KR20220001715A - 산소 공급 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산소의 공급 유량을 간단한 방법으로 측정할 수 있는 산소 공급 시스템에 관한 것이다. 상기 산소 공급 시스템은, 산소를 발생시키는 산소발생기; 상기 산소발생기에서 발생되는 산소를 저장하는 저장탱크; 상기 산소발생기와 상기 저장탱크 사이의 유로에 설치되어 상기 저장탱크로 공급되는 산소의 양을 조절하는 조절밸브; 상기 저장탱크에서 수요처로 산소를 공급하기 위한 공급관; 상기 공급관에 설치되고 다수의 가는 관으로 이루어진 세관 유량센서; 상기 세관 유량센서의 전단과 후단의 차압을 측정하는 차압계; 상기 세관 유량센서의 전단 또는 후단의 압력을 측정하는 압력계; 상기 세관 유량센서를 통해 유동하는 산소의 온도를 측정하는 온도계; 상기 산소발생기와 상기 조절밸브 사이의 유로에 설치되어 산소의 농도를 측정하는 산소농도계; 를 포함하고, 상기 세관 유량센서를 통해 산소를 유동시키면서, 상기 온도계, 압력계, 차압계의 측정값을 이용하여 유량을 계산할 수 있다.
이러한 구성에 따르면, 산소 발생기와 산소 저장 탱크를 포함하면서, 산소 농도가 기준값 이하로 떨어질 때 경고하여 산소 공급을 차단할 수 있고, 간단한 방법으로 층류와 난류에서 산소의 공급 유량을 측정할 수 있는 산소 공급 시스템을 제공할 수 있다.

Description

산소 공급 시스템 {System for supplying oxygen}
본 발명은 예를 들어 산소의 공급 유량을 간단한 방법으로 측정할 수 있는 산소 공급 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 각 병원에는 중환자의 호흡을 돕기 위해 산소를 공급하는 장치를 구비하고 있다. 병원에서는 순수한 산소를 중환자에게 공급함으로서, 산소의 분압을 높여 혈액 속의 산소 헤모글로빈이 증가하도록 하고, 각 세포가 산소의 신속한 공급으로 필요한 에너지를 얻도록 한다.
종래의 산소 공급 시스템은 산소 발생기와 산소 저장 탱크 등으로 구성되어 있으나, 산소 농도가 기준값 이하로 떨어질 때 경고하고 산소 공급을 차단할 수 있는 장치가 구비되어 있지 않다.
또한, 병원에서는 산소의 사용량에 따라 요금을 부과하는 시스템을 도입하려고 하고 있으나, 현재 간단한 방법으로 산소의 유량을 측정하는 장치가 마련되어 있지 않은 실정이다.
대한민국 등록특허 제10-1117356호
따라서, 본 발명은 상기 사정을 감안하여 발명한 것으로, 산소 발생기와 산소 저장 탱크를 포함하면서, 산소 농도가 기준값 이하로 떨어질 때 경고하면서 산소 공급을 차단할 수 있고, 간단한 방법으로 산소의 유량을 측정할 수 있는 산소 공급 시스템을 제공하고자 함에 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 산소 공급 시스템은, 산소를 발생시키는 산소발생기; 상기 산소발생기에서 발생되는 산소를 저장하는 저장탱크; 상기 산소발생기와 상기 저장탱크 사이의 유로에 설치되어 상기 저장탱크로 공급되는 산소의 양을 조절하는 조절밸브; 상기 저장탱크에서 수요처로 산소를 공급하기 위한 공급관; 상기 공급관에 설치되고 다수의 가는 관으로 이루어진 세관 유량센서; 상기 세관 유량센서의 전단과 후단의 차압을 측정하는 차압계; 상기 세관 유량센서의 전단 또는 후단의 압력을 측정하는 압력계; 상기 세관 유량센서를 통해 유동하는 산소의 온도를 측정하는 온도계; 상기 산소발생기와 상기 조절밸브 사이의 유로에 설치되어 산소의 농도를 측정하는 산소농도계; 를 포함하고, 상기 세관 유량센서를 통해 산소를 유동시키면서, 상기 온도계, 압력계, 차압계의 측정값을 이용하여 유량을 계산할 수 있다.
