KR200300043Y1 - 소형 산소농축기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 소형 산소농축기에 관한 것으로, 특히 제올라이트 등의 흡착제를 사용하여 압력차에 의해 산소를 분리하는 장치에 관한 것이다. 압력차이는 진공펌프를 사용하여 만들어지며 진공스윙방식에 의해 산소를 분리한다. 특히, 공급단에는 매우 약한 진공압을 가진 기기를 사용하여 분리된 산소를 목표 공간으로 분사하게 된다. 체크밸브는 스프링을 사용하지 않고 얇은 고무막을 사용하여 진공스윙방식에 적합하도록 구성된다.

Description

소형 산소농축기{Oxygen Concentrator}

본 고안은 흡착제를 사용하여 질소를 분리하고 여분의 산소농도가 높아진 공기를 공급하는 산소발생장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 진공스윙방식에 의하여 질소를 흡착시키고 산소부화공기는 소형의 저진공압을 갖는 블로워나 진동기를 사용하여 공급하는 산소농축장치에 관한 것이다.

산소발생 방법에는 일반적으로 제올라이트 등의 흡착제를 사용하는 압축스윙흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption)과 기체분리막을 사용하는 방법이 사용되며, 공기압축기에 의해 생성된 압축공기를 흡착제에 가하여 질소와 산소의 흡착정도에 의해 산소를 분리하거나, 기체분리막에 압축공기를 가하여 확산속도의 차이에 의하여 산소를 분리해 낸다. 또한, 흡착제에 압력을 가할 때에 대기압보다 약간 높은압력과 진공압과의 차이를 사용하는 진공스윙흡착방식 또한 사용된다.

공기 압축기를 사용할 경우에는 오일레스 공기압축기만을 사용해야 하므로, 소음 발생 문제 및 고열 등의 문제로 설계시 장치의 크기가 커지거나 별도의 공기 압축기 소음 방지 장치 및 냉각 장치 등이 필요하게 되며, 이러한 문제점을 해결하기 위해 가정용 산소농축장치의 경우에는 공기 압축기를 에어컨의 실외기와 같이 별도의 실외기로서 장착해야 하는 불편함이 있다. 진공펌프를 사용하는 진공스윙방식의 경우에는 압력차이가 낮아 소형화에는 불리하며, 별도의 가압펌프나 산소공급용 진공펌프가 필요하여 가격적인 면에서 불리하다. 그럼에도 불구하고 진공스윙방식의 경우에는 PSA에 비하여 소음이나 결로, 냉각장치 문제, 내구성 등에서 우수한 면을 가지므로 일부 소형에도 적용되고 있다.

따라서, 본 고안은 이러한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 종래의 PSA 방식의 일종인 진공스윙흡착(VSA, Vacuum Swing Adsorption)에 기초하여 진공펌프에 의한 압력차를 이용한 산소 분리 방법을 이용하여, 필터를 통해 정화된 공기를 제올라이트 등의 흡착제에서 필요한 적정 산소만 분리하여 분리된 산소를 다시 공급용 기기에 의하여 실내로 보내는 산소농축장치를 제공하는 것이다.

본 고안의 목적은 특히 수험생의 집중력 향상이나 에어컨 결합시의 쾌적한 실내공기 유지를 위해 가정에서 사용되기에 적합하도록 저농도, 고유량의 산소농축장치를 제공하는 데에 있다.

또한, 종래의 압축스윙방식에서 발생하는 소음 등의 문제점을 제거하여, 실내외를 불문하고 저렴하게 설치하여 사용할 수 있는 산소농축장치를 제공하는 데에 있다.

