KR100271526B1 - 의료용 에어탱크 충전용 산소발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 오염공기를 정화시켜 청정공기와 순산소(純酸素)를 만들고 혼합하여 의료용의 에어탱크에 충전시키는 산소발생장치에 관한 것이다. 완전히 정화된 고순도의 산소를 청정지역 수준 이상으로 만들기 위한 수단이다. 공기정화장치(1∼4)에 의하여 정화된 공기가 압축된다. 한쪽의 가압밸브(13a)에 의하여 한쪽의 베드(14a)를 통과하면서 질소가 제거된 순산소로 만들어진다. 다른 쪽의 베드(14b)에서는 평형밸브(24)를 통과하는 일부 순산소의 역류에 따라 흡착된 질소가 탈락되며 세정밸브(15b)를 통하여 외부로 배출된다. 2개의 베드(14a,14b)를 작동시키는 시스템은 릴레이식이다. 순산소는 혼합밸브(8)에 의하여 정화된 공기와 일정하게 혼합된다. 혼합공기는 다시 압축된 후에 의료용 산소탱크(10)에 충전시킬 수 있다. 순도 83±2%, 농도 23∼25%의 산소가 충전된다.

Description

의료용 에어탱크 충전용 산소발생장치{Oxygen Generator for Charging Medical Airtank}

본 발명은 오염공기를 정화시켜 청정공기와 순산소(純酸素)를 만들고 혼합하여 의료용(호흡용)의 에어탱크에 충전시키는 산소발생장치에 관한 것이다.

종래의 의료용의 산소발생은 특허공개 제86-8087호에 개시되고 있다. 이 발명은 탄산소다 과산화수소 부가 화합물을 물에 혼합한 용액에 선형, 코일형, 판상 등의 연속되고 일체화된 이산화망간 같은 촉매를 투입함으로서 일반식과 같은 과산화수소용액을 물과 산소로 분해하는 화학반응을 통해 산소를 발생시키도록 한 것이다.

또 특허공고 제97-894호에서는 과탄산소다(2Na₂CO₃·3H₂O₂)를 산소발생원으로 하는 산소발생제에 있어서 결합제로 Ca-CmC를 사용하는 정제형 산소발생제가 게재되어 있다. 이러한 정제형 산소발생제는 공기정화기에 이용되고 있다.

그리고, 공기를 진공펌프 및 압축기를 이용하여 가압하고 감압하는 일을 반복해서 행하는 과정에 CO, CO₂를 배출시키고 O₂는 흡착탑에서 흡착시키는 방법의 제어시스템은 특허공고 제95-7315호와 실용신안공개 제93-8806호에 개시되고 있다.

그러나, 위와 같은 종래의 산소발생수단들은 오염된 대기 중의 일반 공기(CO₂0.050% 이상)를 그대로 압축하여 산소를 추출한 후에 부분적으로 정화시키거나 과산화수소용액 또는 과탄산소다를 산소발생원으로 하는 것이었기 때문에 구급용 또는 의료용의 산소로는 부적합하였다.

의료용으로 적합한 산소는 각종 가스나 냄새, 미세 먼지 등을 포함하지 않는 공기를 포함하여야 하고, 청정지역에 준하는 7LPM 순도 약 83%, 산소함유량 21% 이상 확보되어야 하는데, 종래의 산소발생수단에 의해서는 위와 같은 조건을 충족하는 산소를 얻기 어려웠다.

본 발명의 목적은, 대기 중의 공기를 오염되지 않은 상태로 완전히 정화시킨 청정공기로 환원시키고, 그 공기 중의 질소를 제거하여 산소를 얻는 방식을 취하며, 청정공기와 취출된 산소의 혼합이 청정지역의 산소량이 되도록 자동적으로 조절시킬 수 있는 의료용의 에어탱크 충전용 산소발생장치를 제공하는데 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예의 전체구성도.

도 2는 본 발명의 실시예의 베드 단면도.

