KR20040074421A - 기체농축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기체농축기에 관한 것으로, 특히 특정성분에 대하여 선택적인 흡착성능을 보이는 흡착제에 압력차이를 가하여 특정 기체성분이 부화된 기체를 얻는 장치에 관한 것이다. 일반적으로 사용되는 압축스윙방식이나 진공스윙방식에서와 같이 컴프레서나 진공펌프를 사용하지 않고, 자석과 트랜스를 기본 구성요소로 갖는 버블펌프를 사용함으로써 저소음, 저가격 및 고내구성의 장치를 구성할 수 있다. 특히, 산소농축기에 응용할 경우 저농도, 고유량의 개인 가정용으로서의 활용도가 큰 제품을 만들 수 있다.

Description

기체농축기{Gas concentrator}

본 발명은 특정 기체에 대하여 선택적인 흡착성을 갖는 흡착제에 압력차이를 가하여 특정기체의 부화 기체를 얻는 장치에 관한 것으로, 특히 자석과 트랜스를 기본구조로 갖는 버블펌프를 사용한 것이다.

종래의 특정기체의 부화기체를 얻는 기술은 합성제올라이트 등의 흡착제를 사용하여, 컴프레서나 진공펌프를 사용하여 압력차이를 가하여 산소부화공기나 질소부화공기를 얻는 기술이다. 이는 압축스윙흡착(PSA, Pressure Swing Absorption)방식이나 진공스윙흡착(VSA) 방식으로 불리우며 산업용 및 가정용 산소농축기에 광범위하게 적용되고 있다. 기타 기체분리막 방식은 기체의 확산속도 차이를 이용한 것으로 PSA 방식에 비하여 저농도를 생산하나 그 장치가 간단하여 선호되는 방식이다. 그러나, 기체분리막 방식 역시 컴프레서나 진공펌프를 그 구동원으로 사용할 수 밖에 없어 PSA 방식과 마찬가지의 소음진동문제 및 열 문제가 발생하게 된다.

상기와 같은 방식에서 공기압을 얻거나 진공압을 얻거나 모두 컴프레서나 진공펌프가 사용된다. 이들은 피스톤방식과 다이어프램 방식이 거의 대부분이며, 진공펌프의 경우에는 베인타입이 부분적으로 사용되기도 한다. 이러한 컴프레서나 진공펌프는 기본적으로 실내에서 사용되기에는 부적합한 소음레벨을 가지며, 진동 또한 심한 것이 많아 다른 기기와의 부착에 많은 어려움을 겪게 된다.

공기압이나 진공압을 얻을 수 있는 다른 장치로서는 블로워나 다이어프램을 갖는 리니어 타입의 바이브레이터 등이 있다. 이들은 소음레벨에 있어서 상기의 펌프수단에 비하여 장점이 있다.

그러나, 이들 장치로는 그 압력이 낮고 경제적인 장점이 적어 기체농축기에의 적용은 거의 없는 실정이다. 특히, 실내에서 사용할 수 있는 소형 개인용 산소농축기와 같은 기기에서는 종래의 피스톤이나 다이어프램 타입의 오일레스 펌프의 사용은 소음진동문제와 열 문제로 인하여 사용하기 곤란하므로 리니어 타입의 바이브레이터 등이 유리하나 가격이 고가로 되어 실용적이지 못하게 된다.

일반적으로 관상어용의 기포발생기나 정화조 공기주입용 등으로 주로 사용되는 버블펌프는 매우 낮은 압축력과 200mmHg 이하의 낮은 진공압을 발생시키는 것이 일반적이나, 제작여부에 따라 1kg 정도의 압축력과 300~400mmHg 정도의 진공압을 발생시킬 수 있다.

따라서, 이들을 적절히 농축기에 적용함으로써 버블펌프가 가지고 있는 본연의 특성인 저소음, 저진동, 저전력 소비, 고내구성 및 저가격의 장점을 이용하여 소형 기체농축기를 구성할 수 있다.

본 발명은 상기와 같이 소형 실내용 산소농축기와 같이 저소음, 저전력, 저진동 및 저가격의 기체농축기를 구성하는 데에 그 목적이 있다.

또한, 종래의 기체농축기에 적용되어 온 컴프레서나 진공펌프와는 개념이 다른 기포발생용 버블펌프를 사용하는 기체농축기를 구성하는 데에 그 목적이 있다.

버블펌프의 농축기에의 적용은 시도된 바 없으며, 그 압축력과 진공압을 증가시키는 시도 또한 다른 펌프수단에 비하여 장점이 없는 것으로 판단되어 이루어지지 못하였다.

