KR100550408B1 - 공기 중의 산소와 질소 분리 공급 장치 - Google Patents

공기 중의 산소와 질소 분리 공급 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공기를 흡입하여 산소와 질소를 분리하여 배출시키도록 하는 공기 중의 산소와 질소 분리 공급장치에 관한 것으로써, 가압펌프에 의해 강제로 흡입되는 에어를 고분자중공사막필터로 산소와 질소를 분리시키므로 보다 순수하고 깨끗한 산소를 제공할 수 있고, 고분자중공사막필터를 이용하는 산소/질소분리장치부를 병렬로 설치하여 운용하므로 순수한 산소의 공급량을 적절하게 조절하면서 원활하고 신속하게 공급할 수 있으며, 산소/질소분리장치부의 상측부에 구비된 건조에어공급장치부를 통해서는 건조한 산소 또는 산소함량이 높은 건조한 에어를 공급하여 멤브레인타워 내의 중공사막 표면에 응축된 수분을 건조시켜 중공사막을 원상태로 원래의 상태로 환원시켜 주므로 산소/질소분리장치부를 항상 건조한 상태로 유지시킬 수 있고 분리정화 능률을 향상시킬 수 있으며 뿐만 아니라 보다 순수하고 깨끗한 산소를 제공할 수 있다.

Description

공기 중의 산소와 질소 분리 공급 장치{A Oxygen And Nitrogen Separate Supply Apparatus}
도 1은 본 발명에 따른 공기 중의 산소와 질소 분리 공급 장치를 보인 예시 도.
도 2는 본 발명에 따른 공기 중의 산소와 질소 분리 공급 장치의 다른 실시 예를 보인 예시도.
도 3은 본 발명에 따른 공기 중의 산소와 질소 분리 공급 장치에 설치되어 산소와 질소를 분리시키는 산소/질소분리장치부의 구조를 보인 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1. 산소/질소분리공급장치 2. 에어흡입필터 3. 에어흡입관
4. 가압펌프 5. 에어공급메인관 7.8. 에어공급가지관
10. 산소/질소분리장치부 11. 멤브레인타워 12. 고분자중공사막필터
20. 산소배출장치부 30. 질소배출장치부 40. 건조에어공급장치부
공기를 흡입하여 산소와 질소를 분리하여 배출시키도록 하는 공기 중의 산소 와 질소 분리 공급장치에 관한 것이다.
이를 좀더 상세히 설명하면, 흡입펌프에 의해 강제로 흡입되는 공기를 중공사막방식을 이용하는 산소/질소분리장치부에 의해 산소와 질소로 분리해 주도록 하고, 산소/질소분리장치부에 구비되는 멤브레인타워의 하측에는 흡착제와 연결된 라인을 구비하여 산소/질소분리장치부의 멤브레인타워에 맺히는 수분을 건조시킬 수 있도록 함으로써 분리막(멤브레인)의 분리특성을 최적의 상태로 유지시켜 줄 수 있도록 하고 분리되는 산소와 질소의 유량도 증가시킬 수 있도록 된 것이다.
산소를 발생시키는 방법으로는 화학반응법을 비롯하여 전기분해법 및 물리적 분리법 등이 알려져 있는데, 화학반응방법은 물과 과산화수소와 과탄산소다 및 알코올과 같은 금속산화물을 반응시키거나 화학물질인 KMn4 및 KClO4 등을 열분해하여 산소를 발생시키는 방법이고, 전기분해방법은 물 또는 전해물질이 함유된 물을 전기를 이용하여 산소와 수소로 분리시키는 방법이며, 물리적 분리법은 기체의 물질에 대한 극성의 차이를 이용하거나 기체분자의 크기를 이용하여 기체를 분리시키는 막분리방법과 결정성 고체물질인 제올라이트 및 실리카와 같은 화합물의 흡탈착원리를 이용하여 기체를 분리시키도록 하는 PSA(Pressure Swing Adsorption)방법 등이 있다.
