산학공동기술개발지원사업 사업비사용실적보고서 Ⅰ. 총괄현황 과제개발비 1년차 2년차소계 이자 ( 단위 : 원) 총계 Ⅱ. 과제개발비세부집행내역 가. 세부집행내역요약표 ( 단위 : 원) 비목 세부항목 계획 주관기관집행 참여기업집행 잔액 집행비율 현금 현물 계 현금 현물 계 현금 현물 계 현금 현물 계 (%) 인건비 직접비 내부인건비 외부인건비 소계 기자재임차료 재료비 시작품제작비 여비 수용비및수수료기술정보활동비 연구활동비 위탁연구개발비 합 소계 위탁연구개발비 계 * 사후환급금( 부가세, 관세등) 은집행금액에서제외 - 1 -
나. 과제 비목별세부집행내역 1) 인건비 주관기관 ( 단위 : 원) 구분소속기관성명직급기본급 내부강릉원주대학교박영진책임 참여율 (%) 참여기간 ( 월) 금액 내부강릉원주대학교이원섭책임 내부강릉원주대학교한문석책임 외부강릉원주대학교김윤교연구보조원 외부강릉원주대학교김충열연구보조원 외부 강릉원주대학교 김정미 연구보조원 외부 강릉원주대학교 이창원 연구보조원 합계 참여기업 ( 단위 : 원) 구분소속기관성명직급기본급 외부에이스하이텍박재학이사 참여율 (%) 참여기간 ( 월) 금액 외부에이스하이텍한은하사원 합계 - - - - 2 -
2) 직접비 주관기관 ( 단위 : 원) 세부항목 내역 ( 품명, 규격) 단가 수량 금액 현금 현물 계 기자재임차료 재료비몰드베이스외 4종 시작품제작비 의료용 산소발생기 제어 PCB외 1종 여비출장 2회 수용비및수수료 사무용품구매 위탁정산수수료 기술정보활동비회의비 12회 연구활동비 합계 2회 과제책임자및공동 연구원수당 참여기업 ( 단위 : 원) 세부항목 기자재임차료 내역 ( 품명, 규격) 재료비오존발생장치외 5종 단가 시작품제작비 - - - 여비 수용비및수수료 기술정보활동비 연구활동비 합계 수량 금액 현금현물계 - 3 -
개발결과의견서 개발과제명 의료용산소발생기개발 개발기간 2009. 6. 1. ~ 2010. 5. 31. 사업비 주관기관과제책임자 구분 1 년차 2 년차 합계 과제개발비 ( 예산) 집행금액 계현금현물 주관기관집행금액 소속 : 강릉원주대직위 ( 급 ) : 교수 ( 정교수 ) 성명 : 이원섭 가) 공정개선실적( 개선내용요약작성) 소형경량화에성공 흡착탑 BED를통과하는공기량을감소제품수명을연장 소음기를개발하여정숙유지 PSA 공정간소화 참여기업집행금액 개발결과 ( 과제책임자작성) 나) 특허( 실용신안, 의장등) 출원및등록 : 건 ( 등록 건) 1 출원명및번호( 출원일자) : 2 등록명및번호( 등록일자) : * 지식재산권명및출원, 등록구분은명확히하고건별로모두작성 다) 시제품제작및상품화실적 초소형 PSA 산소발생기를개발 제올라이트BED를Bypass하는분기관설계 * 시제품( 또는상품화) 제작현황을요약작성하고, 관련사진및카탈로그첨부 라기타실적 토출단소음기개발 방진방음설계 ) ( 신기술로인정될수있는각종품질인증마크획득건수및내용) 개발목표달성도에대한종합의견( 참여기관대표가작성) 개발목표 개발목표달성에대한종합의견 ( 에 로표기하고의견작성 ) 압축된공기가산소를발생하면환자에게일정량의산소를공급하는의료용산소발생기를개발 초소형 PSA 산소발생기를개발 흡착탑 BED를통과하는공기량을감소시켜제품수명을 3배연장 매우만족 만족 보통 미흡 불만족 생산성향상극대화기대 산소발생기포트폴리오다양화 의료용뿐만아니라수험생용, 피로회복용캡슐등으로활용 확인 업체명 : ( 주) 에이스하이텍대표자 : 김덕순 ( 직인) - 4 -
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최종보고요약서( 초록) 과제명 의료용산소발생기개발 주관기관명 강릉원주대학교산학협력단 참여기업명 ( 주) 에이스하이텍 대표자 과제책임자 소속직위성명강릉원주대교수이원섭 협약기간 2009. 6. 1. ~ 2010. 5. 31. 사업비 ( 단위 : 천원) 구분 1 년차 2 년차합계 과제개발비 ( 예산) 집행내역 계 현금 현물 집행비율 1. 최종목표압축된공기가산소를발생하면환자에게일정량의산소를공급하는의료용산소발생기를개발한다. 2. 개발내용및결과 압축된공기가 설계된압력수명흡착공정모듈에입력되어산소를발생하면산소 토출구에연결된공급관으로산소가디스펜서로공급되어헤드셋을통하여환자에 게일정량의산소를공급하는의료용산소발생기개발이다. 1 의료용산소발생기의각부기능과특성조사 2 의료용산소발생기설계방안강구와수입장비제품분석 3 의료용산소발생기장치분석 4 의료용산소발생기각부설계와유니트시스템설계 5 의료용산소발생기시작품제작 개발결과는다음과같다. - 본연구개발을통해종전의광촉매, 탈취필터, 향균코팅으로청정산소공급이가 능하다. - 제올라이트 BED를 Bypass 하는분기관설치로수명을연장할수있다. - 초소형공기압축기를 2 중방진구조와방은재를마감하였다. - 6 -
