KR102408121B1 - 휴대용 산소발생기용 필터 - Google Patents

휴대용 산소발생기용 필터 Download PDF

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Abstract

휴대용 산소발생기용 필터가 개시된다. 본 발명의 휴대용 산소발생기용 필터는, 전체적으로 원기둥 또는 다각 기둥 형태로 이루어지며, 휴대용 산소발생기에 마련되어 일측으로부터 유입된 공기에서 산소를 분리하여 타측으로 배출 가능한 필터로서, 복수의 유체유로를 구획 형성하도록 서로 이격됨과 더불어 인접하게 형성되는 복수의 다공성 벽체; 및 상기 복수의 유체유로의 일측과 타측 단부를 선택적으로 밀폐하되, 서로 인접한 유체유로간에 상기 일측과 타측 단부의 밀폐 위치가 서로 교대로 반복되도록 밀폐하는 밀폐블록을 포함하며, 상기 다공성 벽체는 알루미늄 티타네이트(aluminum titanate), 코디어라이트(codierite), 실리콘 카바이드(silicon carbide) 중 어느 하나의 재질로 이루어지고, 상기 다공성 벽체의 양면에는 제올라이트 코팅이 이루어지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 공기 유입유로로 유입된 압축공기가 산소 배출유로를 형성하는 복수의 다공성 벽체를 모두 통과한 후 산소가 분리되어 배출됨으로써, 컴팩트한 사이즈를 구현 가능하면서도 산소 발생량(분리량)을 증가시켜 산소발생기의 산소발생 효율을 증대시킬 수 있다.

