KR20030009720A - 산소발생 겸용 공기정화기 - Google Patents

산소발생 겸용 공기정화기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 산소발생 겸용 공기정화기에 관한 것으로, 상기 정화기는 유입공기가 HEPA필터, 팬, 공기압축기, 제습필터를 차례로 거쳐, 일 흡착베드로 이송되어 공기 중 질소가 제거된 후 일 솔레노이드밸브를 거쳐 저장탱크에 저장되고, 저장탱크의 산소 중 일부가 솔레노이드밸브, 오리피스 및 체크밸브를 거쳐 타 흡착베드에서 질소를 탈락시키는 과정을 반복하여 산소를 농축시키도록 선택적으로 유로를 개폐하는 가변밸브를 포함하는 산소발생부; 유입되는 공기를 다양한 필터를 통하여 정화시켜 공기 외부로 대류시키는 공기정화부; 상기 산소발생부에서 발생된 산소와 상기 공기정화부에서 정화된 공기의 일부를 혼합시켜 일정 산소를 포함하는 공기를 공급하는 산소혼합부; 및 산소센서와, 상기 공기압축기, 가변밸브, 솔레노이드밸브, 디스플레이패널 등의 작동을 제어하는 마이컴을 포함하는 제어부를 포함하여 이루어져 있어, 소형화되고 신뢰성이 높은 산소발생 겸용 공기정화기를 제공할 수 있다.

Description

산소발생 겸용 공기정화기{AIR-PURIFIER WITH A OXYGEN GENERATOR}
본 발명은 산소발생 겸용 공기정화기에 관한 것으로, 특히 상기 공기정화기에서 산소발생은 압력 가변식 흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 기술을 이용하고, 공기정화는 다양한 필터를 통하여 이루어지는 방식을 채용한 공기정화기에 관한 것이다.
종래의 공기정화장치의 일례로는 국내특허공개번호 제2000-53669호, 『가정용 산소발생 공기정화기』가 있다. 이 공기정화기는 도 1에 도시된 바와 같이, 에어필터(101), 전기집진기(102), 활성탄(103) 및 음이온발생기(104)가 순차적으로 설치되어 있는데, 상기 전기집진기(102)는 2단 하전식으로 에어필터(101)를 통과한 미세한 먼지는 정전장(Electro-static Field)을 통과할 때 고압(+전압)에 의해 이온화되고, 마이너스 전압을 가진 전극 사이를 통과할 때 집진이 된다. 상기 음이온발생기(4)는 전류를 통과시켜 음이온을 생성시킨다. 이러한 음이온 성분은 상기한 활성탄(3)을 통과한 공기 중에 합성된다.
공기정화기에 의하여 정화된 공기는 다공성 동파이프(106)를 거쳐 공기압축기(107)로 보내지고, 나머지는 쓰로틀(111)을 갖는 혼합밸브(108)를 통하여 혼합된 후 팬(132)에 의하여 실내로 공급된다. 정화된 공기는 상기 공기압축기(107) 출구에 설치된 살균기능을 갖는 항균필터(112), 이 필터(112)의 출구에서 분기된 유로 상에 설치된 가압밸브(113a,113b), 가압밸브와 반대로 개폐되는세정밸브(115a,115b)를 거쳐, 독립적으로 작동되는 2개의 베드(114a,114b)로 유입된다. 상기 세정밸브의 출구는 부로 개방되어 있어서 상기 제올라이트가 충진된 베드로부터 역류되는 질소성분을 외부로 배출한다.
상기 베드(114a,114b)의 출구에는 2개의 오리피스(123a,123b)와 그 가운데에 있는 평형밸브(124), 또 다른 오리피스(125), 그리고 2개의 체크밸브(126a,126b)와 그 중간의 배출티(T)(127)가 3열을 이루며 병렬로 연결된다.
상기 평형밸브(124)는 베드 내의 제올라이트에 흡착된 질소를 세척(탈락)시키기 위해 작동되는 것으로, 가압밸브와 세정밸브의 1회 작동시간이 10초일 때 약 2∼3초 동안만 개방된다. 그 작동시간은 실내 산소량 측정센서(131)의 입력에 따라 콘트롤러(C)에 의하여 제어된다.