3. 사업성과 1 2 3 4 기술적성과 초소형 PSA 산소발생기를개발. 대용량제품을소형경량화에성공으로청정산소공급의기반마련. 흡착탑 BED를통과하는공기량을감소시켜제품수명을 3 배연장. 소음기를개발하여정숙기능강화. 1 2 3 경제적성과 사이클성능향상및의료용산소발생기개발로생산성향상극대화 고효율제품의대량생산체제구축시생산성향상 제품수명을 3 배연장특징으로매출증대. 1 사회적성과( 일자리창출등) 고용창출증대및국민건강향상기대 4. 향후추진계획의료용첨단장비의발전은의료용산소발생기분야에서의연구역시활성화의초석이되며이를위한연구개발의지속적인발전이동시에진행되어야한다. 의료용산소발생기를활용하여타분야에서의응용에도적극적으로나설것이며제품의서능향상에매진할것이다. - 7 -
목 차 제1 장서론 1 제1 절개발대상기술( 또는제품) 의개요 1 제2 절기술( 또는제품) 개발의필요성및중요성 2 제 3 절국내 외관련기술의현황 3 제 2 장과제개발내용및방법 4 제1 절개발내용 4 제2 절세부개발내용 7 제 3 절유량측정및산소측정기술 18 제 4 절성능시험및평가 18 제 5 절활용방안 29 제 3 장사업성과 31 제 제 제 제 1 절기술적성과 31 2 절경제적성과 31 3 절기타성과 31 3 절개발품실물사진및도면 33 제 4 장결론 44 제 1 절계획대비실적및성과 44 제 2 절향후개선사항 45 제 3 절향후계획등 45
제 1 장서론 제 1 절개발대상기술( 또는제품) 의개요 최근각종생활가전제품에산소발생기능이결합된다양한웰빙제품들의특허출원이 증가하고있다. 대기중에는약 21% 의산소가포함되어있지만, 황사가심한봄철, 추 운겨울, 수면을취하는야간등에는환기가잘되지않아실내또는자동차안의산 소농도가이보다더낮아지게된다. 산소가부족할경우답답하고머리가어지러우며, 집중력, 사고력이저하되고, 반대로산소가풍부한곳에서는머리가맑아지고신진대사 가원활해지며피로회복속도도빨라진다. 산소공급을위한관련제품으로는, 실내전 체공간을위한공기청정기, 냉난방기, 가습기등에산소발생기를부착한제품들이주 류를이루고있다. 본개발은공기압축기에서압축된공기가특수하게설계된압력수명흡착공정모듈 에입력되어산소를발생하면산소토출구에연결된공급관으로산소가디스펜서로공 급되어헤드셋을통하여환자에게일정량의산소를공급하는장치이다. 현재우리나라에서가장주력하고있는산소제품으로는캔산소, 먹는산소, 산소발 생기로이들제품에서만매년 200 300 억원의매출을올리고있다. 물론요사이경기 침체로인해우리나라산소시장도수평곡선을기록하고있지만 겪고있는일본에비하면괄목할만한성장추세를보인것이다. 산소공급기는일본에서도그능력을인정받은지오래다. 10년째정체위기를 주력상품중휴대용 이처럼산소시장이급성장하게된원인은환경오염으로인한산소부족과그에따른 각종질병에대한심각성이보도되면서국민들의이목이집중됐기때문. 특히수험생 이나호흡기질환자와같이맑은산소가절대적으로필요한사람들에게널리보급되면 서산소정수기나산소발생기, 산소나무등과같은다양한제품들이출시되었다. 이와같이건강과웰빙을겨냥한다양한산소제품특히산소시장급부상국가인중국 으로부터는고가의휴대용산소공급기 가하고있는실정이다. 100만개수입요청이들어와제품생산에박차를 - 1 -
제 2 절기술( 또는제품) 개발의필요성및중요성 산소발생기의용도를살펴보면크게의료용, 일반용, 산업용으로대별할수있고, 의 료용은환자의스스로호흡능력상실. 부족을해소시키는필요하고일반보충용으로 산업화에따른대기오염과실내환경악화에서볼수있다. 즉, 실외에는일반적으로 질소가 78%, 산소가21%, 아르곤등기타 1% 가분포하고있습니다. 물론지역장소에 따라차이가있습니다. 공기가좋은시골의숲속같은경우는 21.6% 이상의산소농도 를보이고도심지의도심인근숲속의경우는 21.2%, 동해안바다가의경우 21.8% 정도 이정도의공기상태일때우리는상쾌함을느낄수있습니다. 그러나도시지역의경우 20.8-20.9% 정도이고( 유해가스가많이내포되어있고), 사무실이나아파트의경우 20.5-20.7%, 지하시설의경우밀폐도에따라 20.4% 이하로떨어진다. 그리고산업용은 다양한용도로쓰인다. 농촌. 어촌의버섯재배, 콩나물재배, 양어장, 수족관, 산업용으로용 광로같은곳가연재로많이필요로하다. 최근건강에대한관심들이높아지면서산소에수요들이많아지고산소가갖는효 용성에대한관심이많아지고있습니다. 사람에게있어산소결핍은심리불안과집 중력저하, 면역력저하등으로인한감기등각종질병의요인이될수있다. 산소발생기는실외의공기를정화하여흡입한후제올라이트라는광물질로질소는 흡착배출하고청정산소만을실내에공급하는시설이다. 지하고노약자및건강허약자의노화방지및건강유지, 이와같은인간의건강을유 천식환자등의신선한산소 공급으로인한천식해소기능, 청정산소공급은물론냄새제거및먼지제거등의의료 용산소발생장치는건강을유지하기위해지속적인개발이필요하다. - 2 -
