KR20050051120A - 흡착식 산소발생기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 흡착식 산소발생기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유입공기의 온도변화에 따른 흡착베드의 열화를 방지하고, 흡착 선택도 및 질소의 흡착량을 최대화할 뿐만 아니라 흡착베드에 있어서 입구쪽 냉각효과를 최소화하여 산소발생 효율이 높으며, 공급되는 산소의 농도 변화를 줄여 산소농도를 일정하게 유지할 수 있도록 하는 유입공기내의 산소 대비 질소에 대한 선택도를 가지는 흡착제를 내부에 충진한 흡착베드(70)를 구비한 흡착식 산소발생기에 있어서, 상기 흡착베드(70)의 공기유입구(50) 전단의 공기공급 배관(10)상에 가열장치(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착식 산소발생기에 관한 것이다.

Description

흡착식 산소발생기 {OXYGEN GAS GENERATOR BY ADSORPTION}

본 발명은 흡착식 산소발생기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 유입공기내의 산소 대비 질소에 대한 선택도를 가지는 흡착제를 내부에 충진한 흡착베드(70)를 구비한 흡착식 산소발생기에 있어서, 상기 흡착베드(70)의 공기유입구(50) 전단의 공기공급 배관(10)상에 가열장치(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착식 산소발생기에 관한 것이다.

현대사회에서 산소발생기는 다양한 용도로 여러 곳에서 사용되고 있다. 특히, 병원이나 수술실 등에서 환자에게 공급하는 의료용 산소발생기나 폐수처리장이나 양식장 등에서 산소 공급용으로 사용하는 산소 발생기와 같이 산업활동에 이용되는 경우뿐만 아니라 현대 사회의 산업화에 따라 공기오염이 날로 심각해져 이러한 공기오염을 해소하기 위한 목적으로 또는 현대인의 피로회복을 촉진하고, 세포를 활성화시키는 목적으로 사무실이나 일반가정의 밀폐된 공간에 산소를 공급해주는 일상 생활용 산소발생기가 일반화되고 있는 실정이다.

이상의 산소발생을 위해서는 물을 전기 분해하여 산소를 발생시키거나 화학물질을 반응시켜 산소를 얻는 경우도 있으나 장비가 고가이거나 취급이 어려운 문제들이 있으므로 일반적인 산소발생기의 경우는 대기중에 있는 산소를 분리하여 사용자에게 공급하는 방식을 사용하고 있다. 이러한 분리방법에는 냉각방법을 이용한 분리방법이 있으나 이 경우에는 장비가 고가이며 장비운용에 많은 비용이 필요하므로 소규모의 산소발생 방법으로는 적절하지 않다. 따라서 대부분의 산소 발생기는 공기중의 질소와 산소에 대하여 선택적으로 질소에 대하여 높은 흡착율을 가지는 흡착제를 이용하고 있다.

또한 상기 흡착식 산소발생기에 적용되는 산소발생 방법은 크게 압축스윙흡착(Pressure swing adsorption)과 진공스윙흡착(Vacuum swing adsorption)으로 나누어진다. 상기 압축스윙흡착(PSA)방식은 압축공기를 상기 흡착베드에 제공하는 경우에 공기중의 질소가 선택적으로 제올라이트에 흡착됨으로써 농축된 산소를 발생시키고, 농축된 산소는 저장탱크를 경유하여 필요한 곳에 공급되고, 흡착베드를 대기압으로 만들면 흡착베드에 흡착된 질소가 탈착, 배출되는 방식이다. 반면에 진공스윙흡착(VSA)방식의 경우에는 대기중의 공기가 그대로 대기압 상태에서 흡착베드를 통과하면서 상대적으로 많은 질소가 흡착베드에 흡착되어 산소가 농축되어 공급되고, 흡착베드에 흡착된 질소는 이후 흡착베드에 진공을 걸어주면 흡착베드로부터 탈착되어 분리되는 방식이다. 근래에는 이러한 두가지 방식을 혼용하여 가압시 질소를 흡착하고, 진공시 질소를 탈착, 배출하는 방법을 적용하는 경우도 있다.

