코로나19 팬데믹이 시작된 이후 1년 동안 많은 일들이 일어났다고 말하는 것은 엄청난 사건들을 과소평가하는 표현입니다. 너무나 많은 일들이 벌어져서, 대량 생산된 개인 보호 장비를 활용하거나, 자작 인공호흡기 등을 만들었던 하드웨어 해커 커뮤니티의 초기 활동을 기억하기조차 어려울 정도입니다. 하지만 초기 확산 단계에서 자작 산소 농축기를 만들려는 시도가 많았다는 사실은 잘 기억나지 않습니다.
OxiKit이라는 이름의 이 디자인은 단순하면서도 효과적인데도 불구하고, 왜 더 많은 유사 제품이 나오지 않았는지 의아할 정도입니다. OxiKit은 분자체로 사용될 수 있는 다공성 광물인 제올라이트를 사용합니다. 이 미세한 알갱이들은 철물점에서 구할 수 있는 PVC 파이프와 부속품으로 만든 원통형 용기에 채워지고, 여러 개의 솔레노이드 밸브로 제어되는 공압 밸브를 통해 오일 프리 공기 압축기에 연결됩니다. 압축된 공기는 구리 튜브 코일에서 냉각된 후, 질소를 우선적으로 흡착하고 산소는 통과시키는 제올라이트 컬럼을 통과하게 됩니다. 산소 흐름은 두 부분으로 나뉘어 한 부분은 완충 탱크로 들어가고, 다른 부분은 두 번째 제올라이트 타워의 출구로 나가는데, 여기서 강제로 흡착된 질소가 방출됩니다. 아두이노는 밸브를 제어하여 가스를 번갈아 왕복시켜 분당 15리터의 96% 순도 산소를 생산합니다.
OxiKit은 상용 산소 발생기처럼 최적화되어 있지 않아 소음이 다소 있습니다. 하지만 상용 제품보다 훨씬 저렴하고, 대부분의 해커라면 쉽게 제작할 수 있습니다. OxiKit의 설계는 모두 오픈 소스이지만, 툴킷과 제올라이트처럼 구하기 어려운 부품 및 소모품은 별도로 판매합니다. 이 기술이 매우 흥미롭기 때문에 저희도 비슷한 장치를 만들어 보려고 합니다. 고유량 산소 공급원을 확보하는 것도 좋은 생각입니다.
분당 15리터는 매우 인상적인 수치입니다. 규모로 따지면, 일반적인 상황에서 7명이 생존하는 데 필요한 양입니다 (1인당 분당 2리터).
저는 항상 이것들이 어떻게 작동하는지 궁금했어요. 흥미롭네요. 마치 열역학 법칙을 위반하는 것처럼 보이지만, 사실은 그렇지 않아요.
이렇게 많은 산소가 생성되는데, 이걸 자동차 엔진에 매달거나 크기를 키우면 어떻게 될지 궁금하네요. 아질산염처럼 될지도 모르겠어요. 생성된 "순수한" 산소가 저장되지 않고 엔진 근처에서 바로 소모되도록 설정하면 꽤 안전할 거예요. 하지만 먼저 차를 조정해야겠네요. 역화… "큰일 날 거야."
제 생각에는 이 제품이 산소/프로판, 산소/수소 또는 산소/아세틸렌 혼합 가스를 사용하는 용접/납땜/절단에 적합할 것 같습니다.
네, 이 영상을 본 후에 유튜브에 달보르 파니의 산소 농축기 관련 영상이 떴습니다. 유리 세공 선반에 필요한 산소 연료 토치를 만들기 위한 영상이었죠. 맞춤형 디지털 튜브를 직접 제작하는 겁니다. 실제로 이런 튜브 6개를 연결하면 분당 30리터의 산소를 생산할 수 있습니다.
2리터 엔진이 수천 RPM으로 작동하면 15리터 엔진보다 1분 만에 연료를 더 많이 소모할 수도 있겠네요. 하지만 이렇게 하면 흡입 공기의 산소량이 충분한 수준으로 증가할까요? 잘 모르겠습니다.