제 3 절국내 외관련기술의현황 수년전부터우리나라에서물시장이급속히성장한것처럼산소시장도환경적요인 에의해산소의중요성이대두되면서급부상하고있다. 하지만산소시장은휴대의 불편함과비싼가격때문에물만큼대중화되고있지못한게사실이다. 국내산소제 품업체와산소시장의미래에대해주요업체를중심으로살펴보았다. 우리나라에산 소제품이처음도입된것은 1999 2000 년사이, 당시는산소제품최초개발국인일본 에서수입된제품들이고작이었다. 그후우리나라에서도산소에대한꾸준한연구와 개발을진행해온결과, 지금은산소시장에서는기술력이상당이향상되었다. 캔산소는가격이만원이하로저렴한편이나사용기간이짧다는단점이있다. 휴대용산소공급기는 반면 7 8만원선으로고가이지만캔산소보다부피가작아휴대가 더간편하고, 고농도산소가압축돼있어좀더효과적으로산소를섭취할수있다. 업체별상품가치높은다양한제품출시산소제품생산 판매회사인 ( 주) 옥서스에서 선보이고있는 급받을수있는기기다. 스탠드형실내기 는책상이나탁자위에설치해실내에서산소를공 특히오랜시간을앉아서생활해야하는직장인이나학생들 에게적합한제품으로집중력향상, 피로회복효과가커수험생들에게매우유용하다. ( 주) 나노포아에서가장주력하고있는제품은컴팩트형퍼스널산소발생기. 기체분리 멤브레인개발에서얻어진첨단기술을이용, 안정성을높이고열과소음문제를해 결한제품으로별도의설치장치가필요없고, 30% 의산소를함유하고있어피로회 복과신진대사촉진에큰효과를나타내업계의주목을받고있다. - 3 -
제 2 장과제개발내용및방법 제 1 절개발내용 압축된공기가설계된압력수명흡착공정모듈에입력되어산소를발생하면산소토출구에연결된공급관으로산소가디스펜서로공급되어헤드셋을통하여환자에게일정량의산소를공급하는의료용산소발생기개발이다. 1 의료용산소발생기의각부기능과특성조사 2 의료용산소발생기설계방안강구와수입장비제품분석 3 의료용산소발생기장치분석 4 의료용산소발생기각부설계와유니트시스템설계 5 의료용산소발생기시작품제작 1.1 기술개발( 또는제품) 의평가방법및평가항목 평가항목 ( 주요성능 Spec 1) ) 단위 비중 2) (%) 세계최고수준 ( 보유국/ 보유기업) 연구개발전국내수준 개발목표치평가방법 3) 1. 산소순도시험 % 10 35+5% 35-5% - 35+5% 35-5% 산소순도의 평균값측정 2. 유량시험 % 10 2L+5% 2L-5% 2L+5% 2L-5% 2L+5% 2L-5% 평균유량측정 3. 누설시험 - - - 무기포상태유무 4. 소음시험 db 10 35이하 38이하 35이하소음측정 - 4 -
1.2 세부개발내용 일련번호세부개발내용세부추진일정 (12 개월) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 비고 1 2 3 4 계획수립및자료수집제품설계및검토작업시작품제작및수정작업시제품의성능평가및보고서작성 주관/ 참여 주관/ 참여 주관/ 참여 주관 - 5 -
1.3 개발시스템구성도 관련기술개발대상기술주변기술 ㆍ의료용산소발생기장치자료ㆍ상, 하케이스크기및디자인설계 ㆍ산소발생기장치전체시스템및부속품설계 50% ㆍ의료용베드장치ㆍ발효처리장치구동방식기술 ㆍ시스템설계ㆍ부품설계 ㆍ주요장치시스템설계 20% ㆍ메커니즘구성ㆍ제어회로기술 ㆍ제어기술ㆍ어셈블리설계 ㆍ산소발생시스템ㆍ어셈블리설계및제작 ㆍ시스템기술 20% ㆍ시제품의성능평가 ㆍ의료용산소발생기기술ㆍ로터리캠스위치 ㆍ 시스템및외관제작 10% ㆍ전체시스템의제어 ㆍ각종부품조립 시운전, 보완및성능평가 시제품개발및완성 - 6 -
제 2 절세부개발내용 2.1 개요 1. 제품명 : 의료용산소발생기 2. 제품의용도 PSA 공정에의하여공기중의질소를제거하는방법으로산소를 30% 발생시키며, 발 생된산소는디스펜서(dispenser) 에서수중산기되어수분에포화하게되며, 헤드셋을 통해환자및필요자에게전달된다. 3. 제품의기능산소의공급을통한두뇌의기억력증진및지구력향상학습능력향상노약자의산소부족으로인한노화방지및건강유지신선한산소공급으로천식을해소하는기능청정산소공급은물론냄세제거및먼지제거기능 4. 경쟁제품과의비교 1) 국내외경쟁제품 : 있음 2) 최우수경쟁제품및생산업체명 : 일본의마쓰시다 3) 타제품과의비교 - 세계최초의료용 PSA 산소발생기개발 - 청정산소공급기반확보 - PSA 공법에의한순도 35% 청정산소공급 - 항균코팅 - 맞춤운전가능, 초절전운전 - 7 -
5. 예상공급처( 수요기관) 관공서/ 기관내휴게실: 응급실, 대기실, 병실및휴식공간 학교 : 양호실내의청정산소제공및학습의욕고취 관공시설 : 피로회복및작업능률향상 생활속에서부족한산소공급가능 : 육아지능발달및어린이정서함양, 임산부, 수 험생을위한두뇌개발피로회복및노약자천식등호흡기질환예방 2.2 제품의구성및특성 1. 제품의구성 공기압축기(Air Compressor) 에서압축된공기가특수설계된압력순환흡착공정 (Pressure Swing Adsorption Process) 모듈에입력되어산소를발생하면산소토출구에 연결된공급관을통해산소가디스펜서로공급되고헤드셋을통하여환자에게일정량 의산소를공급하는장치 본체( 발생기) 전원장치, 공기압축기, 압력순환흡착공정모듈 공급관 본체에서디스펜서로 DC 5V 및산소를공급할수있도록연결 디스펜서 본체에서공급되는건조한산소에수분이함유되도록함 헤드셋 디스펜서에연결되며생산된산소를코를통하여인체에공급 2. 안전장치 공기압축기가이상작동또는연결튜브의꼬임으로인하여내부압력이 0.6±0.3bar에 서압력스위치가작동되어전원을차단 3. 정격전원 - 8 -
