KR100489502B1 - 에어컨 통합형 산소농축장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어컨 시스템에서 신선한 공기를 제공할 수 있도록 산소를 공급하는 에어컨 통합형 산소농축장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 산소농축장치는 압력스윙흡착방식에 기초하며, 산소농축장치의 흡기장치는 에어컨의 팽창밸브를 통과한 냉매를 이용하여 냉각된 저온의 공기를 흡입하도록 하며, 또한 상온의 공기와 냉각된 공기의 이슬점 차이에 의한 수분발생을 이용하여 제습을 하고, 산소발생기의 흡착제를 포함하는 흡착베드는 증발기와 결합하여 저온상태를 이용함으로써 종래의 에어컨과 결합된 높은 효율의 산소농축장치에 관한 것이다.

Description

에어컨 통합형 산소농축장치{Oxygen concentrator integrated with air conditioning system}

본 발명은 에어컨 통합형 산소농축장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 흡착제에 대한 질소와 산소의 흡착정도 차이를 이용하는 산소농축장치와 에어컨을 통합함으로써 높은 효율을 가지는 산소농축장치를 효과적으로 에어컨과 통합하여 신선한 공기를 제공할 수 있도록 하는 에어컨 통합형 산소농축장치에 관한 것이다.

일반적으로 산소농축장치는 통상의 공기로부터 산소를 분리하기 위하여 질소와 산소에 대한 선택적인 흡착성을 가지는 탄소분자체(CMS), 합성제올라이트 분자체(ZMS) 등을 사용하여 압력이나 온도차를 가하여 산소를 분리하거나, 기체분리막에 압축공기를 가하여 분리하는 방법이 사용된다. 본 발명은 상기 방법 중에서 흡착제를 사용하는 방법과 결합된 에어컨 통합장치와 관련되며, 압력차이를 교대로 흡착제에 가함으로써 산소를 분리한다. 압력차이는 별도의 공기압축기를 사용하거나 진공펌프를 사용하여 진공압을 만들어내며, 차량의 경우는 엔진룸 내에 설치된 진공펌프나 엔진 자체의 진공압을 이용하여 만들어 낼 수 있다.

종래의 에어컨장치는 실내의 공기를 흡입하여 냉각시키는 폐쇄시스템으로써 지속적인 사용에 따른 실내의 산소 저하에 따라 환기를 필요로 하게 된다. 따라서, 에너지의 손실 및 사용자의 불편이 증가되어 최근에는 산소농축장치를 에어컨과 통합하여 사용함으로써 실내의 쾌적함과 환기의 필요성을 제거하고 있다. 그러나, 이러한 에어컨 통합형 산소농축장치는 단순한 기능상의 결합으로써 산소농축장치의 효율을 최대화하도록 최적화되어 있지는 못하다. 따라서, 에어컨과 산소농축장치를 보다 효과적으로 결합함으로써 에너지절감, 산소분리효율향상, 및 내구성증대 등의 효과를 얻을 수 있다.

일반적으로 압력차이를 사용하는 산소농축장치는 공기를 흡입하여 합성 제올라이트 등의 흡착제를 통과시킴으로써 질소를 주로 흡착하여 산소를 분리하는 방법을 사용한다. 이러한 산소농축장치에서 수분과 흡입공기의 온도는 흡착제, 특히 주로 사용하는 합성 제올라이트의 성능에 지대한 영향을 미친다.

이러한 문제점 중 특히 수분은 합성 제올라이트의 성능과 내구성에 큰 영향을 미치며, 이에 따른 문제점을 해결하기 위하여 종래의 기술은 제습제 등을 사용하거나, 흡입공기 전단에 별도의 기계적인 제습장치를 설치하여 제거하거나, 미국특허 US 3,957,463호, US4,168,149호, US4,950,311호 및 US5,169,413호 등과 같이 습기제거를 위하여 습기에 대한 흡착제를 포함한 흡착베드를 별도로 마련하거나 혹은 상기 산소분리를 위한 흡착베드 내에 습기제거를 위한 흡착제를 포함하여 흡착제에 압력차를 가함으로써 습기를 제거하고 있다. 제습제 만을 사용하는 경우는 다량의 공기를 고속으로 흡입하는 산소발생 시스템에서는 제습 효율이 좋지 못한 문제점과 성능지속시간이 짧은 문제점을 가지고 있으며, 별도의 기계적인 장치의 경우에는 효율은 좋으나 비용증대 및 소형시스템에서의 크기에 대한 제약성이 존재하고, 흡착베드 내의 습기흡착에 의한 방법은 별도의 전력증가 및 흡착베드크기의 증가 등의 문제점 등이 있다.

