KR20010096699A - 공기분리막을 이용한 질소 및 건조공기의 발생 및 주입장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 고 순도의 질소를 발생하는 장치로서 콤푸레서로 압축된 공기를 필터에서 여과한 다음 공기중의 질소 및 산소를 선택적으로 분리하는 공기분리막 을 사용하고 필요한 때에 자동으로 질소를 생산하여 타이어에 주입하기 위한 자동 질소 발생기로서 모든 차량의 타이어에 주입이 가능하게 함으로써 타이어의 압력 감소를 획기적으로 제한하고 적정 타이어 압력의 유지가 가능하게 하여 연료를 절감할 수 있는 경제적인 장치를 개발하는 것이며, 기존의 타이어 탈부착기에 장착하여 차량 정비업소에서 타이어의 수리와 동시에 편리하게 질소를 주입하게 하고 건조 공기 공급 장치를 부가 장착하여 공압기기의 사용이 빈번한 곳에서 습기가 제거된 청정 압축 공기를 사용하게 하여 공압 기기의 편리하고 경제적인 운용을 가능하게 고안된 개발품으로서 질소가스 발생 및 충진 장치의 기능과 건조 공기를 공급하는 기능을 동시에 가능하게 하는 유용한 고안 장치인 것이다.

Description

공기 분리막을 이용한 질소 및 건조공기의 발생 및 주입장치{Nitrogen and dried air generator and inflator using air separation membrane}

차량의 정비 현장에서 그 활용도가 높아지고 있는 질소를 편리하게 생성 시키고 주입하는 소형 장치로서 공기 분리막을 포함한 공기분리막 모듈을 이용하여 공기를 분리하고 생성된 질소를 자동으로 제어 생산한 다음 차량용 타이어에 질소를 간단히 충전할 수 있는 장치로 질소 가스를 일상적인 생활에 편리하게 응용하는 것을 목적으로 한다. 기존의 일반공기를 주입하는 타이어 탈부착기는 상용화 되어 있으나 공기분리막을 이용 질소를 발생 그 질소를 충진하는 장치는 아직 상용화 되지 못하고 있다.

나아가 제올라이트와 같은 질소의 선택 흡착성을 이용한 국내 특허공고 출원번호 10-1984-001670이 있으나 이는 일상 생활에서 편리하게 이용하기 위한 소형화에 있어서는 아직도 많은 과제를 가지고 있다. 미국 특허번호 US05,893,944와 같은 포트블 타입의 흡착식 질소 발생기에 대한 발명도 나와 있으나 고 순도를 유지하면서 타이어 및 다양한 용도의 주입 조건을 만족하는 충분한 질소의 유량과 주입 압력을자유로이 만드는데는 아직 상용 제품으로서의 한계가 있다.

압축 공기를 사용하는 공압기기는 그 사용이 이미 보편화 되어 있으나 압축공기에 포함된 압축 응결된 수분은 이들 공압기기를 사용함에 있어 기기의 빈번한 고장과 부품의 빠른 마모를 야기하고 특히 겨울철에는 공압기기가 얼어 붙게 하여 건조 공기의 사용이 필수적이나 이 문제를 해결하기 위해서는 고가의 건조공기 공급 장치를 별도로 구매하는 것이 필요하였다. 본 고안에서는 공기분리막의 기체 분리 특성을 활용 수분을 효과적으로 제거하여 건조 공기 공급 장치로 활용하게 하는 방법을 고안하여 부가 기능으로 장착하였다.

본 고안은 공기로부터 분리되는 고 순도의 질소를 사용자의 필요에 따라 언제나 편리하게 자동으로 생산할 수 있는 독립된 소형의 포트블 장치로 개발하는 것이다. 외부 콤프레서에 의해 압축된 공기는 공기막 모듈이 필요로 하는 충분한 유량으로 여러 단계의 필터 과정을 거치면서 공기중의 유형 고형분인 불순물과 수증기 및 유분 미스터를 걸러게 되고 이 여과된 공기는 기체를 선택적으로 분리하는 공기 분리 막을 포함하는 공기 분리막 모듈을 통과하게 되는데 이때 동시에 발생되는 산소를 제어하여 고 순도의 질소 발생을 효과적으로 하는 장치가 되어야 한다.