본 고안은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 기본적으로 진공스윙방식을 사용하며, 오일리스나 오일사용 진공펌프를 구분하지 않고 일정 진공압을 만들어 주는 진공펌프를 그 중요 구성요소로 한다. 따라서, 그 선택의 폭이 넓어져 내구성 및 경제성이 좋은 요소를 구비할 수 있다. 대부분의 압력방식은 공기압축기가 고압을 발생하기 위하여 압축기의 헤드부가 집중적으로 부하를 받아 내구성에 문제가 생기나, 진공압을 발생시키는 경우에는 압축방식에 비하여 저부하를 받아 펌프의 내구성이 매우 향상된다. 본 고안에서는 실내로 산소를 공급하기 위한 방법으로 소형의 가압펌프는 사용하지 않으며, 소형 장치에 알맞게 200mmHg 이하의 매우 낮은 진공압을 갖는 블로워나 진동기를 사용하게 된다. 특히, 어항이나 수족관에 사용되는 관상어용 기포발생기나 블로워는 저진공압의 저소음, 저진동, 고내구성을 가지므로, 이를 사용할 수 있는 장치의 구현이 가능해진다. 소형 블로워나 진동기는 종래의 소형 진공펌프나 공기압축기에 비하여 내구성과 경제적인 측면에서 매우 유리하여 이들을 구성요소로 하여 소음저하, 내구성 품질향상 및 원가절감을 할 수 있다. 물론 종래의 피스톤이나 다이아프램 펌프를 산소공급수단으로 사용할 수 있으나, 이 경우는 소형 펌프의 내구성과 소음문제가 다시 나오게 된다. 본 고안은 저진공압의 산소공급수단을 사용하기 위하여 종래의 압축방식이나 진공방식에서와 같이 사용되는 체크밸브를 단순화하여 얇은 고무막으로 대치함으로써 이러한 기기에 의한 산소공급을 가능하게 한다.

또한, 종래의 장치는 산소농축기에서 발생하는 상대적 고농도의 산소를 별도의 블로워나 팬에서 공급하는 정화공기와 혼합하여 고유량의 산소부화공기를 얻는 데 비하여, 본 장치는 산소공급수단으로 저압의 블로워 사용이 가능하므로, 일반적으로 의료용이나 관상어용으로 사용되는 소형의 리니어 모터에 구동되는 저소음, 저가의 독립된 두 개의 다이아프램 펌프수단을 구비한 블로워를 사용하면, 한 펌프수단은 산소농축기에 연결하여 고농도의 산소를 공급하고 다른 펌프수단은 정화공기를 흡입하여 혼합함으로써 저농도 고유량의 산소부화공기를 얻을 수 있게된다.

도 1 은 본 고안에 따른 산소농축장치의 도식도.

도 2 는 본 고안에 따른 장치의 체크밸브수단을 가지는 흡착베드의 산소배출부의 구성도.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

1...흡착베드 2...진공펌프

3...공기필터 4...유로전환밸브

5...체크밸브수단 6...산소공급수단

7...흡착베드 상단부 8...고무막 체크밸브

본 고안은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고하여 상세히 설명된다.

도 1 에는 본 고안에 따라 도시된 전체 장치의 간단화 된 도식도이다. 전체적인 구성은 압력스윙방식에 기초한 장치와 대동소이하다. 즉, 제올라이트 등의 흡착제를 내부에 포함하는 흡착베드(1)와, 상기 흡착베드(1) 내의 공기 및 불순물을 외부로 배출하는 진공펌프(2), 공기 중의 수분 및 불순물을 걸러주는 공기필터(3), 공기 유로를 전환하는 유로전환밸브(4), 흡착베드(1)를 통과한 산소를 통과시키며 베드 내의 압력과 농도 조절을 위해 사용되는 주로 체크밸브로 구성되는 체크밸브수단(5), 그리고 생산된 산소를 목적 공간으로 분사시키기 위한 산소공급수단(6)으로 구성된다. 기타 도시되지 않았지만 흡착베드(1) 간을 연결하는 미세 유로관이나 평형밸브, 그리고 다중 흡착베드 등은 필요에 따라 설치가능한 것은 당업자 사이에 자명하다.