또한, 합성 제올라이트를 사용하는 산소농축장치의 경우에는 일반적으로 흡입베드 내로 흡입되는 공기의 온도가 높으면 산소를 분리하는 시스템의 효율이 저하되는 문제점을 가지고 있어 여름철의 높은 온도의 경우에는 성능이 저하된다.

합성 제올라이트의 경우는 그 성능이 온도에 영향을 많이 받으며, 일반적으로 질소 흡착력은 온도가 내려감에 따라 증대되는 경향을 보인다. 이온이 Ca인 계열은 평상온도에서 효율이 좋으며, Na 계열은 -30℃에서 최대 분리비를 가지는 것으로 알려져 있어, 흡입공기의 온도가 -15℃ 정도에서의 운전은 비용과 효율이 매우 좋은 것으로 실험되었다. 따라서, 에어컨과의 통합 시에는 별도의 추가적인 장치의 사용없이 흡입공기 및 흡착베드의 온도를 저온으로 유지시킬 필요성이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 종래의 에어컨이 가지고 있는 자원을 최대한 이용하기 위하여 그에 효율적으로 산소농축장치와 결합시킴으로서 제한된 공간과 적은 전력 하에서도 습기 제거 및 효과적인 흡입 공기온도 저하와 흡착베드의 온도 조절에 따른 산소분리효율을 극대화시키는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 에어컨은 압축기에서 냉매를 압축하고 압축된 냉매를 팽창밸브를 통과시켜 주위로부터 열을 흡수함으로써, 주위 공기온도와 에어컨의 증발기에 의한 저온의 차이에 따른 이슬점 변화를 이용하여 습기를 제거하며, 또한 저온으로 냉각된 공기를 산소발생기의 흡입공기로 사용하고, 흡착제를 포함한 흡착베드를 냉각부위 주위에 배치함으로써 산소발생기의 효율을 높이는 장치를 제공한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기, 및 냉매 파이프로 이루어진 통상적인 에어컨과 결합되는 산소농축장치에 있어서, 공기의 흡입을 위한 공기 흡입구; 상기 공기 흡입구를 통해 흡입된 공기의 불순물을 제거하기 위한 에어필터; 상기 에어컨의 팽창밸브를 통과한 냉매가 분기되어 통과하는 산소농축장치 증발기; 상기 산소농축장치 증발기와 결합되어 상기 에어필터를 통과한 상대적으로 고온의 공기를 냉각시켜서 상기 공기로부터 수분을 제거하기 위한 수분 분리기; 상기 수분분리기에서 수집된 수분을 배출하기 위한 배수부; 상기 산소농축장치 증발기와 결합되어 상기 수분 분리기를 통과한 공기를 냉각시키기 위한 공기 냉각기; 상기 수분 분리기를 통과한 흡입공기의 수분을 더 제거하는 제습제; 및 상기 수분이 제거된 흡입공기로부터 질소를 제거하고 산소를 분리하기 위하여 흡착제를 내부에 포함하는 흡착베드로 이루어진 산소분리모듈;로 이루어진다.상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기, 및 냉매 파이프로 이루어진 통상적인 에어컨과 결합되는 산소농축장치에 있어서, 상기 에어컨에서 생성된 차가운 공기의 흡입을 위한 공기 흡입구; 상기 흡입구를 통해 흡입된 공기 중의 불순물을 제거하기 위한 에어필터; 상기 에어필터를 통과한 흡입공기의 수분을 제거하는 제습제; 및 상기 수분이 제거된 흡입공기로부터 질소를 제거하고 산소를 분리하기 위하여 흡착제를 내부에 포함하는 흡착베드로 이루어진 산소분리모듈;로 이루어진다.

