KR20030077064A - 자동차용 산소발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동차 공기정화기, 에어컨 등에 부착되는 산소발생기에 관한 것으로서 자동차에 이미 존재하는 공기압축기에서 발생하는 압축공기를 진공이젝터를 통과시켜 발생된 진공압력으로 제올라이트에 흡착된 질소를 탈착하며, 상기 압축공기와 흡착베드 내의 진공압과의 압력차이를 이용하여 다시 공기를 제올라이트 등의 흡착제에 통과시켜 산소를 분리하여 실내로 공급하는 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 장치는 실내의 공기를 에어필터, 실리카겔, 활성탄과, 제올라이트 등으로 정화되어 흡착베드에 주입될 수 있으며, 상기 압축공기에 의하여 실내로 산소를 공급함으로써 공기정화 기능 또한 가능한 장치에 관한 것이다.

Description

자동차용 산소발생장치{Oxygen Concentrator for the Automobiles}

본 발명은 자동차 공기정화기, 에어컨 등에 부착되는 산소발생기에 관한 것으로서 자동차에 이미 존재하는 압축공기원을 이용하여 진공이젝터로 진공압력을 만들고, 상기 진공압력으로 제올라이트에 흡착된 질소를 탈착한 후, 질소 탈착시발생한 흡착베드와 실내의 기압차를 이용하여 자동차 실내공기를 제올라이트 등의 흡착제에 통과시켜 산소를 분리한다. 베드에 의해 분리된 산소의 배출은 별도의 소형 컴프레서 또는 진공펌프를 사용하여 자동차 실내로 배출할 수 있으나, 이미 존재하는 상기 압축공기원에 의한 압축공기를 에어필터, 실리카겔, 활성탄과, 제올라이트 등을 통과하도록 하여 정화시킨 후, 상기 정화된 압축공기를 상기 과정 후 흡착베드에 주입하여 분리된 산소를 밀어냄으로써 실내로 산소를 공급하는 장치에 관한 것이다. 차량에의 산소공급 방법에는 일반적으로 제올라이트 등의 흡착제를 사용하여 공기의 압력차이를 이용하는 압축스윙흡착(PSA, Pressure Swing Adsorption)과 기체분리막을 사용하는 방법이 사용된다. PSA 방식은 일반적으로 고순도의 산소를 얻는 데에 사용되며, 싸이클 조정에 의해 30~50% 정도의 순도를 가진 산소분리도 가능하다. 이에 따라, 일반적으로 사용되는 고압의 압축 공기에 의한 방법을 자동차에 적용하여 산소를 분리하는 상기 방식에서는, 공기 압축기에 의하여 압축된 고온 고압의 공기가 상대적으로 차가운 실내 공기와 만났을 때 발생하는 결로 현상으로 인하여 PSA 방식에서 일반적으로 사용되는 흡착제인 합성 제올라이트가 수분을 흡수하여 산소 분리 효율이 저하되는 것과, 또한 기체분리막의 경우에도 수분에 의한 효율이 저하되는 것과, 상기 공기 압축기의 경우에 내구성을 고려하여 오일 윤활방식을 사용할 경우에 공기 압축기 내의 윤활유가 압축 공기 중에 섞여 제올라이트, 기체분리막 등을 오염시키는 것과, 무윤활 방식의 콤프레서를 자동차 엔진의 동력으로 구동할 경우 종래의 공기 압축기가 가지고 있는 내구성 문제, 공기를 고압으로 압축했을 때 발생하는 고열 등의 문제, 특히 자동차 전원을사용하는 모터 구동형 콤프레서를 사용할 경우 전류 사용 한계를 해결하는 것이 어렵다.

즉, 압축스윙흡착을 이용한 방식에서는 보통 2 기압 내지 4기압 정도의 압력으로 공기를 압축하여 흡착베드로 공급하여, 베드 내의 흡착제에 의하여 흡착된 질소는 대기압 상태에서 탈착시켜 배출한다. 이러한 공기압축기를 이용한 방식에서는 공기 압축기의 소음발생문제가 심각하며, 특히 자동차에의 적용을 고려하는 경우에는 소음문제 이외에도 상기와 같은 내구성, 전력소비 등의 문제가 발생한다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로, 공지된 PSA 방식의 일종이라 할 수 있는 VSA 방식에 기초하여, 자동차에 이미 있는 압축기에서 생산된 압축공기를 진공이젝터 장치에 통과시킬 때 발생하는 흡인력을 이용하여 제올라이트 등의 흡착제에 흡착된 질소를 탈착하고, 질소를 탈착하면서 발생된 대기압과 흡착베드 내의 기압차이를 이용하여 실내공기를 제올라이트 등의 흡착제 등에 통과시켜 산소를 분리하는 방법이다. 자동차에 설치된 압축공기원과 진공이젝터를 사용하는 방법은 본 출원인에 의하여 적용된 바 있다. 상기와 같이 대기압과 흡착베드 내의 압력차이만으로 산소를 분리하는 경우에는 흡착베드를 통과한 산소의 압력이 매우 작아 이를 실내로 직접 공급하기에는 어려움이 있다. 따라서, 본 발명은 적정량의 압축공기를 정화하여 제올라이트에 주입하는 단계를 사용함으로써 제올라이트를 통과한 산소를 적정압력으로 실내로 공급하는 장치에 관한 것이다.

