KR101722045B1 - 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소방관이나 스킨스쿠버 등이 사용하는 공기호흡기 용기에 산소와 질소의 농도를 적절히 조절한 공기를 제공할 수 있고, 또 공기호흡기 용기 속에 들어 있는 공기를 효과적으로 배출시킬 수 있는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기에 관한 것이다.
본 발명은 소방관이나 스킨스쿠버, 또는 의료용이나 산업용 등 다양한 분야 및 용도로 사용하기 위한 산소와 질소의 분리 시, 멤브레인 방식의 산소/질소 분리기, 단일 구동력으로 작동하는 다단 압축식 고압 압축기, 산소 혹은 질소의 농도를 20∼90부피%의 비율로 조절가능한 제어 방식 등을 채택한 새로운 기능 통합형의 고압 공기 충전기를 구현함으로써, 사용자나 사용처에서 필요로 하는 농도의 산소 혹은 질소를 적절히 조절하여 공급할 수 있고, 전체적인 설비의 규모를 대폭 축소할 수 있으며, 하나의 구동력을 사용함에 따라 에너지 절감을 도모할 수 있는 한편, 공기호흡기 용기에 들어 있는 공기 배출 시 용기 내에 일정량의 공기를 남겨서 용기 내부를 양압 상태로 만들어줌으로써, 대기 침투로 인한 수분 결로 현상을 방지하고, 따라서 용기 부식 문제를 근본적으로 해결하여 용기 내구수명 향상과 더불어 사용자가 깨끗한 공기를 마실 수 있도록 하며, 또한 공기호흡기 용기에 들어 있는 공기 배출 시 공기 배출라인에 있는 미세먼지센서로 공기 속의 부식된 가루를 측정하여 용기의 상태, 즉 용기의 부식 정도를 체크할 수 있도록 함으로써, 사용자에게 용기의 안전한 사용과 관련한 용기 내의 이물질 정보를 제공할 수 있고, 또 충전 시에 부식으로 인해 취약해진 용기의 폭발사고 등을 사전에 막을 수 있어 용기 사용에 따른 안전성을 확보할 수 있고, 또한 공기호흡기 용기의 내부 상태를 모니터링 함과 더불어 공기 충전 및 배출 라인 상의 각종 밸브류나 센서류 등을 적절히 제어하면서 공기 충전은 물론 배출 과정을 자동으로 수행하는 시스템을 구현함으로써, 공기 자동 충전 및 배출 등과 관련한 전반적인 시스템 운용의 편의성 및 효율성을 향상시킬 수 있는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기를 제공한다.

Description

용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기{The status of cylinder diagnosis system equipped breathing air compressor}

본 발명은 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소방관이나 스킨스쿠버 등이 사용하는 공기호흡기 용기에 산소와 질소의 농도를 적절히 조절한 공기를 제공할 수 있고, 또 공기호흡기 용기 속에 들어 있는 공기를 효과적으로 배출시킬 수 있는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기에 관한 것이다.

일반적으로 화재 시 인명 구조작업을 하는 소방관, 수중 스포츠를 즐기거나 수중 작업을 하는 스킨 스쿠버, 의료용 목적으로 호흡용 공기를 필요로 하는 사람 등의 경우 호흡용 공기를 충전해 둔 공기호흡기 용기를 이용하여 호흡하게 된다.

이러한 공기호흡기 용기는 사용 후에 잔량이 줄어든 경우 새로운 호흡용 공기를 충전하여 사용하게 되고, 또 사용하지 않더라도 약 3∼4개월 정도 장기간 미사용 상태로 방치해 놓은 경우에는 탱크 내부 공기의 오염을 방지하기 위해 내부 잔여 공기를 배출시킨 다음에 새로운 호흡용 공기를 충전하여 사용하게 된다.

현재 호흡용 공기탱크에 새로운 호흡용 공기를 충전하는 수단으로는 일반적인 공기(산소 약 20부피% 및 질소 약 80부피%의 일반적인 공기)만을 고압으로 압축한 후에 용기에 담아서 유통하는 제품, 산소와 질소를 액체 상태로 용기에 별도로 담겨서 시중에 유통하는 제품 등이 있다.

보통 호흡용 공기나 공업용 공기의 경우 수중 스포츠용이나 의료용, 일반 산업용 등 사용하는 용도에 따라 산소와 질소를 분리하여 사용할 필요가 있고, 또 사용하는 용도에 알맞게 산소 혹은 질소의 농도를 적절히 조절하여 사용할 필요가 있다.

이러한 제품에 대한 일 예로서, 한국 등록특허 10-0928589호에서는 2가지 이상의 가스가 섞여 있는 혼합가스로부터 각각의 가스 성분으로 분리하는『혼합가스 분리 공급장치』를 개시하고 있다.

하지만, 상기『혼합가스 분리 공급장치』는 개별 구동력으로 작동하는 2대의 압축기를 별개로 운용하는 방식인 관계로 에너지 측면이나 공간 레이아웃 측면에서 불리한 점이 있다.

그리고, 산소 혹은 질소의 농도를 조절하는 방식의 경우, 현재 의료용 100부피% 순도 산소 혹은 공업용 100부피% 순도 질소를 사용하여 비율을 맞추어 수동으로 진행하는 방식인 관계로 농도 조절의 정확도가 떨어지고 농도 조절작업의 효율성이 저하될 뿐만 아니라, 다양한 분야 및 환경, 다양한 조건 등에 알맞는 최적의 농도를 조절하는 측면에서 미흡한 점이 있다.

한편, 소방서 또는 인명구조 등의 용도로 사용되고 있는 공기호흡기 용기의 내부에는 150∼300 bar 정도의 압력으로 공기가 충전된다.

이러한 공기호흡기 용기에 채워서 사용하는 공기는 오래 방치하는 경우에 오염의 우려가 높기 때문에 국제 규정에 의거 3개월의 유효 기간을 정해서 관리하고 있다.

따라서, 유효 기간이 가까워진 공기호흡기 용기는 내부 공기를 빼서 버리고 새로운 공기를 다시 충전하는 방식으로 관리되고 있다.

보통 공기호흡기 용기는 대부분 알루미늄 재질로 되어 있으며, 이러한 알루미늄 재질의 용기는 일정 시간이 지나면 내부가 부식되어 인체에 유해한 가루를 발생시키는 단점이 있다.

하지만, 공기호흡기 용기의 부식을 사전에 알 수 있는 방법이 현재에는 없는 관계로, 유해한 가루에 오염되어 있는 공기를 사용자가 마시게 되는 위험한 상황이 발생한다.

예를 들면, 노동부 한국산업안전관리공단 물질안전보건자료(Material Safety Date Sheet)에 따르면, 소방관이 사용하는 공기호흡기 용기의 부식으로 인해 발생하는 철, 망간, 알루미늄 등을 단기 흡입할 경우 저 체온 또는 발열, 구토, 설사, 호흡 곤란, 정서 장애, 근육 경련, 시작 장애, 폐ㆍ신장ㆍ간ㆍ뇌 이상, 마비 및 경련 현상이 나타나며, 장기간 흡입할 경우 식욕 부진과 체중 감소, 호흡 곤란, 두통, 수면ㆍ발성ㆍ정서 장애와 환각, 감정 변화, 청력 상실, 폐ㆍ간ㆍ신장ㆍ신경 이상, 출생 이상과 함께 생식계에도 영향을 줄 수 있는 심각한 문제가 있다.

또한, 공기호흡기 용기를 재충전하기 전, 사용 후 남은 용기 내부의 압력을 밸브를 열어 대기 상태로 분출 시, 용기가 냉각되는 현상이 발생하게 되며, 이때 대기 중 수분이 용기 내부로 침투하여 용기 내부의 부식을 유발하는 문제가 있고, 또 용기 내 고압의 공기가 대기상으로 분출할 때 큰 소음을 유발하는 문제가 있는 등 이에 대한 대책 마련의 필요성이 요구되고 있는 실정이다.

