면에는 고무판등의 시일(45)이 부착되어 있다. 이 폐쇄판(42)의 상면의 중앙부에는 스프링받침돌출부(46)가 형성되어 있고 이 돌출부(46)에 압축상태의 탄지 스프링(47)의 일단이 끼워 맞춰져 결러져있고 이 스프링(47)의 타단은 단벽(27)에 걸려있다.

이 가압밸브(41)의 부착상태에서, 가압밸브(41)는 탄지스프링(47)에 의해 플러그 하우징(25)에 대해서 탄지되고 상기 밸브 삽입구멍(40)과 가압가스유출구멍(19)을 시일(45)에 의해서 폐쇄시키고 있다.

플러그 하우징(25)의 타단부에는 호스등을 접속하는 통부(48)가 밖을 향해 형성되어 있다. 이 통부(48)내의 통구멍(50)은 상기 밸브 삽입구멍(40)에 연통되고 양 구멍(40, 50)은 가스의 유입구멍(51)을 형성하고 있다.

상기 밸런스밸브(23)의 유입구멍(51)은 호스등의 사용으로 제2의 3방향 솔레노이드밸브(4)로 연통되고 가압가스 유출구멍(19)이 마찬가지로 호스등의 사용으로 가스분리용 탱크(1)의 입구(6)에 연통되어 있다. 이 밸런스밸브(23)에서, 가스분리용 탱크(1)의 감압배출상태에서 가압공급상태로 바꾸어질때에, 가압밸브(41)는 진공상태에 있는 탱크로 부터의 흡인력과 탄지스프링(47)의 탄지력과, 자중에 의해서 폐쇄방향의 힘을 받아 그 한쪽에서 유입구멍(51)으로 보내어지는 가압공기에 의해 밀어올림력을 받는다. 본 실시예에서는 유입구멍(51)의 개구단면적을 가압가스유출구멍(19)의 개구단면적보다도 충분히 크게하고 있으므로 유입구멍(51)으로 가압공기가 도입되어 소정의 압력으로 높아졌을때는 상기 가압밸브(41)의 폐쇄방향의 힘을 이겨내서 당해 가압밸브(41)가 열린다.

상기와 같이 구성되는 본 실시예의 가스분이 장치에 있어서, 제 4 도에서와 같이 3방향 솔레노이드 밸브〔(S1, 2), (S2, 4)〕는 온동작뿐만 아니라, 오프 동작도 동시에 행해진다.

솔레노이드밸브(2, 4)의 온 동작시에는 종래예와 마찬가지로 가스분리용 탱크(1)내의 감압동작이 행해져서 프리피스톤 펌프장치(3)에 의해 진공 흡인되는 탱크(1)내의 잔류가스는 제2의 3방향 솔레노이드 밸브(4)로 부터 밖으로 배출된다.

다음에, 가스분리용 탱크(1)의 가압동작시에는 양 솔레노이드 밸브(2,4)가 동시에 오프 동작되는데 이 동시 오프동작에 있어서 종래예에서 볼수 있는 프리피스톤(15)의 헤드측 단면(21)으로의 충돌 현상은 밸런스밸브(23)의 작동에 의해 다음과 같이 방지된다.

먼저, 양 솔레노이드 밸브(2, 4)가 오프 동작을 행하기 직전에는 가스분리용 탱크(1)가 진공상태에 있으므로 가압밸브(41)는 가압가스 유출구멍(19)을 통해서 진공흡인력을 받고, 다시 탄지스프링(47)의 누르는 힘과 자중을 받아서 플러그 하우징(25)의 단면에 압접하여 흡입구멍(51)과 가압가스유출구멍(19)을 폐쇄하고 있다. 이 상태에서, 솔레노이드 밸브(2, 4)가 오프동작하면, 유입구멍(51)은 프리피스톤 펌프장치(3)의 토출구(12)로 통하고 이 프리피스톤 펌프장치(3)으로 부터의 압축된 공기가 가압밸브(41)를 밀어 올리려 한다.