본 발명은 인체에 적절한 산소농도를 가진 공기를 충분히 공급할 수 있는 장치를 제공함으로써 차량장착에 가장 적합하도록 한다.

본 발명의 산소 발생장치는 상대적으로 소량의 압축공기를 사용함으로써 자동차에 이미 설치되어있는 압축공기원의 사용을 최소화함으로써 자동차 운행에 영향을 미치지 않게 한다.

또한 본 자동차용 산소발생장치는 대기압의 흡입공기를 사용하고 흡착 및 탈착 속도와 효율을 높이기 위해 진공이젝터에서 발생된 150Torr 이하의 절대 진공압력으로 탈착을 수행하고, 자동차의 압축공기를 소량 정화하여 상기 압축공기를 흡착베드에 주입하여 흡착을 도움으로써 압축공기의 압력을 사용하여 분리된 산소를 실내로 공급하게 한다.

자동차에는 엔진으로 구동되는 220Torr 이하의 진공펌프 또는 8bar 이상의 오일윤활방식의 공기 압축기가 구비되어 있다. 만약 오일 윤활방식의 공기 압축기가 부착된 자동차는 그 압축공기를 진공 이젝터로 통과시키면 150Torr의 이하의 흡인력을 발생하는 진공을 간단히 얻을 수 있다. 본 발명은 상기 진공압력과 대기압과의 차이를 이용하여 실내공기를 제올라이트에 흡입할 수 있도록 하여 자동차 압축공기의 소모를 줄이고 필터 및 제올라이트 등의 오염을 방지하고자 함이다.

또한 저압과 진공압을 사용함으로써 고속으로 흡착 및 탈착을 반복할 수 있어 다량의 산소부화공기를 생성하게 한다.

본 발명은 실내공간 및 자동차 실내에 깨끗하게 정화된 공기와 함께 산소를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 이미 있는 압축공기원과 소형 진공이젝터를 사용하여 별도의 콤프레서를 사용하지 않고도 산소를 분리할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

또한 진공과 대기압의 압력차를 이용하여 산소를 분리할 수 있도록 하여 공기 압축기에서 발생하는 뜨거운 압축공기가 차가운 대기와 만날 때 발생하는 결로 현상으로, 제올라이트 등의 흡착제가 습기를 흡착하는 문제를 제거하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 진공과 대기압과의 압력차이를 이용하여 흡착 및 탈착 사이클을 빠르게 할 수 있도록 하여 많은 유량의 신선한 공기를 분리할 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적은 저압을 사용할 수 있도록 하여 종래 압축방식에서 부가되는 고압안전장치, 압력 조정기, 수분 분리기, 진동, 소음 등을 제거하거나 해결하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 산소발생기의 압축기를 모터로 구동했을 때 발생하는 내구성 및 전력소모의 제반의 문제점을 해결하는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 자동차에 이미 부착된 장치를 이용하여 산소를 분리함으로써 소형화, 내구성, 원가절감, 제품의 무게를 해결하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 자동차용 산소발생장치를 나타낸 계통도이다.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

