KR-20260061878-A - Nitrogen generator for brewing nitro coffee

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Abstract

본 발명은 공기로부터 고순도의 니트로커피 조제용 질소를 발생하는 장치에 관한 것이다. 고분자 분리막 하나와 흡착탑 하나로 이루어진 막분리-VPSA 혼성 분리공정을 사용하여 공기를 질소와 산소로 분리함으로써 순도 99.9% 이상의 고순도 질소를 공급하는 본 질소발생장치는 크기가 작고, 안전하며, 간편하게 작동될 수 있어 현재 사용되고 있는 고압 질소 실린더를 대체하여 니트로커피를 제공하는 카페에 사용될 수 있다.

Inventors

전종열
장충환
김정희

Assignees

(주)서우인

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20241028

Claims (17)

니트로커피 조제용 질소발생장치로서, 공기압축기를 이용하여 압축된 공기를 공급하는 공기압축부; 상기 압축된 공기로부터 순도 99.9% 이상의 고순도 질소를 막분리-흡착탑 혼합 공정을 이용하여 분리하는 공기분리부; 상기 고순도 질소를 니트로프레스 또는 케그에 공급하는 질소공급부; 및 상기 공기압축기의 on/off 및 각종 밸브의 개폐를 지시하고, 상기 공기 유량과 상기 질소의 순도 및 압력을 표시하는 제어표시부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제1항에 있어서, 상기 공기압축기는 무급유의 스크롤 방식, 피스톤 방식 또는 다이아프램 방식 중 선택되는 어느 하나의 공기 압축 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제1항에 있어서, 상기 공기분리부는 하나의 분리막과 하나의 흡착탑으로 구성된 막분리-VPSA(Vacuum Pressure Swing Adsorption) 혼합 공정으로 질소를 분리하고, 상기 흡착탑에 충전된 흡착제를 진공 분위기에서 재생하여 반복 사용하는 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제3항에 있어서, 상기 분리막은 폴리이미드(polyimide) 재질인 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제3항에 있어서, 상기 흡착탑은 입구로부터 친유성 활성탄, 친수성 활성탄, 카본분자체(carbon molecular sieve)의 순서로 각각 충전된 세 개의 흡착층으로 구성되며, 상기 흡착탑은 상기 분리막에 의해 사전 분리된 질소에 잔존하는 O 2 , NOx, SOx, CO, CO 2 , hydrocarbon, 수분 및 기타 잔여 불순물들을 모두 제거하는 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제1항에 있어서, 상기 공기분리부는 압축된 공기를 분리막에 의해 98.0~99.7%의 순도가 되도록 질소를 먼저 분리하고, 상기 질소에 남아있는 0.3~2.0% 불순물을 흡착탑에서 제거하며, 상기 질소발생장치의 가로, 세로 및 높이가 각각 70cm 보다 작은 크기인 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제3항에 있어서, 상기 막분리-VPSA 혼합 공정은 흡착제에 흡착된 불순물을 0.01~0.5bar의 진공압력에서 탈착시켜 흡착제를 재생하는 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제3항에 있어서, 상기 흡착탑은 연속 운전시간이 5 시간 이상이며, 상기 흡착제를 1일 1회 재생할 수 있는 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제1항에 있어서, 상기 공기분리부는 무급유의 스크롤 방식, 피스톤 방식, 또는 다이아프램 방식의 진공펌프 중에서 선택되는 어느 하나의 진공펌프를 사용하여 흡착제를 재생하는 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제3항에 있어서, 상기 공기분리부의 상기 분리막과 상기 흡착탑은 각각 3~8bar에서 운전되는 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제3항에 있어서, 상기 공기분리부는 상기 분리막으로 들어가는 공기 유량을 질량식 유량계, 비례제어 밸브 또는 질량식 유량계와 니들밸브의 조합 중에서 선택되는 어느 하나의 방법으로 조절하는 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제1항에 있어서, 상기 질소공급부는 질소의 순도를 관리하기 위해 형광소광 방식의 산소농도 전송기가 설치되고, 측정된 상기 산소농도를 질소농도로 환산하여 디스플레이에 표시하는 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제1항에 있어서, 상기 질소공급부는 니트로프레스 또는 케그로 들어가는 질소 유량을 밸브로 조절하고, 케그압력조정기로 니트로프레스 또는 케그 내 압력이 2~3bar 사이에서 일정하게 유지될 수 있게 하는 안정장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제1항에 있어서, 상기 제어표시부는 상기 공기압축부의 공기압축기가 압력전송기에 의해 측정된 질소 저장탱크의 압력에 따라 자동으로 on/off 되며, on 및 off 되는 기준 압력을 프로그램할 수 있게 설계된 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제3항에 있어서, 상기 막분리-VPSA 혼합공정은 흡착탑의 흡착 및 탈착 사이클이 자동으로 수행되며, 흡착 및 탈착 사이클의 진행 시간을 프로그램할 수 있게 상기 제어표시부가 설계된 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제15항에 있어서, 상기 흡착탑의 흡착 사이클이 진행되는 시간은 5hr 이상이고, 탈착 사이클의 진행 시간은 2~3min인 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.
제1항에 있어서, 상기 제어표시부는 상기 공기압축부의 공기저장탱크 압력, 상기 공기분리부의 분리막으로 들어가는 공기 유량, 상기 질소공급부의 질소 순도, 질소저장탱크 압력 및 케그 내부 압력을 표시하는 것을 특징으로 하는 니트로커피 조제용 질소발생장치.

