KR100334723B1

KR100334723B1 - 단탑형 산소발생장치

Info

Publication number: KR100334723B1
Application number: KR1020000008797A
Authority: KR
Inventors: 김민정; 이태수
Original assignee: 이태수; 주식회사 옥시테크
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2002-05-10
Also published as: KR200190287Y1; KR20010084046A

Abstract

개시된 내용은 단탑형으로 구성하고 산소순도를 높이기 위한 세정탱크와 공기압축기의 효율을 상승시키기 위한 가압보조탱크를 설치함에 의하여 전체크기를 감소시켜 소형경량화하면서도 산소순도 및 생산량을 배가시킨 단탑형 산소발생장치에 관한 것이다. 이러한 본 발명은 공기압축기로 압축된 압축공기를 세정과정시 임시로 가압저장하는 가압보조탱크; 상기 가압보조탱크 및 상기 흡착탑으로 상기 공기압축기에서 압축된 압축공기를 선택적으로 공급하는 제 1솔레노이드밸브;

상기 흡착탑에서 생성되어 상기 저장탱크에 저장된 산소를 세정과정시 다시 상기 흡착탑으로 환류공급하는 제 2솔레노이드밸브; 상기 흡착탑에서 생성되어 외부로 출력되는 산소순도를 검출하는 산소센서; 및 상기 산소센서의 검출값을 입력받아 상기 공기압축기 및, 상기 제 1,제 2솔레노이드밸브를 제어하여 전체시스템을 온/오프통제하는 제어부로 구현된다.

이러한 구성에 의해서, 본 발명의 단탑형 산소발생장치는 전체크기를 감소시켜 소형경량화하면서도 산소순도 및 생산량을 배가시킬 수 있는 잇점을 가지고 있다. 이에 따라서, 본 장치는 고순도와 안정된 생산량을 얻을 수 있을 뿐만아니라, 협소한 공간에도 적용이 가능하며 보다 간편하게 장착할 수 있다.

Description

단탑형 산소발생장치{An oxygen concentrator for a single tower}

본 발명은 의료용이나 산업용도로 두루 사용될 수 있는 범용 산소발생장치에 관한 것으로, 특히 단탑형으로 구성하고 산소순도를 높이기 위한 세정탱크와 공기압축기의 효율을 상승시키기 위한 가압보조탱크를 설치함에 의하여 전체크기를 감소시켜 소형경량화하면서도 산소순도 및 생산량을 배가시킨 단탑형 산소발생장치에 관한 것이다.

일반적으로, 산소발생기는 대기중에서 산소를 분리농축하는 장치로, 통상 가정용으로 사용되고 있는 데, 이러한 산소발생기의 작동원리는 제올라이트(Zeolite)라 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 주성분으로 산소를 얻게 된다.

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

종래의 알려진 산소발생장치는 그 유출량의 변화를 고려하지 않는 단순한 구조와 성능을 갖는 산소발생기였다. 이와 같은 산소발생장치로는 일본특허공보 특공평6-91927호에 게재된 기체생성장치가 있다. 이 산소발생기의 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 프레임부로 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 일부를 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 뿐더러, 사용자의 임의작동에 따른 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, 위와 같은 산소발생기는 산소저장탱크의 용량에 한계가 있어 환자수송차량에 적용할 경우 환자수송시간에 제약이 있으므로 장거리 응급수송이 불가능할 뿐만 아니라, 수시로 재충전해야 하는 불편함이 있었다. 특히, 재충전시간동안 차량은 다른 산소저장탱크를 싣고 환자를 수송하거나, 충전시간동안 기다려야 하는 폐단이 있었다.

이상과 같은 문제점들을 극복하기 위해서 본 출원인은 양탑형의 통합베드를 적용한 산소발생장치를 기출원한 바 있다. 그러나, 이러한 기출원된 통합베드는 고순도 및 많은 출력을 얻을 수 있는 매우 훌륭한 장점을 가짐에도 불구하고, 듀얼베드(Dual Bed)를 적용함으로써 그 크기가 커져 소형화의 실현에 지장을 주는 문제가 발견되었다.

