KR100492723B1 - 산소농축기를 사용한 공기정화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기로부터 질소를 분리하여 산소를 농축시키는 산소농축기에 관한 것으로, 특히 산소농축기로서 산소부화공기를 공급하는 기능뿐만 아니라, 공기중의 먼지나 작은 크기의 미세먼지와 박테리아 등까지도 정화시킬 수 있는 공기정화기능을 갖도록 하는 산소농축기적용 방법에 관한 것이다. 산소 농축 방법은 압력스윙흡착방법과 기체분리막에 의한 방법이 사용되며, 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 질소를 분리하기 위해 사용되는 원료 공기는 정화하기 위한 제어공간에 존재하는 공기를 사용한다.

Description

산소농축기를 사용한 공기정화 방법 {Air cleaning method using oxygen concentrator}

본 발명은 공기로부터 질소를 분리하여 산소를 농축시키는 장치에 관한 것으로, 산소농축 방법으로는 제올라이트 등의 흡착제를 사용하여 공기중의 산소와 질소의 흡착정도 차이에 따른 질소분리를 수행하는 압력스윙흡착 방식과 기체분리막에 의한 방법이 사용되며 상기 산소농축방법이 가지고 있는 고유한 필터링 기능을 사용하여 공기정화겸용을 하도록 하는 방법 및 그 장치 관한 것이다.

종래의 산소농축 장치들은 주어진 제어공간(control volume)에 일정량의 산소부화공기를 공급함으로써 제어공간 내의 산소농도를 어느 정도 높은 수준으로 유지하거나, 혹은 주변 실외의 산소농도와 비슷한 수준으로 유지시켜주는 데에 사용된다. 의료용 산소농축장치가 아닌 실내의 쾌적함을 위하여 사용되는 산소농축장치의 경우에는 고농도의 산소가 아닌 23~50% 저농도의 산소부화공기를 공급한다. 대표적인 산소농축방법인 압력스윙흡착(PSA)은 베드 내에 제올라이트 등의 흡착제를 구비하고 압력차이를 이용하여 질소를 흡착시켜 산소를 분리하며, 기체분리막에 의한 방식은 압축공기를 사용하여 산소를 통과시켜 산소농축공기를 만들어 낸다.

이러한 장치들은 그 목적에 있어서 상기와 같이 제어공간의 산소농도 조절에 그 초점이 모아져 공기정화의 목적은 간과되어 있음을 알 수 있다. 일반적으로 현재의 모든 산소농축기는 공기조화를 위한 공간 외부로부터 공기를 흡입하여 산소부화공기를 만들어 실내로 공급할 뿐이다. 원료가 되는 공기를 목적 공간으로부터 흡입하여 실내공기정화에 사용될 경우에 산소부화공기 공급의 효과가 없으므로 외부흡입 내부공급의 메카니즘이 사용된다. 실제로 공기정화장치와 산소공급장치는 분리되어 판매되거나 두 개의 장치를 단순히 결합하여 하나의 제품으로 생산된다.

본 발명의 목적은 상기 산소농축장치를 공기정화기능에 사용함으로써 별도의 공기정화기능에 보조적으로 사용될 수 있게 하거나, 미세 먼지나 박테리아와 같은 작은 크기의 불순물을 걸러주는 특별한 기능을 갖는 공기정화기 겸용 산소농축방법 및 그 장치를 제공하는 데에 있다.

본 발명의 다른 목적은 다른 목적은 자동차와 같은 상대적으로 작은 공간을 보다 효과적으로 정화할 수 있는 장치를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적은, 본 발명에 따라, 상기 산소농축기의 원료공기를 흡입하는 흡입부를 상기 제어공간에 설치하고 산소부화공기는 제어공간에 공급하며, 여분의 질소농축공기는 외부로 배출하는 방법으로써 달성된다. 흡입부 장치의 구성은 큰 먼지 기타 불순물을 걸러주기 위한 공기필터를 포함하며, 수분이 산소농축기의 성능에 영향을 미치는 경우에는 제습제 등이 포함될 수 있다.