본 발명은 상기와 같은 산소를 발생시키는 방법 중에서 흡입되는 공기를 물리적 분리법의 막분리방법에 의해 일차적으로 산소와 질소를 분리하여 타워의 상단으로 질소를 배출하고 측면으로 산소를 배출시키되, 하측면에 흡착탑을 구비하여 건조한 에어 또는 산소순도가 높은 건조한 에어를 흡입하도록 하여 배출되는 산소 와 함께 배출되는데, 이 과정에서 타워내부 중공사막의 습한 분위기를 건조한 분위기로 환원시켜 분리막의 상태를 최적화 할 수 있는 공기 중의 산소와 질소 분리 공급장치를 제공하려는 것이다.
공기를 흡입하여 산소를 다른 물질과 분리한 후에 배출 공급시키도록 하는 종래의 장치로서는 국내 공개실용신안 공개번호 제 1993-15111호 "산소공급기능을 갖는 공기조화기의 실내기"와, 국내 공개특허 공개번호 제2002-21920호 "산소발생기"가 알려져 있다.
전자를 송풍기에 의해 외기(공기)를 증발기로 흡입된 공기를 압축기에 의해 소음을 제거시켜 산소분리흡착제가 내장된 흡착탑으로 공급하여 산소와 기타성분으로 분리하며, 분리된 산소를 산소공급관을 통하여 배출시켜 주도록 하되 분리되어 배출되는 산소를 순환관을 통하여 압축기로 재공급시켜 줄 수 있도록 된 것이다.
그러나 이는 흡입되는 공기를 흡착탑의 내부에 충진된 산소분리흡착제에 의해서만 산소와 기타성분을 분리시켜 주므로 순수한 산소로 분리시키지 못하고 다소의 다른 성분이 함유된 산소를 공급하게 되는 문제가 있고, 이와 같이 다른 성분이 일부 함유된 산소를 순수하게 정화시키기 위하여 순환관을 통하여 압축기와 흡착탑으로 재차 순환 공급하여 정화시키기도 하지만 이물질과 여타의 성분이 잔류하게 되는 산소분리흡착제로는 농도가 높은 순수산소로 분리시킬 수 없는 문제가 있다.
또한 후자는 공기를 공기펌프에 의해 강제로 흡입하여 질소를 흡착하는 흡착제가 충진된 흡착탑으로 공급하여 산소를 분리하고, 분리된 산소는 산소정장탱크에 저장하되 산소저장탱크에 저장된 산소를 흡착탑으로 재차 공급시켜 산소분리과정을 반복 실시하도록 하며, 이와 같이 분리되어 산소저장탱크에 저장된 산소는 분사노즐을 통하여 배출시켜 주도록 된 것이다.
그러나 이 또한 흡입되는 공기를 흡착탑의 내부에 충진된 흡착제에 의해서만 산소와 기타성분을 분리시켜 주므로 순수한 산소로 분리시키지 못하게 되는 문제가 있고, 이와 같이 다른 성분이 일부 함유된 산소를 순수하게 정화시키기 위하여 흡착탑으로 재차 순환시켜 정화시키기는 과정을 반복 실시함으로써 산소의 농도를 높여 주기도 하지만 이물질과 여타의 성분이 잔류하게 되는 흡착제만으로는 농도가 높은 순수산소로 분리시킬 수 없는 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해소할 수 있도록 더욱 개선된 공기 중의 산소와 질소 분리 공급 장치를 제공하려는 것이다.
