KR100698168B1 - 산소발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산소발생기에 관한 것으로, 본 발명에 따른 산소발생기는, 외부의 공기를 인입하여 강제순환시키는 공기펌프와; 상기 공기펌프에 병렬 연결되어 공기유로를 선택적으로 제어하는 2개의 제 1,2삼방변과; 상기 제 1,2삼방변 각각에 연결되고, 대기 중 질소를 흡착 및 탈착하는 과정을 수행하며 공기펌프에 의해 송출된 외부 공기로부터 산소를 분리하여 배출하도록 된 산소분리장치와; 상기 산소분리장치에 체크밸브를 매개로 연결되어, 산소분리장치에서 분리되어 배출된 산소를 일시 저장하도록 된 산소저장탱크와; 상기 산소저장탱크에 제 1방향제어밸브를 매개로 연결되어 사용자에게 산소를 배출하도록 된 산소배출장치와; 상기 제 1방향제어밸브에 연결됨과 더불어 상기 제 1삼방변에 연결되어, 상기 제 1방향제어밸브를 통해 산소저장탱크 내의 산소를 제 1삼방변으로 안내하는 유로와, 외부로부터 공기를 인입하여 제 1삼방변으로 안내하는 유로를 선택적으로 제어하는 제 2방향제어밸브로 구성되어; 상기 산소저장탱크에 저장되는 산소 가스를 연속으로 재순환시키며 산소분리과정을 반복함으로써 고농도의 산소를 발생시킬 수 있도록 한 것이다.

산소발생기, 산소발생장치, 흡착제

Description

산소발생기{Oxygen Generator}

도 1은 종래의 산소발생기 구성을 나타낸 구성도

도 2는 본 발명에 따른 산소발생기의 일실시예의 구성을 나타낸 구성도

*도면의 주요부분의 참조부호에 대한 설명*

10 - 공기펌프 21 - 제 1삼방변

22 - 제 2삼방변 30 - 흡착탑

35 - 체크밸브 50 - 산소저장탱크

61 - 제 3삼방변 62 - 제 4삼방변

70 - 분사노즐 Z - 흡착제

본 발명은 산소발생기에 관한 것으로, 특히 반복 순환에 의해 고농도의 산소를 발생할 수 있도록 한 산소발생기에 관한 것이다.

일반적으로, 산소발생기는 대기중에 포함된 21%의 산소를 분리하여 사용자에게 공급할 수 있도록 한 것으로, 주지된 바와 같이 물을 전기분해하는 방식, 화학물질의 반응에 의한 방식 등을 이용할 수 있으나, 이러한 방식들은 취급상의 번거 로움과 안정성이 낮다는 문제점을 안고 있었다.

따라서, 근래에는 대기로부터 산소를 흡착 및 탈착시키는 과정을 수행하는 방식을 사용하여 산소를 분리 공급하는 산소발생기가 주로 이용되고 있는데, 이러한 산소발생기의 구성의 일례를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 산소발생기는 공기를 강제 순환시키는 공기펌프(10)와, 이 공기펌프(10)에 병렬로 연결되어 공기유로를 선택적으로 생성하는 2개의 삼방변(21, 22)과, 상기 2개의 삼방변(21, 22)에 연결되고 그 내부에 공기로부터 질소를 흡착하는 흡착제(Z)가 충전된 흡착탑(30) 및, 이 흡착탑(30)에 연결되어 흡착탑을 통해 분리된 산소 가스를 외부로 배출하는 산소배출부(40)로 구성된다.

상기 삼방변(21, 22)들 각각은 외부와 연결되는 유로를 형성하게 되는 외부포트(O)와 흡착탑(30)과 연결되는 유로를 형성하게 되는 내부포트(I)를 구비한다.

그리고, 상기 흡착탑(30)에 충전되는 흡착제(Z)로는 주로 질소 흡착성이 뛰어난 제올라이트(zeolite)가 사용된다.

상기와 같이 구성된 종래의 산소발생기의 동작은 다음과 같이 이루어진다.

산소발생기의 운전을 개시하면, 제 1삼방변(21)은 외부포트(O)가 연결되면서 외부의 공기가 인입될 수 있는 외부유로가 인가되게 되고, 제 2삼방변(22)은 내부포트(I)가 연결되면서 흡착탑(30)과 연결되는 내부유로가 인가된다.

이와 동시에 공기펌프(10)가 동작하여, 제 1삼방변(21)을 통해 외부의 공기가 인입되어 압축된 다음 제 2삼방변(22)을 통해 흡착탑(30)내에 공급되고, 이로써 흡착탑(30)은 송출된 외부 공기에 의해 가압된다.