한국 등록특허 10-0928589호 한국 공개특허 10-2009-0118138호

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 소방관이나 스킨스쿠버, 또는 의료용이나 산업용 등 다양한 분야 및 용도로 사용하기 위한 산소와 질소의 분리 시, 멤브레인 방식의 산소/질소 분리기, 단일 구동력으로 작동하는 다단 압축식 고압 압축기, 산소 혹은 질소의 농도를 20∼90부피%의 비율로 조절가능한 제어 방식 등을 채택한 새로운 기능 통합형의 고압 공기 충전기를 구현함으로써, 사용자나 사용처에서 필요로 하는 농도의 산소 혹은 질소를 적절히 조절하여 공급할 수 있고, 전체적인 설비의 규모를 대폭 축소할 수 있으며, 하나의 구동력을 사용함에 따라 에너지 절감을 도모할 수 있는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 공기호흡기 용기에 들어 있는 공기 배출 시 용기 내에 일정량의 공기를 남겨서 용기 내부를 양압 상태로 만들어줌으로써, 대기 침투로 인한 수분 결로 현상을 방지하고, 따라서 용기 부식 문제를 근본적으로 해결하여 용기 내구수명 향상과 더불어 사용자가 깨끗한 공기를 마실 수 있도록 한 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 공기호흡기 용기에 들어 있는 공기 배출 시 공기 배출라인에 있는 미세먼지센서로 공기 속의 부식된 가루를 측정하여 용기의 상태, 즉 용기의 부식 정도를 체크할 수 있도록 함으로써, 사용자에게 용기의 안전한 사용과 관련한 용기 내의 이물질 정보를 제공할 수 있고, 또 충전 시에 부식으로 인해 취약해진 용기의 폭발사고 등을 사전에 막을 수 있어 용기 사용에 따른 안전성을 확보할 수 있는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 공기호흡기 용기의 내부 상태를 모니터링 함과 더불어 공기 충전 및 배출 라인 상의 각종 밸브류나 센서류 등을 적절히 제어하면서 공기 충전은 물론 배출 과정을 자동으로 수행하는 시스템을 구현함으로써, 공기 자동 충전 및 배출 등과 관련한 전반적인 시스템 운용의 편의성 및 효율성을 향상시킬 수 있는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서 제공하는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기는 다음과 같은 특징이 있다.

상기 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기는 고압 공기 충전기로부터 제공되는 고압 공기를 담을 수 있는 공기호흡기 용기의 공기 배출 라인에 설치되어 공기호흡기 용기로부터 배출되는 공기 속의 미세먼지 농도를 검출하는 미세먼지센서와, 상기 미세먼지센서로부터 입력되는 미세먼지 농도 검출값과 기 설정되어 있는 미세먼지 농도 기준값을 비교하여 미세먼지 농도 검출값이 미세먼지 농도 기준값 이상이면 경보신호를 출력하는 컨트롤러를 포함하는 시스템으로 이루어진다.

여기서, 상기 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기는 공기호흡기 용기의 공기 배출 라인에 설치되어 공기호흡기 용기로부터 배출되는 공기의 압력을 검출하는 공기압력센서 및 공기의 흐름을 단속하는 자동개폐밸브를 더 포함할 수 있다.

따라서, 상기 공기호흡기 용기 속에 들어 있는 공기의 배출 시 컨트롤러는 공기압력센서로부터 입력되는 공기압력 검출값과 기 설정되어 있는 공기압력 기준값을 비교하여 공기압력 검출값이 공기압력 기준값에 도달하면 자동개폐밸브를 OFF 작동 제어하여 공기 배출이 차단되도록 할 수 있다.

또한, 상기 호흡용 공기 충전기는 공기호흡기 용기의 공기 배출 라인의 단부에 설치되어 공기 배출 시에 발생하는 소음을 감쇄시켜주는 소음기를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 고압 공기 충전기와 공기호흡기 용기 간에는 공기호흡기 용기측에서 연장되는 공기 배출 라인측과 연결되는 공기 공급 라인이 연결됨과 더불어 상기 공기 공급 라인 상에는 고압 공기 충전기측으로의 공기 이동을 차단하는 첵밸브가 설치될 수 있다.

특히, 상기 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기의 고압 공기 충전기는 복수 개의 압축부를 가지는 동시에 각 압축부는 각각의 라인으로 연결되어 메인 대기 라인을 통해 들어온 외부 공기가 각 압축부를 순차적으로 거치면서 다단 압축될 수 있고 하나의 동력으로 구동되면서 공기를 압축하는 다단 압축식 압축기와, 상기 다단 압축식 압축기의 1단 압축부와 2단 압축부 사이의 토출/흡입 라인에 설치되어 공기 중의 산소와 질소를 분리하는 멤브레인 방식의 산소/질소 분리기와, 상기 다단 압축식 압축기의 각각의 압축부를 연결하는 각 토출/흡입 라인과 최종 압축부의 토출 라인 중 적어도 1개의 라인에 설치되어 공기를 냉각 및 정화하는 공기 냉각 및 정화 필터부를 포함하는 구조로 이루어진다.

따라서, 상기 산소 및 질소 농도조절형 고압 공기 충전기는 공기 중의 산소와 질소를 분리하고 분리된 산소 또는 질소를 적절히 조절하여 사용자 또는 사용처에 제공할 수 있는 특징이 있다.

특히, 상기 다단 압축식 압축기의 2단 압축부와 상기 산소/질소 분리기 사이의 토출/흡입 라인에는 추가적인 대기 유입을 위한 서브 대기 라인이 연결될 수 있다.

그리고, 상기 산소 및 질소 농도조절형 고압 공기 충전기는 순수하게 산소 농도 20부피% 정도의 대기만을 압축하여 제공할 수 있도록 하는 수단으로, 1단 압축부와 2단 압축부 사이에 설치되어 산소/질소 분리기를 필요에 의해 거치지 않도록 바이패스관을 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 산소 및 질소 농도조절형 고압 공기 충전기는 산소/질소 분리기에 형성되는 산소 토출 라인 및 질소 토출 라인과 상기 서브 대기 라인에 각각 설치되어 라인을 흐르는 공기의 유량을 제어하고 흐름을 단속하는 각각의 전자밸브 및 유량계와, 상기 산소 또는 질소의 농도 제어를 위하여 전자밸브 및 유량계의 작동을 제어하는 컨트롤러를 더 포함할 수 있다.

이때의 산소 및 질소 농도조절형 고압 공기 충전기는 다단 압축식 압축기의 2단 압축부로 연결되는 토출/흡입 라인 상에 설치되어 산소 및 질소의 농도를 검출하는 산소/질소 농도검출센서를 더 포함할 수 있으며, 이에 따라 상기 산소/질소 농도검출센서로부터 제공되는 신호에 기초하여 컨트롤러는 전자밸브 및 유량계의 작동을 제어할 수 있다.

또한, 상기 다단 압축식 압축기의 경우, 1단 압축부 내지 3단 압축부를 포함할 수 있으며, 이러한 각 압축부에는 하나의 출력측과 연동되면서 왕복운동하는 1단 피스톤 내지 3단 피스톤이 구비될 수 있고, 또 다단 압축식 압축기의 각 단의 압축부는 단이 높을수록 상대적으로 큰 압축용량, 즉 상대적으로 높은 압력의 효율적 압축 성능을 가질 수 있다.

그리고, 상기 산소 및 질소 농도조절형 고압 공기 충전기는 다단 압축식 압축기의 각각의 압축부를 연결하는 각 토출/흡입 라인과 최종 압축부의 토출 라인 중 적어도 1개의 라인에 설치되어 공기에 포함되어 있는 수분을 제거하는 응축수 분리부를 더 포함할 수 있다.

본 발명에서 제공하는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기는 다음과 같은 장점이 있다.

첫째, 다단 압축식의 고압 압축기 구성과 산소 발생장치 구성을 일체형으로 통합하고, 이를 바탕으로 산소와 질소 농도를 조절하여 사용자가 필요로 하는 일반적인 산소 농도(대기 기준) 20부피%에서 고농도 산소(100부피%) 까지를 포함하는 공기를 하나의 제품에서 제공함으로써, 사용이나 운용 측면에서 효율적이며, 하나의 구동력을 활용함에 따라 에너지 절감은 물론 전체 설비의 규모를 대폭 축소할 수 있어 공간 활용과 관련한 레이아웃 측면에서 유리한 장점이 있다.