Description

니트로커피 조제용 질소발생장치{Nitrogen generator for brewing nitro coffee} 본 발명은 니트로커피(Nitro coffee) 조제(brew) 시에 사용되는 질소발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고분자 분리막과 흡착탑을 사용해 공기를 분리해서 카페내에서 니트로커피 조제에 사용할 수 있는 순도 99.9% 이상의 질소를 공급하는 소형 질소발생장치에 관한 것이다. 니트로커피는 원두를 찬물로 우려낸 콜드브루커피(cold brew coffee)에 아산화질소(N2O), 또는 질소(N2) 가스를 주입해 만든 커피를 말한다. 니트로 가스에 의해 생성된 거품(기포)으로 인해 커피 본연의 쓴맛이 사라지고 오히려 단맛이 나며, 촉감이 부드럽고 순한 특징이 있다. 또한, 뜨거운 물로 우려낸 커피보다 산도(acidity)가 낮고, 항산화 성분이 많으며, 오래 보관할 수 있고, 설탕과 크림을 넣지 않아도 단맛이 나 매니아층이 두텁게 형성되어 있다. 니트로커피는 상업 판매되는 크림 휘퍼(cream whipper), 케그(keg) 또는 니트로프레스(nitropress)와 같이 가스 압력을 유지할 수 있는 압력용기 내에서 조제된다. 아산화질소 커피를 조제할 때에는 크림 휘퍼 또는 니트로프레스가 사용되며, 아산화질소보다 끓는점이 낮아 더 높은 압력이 요구되는 질소커피는 2~3bar에 견딜 수 있게 제작된 니트로프레스 또는 케그를 사용해 만든다. 질소로 만든 커피는 거품이 풍부하고 크기가 작아 아산화질소 커피보다 더 부드럽고 크리미한 맛을 낸다. 2013년 미국 포틀랜드의 한 카페에서 만들기 시작한 니트로커피가 초창기에는 조제 가스로서 조그마한 카트리지에 충전된 1회용 아산화질소가 사용되었으나 이를 흡입할 시에 웃음을 유발하는 환각작용으로 인해 국내에서는 2021년도부터 카트리지 판매가 금지되었으며, 현재는 고압 실리더에 충전된 아산화질소 또는 질소가 사용되고 있다. 그런데 아산화질소는 지구온난화지수가 CO2보다 약 300배 정도 크기 때문에 판매가 아예 금지되어 향후 니트로커피는 질소만으로 조제될 가능성이 있다. 니트로커피를 조제하기 위해 고압의 질소실린더를 카페 내에 설치하면 미관상 좋지 않고, 폭발 및 누출과 같은 안전사고가 발생할 수 있으며, 가스가 다 소모되면 실린더를 교체해야 하는 번거로움이 있다. 만약 카페에 가전제품처럼 미관이 수려하면서도 가스 압력으로 인한 위험성이 없는 안전한 소형 질소발생장치가 사용된다면 기존의 문제점들이 모두 해소될 수 있을 것으로 예상된다. 한편, 선행기술로 국내등록특허 제10-0733159호나 국내공개특허 제10-2021-0056530호와 같이 질소발생장치가 개시된 바 있으나, 이들은 모두 대형 질소발생장치에 관한 것으로 여전히 카페내에 설치가능한 소형 질소발생장치에 대한 개발 필요성은 존재한다. 이에, 본 발명자들은 공기에 포함된 약 78%의 질소를 99.9% 이상의 순도로 분리정제하여 공급할 수 있는 니트로커피 전용 질소발생장치를 개발 및 보급하고자 본 발명을 완성하게 되었다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 니트로커피 조제용 질소발생장치의 공정 개략도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 니트로커피 조제용 질소발생장치의 공정 구성도이다. 