KR200313568Y1 - 고효율 산소발생장치 - Google Patents

Abstract

기체분리막 모듈로 유입되는 공기의 수분을 효과적으로 제거하여 기체분리막 모듈의 성능 및 수명을 크게 향상시키기 위해서, 공기압축기와, 하우징, 하우징 내에서 하우징과 평행하게 배치되어 공기압축기에서 이송된 습윤 공기에서 수분을 제거하여 건조한 공기를 배출시키는, 다수의 제습막을 포함하는 제습막 모듈과 제습막 모듈로부터 나온 건조한 공기로부터 산소를 발생시키기 위한 기체분리막으로 채워진 기체분리막 모듈을 포함하고, 기체분리막 모듈로부터 배출된 건조한 산소를 제외한 공기, 즉 질소는 제습막 모듈로 피드백되어 제습막모듈을 재생시키도록 되어 있는 산소발생장치가 개시된다.

Description

고효율 산소발생장치{High-efficiency oxygen generating apparatus}

본 고안은 산소발생장치에 관한 것으로, 특히 산소를 발생시키는 기체분리막 모듈로 유입되는 공기 중에서 수분을 효과적으로 제거할 수 있는 제습막 모듈을 가진 고효율 산소 발생장치에 관한 것이다.

최근 들어서 자동차 매연 등의 대기 환경 오염의 증가로 인해 실내에 산소 농도가 높은 신선한 공기를 공급하는 산소발생장치의 필요성이 증가하고 있다. 최근 들어 산소 발생 장치의 응용이 확대되고 있는 분야로 가정용 정수기, 에어컨,차량용 산소발생장치, 가정의 실내환기용 산소발생장치, 가습기 등이 있다.

일반적으로 산소를 생산하는 방법으로는 흡착제를 이용하는 방법(Pressure Swing Adsorption:PSA)과 기체의 확산, 투과 속도 차이를 이용하는 기체분리막법(Gas Separation Membrane)등이 있다. 흡착체법은 약 50% 이상의 고순도 산소를 얻기에 적합한 면이 있으나, 장치가 복잡하고 제작비가 상대적으로 많이 들기 때문에, 중소형 규모의 산소발생장치로는 장치가 간단하고 비용이 적게드는 기체분리막법을 이용한 산소발생장치의 사용이 크게 확대되고 있는 실정이다.

도 1과 도 2를 참고로 하여 종래 기술에 따른 흡착제법을 이용한 산소발생장치를 설명한다.

도 1은 중공사형 기체분리막법을 이용한 산소발생장치로서, 하우징(37)내에 중공사형 기체분리막(33)들이 수천 가닥 이상 다발로 집속되어 채워져 있는 기체분리막 모듈(30), 기체분리막 모듈(30)에 공기를 유입하기 위한 공기압축기(20), 공기압축기(20)로부터 나온 공기에서 큰 입자의 수분을 제거하기 위한 수분필터(11), 외부로부터 공기압축기(20)로 유입되는 공기 중에서 큰 먼지 등의 입자를 제거하기 위한 전처리필터(10), 그리고 압력조절밸브(40)등을 포함한다.

유입되는 외부 공기는 전처리필터(10)를 거쳐 먼지 등의 불순물 입자들이 제거되고, 공기압축기(20)에 의해 압축되며 압축된 공기의 수분은 수분필터(11)를 통해 제거되어, 수분이 제거된 건조한 압축공기는 유입구(31)를 통해 기체분리막 모듈(30)로 유입된다. 건조 공기는 중공사형 기체분리막(33)을 거치면서 배출구(34)로는 건조 질소를 내보내고 토출구(35)로는 건조 산소를 내보낸다. 이후 호흡을 위해 건조 산소는 물통(미도시) 등과 같은 가습 수단을 거치게 된다.

그런데, 중공사형 기체분리막법을 이용한 산소발생장치는 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. 기체분리막 모듈(30)로 유입되는 공기가 수분필터(11)를 거치더라도, 수분필터(11)에서 걸러지지 못한 작은 입자의 수분이 유입 공기에 다량 함유되게 되어 있다. 그런데 기체분리막(33)은 수분에 약하므로, 이러한 다량의 수분을 효율적으로 제거하지 못하면 기체분리막 모듈(30)의 공기유입구(31)와 기체분리막 모듈(30)의 에폭시포팅층(38) 사이의 공간(32)에 수분이 누적되게 되고, 나아가 점차적으로 중공사막(33)의 내부 표면이 수분에 의해 오염되게 된다. 이로 인해 기체분리막(33)이 활성을 잃게 되어 그 고유의 성능을 발휘하지 못하여 궁극적으로는 산소토출구(35)를 통해 나오는 산소의 순도가 낮아지며 산소발생량도 적어지게 되는 문제점을 안고 있다.

