KR101244260B1

KR101244260B1 - Membrane Unit of cylinder type for Oxygen enrichment

Info

Publication number: KR101244260B1
Application number: KR1020090123801A
Authority: KR
Inventors: 서윤석
Original assignee: 서윤석
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2009-12-14
Publication date: 2013-03-18
Anticipated expiration: 2029-12-14
Also published as: KR20110067275A

Abstract

본 발명은 공기로부터 산소와 질소가스를 분리하여 산소가 부화된 공기를 공급하도록 된 장치에 관한 것으로 특히, 부피가 작은 소형이어서 취급하기가 용이하고, 제작 및 유지보수가 간단하여 제조원가를 대폭 낮출 수 있고, 그러면서도 산소부화율이 우수하여 대량공급이 가능한 맴브레인을 이용한 원통형 산소부화막 유니트에 관한 것이다.The present invention relates to a device that separates oxygen and nitrogen gas from air to supply oxygen-enriched air. In particular, the device is compact and small in volume, which is easy to handle, and simple to manufacture and maintain, greatly reducing manufacturing costs. The present invention also relates to a cylindrical oxygen enrichment membrane unit using a membrane capable of supplying a large amount with excellent oxygen enrichment rate.

본 발명은 한쪽 끝단은 폐쇄되고 다른 쪽 끝단은 개방되어 있으며, 몸체에는 산소부화공기를 흡입하도록 된 홀이 다수 형성된 파이프와, 상기 파이프의 외주면에 맴브레인 분리막과 스페이서가 일체로 말리어서 두루마리 형태로 적층된 분리기와, 상기 분리기의 외표면을 외부와 차단되도록 감싸고 있는 카바로 구성되는 것을 특징으로 한다. According to the present invention, one end is closed and the other end is open, and the body has a plurality of holes formed therein for sucking oxygen-enriched air, and a membrane separation membrane and a spacer are integrally dried on the outer circumferential surface of the pipe and stacked in a roll form. And a cover that surrounds the separator so as to block the outer surface of the separator from the outside.

산소부화장치,맴브레인 Oxygen incubator, membrane

Description

Membrane Unit of cylinder type for Oxygen enrichment

산소부화장치는 일반적으로 공기를 공급하는 수단과, 공급된 공기로부터 산소와 질소를 분리시키기 위한 맴브레인 분리막으로 된 산소부화막 유니트와, 공기가 분리막을 통과하도록 분리막의 양면에 압력차를 일으키게 하는 감압펌프와, 분리막을 통과한 산소부화공기를 배출하기 위한 배출로등이 구비되어 있다. Oxygen incubators are generally oxygen enrichment membrane units comprising means for supplying air, membrane separators for separating oxygen and nitrogen from the supplied air, and pressure reducing pumps that cause pressure differentials on both sides of the membranes so that air passes through the membranes. And a discharge path for discharging the oxygen-enriched air that has passed through the separation membrane.

산소부화막 유니트는 산소와 질소를 선택적으로 분리하는 성질을 가진 고분자 재질의 맴브레인 분리막을 이용한 것으로서, 분리막의 양면에 압력차가 나게 하여 입측 즉, 1차측의 공기가 분리막을 통과하게 하면, 공기중의 산소와 질소가 막표면에 용해하고 용해된 상태에서 막속을 확산 이동하여 막의 반대편 감압측 즉, 2 차측에서 이탈하게 되는데 이때 산소의 용해, 확산의 속도가 질소보다 약 2.5배이기 때문에 결과로서 산소부화공기를 얻는 원리를 이용한 것이다.The oxygen enrichment membrane unit uses a membrane membrane made of a polymer material that selectively separates oxygen and nitrogen. When the pressure difference occurs on both sides of the separator and the air at the inlet side, that is, the primary side, passes through the separator, Oxygen and nitrogen dissolve on the membrane surface and diffuse and move in the membrane to escape from the decompression side, that is, the secondary side, opposite to the membrane. At this time, the rate of oxygen dissolution and diffusion is about 2.5 times higher than that of nitrogen. It uses the principle of getting air.

