KR101069804B1 - 무전원공급방식 오토 사이클링 밸브 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 오토 사이클링 밸브는, 직선운동하는 구동 에어실린더(201); 구동 에어실린더(201)의 직선운동을 회전운동으로 바꾸어주는 운동전환수단(202, 203); 운동전환수단(202, 203)에 의해 회전하는 캠 샤프트(204); 캠 샤프트(204)에 설치되는 복수개의 구동캠(204a-204d); 기체를 공급받고 이를 외부를 배출하되 구동캠(204a-204d)의 회전에 의한 기계적 눌림에 의해 온-오프가 결정됨으로써 상기 기체를 외부로 배출하도록 구동캠(204a-204d)에 일대일 대응하여 설치되는 복수개의 기계적 작동밸브(404a-404d) ; 및 기계적 작동밸브(404a-404d)에서 배출되는 기체의 압력에 의하여 온-오프가 결정되도록 기계적 작동밸브(404a-404d)에 일대일 대응하여 설치되는 복수개의 포펫 밸브(504a-504d); 를 구비하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 공압에 의해 구동되는 구동캠의 형상에 의하여 포펫밸브의 온-오프 싸이클이 자동 제어되므로 종래와 같이 솔레노이드 밸브를 사용할 필요가 없게 된다. 따라서 전기제어수단도 필요없다. 또한 하나의 블록으로 형성가능하기 때문에 설치시에 배관 구성이 복잡하지 않게 되어 산소발생기의 제작 소요시간이 단축되고 비용도 절감된다.

오토 사이클링 밸브, PSA, 산소발생기, 솔레노이드, 에어실린더, 공압

Description

무전원공급방식 오토 사이클링 밸브{Non-electric power supply type auto cycling valve}

본 발명은 오토 사이클링 밸브(auto cycling valve)에 관한 것으로서, 특히 유체의 흐름을 솔레노이드 방식이 아닌 유체 압력과 유량을 이용하여 제어하는 무전원공급방식 오토 사이클링 밸브에 관한 것이다.

PSA(pressure swing adsorption) 공정이란 가열이나 냉각을 하지 않고 분자필터(molecular sieve)를 이용하여 기체의 혼합물을 분리하는 공정기술로, 에너지 소비가 적으며, 설치 및 운전이 간편하여 여러 분야에 이용되고 있다.

도 1은 종래의 PSA 방식 산소발생기를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 도 1의 산소발생기의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 흡착탑A(10)는 포트 A1(11)과 포트 A2(12)를 가지며, 흡착탑B(20)는 포트 B1(21)과 포트 B2(22)를 가진다. 포트 A2(12)와 포트 B2(22)는 배기관(50)에 연결된다. 포트 A2(12)와 포트 B2(22) 사이에는 브릿지관(30)이 설치되며 브릿지관(30)에는 브릿지 밸브(31)가 설치된다.

[흡착탑 A(10) 가동]

흡착탑 A(10)와 흡착탑 B(20)에는 흡착제(Zeolite)가 충전되어 있으며, 혼합기체(대기)가 도 2a에서와 같이 포트 A1(11)을 통하여 흡착탑 A(10)로 유입되면 혼합기체 중에 흡착능이 높은 질소(N2)는 상기 흡착제에 흡착되고 흡착능이 상대적으로 낮은 산소(O2)는 농축되어 포트 A2(12)를 통해 배기관(50)으로 빠져나간다. 배기관(50)으로 빠져나간 산소는 산소탱크(70)에 저장되어 있다가 외부로 배출된다. 이 때 포트 B2(22)에 설치되는 차단밸브 B(42)는 산소가 배기관(50)을 통해 외부로 배출되지 않고 포트 B2(22)를 거쳐 흡착탑 B(20)로 유입되는 것을 차단하는 역할을 한다.

산소가 배기관(50)을 통해 외부로 배출되는 동안에 브릿지 밸브(31)를 통하여 산소의 일부가 흡착탑 B(20)로 유입된다. 이 때, 흡착탑B(20)에는 이미 앞선 단계에 의해서 흡착제에 질소가 흡착되어 있는 상태이고, 이렇게 질소가 흡착된 흡착제는 흡착능이 떨어진다. 흡착탑 B(20)의 흡착제에 흡착된 질소는 브릿지 밸브(31)를 통해 유입되는 산소에 의해 탈착되어 포트 B1(21)을 통하여 소음기(90)를 거쳐 외부로 배출되며, 이로 인해 흡착탑 B(20)의 흡착제 성능이 재생된다. 참조번호 60은 이러한 기체의 흐름경로를 보여주는 것이다.

[흡착탑 B(20) 가동]

다음에는 도 2b에서와 같이 포트 B1(21)을 통해 혼합기체를 흡착탑 B(20)로 유입한다. 그러면 도 2a에서와 같은 원리에 의해 산소가 배출구(50)를 통해 외부로 배출되며, 산소 중의 일부는 브릿지 밸브(31)를 통해서 흡착탑 A(10)로 유입되어 흡착탑 A(10)의 흡착제에 흡착된 질소를 포트 A1(11)을 통해 소음기(90)로 밀어내어 흡착탑 A(10)의 흡착제를 재생시킨다. 이 때, 포트 A2(12)에 설치되는 차단밸브 A(41)는 산소가 배기관(50)을 통해 외부로 배출되지 않고 포트 A2(12)를 거쳐 흡착탑A(10)로 유입되는 것을 차단하는 역할을 한다.

