KR100376759B1 - 산소 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체산소 함유 조성물로부터 산소를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명의 고체산소 함유 조성물은 나트륨 퍼클로레이트 70-80중량%; 실리콘 1.0-2.5중량%; 나트륨 디옥사이드(NaO₂) 및/또는 나트륨 퍼옥사이드(Na₂O₂)가 나머지 비율로 조성된다.

본 발명의 열화학적 산소 발생장치는 고체산소 엘레멘트를 수납하기 위한 엘레멘트실과, 상기 엘레멘트를 가열하여 반응을 개시시키기 위한 히터, 생성된 산소를 냉각시키는 냉각기, 냉각된 산소에서 수분을 제거해주는 흡수제 층 및 보관탱크로 구성된다. 또한, 보조수단으로서 엘레멘트실 보호케이스와 압력측정 게이지, 압력조절 밸브를 갖춘 배관시스템이 상기 엘레멘트실과 산소저장탱크 및 사용자를 연결하는 수단으로 설치된다.

Description

산소 발생장치{OXYGEN GENERATOR}

본 발명은 고체산소 함유 조성물로부터 산소를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 좀더 상세하게는 고체산소를 함유하고 있는 과산화물을 열화학적으로 분해시켜서 산소를 공업적으로 제조할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것이다.

산소는 수술 또는 치료용 호흡장구와 같은 의료목적이나 살균목적 또는 용접이나 화학공장 등에서 산업적 목적으로 사용되는 중요한 소재의 하나이다. 산소를 이와 같은 목적에 사용하기 위해서는 통상 공기중의 질소와 산소를 분리하는 공중질소 고정법에 의해 제조하고 시린다에 고압으로 압축시켜서 사용하게 된다. 그러나 그 제조비용이 고가일 뿐만 아니라 보관하거나 운반하는데 많은 문제점을 안고 있다. 예컨대, 20㎏의 산소를 6㎥들이 시린다에 넣어서 운송하려면 고압에 견디기 위하여 시린다 자체의 무게를 78㎏ 이상으로 두껍게 제작하여야 한다. 따라서, 기체산소의 보관 및 운송에는 많은 전기에너지 및 물류비용이 들뿐 아니라 충격이나 고온에 폭발할 위험성이 상존하게 된다. 이러한 문제점들을 해결할 수 있는 방법으로는 고체산소 함유 화합물로부터 필요할 때에 산소를 발생시켜 사용하는 방법이 있다.

본 발명자의 미합중국특허 제5,733,508호에서는 고체산소 함유 화합물을 조개탄처럼 찍어서 만든 고형물에 홈을 뚫어서 히터를 홈에 위치시키고 가열하면 산소가 분리되어 나오는데, 이를 포집하여 산소원으로 사용하는 방법을 공개하고 있다. 상기 종래 기술에서 사용하는 고체산소 함유 화합물의 조성은 마그네슘 퍼클로레이트 40중량%, 소디움 퍼클로레이트 10중량%, 소디움 디옥사이드 및/또는 소디움 퍼옥사이드 40중량%, 실리콘 디옥사이드 9.9중량%, 염화코발트0.1중량%로 구성된조성물로 되어 있다.

그러나, 상기 선 기술특허 조성물의 경우는 산소분해반응이 폭발적으로 일어나서 너무나 급속도로 진행하므로 산소의 발생이 일순간에 치우쳐서 그 발생량을 조절할 수 없다는 단점이 있다. 따라서, 상기 선 기술특허는 장기간에 걸쳐 안정적인 산소의 공급을 요하는 의료분야나 화학연구분야에서의 사용에 제약이 있고, 산소 발생장치 자체도 폭발을 방지하기 위해 복잡한 구조로 되어 있는 등 기능상의 문제점을 안고 있다.