그러나, 그 구성요소인 자석의 고급화와 트랜스의 변경을 통하여 300~400mmHg 정도의 진공압을 발생시키는 것은 실험을 통하여 확인되었다. 버블펌프는 그 구성상 압축부하가 걸렸을 때에 자석이 부착된 바이브레이터 팔이 벌어지게 되며 흔들림 변위가 커지게 되어 그 수명이 저하될 가능성이 많으므로 압축스윙방식보다는 진공스윙방식의 사용이 바람직하다. 진공스윙방식을 채용할 경우에 생산되는 농축기체를 효과적으로 목적공간으로 분사시키기 위해서는 별도의 진공용 버블펌프를 구비하여, 이전의 버블펌프가 만들어 낸 진공압과 대기압의 차이에 의하여 농축기체를 생산하고, 만들어진 농축기체를 다른 또 하나의 버블펌프가 흡입하도록 한다. 따라서, 버블펌프만으로 구성된 본 발명에 따른 기체농축기는 실내용의 최대 문제점인 소음진동문제를 해결할 수 있다.

300~400mmHg 정도의 진공압은 실험에 의하면 흡착제의 양에 따라 기체부화농도를 자유롭게 조절할 수 있을 정도의 충분한 진공압이며, 다만 주어진 흡착제를포함하는 흡착베드 내의 진공압을 유지하기 위하여 일정수준 이상의 유량을 갖는 버블 펌프가 바람직하다. 이는 두 개 이상의 버블펌프를 병렬로 구성하여 해결하는 것이 바람직하며 별개의 버블펌프를 연결하는 것보다는 병렬 일체형으로 구성하는 것이 공간의 절약면에서 바람직하다.

본 발명은 산업용에의 적용은 불가능하며, 가정용의 소형기기에의 적용이 바람직하다.

도 1은 본 발명에 따른 장치의 도식도이다.

도 2는 본 발명에 따른 장치에서 사용하는 버블펌프의 구조도이다.

상기와 같은 목적과 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 도 1에 도시된 바와 같이 구성된 진공스윙흡착방식에 기초한 장치로 이루어진다. 그 기본적인 구성은 종래의 PSA 방식이나 VSA 방식과 유사하며, 본 발명자에 의해 출원된 VSA 방식과 거의 동일하다. 즉, 제 1 버블펌프(1)와 밸브수단(2), 흡입필터(3), 흡착베드(4, 5), 체크밸브수단(6, 7), 미세관 수단(8) 그리고 제 2 버블펌프(9)로 구성된다. 버블펌프(1, 9)는 도 2에 도시된 바와 같이 자석(10), 트랜스(11) 그리고 자석과 연결되어 진동하는 진동외팔보(12)를 그 주요구성요소로 갖는다.

우선 제 1 버블펌프(1)는 흡착제를 내부에 포함하는 흡착베드(4, 5) 내의 불순물을 제거하고 베드 내에 진공압을 형성시키는 역할을 담당하며, 그 구조는 도 2에 도시된 바와 같이 자석(10)을 끝단에 가지는 진동외팔보(12)와 주파수에 따라 자기장을 변화시키는 트랜스(11)로 주요구성부가 이루어져 있다. 기체를 펌핑하기 위한 고무진동자나 고무체크밸브 등은 자명하므로 도시를 생략하였다. 트랜스(11)에 전원을 가하면 생성된 전기장과 자석과의 상호작용에 의하여 전원 주파수에 따라 외팔보가 진동하게 되고 이를 고무진동자에 전달하여 기체를 펌핑하게 된다.

제 1 버블펌프(1)의 작용에 의하여 한쪽의 흡착베드(4)에 생성된 진공압은 밸브수단(2)이 유로를 제 1 버블펌프(1)로부터 흡입필터(3) 쪽으로 전환하게 되면 대기압과의 차이에 의하여 외부 기체가 흡착베드(4) 내로 유입되게 된다. 이 때 특정성분의 기체가 흡착제에 주로 흡착되고 여분의 기체는 흡착베드(4) 내에 잔류하게 된다. 제 2 버블펌프(2)는 밸브수단이 작용과는 관계없이 항상 흡착베드(4, 5) 상단에서 작용하고 있으며, 흡착베드(4, 5) 내의 압력이 제 2 버블펌프(2)에 의한 진공압보다 높아지면 기체를 흡입하여 분사하게 된다. 도 1은 두 개의 흡착베드(4, 5)를 사용하는 실시 예로서 그 이상의 흡착베드를 사용할 수 있는 것은 종래의 기술로부터 자명하며, 미세관(8)의 역할은 당업자 사이에서 자명하다.