정리하면, PSA 공정을 이용하는 종래의 산소발생기는 흡착탑 A(10)와 흡착탑 B(20)를 교대로 운전시켜서 고농도 산소를 배기관(50)을 통해서 외부로 배출시키고, 그 과정에서 흡착탑(10, 20)의 흡착제에 흡착되는 질소는 소음기(90)를 통하여 외부로 배출시킨다. 이 때, 포트 A1(11)과 포트 B1(21)에는 혼합기체 유입 및 질소 배출 제어수단(100)으로서 혼합기체 주입밸브(101, 102) 및 질소 배출밸브(103, 104)가 설치된다.

상술한 종래의 PSA 방식 산소발생기는 혼합기체 주입밸브(101, 102), 질소 배출밸브(103, 104), 차단밸브(41, 42), 및 브릿지 밸브(31)가 모두 솔레노이드 밸브(solenoid valve)로 구성되며, 이를 제어하기 위한 전기제어수단(80)이 필수적으로 요구되었다. 따라서 다수의 솔레노이드밸브와 전기제어부에서 전체 고장원인의 90% 이상을 차지하는 등 전체 시스템의 동작이 안정적이 못하였고, 배관 구성이 복잡하여 제작비가 많이 들었다.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상술한 종래의 문제점을 해결코자 유체의 흐름을 솔레노이드 방식이 아닌 유체 압력과 유량을 이용하여 제어하는 무전원공급방식 오토 사이클링 밸브를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 오토 사이클링 밸브는, 직선운동하는 구동 에어실린더; 상기 구동 에어실린더의 직선운동을 회전운동으로 바꾸어주는 운동전환수단; 상기 운동전환수단에 의해 회전하는 캠 샤프트; 상기 캠 샤프트에 설치되는 복수개의 구동캠; 기체를 공급받고 이를 외부를 배출하되 상기 구동캠의 회전에 의한 기계적 눌림에 의해 온-오프가 결정됨으로써 상기 기체를 외부로 배출하도록 상기 구동캠에 일대일 대응하여 설치되는 복수개의 기계적 작동밸브; 및 상기 기계적 작동밸브에서 배출되는 기체의 압력에 의하여 온-오프가 결정되도록 상기 기계적 작동밸브에 일대일 대응하여 설치되는 복수개의 포펫 밸브; 를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 운동전환수단으로는 랙 기어와 피니언 기어의 조합을 사용할 수 있다.

상기 기계적 작동밸브는, 밑으로 갈수록 직경이 커지는 복수개의 실린더가 병렬로 나란하게 형성되며 각 실린더의 측벽에는 기체 배출구가 형성되고, 상기 실린더를 옆으로 연결하는 공기 주입로가 형성되는 밸브 몸체; 및 상기 실린더에 대응되는 형상을 하며 상기 실린더에 직선운동 가능하게 삽입 설치되고 상기 구동캠의 회전에 의하여 기계적인 눌림을 받는 스풀; 을 포함하여, 상기 공기 주입로를 통하여 들어오는 기체가 상기 스풀이 밑으로 눌렸을 때 생기는 상기 실린더와 스풀 사이의 틈을 통하여 상기 기체 배출구로 배출되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 구동캠과 상기 스풀 사이에는 접철 가능한 리미트 레버가 설치될 수 있는데, 이 경우 상기 리미트 레버가 펴졌을 때에는 펴지는 부위에 의해 상기 스풀이 눌려서 상기 기계적 작동밸브가 온(on) 되고, 접혀졌을 때에는 접히는 부위에 의해 상기 스풀이 눌려지지 못해서 상기 스풀이 스프링의 탄성력에 의하여 밖으로 밀려나가 상기 기계적 작동밸브가 오프(off) 되도록 설치되는 것이 바람직하다.

상기 포펫 밸브는, 삼방 포펫 밸브와 이방 포펫 밸브가 인접하여 위치하여 하나의 세트로서 작용하도록 상기 삼방 포펫 밸브의 3포트 중 하나와 상기 이방 포펫 밸브의 2포트 중 하나가 서로 연결되게 설치될 수 있다.