따라서, 본 발명의 목적은 협소한 공간에도 적용이 가능하며 고순도와 안정된 생산량을 얻을 수 있도록 단탑형으로 구성하면서도 산소순도를 높이기 위한 세정탱크와 공기압축기의 효율을 상승시키기 위한 가압보조탱크를 그 내부에 설계함으로써 전체크기를 감소시켜 소형경량화하면서도 산소순도 및 생산량을 배가시킬 수 있는 단탑형 산소발생장치를 제공함에 있다.

도 1은 본 발명에 따른 단탑형 산소발생장치의 일실시예를 나타낸 구성도,

도 2는 본 발명에 따른 단탑형 산소발생장치의 다른 실시예를 나타낸 구성도,

도 3은 본 발명의 단탑형 산소발생장치가 차량에 적용된 예를 보여주는 도면.

*도면의 주요부분에 대한 부호설명

10 : 공기압축기 11 : 흡입필터

12 : 소음기 20 : 흡착탑

21 : 오리피스 30 : 저장탱크

31 : 압력센서 40 : 제어부

50 : 세정탱크 60 : 가압보조탱크

70 : 제 1솔레노이드밸브 81,82 : 체크밸브

90 : 제 2솔레노이드밸브 100 : 압력조절기

110 : 유량계 111 : 산소센서

112 : 산소배출구 120 : 제 3솔레노이드밸브

200 : 공조매니폴드

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단탑형 산소발생장치는 대기중의 공기를 공기압축기로 흡입압축하여 흡착탑에서 산소를 분리농축하여 저장탱크에 저장했다가 필요시 산소배출구를 통해 공급하는 산소발생기에 있어서, 상기 공기압축기로 압축된 압축공기를 세정과정시 임시로 가압저장하는 가압보조탱크;상기 가압보조탱크 및 상기 흡착탑으로 상기 공기압축기에서 압축된 압축공기를 선택적으로 공급하는 제 1솔레노이드밸브; 상기 흡착탑에서 생성되어 상기 저장탱크에 저장된 산소를 세정과정시 다시 상기 흡착탑으로 환류공급하는 제 2솔레노이드밸브; 상기 흡착탑에서 생성되어 외부로 출력되는 산소순도를 검출하는 산소센서; 및 상기 산소센서의 검출값을 입력받아 상기 공기압축기 및, 상기 제 1,제 2솔레노이드밸브를 제어하여 전체시스템을 온/오프통제하는 제어부를 포함한다.

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

도 1은 본 발명에 따른 단탑형 산소발생장치의 일실시예를 나타낸 구성도이다. 이 도면에서는 구성요소들의 작용관계를 알기 쉽게 하기 위해서 공기흐름은 실선으로, 센서신호는 일점쇄선으로, 그리고 제어신호는 점선으로 표시하고 있다.

본 산소발생장치는 대분하면 대기중의 공기를 압축공기로 가공하여 공급하는 공기압축기(10)와, 내부에 흡착제를 충전하고 공기압축기(10)로부터 보내진 압축공기에서 질소를 흡착하여 산소를 분리하는 흡착탑(20)과, 흡착탑(20)에서 생산출력된 산소를 저장하고 일정한 압력으로 변환하여 필요한 대상에게 공급하는 저장탱크(30) 및, 이 모든 구성요소들을 제어하여 소망하는 출력을 얻을 수 있도록 제어하는 제어부(40)를 구비하고 있다. 또한, 흡착탑(20)의 질소탈착공정을 위해 본 장치는 흡착탑(20)과 연결된 세정탱크(50)를 마련하고 있으며, 가압시간을 단축하고 생산효율을 상승시키기 위한 가압보조탱크(60)를 흡착탑(20)의 전단계에 설치하고 있다. 이상의 구성요소들은 하나의 프레임(미도시)으로 결합되어 일체화되어있으며, 이에 대해서는 이하부터 보다 상세히 설명한다.

도시한 바와 같이, 흡입필터(11)를 통해 공기압축기(10)에 공기중의 먼지를 제거하여 공급한다. 그러면, 제 1솔레노이드밸브(70)를 거쳐 흡착탑(20)으로 압축공기가 유입되게 된다. 이 제 1솔레노이드밸브(70)는 제 1위치(71)에서는 공기압축기(10)의 공기를 흡착탑(20)으로 공급하고, 제 2위치(72)에서는 공기압축기(10)의 압축공기를 가압보조탱크(60)로 공급저장하게 된다. 흡착탑(10)에서 질소가 흡착되어 산소가 출력되는 데, 이 출력된 산소는 저장탱크(30)로 공급되어 일시 저장되게 된다. 이 저장탱크(30)와 흡착탑(20) 사이에는 제 1체크밸브(81)가 개재되어 저장탱크(30)에서 흡착탑(20)으로 산소가 역류하지 못하도록 한다.

