KR100817696B1

KR100817696B1 - 가스 흐름 격리 장치와, 소비 가스 격리 장치 및 신규 가스 흐름 격리 장치의 조합체

Info

Publication number: KR100817696B1
Application number: KR1020060124114A
Authority: KR
Inventors: 마이클 프랜시스 캐롤란; 존 알버트 쿡; 마이클 데이빗 부진스키
Original assignee: 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2008-03-27
Also published as: US20070125425A1; AU2006246527A1; JP2007152348A; AU2006246527B2; EA200602064A2; CN1978033B; US7703472B2; KR20070060043A; CA2569936A1; EP1795252A1; CN1978033A; EA012248B1; EA200602064A3

Abstract

본 발명에 따른 가스 흐름 격리 장치는, 개방 상태로부터 폐쇄 상태로 이동 가능한 가스 흐름 격리 밸브를 포함한다. 일 실시예의 모듈 격리 밸브는 모듈 격리 밸브가 개방 상태에 놓일 때 가스의 흐름과 유통하는 파열판을 포함한다. 이 파열판은 예정된 압력차가 파열판을 가로질러 발생할 때 파열하고, 이로 인해 모듈 격리 밸브를 폐쇄시킨다. 일 실시예에서, 파열판이 손상되지 않았을 때 밸브를 개방 상태로 유지하기 위해 상기 모듈 격리 밸브는 파열판에 기계적으로 링크되어 있고, 이는 파열판의 파열 시에 상기 모듈 격리 밸브가 폐쇄 위치로 이동하는 것을 허용한다. 다른 실시예에서, 크러셔블 부재가 상기 모듈 격리 밸브를 개방 상태로 유지시키고, 파열판의 파열 시에 상기 모듈 격리 밸브를 통과한 가스의 흐름이 크러셔블 부재를 압축시켜 모듈 격리 밸브를 폐쇄시킨다.

Description

가스 흐름 격리 장치와, 소비 가스 격리 장치 및 신규 가스 흐름 격리 장치의 조합체{GAS FLOW ISOLATION DEVICE, AND COMBINATION OF SPENT GAS ISOLATION DEVICE AND FRESH GAS ISOLATION DEVICE}

도 1은 본 발명에 따른 모듈 격리 장치의 일 실시예의 개략도.

도 2는 본 발명에 따른 모듈 격리 장치의 변형례의 개략도.

도 3은 본 발명에 따른 모듈 격리 장치의 다른 실시예의 개략도.

도 4는 도 1에 예시된 것과 유사하지만, 더 바람직한 밸브 시스템을 이용하는 모듈 격리 장치의 개략도.

도 5는 도 2에 예시된 것과 유사하지만, 도 4에 예시된 더 바람직한 밸브 시스템을 이용하는 모듈 격리 장치의 개략도.

도 6은 도 3에 예시된 것과 유사하지만, 도 4에 예시된 더 바람직한 밸브 시스템을 이용하는 모듈 격리 장치의 개략도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 모듈 격리 장치

12 : ITM 산소 모듈

22 : 입구 통로

26 : 출구 통로

28 : 흐름 제한 오리피스

30 : 산소 수집 헤더

40 : 모듈 격리 밸브

42 : 밸브 시트

44 : 밸브 스템

46 : 밸브 부재

48 : 파열판

56 : 저압 헤더

본 발명은 하나의 모듈로부터 하나 이상의 공통 헤더를 통해 결합된 하나 이상의 다른 모듈로의 가스 흐름을 격리시키기 위한 모듈 격리 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 산소 함유 가스(예컨대, 공기)로부터 순수 산소를 발생시키기 위해 또는 합성 가스(종종 본원에서는 "syngas"라고 함)를 발생시키기 위해 특별히 설계된 이온 수송막(ITM) 모듈용 격리 장치에 관한 것이다.

산소 함유 가스로부터 산소를 분리하기 위해 또는 합성 가스를 발생시키기 위해 ITM 모듈을 사용하는 것은 당업계에 잘 알려져 있다. ITM 산소 모듈을 개시하고 있는 대표적인 특허로는 테일러 등의 미국 특허 제5,681,373호가 있으며, 이 특허는 본원의 출원인에게 양도된 것이다. 상기 테일러 등의 '373호 특허는 그 내용 전체가 본원에 참조로 인용되어 있다.

ITM 합성 가스 모듈을 개시하고 있는 대표적인 특허 출원으로는 캐롤란 등의 출원 공개 US 20040186018호가 있으며, 이 출원은 본원의 출원인에게 양도된 것이다. 상기 캐롤란 등의 '018호 출원은 그 내용 전체가 본원에 참조로 인용되어 있다.

ITM 산소 및 합성 가스 모듈은 대개 고온에서 작동하는 세라믹 막이다. 이들 세라믹 막은 막의 일측에 고압의 공정 가스가 위치하고 막의 타측에 저압의 공정 가스가 위치하는 상태로 작동한다. 일반적인 구성에 있어서, 복수 개의 막 모듈은 모듈의 저압 가스 측에 위치하는 공통의 헤더 상에 직렬 및 병렬로 함께 집합되어 있다.

산소 함유 가스로부터 산소를 분리하기 위한 ITM 산소 모듈에 있어서, 산소 함유 가스는 압력을 받아 모듈의 통로를 통과하도록 안내되어, 모듈을 구성하는 복수 개의 막의 농후한 혼합 전도성 산화물층에 접촉한다. 산소 함유 가스로부터 산소를 분리시키는 원동력은 상기 복수 개의 막의 농후한 혼합 전도성 산화물층의 양측에 산소 분압의 차를 형성하는 것에 의해 제공되며, 그 후 산소 함유 가스로부터 제거된 산소는 대개 복수 개의 ITM 모듈에 연통되어 있는 생산물 헤더 밖으로 안내된다.

ITM 모듈이 합성 가스의 생산에 사용되는 경우, ITM 모듈은 대개 700 내지 900 ℃ 범위의 온도까지 가열되고, ITM 합성 가스 모듈과 연통되어 있는 파이프 내측 공기의 공정 온도는 대개 동일한 작동 온도의 상태이다. 합성 가스의 생산 시에, 메탄, 천연 가스, 에탄 등과 같은 경질 탄화수소, 혹은 당업계에 공지된 그 밖의 이용 가능한 경질 탄화수소 혼합물을 대개 포함하는 원료가, ITM 모듈의 막 사 이에 있는 통로 안으로 도입된다. 산소 함유 가스가 모듈의 여러 막의 내부 지지층에 도입되며, 이 경우 산소가 각 막의 농후한 외측 혼합 전도성 산화물층을 통해 스며들어 경질 탄화수소와 결합하고 합성 가스를 형성한다.

개개의 막 모듈에 손상이 발생할 경우, 고압 공정 가스가 파손부 또는 손상부를 통해 저압 공정 가스에 유입될 것이다. ITM 산소 모듈의 경우, 이러한 손상은 스며든 산소의 순도에 있어서 손실을 초래한다. ITM 합성 가스 모듈의 경우, 이러한 손상에 의해 합성 가스가 공기 공급원과 직접 혼합하게 되며, 이는 안정성에 위험을 미칠 우려가 있는 요소이다. 또한, 이러한 손상은 공급 공기를 다른 모듈을 향하도록 후방에서 압박할 수 있고, 공기의 흐름 또는 분배를 방해할 수 있으며, 또한 생산된 합성 가스의 손실을 초래할 수 있다.

전술한 설명으로부터, 손상된 개개의 모듈을, 하나 이상의 공통 헤더를 매개로 하여 손상된 모듈과 상호 연결되어 있는 나머지 모듈로부터 격리시킬 수 있는 장치 또는 시스템에 대한 요구가 있다는 것이 명백하다. 이러한 격리 장치 또는 시스템은 고온 상태의 공정 용기 내부에서 작동될 수 있어야 하고, 신뢰 가능하여야 하며, 바람직하게는 저렴하게 구성되어야 한다. ITM 모듈과 함께 사용하는 차단 또는 격리 밸브가 당업계에 공지되어 있다. 이러한 밸브는 이들 밸브를 폐쇄하기 위한 액추에이터를 필요로 하고, 이러한 액추에이터는 대개 과압 신호에 의해 트리거되는 공압 또는 전기 솔레노이드이다. 이러한 액추에이터는 ITM 반응기 용기의 내부에 있어서의 고온 작업을 위해 설계되어 있지는 않다. 또한, 보다 저렴한 장치가 유리할 것이다. 이와 관련하여, 순수 기계적인 액추에이터가 비용 및 신뢰성의 관점에서 공압 또는 전기 솔레노이드를 사용하는 것에 비해 이점을 갖는 것으로 고려된다.

모듈 격리 장치 또는 시스템의 사용은, 생산물의 순도를 보존시켜줄 것이며, 또한 개개의 모듈이 손상되었을 때 생산물의 순도, 안전성, 또는 운용성을 조정하지 않는 일 없이 ITM 산소 혹은 합성 가스 반응기가 계속 작동하는 것을 허용한다.

본 발명에 의해 해결되는 문제는, 가스의 압력이 소정값을 초과할 때 손상된 ITM 모듈로부터 야기되는 가스의 흐름을 막는 것과 관련이 있다. 임의의 액추에이터를 포함하는 장치는, 고온 상태에서 작동할 수 있어야 하고, 정상 작동 중에 가스가 장치를 통해 소정의 허용 가능한 제한 양으로 흐르는 것을 신뢰 가능하게 허용하여야 한다.

압력 변환기로부터의 과압 신호에 응답하여 작동되는 밸브를 사용하는 통상의 기술은 본 발명과 동일한 기능을 달성할 수 있지만, 설비의 복잡성이 크게 증대된다. 각 모듈은 압력이 증가된 곳이 있는가를 검출하기 위해 별도의 압력 변환기를 필요로 할 것이다. 또한, 각 모듈은 구동 밸브를 필요로 할 것이다. 이 구동 밸브는 각 공압 액추에이터에 공압 라인을 마련하거나 또는 각 전기 액추에이터에 전력 라인을 마련하는 것을 포함할 수 있다. 또한, 각 액추에이터의 논리 제어를 수행하기 위한 하드웨어도 필요할 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 채용되는 것과 같은 ITM 반응기의 경우, 라인 및 설비의 개수와 복잡성이 상당하다.

