KR200279934Y1 - 투헤드 에어컴프레서를 이용한 기체분리장치 - Google Patents

Abstract

투헤드 에어컴프레서의 하나의 헤드로는 유입되는 기체혼합물을 압축하고, 다른 헤드로는 투과기체를 감압함으로서, 기체분리막 모듈의 기체분리효율을 향상시킨 기체분리장치가 개시된다. 상기 기체분리장치는 기체 유입구와 기체 배출구가 각각 형성되어 있는 기체 감압용 제1 실린더 헤드 및 기체 압축용 제2 실린더 헤드를 구비한 에어컴프레서; 및 상기 제2 실린더 헤드의 기체 배출구로부터 혼합 압축 기체를 유입받아 분리하며, 분리된 기체를 감압상태에 있는 상기 제1 실린더 헤드의 기체 유입구로 배출하는 기체분리막 모듈로 이루어진다.

Description

투헤드 에어컴프레서를 이용한 기체분리장치{Gas separation apparatus utilizing two-head air compressor}

본 고안은 투헤드 에어컴프레서를 이용한 기체분리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 투헤드 에어컴프레서의 하나의 헤드로는 유입되는 기체혼합물을 압축하고, 다른 헤드로는 투과기체를 감압함으로서, 기체분리막 모듈의 기체분리효율을 향상시킨 기체분리장치에 관한 것이다.

산업적으로 기체를 생산하는 방법으로는 심냉법, 흡착법, 기체분리막법 등이있으나, 필요한 기체의 용도나 규모에 따라 제법별로 기술적 이점이 다르다. 최근에 들어서는 장치가 단순하고 유지가 편리한 점이 부각되는 공정 등에서 분리막법을 이용한 기체분리방법이 폭 넓게 사용되고 있다. 구체적으로, 기체분리막법은 산소부화, 질소농축, 제습 등의 분야에서 많이 이용되고 있고, 에어컨, 정수기 등의 가전제품에도 적용되고 있으며, 향후 그 응용분야가 다양하게 확대 될 것으로 예상된다. 또한 최근에는 자동차 매연 등의 대기환경 오염의 증가로 인해, 실내에 산소농도가 높은 신선한 공기를 공급하는 소형 기체분리장치의 필요성이 증가하고 있다. 이와 같이 기체분리막법을 이용한 기체의 제조는 기타의 제법에 비해 장치의 경량화, 소형화가 가능하고 유지와 보수가 편리하며, 경제적인 장점이 있다.

종래의 기체분리막을 이용한 기체분리장치는 실용신안공개 실1999-0038877호에 개시되어 있다. 이 고안은 공기 압축기를 이용하여 약 4.8 kgf/cm²의 압력으로 기체분리막 모듈에 압축공기를 공급하여 기체를 분리하는 것이다. 또한 유럽특허 제 0312910호는 팬 등을 이용하여 압력이 없는 공기를 기체분리막 모듈에 불어넣어 공급하고, 진공펌프를 이용하여 기체분리막을 투과한 기체를 얻는 방식을 개시하고 있다. 이와 같이, 기체분리막을 이용한 기체분리는 원리상 필연적으로 컴프레서(compressor)를 이용하여 공기를 압축하거나, 진공펌프를 사용하여 감압을 하여 기체분리막의 막면에 차압(P)을 인가하여야 한다. 따라서 우수한 성능의 에어컴프레서나 진공펌프의 개발이 기체분리막이나 그 장치의 응용 확대에서 매우 큰비중을 차지하고 있다.

최근 들어 기체분리막의 응용이 확대되고 있는 분야로 가정용 정수기, 가정용 에어컨, 차량용 산소발생장치 등을 들 수 있는데, 이러한 장치들은 소형이면서도 유지가 간편하고 저가로 공급이 가능해야만 한다. 이를 위해서는 기체분리막의 성능이 우수해야 함은 물론이거니와 소용량의 에어컴프레서를 사용하면서도 기체분리장치의 효율을 최대화할 수 있는 장치의 구성이 매우 중요하다. 또한, 기체분리막의 용도가 가전제품 등으로 확대되면서 기체분리장치의 소형화, 에어컴프레서의 수명 연장, 저소음 장치 등의 필요성이 대두되고 있다.

