KR19990060926A - 고분자막을 이용한 가습공기 제조장치 및 가습공기 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고분자막(이하, 고분자막은 복합막을 포함한다.) 을 이용한 산소농도가 증가된 가습공기를 제조하는 방법, 이와 관련된 공정 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 산소투과도가 우수한 비대칭 중공사막을 이용하고 막사이에 작용하는 산소분압의 차이를 이용하여 물 속에 미세하게 산소를 용해시킴과 동시에 수분을 발생시켜 대기중의 수분 및 산소농도를 증가시키는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 물공급관과 가습공기 배출구가 형성되어 있는 하우징; 상기 하우징내부에 평행하게 위치하며, 상기 하우징의 상부와 하부에 양 끝단이 각각 고정되며, 산소를 투과키는 다수의 중공사 고분자막; 상기 하우징의 하부에 위치하며 상기 고분자막내로 공기를 유입시키기 위한 공기유입부; 상기 하우징의 상부에 위치하며 상기 고분자막으로부터 공기를 유출시키기 위한 공기유출부; 상기 공기유입부로 압축공기를 제공하기 위한 압축기 및 상기 공기유출부로부터 유출되는 공기의 양을 조절하기 위한 유량 조절 밸브를 포함하는 가습공기 제조장치를 제공한다. 본 발명은 에너지를 절약함과 동시에 종래의 기술로부터 제조될 수 없는 가습된 공기중의 산소농도를 증가시킴으로서 가습과 동시에 신선한 공기를 공급하는 것이 가능하다는 장점이 있어 여러 산업전반에 많은 이용이 기대된다.

Description

고분자막을 이용한 가습공기 제조장치 및 가습공기 제조 방법

[산업상 이용 분야]

본 발명은 고분자막을 이용한 가습공기 제조 장치 및 가습공기 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중공사 형태의 고분자막을 이용하여 가습과 동시에 산소농도가 증가된 가습공기를 얻을 수 있는 가습공기 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.

[종래 기술]

산업의 비약적 발달은 많은 면에서 인간생활을 편리하게 하여왔지만, 대기오염의 증가를 초래하는 등 현대 인간생활에 악영향을 주는 측면이 있다. 따라서 보다 쾌적한 생활을 유지하기 위하여 인위적인 대기조절 장치가 속속 개발되고 있으며, 특히 공기중의 수분량을 증가시키는 가습기의 개발이 활발히 이루어져서 쾌적한 환경을 유지하는데 기여하고 있다.

종래의 기술에 있어서 공기중의 수분을 증가시키는 방법으로는 주로 물을 가열하여 습하고 따뜻한 공기를 발생시키는 방법이 있으며, 근래 들어 초음파를 이용하여 물 표면을 강력히 진동시킴으로서 공기중의 수분을 증가시키는 방법이 등장하였다. 그러나 전자의 경우 에너지가 다량 소비되고 후자의 경우 물이 쉽게 오염되는 단점이 있으며, 또한 단지 물만을 수증기로 변화시킬 뿐 통상의 공기를 사용하므로 산소농도가 증가된 가습공기를 전혀 얻을 수 없었다.

또한, 미국특허 제 4,632,677을 보면 멤브레인 셀 스텍(membrane cell stack)을 사용하여 산소농도가 증가된 공기를 얻고, 공기 순환장치가 있어 스텍을 투과하여 나온 공기의 일부를 스텍과 펌프를 냉각시키기 위하여 순환시키도록 되어 있다. 그리고, 산소농도가 증가된 공기중의 수분을 냉각시켜 제거하기 위하여, 산소농도가 증가된 공기가 지나가는 경로에 응축코일을 설치하였고, 공기 순환 라인에도 제2의 응축코일을 장치하여 펌프를 냉각시키기 위하여 순환되는 공기를 응축시키도록 하였으며, 상기 두 개의 응축코일을 물 분리기에 연결하여, 공기로부터 과잉의 물을 제거하고 있다. 또한 일본공개특허 소59-87021에는 진공펌프를 사용하여 산소농도가 증가된 공기를 얻고, 물이 담겨진 용기 안에 진동 장치를 설치하여 물의 일부를 에어로졸로 변환시킨 뒤, 이들을 합쳐서 산소농도가 증가된 가습공기를 얻는 방법이 개시되어 있다. 그러나 상기 특허들에 개시된 장치는 매우 복잡하게 구성되어 있을 뿐 만 아니라, 별도의 장치로 가습과 산소농도를 증가시킴으로서 효율적이지 못한 단점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명은 하나의 장치로 가습과 동시에 산소농도가 증가된 가습공기를 얻을 수 있는 가습공기 제조장치 및 가습공기 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한 본 발명의 다른 목적은 장치의 구조 및 운전이 간단하여 제조 및 운전비용을 최소한으로 줄일 수 있는 가습공기 제조 장치 및 가습공기 제조 방법을 제공하는 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가습공기 제조장치의 단면도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가습공기 제조장치의 사시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

