KR100733159B1

KR100733159B1 - 공기압축장치 겸용 질소발생장치

Info

Publication number: KR100733159B1
Application number: KR1020060124022A
Authority: KR
Inventors: 김왕환
Original assignee: 한국에어로(주)
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2007-06-28

Abstract

본 발명은 공기압축기에 의해 공기를 압축할 때 발생되는 열로 질소발생기에 공급되는 공기를 예열함과 동시에 공기압축시 공기압축기에서 발생되는 열을 냉각시킬 수 있게 함으로서 질소 발생 효율을 높이기 위한 예열원이나 공기압축기의 냉각을 위한 냉각 수단을 따로 구성하지 않아도 되어 구성이 단순해지며, 이렇게 구성이 단순해짐에 따라 고장의 발생을 줄일 수 있고, 소형화 및 경량화가 가능하며, 에너지의 소비를 줄일 수 있는 공기압축장치 겸용 질소발생장치에 관한 것이다.

이러한 본 발명에 따른 공기압축장치 겸용 질소발생장치는 흡입구에서 흡입된 공기를 압축하여 배출하는 공기압축기와 ; 상기 공기압축기에 의해 압축된 공기를 저장하는 공기탱크와 ; 상기 공기탱크로부터 배출되는 압축공기를 냉각 및 건조시키는 냉각건조기와 ; 상기 열교환기에 의해 냉각된 압축공기를 선택적으로 공급받아 질소를 생성하는 멤브레인질소분리기 및 ; 상기 공기압축기의 일측에 구비되어 공기압축기에서 발생된 열로 상기 멤브레인질소분리기로 공급되는 압축공기를 가열하고, 압축공기에 의해 공기압축기를 냉각시키는 열교환부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

공기압축기, 질소발생기, 예열, 냉각, 스크롤, 멤브레인

Description

공기압축장치 겸용 질소발생장치{air compressing and nitrogen generator}

도 1은 본 발명에 따른 공기압축장치 겸용 질소발생장치의 일예를 도시한 구성도이고,

도 2는 본 발명에 따른 공기압축장치 겸용 질소발생장치를 구성하는 공기 압축기의 냉각부의 단면도이고,

도 3은 도 2의 A-A에서 도시한 단면도이고,

도 4는 멤브레인질소분리기의 일예를 도시한 단면도이고,

도 5는 본 발명에 따른 공기압축장치 겸용 질소발생장치의 다른 일예를 도시한 구성도이고,

도 6은 종래의 공기압축장치 겸용 질소발생장치의 일예를 도시한 구성도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>

1 : 공기압축기

11 : 고정스크롤

12 : 회전스크롤

13 : 공기흡입구

14 : 공기배출구

1a : 열교환부

11a : 냉각압축공기 흡입구

11b : 냉각압축공기 배출구

11c : 냉각핀

11d : 냉각유로

2 : 공기탱크

3 : 냉각건조기

4 : 멤브레인질소분리기

4a : PSA질소분리기

5 : 바이패스관

51 : 바이패스 열교환기

6 : 멤브레인산소분리기

본 발명은 공기압축장치 겸용 질소발생장치에 관한 것으로 상세하게는 공기압축기에 의해 공기를 압축하는 과정에서 발생된 열로 질소발생기에 공급되는 공기를 예열함과 동시에 질소발생기로 공급되는 차가운 압축공기로 공기압축시 가열된 공기압축기를 냉각시킬 수 있게 함으로서 질소 발생 효율을 높이기 위한 예열원이나 압축기의 냉각을 위한 냉각 수단을 따로 구성하지 않아도 되어 구성이 단순해지며, 이렇게 구성이 단순해짐에 따라 고장의 발생을 줄일 수 있고, 소형화 및 경량화가 가능하며, 에너지의 소비를 줄일 수 있는 공기압축장치 겸용 질소발생장치에 관한 것이다.

통상적으로 고압의 공기를 발생시키기 위한 수단으로 공기압축기가 사용되고 있다.

이러한 공기압축기는 압축된 공기를 공압 회로에 연결하여 사용하거나 또는 질소를 생성하기 위한 멤브레인 등으로 공급하여 질소를 생성함에 사용된다.

이러한 종래의 공기압축장치 겸용 질소발생장치의 일예를 도 6에 개략적으로 도시하였다.

