KR20050075978A

KR20050075978A - 산소발생기

Info

Publication number: KR20050075978A
Application number: KR1020040003735A
Authority: KR
Inventors: 이재권; 강석훈
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-01-19
Filing date: 2004-01-19
Publication date: 2005-07-26

Abstract

본 발명은 진동과 소음이 적으면서도 고농도의 산소를 얻을 수 있으며, 구조가 단순하여 콤팩트하게 제작할 수 있는 산소발생기에 관한 것이다.

본 발명에 따른 산소발생기는 제올라이트 흡착제가 채워진 제올라이트베드와, 흡착과정에서는 상기 제올라이트베드에 압축공기를 제공하고 세정과정에서는 상기 제올라이트베드를 배기시키기 위한 에어펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

산소발생기{OXYGEN GENERATING APPARATUS}

본 발명은 가정용 산소발생기에 관한 것으로 더욱 상세하게는 진동과 소음이 적으면서도 고순도의 산소를 얻을 수 있고 소형화가 가능하도록 VPSA방식을 사용한 원베드-원펌프형 산소발생기에 관한 것이다.

산소발생기는 대기 중의 산소를 분리 농축하여 제공하는 장치로, 가정이나 산업 또는 의료용으로 널리 사용되고 있다. 대기는 대략 79%의 질소와 29%의 산소로 구성되는데, 일반적으로 산소발생기는 제올라이트(Zeolite)라는 흡착제를 이용하여 대기 중의 질소를 흡착 분리하여 고농도의 산소가 함유된 공기를 제공한다.

산소발생기는 제올라이트가 채워진 제올라이트베드를 구비하고 있으며, 이 제올라이트베드에 일정압력 하의 공기를 통과시키면 산소에 비하여 흡착력이 큰 질소가 제올라이트에 흡착되고 고농도의 산소를 함유하는 공기가 나오게 된다. 이러한 질소 흡착과정을 거칠수록 제올라이트에는 질소가 농축되어 흡착능력이 저하되기 때문에 제올라이트로부터 질소를 분리해내는 세정과정이 요구된다. 세정과정은 제올라이트베드를 흡착공정에서 보다 낮은 압력에 노출시키는 것인데 이렇게 하면 제올라이트에 붙어있던 질소 분자가 떨어져 나오게 된다.

산소발생기의 종류는 흡착과정과 세정과정에서 적용되는 압력에 따라 구분할 수 있으며, 흡착과정에서 2.5내지 3.5기압의 압축공기를 사용하고 세정과정에서 제올라이트베드에 대기압을 적용하는 방식을 압축스윙흡착(Pressure Swing Absorption, PSA)방식이라하고, 흡착과정에서 대기압의 공기를 사용하고 세정과정에서 제올라이트베드를 진공에 가까운 낮은 압력에 노출시키는 방식을 진공스윙흡착(Vacuum Swing Absorption, VSA)방식이라 한다. 그리고 PSA와 VSA를 혼합한 방식, 즉 대기압 보다는 높지만 2.5기압보다는 어느 정도 낮은 압력에서 질소를 흡착하고 진공까지는 아니지만 대기압보다는 낮은 압력에서 질소를 분리하는 방식을 VPSA(Vacuum Swing Absorption)방식이라고도 한다.

이처럼 VSA, PSA, VPSA 방식에서 압력을 서로 달리하는 이유는 압력조건에 따라 질소의 흡착율이 달라지기 때문인데, 이러한 특성은 도1에 도시된 바와 같다. 도1에서 보듯이 질소의 흡착율은 압력이 증가할수록 서서히 감소하는 것을 알 수 있다. 작은 압력변화량에 대하여 질소 흡착율의 차이를 크게 하기 위하여는 VSA방식과 같은 낮은 압력범위에서 질소의 흡착과 분리를 수행하는 것이 유리하겠으나, VSA방식의 산소발생기는 일반적으로 대규모 산업용에 적절한 것으로 알려져 있다.