미국 특허 제6,131,599호에는 파열판에 의해 제어되고 기계적으로 작동되는 감압 밸브 조립체가 개시되어 있다. '599호 특허의 도 5에 예시된 실시예에서, 압력 응답형 피스톤(212)을 가로지르는 과잉의 압력 강하가 파열판(204)을 통해 작동 로드(216)를 밀고, 이에 의해 입구(188)와 출구(190) 사이의 흐름을 차단한다. '599호 특허의 도 5에 예시된 실시예에서 파열판은 공정 유체와 유통하지 않는다는 점을 유의하라. 이를 다른 방식으로 말하면, 상기 공정 유체는, 가스의 흐름 또는 압력을 어떤 형태로도 파열판의 표면에 직접 인가하는 일 없이, 입구에서 출구로 유동한다. '599호 특허의 장치가 피스톤을 가로지르는 압력의 차에 의해 작동된다는 사실을 고려해 보면, 이 장치는 장치를 통과하는 과잉 유동에 대해서만 응답한다. 다시 말하면, 가스 유동의 증가에 의해 압력이 동반 상승하지 않는다면, 상기 장치 내에서 높은 압력은 검출되지 않는다. 작동 유체의 조성, 유체의 속도, 유체의 점성 및 유체의 밀도 등과 같은 장치의 작동 조건에 따라, 상기 장치를 가로지르는 압력의 차가 결정된다. 따라서, 상기 장치의 작동 조건을 변경하면 장치를 가로지르는 압력의 차가 변화되고, 그에 따라 파열판이 파열되어 가스의 흐름을 차단하는 유량도 변화된다. 이는 회피되어야 할 한계이며, 본 발명의 장치에서는 나타나지 않는 점이다. 후술하는 바와 같이, 본 발명의 격리 장치는, 파열판을 가로질러 소정의 과압이 걸린 상태에서는, 예컨대 장치의 입구 및 출구가 격리되어 있는 경우와 같이 큰 흐름이 없는 경우에서도, 가스의 흐름을 실제 차단한다.

'599호 특허의 도 5에 개시된 장치의 다른 단점은, 하우징의 외측에 배치되는 액추에이터 기구 및 밸브 시트를 이용하여 작동되도록만 설계되어 있다는 점이다. 이러한 장치는 ITM 합성 가스 모듈의 공기 입구에서 작동할 수 없다. ITM 합 성 가스 모듈이 손상된 경우에는, 모듈 내의 압력이 공급 공기의 압력에 비해 높기 때문에, 출구 레그에서의 흐름은 증가하지만, 입구 레그에서의 흐름은 정지하거나 역전될 것이다. '599호 특허의 도 5에 개시된 장치에 있어서 흐름의 역전이 밸브(212)를 개방 상태로 유지되도록 강제할 것이며, 파열판에는 어떠한 힘도 인가하지 않을 것이다. 본 발명은 밸브 시트가 정상 흐름 방향의 입구측 또는 출구측에 배치되는 상태로 사용될 수 있어, 본 발명의 구조는 보다 융통성을 갖게 된다.

테일러의 미국 특허 제5,067,511호에는 고압 유체 긴급 차단 밸브가 개시되어 있다. '511호 특허의 도 3은 이 특허의 교시에 따라 실시된 대표적인 밸브의 단면을 보여준다. 구체적으로, 입구(18)의 압력은 밸브 샤프트(44)를 통해 축방향 버클링 핀(14)에 전달된다. 상기 압력이 충분히 크면, 핀(14)이 좌굴되어, 밸브 피스톤(47)이 밸브 시트(38)에 안착할 수 있게 되고, 입구 포트(18)와 출구 포트(24) 사이의 유체 흐름이 중단된다. 압력이 밸브 샤프트(44)를 따라 전달되므로, 이 밸브 샤프트의 양단부 사이의 압력차를 유지하기 위해 슬라이딩 시일(48)이 마련된다. '511호 특허에 개시된 바와 같이 버클링 핀을 사용하는 것은, 본 발명의 장치에서 파열판을 사용하는 것과 물질적으로 다르다. 또한, '511호 특허에 개시된 구성에서는 슬라이딩 시일(48)의 사용이 요구되는데, 이로 인해 본 발명의 장치에 대한 바람직한 용례인 고온 용례에 사용하기에는 부적합한 구조가 된다.

허프의 미국 특허 제4,240,458호에는 과압 차단 밸브가 개시되어 있다. '458호 특허의 도 2 및 도 3는 이 특허의 교시에 따라 실시된 대표적인 밸브의 단면을 보여준다. 쌍안정 스냅 작동 디스크인 다이어프램(24)은, 공간(20) 내의 과 압으로 인하여 다른 안정 위치로 스냅된다. 이는 밸브 샤프트(64)를 상기 도면에 있어서 상향 이동시켜, O-링(76)을 밀봉면(18)과 밀봉 결합하도록 이동시키며, 이에 의해 이 장치의 입구(14)와 출구(16) 사이의 흐름이 차단된다. '458호 특허에 개시된 구조의 주요한 단점은, 쌍안정 스냅 작동 디스크의 운동 범위가 작고, 이 디스크의 2개의 안정 위치로 제한된다는 것이다. 이로써, 밸브의 운동 범위가 제한되고, 그에 따라 완전 개방 위치로의 밸브의 개방이 제한된다. 또한, O-링의 마모는 밸브 샤프트(64)의 추가적인 축방향 이동에 의해 전혀 보상될 수 없다. 본 발명의 모듈 격리 장치에 채용된 격리 밸브는 이러한 바람직하지 못한 운동 범위의 제한을 갖지 않는다.

본원의 출원인과 동일 출원인에게 양도된 웨스트맨의 미국 특허 제5,810,057호에는, 이 특허의 도 1에 도시된 바와 같이 슬라이딩 피스톤(28)으로 구성된 압력 용기의 충만 방지 장치가 개시되어 있다. 포트(58)는 용기의 헤드 공간과 유통할 뿐만 아니라 파열판(90)과도 유통한다. 포트(56)는 용기의 헤드 공간과 유통한다. 용기의 헤드 공간이 과도하게 가압되는 경우, 파열판(90)은 상기 피스톤 위의 공간을 감압하는 것을 실패하여, 핀(40)에 소정의 힘이 가해지게 되고, 그 결과 핀이 손상된다. 이에 의해, 포트(22 및 24) 사이의 유통을 막도록 피스톤이 상향 미끄럼 이동하게 된다. '057호의 특허에 개시된 시스템은 피스톤 타입의 밸브를 사용하는 것을 필요로 하며, 이는 고온 조건에서 사용하기가 쉽지 않을 수 있는 슬라이딩 시일을 필요로 한다. 앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 모듈 격리 장치의 가장 바람직한 용도는 고온 조건에서 작동하는 ITM 모듈과 관련이 있다.

브라지어 등의 미국 특허 제6,484,742호에는 도 11에 예시된 바와 같이 압력 구동형 차단 밸브가 개시되어 있다. 지나치게 높은 압력이 샤프트(308)를 통해 전달되어, 핀(216)이 좌굴될 것이다. 핀(216)이 좌굴될 때, 밸브 플러그(314)는 밸브 시트(316)에 대하여 안착하여 유체의 유동을 막는다. 밸브 샤프트(308)를 이동시키기에 충분한 압력차를 발생시키려면, 이 샤프트가 밸브체(302)를 통과할 때 샤프트 주위에 양호한 압력 시일이 필요하다. 밸브 샤프트 주위에 시일을 전혀 사용할 필요가 없는 시스템, 특히 고온 용례에 사용하도록 되어 있는 시스템을 구성하는 것이 매우 바람직하다. 고온에서 작동하는 경우, '742호의 특허에 개시된 밸브 및 샤프트는 서로에 대해 구속되는 것을 방지하도록 주의를 기울여 구성되어야 한다. 별법으로서, 밀봉 영역이 지나치게 뜨거워지는 것을 방지하도록 밀봉 영역을 임의의 고온 공정 유체로부터 주의를 기울여 단열하여야 한다. 또한, (이하의 설명으로부터 명백해지는 바와 같이) 본 발명과는 달리, 좌굴이 요구되는 핀이 카트리지 조립체를 통과하는 유로와 직접적인 관련이 없다.

본 발명에 따른 가스 흐름 격리 장치 또는 시스템은, 하나의 모듈로부터 하나 이상의 공통 헤더를 통해 상기 하나의 모듈에 결합된 하나 이상의 다른 모듈로의 가스 흐름을 격리시킨다. 이러한 가스 흐름 격리 장치 또는 시스템은 입구 통로와 출구 통로를 포함하는데, 이 입구 통로는 상기 하나의 모듈로부터의 출구와 연통하여 상기 하나의 모듈로부터 가스의 흐름을 받아들이도록 되어 있다. 상기 출구 통로는 상기 하나의 모듈로부터의 가스의 흐름을 받아들이고 이 가스를 격리 장치의 밖으로, 바람직하게는 나머지 모듈에 대한 격리 장치와 연통하도록 되어 있는 출구 헤더를 향해 안내하기 위하여, 상기 입구 통로와 연통되어 있다. 선택적으로, 흐름 제한 오리피스가 마련될 수 있으며, 상기 가스의 상기 출구 헤더에서의 압력을 낮추기 위해 상기 가스가 상기 출구 헤더에 들어갈 때 상기 가스는 상기 흐름 제한 오리피스를 통과할 필요가 있다. 격리 장치 내의 가스의 압력이 예정된 레벨을 초과할 때, 입구 통로로부터 출구 통로로의 가스의 흐름을 막도록, 밸브 시스템이 개방 상태에서 폐쇄 상태로 이동될 수 있다.