이때, 가압밸브(41)는 탱크(1)로부터의 흡인력과 탄지 스프링(47)의 탄지력과 자중에 의한 폐쇄력에 의해서 폐쇄되어 있으나, 프리피스톤 펌프장치(3)로부터의 압축공기의 압력이 높아져서 상기 폐쇄력을 이겨냈을때, 가압밸브(41)가 열려서 가압된 공기가 밸브실(29)로 들어가게 된다. 이와 동시에, 가압밸브(41)의 밀어 올림에 의해 가압가스 유출구멍(19)이 개방되고 밸브실(29)이 진공 상태의 가스분리용 탱크(1)로 통하게 되므로 밸브실(29)은 탱크(1)로 부터 진공흡인을 받는다.

즉, 밸브실(29)은 유입구멍(51)으로 부터 들어오는 가압공기에 의한 압력상승작용과 가압가스 유출구멍(19)측으로 끌어 당기는 압력 강하작용을 동시에 받는데, 이 압력 강하 작용이 최초에는 이겨내나, 밸브실(29)의 압력은 가스도입구멍(30)측의 압력(본 실시예에서는 주위의 대기압)보다도 강하한다. 그 결과, 밸브실(29)과 외기와의 차압에 의해서 부압밸브(33)가 열리고 대량의 공기가 가스 도입구멍(30)을 통해서 밸브실(29)로 들어간다. 그리고, 이 가스도입구멍(30)에서 드어가는 공기와 상기 유입구멍(51)에 들어가는 공기가 가압가스유출구멍(19)을 통해서 가스분리용 탱크(1)내로 대량으로 들어간 결과, 탱크(1)내의 압력이 순식간에 상승한다. 이 진공파괴시에, 프리피스톤 펌프장치(3)의 실린더실(18)은 진공상태의 분리용 탱크(1)와 직결되는 일이없이 밸브실(29)을 통하여 간접적으로 연통한다.

그리고, 밸브실(29)에는 대량의 공기가 가스도입구멍(30)으로부터 도입되어 밸브실(29)의 압력강하가 완화된다. 말하자면, 밸브실(29)은 가스분리용 탱크(1)의 진공압이 실린더실(18)에 직접 전달되는 것을 회피하는 압력완화실로서의 기능을 한다. 따라서, 솔레노이드 밸브(2,4)가 동시에 오프동작하더라도 실린더실(18)이 감압되어서 프리피스톤(15)에 대한 범퍼력이 약해지는 일은 없고 프리피스톤(15)을 헤드측단면(21)으로의 충돌 현상은 생기지 않는다.

상기 가스분리용 탱크(1)의 진공파괴완료시에는 밸브실(29)의 압력은 거의 대기압에 가깝게 회복하고 있으므로 부압밸브(33)는 스프링(37)으로 탄지력을 받아서 가스 도입구멍(30)을 폐쇄한다. 이 가스도입구멍(30)의 폐쇄후에는 유입구멍(51)으로 부터 공급되는 가압 공기는 가압가스 유출구멍(19)을 통해서 가스분리용 탱크(1)로 보내져서 탱크(1)의 압력상승에 의해, 목적으로 하는 산소의 분리 추출이 행해진다.

그런데, 본 실시예의 가스분리장치는 제 3 도에서와 같은 회로에 의해서 제1 및 제2의 3방향 솔레노이드 밸브[(S1, 2), (S2, 4)]의 구동이 행해지고 있다. 따라서, 제 3 도에서와 같이 본실시예에서는 회로구성이 대단히 간이화된다.

또한, 본 실시예에서는 앞에서도 말한것처럼, 3방향 솔레노이드밸브(2, 4)가 동시에 온, 오프 조작되므로 회로 설계도 대단히 용이해진다.

제 5 도에는 밸런스 밸브(23)의 변형예가 제시되어 있다. 제 5 도에서와 같은 밸런스 밸브(23)는 간이한 스테인레스강등의 스프링(52)으로 이루어진 부압밸브(33)를 구비하고 있다. 이 판스프링(52)에서는 제 6 도에서와 같이, 링 형상 가장자리(52A)에서 중심을 향해서 탄성요곡성부(52B)를 신장시켜서, 그 선단부에 가스도입구멍(30)을 폐쇄하는 폐쇄판부(52C)를 설치하고 있다.