도시한 바와 같이 종래의 공기압축장치 겸용 질소발생장치는 공기를 압축시키는 공기압축기(100)와, 압축된 공기를 저장하는 공기탱크(200)와, 압축된 공기를 냉각 및 건조시켜 해당 공압 장치나 멤브레인(membrane)(500)으로 보내는 냉각건조기(300)와, 냉각된 압축공기를 다시 가열하여 멤브레인(500)으로 보내는 히터(400)로 구성되어 있다.

또한, 상기 공기압축기(100)에는 공기를 압축하는 과정에서 발생되는 열을 냉각시키기 위한 냉각 수단(110)을 구비하고 있다.

이렇게 구성된 종래의 공기압축장치 겸용 질소발생장치는 상기한 바와 같이 공기압축기(100)에서 공기를 압축하는 과정에서 발생된 고열을 냉각시키기 위한 냉각 수단(110)을 가동하기 위해 별도의 전원을 더 구비함으로서 전력 소비가 늘어나는 문제가 있었다.

또한, 멤브레인(500)에서 질소를 생성하는 과정에서 공급되는 공기는 고온 및 고압을 유지하고 있어야 함으로 상기한 바와 같이 히터(400)를 더 구비하고 있 으며, 이러한 히터(400)의 가동을 위해서도 소정의 에너지원을 요구함으로 많은 에어지가 소비되는 문제가 있었다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 발명된 것으로, 공기압축기에 의해 압축되고 냉각건조기에 의해 냉각된 압축공기가 공기압축기를 통과하여 멤브레인질소분리기에 공급되게 함으로서 공기를 압축하는 과정에서 발생되는 열이 질소발생기에 공급되는 공기에 의해 열교환이 이루어지게 함으로서 별도의 냉각 수단과 히터를 사용하지 않을 수 있으며, 이에 따라 전체 구성이 단순해지며, 이렇게 구성이 단순해짐에 따라 고장의 발생을 줄일 수 있고, 소형화 및 경량화가 가능하며, 에너지의 소비를 줄일 수 있는 공기압축장치 겸용 질소발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 공기압축장치 겸용 질소발생장치는 흡입구에서 흡입된 공기를 압축하여 배출하는 공기압축기와 ; 상기 공기압축기에 의해 압축된 공기를 저장하는 공기탱크와 ; 상기 공기탱크로부터 배출되는 압축공기를 냉각 및 건조시키는 냉각건조기와 ; 상기 열교환기에 의해 냉각된 압축공기를 선택적으로 공급받아 질소를 생성하는 멤브레인질소분리기 및 ; 상기 공기압축기의 일측에 구비되어 공기압축기에서 발생된 열로 상기 멤브레인질소분리기로 공급되는 압축공기를 가열하고, 압축공기에 의해 공기압축기를 냉각시키는 열교환부를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 기술되는 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 기술하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 공기압축장치 겸용 질소발생장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 공기압축장치 겸용 질소발생장치를 구성하는 공기 압축기의 냉각부의 단면도이고, 도 3은 도 2의 A-A에서 도시한 단면도이고, 도 4는 질소발생기의 일예를 도시한 단면도이다.

도시한 바와 같이 본 발명에 따른 공기압축장치 겸용 질소발생장치는 공기를 압축하여 배출하는 공기압축기(1)와, 압축된 공기를 저장하는 공기탱크(2)와, 압축공기를 냉각시키는 냉각건조기(3)와, 질소를 생성하는 멤브레인질소분리기(4)를 포함하여 구성된다.

상기 공기압축기(1)는 외기를 흡입 및 압축하여 배출하는 수단으로 도 2에 도시한 바와 같이 하우징에 고정 설치된 고정스크롤(11)과 상기 고정스크롤(11)과 대향되어 다수의 압축 날개를 갖으며 모터의 구동에 회전하는 회전스크롤(12)을 포함하여 구성된 것으로 공기흡입구(13)를 통해 흡입된 공기를 압축하여 공기배출구(14)로 배출시킨다. 이러한 공기압축기는 통상적으로 많이 사용되는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

상기와 같이 구성된 공기압축기(1)는 두 개의 스크롤(11, 12)에 의해 공기가 압축되는 과정에서 많은 열이 발생되며, 이렇게 발생된 열을 냉각시켜야 한다.

이와 같이 공기압축기(1)의 구동시 발생되는 열을 냉각시키기 위한 수단으로 열교환부(1a)가 공기압축기(1)의 일측에 구비되어 있다.