분리 생산한 질소 가스는 다양한 사용 목적을 위하여 별도의 탱크에 저장 할 수도 있게 하고, 별도의 독립된 주입용 장치를 이용하여 타이어에 주입할 수도 있으며 타이어 탈부착기에 부착하여 차량 정비업소에서 타이어의 정비와 동시에 질소를주입할 수 있는 등의 다양한 목적으로 편리하게 활용이 가능하게 개발하고

나아가 공압기기의 작동을 위하여 필요한 건조 공기 공급기능을 가능하게 하여 공기 분리막 모듈의 활용을 배가 할 수 있는 소형 경량화된 장치로 개발하는 것이 과제이다.

본체의 그림은 도 1과 같이 기기의 내부 및 외부에서 생성한 압축공기는 장치의 일 측면에 위치한 압축공기 인입노즐(1)을 통하여 본 장치의 배관으로 유입되고 적정한 수준으로 조정된 외장 및 내장된 콤푸레서의 공기 토출 압력은 요구되는 질소의 양에 따라 그 생산 유량을 결정하고 토출되는 압축 공기는 본 장치의 내부에 장착된 압축공기 저장 탱크(2)를 통하고 필터(3)를 거치면서 공기중의 유형불순물 및 고형불순물과 수증기 및 유분 의 증기를 제거한다.

여과된 공기는 공기의 압력을 제어하는 자동조절 개폐밸브(4)를 거쳐 분리막 모듈의 특성에 맞는 적당한 압력으로 설정되고 선택적으로 질소를 분리하는 공기 분리막을 포함하는 공기분리막 모듈(5)을 통과하게 된다. 이때 자동조절 개폐밸브(4)로부터 공기분리막 모듈의 시작 전 배관(6) 까지는 본 장치 내부의 온도 및 공기 분리막에 인입되는 공기에 대한 가열을 위하여 열 전도성 및 내열성이 좋은 금속성 및 내열 플라스틱으로 된 재질이 요구되며 히터(7)는 본 장치의 내부 온도가 적정온도 이하일 경우 내부 및 인입공기에 대한 가열이 가능하도록 자동으로 제어되어 가열이 가능하게 하며 그 동작은 자동조절 개폐밸브(4)의 동작과 같이 연동되어 전기적인 개폐 작동을 한다.

세부 방법으로 히터(7-A)부를 열의 전도성이 우수한 알루미늄 및 동 파이프와 같은 열 전도성 금속재를 나선형으로 감싸서 유입되는 공기에 대한 순간 가열을 용이하게 하고 그 배관의 온도는 자동으로 조정되게 하며, 히터(7-B)와 같이 공기분리막 모듈(5)은 정온 전선으로 감싸고 그 외부를 보온 파이프로 덮어 씌운다. 온도 측정센서(8)는 자동조절 개폐밸브(4)의 측면에 위치한다.

공기분리막 모듈의 산소 발생구(9)는 발생된 산소를 대기 중에 그대로 방출하도록 되어 있으나 산소 발생 장치로서의 기능으로도 사용할 수 있다. 질소 발생의 효과적인 제어를 위하여 산소 발생구(9)의 측면에 진공펌프(10)를 장착한다.

고 순도의 질소는 공기분리막 모듈(5)의 종단부로 유출되는데 배관(6)에 부착된 유량 조절밸브(11)로 생산하고자 하는 질소의 순도와 유량을 적당하게 결정하며 그 뒤에 체크 밸브(12)을 부착하여 순간 발생될 수 있는 질소의 역류를 방지한다.

발생된 질소는 저장 탱크(13)로 저장되며 압력표시계(14)가 장치의 외부로 부착되어 질소의 저장 상태를 항상 표시하고 부착된 자동 압력센서(15)는 본 장치의 가동 시 가장 먼저 저장 탱크의 압력을 체크하고 그 압력이 이미 설정된 압력보다 낮을 때 자동조절 개폐 밸브(4)를 개방하여 콤푸레서의 압축공기가 정 방향으로 공기분리막 모듈(5)에 유입되게 한다.

저장탱크는 (13-A)와 같이 직렬로 설치할 수도 있고 (13-B)와 같이 병렬로 탱크를 배열할 수도 있는데 각 저장 탱크의 상부에는 체크 밸브(12)를 각각 부착하고 하단은 솔레노이드 밸브(16)를 각각 부착하여 각 탱크의 유입 압력과 유출 압력을별도 제어할 수 있다.