병렬회로의 마지막 열에 설치된 체크밸브(126a,126b)는 베드(114a,114b)쪽에서 이송되는 일부의 순산소를 저장탱크(129)로 계속해서 보내도록 하는 동시에 저장탱크(129)의 순산소가 역류하지 않도록 하는 기능을 수행한다. 배출티(127)는 2개의 상기 체크밸브(126a,126b) 중간에 설치되어 있으며 저장탱크(129)와 연결되어 있다. 순산소를 저장하는 저장탱크(129)는 압력센서(128)와 연결되어 있다.
그러나 이러한 종래의 공기정화기에서, 공기정화를 위하여 전기집진기를 사용할 경우에 시간이 지남에 따라 집진효율이 떨어지므로 신뢰성이 부족하고, 집진기를 위하여 사용되는 전기 안정기 및 제어구조가 복잡하므로 생산성이 부족하였다. 또한 이러한 공지정화기는 고전압으로 운전되어 전력소모량이 크고 화재의 위험이 상존하였다.
또한 상기 종래의 공기정화기는 공기 정화와 산소의 발생이 동일한 장치에서 이루어지므로 안정성이 떨어지고, 소음이 발생하여 사용자가 불편함을 느꼈다.
본 발명은 상기와 같은 종래 공기정화기에서 발생된 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 집진기를 사용하지 않고 공기를 정화하여 소음발생과 과도한 전력소모를 방지하고, 공기정화의 신뢰성을 높이는 것을 목적으로 한다.
또한 보다 간단한 구조를 통하여 공기정화기를 소형화함과 아울러, 단순화되고 제어가 용이한 산소발생부를 통하여 산소공급 효율을 높이는 것을 목적으로 한다.
도 1은 종래 산소발생기를 갖는 공기정화기의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 산소발생 겸용 공기정화기의 전체 구성도,
도 3은 본 발명의 공기정화기에 사용되는 흡착베드의 단면도이다.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10: 산소발생부 11: HEPA필터
13: 팬 15: 공기압축기
17: 제습필터 19: 가변밸브
21a,21b: 흡착베드 23: 저장탱크
30: 공기정화부 31: 항균/전처리필터
33: HEPA필터 35: 탈취필터
37: 팬 40: 산소혼합부
41: 니들밸브 51: 마이컴
53: 디스플레이패널 55: 산소센서
CV1,CV2: 체크밸브 O: 오리피스
SV1,SV2,SV3: 솔레노이드밸브
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면, 도 2는 본 발명에 따른 산소발생 겸용 공기정화기의 전체 구성도이고, 도 3은 본 발명의 공기정화기에 사용되는 흡착베드의 단면도로서, 본 발명의 특징에 따른 공기정화기는 팬(13)에 의하여 유입되는 공기를 정화하는 HEPA(High Efficiency Particulate Air)필터(11)와, 이 필터에 의하여 정화된 공기를 압축하는 공기압축기(15)와, 이 압축기를 거친 공기에서 습기를 제거하는 제습필터(17)와, 이 필터를 거친 공기가 일 흡착베드(21a 또는 21b)로 이송되어 질소가 제거된 후 솔레노이드밸브(SV1 또는 SV2)를 거쳐 저장탱크(23)에서 산소가 저장되고, 저장탱크의 산소 중 일부가 솔레노이드밸브(SV3), 오리피스(O) 및 체크밸브(CV1 또는 CV2)를 거쳐 타 흡착베드(21b 또는 21a)로 이송되어 질소를 탈락시키는 과정을 반복하여 산소를 농축시키도록 선택적으로 유로를 개폐하는 가변밸브(19)를 포함하는 산소발생부(10); 유입되는 공기를 다양한 필터를 통하여 정화시켜 공기의 일부를 팬(37)을 통하여 외부로 대류시키는 공기정화부(30); 상기 산소발생부(10)를 통하여 농축된 산소와 상기 공기정화부(30)를 통하여 정화된 공기의 일부를 혼합시켜 일정 농도의 산소를 포함하는 공기를 공급하는 산소혼합부(40); 및 배출 산소의 농도를 측정하는 산소센서(55)와, 상기 공기압축기(15), 가변밸브(19), 솔레노이드밸브(SV1)(SV2)(SV3), 흡착베드(21a)(21b), 체크밸브(CV1)(CV2), 팬(37), 니들밸브(41) 및 디스플레이패널(53)의 작동을 제어하는 마이컴(51)을 포함하는 제어부를 포함하여 이루어져 있다.