아질산염은 아산화질소 분자 하나가 분해될 때마다 질소 분자를 방출하기 때문에 에너지를 제공할 수 있습니다 (산소를 소모하면서도 부피는 유지됩니다). 또한, 아질산염은 유효 산소 농도를 증가시킵니다 (방출 시 열도 발생합니다). 순수한 산소를 주입하는 것은 부피 손실이 발생하고 엔진 블록에 불이 붙을 수 있는 문제가 있기 때문에 그다지 효과적이지 않습니다.
규모를 상당히 키워야 할 겁니다. 2리터 자동차 엔진이 분당 2500rpm으로 회전할 때 약 2.5m³의 공기(산소 21%)를 흡입합니다. 이는 휴식 상태의 사람이 호흡할 때 흡입하는 양의 약 600배에 달합니다. 사람의 호흡량은 산소의 약 25%인 반면, 자동차는 약 90%를 흡입합니다.
또한, 이 연료는 매우 높은 온도로 연소되어 피스톤을 녹입니다. 혼합 연료를 사용하면 엔진 출력을 높일 수 있지만, 열 증가로 인해 피스톤이 녹게 됩니다. 산소 함량이 낮으면 금속이 녹는 것을 방지할 수 있습니다.
일반 자동차 엔진은 공기 흐름에 의해 제한되며, 공기 중의 모든 산소를 연소시킬 때 최대 출력을 냅니다. 이를 위해 혼합비를 약간 농후하게 하여 휘발유 일부를 연소시키지 않습니다. 최대 출력이 필요한 경우가 아니면 자동차 엔진은 일반적으로 약간 농후한 상태로 작동하는데, 연료 과다 연소는 연비 저하와 탄화수소 오염 증가를 초래하기 때문입니다.
출력을 높이기 위해 이 기능을 사용하려면 엔진 컴퓨터를 속여 특정 비율의 연료를 동시에 추가하도록 해야 합니다.
공기-연료 비율을 일정하게 유지할 수 있다면, 이는 스로틀을 몇 퍼센트 정도만 여는 것과 거의 유사합니다.
하지만 "몇 퍼센트"(의도적인 모호함…)를 초과하면 ECU가 유입되는 공기량을 파악하거나, 연료 배출량을 제어하거나, 속도와 공기 흐름에 관계없이 정확한 점화 타이밍을 설정하는 데 한계에 도달할 수 있습니다.
생명을 유지하는 데 필요한 혈류량은 환자의 상태에 따라 크게 달라집니다! 2리터/분은 비교적 간단하지만, 중환자실 치료가 필요한 많은 환자는 15리터/분이 필요합니다.
산소가 부족해지지 않도록 조심하세요. 산소 농도가 높으면 많은 물질이 가연성이 되고, 여러 오일과 윤활유의 자연발화를 촉진할 수 있습니다. 이것이 바로 오일 프리 컴프레서를 사용하는 이유입니다.
그것과 그 밖의 "즉각적으로 직관적이지 않은" 산소 처리 방법들은 특히 압력이 증가하는 상황에서 당신에게 해로울 수 있습니다.
산소(O2)를 사용하시는 경우, Vance Harlow의 Oxygen Hacker's Companion을 이용하실 수 있습니다(나이트록스 다이버는 이미 이 컴패니언을 가지고 있을 수도 있습니다): http://www.airspeedpress.com/newoxyhacker.html
저는 그 책에 대해 잘 모릅니다. 문제는 조율사가 아니라 사용자입니다. 하지만 참고해 주셔서 감사합니다. 양식이 발효되는 대로 바로 주문하겠습니다!
네, 말씀드리겠습니다. PVC 압축 공기의 파손 모드는 파편 폭발이므로 압력 등급을 주의 깊게 살펴보십시오. 파이프 직경이 커질수록 압력 등급은 낮아집니다.