마지막 탱크에는 질소 주입기(17)가 부착되어 있어 질소를 주입할 때 외부 디스플레이(18)의 압력설정 키보드(19)를 조정하여 필요한 타이어압에 맞추고 스타트 키보드(20)을 누르면 자동 주입기의 내부 압력센서는 먼저 현재의 압력이 타이어압 의 설정 압력과 얼마나 차이가 있는지 감지하고 센서 측정압이 설정 압력보다 높으면 타이어의 내부 공기 및 질소를 바깥으로 방출하고 낮으면 자동주입기의 주입 부를 통하여 추가로 질소를 넣어 타이어의 내부압이 설정 압력이 되게 한다.

타이어 탈부착기(21)에 장착할 수 있게 하여 차량의 정비업소에서 차량의 정비 및 타이어 수리 교환 시에 편리하게 질소 충전을 하게 한다.

일 측면에 건조공기 공급노즐(22)을 별도로 장착하고 유량조절 밸브(11)를 조작하여 압축공기의 수분을 분리하게 하며 이와 같이 건조된 압축공기를 공기분리막 모듈(5)의 종단부의 배관(6)으로 부터 직접 건조공기 공급노즐(22)로 연결하여 청정한 건조 공기를 편리하고 경제적으로 사용할 수 있게 하는 장치이다.

주요 도면

도 1은 본 고안의 외부 케이스를 제거한 단면도

도 2는 본 고안의 내부 구성 회로도

도 3,4,5는 본 고안의 히터, 공기 분리막, 진공 펌프 및 질소 저장탱크 배치도

도 6,7은 본 고안의 타이어 탈 부착기 장착도 및 건조공기 공급 배관도

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

(1)압축공기 인입노즐 (2)압축공기 저장탱크 (3)필터 (4)자동조절 개폐밸브 (5)공기 분리막모듈 (6)배관 (7-A), (7-B)히터 (8)온도 측정센서 (9)산소 발생구 (10)진공펌프 (11)유량 조절밸브 (12)체크밸브 (13-A), (13-B)질소 저장탱크 (14)압력 표시계 (15)자동 압력센서 (16)솔레노이드밸브 (17)질소 주입기 (18)디스플레이 (19)압력설정 키보드 (20)스타트 키보드 (21)타이어 탈부착기 (22)건조공기 공급 노즐

일반적인 공기 주입 타이어의 경우 공기 구성 성분의 78%인 질소 및 약 21%를 차지하는 산소 및 수증기를 포함하는 여타의 가스들로 구성되어 있는데 차량의 타이어에 주입된 후 공기는 타이어 표면에 용융 및 흡수되어 타이어 바깥으로 끊임없이 빠져나가게 된다. 그 빠져나가는 속도는 산소가 질소보다 빠른 것으로 알려져 있어 이 때에 빠져나가는 21%의 가스들은 타이어의 내부 압력을 적정 수준이하로 떨어뜨리고 타이어의 공기압 하락은 타이어와 지표 바닥면 사이의 접착면적을 넓게 하여 마찰력 증가를 가져와 공기충진 타이어의 대표적인 손실인 연료소비의 증가라는 경제적 손실을 가져오게 된다. 질소가 충전된 타이어의 경우 일반 공기 주입 타이어와 비교할 때에 질소의 특성으로 지면과의 사이에서 발생하는 충격 흡수 능력이 향상되게 되는데 이로 인한 차량의 진동 및 소음감소는 차량 구동부의 마모를 감소하여 장기적으로는 차량의 유지 보수비용을 절감시키는 효과를 가져온다.

건조공기 발생 및 공급 장치를 부가 설치하여 공압기기에 쉽게 연결이 가능하게 하여 공압기기의 내부 구동 부분의 마모를 가져오는 주 원인인 수분의 효과적인 제거 와 겨울철에 공압기기가 얼어붙는 것을 방지하며 질소 발생장치의 공기 분리막의 활용도를 배가하는 경제적인 장치이다.