본 발명은 흡입펌프에 의해 강제로 흡입되는 공기를 중공사막방식을 이용하는 산소/질소분리장치부에 의해 산소와 질소로 분리해 주도록 하고, 산소/질소분리장치부의 상측에는 흡착제와 연결되는 건조 에어 공급 장치부를 구비하여 산소/질소분리장치부의 멤브레인타워의 내부에 발생되는 습기를 건조시킬 수 있도록 함으로써 분리필터(멤브레인)의 분리특성을 최적의 상태로 유지시켜 줄 수 있도록 하고 분리되는 산소 및 질소의 유량도 증가시킬 수 있도록 된 공기 중의 산소와 질소 분리 공급 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 흡입되는 공기를 산소와 질소로 분리시키는 산소/질소분리장치는 중공사막방식을 이용하여 분리시켜 줌으로써 분리효율을 향상시킬 수 있도록 된 공기 중의 산소와 질소 분리 공급 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 건조 에어 공급 장치부는 흡착제에 의해 산소를 제외한 질소와 여타 물질을 흡착하여 순수한 건조 산소만을 공급시키거나 산소순도가 높은 에어를 공급시킬 수 있도록 하여 항상 신선한 산소를 제공할 수 있도록 하고, 건조한 산소에 의해 습한 산소를 건조상태로 변화시켜 산소의 습도를 낮추어주며, 멤브레인타워의 내부를 항상 건조상태로 유지시켜 분리특성을 최적의 상태로 유지시켜 줄 수 있도록 된 공기 중의 산소와 질소 분리 공급 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 상기 및 기타 목적은,
가압펌프에 의해 흡입되는 공기를 필터에 의해 필터링하고, 필터링된 공기를 중공사 또는 흡착제에 의해 산소 및 질소를 포함하는 다른 물질로 분리하여 배출시킬 수 있도록 된 기체분리수단에 있어서,
가압펌프의 흡입 측에 에어흡입필터를 구비하여 에어를 필터링하여 흡입할 수 있도록 하고,
가압펌프의 배출 측에 한 쌍의 산소/질소분리장치부를 병렬로 연결하여 필터링되어 흡입되는 공기를 각 산소/질소분리장치부에 분배하여 공급시킬 수 있도록 하며,
각 산소/질소분리장치부의 멤브레인타워의 하측에는 산소배출메인관에 감압펌프가 장착된 산소배출장치부를 구비하여 분리된 산소를 배출시키도록 하고,
각 산소/질소분리장치부의 멤브레인타워의 상측캡에 질소배출관을 연결하여 질소를 포함한 다른 물질을 배출시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 산소/질소분리공급장치에 의해 달성된다.
본 발명의 상기 및 기타 목적과 특징은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명에 의해 더욱 명확하게 이해할 수 있을 것이다.
첨부도면 도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 산소/질소분리공급장치(1)의 구체적인 실현 예를 보인 것으로써, 도 1 및 도 2는 각기 다른 실시 예를 보인 예시도이고, 도 3은 본 발명에 설치되는 산소와 질소를 분리시키는 분리장치부의 구조를 보인 단면도이다.
도 1은 본 발명에 따른 산소/질소분리공급장치(1)의 구체적인 실현 예를 보인 예시도로서, 한 쌍의 산소/질소분리장치부(10)를 병렬로 설치한 것이 주지적인 특징이다.
각 산소/질소분리장치부(10)는 멤브레인타워(11)의 하측캡(11-2)에 에어를 공급시킬 수 있도록 에어공급장치부를 설치하였고, 상측캡(11-1)에 산소와 분리된 질소를 배출시킬 수 있도록 질소배출수단을 설치하였으며, 멤브레인타워(11)의 하측에는 분리된 산소를 배출시킬 수 있도록 산소배출장치부(20)를 설치하였다.
멤브레인타워(11)의 하측캡(11-2)에 설치되어 에어를 공급시키는 에어공급장치부는 다음과 같이 구성하였다.
가압펌프(4)를 에어공급메인관(3)에 설치하되 에어공급메인관(3)의 선단에는 에어흡입필터(2)를 장착하였고, 에어공급메인관(3)의 배출단에는 멤브레인타워(11)와 연결시키되 에어공급메인관(3)의 배출단에 수집밸브(6)를 연결하고 수집밸브(6)의 배출측은 에어공급가지관(7)(8)을 통하여 하측캡(11-2)과 각각 연결하였다.