둘째, 산소/질소 분리기에서 분리된 산소와 질소를 사용자의 목적에 맞추어 산소가 필요한 경우에는 산소 압축을, 질소가 필요한 경우에는 질소 압축을 수행할 수 있는 한편, 사용자가 고압 충전 대상인 산소와 질소를 각각 선택한 후에 각각의 가스의 농도를 적절히 조절하여 공급할 수 있으므로, 다양한 분야 및 환경, 다양한 조건 등에 알맞는 최적의 농도를 가지는 산소 또는 질소를 제공할 수 있는 등 산소나 질소 이용의 효율성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

셋째, 용기 내 공기를 배출시켜 용기를 비울 때, 용기 내 압력 5 bar 정도를 남김으로써, 용기 내 잔압 배출 시 냉각이 됨으로 인해 습도가 높은 대기가 용기 내로 침투 시 내부에 수분 응결물이 발생하여 용기 내부 알루미늄 물질을 부식시키게 되는 것을 방지하기 위해 건조한 압축공기를 남김으로써, 용기 부식을 방지할 수 있는 장점이 있다.

즉, 국제적인 호흡용 압축공기의 수분의 기준은 이슬점 온도 -54℃ 이하의 건조 공기이며, 따라서 이러한 건조 공기가 이미 들어 있는 용기 내의 압력을 배출 시키는 것이므로, 일정량(5 bar 정도) 이하의 공기를 남기어 용기 내부를 양압 상태로 만들어 줌으로써 용기 내 수분 결로가 발생하지 않게 되고, 결국 용기 부식 요인을 사전에 배제하여 용기의 내구 수명을 확보할 수 있고, 부식된 가루를 발생 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 장점이 있다.

넷째, 미세먼지센서의 경우, 용기 내부의 압력이 배출되는 라인 중에서 압력을 직접적으로 받지 않는 라인에 부착하여 사용함으로써, 저압 환경에서도 손쉽게 적용하여 사용할 수 있는 장점이 있다.

다섯째, 용기가 부식이 되면, 내부 알루미늄이 가루가 되어 미세 분진이 발생되는 점에 착안한 것으로, 용기 내 잔압 제거 시에 배출되는 공기가 미세먼지센서를 지나게 하면서 용기 내부 부식된 가루를 측정하여 용기 상태를 사용자에게 보여 줌으로써, 부식된 용기 사용으로 인한 사용자의 폐건강 손상 등의 인적 피해를 방지하고, 내부 부식으로 인해 약화된 용기가 충전 중 폭발하는 사고를 용기의 상태를 검증함으로써 사전에 방지하여 심대한 인명 및 물적 피해를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

여섯째, 용기 내부 압력을 충전 전 배출하는 라인 끝에 소음기를 장착하여 고압의 에어가 배출되면서 사용자에게 소음을 유발하는 환경을 원천 제거할 수 있는 장점이 있다.

일곱째, 고압 공기를 공급하는 파트와 용기 상태를 모니터링하는 파트를 일체식으로 구현하고, 용기를 부식시키는 요인을 제거함과 더불어 잔압 제거의 편의 기능을 부가하는 등 사용자에게 사용에 있어 자동 운용 개념을 제공함으로써, 전반적인 시스템 운용의 편의성 및 효율성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기에서 공기호흡기 용기의 내부 상태를 모니터링하는 파트를 나타내는 개략도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기에서 공기호흡기 용기의 내부 상태를 모니터링하는 파트의 작동상태를 나타내는 개략도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기에서 고압 공기 충전기는 나타내는 개략도
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기에서 고압 공기 충전기의 작동상태를 나타내는 개략도

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기에서 공기호흡기 용기의 내부 상태를 모니터링하는 파트를 나타내는 개략도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 상기 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기는 공기호흡기 용기에 들어 있는 공기를 밖으로 빼낼 때 인체에 해로운 부식 가루 등과 같은 미세먼지를 체크하고, 또 용기 내에 일정량의 공기를 남겨서 양압 상태로 만들어주는 등의 기능을 수행할 수 있는 구조 및 시스템으로 이루어진다.

이를 위하여, 소방관이나 스킨스쿠버 등이 사용하는 공기호흡기 용기(110)의 입구, 즉 수조작으로 열고 닫는 타입의 용기 밸브(190)가 부착되어 있는 상단부의 공기주입구에는 일반 착탈 가능한 구조의 커넥터(200)를 매개로 하여 공기 배출 라인(120)이 일정길이 연장 설치된다.

이러한 상기 공기 배출 라인(120)의 일부 구간은 배관 티(210)에 의해 분기되고, 이때의 배관 티(210)에서 분기되는 라인은 고압 공기 충전기(100)의 배출측으로 연결된다.

다시 말해, 상기 고압 공기 충전기(100)의 토출라인(도 3과 도 4의 도면부호 15)에 커넥터(미도시)에 의해 연결되면서 연장되는 공기 공급 라인(170)이 배관 티(210)에 연결되고, 따라서 공기 배출 라인(120)과 공기 공급 라인(170)은 배관 티(210)를 매개체로 하여 서로 연통될 수 있게 된다.

그리고, 상기 공기 공급 라인(170) 상에는 고압 공기 충전기(100)측으로의 공기 이동을 차단하는 첵밸브(180)가 설치되며, 이에 따라 고압 공기 충전기(100)에서 공급되는 고압의 압축공기는 공기 공급 라인(170)과 공기 배출 라인(120)을 거쳐 공기호흡기 용기(110)에 충전될 수 있지만, 공기호흡기 용기(110)에서 배출되는 공기는 첵밸브(180)에 의해 차단되어 고압 공기 충전기(100)측으로 보내질 수 없게 된다.

특히, 상기 공기호흡기 용기(110)로부터 연장되는 공기 배출 라인(120) 상에는 공기호흡기 용기(110)로부터 배출되는 공기 속의 미세먼지 농도를 검출하는 미세먼지센서(130)가 설치된다.

이때의 미세먼지센서(130)는 공기호흡기 용기(110)에서 배출되는 공기의 압력을 거의 받지 않는 위치, 예를 들면 후술하는 소음기(160)가 부착되어 있는 공기 배출 라인(120)의 단부에서 인접한 위치에 설치되며, 이에 따라 저압의 환경에서도 손쉽게 적용하여 쓸 수 있는 이점이 있다.

이러한 미세먼지센서(130)에서 측정한 미세먼지 농도 검출값은 컨트롤러(22)측으로 보내지게 되고, 이때의 컨트롤러(22)는 미세먼지센서(130)로부터 입력되는 미세먼지 농도 검출값과 기 설정되어 있는 미세먼지 농도 기준값을 비교한 후, 미세먼지 농도 검출값이 미세먼지 농도 기준값 이상이면 경보신호를 출력할 수 있게 된다.

이때, 상기 컨트롤러(22)측에서 출력하는 경보신호는 모니터(미도시)를 통해 디스플레이하는 방식, 부저(미도시) 등을 이용하여 경고음을 발생하는 방식 등을 적용할 수 있게 된다.

여기서, 상기 미세먼지 농도 기준값은 수회의 캘리브레이션을 통해 설정할 수 있으며, 예를 들어 본 발명에서 미세먼지 농도 기준값은 2∼3㎍/㎥, 바람직하게는 2.5㎍/㎥으로 설정할 수 있다.

따라서, 상기 공기호흡기 용기(110)에서 배출되는 공기 속의 미세먼지 농도를 측정하여 2∼3㎍/㎥ 이상인 경우, 사용자에게 공기호흡기 용기(110)의 상태가 정상이 아님을 주의 또는 경보하여 점검이나 교체 등의 조치를 취할 수 있게 되므로서, 부식된 용기 사용으로 인한 사용자의 폐건강 손상 등의 인적 피해를 막을 수 있고, 내부 부식으로 약화된 용기가 충전 중 폭발하는 사고를 사전에 방지하여 심대한 인명 및 물적 피해를 막을 수 있다.

또한, 상기 공기호흡기 용기(110)로부터 배출되는 공기의 압력을 검출하는 공기압력센서(140)가 구비된다.