220V/AC, 60Hz, 0.3A 소비전력 : 70W 4. 전기적충격에대한보호형식및정도 1급 B형기기 5. 작동원리 전원공급장치에서전원이공급되면공기압축기가작동하여정제된압축공기를만든 다. 이공기를 PSA 프로세스모듈에입력시켜서산소를발생하게되는것이다. 이렇게 발생된산소는공급관을통해디스펜서로보내져지금까지만들어진건조한산소에수 분을함유시켜헤드셋을통해환자에게일정량의산소를공급 PSA(Pressure Swing Adsorption) 공법 두개의흡착탑으로구성되며주기적, 연속적으로교체해서작동 흡착탑은내부에 Zeolite란물질로충진하여정제된압축공기에서선택도가높은성분 ( 물, 질소등) 들을우선흡착하고선택도가낮은성분( 에어, 산소) 들은밖으로배출됨 이런일련의공정을반복하면서질소가스를흡착, 분리하여고객이원하는고순도의 산소를연속적으로분리생산하는방식 - 9 -
번호부품명기능설명 1 2 흡입필터 공기압축기 유입공기중의이물질및수분을제거하여정제된공기가공기압축기로유입될수있도록하는기능정제되어공급되는일반공기를압축하여질소흡착탑에공급하는기능 3 메인솔레노이드밸브 DC 24V 를이용하여밸브를개폐하여압축공기의 흐름을시간적으로제어하여질소는배출되고산 소는공급될수있도록하는기능 4 수분분리기 공기압축기를통해유입된공기중에포함된수 분이흡착탑에유입되지않도록제거하는기능 5 질소흡착탑 (Zeolite Bed) 합성제오라이트흡착제를이용하여공기중의 질소를선택적으로흡착제거함으로써산소의농 도를농축하는장치 6 세정오리피스 질소의배출에의한흡착탑의세정공정시질소흡착공정이진행중인반대쪽흡착탑에서의농축된산소를일부공급하는장치로세정공정이진행중인흡착탑의질소분압을낮추어시스템의효율을증가시키도록함 - 10 -
2.3 제조및가공 1. 제조공정흐름도 1 원자재및부품입고 2 수입검사 3 부품제조 4 제품제조 5 완제품시험검사 6 포장및표시 7 완제품보관소입고 2. 공정흐름도설명 1 원자재및부품입고 제조(QC) 공정도(OCQI-73-09) 에서정한부품의제조방법에따라부품및원자재를입고 한다. - 범용품, KS 인증품, CE 인증품등을구매 - 외주가공부품에대하여는수입검사기준에정한사양에따름 2 수입검사 제조(QC) 공정도(OCQI-73-09) 에따라중요부품에대한시험검사실시 - 11 -
3 부품제조( 베드제조) 베드하부캡에메시망을융착시킨후, 베드캡을베드하우징에삽입하여고정시킨다. 베드하우징을충진기에안착시키고, 알루미나를일정량투입한후, 메시망을삽입한 다. 제오라이트를일정량투입하면서베드하우징을진동시킨후, 필요한경우제오라 이트를보충한다. 분할판에메시망을스프링으로고정한후베드하우징에삽입하여 베드상부캡을고정시킨다. 4 제품제조 내부케이스액세서리조립, 메일기판액세서리조립, 트랜스조립, 쏠(S/V) 밸브조 립, 배드액세서리조립, 외부케이스조립, 배출라인조립, 방진고무조립, 콤프레샤 조립, 콤프레샤외부케이스등을조립한다. 5 완제품시험검사 제조(QC) 공정도(OCQI-73-09) 에시험검사항목에대하여시험검사를실시 6 포장및표시 완제품검사결과적합품에대하여표시사항을부착한후, 제품의보관, 운송시파손 의우려가없도록규격포장한다. 7 완제품보관소입고 포장완료제품에대하여보관소보관 - 12 -
2.4 기능및수명 1. 수명 기존의산소발생기구조는 < 그림 1> 과같이제올라이트베드, 공기압축기, 여과필터, 솔레노이드밸브등으로구성되어있다. 당사의의료용산소발생기는수명을연장하기 위하여기존의산소발생기구조에서 < 그림 2> 과같이수분필터, 건조기및분기관세 가지방법을사용하여제올라이트가내장된베드에투입되는공기의절대수증기양과 베드에접촉하는공기량을줄여서수명을연장시키는방법이다. < 그림 1> 기존산소발생기구조 < 그림 2> 개발의료용산소발생기구조 - 13 -
< 그림 3> 은일반방식과개발방식의수명한계비교실험결과이다. 실험결과기존의 제품보다 3 배정도수명이연장되었다. < 그림 3> 기존산소발생기와의수명비교실험 2. 수분필터 베드전단에는알루미나가포함된수분필터를설치하여수분을흡수한다. 이수분필터 는제올라이트와동일한원리의흡착제로압력을증가시키면수분을흡착한다. 수분의 탈착방법은수분필터가질소배출구와연결되어제올라이트베드에서질소배출시 알루미나에흡착된수분이탈착되어질소와함께배출된다. 3. 건조기 건조기를이용한수분제거방법은컴프레서의공기배출전단에건조기를설치하는것 이다. 건조기는관보다직경이큰통상의케이싱으로관보다직경이확장되어단열팽 창이일어나온도가하강하므로, 공기가포함될수있는포화수증기량이낮아져공기 중의수증기가응결된다. 응결된수증기는분기관과수분필터에의해제거된다. - 14 -