도 3은 그 분해사시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1:에어필터, 2:전기집진기, 3:활성탄, 4:음이온발생기, 6:동파이프, 7:제1공기압축기, 8:혼합밸브, 9:제2공기압축기, 10:의료용 에어탱크, 12:항균필터, 13a,13b:가압밸브, 14a,14b:베드, 15a,15b:세정밸브, 23a,23b,25:오리피스, 24:평형밸브, 26a,26b:체크밸브, 28:압력센서, 29:저장탱크

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 에어필터, 전기집진기, 활성탄, 음이온발생기를 포함하는 일련의 공기정화장치를 구비하고, 이 공기정화장치를 통과한 공기를 압축하는 제1공기압축기와, 이 제1공기압축기에 의하여 압축된 공기를 개방에 따라 밀어내며 유로를 서로 반대로 개폐시키는 한 쌍의 가압밸브와, 이 가압밸브의 어느 한쪽의 가압에 따라 각각 보내진 공기 중의 질소를 내장된 제오라이트에 흡착시켜 순산소를 얻어내는 한 쌍의 베드와, 상기 2개의 베드 출구쪽에서 상기 어느 한쪽의 가압밸브가 개방된 직후에 개방되어 순산소의 일부가 작동하지 않는 다른 쪽의 베드 내로 역류하여 흡착된 질소가 탈락되도록 하는 평형밸브 및 오리피스와, 상기 가압밸브와 베드 간에 각각 형성되는 2개의 유로 중에 각각 설치되며 동일한 유로 상의 가압밸브와 반대로 개폐되어 상기 베드에서 탈락된 질소를 외부로 배출시키는 한 쌍의 세정밸브와, 상기 베드에서 배출되는 일부의 순산소를 약 0.7∼0.8㎏/㎠의 압력으로 배출시키는 압력센서와, 이 압력센서에서 보내지는 순산소를 상기 공기정화장치에 의하여 정화된 공기와 혼합시키는 혼합밸브, 그리고 그 혼합된 공기를 압축시키는 제2공기압축기를 구비하는 시스템으로 구성한 것이다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 따라, 공기정화장치에 의하여 정화된 공기가 제1공기압축기에 의하여 압축된다. 가압밸브에 의하여 한쪽의 베드를 통과하면서 질소가 제거된 순산소로 만들어진다. 다른 쪽의 베드에서는 평형밸브를 통과하는 일부 순산소의 역류에 따라 흡착된 질소가 탈락되며 세정밸브를 통하여 외부로 배출된다. 산소의 생성과 질소의 세척 시스템은 릴레이식으로 작동된다. 일부 순산소는 압력센서와 제2공기압축기의 압력에 따라 혼합밸브에 의하여 상기 공기정화장치에서 보내오는 정화된 공기와 일정하게 혼합된다. 혼합된 공기는 다시 압축된 후에 의료용 산소탱크에 충전시킬 수 있다.

이하에서 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의하여 설명한다.

도 1은 산소발생장치의 전체 구성을 나타낸 것이고, 도 2와 도 3은 하나의 베드 구성을 나타낸 것이다.

공기정화장치는 공기가 연속해서 통과할 수 있는 밀폐된 공간(통로) 내에 순차적으로 설치되어 있다. 공기정화장치는 에어필터(1)와 전기집진기(2), 활성탄(3) 그리고 음이온발생기(4)가 순차적으로 설치된 것이다. 에어필터(1)는 유입되는 외부공기 중의 비교적 입자가 큰 먼지 등을 필터부재(망필터)를 통하여 기본적으로 제거한다. 전기집진기(2)는 2단 하전식으로서, 에어필터(1)를 통과한 미세한 먼지는 정전장(Electro-static Field)을 통과할 때 고압(+전압)에 의해 이온화되고, 마이너스 전압을 가진 전극 사이를 통과할 때 집진이 되도록 한 것이다. 활성탄(3)은 전기집진기(2)를 거쳐 여과된 공기 중의 보다 미세한 가스입자, 즉 냄새성분과 발암물질 등을 포함하는 각종 유해가스와 그 중의 화학성분을 흡착시켜 제거한다. 음이온발생기(4)는 전류를 통과시켜 음이온을 생성시킨다. 이러한 음이온 성분은 상기한 활성탄(3)을 통과한 공기 중에 합성된다.

공기정화장치에 의하여 정화된 공기는 구멍(5)이 무수히 뚫린 동파이프(6) 내로 들어왔다가 일부는 제1공기압축기(7)로 보내지고, 나머지는 혼합밸브(8)를 통하여 제2공기압축기(9)로 보내져 압축되면서 의료용 에어탱크(10)에 충전된다. 동파이프(6) 끝에는 스로틀(11)을 갖는 혼합밸브(8)가 설치되어 있으며, 그 앞에는 제1공기압축기(7)의 입구와 연결된다.