구성이 단순하여 크기가 작아 가정용으로 적합한 산소발생기의 하나로 종래에는 대한민국 등록특허 제334723호에 개시된 바와 같은 산소발생기가 사용되었으나 이러한 산소발생기는 PSA방식을 사용하기 때문에 공기를 고압으로 압축하는 과정에서 진동과 소음이 심하게 발생하는 문제점이 있었으며, 앞서 말한 바와 같이 압력에 따른 질소의 흡착특성으로 인하여 고농도의 산소를 얻기 어려운 문제점이 있었다. 그리고 대한민국 등록실용신안 제219405호에서는 VPSA 방식을 적용한 산소발생기를 개시하고 있으나 이 산소발생기는 제올라이트베드를 2개를 사용하는 듀얼베드(Dual Bed)를 적용함으로써 소형화에 불리할 뿐만 아니라 별도의 진공펌프를 구비해야 하기 때문에 구조가 복잡하고 크기가 커지는 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 진동과 소음이 적으면서도 고농도의 산소를 얻을 수 있으며, 구조가 단순하여 콤팩트하게 제작할 수 있는 산소발생기를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 산소발생기는 제올라이트 흡착제가 채워진 제올라이트베드와, 흡착과정에서는 상기 제올라이트베드에 압축공기를 제공하고 세정과정에서는 상기 제올라이트베드를 배기시키기 위한 에어펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 산소발생기는 상기 에어펌프의 출구 측을 상기 제올라이트베드 또는 외기에 선택적으로 연결하는 제1삼방밸브가 구비된 흡기배관과, 상기 에어펌프의 입구 측을 상기 제올라이트베드 또는 외기에 선택적으로 연결하는 제2삼방밸브가 구비된 배기배관을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 산소발생기는 흡입되는 외기 중의 이물질을 걸러내기 위한 에어필터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 산소발생기는 상기 제올라이트베드에서 발생되는 산소를 저장하기 위한 버퍼탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 산소발생기는 세정시에 상기 버퍼탱크로부터 상기 제올라이트베드로 환류되는 산소량을 조절하기 위한 온오프밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 온오프밸브는 상기 버퍼탱크로부터 상기 제올라이트베드측으로 산소의 역류를 방지하기 위한 체크밸브와 병렬연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 산소발생기는 상기 버퍼탱크에서 토출되는 산소의 압력을 조절하기 위한 레귤레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 에어펌프는 흡착과정에서 대기압이상 2.5기압이하의 압축공기를 상기 제올라이트베드에 공급하고, 세정과정에서 대기압이하의 압력으로 상기 제올라이트베드를 배기시키는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 본 발명의 바람직 한 일 실시예에 따른 산소발생기를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 산소발생기의 흡착과정을 도시한 구성도이며, 도3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 산소발생기의 세정과정을 도시한 구성도이다.

이에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 산소발생기는 질소 흡착제인 제올라이트가 채워진 제올라이트베드(10)와, 상기 제올라이트베드(10)에 압축공기를 제공하고 또한 상기 제올라이트베드(10)를 배기시키기 위한 에어펌프(20)와, 상기 제올라이트베드(10)에서 생성된 고순도의 산소를 저장하기 위한 버퍼탱크(30)를 포함한다.

상기 제올라이트베드(10)와 상기 에어펌프(20)는 하나의 폐회로를 구성하도록 상기 에어펌프(20)의 출구(22)측과 상기 제올라이트베드(10)의 흡기구(11)측을 연결하는 흡기배관(41)과, 상기 제올라이트베드(10)의 배기구(12)측과 상기 에어펌프(20)의 입구(21) 측을 연결하는 배기배관(42)으로 연결된다. 그리고 상기 제올라이트베드(10)에서의 흡착과정과 세정과정의 전환을 위하여 흡기배관(41)에는 에어펌프(20)의 출구(22) 측을 제올라이트베드(10)의 흡기구(11) 측 또는 외기에 선택적으로 연통시키는 제1삼방밸브(43)가 구비되고, 배기배관(42)에는 에어펌프(20)의 입구(21)측을 제올라이트베드(10)의 배기구(12) 측 또는 외기에 선택적으로 연통시켜주는 제2삼방밸브(44)가 구비된다. 그리고 제2삼방밸브(44)에서 흡입되는 외기 중의 먼지 등의 이물질을 걸러내기 위한 에어필터(45)가 마련된다.

한편 제올라이트베드(10)에서 생성된 고순도의 산소는 제올라이트베드(10)의 일측에 마련되는 산소배출구(13)로 배출되어 버퍼탱크(30)에 일시 저장되었다가 실내로 공급된다. 제올라이트베드(10)의 산소배출구(13)에서 배출되는 고순도 산소의 유량 조절을 위하여 산소배출구(13) 후방에는 오리피스(51)가 마련된다. 그리고 오리피스(51) 후방에는 버퍼탱크(30)로부터 제올라이트베드(10)로 고순도 산소의 역류를 방지하기 위한 체크밸브(52)와, 세정과정에서 버퍼탱크(30)로부터 제올라이트베드(10)로 환류하는 산소의 유량조절을 위한 온오프밸브(53)가 병렬로 연결된다. 버퍼탱크의 산소배출구(32) 후방에는 실내로 토출되는 산소의 유량을 소정 정도로 유지하기 위하여 토출 산소의 압력을 조절하는 레귤레이터(54)가 마련된다.

미설명부호 31은 버퍼탱크의 산소흡입구이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 산소발생기의 동작을 설명한다.

고순도의 산소를 발생시키기 위한 질소 흡착과정에서 제1삼방밸브(43)는 상기 에어펌프(20)의 출구(22)와 제올라이트베드(10)의 흡기구(11)를 연통시켜주며, 제2삼방밸브(44)는 에어펌프(20)의 입구(21)를 외기에 연통시켜준다. 그리고 온오프밸브(53)는 폐쇄상태에 있다.