상기 열교환부(1a)는 상기 공기압축기(1)로부터 압축된 공기를 배출하는 공기배출구(14)를 감싸도록 공기압축기(1)의 일측에 일체로 구성할 수 있다.

즉, 도 2에 도시한 바와 같이 공기압축기(1)의 고정스크롤(11)의 외부에 방열핀을 갖는 소정의 공간을 형성하고 이 공간의 내부로 공기가 흐르게 함으로서 공기압축기(1)에서 발생되는 열을 냉각시킨다.

이러한 열교환부(1a)는 멤브레인질소분리기(4)에 공급되는 압축공기를 가열함에 사용됨으로서 열교환부(1a)의 내부를 통과하는 공기는 멤브레인질소분리기(4)에 공급되는 압축공기가 된다.

상기 멤브레인질소분리기(4)에 공급되는 압축공기는 보다 높은 온도로 가열되고, 공기압축기(1)를 보다 빠르게 냉각시킬 수 있도록 하기 위한 상기 열교환부(1a)의 구성은 다음과 같다.

상기 열교환부(1a)는 도 2에 도시한 바와 같이 소정의 냉각 유로(11d)를 갖는 통체 형상으로 구성되며, 상기 공기압축기(1)의 공기배출구(14)의 외주면과 인접되게 냉각압축공기 흡입구(11a)가 형성되고, 바깥쪽으로 냉각압축공기 배출구(11b)가 형성되어 있다.

또한, 상기 냉각압축공기 흡입구(11a)로부터 냉각압축공기 배출구(11b)를 향하며 나선형으로 냉각핀(11c)이 형성되어 있어 이 냉각핀(11c)에 의해 냉각유로(11d)가 형성되어 진다.

상기와 같이 냉각압축공기 흡입구(11a)를 공기압축기(1)의 압축 공기배출구(14)와 인접되게 즉, 공기압축기(1)와 인접되게 구성함으로서 보다 차가운 공기 가 먼저 공기압축기(1)와 접하여 열교환 효율이 높아지게 하였다. 또한, 냉각유로(11d)를 스크롤 형상으로 형성하여 공기의 흐름에 저항이 생기게 함으로서 열교환부(1a)를 통과하는 공기가 충분히 열교환을 하여 멤브레인질소분리기(4)에 공급되는 압축공기는 충분히 가열되고, 공기압축기(1)는 충분히 냉각될 수 있게 하였다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 공기압축장치 겸용 질소발생장치를 구성하는 공기탱크(2)와 냉각건조기(3)는 통상적으로 공기압축장치 겸용 질소발생장치에 사용되는 수단으로서 공기탱크(2)는 고압의 압축공기를 저장할 수 있도록 충분한 강도를 갖으며, 냉각건조기(3)는 내부에 열교환 코일을 구비하여 공기압축기(1)에서 발생된 열을 충분히 냉각시킬 수 있도록 구성되어 있고 냉각된 압축기체는 다른 공압 수단으로 공급되거나 상기한 멤브레인질소분리기(4)으로 공급될 수 있다. 이들은 기존에 사용되던 것들과 유사한 것으로 이에 대한 보다 구체적인 설명은 생략한다.

상기 멤브레인질소분리기(4) 또한, 통상적으로 많이 사용되는 것이나, 본 발명이 이러한 멤브레인질소분리기(4)에 공급되는 압축공기를 가열하기 위한 수단을 그 요지로 하는 것으로 이를 부연설명하면 다음과 같다.

상기 멤브레인질소분리기(4)는 분리막을 이용하여 질소를 수집하는 장치로서, 통상적으로 질소가 통과할 수 없는 미세한 홀(hole)을 갖는 분리막을 설치하여 질소보다 작은 산소는 홀에 침투하여 배출되고, 질소는 분리막을 지나 외부로 배출되게 함으로서 질소를 분리하는 장치이다. 이러한 멤브레인질소분리기(4)에 구성된 분리막은 통상적으로 엔지니어링 플라스틱이나 고분자 재료로 구성되며, 약 50℃내 지 60℃의 고온 고압의 공기가 공급되어야 보다 순도가 높고 많은 양의 질소를 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명의 공기압축장치 겸용 질소발생장치는 상기 멤브레인질소분리기(4)에 공급되는 압축공기를 가열하기 위한 수단으로 상기 공기압축기(1)의 일측에 일체로 구성된 열교환부(1a)를 구비하고 있다.