또한, 수분이 다량 함유된 공기가 중공사형 기체분리막(33)을 투과하여 산소토출구(35)로 산소가 나올 때, 중공사형 기체분리막(33)의 외부 표면에도 수분이 점차 누적되거나 기체분리막 모듈(30)의 산소토출구(35)와 이에 연결되는 배관호스(36)의 내부에도 수분이 쌓이게 되어, 산소가 오염되므로 이 또한 기체분리막 모듈(30)의 성능을 크게 저하시키게 된다.

또한, 이러한 문제는 팬과 같은 블로워를 이용하여 외부 공기를 유입받는 평막형 기체분리막을 이용한 산소발생장치에서도 발생하게 된다. 도 2를 참조하면, 평막형 기체분리막을 이용한 산소발생장치는, 블로워(60), 하우징(36') 내에 기체분리막(31')이 다수 배치되어 있는 평막형 모듈(30'), 평막형 모듈(30')로부터 나온 건조한 공기를 흡입하는데 사용하는 진공펌프(80)를 포함한다. 한편, 블로워(60)는 평막형 모듈(30')에 전단에서 축방향으로 배치되어 있으며, 그리고 평막형 모듈(30')에는 평막형 모듈(30')로부터 나온 산소가 배출되는 배출구(32')가 마련되어 있다. 그리고 참조번호 35'는 기체분리막(31')을 고정시키기 위한 에폭시포팅층이다.

외부공기는 블로워(60)를 통해 압축되지 않은 상태로 개방된 일단을 통해 평막형 모듈(30')로 유입되고, 평막형 모듈(30')에서 산소 또는 질소는 투과되어 산소토출구(32')를 통해 평막형 모듈(30') 외부로 배출되게 되고, 기체분리막(31')의 박면에 차압을 형성하기 위해 공기를 흡입하는데 사용되는 진공펌프(50)와 냉각/수분 제거기(미도시)를 거친 뒤 원하는 산소가 배출되게 된다. 그런데, 도 1의 산소발생장치에서와 유사하게 산소토출구(32')와 진공펌프(80)의 사이에 있는 호스(33')와 진공펌프의 후단에 있는 호스(34')의 내부에도 수분이 응축되게 되어, 발생되는 산소순도와 산소발생량이 감소되게 된다.

따라서 본 고안의 목적은, 기체분리막 모듈로 유입되는 공기의 수분을 효과적으로 제거하여 기체분리막 모듈의 성능 및 수명을 크게 향상시킨 산소발생장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 중공사막형 산소발생장치의 개략도를 나타낸다.

도 2는 종래 기술에 따른 평막형 산소발생장치의 개략도를 나타낸다.

도 3은 본 고안의 일 예에 따른 산소발생장치의 개략도를 나타낸다.

도 4는 본 고안의 다른 예에 따른 산소발생장치의 개략도를 나타낸다.

본 고안의 목적을 달성하기 위한 산소발생장치는, 공기압축기와, 하우징, 하우징 내에서 하우징과 평행하게 배치되어 공기압축기에서 이송된 습윤 공기에서 수분을 제거하여 건조한 공기를 배출시키는 다수의 제습막을 포함하는 제습막 모듈과 제습막 모듈로부터 나온 건조한 공기로부터 산소를 발생시키기 위한 기체분리막으로 채워진 기체분리막 모듈을 포함한다.

그리고, 기체분리막 모듈로부터 배출된 건조한 산소를 제외한 공기, 즉 질소는 제습막 모듈로 피드백되어 제습막모듈을 재생시키도록 되어 있으며, 제습막은 습윤 공기에서 습기만을 효율적으로 투과시키는 중공사막으로 이루어질 수 있다.

한편, 공기압축기는 투헤드에어컴프레서로 이루어져 있으며, 투헤드에어컴프레서의 한 쪽의 헤드로는 외부공기를 압축하여 압축된 습윤 공기를 제습막 모듈로 보내고, 다른 한 쪽의 헤드로는 기체분리막 모듈에서 배출되는 산소를 흡입하도록 되어 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 고안을 상세히 설명한다. 도 1 및 도 2 그리고 이하에서 설명될 도 3 및 도 4에서 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 참조 번호가 부여되었다.