이때의 공기압력센서(140)는 공기 공급 라인(170) 상의 일측, 예를 들면 공기 공급 라인(170)에 설치되는 첵밸브(180)와 공기 공급 라인(170)과 공기 배출 라인(120)을 이어주는 밸브 티(210) 사이의 구간 상의 일측에 설치될 수도 있다.

이러한 공기압력센서(140)에서 감지되는 공기 압력값은 컨트롤러(22)측에 제공되며, 이때의 공기압력센서(140)에는 감지되는 압력값을 외부에서 인지가 가능하도록 하는 압력 게이지가 결합될 수 있게 된다.

또한, 상기 공기호흡기 용기(110)의 공기 배출 라인(120)에는 라인을 따라 배출되는 공기의 공기의 흐름을 단속하는 자동개폐밸브(150)가 설치된다.

이러한 자동개폐밸브(150)는 컨트롤러(22)에 의해 제어되면서 ON 작동(열림) 및 OFF 작동(닫힘)이 이루어질 수 있게 된다.

이때의 자동개폐밸브(150)는 고압 공기 충전기(100)에서 제공되는 공기로 공기호흡기 용기(110)를 충전할 때 전혀 간섭을 주지 않도록 하기 위해 공기 배출 라인(120)의 후단측 위치에 설치하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 상기 공기호흡기 용기(110) 속에 들어 있는 공기의 배출 시에 공기압력센서(140)에서 측정한 현재의 공기압력 검출값이 컨트롤러(22)에 입력되면, 컨트롤러(22)는 공기압력센서(140)로부터 입력되는 공기압력 검출값과 기 설정되어 있는 공기압력 기준값(예를 들면 1∼10 bar, 바람직하게는 5 bar)을 비교한 후, 공기압력 검출값이 공기압력 기준값에 도달하는 경우, 자동개폐밸브(150)를 OFF 작동 제어하여 공기 배출을 차단시킬 수 있게 되고, 결국 공기호흡기 용기(110)에는 일정 압력(예를 들면, 5 bar 정도)의 공기가 내부에 남아 있는 상태가 되면서 공기 배출을 마칠 수 있게 된다.

이렇게 공기호흡기 용기(100)에 새로운 압축 공기를 충전하기 위해 그 안에 채워져 있던 공기를 비울 때, 일정량 이하의 공기를 남기어 내부를 양압 상태로 만들어 줌으로써, 용기 내부에 수분 결로가 발생하지 않게 되고, 결국 용기 내의 알루미늄 물질이 부식되는 문제를 근본적으로 방지할 수 있게 된다.

또한, 상기 공기호흡기 용기(110)의 공기 배출 라인(120)의 단부에는 공기 배출 시에 발생하는 소음을 감쇄시켜주는 역할의 소음기(160)가 설치된다.

이렇게 공기호흡기 용기(110)의 내부 압력을 배출하는 관로 끝에 소음기를 설치함으로써, 고압의 공기가 배출되면서 사용자에게 소음을 유발하는 환경을 원천 제거할 수 있게 된다.

특히, 본 발명에서는 고압 공기 충전기(100)와 공기호흡기 용기(110) 간의 고압 공기 충전 과정과 공기호흡기 용기(110)로부터의 공기 배출 과정, 그리고 공기호흡기 용기(110)로부터 배출되는 공기 속의 미세먼지(예를 들면, 부식된 알루미늄 용기로부터 떨어져 나온 가루 등)를 검출하는 과정 등을 컨트롤러(22)의 제어 하에 자동으로 수행하는 시스템을 제공한다.

즉, 상기 공기압력센서(140)의 신호를 입력으로 하는 컨트롤러(22)에 출력 제어에 의한 자동개폐밸브(150)의 작동, 또 컨트롤러(22)의 출력 제어에 의해 고압 공기 충전기(100)의 가동 또는 정지 작동과 연계되는 공기호흡기 용기(110)의 공기 배출 작동 등이 자동으로 수행될 수 있게 된다.

예를 들면, 상기 고압 공기 충전기(100)와 공기호흡기 용기(110)가 공기 공급 라인(170) 및 공기 배출 라인(120)이 연결된 상태에서 공기호흡기 용기(110)에 들어 있는 공기를 배출하는 과정과 공기 배출 후에 고압 공기 충전기(100)로부터 공급되는 압축 공기(질소와 산소의 농도가 적절히 조절된 상태의 압축 공기)를 충전하는 과정이 컨트롤러(22)의 제어에 의해 연계적으로 자동 수행된다.

이를 위하여, 상기 컨트롤러(22)의 제어에 의해 고압 공기 충전기(100)의 가동이 멈춘 상태에서, 사용자가 공기호흡기 용기(110)에 부착되어 있는 용기 밸브(19)를 수조작으로 열고, 계속해서 컨트롤러(22)의 제어에 의해 자동개폐밸브(150)가 ON 동작되면, 공기호흡기 용기(110) 속에 들어 있는 공기는 공기 배출 라인(120)을 따라 외부로 배출된다.

이때의 공기 배출 라인(120)을 따라 배출되는 공기의 압력은 공기압력센서(140)에 의해 검출되어 컨트롤러(22)에 실시간으로 제공된다.

이와 더불어, 상기 공기 배출 라인(120)을 따라 배출되는 공기 속의 미세먼지는 미세먼지센서(130)에 의해 측정되고, 이때의 측정되는 미세먼지 농도 검출값은 컨트롤러(22)에 제공되어 용기의 부식 상태를 판단하기 위한 데이터로 쓰일 수 있게 된다.

계속해서, 공기호흡기 용기(110) 속에 들어 있는 공기를 배출하는 과정에서, 상기 공기압력센서(140)에서 측정한 공기압력 검출값이 기 설정되어 있는 공기압력 기준값, 예를 들면 5 bar 미만이면, 컨트롤러(22)는 자동개폐밸브(150)를 OFF 작동 제어하여 공기 배출을 정지시키게 된다.

이때, 공기호흡기 용기(110)에는 5 bar 정도의 건조 공기가 내부에 남아 있는 상태가 되므로 용기 내 수분 결로가 발생하지 않게 된다.

계속해서, 상기 컨트롤러(22)의 제어에 의해 고압 공기 충전기(100)가 재가동되고, 이때의 고압 공기 충전기(100)에서 공급되는 공기는 공기 공급 라인(170)과 공기 배출 라인(120)을 통해 공기호흡기 용기(110)에 채워지게 된다.

이렇게 공기호흡기 용기(110)에 공기가 채워지는 과정에서 라인을 따라 공급되는 공기의 압력은 공기압력센서(140)에 의해 검출되어 컨트롤러(22)에 실시간으로 제공되고, 이때의 검출 압력이 기 설정된 압력, 예를 들면 200∼300 bar, 바람직하게는 300 bar에 도달하면 충전이 완료된 것으로 판단되어 컨트롤러(22)의 제어에 의해 고압 공기 충전기(100)의 가동을 중지시키는 것으로 공기 배출 후에 재충전하는 과정을 완료할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기에서 고압 공기 충전기는 나타내는 개략도이다.

도 3에 도시한 바와 같이, 상기 고압 공기 충전기는 대기 중의 산소 또는 질소 농도를 각 사용처에 알맞게 20부피%∼90부피%의 범위 내에서 적절히 조절하여 공급할 수 있고, 특히 다단 압축식 압축기와 각 라인 간의 적절한 배치 조합을 통해 전체 시스템의 규모 및 레이아웃을 최적화한 구조로 이루어진다.

이를 위하여, 상기 고압 공기 충전기는 하나의 동력으로 구동되면서 공기를 다단식으로 압축하는 수단으로 일체형의 다단 압축식 압축기(12)를 포함한다.

보통 다단식 압축기는 일반적으로 사용하려는 압력이 상승할수록 2개 이상으로 200∼300bar는 3단 혹은 4단, 400∼700bar는 5단, 700bar 이상은 6단 이상의 다단으로 구성할 수 있다.