상기 포펫 밸브는, 삼방 포펫 밸브와 이방 포펫 밸브가 인접하도록 설치되며, 상기 삼방 및 이방 포펫 밸브 각각은 밸브 몸체에 형성되는 실린더에 스풀이 삽입되어 이루어지는데, 이 경우 상기 실린더 각각은 상부, 중부, 및 하부로 구분되고 중부는 상부 및 하부에 비하여 작은 직경을 가지며 중부끼리는 변환로를 통하여 서로 연결되며, 상기 실린더 각각의 상부는 상기 기계적 작동밸브에서 배출되는 기체가 유입되어 들어오도록 상기 기계적 작동밸브에 연결되고, 상기 삼방 포펫 밸브용 실린더의 상부 아래쪽 측벽에는 기체 배출구가 형성되며,

상기 스풀 각각은 상기 실린더 각각에 삽입 설치되며 상부, 중부, 및 하부로 구분되고, 상기 스풀 각각의 하부는 스프링의 탄성에 의한 위로 미는 힘에 의하여 상기 실린더 각각의 중부 아래쪽 입구를 막도록 판 형태를 가지며, 상기 스풀 각각의 상부는 상기 기계적 작동밸브에서 배출되는 기체의 압력을 받도록 판 형상을 하고, 상기 스풀 각각의 중부는 상기 스풀 하부와는 연결되지 않고 상기 스풀 상부에는 연결되게 설치되되 상기 각 실린더의 중부의 직경보다 작으며, 상기 삼방 포펫 밸브용 스풀의 중부는 아랫단이 개방되고 속이 비어 있는 관 형태를 하며 상기 관의 위쪽 측벽에 기체 배출공이 형성되어,

상기 각 스풀이 상기 기계적 작동밸브에서 배출되는 기체의 압력을 받아 밑으로 밀려 내려오면, 상기 실린더 각각의 중부 아래쪽 입구가 열려서, 상기 삼방 밸브용 포펫 실린더의 아래쪽 입구를 통해 들어오는 기체는 상기 삼방 포펫 밸브용 실린더의 하부를 거쳐 중부로 유입된 후 상기 변환로를 거쳐 인접한 상기 이방 포펫 밸브용 실린더의 중부로 유입되어 상기 이방 포펫 밸브용 실린더의 하부를 통하여 외부로 배출되며,

상기 삼방 포펫 밸브용 스풀은 위로 올라가고 상기 이방 포펫 밸브용 스풀만이 밑으로 내려온 경우에는, 상기 삼방 포펫 밸브용 스풀의 중부와 하부가 이격된 상태가 되어서, 상기 이방 포펫 밸브용 실린더의 아래쪽 입구를 통해 들어오는 기체가 상기 이방 포펫 밸브용 실린더의 하부를 거쳐 중부로 유입된 후 상기 변환로를 거쳐 인접한 상기 삼방 포펫 밸브용 실린더의 중부로 유입되어 상기 삼방 포펫 밸브용 스풀의 중부 관 내부로 들어가 상기 기체 배출공을 통하여 상기 삼방 포펫 밸브용 실린더의 상부로 흘러들어가 상기 기체 배출구를 통하여 외부로 배출되는 구성을 취할 수 있다.

본 발명에 의하면, 공압에 의해 구동되는 구동캠의 형상에 의하여 포펫밸브의 온-오프 싸이클이 자동 제어되므로 종래와 같이 솔레노이드 밸브를 사용할 필요가 없게 된다. 따라서 전기제어수단도 필요없다. 또한 하나의 블록으로 형성가능하기 때문에 설치시에 배관 구성이 복잡하지 않게 되어 산소발생기의 제작 소요시간이 단축되고 비용도 절감된다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.

도 3은 본 발명에 따른 무전원공급방식 오토 사이클링 밸브가 적용된 PSA 방식 산소발생기를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에서 종래와의 차이점은 혼합기체 유입 및 질소 배출 제어수단으로서 적용된 오토 사이클링 밸브(200)가 전기에 의해 제어되는 솔레노이드 방식이 아닌 공압에 의해 작용하는 공압식이라는 것이며, 4개의 밸브가 하나로 블록화되어 이루어진다는 점이다. 따라서 종래와 같은 전기제어 부가 필요 없으며 배관이 간단하여 제조비용이 절감되며, 설치작업시간이 적게 들고, 안정성이 뛰어나다. 그리고, 차단밸브(41, 42) 및 브릿지 밸브(31)를 솔레노이드 밸브로 구성하지 않고, 체크밸브(141, 142) 및 오리피스(131)로 구성하면 산소발생기 전체가 전기적으로 로 제어될 필요가 없게 된다.

도 4는 도 3의 무전원공급방식 오토 사이클링 밸브(200)를 설명하기 위한 도면이다. 구동 에어실린더(201)가 상하운동하면 이에 연결되는 랙 기어(rack gear,202)가 상하운동하고, 이에 따라 피니언 기어(pinion gear, 203)가 회전한다. 구동 에어실린더(201)의 직선운동을 회전운동으로 변환시키는 구성이라면 랙과 피니언 기어의 조합에 한정되지 않으며 예컨대 크랭크 축을 사용하여도 무방하다. 구동 에어실린더(201)는 에어 타이머에 의해 작동된다.

피니어 기어(203)가 회전하면 캠 샤프트(204)가 회전하고 이에 따라 캠 샤프트(204)에 설치되는 4개의 구동캠(204a, 204b, 204c, 204d)이 회전한다. 캠 샤프트(204)에는 클러치 베어링이 장착되며 이로 인해 캠 샤프트(204)는 한방향으로만 회전한다. 구동캠(204a-204d)이 회전하면 이에 각각 연결되는 리미트 레버(limit lever, 304a, 304b, 304c, 304d)가 접혔다 펴졌다 한다. 그러면, 구동캠(204a-204d)에 일대일 대응하도록 설치되는 기계적 작동 밸브(mechanical valve, 404a, 404b, 404c, 404d)가 각각 온 오프 된다. 구동캠(204a-204d)에 의해 리미트 레버(304a-304d)가 펴졌을 때 기계적 작동 밸브(404a-404d)가 온(on) 된다. 기계적 작동 밸브(404a-404d)가 온(on) 되었을 때 그 밑에 각각 대응되게 설치되는 유로변환 포펫 밸브(504a, 504b, 504c, 504d)에 공압이 가해진다.