또한, 산소의 유량은 층류와 난류 영역 모두에 적용할 수 있도록 다음 식의 형태로 2차 함수로 모델링하여 구할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, a, b, c는 상수이고, △P는 상기 세관 유량센서의 전단과 후단의 차압이다.
또한, 산소의 유량은 기준상태의 공기를 이용하여 실험한 결과를 산소에 적용하기 위해 다음 식의 형태로 2차 함수로 모델링하여 얻을 수 있다.
Figure pat00002
여기서, a, b, c는 상수이고, △P는 상기 세관 유량센서의 전단과 후단의 차압이고, μa는 공기의 점도이고, μ는 산소의 점도이다.
또한, 상기 산소농도계에 의해 측정된 산소의 농도가 소정값 이하인 경우, 상기 조절밸브를 차단하여 상기 저장탱크로 산소가 유입되지 않도록 하고, 수요처로는 상기 저장탱크에 저장된 산소를 공급하다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 기체 공급 시스템은, 기체를 발생시키는 기체발생기; 상기 기체발생기에서 발생되는 기체를 저장하는 저장탱크; 상기 기체발생기와 상기 저장탱크 사이의 유로에 설치되어 상기 저장탱크로 공급되는 기체의 양을 조절하는 조절밸브; 상기 저장탱크에서 수요처로 기체를 공급하기 위한 공급관; 상기 공급관에 설치되고 다수의 가는 관으로 이루어진 세관 유량센서; 상기 세관 유량센서의 전단과 후단의 차압을 측정하는 차압계; 상기 세관 유량센서의 전단 또는 후단의 압력을 측정하는 압력계; 상기 세관 유량센서를 통해 유동하는 기체의 온도를 측정하는 온도계; 상기 기체발생기와 상기 조절밸브 사이의 유로에 설치되어 기체의 농도를 측정하는 기체농도계; 를 포함하고, 상기 세관 유량센서를 통해 기체를 유동시키면서, 상기 온도계, 압력계, 차압계의 측정값을 이용하여 유량을 계산할 수 있다.
본 발명에 따르면, 산소 발생기와 산소 저장 탱크를 포함하면서, 산소 농도가 기준값 이하로 떨어질 때 경고하면서 산소 공급을 차단할 수 있고, 간단한 방법으로 층류와 난류 영역에서 산소의 공급 유량을 측정할 수 있는 산소 공급 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 시스템의 구성을 도시하는 도면이다.
도 2는 도 1의 산소 공급 시스템에서 유량을 측정하는 방법을 도시하는 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 산소 공급 시스템의 구성을 도시하는 도면이다. 도 2는 도 1의 산소 공급 시스템에서 유량을 측정하는 방법을 도시하는 도면이다.
본 발명의 산소 공급 시스템은 산소발생기(110), 저장탱크(140), 조절밸브(130), 산소농도계(120), 공급관(150), 세관 유량센서(160), 차압계(171), 압력계(172), 온도계(173), 경광등(181), 스피커(182), 제어부 등을 포함한다.
산소발생기(110)는 수요처로 공급하기 위한 산소를 발생시킨다.
저장탱크(140)는 산소발생기(110)에서 발생되는 산소를 저장한다.
조절밸브(130)는 산소발생기(110)와 저장탱크(140) 사이의 유로(115)에 설치되어 저장탱크(140)로 공급되는 산소의 양을 조절한다.
산소농도계(120)는 산소발생기(110)와 조절밸브(130) 사이의 유로(115)에 설치되어, 저장탱크(140)로 공급되는 산소의 농도를 측정한다.
공급관(150)은 저장탱크(140)에서 수요처로 산소를 공급하기 위한 것이다. 저장탱크(140)에서 나오는 산소는 공급관(150)을 통해 수요처로 공급된다.