한편, 세정탱크(50)와 흡착탑(20) 사이에는 제 2솔레노이드밸브(90)가 구성되어 있어 제 2위치(92)에서 세정탱크(50)내의 저장산소를 흡착탑(20)으로 환류하여 흡착탑(20)을 세정할 수 있게 한다. 이때, 흡착탑(20)을 세정하기 위해 역류되는 유량은 세정탱크(50)의 부피에 관계된다. 그리고, 제 2솔레노이드밸브(90)와 흡착탑(20) 사이에는 오리피스(21)가 설치되어 산소의 역류시 오리피스(21)틀 통해 천천이 흡착탑(20)으로 환류되게 된다.

저장탱크(30)에는 또한 압력센서(31)가 구비되어 있어 탱크내의 압력을 수시로 검출하여 제어부(40)로 전송함에 의하여 이상작동상태를 감지하게 한다. 저장탱크(30)에 저장된 산소는 압력조절기(100)와 유량계(110)를 거치면서 사용자에게 알맞는 상태로 가공되어 출력되게 된다. 이때, 압력조절기(100)와 유량계(110) 사이에도 제 2체크밸브(82)가 설치되어 공급되는 산소의 역류를 방지하게 된다. 특히, 본 장치는 유량계(110)를 거쳐 출력되는 산소배출부분에 산소센서(111)를 설치하여 출력되는 산소의 순도값을 검출함으로써 산소발생기의 온/오프(On/Off)제어를 위한 정보로 이용하게 된다.

본 장치는 위에서도 간략히 설명했듯이 가압시간을 단축하여 흡착탑(20)에서의 산소생산출력을 상승시키기 위하여 공기압축기(10)와 흡착탑(20) 사이에 가압보조탱크(60)를 구비하고 있다. 이것은 흡착탑(20)의 세정과정중에도 공기압축기(10)로 압축된 공기를 제 1솔레노이드밸브(70)를 제 2위치(72)로 전환시켜 가압보조탱크(60)내에 저장하고 있다가, 흡착탑(20)이 세정과정을 마치고 가동되는 즉시 가압보조탱크(60)로부터 필요량의 압축공기를 단시간내에 공급받아 흡착탑(20)의 가동효율을 상승시키게 된다. 이때, 가압보조탱크(60)로부터 흡착탑(20)으로의 압축공기의 공급/단속은 그들 사이에 개재된 제 3솔레노이드밸브(120)에 의해 이루어지게 된다. 즉, 제 3솔레노이드밸브(120)는 제 1위치(121)에서는 공급통로가 차단되어 있다가, 제 2위치(122)로 전환되면 가압보조탱크(60)내의 압축공기를 흡착탑(20)으로 공급하게 된다. 물론, 이 제 3솔레노이드밸브(120) 뿐만아니라 위에서 기설명한 제 1,제 2솔레노이드밸브(70,90)도 제어부(40)에 의해 제어되게 된다.

또한, 본 장치는 흡착탑(20)에서 산소를 농축하는 과정에서 발생된 질소를 배출할 때, 주변대기와의 압력차에 의한 소음발생을 저감하기 위해서 배출부측에 소음기(12)를 장착하고 있다. 이 소음기(12)로부터 배출되는 기체성분은 대부분이 질소이므로 흡착탑(20)내로 재유입될 경우 흡착탑(20)에서 생성되는 산소농축량이저하되게 된다. 그러므로, 소음기(12)는 공기압축기(10)의 흡입필터(11)와 분리하여 멀리 이격시켜 놓음으로써 신선한 공기가 공기압축기(10)로 흡입되도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 단탑형 산소발생장치의 다른 실시예를 나타낸 구성도이다. 본 도면에 개시된 실시예는 도 1에서 기설명한 실시예와 거의 동일한 구성을 가지므로 동일한 부분에 대해서는 다시 언급하지 않고, 상이한 부분에 대해서만 중점적으로 설명하도록 한다.