상기 열교환부(1a)는 상기한 바와 같이 공기압축기(1)에서 발생된 압축공기를 가열함과 동시에 공기압축기(1)를 냉각시키는 역할을 하는 것으로서, 상기 공기압축기(1)에서 공기를 압축하는 과정에서 발생되는 고열과 냉각건조기(3)에 의해 냉각된 압축공기의 냉기를 열교환하여 공기압축기(1)는 냉각시키고 질소발생기로 공급되는 압축공기는 가열한다.

또한, 상기 냉각건조기(3)로부터 압축공기가 배출되는 관과 멤브레인질소분리기(4)의 흡입구에 연결된 관 사이에는 바이패스관(5)이 더 설치되어 있다.

상기 바이패스관(5)은 멤브레인질소분리기(4)에서 아주 높은 고온의 압축공기를 요구하지 않을 때 보다 낮은 온도의 압축공기를 멤브레인질소분리기(4)에 공급하기 위한 수단이다.

즉, 멤브레인질소분리기(4)에 공급되는 압축공기는 멤브레인질소분리기(4)에 의해 걸러지는 질소의 순도에 따라 또는 멤브레인질소분리기(4)의 상태에 따라 고온을 요구하지 않을 수 있으며, 이렇게 멤브레인질소분리기(4)에서 고온을 요구하지 않을 때에는 상기 냉각건조기(3)에 의해 냉각된 압축공기를 바이패스관(5)을 통해 직접 멤브레인질소분리기(4)에 공급할 수 있다.

그러나 냉각건조기(3)에 의해 냉각된 압축공기는 지나치게 차거워 멤브레인질소발생기(4)에 의한 질소 발생이 원활하지 않을 수 있으며, 이러한 점을 고려하여 바이패스관(5)을 통하여 멤브레인질소분리기(4)에 공급되는 압축공기 또한 다소 예열을 시킬 필요가 있다. 이러한 목적에서 상기 바이패스관(5)의 중단에는 바이패스 열교환부(51)가 더 구비된다.

상기 바이패스 열교환부(51)는 상기 공기탱크(2)의 배출관을 감싸도록 설치되어 유로가 형성되어 있어 배출관을 통해 배출되는 고압고온 가스의 열이 바이패스관(5)을 통과하는 압축공기에 전달되어 가열되게 하기 위한 것이다.

또한, 상기와 같이 구성된 공기압축장치 겸용 질소발생장치의 멤브레인질소분리기(4)에서 발생된 질소의 순도는 약 99%정도에 불과하다.

이렇게 순도가 낮은 질소를 보다 고순도로 정제하기 위한 수단으로 상기 멤브레인질소분리기(4)의 질소배출구에는 PSA질소분리기(4a)가 더 설치될 수 있다.

상기 PSA질소분리기(4a)는 상기 멤브레인질소분리기(4)에서 분리된 질소를 보다 순도가 높게 분리하기 위한 수단으로 압력순환흡착(Pressure Swing Adsorption : PSA)방식질소분리기이다.

상기 PSA질소분리기(4a)는 활성탄이 충진된 흡착탑을 포함하여 구성되어 가압된 공기가 유입되면 상대적으로 분자가 작은 산소는 흡착되고, 질소는 그대로 통과하도록 구성된 것이다.

상기와 같이, PSA질소분리기(4a)를 통과한 질소의 순도는 약99.9999%정도로 거의 100%에 가까운 순도를 가지게 된다.

또한, 위와 같이 구성된 공기압축장치 겸용 질소발생장치의 멤브레인질소분리기(4)는 상기한 바와 같이 산소는 분리막을 통과하여 외부로 배출되고 질소만이 통과하도록 구성된 분리막형의 질소발생수단으로서 질소를 생성하는 과정에서 산소가 배출된다.

따라서, 본 발명은 이러한 산소를 수집하여 여과함으로서 산소를 얻을 수 있는 멤브레인산소분리기(6)를 더 구비할 수 있다.