이와 같이 외부공기에 의해 가압된 흡착탑(30) 내에서는 흡착제(Z)에 의해 대기 중의 질소는 흡착되고 산소는 분리되어 산소배출부(40)로 배출되게 된다.

한편, 일정시간이 경과한 후에는 흡착제로부터 질소를 탈착하는 과정이 수행되게 되는데, 이 때 상기 제 1,2삼방변(21, 22)은 초기와는 반대의 유로를 형성하게 된다.

즉, 탈착모드가 선택되면, 제 1삼방변(21)은 내부포트(I)가 연결되면서 흡착탑(30)과 연결되는 내부유로를 형성하게 되고, 제 2삼방변(22)은 외부포트(O)가 연결되면서 외부와 연결된 외부유로를 형성하게 된다.

따라서, 공기펌프(10)의 작동에 의해 흡착탑(30) 내에 흡착된 질소 가스는 흡착제로부터 탈착되어 제 1삼방변(21)을 통해 공기펌프(10)로 인입된 후 다시 토출되어 제 2삼방변(22)의 외부포트(O)를 통해 대기로 배출된다.

이러한 탈착과정은 흡착탑(30)내의 질소 가스가 완전히 탈착되어 배출될 때까지 진행된다.

이상과 같이 산소발생기는 상기와 같은 흡착 및 탈착과정을 수행하며 사용자에게 산소를 제공하게 되는 것이다.

그러나, 상기와 같은 종래의 산소발생기에서는 외부의 공기가 흡착탑(30)을 통과하여 바로 사용자쪽으로 배출되도록 되어 있는 바, 흡착탑(30) 내에서 질소 흡착이 완전히 이루어지지는 않으므로 산소농도가 원하는 만큼 높은 공기가 배출되지 못하였다.

따라서, 종래의 산소발생기에서 고농도의 산소를 발생시키기 위해서는 공기펌프의 용량이 큰 것을 사용하고 흡착탑 내에도 많은 양의 흡착제를 사용해야 하는 바, 이는 비용을 증가시키게 되는 문제점을 수반하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 외부로부터 인입된 공기를 기기내에서 수회에 걸쳐 연속적으로 순환시키며 흡착과정에 의한 산소분리과정을 거치도록 함으로써, 고농도의 산소를 발생시킬 수 있는 산소발생기를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 외부의 공기를 인입하여 강제순환시키는 공기펌프와; 상기 공기펌프에 연결되어 공기펌프에 의해 유입된 대기중 산소를 분리하여 배출하도록 된 산소분리장치와; 상기 산소분리장치에 연결되어 산소분리장치로부터 배출된 산소 가스가 유입되어 일시 저장되는 산소저장탱크와; 상기 산소저장탱크에 개폐가능하게 연결되어, 개방시 사용자쪽으로 산소를 배출할 수 있도록 된 산소배출장치를 구비하고; 상기 산소저장탱크는 상기 공기펌프와 연결되어 산소저장탱크 내의 산소 가스가 연속으로 재순환되며 산소분리과정을 반복하여 고농도의 산소를 제공할 수 있도록 한 산소발생기를 제공한다.

또한, 본 발명의 바람직한 실시예의 한 형태에 의하면, 외부의 공기를 인입하여 강제순환시키는 공기펌프와; 상기 공기펌프에 병렬 연결되어 공기유로를 선택적으로 제어하는 2개의 제 1,2삼방변과; 상기 제 1,2삼방변 각각에 연결되고, 대기 중 질소를 흡착 및 탈착하는 과정을 수행하며 공기펌프에 의해 송출된 외부 공기로부터 산소를 분리하여 배출하도록 된 산소분리장치와; 상기 산소분리장치에 체크밸브를 매개로 연결되어, 산소분리장치에서 분리되어 배출된 산소 가스를 일시 저장하도록 된 산소저장탱크와; 상기 산소저장탱크에 제 1방향제어밸브를 매개로 연결되어 사용자에게 산소를 배출하도록 된 산소배출장치와; 상기 제 1방향제어밸브에 연결됨과 더불어 상기 제 1삼방변에 연결되어, 상기 제 1방향제어밸브를 통해 산소저장탱크 내의 산소 가스를 제 1삼방변으로 안내하는 유로와, 외부로부터 공기를 인입하여 제 1삼방변으로 안내하는 유로를 선택적으로 제어하는 제 2방향제어밸브로 구성되어; 상기 산소저장탱크에 저장되는 산소 가스를 연속으로 재순환시키며 산소 분리과정을 반복 수행함으로써 고농도의 산소를 발생시킬 수 있도록 한 산소발생기를 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 산소발생기의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2를 참조하여 본 발명에 따른 산소발생기의 구성을 살펴보면, 외부의 공기를 강제로 인입하여 송출하기 위한 수단인 공기펌프(10)에 2개의 제 1,2삼방변(21, 22)이 병렬로 연결되어 있고, 이들 제 1,2삼방변(21, 22)은 제올라이트(zeolite)와 같은 흡착제(Z)가 충전되어 있는 밀폐용기인 흡착탑(30)의 입구에 연결되는데, 상기 흡착탑(30)에서는 입입된 외부의 공기 중 질소가 흡착제(Z)에 흡착됨으로써 산소가 분리된다.

