KR200335978Y1 - 산소농축기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소형 산소농축기에 관한 것으로, 특히 진공스윙흡착방식에 기초하여 작동되며 충전이 가능한 밧데리에 의하여 소형펌프가 구동되는 소형 산소농축기에 관한 것이다. 사용자는 평상시 충전지에 의하여 구동되는 펌프에 의하여 농축산소를 공급받을 수 있으며, 가정에서는 일반 전원에 의하여, 자동차 에서는 자동차 전원에 바로 연결함으로써 사용이 가능하다. 소형 펌프는 브러쉬리스 직류모터에 의하여 구동된다. 본 장치는 초소형이므로 설치공간이 협소한 냉장고에 연결되어 질소 농축기로의 전용이 가능하다.

Description

산소 농축기{Oxygen Concentrator}

본 고안은 소형 산소농축기에 관한 것으로, 특히 충전지를 사용하고 소형 펌프를 브러쉬리스 직류모터로 구동함으로써 휴대가 가능하며, 가정에서는 일반 전원으로, 자동차에서는 자동차 전원으로 연결됨으로써 장소에 구애됨이 없이 사용자에게 농축산소를 공급할 수 있는 산소농축기에 관한 것이다.

공기 중으로부터 질소 및 불순물을 제거하고 통상적인 산소농도보다 높은 농도의 산소를 공급하는 산소농축기는 과거 산업용에 집중되어 개발되어 왔다. 전원공급에 의하여 산업용 질소, 산소 및 수소를 정제하는 이들 장치는 주로 특정 기체에 대하여 선택적인 흡착성을 가지는 흡착제를 사용하여 압력 차이에 의하여 농축기체를 생산하는 압력스윙흡착(Pressure Swing Adsorption,PSA) 방식에 의하여 운전되어 왔다. 이들은 대량의 산업용 농축기체를 생산하는 데에 사용되었으며, 환자에게 고농도의 산소를 공급하기위한 장치 이외에 최근에는 공기청정기에 대한 관심이 높아 짐으로써 가정이나 사무실의 특정 공간에 농축된 산소를 공급하는 산소농축기에 적용되기 시작하였다.

PSA 방식보다 저농도의 농축산소를 공급하기는 하지만 상대적으로 저가이면서 장치가 간단한 기체분리막에 의한 방식도 급속히 보급되어, 소형 가전분야에 적용되면서 공기청정기는 물론 냉장고와 같이 산소를 제거하여 음식물을 장기보존하는 분야 등에의 연구가 이루어지고 있다. 기체분리막에 의한 방식은 흡착제에 의한 방식에 비하여 상대적으로 간단한 장치로 인하여 저가로 구성되어 대량생산에유리하지만, 원리적으로 수분이 발생하여 이를 처리하기 위한 장치와, 여전히 가압과 부압에 필요한 펌프의 고사양 요구로 인하여 소형화하는 데에는 한계가 있는 실정이다.

PSA 방식은 흡착제에 압력차이를 가하는 방식에 따라서, 대기압 이상에서 구동되는 통상적인 PSA 방식과 대기압 이하에서 구동되는 진공스윙흡착(Vacuum Swing Adsorption,VSA) 방식, 그리고 조합 방식인 VPSA 방식으로 세분할 수 있다. 원리적으로 압력차이를 증가 시킬수록 흡착효율이 높아져 전체 장치의 크기를 소형화할 수 있으므로 초기에는 PSA 방식에 의한 산소농축기가 집중적으로 연구되어 소형 산소농축기에 적용되어 왔다. 그러나, 가압 압력이 높아짐에 따른 컴프레셔의 내구성, 열문제 그리고 소음발생으로 인하여 오히려 소형 가전에의 적용이 한계성을 보임에 따라 최근에 개발되어온 고성능 흡착제를 사용하여 최소한의 압력차이로 전체 장치를 최소화 하려는 노력이 이루어 지고 있다.