상기 팽창밸브를 통과한 냉매로부터 분기되어 상기 산소농축장치 증발기를 통과한 냉매는, 상기 산소농축장치 증발기와 열교환하는 상기 수분 분리기와 상기 공기 냉각기 그리고 필요에 따라 흡착베드를 통과한 후 상기 에어컨의 냉매 파이프로 유입되는 냉각 사이클을 형성하게 된다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 에어컨 통합형 산소농축장치의 흡기시스템의 일 실시예에 대한 블록 다이어그램이며, 도 2는 본 발명에 따른 에어컨 통합형 산소농축장치의 흡기시스템의 다른 실시예에 대한 블록 다이어그램이다.

도 1에 도시된 에어컨의 구성은 통상적인 에어컨 구조와 동일하게 냉매를 고압으로 압축하는 압축기(1), 고온고압의 냉매를 응축 액화하는 응축기(5), 냉매의 불순물 및 수분을 제거하는 리시버 탱크(6), 냉매가 증발기(8)로 유입되기 전에 냉매를 팽창시켜 냉매의 증발작용을 유도하는 팽창밸브(7)와 냉매의 증발로 외기로부터 열을 흡수하여 외기의 온도를 소정의 온도로 낮추도록 냉매를 증발시키는 증발기(8)로 이루어져 있으며, 상기 각 부품을 연결하고 냉매가 흐르는 유로인 냉매 파이프(16)로 구성된다.

상기 통상적인 에어컨의 구성에 추가하여 본 발명에 따른 산소농축장치가 추가로 연결되어 구성되는 데, 상기 산소농축장치의 흡기 시스템은 공기를 흡입하는 공기 흡입구(2), 상기 흡입된 공기의 불순물을 걸러주는 에어필터(3), 걸러진 공기가 지나가는 공기관(4)으로 구성되며, 상기 흡입구(2)는 실외 및 실내에 설치될 수 있다. 또한, 상기 팽창밸브(7)로부터 팽창된 냉매가 분기되어 흐르는 별도의 산소농축장치 증발기(10)를 구비하며, 상기 증발기(10)와 접촉하여 구성되어서 흡입공기 온도와 증발기(10) 사이의 온도차이를 이용하여 공기의 수분을 제거하는 수분 분리기(9)와, 상기 수분이 제거된 공기를 냉각시키는 공기냉각기(11)와, 상기 수분 분리기(9)로부터 분리된 실내공기의 수분을 배출시키는 배수부(14)와, 필요에 따라서 흡입 공기 중의 미세한 수분을 더 걸러주는 제습제(12)와, 상기 습기가 제거되고 냉각된 공기를 이용하여 공기 중으로부터 산소를 분리하는 흡착제를 포함하는 흡착베드(15)를 구비하는 산소분리모듈(13)로 구성된다. 상기 산소분리모듈(13) 내의 흡착베드(15) 주위로 상기 냉매가 통과할 수도 있는데, 이 경우에는 증발기(10)가 수분 분리기(9), 공기 냉각기(11), 및 흡착베드(15)를 통과함으로써 냉각효과를 발생시키게 된다. 냉매 사이클 형성을 위해 상기 수분 분리기(9) 및 공기 냉각기(11) 등과 접촉되어 구성된 증발기(10)는 에어컨용 증발기(8) 후방의 냉매 파이프(16)로 연결되어 구성된다.또한, 상기 산소분리모듈(13)은 진공압력에 의한 압력차이를 이용한 진공스윙흡착방식에 의해 작동되며, 그의 진공압력은 차량의 엔진에 의한 진공압력원에 의해 발생된다.한편, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시예에서는 별도의 산소농축장치 증발기(10)를 설치하지 않고 공기 흡입구(2)를 상기 증발기(8) 바로 전면에 설치하여 에어컨에 의한 냉각 공기가 직접 흡입될 수 있게 할 수 있다.즉, 상기 에어컨에서 생성된 냉각 공기를 흡입하기 위해 증발기(8)의 바로 전면에 설치된 공기 흡입구(2)와, 상기 공기 흡입구(2)를 통해 흡입된 냉각 공기 중의 불순물을 제거하기 위한 에어필터(3)와, 상기 에어필터(3)를 통과한 냉각 공기 중의 수분을 제거하는 제습제(12)와, 상기 수분이 제거된 냉각 공기로부터 질소를 제거하고 산소를 분리하기 위하여 흡착제를 내부에 포함하는 흡착베드(15)로 이루어진 산소분리모듈(13);로 구성된다.

