KR200296848Y1 - 소형 산소농축기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 소형 산소농축기에 관한 것으로, 특히 특정 공기에 대하여 선택적인 분리도를 가진 흡착제를 사용하여 공기로부터 질소를 분리하여 산소부화공기를 얻는 소형 산소농축기에 관한 것이다.

흡착제에 압력차이를 가하는 방법은 진공펌프를 사용하여 대기압과 진공압과의 차이를 이용하며, 특히 흡착제의 탈착을 수행하는 진공압을 만들어 내기 위하여 오일타입의 진공펌프를 사용한다. 종래의 오일레스 공기압축기를 사용하는 장치에 비하여 내구성과 소음저하에 큰 효과가 있다.

Description

소형 산소농축기{oxygen concentrator}

본 고안은 통상의 공기를 흡입하여 질소와 산소에 대하여 선택적인 분리도를 가지는 흡착제를 사용하여 질소를 분리시켜 통상의 공기가 가지는 산소농도보다 높은 산소농도를 가지는 산소부화공기를 만들어내는 산소농축기에 관한 것이다.

통상의 공기가 가지는 20~21% 정도의 산소농도를 수 내지 수십% 상승된 공기로 변환하는 방법은 크게 두 가지로 분리되며, 이는 기체분리막에 압력을 가하는 방법과 질소와 산소에 대해 선택적인 흡착성을 가지는 합성제올라이트 등의 흡착제를 사용하는 방법으로 나뉜다.

통상적으로 흡착제에 압력을 가하여 높은 산소농도의 공기를 얻는 방법은 PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식으로 불리우며, 고압의 공기압축력을 사용하는 방법과 진공압을 사용하는 방식이 있다. 일반적으로 소형에는 효율이 좋은 공기압축방식이 사용되며, 진공압을 사용하는 방식은 대형 산업시스템에서 주로 사용된다.

그러나, 고압의 압축공기를 사용하는 경우에는 공기압축기의 부담이 커져 신뢰성과 소음발생 및 내구성에 문제가 생긴다. 특히, 사람이 마시는 공기로의 응용이 될 경우에는 오일을 사용하지 않는 오일레스 타입의 공기압축기를 사용해야 하므로 현재의 기술로는 고신뢰성의 그러한 압축기를 만드는 것은 매우 어렵다. 이에 비해 오일타입의 압축기나 진공펌프등은 이미 고신뢰성 및 내구성이 검증되어 그 사용에는 문제가 없으나 소형 산소농축기에의 적용에는 역시 오일문제와 직접 사람이 마시는 경우에의 문제 등이 남아있다.

최근에는 공기압축방식의 여러 문제점들로 인하여 저소음인 고내구성이 보장되는 진공압을 사용하는 VSA(Vacuum Swing Adsorption) 방식을 소형 산소농축기에 적용하고자 하는 노력이 일부 이루어 지고 있으나, 내구성, 신뢰성, 저소음 및 저가의 제품개발은 아직 이루어지지 못하고 있다.

본 고안은 이러한 문제점을 해결하여 보다 신뢰성과 내구성이 높고 경제적으로 VSA 방식을 적용시킨 소형 산소농축기에 관한 것으로, 기본적으로는 두 개의 소형 진공펌프를 사용하는 장치이다. 하나는 흡착제의 탈착과 압력차이를 만들기 위하여 사용되며, 다른 하나는 산소부화공기를 특정 지역으로 공급하기 위하여 사용된다.

우선 진공펌프에 걸리는 부하가 상기에 기술한 것과 같은 고압이 아니고, 500mmHg 정도의 진공압에 불과하므로 종래의 장치가 가지는 수 bar 이상의 과부하에 의한 수명저하 및 신뢰성 저하의 문제가 없어지게 된다. 또한, 사람이 마시는경우의 응용에 사용하는 경우는 산소부화공기를 공급하는 쪽의 진공펌프를 소형의 오일레스 타입의 펌프를 사용하면 되고, 탈착쪽의 진공펌프는 고신뢰성의 오일타입을 사용하는 것이 바람직하다.