1 ; 공기정화필터2 ; 진공이젝터

3 ; 체크밸브4 ; 진공탱크

5 ; 실외6 ; 공기정화필터

16 ; 블로워19 ; 향 발생기

18 ; 가습기20 ; 음이온 발생기

21 ; 덕트7~15,27,29,31, ; 밸브

24,25,26;흡착베드28,30,32;유속조정밸브

33 ; 자동차에어탱크

상기 목적은, 본 발명에 따라, 실내 에어컨 또는 자동차의 산소공급기능을 갖는 공기정화장치에 있어서; 자동차에 이미 있는 압축공기를 이물질, 박테리아, 냄새 등을 제거하는 공기필터와, 공기 중의 질소를 흡착하여 산소를 얻을 수 있는흡착제와, 상기 흡착제를 포함하는 흡착베드와, 상기 흡착베드의 질소 탈착 효율을 높이기 위한 바이패스 유속조정관과, 흡착 및 탈착을 수행하기 위해 유로를 변경하기 위한 밸브와, 흡착된 질소를 자동차의 압축공기를 이용하여 탈착하기 위한 진공이젝터와 상기 진공이젝터에서 흡입된 압력을 유지하기 체크밸브 및 진공탱크와, 상기 흡착제를 통과한 산소를 일방향으로만 통과하도록 하는 체크 밸브와, 상기 체크 밸브를 통과한 산소를 실내에 부착되어 각자의 취향에 따라 정화된 산소와 함께 향을 발생하는 향 발생기나 보다 쾌적함을 위한 음이온 발생기와, 자동차 실내 습도를 조절하기 위한 가습기와 제어를 위한 컨트롤러와 실내의 산소량 감지를 위한 산소센서에 의해 달성된다.

여기서, 상기 산소를 분리하기 위한 진공압력은 자동차 엔진에 이미 있는 공기압축기에 의해 생성되는 압축공기를 진공이젝터를 이용하여 사용하는 것이 바람직하며, 흡착제에 실내 공기를 유입시키는 것은 대기압과 상기 진공이젝터에 의한 기압차이를 이용하는 것이 바람직하며, 흡착제를 통과하여 분리된 산소는 소형 공기압축기, 블로워, 진공펌프를 사용하여 실내로 공급할 수 있으나 이미 자동차에 있는 압축공기를 소량 정화하여 상기 압축공기를 흡착베드에 공급함으로써 베드로부터 어느 정도의 고순도의 산소를 분리하고 블로워를 통해 적정산소로 혼합하는 것이 바람직하다.

또한, 흡착과 탈착 사이클은 베드의 크기에 결정되나 저압을 사용하므로, 최적화된 별도의 3베드의 경우 3초 이내에 흡착, 탈착, 배출을 모두 행할 수 있다. 실험적 데이터는 전체 사이클은 3초 이내로, 순도 25~40% 정도의 다량의 산소를생산해 낼 수 있다. 이는 기존 압축방식에 의하여 생산되는 산소의 순도(purity)는 낮으나 생산량(productivity)은 결코 떨어지지 않는 것으로 확인된다.

그리고 각 흡착베드 상단에 바이패스 산소 유로를 설치하여 미량의 산소를 바이패스 시키면 5% 이상의 산소 순도를 높일 수 있다.

상기 밸브는 솔레노이드 밸브를 사용할 수 있으나, 공지된 바와 같이 설정된 시간마다 각 유로를 변경하는 모터 회전식 밸브를 사용하면 1개의 회전 밸브로 도1에 도시된 모든 밸브를 대체할 수 있으며 소음과 내구성을 높일 수 있어 바람직하다.

한편, 본 발명의 구성요소와 함께, 컨트롤러는 모터 회전식 밸브를 사용하면 제거할 수 있으나 자기진단 자동제어 등을 위해 컨트롤러를 내장하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 산고발생장치를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 1은 본 발명에 따른 장치를 나타낸 계통도이다.

본 산소공급기능을 갖는 자동차용 공기정화장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 차량의 실내외 또는 에어컨에 설치되며, 자동차에 이미 있는 공기압축기로부터 생성된 압축공기(33)의 이물질을 걸러주는 공기정화필터(6)와, 상기 자동차 공기압축기에서 생성된 압축공기(33)를 유속을 높여 실외(5)로 배출하여 흡인력을 생성하는 진공이젝터(2)와 진공 효율을 높이기 위한 체크밸브(3) 및 진공탱크(4)와, 압축공기와 진공을 유로를 전환하며 흡착 및 탈착을 제어하는 밸브(7~15)와, 공기를 통과시켜 질소를 흡착시키는 흡착제를 내부에 가지는 흡착베드(24,25,26)와, 상기 흡착베드간 산소유로관인 바이패스 유로(28,30,32)와, 상기 흡착 베드를 통과한 산소를 실내로 공급하기 위해 제어되는 밸브(27,29,31)와, 상기 밸브(27,29,31)를 통과한 산소부화 공기는 실내에 공급하는 배출모듈(21)로 구성된다. 선택적으로 상기 배출모듈(21)은 상기 산소탱크로부터 배출되는 산소를 음이온 발생기(18)나 향 발생기(19), 가습기(20)를 구비하여 통과시켜 자동차 실내로 배출함으로써 보다 쾌적함을 느끼도록 할 수 있다.