도 3은 본 고안의 일례에 따른 산소발생장치를 나타내는 것으로서, 종래 기술에 따른 산소발생장치와 다른 점은, 기체분리막 모듈(30)로 유입되는 공기의 수분을 제거하기 위한 수분필터(도 1의 11) 대신에 제습막모듈(50)을 기체분리막 모듈(30)의 앞 부분에 배치한 점이다. 즉, 본 고안의 일예에 따른 산소발생장치는, 외부로부터 공기압축기(20)로 유입될 수 있는 미세한 먼지 등의 이물질을 제거하기 위한 전처리필터(10), 공기압축기(20), 압축된 공기에서, 습기만을 효율적으로 투과시키는 중공사막 형태의 제습막(53)을 포함하는 제습막모듈(50), 제습막모듈(50)을 통해 배출된 건조한 공기가 유입되어 산소를 발생시킬 수 있는 기체분리막(33)들이 적재되어 채워져 있는 기체분리막 모듈(30)을 포함한다.

기체분리막 모듈(30)은 하우징(37), 하우징(37) 내에 채워져 있는 다수의 기체분리막(33), 제습막 모듈(50)로부터 나온 건조 공기가 관(L2)을 통해 유입되는 유입구(31), 건조 질소가 배출되는 배출구(34)로 이루어져 있다.

제습막 모듈(50)은, 하우징(57), 관(L1)을 통해 외부의 습윤한 공기가 유입되는 공기유입구(51), 건조공기가 배출되는 건조공기배출구(54), 하우징(57)내에서 서로 평행하게 배치되며 습기만을 효율적으로 투과시키는 중공사막 형태의 제습막(53), 제습막(53)을 통해 습기를 외부로 배출시키는 수분배출구(56) 및 하우징(57) 내에서 제습막의 상부 및 하부를 고정시키기 위한 에폭시포팅층(58, 59)으로 구성되어 있다. 중공사막 형태의 제습막(53)은 기체의 확산, 투과 속도의 차이를 이용하는 것으로서, 공기 중의 기체 상태의 수분을 산소나 질소 성분에 비해 효과적으로 투과, 배출시킬 수 있도록 되어 있다. 즉, 투과속도가 상대적으로 느린 건조공기는 중공사막을 투과하지 못하여, 건조공기배출구(54)를 통해 배출된 건조 공기는 관(L2)을 경유하여 기체분리막 모듈(30)로 유입되고, 투과속도가 상대적으로 빠른 수분은 중공사막을 투과하여 제습막 모듈(50)의 수분배출구(56)를 통해 외부로 배출되게 된다. 이러한 방법에 의해서 기체분리막 모듈(30)로 유입되는 공기가 건조해지기 때문에 기체분리막(33)의 표면에 수분이 응축되지 않으며, 또한 산소발생배출구(35) 및 이에 연결된 호스(36) 내에도 수분이 맺히지 않게 된다.

따라서, 기체분리막(33)이 수분에 의해 오염되어 활성을 잃게 되는 일이 예방될 수 있으므로, 산소발생 효율이 감소하지 않으며, 기체분리막의 수명도 또한 단축되지 않으므로, 경제적으로도 유리하다.

한편, 제습막모듈(50)에 의해 기체분리막(33)에서의 수분발생 문제가 해결되었으나, 외부로부터 다량의 수분이 제습막모듈(50)에 지속적으로 유입되면 제습막(33)의 외부표면에 수분이 응축되어 제습효율이 감소하게 될 수 도 있다. 제습막 모듈(50)의 제습 효율의 감소는 연쇄적으로 제습막 모듈(50)의 후단에 있는 기체분리막 모듈(30)의 기체분리막(33)의 수명 단축과 산소발생율의 감소를 초래하는데, 이러한 문제들은 기체분리막 모듈(30)로부터 나온 건조 질소를 제습막 모듈(50)로 공급함으로써 해결할 수 있다.

구체적으로 살펴보면, 습윤공기가 유입구(51)를 통해 제습막모듈(50) 내부로 유입되어 중공사막 형태의 제습막(53)을 통과하면서, 수분이 수분배출구(56)를 통해 외부로 배출되고 건조공기는 건조공기배출구(54)를 통해 제습막모듈(30)의 외부로 배출된다. 이때 일정 시간이 경과하면 제습막(33) 표면에 수분이 응축될 수 있는데, 이러한 경우를 방지하기 위해, 기체분리막 모듈(30)을 통과하여 건조질소배출구(34)를 통해 배출되는 건조한 질소를 관(L3)을 통해 제습막 모듈(53)의 일 측의 입구(55)로 피드백 시킨다. 그러면, 제습막 모듈(50)로 유입된 건조한 질소는 제습막(53) 표면에 응축되어 있는 수분을 제거하게 된다. 따라서, 제습막모듈(50)이 지속적으로 그의 기능을 발휘할 수 있게 된다.

