KR100332059B1 - 산소농축기용 통합베드 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 베드내에 베드를 동심원상에 수납배치하여 2중구조를 갖도록 함으로써 크기를 소형경량화하는 동시에 고유량의 산소를 얻을 수 있게 한 산소농축기용 통합베드에 관한 것이다.

이러한 본 발명의 산소농축기용 통합베드는 통합베드의 상부에 저장탱크를 장착고정시킴에 의하여 불필요한 밸브 및 배관을 줄여 구조를 단순화하고 설치를 손쉽게 하고 있다. 더욱이, 본 발명은 베드의 공간을 효율적으로 활용함으로써 산소농축기를 소형화할 수 있는 잇점을 가지고 있다.

Description

산소농축기용 통합베드{An integrated bed for an oxygen concentrator}

본 발명은 의료용이나 산업용도로 두루 사용될 수 있는 범용 산소농축기의베드에 관한 것으로, 특히 베드내에 베드를 동심원상에 수납배치하여 2중구조를 갖도록 함으로써 크기를 소형경량화하는 동시에 고유량의 산소를 얻을 수 있는 산소농축기용 통합베드에 관한 것이다.

일반적으로, 산소농축기의 작동원리는 제올라이트라 불리는 흡착제가 소정의 기체분자를 흡착시키는 성질을 이용한다. 대기중 약80%를 차지하는 질소는 산소보다 제올라이트에 잘 흡착되므로 공기를 흡착제가 충전된 흡착베드에 유입시키게 되면 질소성분은 흡착되고, 질소성분이 줄어든 기체는 베드상단 출구로 배출된다. 그럼으로써 이렇게 배출된 기체의 주성분은 산소가 되게 된다.

위의 질소흡착과정은 가압기체를 소정의 흡착제를 통과시킴으로써 질소만이 흡착되고 나머지 기체는 통과시켜 공기중의 산소를 분리하여 얻는 과정이며, 이때 흡착제인 제올라이트는 질소가 흡착되어 성능이 격감하므로 질소를 그로부터 분리(탈착)하여 원래의 성능을 회복시켜 주게 된다. 이 과정이 탈착과정으로 흡착제에 흡착된 흡착기체를 통과하는 기체중 일부를 저압상태에서 재순환시켜 탈착함으로써 흡착제를 세정하여 흡착능을 회복시키게 된다.

종래의 알려진 산소농축장치는 그 유출량의 변화를 고려하지 않는 단순한 구조와 성능을 갖는 산소농축기였다. 이와 같은 산소농축장치로는 일본특허공보 특공평6-91927호에 게재된 기체생성장치가 있다. 이 산소농축기의 구조는 크게 네가지로 구분되는 데, 이에 대해 개략적으로 설명하면 다음과 같다.

이 장치는 공기로부터 질소와 산소를 분리하는 흡착부, 공기압축, 저장, 유출에 관련하는 작동부, 밸브를 개폐하기 위한 제어부 및, 이들을 결합하기 위한 후레임부로 구성되어 있다. 이 기체생성장치의 핵심은 공보에 기재되어 있는 바와 같이 흡착제가 충전된 흡착조에 혼합기체를 공급하면 기체를 흡착하는 공정과, 이 흡착제에 흡착된 기체를 흡착제로부터 탈착하는 공정을 반복하여 필요기체(산소)를 일정한 농도로 얻게 되는 데, 이때 흡착조에서 얻은 필요기체중 일부는 탈착공정을 위해 흡착조로 환류하여 사용하고 있다.

이러한 기체생성장치에서는 산소농축만 진행되므로 생산유량에 관계없이 밸브개폐주기는 일정하게 작동한다. 따라서, 농축산소의 공급을 위하여 유출량의 변화가 있는 경우에는 산소순도가 균일하지 않을 뿐만 아니라, 사용자의 임의작동에 따라 산소공급이 불균형적으로 유출되어 농축과정 및 산소공급의 전체시스템이 원활하게 작동하지 않는 문제점을 안고 있었다. 특히, 이 장치에서 공기중 질소를 흡착하는 흡착조(베드)는 단일의 통체로 구성되어 흡착성능이 떨어짐은 물론 이를 극복하기 위해서 그 부피를 크게 해야 하는 폐단이 있었다.