10: 고분자막을 이용한 막모듈 20: 공기유출부

30, 35: 제1 및 제2 에폭시포팅층 40: 가습공기 배출관

45: 물공급관 25: 공기유입부 50: 하우징

60: 중공사 고분자막 70: 물

85: 역흐름방지밸브 190: 마개

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 물공급관과 가습공기 배출관이 형성되어 있는 하우징; 상기 하우징내부에 평행하게 위치하며, 상기 하우징의 상부와 하부에 양 끝단이 각각 고정되며, 산소를 투과시키는 다수의 중공사 고분자막; 상기 하우징의 하부에 위치하며 상기 고분자막내로 공기를 유입시키기 위한 공기유입부; 상기 하우징의 상부에 위치하며 상기 고분자막으로부터 공기를 유출시키기 위한 공기유출부; 상기 공기유입부로 압축공기를 제공하기 위한 압축기 및 상기 공기유출부로부터 유출되는 공기의 양을 조절하기 위한 유량 조절 밸브를 포함하는 가습공기 제조장치를 제공한다.

본 발명은 또한 물을 담고 있으며 가습공기 배출구가 형성되어 있는 하우징 내에 산소 투과성 중공사 고분자막을 위치시키는 과정; 상기 고분자막의 일측단을 통하여 압축공기를 공급하는 과정; 상기 고분자막의 타측단에 위치한 조절밸브를 조절하여 상기 고분자막의 타측단으로부터 유출되는 압축공기의 량을 제어하는 공정을 포함하는 가습공기 제조방법을 제공한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 관해 상세히 설명하면 다음과 같다. 도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가습공기 제조장치의 단면도 및 사시도이다. 도 1 및 도 2에 있어서, 도면 부호 10은 고분자막을 이용한 막모듈, 도면 부호 20은 공기유출부, 도면 부호 30 및 35는 각각 제1 및 제2 에폭시포팅층, 도면 부호 40은 산소농도가 증가된 가습공기 배출관, 도면 부호 45는 물공급관, 도면 부호 25는 공기유입부, 도면부호 50은 막모듈의 하우징을 나타낸다. 또한 도면부호 60은 중공사형태의 고분자막을, 도면부호 70은 막모듈에 채워진 물을 나타낸다.

도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명의 가습공기 제조장치의 막모듈(10)은 관 형상의 하우징(50)내에 하우징(50)과 평행하게 배치된 다수의 고분자막(60)을 포함한다. 상기 고분자막(60)은 제1 및 제2 에폭시포팅층(30),(35)에 의하여 상기 하우징(50)의 상부와 하부에 각각 고정되어 있다. 상기 제2 에폭시포팅층(35)의 상부와 하부에는 막모듈로 물(70)을 공급하기 위한 물공급관(45)과 고분자막(60)으로 압축공기를 유입시키기 위한 공기유입부(25)가 각각 형성되어있으며, 상기 제1 에폭시포팅층(30)의 상부와 하부에는 고분자막(60)으로부터 공기를 배출하기 위한 공기유출부(20)와 산소농도가 증가된 가습공기를 배출하기 위한 가습공기 배출관(40)이 각각 형성되어 있다. 또한 본 발명의 가습공기 제조장치는 막모듈(10)의 공기유입부(25)로 공기를 공급하기 위한 공기 압축기(80)와 공기유출부(20)로부터 배출되는 공기의 유량을 조절하기 위하여 상기 공기유출부(20)에 설치된 유량 조절밸브(90)를 더욱 포함하고 있다.