1980년대 초, 저는 의료 장비 임대 회사에서 일했는데, 그 회사는 데빌비스(Devilbiss) 산소 발생기를 임대하고 관리했습니다. 당시 이 장치들은 작은 맥주 냉장고만 한 크기였습니다. 내부 구조가 마치 하드웨어 보관함 같았던 것이 생생하게 기억납니다. 체질층이 4인치 PVC 파이프와 덮개로 만들어져 있었던 것도 기억하는데, 따라서 이 프로젝트에서 설명하는 구조는 과거의 (물론 실용적이었지만) 기술과 일관성이 있습니다.
압축기는 이중 진동 피스톤/다이어프램 방식이므로 압축 공기에 오일이 포함되어 있지 않습니다. 압축기 헤드의 밸브는 얇은 스테인리스 스틸 리드 밸브입니다.
기체 정렬은 기계식 타이머를 사용하여 수행되므로 아두이노는 필요하지 않습니다. 타이머에는 동기화 장치(클록 기어 모터)가 있으며, 이 장치가 여러 개의 캠 휠이 달린 축을 구동합니다. 캠에 장착된 마이크로 스위치가 솔레노이드 밸브를 작동시켜 가스가 순환하도록 합니다.
이러한 기계의 가장 큰 적은 높은 습도입니다. 수분 분자의 흡착으로 인해 체층이 손상됩니다.
제가 회사를 떠나기 직전에, 저희는 데빌비스의 경쟁사(이름은 지금 기억나지 않습니다)로부터 농축기를 하나 도입하기 시작했는데, 그 회사는 상당한 발전을 보였습니다. 더 작고 조용한 새 농축기 외에도, 알루미늄 튜브를 사용하여 체질층을 제작했습니다. 튜브는 O링용 홈이 가공된 플레이트로 덮여 있습니다. 조립체를 결합하는 전체 나사식 지지대도 생각납니다. 이 설계의 장점은 필요에 따라 체질층을 분리하고 체질 재료를 교체할 수 있다는 것입니다. 또한 기계식 타이머를 없애고 간단한 전자 장치와 SSR(솔레노이드 작동 스위치)로 교체했습니다.
이 제품들은 SCH40 배관(정격 압력 260psi @ 3인치)을 사용해야 하며, PVC에 압력을 가하기 전에 40psi 안전 밸브와 20-30psi 압력 조절기가 장착되어 있으므로 안전성이 확보되어 있습니다. 산소에 어떻게 노출될지는 확실하지 않지만, 강도를 조절해 보세요.
SCH40 파이프의 파열 압력은 직경에 따라 정격 압력의 몇 배에 달합니다. 3인치 파이프는 약 850psi, 6인치 파이프는 약 500psi입니다. 1/2인치 파이프는 거의 2000psi에 달합니다. 이는 SCH80 파이프의 두 배에 해당하는 수치입니다. PVC 테니스 발사기가 폭발하지 않는 이유도 바로 이 때문입니다. 연소실 크기를 6인치 또는 8인치로 키우면 폭발 위험이 줄어들 수 있습니다. 하지만 일반적으로 해커들은 플라스틱 구조물의 강도를 심각하게 과소평가하는 경향이 있습니다. https://www.pvcfittingsonline.com/resource-center/strength-of-pvc-pipe-with-strength-chart/
저는 아마추어들이 불꽃놀이를 할 때 발생하는 유해 물질(그리고 순도)을 줄이는 데 관심이 있습니다. 취미 시장에서는 보통 폐기된 의료용 산소통을 매입합니다. 처음에는 그걸 생각했지만, 키트와 부품 비용을 합치니 폐기된 의료용 산소통 가격보다 훨씬 비쌌습니다.