따라서 본 고안의 목적은 기체분리막의 기체분리 효율 및 에너지 사용 효율을 증대시킬 수 있는 기체분리장치를 제공하는 것이다.

본 고안의 다른 목적은 소형이며, 유지가 간편하고, 저가로 제조할 수 있는 투헤드 에어컴프레서를 이용한 기체분리장치를 제공하는 것이다.

본 고안의 또 다른 목적은 한 개의 에어컴프레서로 공기의 압축 및 감압을 동시에 수행함으로써, 에어컴프레서의 부하를 줄여 에어컴프레서의 수명을 연장시킬 수 있으며, 소음을 줄일 수 있는 투헤드 에어컴프레서를 이용한 기체분리장치를 제공하는 것이다.

도 1은 본 고안의 일 실시예에 따른 투헤드 에어컴프레서를 이용한 기체분리장치의 구성도.

도 2는 본 고안의 다른 실시예에 따른 투헤드 에어컴프레서를 이용한 기체분리장치의 구성도.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 고안은 기체 유입구와 기체 배출구가 각각 형성되어 있는 기체 감압용 제1 실린더 헤드 및 기체 압축용 제2 실린더 헤드를 구비한 에어컴프레서; 및 상기 제2 실린더 헤드의 기체 배출구로부터 혼합 압축 기체를 유입받아 분리하며, 분리된 기체를 감압상태에 있는 상기 제1 실린더 헤드의 기체 유입구로 배출하는 기체분리막 모듈을 포함하는 기체분리장치를 제공한다.

여기서, 상기 기체분리막 모듈은 하우징 및 상기 하우징과 평행하게 상기 하우징 내부에 장착된 다수의 고분자 중공사막으로 이루어진 중공사막 모듈이며, 상기 고분자 중공사막의 일 말단에는 상기 제2 실린더 헤드의 기체 배출구에서 배출된 압축 기체가 유입되는 유입구가 형성되어 있으며, 상기 고분자 중공사막의 다른 말단에는 고분자 중공사막을 투과하지 못한 기체가 배출되는 배출구가 형성되어 있고, 상기 하우징의 일측단에는 상기 고분자 중공사막을 투과한 기체를 배출하는 투과구가 형성되어 있으며, 상기 투과구는 상기 제1 실린더 헤드의 기체 유입구에 연결되어 있는 것이 바람직하며, 상기 고분자 중공사막의 다른 말단에 형성된 배출구의 후단에는 상기 배출구로부터 배출되는 기체의 유량을 조절하기 위한 유량 조절밸브가 더욱 장착되어 있을 수 있다. 본 고안에 따른 기체분리장치는 산소발생기, 질소발생기, 또는 기체로부터 수분을 제거하기 위한 제습기로서 특히 유용하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 고안을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안의 제1 실시예에 따른 투헤드 에어컴프레서를 이용한 기체분리장치의 구성도로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 고안의 제1 실시예에 따른 기체분리장치는 제1 및 제2 실린더 헤드(2, 3)를 구비한 에어컴프레서(1)와 기체분리막 모듈(20)을 포함한다.

상기 에어컴프레서(1)는 한 개의 모터(9)와 제1 및 제2 실린더 헤드(2, 3)를 포함하고 있으며, 상기 실린더 헤드(2, 3)는 모두 기체 압축용 및 기체 감압용으로 사용될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서는 에어컴프레서(1)의 제1 실린더 헤드(2)는 감압용으로 사용되고, 제2 실린더 헤드(3)는 기체 압축용으로 사용되며, 공기 감압용 제1 실린더 헤드(2) 및 압축용 제2 실린더 헤드(3)에는 기체 유입구(6, 4)와 기체 배출구(7, 5)가 각각 형성되어 있다.