본 발명에 따른 에어컨 통합형 산소농축장치의 작동을 살펴보면, 본 발명에 따른 산소농축장치의 일 실시예에 있어서, 상기 흡입구(2)로부터 흡입된 산소발생기의 흡입공기는 에어필터(3)를 통해 불순물 및 먼지가 제거된 후 공기관(4)을 통과하고, 상기 에어컨의 팽창밸브(7)를 통과한 냉매가 분기되어 흐르는 별도의 산소농축장치 증발기(10)와 접촉하여 구성된 수분 분리기(9)와 공기 냉각기(11)를 거치게 된다. 상기 증발기(10)와의 열교환으로 냉각된 수분 분리기(9)를 통과하는 고온의 흡입공기는 상대적으로 저온의 수분 분리기(9)를 지나면서 냉각되어 흡입공기 중의 수분이 분리되게 된다. 이렇게 분리된 수분은 배수부(14)를 거쳐 외부로 배출된다.

상기 냉각된 수분 분리기(9)를 거치면서 수분이 분리된 흡입공기는 역시 증발기(10)와의 접촉으로 열교환을 이루는 공기냉각기(11)를 통과하게 된다. 이미 수분 분리기(9)를 거친 흡입공기는 어느 정도의 저온의 상태로 변화되었으나, 보다 저온의 냉각 공기를 만들기 위해서는 별도의 공기 냉각기(11)를 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 공기 냉각기(11)를 통과하면서 냉각된 흡입공기 중에 함유된 미세 습기를 제거하기 위해 필요에 따라서 제습제(12)를 거치게 한 후 산소발생모듈(13)로 흡입되어 소정의 산소 분리 공정이 진행되게 한다. 상기 팽창밸브(7)를 통과한 후 분기되어 각각 상기 수분 분리기(9) 및 공기 냉각기(11)와 열교환을 거친 냉매는 증발기(8)를 통과한 후의 냉매 파이프로 연결되어 하나의 사이클을 형성하게 된다. 또한, 상기 제습제(12)는 흡입공기의 수분 함유정도에 따라 선택적으로 취부 가능하며, 상기 산소발생모듈(13) 내의 질소를 흡착하는 흡착제를 포함하는 흡착베드(15)는 상기 공기냉각기(11)와 유사하게 증발기(10)와 접촉 구성시킴으로서 흡착베드(15) 자체의 온도를 저온으로 유지시키는 것이 가능하다.

상기 일 실시예에 개시된 바와 같이, 상기의 에어컨 통합형 산소공급시스템은 통상적인 에어컨 시스템과 결합되어 산소발생기 흡입공기의 수분제거 및 냉각장치를 별도의 큰 부가적인 장치 없이 종래의 에어컨의 일부 도움으로 이루어질 수 있으며, 상기와 같은 본 발명에 따른 시스템은 에어컨 이외에도 저온의 냉매를 이용하는 모든 냉동 공조 시스템에 적용 가능하다. 특히 차량용과 같이 온도환경이 열악한 곳에서는 매우 효과적이며, 무게와 크기가 중요하므로 별도의 기계적인 제습장치를 사용하지 않고도 효과적으로 결합될 수 있다.

본 발명에 따른 에어컨 통합형 산소농축장치에 의하여, 별도의 기계적인 제습장치없이 에어컨에 의해 흡입공기를 냉각함으로써 흡입공기의 수분을 제거하고, 저온으로 냉각된 공기를 산소발생기의 흡입공기로 사용함으로써 산소발생기의 효율을 높이며, 에어컨 증발기와 산소농축장치의 흡착베드를 결합하여 흡착베드의 온도를 조절함으로써 경비절감, 내구성증대, 산소발생효율증가, 산소발생모듈의 크기감소의 효과가 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 에어컨 통합형 산소농축장치의 흡기시스템의 일 실시예에 대한 블록 다이어그램.도 2는 본 발명에 따른 에어컨 통합형 산소농축장치의 흡기시스템의 다른 실시예에 대한 블록 다이어그램.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명*