본 발명의 특정 실시예에 따른 밸브 시스템은 파열판, 밸브 시트 및 밸브 스템을 이용한다. 파열판은 제1 면과 제2 면을 구비하는데, 출구가 하우징의 입구 통로와 유통하도록 위치하고 밸브 시스템이 격리 장치의 입구 통로로부터 출구 통로로의 가스의 흐름을 허용하도록 개방 상태에 있을 때, 상기 제1 면은 모듈로부터의 출구와 유통한다. 밸브 시스템이 개방 상태에 있을 때, 가스의 흐름도 또한 파열판의 제1 면에 부딪혀 이 제1 면에 압력을 인가한다. 파열판의 제2 면은 바람직한 저압으로 유지되는 챔버와 유통하고, 파열판은 예정된 압력차가 파열판을 가로질러 형성될 때 파열되도록 되어 있다. 밸브 시트는 하우징의 입구 통로와 출구 통로 사이에 배치되고, 파열판의 상류, 즉 파열판에 작용하는 가스 흐름 방향의 상류에 위치한다. 밸브 시스템의 밸브 스템은 대향하는 제1 단부와 제2 단부를 구비하는데, 제1 단부는 파열판의 제1 면과 기계적으로 링크되어 있고, 제2 단부는 밸브 부재에 커플링되어 있다. 하우징의 입구 통로로부터 출구 통로로의 가스의 흐름을 허용하도록 밸브 스템의 제1 단부가 파열판과 기계적으로 링크되어 있고 파열 판의 제1 면과 맞물려 있을 때, 밸브 부재는 밸브 시트로부터 이격되어 있다. 파열판은 파열판을 가로질러 형성되는 압력차가 예정된 값을 초과할 때에 파열되며, 이에 의해 밸브 부재는 밸브 시트에 대해 안착하게 되고, 입구 통로로부터 출구 통로로의 가스의 흐름, 또한 파열판을 통과하는 가스의 흐름을 가로막게 된다.

본 발명의 특정 실시예에 따르면, 밸브 스템은 수직 배향되고, 밸브 스템의 제1 단부는 파열판의 제1 면과 맞물려 이 제1 면에 기계적으로 링크된다. 따라서, 파열판의 파열은, 밸브 스템(관련 밸브 부재를 포함)을 중력에 의해 밸브 시트에 맞물리도록 이동시킨다. 또한, 파열판의 파열의 원인이 되는 가스 흐름은 밸브 부재를 가로질러 압력 강하를 발생시키고, 이러한 압력 강하는 밸브 부재를 밸브 시트에 대하여 안착시키는데 도움을 준다.

본 발명의 특정 실시예에서, 바람직한 저압으로 유지되고 파열판의 제2 면과 연통되어 있는 챔버는, 출구 헤더에서 유동하는 저압 생산물 가스와 유통하도록 유지된다.

본 발명의 특정 실시예에서, 바람직한 저압으로 유지되고 파열판의 제2 면과 연통되어 있는 챔버는, 그 내부에 별도의 저압 가스를 채용함으로써 상기 바람직한 저압으로 유지된다. 후자의 실시예에서는, 파열판의 파열 시에 폐쇄되는 체크 밸브를 포함하는 것이 바람직하며, 이에 의해 상기 챔버 내의 저압 가스가 출구 헤더에 들어가서 이 출구 헤더 내의 생산물 가스를 오염시키는 것이 방지된다.

본 발명의 특정의 바람직한 실시예에서, 모듈은 산소 함유 가스(예컨대, 공기)로부터 산소를 분리시키고 정화된 산소를 격리 장치의 입구 통로 안으로, 그리 고 그 후에 후속 수집 및 사용을 위하여 출구 통로를 통해 출구 헤더 안으로 안내하기 위한 이온 수송막(ITM) 모듈이다.

본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 모듈은 합성 가스를 생성하기 위한 ITM 모듈이며, 모듈 격리 장치의 입구 통로는 모듈을 빠져나가는 소비 산소 함유 가스와 유통한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 모듈은 합성 가스를 생성하기 위한 ITM 모듈이며, 산소 함유 가스[즉, 신규 공급 가스(예컨대, 공기)]를 모듈로 안내하기 위해 제2 격리 장치가 마련된다. 모듈의 막의 농후층을 투과하는 산소는 적절한 원료, 예컨대 메탄이나 그 밖의 저급 탄화수소 가스에 접촉하여 합성 가스를 형성하거나 생성한다. ITM 합성 가스 모듈로부터의 출구는 소비 가스(즉, 산소를 원료에 넘긴 이후에 남은 가스)를 제1 격리 장치(즉, 사용된 가스의 격리 장치)의 입구에 전달하고, 이 장치 내부의 밸브 시스템이 개방 상태일 때 제1 소비 가스 격리 장치의 입구 통로로부터 이 장치의 출구 통로로 안내되는 것이 상기 소비 가스이다. 제2 가스 혹은 신규 가스 격리 장치는 상기 소비 가스 격리 장치에 채용된 것과 매우 유사한 밸브 시스템을 채용하며, 상기 제2 격리 장치는 합성 가스가 신규 공급 가스를 향해 역류하는 것을 방지하기 위해 모듈의 손상 시에 폐쇄되도록 되어 있다. 유사한 방식으로, 상기 소비 가스 격리 장치의 밸브 시스템은 합성 가스가 소비 가스와 혼합되어 소비 가스 격리 장치의 출구 통로의 밖으로 안내되는 것을 방지하기 위해 ITM 모듈의 손상 시에 폐쇄되도록 되어 있다.

본 발명의 특정 실시예에서, 신규 가스 격리 장치 내의 밸브는 파열판을 포 함하고, 이 파열판은 신규 격리 장치 내의 밸브 시스템이 개방 상태일 때 ITM 모듈의 산소 함유 가스 입구 및 신규 가스 격리 장치의 신규 가스 출구 통로와 유통하는 제1 면을 갖는다. 후자의 상태에서, 임의의 합성 가스가 ITM 모듈로부터 역류하는 것에 기인하는 배압은, 신규 가스 격리 장치 내에 있는 파열판의 제1 면에 직접 인가된다. 신규 가스 격리 장치의 파열판의 제2 면은 바람직한 저압으로 유지되는 챔버와 유통하며, 상기 배압이 예정된 압력 레벨을 초과할 때, 즉 파열판을 가로지르는 압력 강하가 예정된 레벨을 초과할 때, 상기 파열판은 파열되도록 되어 있다.

본 발명의 특정 실시예에서, 신규 가스 격리 장치 내의 밸브 조립체는 제1 혹은 소비 가스 격리 장치에 채용된 것과 유사한 밸브 시트 및 밸브 스템을 포함한다. 즉, 상기 밸브 스템은 대향하는 제1 단부와 제2 단부를 구비하고, 제1 단부는 파열판의 제1 면과 기계적으로, 바람직하게는 상기 제1 면과 맞물려서 링크되어 있으며, 제2 단부는 밸브 부재에 커플링되어 있다. 손상된 모듈로부터 합성 가스가 역류하는 것으로 인하여, 파열판을 가로질러 형성된 압력차가 예정값을 초과할 때, 파열판은 고장나고, 이에 의해 밸브 부재는, 모듈로부터의 합성 가스의 유동으로 인하여 밸브 부재를 가로질러 형성된 압력 강하에 의해 밸브 부재에 인가되는 힘과, 중력에 의하여 밸브 시트에 대해 안착하게 된다.

본 발명의 특정 실시예에 따르면, 흐름 제한기(예컨대, 흐름 제한 오리피스)가 신규 가스 격리 장치의 신규 가스 입구 통로와 소비 가스 격리 장치의 소비 가스 출구 통로에 마련될 수 있다. 이러한 흐름 제한기가 채용된 경우, 신규 가스 입구 통로와 연통하는 신규 가스 헤더 또는 소비 가스 격리 장치의 소비 가스 출구 통로와 연통하는 소비 가스 헤더는, 각 신규 가스 격리 장치 및 소비 가스 격리 장치의 파열판의 제2 면과 연통하는 저압의 챔버 또는 헤더로서 이용될 수 있다.

필요에 따라, 신규 가스 격리 장치 및 소비 가스 격리 장치 양자 모두에 있어서의 파열판의 제2 면과 연통하는 저압 챔버는, 신규 가스 격리 장치 안으로 유입되는 신규 가스와 소비 가스 격리 장치로부터 빠져나가는 소비 가스로부터 각각 완전히 격리되어 있는 저압 가스와 연통할 수 있다. 신규 가스 공급 헤더가 신규 가스 격리 장치에 있는 파열판의 제2 면과 연통하는 저압 헤더를 구성하지 않는 경우, 고장난 ITM 모듈로의 신규 가스 공급이 파열판을 통해 저압 헤더를 지나게 되는 것을 방지하기 위해, 체크 밸브가 필요할 것이다. 유사한 방식으로, 소비 가스 헤더가 저압 헤더를 구성하지 않는 경우, 소비 가스 헤더로부터의 소비 가스가 파열판을 통해 저압 헤더를 지나게 되는 것을 방지하기 위해, 체크 밸브가 필요할 것이다.

밸브 스템이 파열판에 기계적으로 링크되어 있는 본 발명의 실시예는 특정 용례에서 잘 기능할 수 있지만, 이러한 구성에는 단점이 있다. 특히, 가스의 흐름이 격리 장치의 입구 통로로부터 출구 통로로 이동할 때, 상기 가스의 흐름이 밸브에 작용하여 밸브의 플러터링을 야기할 수 있고, 이에 의해 파열판에 맞물린 밸브 스템의 단부가 파열판에 맞닿아 진동하게 된다. 이는 실제로 ITM 모듈이 여전히 정상적으로 기능하는 경우에도 파열판의 조기 파열을 초래할 수 있다.