제1공기압축기(7)의 출구에는 항균필터(12)가 연결되어 있어서 제1공기압축기(7)에 의하여 압축된 공기 중의 세균을 살균할 수 있도록 하고 있다. 항균필터(12)의 출구는 분기되며 각 분기된 단부에 가압밸브(13a,13b)가 연결된다. 가압밸브(13a,13b)는 일종의 솔레노이드 밸브로서 전류가 공급되면 포트가 개방되면서 내부의 피스톤이 항균필터(12) 쪽에서 들어오는 압축공기를 순간적으로 강하게 밀어내고, 전류공급이 차단되면 피스톤이 복귀하면서 포트가 폐쇄된다.

2개의 가압밸브(13a,13b)는 각각 베드(14a,14b)에 연결된다. 그리고 각 가압밸브(13a,13b)와 베드(14a,14b) 간의 유로 중에는 같은 유로 중의 가압밸브와 반대로 개폐되는 세정밸브(15a,15b)가 각각 연결되어 있다. 세정밸브(15a,15b)의 출구는 외부로 개방되어 있어서 베드(14a,14b)로부터 역류되는 질소성분을 외부로 배출한다.

베드(14a,14b)는 2개가 독립적으로 작동되는 것으로서, 그 입구가 각 가압밸브(13a,13b)의 출구와 각 세정밸브(15a,15b)의 입구로 연결되는 2개의 유로에 각각 연결되어 있다. 베드(14a,14b)는 도 2 및 도 3에서 보는 바와 같이 원통(16) 내에 분말상 제오라이트(G)를 채우고, 그 양쪽에서 공기가 유동하도록 마감처리한 것이다. 즉 도 2에서 보는 바와 같이 원통(16)의 중간에 제오라이트(G)가 채워지고, 이 제오라이트(G)의 왼쪽에는 실리콘링(17a)과 필터캡(18a), 오링(19a), 그리고 입구캡(20a)이 차례대로 끼워져 마감된다. 입구캡(20a)에는 유로와 연결시키기 위한 니플(21a)이 고정된다. 또한 제오라이트(G)의 오른쪽에는 실리콘링(17b)과 필터캡(18b), 압축스프링(22), 오링(19b), 그리고 출구캡(20b)이 차례대로 끼워져 마감된다. 출구캡(20b)에도 출구측의 유로와 연결시키기 위한 니플(21b)이 고정된다. 제오라이트(G)는 4㎏/㎠의 압력을 받으면 질소를 흡착시킨다.

상기에서 실리콘링(17a,17b)은 필터캡(18a,18b)과 원통(16) 사이로 제오라이트(G)가 새어나가지 않도록 하면서 완충작용을 한다. 필터캡(18a,18b)은 다수개의 구멍이 뚫려 있으며, 그 일면에 부직포가 부착된 것으로 제오라이트(G)의 분출을 방지한다. 압축스프링(22)은 가압밸브(13a,13b)의 작동에 따라 공기압이 작용할 때 완충작용을 수행하는 것으로, 제오라이트(G)에 의하여 오른쪽으로 밀리면서 수축되어 공기압에 따른 충격을 흡수한다. 압축스프링(22)은 가압밸브(13a,13b)의 작동이 중지되면 다시 복귀하고, 그 복귀력과 베드(14a,14b)의 출구쪽에서 가해지는 순산소의 역류되는 압력에 따라 제오라이트(G)도 왼쪽으로 밀려난다.

베드(14a,14b)의 출구에는 2개의 오리피스(23a,23b)와 그 가운데에 있는 평형밸브(24), 또 다른 오리피스(25), 그리고 2개의 체크밸브(26a,26b)와 그 중간의 배출티(T)(27)가 3열을 이루며 병렬로 연결된다.

2개의 오리피스(23a,23b)는 베드(14a,14b) 중의 어느 한쪽에서 나오는 순산소의 일부(약 1/2)만이 다른 쪽의 베드로 역류할 수 있도록 설치된 것이고, 이러한 실행을 하도록 유로를 개방하는 것이 평형밸브(24)이다. 평형밸브(24)는 베드(14a,14b) 내의 제오라이트(G)에 흡착된 질소를 세척(탈락)시키기 위해 작동되는 것으로, 가압밸브(13a,13b)와 세정밸브(15a,15b)의 작동 초기에 약 2∼3초 동안만 개방된다. 이 시간은 달리 설정될 수 있다.

위 2개의 오리피스(23a,23b)와 평형밸브(24) 옆의 제2열에 설치된 오리피스(25)는 일종의 체크밸브 겸 과부하방지밸브로서, 압력센서(28)와 혼합밸브(8) 사이의 압력이 0.7∼0.8㎏/㎠를 초과할 때 세척이 진행되고 있는 베드(14a,14b)쪽으로 그 초과하는 양 만큼 역류시킬 수 있도록 하기 위해 설치한 것이다.