Description

휴대용 산소발생기용 필터{Filter for portable oxygen generator}
본 발명은 사용자가 휴대하면서 사용 가능한 휴대용 산소발생기에 마련되어 유입공기 중 산소를 분리/배출하는 휴대용 산소발생기용 필터에 관한 것이다.
일반적으로 산소를 발생시키는 방법으로는 화학반응법, 전기분해법 또는 물리적 분리법 등이 알려져 있는 바, 화학반응법은 물과 과산화수소와 과탄산소다 및 알코올과 같은 금속산화물을 반응시키거나 화학물질인 KMn4 및 KCl04 등을 열분해하여 산소를 발생시키는 방법이고, 전기분해법은 물 또는 전해물질이 함유된 물을 전기를 이용하여 산소와 수소로 분리시키는 방법이다.
물리적 분리법으로는 기체의 물질에 대한 극성의 차이를 이용하거나 기체분자의 크기를 이용하여 기체를 분리시키는 막분리법과, 결정성 고체물질인 분자 체(Molecular Sieve) 및 구리 분자 체(Carbon Molecular Sieve)와 같은 화합물의 흡착탈 원리를 이용하여 기체를 분리시키도록 하는 PSA(Pressure Swing Adsorption)법과 상압과 진공을 이용하여 분리하는 VSA(Vaccum Swing Adsorption)법 등이 있다. 여기서, 흡착제를 이용하는 PSA법은 보통 장치의 규모가 크고 복잡하며 가격이 고가이다.
이에 대하여, 기체분리막법은 막(Membrane)에 대한 선택적인 기체투과 원리를 이용하는 것으로서, 공기가 막 표면에 접촉할 경우 질소 및 산소의 용해 및 확산되는 속도차이를 이용하여 산소의 분리가 가능하도록 되어 있다. 이러한 기체분리막법은 장치의 구성이 비교적 간단하고 소형이기 때문에 설치장소가 협소한 곳이나 휴대용으로도 널리 사용되고 있다.
그러나, 멤브레인 분리막 형태는 산소 발생량 증대에 있어 일정이상 한계를 갖고 있으며, 산소발생량 증대를 위해서는 멤브레인 분리막 및 산소발생기의 사이즈를 증가시켜야 하는 단점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2004-0098238호(2004.11.20 공개)
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 전체적으로 컴팩트한 사이즈를 구현하여 산소발생기 제품의 컴팩트 설계를 유도할 수 있으면서도 단위면적당 산소 배출효율을 상승시켜 기존 멤브레인 적용구조에 비해 산소발생기의 제품 효율을 증대시킬 수 있는 휴대용 산소발생기용 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 전체적으로 원기둥 또는 다각 기둥 형태로 이루어지며, 휴대용 산소발생기에 마련되어 일측으로부터 유입된 공기에서 산소를 분리하여 타측으로 배출 가능한 필터로서, 복수의 유체유로를 구획 형성하도록 서로 이격됨과 더불어 인접하게 형성되는 복수의 다공성 벽체; 및 상기 복수의 유체유로의 일측과 타측 단부를 선택적으로 밀폐하되, 서로 인접한 유체유로간에 상기 일측과 타측 단부의 밀폐 위치가 서로 교대로 반복되도록 밀폐하는 밀폐블록을 포함하며, 상기 다공성 벽체는 알루미늄 티타네이트(aluminum titanate), 코디어라이트(codierite), 실리콘 카바이드(silicon carbide) 중 어느 하나의 재질로 이루어지고, 상기 다공성 벽체의 양면에는 제올라이트 코팅이 이루어지는 휴대용 산소발생기용 필터가 제공된다.
상기 다공성 벽체는 주름 구조로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 유체유로는, 상기 밀폐블록에 의해 그 타측 단부가 밀폐되는 복수의 공기 유입유로와, 상기 밀폐블록에 의해 그 일측 단부가 밀폐되는 복수의 산소 배출유로를 포함하며, 상기 복수의 공기 유입유로와 산소 배출유로의 유체 유동방향상 단면적은 서로 동일하지 않을 수 있다.
상기 공기 유입유로의 단면적이 상기 산소 배출유로의 단면적보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 휴대용 산소발생기용 필터에 의하면, 공기 유입유로로 유입된 압축공기가 산소 배출유로를 형성하는 복수의 다공성 벽체를 모두 통과한 후 산소가 분리되어 배출됨으로써, 컴팩트한 사이즈를 구현 가능하면서도 산소 발생량(분리량)을 증가시켜 산소발생기의 산소발생 효율을 증대시킬 수 있다.
또한, 다공성 벽체가 주름 구조로 이루어져서 공기 유입유로로 유입된 공기와 다공성 벽체와의 상호 접촉면적, 즉, 산소 투과 및 질소 분리 면적을 한층 증대시키게 되며, 이러한 접촉면적 증가를 통해 공기 중 산소 분리량을 향상시킬 수 있다.
또한, 공기 유입유로의 단면적을 산소 배출유로의 단면적보다 상대적으로 크게 형성함으로써, 다공성 벽체와 제올라이트 코팅층을 통과하면서 분리된 산소가 산소 배출유로를 따라 유동하면서 압축공기 유동속도보다 상대적으로 증가한 유동속도를 가지면서 산소배출구로 신속 배출되도록 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 휴대용 산소발생기용 필터가 장착된 휴대용 산소발생기를 개략적으로 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 휴대용 산소발생기용 필터를 나타내는 사시도,
도 3은 도 2의 Ⅲ-Ⅲ선 단면도,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 휴대용 산소발생기용 필터를 나타내는 단면도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 휴대용 산소발생기용 필터에서 공기유입과 산소배출 유동 상태를 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 휴대용 산소발생기용 필터에서 다공성 벽체와 제올라이트 코팅층이 주름 구조로 이루어진 상태를 나타내는 단면도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 휴대용 산소발생기용 필터의 중간 부분 단면으로서, 인접한 유체 유로의 단면적이 서로 상이한 모습을 나타내는 단면도,
도 8은 도 7의 Ⅷ영역 확대도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 휴대용 산소발생기용 필터에서 인접한 유체 유로의 단면적이 상이한 상태를 기준으로 공기유입과 산소배출 유동 상태를 보여주는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 더욱 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휴대용 산소발생기용 필터(이하, '필터')는 사용자가 휴대하면서 사용하는 산소발생기 내에 장착되어 실질적으로 공기로부터 산소를 분리/배출하는 것으로서, 전체적으로 컴팩트한 사이즈를 구현하여 산소발생기 제품의 컴팩트 설계를 유도할 수 있으면서도 단위면적당 산소 배출효율을 상승시켜 산소발생기의 제품 효율을 증대시킬 수 있다.