본 발명의 전술한 실시예와 관련된 플러터링 문제를 극복하기 위하여, 본 발 명의 더 바람직한 다른 실시예는 파열판을 밸브 시스템의 부품으로서 포함하지 않는다. 오히려, 밸브가 정상 개방 상태일 때, 밸브 스템은 파열판과 맞물리지 않은 상태로 유지된다. 구체적으로, 밸브 스템은 정상 상태에서 밸브 시스템을 개방 상태로 편향시키는 크러셔블 부재(crushable member)를 포함한다. 이러한 크러셔블 부재는 파열판으로부터 독립되어 있는 것이다. 크러셔블 부재가 부서질 때, 밸브 시스템은 폐쇄 상태로 이동한다. 이와 같은 바람직한 다른 실시예에서, 밸브 스템이 개방 상태에 있을 때, 밸브 스템은 파열판에 힘을 전달하는 맞물린 상태가 아니며, 바람직한 구성에 있어서는 어떠한 경우에도 파열판과 맞물리지 않는다. 크러셔블 부재는, 파열판을 가로질러 형성되는 압력차가 파열판의 손상을 야기한 이후에 부서지도록 되어 있다. 구체적으로, 파열판이 손상(즉, 파열에 의해)된 이후에, 파열판을 통한 고압측으로부터 저압측으로의 가스 흐름은, 밸브 부재를 가로질러 압력차를 발생시키는데, 이 압력차는 밸브 부재를 하향 강제하여 그 해당 밸브 시트에 대해 맞닿게 한다. 가장 바람직한 실시예에서는, 밸브 시스템이 폐쇄 상태인 경우에도, 파열 이전에 파열판이 차지하는 평면을 밸브 스템이 침범하지 않는다.

본 발명의 가장 바람직한 실시예에서, 크러셔블 부재는, 모듈로부터 격리 장치(들)로의 가스의 흐름이 중단된 이후에 밸브 조립체를 정상 개방 상태로 이동시키도록, 압축된 이후에도 팽창 가능한 압축 스프링이다.

본 발명의 특정 구성에서, 크러셔블 부재는 다공성 지지면 또는 천공된 지지면 상에서의 축방향 이동에 대항하여 지지되어 있는데, 상기 지지면은 격리 장치에 있어서의 이동에 대항하도록 연결된 것이고, 밸브 스템과 축방향으로 정렬된 통로를 포함하는 것이다. 작동 부재가 밸브 스템에 연결되어 있고, 이 작동 부재는 파열판이 파열된 이후에 크러셔블 부재와 맞물려서 크러셔블 부재를 부서뜨리기 위하여 밸브 스템에 의해 축방향으로 이동할 수 있다.

정상 상태에서 밸브 조립체를 개방 상태로 유지시키기 위하여 크러셔블 부재를 채용한 본 발명의 실시예는, 대개 ITM 산소 모듈과 관련하여 사용되는 단일의 모듈 격리 장치 양자 모두에, 및/또는 대개 ITM 합성 가스 모듈과 관련하여 사용되는 신규 가스 모듈 격리 장치와 소비 가스 모듈 격리 장치 중 어느 하나 혹은 양자 모두에 채용될 수 있다.

본 발명은 첨부 도면을 참조로 한 예에 의해 설명된다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 모듈 격리 장치가 도면 부호 10으로 예시되어 있다. 이 모듈 격리 장치는 이온 이송막(ITM) 산소 모듈(12)로부터의 투과 산소를 받아들이는데 사용된다. 예시적인 ITM 산소 모듈이 미국 특허 제5,681,373호에 개시되어 있으며, 이 특허의 대상은 전부 본원에 참조로 인용되어 있다. 또한, 앞서 설명드린 바와 같이, 테일러 등의 미국 특허 제5,681,373호에 ITM 산소 모듈이 기술되어 있다. 후자의 특허의 내용도 이미 본원에 참조로 인용되어 있다.

ITM 산소 모듈(12)로부터의 투과 산소는, 초기에 모듈의 막 유닛(16) 사이에 마련된 통로(14) 안으로 안내되는 산소 함유 가스(예컨대, 공기)로부터 분리된 순수 산소이다. 막 유닛(16)은 농후한 혼합 전도성 산화물층을 포함하고, 산소가 이 층을 투과한다. 투과 산소, 즉 순수 산소는 세라믹 스택 매니폴드(18)와 세라믹 대 금속 시일(20)을 통하여 모듈(12)의 밖으로 그리고 모듈 격리 장치(10)의 입구 통로(22) 안으로 안내된다.

도 1을 더 참조하면, 모듈 격리 장치(10)는 투과 산소의 흐름을 받아들이기 위한 입구 통로(22)의 하류에 출구 통로(26)를 포함한다. 선택적으로, 출구 통로(26)는 흐름 제한 오리피스(28)를 포함할 수 있고, 산소는 산소 수집 헤더 또는 플레넘(30)에 들어가기 전에 상기 흐름 제한 오리피스를 통과한다. 필요에 따라, 흐름 제한 오리피스(28)는, 예컨대 누출 등으로 인해 모듈(12)로부터의 흐름이 증가된 경우에, 파열판(이하에서 상세히 기술함)에 작용하는 압력을 모듈(12)의 정상 작동 중에 직면하게 되는 압력보다 높은 값으로 증대시키기에 충분한 배압을 제공하도록 구성되어 있다. 본원에서 이하에 상세히 설명하는 바와 같이, ITM 산소 모듈(12)의 고장에 기인하는 높은 압력은 파열판을 파열시켜 모듈을 격리시킬 것이다. 모든 모듈로부터의 투과 산소가 공통의 산소 수집 플레넘(30) 안으로 그리고 이 플레넘을 통과하게 유동하도록, 산소 수집 플레넘(30)은 대개 직렬 혹은 병렬로 배치된 하나 이상의 추가 ITM 산소 모듈에 연결되어 있다.

본 발명 고유의 특징은 모듈 격리 장치(10)의 일부분을 형성하는 모듈 격리 밸브(40)의 구성 및 작동에 있다. 모듈 격리 밸브(40)는, 개방 상태에 있을 때 입구 통로(22)로부터 출구 통로(26)를 통과하는 투과 산소의 흐름을 허용하고, 폐쇄 상태에 있을 때 출구 통로로의 투과 산소의 흐름을 막도록 구성되어 있다.

모듈 격리 밸브(40)는 밸브 시트(42)와, 일단부에 밸브 부재(46)가 마련된 밸브 스템(44), 그리고 밸브 스템(44)의 대향 단부(52)와 맞물리는 제1 면(50)을 구비하는 파열판(48)을 포함한다. 파열판(48)은 도관(58)을 통해 저압 헤더(56)와 유통하는 제2 면(54)을 포함한다. 필요에 따라, 단열 재료(60)가 선택적으로 파열판(48)에 인접하여 밸브 스템(44)의 둘레에 마련될 수 있다.

단열 재료(60)가 이용되는 경우, 모듈 격리 밸브(40)가 개방 상태에 있을 때 입구 통로(22)를 통해 모듈 격리 장치(10) 안으로 유입되는 투과 산소가 파열판(48)의 제1 면(50)과 유통하는 것을 허용하도록, 상기 단열 재료는 예컨대 알루미나 섬유 등의 다공성 재료인 것을 유의하라. 투과 산소의 유동은 도 1에 도시된 화살표에 의해 개략적으로 나타내어져 있다.

특정 구성의 세라믹 대 금속 시일(20)은 본 발명의 가장 넓은 양태를 제한하지 않는다는 점을 유의하라. 본 발명에서 사용할 수 있는 예시적인 세라믹 대 금속 시일이 미국 특허 제6,302,402호에 기술되어 있으며, 이 특허의 대상은 본원에 참조로 인용되어 있다.

예시된 실시예에서, 밸브 부재(46)는 글러브 밸브 형태이지만, 예컨대 게이트 밸브, 앵글 밸브 등의 다른 타입의 선형 작동 밸브도 본 발명에서 동일하게 잘 작동할 것이다. 본 발명에 사용 가능한 예시적인 타입의 밸브가 화학 공학의 페리(Perry) 핸드북 등과 같은 표준 참조 문헌에 개시되어 있다. 모듈 격리 밸브(40)를 구성하는 데 사용되는 재료는 고온의 산소 생성물 흐름에서의 사용에 적합하도록 선택될 필요가 있는 것으로 이해되어야 한다. 예시적인 재료로는 인디애나주 코코모(Kokomo) 소재의 헤인즈 인터내셔널(Haynes International)에서 시판하 는 Haynes 214 또는 Haynes 230 등과 같은 니켈 초합금이 있다. 별법으로서, 밸브의 부품은 알루미나, 탄화규소, 또는 질화규소 등과 같은 구조용 세라믹으로 구성될 수 있다.

파열판(48)은 시스템의 사용 온도에 있어서 적절히 작동하도록 구성될 필요가 있다. 파열판(48)은 산소 공정 흐름의 작동 온도에 노출될 수 있고, 또는 예컨대 단열 재료(60)를 이용함으로써 산소 공정 흐름으로부터 단열될 수 있으며, 이에 의해 저온으로 작동한다.

모듈 격리 장치(10)의 요소의 구조적 형상에 대해 설명하였고, 이제는 모듈 격리 장치가 모듈(12)을, 하나 이상의 공통 헤더[예컨대, 산소 수집 플레넘(30)]를 통해 모듈 격리 장치(10)에 결합된 다른 모듈로부터 격리시키도록 작동하는 방식을 설명한다.

예컨대 ITM 모듈(12)에서 큰 누출이 발생한 경우와 같은 혼란 상태 동안에, 모듈을 빠져나와 모듈 격리 장치(10)의 입구 통로(22) 안으로 유동하는 흐름이 증가할 것이다. 모듈 격리 장치(10) 및 산소 수집 플레넘 또는 매니폴드(30)의 유동 저항으로 인하여, 모듈(12) 내부의 압력도 또한 증가할 것이다. 모듈(12)과 산소 수집 플레넘 또는 헤더(30)와의 사이에서 흐름 저항기[예컨대, 흐름 저항 오리피스(28)]가 사용되면, 모듈(12) 내부의 압력이 한층 더 증가할 것이다. 이러한 압력의 증가는 모듈 격리 장치(10)를 통하여 파열판(48)의 제1 면(50)에 대하여 전달된다. 파열판(48)에 대해 과압 상태를 야기하는 이러한 압력 증가는 파열판의 파열을 야기할 것이다. 파열판이 파열하면, 파열판은 더 이상 밸브 스템(44)의 하단부(52)를 지지하지 않고, 밸브 스템은 중력, 밸브 부재를 가로지는 압력 강하, 및 특정 타입의 밸브(예컨대, 글러브 밸브 등)의 경우에는 밸브 부재(46) 주변에 있는 가스의 점성 항력의 영향을 받아 낙하할 것이다. 전술한 후자의 상태에서, 밸브 부재(46)는 밸브 시트(42)에 대하여 안착하여, 밸브(40)를 폐쇄시키고 ITM 산소 모듈(12)에서 빠져나와 산소 수집 플레넘(30)으로 유동하는 가스의 흐름을 가로막는다. 이로 인해, 밸브 부재(46)의 상류측에 있어서의 압력이 고압 가스의 압력으로 더 증가하게 되며, 이는 밸브 부재(46)와 밸브 시트(42) 사이에 있어서 양호한 시일을 유지하는 것을 더 돕는다.

