KR20240066729A - 고순도 산소의 공급이 가능한 산소발생장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고순도 산소의 공급이 가능한 산소발생장치에 있어서, 외부의 공기가 유입되는 헤파필터부; 상기 헤파필터부를 통해 유입된 상기 공기를 압축하는 컴프레셔부; 상기 컴프레셔부를 통해 압축된 상기 공기의 이동 경로를 조절하는 밸브부; 상기 밸브부로부터 선택적으로 상기 공기를 공급받아 상기 공기 중 질소를 흡착하여 산소 농도가 증가한 상기 공기를 배출하는 제1제올라이트부; 상기 밸브부로부터 선택적으로 상기 공기를 공급받아 상기 공기 중 질소를 흡착하여 산소 농도가 증가한 상기 공기를 배출하는 제2제올라이트부; 및 상기 제1제올라이트부 또는 상기 제2제올라이트부로부터 질소가 제거된 상기 공기를 공급받아 상기 공기 내의 잔여질소를 제거하여 고순도 산소를 외부로 배출하는 중공사막부;를 포함하는 것을 기술적 요지로 한다. 이에 의해 공기 내의 질소를 효율적으로 제거하여 고순도 산소를 외부로 공급할 수 있으면서, 외부로 공급되는 산소의 상태를 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.

Description

고순도 산소의 공급이 가능한 산소발생장치{Oxygen generator capable of supplying high-purity oxygen}
본 발명은 고순도 산소의 공급이 가능한 산소발생장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 공기 내의 질소를 효율적으로 제거하여 고순도 산소를 외부로 공급할 수 있는 고순도 산소의 공급이 가능한 산소발생장치에 관한 것이다.
일반적으로 공기는 약 80%의 질소와 약 20% 정도의 산소로 구성되어 있으며, 사람 또는 동물은 공기 중의 산소를 폐를 통해 흡수하여 신체에 공급한다. 그러나 산업사회의 발달로 대기오염이 심해지고 또 도시의 거대화로 산소의 주 공급원인 산림면적이 줄어들고, 냉난방을 위한 외기와의 차단, 지하공간 이용증대 등 생활환경 변화로 공기 중의 산소 농도가 변화되는 환경에서 생활함으로 각종 호흡기 질환이 발생하고 있다.
따라서 최근에는 공기 중에서 산소를 분리 및 농축하여 실내에 공급하는 산소발생장치가 가정용, 산업용, 의료용 등에 널리 이용되고 있다. 이러한 산소발생장치는, 제올라이트(Zeolite)라 불리는 흡착제를 이용한 압력순환흡착(Pressure Swing Adsorption, 이하 PSA) 방식이 널리 사용되고 있다. 이때, 상기 PSA 방식은 대기 공기 중의 약 80%를 차지하는 질소가 상대적으로 높은 압력에서 산소보다 상기 흡착제에 잘 흡착되는 특성을 이용하여 공기 중의 질소를 제거 하여 산소의 농도를 높이는 방식이다.
이와 같이 미래산업으로 주목받는 산소를 공급하여 공기질 개선을 통한 생활환경 개선을 목적으로 하고 있으나, 현재 시장에서 공급되고 있는 산소발생 제품들은 산소 발생량이 만족할만한 수준이 되지 않는다는 문제점이 있다. 특히 산소의 무색, 무취, 저유량에 따라 산소의 느낌을 사용자가 직접적으로 알기 어려워 산소가 제대로 공급되는지에 대한 의구심을 가질 수 밖에 없어, 산소발생 제품들을 통한 산소의 효능에 대한 부분이 반감된다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 공기 내의 질소를 효율적으로 제거하여 고순도 산소를 외부로 공급할 수 있는 고순도 산소의 공급이 가능한 산소발생장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 목적은, 외부의 공기가 유입되는 헤파필터부; 상기 헤파필터부를 통해 유입된 상기 공기를 압축하는 컴프레셔부; 상기 컴프레셔부를 통해 압축된 상기 공기의 이동 경로를 조절하는 밸브부; 상기 밸브부로부터 선택적으로 상기 공기를 공급받아 상기 공기 중 질소를 흡착하여 산소 농도가 증가한 상기 공기를 배출하는 제1제올라이트부; 상기 밸브부로부터 선택적으로 상기 공기를 공급받아 상기 공기 중 질소를 흡착하여 산소 농도가 증가한 상기 공기를 배출하는 제2제올라이트부; 및 상기 제1제올라이트부 또는 상기 제2제올라이트부로부터 질소가 제거된 상기 공기를 공급받아 상기 공기 내의 잔여질소를 제거하여 고순도 산소를 외부로 배출하는 중공사막부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 산소의 공급이 가능한 산소발생장치에 의해서 달성된다.