예를 들면, 상기 다단 압축식 압축기(12)는 3단의 다단식으로 구성하는 경우, 압축기 본체(31)의 3방향으로 배치되는 복수 개의 압축부, 예를 들면 90°간격으로 배치되는 T형이나 V형 혹은 W형의 실린더 배치 형상을 가질 수 있게 되고, T형에서는 도시한 바와 같이 1단 압축부(10a), 2단 압축부(10b) 및 3단 압축부(10c)를 포함할 수 있다.

바람직한 실시예로서, 상기 1단 압축부(10a), 2단 압축부(10b) 및 3단 압축부(10c)는 구동원판(30)을 가운데 두고(혹은 크랭크 샤프트의 하나의 동력전달부를 가운데 두고) 이것을 중심으로 하여 그 둘레를 따라 대략 90°간격으로 배치될 수 있다.

이러한 1단 압축부(10a), 2단 압축부(10b) 및 3단 압축부(10c)에는 왕복운동하면서 공기를 압축하는 1단 피스톤(23), 2단 피스톤(24) 및 3단 피스톤(25)이 각각 구비되며, 이때의 각 피스톤(23,24,25)은 로드를 통해 하나의 구동원판(30)에 위상차를 가지면서 함께 연결된다.

이에 따라, 모터(미도시) 등의 구동원으로부터 동력을 받아서 구동원판(30)이 회전하게 되면, 각 피스톤(23,24,25)은 각각의 압축부(10a,10b,10c) 내에서 왕복운동을 하게 되고, 결국 이러한 피스톤들의 순차적인 왕복운동에 의해 공기가 흡입된 후에 압축된 상태로 배출될 수 있게 된다.

그리고, 상기 각 압축부(10a,10b,10c)에는 각각의 포핏 밸브(28)를 가지는 흡입구 및 배출구가 각각 형성되며, 이러한 각 흡입구와 배출구는 대기측 라인, 토출 및 흡입측 라인, 최종 토출측 라인에 각각 연결된다.

예를 들면, 상기 1단 압축부(10a)의 흡입구와 배출구는 메인 대기 라인(11)과 토출/흡입 라인(13a)에 각각 연결되고, 2단 압축부(10b)의 흡입구와 배출구는 2개의 토출/흡입 라인(13a,13b)에 각각 연결되며, 3단 압축부(10c)의 흡입구와 배출구는 토출/흡입 라인(13b)과 토출 라인(15)에 각각 연결된다.

이에 따라, 공기는 메인 대기 라인(11)→1단 압축부(10a)→토출/흡입 라인(13a)→2단 압축부(10b)→토출/흡입 라인(13b)→3단 압축부(10c)→토출 라인(15)을 경유하는 흐름을 보이게 되고, 결국 메인 대기 라인(11)을 통해 들어온 외부 공기가 각 압축부(10a,10b,10c)를 순차적으로 거치면서 다단 압축될 수 있게 된다.

여기서, 상기 메인 대기 라인(11)에는 압축기측으로 도입되는 대기 중의 먼지나 이물질 등을 제거하는 기능의 먼지 제거 필터(29a)가 설치될 수 있게 된다.

특히, 상기 다단 압축식 압축기(12)의 각 단의 압축부(10a,10b,10c)는 단이 높을수록 상대적으로 큰 압축압력을 사용할 수 있게 된다.

예를 들면, 3단 압축 구조의 경우, 상기 1단 압축부(10a)는 0bar 이상 10bar 미만의 압축용량을 가질 수 있고, 2단 압축부(10b)는 10bar 이상 50bar 미만의 압축용량을 가질 수 있으며, 3단 압축부(10c)는 60bar 이상의 압축용량을 가질 수 있다.

참고로, 4단 압축 구조의 경우, 1단 압축부는 0∼5bar, 2단 압축부는 5∼20bar, 3단 압축부는 20∼100bar, 4단 압축부는 100bar 이상의 압축구조를 가지도록 각 압축단의 압력을 낮추어 압축할 수 있다.

여기서, 각 압축부의 압축용량은 압축실 체적, 피스톤 직경 등을 고려하여 적절하게 설정할 수 있다.

따라서, 상기 1단 압축부(10a)로 들어온 공기는 5bar 이상 50bar 미만으로 1단 승압된 후에 2단 압축부(10b)로 보내질 수 있게 되고, 2단 압축부(10b)로 들어온 공기는 50bar 이상 100bar 미만으로 2단 승압된 후에 3단 압축부(10c)로 보내질 수 있게 되며, 3단 압축부(10c)로 들어온 공기는 100bar 이상으로 3단 승압된 후에 최종 사용처로 보내질 수 있게 된다.

이와 같이, 상기 다단 압축식 압축기(12)의 경우, 압축기 본체(31) 내에 각 압축부(10a,10b,10c)를 3방향으로 배치하고, 이와 더불어 후술하는 산소/질소 분리기(14) 등과 함께 메인 대기 라인(11), 토출/흡입 라인(13a,13b), 토출 라인(15) 등을 압축기 본체(31)의 주변에 배치하는 동시에 각 압축부(10a,10b,10c)측과 적절히 연결한 구조로 이루어짐으로써, 공간 점유율이나 규모를 최소화할 수 있는 등 전체적인 설비 레이아웃을 효율적으로 설계할 수 있는 이점이 있다.

또한, 상기 산소 및 질소 농도조절형 고압 공기 충전기는 추가적으로 대기를 도입하여 산소나 질소의 농도 조절에 관여함은 물론, 순수하게 산소 농도 20부피% 정도의 대기만을 압축하여 제공할 수 있도록 하는 수단으로, 1단 압축부(10a)와 2단 압축부(10b) 사이에 산소/질소 분리기(14)를 필요에 의해 거치지 않도록 바이패스관(19)을 포함한다.

또한, 최종 압축되는 기체의 산소 혹은 질소 농도 조절을 위해 서브 대기 라인(17)이 1단 압축부(10a)와 2단 압축부(10b) 사이에 연결되는 토출/흡입 라인(13a) 상에 연결된다.

즉, 상기 서브 대기 라인(17)은 산소/질소 분리기(14)에서 연장되는 산소 토출 라인(18b) 및 질소 토출 라인(18a)의 후단측 합류라인인 토출/흡입 라인(13a) 상에 연결된다.

그리고, 상기 서브 대기 라인(17)에는 압축기측으로 도입되는 대기 중의 먼지나 이물질 등을 제거하는 기능의 먼지 제거 필터(29b)가 설치될 수 있게 된다.

이에 따라, 상기 1단 압축부(10a)측으로부터 바이패스관(19)을 통해 유입되는 산소농도 대략 20부피% 정도의 공기는 산소/질소 분리기(14)를 거치지 않고 그대로 2단 압축부(10b)로 들어가게 되는 한편, 상기 서브 대기 라인(17)을 통해 유입되는 산소농도 대략 20부피% 정도의 공기는 또는 산소/질소 분리기(14)로부터 배출되는 산소 또는 질소와 소정의 비율로 혼합된 후에 2단 압축부(10b)로 들어가게 된다.

이와 같이, 상기 2단 압축부(10b)의 흡입측에 서브 대기 라인(17)을 연결하고, 이러한 서브 대기 라인(17)을 통해 추가로 유입되는 공기로 산소 또는 질소 농도 조절 시 적절히 활용할 수 있고, 농도가 조절된 산소나 질소 공급과 관련하여 사용처나 사용자가 필요로 하는 선택의 폭을 넓혀줄 수 있는 등 고압 공기 충전기의 성능과 기능을 폭넓게 확보할 수 있다.

여기서, 상기 다단 압축식 압축기(12)에 바이패스관(19)과 서브 대기 라인(17)을 갖추고 이들을 함께 운용함으로써, 압축기의 충분한 압축체적 확보는 물론 에너지 효율을 높일 수 있는 이점이 있다.

예를 들면, 산소농도 대략 20부피% 정도의 대기만을 공급하는 경우, 1단 압축부(10a)를 통해 충분한 압축체적을 가지고 대기를 흡입하여 바이패스관(19)을 이용해서 공급할 수 있으므로, 압축기 가동 효율 대비 원하는 공기량을 확보할 수 있게 된다.