각 산소/질소분리장치부(10)의 상단에 설치되는 질소배출수단은, 각 멤브레인타워(11)의 상측캡(11-1)에 질소가지배출관(32)(33)을 각각 연결하였고 각 질소가지배출관(32)(33)은 수집밸브(31)를 통하여 질소배출메인관(30)과 연결하였다.
또한, 각 산소/질소분리장치부(10)의 멤브레인타워(11)의 하측부에 설치되는 산소배출장치부(20)는 도 3에 구체적으로 도시된 바와 같이, 상단과 하단에 상측캡(11-1)과 하측캡(11-2)이 각각 장착된 멤브레인타워(11)의 내부에 고분자중공사막필터(12)를 내장시켰고, 상측캡(11-1)에는 질소가지배출관(32)을 연결하되 각 질소가지배출관(32)은 수집밸브(31)를 통하여 질소배출메인관(30)과 연결시켰으며, 하측캡(11-2)에는 에어공급가지관(7)(8)을 연결하되 각 에어공급가지관(7)(8)은 수집밸브(6)를 통하여 감압펌프(25)가 구비된 에어공급메인관(3)과 연결시켰다.
멤브레인타워(11)의 상단에 설치되는 질소배출수단은 상측캡(11-1)에 질소가지배출관(32)(33)을 연결하였고, 각 질소가지배출관(32)(3)은 수집밸브(31)를 통하여 질소배출메인관(30)과 연결시켰다.
각 산소/질소배출장치부(10)의 하측에 설치되는 산소배출장치부(20)는, 멤브레인타워(11)의 하측부에 산소배출가지관(22)(23)을 연결하고 산소배출가지관(22)(23)은 수집밸브(21)를 통하여 산소배출메인관(24)과 연결시키되 산소배출메인관(24)에는 감압펌프(25)를 설치하였다.
또한 도 2는 본 발명에 따른 산소/질소분리공급장치(1)의 다른 실현 예를 보인 예시도로서, 각 산소/질소분리장치부(10)에서 멤브레인타워(11)의 상측부에 건조에어공급장치부(40)를 부가적으로 설치한 것이 주지적인 특징이다.
상기 건조에어공급장치부(40)는 각 멤브레인타워(11)의 상측부에 건조에어공급가지관(44)(45)을 각각 연결하였고, 상기 건조에어공급가지관(44)(45)은 수집밸브(43)를 통하여 건조산소분리통(42)의 배출구와 연결하였으며, 상기 건조산소분리통(42)의 유입구에는 건조에어유입관(41)을 장착하였다. 특히 건조산소분리통(42)의 내부에는 흡착제로서 알루미나를 충진하여 산소를 제외한 질소를 포함하는 다른 물질을 흡착하도록 하여 산소만을 배출시킬 수 있도록 하였다.
이하, 작동관계를 설명한다.
소정의 스위치(구체적으로 도시하지 아니함)를 조작하여 가압펌프(4)를 작동시킨다. 가압펌프(4)가 작동하면 공기는 에어흡입필터(2)를 통하여 에어흡입관(3)으로 흡입되는 공기는 가압펌프(4)에 의해 강제로 송풍되면서 에어공급메인관(5)을 거쳐 분배밸브(6)에서 에어공급가지관(7)(8)으로 분배되어 각 산소/질소분리장치부(10)로 공급된다.
산소/질소분리장치부(10)로 공급된 공기는 도 3에 예시된바와 같이 멤브레인타워(11)의 하측캡(11-2)의 내부로 유입되어 내부에 장전(장입)되어 있는 고분자중공사막필터(12)를 통과하면서 산소와 질소로 분리되어지는데. 공기 중의 질소를 비롯한 다른 물질은 고분자중공사막필터(12)에 대한 투과성이 떨어지므로 고분자중공사막필터(12)를 통과하기 힘들고 멤브레인타워(11)의 상측캡(11-1)을 통하여 외부 로 배출되어지며, 투과성이 비교적 우수한 산소만이 분자중공사막필터(12)를 통과하여 멤브레인타워(11)의 상측에 구비되어 있는 산소배출가지관(22)(23)으로 배출되어지며, 특히 여과방향이 내부하측에서 외부상측으로 경사지게 형성되어 있으므로 보다 원활하게 필터링되어진다.