또한, 선택적으로 상기 자동차의 실내공간에 마련되어 실내의 산소함량을 감지하는 산소센서(23)와, 상기 산소센서(23)의 산소함량을 인지하고 이에 따라 상기 각각 제어하는 컨트롤러(22)가 구비된다. 여기서, 상기 컨트롤러(22)에는 사용자의 조작명령을 처리하기 위한 부분이 구성된다.

상술한 바와 같은 산소발생장치의 동작은 다음과 같다.

도1과 같이 3개의 흡착베드로 구성한 시스템에서 첫 번째 사이클이 첫 번째 흡착베드(24)가 진공압에 의한 질소 탈착 타임이라고 가정하면, 두 번째 흡착베드(25)는 실내공기를 흡입하는 흡착 타임이 되며, 세 번째 흡착베드(26)는 산소를 토출하는 배출 타임이 된다.

두 번째 사이클은 첫 번째 흡착베드(24)는 공기 흡착 타임이 되며, 두 번째 흡착베드(25)는 산소를 토출하는 배출 타임이 되고, 세 번째 흡착베드(26)는 탈착 타임이 된다.

세 번째 사이클은 첫 번째 흡착베드(24)는 배출 타임, 두 번째 흡착베드(25)는 탈착 타임, 세 번째 흡착베드(26)는 흡착 타임이 된다. 이와 같이, 상기 세 싸이클이 계속하여 반복되게 된다.

첫 번째 흡착베드를 기준으로 좀더 상세히 설명하면 흡착베드(24)가 탈착 타임일 때는 밸브(8)가 열려 흡착베드(24) 내에 흡착된 질소를 진공압력에 의하여 탈착하여 자동차 외부로 배출하게 되며, 이어서 진공상태로 있던 흡착베드(24)가 흡착 타임이 되면 밸브(7)가 열리며 대기압과 흡착베드 내의 압력차이에 의해 공기정화필터(1)를 통과한 실내공기가 유입된다. 이때 공기정화필터(1)를 통과한 공기는 흡착베드(24)의 흡착제를 통과하면서 질소가 흡착되어 산소가 분리한다. 이어서, 밸브(9,27)는 열리게 되며 공기정화필터(6)를 통과한 자동차 압축공기는 밸브(9)를 통과하여 흡착베드(26) 내의 흡착제에 의해 질소가 흡착되고 산소만을 밸브(27)를 통하여 배출하고, 후단에 음이온 발생기(18), 향 발생기(19), 가습기(20) 등의 장치에 의해 발생한 음이온, 향기, 습기와 신선한 산소부화공기를 자동차 실내로 공급하게된다. 이때 블로워(16)는 선택적으로 상기 산소부화공기와 공기정화필터(1)를 통과한 공기를 혼합하여 실내로 배출할 수 있다. 상기 실내공기를 흡입하는 공기정화필터(1)는 반드시 실내에 설치될 필요는 없으며, 산소공급기능 만을 강조한다면 실외로부터 공기를 유입해도 무방하다. 또한, 소량의 압축공기의 압력을 이용하여 베드 내의 압력상을 도와 배출 효율을 증가시키는 상기과정 또한 생략되어, 단지 대기압과 흡착베드 내의 진공압에 의한 흡착 및 배출과정을 수행할 수도 있다. 진공이젝터(2)를 제거하는 경우는 통상의 공기압축기를 사용하여 흡착베드 내에 공기를 주입하는 방법이므로 이는 본 출원인에 의해 출원된 명세서에 이미 기술되어 있다.

유속조정관(28,30,32)은 고순도의 산소를 탈착 타임에 흡착베드에 유입되도록 하여 세정작용을 하여 질소 탈착을 돕는다.

이와 동일한 과정을 통하여 흡착베드(24,25,26)는 질소탈착, 질소흡착, 산소배출과정을 반복함으로써 연속적으로 산소를 생산할 수 있게 된다. 압축공기 용량과 생산유량을 고려하여 흡착베드(24,25,26) 개수는 가감할 수 있다.

흡착배드 입력단의 밸브(7~15)와 출력단의 밸브(27,29,31)는 통상의 솔레노이드 밸브를 사용하면 그 개수와 제어가 어려워지므로, 공지된 회전밸브를 사용하여 일체형으로 제작하는 것이 바람직하다.

본 발명에 의한 장치는 적정 농도를 가진 산소부화공기를 생산하고, 집진기, 흡착제, 활성탄, 음이온 발생기, 향 발생기 가습기를 통과하도록 함으로써 자동차 실내공기를 최적상태로 정화하는 효과가 있다.