세관 유량센서(160)는 공급관(150)을 통해 유동하는 산소의 유량을 측정하기 위한 것으로, 공급관(150)에 설치된다. 세관 유량센서(160)는 소정의 직경과 길이를 갖는 가는 관으로 형성된다. 세관 유량센서(160)는 다수 개가 공급관(150)에 지지되어, 산소가 세관 유량센서(160)를 통해 유동하도록 한다.
차압계(171)는 세관 유량센서(160)의 전단과 후단의 차압을 측정한다.
압력계(172)는 세관 유량센서(160) 전단 또는 후단의 압력을 측정한다.
온도계(173)는 세관 유량센서(160)를 통해 유동하는 산소의 온도를 측정한다.
세관 유량센서(또는 세관)(160)는 예를 들어, 직경 0.6 mm, 길이 50 mm의 관 40개를 사용할 수 있고, 세관에 공기 또는 산소가 통과할 때 레이놀즈수가 약 2300이하이면 유동은 층류, 2300 이상이면 난류가 된다.
층류와 난류에 따라 차압과 유량의 관계식은 다음과 같다.
- 층류일 때
Figure pat00003
식 (1)
여기서 Q는 유량, △P는 차압, D는 세관의 직경, μ는 기체의 점도, L는 세관의 길이이다. 식 (1)에서 점도 μ는 온도의 함수이고, 기체에 따라 변한다. 20 ℃에서 공기의 점도를 μa로 정의하면 식 (1)은 다음과 같이 표시할 수 있다.
Figure pat00004
식 (2)
즉, 20℃에서 공기로 실험한 결과의 데이터를 사용할 수 있고, 공기로 실험한 데이터에 공기의 점도와 사용하는 기체의 점도의 비
Figure pat00005
를 곱해주면 산소의 유량을 계산할 수 있다(
Figure pat00006
는 기준상태에서 기체의 점도로 사용할 수 있다).
- 난류일 때
Figure pat00007
식 (3)
여기서, ρ는 기체의 밀도이다.
ρ= P/(ZRT) 이므로, 식 (3)은 다음과 같이 바꿀 수 있다.
Figure pat00008
식 (4)
Figure pat00009
식 (5)
대부분의 유동영역은 층류이며, 천이구역과 난류영역은 적은 범위이다. 유량계의 측정범위를 확장하기 위해서는 층류와 난류의 영역에서 유량을 측정해야 한다.
유량계의 측정범위를 층류와 난류 영역에서 적용할 수 있도록 하기 위해, 차압과 유량의 관계식을 다음과 같이 만들 수 있다.
Figure pat00010
식 (6)
유량 Q를 기준 상태의 유량 Qr로 바꾸면,
Figure pat00011
식 (7)
Figure pat00012
를 u라 하면,
Figure pat00013
식 (8)
a1*u를 a, b1*u*(1/(ZR))를 b, c1*u*(1/(ZR))를 c라 하면,
Figure pat00014
식 (9)
온도계와 압력계의 측정값으로부터 P/T 를 상수화 하면,
Figure pat00015
식 (10)
대부분의 유동영역은 층류이며, 천이구역과 난류영역은 적은 범위이다. 즉, 난류 영역의 가중치가 낮아 차압과 유량의 관계식을 다음과 같이 만들 수 있다. 20℃에서 공기로 실험한 결과의 데이터를 사용하기 위해, 공기로 실험한 데이터에 공기의 점도(μa)와 사용하는 기체의 점도의 비
Figure pat00016
를 곱해주면 식(10)은 다음과 같이 표시할 수 있다.
Figure pat00017
식 (11)
a b, c는 세관의 직경 및 길이의 측정 정확도 등 유량측정에 영향을 미치는 인자와 층류에서 난류로 변화하는 천이 구역에서 변수 등으로 실험으로 구한다.