이에 본 발명자는 충분히 완만한 산소의 분해속도를 가져서 어느 분야에서나 안정적으로 장시간에 걸쳐 산소를 공급해 줄 수 있는 방법을 발견하게 되어 본 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 완만한 산소 분해속도를 갖는 고체산소 함유 조성물을 이용하여 안정적으로 장시간에 걸쳐 산소를 공급해 줄 수 있는 열화학적 산소 발생장치를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명 장치의 엘레멘트실 단면도,

도 2는 본 발명 산소 발생장치의 시스템 개략도,

도 3은 본 발명 장치의 일예를 나타내는 분해사시도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 엘레멘트실; 2: 엘레멘트; 4: 전기히터;

5: 발열봉; 9: 필터; 10: 역지밸브;

11: 수동 릴리프밸브; 16: 배관; 17: 냉각기;

18: 저장탱크; 19: 고압산소 연결구;

20: 저압산소 연결구; 22: 저압용 압력게이지;

23: 압력조절밸브; 24: 고압용 압력게이지

25: 고압산소 연결구 개폐밸브 25': 저압산소 연결구 개폐밸브

본 발명의 고체산소 함유 조성물은 아래와 같은 구성을 갖는다:

나트륨 퍼클로레이트(NaClO₄) 70-80중량%;

실리콘(Si) 1.0-2.5중량%;

나트륨 디옥사이드(NaO₂) 및/또는 나트륨 퍼옥사이드(Na₂O₂) 나머지 비율; 좋기로는 17.5-29중량% 이다.

상기 실리콘 대신 이산화 실리콘을 2.0-5.0중량% 사용할 수도 있다. 이때 나트륨 디옥사이드(NaO₂) 및/또는 나트륨 퍼옥사이드(Na₂O₂) 함량은 15-28중량%가 된다.

상기 고체산소 조성물을 사용하기 위해서는 분말을 압착하여 연탄모양의 형태로 찍어서 원통형의 탄 모양(이하 '엘레멘트'라 함)으로 만들어 사용하게 되는데, 고체산소 엘레멘트 밑면 중앙에는 봉형 전기히터가 들어갈 수 있도록 홈이 파여져 있으며, 엘레멘트 표면은 금속띠 또는 금속박막을 엣지가 겹치도록 나선형 또는 횡으로 감아서 표면을 보호하게 되고, 발생된 산소는 금속띠 또는 금속박막의 겹쳐진 사이로 나온다.

본 발명의 열화학적 산소 발생장치는 고체산소 엘레멘트를 수납하기 위한 엘레멘트실과, 상기 엘레멘트를 가열하여 반응을 개시시키기 위한 히터, 생성된 산소를 냉각시키는 냉각기, 냉각된 산소에서 수분을 제거해주는 흡수제 층 및 보관탱크로 구성된다. 또한, 보조수단으로서 엘레멘트실 보호케이스와 압력측정 게이지, 압력 조절밸브를 갖춘 배관시스템이 상기 엘레멘트실과 산소저장탱크 및 사용자를 연결하는 수단으로 설치된다. 이하 본 발명을 도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명 장치의 엘레멘트실(1)의 단면도, 도 2는 본 발명 산소 발생장치의 시스템 개략도로서, 원통형의 고체산소 엘레멘트(2)는 스테인레스 케이스로제조된 원통형 엘레멘트실(1)에 수납되는데, 엘레멘트실(1) 하부에는 나사가 형성되어 있다. 엘레멘트(2)의 저면 중앙부에는 홈(3)이 파여 있어서 전기히터(4)의 발열봉(5)이 홈(3)속에 위치하도록 되어있다. 전기히터(4)의 표면은 방수재질의 열전도율이 높은 금속으로 처리되고, 몸체는 방열체(radiator)로 되어있어 과열을 줄이도록 설계되어 있으며, 발생된 산소를 통과시키기 위한 구멍(7)이 뚫려 있어서 배관(16)과 연결된다. 상기 전기히터(4)의 몸체외부에는 또한 나사가 형성되어 있어서 엘레멘트실(1)과 나사식으로 결합되어 밀폐된다. 엘레멘트(2)의 표면은 알루미늄 금속띠 또는 금속박막을 사용하여 나선형 또는 횡형으로 엣지가 겹치도록 감으면, 엘레멘트(2)가 잘 보호되어 저장 및 운송과 교체가 용이하다. 발생된 산소는 겹쳐진 금속박막 사이로 나와서 전기히터(4)의 몸체의 구멍(7)에 연결된 배관(16)으로 포집된다. 상기 배관(16)의 연결부속에는 필터(9), 산소의 역류를 막기 위한 역지밸브(10)가 설치되고, 수동 릴리프밸브(11), 압력이 150kg/㎠ 이상이 되면 안전을 위하여 자동으로 작동되는 안전밸브(12)가 일체로 설치되어 있으며, 고압용 압력게이지(24), 냉각기(17), 냉각중에 생성된 수분을 흡수하기 위해 배관속에 착설된 제올라이트 흡수포(15)가 차례로 설치되어 있고, 산소 저장탱크(18)가 연결되고, 이어서 고압 산소 사용자의 장치에 연결하여 사용할 수 있도록 된 고압산소 연결구 개폐밸브(25) 및 고압산소 연결구(19), 고압 산소를 저압으로 만들기 위한 압력조절밸브(23), 저압용 압력게이지(22), 저압산소 연결구 개폐밸브(25') 및 저압산소 연결구(20)로 구성된 배관시스템으로 이루어져 있다. 히터는 전기적인 방식 외에 화학적인 방식, 화약방식의 히터가 사용될 수도 있다. 미 설명부호 14는 외부케이스로서 표면에는 다수개의 구멍이 뚫려 있으며 반 원통형을 하고 있어서 뜨거워진 엘레멘트실(1)을 보호하며 실수로 인한 화상을 방지한다.