따라서, 산소농도 대략 20부피% 정도의 대기만을 공급하는 경우에는 바이패스관(19)을 이용하고, 산소농도와 대기를 비율을 조절하여 공급하는 경우에는 서브 대기 라인(17)을 이용함으로써, 압축기 에너지 손실도 줄이면서 충분한 대기량을 확보하여 제공할 수 있는 이점이 있다.

한편, 상기 바이패스관(19) 없이 서브 대기 라인(17)을 이용하여 산소농도 대략 20부피% 정도의 대기만을 공급하는 경우에는 상대적으로 압축체적이 적은 2단 압축부(10b)를 통해 대기를 흡입 및 압축하여 공급해야 하기 때문에 압축기 가동 효율 대비 원하는 만큼의 충분한 공기량을 제공할 수 없을 뿐만 아니라 이때의 1단 압축부(10a) 또한 공전 중이기 때문에 에너지 손실 측면에서 비효율적이라 할 수 있다.

또한, 상기 산소 및 질소 농도조절형 고압 공기 충전기는 실질적으로 공기 중의 산소와 질소를 분리하는 수단으로 산소/질소 분리기(14)를 포함한다.

상기 산소/질소 분리기(14)는 다단 압축식 압축기(12)의 1단 압축부(10a)와 2단 압축부(10b) 사이를 연결하는 토출/흡입 라인(13a) 상에 설치되어 멤브레인 방식으로 공기 중의 산소와 질소를 분리하는 역할을 하게 된다.

예를 들면, 상기 산소/질소 분리기(14)는 분리기 케이스 내부에 기체 분리막(Gas separation membrance;미도시)이 설치되고, 분리기 케이스 내의 기체 분리막 내측 유로(미도시)와 기체 분리막 외측 유로(미도시)는 분리기 케이스 밖으로 연장되는 2개의 독립적인 라인, 즉 질소 토출 라인(18a)과 산소 토출 라인(18b)에 각각 연결된다.

여기서, 상기 산소/질소 분리기(14)의 경우, 멤브레인 방식 이외에도 PSA 방식 등을 적용할 수 있다.

그리고, 상기 질소 토출 라인(18a)과 산소 토출 라인(18b)은 진행방향 후단측에서 하나로 합류한 후, 다단 압축식 압축기(12)의 2단 압축부(10b)의 흡입측으로 이어져 있는 토출/흡입 라인(13a)과 연결된다.

이에 따라, 상기 1단 압축부(10a)로부터의 압축공기가 토출/흡입 라인(13a)을 거쳐 산소/질소 분리기(14)의 내부로 유입되면, 이렇게 유입된 압축공기는 기체 분리막에 의해 산소와 질소로 각각 분리되고, 즉 산소와 질소의 분압차에 따른 각 기체 간의 용해도와 투과도의 차이에 의해 두 기체 중 산소만이 선택적으로 투과되면서 산소와 질소로 각각 분리되며, 계속해서 산소는 산소 토출 라인(18b)으로, 질소는 질소 토출 라인(18a)으로 각각 배출된다.

여기서, 기체 분리막의 원리를 이용하여 혼합공기를 산소와 질소로 분리하는 방식은 종래와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상기 산소 및 질소 농도조절형 고압 공기 충전기는 압축공기의 냉각은 물론 정화를 위한 수단으로 공기 냉각 및 정화 필터부(16a,16b,16c)를 포함한다.

상기 공기 냉각 및 정화 필터부(16a,16b,16c)는 다단 압축식 압축기(12)의 각각의 압축부(10a,10b,10c)를 연결하는 각 토출/흡입 라인(13a,13b)과 최종 압축부의 토출 라인(15) 등에 설치될 수 있게 된다.

예를 들면, 1단 압축부(10a)와 2단 압축부(10b) 사이의 토출/흡입 라인(13a)에 하나의 공기 냉각 및 정화 필터부(16a)가 설치되고, 2단 압축부(10b)와 3단 압축부(10c) 사이의 토출/흡입 라인(13b)에 다른 하나의 공기 냉각 및 정화 필터부(16b)가 설치되며, 3단 압축부(13c)의 토출측으로부터 연장되는 토출 라인(15)에 또 다른 하나의 공기 냉각 및 정화 필터부(16c)가 설치된다.

보통 외부로부터 유입되는 공기 중에는 항상 수분이 함유되어 있을 뿐만 아니라, 특히 윤활유를 이용하는 압축기에 의한 공기 압축 시에는 압축된 공기 속에 오일 성분이 섞여 들어갈 수 있다.

따라서, 상기 공기 냉각 및 정화 필터부(16a,16b,16c)에는 각 압축부로부터 공급받는 다량의 압축공기 내에 잔류하는 오일 성분 등을 걸러내기 위해 코울레싱 필터(Coalescing filter;미도시) 등이 내장될 수 있고, 또 수분 등을 제거하기 위해 쿨러(미도시)나 드라이어(미도시) 등이 내장될 수 있다.

또한, 상기 산소 및 질소 농도조절형 고압 공기 충전기는 공기 냉각 및 정화 필터부측 후단에 위치하여 수분을 제거하는 수단으로 응축수 분리부(26a,26b)를 포함한다.

상기 응축수 분리부(26a,26b)는 다단 압축식 압축기(12)의 각 압축부(10b,10c)를 연결하는 토출/흡입 라인(13b)과 최종 압축부의 토출 라인(15) 등에 설치될 수 있게 된다.

예를 들면, 2단 압축부(10b)와 3단 압축부(10c) 사이의 토출/흡입 라인(13b) 상에는 공기 냉각 및 정화 필터부(16b)의 후단측에 하나의 응축수 분리부(26a)가 설치되고, 3단 압축부(10c)의 토출측으로부터 연장되는 토출 라인(15)에는 공기 냉각 및 정화 필터부(16c)의 후단측에 다른 하나의 응축수 분리부(26b)가 설치된다.

여기서, 상기 응축수 분리부(26a,26b)는 유수분리기능을 포함하는 구조로서, 원심력의 원리를 이용하여 압축공기 속의 응축수를 제거할 수 있게 된다.

이러한 응축수 분리부(26a,26b)에 의해 다량의 압축공기 내에 잔류하는 수분이 제거되므로서, 최종 공급되는 압축공기의 품질을 확보할 수 있고, 또 고압 공기 충전기에서 각 구성부품 간의 온도 편차를 최소화시킬 수 있게 된다.

그리고, 상기 3단 압축부(10c)로부터 연장되는 토출 라인(15) 상에는 응축수 분리부(26b)의 후단측 위치에 고압 공기 정화부(27)가 설치되므로서, 고압 압축공기 속에 포함된 이물질 등이 최종 제거된 상태로 사용처에 공급될 수 있게 된다.

이러한 고압 공기 정화부(27)는 압축공기 중의 수분과 냄새 및 유해가스인 일산화탄소와 이산화탄소를 제거하기 위한 제습제와 활성탄 등을 포함하는 구조로서, 흡착 원리를 이용하여 압축공기 속의 이물질 등을 효과적으로 제거할 수 있게 된다.

한편, 상기 산소 및 질소 농도조절형 고압 공기 충전기는 산소 및 질소 농도의 조절하고 또 이를 제어하기 위한 수단으로 전자밸브 및 유량계(20a,20b,20c,19a), 산소/질소 농도검출센서(21), 컨트롤러(22)를 포함한다.

상기 전자밸브 및 유량계(20a,20b,20c,19a)는 개폐량 조정이 가능한 형태의 밸브장치로서, 산소/질소 분리기(14)에 있는 산소 토출 라인(18b)과 질소 토출 라인(18a), 그리고 상기 서브 대기 라인(17)과 상기 바이패스관(19)에 각각 설치되며, 이때의 각 라인을 흐르는 공기, 즉 산소, 질소, 대기의 유량을 제어하고 흐름을 단속하는 역할을 한다.

이러한 전자밸브 및 유량계(20a,20b,20c,19a)는 컨트롤러(22)에 의한 제어를 받아 동작하게 되며, 컨트롤러(22)의 출력 제어에 의해 개폐량이 조절되면서 라인을 따라 흐르는 공기의 유량을 조절할 수 있게 된다.