멤브레인타워(11)의 상측캡(11-1)으로 배출되는 질소를 포함하는 다른 물질은 질소배출가지관(32)(33)을 통과하여 수집밸브(31)로 집결된 후에 질소배출메인관(30)을 통하여 소정의 개소로 배출 되거나 또는 공급되어진다.
한편, 멤브레인타워(11)의 내부에 장착된 고분자중공사막필터(12)를 통과하여 질소와 분리된 산소는 산소배출장치부(20)를 통하여 소정의 장소로 공급되어지며, 산소배출장치부(20)는 다음과 같이 작동하게 된다.
산소배출메인관(24)에 설치되어 있는 가압펌프(25)가 작동하게 되면 감압펌프(25)의 흡입력에 의해 고분자중공사막필터(12)를 통과하여 질소와 분리된 산소는 산소배출가지관(22)(23)으로 흡입되고, 수집밸브(24)에 의해 집결되어진 후에 산소메인배출관(24)을 통하여 소정의 장소로 공급된다.
이와 같이 공기를 강제로 흡입하여 고분자중공사막필터(12)를 이용하는 산소/질소분리장치부(10)에 의해 산소와 질소로 분리시켜 각각 공급시킬 때에 고분자중공사막필터(12)가 내장된 멤브레인타워(11)의 내부에는 습한 외기가 유입되거나 또는 외기와 내기와의 온도편차로 인해 습기가 발생할 수 있으며, 이는 멤브레인의 표면에 맺혀서 멤브레인의 분리능률을 떨어뜨리는 원인이 된다. 특히 수분이 불순물과 함께 뭉쳐서 멤브레인 표면에 쌓이면 멤브레인의 분리능률 저하는 물은 중공사막필터의 수명을 단축시키는 원인이 된다.
상기와 같이 멤브레인타워(11)의 내부에 발생되는 수분은 도 2에 예시된바와 같이 멤브레인타워(11)의 상측부에 설치된 건조에어공급장치(40)에 의해 제거할 수 있으며, 상기 건조에어공급장치부(40)는 다음과 같이 작동한다.
건조에어유입관(41)을 통하여 건조산소분리통(42)의 내부로 유입되는 건조한 에어는 또는 함량이 높은 건조한 산소는 건조산소분리통(42)의 내부에 충진되어 있는 알루미나를 통과하게 되는데, 알루미나를 통과하는 건조에어 또는 건조한 고 함량산소는 산소를 제외하고 질소를 포함하는 다른 물질이 알루미나에 흡착되어지고, 알루미나를 통과한 산소만이 건조에어공급가지관(44)(45)을 통하여 멤브레인타워(11)의 상측으로 공급되어진다.
멤브레인타워(11)의 상측으로 공급되어지는 건조한 산소는 산소배출장치부(20)의 감압펌프(25)가 작동하면서 발생시키는 흡입력에 의해 멤브레인타워(11)의 하측으로 이동하게 되는데, 건조한 산소가 멤브레인타워(11)의 하측으로 이동할 때에 고분자중공사막필터(12)를 통과하여 질소와 분리된 산소와 혼합되어 분리된 산소를 건조시키면서 하향하게 되고, 하향한 건조산소는 멤브레인타워(11)의 내부에 발생된 습기 및 습한 산소를 건조시켜 주게 되며, 따라서 습한 산소와 습기는 건조하고 뜨거운 산소와 혼합되어 건조한 산소로 변화되어 무게가 가벼워 진후에 산소배출장치부(20)를 통하여 소정의 장소로 공급되어진다.