본 장치의 작동은 진공펌프(2)가 흡착베드(1) 내의 공기 및 불순물을 제거하는 과정에서 생긴 진공압에 의하여 대기중의 공기가 공기필터(3)를 통과하여 유로전환밸브(4)를 거쳐 흡착베드(1) 내의 흡착제에 흡착되게 된다. 이 과정에서 흡착제의 선택도에 따라 주로 질소가 흡착제에 흡착됨에 따라 산소농도가 높아진 공기가 체크밸브수단(5)을 통과하고 산소공급수단(6)에 의하여 분사되게 된다.

여기서 PSA 방식과는 달리, 진공펌프(2)는 오일을 사용하는가의 여부에 관계없이 저소음, 고내구성을 가진 펌프를 선택하는 것이 가능하므로 주로 약간의 오일을 사용하는 오일타입 진공펌프를 쓰는 것이 바람직하다. 유로전환밸브(4)는 단지 대기압과 진공압을 흡착베드(1)에 교대로 전환시켜주는 역할을 하는 것으로, 주로 전기에 의해 구동되는 솔레노이드 밸브가 사용되지만, 모터 구동에 의한 회전밸브나 기타 다른 밸브수단의 사용도 가능하다.

체크밸브수단(5)의 경우에는 PSA 방식의 경우에는 솔레노이드 밸브나, 일정압력 이상에서만 열리는 체크밸브를 사용하지만, 본 장치와 같은 진공방식에서는 상기 방식은 적합하지 않다. 이것은 종래의 통상적인 VSA 방식의 경우에 흡착베드(1) 내의 압력을 대기압 이상으로 약간 올려주는 가압방식이 사용되는 경우에는 무방하지만, 본 장치와 같이 대기압 이상을 사용하지 않는 경우에는 고유량, 저농도의 산소를 생성하기는 바람직하지 못하다. 따라서, 통상적으로 컴프레셔나 진공펌프에 사용되는 도 2와 같은 얇은 고무막이 구멍 위에 단순히 놓여진 형태이 매우 간결한 체크밸브수단이 바람직하다. 이는 스프링이 사용되지 않으므로 일정 진공압 차이 이상이 되어야 산소공급수단(6)에 의하여 산소가 배출되는 것이 아니라, 흡착베드(1) 상단부와 산소공급수단(6)의 흡입부의 진공압 차이가 매우 미세하여도 리크가 발생하여 생성 산소가 산소공급수단(6)에 의하여 흡입되어 배출되게 된다. 즉, 사실상 흡착베드(1) 내에 진공펌프에 의해 진공압이 걸릴 때에만 닫혀있게 된다.

상기와 같은 체크밸브수단(5)을 사용함으로써 산소공급수단(6)의 부담이 매우 경감되어 큰 진공압을 가지는 진공펌프나 중진공압을 가지는 블로워 외에도, 매우 작은 진공압을 발생시키는 기포발생기와 같은 저진공압을 가지는 진동기가 산소공급수단(6)으로 사용될 수 있다. 따라서, 상대적으로 산소공급수단(6)의 저진공압에 의한 저진동, 저가격, 고내구성의 장치의 구성이 가능해진다.

상기에 도시되지 않은 베드간을 연결하는 미세관은 농도상승과 탈착에 도움을 주는 장치로서, 이는 베드 구성시 일체형으로 만들어 질 수 있으며, 개개의 흡착베드를 사용하는 경우에는 오리피스를 별개로 제작하여 구성하며, 종래에 나와있는 모세동관을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 미세관의 내경의 조절에 의하여 흡착베드(1) 상단부의 진공압 조절이 어느 정도 가능하므로 산소공급수단(6)의 진공압을 고려하여 그 내경을 결정하는 것이 바람직하다.