그러나 이러한 흡착식 산소발생기의 경우에 있어서, 산소발생의 효율은 상기의 압력 사이클링에 의하여 조절될 뿐만 아니라 흡착베드에 공급되는 공기의 온도에도 밀접한 연관성을 가지고 있는 것으로 보고되고 있다.(미국특허 4,026,680) 즉, 흡착베드내의 흡착제는 온도에 따라서 산소대비 질소의 흡착에 대한 선택도가 달라지고, 특히, 제올라이트의 경우는 그 종류에 따라 높은 선택도를 가지는 온도 범위가 달라지며 일정온도 범위내에서 최대치를 가지는 것으로 알려져 있다. 또한 상기 선택도 뿐만 아니라 선택도가 높은 온도 구간이 고온인 경우에는 선택도는 높다 하더라도 질소의 흡착량 자체가 적어지는 문제가 있으므로 최적 산소발생온도가 존재한다. 따라서 상기 흡착식 산소발생기의 흡착베드로 실외기로부터 유입된 공기를 바로 공급하는 경우에는 산소발생기의 산소발생이 최적조건에서 이루어지지 못하여 산소 발생효율이 크게 떨어지는 문제점이 있다.

또한 상기 온도조건을 포함한 외부조건의 변동에 따른 산소발생기내의 흡착베드의 열화가 가속화되는 문제가 있으며, 또한 유입공기의 온도변화에 따라 산소발생기의 산소 발생효율의 변동이 발생하게 되고 이에 따라 공급되는 산소의 농도 변화가 심하게 발생하는 문제점이 있으며, 상기 변동을 막기 위해서는 저장탱크를 별도로 구비하여야 하는 문제점이 있다.

또한, 상기 문제 이외에도 상기 흡착식 산소발생기의 경우, 산소발생기의 운전시 흡착베드내의 온도 분포가 균일하지 못한 문제점이 있다. 즉, 공기가 유입되는 흡착베드의 입구쪽은 공기중에 포함된 이산화탄소, 물등의 불순물과 흡착제의 반응으로 인하여 흡착베드의 안쪽에 비하여 낮은 온도를 발생하는 것으로 알려져 있다. 따라서 흡착베드의 입구쪽은 부분은 실질적인 산소발생 효율이 낮아져 흡착베드의 전구간을 흡착에 이용할 수 없는 문제점이 있다.

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 공기중의 산소에 비하여 질소에 대한 흡착 선택도를 높게 하고, 흡착베드에 흡착되는 질소의 흡착량을 최대화하여 산소발생 효율이 높으며, 흡착베드의 열화를 최소화하는 흡착식 산소발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 흡착식 산소발생기의 흡착베드에 있어서 입구쪽 냉각효과를 최소화하여 흡착베드의 사용효율 및 산소발생 효율이 높은 흡착식 산소발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 산소발생기로부터의 산소발생 효율을 안정적으로 유지하여 공급되는 산소의 농도 변화를 줄여 산소농도를 일정하게 유지하여 공급하는 흡착식 산소발생기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유입공기내의 산소 대비 질소에 대한 선택도를 가지는 흡착제를 내부에 충진한 흡착베드(70)를 구비한 흡착식 산소발생기에 있어서, 상기 흡착베드(70)의 공기유입구(50) 전단의 공기공급 배관(10)상에 가열장치(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착식 산소발생기를 제공한다.