이러한 소형화의 결과로 교류 모터를 사용한 일반 소형 펌프를 사용하여 개인이 흡입용으로 사용할 수 있는 개인용 산소농축기가 시판되고 있다. 그러나, 이는 가정에서만 사용할 수 있는 것으로 교류전원에 의해서만 가동된다. 따라서, 여전히 높은 소음수준과 열문제, 그리고 사용자가 이동시나 운전시에는 사용할 수 없는 단점이 있다. 사용자가 사용하고자 하는 장소에 국한되어 사용되는 산소농축기는 효율적이지 못하며, 별도의 차량용 산소농축기를 설치하여 사용하는 것 보다는 휴대용 산소농축기를 사용하여 차량용 전원에 연결하거나 가정용 전원에 관계없이 사용하는 것이 바람직하다.

종래의 산소농축기는 주로 일반적으로 사용하는 교류전원에 의한 소형펌프를 사용함으로써 모터 효율이 좋지 않아 소형화에 한계를 가져왔다. 따라서, 저전력, 고수명의 브러쉬리스 직류 모터를 사용하는 것이 바람직하다. 일반 직류모터는 기동력이 좋으나 소음과 브러쉬 사용에 따른 수명의 문제가 있다.

본 고안은 상기와 같은 소형화에 따른 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 저전력을 소비하며 고수명을 가지는 소형 산소농축기를 구성하는 데에 그 목적이 있다.

본 고안은 사용자가 장소에 국한되지 않고 가정과 이동시 그리고 차량 내에서 다용도로 사용할 수 있는 소형 산소농축기를 구성하는 데에 그 목적이 있다.

본 고안은 산소농축기로 사용하는 동시에, 부산물로 나오는 질소를 사용하여 냉장고에 적용함으로써, 별도의 질소농축기 없이 냉장고에 부착할 수 있는 산소농축기를 사용하여 음식물을 장기보관할 수 있도록 하는 데에 그 목적이 있다.

도 1 은 본 고안에 의한 산소농축기의 전체 도식도이다.

도 2 는 본 고안에 의한 진공펌프수단의 실시예이다.

도 3 은 본 고안에 의한 장치의 냉장고응용 실시예이다.

-도면부호의 간단한 설명-

1,2..흡착베드

3..필터 4..밸브

5..진공펌프수단 6..미세관

7..체크밸브 8..질소토출부

9..산소토출부 10..브러쉬리스 모터

11..제어수단 12..펌프구동부

13..PCB 14..밧데리

15..충전회로 16..교류전원부

17..직류전원부 18..조절수단

19..냉장고 20..저장실

21..산소농축기

본 고안은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 초소형 산소농축기를 구성하기 위해 사용되는 고성능 흡착제를 효율적으로 재생하는, 진공압 이하에서 운전되는 진공스윙흡착 방식에 의하여 가동되며, 진공펌프는 고수명, 고효율의 저전력 소비형 브러쉬리스 모터에 의하여 구동되고, 전원은 리튬이온 전지와 같은 고효율 충전지를 사용하여 산소농축기의 휴대가 가능하며, 상기 충전지는 가정에서 사용시일반 교류전원에 의해 구성된 충전수단에 의해 전력이 공급되며, 차량에서는 차량전원과 연결가능하여 휴대용, 가정용 및 차량용으로의 전용이 가능하게 된다.