상기 멤브레인산소분리기(6)는 도 5에 도시한 바와 같이 멤브레인질소분리기(4)에서 배출되는 산소 중에 잔류하는 질소나 이물질 등을 분리하여 순도가 높은 산소를 얻기 위한 수단으로 상기 멤브레인질소분리기(4)와 역으로 작동되게 구성되며, 이러한 멤브레인산소분리기(6)의 구조 또한 통상적으로 많이 사용되는 멤브레인의 하나로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도시하지는 않았으나, 본 발명에 따른 공기압축장치 겸용 질소발생장치는 상기 멤브레인질소분리기 및 산소분리기(4, 5)에 공급되는 공기 중의 수분이나 이물질을 여과하기 위하여 하나 이상의 필터와 공기의 흐름을 단속하기 위한 밸브 등을 더 구비할 수 있으나, 이러한 구성 요소들은 통상적으로 공기압축장치 겸용 질소발생장치에 많이 사용되고 있는 것으로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이상에서 상세히 기술한 바와 같이, 본 발명은 공기압축기에 의해 압축되고 냉각건조기에 의해 냉각된 압축공기가 공기압축기를 통과하여 질소발생기에 공급되게 함으로서 공기를 압축하는 과정에서 발생되는 열이 질소발생기에 공급되는 공기에 의해 열교환이 이루어지도록 구성함으로서 별도의 히터를 설치하지 않음으로서 이들의 구동에 소요되는 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한, 별도의 히터가 설치하지 않음으로서 전체 구성이 단순해지며, 이렇게 구성이 단순해짐에 따라 고장의 발생을 줄일 수 있는 효과가 있다.

더욱이, 부품수가 감소함으로서 전체 장치의 소형화 및 경량화를 가능하게 하는 효과가 있다.

또한, 질소 발생 과정에서 생성되는 산소를 정제하여 산소를 얻을 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 중심으로 기술되었지만 당업자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 많은 다양한 변형이 가능하다는 것은 명백하다. 따라서 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 문언에 의해서만 제한 해석될 수 있다.

Claims

흡입구에서 흡입된 공기를 압축하여 배출하는 공기압축기(1)와 ; 상기 공기압축기(1)에 의해 압축된 공기를 저장하는 공기탱크(2)와 ; 상기 공기탱크(2)로부터 배출되는 압축공기를 냉각하고 및 건조시키는 냉각건조기(3)와 ; 상기 냉각건조기(3)에 의해 냉각된 압축공기를 선택적으로 공급받아 질소를 생성하는 멤브레인질소분리기(4)를 포함하는 공기압축장치 겸용 질소발생장치에 있어서,

상기 공기압축기(1)의 일측에 일체로 구비되어 공기압축기(1)에서 발생된 열로 상기 멤브레인질소분리기(4)으로 공급되는 압축공기를 가열하고, 멤브레인질소분리기(4)으로 공급되는 찬 압축공기로 공기압축기(1)를 냉각시키는 열교환부(1a)를 더 포함하여 구성되고,

상기 열교환부(1a)는 상기 공기압축기(1)로부터 압축된 공기를 배출하는 공기배출구(14)를 감싸도록 공기압축기(1)의 일측에 냉각압축공기 순환형의 스크롤형으로 구비되고,

상기 열교환부(1a)는 상기 공기압축기(1)의 공기배출구(14)의 외주면과 인접되게 구성된 냉각압축공기 흡입구(11a)로부터 냉각압축공기 배출구(11b)를 향하며 나선형으로 냉각핀(11c)을 형성하여 나선형의 냉각유로(11d)가 형성됨을 특징으로 하는 공기압축장치 겸용 질소발생장치.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 냉각건조기(3)로부터 압축공기가 배출되는 관과 멤브레인질소분리기(4)의 흡입구에 연결된 관 사이에는 바이패스관(5)이 더 설치되며, 상기 바이패스관(5)의 중단에는 상기 공기탱크(2)의 배출관을 감싸도록 설치되어 배출관을 통해 배출되는 고압고온 가스의 열을 흡수하는 바이패스 열교환부(51)가 더 연결됨을 특징으로 하는 공기압축장치 겸용 질소발생장치.
제 3 항에 있어서,

상기 멤브레인질소분리기(4)의 박막에 의해 산소가 분리된 질소가 배출되는 질소배출구에는 PSA질소분리기(4a)가 더 설치됨을 특징으로 하는 공기압축장치 겸용 질소발생장치.
제 4 항에 있어서,

상기 멤브레인질소분리기(4)의 박막을 통과하여 배출되는 산소가 배출되는 산소배출구에는 멤브레인산소분리기(6)가 더 설치됨을 특징으로 하는 공기압축장치 겸용 질소발생장치.