상기 기체분리막 모듈(20)은 관 형상의 하우징(25) 내부에 다수의 고분자 중공사막(24)이 상기 하우징(25)과 평행하게 장착된 중공사막 모듈로서, 상기 고분자 중공사막(24)은 제1 및 제2 에폭시포팅층(23, 26)에 의하여 상기 하우징(25)의 좌측부와 우측부에 각각 고정되어 있다. 상기 제1 에폭시포팅층(23)의 우측에는 제2 실린더 헤드(3)의 기체 배출구(5)에서 배출된 압축 기체를 고분자 중공사막(24) 내부로 유입시키기 위한 유입구(21)가 형성되어 있으며, 상기 제2 에폭시 포팅층(26)의 좌측에는 고분자 중공사막(24)을 투과하지 못한 기체를 배출하기 위한 제1 배출구(27)가 형성되어 있다. 따라서 상기 제1 및 제2 에폭시 포팅층(23, 26)과 상기 고분자 중공사막(24)에 의해, 혼합기체와 고분자 중공사막(24)을 투과한 분리된 기체가 서로 분리되어 있다. 또한 상기 하우징(23)의 일측단에는 상기 고분자 중공사막(24)을 투과한 기체를 배출하기 위한 투과구(22)가 형성되어 있으며, 상기 투과구(22)는 상기 제1 실린더 헤드(2)의 기체 유입구(6)에 연결되어, 감압 또는 진공 상태에 있으므로, 상기 고분자 중공사막(24)을 투과한 기체는 하우징(23) 내부 공간(28)을 통해 투과구(22)로 배출된다.

본 고안에 따른 기체분리장치는 기체분리막 모듈(20)의 제1 배출구(27)로부터 배출되는 기체의 유량을 조절하기 위하여, 상기 제1 배출구(27)의 후단에 설치되는 유량 조절밸브(30)를 더욱 포함할 수 있으며, 또한 제2 실린더 헤드(3)의 기체 배출구(5)에서 배출되는 압축공기로부터 열을 발산시켜 냉각시키기 위한 냉각코일(40)과, 압축된 기체혼합물로부터 수분 및 먼지 등의 이물질을 제거하여, 기체분리막 모듈(20)로 공급하기 위한 필터(10)를 더욱 포함할 수 있다.

이와 같이 구성되는 본 고안의 제1 실시예에 따른 기체분리장치의 작용을 설명하면 다음과 같다. 에어컴프레서(1)의 기체 압축용 제2 실린더 헤드(3)의 유입구(4)로 유입된 기체혼합물은 제2 실린더 헤드(3)에서 압축되어 배출구(5)를 통해 배출되며, 냉각코일(40)에서 냉각된 후, 필터(10)를 통과하면서 비교적 큰 입자의 수분 및 이물질이 걸러지게 된다. 이물질이 걸러진 압축 기체혼합물은 기체분리막 모듈(20)의 유입구(21)를 통해 고분자 중공사막(24)으로 공급된다. 중공사 고분자막(24)으로 유입된 기체혼합물의 각 기체 성분들은 고분자 중공사막(24)의 확산투과 속도차에 의해 분리되며, 투과속도가 상대적으로 느린 기체들은 기체분리막을 투과하지 못하고 제1 배출구(27)를 통해 배출되며, 투과속도가 상대적으로 빠른 기체들은 고분자 중공사막(24)을 투과하여, 기체분리막 모듈(20)의 하우징 내부공간(28)을 통해 투과구(22)로 배출된다. 상기 투과구(22)는 에어컴프레서(1)의 감압용 제1 실린더 헤드(2)의 유입구(6)에 연결되어 있으므로, 기체분리막 모듈(20)의 하우징 내부 공간(28) 및 투과구(22)는 감압, 또는 진공 상태에 있으며, 따라서 상기 고분자 중공사막(24)을 투과한 기체는 투과구(22)와 제1 실린더 헤드(2)를 통해 빠른 속도로 이동하여 배출구(7)를 통해 배출된다. 이 때 고분자 중공사막(24)을 투과하는 기체의 유량과 순도 및 투과하지 못하는 기체의 유량과 순도는 유량 조절밸브(30)를 이용하여 조절할 수 있다.