전술한 제습막 모듈(50)은 투헤드에어컴프레서(70)를 채용한 산소발생장치에도 적용될 수 있으며, 그러한 산소발생장치가 도 4에 도시되어 있다. 도 4의 산소 발생 장치는, 외부 공기로부터 먼지 등의 불순물을 제거하는 전처리 필터(10), 일 측의 헤드로는 외부의 공기를 유입받아 압축하며 타측의 헤드로는 기체분리막 모듈(30)로부터 나온 건조한 산소를 흡입하는 투헤드 에어컴프레서(70), 투헤드 에어컴프레서(70)에 의해 압축된 외부 공기를 유입받아 습기만을 효율적으로 투과시키는 중공사막 형태의 제습막(53)을 포함하는 제습막모듈(50) 및 제습막모듈(50)을 통해 배출된 건조한 공기가 유입되어 산소를 발생시킬 수 있는 기체분리막(33)들이 적재되어 채워져 있는 기체분리막 모듈(30)을 포함한다.

투헤드 에어 컴프레서(70)는 한 개의 모터(71), 외부 공기를 받아 압축하는 제 1 헤드(73), 기체분리막 모듈(30)로부터 나온 건조한 산소를 유입받아 감압하는 제 2 헤드(72)로 이루어져 있으며, 제 1헤드(73)에는 외부 공기 유입구(77)와 배출구(76)가 형성되어 있고, 제 2 헤드(72)에는 기체분리막 모듈(30)의 건조 산소 유입구(74) 및 배출구(75)가 형성되어 있다. 그 외의 전처리 필터(10)나 제습막모듈(50), 그리고 기체분리막 모듈(30)의 구체적인 구성은 도 3의 것과 동일하므로 여기서는 설명을 생략한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 기체분리막을 이용한 산소발생장치에서, 기체분리막 모듈(30)의 전단에, 습윤공기에 포함된 수분을 제거하여 건조공기만을 배출하는 제습막모듈(50)을 배치함으로써, 기체분리막 모듈(30)로 유입될 수 있는 수분을 효과적으로 제거하여 기체분리막(33)의 성능과 수명을 연장시켜 산소발생 효율을 지속적으로 유지시킬 수 있다. 또한, 기체분리막 모듈(30)을 통해 배출된 건조한 질소를 제습막모듈(50)로 피드백하여 제습막(53)의 외부표면에 응축된 수분을 효과적으로 제거시켜 제습막모듈(50)을 재생시켜 제습 성능을 유지시킬 수 있게 되었다.

지금까지 본 고안의 구성 및 원리에 대하여 설명하였으나 본 고안은 이에 한정하는 것은 아니며, 명세서에 기재되고 청구된 원리의 진정한 정신 및 범위 안에서 수정 및 변경할 수 있는 여러 가지 실시형태는 본 고안의 보호범위에 속하는 것임을 이해해야 할 것이다.

Claims (5)

1. 공기압축기,

   하우징, 상기 하우징 내에 배치되어 상기 공기압축기에서 이송된 습윤 공기에서 수분을 제거하여 건조한 공기를 배출시키는 다수의 제습막을 포함하는 제습막 모듈, 및

   상기 제습막 모듈로부터 나온 건조한 공기로부터 산소를 발생시키기 위한 기체분리막으로 채워진 기체분리막 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 기체분리막 모듈로부터 배출된 건조한 산소를 제외한 공기가 상기 제습막 모듈로 피드백되어 상기 제습막모듈을 재생시키도록 된 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제습막은 습윤 공기에서 습기만을 효율적으로 투과시키는 중공사막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 공기압축기는 투헤드에어컴프레서로 이루어져 있으며, 상기 투헤드에어컴프레서의 한 쪽의 헤드로는 외부공기를 압축하여 압축된 습윤 공기를 상기 제습막 모듈로 보내고, 다른 한 쪽의 헤드로는 상기 기체분리막 모듈에서 배출되는 산소를 흡입하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 산소발생장치.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 공기압축기의 전단에 설치하여 외부로부터 유입될 수 있는 먼지 등의 이물질을 제거하기 위한 전처리 필터가 더 포함된 산소발생장치.