KR100484549B1 - 두 개의 진공원을 이용한 산소발생장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산소발생기에 관한 것으로서, 산소보다 질소에 대한 흡착도가 높은 흡착제를 사용하여 공기중의 질소를 흡착하고 남은 여분의 산소농도가 증가된 산소부화 공기를 배출하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 사용되는 흡착제에 질소를 흡착시키는 방법으로서 진공펌프를 사용하는 진공스윙흡착방식에 기초하며, 상기 진공펌프와 유로를 전환하기 위한 밸브, 흡착제와 이를 포함한 베드의 간단한 구성으로 이루어진다. 본 발명은 종래의 장치에 사용되어왔던 체크밸브를 사용하지 않음으로써 저렴한 제작가격 및 소형화를 이룰 수 있는 장점이 있다. 본 장치는 주로 사람이 호흡하는 데에 적절한 농도로 산소를 배출하는 데에 적합하며, 높은 생산성을 얻을 수 있다.

Description

두 개의 진공원을 이용한 산소발생장치 및 방법{Oxygen Concentrator Using Two Vacuum Sources}

본 발명은 산소발생기에 관한 것으로서, 산소보다 질소에 대한 흡착도가 높은 제올라이트 등의 흡착제를 사용하여 압력차를 가하고, 상기 압력에 의해 흡착제가 공기중의 질소를 흡착하여 남은 여분의 산소농도가 증가된 산소부화 공기를 얻어 배출하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명의 흡착제에 질소를 흡착시키는 방법으로서는 진공펌프를 사용하여 압력차이를 만들어 내는 진공스윙흡착방식(Vacuum Swing Adsorption,VSA)에 기초하며, 상기 진공펌프와 유로를 전환하기 위한 밸브, 흡착제와 이를 포함한 베드의 간단한 구성으로 이루어진다.

공기중의 산소를 분리하는 산소발생장치는 일반적으로 제올라이트 등의 흡착제를 사용하여 상기 흡착제에 압력을 가하는 압축스윙흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption)과 기체분리막을 사용하는 방법이 사용된다. 상기 VSA방식은 넓은 의미의 PSA 방식이며, 따라서 PSA 방식은 흡착제에 직접 압축공기를 가하는 방법과 진공압을 이용해 압력차를 만드는 방식을 모두 포함한다.

도 1은 종래 기술에 의한 흡착제를 사용한 산소발생장치의 계통도로서 기본 구성요소만을 간략화하여 나타낸 것이다. 압력차이를 만들어 내기 위한 방법으로서, 컴프레셔(1)와 진공펌프와 같은 진공원(2,3)를 사용하며 이들은 단독으로 사용되거나 조합되어 사용된다. 즉, 진공원(2,3)을 제거하고 컴프레셔(1) 만으로 압축공기를 만들어 주입하는 방법이 가장 일반적으로 사용된다. 유로 변경을 위해서는 밸브(4)가 사용되며, 상기 밸브(4)는 단일 솔레노이드 밸브나 회전밸브가 사용된다. 발생된 산소부화공기의 역류를 막기 위하여 체크밸브(5)가 일반적으로 설치되며, 상기 체크밸브(5)는 일반 밸브를 사용하여 제어하여도 무방하다. 이러한 밸브시스템은 단순히 압축공기만을 가하는 기체분리막 방식에 비하여 PSA 방식이 가진 단점으로서, 내구성, 가격상승, 제어문제 등이 발생하게 된다. 이러한 문제점을 없애기 위하여 밸브(4)를 일반적으로 사용되는 솔레노이드 밸브가 아닌 회전판에 유로를 형성하여 모터를 설치하여 회전판이 회전함에 따라 유로가 전환되는 회전밸브가 사용되기도 한다. 이러한 회전밸브는 미국특허 제4,925,464호, 5,268,021호, 5,814,130호 및 20010047824호에 공개되어 있다. 상기 회전밸브를 사용하여 회전판에 유로를 형성할 경우에는 시스템의 주기에 맞추어 상기 체크밸브(5)를 일반 밸브 개념으로 개폐함으로써 하나의 회전밸브로 상기 유로전환 밸브(4)와 체크밸브(5)를 모두 대치할 수 있는 장점이 있다.