산소농축기의 원료재료는 일반적으로 제어공간의 외부로부터 흡수하고 추출된 산소부화공기는 제어공간으로 공급하며, 여분의 질소농축공기는 외부로 배출되는 것이 산소농축장치의 전형적인 배치이다. 따라서, 산소농축기를 공기정화기능을 가지는 장치로 병행하여 사용하기 위하여서는 산소농축기로 흡입되는 공기를 제어공간으로부터 흡수하는 것이 필수가 된다. 물론 산소를 농축시킨 산소부화공기는 제어공간으로 공급되며 여분의 질소농축공기는 외부로 배출된다. 이 경우에 공기정화기능을 위해 제어공간으로부터 공기를 흡입할 경우에 종래의 방식에 비하여 산소공급기능의 저하가 우려될 수 있으나 제어공간의 크기에 따라 그 성능저하는 제거될 수 있다. 즉, 일반적으로 일정 체적을 가지는 제어공간에 산소를 공급할 때 상승 산소농도를 계산하는 방법은, 우선 공간의 산소농도 변화가 정상상태에 이르러 더 이상 변화가 없다고 가정하면, 공급되는 산소유량과 배출산소유량 같게 될 것이다. 여기서 외부로 배출되는 산소유량은 주어진 공간이 시간당 얼마나 환기되느냐에 따라 달라지므로 시간당의 환기율을 고려하면 정상상태에서,

산소공급유량 = 환기율 * 실내체적 * 실내외 산소농도차이

의 식이 성립하게 되므로, 상승(혹은 감소)된 산소농도(%)는

산소공급유량(LPM)

변화된 산소농도 (%) = * 100

환기율(/min) * 실내체적(liter)

으로부터 알 수 있다.

상기 외부흡입과 제어공간으로부터의 내부흡입의 두 가지 경우의 산소농도 상승효과의 관계를 살펴보면, 우선 상기 산소농도 변화 식에서 환기율이 변화됨을 알 수 있다. 즉, 제어공간의 내부의 공기 중에서 질소를 농축하여 제어공간의 외부로 배출하는 유량만큼 외부로부터 강제로 외기가 흡입되므로 일반적으로 환기율은 상승하게된다. 외부로 배출되는 질소농축공기의 유량을 X LPM이라 하면, X/실내체적 만큼의 유량은 강제 환기되는 현상이 나타나게 된다. 따라서, 주어진 실내의 자연환기율과 함께 강제환기율이 더해지어 환기율은 상승된다. 이러한 환기율의 상승은 주어진 제어공간의 산소농도 증가에 영향을 미치어 최종 상승 산소농도의 저하를 가져오게 되는데, 예를 들어서 만약 산소발생기에서 외부로 배출하는 질소농축공기 유량이 10 LPM이고 주어진 실내체적이 20리터라면 10/20 = 0.5 로서 50%의 환기율이 증가되는 현상이 나타난다.

이와 같이 강제환기에 의한 환기율의 증가는 결과적으로 최대 산소농도 증가량의 저하를 가져오게 된다. 그러나, 실질적으로 산소농도의 제어를 위한 제어공간은 상기 예와 같이 작지 않으며, 일반적으로 사람이 활동하는 공간으로서 그 체적이 상당히 크다. 예를 들어, 실제 제어공간 중에서 작은 체적에 해당하는 차량의 실내체적 정도를 생각하면 외부 배출유량에 비하여 상기 차량의 실내체적은 매우 크다고 할 수 있으며, 이 경우에 강제환기의 효과는 크게 나타나지 않는다. 즉, 예를 들어 차량의 실내체적을 1500리터라 하고 외부로 배출되는 질소농축공기의 유량을 10LPM이라 하면, 10/1500 = 0.0067 (0.67%) 로서 1%에도 미치지 않는다. 결국 최대 산소농도 증가량이 미미하게 차이가 나게 되므로 공기정화의 목적에 사용하는 경우에도 손실 산소농도량은 미미하다고 할 수 있다. 아파트 등의 실내 내부의 경우에는 제어공간의 체적이 상기의 경우보다 상당히 크고, 외부로 배출되는 유량 또한 수십 LPM 정도이므로 계산을 해보면 정상상태에서의 산소농도 감소량의 거의 미미함을 알 수 있다.