도 5 및 도 6은 기계적 작동 밸브(404a-404d)를 설명하기 위한 도면들이다. 도 5 및 도 6을 참조하면, 기계적 작동 밸브(404a-404d)는 하나의 밸브 몸체(401)에 세로로 세워진 4개의 실린더(402a-402d)가 병렬로 형성되어 있으며 각 실린더(402a-402d)에는 스풀(spool, 405)이 왕복운동 가능하게 삽입 설치된다.

도 6은 제2 기계적 작동밸브의 실린더(402b)와 제3 기계적 작동밸브의 실린더(402c)에 스풀(405)이 삽입된 상태를 보여주는 도면이다. 밸브 몸체(401)에는 4개의 실린더(402a-402d)를 가로로 연결하는 공기 주입로(407)가 형성되고, 실린더(402a-402d))의 측벽에는 공기 배출구(403)가 형성된다. 실린더(402a-402d)는 아래로 내려올수록 다단으로 직경이 커지는 형상을 가지며 스풀(405)도 이에 대응되는 형상을 갖는다.

따라서 리미트 레버(304a-304d)가 펴져서 스풀(405)이 제2 기계적 작동밸브의 실린더(402b)로 눌려 들어가서 제2 기계적 작동밸브(404b)가 온(on)되면 제2 기계적 작동밸브의 실린더(402b)와 스풀(405) 사이에 공간이 형성되고, 공기 주입로(407)를 통하여 들어오는 공기는 이러한 제2 기계적 작동밸브의 실린더(402b)와 스풀(405) 사이의 공간을 거쳐 제2 기계적 작동밸브의 실린더(402b)에 형성되는 공기 배출구(403)를 통해 빠져나가 제2유로변환 포펫 밸브(504b)의 구동원으로 사용되어진다. 도 6의 참조번호 408은 이러한 공기의 흐름 경로를 표시한 것이다.

한편, 제2 기계적 작동밸브의 실린더(402b)와 스풀(405) 사이의 공간에 채워지는 공기의 일부는 공기 주입로(407)를 통하여 인접한 제3 기계적 작동밸브의 실린더(402c)로 흘러들어간다. 참조번호 409는 바로 이러한 공기의 흐름경로를 나타 낸 것이다.

스풀(405)이 상승하거나 하강함에 상관없이 각 실린더(402a-402d)는 공기 주입로(407)를 통해 연결된다. 제3 기계적 작동밸브의 실린더(402c)에서는 스풀(405)이 상승된 상태이어서 기체가 공기 배출구(403)로 빠져나가지는 못하지만 공기 주입로(407)를 통하여 제4 기계적 작동밸브의 실린더(402d)로 공급된다.

도 7은 유로변환 포펫 밸브(504a, 504b, 504c, 504d)를 설명하기 위한 도면으로서, 제1유로변환 포펫밸브(504a)는 오프(off)되고 제2 내지 제4 유로변환 포펫밸브(504b, 504c, 504d)는 온(on)된 상태에서의 기체의 흐름을 설명하기 위한 도면이다. 그리고 도 8은 유로변환 포펫밸브(504a-504d)의 밸브 몸체(501)를 설명하기 위한 도면이다.

도 8에 도시된 바와 같이 밸브 몸체(501)에는 세로로 세워진 4개의 실린더(502a-502d)가 병렬로 형성되어 있으며, 각 실린더(502a-502d)는 상부(601), 중부(602), 및 하부(603)로 구분되며 중부(602)가 상부(601) 및 하부(603)에 비하여 작은 직경을 가진다. 유로변환 포펫밸브의 실린더(502a-502d)는 윗단과 아랫단이 개방되며 윗단은 기계적 작동밸브의 실린더(402a-402d)의 각각의 공기배출구(403)에 일대일 대응하여 연통되도록 설치된다.

제1 유로변환 포펫밸브의 실린더(502a)와 제4 유로변환 포펫밸브의 실린더(502d)는 삼방밸브용 실린더이고, 제2 유로변환 포펫밸브의 실린더(502b)와 제3 유로변환 포펫밸브의 실린더(502c)는 이방밸브용 실린더이다. 따라서 그 구조가 다르다. 구체적으로 삼방밸브용 실린더(502a, 502d)의 상부(601) 측벽에는 소음 기(90)에 연결되는 기체 배출구(90a, 90b)가 각각 형성된다. 이방밸브용 실린더(502b, 502c)에는 이러한 기체 배출구(90a, 90b)가 별도로 마련되어 있지 않다. 삼방밸브용 실린더(502a, 502d)와 이방밸브용 실린더(502b, 502c)는 인접하여 위치하며 이 둘은 변환로(507)를 통하여 중부(602)가 서로 연통되도록 설치된다. 이방밸브용 실린더(502b, 502c) 사이에 위치하는 변환로(507)는 볼(509)에 막혀 있어 이들 사이에는 연통이 이루어지지 않는다.