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 이하에서는 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조하여 구체적으로 설명하기로 한다. 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 니트로커피 조제용 질소발생장치의 공정 개략도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 니트로커피 조제용 질소발생장치의 구체적인 공정 구성도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 니트로커피 조제용 질소발생장치는 공기압축부(1), 분리막과 흡착탑으로 이루어진 공기분리부(2), 질소공급부(3) 및 제어표시부(4)로 구성되며, 이러한 기본 구성이 유지되면서 구조와 형태가 조금씩 다른 다양한 변형과 실시예가 있을 수 있다. 예를 들어, 계장 및 밸브 등 구성부품의 상하좌우 방향으로의 배치가 다르거나, 기능은 동일하지만 형식이 다른 구성부품이 사용된 다양한 질소발생장치가 구현될 수 있다. 따라서 본 발명의 범위가 이하 설명되는 본 발명의 구체적인 내용과 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도 2는 도 1의 본 발명을 더욱 구체화한 일 실시예이다. 공기압축부(1)는 공기압축기(10), 유수분리기(11), 공기저장탱크(12), 체크밸브(13), 솔레노이드밸브(14), 압력전송기(15), 압력조정기(16) 및 압력계(17)를 포함하여 구성될 수 있다. 공기분리부(2)는 분리막(20), 흡착탑(21), 미세입자필터(22), 유량제어밸브(23), 공기유량계(24), 전기구동볼밸브(25-1, 25-2), 진공펌프(26), 솔레노이드밸브(27), 압력계(28) 및 역압력조정기(29)를 포함하여 구성될 수 있다. 질소공급부(3)는 질소저장탱크(30), 산소농도전송기(31), 케그압력조정기(32), 질소유량조절밸브(33), 질소저장탱크압력계(34), 케그압력계(35), 솔레노이드밸브(36) 및 질소공급라인(L-3)을 포함하여 구성될 수 있다. 먼저, 공기압축부(1)에 대해 설명하기로 한다. 공기압축기(10)는 분리된 질소에 혹여 오일성분이 들어가면 안 되므로 무급유(oil free) 방식의 피스톤 압축기, 또는 다이어프램 압축기, 더 바람직하게는 모든 압축기 중 소음과 진동이 가장 적은 스크롤 압축기가 사용될 수 있다. 스크롤 압축기는 가정용 냉장고를 포함한 각종 냉장 및 냉동기의 냉매 압축용으로 사용되는, 소음과 진동이 크지 않고 다른 제품에 비해 크기도 작은 압축기이다. 공기압축기(10)의 용량은 공기 유량이 10~100Nm3/hr이면 카페에서 사용하기에 충분한 질소를 분리할 수 있다. 또한, 공기분리부(2)의 분리막과 흡착탑이 8bar 이하의 압력에서 운전되므로 공기압축기(10)는 최대 10bar로 압축할 수 있으면 사용될 수 있다. 상기 유수분리기(11)는 공기에 포함된 수분이 압력 상승으로 인해 응축되어 나오는 응축수와 입자상 물질을 제거하기 위한 것이다. 본 발명에서는 무급유 방식의 압축기를 사용하므로 오일이 나오지 않지만, 통상적으로 공기압축기에서 나오는 액상 물질을 제거하는 제품의 이름이 유수분리기이기에 편의상 이 이름을 사용한다. 