상기 산소/질소 농도검출센서(21)는 일반적인 산소센서(미도시)와 일반적인 질소센서(미도시)를 각각 포함하는 형태로서, 다단 압축식 압축기(12)의 2단 압축부(10b)로 연결되는 토출/흡입 라인(13a) 상에 설치되며, 이때의 토출/흡입 라인(13a)을 흐르는 공기 중의 산소의 농도와 질소의 농도를 각각 검출하는 역할을 하게 된다.

이렇게 상기 산소/질소 농도검출센서(21)에서 검출한 산소 농도 수치와 질소 농도 수치는 컨트롤러(22)에 제공되어 산소와 질소 농도 조절을 위한 기초 데이터로 쓰일 수 있게 된다.

상기 컨트롤러(22)는 전자밸브 및 유량계(20a,20b,20c,19a)의 작동 등을 제어하는 역할을 하는 것으로서, 다양한 방식으로 전자밸브 및 유량계(20a,20b,20c,19a)의 작동을 제어할 수 있게 된다.

일 예로서, 산소와 질소의 농도를 검출하는 산소/질소 농도검출센서(21)로부터 입력되는 신호에 기초하여 전자밸브 및 유량계(20a,20b,20c,19a)의 개폐량을 제어할 수 있게 된다.

다른 예로서, 기 설정된 데이터(예컨대, 미리 설정해 놓은 각각의 전자밸브 및 유량계의 개폐량)에 근거하여 전자밸브 및 유량계(20a,20b,20c,19a)의 개폐량을 제어할 수 있게 된다.

이와 같은 컨트롤러(22)의 출력 제어를 통해 각각의 전자밸브 및 유량계(20a,20b,20c,19a)의 작동을 제어하여 산소나 질소 농도를 조절하는 방식의 예를 살펴보면 다음과 같다.

일 예로서, 산소 혹은 질소 농도 100부피% 공급 시의 경우, 서브 대기 라인(17)에 설치되어 있는 전자밸브 및 유량계(20c)와 바이패스관(19)의 전자밸브 및 유량계(19a)를 완전히 클로즈한 상태에서, 산소/질소 분리기(14)의 산소 토출 라인(18b)에 설치되어 있는 전자밸브 및 유량계(20b)를 완전히 오픈함과 더불어 질소 토출 라인(18a)에 설치되어 있는 전자밸브 및 유량계(20a)를 완전히 클로즈하면, 산소 농도 100부피%를 공급할 수 있게 되는 한편, 산소/질소 분리기(14)의 산소 토출 라인(18b)에 설치되어 있는 전자밸브 및 유량계(20b)를 완전히 클로즈함과 더불어 질소 토출 라인(18a)에 설치되어 있는 전자밸브 및 유량계(20a)를 완전히 오픈하면, 질소 농도 100부피%를 공급할 수 있게 된다.

다른 예로서, 산소 혹은 질소 농도 50부피% 공급 시의 경우, 바이패스관(19)의 전자밸브 및 유량계(19a)를 100% 클로즈 하고, 서브 대기 라인(17)에 설치되어 있는 전자밸브 및 유량계(20c)를 개폐량 50% 오픈한 상태에서, 산소/질소 분리기(14)의 산소 토출 라인(18b)에 설치되어 있는 전자밸브 및 유량계(20b)를 개폐량 50% 오픈함과 더불어 질소 토출 라인(18a)에 설치되어 있는 전자밸브 및 유량계(20a)를 완전히 클로즈하면, 산소 농도 50부피%(위의 일 예에서 공급되는 산소 농도 100부피% 대비 상대적인 산소 농도 50부피%)를 공급할 수 있게 되는 한편, 산소/질소 분리기(14)의 산소 토출 라인(18b)에 설치되어 있는 전자밸브 및 유량계(20b)를 완전히 클로즈함과 더불어 질소 토출 라인(18a)에 설치되어 있는 전자밸브 및 유량계(20a)를 개폐량 50% 오픈하면, 질소 농도 50부피%(위의 일 예에서 공급되는 질소 농도 100부피% 대비 상대적인 질소 농도 50부피%)를 공급할 수 있게 된다

이때, 서브 대기 라인(17)을 통해 들어오는 대기 공기에 기본적으로 포함되는 평균 산소 20부피%, 질소 80부피%의 환경에 맞추어 서브 대기 라인의 전자밸브 및 유량계(20c)의 유량은 산소/질소 분리기(14)의 센서인 산소/질소 농도검출센서(21)와 컨트롤러(22)에 의해 조정이 됨을 기본으로 한다.

또 다른 예로서, 일반 대기 공급 시의 경우, 산소/질소 분리기(14)의 산소 토출 라인(18b)과 질소 토출 라인(18a)에 설치되어 있는 전자밸브 및 유량계(20a,20b), 서브 대기 라인(17)에 설치되어 있는 전자밸브 및 유량계(20c)를 100% 클로즈한 상태에서 바이패스관(19)의 전자밸브 및 유량계(19a)를 개폐량 100% 오픈하면, 농도 20부피% 정도의 산소를 포함하는 일반 대기를 먼지 제거 필터(29a)와 1단 압축부(10a)를 통해 공급할 수 있게 된다.

물론, 위와 같은 산소의 농도 조절 혹은 질소의 농도 조절, 그리고 대기의 공급 등과 같은 제어는 작업자가 사용 전 산소 혹은 질소의 농도를 20부피% 내지 100부피%의 범위 내에서 다양하게 선택하여 컨트롤러에 입력 및 설정하는 방식에 의해 이루어지도록 할 수 있으며, 또는 산소/질소 농도검출센서로부터 입력되는 산소 농도 혹은 질소 농도의 수치를 확인해가면서 컨트롤러의 출력 제어에 의해 전자밸브 및 유량계의 개폐량이 0% 내지 100% 범위 내에서 산소 혹은 질소 농도가 0∼100부피% 농도로 조절되도록 하는 방식에 의해 이루어지도록 할 수 있다.

따라서, 이와 같이 구성되는 고압 공기 충전기의 작동상태를 살펴보면 다음과 같다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기에서 고압 공기 충전기의 작동상태를 나타내는 개략도이다.

도 4에 도시한 바와 같이, 메인 대기 라인(11)을 통해 들어오는 공기는 다단 압축식 압축기(12)의 1단 압축부(10a)에서 5bar 이상으로 1단 승압된 후에 토출/흡입 라인(13a)을 경유하여 산소/질소 분리기(14)로 보내진다.

다음, 상기 산소/질소 분리기(14)에 들어온 압축공기는 멤브레인 방식에 의해 산소와 질소로 분리된 후에 각각 산소 토출 라인(18b)과 질소 토출 라인(18a)으로 빠져나가 다단 압축식 압축기(12)의 2단 압축부(10b)로 보내진다.

이때, 상기 산소 토출 라인(18b)과 질소 토출 라인(18a)을 따라 각각 흐르는 산소와 질소는 컨트롤러(22)의 제어를 받는 전자밸브 및 유량계(20a,20b)의 작동에 의해 흐름이 단속되거나 유량(농도)이 조절될 수 있게 된다.

한편, 상기 컨트롤러(22)에 의한 제어를 받는 전자밸브 및 유량계(20c,19a)의 작동에 의해 바이패스관(19)과 서브 대기 라인(17)을 통해서도 외부의 공기가 선택적으로 유입되어 다단 압축식 압축기(12)의 2단 압축부(10b)로 보내질 수 있다.

다음, 상기 다단 압축식 압축기(12)의 2단 압축부(10b) 내로 들어온 농도가 조절된 산소나 질소, 또는 대기는 50bar 이상으로 2단 승압된 후에 토출/흡입 라인(13b)을 경유하여 다단 압축식 압축기(12)의 3단 압축부(10c)로 보내진다.

다음, 상기 다단 압축식 압축기(12)의 3단 압축부(10c) 내로 들어온 농도가 조절된 압축 공기, 즉 산소 또는 질소는 60bar 이상, 사용자의 목적에 따라 120bar, 200bar, 300bar 등으로 3단 승압되고, 이렇게 3단 승압된 산소나 질소, 또는 대기는 토출 라인(15)을 경유하여 사용자 또는 사용처로 최종 공급된다.