본 발명의 막모듈(10)에 사용되는 고분자막(60)은 형태상 중공사막의 구조를 가지고 있으며 비대칭막으로 되어 있다. 상기 고분자막(60)은 상기 물(70)속으로 공기, 바람직하기로는 산소를 우세하게 공급할 수 있는 막이면 어느 것이나 사용할 수 있다. 여기서 비대칭막이란 동일한 재질로서 막단면중 어느 일정 부분에 있어서 일정두께를 가진, 표면에 핀홀(pinhole)과 같은 결함이 없는 필름형태의 층으로(필름층) 이루어지고, 나머지 일정부분은 다공성층으로 구성된 막을 말한다. 그러나 상기 필름층의 두께가 일반적으로 두껍게 제조되기 때문에 기체에 대한 투과도가 낮은 단점을 가지고 있으며, 다공성층은 혼합기체에 있어서 어느 특징 기체성분에 대한 선택도가 낮다는 단점을 가진다. 따라서 분리하고자 하는 특정기체 성분에 대하여 선택도와 투과도를 증가시키기 위하여 필름층과 다공성층으로 구성된 비대칭막을 주로 사용하게 된다. 또한 필름층의 표면에 존재할지도 모르는 핀홀(pinhole)등과 같은 결함을 제거하기 위하여 상기의 고분자막 위에 다른 고분자 물질 또는 실리콘을 본 발명자들에 의하여 출원된 출원번호 제97-27692호에 기재된 방법에 따라 적층 또는 코팅하여 복합막으로도 사용할 수 있다. 상기 복합막을 만들기 위하여 사용되는 고분자 물질로는 폴리스티렌, 폴리에틸렌이민, 폴리부틸아크릴레이트, 폴리메틸아크릴레이트, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴로니트릴 군중에서 1종 이상 선택된 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 고분자막의 산소/질소의 투과율은 1.0-6.0사이의 값을 가지는 것이 바람직하다. 상기 고분자막(60)은 하우징(70)에 팩킹되는데, 이때 상기 하우징은 관 형상을 하고 있으며, 중공사의 부피를 관의 부피로 나눈 값인 패킹 밀도는 0.5에서 0.8이다. 다음으로 관 형상의 하우징(50)의 양말단에서 중공사가 차지하고 있는 공간 이외의 부분을 에폭시로 포팅하면 막모듈(10)이 완성되며 하우징(50)내부의 중공사막이외의 공간에는 물공급관(45)을 통하여 물이 채워지게 되는데, 그 수면높이는 가습공기 배출관(40) 이하가 되도록 하며, 물(70)이 공급된 후 상기 물공급관(45)은 마개(190)에 의하여 닫히게 된다.

이와 같은 고분자막(60)을 포함하여 이루어지는 본 발명의 가습공기 제조장치의 작용을 설명하면 다음과 같다. 먼저 물(60)이 물공급관(45)을 통하여 막모듈(10)의 하우징(50)의 내부로 유입되며, 물(60)의 수면은 가습공기 배출관(40)보다 낮도록 한다. 다음으로 공기유입부(25)를 통하여 공기 압축기(80)에서 압축된 압축공기 또는 불로잉공기를 막모듈(10)로 공급한다. 이때 공급되는 공기는 먼지, 오일 및 수분 등이 제거된 공기이며, 통상 1기압이상 10기압이하의 압력으로 공급된다. 공기를 막모듈(10)의 공기유입부(25)를 통하여 중공사막(60) 내부로 공급하게 되면 상기의 비대칭 중공사막(60) 표면을 통하여 산소가 물 속으로 미세하게 용해되게 된다. 고분자막(60)의 표면으로부터 투과된 산소는 50㎛이하의 버블(bubble)을 형성시키거나, 바람직하게는 버블을 전혀 발생시키지 않으면서 물 속으로 유입되며, 이때 공급되는 공기압력에 의하여 공기중의 수분과 산소농도가 증가된다. 즉 공기유입부(25)로부터 공급되는 공기유량의 일부를 조절밸브(90)를 통하여 조절하게 되면 이때 고분자막(60)의 표면에 작용하는 산소분압의 차가 변화되어 산소농도 및 습도를 조절할 수 있게 된다. 다시 말하면, 상기 조절밸브(90)를 많이 개방하면 많은 양의 공기가 공기유출부(20)를 통하여 막모듈(10)의 외부로 빠져나가므로 가습공기 배출관(40)으로부터 나오는 공기중의 산소의 양이 상대적으로 적으며, 상기 조절밸브(90)를 적게 개방하면 많은 양의 산소가 고분자막(60)을 통과하고, 가습공기배출관(40)을 통하여 막모듈(10)의 외부로 빠져나가므로 가습공기 배출관(40)으로부터 나오는 공기중의 산소의 양이 상대적으로 많아진다. 이때, 조절밸브(90)를 통하여 배출되는 공기는 역흐름방지밸브(check valve, 85)가 장치된 도관을 통하여 다시 공기유입부(25)로 유입되어 공기손실을 방지하도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 제조된 본 발명의 가습공기 제조장치를 공급 공기의 압력과 습도를 변화시키면서 시험하였으며 그 결과는 아래와 같다.