밸브 부재(46)가 밸브 시트(42)에 대하여 안착하면, 산소 수집 플레넘 또는 헤더(30)는 누출로부터 격리되고, 이로 인해 순수 산소가 손상된 모듈(12)에 의해 오염되는 것을 방지한다.

예시된 실시예에서, 저압 헤더(56)는 산소 수집 플레넘 또는 헤더(30)와는 별개인 헤더이고, 파열판(48)의 손상 이후에 가스가 저압 헤더(56)로부터 산소 수집 플레넘(30) 안으로 역류하는 것을 방지하기 위해, 도면 부호 62로 개략적으로 나타내어져 있는 도관(58)의 체크 밸브를 마련하는 것이 바람직하다. 즉, 체크 밸브(62)는, 저압 헤더(56)로부터의 저압 가스가 파열판(48)의 개구를 통과하고 모듈 격리 장치(10)의 출구 통로(26)를 통해 산소 수집 플레넘(30) 안으로 유동하는 것을 방지한다.

도 2를 참조하면, 모듈 격리 장치(10)에 사용되는 요소와 동일한 요소를 다수 포함하는 모듈 격리 장치(100)가 도시되어 있다. 모듈 격리 장치(10)의 요소와 동일한 모듈 격리 장치(100)의 요소는 동일한 도면 부호로 표시하고, 다만 끝에 "A"자를 붙인다. 도 2에 개시된 모듈 격리 장치(100)는 도 1에 개시된 모듈 격리 장치(10)와 관련하여 전술한 것과 동일한 방식으로 이온 이송막 모듈(12A)로부터 투과 산소를 받아들이도록 기능한다라고만 언급하여도 충분하다.

모듈 격리 장치(100)와 모듈 격리 장치(10)의 유일한 차이점은, 모듈 격리 장치(100)의 저압 헤더(56A)가 파열판(48A)의 제2 면(54A)과 연통하도록 마련되는 방식에 있다. 구체적으로, 모듈 격리 장치(100)에 있어서 산소 수집 플레넘 또는 헤더(30A)는 임의의 바람직한 구성의 도관(102)을 통해 파열판(48A)의 제2 면(54A)과 직접 연통하도록 설치되어 있고, 이에 의해 흐름 제한 오리피스(28A)를 통해 산소 수집 플레넘(30A)으로 유동하는 저압 가스의 흐름도 또한 파열판(48A)의 제2 면(54A)과 유통하는 저압 가스를 구성한다. 따라서, 산소 수집 플레넘(30A)은 실제로 모듈 격리 장치(100)에서 저압 헤더로서 기능한다. 전술한 후자의 구성을 채용하면, 산소 수집 플레넘(30A)에 있어서 산소의 순도가 보장되고, 저압 가스가 파열판(48A)을 통해 산소 수집 플레넘(30A)으로 역류하는 것을 방지하기 위해, 모듈 격리 장치(10)에 사용되는 체크 밸브(62)와 유사한 체크 밸브를 마련할 필요가 없다. 파열판(48A)을 통해 역방향으로 유동할 수 있는 가스는 실제로 산소 수집 플레넘(30A)에서 수집되는 것과 동일한 순수 산소이기 때문에, 전술한 체크 밸브는 불필요하다.

이제 도 3을 참조하면, 한 쌍의 모듈 격리 장치(200 및 300)는 각각 모듈 안으로 공기를 공급하는 공기 공급 라인과 모듈로부터 유출하는 소비 가스 라인에서 ITM 합성 가스 모듈(12B)에 연결되어 있다. 모듈 격리 장치(10)의 구성 요소와 동일한 방식으로 작동하는 모듈 격리 장치(200, 300)의 구성 요소는 동일한 도면 부호로 나타낼 것이고, 다만 각각 "B"자와 "C"자를 붙인다. ITM 합성 가스 모듈의 작동은 당업계에 잘 공지되어 있고, 그 구성은 본 발명의 가장 넓은 양태를 제한하지 않는다. ITM 합성 가스 모듈(12B)의 작동 중에, 예컨대 메탄 또는 그 밖의 경질 탄화수소 가스 등의 고압 합성 가스는 모듈(12B)의 통로(14B)를 통해 안내되어, 이 모듈 안으로 공급된 공기에서 추출되는 투과 산소에 작용하고, 이에 의해 합성 가스가 형성된다.

이하의 설명에서는, 모듈 격리 장치(200)를 종종 "신규 가스 격리 장치", "신규 공기 격리 장치", 또는 유사한 함축어로 칭하고, 모듈 격리 장치(300)를 종종 "소비 가스 격리 장치", "소비 공기 격리 장치", "유출물 격리 장치", 또는 유사한 함축어로 칭한다. 이하의 설명은 신규 산소 함유 가스가 공기인 바람직한 실시예를 기술하고 있지만, 본 발명의 가장 넓은 양태에 따라, 그 밖의 산소 함유 가스가 채용될 수 있다.

예시된 실시예에서, ITM 합성 가스 모듈(12B)을 향해 안내되는 신규 공기를 신규 공기 공급 헤더(202)가 수용한다. 이러한 신규 공급 공기는 선택적인 흐름 제한 오리피스(204)를 통해 신규 공기 격리 장치(200)의 안으로, 그리고 이후에는 신규 공기 격리 장치의 출구 통로(206)를 통과하도록 안내된다. 출구 통로(206)는 모듈(12B)의 공기 공급 입구(208)와 연통한다. 공기 공급 입구(208)는 세라믹 도관 또는 튜브에 의해 마련되는데, 이 세라믹 도관 또는 튜브는 세라믹 대 금속 시일(212)에 연결된 외측 세라믹 도관 또는 튜브(210)와 동심이다. 상기 외측 세라믹 도관(210)을 통하여, 소비 가스[예컨대, ITM 합성 가스 모듈(12B)에서 산소 이온이 분리된 가스)가 소비 공기 격리 장치(300) 안으로 안내된다.

소비 공기 모듈 격리 장치(300)의 구성 및 작동은, 소비 공기 모듈 격리 장치(300)에 의해 격리되는 가스가 [모듈 격리 장치(10)에서는 ITM 산소 모듈(12)에 의해 공기로부터 분리된 순수 산소인 것과는 달리] 그 산소를 합성 가스에 넘겨준 소비 공기라는 점을 제외하고는, 도 1에 예시된 모듈 격리 장치(10)의 구성 및 작동과 동일한 것으로 이해되어야 한다. 그러나, 다른 점에서 모듈 격리 장치(300)의 구조적 특징 및 작동은 모듈 격리 장치(10)와 관련하여 전술한 것과 동일하다.

앞서 언급한 바와 같이, 모듈(12B)로 공급되는 공급 공기와 상기 모듈로부터 유출되는 소비 공기는 각각 동심의 세라믹 튜브(208, 210)를 통해 모듈에 연결된다. 이들 튜브는 각각 세라믹 대 금속 시일(212)을 통해 금속 배관에 연결된다.

다시 도 3을 참조해보면, 모듈 격리 장치(200)는 공기의 공급 레그를 위해 세라믹 대 금속 시일(212)의 상류에서 모듈 격리 밸브(40B)를 사용한다. 모듈 격리 장치(300)는 소비 공기의 유출 레그를 위해 세라믹 대 금속 시일(212)의 하류에서 모듈(12B)로부터 유출되는 소비 공기에 대하여 모듈 격리 밸브(40C)를 이용한다. 모듈(12B)의 내측 동심 튜브(208) 안으로 신규 공급 공기가 유동하는 것이 화살표 214로 표시되어 있고, 모듈(12B)로부터 유출되는 소비 가스의 흐름은 화살표 216으로 표시되어 있다.

정상 작업 동안에, 두 모듈 격리 밸브(40B, 40C)는 모두 개방된다. 공기 공급 헤더(202)로부터의 공급 공기는 선택적인 흐름 제한 오리피스(204), 공기 공급 모듈 격리 밸브(40B), 및 공기 공급 입구(208)와 연통하는 출구 통로(206)를 지나 ITM 합성 가스 모듈(12B) 안으로 이동한다.

(화살표 216으로 도시된 바와 같이) 모듈(12B)을 빠져나가는 소비 공기는 소비 공기 격리 장치(300)의 소비 공기 모듈 격리 밸브(40C), 선택적인 흐름 제한 오리피스(28C)를 지나 소비 공기 헤더 또는 플레넘(30C) 안으로 이동한다. 필요에 따라, 흐름 제한 오리피스(28C, 204)는, 예컨대 누출 등으로 인하여 모듈(12B)로부터의 유동이 증가되어, 두 모듈 격리 장치(200, 300) 모두의 파열판(48B, 48C)에 작용하는 압력이 정상 상태의 작동 조건 하에서 일반적으로 직면하게 되는 압력을 충분히 상회하는 값으로 증대된 경우에, 각 격리 장치(300, 200)에 충분한 배압을 제공하도록 구성되어 있다.

도 1 및 도 2에 예시된 실시예에서와 같이, 모듈 격리 장치(200, 300)에 있는 모듈 격리 밸브(40B, 40C)의 밸브 스템(44B, 44C)은 각각 파열판(48B, 48C)의 제1 면(50B, 50C)에 기계적으로 링크되어 있다. 예시된 실시예에서, 기계적인 링크는 밸브 스템(44B, 44C)의 단부(52B, 52C)를 실제로 각각 지지하는 파열판(48B, 48C)의 제1 면(50B, 50C)에 의해 이루어진다.