본 고안에 의한 산소농축기의 실시예를 도 1에 도식화하여 도시하였다. 도 1은 두 개의 흡착베드를 사용하는 실시예로서, 흡착제를 내부에 포함하는 두 개의 흡착베드(1,2)에 원료공기가 필터(3)를 통하여 흡입되며, 밸브(4)를 거쳐 흡착베드(1,2) 내로 들어가게 된다. 밸브(4)는 두 개의 흡착베드(1,2) 중에 하나를 선택하여, 하나는 흡입공기가 들어가고 다른 하나의 흡착베드는 진공펌프수단(5)의 질소토출부(8)에 의하여 진공압을 받게 된다. 예를 들면, 흡착베드(1)은 필터(3)를 통과한 원료공기가 밸브(4)를 거쳐 흡입되어, 질소 및 불순물이 흡착베드(1) 내의 흡착제에 주로 흡착되고, 상대적으로 흡착성이 떨어지는 산소는 흡착베드(1)를 통과하여, 미세관(6)과 체크밸브(7)를 거쳐 진공펌프수단(5)의 산소토출부(9)에 의하여 흡입되어 목적공간으로 분사되게 된다. 진공펌프수단(5)은 도 1과 같이 동일한 모터에 형성될 수 있으며, 별도의 다른 모터를 사용하여 구성할 수 있다. 소형에서는 단일한 브러쉬리스 모터(10)에 구성되는 것이 바람직하다. 조절수단(18)은 산소농도와 유량을 조절하기 위한 수단으로, 원료공기와 농축공기를 혼합하거나 생산되는 농축공기의 유량을 직접 조절하여 농도를 조절할 수 있게된다. 실질적으로 유량조절밸브나 고정된 구멍크기를 가지는 오리피스 등을 사용할 수 있다.

상기 흡착베드(1)가 생산단계를 거치는 동안에 다른 흡착베드(2)는 밸브(4)에 의하여 진공펌프수단(5)의 질소토출부(8)에 연결되어 흡착제에 흡착되어 있는질소 및 불순물을 제거하는 재생단계를 거치게 된다. 상기와 같은 두 개의 흡착베드를 갖는 실시예는 본 출원인에 의해 출원된 바와 같이 한 개의 흡착베드나 다수의 흡착베드를 가지는 것 중의 일 실시예로서, 흡착베드 개수의 변경은 당업자 사이에 자명하다.

또한, 상기 실시예와 같은 미세관(6)과 체크밸브(7)의 개수 및 위치는 본 출원인에 의해 출원된 바와 같이 다양하게 변화될 수 있으며, 밸브(4)는 흡착베드의 개수에 따라 단일한 밸브나 다수의 밸브로 결합되거나 유로를 형성한 판을 모터에 의하여 구동하는 회전밸브를 사용할 수 있는 것은 당업자 사이에 자명하다.

진공펌프수단(5)은 브러쉬리스 모터(10)로 구동되며, 도 1에서는 단일한 브러쉬리스 모터(10)에 두 개의 펌프헤드가 부착되어 질소토출부(8)와 산소토출부(9)가 동일한 모터에 의하여 구동된다. 물론, 별도의 두 개의 모터를 사용하여 각각의 토출부를 구성하는 것은 자명하다. 도 2는 단일 모터에 두개의 펌프헤드가 구성된 실시예를 자세히 나타낸 것으로, 단일한 브러쉬리스 모터(10)에 의하여 두개의 펌프구동부(12)가 운동함으로써 질소토출부(8)와 산소토출부(9)를 구성하는 실시예를 나타낸 것이다. 펌프구동부(12)는 펌프 타입에 따라 피스톤일 수 도 있고 다이아프램일 수도 있다. 청정기나 개인흡입용등의 응용처에 맞는 소음수준과 제품의 수명에 따라 선정이 가능하다. 인쇄회로 기판인 PCB(13)는 제어수단(11)에 포함될 수도 있고 도 2와 같이 브러쉬리스 모터(10)와 일체형으로 구성될 수도 있다. 상기 브러쉬리스 모터(10)는 제어수단(11)에 의하여 조절이 가능하며, 상기 제어수단(11)은 상기 밸브(4)를 또한 주어진 공정에 의하여 운전되도록 제어하게된다.

