KR200379581Y1 - 산소농축기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 소형 산소농축기에 관한 것으로, 특히 흡착제에 압력을 가하여 혼합공기로부터 질소를 흡착시키고 산소를 농축하는 압력스윙방식에 기초하여 운전되는 산소농축기에 관한 것이다. 본 고안은 95%이상의 의료용 산소보다는 일반 공기조화용 농축산소 공급용에 적합하다. 본 고안에 의한 장치는 흡착제의 수분흡수 성질로 인한 흡착성능 저하와 토출되는 농축산소의 저습도 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.

Description

산소농축기{oxygen concentrator}

본 고안은 소형 산소농축기에 관한 것으로, 특히 특정기체에 대하여 흡착력이 다른 흡착제를 사용하여 혼합공기로부터 선택적으로 산소를 분리하여 농축시키는 장치에 관한 것이다.

흡착제를 사용하여 산소를 농축시키는 기술은 1950년대에 산업용 산소를 생산하기 위하여 개발되어 계속되어 부품 및 공정개발이 이루어져 왔으며, 근래에는 의료용을 비롯하여 가정용에 적용되어 오고 있다. 통상적으로 흡착제는 질소에 대한 흡착력이 산소보다 상대적으로 큰 제올라이트를 사용하고 있으며, 그 운전방법은 공기압축기의 압축공기를 사용하여 흡착제에 압력차이를 가하는 압축스윙흡착(PSA,Pressure Swing Adsorption) 방식을 사용한다. 이러한 PSA 방식은 매우 널리 알려져 있으며, 최근 진공스윙흡착(VSA)공정에 의한 산소농축기도 나오고 있으나 의료용의 경우는 거의 이 방식을 채택하여 운용하고 있다. 이러한 방식에 의한 산소농축기는, 분리막을 사용하여 분리하는 경우와는 달리 흡착제가 수분에 약하며 수분을 흡수하는 성질이 있어 매우 건조한 농축산소가 생산되어 이에 대한 주의가 요구된다.

도 1은 이러한 PSA 방식에 의한 산소농축장치를 단순화한 도식도로서, 그 동작은 다음과 같다. 먼지등의 이물질을 걸러주는 필터(1)를 통과한 혼합공기는 공기압축수단(2)으로 들어가 압축되어 배출되며, 상기 압축된 공기는 뜨거워 지므로 열교환장치인 냉각기(3)를 거치게 된다. 냉각기(3)를 통과한 혼합공기는 밸브수단(4)을 통과하여 흡착모듈(5)로 들어가게 되고 이중 질소는 대부분 흡착제에 흡착되고 남은 농축된 산소는 산소탱크(6)에 모이고 압력에 따라 유량조절기(7)를 거쳐 외부로 공급되게 된다. 흡착된 질소는 밸브수단(4)의 유로변경에 따라 외부로 배출되게 된다. 통상적으로 흡착모듈(5)은 두개 이상의 흡착용기를 연결하여 사용된다.

상기와 같은 흡착제를 사용하는 산소농축기는 본질적으로 수분이 제거된 매우 건조한 농축산소를 배출하게 된다. 따라서, 의료용과 같은 환자에게 적용될 때에는 반드시 물을 통과시켜 적정 습도를 유지시켜 공급하게 된다. 산업용에서는 본질적으로 수분에 약한 흡착제를 장기간 사용하기 위하여 상기 공기압축수단(2)과 밸브수단(4) 사이에 별도의 필터수단을 장착하여 최대한 수분을 제거하는 방법을 사용하며, 일반 가전용에서는 환경이 열악한 곳에 설치될 때에 별도의 필터수단을 부착하게 된다.

상기와 같이 종래의 흡착제를 사용하는 소형 산소농축기는 매우 건조한 농축산소를 발생하며, 흡착제가 수분에 약하여 장기적으로 흡착제를 사용하기 위해 일부러 수분을 제거하여 흡착모듈에 혼합공기를 공급하고, 다시 수분을 첨가하여 사용자에게 공급하는 단점이 있다. 또한, 별도의 수분제거 필터를 장착하였을 경우에 이를 통하여 빠져나오는 수분 및 혼합공기는 에너지 낭비로서 전체 장치의 효율을 저하시키는 단점이 있다.