도 7에 도시된 바와 같이, 제1 유로변환 포펫밸브의 실린더(502a)와 제4 유로변환 포펫밸브의 실린더(502d)에는 삼방밸브용 스풀(700)이 삽입 설치되고, 제2 유로변환 포펫밸브의 실린더(502b)와 제3 유로변환 포펫밸브의 실린더(502c)에는 이방밸브용 스풀(800)이 삽입 설치된다. 삼방밸브용 스풀(700)과 이방밸브용 스풀(800)은 모두 상부(701, 801), 중부(702, 802), 하부(703, 803)로 구분된다. 삼방밸브용 스풀(700)과 이방밸브용 스풀(800)의 차이점은 삼방밸브용 스풀 중부(702)는 아랫단이 개방되고 속이 비어 있는 관 형태를 하며 관의 위쪽 측벽에 기체 배출공(706)이 형성되어 있는데 반해, 이방밸브용 스풀(800)은 관 형태를 하지도 않으며 따라서 이러한 기체 배출공(706)도 없다는 것이다. 도 9는 삼방밸브용 스풀(700)의 일부를 보여주는 도면이다.

삼방밸브용 스풀(700)과 이방밸브용 스풀(800)은 모두 스풀 상부(701, 801), 스풀 중부(702, 802), 및 스풀 하부(703, 803)가 실린더 상부(601), 실린더 중부(602), 및 실린더 하부(603)에 각각 대응하게 위치한다.

평상시에는 판 형태를 하는 스풀 하부(703, 803)가 스프링(704, 804)의 탄력 에 의해 위로 밀려가 실린더 중부(602)의 아랫 입구를 막고 있는다. 삼방 밸브용 스풀의 중부(702)는 아랫단이 개방되어 속이 비어 있는 관 형태를 하며 윗단은 스풀 상부(701)에 일체형으로 연결된다.

[제3 및 제4 유로변환 포펫밸브(504c, 504d)가 온(on)]

제 3 및 제4 기계적 작동밸브(404c, 404d)가 온(on) 되면 이에 연동되어 제 3 및 제4 유로변환 포펫밸브(504c, 504d)가 온(on) 된다. 즉, 실린더(502c, 502d)의 위쪽 입구를 막고 있는 스풀 상부(701, 801)가 공압에 의해 밀려 내려오게 되고, 삼방밸브용 스풀(700) 및 이방밸브용 스풀(800)은 상부(701, 801)가 실린더 중부(602) 턱에 걸릴 때까지 하강한다. 이 때 스풀 중부(702, 802)에 의해 스풀 하부(703, 803))가 밑으로 밀려 내려와 실린더 중부(602)의 아랫 입구가 개방된다. 스풀 중부(702, 802)는 실린더 중부(602)보다 작은 직경을 가진다. 따라서 제4 유로변환 포펫밸브의 실린더(502d)의 아래쪽 입구를 통해 들어오는 기체는 실린더(502d)의 하부(603)를 거쳐 실린더(502d)의 중부(602)로 유입된 후 변환로(507)를 거쳐 인접한 제3 유로변환 포펫밸브(504c)의 실린더(502c)로 유입된다. 이 때, 제3 유로변환 포펫밸브(504c)의 이방밸브용 스풀(800)도 하강된 상태이므로, 스풀 상부(801)에 의해 실린더(502c)의 상부(601)가 막혀있기 때문에, 실린더(502c)로 유입된 기체는 상부로 올라가지는 못하고 실린더(502c)의 하부(603)를 통하여 밸브의 외부로 빠져나간다.

[제1 유로변환 포펫밸브(504a)는 오프되고 제2 유로변환 포펫밸브(504b)는 온]

제1 기계적 작동밸브(404a)는 오프되고 제2 기계적 작동밸브(404b)는 온(on) 되면, 이에 연동하여 제1 유로변환 포펫밸브(504a)는 오프되고 제2 유로변환 포펫밸브(504b)는 온(on) 된다. 이 경우 제2 유로변환 포펫밸브(504b)의 실린더(502b)의 아래쪽 입구를 통해 들어오는 공기는 실린더(502b)의 하부(603)를 거쳐 실린더(502b)의 중부(602)로 유입된 후 변환로(507)를 거쳐 인접한 제1 유로변환 포펫밸브(504a)의 실린더(502a)로 유입된다. 이 때, 제1 유로변환 포펫밸브(504a)의 삼방밸브용 스풀(700)은 상승된 상태이므로 삼방밸브용 스풀 중부(702)와 삼방밸브용 스풀 하부(703)가 이격된다. 따라서 스풀 중부(702)의 하단 개방부가 노출되게 되므로 이를 통하여 스풀 중부(702)의 관내부로 기체가 유입된 후 기체 배출공(706)을 통하여 실린더(502a)의 상부(601)로 배출되고, 이어서 기체 배출구(90a)를 거쳐 소음기(90)를 통하여 외부로 빠져나간다.