2리터 자동차 엔진은 고속 주행 시 분당 9,000리터의 산소를 소모할 수 있으므로, 분당 15리터의 산소는 그보다 약 600배 빠릅니다. 이 장치는 꽤 멋지네요. 저는 중고 분당 5리터 산소 농축기를 개당 300달러에 여러 대 구입했습니다(가격이 오르는 것 같네요). 분당 5리터를 생산합니다. 수백 와트의 전력이 소모되므로, (오락 목적으로만 사용하더라도) 분당 9,000리터를 생산하려면 약 360kW(480마력)의 출력이 필요할 것으로 추산됩니다.
그 알고리즘은 베를린 밴드가 만들었기 때문입니다. (하나만 계산해 보면 금별을 드립니다.)
회사 웹사이트를 확인해 보세요… 음, 매장에 있는 제품 사양은 좀 애매하지만, 5파운드에 75달러에 팔고 있네요. 그럼 깃허브를 살펴볼까요? 절대 보지 마세요. 거기에는 자재 명세서가 없습니다.
저희는 내용물을 채우는 방법이 아니라 제작 방법을 알려주는 오픈 소스 전기 기계 설계도를 가지고 있습니다. 저는 이런 곳을 핵심 정보가 빠진 곳이라고 부릅니다. 마치 등장인물이 눈썹을 치켜올리는 것 같아요… 정말 흥미롭습니다.
OxiKit은 (제가 기사에 링크한) 그들의 영상 중 하나에 달린 댓글에서 이것이 나트륨 제올라이트라고 언급했습니다.
다른 분자체와 마찬가지로, 제조사에 분자체의 본래 용도가 아닌 사용 목적을 알려주면 됩니다. 분자체와 사용 목적은 동일하지만, 구멍의 크기만 다르기 때문입니다.
산소 농축기에는 보통 13X 제올라이트(0.4mm~0.8mm) 또는 JLOX 101 제올라이트가 사용되는데, JLOX 101이 더 비쌉니다. 저는 중고 산소 농축기를 수리할 때 13X 제올라이트를 사용했습니다. 녹색 불이 항상 켜져 있는 것으로 보아 산소 순도는 최소 94% 이상입니다.

https://catalysts.basf.com/files/literature-library/BASF_13X-Molecular-Sieve_Datasheet_Rev.08-2020.pdf

5Å(5옹스트롬) 분자체도 사용할 수 있습니다. 질소에 대한 선택성은 떨어지지만, 그래도 사용 가능합니다.
위키피디아에 있는 애니메이션을 보면 이 장치의 작동 원리를 직관적으로 이해할 수 있습니다: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/76/Pressure_swing_adsorption_principle.svg I 압축 공기 입력 A 흡착 O 산소 출력 D 탈착 E 배기
제올라이트 컬럼이 질소로 거의 가득 차면 모든 밸브를 열어 컬럼에 흡착된 질소를 방출합니다.
자세한 설명 감사드립니다. 질소 발생기를 가정용 질소 용접 DIY 프로젝트에 사용할 수 있는지 항상 궁금했었는데, 산소 농축기의 폐기물이 질소라는 것을 알게 되었습니다. 완벽하네요! 제 무연 납땜 스테이션에 사용해 보겠습니다.
사실 아마추어에게는 공기를 거의 순수한 산소와 거의 순수한 질소로 변환할 수 있는 능력이 매우 유용합니다. "거의 질소"로 이루어진 혼합물을 용접 시 보호 가스로 사용할 수 있는지 궁금합니다.
TIG 용접(GTAW라고도 함)의 경우 플라즈마 플룸이 매우 민감하기 때문에 확실하지는 않습니다. 주로 아르곤 가스가 사용되며, 알루미늄이나 티타늄과 같은 재료에 침투하기 위해 소량의 헬륨 가스가 사용되기도 합니다. 유량은 약 6~8리터/분으로, 일반적인 압축기로는 감당하기 어려울 수 있습니다.