본 고안은 상기와 같은 종래의 산소농축기의 단점을 보완한 것으로, 원래의 혼합공기가 가지고 있는 수분을 공급자에게 그대로 공급하는 장점을 가진 장치를 구현하는 데에 그 목적이 있다.

본 고안은 정화된 공기를 수분제거를 위해 그대로 낭비하지 않고 실내 공기조화용에 사용함으로써 전체 장치의 효율을 증가시키는 장치를 구현하는 데에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 혼합 공기로부터 먼지등의 불순물을 걸러주는 필터와, 압축공기를 제공하는 공기압축수단과, 미세먼지는 물론 수분을 걸러주는 수분필터와, 압축되어 뜨거워진 공기를 냉각시키는 냉각수단과, 상기 냉각된 공기를 흡착제로 공급하는 유로를 제공하는 밸브수단과, 상기 흡착제를 포함하는 용기와 체크밸브등으로 구성되어 질소를 흡착하고 농축된 산소를 제공하는 흡착모듈과, 상기 수분필터에 의해 걸러진 공기를 통과시키는 수분추가수단과, 상기 농축산소를 저장하는 산소탱크와, 산기 농축산소의 공급유량을 조절하는 유량조절수단으로 구성된다.

도 2는 상기와 같은 구성을 나타낸 도면으로서, 그 동작은 다음과 같다.

종래에 기술에 의한 도 1에서 추가로 부가된 수분필터(8)를 중심으로 살펴보면, 공기압축수단(2)으로부터 배출된 압축공기는 수분필터(8)로 들어가게 되고, 여기서 수분이 걸러지게 된다. 수분이 걸러진 건조공기는 냉각기(3)로 공급되어 밸브수단(4)을 거쳐 흡착모듈(5)로 공급되게 된다. 도 3은 종래기술에 의한 통상의 수분필터를 도시한 것으로, 공기압축수단(2)으로부터 공급된 혼합공기는 수분필터(8)의 흡입구(9)로 들어가 필터요소(12)를 거치게 되고, 수분은 필터케이스(11)의 하단에 모이고 건조된 공기는 수분필터(8)의 배출구(10)를 통하여 나가게 된다. 종래에 기술에서 이러한 수분필터(8)를 추가로 설치하는 경우는 산업용이나 의료용과 같이 장기간 사용하거나 흡착제의 보다 완전한 보호를 위하여 설치하는 경우로, 다단계의 수분필터와 미세먼지 제거를 통하여 흡착제의 수명을 연장하여 준다. 따라서, 종래의 기술에 의한 수분필터 추가시에 필터케이스(11) 하단에 수분이 모이게 되고, 이러한 일정량의 모여진 수분은 배출수단(13)에 의하여 배출구(14)를 통하여 외부로 배출하게 된다. 이러한 배출수단(13)은 부력에 의한 배출구(14) 개방에 의해서나, 전기적인 별도의 장치에 의하여 정해진 시간마다 강제적으로 수분을 배출하는 방법에 의하여 이루어진다. 상기 배출구(14)는 외부로의 수분배출 이상의 기능은 담당하지 않게 된다.

본 고안에 의한 장치의 연결구조 및 구성을 살펴보면, 수분필터(8)의 배출구(14)를 통하여 수분추가수단(50)에 연결되고, 상기 수분추가수단(50)을 통과한 수분을 포함하는 통상적인 공기는 상기 산소탱크(6)로 공급되어 유량조절기(7)를 거쳐 목적공간으로 분사되게 된다. 여기서 상기 수분추가수단(50)과 유량조절기(7)는 일반적인 공압용 유량조절밸브를 사용하거나, 사용처의 공급산소농도와 유량이 고정되어 있는 경우에는 고정된 구경을 가지는 오리피스와 같은 부품을 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 구성의 경우에는 상기와 같은 배출수단(13)은 더이상 필요하지 않게 되며, 필터요소(12)를 통해 걸러진 수분함유 공기는 지속적으로 배출구(14)를 통하여 산소탱크(6) 방향으로 공급되게 된다. 상기 배출구(14)를 통하여 공급되는 수분함유공기는 상기 공기압축수단(2)의 관점에서 보면 일종의 압축공기 손실에 해당하므로, 목적 산소농축량에 영향을 받지 않는 범위에서 상기 배출구(14)로의 공급 유량을 결정하여야 한다. 이러한 공급유량은 수분추가수단(50)에 의하여 결정할 수 있는데, 이것은 일종의 유량조절기로서 배기 구경을 조절하여 그 유량을 조절할 수 있다. 즉, 상기 수분추가수단(50)의 배기구경 조절에 의하여 상기 수분추가수단(50)을 통과하는 유량이 조절되면, 상기 밸브수단(4)을 통과하여 상기 흡착모듈(5)에 걸리는 공기압력이 조절되게 된다. 따라서, 본 고안에 의한 산소농축기에 의하여 생산되는 농축산소의 농도와 유량은 상기 수분추가수단(50)의 조절에 의하여 변환될 수 있다.