도 2는 본 고안의 제2 실시예에 따른 기체분리장치의 구성도로서, 도 2에 도시된 기체분리장치는 상기 하우징(23)의 일측단에 기체 유입구(32) 및 제2 배출구(34)를 형성하고, 상기 제2 실린더 헤드(3)의 기체 배출구(5)에서 배출된 압축 기체를 기체 유입구(32)를 통하여 유입시킨다. 여기서, 상기 고분자 중공사막(24)을 투과한 기체는 상기 제1 실린더 헤드(2)의 기체 유입구(6)에 연결되어, 감압 또는 진공 상태에 있는 제1 배출구(27)를 통하여 배출되고, 상기 고분자 중공사막(24)을 투과하지 못한 기체는 제2 배출구(34)를 통하여 배출된다. 도 2에 도시된 실시예의 기체분리장치에서, 고분자 중공사막(24)을 투과하는 기체의 유량과 순도 및 투과하지 못하는 기체의 유량과 순도는 제2 배출구(34)의 후단에 장치된 유량 조절밸브(30')를 이용하여 조절할 수 있으며, 필요에 따라 유입구(21)는 봉쇄하여 사용할 수 있다.

이와 같이 제조된 본 고안의 제1 실시예에 따른 기체분리장치와 통상적인 기체분리장치(에어컴프레서(1)의 두개의 실린더 헤드(2, 3)를 모두 기체를 압축하는데 사용, 즉 실린더 헤드(2, 3)의 배출구(5, 6)를 모두 필터(10)에 연결하고, 고분자 중공사막(24)을 투과한 기체가 기체분리막 모듈(20)의 투과구(22)를 통해 외부로 배출되도록 한 경우)의 기체 분리 성능을 다음과 같이 시험하였다.

산소순도 및 유량측정

분리된 기체의 산소 순도 및 유량을 측정하기 위하여, 조절밸브(30)를 제어하여 유입 기체로서 압축공기를 4kgf/cm²의 압력으로 유입시켰으며, 본 고안의 제1 실시예에 따른 기체분리장치에서는 에어컴프레서(1)의 감압용 실린더 헤드(2)의 배출구(7)를 통해 배출되는 산소의 순도와 유량을 상온에서 측정하였고, 통상적인 기체분리장치에서는 기체분리막 모듈 투과구(22)에서 배출되는 산소의 순도와 유량을 상온에서 측정하여, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

통상적인 기체분리장치	제1 실시예의 기체분리장치
산소 순도(%)	유량(L/min)	산소 순도(%)	유량(L/min)
42.3	2.1	43.5	4.5

상기 표 1로부터 알 수 있듯이, 에어컴프레서(1)의 두개의 실린더 헤드(2, 3) 중 하나는 공기압축용으로, 다른 하나는 감압용으로 사용 한 경우(본 고안의 제1 실시예에 따른 기체분리장치)가 두 개의 실린더 헤드(2, 3)를 공기 압축에 사용한 경우(통상적인 기체분리장치)에 비해 산소 순도는 높고, 유량 또한 2배 이상증가한다.

일정한 순도를 가지는 질소의 유량측정

일정한 순도를 가지는 질소의 유량측정을 위하여, 먼저 에어컴프레서(1)와 필터(10) 중간에 압력조절기를 장치하여, 압축공기의 압력을 4kgf/cm²으로 고정시키고, 기체분리막 모듈(20)의 제1 배출구(27) 및 유량 조절밸브(30)를 통해 배출되는 질소의 순도를 95%가 되도록 조절밸브(30)를 제어한 후, 제1 배출구(27)에서 배출되는 질소의 유량을 측정하여, 그 결과를 하기 표 2에 나타내었다.