또한, 기존의 산소농축기는 베드의 상단출구부분에 EQ밸브와 오리피스를 설치하고서 배관을 연결하여 저장탱크로 제조된 산소를 이송저장하는 구조를 가지므로 불필요한 밸브 및 배관들로 구조가 복잡하고 설치가 난해하며 부피가 커지는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기에서와 같은 종래의 결점들을 해소하기 위해서 안출한 것으로서, 베드내에 베드를 동심원상에 수납배치하여 2중구조를 갖도록 함으로써 크기를 소형경량화하는 동시에 고유량의 산소를 얻을 수 있는 산소농축기용 통합베드를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 산소농축기용 통합베드의 구조를 나타낸 단면도,

도 2는 산소농축기에 도 1의 통합베드가 적용된 사용상태도.

*도면의 주요부분에 대한 부호설명

10 : 외부베드 20 : 내부베드

21 : 오리피스 30,31 : 제올라이트(Zeolite)

40,41 : 부직포 50,51 : 분산판

60,61 : 기밀부재 70a,70b : 상하부커버

71a,71b : 결합홈 72a,72b,73a,73b : 접속구

80a,80b : 압축링 90 : 저장탱크

91 : 배출밸브 100 : 결합봉

101,102 : 숫나선 103,104 : 조임너트

110,111 : 코일스프링 120,121 : 체크밸브

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 산소농축기용 통합베드는 흡착제를 내장하고 유입된 공기중에서 질소를 흡착하여 산소를 분리하는 산소농축기용 베드에 있어서, 흡착제가 충전되고 상하가 개방된 내부베드; 상기 내부베드를 수용하고 그 사이에 흡착제가 충전되는 상하가 개방된 외부베드; 상기 내/외부베드의 상/하부에 장착되어 상하개방부를 폐쇄하며, 구획된 상기 내/외부베드와 대응된 위치에 기체가 유출입되는 접속공들을 갖는 상/하부커버; 및 상기 상부커버의 상부에 안착고정되어 상기 내/외부베드로부터 생산출력된 산소를 저장하는 저장탱크를 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들에 의거하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 산소농축기용 통합베드의 구조를 나타낸 단면도이다.

도시한 바와 같이, 본 통합베드(1)는 외부베드(10)내에 내부베드(20)를 삽입하여 흡착조를 제작하고 있다. 이로 인하여, 흡착조는 2개의 구획된 공간으로 분할되게 된다. 이때, 내부베드(20)와 외부베드(10)의 구획된 내부공간의 체적은 동일하게 한다. 이 각각의 내/외부베드(10,20)내에는 제올라이트(30,31)가 충전된다. 제올라이트(30,31)는 흡입된 공기로부터 질소를 흡착하여 산소를 분리시키는 작용을 하는 흡착제로, 그 재료의 특성상 베드내의 압력이 높을수록 질소의 흡착율이 상승한다.

이와 같이 제올라이트(30,31)가 충전된 내/외부베드(10,20)는 그 상하부가 개방되어 있으므로, 각각의 상하개방부에 부직포(40,41)를 씌워 내부에서의 미세입자의 유출을 방지한다. 이 부직포(40,41)는 대략 65메쉬(0.21mm)의 천이다. 그리고나서, 부직포(40,41)의 외면부에 분산판(50,51)을 장착하여 내/외베드(10,20)의 상하개방부를 폐쇄하게 된다. 분산판(50,51)은 작은 구멍이 천공된 알루미늄판으로 베드내로 유입되는 압축공기가 베드내에서 균일하게 분산되도록 한다. 특히, 분산판(50,51)과 내/외부베드(10,20)의 장착부위사이로 압축공기가 누출되는 것을 방지하기 위해서는 분산판(50,51)과 내/외부베드(10,20) 사이에는 기밀부재들(60,61)이 개재된다. 이 기밀부재들(60,61)은 기밀성을 높이기 위하여 탄력이 우수한 고무링이 사용된다.