본 발명에 의한 장치에 의하여 운전자 및 탑승자는 졸음방지 및 산소부족으로 인한 사고방지의 효과가 있다.

본 발명은 고가의 산소발생기용 에어콤프레서를 부착하지 않아도 되는 효과가 있다.

본 발명은 저압의 압축공기를 사용할 수 사용할 수 있도록 하여 공기 압축기에서 발생하는 뜨거운 압축공기와 차가운 대기와 만날 때 발생하는 결로 현상으로, 제올라이트 등의 흡착제가 습기를 흡착하는 문제를 제거하는 효과가 있다.

본 발명은 자동차에 이미 있는 압축공기를 사용함으로써 콤프레서를 사용할때 발생하던 산소발생기의 내구성 및 전력소모의 소음 등의 제반 문제점을 해결하는 효과가 있다.

본 발명은 저압과 진공을 사용함으로써 흡탈착 사이클을 빠르게 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 저압을 사용하여 종래 압축방식에서 부가되는 고압안전장치, 압력 조정기, 수분 분리기, 진동, 소음 등을 제거하거나 해결하는 효과가 있다.

본 발명은 자동차에 이미 부착된 장치를 이용하여 산소를 분리함으로써 소형화, 내구성, 원가절감, 제품의 무게 반영구적인 내구성을 제품을 만들 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

1. 자동차의 실내외 공기를 흡입하고 실외로 배출하기 위한 실내외흡입/배출구와, 상기 흡입구와 배출구 사이에 형성된 공기유로를 구비한 산소발생장치에 있어서;

   상기 공기 흡입구와 인접하게 배치되어 있으며, 공기를 흡입하여 그 공기로부터 이물질을 제거하는 공기정화필터와;

   상기 공기를 흡입하기 위하여 흡입력을 제공하는 진공펌프수단과;

   상기 공기필터와 연결되어 공기로부터 질소를 주로 흡착하는 흡착제를 구비하고 공기로부터 산소를 분리하기 위한 흡착베드와;

   상기 흡착베드의 공기 입력단과 연결되어 공기의 유로를 바꿔주며, 흡착베드의 공기 출력단과 연결되어 산소배출을 제어하는 밸브수단과;

   상기 흡착베드간 산소 바이패스 유로 수단과; 그리고

   상기 흡착베드를 통과한 산소부화공기를 실내로 배출하는 펌프수단을 포함하며,

   상기 흡착베드는 진공스윙흡착 방식에 기초하여 상기 밸브수단에 의해 유로를 전환하여 교대로 탈착, 흡착, 배출 단계를 수행함으로써 흡입공기로부터 산소부화공기를 생성하여 실내로 공급하는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 산소배출은 차량에 설치되어 있는 공기압축기에 의해 발생한 압축공기에 의해 소량의 압축공기를 흡착베드 내로 주입함으로써 흡착효율 증가 및 압축공기가 산소배출을 위한 펌프수단의 기능을 갖는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 진공펌프수단은 차량의 에어탱크와 연결되어 진공이젝터 수단으로 기능을 수행하는 것을 특징으로 산소발생장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 진공이젝터와 연결된 진공탱크를 구비하여 상기 진공펌프수단의 보조 기능을 수행하는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
5. 제 3 항에 있어서, 컨트롤러와 실내에 산소센서를 더 구비하여 실내의 산소농도를 감지하고 이 신호에 따라 컨트롤러가 산소발생량을 조절하는 것을 특징으로 하는 산소공급기능을 갖는 공기정화장치.
6. 제 3 항에 있어서, 산소토출부에 향발생기나 음이온 발생기, 가습기를 더 구비하여 실내에 산소부화공기를 공급함으로써 쾌적함을 더하는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 진공펌프는 수단은 엔진의 크랭크 축이나 풀리를 통하여 직접 연결된 오일윤활방식의 공기압축기의 압축공기를 이용하는 진공이젝터임을 특징으로 하는 산소발생장치.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 공기 흡입부를 실내에 배치하여 실내공기가 상기 공기정화필터를 통과하도록 함으로써 공기정화의 기능을 더 갖는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 유로를 전환하는 밸브는 모터로 구동되는 회전식 밸브임을 특징으로 하는 산소발생장치.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 산소부화공기를 배출하는 펌프수단은 모터로 구동되는 소형 장치임을 특징으로 하는 산소발생장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 모터에 구동되는 소형 펌프수단은 상기 공기정화필터를 통과한 정화 공기와 상기 산소부화공기를 혼합하여 실내로 공급하는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.