그러나, 상기 회전밸브는 그 구성에 있어서 회전력을 만드는 모터와 유로와 결합부가 형성된 로터와 스테이터로 구성되어 크기를 소형으로 하는 데에는 한계가 있다. 상대적으로 솔레노이드 밸브는 저전력의 상당히 작은 크기의 컴팩트 타입이 상용화되어 있는 장점이 있다. 그러나, 회전밸브 대신에 솔레노이드 밸브를 사용할 경우에는 별도의 체크밸브(5)를 구성요소로서 사용해야하는 단점이 있다. 또한, 소형시스템의 경우에 전체 주기가 수초내의 빠른 공정시스템의 경우에는 체크밸브가 상대적으로 빠르게 개폐됨에 따라 그 내구성에 문제가 생겨 고급재질의 고가품을 사용해야하는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로, 공지된 PSA 방식의 일종이라 할 수 있는 VSA방식에 기초하여, 도 2에서와 같이 두 개의 진공원(2,3)을 사용하고, 유로 전환을 위한 밸브(4)는 종래의 컴팩트한 솔레노이드 밸브를 사용하며, 상기 체크밸브(5)는 제거하고 작은 직경을 가진 관으로 대치하는 방법을 제공한다. 따라서, 체크밸브에 대한 내구성 문제를 해결할 수 있으며 매우 작은 소형의 시스템 구성이 가능하게 된다.

본 발명은 공기로부터 질소를 분리하여 산소부화공기를 얻는 산소발생장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 두 개의 진공원을 사용하여 진공스윙흡착방식으로 별도의 체크밸브 장치없이 산소를 분리해 내는 방법 및 그 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 VSA 방식에 기초하여 단순한 시스템의 초소형의 산소발생장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 흡착베드로 유입되는 공기를 걸러주는 공기필터와 유로를 전환하여 대기압과 진공압을 교대로 가하게 하여주는 밸브, 질소를 흡착하기 위한 흡착제, 상기 흡착제를 포함하는 흡착베드, 그리고 상기 베드를 통과한 산소부화공기를 외부로 배출하기 위한 제1진공원과, 상기 흡착제에 흡착된 질소를 탈착하기 위한 제2진공원으로 구성된다. 추가적으로 농도조절을 위하여 두 베드의 토출부를 연결하는 미세한 구멍을 가진 바이패스관이나, 진공탱크와 산소탱크의 부착이 가능하며 토출부에 소음기나 향기 발생장치 등의 부가장치의 장착도 가능하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 산소발생장치를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명에 따른 산소발생장치를 나타낸 계통도이다.

본 산소발생장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 공기가 흡입되어 먼지와 냄새 등의 불순물을 걸러주는 공기필터(7)와 상기 필터를 통과한 공기의 유로를 결정해 주는 밸브(4)와 상기 밸브를 통과한 공기가 유입되어 질소를 흡착하는 제올라이트 등의 흡착제를 포함하는 흡착베드(6)와 상기 흡착베드(6)를 통과한 산소부화공기가 지나가는 가는 직경을 가진 도관(9)과 상기 산소부화공기를 외부로 배출하기 위한 진공펌프등의 제 1 진공원(3)과 상기 흡착베드(6)에 흡착된 질소를 탈착, 세정하여 외부로 배출하기 위한 제 2 진공원(2)으로 구성된다.

도 1에서의 바이패스관(8)은 기본적으로 도 2에서는 흡착베드(6)의 출구단이 관에 의해 연결되어 있으므로 필수적인 것은 아니나, 농도와 유량조절을 위해 필요한 경우는 부착할 수 있다. 또한, 진공탱크와 산소탱크 역시 보조적으로 부착될 수 있다.