4. 분기관 베드로부터배출되는고순도의산소와대기중의공기를분기관을사용하여공기혼합 비를맞춘다. 분기관을연결하면베드가접촉하는공기양이줄어들어베드의수명을 좌우하는습기와의접촉이줄어들며, 고순도의산소를생산하려면베드안제올라이트 의많은세정이이루어져기존보다많은양의수분이탈착될수있는두가지장점이 접목된방법이다. 5. 소음 기존의산소발생기에서의소음은컴프레서와질소배출및공기흡입시생기는소음 으로구분된다. 컴프레서에서발생되는소음은외곽케이스이외에흡음제와차음제를 장착한컴프레서케이스를장착한케이스를 < 그림 4> 와같이제작하여일차적으로소 음을감소시켜실내에서사용가능하도록하였다. 컴프레서케이스를설치하면컴프레서에서발생되는열의제거가어려운데이런문제 점을해결하기위해방열판과팬을컴프레서에서가장많이열이발생하는헤드윗부 분에장착하여발생되는열이쉽게방출되도록설계하였다. 또한질소배출시생기는 소음은질소배출종단에소음기를설치하여감소시킨후질소배출위치를컴프레서 케이스안에위치를두어소음을감소시킨다. 부가적으로질소배출공기로열을낮추 는목적이있다. 공기흡입시생기는소음은건조기를공기의버퍼탱크로도사용되 어많은양의공기흡입으로야기되는소음을감소시킬수있다. - 15 -
< 그림 4> 의료용산소발생기내부구조 6. 이동성 기존의제품은소음과제품중량의문제로실외기/ 실내기분리형으로개발하였다. 개발 된의료용산소발생기는환자가사용하기편한소형으로개발하기위해크기와중량을 최소화하여기존제품보다중량을 1/3 로감량하여실외기/ 실내기일체형을개발하였 다. 이런일체형의장점은산소공급이필요한환자가어느장소에서나고순도의산소 흡입이가능하며산소발생기를외부가아닌오염도가적은내부에설치하여오염물질 의접촉가능성을낮게해주었다. 7. 부가기능 기존에는흡입필터만을사용하여미세먼지만제거하였지만개발의료용산소발생기는 여러가지추가기능을첨가하였다. 흡입필터재질은일반필터와는달리 0.3μm의크기까 지제거가가능한 HEPA 필터를사용하였다. 건물내부의 VOC 제거와자정및항균 기능을갖는광촉매와무기항균제를디스펜서내부의물통에코팅하고탈취필터를장 착하여불쾌한냄새를제거, 환자들이최적의청정산소를흡입할수있게제작하였다. - 16 -
8. 사용방법 1) 디스펜서의전원버튼을누르면전원이켜진다. 2) 디스펜서의전원이인가되면 2~3 초후에, 본체발생기가작동하면서산소가발생된 다.( 정상적인산소유량및농도의도달시간은 2~3 분소요된다.) 3) 산소발생표시창동작및산소가토출되면서사용자에게일정량의산소공급을시 작한다. 4) 산소발생기의기본작동시간은 30 분으로설정되어있으며, 작동시간설정버튼을 이용하여 30분과 50 분중원하는작동시간을선택하여사용할수있다. 9. 성능 1) 정격전압 : 220V/AC, 60Hz, 0.3A 2) 소비전력 : 60W 3) 유량 : 2LPM 4) 산소순도 : 35% 5) 소음레벨 : 35dB 이하 6) 산소출구압력 : 0.9 bar 이하 7) 산소발생표시창 8) 압력스위치 : 압력 0.6±0.3 bar 9) 필터 : 에어흡입필터 10) 전기적충격에대한보호형식및정도 : 1급 B형기기 - 17 -
제 3 절유량측정및산소측정기술 본의료용산소발생기의유량측정방식은면적식유량측정장치로서수직으로설치된 taper관의사이를측정유체가밑에서위로흐르면 taper관내에설치된 float는유량의 변화에따라상하로이동된다. 이 float 움직임을검출하여유량을구한다. 이와같은 유량측정장치의종류와원리는아래와같다. 3.1 유량측정계(flowmeter) 의원리및종류 1. 차압식유량계 (1) 측정원리비압축성유체가관내를난류하지않고마찰도없고외부와도에너지의교환이없는것으로하고중력만이외력으로서일한다고하면관내의임의점에서베르누이정리가성립한다. - 18 -
(2) 특성 1 설치및유지보수가간편하고값이싸다. 2 측정범위가좁다.(Rangeability가 3 : 1 정도) 3 유량이측정압력의평방근에비례하므로신호변화를위한특별한기구가필요하다. 4 5 슬러리와같이점도가높은유체에는사용할수없다. 방해시설전후에어느정도의직선배관이필요하다. (3) 오리피스 & 흐름노즐오리피스혹은흐름노즐전후의을다음과같이유도할수있다. Bernouli의기계적에너지수지식을적용하여측정식 (4) 특징 차압방식은구조가간단하며가동부( 可動部 ) 가거의없으므로견고하고내구성( 耐久性 ) 이크며고온, 고압, 과부하에견디고압력손실도적다. 구조가간단하므로상사법칙( 相 似法則 ) 의적용이되고임의의유체에서교정한값을 Reynolds number의보정에의해 他의유체에도사용할수있다. 사용법이적정하면정도( 精度 ) 도좋다. 이와같은특성 때문에공업용으로대단히많이사용되고있다. 2. 면적식유량계 (1) 측정원리 수직으로설치된 taper관의사이를측정유체가밑에서위로흐르면 taper관내에설치된 float 는유량의변화에따라상하로이동된다. 이 float 움직임을검출하여유량을구한 다. - 19 -