여기서, 상기 산소발생장치는, 상기 컴프레셔부를 통해 압축된 상기 공기를 전달받아 상기 공기를 냉각하는 냉각부; 상기 냉각부를 통해 냉각된 상기 공기를 전달받아 상기 공기 내의 수분을 제거하는 수분필터부; 상기 제1제올라이트부 내에 설치되어 상기 제1제올라이트부 내의 질소 포화 정도를 감지하는 제1센서부; 상기 제2제올라이트부 내에 설치되어 상기 제2제올라이트부 내의 질소 포화 정도를 감지하는 제2센서부; 및 상기 제1센서부 또는 상기 제2센서부로부터 신호를 전달받아 상기 밸브부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 공기 내의 질소를 효율적으로 제거하여 고순도 산소를 외부로 공급할 수 있으면서, 외부로 공급되는 산소의 상태를 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고순도 산소의 공급이 가능한 산소발생장치의 구성도이다.
이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고순도 산소의 공급이 가능한 산소발생장치의 구성도이다.
본 발명의 실시예에 따른 고순도 산소의 공급이 가능한 산소발생장치(10)는, 도 1에 도시된 바와 같이 헤파필터부(100), 컴프레셔부(200), 냉각부(300), 수분필터부(400), 밸브부(500), 제1제올라이트부(600), 제2제올라이트부(700), 제어부(800) 및 중공사막부(900)를 포함한다.
먼저 헤파필터부(HEPA filter, 100)는, 외부의 공기가 유입되도록 구비된 구성으로, 외부의 공기가 산소발생장치(10)로 유입될 때 가장 처음 통과하는 구성에 해당한다. 이러한 헤파필터부(110)는 헤파필터(High Efficiency Particular Air Filter, HEPA Filter)를 포함하고 있기 때문에 외부의 공기가 포함하고 있는 먼지 등과 같은 이물질을 1차적으로 여과하는 역할을 한다.
컴프레셔부(compressor, 200)는, 헤파필터부(100)를 통해 유입된 공기를 압축하는 구성에 해당한다. 이는 헤파필터부(100)를 통해 유입되는 공기의 경우 유속이 매우 낮은 상태이기 때문에 이후에 산소발생장치(10) 내의 구성을 지나가기 위해서는 어느 정도의 유속과 압력이 필요한 상태이다. 따라서 컴프레셔부(200)를 이용하여 공기를 흡입함과 동시에 고압으로 압축시켜 컴프레셔부(200)와 연결된 냉각부(300)로 전달하게 된다. 이러한 컴프레셔부(200)는 헤파필터부(100)로부터 공기를 공급받아 저장한 후 공기의 압력이 20psi 이상이 되면 그때부터 고압으로 공기를 공급하는 것이 바람직하다.
냉각부(300)는, 컴프레셔부(200)를 통해 압축된 공기를 전달받아 공기를 냉각시키는 구성이다. 공기의 흡입 및 압축 과정에서 컴프레셔부(200)의 구동에 의해 컴프레셔부(200)가 열이 발생할 수 있으며, 이렇게 발생된 열은 압축된 공기로 전달되어 공기의 온도가 증가하게 된다. 공기의 온도가 높은 상태에서 산소발생장치(10)의 외부로 공기가 방출될 경우 사용자가 불편함을 느낄 수 있기 때문에 냉각부(300)를 이용하여 공기를 차갑게 냉각시키게 된다. 이러한 냉각부(300)는 팬의 회전을 통해 압축된 공기를 냉각시키는 것으로 경우에 따라서 열전소재를 포함할 수도 있다.
수분필터부(400)는, 냉각부(300)를 통해 냉각된 공기를 전달받아 공기 내의 수분을 제거하는 구성에 해당한다. 컴프레셔부(200)에 의해 고온으로 존재하던 공기가 냉각부(300)를 통해 급속으로 냉각될 경우, 공기가 냉각되는 동안 공기 주변의 수분을 머금어 공기의 수분 함량이 증가하는 경우가 발생한다. 따라서 냉각된 공기로부터 수분을 제거하기 위해 수분필터부(400)가 구비되며, 이러한 수분필터부(400)를 통해 수분이 대부분 제거된 공기를 얻을 수 있게 된다.