상기 브러쉬리스 모터(10)는 도 1의 밧데리(14)에 의하여 전력을 공급받는다. 밧데리는 충전이 가능하며, 휴대용으로 구성이 가능하도록 리튬 폴리머 충전지가 사용될 수 있다. 밧데리(14)의 충전은 충전회로(15)에 의하여 제어되며, 상기 충전회로(15)는 제어수단(11)에 포함되어 구성될 수 있다. 교류전원부(16)는 가정용으로 사용할 경우에 사용되며, 일반 교류전원을 받아 밧데리(14)를 충전하거나 브러쉬리스 모터(10)를 구동하여 산소농축기를 구동하게 된다. 직류전원부(17)는 주로 차량용 전원을 이용하기 위한 것으로, 사용자가 차량의 전원부에 연결하게 되면 밧데리(14)의 전력을 충전하거나 산소농축기를 직접 구동하게 된다. 브러쉬리스 모터(10)의 구동 방법은 당업자 사이에 자명하며, 토크리플을 최소화하는 것이 바람직하다. 모터의 회전수를 제어할 경우에는 산소농축기의 성능이 변화되므로, 성능자체를 변화시킬 필요성이 있는 경우에는 회전수를 제어하는 것이 바람직하다.

본 소형 산소농축기는 냉장고에 응용되어 질소농축기로의 전용이 가능하다. 냉장고는 별도 장치의 부착이 매우 어려운 설치공간을 가지므로 본 고안과 같은 소형 산소농축기가 바람직하다. 도 3은 이를 도식화 한 것으로, 냉장고(19)의 음식이나 야채를 저장하는 저장실(20) 내부의 공기를 원료공기로 하여 상기 산소농축기(21)를 폐쇄 회로로 구성하면, 산소농축기(21)의 산소토출부(9)로 부터 방출되는 농축산소는 공기중으로 분사되며, 질소토출부(8)는 다시 목적 공간인 저장실(20)로 분사되어 원료공기와 섞이게 된다. 이와 같은 운전을 반복하게 되면저장실(20)은 거의 완전한 질소분위기로 고정될 수 있다. 산소토출부(9)로 부터 방출되는 농축산소는 그대로 버려질 수도 있고 별도의 목적공간으로 분사될 수도 있다.

본 소형 산소농축기가 휴대용으로 사용될 경우에는 사용자가 손쉽게 농축산소를 흡입할 수 있도록 헤드셋을 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 산소수를 개인적으로 생성할 수 있으며, 이 때는 기포기를 구비하여 산소토출부(9)에 연결하여 목적하는 물에 담금으로써 산소수를 만들 수 있는 것은 자명하다. 또한, 농축산소가 분사되는 말단에 향발생기를 결합하여 부가적인 효과를 얻을 수 있는 것 또한 당업자 사이에 자명하다.

본 고안에 의한 산소농축기는 저소음, 고효율 브러쉬리스 모터를 사용함으로써 고효율, 저전력화를 이룰 수 있으며, 밧데리 전원구동을 함으로써 초소형화를 통한 휴대용은 물론 가정용 전원 및 차량 전원과의 호환성을 통한 전천후 산소농축기로 사용이 가능하다.

본 고안에 의한 산소농축기는 고성능의 흡착제를 채용하고, 상기 흡착제에 부합하는 진공스윙흡착방식에 의하여 구동됨으로써 저소음, 초소형화를 이룰 수 있으며, 밸브, 모터 및 충전회로가 단일 제어수단에 의해 제어가 가능하여 컴팩트한 구성이 가능하다.

본 고안에 의한 산소농축기는 직류와 교류전원을 자유롭게 사용할 수 있고, 고효율 밧데리를 사용하여 휴대용으로 가능하다.

본 고안에 의한 산소농축기는 냉장고에 질소농축기로의 전용이 가능하여 설치공간에 제약이 많은 냉장고에 질소분위기 고정용으로 사용될 수 있다.