이러한 원리를 이용한 산소부화막 유니트는 도1에 나타난 바와 같이 수천옹스트롱(Å)의 대단히 얇은 비다공질 고분자막을 다공질지지체에 적층하여 기계적 강도를 가진 평판상의 복합분리막으로 하여, 여기에 감압펌프로 차압을 일으킴으로서 산소농도가 30%인 산소부화공기를 얻는 구성으로 이루어진 것이 일반적이다. As shown in Fig. 1, the oxygen enrichment membrane unit using this principle is a flat composite membrane having mechanical strength by stacking a very thin nonporous polymer membrane of thousands of angstroms on a porous support, and the differential pressure is reduced by a pressure reducing pump. It is generally made of a configuration to obtain the oxygen enriched air having an oxygen concentration of 30% by causing.

그러나 이러한 종래의 평판상의 복합분리막으로 된 산소부화막 유니트는 산소가 분리막을 통과할 때 질소의 약2.5배의 투과속도로 통과하기 때문에 막표면에 산소의 농도구배가 생겨 산소부화효율이 떨어지는 문제와 산소부화공기량의 20~30배 정도의 송풍공기량을 공급하여야 하는 문제가 상존하고 있어 다량의 산소부화공기를 얻는데 많은 제한이 따르고 있다. However, the oxygen enrichment membrane unit made of such a conventional flat separator has a problem that the oxygen enrichment efficiency decreases due to the concentration gradient of oxygen on the membrane surface because oxygen passes at a rate of about 2.5 times as nitrogen passes through the separator. There is a problem of supplying 20 to 30 times the amount of oxygen-enriched air, and there are many limitations in obtaining a large amount of oxygen-enriched air.

이를 해결하기 위하여는 공기와 접하는 분리막의 표면적을 크게 하고 송풍공기량을 크게하는 것이 필수적인데, 이를 위하여는 평막셀의 크기가 커져야 하는 바, 이에 따라 장치의 대형화가 수반되어 제조단가가 높아지는 문제가 있다.In order to solve this problem, it is essential to increase the surface area of the separation membrane in contact with air and increase the amount of air blown. To this end, the size of the flat membrane cell has to be increased. Accordingly, there is a problem that the manufacturing cost increases due to the enlargement of the device. .

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 장치를 최소화하여 어떠한 용도로서도 적용이 가능한 컴팩트한 구조를 제공하고, 맴브레인 막의 표면적이 넓고, 맴브레인 면에서의 투과유속도 크게 하여 맴브레인 표면에서의 농도분극현상을 억제함으로서 산소부화공기의 효율을 극대화 시키고, 제조단가를 대폭 낮출수 있는 산소부화막 유니트를 제공하고자 하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, to provide a compact structure that can be applied to any application by minimizing the device, the surface area of the membrane membrane is wide, the permeation rate in the membrane surface to increase the membrane surface The purpose of the present invention is to provide an oxygen enrichment membrane unit capable of maximizing the efficiency of oxygen enriched air and significantly lowering the manufacturing cost by suppressing concentration polarization.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 The present invention to achieve the above object

한쪽 끝단은 폐쇄되고 다른 쪽 끝단은 개방되어 있으며, 몸체에는 산소부화공기를 흡입하도록 된 홀이 다수 형성된 파이프와, 상기 파이프의 외주면에 맴브레인 분리막과 스페이서가 일체로 말리어서 두루마리 형태로 적층된 분리기와, 상기 분리기의 외표면을 외부와 차단되도록 감싸고 있는 카바로 구성되는 것을 특징으로 하는 원통형 산소부화막 유니트를 제공한다.One end is closed and the other end is open, and the body is formed with a pipe formed with a plurality of holes to suck oxygen enriched air, and a membrane separator and a spacer laminated on the outer circumferential surface of the pipe integrally rolled up in a rolled form. It provides a cylindrical oxygen enrichment membrane unit comprising a cover that wraps the outer surface of the separator to be blocked from the outside.