밸브부(500)는, 압축 및 수분이 제거된 공기의 이동 경로를 조절하기 위해 구비된 구성으로, 후술할 제1제올라이트부(600) 및 제2제올라이트부(700)에 공급되는 공기의 이동 경로를 선택적으로 조절하는 역할을 한다. 상세하게는 수분필터부(400)를 지나 수분이 제거된 공기를 밸브부(500)가 공급받은 후 공기가 제1제올라이트부(600) 및 제2제올라이트부(700) 중 어느 한 쪽으로 공급되도록 조절하는 역할을 하는데, 만약 공기가 제1제올라이트부(600)에 공급되어야 하는 경우에는 밸브부(500)의 조절을 통해 제2제올라이트부(700)를 향하는 경로를 차단하고 제1제올라이트부(600)를 향하는 경로만 개방하여 공기가 이동하도록 한다.
반대로 제2제올라이트부(700)에 공기를 공급해야 하는 경우에는 밸브부(500)를 조절하여 제1제올라이트부(600)를 향하는 경로는 차단하고, 제2제올라이트부(700)를 향하는 경로는 개방하여 공기의 이동이 가능해지도록 한다. 여기서 밸브부(500)는 전기를 통해 개방 및 폐쇄가 제어될 수 있도록 솔레노이드밸브로 이루어지는 것이 바람직한데, 솔레노이드밸브는 도선을 나선형으로 감아서 전기를 통전시키면 자장의 힘에 의해 개방 및 폐쇄되는 전자밸브로, 이러한 솔레노이드밸브로 이루어지는 밸브부(500)는 후술할 제어부(800)를 통해 제어될 수 있다.
제1제올라이트부(600)는, 밸브부(500)로부터 선택적으로 공기를 공급받아 공기 중 질소를 흡착하여 산소 농도가 증가한 공기를 배출하는 구성에 해당한다. 이는 제올라이트(zeolite) 흡착제가 충진된 제1제올라이트부(600)를 공기가 통과하게 되면 공기 중 질소가 제올라이트 흡착제에 흡착되고, 질소가 대부분 제거되어 산소만 남은 상태의 공기가 제1제올라이트부(600)로부터 배출된다. 여기서 제1제올라이트부(600)는 공기 100부피부에 대해 산소가 95부피부 이상이 존재하도록 질소를 흡착하는 것이 바람직하다. 이때 제1제올라이트부(600)의 제올라이트 흡착제가 질소를 흡착할 수 있는 최대치를 초과할 경우 제1센서부(610)가 이를 감지하여 제1신호를 후술할 제어부(800)에 전송하게 된다.
제1센서부(610)는, 제1제올라이트부(600) 내에 설치되어 제1제올라이트부(600) 내의 질소 포화 정도를 감지하는 구성으로, 제1제올라이트부(600) 내에 질소가 포화될 경우 이를 감지하여 제어부(800)에 제1신호를 보내게 된다. 이와 같이 제어부(800)에 제1신호를 보내게 되면 제어부(800)는 해당 신호를 감지하여 제1제올라이트부(600)에 더 이상 공기가 공급되지 않도록 밸브부(500)에 제어신호를 보내어 밸브부(500)의 구동을 제어하게 된다.
제2제올라이트부(700)는, 제1제올라이트부(600)와 마찬가지로 밸브부(500)로부터 선택적으로 공기를 공급받아 공기 중 질소를 흡착하여 산소 농도가 증가한 공기를 배출하는 구성으로, 제올라이트(zeolite) 흡착제가 충진된 제2제올라이트부(700)를 공기가 통과하면서 질소가 제올라이트 흡착제에 흡착되어 질소가 대부분 제거된 상태의 공기가 제2제올라이트부(700)로부터 배출되도록 한다. 여기서 제2제올라이트부(700)는 제1제올라이트부(600) 내에 질소가 포화된 경우 질소의 흡착이 가능하도록 여분으로 준비되는 구성으로, 밸브부(900)를 통해 조절 될 경우에 제2제올라이트부(700)에 공기가 유입될 수 있다. 이때 제2제올라이트부(700)의 제올라이트 흡착제가 질소를 흡착할 수 있는 최대치를 초과할 경우 제2센서부(710)가 이를 감지하여 제2신호를 후술할 제어부(800)에 전송하게 된다.