이렇게 구성된 본 발명 산소 발생장치는 전기히터(4)로부터 엘레멘트(2)로 열이 전달되어 반응온도까지 상승하면 열분해가 시작된다. 열분해가 시작되면 산소가 발생하게 되는데, 산소 함유 조성물의 열분해 반응은 엘레멘트(2)가 전기히터(4)의 발열봉(5)과 접촉한 부분인 홈(3)에서부터 시작하여 엘레멘트(2)의 외부표면까지 일어나는 화학반응 영역이 이동해 가는 속도에 의해 결정되는데, 그 시간은 엘레멘트(2)의 크기와 내용물의 양에 의해 달라진다. 예를 들어, 외형이 원통형이고 직경이 30mm, 높이가 300mm이며, 250g의 무게를 갖는, 중량대비 70%의 나트륨 퍼클로레이트(NaClO₄), 2.0%의 규소, 28%의 나트륨 퍼옥사이드(Na₂O₂)로 구성된 산소 함유 조성물은 분당 9.5mm의 속도로 반응하며, 발생하는 산소의 양은 82ℓ가 된다.

도 3은 본 발명 장치의 일예를 나타내는 분해사시도로서, 장치의 전면에는 엘레멘트실(1) 2개가 양쪽에 설치되어 있고, 중앙에는 게이지 패널(30)이 설치되어 있으며, 후면내부(도시 안됨)에는 필터(9), 흡수포(15) 등이 설치된 배관과 냉각기(17), 산소 저장탱크(18)가 설치되어 있다. 2개의 엘레멘트실을 설치하는 이유는 장치를 운전 중에 반응이 완료된 고체산소 엘레멘트를 쉽게 교환할 수 있도록 하기 위함이며, 또 교환중에 산소공급이 중단되는 것을 예방할 수가 있다. 고체산소 엘레멘트를 여러 개 설치하면 산소 발생속도를 임의로 조절하는 것이 가능한데,중요한 것은 이들 고체산소 엘레멘트의 설치 높이가 동일해야 한다는 것이다.

상기 게이지 패널(30)에는 위에서부터 수동 릴리프밸브(11, 11'), 저압용 압력게이지(22), 고압용 압력게이지(24), 고압산소 연결구 개폐밸브(25), 저압산소 연결구 개폐밸브(25'), 저압경보등(26'), 히터 작동표시등(26), 경보음 정지스위치(27'), 엘레멘트 가열에 사용되는 히터 선택스위치(28), 히터 온/오프스위치(27), 고압산소 연결구(19) 및 저압산소 연결구(20)가 설치되어 있다.

이렇게 구성된 본 발명 장치는 우선 고체산소 엘레멘트(2)를 전기히터(4)위에 올려놓고, 엘레멘트실(1)을 돌려서 나사결합한 후, 히터 선택스위치(28)를 먼저 반응시킬 엘레멘트 쪽으로 절환하고, 히터 스위치(27)를 켜면, 작동램프(26)에 불이 들어오고 전기히터(4)가 작동하여 엘레멘트(2)에 열을 가하기 시작한다. 어느 정도(약 5-7분) 가열하면 반응온도 이상으로 엘레멘트(2)의 온도가 올라가는데, 이때부터 산소가 엘레먼트(2)로부터 분해되어 발생하기 시작하고 일단 반응이 시작되면 발열반응이므로 열이 생성되어 전기히터(4) 및 작동램프(26)는 자동적으로 꺼진다. 그러면 히터 스위치(27)를 끈다. 이후 약 20분에서 25분 정도 엘레멘트 내의 조성물이 반응하여 산소를 발생시킨다. 발생된 산소는 냉각기(17)를 거쳐 냉각되며, 저장탱크(18)에 저장되거나, 고압산소 연결구(19) 또는 저압산소 연결구(20)를 통해 사용자에게 공급된다. 이때 사용하려고 하는 연결구의 개폐밸브(25, 25')를 열어 사용한다. 산소를 사용하는 도중에 압력이 일정수준 이하로 떨어지면, 저압 경보등(26')에 불이 들어오며, 경고음을 발생한다. 이때 사용하지 않은 엘레멘트쪽으로 히터 선택스위치(28)를 절환하고, 히터 스위치(27)를 켠다. 이후는 이전 엘레멘트로부터 산소를 발생시켜 제조하는 방법과 동일하다.