물론, 고압의 압축공기를 사용하는 방식에 비하여 약간의 효율저하는 있으나, 이것은 다양한 흡착제의 재질 선택과 공정최적화를 통하여 상당히 개선될 수 있다. 즉, 합성제올라이트의 경우는 고성능의 Li계열을 일부 사용하는 멀티타입의 베드를 형성하는 것이 바람직하며, 공정의 경우도 소형에 알맞은 10초 이하의 사이클을 갖는 고속 VSA 시스템이 바람직하다. 약간의 효율저하보다는 고신뢰성 및 내구성을 요구하는 시스템에 본 장치가 적용되는 것이 바람직하다.

일반적으로 소형의 공급단에 사용되는 진공펌프는 아주 작은 소비전력을 가지는 고내구성의 펌프가 제작가능하며, 흡착제의 탈착에 사용되는 진공펌프는 고신뢰성을 가진 종래의 냉동기용 밀폐형 컴프레서와 같은 저가 및 저소음의 장치가 바람직하다.

종래의 냉동기용 밀폐형 컴프레서를 탈착용 진공펌프로 사용하는 경우에는, 컴프레서가 어느 정도 가동 후에 온도가 상승하면 내부의 오일이 동시에 토출되므로, 토출단에 오일필터를 부착하여 컴프레서로 되돌리는 구성이 바람직하며, 상기 토출된 오일은 본 소형 산소농축기의 흡착제를 통과함이 없이 순환되므로, 산소공급단의 공기의 질과는 전혀 관계없이 순환된다. 즉, 흡착제에 흡착된 질소 및 불순물을 진공압을 사용하여 배출하는 데에만 사용되므로 공급산소에는 아무런 문제가 없어진다. 밀폐형 컴프레서의 오일 토출량이 많아 일정 시간 가동 후에 오일의손실이 있는 경우는 주기적으로 소량의 오일을 컴프레서로 공급해주는 장치를 구성하는 것이 바람직하다.

본 장치는 공기압력이 아니라 흡착 베드 내에 진공압이 걸리므로 종래에 사용되어오던 체크밸브 역시 스피링 구조를 생략한 단순한 고무판으로 대치할 수 있다. 즉, 종래의 펌프에 사용되는 것과 동일한 구조의 체크밸브를 사용하는 것이 바람직하다.

도 1은 본 고안에 따른 장치의 도식도이다.

도 1의 본 발명에 따른 장치의 개략을 나타낸 도식도 이다. 종래의 기술에 의한 개괄적인 방식은 동일하다. 평형밸브등의 기타 구성요소는 자명하므로 도시하지 않았다.

고안의 구성은 다음과 같다. 흡입된 공기는 에어필터(1)를 통하여 밸브(4)를 거쳐 합성제올라이트 등의 흡착제가 포함된 흡착베드(5)로 들어가게 된다. 밸브(4)는 단일 제품이던 별도의 2개나 4개로 구성하던 당업자가 사이에선 자명하다. 상기 흡착베드(5)로 들어간 공기는 질소가 주로 흡착제에 흡착되고 산소는 그대로 통과하여 체크밸브(7)를 거쳐 공급단에 설치된 소형 배출단 진공펌프(3)에 의하여 배출된다. 흡착베드(5)에 흡착된 상태는 압축공기를 사용하지 않으므로 배출단 진공펌프(3)를 사용하지 않으면 대기압 상태를 유지하여 배출되지 않고, 산소농도구배를 가진 채 정상상태를 유지하므로, 배출단 진공펌프(3)를 사용하여 산소부화공기를 별도의 진공압을 사용하여 배출시켜야 한다.

베드 연결요소(6)는 미세관이나 별도의 밸브를 병렬로 사용할 수 있으며, 미세관만의 사용도 가능한 것은 자명하다. 상기 베드 연결요소(6)를 통하여 생성된 건조한 산소부화공기는 다른 쪽 흡착베드(5)에 주입되어, 질소 및 기타 불순물을 세척하는 데에 도움을 주게된다.

탈착용 진공펌프(2)는 한 쪽의 흡착베드(5)에 흡착과정이 일어나는 동안에 다른 한쪽의 흡착베드에 탈착과정을 수행하며, 이후에 대기압과 진공압과의 차이에 의하여 공기가 흡입되는 원동력을 제공하게 된다.