이하, 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기 앞서, 본 발명의 실시예에 따른 필터를 구비하는 휴대용 산소발생기 구조를 개략적으로 설명한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 필터(100)가 설치된 휴대용 산소발생기(10)는 필터(100)가 내장 설치되며 공기유입구(12)와 산소배출구(13)가 형성되는 쉘 구조의 하우징(11), 필터(100)를 하우징(11) 내면에 탄성적으로 고정하는 고정부(14)를 포함하며, 별도의 펌프(미도시) 구동을 통해 공기유입구(12)로 유입된 압축공기는 필터(100)를 경유하면서 대략적으로 질소와 산소로 분리되고 분리된 산소는 산소배출구(13)를 통해 외부로 배출된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 필터(100)는 공기 중 산소를 분리/배출하는 구조로 이루어지는바, 공기 중 질소는 필터(100)를 통과하지 못하게 되며 산소발생기를 장시간 반복하여 구동시 분리된 질소는 공기유입구(12) 측에 잔재하는 현상이 발생할 수 있다. 이와 같이 잔재된 질소의 외부 배출을 위해 하우징(11)에는 개폐 가능한 도어(15)가 마련되며 사용자는 주기적으로 도어(15)를 개방하여 질소를 외부 배출한 후 재사용할 수 있다.
고정부(14)는 하우징(11)과 필터(100) 사이에 필터(100)의 둘레를 따라 마련될 수 있으며 세라믹 파이버 매트(ceramic fiber mat)를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 필터(100)를 구체적으로 설명한다.
도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 휴대용 산소발생기용 필터(100)는 전체적으로 원기둥 또는 다각 기둥 형태로 이루어지며, 휴대용 산소발생기 내에 마련되어 일측으로부터 유입된 공기에서 산소를 분리하여 타측으로 배출 가능하도록 이루어진다.
이러한 필터(100)는 복수의 다공성 벽체(110)와 밀폐블록(120)을 포함한다.
도 2 내지 도 4에 도시한 바와 같이, 복수의 다공성 벽체(110)는 복수의 유체유로(130)를 구획 형성하도록 서로 이격됨과 더불어 인접하게 형성되어 전체적으로 허니컴 구조를 이루게 된다. 여기서, '다공성'이라 함은 인체의 눈으로는 식별 불가한 수준의 미세 사이즈로 통공(대략 5 ~ 50μm의 직경)이 형성된 것을 의미하며, 분자 단위의 필터링이 가능하여 예를 들어 '질소 분자'와 '산소 분자'의 필터링이 가능하도록 이루어짐을 의미한다.
다공성 벽체(110)는 단면상 가로 및 세로방향으로 서로 이격되게 복수로 마련되어 복수의 격자, 즉 유체유로(130)를 형성하게 되며, 알루미늄 티타네이트(aluminum titanate), 코디어라이트(codierite), 실리콘 카바이드(silicon carbide) 중 어느 하나의 재질로 이루어질 수 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 다공성 벽체(110)의 양면에는 제올라이트 코팅이 이루어져 제올라이트 코팅층(140)이 마련된다.
제올라이트 코팅층(140)은 다공성 벽체(110)와 유사하게 압축공기를 제공받아 공기 중의 질소를 걸러 흡착하고 산소를 산소배출구(13)로 배출하는 기능을 수행하는 것으로서, 본 발명에서는 다공성 벽체(110)와 제올라이트 코팅층(140)을 통해 이중으로 질소를 필터링함에 따라 분리된 산소의 순수 배출농도를 한층 증가시켜 순수 산소의 배출 효율을 증대시킬 수 있다.
다음, 도 4에 도시한 바와 같이, 밀폐블록(120)은 복수의 유체유로(130)의 일측과 타측 단부를 선택적으로 밀폐하도록 이루어지는데, 구체적으로 서로 인접한 유체유로(130)간에 상기 일측과 타측 단부의 밀폐 위치가 서로 교대로 반복되도록 밀폐한다. 이러한 밀폐블록(120)은 다공성 벽체(110), 제올라이트 코팅층(140)과 달리 공기(산소, 질소)가 통과 불가한 재질로 이루어지며, 별도의 부분 코팅, 부분 침지작업 등을 통해 형성될 수 있다.
이에 따라, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 복수의 유체유로(130)는 밀폐블록(120)에 의해 그 타측 단부가 밀폐되는 복수의 공기 유입유로(131)와, 밀폐블록(120)에 의해 그 일측 단부가 밀폐되는 복수의 산소 배출유로(132)를 포함한다.
복수의 공기 유입유로(131)로 유입된 압축공기는 다공성 벽체(110)와 제올라이트 코팅층(140)을 순차적으로 통과하면서 공기 중 산소만 분리되고, 분리된 산소는 산소 배출유로(132)를 따라 산소배출구(13) 측으로 유동 후 배출된다.
본 발명은 공기 유입유로(131)로 유입된 압축공기가 산소 배출유로(132)를 형성하는 복수의 다공성 벽체(110)와 제올라이트 코팅층(140)을 모두 통과한 후 산소가 분리되어 배출됨으로써, 컴팩트한 사이즈를 구현 가능하면서도 산소 발생량(분리량)을 증가시켜 산소발생기의 산소발생 효율을 증대시킬 수 있다.
부연하자면, 산소 배출유로(132)의 유동방향상 단면적이 사각형상으로 이루어지는 경우, 하나의 산소 배출유로를 형성하는 다공성 벽체(110)는 총 4개이며, 4개의 공기 유입유로(131) 측으로 유입되어 4개의 다공성 벽체(110)를 모두 통과한 산소가 하나의 산소 배출유로(132) 측으로 배출됨으로써, 기존의 단순한 멤브레인 막에 비해 산소발생량을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 도 6에 도시한 바와 같이, 다공성 벽체(110)가 주름 구조로 이루어진다.
주름 구조는 공기 유입유로(131)로 유입된 공기와 다공성 벽체(110)와의 상호 접촉면적, 즉 산소 투과 및 질소 분리 면적을 한층 증대시키게 되며, 이러한 접촉면적 증가는 산소 발생량, 공기 중 산소 분리량을 유도하여 결국 산소발생 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 도 6에 도시한 바와 같이, 제올라이트 코팅층(140) 또한 주름 구조로 코팅이 이루어져 다공성 벽체(110)의 주름 구조로 인한 효과와 실질적으로 동일한 효과를 제공하게 되는데, 본 발명에서는 다공성 벽체(110)와 제올라이트 코팅층(140)의 이중적인 주름구조를 통해 공기 중 질소/산소의 분리 효율을 더욱 증대시키게 된다.
또한, 본 발명은 산소의 배압을 한층 증가시켜 사용자로 하여금 산소 배출을 촉감으로 용이하게 확인하도록 함으로써 산소 배출에 대해 의구심을 좀 더 해소시켜줄 수 있는 추가 구조를 제시한다.
이를 위해, 도 7 내지 도 9에 도시한 바와 같이, 복수의 공기 유입유로(131)와 산소 배출유로(132)의 유체 유동방향상 단면적은 서로 동일하지 않게 형성되며, 구체적으로 공기 유입유로(131)의 단면적이 산소 배출유로(132)의 단면적보다 상대적으로 크게 형성되도록 한다.
단위시간당 동일유량의 유체가 유동한다고 가정할 경우 유체의 유동속도는 유로 단면적에 반비례하는 바, 공기유입구(12)를 통해 공기 유입유로(131) 내측으로 유입된 압축공기 중 다공성 벽체(110)와 제올라이트 코팅층(140)을 통과하면서 분리된 산소는 산소 배출유로(132)를 따라 유동하면서 압축공기 유동속도보다 상대적으로 증가한 유동속도를 가지면서 산소배출구(13)로 신속 배출이 가능하다.
본 발명을 첨부 도면과 전술된 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 그에 한정되지 않으며, 후술되는 특허청구범위에 의해 한정된다. 따라서, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 후술되는 특허청구범위의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 변형 및 수정할 수 있다.
10: 산소발생기 12: 공기유입구
13: 산소배출구 15: 도어
100: 필터 110: 다공성 벽체
120: 밀폐블록 130: 유체유로
131: 공기 유입유로 132: 산소 배출유로
140: 제올라이트 코팅층