Claims (9)

1. 압축된 공기를 선택적으로 분리하는 공기 분리막을 이용하여 공기로부터 고 순도(90~99.99%)의 질소를 분리하고 사용자의 필요에 따라 자동으로 생산하는 독립된 소형 장치로서 자동차 타이어 주입을 특징으로 하며 타이어 탈 부착기에 장착하여 사용하는 것을 특징으로 하는 공기 분리막 이용 질소발생 및 주입장치이다.
2. 본 장치로 인입되는 압축 공기를 장치의 내부 및 외부에 장착한 압축공기 저장 탱크(2)에 저장하도록 하여 공기 분리막 모듈로 유입되는 공기의 유량과 압력을 일정하게 제어함을 특징으로 하는 공기 분리막 이용 질소발생 및 주입장치이다.
3. 압축된 공기의 인입용 연결 배관을 열 전도성이 우수한 알루미늄 및 동 파이프와 같은 금속재료를 사용하고 이를 전기 저항을 이용한 전기히터가 내부에 포함된 발열봉의 바깥 표면상에 나선형으로 감아 유입 공기를 가열하는 장치 와 알루미늄 및 동 파이프와 같은 금속재료의 연결 배관 자체의 고유 전기저항을 이용 직접 전기를 배관에 연결 인입 공기를 가열하는 방법 및 공기분리막 모듈부분의 외부 표면을 공기중의 온도 변화에 반응하여 항상 일정한 발열을 하는 정온 전선을 나선형으로 감고 이를 보온용 금속 및 플라스틱 파이프에 넣어 모듈의 온도를 항상 상온 상태로유지하는 장치를 특징으로 하는 공기분리막 이용 질소 발생 및 주입장치.
4. 공기 분리막의 산소 발생구(8)에 진공펌프(21)를 장착하여 분리막 모듈의 산소 발생부에 일정한 진공이 발생하게 하여 공기 분리막으로부터 산소가 빠져 나가는 속도를 증가 시킬 수 있는데 이로 인하여 적은 인입 공기압으로도 많은 질소를 발생시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 공기 분리막 이용 질소 발생 및 주입장치.
5. 공기분리막 모듈 앞 전반부에 공기 인입부 자동조절 개폐밸브(4)를 부착하고 이의 개폐를 질소 저장탱크(13)의 압력과 같이 연동을 시켜 저장탱크의 압력이 설정 압력에 도달하면 저장 탱크의 압력센서에서 발생된 전기신호로 공기 인입부 자동조절 개폐밸브(4)를 폐쇄하여 더 이상의 압축 공기가 공기분리막 모듈로 유입되는 것을 차단하여 공기 분리막 모듈의 불 필요한 사용을 자동으로 제어할 수 있고 저장 탱크의 압력센서에서 발생된 전기신호는 청구 2항의 발열부와 연동 하여 전기 히터(7)로 흐르는 전기를 개폐하는 것을 특징으로 하는 공기분리막 이용 질소 발생 및 주입장치.
6. 저장탱크를 도(13-A)와 같이 직렬로 설치할 수도 있고 도(13-B)와 같이 병렬로탱크를 배치하여 본 장치의 내부 및 외부에 각각의 형태로 필요에 따라 배열한다. 저장 탱크의 상부에는 체크밸브(12)를 각각 부착하고 하단은 솔레노이드 밸브(16)를 각각 부착하여 각 탱크에로의 질소 유입 압력과 유출 압력을 따로따로 설정 및 제어하여 필요시 직렬배관 및 병렬 배관이 가능하게 제어하여 질소 주입기(17)로 나가는 질소의 유량을 일정하게 조절하여 항상 균일한 질소의 토출이 가능하게 함을 특징으로 하는 공기분리막 이용 질소 발생 및 주입장치.
7. 청구항 6의 도(13-B)에서 마지막 질소 저장탱크에 질소 주입기(17)를 부착하여 타이어에 질소를 주입할 때에 주입 압력을 임의로 설정할 수 있고 필요한 적정압에 맞춘 다음 스타트 키보드(20)을 누르면 자동 주입기의 내부 압력센서가 먼저 타이어 내압과 설정 압력과의 차이를 감지하고 타이어 내압이 설정 압력보다 높으면 타이어 내부의 공기 및 질소를 타이어 바깥으로 방출하고 낮으면 자동주입기를 통하여 질소를 추가로 넣어 타이어 내부압이 자동으로 적정의 설정 압력이 되게 함을 특징으로 하는 공기분리막 이용 질소 발생 및 주입장치.
8. 공기 분리막의 수분 분리 기능을 활용하여 건조 공기를 발생 공급하는 기능을 가능하게 하여 질소 발생 및 주입장치에 그 부가적인 기능을 포함하는 것을 특징으로 하는 공기분리막 이용 질소 발생 및 주입장치.
9. 상기 청구 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7항의 고안을 이용한 질소 발생 및 주입장치를 타이어 탈 부착기에 장착, 일체화하여 타이어 탈부착기의 질소주입 기능을 효율적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 공기 분리막 이용 질소 발생 및 주입장치.