모듈(12B)이 고장나서 합성 가스가 내측 동심 튜브(208)과 외측 동심 튜브(210) 모두를 통해 각각 역류하게 되는 경우, 고압의 역류는 파열판(48B, 48C)의 파열을 초래하고, 이에 의해 모듈 격리 장치(200, 300)에 있는 각 모듈 격리 밸브(40B, 40C)가 폐쇄된다. 이는 유출 소비 가스 및 공급 신규 공기가 합성 가스에 의해 오염되는 것을 방지할 것이다.

앞서 설명한 실시예와 마찬가지로, 신규 공기 격리 장치(200) 및 소비 공기 격리 장치(300) 각각에 있는 파열판(48B, 48C)의 제2 면(54B, 54C)은 각 저압 헤더(56B, 56C)와 완전히 연통한다. 도 3에 예시된 실시예에서, 저압 헤더(56B, 56C)는 모듈 격리 장치(200)의 신규 공기 공급 헤더(202)와 모듈 격리 장치(300)의 소비 공기 또는 유출물 수집 플레넘(30C)과는 별개의 것이다. 이러한 구성에서, 도 1에 예시된 모듈 격리 장치(10)와 관련하여 전술한 것과 동일한 방식으로 저압 헤더(56B, 56C)를 파열판(48B, 48C)의 제2 면(54B, 54C)과 연통시키는 도관(58B, 58C)에 체크 밸브(62B, 62C)를 채용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 체크 밸브(62B, 62C)는, 가스가 저압 헤더(56B, 56C)로부터 신규 공기 격리 장치(200)의 공기 공급 헤더(202)의 안으로 그리고 소비 공기 격리 장치(300)의 소비 공기 헤더(30C)의 안으로 각각 유동하는 것을 방지할 것이다.

도 3을 더 참조하면, 다른 더 바람직한 구성에서, 공기 공급 헤더(202)는 신규 공기 격리 장치(200)에 있는 파열판(48B)의 제2 면(54B)과 연통하는 저압 헤더로서 사용되고, 유출물 플레넘 또는 헤더(30C)는 소비 공기 격리 장치(300)에 있는 파열판(48C)의 제2 면(54C)과 연통하는 저압 헤더로서 사용된다. 이것은 도 2에 도시된 모듈 격리 장치(100)에서 도관(102)이 이용되는 것과 동일한 방식으로, 각 공기 공급 헤더(202) 및 유출물 헤더(30C)를 각 파열판(48B, 48C)의 제2 면(54B, 54C) 아래의 영역과 연통시키는 도관을 마련함으로써 달성된다. 이 후자의 구성에서는 모듈 격리 장치(200)의 저압 영역(56B)이 공기 공급 헤더(202)에서와 동일한 공기 공급량을 수용하고, 모듈 격리 장치(300)의 저압 영역(56C)이 모듈 격리 장치의 소비 공기 헤더(30C)에서와 동일한 유출물을 수용하기 때문에, 가스가 파열판(48B, 48C) 아래의 저압 영역으로부터 모듈 격리 장치(200, 300)의 공기 공급 헤더(202)와 소비 공기 헤더(30C)로 각각 유동하는 것을 방지하기 위한 어떠한 체크 밸브도 요구되지 않는다.

또한, 도 3을 참조하여 간략히 설명하면, 도 1에 도시된 모듈 격리 장치(10) 및 도 2에 도시된 모듈 격리 장치(100)에 관한 설명과 유사한 방식으로, 모듈(12B)의 고장에 기인하는 합성 가스의 역류는 모듈 격리 장치(200, 300)의 압력을 상당히 증가시킴으로써, 그 내부의 파열판(48B, 48C)이 파열되게 하고 대응하는 모듈 격리 밸브(40B, 40C)가 폐쇄되게 한다. 모듈 격리 밸브(40B, 40C)의 폐쇄는 합성 가스가 손상된 모듈(12B)로부터 모듈 격리 장치(200)를 향한 신규 공기 공급물이나 모듈 격리 장치(300)에서 유출되는 유출물 중 어느 하나로 바람직하지않게 역류하는 것을 격리시킨다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 모듈 격리 장치(10, 100, 200 및 300)와 각각 유사한 모듈 격리 장치가 도시되어 있다. 도 4 내지 도 6에 도시된 실시예는 가장 바람직한 실시예로서, 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에 잠재적으로 존재하는 문제를 극복한다.

구체적으로, 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에 있어서, 파열판은 전술한 모듈 격리 밸브(40, 40A, 40B)의 일부를 구성하고, 개시된 실시예에서는 정상 상태에서 격리 밸브를 개방 상태로 편향시키도록 각 밸브 스템(44, 44A, 44B 및 44C)의 하단부와 실제로 맞물린다.

모듈 격리 장치(10, 100 및 300)의 동작 중에, 밸브 부재, 특히 모듈(12, 12A 또는 12B)의 정상 동작 동안에 밸브 부재(46, 46A 및 46C)에 대항하는 가스 흐름은 밸브 스템(44, 44A 및 44C)을 파열판(48, 48A, 48C)에 대해 진동되게 함으로써 이들 파열판의 조기 파괴 가능성을 일으킨다고 판명되었다. 바꿔 말하면, 파열판(48, 48A 및 48C)에 대한 밸브 스템(44, 44A 및 44C)의 각각의 진동은, 모듈(12, 12A 또는 12C)의 고장이 발생하지 않더라도, 파열판이 파괴되게 함으로써, 밸브 부재(46, 46A 및 46C)가 각 밸브 시트(42, 42A 및 42C)에 대해 안착되게 할 수 있다. 이것은 바람직하지 않다는 것이 명백하다.

도 4 내지 도 6은 모듈 격리 밸브의 구성을 제외하고는 각각의 모듈 격리 장치(10, 100, 200 및 300)와 동일한 모듈 격리 장치를 개시하고 있다. 구체적으로, 도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에 이용되는 모듈 격리 밸브(40, 40A, 40B 및 40C)는 각각의 파열판(48, 48A, 48B 및 48C)을 그 구성 요소로서 포함하지만, 도 4 내지 도 6에 도시된 실시예에 이용되는 모듈 격리 밸브는 파열판을 그 구성 요소로서 포함하지 않는다. 사실상, 후술되는 바와 같이, 도 4 내지 도 6의 실시예에 도시된 밸브 조립체의 밸브 스템은 각각의 파열판과 전혀 맞물리지 않고, 실제로 밸브의 개방 상태 및 폐쇄 상태간의 이동 중에 파열판으로부터 이격되어 있다.

구체적으로 도 4를 참조하면, 모듈 격리 장치(10)와 동일한 방식으로, 이온 이송막 산소 모듈(12D)과 함께 이용하기 위한 모듈 격리 장치(400)가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 실시예에 있어서, 도 1에 도시된 실시예의 구성 요소와 동일한 구성 요소는 "D"자를 붙인 동일한 도면 부호로 표기하고 간략화를 위해 대부분의 경우에 상세하게 논의하지 않는다.

도 1에 도시된 모듈 격리 장치(10)와 도 4에 도시된 모듈 격리 장치(400) 사이의 유일한 차이점은, 모듈 격리 장치(400)의 바람직한 실시예가 추가적인 3개의 구성 요소, 즉 크러셔블 부재(404)를 상부에 지지하도록 모듈 격리 장치에 연결되는 고정식 천공판(402), 이 천공판(402) 상에 바람직하게는 탄성 지지되는 크러셔블 부재(404) 및 밸브 스템(44D)에 고정되어 이 밸브 스템과 이동 가능한 스토퍼, 즉 작동 부재(406)를 포함한다는 것이다. 선택적으로, 필요에 따라 격리 장치(400)의 하류 영역을 격리하도록 다공질 절연 부재(60D)가 마련될 수 있다.

전술한 바와 같이, 크러셔블 부재(404)는 파열판이 모듈(12D)의 고장으로 인해 파열된 후에 새로운 파열판(48D)을 구비하도록 수리될 때에 대체될 필요가 없는 스프링인 것이 가장 바람직하다. 구체적으로, 모듈 격리 장치(400)가 수리를 위해 정지된 경우에, 압축된 스프링(404)은 압축되지 않은 보통의 상태로 복귀되어, 대체될 필요가 없다. 바람직한 타입의 스프링은 웨이브 스프링이다.

이 실시예에 있어서, 밸브 스템(44D)의 하부면(52D)은 파열판(48D)의 상부면(50D)과 결합 해제 상태로 유지되고, 크러셔블 부재(404)는 밸브 스템에 부착된 작동 부재(406)에 대해 작용함으로써, 모듈 격리 밸브(40D)를 정상 상태에서 개방 상태로 유지한다는 것을 유념해야 한다.

도 4에 도시된 실시예에 따르면, 모듈 격리 밸브(40D)는 밸브 시트(42D), 일단부에 밸브 부재(46D)를 갖는 밸브 스템(44D) 및 크러셔블 부재(404), 예컨대 스 프링을 포함하고, 상기 크러셔블 부재는 고정 천공판(402) 상에 유지되며, 밸브 스템에 부착된 작동 부재(406)에 의해 압축될 수 있다.

다시 도 4를 참조하면, 모듈(12D)이 고장나서 격리 장치(400) 내의 압력이 바람직하지 않은 수준으로 증가하는 경우에, 파열판(48D)은 그 레벨에서 파열되도록 설계된다. 파열판(48D)의 파열에 이어서, 밸브 부재(40D)에 작용하는 증가된 유량은, 작동 부재(406)를 스프링(404; 또는 다른 크러셔블 부재)에 대하여 압박하여, 스프링 또는 다른 크러셔블 부재를 압축하는 중에 밸브 부재(46D)가 밸브 시트(42D)에 대하여 안착되도록 하는 압력차를 발생시킨다.

바람직한 실시예에 따르면, 밸브 스템(44D)의 하단부(52D)는 파열판(48D)이 점유하는 평면을 침범하지 않는 위치에 유지되어 있다.