에어펌프(20)가 구동하면 에어필터(45)를 거쳐 외기가 흡입되며 제2삼방밸브(44)를 경유하여 에어펌프(20)에 의해 압축된다. 압축된 공기는 제1삼방밸브(43)를 거쳐 제올라이트베드(10)에 공급된다. 제올라이트베드(10)에서는 압축공기로부터 질소를 흡착하여 고순도의 산소를 발생시키고, 발생된 고순도의 산소를 오리피스(51)를 거쳐 체크밸브(52)를 지나 버퍼탱크(30)에 저장된다. 버퍼탱크(30)에 저장된 공기는 레귤레이터(54)에 의해 소정량씩 실내로 공급된다.

제올라이트베드(10)에서 질소를 분리해내기 위한 세정과정에서는 제1삼방밸브(43)와 제2삼방밸브(44)의 위치가 전환되어 제1삼방밸브(43)는 상기 에어펌프(20)의 출구(22)를 외기에 연통시키고, 제2삼방밸브(44)는 에어펌프(20)의 입구(21)를 제올라이트베드(10)의 배기구(12)에 연통시킨다. 그리고 온오프밸브(53)는 어느 정도 개방되어 소량의 산소가 제올라이트베드(10)로 환류되도록 하는데 이는 제올라이트베드(10)의 질소 분리과정에서 소량의 산소가 투입되면 질소 분리효과가 증대하는 성질을 이용하기 위함이다.

제올라이트베드(10)는 제2삼방밸브(44)를 통하여 에어펌프(20)의 입구(21)측에 연결되어 있기 때문에 제올라이트베드(10) 내부의 공기가 배기되면서 질소가 제올라이트에서 분리되고, 배기되는 질소는 에어펌프(20)와 제1삼방밸브(43)를 순차로 거쳐 외부로 배출된다.

상기 실시예에 따른 산소발생기는 질소 흡착과정에서 대기압상태에서 흡입된 외기가 에어펌프(20)에 의해 압축되어 제올라이트베드(10)에 제공되며, 세정과정에서는 제올라이트베드(10)가 대기압이하로 감압되기 때문에 VPSA방식의 산소발생기라 할 수 있다. 그리고 제올라이트베드(10)로 공급되는 공기는 대략 2.5기압이하로 압축하는 것이 바람직하다. 따라서 본 발명에 따른 산소발생기는 종래의 PSA방식의 산소발생기에 비하여 동일한 압력변화에 따른 질소 흡착률의 차이가 크기 때문에 순도가 높은 산소를 얻을 수 있으며, PSA 방식에 비하여 압축공기의 압력이 낮게 압축하기 때문에 소음이나 진동이 감소된다.

또한 1개의 제올라이트베드(10)와 1개의 에어펌프(20)를 사용하기 때문에 구조가 간단하여 소형화할 수 있다는 장점이 있다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 산소발생기는 VPSA방식을 사용하여 진동과 소음이 적고 고순도의 산소를 얻을 수 있으며, 제올라이트베드와 에어펌프를 1개만 사용하기 때문에 구조가 간단하여 소형화에 유리한 효과가 있다.

도1은 제올라이트 베드의 흡착특성을 나타낸 그래프.

도2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 산소발생기의 흡착과정을 도시한 구성도.

도3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 산소발생기의 세정과정을 도시한 구성도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

10: 제올라이트베드 20: 에어펌프

30: 버퍼탱크 43: 제1삼방밸브

44: 제2삼방밸브 45: 에어필터

51: 오리피스 52: 체크밸브

53: 온오프밸브 54: 레귤레이터

Claims

제올라이트 흡착제가 채워진 제올라이트베드와, 흡착과정에서는 상기 제올라이트베드에 압축공기를 제공하고 세정과정에서는 상기 제올라이트베드를 배기시키기 위한 에어펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소발생기.
제1항에 있어서,

상기 산소발생기는 상기 에어펌프의 출구 측을 상기 제올라이트베드 또는 외기에 선택적으로 연결하는 제1삼방밸브가 구비된 흡기배관과, 상기 에어펌프의 입구 측을 상기 제올라이트베드 또는 외기에 선택적으로 연결하는 제2삼방밸브가 구비된 배기배관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소발생기.
제2항에 있어서,

상기 산소발생기는 흡입되는 외기 중의 이물질을 걸러내기 위한 에어필터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소발생기.
제3항에 있어서,

상기 산소발생기는 상기 제올라이트베드에서 발생되는 산소를 저장하기 위한 버퍼탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소발생기.
제4항에 있어서,

상기 산소발생기는 세정시에 상기 버퍼탱크로부터 상기 제올라이트베드로 환류되는 산소량을 조절하기 위한 온오프밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소발생기.
제5항에 있어서,

상기 온오프밸브는 상기 버퍼탱크로부터 상기 제올라이트베드측으로 산소의 역류를 방지하기 위한 체크밸브와 병렬연결되는 것을 특징으로 하는 산소발생기.
제6항에 있어서,

상기 산소발생기는 상기 버퍼탱크에서 토출되는 산소의 압력을 조절하기 위한 레귤레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 산소발생기.
제1항에 있어서,

상기 에어펌프는 흡착과정에서 대기압이상 2.5기압이하의 압축공기를 상기 제올라이트베드에 공급하고, 세정과정에서 대기압이하의 압력으로 상기 제올라이트베드를 배기시키는 것을 특징으로 하는 산소발생기.