도 2에서 점선은 산소발생부(10), 공기정화부(30), 산소혼합부(40)를 나타내고, 굵은 실선은 각 구성요소를 연결하는 유로를, 중간 실선은 각 구성요소를, 가는 실선은 마이컴(51)에 의한 제어관계를 나타낸다.
먼저, 산소발생부에서 응용되는 압력 가변식 흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 기술에 대하여 설명하면, 적어도 하나 이상의 기체혼합물을 압력 변화에 의한 흡착 및 탈착을 주기적으로 행하여 특정성분들을 분리하거나 제거시켜 공급 기체로부터 불활성 생성 기체를 생산하는 방법으로, 이 PSA 기술은 흡착베드로 공급 기체를 공급함에 있어 공기압축기에 의해 압축된 공급기체가 고압상태에서 흡착베드를 통과하면서, 특정 성분들이 선택적으로 흡착되고, 흡착이 잘 안되는 성분들은 흡착베드 밖으로 빠져나오게 되며, 불순물로 포화된 흡착베드는 감압되어재생되는데, 즉 고압에서 얻어진 생성물의 일부가 낮은 압력으로 흡착베드를 세척시키는 순환식 다단계 가압공정에 관한 것이다. 상기 압력 가변식 흡착(PSA) 공정은 전형적으로 특정순도의 생성물을 수득하기 위해 순환식 가압, 생성 및 흡착제 베드 또는 처리 대역에서의 재생 단계를 포함한다. 상기 흡착기술은 수소, 헬륨, 아르곤, 일산화탄소, 이산화탄소, 이산화 질소, 산소 및 질소를 비롯한 다양한 기체를 분리/생성시키는데 사용된다. 이러한 흡착기술에서 분리대상이 되는 공급기체로는 공기, 제유소 배가스, 매립, 연료 및 천연기체가 포함된다.
상기 산소발생부(10)에서는 먼저, 팬(13)의 송풍력에 의해 공기가 HEPA필터(11)로 유입되어 미세먼지가 제거된다. 다음으로 공기는 공기압축기(15)로 유입되는데, 이 압축기는 다음의 공정에서 필요한 공기 이송력을 제공하는 역할을 한다. 상기 공기압축기(15)를 통과한 공기는 제습필터(17)를 거쳐 공기 중의 습기를 제거되어 가변밸브(19)로 이송된다. 이 가변밸브(19)에는 하면 중앙에 공기유입구(20a)와 상면에 두 공기배출구(20b,20c), 하면에 상기 공기유입구(20a) 양측의 질소배출구(20d,20e)가 형성되어 있다. 가변밸브(19)의 개방된 공기유입구(20a)로 제습필터(17)를 거친 공기가 유입되고, 다음으로 상기 공기유입구(20a)가 폐쇄됨과 동시에 공기유출구 중 하나(20b 또는 20c)가 개방되어 흡착베드로 공기가 유입된다. 공기는 유출구 20b가 개방될 경우에는 흡착베드 21a로, 유출구 20c가 개방될 경우에는 흡착베드 21b로 유입되어 질소가 제거된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 흡착베드(21a)는 원통형 하우징(61) 내에 분말상 제올라이트(G)가 충진되어 있고, 이 제올라이트(G)의 일측에는 너트(66a), 오링(62a), 출구캡(C1), 압축스프링(S), 고정오링(64a)으로 밀봉된 필터캡(67a) 및 부직포(63a)가 차례대로 지지봉(69)에 끼워져 마감되어 있다. 상기 출구캡(C1)에는 유로와 연통되도록 니플(68a)이 고정되어 있다. 또한 상기 제올라이트(G)의 타측에는 또한 너트(66b), 오링(62b), 입구캡(C2), 고정오링(64b)으로 밀봉된 필터캡(67b) 및 부직포(63b)가 차례대로 지지봉(69)에 끼워져 마감되어 있다. 입구캡(C2)에도 입구 측의 유로와 연통되도록 니플(68b)이 고정되어 있다. 상기 제올라이트(G)는 예를 들어, 4㎏/㎠의 압력으로 가압될 경우 질소를 흡착시킨다.