이상과 같이 결합된 상태에서 내/외부베드(10,20)의 상하에는 상/하부커버(70a,70b)가 고정되게 되는 데, 이 상/하부커버(70a,70b)의 내/외부베드(10,20)의 상하주연부와 대응되는 부위에는 결합홈(71a,71b)이 요입되어 있고, 그 내부에는 압축링들(80a,80b)이 삽입되어 내/외부베드(10,20)와의 결합시 틈새를 제거하여 주게 된다. 특히, 외부커버(10)의 상부에는 저장탱크(90)가 안착고정되는 데, 내/외부베드(10,20)의 상하외주연에 상/하부커버(70a,70b)를 장착한 후 양단에 숫나선(101,102)이 형성된 결합봉들(100a,100b)로 상/하부커버(70a,70b) 및 저장탱크(90)를 관통시켜 그 외부에서 결합봉(100a,100b)의 숫나선들(101,102)에 조임너트(103,104)를 체결하여 상/하부커버(70a,70b) 그리고 저장탱크(90) 및 그 내부에 조립된 부품을 일체로 결합시키게 된다. 이때, 상부분산판(50)과상부커버(70a)사이에는 내/외부코일스프링(110,111)이 탄설되어 상부분산판(50)을 탄지함으로써 흡입된 공기에 의해 제올라이트(30,31)가 요동하는 것을 억제하게 된다. 위의 상/하부커버(70a,70b)에는 체크밸브 및 관들이 접속되어 기체들이 유출입하도록 내부베드(20) 및 외부베드(10)와 대응되는 위치에 각각 하나씩의 암나선이 형성된 접속구들(72a,72b,73a,73b)이 천공되어 있다. 특히, 상부커버(70a)에 구비된 접속구들(72a,73a)에는 체크밸브(120,121)가 결합되어 베드내의 산소가 저장탱크(90)로만 유동하며 공급저장할 수 있게 한다. 저장탱크(90)에도 저장된 산소를 필요한 곳으로 공급하기 위하여 배출밸브(91)가 설치되어 있다.

한편, 위와 같이 조립되어 구획되는 내부베드(20)와 외부베드(10)를 연결하여 기체가 일정량 유동할 수 있도록 오리피스(21)가 구비되어 있다. 이 오리피스(21)를 통해 한쪽 베드에서 생성된 고압,고순도의 산소중 일부가 다른쪽의 저압,저순도상태에 있는 베드로 유동하여 압력과 산소순도를 높여줌으로서 제올라이트(30,31)를 활성화시켜 전체시스템의 효율을 높여주게 된다.

이상 기술한 바와 같은 구조를 갖는 본 발명의 통합베드가 산소농축기에 적용사용되는 상태를 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 산소농축기에 도 1의 통합베드가 적용된 사용상태도로, 본 통합베드(1)를 사용한 산소농축기의 압력순환흡착공정(PSA)에 대해 설명하면 다음과 같다.

공기압축기(140)로부터 송출된 압축공기가 제 1솔레노이드밸브(150)에 의해 내부베드(20)와 연결된 접속구(72b)를 통해 공급되게 된다. 제1솔레노이드밸브(150)는 일정한 사이클에 의해 제 1위치(151)와 제 2위치(152)를 절환하게 되는 데, 제 1위치(151)에 있을 때 내부베드(20)로 압축공기가 공급되게 된다. 이렇게 내부베드(20)로 공급된 압축공기는 질소가 제올라이트(30)에 흡착되며 산소만이 상부의 제 1체크밸브(120)를 통해 저장탱크(90)로 공급되어 저장되게 된다. 이때, 저장탱크(90)로 보내지는 산소중 일부분이 오리피스(21)를 통해 내부베드(20)에서 외부베드(10)로 유동되어 외부베드(10)쪽의 제올라이트(31)를 활성화시키게 된다. 한편, 저장탱크(90)에 저장된 산소는 레귤레이터(160) 및 유량계(170)를 통해 일정압력과 순도를 갖도록 가공된 후 산소배출구(180)를 통해 필요한 대상(환자)에게 공급된다.