명확하게 되는 바와 같이, 도 4에 도시된 모듈 격리 장치(400)에 있어서, ITM 산소 모듈(12D)의 통상적 작업 중의 산소 유동에 의해 밸브 부재(46D)에 부여되는 임의의 진동은 밸브 스템(44D)이 파열판(48D)에 대하여 진동하지 않도록 하여, 가능하게는 그 파열판의 조기 파괴 또는 파열을 방지한다.

이제 도 5를 참조하면, 도 2에 도시된 모듈 격리 장치(100)와 실질적으로 유사한 모듈 격리 장치(500)가 도시되어 있다. 도 2에 도시된 모듈 격리 장치의 구성 요소와 동일한, 도 5에 도시된 모듈 격리 장치(500)의 구성 요소는 동일 도면 부호로, 다만 "E"자를 붙여 표기하고 있다. 간단하게 할 목적으로, 모듈 격리 장치(500)의 구성 요소에 대해서는 본 명세서에서 상세하게 설명하지 않기로 한다.

사실 명확하게는, 도 5에 도시된 모듈 격리 장치(500)와 도 2에 도시된 모듈 격리 장치(100) 사이의 차이는, 도 5의 실시예의 모듈 격리 밸브 어셈블리(40E)가 도 4에 도시된 모듈 격리 장치(400)에 채용된 바람직한 형태(40D)로 변형되어 있다는 것이다. 따라서 도 4에 도시된 모듈 격리 장치(400)의 모듈 격리 밸브(40D)의 구성 요소와 동일한, 도 5에 도시된 모듈 격리 장치(500)의 모듈 격리 밸브(40E)의 구성 요소는 동일 도면 부호로, 다만 "E"자를 붙여 표기하고 있다.

설명을 위한 간단한 예로서, ITM 산소 모듈(12E)이 고장나서 모듈 격리 장치(500) 내의 압력이 증가하는 경우에, 증가된 압력은 파열판(48E)의 제1 면(50E)에 직접 작용하여 파열판을 파열시킨다. 그 후, 증가된 유량의 가스가 밸브 부재를 하향 이동시키도록 밸브 부재(46E)에 작용하여, 웨이브 스프링(404E)을 압축하는 중에 밸브 부재를 밸브 시트(42E)에 대하여 안착시킨다. 도 4에 도시된 모듈 격리 장치(400)와 관련하여 설명한 바와 같이, 본 발명의 상기 실시예의 가장 넓은 양태에 따르면, 웨이브 스프링(404E)은 다른 타입의 크러셔블 부재로 대체될 수 있지만, 크러셔블 부재는, 원래의 파열판이 ITM 모듈(12E)의 고장으로 인하여 파괴된 후에, 모듈 보수 시에 새로운 파열판로 대체할 필요가 없도록 하기 위하여 스프링의 형태인 것이 바람직하다.

이제 도 6에는, 도 3에 도시된 모듈 격리 장치(200, 300)와 유사한 모듈 격리 장치(600, 700)가 도시되어 있고, 도 6의 모듈 격리 장치는 도 3의 모듈 격리 장치와 정확히 동일한 기능을 제공한다. 또한, 도 3 및 도 6에 도시된 모듈 격리 장치 사이의 유일한 차이는 격리 장치에 채용된 모듈 격리 밸브의 구조와 관련한 것이다. 모듈 격리 장치(200, 300)의 구성 요소와 동일한, 모듈 격리 장치(600, 700)의 구성 요소는 동일한 도면 부호로, 다만 각각 "F" 및 "G"자를 붙여 표기되어 있다. 도 4에 도시된 모듈 격리 장치(400)의 모듈 격리 밸브의 구성 요소와 동일한, 모듈 격리 장치(600, 700)의 모듈 격리 밸브의 구성 요소는 동일한 도면 부호로, 다만 각각 "F" 및 "G"자를 붙여 표기되어 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, ITM 합성 가스 모듈과 관련하여 채용된 모듈 격리 장치(600, 700)가 도 3의 실시예에 채용된 모듈 격리 장치(200, 300)와 동일한 방식으로 기능하는 것으로 언급할 수 있는데, 다만 격리 밸브의 구조 및 작동에 있어서는 상이하다. 특히, 모듈 격리 장치(600, 700)에 있어서, 모듈 격리 밸브(40F, 40G)는 각각 모듈 격리 장치(400)에 채용된 모듈 격리 밸브(40D)와 동일한 방식으로 구성되고, 모듈 격리 장치(400)에서와 동일한 방식으로 개방 위치와 폐쇄 위치 사이에서 이동한다.

그에 따라 모듈 격리 밸브(40F, 40G)는 각각의 모듈 격리 장치(600, 700)에서 각각의 밸브 스템(44F, 44G)이 파열판(48F, 48G)와 맞물리는 것을 실질적으로 방지하며, 이로써 각각의 모듈 격리 장치(600, 700)에 있어서 가스의 통상적 유량에 의해 초래된 각 파열판에 대한 밸브 스템의 진동으로 인한 파열판의 조기 파괴를 방지할 수 있다.

모듈 격리 장치(600, 700)에 있어서 모듈 격리 밸브(40F, 40G)의 구조에 의해 각각 해소되는 파열판의 잠재적 조기 파열 문제는 모듈 격리 장치(700)의 방식으로 기능하도록 의도된 소정의 모듈 격리 장치에서는 일반적인 것이며, ITM 모듈의 통상의 작업 중의 가스 유동은 파열판(48G)를 향하는 방향이고, 이 방향은 또한 밸브 스템을 파열판에 대하여 압박하거나 진동시키는 방향을 말한다

모듈 격리 장치(600, 700)를 통한 신규 공기 및 소비 공기의 유동은 도 3의 실시예에서 모듈 격리 장치(300, 400)를 통한 신규 공기 및 소비 공기의 유동과 동일하며, 모듈 격리 밸브(40G)는, 모듈 격리 밸브(40D)를 도 4에 개시된 모듈 격리 장치(400)의 폐쇄 위치로 이동시키는 것과 동일한 기구에 의해 파열판(48F, 48G)의 파열 후에 폐쇄 위치로 이동한다. 또한, 저압 헤더(56F, 56G)는 각각 모듈 격리 장치(300, 400)의 저압 헤더(56C, 56D)와 동일한 구성으로 구성되고, 동일한 방식으로 채용될 수 있다.

별법으로서, 파열판(48G, 48G)의 하면(54F, 54G)과 연통하는 저압 영역은, 본질적으로 도 2에 도시된 모듈 격리 장치(100) 및 도 5에 도시된 모듈 격리 장치(500)와 관련하여 설명한 바와 동일한 방식으로, 연결 도관을 통하여 파열판(48F)의 하면과 신규 공기 공급 플레넘(202F)을 연통시키고, 연결 도관을 통하여 파열판(48G)의 하면과 소비된 공기 플레넘(30G)을 연통시킴으로써 제공될 수 있다.

파열 디스크(48F)의 뒤에 저압 영역을 제공하기 위하여 새로운 공기 공급부를 채용하고, 파열 디스크(48G)의 뒤에 저압 영역을 제공하기 위하여 소비 공기 공급부를 채용하는 경우에, 파열 디스크(48G, 48G)가 각각 파열될 때에, 공기 공급 헤더(202)에서 신규 공기 공급부의 오염을 방지하거나, 소비 가스 수집 플레넘(30G)에서 소비 가스의 오염을 방지하기 위하여 저압 영역에 체크 밸브를 제공할 필요가 없다. 그러한 체크 밸브가 필요하지 않은 이유는 격리 장치(200, 300)와 관련하여 이미 설명하였는데, 즉 파열 디스크(48B) 뒤의 저압 영역으로서 공기 공 급 플레넘(202)을 제공하고, 파열 디스크(48C) 뒤의 저압 영역으로서 소비 가스 플레넘을 제공하도록 변형되었기 때문이다. 간단하게 할 목적으로, 여기서는 이들 이유에 대해서 반복해서 설명하지 않기로 한다.

특정의 실시예를 참고로 하여 본 발명을 예시 및 설명하였지만, 본 발명은 개시된 상세 내용으로 한정되지 않는다. 오히려, 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 청구범위의 균등물의 사상 및 범위 내에서 상세 내용에 대한 다양한 변형이 있을 수 있다.

본 발명에 따른 가스 흐름 격리 장치는, 가스의 압력이 소정값을 초과할 때 손상된 ITM 모듈로부터 야기되는 가스의 흐름을 막을 수 있을 뿐만 아니라, 고온 상태에서 작동할 수 있고, 정상 작동 중에 가스가 장치를 통해 소정의 허용 가능한 제한 양으로 흐르는 것을 신뢰 가능하게 허용할 수 있다.