(2) 특징 - 차압식유량계에비해적은유량, 고점도의유량측정이가능하다. - 유량눈금은원리적으로균등눈금으로되고유효측정범위를최대눈금의 10-100% 로 취할수있다. - 원리적으로밀도변화의영향을받기때문에설계기준밀도 ρ가사용조건과다르고 ρ' 로된경우의유량 Q' 는계기에서읽은 Q 에다음의보정계수를곱할필요가있다. 관로중에그림과같이 Taper관에 Float를넣어유속에따른 Float의위치를읽음으로서 유량을측정한다. 3 ~ 150mm의배관에설치되며액체의경우 0.0003 ~ 200, 기체의 경우 0.005 ~17,000 까지측정이가능하다. (3) 1 2 3 4 5 장단점 측정범위가넓고비교적적은유량도측정이가능하다. 압력손실이적고측정눈금이균등하다. Slurry 와같은고점성유체에적합하다. 측정대상유체가깨끗해야한다. 측정가능한최대유속이타유량계에비해상대적으로낮다. 3. 전자식유량계 (1) 측정원리 자속밀도 B의자계중에내벽을절연물로덮어씌운반지름 d인측정관을관축방향이 자계와직교하도록자계와흐름의방향에각각직각이되도록관벽에설치된 로마주본전극간에전압이발생한다. 1대의서 - 20 -
(2) 특징 - 유체의온도, 압력, 밀도, 점도의영향을받지않고넓은측정범위에걸쳐서체적유량 에비례한출력신호가얻어진다. - 검출기는흐름을막는것이나가동부가없으므로적절한 lining재질을선정하면 slurry 나부식성액체의측정이용이하다. - 압력손실은없고다른유량계에비해서상류측직관부도짧아서좋다. - 정/ 역양방향의유량이측정되며응답의지연도없다. - 기체, 기름등유전성이없는 유체의측정은할수없다. 3) 장단점 < 장점> 1 2 3 4 5 압력, 온도, 밀도, 점성의영향을받지않는다. 층류, 난류의영향을받지않으므로직선배관이필요치않다. 압력손실이없다. 소유량(1/8") 및대유량(3.04m 이상) 에적합 부식성, 침식성유체에적합 < 단점> 1 2 전기전도도가있어야한다. 유속에비례하는전압을발생시키기때문에 야한다. 3 4 Gas 나기포를포함한액체에서는오차가발생 Pipe 내에물질이쌓이는유체에는정기적으로청소. 5 유지보수가어렵다. Pipe내에만수가되어 - 21 -
4. 초음파유량계 (1) 측정원리관로의외부에서유체의흐름에초음파를방사하고유속에따라변화를받은투과파나반사파를관외에서받아들여유량을구하는것이다. 측정원리로부터크게구별해서실용화되어있는대표적인두가지방식이있다. 1 전반시간차방식 : 초음파가유체내를통과하는속도는유체의평균유속과일정 한관계가있다. 이통과시간을측정한다음유속과관지름에의해유량을구한다. 2 도플러방식 : 진동원과관측점의상대운동에의해음, 광등의주파수가변화한다 고하는도플러효과를이용하여초음파에의해유량을측정한다. (2) 특징 - 관로의외벽에검출기를부착하는방식으로이미설치된배관로를가공할것도없이또흐름을멈출것도없이유량측정이가능하다. - 검출기는유체와비접촉이므로부식이나부착물등의걱정이없다. 또흐름을방해하는것이없으므로압력손실이없다. - 유속분포의혼란이측정정도에영향이된다. 그때문에검출기부착부에는상류측, 하류측에소정의직관장이필요하다 (3) 장단점 < 장점> 1 2 3 설치가용이하다. Pipe size 에관계없이설치가가능 압력손실이없다. < 단점> 1 2 만수가되어야한다. 유체에입자나거품이있어야한다. 3 직선배관이필요하다. ( 상류측 ; 10~20D, 하류측 ; 5D) 4 유속이빨라야한다. ( 0.75 ~ 1.8 m/s) - 22 -
5. 터빈유량계 (1) 측정원리원통상의유로속에로터( 회전날개) 를설치, 도에비례한회전속도로로터가회전한다. 하는방식이다. 이것에유체가흐르면통과하는유체의속 이로터의회전속도를검출하여유량을구 (2) - 특징 일반적으로공업계측용에는회전부의기계적마찰이나유체저항력이적은축류식의 높은정밀도를가진터빈유량계가사용된다. - 청정에서유체저항이적은저점도액체에가장적합하다. - 로터의응답이빠르고유량에비례한고분해능의펄스신호가얻어진다. - 유량계의상류측에정류장치를사용한 20D (D: 관로의호칭지름) 이상인수평인직 관부를설치, 게다가이물질의혼입에의한로터의파손을방지하기위해서직관부입 구의직전에여과기를설치할필요가있다. (3) 1 2 3 4 5 사양 측정유체 : 액체, 기체(Light Oil 계통) 측정범위 : 0.0005 ~ 10,000 Accuracy : ± 0.25% Output Signal : Analog, Pulse, Contact 적용압력 : 최대 200 6 적용온도 : 최대 260 7 8 Rangeability : 20 : 1 Repeatability : 0.02% 9 가격 : $ 2,500(1"), $6,000(8") - 23 -