또한 상기 파이프의 몸체에 형성된 홀은 상,하,좌,우에 골고루 형성되어 있으며,In addition, the hole formed in the body of the pipe is formed evenly in the upper, lower, left, right,

상기 분리기는 상기 파이프와 인접하는 외주면에 스페이서만 두루마리 형태로 적층된 후, 그 위에 맴브레인 분리막과 스페이서가 두루마리형태로 적층되어 있으며,The separator is stacked on the outer peripheral surface adjacent to the pipe only in the form of a roll, and then the membrane separation membrane and the spacer is stacked in the form of a roll thereon,

상기 분리기의 스페이서는 그 평면에 공기가 유통되는 구멍이 다수 형성되어 있고, 그 구멍은 육각형 모양으로서 파이프와 인접한 부위의 내측부는 구멍이 작고 외측부는 구멍이 크게 형성되어 있으며,The separator has a plurality of holes through which air flows in the plane, the holes are hexagonal, and the inner part of the separator adjacent to the pipe has a small hole and the outer part has a large hole.

상기 분리기의 내측부에 스페이서가 적층된 양측면 부위에는 실리콘으로 실링되어 있으며,Both sides of the spacer in which the spacers are stacked on the inner side of the separator are sealed with silicon,

상기 카바는 맵브레인 분리막(3)의 양끝에 부착된 고정링에 결합 고정되며, 공기가 통과하지 않으면서 유연한 성질을 갖는 재질의 것으로 이루어진 것을 특징으로 하는 원통형 산소부화막 유니트를 제공한다. The cover is coupled to a fixed ring attached to both ends of the map brain separation membrane (3) and provides a cylindrical oxygen enrichment membrane unit, characterized in that made of a material having a flexible property without passing air.

본 발명은 분리막을 원통형으로 함으로서 장치를 최소화하는 것이 가능하여 어떠한 용도로도 사용이 가능하고, 분리막의 손상이 일어나거나 노후되어도 교체 수리가 용이한 효과가 있고, The present invention is capable of minimizing the device by making the separator cylindrical, which can be used for any purpose, and even if the separator is damaged or aged, it is easy to replace and repair,

원통형의 분리막으로 흡입되는 공기가 원통의 길이방향으로 접촉하게 함으로서 공기와 분리막의 접촉면적을 넓게 하여 공기의 투과유속을 크게 하는 것이 가능하고, 맴브레인 표면에서의 산소농도분극현상을 줄이는 것이 가능하고, By making the air sucked into the cylindrical membrane contact in the longitudinal direction of the cylinder, it is possible to widen the contact area between the air and the membrane to increase the air permeation flow rate, and to reduce the oxygen concentration polarization phenomenon on the membrane surface.

또한 스페이서를 통하여 공기의 난류를 촉진함으로서 공기가 분리막으로 투과되는 것이 용이하게 하여 산소부화효율을 높일 수 있는 효과가 있다. In addition, by promoting the turbulence of the air through the spacer it is easy to permeate the air to the separation membrane has the effect of increasing the oxygen enrichment efficiency.

이하 본 발명을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도2는 본 발명 산소부화막 유니트로서 그 구성부품들을 나타낸 분해 사시도이다. 2 is an exploded perspective view showing the components of the present invention as an oxygen enrichment membrane unit.

본 발명 산소부화막 유니트는 파이프(1) 외주면에 스페이서(2)와 맴브레인 분리막(3)이 일체로 둘둘 말려서 두루마리 형태로 적층된 분리기와, 그 위에 공기가 통과하지 않도록 된 재질의 카바(4)로 감싸져 있는 구성으로 이루어져 있다. Oxygen enrichment membrane unit of the present invention is a spacer (2) and the membrane separation membrane (3) on the outer circumferential surface of the pipe (1) integrally rolled up to form a separator laminated in rolls, and the cover (4) made of a material so that air does not pass thereon It consists of a composition wrapped in.