Claims (4)

  1. 전체적으로 원기둥 또는 다각 기둥 형태로 이루어지며, 휴대용 산소발생기(10)에 마련되어 일측으로부터 유입된 공기에서 산소를 분리하여 타측으로 배출 가능한 필터로서,
    복수의 유체유로(130)를 구획 형성하도록 서로 이격됨과 더불어 인접하게 형성되는 복수의 다공성 벽체(110); 및
    상기 복수의 유체유로(130)의 일측과 타측 단부를 선택적으로 밀폐하되, 서로 인접한 유체유로간에 상기 일측과 타측 단부의 밀폐 위치가 서로 교대로 반복되도록 밀폐하는 밀폐블록(120)을 포함하며,
    상기 다공성 벽체(110)는 알루미늄 티타네이트(aluminum titanate), 코디어라이트(codierite), 실리콘 카바이드(silicon carbide) 중 어느 하나의 재질로 이루어지고, 상기 다공성 벽체(110)의 양면에는 제올라이트 코팅이 이루어지고,
    상기 복수의 유체유로(130)는, 상기 밀폐블록(120)에 의해 그 타측 단부가 밀폐되는 복수의 공기 유입유로(131)와, 상기 밀폐블록(120)에 의해 그 일측 단부가 밀폐되는 복수의 산소 배출유로(132)를 포함하며,
    상기 복수의 공기 유입유로(131)와 산소 배출유로(132)의 유체 유동방향상 단면적은 서로 동일하지 않은 것을 특징으로 하는 휴대용 산소발생기용 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다공성 벽체(110)는 주름 구조로 이루어지는 것을 특징으로 하는 휴대용 산소발생기용 필터.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공기 유입유로(131)의 단면적이 상기 산소 배출유로(132)의 단면적보다 상대적으로 크게 형성되는 것을 특징으로 하는 휴대용 산소발생기용 필터.
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