(4) 장단점 < 장점> 1 실제운전조건에서자동온도보상이가능하다. 2 넓은범위의압력 ( 5,000 PSIG) 과온도 ( -200 ~ 450 ) 에사용. 3 Totalizing, Indicating, Analog control (4 ~20 ma) 이가능 < 단점> 1 2 3 4 고체를포함한유체는부적합 유체의밀도가변하면정확한측정이어렵다. 직선배관이필요하다. ( 전단 15D, 후단 6D 정도) Pipe size가작은경우 Viscosity가 Accuracy 에영향을미친다. 5 Low range(full range의 30% 이하) 에서는반복도가떨어진다. 6. 용적식유량계 (1) 측정원리 회전자와피스톤등의가동부와그것을둘러싼케이스사이에형성되는일정용적의 공간부를되모양으로그안에유체를가득채워그것을연속적으로유출구로내보내 는구조로, 계량회수로부터용적유량을측정한다. (2) 특징 - 원리적으로적산형유량계이다. 표준유량계로서도사용된다. - 유량계의설계부의관로에직관부를필요로하지않는다. 특히고점성액체에있어서고점도이며거래용이나 - 24 -
- 유로에가동부가있으므로회전자와케이스간에고체가위에끼지않도록유량계입 구에는반드시여과기를설치할필요가있다. 이로인해압력손실이비교적크다. 7. 소용돌이유량계 (1) 측정원리 유체의흐름에수직으로주상물체 서서로역회전의소용돌이가서로교대로발생하고하류에 ( 소용돌이발생체) 를눌러끼우면그물체의양쪽에 Karman 와열이형성된다. 이소용돌이의주파수는어느레이놀즈수의범위에있어서유속에비례하는특성을가 지고있기때문에소용돌이주파수를검출하는것으로부터유량을측정할수있다. (2) 특징 - 출력신호는유량에정비례하고펄스출력이얻어진다. - 출력신호는체적유량을지시하고온도, 압력, 유체의종류에영향을받지않는다. - 적용레이놀즈수의범위가넓고정밀도가좋다. - 흐름의압력손실은비교적적으나유속분포의영향을받으므로상류측에는관로상 황에따라 15D - 40D 이상, 하류측에는 5D 의직관장이필요하다. 3.2 산소측정기술본의료용산소측정장치의농도측정은다음장비로측정하였고측정사양은아래와같습니다. (1) 측정장치 제조회사 : IT-Dr. Gambert GmbH ( 독일) 소형경량형산소농도측정기로서손쉽게산소의농도를측정할수있습니다. - 25 -
(2) 제품사양 본산소농도측정기로서콤팩트타입의작고가벼운하우징을갖고있습니다. 본측정 장치에는 0-99 Vol.% 의산소농도를빠르게측정할수있는전기화학식센서와마이크 로컨트롤러가들어있습니다. 이측정장치는계속적으로작동하며사용도중에센서교체등의메인티넌스작업을 할필요가없다. 농도표시교정측정범위측정한도오차범위 2 가지숫자로디스플레이 (LCD) CAL 버튼 1 개 ( 일반대기중에서버튼을누르면 21 Vol.% O2 가표시됨 ) 0... 99 Vol.% O2 1 Vol.% O2 0... 50 Vol.% O2 의경우 : +/- 0.5 Vol.% O2 51... 99 Vol.% O2 의경우 : +/- 2 Vol.% O2 반응시간 2 초이내 (90%) 온도범위 0... 50 커넥터 M 16 1 제품크기 74mm 48mm 59mm (H W D) 무게 80 g - 26 -
제 4 절성능시험및평가 성능의주요사양은다음과같다. 전격전압주파수는 220VAC,60HZ, 0.3A 이고소비전력은 60W 이다. 유량과산소순도 2LPM과 35% 이고소음레벨은 35DB 이하로유지하고필터는에어흡입필터를채택 하였다. 가. 산소순도시험 시험방법에따라시험할때산소순도가 35+5%, 35-5% 이내이어야한다. 성능평가방법 본체에서분배기로연결된산소호수의끝에 5L 탱크를연결한후, 산소순도측정기를 사용하여 2L+15%, 2L-15% 이내의유량조건에서 5 분간산소순도의평균값을측정한다. 시험횟수 1회 2회 3회 평균( 약) 산소순도측정정상정상정상정상 나. 정격전압의 전압변동시험 ±10% 를변경하였을때산소발생기가정상적으로작동하여야한다. 성능평가방법 정격전압의 ±10% 변화시켜정상적으로작동하는지육안으로점검한다. 다음은 전압변동평가시험결과이다. 시험횟수 1회 2회 3회 평균( 약) 작동상태정상정상정상정상 다. 소음상태시험 통상적인사용상태에서소음은 35dB(A) 이하이어야한다. 또한정격전압의 ±10% 를 변경하였을때의료용산소발생기가정상적으로작동하여야한다. - 27 -
성능평가방법 무향실에서정격주파수, 정격전압으로작동시키고제품전면부중심의소음은 소음계를전동기로부터 1m 떨어진위치에서측정한다. 다음은소음측정평가시험 결과이다. 시험횟수 1회 2회 3회 평균( 약) 작동상태정상정상정상정상 라. 안전장치산소출구압력이 0.6+0.3bar, 0.6-0.3bar 이하이어야한다. 성능평가방법 압력스위치에압력을 0.6+0.3bar, 0.6-0.3bar 로조정하였을때압력스위치가작동되어전원이차단되었는지확인한다. 다음은측정평가시험결과이다. 시험횟수 1회 2회 3회 평균( 약) 작동상태정상정상정상정상 라. 누설시험시험방법에따라시험하였을때기포가생겨서는안된다. 성능평가방법 본체와에어호스연결부, 실내기와에어호스연결부에비눗물을도포하여시험한다. 확인한다. 다음은측정평가시험결과이다. 시험횟수 1회 2회 3회 평균( 약) 작동상태정상정상정상정상 - 28 -