통상적인 기체분리장치	제1 실시예의 기체분리장치
질소 순도(%)	유량(L/min)	질소 순도(%)	유량(L/min)
95.0	0.8	95.0	1.5

상기 표 2로부터, 에어컴프레서(1)의 두개의 실린더 헤드(2, 3) 중 하나는 공기압축용으로, 다른 하나는 감압용으로 사용 한 경우(본 고안의 제1 실시예에 따른 기체분리장치)가 두 개의 실린더 헤드(2, 3)를 공기 압축에 사용한 경우(통상적인 기체분리장치)에 비해, 동일한 질소 순도에서 유량이 대략 2배정도 증가하므로, 기체분리효율이 매우 높음을 알 수 있다.

본 고안에 따른 기체분리장치는 산소농도를 높이거나, 산소 발생량을 높이기 위한 산소발생정수기, 가정용 산소발생기, 차량용 산소발생기 등 산소발생을 목적으로 하는 기체분리장치, 질소농도를 높이거나, 질소 발생량을 높이기 위한 기체분리장치, 기체로부터 수분을 제거하여 제습 효율을 높이기 위한 기체분리장치 등 다양한 용도로 사용이 가능하다.

지금까지 본 고안의 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 고안은 이에 한정되는 것이 아니며, 본 명세서에 기재되고 청구된 원리의 진정한 정신 및 범위 안에서 수정 및 변경할 수 있는 여러 가지 실시형태가 본 고안의 범위에 속함은 당연하다. 예를 들어, 본 고안에 따른 기체분리장치에 있어서, 에어컴프레서(1)로서 당업계에 알려진 다양한 종류의 에어컴프레서가 사용될 수 있으며, 또한 상기 기체분리막 모듈(20)로서 도면에 도시된 중공사막 모듈뿐 만 아니라, 적층식 평막모듈 등 다양한 기체분리막 모듈이 사용될 수 있다.

이상 상술한 바와 같이, 본 고안에 따른 기체분리장치는 기체 분리효율을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 소형이며, 유지가 간편하고, 저가로 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한 본 고안에 따른 기체분리장치는 한 개의 에어컴프레서로 공기의 압축 및 감압을 동시에 수행함으로써, 에어컴프레서의 부하를 줄여, 에어컴프레서의 수명을 연장시키고, 소음을 줄일 수 있으며, 에너지 사용 효율이 높다.

Claims (6)

1. 기체 유입구와 기체 배출구가 각각 형성되어 있는 기체 감압용 제1 실린더 헤드 및 기체 압축용 제2 실린더 헤드를 구비한 에어컴프레서; 및

   상기 제2 실린더 헤드의 기체 배출구로부터 혼합 압축 기체를 유입받아 분리하며, 분리된 기체를 감압상태에 있는 상기 제1 실린더 헤드의 기체 유입구로 배출하는 기체분리막 모듈을 포함하는 기체분리장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 기체분리막 모듈은 하우징 및 상기 하우징과 평행하게 상기 하우징 내부에 장착된 다수의 고분자 중공사막으로 이루어진 중공사막 모듈이며,

   상기 고분자 중공사막의 일 말단에는 상기 제2 실린더 헤드의 기체 배출구에서 배출된 압축 기체가 유입되는 유입구가 형성되어 있으며, 상기 고분자 중공사막의 다른 말단에는 고분자 중공사막을 투과하지 못한 기체가 배출되는 배출구가 형성되어 있고, 상기 하우징의 일측단에는 상기 고분자 중공사막을 투과한 기체를 배출하는 투과구가 형성되어 있으며, 상기 투과구는 상기 제1 실린더 헤드의 기체 유입구에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 기체분리장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 고분자 중공사막의 다른 말단에 형성되어 있는 배출구의 후단에는 상기 배출구로부터 배출되는 기체의 유량을 조절하기 위한 유량 조절밸브가 더욱 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 기체분리장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 기체분리막 모듈은 중공사막 모듈 또는 적층식 평막모듈인 것을 특징으로 하는 기체분리장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 기체분리장치는 산소발생기 또는 질소발생기인 것을 특징으로 하는 기체분리장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 기체분리장치는 기체로부터 수분을 제거하기 위한 제습기인 것을 특징으로 하는 기체분리장치.