제2센서부(710)는, 제2제올라이트부(700) 내에 설치되어 제1센서부(610)와 마찬가지로 제2제올라이트부(700) 내의 질소 포화 정도를 감지하는 구성으로, 제2제올라이트부(700) 내에 질소가 포화될 경우 이를 감지하여 제어부(800)에 제2신호를 보내게 된다. 이와 같이 제어부(800)에 제2신호를 보내게 되면 제어부(800)는 해당 신호를 감지하여 제2제올라이트부(700)에 더 이상 공기가 공급되지 않도록 밸브부(500)에 제어신호를 보내어 밸브부(500)의 구동을 제어하게 된다.
제어부(800)는, 제1센서부(610) 또는 제2센서부(710)로부터 신호를 전달받아 밸브부(500)를 제어하는 구성으로, 밸브부(500)가 제1제올라이트부(600) 또는 제2제올라이트부(710)에 공기를 선택적으로 공급하도록 제어하는 역할을 한다.
상세하게는 수분필터부(400)를 지나 수분이 제거된 공기가 밸브부(500)에 유입될 경우 밸브부(500)의 조절에 의해 제2제올라이트부(700)가 차단된 상태에서 제1제올라이트부(600)로만 공기가 이동하게 된다. 이와 같이 제1제올라이트부(600)에 지속적으로 공기가 유입되어 질소의 흡착이 이루어지게 되면, 제1제올라이트부(600)가 더 이상 질소를 흡착할 수 없는 질소 포화상태가 되며 이를 제1센서(610)가 감지하여 제1신호를 제어부(800)에 보내게 된다. 제1신호를 감지한 제어부(800)는 제어신호를 밸브부(500)에 보내어 밸브부(500)를 조절하게 되며, 조절된 밸브부(500)는 제1제올라이트부(600)로 공기를 보내는 것을 차단하고 제2제올라이트부(700)로 공기를 보내게 된다. 이때 제2제올라이트부(700)로 공기를 보내는 동안 제1제올라이트부(600)는 제올라이트 흡착제의 교체가 이루어지게 된다.
이와 같이 제2제올라이트부(700)로 지속적으로 공기가 유입되어 질소의 흡착이 이루어지게 되면, 제2제올라이트부(700)가 질소 포화상태가 되고 이를 제2센서(710)가 감지하여 제2신호를 제어부(800)로 보내게 된다. 제2신호를 감지한 제어부(800)는 제어신호를 밸브부(500)에 보내어 다시 밸브부(500)를 조절하게 되며, 조절된 밸브부(500)는 제2제올라이트부(700)로 공기를 보내는 것을 차단하고 제1제올라이트부(600)로 공기를 보내게 된다.
이러한 제1제올라이트부(600) 및 제2제올라이트부(700)는 컴프레셔부(200)에 의해 고압으로 공급되는 공기로부터 산소와 질소 간의 압력차이 및 부피차이에 의해 질소를 흡착하고 산소는 배출할 수 있게 되는 것이다.
중공사막부(900)는, 제1제올라이트부(600) 또는 제2제올라이트부(700)로부터 질소가 제거된 공기를 공급받아 공기 내의 잔여질소를 제거하여 고순도 산소를 외부로 배출하는 구성에 해당한다. 중공사막은 중공사 섬유를 이용하여 형성된 막형태의 필터를 의미하며, 이러한 중공사막을 포함하는 중공사막부(900)는 질소를 필터링할 뿐 아니라 각종 세균 또는 유기 오염물질이 걸러져 더욱 깨끗한 상태의 산소를 외부로 공급할 수 있게 된다.
이와 같은 중공사막부(900)는 제1제올라이트부(600) 및 제2제올라이트부(700)와 달리 산소와 질소 간의 확산 속도 차이를 이용하여 질소와 산소를 분리하게 된다. 즉, 산소와 질소 간의 압력차이 및 부피차이에 의해 서로 분리하는 제1제올라이트부(600) 및 제2제올라이트부(700)와는 달리, 확산 속도가 질소보다 빠른 산소가 확산 속도 차이에 의해 먼저 중공사막부(900)를 통과하게 되고, 상대적으로 확산 속도가 느린 질소가 중공사막부(900)를 통과하기 전에 중공사막부에 걸러지게 되는 것이다. 이와 같이 중공사막부(900)를 통해 잔여질소가 걸러지게 되면 제1제올라이트부(600) 및 제2제올라이트부(700) 만을 통해 질소를 흡착하는 경우보다 더 고순도의 산소를 얻을 수 있게 된다. 여기서 고순도의 산소는 공기 100부피부에 대해 97부피부 이상이 산소로 이루어지는 것을 의미한다.