Claims (6)

1. 질소에 대하여 선택적인 흡착력을 갖는 흡착제에 압력차이를 가하여 공기중으로부터 질소 및 불순물을 분리하여 농축산소를 생산하는 산소농축기에 있어서,

   두 개의 진공펌프수단을 구비한 진공펌프수단을 포함하며,

   상기 진공펌프수단에 부착된 질소토출부가 상기 흡착제를 포함하는 흡착베드에 진공압을 가함으로써 상기 압력차이는 상기 진공압과 원료 공기의 압력사이에 의하여 발생하며,

   상기 압력차이에 의하여 흡착제에 상대적으로 덜 흡착되는 산소는 체크밸브를 거쳐 진공펌프수단의 산소토출부에 의하여 흡입되어 목적공간으로 분사되고,

   상기 진공펌프수단은 브러쉬리스 모터를 구동원으로하여 모터에 펌프수단을 연결함으로써 운전되고,

   상기 모터는 밧데리에 의하여 전력이 공급되며,

   상기 밧데리는 재충전이 가능한 충전지로서 충전회로에 의하여 제어되고,

   상기 충전회로는 외부로부터 교류전원과 직류전원 모두에 대하여 연결가능한 것을 특징으로 하는 산소농축기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 흡착베드를 두 개 구비하여 하나의 흡착베드가 생산단계에 있을 때에 다른 흡착베드는 재생과정을 통하여 연속생산이 가능한 것을 특징으로 하는 산소농축기.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 밧데리는 충전회로와 탈착이 가능하여 별도의 외부 전원공급없이 모터가 가동됨으로써 휴대가 가능한 것을 특징으로 하는 산소농축기.
4. 제 1 항 혹은 제 2 항에 있어서, 상기 산소농축기의 원료공기 흡입부는 냉장고의 저장실에 연결되고, 진공펌프수단의 질소토출부를 통하여 배출되는 농축질소는 다시 저장실로 공급되며, 진공펌프수단의 산소토출부는 외부로 버려져 저장실 내부를 질소분위기로 고정하도록 전용되는 것을 특징으로 하는 산소농축기.
5. 질소에 대하여 선택적인 흡착도를 가지는 흡착제에 압력차이를 가하여 원료공기로부터 산소를 분리하는 산소농축기에 있어서,

   상기 흡착제를 내부에 포함하는 두 개 이상의 흡착베드와,

   상기 흡착베드에 진공압을 가하기 위한 제 1 진공펌프수단과,

   원료공기의 불순물을 걸러주기 위한 필터와,

   농축산소를 목적공간으로 분사시키기 위한 제 2 진공펌프수단과,

   상기 흡착베드가 원료공기의 압력과 진공압을 교대로 받을 수 있도록 유로 전환을 해주는 밸브와,

   농축산소를 일방향으로 흘려주기 위한 체크밸브와,

   상기 각 흡착베드의 상단부인 농축산소 생산단부에 미세관을 구비하고,

   상기 각 흡착베드에 구비된 미세관은 상기 체크밸브와 연결되며,

   원료공기와 진공펌프수단에 의해 형성된 압력차이에 의하여 원료공기가 밸브을 통하여 하나의 흡착베드로 유입되어 질소가 흡착제에 흡착되고, 상대적으로 덜 흡착되는 산소는 상기 체크밸브를 통하여, 상기 제 2 진공펌프수단에 의해 흡입되어 농축산소가 목적공간으로 분사되며, 다른 하나의 흡착베드는 상기 제 1 진공펌프수단에 의하여 진공압을 받는 과정이 순차적으로 진행되는 진공스윙흡착 공정에 의해 구동되며,

   상기 각 진공펌프수단은 브러쉬리스 모터에 의하여 구동되며,

   상기 모터는 충전이 가능한 밧데리에 의해서 전원이 공급되고,

   상기 밧데리는 외부의 교류전원와 직류전원 모두에 의하여 충전회로에 의해 충전이 가능한 것을 특징으로 하는 산소농축기.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 진공펌프수단은 단일한 브러쉬리스 모터에 구성되는 것을 특징으로 하는 산소농축기.