이하 도면을 참고하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

흡착식 산소발생기의 일실시예로서 도 1에 도시한 압축스윙흡착 방식의 산소발생기의 일실시예는 유입공기를 압축하는 펌프와 압축공기를 흡착베드에 공급하거나 흡착베드를 대기압으로 개방하는 제1밸브와, 공기중의 산소에 대비하여 질소에 대하여 높은 흡착 선택도를 가지는 흡착제가 충진된 2개의 흡착베드와, 상기 2개의 흡착베드중 높은 산소농도를 갖는 공기가 제조된 흡착베드의 공기를 사용자 또는 저장탱크에 공급하게 하는 제2밸브와, 이들을 연결하는 배관을 포함하는 형태로 구성된다. 이를 통하여 상기 펌프는 공기를 압축하고 제1밸브를 통하여 하나의 흡착베드에 압축공기를 공급하며, 공급되어진 공기는 흡착베드내에 머무르면서 질소는 흡착되고, 산소는 공기중에 잔류하여 산소농도가 높아진다. 이후 제2밸브가 열리면서 고산소농도의 공기는 공급되고, 제2밸브가 닫힌 후 제1밸브는 상기 흡착베드를 대기중에 개방하여 흡착베드내에 흡착된 질소를 탈착, 분리한다. 상기 과정중에 다른 흡착베드도 동일한 과정을 시간차이를 두고 진행하여 실질적으로는 고산소농도의 공기가 순차적으로 공급되도록 한다. 또한 각각의 흡착베드에서 생성된 고산소농도공기는 사용자에게 바로 공급되거나 저장탱크에 저장된 후에 필요에 따라 공급되어지도록 한다. 또한, 상기와 같이 2개의 흡착베드를 사용하지 않고 다수의 흡착베드를 사용하는 경우는 거의 연속적으로 산소를 공급할 수 있다.

본 발명의 흡착식 산소발생기는 상기 기술한 바와 같은 유입공기내의 산소 대비 질소에 대한 선택도를 가지는 흡착제를 내부에 충진한 흡착베드(70)를 구비한 흡착식 산소발생기에 있어서, 상기 흡착베드(70)의 공기유입구(50) 전단의 공기공급 배관상에 가열장치(30)를 포함하여 구성된다.

상기 흡착베드(70)에 충진되어지는 흡착제는 산소 대비 질소에 대한 흡착의 선택도가 높은 재질은 모두 가능하며 이를 통하여 유입 공기로부터 산소는 흡착을 거의 하지 않고 질소만을 주로 흡착하고 산소농도가 높은 공기는 사용자에게 공급되어진다. 또한 상기 흡착제는 바람직하게는 취급이 용이하고, 비용면에서 유리하며, 흡착효율이 높은 제올라이트가 사용되어질 수 있다.

본 발명의 산소발생기에 사용되어지는 흡착방식은 PSA방식이나, VSA방식 또는 속도 VSA방식 등 그 흡착방식에 한정되지 않고 흡착제를 이용한 흡착식 산소발생기의 경우는 모두 본 발명이 적용될 수 있다.

상기 가열장치(30)는 도 2에 본 발명의 일실시예로서 도시한 바와 같이 흡착베드(70)에 공기가 유입되는 공기유입구(50)의 전단에 연결되어진 공기공급 배관(10)상에 포함되어진다. 상기 가열장치(30)는 배관 내부에 삽입할 수도 있고, 배관 외부에 배관에 접촉하여 설치되어질 수 있다. 가열장치(30)로는 일반적인 열선이나 반도체 가열기구 등의 전기적 가열장치나 열교환기와 같은 기계적 가열장치, 복사열을 이용한 가열장치 등 다양한 가열장치가 사용되어질 수 있다. 또한 상기 가열장치(30)에 부가하여 가열장치의 제어부도 더 포함될 수 있다.

이를 통하여 흡착베드(70)에 유입되어지는 공기의 온도를 일정하게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 흡착베드(70)에 공급되어지는 공기는 실온에 비하여 가열된 상태로 공급되어지므로 산소발생기의 운전시 흡착제와 공기중의 이산화탄소 또는 물과의 반응에 의하여 형성되는 흡착베드(70) 전단의 냉각부를 최소화하여 흡착베드(70)를 전 구간에 대하여 활용할 수 있다. 상기 흡착베드에 유입되어지는 유입공기의 온도는 산소발생효율을 고려할 때 온도범위가 55 내지 65 ℃의 범위가 되도록 한다. 바람직하게는 최적산소발생효율을 나타내도록 59 내지 61 ℃의 범위가 되도록 하고, 더욱 바람직하게는 60℃로 제어되도록 한다.