용접을 위해서는 주요 용접기 브랜드들이 모두 RoHS 규격 준수를 위한 질소 보호 가스를 판매하고 있지만, 키트 가격은 1,000~2,000유로 정도입니다. 유량은 약 1리터/분으로 분자체 용접에 매우 적합합니다. 자, 이제 필요한 부품들을 조립해서 집에서 플럭스나 납을 사용하지 않는 무연 납땜을 해봅시다!
용접공들은 보호 가스로 순수 질소를 사용하고 싶어합니다. 질소는 아르곤이나 더 저렴한 헬륨보다 저렴하기 때문입니다. 하지만 질소는 아크가 발생하는 온도에서 반응성이 매우 높아 용접 부위에 바람직하지 않은 질화물을 형성하는 경향이 있습니다.
용접 보호 가스로 사용되지만, 아주 소량만으로도 용접 특성을 변화시킬 수 있습니다.
물론 레이저 용접에 사용하는 것은 가능하지만, 아무리 설비가 잘 갖춰진 제조 시설이라도 이 기능을 보유하고 있지 않을 수도 있습니다.
따라서 이론적으로는 적어도 하나의 PSA를 사용하여 질소를 환원한 다음, 다른 PSA(다른 제올라이트 사용)를 사용하여 산소를 환원함으로써 산소도 질소도 아닌 물질의 농도를 더 높일 수 있습니다.
당신의 생각이 맞다면, 그 시점에서 공기를 응축한 다음 증류하여 원하는/원하지 않는 기체를 분리해내는 것이 좋겠습니다.
@Foldi-A 에너지 투입량과 가스 배출량 측면에서 접는 지점입니다. 증발을 이용한 예냉이 가능하기 때문에 규모가 커지면 효율이 훨씬 높아질 것이라는 점에 전적으로 동의합니다.
하지만 아주 소규모로 운영한다면 압축기 1개, 제올라이트 타워 4개, 전자식 압력 밸브 여러 개, 그리고 저렴한 컨트롤러(제어 장치)의 초기 비용만 있으면 될 텐데, 제 생각에는 그보다 비용이 적게 들 겁니다.
@irox 님, 비유적으로는 확실히 가능하지만, 산소 2리터를 사용하는 사람이 산소 공급 없이 급격히 사망하거나 상태가 악화되는 경우는 없습니다. 비교하자면, 코로나19로 인해 고유량 산소 요법을 받는 중환자실 환자들은 FIO2가 60~90%일 때 45~55리터의 산소를 공급받습니다. 이들은 비교적 "안정적인" 환자들입니다. 고유량 산소 요법이 없다면 상태가 급격히 악화되겠지만, 삽관까지 해야 할 정도로 위중해지지는 않을 것입니다. 다른 ARDS 환자나 일반적인 비강 캐뉼라보다 더 큰 비강 캐뉼라가 필요한 대부분의 상황에서도 이와 비슷하거나 더 높은 수치를 보게 될 것입니다.
제 생각에 이 장비는 특정 용도에 적합합니다. 두 명의 환자에게 6~8L의 압력을 유지하는 데 충분히 효과적이며, 이는 기존의 비강 캐뉼라나 NIPPV보다 높은 유량을 제공하는 영역입니다. 산소 공급이 제한적인 소규모 병원에서 특히 유용하며, 만성 질환 환자에게 단기적인 응급 상황에서 의료 서비스를 제공할 수 있습니다.
환자가 분당 6리터(또는 45~55리터)의 산소를 소비하는 것입니까, 아니면 일부가 호흡을 통해 환경으로 배출되거나 손실되는 것입니까?
제 배경/경험은 건강한 사람을 위한 제한적인 생명 유지 시스템(이산화탄소를 제거하고 1인당 분당 약 2리터의 이산화탄소를 추가하는 방식)에 대한 것뿐이었는데, 이렇게 다양한 의학적 용도를 알게 되니 정말 놀랍습니다!
산소호흡기를 사용하는 동안 폐가 매우 수축되기 때문에 산소를 흡입한다는 점을 기억하는 것이 중요합니다. 따라서 인체에 필요한 이론적인 양과 비교했을 때 비용이 매우 높으며, 실제로 이 치료를 받는 사람은 극히 드뭅니다.