상기 파이프(1)는 도3에 나타난 바와 같이 일단은 캡(11)으로 막혀서 폐쇄되어 있고, 타단은 개방(12)되어 있으며 몸체의 상,하,좌,우에 구멍(13)이 다수 형성되어 있는 구조로 되어 있어 구멍(13)을 통하여 산소부화공기가 흡입되어 개방부(12)로 배출되도록 되어 있다.As shown in FIG. 3, the pipe 1 is closed by being closed by a cap 11, the other end is opened 12, and a plurality of holes 13 are formed in upper, lower, left, and right sides of the body. It is structured so that oxygen-enriched air is sucked through the hole 13 and discharged to the opening 12.

상기 분리기의 맴브레인 분리막(3)은 고분자 재질의 것으로서 공기로부터 산소와 질소를 분리하여 산소를 배출하도록 되어 있는 것으로서, 평막상의 것이 말려져서 두루마리 형태로 원통형상으로 감겨져 있기 때문에 공기와 접하는 분리막의 표면적이 원통길이 만큼 넓어진다. 이로 인해 공기가 맴브레인 분리막(3)을 통과하는 시간이 길게 걸린다고 하여도 상대적으로 긴 분리막(3)의 표면적 때문에 단시간에 많은 양의 공기와 접촉하여 많은 양의 산소부화공기를 얻는 것이 가능하다. 따라서 원통의 길이를 길게 하면 결과적으로 공기와 분리막(3)의 접촉면적을 넓히는 것이 되기 때문에 단시간에 많은 양의 산소부화공기를 얻을 수 있는 구조로 되어 있다.The membrane separation membrane 3 of the separator is made of a polymer material and separates oxygen and nitrogen from the air to discharge oxygen. Since the flat membrane is rolled up and wound in a cylindrical shape in a roll form, the surface area of the separation membrane in contact with air It is as wide as this cylinder. Therefore, even though it takes a long time for the air to pass through the membrane separation membrane 3, it is possible to obtain a large amount of oxygen-enriched air by contacting a large amount of air in a short time due to the surface area of the relatively long separation membrane 3. Therefore, when the length of the cylinder is increased, the contact area between the air and the separation membrane 3 is widened as a result, so that a large amount of oxygen-enriched air can be obtained in a short time.

상기 분리기의 스페이서(2)는 도4에 나타난 바와 같이 구멍(21)이 다수 형성된 다공질의 것으로서 맴브레인 분리막(3)과 일체로 말려져서 두루마리 형태로 감겨져 있는 구조로 되어 있다. 이러한 구조의 스페이서(2)는 분리막과 분리막 사이에 개재되어 분리막을 지지하면서 공기를 통과시키는 역할을 하고, 또한 흡입되는 공기가 스페이서에 형성된 구멍(21)의 벽체와 부딪쳐서 공기의 난류를 촉진시켜 맴브레인 면에서의 정체를 유도하여 결과적으로 공기가 분리막(3)을 원활하게 통과하도록 하는 역할을 한다. 구멍(21)은 육각형의 것으로서 파이프(1)와 인접한 내측부의 것은 구멍을 작게 하고 외측부의 것은 구멍을 크게 하는 것이 바람직한데 그 이유는 육각형이 공기의 난류형성에 유리하기 때문이다. As shown in Fig. 4, the spacer 2 of the separator is porous having a plurality of holes 21 formed therein, which is integrally rolled up with the membrane separation membrane 3 and wound in a roll form. The spacer 2 having such a structure serves to pass air while interposed between the membrane and the membrane to support the membrane, and the sucked air collides with the wall of the hole 21 formed in the spacer to promote turbulence of the air. It induces stagnation in the plane and consequently serves to allow air to pass through the separator 3 smoothly. The hole 21 is hexagonal, and it is preferable that the inner part adjacent to the pipe 1 be made smaller in size, and the outer part be made larger in size, because the hexagonal shape is advantageous in forming turbulence of air.