그리고, 이 판스프링(52)의 가장자리(52A)가 리테이너등의 유지수단(55)에 의해서 눌려져서 소켓 하우징(2)의 단벽에 고정되어 있다.

이 판스프링(52)은 부압밸브(33)로 사용되므로써 상기 제 2 도의 밸런스밸브(23)보다도 신속하게 탱크(1)의 진공파괴를 행할수가 있다. 즉, 상기 제 2 도에서의 밸런스밸브(23)의 경우는 부압밸브(33)의 기밀성이 뛰어나기 때문에 가스분리용 탱크(1)의 감압배출중(솔레노이드밸브(2, 4)의 온 동작중)에는 밸브실(29)내에 갇혀있는 비교적 높은 압력의 공기가 가스도입구멍(30)으로 부터 밖으로 누출되는 일이 없다. 이로인해, 가스분리용 탱크(1)가 가압동작으로 전환되었을때에는 부압밸브(33)가 열리는 차압으로 될때까지 밸브실(29)의 압력이 강하하는데 다소 시간이 걸린다.

이에 대해서, 부압밸브(33)를 판 스프링(52)으로 한 제 5 도의 밸런스밸브(23)에서는 가스도입구멍(30)의 폐쇄가 완벽하지 못하므로 가스분리용 탱크(1)의 감압배출중에 밸브실(29)에 갇혀져 있는 비교적 높은 압력의 공기가 가스도입구멍(30)에서 누설되어 가스분리용 탱크(1)의 가압동작으로 옮겨질때까지는 대기압보다도 약간 높은 압력까지 저하된다. 이로인해, 탱크(1)가 가압동작으로 전환되었을때에는 탱크(1)측으로 부터의 흡인에 의해 밸브실(29)은 순간적으로 부압밸브(33)가 열리는 차압까지 강하하게 되어 산소분리작용의 작업성이 더욱 개선되어진다.

그리고, 본 고안은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고 , 여러 가지의 실시의 양태를 취할수 있다. 예를 들면, 상기 실시예에서는 혼합가스로서 공기를 사용하여 이 공기에서 산소를 분리했는데, 이혼합가스의 종류는 코크스로 가스, 전로가스, 연소배가스등 여러가지의 가스를 사용할수가 있으며, 또한 이에 따라서 수소, 일산화탄소, 이산화탄소등 여러가지의 특정 가스를 분리 추출시킬수가 있다. 이때, 밸런스밸브(23)가 이들 혼합가스속에 위치하고 있지 않을 경우는 가스 도입구멍(30)을 호스등을 사용해서 당해 혼합가스와 연통시키게 된다. 또한, 흡착제(10)는 사용하는 혼합가스에 따른 종류의 것이 사용되다.

다음에, 본 고안에 관한 가스분리 장치의 제2실시예에 대해서 설명한다.

이 가스분리 장치에서는 제 7 도에서와 같이 제2의 3방향 솔레노이드밸브(4)와 가스분리용 탱크(1)의 가스입구(6) 사이에 적당한 길이, 내경, 두께의 가요성 튜브(61)가 설치되어 있다.

이 튜브(61)는 제 8 도에서와 같이 가스분리용 탱크(1) 측으로 통하는 관로(62A)와 제2의 3방향 솔레노이드 밸브(4)측으로 통하는 관로(62B)에 끼워 맞춰져 고정되어 있다. 이 튜브(61)는 가스분리용 탱크(1)에서 프리피스톤펌프장치(3)에 이르는 관로내의 압력이 피스톤 쇼크를 일으키는 저압력에 달하기 전에 관로의 일부를 폐쇄시키기 위해 설치되어 있다. 따라서, 이 튜브(61)는 진공흡인력에 의해서, 예컨대, 제 9 도에서와 같이 쉽게 납작하게 찌부러져 변형되는 것이 필요하다. 그래서, 튜브(61)는 유연성을 가지는 것이 사용되며, 이 실시예에서는 고무튜브나 플라스틱 튜브가 사용되고 있다.