도 10은 제1 및 제2 유로변환 포펫밸브(504a, 504b)는 오프되고, 제3 및 제4 유로변환 포펫밸브(504c, 504d)는 온 된 상태를 설명하기 위한 도면이다. 이 경우, 제1 유로변환 포펫밸브(504a)의 실린더(502a)의 아래쪽 입구를 통하여 유입된 기체는 제2유로 변환 포펫밸브(504b)의 실린더(502b)의 아래쪽 입구를 통하여 외부로 배출되지 못하지만, 제4 유로변환 포펫밸브(504d)의 실린더(502d)의 아래쪽 입구를 통하여 유입된 기체는 제3 유로 변환 포펫밸브(504c)의 실린더(502c)의 아래쪽 입구를 통하여 외부로 배출된다.

도 11은 제1 및 제2 유로변환 포펫밸브(504a, 504b)는 온(on) 되고, 제3 및 제4 유로변환 포펫밸브(504c, 504d)는 오프 된 상태를 설명하기 위한 도면이다. 이 경우, 제1 유로변환 포펫밸브(504a)의 실린더(502a)의 아래쪽 입구를 통하여 유입된 기체는 제2유로 변환 포펫밸브(504b)의 실린더(502b)의 아래쪽 입구를 통하여 외부로 배출되지만, 제4 유로변환 포펫밸브(504d)의 실린더(502d)의 아래쪽 입구를 통하여 유입된 기체는 제3 유로 변환 포펫밸브(504c)의 실린더(502c)의 아래쪽 입구를 통하여 외부로 배출되지 못한다.

[산소 발생기 적용]

도 12 및 도 13은 본 발명에 따른 오토 싸이클링 밸브가 적용된 PSA 방식의 산소발생기의 동작원리를 설명하기 위한 도면들이다.

먼저, 도 4에서 설명한 바와 같이, 구동 에어실린더(201)를 동작시켜 구동캠(204a-204d)을 회전시킨다. 이 때 구동캠(204a-204d)은 제1, 제2, 제3 기계적 작동밸브(404a, 404b, 404c)가 온(on)이 될 때 제4 기계적 작동밸브(404d)는 오프(off)되고, 제1기계적 작동밸브(404a)가 오프(off)될 때, 제2, 제3, 제4 기계적 작동밸브(404b, 404c, 404d)는 온(on) 되도록 하는 형상을 가져야 한다.

[흡착탑A(10) 가동]

전자의 경우 즉, 제1, 제2, 제3 기계적 작동밸브(404a, 404b, 404c)가 온(on)이 될 때 제4 기계적 작동밸브(404d)는 오프(off)되는 경우에는 도 12에 도 시된 바와 같이, 혼합기체(대기)가 제1유로변환 포펫밸브(504a) 및 제2유로변환 포펫밸브(504b)를 순차적으로 거쳐 흡착탑A(10)의 포트 A1(11)으로 유입된다. 흡착탑 A(10)에 유입된 혼합기체 중에서 흡착능이 높은 질소(N2)는 흡착제에 흡착되고 흡착능이 상대적으로 낮은 산소(O2)는 농축되어 포트 A2(12)를 통해 배출구(50)로 빠져나간다. 배출구(50)로 빠져나간 산소는 산소탱크(70)에 저장되어 있다가 외부로 배출된다. 이 때 포트 B2(22)에 설치되는 체크밸브(142)는 산소가 배기관(50)을 통해 외부로 배출되지 않고 포트 B2(22)를 거쳐 흡착탑 B(20)로 유입되는 것을 차단하는 역할을 한다.

산소가 배기관(50)을 통해 외부로 배출되는 동안에 오리피스(131)를 통하여 산소의 일부가 흡착탑 B(20)로 유입된다. 이 때, 흡착탑B(20)에는 이미 앞선 단계에 의해서 흡착제에 질소가 흡착되어 있는 상태이고, 이렇게 질소가 흡착된 흡착제는 흡착능이 떨어진다. 흡착탑 B(20)의 흡착제에 흡착된 질소는 오리피스(131)를 통해 유입되는 산소에 의해 탈착되어 포트 B1(21)을 통하여 흡착탑B(20)에서 배출된다. 흡착탑B(20)에서 배출되는 질소는 제3유로변환 포펫밸브(504c) 및 제4유로변환 포펫밸브(504d)를 순차적으로 거쳐 기체 배출구(90b)를 통하여 외부로 배출된다.

[흡착탑B(20) 가동]

후자의 경우 즉, 제1기계적 작동밸브(404a)가 오프(off) 될 때 제1, 제2, 제3 기계적 작동밸브(404b, 404c, 404d)는 오프(off)되는 경우에는 도 13에 도시된 바와 같이, 혼합기체(대기)가 제4유로변환 포펫밸브(504d) 및 제3유로변환 포펫밸브(504c)를 순차적으로 거쳐 흡착탑B(20)의 포트 B1(21)으로 유입된다. 흡착탑 B(20)에 유입된 혼합기체 중에서 흡착능이 높은 질소(N2)는 흡착제에 흡착되고 흡착능이 상대적으로 낮은 산소(O2)는 농축되어 포트 B2(22)를 통해 배출구(50)로 빠져나간다. 배출구(50)로 빠져나간 산소는 산소탱크(70)에 저장되어 있다가 외부로 배출된다. 이 때 포트 A2(12)에 설치되는 체크밸브(141)는 산소가 배기관(50)을 통해 외부로 배출되지 않고 포트 A2(12)를 거쳐 흡착탑 A(10)로 유입되는 것을 차단하는 역할을 한다.