상기에서 지지봉(69)은 너트(66a,66b), 오링(63a,63b), 입구캡 및 출구캡(C1)(C2), 압축스프링(S), 고정 오링(64a,64b)을 포함하는 필터캡(67a,67b) 및 부직포(63a, 63b)를 내부에서 지지하는 역할을 한다. 상기 필터캡(67a,67b)은 다수개의 구멍이 뚫려 있으며, 그 일면에 부직포(63a,63b)가 부착되어 있어, 제올라이트(G)의 분출을 방지한다. 상기 압축스프링(S)은 가변밸브(19)의 작동에 따라 공기압이 작용할 때 완충작용을 수행하는 것으로, 제올라이트(G)에 의하여 출구캡(C2) 측으로 밀리면서 수축되어 공기압에 따른 충격을 흡수한다. 압축스프링(S)은 가변밸브(19)의 작동이 중지되면 다시 복귀하고, 그 복귀력과 베드(21a 또는 21b)의 출구쪽에서 역류되는 순산소의 압력에 따라 제올라이트(G)도 왼쪽으로 밀려난다.
다시 도 2에서, 상기 흡착베드에 유입되는 공기의 압력은 예를 들어 3.5 내지 4.0 kg/cm2일 수 있다. 흡착베드를 거쳐 일부 질소가 제거된 공기는 각 흡착베드와 연통된 솔레노이드 밸브 중 하나(SV1 또는 SV2)가 개방되면서 저장탱크(23)로 이송된다.
다음으로 흡착베드에 흡착된 질소의 탈락공정은 저장탱크(23)에 저장된 산소 중 일부가 솔레노이드 밸브(SV3)가 개방되면서 오리피스(O)와 역류를 방지하는 체크밸브 중 하나(CV1 또는 CV2)를 거쳐 각 흡착베드로 공급되게 된다. 여기서 오리피스(O)는 저장탱크(17)에서 유출되는 순산소가 일정 유량(예: 20L/min) 만큼 일 흡착베드로 유입되게 하는 기능을 갖는다. 이때 순차적인 마이컴(51)의 제어에 의해 가변밸브(19)에서 흡착베드 21a를 거쳐 저장탱크(23)로 순산소가 유입되었다면, 질소가 탈락되는 흡착베드인 21b는 저장탱크(23)에서 오리피스(O)를 통해 들어오는 일정량의 순산소에 의해 질소가 탈락되고 가변밸브의 상기 유출구 20c가 개방된 후, 폐쇄됨과 동시에 질소배출구 20d가 개방되어 질소가 외부로 배출되게 된다. 또한 다음의 공정 주기에서는 질소가 탈락된 흡착베드인 21b는 순산소를 생산하고, 순산소를 생산하던 흡착베드 21a는 질소가 탈락되어지는 반복공정을 수행하게 된다. 이에 연관되는 각 체크밸브, 흡착베드, 가변밸브와 관련한 설명은 생략한다.
상기와 같은 공정이 수회 반복되면서 농축되는 산소의 농도는 80 내지 95%에 달하게 된다.
다음으로 공기정화부(30)에서의 공기정화 공정은 팬(37)의 이송력에 의해 공기가 다양한 필터로 유입되어 정화된다. 상기 필터의 예로는 공기가 유입되어 거치는 순서대로 미생물과 입자가 큰 먼지를 제거하는 항균/전처리필터(31)와 1.0 내지 2.5㎛ 이하의 미세먼지를 제거하는 HEPA필터(33) 및 공기 내의 악취와 발암물질 등이 포함된 각종 유해가스를 활성탄에 흡착시켜 제거하는 탈취필터(35)일 수 있다. 이와 같은 필터들을 거쳐 정화된 공기는 팬(37)을 거쳐 외부로 대류된다.
