KR200273468Y1 - 산소 발생 장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 흡착제나 기체 분리막을 이용하여 차량에 산소를 공급하는 장치에 관한 것으로, 특히 흡착제나 공기 분리막을 통과한 여분의 기체를 이용하여 시스템 냉각에 도움을 주는 것을 특징으로 한다.

본 고안은 압축공기원, 흡착제나 기체분리막을 사용한 산소분리장치, 고온의 압축공기의 냉각을 위한 열교환기, 압력조정기 등으로 구성되며, 사용 용도에 따라 음이온발생기, 자연향 발생기 등이 더 부착될 수 있다.

본 고안에 의한 냉각방법에 의하여 장치의 내구성을 높이고, 산소발생 효율을 증대시킬 수 있다.

Description

산소 발생 장치{Oxygen generator}

본 발명은 본질적으로 산소발생장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 PSA(pressure swing absoprtion) 방법으로 제오라이트 등의 흡착제를 사용하여 산소를 발생시키거나, 기체 분리막을 이용하여 산소를 발생시켜 주로 차량에 공급하여 줌으로써 쾌적한 실내 공간을 제공할 수 있도록 하여 주는 산소공급장치에 관한 것이다.

산소농도의 증가에 따라 인간은 육체적, 정신적 능력이 향상되며, 최근의 환경오염 문제와 더불어 쾌적한 실내공간에 대한 요구가 증대되고 있다. 이에 따라, 사무실, 차량, 주택, 빌딩 등의 응용을 위한 다양한 장치의 산소발생장치가 개발되고 있으며 그 응용분야도 넓어지고 있다. 최근에는 가정용 에어컨에 기체분리막을 사용한 산소발생장치가 부착됨으로써 실생활에의 적용이 가능해졌다.

PSA 방식은 의료용 등의 주로 고농도의 산소를 필요로 하는 곳에 사용되어 왔으며, 차량에의 적용은 PSA방식보다는 상대적으로 저농도의 산소를 발생시키며 기계장치가 간단한 기체 분리막을 사용하는 방식이 시도되었는데, 영국특허 2122103와 같은 기본적인 개념에서 미국특허 6113484호와 같은 차량시스템과의 복잡한 결합에 이르기까지 다양하게 시도되어 왔다. 국내 출원번호 10-2001-0058783과 같은 장치는 압축공기가 냉각장치를 거쳐 기체분리막 장치로 들어가는 시스템으로, 열교환기를 거친 냉각공기를 사용하여 산소분리 효율을 높이는 것이다. 그러나, 공기압축기를 거쳐 나온 더운 공기를 냉각시키는 방법은 이미 일반적으로 사용하는 방법으로 생각되며, 특히 차량장착에 초점을 둔다면 비용상승의 문제가 발생한다.

일반적으로 PSA 방식의 경우에는 입력공기의 온도가 낮을수록 효율이 증가하며, 기체 분리막의 경우에는 사용 재료에 따라서 다르나, 수십도 정도의 최적 온도가 존재한다. 따라서, 기체 분리막을 사용하는 경우에는 무조건적인 냉각에는 오히려 역효과가 발생할 수 있으므로 그 특성에 맞게 입력공기의 온도를 조절하는 것이 좋다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위한 것으로, 공기압축원으로부터 발생하는 압축열을 별도의 냉각팬과 같은 냉각장치를 사용하지 않고 산소발생장치로부터 버려지는 여분의 질소기체를 사용하여 냉각에 사용함으로써, 별도의 비용 발생없이 산소분리 효율을 높이는 데에 그 기술적 과제가 있다.

도 1 은 본 고안에 따른 산소공급장치의 블록다이아그램

도 2 는 고압의 에어라인을 사용한 산소공급장치의 블록다이아그램

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1...제 1 필터 2...공기압축기

3...열교환기 4...조절기

5...제 2 필터 6...산소분리장치

7...산소배출구 8...질소배출구

9...질소배출노즐 10...음이온 발생기

11...향 발생기 12...산소센서

13...컨트롤러 14...에어라인

15...압력조절기

상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 고안은, 흡입공기를 걸러주는 필터, 공기를 압축하는 공기압축기, 상기 압축공기를 냉각하기 위한 열교환기, 냉각된 공기로부터 산소를 발생시키는 제오라이트 흡착제나 기체분리막을 사용한 산소분리기, 산소분리기로부터 산소가 제거되고 남은 여분의 기체를 분사하는 질소배출노즐을 포함함을 특징으로 한다.