또한, 상기 정상상태에서의 산소농도의 증감량은 시간에 대한 고려없이 계산된 것이므로 최종 정상상태에서의 산소농도 증감량 외에, 시간에 따른 산소농도의 증감량을 살펴보면, 우선 상기 산소농도 증감량의 50%에 도달하는 시간인 반감기의 경우에 그 시간은 환기율에 반비례하게된다. 이것은 환기율이 큰 경우에는 초기 산소농도변화율은 크지만 최종적으로 도달되는 산소농도는 낮음을 의미하는 것으로, 본 발명과 같이 제어공간의 공기를 흡입하여 질소농축공기를 외부로 배출함으로써 강제환기에 의한 환기율이 증가 된 방법을 사용하는 경우는 초기 산소농도 증가율은 본 발명에 의한 방법의 경우가 크며, 최종 산소농도증가량에 대한 도달 값은 무한 시간 경과 후 종래의 방법이 큼을 알 수 있다. 실험에 의하면 초기에는 본 발명에 의한 방법의 경우가 산소농도증가가 빠르며, 일정 시간 후에는 종래의 방법에 의한 산소농도 증가량이 높게 나타나 상기 계산이 맞음을 알 수 있다. 도 1에서 보는 바와 같이 일정 제어공간에 일정 산소유량이 지속적으로 공급되었을 때의 시간에 따른 산소농도 증가 경향을 살펴보면 초기에는 환기율이 큰 경우가 농도상승율이 크므로 최종 정상상태의 농도 증가량의 절반에 이르기까지 걸리는 시간이 작으나, 정상상태로 접근할수록 최종적인 상승농도는 적어 만큼의 농도 차이가 발생한다. 그러나, 본 발명에 의한 방법의 경우에는 강제환기율에 의한 환기율의 증가가 제어공간 체적의 증가에 따라 미미하게 되어 는 감소하게 되므로, 실제 상황에 있어서는 거의 차이가 없게 되는 것이다.

결론적으로, 본 방법에 의한 내부흡입 방식의 경우는 종래의 방식과 비교하여 산소농도조절 기능면에 있어서 실질적으로 거의 손실이 없으며 오히려 짧은 반감기를 가지게 되어 실내를 빠르게 일정 수준의 산소농도로 끌어올리는 데에 유리함을 알 수 있다. 더군다나, 제어공간에 속한 공기를 흡입함으로써 본 발명의 목적인 공기정화에 사용할 수 있게되어 산소농축기가 단순히 산소의 농도를 조절하는 데 뿐만 아니라 실내의 공기를 정화하는 데에도 사용할 수 있게 되는 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 공기정화기능을 갖는 산소농축장치의 계통을 설명하면 다음과 같다. 도 2는 본 발명에 따른 방법을 나타낸 계통도이다.

본 발명에 따른 장치는 일반적인 산소농축기와 그 계통이 동일하며, 단지 도 2에서와 같이 제어공간으로부터 흡입되는 흡입공기(1)에서 큰 먼지나 기타 불순물을 걸러주는 공기필터(2)의 경우에 공기정화의 목적을 위하여 필요에 따라 활성탄 등의 냄새필터나 수분제거를 위한 제습제 등이 설치될 수 있다. 프리필터의 역할을 하는 상기 공기필터(2)를 거친 흡입공기는 산소농축모듈(3)로 들어가게 되는데, 상기 산소농축모듈(3)은 상용화된 합성제올라이트를 사용하는 압축스윙방식이나 진공스윙방식을 사용하거나, 기체분리막으로 구성된다. 이러한 산소농축모듈(3)은 매우 작은 미세공으로 이루어져 일종의 고성능 필터의 역할을 하게 된다. 예를 들어, 합성제올라이트등을 포함하는 베드의 압력변화를 통해 산소부화공기를 만드는 경우를 생각해 보면, 합성제올라이트의 경우 보편적으로 사용하는 5A 타입은 미세공이 5옹스트롬 정도로 매우 작다. 따라서, 마이크로미터 레벨의 미세먼지나 박테리아등의 상당량도 거를 수 있게 된다. 상기 산소농축모듈(3)을 통과한 흡입공기(1)는 정제된 산소부화공기(4)로서 실내(5)로 다시 공급되며, 여분의 불순물이 포함된 질소부화공기(6)는 실외(7)로 배출되게 된다. 상기 산소농축모듈(3)이 기체 분리막으로 이루어진 경우는 일반적으로 공기압축기가 사용되어 압축공기가 공급되므로 그 압력에 의해 산소부화공기와 질소부화공기가 자연스럽게 배출이 이루어지게 되며, 합성제올라이트를 사용하는 방식의 경우는 공기압축기나 진공펌프를 사용하게 되는데, 압축공기 방식을 사용하는 경우에도 질소 탈착시 압축공기와 대기압의 차이에 의한 질소농축공기의 배출보다는 진공펌프를 사용하여 진공압을 가함으로써 탈착하는 경우가 상기 제올라이트에 걸러진 불순물을 배출하는 데에 보다 도움이 되므로 제올라이트의 내구성을 증가시키는 효과가 있어 보다 바람직하다.여기서, 상기 산소농축기가 차량에 장착될 때 그의 진공펌프 수단은 차량의 엔진에 의해 구동될 수 있다. 따라서, 상기 진공펌프 수단을 구동시키시 위해서 별도의 장치를 장착할 필요가 없다.