한편, 유수분리기(11)는 공기에 포함된 다양한 크기의 입자상 물질을 효과적으로 포집하기 위해 기공 크기가 다른 필터가 장착된 제품을 2개 이상 사용해 다단으로 포집할 수 있다. 상기 유수분리기(11)에서 응축수와 입자상 물질이 제거된 공기는 체크밸브(13)를 거쳐 금속 재질의 공기저장탱크(12)로 들어간다. 여기에는 압력전송기(15)가 설치되어 있다. 압력전송기(15)에서 변환된 공기저장탱크(12)의 압력 전류값은 제어표시부(4)의 프로그래머블 로직컨트롤러(Programable Logic Controller, PLC)에 전송되어 공기압축기(10)의 on/off를 지시하는 용도로 사용된다. 상기 PLC에 의해 공기압축기(10)가 off 될 때는 체크밸브(13)에 연결된 솔레노이드밸브(14)가 동시에 열려(on) 공기압축기(10)와 유수분리기(11)에 차 있는 공기가 밖으로 배출되어 압력이 대기압으로 떨어진다. 이때, 공기저장탱크(12)의 압력은 체크밸브(13)에 의해 차단되어 원래의 압력이 유지된다. 이와 같이 공기압축기(10)가 멈출 때 차 있는 공기를 배출시킴으로써 재가동 시에 공기압축기(10)의 구동모터에 걸리는 부하가 낮아져 모터가 쉽게 구동된다. 공기압축기(10)가 on 및 off 되는 공기저장탱크(12)의 압력은 PLC를 통해 조절될 수 있다. 본 발명의 니트로커피 조제용 질소발생장치에서 적절한 공기저장탱크(12)의 최대압력 Pm, 즉 압축기가 off 되도록 지시하는 압력은 8bar이며, 최저압력(압축기 on 지시 압력) PL은 5bar이다. 공기저장탱크(12)의 압력이 5~8bar 사이에서 운전될 때 후단에 설치된 분리막으로 공기를 일정한 압력과 유량으로 공급하면서 공기압축기(10)가 짧은 시간에 on/off를 반복하지 않도록 하며 장시간 사용할 수 있다. 공기저장탱크(12)의 용적은 4~10리터가 적당하다. 용적이 이와 같을 때 소형을 지향하는 카페용 질소발생장치의 전체 크기에 영향을 주지 않으면서 공기압축기(10)가 무리 없이 on/off 사이클을 반복할 수 있다. 상기 공기압축기(10)의 on/off를 지시하는 제어기로서 PLC 대신에 압력스위치가 사용될 수 있다. 상업 판매되는 압력스위치에는 압축기의 on/off 압력을 설정할 수 있는 기능을 갖추고 있으며, 일부 제품에는 공기압축기(10)에 차 있는 공기를 배출할 수 있도록 솔레노이드밸브(14)도 장착되어 있다. 도 2의 압력조정기(16)는 공기분리부(2)를 원하는 압력으로 일정하게 조절하기 위한 것이다. 이로부터 역압력조정기(29)까지의 공기분리부(2)의 모든 장치와 계장 및 배관 압력이 설정된 값으로 일정하게 유지된다. 다음으로 공기분리부(2)를 구성하는 장치들의 기능에 대해 설명하기로 한다. 유량제어밸브(23)는 분리막(20)으로 들어가는 공기의 유량을 조절하기 위한 것이다. 선정된 분리막의 막면적에 따라 순도 98.0% 이상의 질소를 분리하는데 필요한 최적의 공기 유량이 있으므로 공기 유량조절기가 필요하며, 본 발명에서는 PLC를 통해 유량을 조절할 수 있는 자동식 비례제어밸브, 또는 수동으로 유량을 미세하게 조절할수 있는 니들밸브, 또는 미터링밸브를 선택해 사용할 수 있다. 유량은 설치된 상기 공기유량계(24)에 나타난 값을 보면서 PLC, 또는 수동으로 조절할 수 있다. 소량 흐르는 가스 유량은 보통 질량유량조절기(MFC)가 사용되지만, 디스플레이가 장착된 조절장치를