상기 밸브수단(4)은 매우 단순화한 도식도로서 상기 흡착모듈(5)의 압력이 높아지는 단계에서는 혼합공기가 흡착모듈(5)로 들어가게 하며, 흡착모듈(5)의 압력이 낮아지는 퍼지단계에서는 공기압축수단(2)으로부터의 공기흡입을 차단하고 외부로 불순물을 배출하도록 유로가 전환되는 것은 당업자 사이에 자명하다.

의료용을 제외하고 농축 산소의 농도가 중요하지 않은 일반 공기조화용 산소농축기와 같은 경우를 고려하여 전체 농축산소의 생산성의 관점에서 보면, 유량의 증가에 따른 농도저하와, 유량의 저하에 따른 농도 증가의 관점에서 사용자의 필요에 따라 농도를 조절할 수 있는 장점이 있으며, 상기 생산성이 최대로 되는 점을 미리 생산자가 세팅하여 출시함으로써 최대의 환기효과를 거둘 수 있게 할 수도 있게된다.

도 4는 상기와 같이 사용자가 조절하지 않고 미리 생산자가 농도와 유량을 세팅하여 제작하는 경우에 사용하는 수분추가수단(50)의 일 실시예를 나타낸 것으로, 단순히 미세구멍을 가진 오리피스 형으로 구현이 가능하다. 여기서, 오리피스몸체(15)는 통상적으로 황동과 같은 금속류로 만들어지며, 여기에 드릴가공이나 레이저가공에 의하여 구멍인 오리피스경(16)을 형성할 수 있다. 금형가공에 의하여 플라스틱으로 찍을 수도 있으나 미세가공의 조절이 조금 어려운 것으로 알려져 있다.

상기와 같은 오리피스로 구성되는 수분추가수단(50)을 사용하는 경우에는 상기 오리피스를 상기 수분필터(8)의 배출구(14)에 일체형으로 구성하는 것이 바람직하다. 도 5는 이러한 실시예를 도시한 것으로서, 수분필터(8)의 배출구(14)에 상기 오리피스몸체(15)를 삽입하여 사용하거나, 필터케이스(11)의 하단 배출구(14)에 직접 금형이나 가공에 의하여 오리피스경(16)을 구비할 수 있다. 상기 오리피스경(16)을 통하여 필터요소(12)에 의해 하단부에 모인 수분함유 공기는 상기 오리피스경(16)을 통하여 공급되게 된다.

도 6는 본 고안에 따른 또다른 실시예를 도시한 것으로 도 2에 도시된 장치는 통상적으로 대기압과 2기압 정도 이상의 압력차이에서 운전되는 장치인데 비하여, 도 6의 장치는 추가된 진공펌프수단(17)에 의한 진공압과 공기압축수단(2)에 의한 대기압 이상에서 운전되는 장치를 도시한 것이다. 본질적은 구동방법은 동일하며, 도 2의 흡착모듈은 압력이 높은 상태에서 대기압으로 상기 흡착모듈이 퍼지단계를 거치는데 비하여, 도 6에의한 장치는 단지 상기 진공펌프수단(17)에 의하여 흡착모듈에 가해진 진공압에 의하여 상기 흡착모듈이 대기압이하인 진공압에 의하여 퍼지되는 점이 다르게 된다. 도 6의 체크밸브(18,19)는 보조적으로 사용될 수 있는 수단으로, 상기 진공펌프수단(17)에 의하여 발생한 진공압에 의하여 혼합공기가 밸브수단(4)을 거쳐 흡입모듈(5)로 흡입될 때에 일시적으로 공기압축수단(2)에 의한 혼합공기 공급이외에 대기압과 진공압과의 차이에 의하여 상기 체크밸브(18)에 의한 혼합공기 유입이 있게되며, 상기 흡입모듈(5)로부터 불순물과 질소가 배출될 때에, 상기 진공펌프수단(17)에 의한 배출 이외에 일시적으로 상기 체크밸브(19)를 통하여 배출되어 효율을 높여주게 된다. 여기서 공기압축수단(2)과 진공펌프수단(17)은 별도의 다른 장치로 구성될 수도 있으나, 단일한 모터의 양측에 별도의 펌프헤드를 구성하여 단일모터에 의해 구동되는 단일 장치로 구성하는 것이 바람직하다.