1...에어컨 압축기 2...공기 흡입구

3...에어필터 4...공기관

5...응축기 6...리시버 탱크

7...팽창밸브 8...에어컨 증발기

9...수분분리기 10...산소농축장치 증발기

11...공기 냉각기 12...제습제

13...산소분리모듈 14...배수부

15...흡착베드 16...냉매 파이프

Claims (9)

1. 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기, 및 냉매 파이프로 이루어진 통상적인 에어컨과 결합되는 산소농축장치에 있어서,

   공기를 흡입하는 공기 흡입구(2);

   상기 공기 흡입구(2)를 통해 흡입된 공기 중의 불순물을 제거하기 위한 에어필터(3);

   상기 에어컨의 팽창밸브(7)를 통과한 냉매가 분기되어 통과하는 산소농축장치 증발기(10);

   상기 산소농축장치 증발기(10)와 결합되어 상기 에어필터(3)를 통과한 상대적으로 고온의 공기를 냉각시켜서 공기로부터 수분을 제거하기 위한 수분 분리기(9);

   상기 수분 분리기(9)에서 수집된 수분을 배출하기 위한 배수부(14);

   상기 산소농축장치의 증발기(10)와 결합되고 상기 수분 분리기(9)를 통과한 공기를 냉각시키기 위한 공기 냉각기(11);

   상기 수분 분리기(9)를 통과한 흡입공기의 수분을 더 제거하는 제습제(12); 및

   상기 수분이 제거된 흡입공기로부터 질소를 제거하고 산소를 분리하기 위하여 흡착제를 내부에 포함하는 흡착베드(15)를 가지는 산소분리모듈(13);을 포함하고,

   상기 팽창밸브(7)를 통과한 냉매로부터 분기되어 상기 산소농축장치 증발기(10)를 통과한 냉매는 상기 산소농축장치 증발기(10)와 열교환하는 상기 수분 분리기(9)를 통과한 후 상기 에어컨의 냉매 파이프(16)로 유입되어 하나의 냉매 사이클을 형성하며, 상기 산소분리모듈(15)은 흡착베드(15) 내의 압력 차이를 이용하여 산소를 분리하는 것을 특징으로 하는 에어컨 통합형 산소농축장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 산소분리모듈(13) 내의 흡착베드(15)는 상기 산소농축장치 증발기(10)와 결합되어 냉각되는 것을 특징으로 하는 에어컨 통합형 산소농축장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 에어컨과 산소농축장치는 자동차에 설치됨을 특징으로 하는 에어컨 통합형 산소농축장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 산소분리모듈(13)은 진공압력에 의한 압력차이를 이용한 진공스윙흡착방식에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 에어컨 통합형 산소농축장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 산소분리모듈(13)의 진공압력은 차량의 엔진에 의한 진공압력원에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 에어컨 통합형 산소농축장치.
8. 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기와 냉매 파이프로 이루어진 통상적인 에어컨과 결합되는 산소농축장치에 있어서,

   상기 에어컨에서 생성된 냉각 공기를 흡입하는 공기 흡입구(2);

   상기 공기 흡입구(2)를 통해 흡입된 냉각 공기 중의 불순물을 제거하기 위한 에어필터(3);

   상기 에어필터(3)를 통과한 흡입공기의 수분을 제거하는 제습제(12); 및

   상기 수분이 제거된 흡입공기로부터 질소를 제거하고 산소를 분리하기 위하여 흡착제를 내부에 포함하는 흡착베드(15)로 이루어진 산소분리모듈(13);을 포함하고,

   상기 산소분리모듈(13)은 흡착베드(15) 내의 압력차를 이용하여 산소를 분리하는 것을 특징으로 하는 에어컨 통합형 산소농축장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 산소분리모듈(13)의 압력차는 진공압력에 의하여 발생되며, 상기 진공압력은 차량의 엔진에 의해 발생한 진공압력원임을 특징으로 하는 에어컨 통합형 산소농축장치.