발언자가 설계자인지는 모르겠지만, 그의 설명과는 일치하지 않습니다. 분자체와 제올라이트는 질소(N2)를 포집하는 것이 아니라 산소(O2)를 포집합니다. 질소를 포집하려면 질소 흡수제가 필요한데, 이는 완전히 다른 종류의 장치입니다. 분자체는 압력을 가해 산소를 포집하는 반면 질소는 계속 통과시킵니다. 압력을 해제하고 그 압력을 이용해 질소를 다른 컬럼에 배출할 때, 질소로 질소를 제거하려는 것은 말이 안 되기 때문에 이 설명은 정확할 것입니다. 이것은 압력 스윙 흡착 장치(PSA)이며, 산소를 포집하는 방식으로 작동합니다. 더 높은 압력과 더 큰 실린더를 사용하면 효율이 높아집니다(실린더 4개를 사용하면 최대 85%의 효율을 얻을 수 있습니다). 이것은 산소를 응축시키기는 하지만, 그가 말한 방식(또는 기사에서 설명한 방식)과는 다릅니다.
요청된 정보 출처를 반드시 제공해야 합니다. 왜냐하면 13X 및 5A 제올라이트 분자체에 N2가 확실히 흡착되기 때문입니다. http://www.phys.ufl.edu/REU/2008/reports/magee.pdf
위키피디아의 PSA 문서에서도 제올라이트가 질소를 흡수한다는 사실을 확인할 수 있습니다. https://en.wikipedia.org/wiki/Pressure_swing_adsorption#Process
"하지만 시중에서 파는 제품보다 훨씬 저렴합니다." 자재 명세서(BOM) 가격이 1,000달러를 넘는다는 점을 고려하면 이 주장을 뒷받침하기는 어렵습니다. 가정용(휴대용이 아닌) 시중 산소 농축기의 자재 명세서 가격은 3분의 1 수준이며, 구하기도 쉽고 설치에 인력도 필요하지 않습니다. 17LPM이 멋지다는 건 알지만, 병원 밖에서는 그런 높은 유량을 요구하는 사람은 없을 겁니다. 그런 요구를 하는 사람은 곧 퇴원하거나 인공호흡기를 착용해야 할 가능성이 높습니다.
네, 멋진 프로젝트이긴 하지만 비용 효율성은 어느 정도 미미합니다. 호주에서 새로운 10리터/분 장비는 약 1,500 호주 달러 정도입니다. 1,000 호주 달러를 미국 달러로 가정하면, 이는 새 장비 구매 비용을 줄여주는 효과가 있습니다.
팬데믹 이전에 이베이에서 유량 1.5리터/분, 성능 98%짜리 제품을 160파운드 정도에 샀었는데, 이 제품보다 훨씬 조용했어요! 덕분에 정말 푹 잘 수 있었죠.
하지만 솔직히 말해서, 이건 엄청난 노력이 필요한 일입니다. 소음과 폭발 위험을 피하려면 긴 배관 옆 방에 설치해야 합니다…
귀사 제품을 보호 환경이나 용접 작업에서 거의 순수한 질소 공급원으로 사용할 수 있는지 알고 싶습니다.
질소 주입 타이어는 어떨까요? 이 서비스에 부과되는 비용을 고려해 볼 때, 질소는 상당히 비쌀 것 같습니다…
다음 단계는 흥미로울 수 있습니다. 이 농축기의 출력물을 얻어 95% O2 + 5% Ar 혼합물을 분리하는 것입니다. 이는 PSA 시스템에서 CMS 분자체를 이용한 동역학적 분리를 통해 가능합니다. 그런 다음 150 bar 펌프를 설치하여 아르곤 실린더를 채웁니다.
이제 집에서 린데 과정을 실행해줄 사람만 있으면 진짜 폭발적인 재미를 만끽할 수 있습니다.
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