이때, 대기의 유입에서부터 1단 내지 3단의 승압과정을 거친 후에 사용자나 사용처로 최종 배출되는 공기의 흐름이 이루어지는 과정에서, 라인 상에 설치되어 있는 공기 냉각 및 정화 필터부(16a,16b,16c)와 응축수 분리부(26a,26b), 그리고 고압 공기 정화부(27)를 경유하는 동안에 압축공기 속에 포함되어 있는 유분, 수분, 이물질 등이 제거되므로서, 결국 호흡용으로 적합한 상태의 산소, 산업용으로 적합한 상태의 질소가 최종 제공될 수 있게 된다.

이와 같이, 본 발명에서는 다단 압축식의 고압 압축기를 활용하는 한편, 산소 및 질소 분리기를 포함하는 각종 주변 부품 및 라인 등을 압축기측에 일체형으로 장착하고, 이를 바탕으로 산소 혹은 질소 농도를 조정하여 사용자가 필요로 하는 일반적인 산소 농도 20부피% 정도에서부터 고농도의 산소 농도 90부피% 정도의 호흡용 공기, 또는 일반 산업용 100부피% 농도의 질소를 하나의 설비에서 만들어내는 시스템을 구축함으로써, 하나의 구동력을 활용하는 에너지 절감 및 기능 통합형, 그리고 규모를 최적화한 제품을 구현할 수 있다.

그리고, 본 발명에서는 공기호흡기 용기에 들어 있는 공기 배출 시 용기 내에 일정량의 공기를 남겨둠으로써 대기 침투로 인한 수분 결로 현상을 막아 용기 부식 문제를 근본적으로 해결할 수 있고, 공기호흡기 용기 내부 상태를 모니터링하여 사용자에게 용기의 사용과 관련하여 사전에 경보를 제공할 수 있으며, 공기 자동 충전 및 배출 등과 관련한 전반적인 시스템 운용의 편의성 및 효율성을 높일 수 있다.

10a,10b,10c : 압축부
11 : 메인 대기 라인
12 : 다단 압축식 압축기
13a,13b : 토출/흡입 라인
14 : 산소/질소 분리기
15 : 토출 라인
16a,16b,16c : 공기 냉각 및 정화 필터부
17 : 서브 대기 라인
18a : 질소 토출 라인
18b : 산소 토출 라인
19 : 바이패스관
19a,20a,20b,20c : 전자밸브 및 유량계
21 : 산소/질소 농도검출센서
22 : 컨트롤러
23 : 1단 피스톤
24 : 2단 피스톤
25 : 3단 피스톤
26a,26b : 응축수 분리부
27 : 고압 공기 정화부
28 : 포핏 밸브
29a,29b : 먼지 제거 필터
30 : 구동원판
31 : 압축기 본체
100 : 고압 공기 충전기
110 : 공기호흡기 용기
120 : 공기 배출 라인
130 : 미세먼지센서
140 : 공기압력센서
150 : 자동개폐밸브
160 : 소음기
170 : 공기 공급 라인
180 : 첵밸브
190 : 용기 밸브
200 : 커넥터
210 : 배관 티

Claims (12)

1. 고압 공기 충전기(100)로부터 제공되는 고압 공기를 담을 수 있는 공기호흡기 용기(110)의 공기 배출 라인(120)에 설치되어 공기호흡기 용기(110)로부터 배출되는 공기 속의 미세먼지 농도를 검출하는 미세먼지센서(130)와, 상기 미세먼지센서(130)로부터 입력되는 미세먼지 농도 검출값과 기 설정되어 있는 미세먼지 농도 기준값을 비교하여 미세먼지 농도 검출값이 미세먼지 농도 기준값 이상이면 경보신호를 출력하는 컨트롤러(22)를 포함하고,
   상기 고압 공기 충전기(100)는,
   복수 개의 압축부를 가지는 동시에 각 압축부는 각각의 라인으로 연결되어 메인 대기 라인을 통해 들어온 외부 공기가 각 압축부를 순차적으로 거치면서 다단 압축될 수 있고 하나의 동력으로 구동되면서 공기를 압축하는 다단 압축식 압축기;
   상기 다단 압축식 압축기의 1단 압축부와 2단 압축부 사이의 토출/흡입 라인에 설치되어 공기 중의 산소와 질소를 분리하는 멤브레인 방식의 산소/질소 분리기;
   상기 다단 압축식 압축기의 각각의 압축부를 연결하는 각 토출/흡입 라인과 최종 압축부의 토출 라인 중 적어도 1개의 라인에 설치되어 공기를 냉각 및 정화하는 공기 냉각 및 정화 필터부;
   를 포함하며, 공기 중의 산소와 질소를 분리하고 분리된 산소 또는 질소를 사용자 또는 사용처에 제공할 수 있게 되며,
   상기 산소/질소 분리기에 형성되는 산소 토출 라인 및 질소 토출 라인과, 상기 다단 압축식 압축기의 2단 압축부와 상기 산소/질소 분리기 사이의 토출/흡입 라인에 연결되는 서브 대기 라인에 각각 설치되어 라인을 흐르는 공기의 유량을 제어하고 흐름을 단속하는 각각의 전자밸브 및 유량계와, 상기 산소 또는 질소의 농도 제어를 위하여 전자밸브 및 유량계의 작동을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 공기호흡기 용기(110)의 공기 공급 라인(170)의 일측에 설치되어 공기호흡기 용기(110)로부터 배출되는 공기의 압력을 검출하는 공기압력센서(140) 및 공기 배출 라인(120)에 설치되어 공기의 흐름을 단속하는 자동개폐밸브(150)를 더 포함하며, 공기호흡기 용기(110) 속에 들어 있는 공기의 배출 시 컨트롤러(22)는 공기압력센서(140)로부터 입력되는 공기압력 검출값과 기 설정되어 있는 공기압력 기준값을 비교하여 공기압력 검출값이 공기압력 기준값에 도달하면 자동개폐밸브(150)를 OFF 작동 제어하여 공기 배출이 차단되도록 하는 것을 특징으로 하는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 공기호흡기 용기(110)의 공기 배출 라인(120)의 단부에 설치되어 공기 배출 시에 발생하는 소음을 감쇄시켜주는 소음기(160)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 고압 공기 충전기(100)와 공기호흡기 용기(110) 간에는 공기 배출 라인(120)측과 연결되는 공기 공급 라인(170)이 연결됨과 더불어 상기 공기 공급 라인(170) 상에는 고압 공기 충전기(100)측으로의 공기 이동을 차단하는 첵밸브(180)가 설치되며, 공기호흡기 용기(110)에 들어 있는 공기를 배출하는 과정과 공기 배출 후에 고압 공기 충전기(100)로부터 공급되는 압축 공기를 충전하는 과정이 컨트롤러(22)의 제어에 의해 연계적으로 자동 수행되도록 한 것을 특징으로 하는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 청구항 1에 있어서,
   순수하게 산소 농도 20부피%의 대기만을 압축하여 제공할 수 있도록 하는 수단으로, 1단 압축부(10a)와 2단 압축부(10b) 사이에 설치되는 바이패스관(19)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기.
   
8. 삭제
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 다단 압축식 압축기의 2단 압축부로 연결되는 토출/흡입 라인 상에 설치되어 산소 및 질소의 농도를 검출하는 산소/질소 농도검출센서를 더 포함하며, 상기 산소/질소 농도검출센서로부터 제공되는 신호에 기초하여 컨트롤러는 전자밸브 및 유량계의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기.
   
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 다단 압축식 압축기는 1단 압축부 내지 3단 압축부를 포함하며, 각 압축부에는 하나의 출력측과 연동되면서 왕복운동하는 1단 피스톤 내지 3단 피스톤이 구비되는 것을 특징으로 하는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기.
    
11. 삭제
12. 청구항 1에 있어서,
    상기 다단 압축식 압축기의 각각의 압축부를 연결하는 각 토출/흡입 라인과 최종 압축부의 토출 라인 중 적어도 1개의 라인에 설치되어 공기에 포함되어 있는 수분을 제거하는 응축수 분리부를 더 포함하는 특징으로 하는 용기 상태 검지형 호흡용 공기 충전기.

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