이제 도 2에 나타낸 실시예의 동작과정을 살펴보면 다음과 같다. 우선 공기필터(7)를 통과한 깨끗한 공기는 밸브(4)를 거쳐 한쪽 흡착베드(예를 들어 좌측)로 들어가게 된다. 이때 상기 흡착베드의 내부는 이미 전 과정에서 상기 진공원(2,3)에 의하여 일정수준의 진공압을 가지고 있는 상태로서 대기압과의 압력차이에 의하여 흡착베드 내의 흡착제 안으로 질소가 흡착되어진다. 질소가 흡착되어 산소농도가 증가된 산소부화공기는 도관(9)을 통과하여 제 1 진공원(3)에 의하여 외부로 배출되게 된다. 이 과정 중에 다른 한쪽의 흡착베드(우측)는 밸브(4)에 의하여 제 2 진공원(2)과 연결되어 흡착제에 농축된 질소를 탈착하게 된다. 그런데, 상기와 같은 구성에서 도관(9)에 의하여 흡착베드(6)의 출구단이 서로 연결되어 있으므로, 흡착베드(6)를 통과한 산소부화공기는 제 1 진공원(3)의 진공압 뿐만아니라 제 2 진공원(2)의 진공압도 받게 된다. 따라서, 제 1 진공원(3)과 제 2 진공원(2)의 진공압 차이에 의하여, 상기 흡착베드(6,좌측)를 통과하여 발생된 산소부화공기가 제 1 진공원(3)에 의하여 외부로 완전히 배출되지 않고 일부가 다른 흡착베드(6,우측)의 출구단으로부터 입구단으로 역류하여(blow down) 제 2 진공원(2)을 통하여 배출될 수 있다. 즉, 탈착과 세정단계가 동시에 일어나게 된다.여기서, 상기 제2진공원(2)은 차량에 구비된 공기압축기에 연결된 진공발생기인 진공이젝터를 사용한다.

상기와 같은 단계가 교대로 일어나게 되며, 따라서 연속하여 동작하고 있는 제 1, 2 진공원(2,3)에 의하여 산소의 연속생산이 가능하게 된다. 상기 제 1,2 진공원(2,3)의 압력차이에 의하여 제 1 진공원(3)에 의해 배출되는 산소의 농도와 유량을 조절할 수 있으며, 도관(9)의 관경을 변경하여 도관 저항을 조절함으로써도 유량과 농도의 조절이 가능하다. 실제 실험적으로는 제 2 진공원(2)의 진공압이 제 1 진공원(3)의 진공압보다 약간 강한 것이 본 시스템에 적절한 것으로 나타났으나, 이는 시스템 구성상의 관로저항과 흡착베드의 크기에 따른 저항에 따라 조금씩 달라질 수 있다.

상기 흡착베드(6)는 여러개를 병렬로 연결하여 다수의 베드시스템으로 구성하는 것이 가능하여, 전체 산소공급량을 결정할 수 있다. 또한, 상기 제 1, 2 진공원(2,3)의 경우에 응용처와 상황에 따라서 다양한 형태의 진공원이 사용될 수 있는데, 예를 들면 소형 산소발생기의 경우에 별도의 두 개의 진공펌프를 사용하기보다는 한 개의 모터에 의하여 구동되는 두 개의 진공펌프를 구비하는 것이 좋다. 왕복운동을 하는 리니어 펌프의 경우에는 대부분 왕복운동 수단의 양단에 별개의 펌프가 구비되므로 소형시스템의 경우에는 이를 사용하는 것이 좋다. 또한, 자동차에 부착되는 산소발생기의 경우에는 이미 자동차에 설치되어있는 진공펌프나, 흡기머니폴드에 걸리는 진공압을 상기 제 2 진공원(2)으로 연결하고, 상기 자동차에 설치된 진공원의 압력과 비슷한 압력이 걸리는 소형 진공펌프를 별도로 부착하여 제 1 진공원(3)으로 사용함으로써 상당히 소형의 산소발생기 제작이 가능하게 된다. 기타, 건물의 경우에 설치되어있는 집진시설에 의한 진공원을 제 2 진공원(2)으로 사용하는 등, 그 실시예는 당업자들 사이에 자명하며, 산소배출 후단에 필요에 따라 향발생기, 음이온발생기 등의 기능을 가진 장치를 부착하여 산소와 함께 배출하면 보다 효과적인 것 또한 자명하다.