[시험예 1]

먼저 공급공기의 압력과 습도를 100psi, 17%로 고정시키고, 조절밸브를 제어하여 공기의 유량을 조절하였으며, 이때 배출되는 가습공기의 상대습도와 산소농도를 상온에서 측정하였다. 그 결과는 다음 표와 같다.

조절유량(ℓ/min)	습도(상대습도, %)	산소농도(%)
0	58	28.0
8	50	27.9
15	44	27.6

상기 표에서 알 수 있듯이 조절유량이 증가할수록 막모듈의 공기유출부로부터 다량의 공기가 배출되고, 고분자막사이에 작용하는 산소분압의 차가 감소되어 산소농도 및 습도는 감소한다. 반대로 조절유량이 감소하면 고분자막에 작용하는 산소분압이 커져 습도 및 산소 농도가 증가한다.

[시험예 2]

먼저 공급공기의 압력과 습도를 50psi, 17%로 고정시키고, 조절밸브를 제어하여 공기의 유량을 조절하였으며, 이때 배출되는 가습공기의 상대습도와 산소농도를 상온에서 측정하였다. 그 결과는 다음 표와 같다.

조절유량(ℓ/min)	습도(상대습도, %)	산소농도 (%)
0	50	24.5
4	46	24.0
8	43	23.7

전술한 바와 같이 조절유량이 증가할수록 물과 고분자막 내에 작용하는 산소분압의 차가 감소되어 산소농도 및 습도는 감소하게된다.

상기한 바와 같이, 본 발명은 운전이 간단하고 설치가 용이한 가습공기 제조 장치 및 제조 방법을 제공하며, 또한 본 발명의 가습공기 제조장치 및 제조방법을 이용하면 가습공기의 수분 및 산소농도를 하나의 조절밸브만으로 조절할 수 있으므로, 가정용 또는 산업용 가습기로 많은 응용이 기대된다.

Claims (9)

1. 물공급관과 가습공기 배출관이 형성되어 있는 하우징;

   상기 하우징내부에 평행하게 위치하며, 상기 하우징의 상부와 하부에 양 끝단이 각각 고정되며, 산소를 투과시키는 다수의 중공사 고분자막;

   상기 하우징의 하부에 위치하며 상기 고분자막내로 공기를 유입시키기 위한 공기유입부;

   상기 하우징의 상부에 위치하며 상기 고분자막으로부터 공기를 유출시키기 위한 공기유출부;

   상기 공기유입부로 압축공기를 제공하기 위한 압축기 및

   상기 공기유출부로부터 유출되는 공기의 양을 조절하기 위한 유량 조절 밸브를 포함하는 가습공기 제조장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 고분자막은 산소/질소의 투과율은 1.0-6.0사이의 값을 나타내는 것인 가습공기 제조장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 공기유출부로부터 유출되는 공기는 역흐름방지밸브가 부착된 도관을 통해 상기 압축기로 공급되어 순환되는 것인 가습공기 제조장치.
4. 제1항에 있어서, 물공급관과 상기 가습공기 배출구는 상기 하우징의 양끝단에 위치한 것인 가습공기 제조장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 고분자막은 필름층과 다공성층을 포함하는 비대칭막 구조를 가지고 있는 것인 가습공기 제조장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 고분자막 상에 실리콘, 폴리페닐렌옥사이드, 폴리스티렌, 폴리비닐알콜, 폴리아크릴로니트릴 군중에서 1종 이상 선택된 물질로 이루어진 코팅막이 더욱 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 가습공기 제조 장치.
7. 물을 담고 있으며 가습공기 배출구가 형성되어 있는 하우징 내에 산소 투과성 중공사 고분자막을 위치시키는 과정;

   상기 고분자막의 일측단을 통하여 압축공기를 공급하는 과정;

   상기 고분자막의 타측단에 위치한 조절밸브를 조절하여 상기 고분자막의 타측단으로부터 유출되는 압축공기의 량을 제어하는 공정을 포함하는 가습공기 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 고분자막은 산소/질소의 투과율은 1.0-6.0사이의 값을 나타내는 것인 가습공기 제조방법.
9. 제7항에 있어서, 상기 압축공기를 공급하는 과정은 공기 압축기에 의하여 이루어지며, 상기 고분자막의 타측단으로부터 유출된 공기는 상기 압축기로 공급되는 것인 가습공기 제조방법.