그리고, 상기 흡착탑(30)은 흡착탑(30)으로부터 배출된 산소 가스를 일시적으로 저장하게 되는 소위 퍼지탱크(purge tank)라 불리는 산소저장탱크(50)에 연결되며, 상기 흡착탑(30)의 출구부와 산소저장탱크(50) 사이에는 체크밸브(35)가 개재되어 흡착탑(30)으로부터 산소저장탱크(50)로의 산소배출을 제어하도록 되어 있다.

한편, 상기 산소저장탱크(50)는 제 3삼방변(61)을 매개로 하여 외부의 사용자에게 선택적으로 산소를 배출하도록 된 산소분사노즐(70)에 연결되며, 상기 제 3삼방변(61)은 제 4삼방변(62)을 매개로 하여 상기 제 1삼방변(21)과도 연결된다.

상기 제 4삼방변(62)은 산소저장탱크(50) 내의 산소 가스를 제 3삼방변(61)을 거쳐 상기 제 1삼방변(21)으로 유도하여 순환시키는 공기유로와, 외부의 공기를 인입하여 제 1삼방변(21)으로 유도하는 공기유로를 선택적으로 제어하는 역할을 한다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 산소발생기는 공기펌프(10)와 제 1,2삼방변(21, 22), 산소분리장치인 흡착탑(30), 산소저장탱크(50), 제 3삼방변(61), 제 4삼방변(62)이 하나의 순환경로를 형성하도록 구성됨으로써 산소의 연속적인 재순환을 통한 고농도 산소의 생성이 가능한 것이다.

한편, 본 발명의 산소발생기에서 사용된 삼방변들은 전기적으로 동작하는 솔레노이드밸브로 된 것이 바람직하다.

이하에서 상기와 같이 구성된 본 발명의 산소발생기의 작동을 상세히 설명한다.

초기에 사용자가 산소발생기의 운전을 시작하면 공기펌프(10)가 동작하여 제 4삼방변(62)을 통해 외부의 공기가 기기내로 인입되고, 인입된 공기는 다시 제 1삼병변(21)을 통해 공기펌프(10)로 인입된 다음 제 2삼방변(22)을 통해 흡착탑(30)으로 유입된다.

상기 흡착탑(30) 내에서는 유입된 공기에 의해 가압되고, 유입된 공기는 흡착제(Z)에 의해 질소가 흡착되어 산소가 분리되고, 이어서 흡착탑(30) 출구부에 설치된 체크밸브(35)가 개방되면 분리된 산소 가스는 흡착탑(30)에서 배출되어 산소저장탱크(50)내로 유입되어 일시적으로 저장된다.

여기서, 흡착탑(30) 내에서는 질소와 산소의 분리가 100% 완전히 분리되지는 않으므로 분리된 공기로부터 잔여분의 질소를 걸러내는 작업을 수행해야 하는데, 이러한 작업은 분리된 공기를 연속적으로 순환시키며 전술한 산소분리과정을 반복 수행함으로써 달성된다.

따라서, 산소저장탱크(50)에 저장된 공기는 곧바로 사용자쪽으로 배출되지 않고 산소저장탱크(50)에 연결된 제 3삼방변(61)을 통해 제 4삼방변(62)으로 배출된 후, 다시 제 1삼방변(21)으로 안내된 다음 공기펌프(10)로 재유입되어 순환되면서 전술한 과정을 반복하며 산소농도가 점차로 높아지게 된다.

그리고, 미리 설정된 횟수만큼 공기의 순환이 이루어져 산소의 농도가 소정치 이상으로 높아지게 되면, 산소저장탱크(50)에 연결된 제 3삼방변(61)의 공기유로가 분사노즐(70)쪽으로 전환되면서 고농도의 산소가 분사노즐(70)을 통해 외부로 배출된다.

한편, 산소저장탱크(50) 내의 산소가 외부로 모두 배출된 후, 흡착탑(30) 내의 흡착제(Z)는 질소를 흡착할 수 있는 능력이 많이 저하되어 있으므로 다음 산소발생 과정을 수행하기 위하여 흡착제(Z)로부터 질소를 탈착하는 과정이 수행되는데, 이 경우, 제 1삼방변(21)과 제 2삼방변(22)의 공기유로를 전환시킴으로써 탈착과정이 수행된다.