별도로 도시하지 않았지만, 도 2의 흡착모듈(5)과 산소탱크(6) 사이에 별도의 유량조절기를 달아 상기 수분추가수단(9)와 협동하여 농도와 유량을 조절할 수도 있으며, 필요에 따라 산소탱크(6)의 생략이나 유량조절기(7)의 생략은 당업자 사이에서 자명하다.

본 고안에 따른 산소농축기의 실시에 의하여 흡착제를 사용하는 산소농축기의 단점인 건조된 농축산소의 공급문제가, 별도의 수분공급장치없이도 상당부분 개선 가능한 장점이 있다.

본 고안에 의한 산소농축기의 실시에 의하여 공기압축수단에 의해 배출되는 일부 공기의 양을 조절함으로써, 농축산소의 농도 조절이 가능하여 의료용 이외에 일반 공기조화장치로서의 사용이 가능한 장점이 있다.

도 1 은 종래의 기술에 의한 압축스윙방식에 의해 운전되는 장치를 나타낸 도식도이다.

도 2 는 본 고안에 의한 장치의 도식도이다.

도 3은 본 고안의 구성요소인 수분필터의 사시도 및 단면도이다.

도 4는 본 고안에 의한 오리피스의 단면도이다.

도 5는 본 고안에 의한 오리피스 일체형 수분필터의 단면도이다.

도 6 는 본 고안에 의한 다른 실시예를 나타내는 도식도이다.

-- 도면부호설명 --

1..필터 2..공기압축수단 3..냉각기

4..밸브수단 5..흡착모듈 6..산소탱크

7..유량조절기 8..수분필터 9..흡입구

10..배출구 11..필터케이스 12..필터요소

13..배출수단 14..배출구 15..오리피스몸체

16..오리피스경 17..진공펌프수단 18,19..체크밸브

50..수분추가수단

Claims (4)

1. 질소에 대한 흡착도가 산소에 대한 흡착도보다 상대적으로 큰 흡착제를 포함하는 흡착모듈을 구비하고, 상기 흡착모듈에 압력차이를 가하여 산소를 농축시키는 산소농축기에 있어서, 상기 산소농축기는

   상기 흡착모듈에 압축공기를 공급하는 공기압축수단과,

   상기 공기압축수단으로 흡입되는 혼합공기를 걸러주는 필터와,

   상기 공기압축수단에 의해 배출되는 압축공기를 흡착모듈로 공급하는 유로는 제공하며, 상기 흡착모듈에 농축된 질소를 외부로 배출하도록 유로를 전환해 주는 밸브수단과,

   상기 흡입모듈을 통과한 농축산소를 저장하는 산소탱크와,

   상기 산소탱크로부터 배출되는 유량을 조절하여 목적공간으로 배출되게 하는 유량조절기를 포함하고,

   상기 공기압축수단의 배출단에 수분필터를 추가로 구비하여 압축공기로부터 일정량의 수분을 걸러주고,

   상기 수분필터를 통과한 건조공기는 상기 밸브수단을 거쳐 상기 흡착모듈로 공급하고, 상기 수분필터를 통과한 수분함유공기는 수분배출구에 수분추가수단을 구비하여 상기 수분함유공기의 적량를 상기 산소탱크로 공급하여 상기 농축산소와 혼합하여 수분이 함유된 농축산소를 공급하는 것을 특징으로 하는 산소농축기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 수분추가수단은 오리피스임을 특징으로 하는 산소농축기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 흡착모듈과 상기 산소탱크 사이에 유량조절 수단을 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 산소농축기.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 산소농축기는 추가로 진공펌프수단을 구비하여 상기 밸브수단의 유로전환에 의하여 상기 흡착모듈의 농축질소 제거시에, 상기 진공펌프수단에 의한 진공압에 의하여 상기 흡착모듈이 대기압이하의 진공압상태로 퍼지되는 것을 특징으로 하는 산소농축기.