또한 도 3에 본 발명의 일실시예로서 나타낸 바와 같이 상기 공기공급 배관(10)과 흡착베드(70)내의 유입공기의 온도를 더욱 정교하게 제어하여, 산소발생 효율을 최대화하고, 흡착베드의 열적 사이클링에 따른 열화를 방지하기 위해서는 상기 공기공급배관(10)과 흡착베드(70)상에 설치되는 하나 또는 둘 이상의 온도 센서(20)와 상기 흡착베드에 유입되는 공기온도를 상기 온도 센서(20) 및 가열장치(30)를 통하여 조절하는 온도제어부(60)를 더 포함하도록 산소발생기를 구성할 수 있다.

제올라이트 등의 흡착제는 일정온도 영역에서 산소 대비 질소에 대하여 높은 흡착 선택도를 나타내고, 낮은 온도에서 높은 흡착량을 나타내므로 각각의 흡착제에 따라서 최대의 산소분리효과를 나타내는 온도가 결정된다. 따라서 상기 최적온도로 공급 공기 및 흡착베드(70)내의 공기의 온도를 유지하는 것이 바람직하므로 온도 센서(20)는 가열장치(30) 전단, 가열장치(30)와 공기유입구(50) 사이, 흡착베드(70)의 전단부, 흡착베드의 중간부 또는 흡착베드 후단부 등 온도제어를 위하여 온도 데이터가 필요한 부분을 하나 또는 둘 이상 선정하여 하나 또는 둘 이상의 온도센서(20)를 설치 할 수 있다.

상기 온도제어부(60)는 상기 온도 센서(20)로부터 얻은 온도 데이터를 통하여 흡착제의 전구간이 최적온도에 가깝게 운전되도록 제어하기 위하여 가열장치(30)의 가열량을 조절할 수 있다. 또한 상기 온도제어부(60)에는 상기 온도 데이터 이외에 유입공기 유량이나 유출공기의 산소 농도 등을 추가로 입력 데이터로 하여 전체 산소발생량을 제어할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 냉각장치(40)를 추가한 일실시예를 도시한 것으로 상기 가열장치(30)외에 상기 흡착베드(70)의 공기유입구(50) 전단의 공기공급 배관(10)상에 냉각장치(40)를 더 포함하고, 상기 온도제어부(60)가 상기 온도센서(20), 가열장치(30) 및 냉각장치(40)를 통하여 온도를 조절하도록 하는 흡착식 산소발생기이다.

상기 가열장치(30)만을 가진 산소발생기의 경우는 구조가 간단하고, 제작비용이 저렴한 장점이 있지만 보다 정교한 온도제어를 필요로 하는 경우나, 최적온도가 상온이하인 경우 또는 펌프의 장시간 운전에 따른 유입공기가 과열된 경우와 같이 유입공기의 냉각이 필요한 경우는 도 4에 도시한 바와 같이 산소발생기내에 냉각장치(40)를 추가로 더 포함할 수 있고, 온도제어부(60)도 가열장치(30) 및 냉각장치(40)를 모두 제어하도록 구성할 수 있다. 또한, 흡착제의 종류에 따라 최적온도가 상온보다 낮아서 가열장치(30)가 필요 없는 경우는 가열장치(30)를 제외하고 냉각장치(40)만으로 산소발생기를 구성할 수 있음은 물론이다.

상기 냉각장치(40)로는 일반적으로 공기 냉각에 사용되는 냉각장치가 모두 사용이 가능하고, 상기 가열장치(30)와 냉각장치(40)는 도 4에서와 같이 별도로 분리하여 구성할 수도 있고, 가열장치(30)와 냉각장치(40)를 집적하여 1개의 장치로 가열/냉각이 가능한 형태로 구성할 수 있고 바람직하게는 열전소자를 이용하여 가열/냉각 장치를 일체로 구성할 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 일실시예로서 산소발생기 운전중에 발생하는 흡착베드(70) 전단부의 냉각효과를 제거하기 위하여 상기 산소발생기에 상기 흡착베드(70)의 전단부에 가열장치(80)를 더 포함하도록 흡착식 산소발생기를 구성할 수 있다.