병렬회로의 마지막 열에 설치된 체크밸브(26a,26b)는 베드(14a,14b)쪽에서 보내오는 일부의 순산소를 저장탱크(29)로 계속해서 보내도록 하는 동시에 저장탱크(29)의 순산소가 역류하지 않도록 하는 기능을 수행한다. 배출티(27)는 그 2개의 체크밸브(26a,26b) 중간에 설치되어 있으며 저장탱크(29)와 연결되어 있다. 순산소를 저장하는 저장탱크(29)는 압력센서(28)와 연결되어 있다.

압력센서(28)는 0.7∼0.8㎏/㎠의 압력을 임의로 조정할 수 있도록 한 것이다. 또 압력센서(28)는 혼합밸브(8)와 연결되어 있다. 그래서 혼합밸브(8)의 입구쪽에는 항상 0.7∼0.8㎏/㎠의 압력이 작용하게 되지만 혼합밸브(8)의 출구가 차단되는 경우에는 일시적으로나마 그 유로의 압력이 올라갈 수 있는데 이때에는 오리피스(25)가 작동한다.

혼합밸브(8)는 동파이프(6)를 통해 공급되는 정화된 공기의 유속에 따라 자동으로 열리고 닫힌다. 정화된 공기의 유속이 작용할 때 동파이프(6) 내의 스로틀(11)이 열리며 이에 따라 그 하부의 로드(30)가 회전하면서 스로틀(11)과 로드(30) 사이의 구멍이 개방되어 압력센서(28)쪽에서 가해지는 순산소가 동파이프(8)로 빠져나간다. 스로틀(11)의 회전에 따라 동파이프(6)의 좌측에서 혼합이 이루어지며, 이것에는 벤츄리관의 원리가 적용된다. 즉 동파이프(6) 내에서 정화된 공기가 가지는 속도에너지는 혼합밸브(8) 내의 압력을 낮춰서 같은 속도에너지를 얻도록 하므로서 결국 정화된 공기에 의하여 순산소가 빨려올라가면서 혼합된다.

동파이프(6)의 좌측단에는 제2공기압축기(9)가 연결되어 있다. 그래서 혼합된 공기는 제2공기압축기(9)에 의하여 다시 한번 압축된 후에 의료용 에어탱크(10)에 저장된다.

위에 언급된 구성들에 의하여 대기 중의 공기로부터 최종적인 혼합공기를 얻기 위한 전체적인 작동상태를 순차적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 대기 중의 공기는 에어필터(1)와 전기집진기(2), 활성탄(3)을 거치면서 미세 먼지와 화학성분까지 모두 여과되고, 음이온발생기(4)에서 발생되는 음이온(61.27in³당 60%)과 혼합된다. 이렇게 정화된 공기는 동파이프(6) 내로 들어온다. 정화된 공기는 제1공기압축기(7)로 들어가 압축되고 항균필터(12)를 거치면서 압축된 공기 중의 세균까지 여과된다.

한쪽의 가압밸브(13a)는 열리고 다른 쪽의 가압밸브(13b)는 닫힌다. 동시에 한쪽의 세정밸브(15a)는 닫히고 다른 쪽의 세정밸브(15b)는 열리며, 이와 동시에 평형밸브(24)도 열린다. 한쪽의 가압밸브(13a)는 열림과 동시에 항균필터(12) 쪽에서 들어오는 공기를 베드(14a)쪽으로 강하게 밀어내는 동작을 한다. 상기 가압밸브(13a)와 세정밸브(15a)가 약 10초 동작할 때 평형밸브(24)는 약 2∼3초간 열렸다가 닫힌다.

따라서 한쪽의 베드(14a)에서는 제오라이트(G)가 유입되는 공기 중의 질소성분을 흡착시켜서 순산소만을 배출시킨다. 이때 압축스프링(22)은 가압밸브(13a)에 의하여 가해지는 공기압에 의하여 수축되고 제오라이트(G)는 배출방향으로 밀려났다가 평형밸브(24)가 닫히면 복귀한다. 한쪽의 베드(14a)에서 배출되는 순산소는 체크밸브(26a)를 거쳐서 배출티(27)를 통해 저장탱크(29)로 보내진다. 그러나 상기와 같이 한쪽 가압밸브(13a)의 동작초기에는 약 2∼3초간은 평형밸브(24)가 열려 있으므로 그 일부의 순산소가 오리피스(23a)와 평형밸브(24) 및 오리피스(23b)를 거쳐 다른 쪽의 베드(14b)로 역류한다. 이 역류에 의하여 다른 쪽 베드(14b) 내의 제오라이트(G)에 붙어 있던 질소가 떨어져 나간다. 이렇게 다른 쪽 베드(14b)에서 탈락된 질소는 세정밸브(15b)를 거쳐 외부로 배출된다.