또한, 본 고안은 상기 고안을 차량에 적용하는 데에 있어서, 공기압축원을 얻기 위하여 소형차에서는 산소분리기를 위한 별도의 공기압축기를 부착하거나, 버스와 같은 대형차의 경우에 이미 공기압축기가 차에 설치되어 있는 경우에는 고압의 에어라인을 이용한다.

제오라이트 흡착제를 사용하여 PSA방법으로 산소를 분리하는 경우에는 차량적용에 있어서는 80% 이상의 고농도의 산소가 필요한 것이 아니므로, 경제적인 관점에서 Union Carbide사의 미국특허 4,194,892호 같은 기계장치가 간단한 1 베드 시스템이 적절하다. 이와같은 RPSA(Rapid Pressure Swing Adsorption)이 아니더라도, 경제적인 관점에서 밸브의 수를 최대한 줄여 비용을 최소화하기 위하여, 많은 유량이 필요한 경우 베드를 병렬로 늘여 30~40%의 산소를 얻는 장치를 사용하는 것이 바람직하다. 분리막의 경우에는 본질적으로 고농도가 발생하지 않으므로 다른 특별한 장치나 방법없이 단순한 장착으로 해결된다. 위와 같이 저농도의 다량 발생을 목적으로 하는 경우에는 PSA 방법의 경우에도 되도록 3kgf/cm²이상의 중고압을 사용하는 것이 바람직하다.

기체분리막은 단일막(균질막), 복합막 혹은 비대칭막 등 어떠한 것도 가능하며, 이들 막은 평판, 중공판, 중공섬유 등의 형태에 관계없이 적용될 수 있으며, 최근에는 중공사가 많이 사용된다.

이하 본 고안에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안에 따른 기본적인 산소공급장치로서 본 구성도와 함께 설명된다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 고안에 의한 산소공급장치는 우선 흡입되는 공기로부터 비교적 큰 먼지, 꽃가루, 불순물을 제거하는 제 1 필터(1)를 구비하며, 상기 제 1 필터(1)를 거친 공기는 압축공기원을 만들어내는 공기압축기(2)로 들어가 압축된다. 압축된 공기는 온도가 상승되어 있으므로, 흡착제 방식의 경우에는온도를 최대한 낮추고, 기체분리막의 경우에는 적절한 온도로 맞추어 주기 위하여 열교환기(3)를 거치게 된다. 상기 열교환기(3)는 공냉식이며, 최대한 적은 공간을 차지하면서 공지된 여러 형태를 갖는 장치가 될 수 있다.

상기 열교환기(3)를 통과한 압축공기는 산소분리장치(6)에 들어가기 전에 조절기(4)에 의하여 적절히 압력과 유량이 조절된다. 조절기(4)를 통과한 공기는 선택적으로 제 2 필터(5)를 구비할 수 있으며, 상기 제 2 필터(5)는 주로 수분이나 미세먼지, 혹은 박테리아를 제거하는 항균필터 등이 될 수 있다. 제 2 필터(5)를 통과한 공기는 산소분리장치(6)로 들어가며, 상기 산소분리장치(6)는 제오라이트 흡착제를 구비한 PSA 방식의 산소분리장치나 기체분리막을 사용한 분리장치를 사용하여 압축공기로부터 산소를 분리한다. 상기 산소분리장치(6)는 산소배출구(7)와 여분의 기체를 배출하는 질소배출구(8)를 가지며, 질소배출구(8)의 압력은 베드 내의 압력과 거의 비슷하여 산소배출구(7)의 압력보다 매우 높은 압력을 가지게 된다. 상기 높은 압력을 가진 질소배출구(8)는 질소배출노즐(9)와 연결되어 이를 사용하여 분사되며, 상기 질소배출노즐(9)은 상기 공냉식 열교환기(3)에 직접 질소를 고압으로 분사하여 열교환기(3)를 냉각시키게 된다. 물론 공기압축기(2)의 경우도 질소배출노즐(9)에 의해 분사되는 공기의 경로 상에 배치하여 공기압축기(2) 자체의 냉각효과를 기대할 수도 있다.