본 실시예에서는 세정탱크없이 흡착탑(20)에서 곧바로 저장탱크(30)로 연결되어 있다. 따라서, 흡착탑(20)의 세정시 저장탱크(30)내에 저장된 압축공기를 환류시켜 흡착제에서 질소를 탈착분리하게 된다. 다시 말하면, 흡착탑(20)에서 생성출력된 산소는 제 1체크밸브(81)를 거쳐 저장탱크(30)내에 저장되고, 흡착탑(20)의 세정시에는 제 2솔레노이드밸브(90)가 제 2위치(92)로 제어부(40)에 의해 제어전환되어 저장탱크(30)내의 압축공기가 흡착탑(20)으로 오리피스(21)를 거쳐 서서히 환류하게 된다. 본 실시예에서는 세정탱크가 생략되었으므로 저장탱크(30)로부터 흡착탑(20)으로 역류하는 유량은 제 2솔레노이드밸브(90)의 개폐시간을 제어하여 조절하게 된다.

도 3은 본 발명의 단탑형 산소발생장치가 차량에 적용된 예를 보여주는 도면으로, 여기에서는 본 단탑형 산소발생장치를 차량의 공조장치에 연결하여 차내 탑승객들에게 신선한 공기를 공급하도록 구성하고 있다. 이를 위해 본 산소발생장치(1)의 산소배출구(112)를 차량의 공조매니폴드(200)에 연결하고, 본 장치의 소음기(12)를 차량의 외부에 설치하고 있다. 이와 같이 차량에 적용된 본단탑형 산소발생장치의 동작구현원리에 대해 도 1 및 도 3을 연관하여 참조하며 상세히 설명하기로 한다.

본 장치를 작동시키게 되면 제어부(40)는 산소배출구쪽에 설치된 산소센서(111)로부터 산소순도를 검출하여 산소를 생산할 지를 판단하게 된다. 이때, 저장탱크(30)내의 산소가 부족하다고 판단되면 제어부(40)는 공기압축기(10)에 구동신호를 보낸다. 그러면, 공기압축기(10)가 작동하여 흡입필터(11)를 거쳐 여과된 공기를 갖고 압축공기를 생성하게 된다. 이 압축공기는 흡착탑(20)으로 보내져 그 내부에서 흡착제인 제올라이트에 의해 질소가 흡착되어 산소가 분리되게 되고, 이렇게 분리된 산소는 흡착탑(20) 상부에 마련된 제 1체크밸브(81)를 경유하여 저장탱크(30)에 가압저장되게 된다. 저장탱크(30)가 입정압이 되면 제어부(40)는 제 2솔레노이드밸브(90)를 제 2위치(92)로 절환시켜 세정탱크(50)내에 산소를 충진하게 된다. 제어부(40)는 계속해서 차내에 설치된 산소센서(111)로부터 그 내부산소순도를 파악하면서 산소생산을 제어하게 된다.

한편, 흡착과정이 끝나고 흡착탑(20)의 흡착제가 오염되어 세정이 필요하다고 판단되면 제어부(40)는 제 1솔레노이드밸브(70)를 제 2위치(72)로 전환시켜 흡착탑(20)내에 충만된 질소를 대기중으로 배출한다. 이때, 질소는 소음기(12)를 거치면서 배출되어 배출소음이 저감되게 된다. 그리고 나서, 제어부(40)는 제 2솔레노이드밸브(90)를 제 2위치(92)로 절환시켜 세정탱크(50)내의 산소를 오리피스(21)를 통해 흡착탑(20)내로 천천히 환류시키면서 흡착제에 부착된 질소를 탈착세정하여 외부로 배기하게 된다. 이와 같은 세정과정중에는 제 1솔레노이드밸브(70)가제 2위치(72)에 있게 되므로 공기압축기(10)에 의해 압축되는 공기는 가압보조탱크(60)내에 저장되게 된다.

이와 같이 흡착탑(20)의 세정과정이 끝나면 제 2솔레노이드밸브(90)가 제 1위치(91)로 복귀하며 폐쇄되고, 제 3솔레노이드밸브(120)가 제 2위치(122)로 전환되면서 개방되어 가압보조탱크(60)내에 충만된 압축공기가 흡착탑(20)내로 유입되게 된다. 이와 동시에, 제 1솔레노이드밸브(70)도 제 1위치(71)로 전환되어 공기압축기(10)로 압축된 압축공기도 가압보조탱크(60)내의 압축공기와 함께 흡착탑(20)으로 공급되므로 급속하게 흡착압력을 형성할 수 있게 된다.