다음으로 산소혼합부(40)에서는 상기 산소발생부(10)를 통하여 농축된 산소와 상기 공기정화부(30)를 통하여 정화된 공기의 일부를 혼합시켜 일정 농도의 산소를 포함하는 공기를 외부로 공급한다. 산소발생부(10)의 저장탱크(23)의 산소는 니들밸브(41)에 의해 일정유량(예: 4 내지 5mL/min)이 공급되고, 공기정화부(30)에서 정화된 공기의 일부가 팬(37)을 거쳐 유로상에서 혼합되는데, 공급되는 공기 중의 산소의 농도는 20 내지 25%이다.
다음으로 제어부의 작용을 설명하면, 이 제어부는 크게 마이컴(51), 디스플레이패널(53), 산소센서(55) 및 제어선(도 2에서 가는 실선)으로 이루어지는데, 산소센서(55)는 상기 혼합부(40)로 공급되는 산소의 농도를 감지하여 마이컴(51)으로 전달하고, 이 마이컴(51)은 산소농도 정보를 디스플레이패널(53)에 표시한다.
상기 마이컴(51)은 미리 입력된 프로그램에 의해 상기 산소센서(55)와, 상기 공기압축기(15), 가변밸브(19), 솔레노이드밸브(SV1)(SV2)(SV3), 흡착베드(21a) (21b), 체크밸브(CV1)(CV2), 팬(37), 니들밸브(41), 디스플레이패널(53)의 작동을 제어한다.
또한 사용자가 필요로 하는 기능, 예를 들어 공급되는 산소의 농도는 디스플레이패널(53)에서 마이컴(51)을 통하여 니들밸브(41)를 제어할 수도 있다.
본 발명에 따른 공기정화기는 집진기 대신에 다양한 필터를 사용하여 공기를 정화하므로 소음발생이 적고, 전력소모량이 적으며, 공기정화의 신뢰성을 높이는 효과가 있다.
또한 압력 가변식 흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 기술을 이용하여 산소발생부를 구성함으로써, 보다 간단하고 소형화 된 구조를 갖는 산소발생 겸용 공기정화기를 얻을 수 있음과 아울러, 단순화되고 제어가 용이한 산소발생부를 통하여 산소공급 효율을 높일 수 있다.

Claims (3)

  1. 팬(13)에 의하여 유입되는 공기를 정화하는 HEPA필터(11)와, 이 필터에 의하여 정화된 공기를 압축하는 공기압축기(15)와, 이 압축기를 거친 공기에서 습기를 제거하는 제습필터(17)와, 이 필터를 거친 공기가 일 흡착베드로 이송되어 질소가 제거된 후 일 솔레노이드밸브를 거쳐 저장탱크(23)에서 산소가 저장되고, 저장탱크의 산소 중 일부가 솔레노이드밸브(SV3), 오리피스(O) 및 체크밸브를 거쳐 타 흡착베드로 이송되어 질소를 탈락시키는 과정을 반복하여 산소를 농축시키도록 선택적으로 유로를 개폐하는 가변밸브(19)를 포함하는 산소발생부(10);
    유입되는 공기를 다양한 필터를 통하여 정화시켜 공기의 일부를 팬(37)을 통하여 외부로 대류시키는 공기정화부(30);
    상기 산소발생부(10)를 통하여 농축된 산소와 상기 공기정화부(30)를 통하여 정화된 공기의 일부를 혼합시켜 일정 농도의 산소를 포함하는 공기를 공급하는 산소혼합부(40); 및
    배출 산소의 농도를 측정하는 산소센서(55)와, 상기 공기압축기(15), 가변밸브(19), 솔레노이드밸브(SV1)(SV2)(SV3), 흡착베드(21a)(21b), 체크밸브(CV1)(CV2) , 팬(37), 니들밸브(41) 및 디스플레이패널(53)의 작동을 제어하는 마이컴(51)을 포함하는 제어부를 포함하여 이루어 진 공기정화기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 공기정화부(30)의 필터는
    미생물과 입자가 큰 먼지를 제거하는 항균/전처리필터(31), 1.0 내지 2.5㎛ 이하의 미세먼지를 제거하는 HEPA필터(33) 및 공기 내의 악취와 발암물질 등이 포함된 각종 유해가스를 활성탄에 흡착시켜 제거하는 탈취필터(35)인 것을 특징으로 하는 공기정화기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 산소혼합부(40)에서 혼합되는 산소의 농도는 20 내지 25%인 것을 특징으로 하는 공기정화기.
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