또한, 상기 스페이서(2)는 도5에 나타난 바와 같이 파이프(1)와 인접하는 내측부에 적정한 높이로 적층하여 파이프(1)와 멤브레인 분리막(3)과의 사이에 간격을 유지시키고 그 양측면을 실리콘으로 실링(5)하는 구조로 구성할 수도 있다. 이렇게 하면 멤브레인 분리막(3)을 통과한 산소부화공기가 파이프(1)의 구멍(13)을 통하여 배출되기 전 머무를 수 있는 공간을 확보하게 되어 산소부화공기의 파이프(1)내로 흡입을 용이하게 하는 것이 가능하고, 실링함으로서 외부로부터의 공기유입을 차단하여 산소부화효율을 높이는 것이 가능하다. 물론 양측면의 실링부는 필요에 따라 그 높이를 조정할 수 있다. In addition, as shown in FIG. 5, the spacers 2 are stacked at an appropriate height on the inner side adjacent to the pipe 1 to maintain a gap between the pipe 1 and the membrane separation membrane 3, and both sides of the spacer 2 are formed of silicon. It can also be configured as a structure to seal (5). This ensures a space for the oxygen enriched air that has passed through the membrane separation membrane 3 to remain before being discharged through the holes 13 of the pipe 1, thereby facilitating suction into the pipe 1 of the oxygen enriched air. By sealing, it is possible to block the inflow of air from the outside and increase the oxygen enrichment efficiency. Of course, the sealing part of both sides can adjust the height as needed.

상기 카바(4)는 맴브레인 분리막(3)의 표면이 외부와 차단되도록 하여 내부의 감압효과를 높이고, 분리막(3)을 보호하기 위하여 분리막(3)의 외표면을 감싸는 구조로 이루어져 있는 것으로서 유연한 재질 즉, 플라스틱재질의 것으로 제조되는 것이 바람직하다The cover (4) is made of a flexible material that is made of a structure surrounding the outer surface of the membrane (3) in order to increase the pressure-reducing effect of the inside of the membrane separation membrane (3) to block the outside and to protect the membrane (3) That is, it is preferable to be made of plastic material

또한 도5에 나타난 바와 같이 분리기 표면부 즉, 맴브레인 분리막(3)의 양 끝에 고정링(6)을 부착한 후 카바(4)를 결합고정할 수도 있다. 고정링(6)은 본 산소부화 유니트를 다른 장치에 결합하는 고정구로서 사용이 가능하다.In addition, as shown in FIG. 5, the fixing rings 6 may be attached to both ends of the separator surface, that is, the membrane separation membrane 3, and then the cover 4 may be fixed. The retaining ring 6 can be used as a fixture for coupling the present oxygen enrichment unit to another device.

이와 같이 이루어진 본 발명 산소부화막 유니트의 작용에 대하여 설명한다.The operation of the oxygen enrichment membrane unit of the present invention thus constructed will be described.

도6에 본 발명 산소부화막 유니트의 작동 개념도가 나타나 있다. 6 shows an operation conceptual diagram of the oxygen enrichment membrane unit of the present invention.

먼저 파이프(1)의 개방부에 설치된 감압펌프(7)를 작동시켜 파이프(1)내를 감압시키면 압력차에 의해 외부의 공기가 폐쇄부쪽의 스페이서(2) 공간을 통해 유니트 내부로 흡입되고, 흡입된 공기는 맴브레인 분리막(3)을 통과하면서 산소부화공기가 되고, 산소부화 공기는 스페이서(2) 및 파이프(1)의 구멍(13)을 통하여 파이프내로 흡입되어 배기통로로 배출된다. First, by operating the decompression pump 7 installed in the opening of the pipe 1 to depressurize the inside of the pipe 1, outside air is sucked into the unit through the spacer 2 space on the side of the closed part by the pressure difference. The sucked air passes through the membrane separation membrane 3 to become oxygen enriched air, and the oxygen enriched air is sucked into the pipe through the spacer 2 and the hole 13 of the pipe 1 and discharged into the exhaust passage.