본 발명에 의한 산소발생 방법 및 장치는 두 개의 진공원을 사용함으로써 산소배출단에 별도의 일반 밸브나 체크밸브의 설치가 필요없이 가는 관으로 대치함으로써, 내구성증대, 시스템의 단순화, 이에 따른 가격의 저렴화, 장치의 소형화의 효과가 있다.

또한, 두 개의 진공원의 진공압을 조절함으로써 산소의 농도 및 유량의 조절이 가능한 효과가 있다.

본 발명의 방법에 의한 두 개의 진공원은 손쉽게 그 장치를 구성하고, 응용처에 따라 구할 수 있으므로 에너지절약의 효과가 있다.

도 1은 종래의 PSA 방식에 기초한 산소발생장치의 계통도이다.

도 2는 본 발명에 따른 두 개의 진공원을 이용한 산소발생장치를 나타낸 계통도이다.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

1 ; 컴프레셔 2,3 ; 진공원 4 ; 밸브수단

5 ; 체크밸브 6 ; 흡착베드 7; 공기필터

8; 바이패스관 9 ; 도관

Claims (7)

1. 압력차이를 이용하여 질소에 대한 흡착도가 높은 흡착제를 사용하여 산소를 분리하는 상기 흡착제를 포함한 적어도 한 쌍의 흡착베드를 사용하는 진공스윙흡착방법에 있어서,

   흡착제를 통과한 산소부화공기의 흡착베드 출구단 경로에 별도의 밸브수단 없이 도관을 이용하여 연결된 상기 산소부화공기를 외부로 배출하기 위한 제 1 진공원을 구비하고,

   공기가 흡착베드로 들어가는 입구 단에 질소 탈착을 위한 제 2 진공원을 구비하여,

   상기 제 1 및 제 2 진공원에 의하여 상기 흡착베드 내에 진공압을 만들고, 대기압과의 압력차에 의하여 공기를 흡입하여 흡착제에 질소를 흡착시켜 산소부화공기를 만들어, 상기 제 1 진공원은 상기 산소부화공기를 외부로 배출시키며, 상기 제 2 진공원은 다른 흡착베드 내에 흡착된 질소를 탈착하는 동시에, 상기 제 1 진공원과의 진공압 차이에 의하여 상기 다른 쪽 흡착베드에 의한 산소부화공기의 일부가 상기 제 2 진공원 쪽으로 흐르도록 하여 세정을 도움으로써 배출산소의 농도와 유량을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 산소발생방법.
2. 제 1 항에 의한 방법을 사용하는 장치에 있어서,

   공기가 흡입되어 먼지와 냄새 등의 불순물을 걸러주는 공기필터와;

   상기 공기필터를 통과한 공기의 유로를 결정해 주는 밸브와;

   상기 밸브를 통과한 공기가 유입되어 질소를 흡착하는 제올라이트 등의 흡착제를 포함하는 적어도 한 쌍의 흡착베드와;

   상기 흡착베드의 한쪽를 통과한 산소부화공기가 지나가는 가는 직경을 가진 도관과 연결되어 상기 산소부화공기를 외부로 배출하기 위한 제 1 진공원과;

   상기 과정 중 다른 쪽 흡착베드에 흡착된 질소를 탈착, 세정하여 외부로 배출하기 위한 제 2 진공원으로 구성되는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 진공원 및 제 2 진공원은 하나의 모터에 의하여 구동되는 일체형 진공펌프임을 특징으로 하는 산소발생장치.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 진공원은 차량에 이미 구비된 진공펌프임을 특징으로 하는 산소발생장치.
5. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 진공원은 차량의 흡기머니폴드의 진공압을 사용하는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 진공원은 차량에 구비된 공기압축기에 연결된 진공발생기인 진공이젝터임을 특징으로 하는 산소발생장치.
7. 제 2 항에 있어서, 상기 제 2 진공원은 건물에 공조를 위하여 구비된 진공원임을 특징으로 하는 산소발생장치.