체크밸브수단(6, 7)은 제 1 버블펌프(1)에 의한 진공압이 제 2 버블펌프(9)에 의한 진공압보다 클 경우에 사용되며, 제 2 버블펌프(9)의 진공압이 보다 클 경우에는 체크밸브수단(6, 7)이 의미가 없어진다. 이 경우에는 항시 두 개의 흡착베드(4, 5)로부터 기체가 흡입되어 저농도, 고유량의 생산상태가 된다. 따라서, 제 2 버블펌프(9)의 진공압 조절에 의하여 생산 기체의 유량 및 농도를 조절할 수 있다. 또한, 흡착베드(4, 5) 내의 불순물을 제거하는 탈착과정에서 제 2 버블펌프(9) 또한 참여하게 되므로 공정주기를 줄이는 효과가 있다. 제 2 버블펌프(9)와 체크밸브수단(6, 7) 사이에 유량조절밸브를 추가하여 조절함으로써 생산기체의 유량 및 농도를 조절할 수도 있다.

제 2 버블펌프(9)의 흡입단 일부를 흡입필터(3)를 통과한 정화기체를 흡입하게 함으로써 기체농도를 조절할 수 있다. 이것은 제 2 버블펌프(9)의 진공압이 일정 이상이 되어야 하며, 일부는 흡착베드(4, 5) 내에 잔류하는 생산기체를 흡입하고 나머지 진공압을 정화기체를 흡입하게 하는 것이다.

추가적인 버블펌프는 흡입필터(3)와 밸브수단(2)의 사이에 추가될 수 있으며, 이 경우에 추가되는 제 3 버블펌프(도시 안 됨)의 압력손실을 방지하기 위하여 흡입필터(3)의 후단에 체크밸브를 부착하는 것은 자명하다. 이러한 실시 예에서는 VSA의 운전조건은 제 1 버블펌프(1)에 의한 진공압과 추가되는 제 3 버블펌프의 압축압력 사이에서 이루어진다. 특별한 고농도를 필요로 하거나 공정주기를 감소시켜 생산량을 증대시키기 위한 경우에 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 기체농축기를 가정용 산소농축기로 응용할 경우 저소음, 저진동, 저전력 및 저가격의 소형 기체농축기로 구현할 수 있다.

버블펌프가 가지는 저가격 및 경량이 특성으로 인하여 저렴하며 가벼운 소형 기체농축기를 구현할 수 있다.

Claims (6)

1. 특정 기체에 대하여 선택적인 흡착성을 갖는 흡착제에 압력차이를 가하여 부화기체를 얻는 기체농축기에 있어서,

   상기 기체농축기는 내부에 흡착제를 포함하는 흡착베드를 구비하고,

   상기 흡착베드와 연결된 유로전환용 밸브수단을 구비하며,

   상기 밸브수단과 연결된 제 1 버블펌프를 구비하여 상기 밸브수단의 유로가 상기 흡착베드와 연결되었을 경우에 제 1 버블펌프에 의하여 상기 흡착베드는 진공압을 받아 내부의 불순물이 제거되며,

   상기 밸브수단에 흡입필터가 연결되어 상기 밸브수단의 유로가 상기 흡착베드와 연결되었을 경우에 상기 제 1 버블펌프에 의하여 생성된 진공압과 대기압과의 차이에 의하여 원료공기가 흡착베드 내로 흡입되고,

   상기 흡착베드 내의 흡착제에 의하여 흡착된 기체 외의 여분의 기체는 제 2 버블펌프에 의하여 흡입되어 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 기체농축기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 버블펌프의 진공압 조절에 의하여 생산기체의 농도를 조절하는 것을 특징으로 하는 기체농축기.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 버블펌프와 체크밸브수단 사이에;

   유량을 조절하여 생산기체의 농도를 조절하는 유량조절밸브가 구비되는 것을 특징으로 하는 기체농축기.
4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 생산기체는;

   산소부화공기이며 제 1 버블펌프에 의해 제거되는 것은 질소부화공기임을 특징으로 하는 기체농축기.
5. 제 4 항에 있어서, 제 2 버블펌프는;

   체크밸브수단을 통과한 산소부화공기를 흡입하는 동시에 흡입필터를 통과한 공기를 동시에 흡입하여 목적공간으로 분사하는 것을 특징으로 하는 기체 농축기.
6. 제 4 항에 있어서, 상기 흡입필터와 밸브수단 사이에;

   흡입필터와 병렬로 제 3 버블펌프를 구비하여 제 1 버블펌프에 의한 진공압과 제 3 버블펌프에 의한 압축력 사이에서 운전되는 것을 특징으로 하는 기체농축기.