이렇게 내부베드(20)의 제올라이트(30)에 질소가 흡착되어 효율이 떨어지면, 제 1솔레노이드밸브(150)를 절환하여 공기압축기(140)의 압축공기를 외부베드(10)로 공급하게 된다. 그러면, 외부베드(10)내에서 제올라이트(31)가 질소를 흡착하여 산소를 생산하여 제 2체크밸브(121)를 통해 저장탱크(90)에 저장시켜 필요할 때, 레귤레이터(160) 및 유량계(170)를 경유하여 산소배출구(180)를 통해 필요한 응급환자등이 사용할 수 있게 된다. 물론, 오리피스(21)를 통해 외부베드(10)에서 생상된 산소의 일정량이 내부베드(20)로 보내져 내부베드(20)의 제올라이트(30)를 세정하여 제올라이트(30)로부터 질소를 떨어내어 활성화시키게 된다. 이렇게 제올라이트가 분리된 질소는 제 1솔레노이드밸브(150)를 거쳐 제 2솔레노이드밸브(190)로 보내져 소음기(200)를 통해 배출되게 된다.

이상 서술한 바와 같이, 본 발명의 산소농축기용 통합베드는 통합베드의 상부에 저장탱크를 장착고정시킴에 의하여 불필요한 밸브 및 배관을 줄여 구조를 단순화하고 설치가 용이한 장점을 가지고 있다. 또한, 베드내에 베드를 동심원상에 수납배치하여 2중구조를 갖도록 함으로써 베드가 차지하는 부피를 줄여 크기를 소형경량화할 수 있는 효과를 가지고 있다. 더욱이, 본 장치는 베드의 공간을 효율적으로 활용함에 의하여 소형으로 고유량의 산소를 얻을 수 있는 잇점을 가지고 있다.

Claims (4)

1. 흡착제를 내장하고 유입된 공기중에서 질소를 흡착하여 산소를 분리하는 산소농축기용 베드에 있어서,

   흡착제가 충전되고 상하가 개방된 내부베드;

   상기 내부베드를 수용하고 그 사이에 흡착제가 충전되는 상하가 개방된 외부베드;

   상기 내/외부베드의 상/하부에 장착되어 상하개방부를 폐쇄하며, 구획된 상기 내/외부베드와 대응된 위치에 기체가 유출입되는 접속공들을 갖는 상/하부커버; 및

   상기 상부커버의 상부에 안착고정되어 상기 내/외부베드로부터 생산출력된 산소를 저장하는 저장탱크를 포함하는 산소농축기용 통합베드.
2. 제 1항에 있어서, 상기 상/하부커버와 인접한 내/외부베드의 상/하부에는 미세입자의 유출을 방지하는 부직포 및, 그 외부에는 상기 내/외부베드내로 유입되는 공기가 골고루 분산되도록 하는 미세한 구멍들이 천공된 분산판을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 산소농축기용 통합베드.
3. 제 2항에 있어서, 흡입된 공기에 의해 흡착제가 요동하는 것을 방지하기 위하여 상기 상부의 분산판과 상기 상부커버 사이에는 코일스프링이 개재되어 상기흡착제를 압착하고 있는 것을 특징으로 하는 산소농축기용 통합베드.
4. 제 1항에 있어서, 상기 내부베드와 외부베드를 연통시켜 각기 베드내에서 생산된 산소중 일부가 연락하는 오리피스를 더 포함하는 산소농축기용 통합베드.