이러한 중공사막부(900)는 산소를 외부로 배출하는 역할을 하기 때문에, 산소가 외부로 배출되기 전의 상태를 확인할 수 있는 산소유량센서(910), 산소압력센서(920) 및 산소순도센서(930)가 내부에 설치된다.
산소유량센서(910)는, 중공사막부(900) 내에 설치되어 중공사막부(900)에서 배출되는 산소의 유량 및 산소 공급 시간을 감지하는 센서로, 산소발생장치(10)를 통해 외부로 산소가 얼마나 공급되고 어느 시간 정도로 작동되었는지 확인 가능하다.
산소압력센서(920)는, 중공사막부(900) 내에 설치되어 외부로 배출되는 산소의 압력을 측정하는 센서로, 외부의 산소 농도에 따라 외부로 배출되는 산소의 압력을 감지하고 이를 조절하는 역할을 한다.
산소순도센서(930)는, 중공사막부(900) 내에 설치되어 외부로 배출하는 산소의 순도를 측정하는 센서로, 산소의 순도가 기설정된 적정범위 내로 공급될 경우 별 다른 알람이 울리지 않으나, 만약 산소의 순도가 기설정된 범위 이하일 경우 이를 감지하여 제어부(800)에 신호를 보내게 된다.
이와 같이 산소유량센서(910), 산소압력센서(920) 및 산소순도센서(930)는 제어부(800)와 연결되어 각각이 제어부(800)에 신호를 보내게 되며, 제어부(800)는 이를 감지하여 밸브부(500)를 조절하게 된다.
모니터부(1000)는, 산소유량센서(910), 산소압력센서(920) 및 산소순도센서(930)와 연결되어 중공사막부(900)로부터 외부로 배출되는 고순도 산소의 상태를 모니터링할 수 있는 구성에 해당한다. 즉, 모니터부(100)를 통해 작업자가 외부로 배출되는 산소의 유량, 산소의 압력 및 산소의 순도를 수치로 확인하기 위해 구비된 구성으로, 이러한 모니터부(1000)는 모니터, 스마트폰, 태블릿 PC 등 제한없이 적용 가능하다.
이와 같이 본 발명에 따른 고순도 산소의 공급이 가능한 산소발생장치를 설치할 경우, 공기 내의 질소를 효율적으로 제거하여 고순도 산소를 외부로 공급할 수 있으면서, 외부로 공급되는 산소의 상태를 모니터링 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
10: 산소발생장치
100: 헤파필터부
200: 컴프레셔부
300: 냉각부
400: 수분필터부
500: 밸브부
600: 제1제올라이트부
610: 제1센서부
700: 제2제올라이트부
710: 제2센서부
800: 제어부
900: 중공사막부
910: 산소유량센서
920: 산소압력센서
930: 산소순도센서
1000: 모니터부

Claims (3)

  1. 외부의 공기가 유입되는 헤파필터부;
    상기 헤파필터부를 통해 유입된 상기 공기를 압축하는 컴프레셔부;
    상기 컴프레셔부를 통해 압축된 상기 공기의 이동 경로를 조절하는 밸브부;
    상기 밸브부로부터 선택적으로 상기 공기를 공급받아 상기 공기 중 질소를 흡착하여 산소 농도가 증가한 상기 공기를 배출하는 제1제올라이트부;
    상기 밸브부로부터 선택적으로 상기 공기를 공급받아 상기 공기 중 질소를 흡착하여 산소 농도가 증가한 상기 공기를 배출하는 제2제올라이트부; 및
    상기 제1제올라이트부 또는 상기 제2제올라이트부로부터 질소가 제거된 상기 공기를 공급받아 상기 공기 내의 잔여질소를 제거하여 고순도 산소를 외부로 배출하는 중공사막부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 산소의 공급이 가능한 산소발생장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 산소발생장치는,
    상기 컴프레셔부를 통해 압축된 상기 공기를 전달받아 상기 공기를 냉각하는 냉각부; 및
    상기 냉각부를 통해 냉각된 상기 공기를 전달받아 상기 공기 내의 수분을 제거하는 수분필터부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 산소의 공급이 가능한 산소발생장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 산소발생장치는,
    상기 제1제올라이트부 내에 설치되어 상기 제1제올라이트부 내의 질소 포화 정도를 감지하는 제1센서부;
    상기 제2제올라이트부 내에 설치되어 상기 제2제올라이트부 내의 질소 포화 정도를 감지하는 제2센서부; 및
    상기 제1센서부 또는 상기 제2센서부로부터 신호를 전달받아 상기 밸브부를 제어하는 제어부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 산소의 공급이 가능한 산소발생장치.
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