이와 같이 본 발명에 따른 산소질소분리공급장치(1)는 건조에어장치부(40)를 를 가동시키거나 가동시키지 않은 상태에서 작동시킬 수 있으며, 상기 건조에어장 치부(40)의 가동여부는 기후 등의 조건을 고려하여 필요에 따라 선택적으로 작동시킬 수 있으며, 유입량도 시스템에 맞게 조절할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 공기 중의 산소와 질소 분리 공급 장치는, 가압펌프에 의해 강제로 흡입되는 에어를 고분자중공사막필터에 산소와 질소를 분리시키므로 건조한 질소와 습도조절이 가능한 산소를 제공할 수 있고, 고분자중공사막필터를 이용하는 산소/질소분리장치부를 병렬로 설치하여 운용하므로 순수한 산소의 공급량을 적절하게 조절하면서 원활하고 신속하게 공급할 수 있으며, 산소/질소분리장치부의 상측부에 구비된 건조에어공급장치부를 통해서는 건조한 산소 또는 함량이 높은 산소를 공급하여 멤브레인타워에 발생되는 습한 산소를 건조시켜 발생하는 산소의 습도를 조절할 수 있고, 산소/질소분리장치부를 항상 건조한 상태로 유지시킬 수 있고 분리정화 능률을 향상시킬 수 있으며 뿐만 아니라 보다 순수하고 깨끗한 산소를 제공할 수 있게 된다.

Claims (4)

  1. 가압펌프(4)에 의해 흡입되는 공기를 필터에 의해 필터링하고, 필터링 된 공기를 중공사 또는 흡착제에 의해 산소 및 질소를 포함하는 다른 물질로 분리하여 배출시킬 수 있도록 된 기체분리수단에 있어서,
    가압펌프(4)의 흡입 측에 에어흡입필터(2)를 구비하여 에어를 필터링하여 흡입할 수 있도록 하고, 가압펌프(4)의 배출 측에 한 쌍의 산소/질소분리장치부(10)를 병렬로 연결하여 필터링되어 흡입되는 공기를 각 산소/질소분리장치부(10)에 분배하여 공급시킬 수 있도록 하며, 상기 각 산소/질소분리장치부(10)의 멤브레인타워(11)의 하측에는 산소배출장치부(20)를 구비하되, 산소배출장치부(20)는 산소배출가지관(22)(23)을 연결하고 산소배출가지관(22)(23)은 수집밸브(21)를 통하여 감압펌프(25)가 구비된 산소배출메인관(24)과 연결시키며, 상기 각 산소/질소분리장치부(10)의 멤브레인타워(20)의 상측캡(11-1)에 질소배출관(30)을 연결하여 질소를 포함한 다른 물질을 배출시킬 수 있도록 하는 한편, 상기 각 산소/질소분리장치부(10)의 멤브레인타워(11)의 상단부에는 건조 산소 또는 고함량 산소를 공급시킬 수 있도록 된 건조에어공급장치부(40)를 부가설치하고, 상기 건조에어공급장치부(40)는 멤브레인타워(11)의 상부를 통하여 건조한 공기를 공급하게 되는 건조에어공급가지관(44)(45)을 연결하며, 상기 건조에어공급가지관(44)(45)은 수집밸브(43)를 통하여 건조에어유입관(41)이 구비되고 내부에 흡착제가 충진된 건조산소분리통(42)과 연결시켜서 된 것을 특징으로 하는 공기 중의 산소와 질소 분리 공급 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 산소/질소분리장치부(10)는,
    상단과 하단에 상측캡(11-1)과 하측캡(11-2)이 각각 장착된 멤브레인타워(11)의 내부에 고분자중공사막필터(12)를 내장시키고, 상기 상측캡(11-1)에는 질소가지배출관(32)(33)을 연결하고 각 질소가지배출관(32)(33)은 수집밸브(31)를 통하여 질소배출메인관(30)과 연결시키며, 상기 하측캡(11-2)에는 에어공급가지관(7)(8)을 연결하고, 각 에어공급가지관(7)(8)은 수집밸브(6)를 통하여 가압펌프(4)가 구비된 에어공급메인관(3)과 연결시킨 것을 특징으로 하는 공기 중의 산소와 질소 분리 공급 장치.
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