제 5 절활용방안 5-1. 기업연구인력활용방안. - - - 개발연구자료검색및분석총괄적인과제진행을하고기술적문제해결전반적인기술정보습득과분석기술자료분석및정리. 기계설계방안강구 - CAD 를이용한기계설계. 연구개발품회로설계 - 의료용산소발생기장치외형도개괄설계 - 의료용산소발생기장치전기도면설계지원 - 의료용산소발생기장치설계지원. - 연구개발자동기계설계 통합설계지원 5-2. 주관기관활용방안 1) 주관기관연구인력활용방안. - - 개발연구자료검색및분석 총괄적인과제진행을하고기술적문제해결 기술자료분석및정리. 기계설계방안강구 - CAD 를이용한기계설계. 연구개발품회로설계 - 29 -
- 의료용산소발생기장치외형도개괄설계 - 의료용산소발생기장치전기도면설계지원 - 의료용산소발생기장치제어설계지원 2)...... 주관기관기자재활용방안 자동기계설계도면대학연구장비활용 설계개발대상장치에대한시뮬레이션 문제점평가및개선 자동화설비와실험실습기자재활용 시작품검사및자동기계설계보완 대학의성능시험장비활용. 의료용산소발생기장치성능테스트 - 30 -
제 3 장사업성과 제 1 절기술적성과 본연구개발을통하여다음가같은성과를도출하였다. 가. 성능면에서소형으로우수한특성을지니고있으며초소형 PSA 산소발생기를 개발하였다. 나. 본연구개발을통해종전의대용량제품을소형경량화에성공으로 청정산소공급에기반이마련되었다. 다. 광촉매, 탈취필터, 향균코팅으로청정산소공급이가능하다. 라. 제올라이트 BED를 Bypass하는분기관설치로흡착탑 BED를통과하는공기량을 감소시켜제품수명을 3 배연장하였다. 마. 초소형공기압축기를 2중방진구조와방은재를마감하고토출단에소음기를 개발정숙기능강화하였다. 제 2 절경제적성과 가. 사이클성능향상및의료용산소발생기개발로생산성향상극대화기대된다. 나. 고효율제품의대량생산체제구축시생산성향상기대된다. 다. 제올라이트 BED를 Bypass하는분기관설치제품수명을 3배연장특징으로 매출증대가기대된다. 제 3 절기타성과 다음에제시된표는본사업의개발목표대비성능평가를나타낸것이다. 성능평가는앞서의절에서수행한유무에대한평가가포함된다. 이상에서알수있듯이개발된의료용산소발생장치의성능이개발목표치에 부합함을알수있다. - 31 -
평가항목단위개발목표치시험결과판정 1. 산소순도시험 - 유정상합격 2. 유량시험 - 유정상합격 3. 누설시험 - 유유합격 4. 소음진동상태 - 유정상합격 5. 압력시험 - 유정상합격 6. 안전장치 - 유유합격 7. 핵심부품완성 - 유유합격 8. 내구성시험 - 유유합격 9. 작동상태 - 유유합격 - 32 -
제 4 절개발품실물사진, 도면 1. 개발과정사진 디스플레이 PCB - 33 -
사용부품 - 34 -
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2. 의료용산소발생기실물사진 뒷면 - 36 -
옆면 - 37 -
우측면 - 38 -
정면 - 39 -
좌측면 - 40 -
3. 의료용산소발생기설계도면 의료용산소발생기베드카바 의료용산소발생기베드금형 - 41 -
의료용산소발생기전체도면 - 42 -
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제 4 장결론 제 1 절계획대비실적및성과 1. 계획대비실적 사업계획 실적 일련 번호 개발내용 추진일정 2009년 2010년 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 비고 1 기술동향, 자료및제품분석 2 의료용산소발생기설계방안 3 산소발생기장치기본설계 4 핵심부품요소의설계 5 산소발생기시스템설계 6 산소발생기장치시작품제작 7 시스템의성능및문제점보완 8 보고서작성및보고서작성 - 44 -
제 2 절향후개선사항 1. 전세계가국민건강을중요한국가지표로지속적인의학의발전을기하고있고이에부흥한의료용첨단장비의발전은의료용산소발생기분야에서의연구역시활성화를위한연구개발의지속적인발전이동시에진행되어야한다. 2. 최근의료용기계에가격대비실효율성에대한요구가증가되면서생산설비의네트워크제어시스템화경향이늘어나고있다. 따라서본연구에서개발된부품및시스템이소형에서대형까지호환적적용을위해보다개선된품질이필요하다. 제 3 절향후계획 역할 현대문명이급속도로발전해오면서공기속의산소가인류건강에얼마나중요한 현대문명의상징이라할잿빛콘크리트구조물들, 안락함과에너지절약을추구하 는밀폐형건축물, 다양한개발에따른생태계교란등우리가호흡해야할산소의공 급처가줄어들고있음 이에저산소상태를해소할수있도록함 산소와건강, 산소와질병, 산소와아름다움( 피부), 산소와암, 산소와자폐증, 산소 와노화방지, 산소와음주, 산소와스포츠선수, 산소와유명스타등의관계를고려한 지속적응용제품개발 실내용산소발생기(Indoor Oxygen Generator) 의필요성에따른상용화 가정에서사무실에서지하공간에서, 경제적이며효과적인건강관리를위한산소발 생기개발 고농도산소발생기개발추구 미국의 USP(US Pharmacopoeia Standard) 가권장하는산소농도는 93±3% 목표달 성추진 세계적수준의기술을확보 - 45 -