상기 산소배출구(7)를 통하여 나온 30%이상의 산소를 포함한 공기는 원하는 실내로 분사되며, 선택적으로 음이온발생기(10)나 자연향이나 인공향 등을 발산하도록 하는 향발생기(11)를 통과하여 분사됨으로써 더욱 신선함을 느끼게 할 수도있다.

또한, 실내에 산소센서(12)를 배치하여 현재의 산소농도를 감지하고 이 신호를 컨트롤러(13)가 체크하여 상기 조절기(4)를 가감함으로써 실내를 최적의 상태로 유지하도록 할 수도 있다.

버스와 같은 대형차량의 경우는 상기와 같은 별도의 공기압축기(2)가 필요없으므로, 도 2와 같이 직접 차량에 설치된 공기압축기에 연결된 에어라인(14)을 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우에는 상기의 공기압축기(2) 부분이 없어지고 직접 에어라인(14)을 통해 나온 압축공기가 열교환기(3)로 들어가게 된다. 이 경우 압력조절기(15)로 적절한 압력을 가하게 된다.

본 고안에 의한 장치에 의하여 산소를 포함한 청정한 공기가 실내에 공급되게 함으로써, 통상의 실내와 특히 차량 내부의 매연, 먼지 등의 오염물질을 제거하여 쾌적한 환경을 조성케 할 뿐만 아니라, 버려지는 비교적 고압의 질소를 압축공기의 냉각에 사용함으로써 별도의 동력원이나 비용의 증가없이 장치의 효율을 증대시키고, 수명을 연장하는 효과가 있다.

Claims (6)

1. 실내에 산소를 공급하기 위한 장치에 있어서, 흡입공기를 걸러주기 위한 필터와 공기를 압축하기 위한 공기압축기, 상기 압축된 고온의 공기를 냉각하기 위한 공냉식 열교환기, 상기 열교환기를 통과한 압축공기로부터 산소를 분리하는 산소분리장치를 구비하며, 상기 산소분리장치는 산소배출구와 질소배출구를 가지고, 상기 산소배출구는 30%이상의 산소를 배출하고 질소배출구는 나머지 공기를 상대적 고압으로 배출하며, 상기 질소배출구는 질소배출노즐을 구비하여, 상기 열교환기에 대하여 고압의 질소강화공기를 분사함으로써 열교환기를 냉각함을 특징으로 하는 산소공급장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 산소공급장치는 미세먼지, 수분, 박테리아 등을 거르기 위한 제 2 필터를 더 구비함을 특징으로 하는 산소공급장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 산소공급장치는 쾌적함을 더하기 위하여 산소배출구와 연결된 음이온 발생기와 향 발생기를 더 구비함을 특징으로 하는 산소공급장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 산소공급장치는 산소분리기에 입력되는 유량 및 압력을 조절하기 위한 조절기와 실내의 산소량을 검출하기 위한 산소센서 그리고 상기 산소센서로부터 나온 신호를 받아 상기 조절기를 제어하는 컨트롤러를 더 포함함을 특징으로 하는 산소공급장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 산소공급장치가 공기압축원이 이미 존재하는 대형차량에 설치되는 경우에 상기 공기압축기는 기존에 이미 설치된 공기압축기로부터 발생된 압축공기가 통과하는 에어라인을 사용함을 특징으로 하는 산소공급장치.
6. 제 1 항에 있어서, 공기압축기의 부가적인 냉각효과를 위하여 질소배출노즐에 의한 공기의 배출 경로 상에 공기압축기를 배치하여 상기 공기흐름을 이용하여 공기압축기를 부가적으로 냉각하는 것을 특징으로 하는 산소공급장치.