상기와 같이 산소농축기를 공기정화기능을 갖도록 하는 경우에는 고순도의 소유량보다는 저순도의 대유량으로 공급하는 것이 훨씬 바람직하다. 이는 실내 공간의 산소농도는 실제 수%의 산소농도 증가가 바람직하며, 정화된 산소부화공기를 보다 많이 실내로 공급하는 것이 공기정화 면에서도 유리하기 때문이고, 이외에 실내공간으로의 확산하여 혼합되는 효과 면에서도 바람직하기 때문이다.

본 발명에 의한 방법 및 그 장치는 적정 농도를 가진 산소부화공기를 생산하고, 동시에 공기정화의 기능을 수행함으로써 주어진 공간을 효율적으로 쾌적하게 만드는 효과가 있다.

본 발명에 의한 방법은 일상적인 공간에서 산소농도 증가량의 큰 손실없이 산소농축모듈에 의한 고성능 산소정화기능을 가지게 함으로써 별도의 에너지 공급없이 미세먼지 등의 공기정화를 수행할 수 있다.

도 1은 본 발명과 종래방식과의 시간에 따른 농도변화를 나타낸 그래프이다.

도 2는 본 발명에 따른 산소농축기를 이용한 공기정화 방법을 나타낸 계통도이다.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

1 ; 흡입공기 2 ; 공기필터

3 ; 산소농축모듈 4 ; 산소부화공기

5 ; 실내 6 ; 질소부화공기

7 ; 실외

Claims (7)

1. 공기로부터 질소를 선택적으로 분리하여 산소부화공기를 만드는 산소농축기를 사용한 공기정화방법에 있어서,

   상기 산소농축기의 공기흡입부를 산소농도조절을 위한 제어공간에 위치시키는 단계;

   상기 제어공간으로부터 일정량의 공기를 흡입하는 단계; 및

   상기 산소농축기에 의해 상기 흡입공기로부터 질소를 분리하여 형성된 산소부화공기를 다시 제어 공간으로 배출하고, 나머지 여분의 질소농축공기를 제어공간 외부로 배출하는 단계;를 포함하고,

   상기 산소농축기가 제어공간 내의 산소농도를 조절하는 기능을 구비함과 동시에 제어 공간 내의 흡입공기를 정화하는 공기정화기능을 구비하는 것을 특징으로 하는 산소농축기를 사용한 공기정화방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 산소농축기는 질소를 선택적으로 흡착하고 압력스윙흡착방식으로 작동하도록 하는 흡착제를 포함하는 것을 특징으로 하는 산소농축기를 사용한 공기정화방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 산소농축기는 산소를 선택적으로 통과시키고 압축공기에 의해 작동하도록 하는 기체분리막을 포함하는 것을 특징으로 하는 산소농축기를 사용한 공기정화방법.
4. 제2항에 있어서, 상기 압력스윙흡착방식에서는 압축공기를 이용하도록 하기 위한 공기압축기가 포함되는 것을 특징으로 하는 산소농축기를 사용한 공기정화방법.
5. 제2항에 있어서, 상기 압력스윙흡착방식은 대기압과 진공압과의 차이를 이용하는 진공펌프를 구비한 진공스윙흡착방식인 것을 특징으로 하는 산소농축기를 사용한 공기정화방법.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서, 상기 압력스윙흡착방식은 질소 탈착시 별도의 진공펌프수단에 의하여 진공압을 이용하여 탈착함으로써 질소탈착과 일반 불순물 탈착을 수행하는 것을 특징으로 하는 산소농축기를 사용한 공기정화방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 진공펌프수단은 차량의 엔진에 의해 작동되는 것을 특징으로 하는 산소농축기를 사용한 공기정화방법.