상기 배출용 진공펌프(3)는 용도에 맞는 유량을 가진 소형의 진공펌프가 바람직하며, 사람이 흡입하는 용도의 경우에는 반드시 오일레스 타입의 진공펌프가 바람직하다. 이러한 소형의 저진공압 진공펌프는 그 제작에 있어서 신뢰성, 내구성이 뛰어나며 저소음의 제품의 제작이 얼마든지 가능하다.

상기 탈착용 진공펌프(2)는 오일타입이던 오일레스 타입이던 탈착용 진공펌프(2)를 순환하는 공기가 흡착베드(5) 내로 들어가지 않으므로 사용환경에 따라 선택이 가능하며, 고신뢰성과 내구성 및 저소음의 장치를 원하는 경우는 오일 타입의 진공펌프를 사용하는 것이 바람직하다.

도 2는 저소음, 고신뢰성 및 내구성이 입증된 밀폐형 오일타입의 컴프레서를 본 장치의 탈착용 진공펌프(2)로서 전용하는 경우의 도식도로서, 일부 토출되는 오일을 컴프레서로 되돌리는 장치를 나타낸 것이다. 냉동기용으로 주로 사용되는 오일타입의 밀폐형 컴프레서를 사용하는 경우는 오일의 토출로 인하여 소실되므로, 리턴과정이 필요하게 된다.

탈착용 진공펌프(2)의 흡입부(8)에서 흡입된 공기는 펌프를 지나오일필터(9)를 지나면서 불순물과 오일이 걸러진다. 걸러진 오일은 오일 흡입구(12)를 통하여 펌프로 돌아가게 된다. 장기간의 사용에 의한 오일의 손실은 별도의 오일 보충통(10)에 보관된 오일의 주입으로 보충될 수도 있으며, 수동에 의하여 주기적으로 보충이 가능하나 별도의 솔레노이드 밸브(11)를 사용하여 제어함으로써 정해진 사용시간마다 일정시간 열려 오일을 보충해 주는 것이 가능하다.

상기와 같은 오일 순환시스템은 일체형으로 된 오일타입의 진공펌프로 제작하는 것도 바람직하다.

상기 실시예는 단순화된 것으로, 멀티 흡착베드장치를 구성하거나, 흡착베드내의 흡착제를 여러 재료를 사용하여 멀티레이어로 구성하거나 하는 변형은 자명하다.

본 고안을 소형 산소농축기에 적용함으로써 고신뢰성, 고내구성 및 저소음의 장치를 구성할 수 있다.

Claims (6)

1. 흡착제를 내부에 가지는 흡착베드에 압력차이를 가하여 밸브를 거쳐 흡입된 공기로부터 질소를 분리하고 보다 높은 산소농도를 가진 산소부화공기를 얻는 소형 산소농축기에 있어서,

   상기 산소농축기는 두 개의 진공펌프를 구비하고,

   상기 진공펌프 중의 하나인 제 1 진공펌프는 흡착베드 내에 진공압을 형성하며 흡착제를 탈착하는 기능을 수행하며,

   상기 진공펌프 중의 다른 하나인 제 2 진공펌프는 상기 제 1 진공펌프에 의해 형성된 진공압에 의해 흡착베드 내에 흡입된 공기가 흡착제에 의하여 선택적으로 흡착된 후, 산소농도가 증가된 공기를 진공압에 의해 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 소형 산소농축기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 탈착용 제 1 진공펌프는 오일타입이며 배출용 제 2 진공펌프는 오일레스 타입임을 특징으로 하는 소형 산소농축기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 탈착용 제 1 진공펌프는 냉동기용 오일타입 컴프레셔이며, 배출단에 오일필터를 구비하여 걸러진 오일을 컴프레셔로 다시 회수하는 것을 특징으로 하는 소형 산소농축기.
4. 제 3항에 있어서, 상기 탈착용 제 1 진공펌프의 오일 손실을 보상하기 위하여 별도의 오일보충통과 솔레노이드 밸브를 구비하고 주기적으로 밸브를 구동함으로써 오일을 보충하는 것을 특징으로 하는 소형 산소농축기.
5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 흡착베드는 Li계열의 합성제올라이트를 사용하는 것을 특징으로 하는 소형 산소농축기.
6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 흡착과정과 탈착과정을 포함하는 전체 사이클이 10초 이내 인 것을 특징으로 하는 소형 산소농축기.