산소가 배기관(50)을 통해 외부로 배출되는 동안에 오리피스(131)를 통하여 산소의 일부가 흡착탑 A(10)로 유입된다. 이 때, 흡착탑A(10)에는 이미 앞선 단계에 의해서 흡착제에 질소가 흡착되어 있는 상태이고, 이렇게 질소가 흡착된 흡착제는 흡착능이 떨어진다. 흡착탑 A(10)의 흡착제에 흡착된 질소는 오리피스(131)를 통해 유입되는 산소에 의해 탈착되어 포트 A1(11)을 통하여 흡착탑A(10)에서 배출된다. 흡착탑A(10)에서 배출되는 질소는 제2유로변환 포펫밸브(504b) 및 제1유로변환 포펫밸브(504a)를 순차적으로 거쳐 기체 배출구(90a)를 통하여 외부로 배출된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 오토 싸이클링 밸브는 공압에 의해 구동되는 구동캠(204a-204d)의 형상에 의하여 유도변환 포펫밸브(504a-504d)의 온-오프 싸이클이 자동 제어되므로 종래와 같이 솔레노이드 밸브를 사용할 필요가 없게 된다. 따라서 전기제어수단도 필요없다. 또한 하나의 블록으로 형성가능하기 때문에 설치시에 배관 구성이 복잡하지 않게 되어 산소발생기의 제작 소요시간이 단축되고 비용도 절감된다.

도 1은 종래의 PSA 방식 산소발생기를 설명하기 위한 도면;

도 2는 도 1의 산소발생기의 원리를 설명하기 위한 도면;

도 3은 본 발명에 따른 무전원공급방식 오토 사이클링 밸브가 적용된 PSA 방식 산소발생기를 설명하기 위한 도면;

도 4는 도 3의 무전원공급방식 오토 사이클링 밸브(200)를 설명하기 위한 도면;

도 5 및 도 6은 기계적 작동 밸브(404a-404d)를 설명하기 위한 도면들;

도 7은 유로변환 포펫 밸브(504a, 504b, 504c, 504d)를 설명하기 위한 도면;

도 8은 유로변환 포펫밸브(504a-504d)의 밸브 몸체(501)를 설명하기 위한 도면;

도 9는 삼방밸브용 스풀(700)을 설명하기 위한 도면;

도 10은 제1 및 제2 유로변환 포펫밸브(504a, 504b)는 오프되고, 제3 및 제4 유로변환 포펫밸브(504c, 504d)는 온 된 상태를 설명하기 위한 도면;

도 11은 제1 및 제2 유로변환 포펫밸브(504a, 504b)는 온(on) 되고, 제3 및 제4 유로변환 포펫밸브(504c, 504d)는 오프 된 상태를 설명하기 위한 도면;

도 12 및 도 13은 본 발명에 따른 오토 싸이클링 밸브가 적용된 PSA 방식의 산소발생기의 동작원리를 설명하기 위한 도면들이다.

<도면의 주요부분에 대한 참조번호의 설명>

10: 흡착탑A 11: 포트 A1

12: 포트 A2 20: 흡착탑B

21: 포트 B1 22: 포트 B2

30: 브릿지관 31: 브릿지 밸브

41, 42: 차단밸브 50: 배기관

70: 산소탱크 90: 소음기

131: 오리피스 141, 142: 체크밸브

200: 오토 사이클링 밸브 201: 구동 에어실린더

202: 랙 기어 203: 피니어 기어

204: 캠 샤프트

204a, 204b, 204c, 204d: 구동캠

304a, 304b, 304c, 304d: 리미트 레버

401, 501: 밸브 몸체

404a, 404b, 404c, 404d: 기계적 작동밸브

405: 스풀 406: 연통공

407: 공기 주입로 410: 벤팅구

504a, 504b, 504c, 504d: 유로변환 포펫밸브

700: 삼방밸브용 스풀 706: 기체 배출공

800: 이방밸브용 스풀

Claims (8)

1. 직선운동하는 구동 에어실린더(201)와;

   상기 구동 에어실린더(201)와 연결되어 구동 에어실린더(201)의 직선운동을 회전운동으로 바꾸어주는 운동전환수단;

   상기 운동전환수단과 연결되어 운동전환수단에 의해 회전하는 캠 샤프트(204);

   상기 캠 샤프트(204)에 설치되는 복수개의 구동캠(204a, 204b, 204c, 204d)과;

   상기 구동캠(204a, 204b, 204c, 204d)에 일대일 대응하여 설치되어 기체를 공급받고 이를 외부로 배출하되 상기 구동캠(204a, 204b, 204c, 204d)의 회전에 의한 기계적 눌림에 의해 온-오프가 결정됨으로써 상기 기체를 외부로 배출하는 복수개의 기계적 작동밸브(404a, 404b, 404c, 404d); 및