그림 1은 4.2 bar, 4.5 bar, 4.8 bar 에서 20℃ 공기를 사용하여 실험한 결과를 차압과 기준상태의 유량으로 도시하고 있다. 유량과 차압의 관계는 거의 직선으로 난류영역의 영향은 매우 작은 것을 알 수 있어 식 (11)을 유도하는 과정이 타당하다는 것을 알 수 있다.
Figure pat00018
<그림 1>
식(11)에서 20℃ 공기를 사용하여 실험하는 경우에
Figure pat00019
=1이다. 위 그림 1을 식(11)과 같이 측정상태의 유량으로 도시한 것이 그림 2이다. 그림 2에서, x축은 차압으로
Figure pat00020
가 되고, y축은 유량이 된다. 이 경우 유량은 다음과 같다.
Figure pat00021
식 (12)
Figure pat00022
<그림 2>
식(11)에 의하여 구한 세관의 유량은 측정상태의 유량으로 기준상태의 값으로 환산하기 위해서는 밀도가 필요하다. 세관에 들어오는 기체의 압력을 측정하고 세관을 지나가는 기체의 온도를 그림과 같이 측정하여 밀도를 계산한다. 산소를 공급한 양을 기준상태(예, 20℃, 1.013 bar)로 환산하면 식 (11)은 다음의 식 (13)과 같다.
Figure pat00023
식 (13)
층류의 유량 식에는 밀도가 없지만, 난류의 유량 식에는 밀도가 포함되어 있어 측정 압력에 따라 상수가 다르다는 것을 알 수 있다. 세관 한 개를 사용하면 측정할 수 있는 유량의 범위가 적어, 다수의 세관(예를 들어, 40개)을 다발로 하여 유량범위에 맞게 관다발을 제작한다.
상기 식 (13)으로부터, 온도계(173), 압력계(172), 차압계(171)에 의해 공급되는 기체의 온도, 압력, 차압을 측정하면, 유량을 그림 2로부터 구할 수 있다.
산소의 공급 유량은 디스플레이에 표시되고(예를 들어, 2초마다 변하는 유량을 표시), 적산량은 10분 단위로 저장하고, 저장한 모든 데이터는 저장매체(예를 들어, SD 카드, USB)로 다운로드할 수 있다.
세관 유량센서(160)를 통해서 공급되는 기체의 품질(예를 들어, 산소의 농도 90% 이상), 공급하는 기체의 압력(예를 들어, 산소 압력), 공급량(산소 유량)이 부적합할 경우 산소발생기(110)에서 생산한 산소를 공급하는 조절밸브(130)를 차단하여 저장탱크(140)로 기체가 유입되지 않도록 한다. 수요처로는 이전에 생산한 품질이 적합한 산소를 저장탱크(140)에서 공급한다.
또한, 산소의 농도가 하한선 이하일 때 경광등(181)을 작동시키고, 스피커(182)를 통해 경고음을 발생시켜, 관리자가 산소발생기(110)를 점검하게 한다. 그리고, 경고가 발생한 시간과 데이터를 제어부에 저장한다.
산소 공급량이 부족한 경우에 산소의 압력이 낮아진다. 산소의 압력이 설정압력(예를 들어, 3 bar) 이하가 되면 경광등(181)이 켜지고 스피커(182)를 통해 경고음이 울린다. 그리고 경고가 발생한 시간과 데이터를 저장한다. 세관 유량센서(160)를 통해 측정되는 유량이 평소 사용량보다 적을 때(예를 들어, 평상시의 70%)도 경광등(181)이 켜지고 경고음이 울린다.
본 산소 공급 시스템은 이더넷(ethernet) 또는 와이파이를 통해 통신이 가능하게 구성된다.
상술한 바와 같은 산소 공급 시스템은 온도계, 압력계, 차압계의 측정값을 이용하여 유량을 계산할 수 있도록 구성되고, 산소의 유량은 층류와 난류 영역 모두에 적용할 수 있도록 다음 식의 형태로 2차 함수로 모델링하여 얻을 수 있다.
Figure pat00024
또한, 산소의 유량은 기준상태의 공기를 이용하여 실험한 결과를 산소에 적용하기 위해 다음의 식의 형태로 2차 함수로 모델링하여 얻을 수 있다.