상기 흡착베드 가열장치(80)는 앞에서 기술한 형태와 동일한 형태로 설치가 가능하며, 상기 기술한 가열장치와 동일한 가열장치가 적용될 수 있다. 또한 상기 흡착베드 가열장치(80)는 상기 기술한 바와 같이 흡착베드(70)의 공기유입구(50) 전단에 설치된 가열/냉각장치(30, 40)와 함께 사용되어질 수도 있고, 별도로 상기 흡착베드(70) 전단부의 가열장치(80)만 독립적으로 사용되어질 수도 있다.

또한, 상기 기술한 바와 같은 흡착베드(70) 전단부의 냉각은 공기중의 이산화탄소 및 물과 흡착베드(70)내의 흡착제가 반응함으로써 발생하는 것이므로 상기 흡착베드(70)에 유입되는 공기로부터 수분을 제거한 후에 흡착베드(70)로 공기를 공급하는 경우에는 상기 흡착베드(70) 전단부 냉각을 줄일 수 있다. 따라서 상기 산소발생기에 상기 흡착베드(70)의 공기유입구(50) 전단의 공기공급배관(10)상에 건조베드(90)를 더 포함하는 형태로 흡착식 산소발생기를 구성할 수 있다. 상기 건조베드(90)에는 기체건조에 사용되는 다양한 방법이 적용될 수 있으며, 바람직하게는 상기 건조베드(90)는 건조제를 내부에 충진한 형태로 구성할 수 있고, 상기 건조제로는 실리카겔, 염화칼슘 또는 오산화인 등이 사용될 수 있다.

또한 상기 건조베드(90)는 상기 기술한 바와 같이 흡착베드(70)의 공기유입구(50) 전단에 설치된 가열/냉각장치(30,40) 또는 흡착베드 전단부에 설치된 가열장치(80)와 함께 사용되어질 수도 있고, 별도로 상기 건조베드(90)만 독립적으로 사용되어질 수도 있다.

이하 본 발명의 작동방법을 일실시예를 통하여 상세하게 설명한다.

흡착식 산소발생기의 경우에 유입공기의 온도를 상승시키기 위하여 산소발생기의 정상운전상태를 기준으로 필요한 열량을 산정하여 항상 일정한 열량을 공급하는 형태로 가열장치(30)를 흡착베드(70)의 공기유입구(50) 전단에 구성하고 이를 통하여 흡착베드(70)내로 공기가 공급될 때에 공급되는 공기를 가열하도록 구성할 수 있고, 이에 추가하여 가열장치(30)에 온도센서(20) 및 온도제어부(60)를 설치하면 온도센서(20)로부터의 온도 데이터에 의한 피드백 제어를 통하여 보다 정교한 온도제어가 가능하다.

또한 온도제어의 경우에 가열이 필요한 경우가 아니라 냉각이 필요한 경우는 냉각장치(40)만을 상기 공기유입구(50) 전단에 설치할 수 있고, 가열 및 냉각이 모두 필요한 경우에는 가열장치(30)와 냉각장치(40)를 모두 설치하여 흡착베드(70)내로 유입되는 공기 및 흡착베드(70)내의 공기 온도를 각각에 위치한 온도센서(20)를 통하여 감지하고 이를 이용한 가열/냉각장치(30, 40)의 피드백 제어를 통하여 고농도 산소발생이 가능한 최적온도로 공기온도를 제어할 수 있다.

상기 가열/냉각장치(30, 40)에 추가로 또는 별도로 흡착베드(70) 전단부의 냉각을 억제하기 위하여 흡착베드(70) 전단부에 가열장치(80)를 설치할 수 있고, 상기 가열장치(80)는 상기 기술한 바와 같이 별도의 피드백 제어 없이 단순 가열형태로 구성할 수도 있고, 흡착베드(70) 전단부에 위치한 온도센서(20)를 이용하여 피드백 제어를 실행할 수도 있다.