   상기 기계적 작동밸브(404a, 404b, 404c, 404d)에 일대일 대응하여 설치되고, 상기 기계적 작동밸브(404a, 404b, 404c, 404d)에서 배출되는 기체의 압력에 의하여 온-오프가 결정되는 복수개의 포펫 밸브(504a, 504b, 504c, 504d);

   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 오토 사이클링 밸브.
2. 제1항에 있어서, 상기 구동 에어실린더(201)는 에어 타이머에 의해 작동되도록 설치되는 것을 특징으로 하는 오토 사이클링 밸브.
3. 제1항에 있어서, 상기 운동전환수단이 랙 기어(202)와 피니언 기어(203)의 조합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 오토 사이클링 밸브.
4. 제1항에 있어서, 상기 캠 샤프트(204)가 한쪽 방향으로만 회전하도록 상기 캠 샤프트(204)에 클러치 베어링이 설치되는 것을 특징으로 하는 오토 사이클링 밸브.
5. 제1항에 있어서, 상기 기계적 작동밸브(404a, 404b, 404c, 404d)는,

   밑으로 갈수록 직경이 커지는 복수개의 실린더(402a,402b,402c,402d)가 병렬로 나란하게 형성되며 각 실린더의 측벽에는 기체 배출구가 형성되고, 상기 실린더를 옆으로 연결하는 공기 주입로(407)가 형성되는 밸브 몸체(401); 및

   상기 실린더에 대응되는 형상을 하며 상기 실린더에 직선운동 가능하게 삽입 설치되고 상기 구동캠의 회전에 의하여 기계적인 눌림을 받는 스풀(405); 을 포함하여,

   상기 공기 주입로(407)를 통하여 들어오는 기체가 상기 스풀(405)이 밑으로 눌렸을 때 생기는 상기 실린더(402a,402b,402c,402d)와 스풀(405) 사이의 틈을 통하여 상기 기체 배출구(90a, 90b)로 배출되는 것을 특징으로 하는 오토 사이클링 밸브.
6. 제5항에 있어서, 펴졌을 때에는 펴지는 부위에 의해 상기 스풀(405)이 눌려서 상기 기계적 작동밸브(404a, 404b, 404c, 404d)가 온(on) 되고, 접혀졌을 때에는 접히는 부위에 의해 상기 스풀(405)이 눌려지지 못해서 상기 스풀(405)이 스프링의 탄성력에 의하여 밖으로 밀려나가 상기 기계적 작동밸브(404a, 404b, 404c, 404d)가 오프(off) 되도록 접철 가능한 리미트 레버(304a, 304b, 304c, 304d)가 상기 구동캠(204a, 204b, 204c, 204d)과 스풀(405) 사이에 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 오토 사이클링 밸브.
7. 제1항에 있어서, 상기 포펫 밸브(504a,504b,504c,504d)는, 삼방 포펫 밸브와 이방 포펫 밸브가 인접하여 위치하여 하나의 세트로서 작용하도록 상기 삼방 포펫 밸브의 3포트 중 하나와 상기 이방 포펫 밸브의 2포트 중 하나가 서로 연결되게 설치되는 것을 특징으로 하는 오토 사이클링 밸브.
8. 제1항에 있어서, 상기 포펫 밸브(504a,504b,504c,504d)는, 삼방 포펫 밸브와 이방 포펫 밸브가 인접하도록 설치되며, 상기 삼방 및 이방 포펫 밸브 각각은 밸브 몸체에 형성되는 실린더에 스풀이 삽입되어 이루어지는데,

   상기 실린더 각각은 상부, 중부, 및 하부로 구분되고 중부는 상부 및 하부에 비하여 작은 직경을 가지며 중부끼리는 변환로를 통하여 서로 연결되며, 상기 실린더 각각의 상부는 상기 기계적 작동밸브에서 배출되는 기체가 유입되어 들어오도록 상기 기계적 작동밸브에 연결되고, 상기 삼방 포펫 밸브용 실린더의 상부 아래쪽 측벽에는 기체 배출구가 형성되며,

   상기 스풀 각각은 상기 실린더 각각에 삽입 설치되며 상부, 중부, 및 하부로 구분되고, 상기 스풀 각각의 하부는 스프링의 탄성에 의한 위로 미는 힘에 의하여 상기 실린더 각각의 중부 아래쪽 입구를 막도록 판 형태를 가지며, 상기 스풀 각각의 상부는 상기 기계적 작동밸브에서 배출되는 기체의 압력을 받도록 판 형상을 하고, 상기 스풀 각각의 중부는 상기 스풀 하부와는 연결되지 않고 상기 스풀 상부에는 연결되게 설치되되 상기 각 실린더의 중부의 직경보다 작으며, 상기 삼방 포펫 밸브용 스풀의 중부는 아랫단이 개방되고 속이 비어 있는 관 형태를 하며 상기 관의 위쪽 측벽에 기체 배출공이 형성되는 것을 특징으로 하는 오토 사이클링 밸브.

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