상기한 가압밸브(13a,13b)에서 체크밸브(26a,26b)에 이르는 시스템은 병렬로 이루어져 있어서 릴레이 동작을 한다. 즉, 다른 쪽 가압밸브(13b)가 열리면서 작동할 때에는 한쪽의 가압밸브(13a)와 다른 쪽 세정밸브(15b)는 닫히고 한쪽의 세정밸브(15a)는 열린다. 또 평형밸브(24)는 2∼3초간 열렸다가 닫힌다. 이러한 동작에 의하여 위에서 설명한 한쪽 가압밸브(13a) 작동시의 작용과 반대로 작용한다. 이하 그 설명을 생략한다.

저장탱크(29)에 저장된 순산소는 압력센서(28)의 압력조절에 따라 혼합밸브(8)로 보내지는데, 압력센서(28)는 약 0.7∼0.8㎏/㎠로 조정된다. 혼합밸브(8)는 제2공기압축기(9)의 작동에 따라 동파이프(6)로 유입되는 정화공기의 속도에너지에 의하여 스로틀(11)이 열리게 된다. 스로틀(11)의 개폐량은 정화공기의 유입속도에 따라 다르고, 순산소와의 혼합비율은 일정하다. 그 혼합비율은 산소농도가 23∼25%이다.

제2공기압축기(9)가 작동하지 않을 때에는 혼합밸브(8)가 닫히게 되는데, 이때 압력센서(28)와 혼합밸브(8) 사이에 주어지는 순산소는 0.7∼0.8㎏/㎠를 초과하게 된다. 그 초과하는 압력은 오리피스(25)를 통하여 베드(14a,14b)쪽으로 역류한다. 한편, 제2공기압축기(9)로 들어온 혼합공기는 압축되어 의료용 에어탱크(10)로 충전된다. 그 충전되는 산소는 7LPM 순도 83±2%이다.

이와 같은 구성의 본 발명은 대기 중의 오염공기를 완전에 가깝게 정화시켜 청정지역의 공기와 유사하게 만들어 준다. 이것은 유해가스, 악취, 발암물질, 미세먼지, 세균 등을 여과시켜 주어 환자 등의 호흡기 장애를 예방한다. 그리고 쾌적한 환경 하에서의 청정공기 또는 이보다 약간 상회하는 산소량을 고순도로 에어탱크에 충전시킬 수 있게 된다. 비교적 소규모의 간단한 시스템으로 이루어져 있어서 병원이나 소방서 등에서 의료용 에어탱크에 손쉽게 충전하여 사용할 수 있다.

Claims (1)

1. 에어필터, 전기집진기, 활성탄, 음이온발생기를 포함하는 일련의 공기정화장치를 구비하고, 이 공기정화장치를 통과한 공기를 압축하는 제1공기압축기와, 이 제1공기압축기에 의하여 압축된 공기를 개방에 따라 밀어내며 유로를 서로 반대로 개폐시키는 한 쌍의 가압밸브와, 이 가압밸브의 어느 한쪽의 가압에 따라 각각 보내진 공기 중의 질소를 내장된 제오라이트에 흡착시켜 순산소를 얻어내는 한 쌍의 베드와, 상기 2개의 베드 출구쪽에서 상기 어느 한쪽의 가압밸브가 개방된 직후에 개방되어 순산소의 일부가 작동하지 않는 다른 쪽의 베드 내로 역류하여 흡착된 질소가 탈락되도록 하는 평형밸브 및 오리피스(23a,23b)와, 상기 가압밸브와 베드 간에 각각 형성되는 2개의 유로 중에 각각 설치되며 동일한 유로 상의 가압밸브와 반대로 개폐되어 상기 베드에서 탈락된 질소를 외부로 배출시키는 한 쌍의 세정밸브와, 상기 베드에서 배출되는 일부의 순산소를 일정 압력으로 배출시키는 압력센서와, 이 압력센서에서 보내지는 순산소를 상기 공기정화장치에 의하여 정화된 공기와 혼합시키는 혼합밸브, 그리고 그 혼합공기를 압축시키는 제2공기압축기를 구비하는 의료용 에어탱크 충전용 산소발생장치.