산소공급수단(6)을 리니어 모터 구동방식에 의한 블로워로 사용하는 경우에는, 일반적으로 진동기의 양단에 다이아프램을 설치하여 각각 독립적인 펌프역할을하게 되므로 상기 독립적인 다이아프램 펌프수단을 단지 병렬연결하여 사용할 수도 있지만, 이들을 각각 독립된 과제를 수행하게 함으로써 저농도 고유량의 산소를 만들어 낼 수 있다. 즉, 한쪽 펌프수단은 상기 산소공급수단(6)으로 이용하며, 다른 한쪽 펌프수단은 공기필터(3)를 통과한 정화 공기를 흡입함으로써 상기 산소공급수단(6)을 통과하여 나온 고농도의 산소와 혼합하면 상대적으로 대유량의 산소부화공기를 얻을 수 있다. 이것은 종래의 장치들이 산소농축장치에서 발생하는 고농도의 산소를 정화공기와 혼합하는 별도의 혼합장치에 의하여 대유량의 산소부화공기를 만들어 내는 것에 해당하므로, 본 장치는 부가적인 설비 없이 이러한 장치의 구현이 가능하게 된다. 물론, 별도의 기포발생기와 같은 저진공압 기기를 두 개를 사용하여 구성하는 것도 가능하다.

본 고안에 의한 산소농축장치에 의하여 저소음, 고내구성의 장치 구현이 가능하며, 저진공압의 산소공급장치를 사용함에 따라 가격절감이 가능하다.

저진공압을 가지는 별도의 펌프수단을 구비한 블로워의 사용이 가능함에 따라, 한쪽은 정화공기를 흡입하여 혼합함으로써 별도의 부가적인 장치없이 저농도, 대유량의 산소공급장치의 구현이 가능하다.

Claims (6)

1. 공기의 구성성분에 대하여 선택적인 흡착성능을 가지는 흡착제에 압력차이를 가하여 산소를 분리하는 산소농축기에 있어서,

   상기 압력차이는 진공펌프에 의하여 흡착제를 포함하는 흡착베드에 진공압을 가함으로써 대기압과의 차이에 의하여 생성되며,

   공기필터와 유로전환밸브, 그리고 흡착베드를 구비하여 이들을 차례로 통과한 산소부화공기는 산소공급수단에 의하여 목적 공간에 분사되고,

   상기 산소농축기는 상기 산소공급수단과 흡착베드의 산소배출구 사이에 체크밸브수단를 구비하며,

   상기 체크밸브수단는 흡착베드 내에 진공압이 걸릴 때만 닫히고, 상기 산소공급수단의 저진공압에 의하여 열리는 것을 특징으로 하는 산소농축기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 체크밸브수단은 스프링없이 얇은 고무막으로 구성되어 평상시 열려있는 것을 특징으로 하는 산소농축기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 산소공급수단은 진공압 200mmHg 이하의 블로워 임을 특징으로 하는 산소농축기.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 산소공급수단은 진공압 200mmHg 이하의 관상어용 기포발생기 임을 특징으로 하는 산소농축기.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 산소공급수단은 교류 리니어 모터에 의하여 구동되는 블로워이며, 상기 블로워는 두 개의 다이아프램을 구비하여 두 개의 흡입구와 두 개의 배출구를 구비하여, 한 개의 흡입구는 상기 체크밸브에 연결되어 상대적 고농도의 산소를 흡입하고, 다른 한 개의 흡입구는 공기필터를 통과한 정화 공기를 흡입하여, 상기 고농도 산소와 정화공기가 동시에 배출되어 혼합됨으로써 저농도, 고유량의 산소부화공기를 배출하는 것을 특징으로 하는 산소농축기.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 산소공급수단은 두 개의 기포발생기이며, 한 개의 기포발생기는 상기 체크밸브에 연결되어 상대적 고농도의 산소를 흡입하여 배출하고, 다른 한 개의 기포발생기는 공기필터를 통과한 정화 공기를 흡입하여, 상기 고농도 산소와 정화공기가 동시에 배출되어 혼합됨으로써 저농도, 고유량의 산소부화공기를 배출하는 것을 특징으로 하는 산소농축기.