즉, 기기에서 자동 혹은 수동으로 탈착모드가 선택되면, 상기 제 1삼방변(21)은 제 4삼방변(62)과 연결되어 있던 유로가 절환되면서 흡착탑(30)과 연결된 유로가 인가되고, 상기 제 2삼방변(22)은 흡착탑(30)과 연결되어 있던 유로가 절환되면서 외부와 연결된 유로가 인가된다.

따라서, 공기펌프(10)가 작동하면 흡착탑(30)이 진공상태로 되면서 흡착제(Z)로부터 질소 가스가 탈착되어 제 1삼방변(21)을 통해 공기펌프(10)로 유입된 후 제 2삼방변(22)을 통해 외부로 배출된다. 이러한 탈착과정은 흡착탑(30) 내의 질소 가스가 모두 제거될 때까지 진행된다.

상기와 같이 본 발명에 따르면 흡착탑(30)에서 질소가 분리된 산소 가스가 산소저장탱크(50)에서 일시적으로 저장된 다음, 다시 수회에 걸쳐 연속적으로 재순환되면서 산소분리과정이 수행되는 바, 순환하는 동안 점차적으로 산소농도가 높아져 사용자쪽으로 고농도의 산소 가스를 배출할 수 있게 되는 것이다.

한편, 전술한 실시예는 단지 본 발명을 구현하기 위한 산소발생기를 예시하는 것으로, 본 발명은 전술한 실시예에 국한되지 아니하고 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경 및 실시가 가능할 것이다.

예컨대, 본 발명에서 공기펌프(10)와 흡착탑(30) 개재되어 공기의 유동방향을 제어하는 방향제어밸브로 병렬연결된 2개의 삼방변을 사용하고 있으나, 이와는 다르게 상기 2개의 삼방변의 방향제어 기능을 할 수 있는 다른 형태의 방향제어밸브를 사용할 수도 있을 것이다.

또한, 상기 산소저장탱크(50)에 흡착제를 충전하여 산소 여과기능을 향상시킴으로써 순환 횟수를 저하시킬 수도 있을 것이다.

이상에서와 같이 본 발명에 따르면, 공기가 기기내에서 수회에 걸쳐 연속적으로 순환되면서 산소 분리과정을 거치게 되므로 사용자에게 고농도의 산소를 배출시킬 수 있다.

Claims (3)

1. 외부의 공기를 인입하여 강제순환시키는 공기펌프와;

   상기 공기펌프에 연결되어 공기펌프에 의해 유입된 대기중 산소를 분리하여 배출하도록 흡착제가 구비된 흡착탑과;

   상기 흡착탑에 연결되어 흡착탑으로부터 배출된 산소가 유입되어 일시 저장되는 산소저장탱크와;

   상기 산소저장탱크에 개폐가능하게 연결되어, 개방시 사용자쪽으로 산소를 배출할 수 있도록 된 산소배출장치를 구비하고;

   상기 산소저장탱크는 상기 공기펌프와 연결되어 산소저장탱크 내의 산소가 연속으로 재순환될 수 있도록 한 산소발생기.
2. 외부의 공기를 인입하여 강제순환시키는 공기펌프와;

   상기 공기펌프에 병렬 연결되어 공기유로를 선택적으로 제어하는 2개의 제 1,2삼방변과;

   상기 제 1,2삼방변 각각에 연결되고, 대기 중 질소를 흡착 및 탈착하는 과정을 수행하며 공기펌프에 의해 송출된 외부 공기로부터 산소를 분리하여 배출하도록 흡착제가 구비된 흡착탑과;

   상기 흡착탑에 체크밸브를 매개로 연결되어, 흡착탑에서 분리되어 배출된 산소 가스를 일시 저장하도록 된 산소저장탱크와;

   상기 산소저장탱크에 제 1방향제어밸브를 매개로 연결되어 사용자에게 산소를 배출하도록 된 산소배출장치와;

   상기 제 1방향제어밸브에 연결됨과 더불어 상기 제 1삼방변에 연결되어, 상기 제 1방향제어밸브를 통해 산소저장탱크 내의 산소를 제 1삼방변으로 안내하는 유로와, 외부로부터 공기를 인입하여 제 1삼방변으로 안내하는 유로를 선택적으로 제어하는 제 2방향제어밸브로 구성되어;

   상기 산소저장탱크에 저장되는 산소 가스를 연속으로 재순환시키며 산소 분리과정을 반복적으로 수행할 수 있도록 한 산소발생기.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 산소저장탱크 내에는 흡착제가 구비되는 것을 특징으로 하는 산소발생기.

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