또한 상기 흡착베드(70) 전단부의 냉각을 근원적으로 해결하기 위해서는 유입공기의 습도를 떨어뜨리는 것이 필요하므로 유입공기가 흡착베드(70)로의 유입전에 건조베드(90)를 통과하도록 하여 유입공기의 제습처리 후 흡착베드로의 공급이 이루어지도록 할 수 있다.

본 발명의 흡착식 산소발생기는 흡착베드에 유입되는 공기의 온도를 조절하여 공기중의 산소에 비하여 질소에 대한 흡착 선택도를 높게 하고, 흡착베드에 흡착되는 질소의 흡착량을 최대화하여 산소발생 효율을 높일 수 있다. 이를 통하여 흡착베드를 통과하여 공급되는 공기는 고농도의 산소농도를 가질 수 있고, 산소 농도를 동일한 수준에서 유지하는 경우에는 공급되는 공기유량을 늘릴 수 있다. 뿐만 아니라 유입공기의 온도변화에 따른 흡착베드의 열화를 최소화하여 흡착베드의 수명을 연장하여 산소발생기의 유지비용을 절감할 수 있다.

또한 흡착식 산소발생기의 흡착베드에 있어서 입구쪽 냉각효과를 최소화할 수 있므로 이를 통하여 흡착베드의 전구간을 최적의 질소흡착이 가능한 형태로 유지할 수 있어 흡착베드의 사용효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 이에 따라 산소발생 효율이 높아져 흡착베드를 통과하여 공급되는 공기는 고농도의 산소농도를 가질 수 있고, 산소 농도를 동일한 수준에서 유지하는 경우에는 공급되는 공기유량을 늘릴 수 있다.

또한 본 발명의 산소발생기는 산소발생효율을 변동시키는 외부조건 중 온도조건을 일정하게 유지함으로써 산소 농도를 안정적으로 유지하면서 산소를 공급하므로 별도의 저장탱크를 필요로 하지 않게 될 뿐만 아니라 연속공급 시스템으로 구성이 가능한 장점이 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 한정되는 것은 아니고, 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 해당 기술분야의 당업자가 다양하게 수정 및 변경시킨 것 또한 본 발명의 범위 내에 포함됨은 물론이다.

도 1은 본 발명의 흡착식 산소발생기의 일실시예인 압축스윙흡착방식의 개략도이다.

도 2는 본 발명의 흡착식 산소발생기의 일실시예를 나타낸 개략도이다.

도 3은 본 발명의 흡착식 산소발생기의 다른 일실시예를 나타낸 개략도이다.

도 4는 본 발명의 흡착식 산소발생기의 또 다른 일실시예를 나타낸 개략도이다.

도 5는 본 발명의 흡착식 산소발생기의 또 다른 일실시예를 나타낸 개략도이다.

* 도면의 주요 부호에 대한 설명 *

10 : 공기공급 배관 20 : 온도센서

30 : 가열장치 40 : 냉각장치

50 : 공기유입구 60 : 온도제어부

70 : 흡착베드 80 : 흡착베드 가열장치

90 : 건조베드

Claims (5)

1. 유입공기내의 산소 대비 질소에 대한 선택도를 가지는 흡착제를 내부에 충진한 흡착베드를 구비한 흡착식 산소발생기에 있어서,

   상기 흡착베드의 공기유입구 전단의 공기공급 배관상에 가열장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착식 산소발생기.
2. 제1항에 있어서,

   상기 공기공급 배관과 흡착베드상에 설치되는 하나 또는 둘 이상의 온도 센서; 및,

   상기 흡착베드에 유입되는 공기온도를 상기 온도 센서 및 가열장치를 통하여 조절하는 온도제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착식 산소발생기.
3. 제2항에 있어서,

   상기 흡착베드의 공기 유입구 전단의 공기공급 배관상에 냉각장치를 더 포함하고, 상기 온도제어부가 상기 온도센서, 가열장치 및 냉각장치를 통하여 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 흡착식 산소발생기.
4. 제1항에 있어서,

   상기 흡착베드의 전단부에 가열장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착식 산소발생기.
5. 제1항에 있어서,

   상기 흡착베드의 공기유입구 전단의 공기공급배관상에 건조베드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 흡착식 산소발생기.