거기에 대해서, 튜브(61)의 전후에 가스분리용 탱크(1)나 제2의 3방향 솔레노이드 밸브(4)에 접속하는 관로(62A, 62B)는 요곡성을 가지더라도, 부압력에 의해서 찌부러지지않는 튜브나 강체의 파이프가 사용되고 있다. 그리고, 튜브(61)의 직경, 두께, 길이 강성등은 프리피스톤 펌프장치(3)의 흡인, 가압의 성능에 대응시켜서 설정하는데, 프리피스톤 펌프장치(3)가 비교적 피스톤 쇼크를 일으키기 쉬운 것일때는 작은 진공흡인력으로서도 쉽게 찌부러져 변형을 일으키기가 쉽도록 튜브의 직경을 크게 한다든가, 두께를 얇게 한다든가, 또는 길이를 길게 한다든가 하는 필요가 있다. 이것과는 반대로, 피스톤쇼크를 일으키기 어려운 장치에 대해서는 튜브의 직경을 젝가 한다든가, 두께를 두껍게 한다든가, 또는 길이를 짧게 한다든가해서 찌부러지는 변형에 대한 저항력을 크게 할 필요가 있다.

다음에, 제2실시예의 피스톤 쇼크 방지 작용에 대해서 설명한다.

먼저, 프리피스톤 펌프장치(3)가 감압동작상태에 있을때에는, 가스분리용 탱크(1)내의 공기는 제1의 3방향 솔레노이드밸브(2)를 통하여 펌프장치로 흡인되어 제 2의 3방향 솔레노이드밸브(4)를 거쳐서 대기중으로 방출되므로 점차로 감압되어간다. 또한, 이 제2의 3방향 솔레노이드밸브(4)는 가스분리용 탱크(1)의 가스입구(6)로 통하는 관로(62B)측을 폐쇄하고 있으므로, 상기 가스분리용 탱크(1) 내부가 감압되면 이때의 부압력은 튜브(61)에 영향을 미쳐서 이 흡인력에 의해 튜브(61)는 제 10 도에서와 같이 납작하게 찌부러진다.

다음에, 3방향 솔레노이드밸브(2, 4)가 온동작에서 오프 동작상태로 바꾸어지면, 제1의 3방향 솔레노이드 밸브(2)는 가스분리용 탱크(1)로 통하는 밸브를 닫고 대기로 통하는 밸브를 열며, 또한 제2의 3방향 솔레노이드 밸브(2)는 가스분리용 탱크(1)로 통하는 밸브를 닫고 대기로 통하는 밸브를 열며, 또한 제2의 3방향 솔레노이드 밸브(4)는 가스분리용 탱크(1)로 통하는 밸브를 열고 대기로 통하는 밸브를 닫으므로 프리피스톤 펌프장치(3)는 감압동작상태에서 가압동작상태가 된다. 이렇게 하여, 상기 가스분리용 탱크(1)의 감압시에는 탱크(1)와 제2의 3방향 솔레노이드밸브(4)를 연결하는 관로(62A, 62B), 적어도 관로(62A)는 감압하에 있으므로 프리피스톤 펌프장치(3)가 상기와 같이 가압동작으로 전환되는 순간에 가스분리용 탱크(1) 내부와 관로(62A)내의 부압력이 프리 피스톤 펌프장치(3)에 영향을 주지만, 튜브(61)가 찌부러져 있으므로 가스분리용 탱크(1)내의 부압력이 펌프장치(3)의 실린더실(18)내에 잔류하는 공기를 흡인하는 작용을 생기지 않는다. 즉 펌프장치(3)의 토출측이 대기압에 가까운 압력으로 유지되어 있으나 다른쪽에서는 상기 튜브(61)가 여전히 찌부러져 있으므로 프리피스톤 펌프장치(3)가 가압동작으로 바꾸어 졌을때, 펌프장치(3)의 실린더실(18)은 부압력으로는 되지 않으며, 가압가스분리용 탱크(1)를 향해서 토출된다. 이때, 가압가스는 튜브(61)의 약간의 틈(63)을 통하여 가스분리용 탱크(1)내로 들어가게 되므로, 프리피스톤 장치(3)의 토출구측에는 이틈(63)을 통과할때의 가압가스의 저항이 부하압력으로 되어 실린더실(18)에 설치된 토출밸브(20)에 대해 실린더헤드(21)를 향해서 이동하는 프리피스톤(15)의 상부사점에서 범퍼력으로서 작용한다.