이상의 공정을 거쳐 생산된 산소는 저장탱크(30)내에 가압저장되어 있다가, 필요시 산소배출구(112)를 통해 필요한 곳으로 공급되게 된다. 이때, 압력조절기(100)를 통해 사용이 용이한 압력으로 저장탱크(30)에서 공급되는 산소압을 감압시켜 송출하게 되며, 압력조절기(100)내에는 항균필터가 내장되어 있어 그를 통해 세균도 여과되어 안전하고 신선한 공기가 차량의 공조매니폴드(200)로 공급되게 된다. 이에 따라서, 차량의 공조장치를 작동하면 공조매니폴드(200)를 통해 신선한 산소가 차내로 공급되게 되는 것이다. 신선한 산소가 차내로 유입되므로 탑승객들은 보다 쾌적한 승차감을 얻을 수 있고, 운전시의 피로도도 감소되게 된다.

이상 서술한 바와 같이, 본 발명의 단탑형 산소발생장치는 단탑형으로 구성하면서도 산소순도를 높이기 위한 세정탱크와 공기압축기의 효율을 상승시키기 위한 가압보조탱크를 그 내부에 설계함으로써 전체크기를 감소시켜 소형경량화하면서도 산소순도 및 생산량을 배가시킬 수 있는 잇점을 가지고 있다. 이에 따라서, 본 장치는 고순도와 안정된 생산량을 얻을 수 있을 뿐만아니라, 차량과 같이 협소한 공간에도 적용이 가능하며 보다 휴대가 간편한 효과를 지니고 있다.

이상과 같은 잇점들로 인해, 본 장치는 높은 안전성과 신뢰성을 확보할 수 있으며, 이에 따라 위급을 요하는 구급차, 소방차등에 유효할 뿐만 아니라, 활어운반트럭, 잠수부공기탱크충전용 또는 폐수처리장이나 양식장 등에도 널리 사용할 수 있어 그 이용범위가 매우 광범위할 것으로 전망된다.

Claims

대기중의 공기를 공기압축기로 흡입압축하여 흡착탑에서 산소를 분리농축하여 저장탱크에 저장했다가 필요시 산소배출구를 통해 공급하는 산소발생기에 있어서,

상기 공기압축기로 압축된 압축공기를 세정과정시 임시로 가압저장하는 가압보조탱크;

상기 가압보조탱크 및 상기 흡착탑으로 상기 공기압축기에서 압축된 압축공기를 선택적으로 공급하는 제 1솔레노이드밸브;

상기 흡착탑에서 생성되어 상기 저장탱크에 저장된 산소를 세정과정시 다시 상기 흡착탑으로 환류공급하는 제 2솔레노이드밸브;

상기 흡착탑에서 생성되어 외부로 출력되는 산소순도를 검출하는 산소센서; 및

상기 산소센서의 검출값을 입력받아 상기 공기압축기 및, 상기 제 1,제 2솔레노이드밸브를 제어하여 전체시스템을 온/오프통제하는 제어부를 포함하는 단탑형 산소발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 흡착탑으로부터 생산된 산소를 임시로 저장했다가 세정과정시 상기 흡착탑으로 내부의 산소를 환류시키는 세정탱크를 더 포함하는 단탑형 산소발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 가압보조탱크에 충만된 압축공기를 세정과정이 완료된 후 흡착과정초기에 상기 흡착탑으로 공급하도록 유로를 개방하는 제 3솔레노이드밸브를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 단탑형 산소발생장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 제 2솔레노이드밸브와 상기 흡착탑 사이에는 상기 제 2솔레노이드밸브에 의해 상기 흡착탑으로 환류되는 산소를 서서히 공급되게 하는 오리피스가 개재되어 있는 것을 특징으로 하는 단탑형 산소발생장치.
제 1항에 있어서, 상기 산소배출구는 차량의 공조매니폴드에 연결되고 상기 산소센서는 차내에 설치되어 차내로 고순도의 산소를 공급제어하는 것을 특징으로 하는 단탑형 산소발생장치.