분리막(3)을 통과하지 못한 잔여공기는 개방부의 스페이서(2)와 맴브레인 분리막(3) 사이의 틈새를 통하여 외부로 배출된다.The remaining air that does not pass through the separation membrane 3 is discharged to the outside through a gap between the spacer 2 of the open portion and the membrane separation membrane 3.

이때 분리기의 측면부에 있는 폐쇄부를 통하여 흡입되는 공기는 스페이서(2)와 멤브레인 분리막(3)사이의 틈새 공간을 통해 들어오면서 원통 길이 방향의 맴브레인 분리막(3)과 접촉하게 되고 원통의 길이방향의 분리막(3)은 상대적으로 표면적이 넓어서 공기와의 접촉면적이 원통길이 만큼 커지는 역할을 하기 때문에 많은 양의 공기가 면적이 넓은 분리막(3)과 접촉이 가능하다. 이에 따라 맴브레인 분리막(3)에서의 통과유속이 빨라지고, 맴브레인 분리막(3) 표면에서의 산소농도분극현상을 억제하는 것이 용이하여 부피가 작은 장치임에도 다량의 산소부화공기를 단시간에 얻는 것이 가능해진다.. At this time, the air sucked through the closing part in the side of the separator enters through the gap space between the spacer 2 and the membrane separation membrane 3 and comes into contact with the membrane separation membrane 3 in the longitudinal direction of the cylinder and the separation membrane in the longitudinal direction of the cylinder. Since (3) has a relatively large surface area, the contact area with air increases as much as the length of the cylinder, so that a large amount of air can contact the separator 3 having a large area. As a result, the flow velocity of the membrane separation membrane 3 is increased, and it is easy to suppress the oxygen concentration polarization phenomenon on the surface of the membrane separation membrane 3, so that a large amount of oxygen-enriched air can be obtained in a short time even in a small device. .

또한, 흡입되는 공기는 스페이서(2)의 육각형구멍의 벽체와 부딪치면서 난류현상을 일으켜 파이프 내부로의 흡입을 원활하게 하는 역할을 함으로서 분리막(3) 표면에 항상 신선한 공기가 공급되는 것이 가능하여 진다. In addition, the sucked air collides with the wall of the hexagonal hole of the spacer 2 to cause turbulence to facilitate the suction into the pipe, thereby allowing fresh air to be always supplied to the surface of the separator 3. .

도면의 간단한 설명Brief description of the drawings

도1은 종래기술의 개념도1 is a conceptual diagram of the prior art

도2는 본 발명의 구성 상태도2 is a configuration diagram of the present invention

도3은 본 발명의 파이프 사시도Figure 3 is a perspective view of the pipe of the present invention

도4는 본 발명의 스페이서 사시도Figure 4 is a perspective view of the spacer of the present invention

도5는 본 발명의 일 실시예를 나타낸 단면도Figure 5 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention

도6은 본 발명의 작동과정을 나타낸 개념도이다6 is a conceptual diagram showing an operation process of the present invention.

*도면의 주요부분에 대한 부호 설명DESCRIPTION OF REFERENCE NUMERALS

1. 파이프1. Pipe

2. 스페이서2. Spacer

3. 맴브레인 분리막3. Membrane Separator

4. 카바4. Kava

5. 실리콘 실링5.silicone sealing

6. 고정링6. Retaining ring

Claims

One end is closed with a cap and the other end is open, and a body has a plurality of holes formed therein for inhaling oxygen-enriched air;

A separator in which a spacer and a membrane separation membrane are integrally wound on the outer circumferential surface of the pipe and stacked in a roll form;

Wraps the outer surface of the separator, and consists of a cover made of a flexible material without passing air outside,

The spacer has a hole formed in a hexagonal wall to allow air to flow in the plane, and the hole has a larger hole from the inner side to the outer side of a portion adjacent to the pipe, and the spacer and the membrane separator are integrally rolled up. Cylindrical oxygen enrichment membrane unit, characterized in that the lower portion adjacent to the pipe on both sides of the separator wound in the form is sealed with silicon

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