이때 반응이 완료된 엘레멘트실(1)은 고압용 압력게이지(24)에 표시된 압력과 같은 고압의 산소가 압축되어 있어 엘레멘트(2)를 교환시 그대로 열면 위험하므로 수동 릴리프밸브(11)를 열어 엘레멘트실(1) 내에 있는 산소를 배출시켜야 한다. 이렇게 엘레멘트실(1) 내의 압력을 대기압과 같게 한 후에 엘레멘트실(1)을 열고 엘레멘트(2)를 교체한다. 이때, 역지밸브(10)는 저장탱크(18)에 저장되어 있는 산소가 역으로 압력이 떨어진 엘레멘트실(1) 내부로 역류하는 것을 방지해준다. 이와 같이 엘레멘트를 교체한 후에는 상기 방법으로 연속적으로 산소를 발생시킬 수가 있다.

이상과 같이 본 발명에 의한 고체산소 함유 조성물 및 산소 발생장치는 종래의 산소 발생장치에 비하여 산소 발생속도가 완만하게 이루어지므로 취급이 용이하고, 엘레멘트의 모양과 크기에 따라 산소의 생성속도를 임의로 조절할 수가 있으며, 급격한 분해에 의한 문제점을 해결하여 안정적으로 산소를 공급하게 하는 효과가 있다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 하부에 나사가 형성되고, 고체산소 조성물로 된 엘레멘트(2)를 수납하기 위한, 원통형 스테인레스 케이스의 엘레멘트실(1); 상기 엘레멘트(2)의 저면 중앙부의 홈(3)에 삽입하도록 된 발열봉(5)을 가지며, 몸체에는 발생된 산소를 통과시키기 위한 구멍(7)이 뚫려 있어서 배관(16)과 연결되고, 몸체외부로는 나사가 설치되어 있어서 상기 엘레멘트실(1)과 나사식으로 밀폐결합을 하도록 된 전기히터(4); 상기 전기히터(4)에 연결되고, 그 연결부로부터 필터(9), 산소의 역류를 막기 위한 역지밸브(10), 수동 릴리프밸브(11), 안전밸브(12), 고압용 압력게이지(24), 냉각기(17), 제올라이트 흡수포(15), 산소 저장탱크(18), 고압산소 연결구 개폐밸브(25), 고압산소 연결구(19), 압력 조절밸브(23), 저압용 압력게이지(22), 저압산소 연결구 개폐밸브(25'), 저압산소 연결구(20)가 차례로 설치 부착된 배관시스템으로 구성됨을 특징으로 하는 산소 발생장치.
5. 제 4항에 있어서, 상기 엘레멘트실(1)은 2개가 설치되어 있음을 특징으로 하는 산소 발생장치.
6. 제 4항에 있어서, 상기 전기히터(4)의 표면은 방수재질의 열전도율이 높은 금속으로 처리되고, 하부는 방열체로 되어있어 과열을 줄이도록 설계되어 있음을 특징으로 하는 산소 발생장치.
7. 제 4항에 있어서, 상기 안전밸브(12)는 압력이 150kg/㎠ 이상에서 작동하도록 되어있음을 특징으로 하는 산소 발생장치.
8. 제 4항에 있어서, 상기 제올라이트 흡수포(15)는 냉각기(17) 다음의 배관속에 설치함을 특징으로 하는 산소 발생장치.
9. 제 4항에 있어서, 상기 엘레멘트실(1)은 표면에 다수개의 구멍이 뚫려 있는 반 원통형의 외부케이스(14)로 보호됨을 특징으로 하는 산소 발생장치.