이 범퍼력을 받은 프리피스톤(15)은 압축이동 방향으로의 오버런일 제지되고 프리피스톤(15)이 실린더헤드(21)에 충돌하는 사태를 완전히 회피할수 있다.

이 프리피스톤(15)의 실린더헤드(21)으로의 충돌이 회피된 상태에서 프리피스톤 펌프장치(3)는 정상으로 작동하고 실린더실(18)내에서 생긴 가압가스는 튜브(61)의 상기 틈(63)을 점차로 가압해서 튜브(61)를 원형으로 복귀시키면서 가스분리용 탱크(1)내로 공급된다.

가압가스의 공급을 받은 가스분리용 탱크(1)의 내부압력은 서서히 상승하며, 한편, 상기 프리피스톤 펌프장치(3)의 실린더실(18)에 미치는 피스톤 쇼크를 일으키는 힘도 서서히 약해져 간다. 이와같이 해서, 프리피스톤 펌프장치(3)의 가압동작이 진행하여 가스분리용 탱크(1)내의 압력이 급속하게 높아지면, 소망하는 가스의 분리가 행해진다. 즉, 본 실시예에서는 상기 실시예에 한정됨이 없이 제 7 도에 점선으로 표시한 것같이 가요성튜브(61)를 프리 피스톤 펌프장치(3)와 제2의 3방향 솔레노이드 밸브(4)와의 사이에 추가 설치해도 좋다.

Claims (3)

1. 입구(6), 출구(7), 혼합가스로부터의 특정의 가스성분을 흡착하는 흡착수단(10)을 가지며, 이 혼합가스로 부터 상기 가스성분을 분리 추출하기 위한 탱크 수단(1)과, 흡입구(11), 토출구(12), 실린더(13), 및 실린더내에 수용된 피스톤(15)을 가지며, 이 피스톤의 왕복동작에 의해서, 상기 탱크 수단(1)의 내부의 가압과 감압을 교대로 행하는 펌프 수단(3)과, 상기 탱크수단(1)의 배출구(8)와 상기 펌프수단(3)의 흡입구(11) 사이에 접속된 제1의 3방향 솔레노이드밸브(2)와, 상기 펌프수단(3)의 토출구(12)와 상기 탱크 수단(1)의 입구(6)사이에 접속된 제2의 3방향 솔레노이드밸브(4)를 구비한 가스분리 추출장치에 있어서, 상기 제2의 3방향 솔레노이드밸브(4)와 상기 탱크수단(1)의 입구(6) 사이에 접속되며, 상기 탱크수단(1)이 감압상태에서 가압상태로 전환될때에, 이 탱크 수단(1)과 상기 펌프수단(3) 사이의 차압을 서서히 해소하기 위한 압력 밸런스 수단(23, 61)을 구비하는 가스분리 추출장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 압력 밸런스수단은 밸런스 밸브(23)를 가지고 있으며, 이 밸런스 밸브(23)는 밸브실(29)과, 이 밸브실내에 혼합가스를 도입하기위한 부압밸브수단(33)과, 상기 탱크수단(1)이 감압상태에서 가압상태로 전환될때에 이 탱크 수단의 입구(6)와 밸브실(29)과의 연통을 차단하기 위한 가압밸브수단(41)을 구비하는 가스분리 추출장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 압력 밸런스수단은 가요성튜브(61)를 가지며, 이것으로 상기 탱크수단(1)의 감압시에 상기 제2의 3방향 솔레노이드밸브(4)와 상기 탱크수단(1)의 입구(6) 사이의 통로가 폐쇄되고, 또한, 상기 탱크수단(1) 내부가 부압에서 정압으로 전환될때에 탱크 수단(1) 내의 부압에 의해서 상기 가스통로의 폐쇄가 일시적으로 유지되는 가스분리추출장치.