Figure pat00025
이러한 본 발명의 산소 공급 시스템은 산소 외에도 수요처로 공급될 수 있는 다른 기체의 유량을 측정하기 위해 마찬가지로 사용될 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
110 : 산소발생기
120 : 산소농도계
130 : 조절밸브
140 : 저장탱크
150 : 공급관
160 : 세관 유량센서
171 : 차압계
172 : 압력계
173 : 온도계
181 : 경광등
182 : 스피커

Claims (5)

  1. 산소 공급 시스템에 있어서,
    산소를 발생시키는 산소발생기;
    상기 산소발생기에서 발생되는 산소를 저장하는 저장탱크;
    상기 산소발생기와 상기 저장탱크 사이의 유로에 설치되어 상기 저장탱크로 공급되는 산소의 양을 조절하는 조절밸브;
    상기 저장탱크에서 수요처로 산소를 공급하기 위한 공급관;
    상기 공급관에 설치되고 다수의 가는 관으로 이루어진 세관 유량센서;
    상기 세관 유량센서의 전단과 후단의 차압을 측정하는 차압계;
    상기 세관 유량센서의 전단 또는 후단의 압력을 측정하는 압력계;
    상기 세관 유량센서를 통해 유동하는 산소의 온도를 측정하는 온도계;
    상기 산소발생기와 상기 조절밸브 사이의 유로에 설치되어 산소의 농도를 측정하는 산소농도계;
    를 포함하고,
    상기 세관 유량센서를 통해 산소를 유동시키면서, 상기 온도계, 압력계, 차압계의 측정값을 이용하여 유량을 계산할 수 있는 산소 공급 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    산소의 유량은 층류와 난류 영역 모두에 적용할 수 있도록 다음 식의 형태로 2차 함수로 모델링하여 구할 수 있는 산소 공급 시스템.
    Figure pat00026

    여기서, a, b, c는 상수이고, △P는 상기 세관 유량센서의 전단과 후단의 차압이다.
  3. 제2항에 있어서,
    산소의 유량은 기준상태의 공기를 이용하여 실험한 결과를 산소에 적용하기 위해 다음 식의 형태로 2차 함수로 모델링하여 얻을 수 있는 산소 공급 시스템.
    Figure pat00027

    여기서, a, b, c는 상수이고, △P는 상기 세관 유량센서의 전단과 후단의 차압이고, μa는 공기의 점도이고, μ는 산소의 점도이다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 산소농도계에 의해 측정된 산소의 농도가 소정값 이하인 경우, 상기 조절밸브를 차단하여 상기 저장탱크로 산소가 유입되지 않도록 하고,
    수요처로는 상기 저장탱크에 저장된 산소를 공급하는 산소 공급 시스템.
  5. 기체 공급 시스템에 있어서,
    기체를 발생시키는 기체발생기;
    상기 기체발생기에서 발생되는 기체를 저장하는 저장탱크;
    상기 기체발생기와 상기 저장탱크 사이의 유로에 설치되어 상기 저장탱크로 공급되는 기체의 양을 조절하는 조절밸브;
    상기 저장탱크에서 수요처로 기체를 공급하기 위한 공급관;
    상기 공급관에 설치되고 다수의 가는 관으로 이루어진 세관 유량센서;
    상기 세관 유량센서의 전단과 후단의 차압을 측정하는 차압계;
    상기 세관 유량센서의 전단 또는 후단의 압력을 측정하는 압력계;
    상기 세관 유량센서를 통해 유동하는 기체의 온도를 측정하는 온도계;
    상기 기체발생기와 상기 조절밸브 사이의 유로에 설치되어 기체의 농도를 측정하는 기체농도계;
    를 포함하고,
    상기 세관 유량센서를 통해 기체를 유동시키면서, 상기 온도계, 압력계, 차압계의 측정값을 이용하여 유량을 계산할 수 있는 기체 공급 시스템.
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