Claims

하나의 모듈로부터 하나 이상의 공통 헤더를 통해 상기 하나의 모듈에 결합된 하나 이상의 다른 모듈로의 가스 흐름을 격리시키기 위한 가스 흐름 격리 장치(10)로서,

상기 하나의 모듈(12)로부터의 출구와 연통하여 상기 하나의 모듈로부터 가스의 흐름을 받아들이도록 되어 있는 입구 통로(22)와, 상기 가스의 흐름을 받아들이고 이 가스를 격리 장치의 밖으로 안내하기 위하여 상기 입구 통로와 연통되어 있는 출구 통로(26);

파열판(48)과, 밸브 시트(42) 및 밸브 스템(44)을 구비하는 모듈 격리 밸브

를 포함하며, 이 모듈 격리 밸브는, 가스 흐름 격리 장치 내의 가스의 압력이 예정된 레벨을 초과할 때 상기 입구 통로로부터 상기 출구 통로로의 가스의 흐름을 막도록 개방 상태에서 폐쇄 상태로 이동 가능한 것이며,

상기 파열판은 제1 면(50)과 제2 면(60)을 구비하고, 상기 제1 면은, 상기 하나의 모듈의 출구가 가스 흐름 격리 장치의 입구 통로와 유통하는 상태로 놓여 있고 모듈 격리 밸브가 가스 흐름 격리 장치의 입구 통로로부터 출구 통로로의 가스의 흐름을 허용하는 개방 상태에 있을 때, 상기 하나의 모듈로부터의 출구와 유통하는 것이며, 상기 가스의 흐름은 상기 파열판의 제1 면에 작용하여 압력을 인가하고, 상기 파열판의 제2 면은, 소요(所要) 저압으로 유지되는 챔버와 유통하는 것이며, 파열판은 예정된 압력차가 파열판을 가로질러 발생할 때 파열되는 것이고,

상기 밸브 시트는 상기 입구 통로와 상기 출구 통로 사이에 있는 것이며,

상기 밸브 스템은 대향하는 제1 단부와 제2 단부를 구비하고, 상기 제1 단부는 상기 파열판의 제1 면과 기계적으로 링크되어 있으며, 상기 제2 단부는 밸브 부재(46)에 커플링되어 있고, 상기 밸브 스템의 제1 단부가 파열판에 기계적으로 링크되어 있을 때, 상기 밸브 부재는 상기 밸브 시트로부터 이격되어 있어, 상기 입구 통로로부터 상기 출구 통로로의 가스의 흐름을 허용하며, 상기 입구 통로가 상기 하나의 모듈로부터의 출구와 유통하는 상태로 놓여 있을 때, 상기 가스의 흐름이 상기 파열판의 제1 면에 작용하는 것을 허용하고,

예정된 압력차가 상기 파열판을 가로질러 발생할 때, 상기 파열판이 파열하여, 상기 밸브 부재가 상기 밸브 시트에 대해 안착하게 되고, 입구 통로로부터 출구 통로로의 가스의 흐름과 파열판을 통과하는 가스의 흐름을 가로막게 되는 것인 가스 흐름 격리 장치.
제1항에 있어서, 상기 밸브 스템(44)의 제1 단부(52)는 상기 파열판(48)의 제1 면(50)에 맞물려서 상기 제1 면에 기계적으로 링크되는 것인 가스 흐름 격리 장치.
제1항에 있어서, 2개 이상의 모듈이 결합되어 있는 경우, 상기 출구 통로는 공통 헤더와 연통하는 것인 가스 흐름 격리 장치.
제1항에 있어서, 상기 출구 통로에 흐름 제한 오리피스(28)를 구비하고, 이 흐름 제한 오리피스의 하류에서 가스의 압력을 낮추도록 가스가 상기 흐름 제한 오리피스를 통과하는 것인 가스 흐름 격리 장치.
제4항에 있어서, 상기 소요 저압으로 유지되는 챔버는, 상기 흐름 제한 오리피스의 하류에 있어서의 가스 흐름과 유통함으로써 상기 소요 저압으로 유지되는 것인 가스 흐름 격리 장치.
제1항에 있어서, 2개 이상의 모듈이 결합되어 있는 경우, 상기 소요 저압으로 유지되는 챔버는 공통의 저압 헤더의 일부분이고, 상기 모듈 격리 밸브는 파열판의 파열 이후에 폐쇄 상태로 있을 때 가스가 파열판을 지나 상기 챔버 안으로 유동하는 것을 방지하는 것인 가스 흐름 격리 장치.
제1항에 있어서, 상기 소요 저압으로 유지되는 챔버는 그 내부에 저압 가스를 포함하는 것인 가스 흐름 격리 장치.
삭제
제7항에 있어서, 상기 저압 가스는 상기 출구 통로에 있는 흐름 제한 오리피스를 통과한 가스인 것인 가스 흐름 격리 장치.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 합성 가스의 생성을 위해 이용되는 타입의 이온 이송막 모듈에 연결되도록 되어 있는 시일을 포함하고, 상기 가스 흐름 격리 장치는 소비 가스 격리 장치이며, 이 소비 가스 격리 장치의 입구 통로는 상기 모듈을 빠져나가는 소비 가스와 유통하는 것인 가스 흐름 격리 장치.
산소 함유 가스를 받아들이기 위한 입구 통로와, 이 입구 통로의 하류에 있는 상기 산소 함유 가스를 위한 출구 통로, 그리고 모듈 격리 밸브를 구비하는 제2 격리 장치(200)(신규 가스 격리 장치)와, 제12항에 있어서의 가스 흐름 격리 장치(소비 가스 격리 장치)가 결합되어 있는 조합체로서,

상기 제2 격리 장치의 출구 통로(206)는, 산소 함유 가스가 모듈(12B) 안으로 그리고 모듈을 통과하게 안내되는 것을 허용하여 합성 가스의 생성을 위한 산소 이온을 제공하기 위하여, 이온 이송막 모듈(12B)의 산소 함유 가스 입구(208)와 연통하도록 되어 있고, 상기 제2 격리 장치의 모듈 격리 밸브(40B)는, 이온 이송막 모듈로부터 제2 격리 장치의 입구 통로로의 합성 가스의 역류에 의해 발생되는 배압이 예정된 레벨을 초과할 때, 상기 합성 가스의 역류를 막도록 개방 상태에서 폐쇄 상태로 이동 가능한 것이고, 파열판과, 밸브 시트, 그리고 밸브 스템을 포함하는 것이며,

상기 모듈 격리 밸브의 파열판은 제1 면(50B)과 제2 면(54B)을 구비하고, 상기 제1 면은, 제2 격리 장치의 모듈 격리 밸브가 개방 상태에 있을 때, 이온 이송막 모듈의 산소 함유 가스 입구 및 제2 격리 장치의 출구 통로와 유통하고, 이에 의해 이온 이송막 모듈로부터의 합성 가스 역류에 기인하는 배압이 상기 파열판의 제1 면에 직접적으로 인가되며, 상기 파열판의 제2 면은 소요 저압으로 유지되는 챔버(56B)와 유통하고, 상기 파열판은 상기 배압이 예정된 압력 레벨을 초과할 때 파열하는 것이며,

상기 모듈 격리 밸브의 밸브 시트는 정상 작동 동안의 산소 함유 가스 흐름 방향에 있어서 상기 제2 격리 장치의 입구 통로와 출구 통로 사이에 있고, 상기 모듈 격리 밸브의 파열판의 하류와 상기 이온 이송막 모듈의 산소 함유 가스 입구의 상류에 있는 것이며,

상기 모듈 격리 밸브의 밸브 스템은, 대향하는 제1 단부와 제2 단부를 구비하고, 상기 제1 단부는 상기 제2 격리 장치의 파열판의 제1 면과 기계적으로 링크되어 있으며, 상기 제2 단부는 밸브 부재에 커플링되어 있고, 상기 밸브 스템의 제1 단부가 파열판에 기계적으로 링크되어 있을 때, 상기 밸브 부재는 상기 밸브 시트로부터 이격되어 있어, 상기 제2 격리 장치의 입구 통로로부터 상기 이온 이송막 모듈의 산소 함유 가스 입구로의 산소 함유 가스의 흐름을 허용하며, 이온 이송막 모듈로부터의 합성 가스 역류에 기인하는 배압을 상기 제2 격리 장치의 파열판의 제1 면에 직접적으로 인가하는 것이고,

상기 배압이 예정된 압력 레벨을 초과하여 상기 밸브 부재가 상기 제2 격리 장치의 밸브 시트에 대해 안착하게 되고 상기 제2 격리 장치의 모듈 격리 밸브가 폐쇄될 때, 상기 제2 격리 장치의 파열판이 파열하여, 합성 가스가 이온 이송막 모듈로부터, 상기 제2 격리 장치의 입구 통로의 안으로 그리고 소요 저압으로 유지되고 상기 파열판을 통해 상기 제2 격리 장치와 연통하는 챔버의 안으로 역류하는 것을 방지하는 것인 조합체.
제13항에 있어서, 상기 제2 격리 장치의 밸브 스템의 제1 단부는 상기 제2 격리 장치의 파열판의 제1 면과 맞물려서 이 제1 면에 기계적으로 링크되는 것인 조합체.
제13항에 있어서, 상기 산소 함유 가스가 상기 제2 격리 장치의 입구 통로에서 제2 격리 장치 안으로 들어가기 이전에, 산소 함유 가스가 통과하는 흐름 제한 오리피스를 포함하고, 상기 제2 격리 장치의 입구 통로는 상기 흐름 제한 오리피스의 상류에 있는 산소 수집 플레넘과 연통해 있는 것인 조합체.
제15항에 있어서, 상기 제2 격리 장치의 파열판과 연통하고 소요 저압으로 유지되는 상기 챔버는, 상기 산소 수집 플레넘으로부터의 가스와 유통함으로써 상기 소요 저압으로 유지되는 것인 조합체.
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제15항에 있어서, 상기 제2 격리 장치의 파열판과 연통하고 소요 저압으로 유지되는 상기 챔버는, 상기 산소 함유 가스의 흐름으로부터 독립되어 있는 저압 가스의 흐름과 유통함으로써 상기 소요 저압으로 유지되는 것인 조합체.
제13항에 있어서, 2개 이상의 모듈이 결합되어 있는 경우, 상기 제2 격리 장치의 파열판과 연통하고 소요 저압으로 유지되는 챔버는 공통 헤더의 일부분이고, 상기 제2 격리 장치의 모듈 격리 밸브는 파열판의 파열 이후에 폐쇄 상태로 있을 때 가스가 파열판을 지나 상기 제2 격리 장치의 파열판과 연통하는 상기 챔버 안으로 유동하는 것을 방지하는 것인 조합체.
하나의 모듈로부터 하나 이상의 공통 헤더를 통해 상기 하나의 모듈에 결합된 하나 이상의 다른 모듈로의 가스 흐름을 격리시키기 위한 가스 흐름 격리 장치 로서,

상기 하나의 모듈로부터의 출구와 연통하여 상기 하나의 모듈로부터 가스의 흐름을 받아들이도록 되어 있는 입구 통로와, 상기 가스의 흐름을 받아들이고 이 가스를 가스 흐름 격리 장치의 밖으로 안내하기 위하여 상기 입구 통로와 연통되어 있는 출구 통로;

가스 흐름 격리 장치의 하단부를 폐쇄하고, 대향하는 제1 면 및 제2 면을 구비하는 파열판;

상기 파열판의 하류에 있고 상기 파열판의 제2 면과 연통하는 저압 챔버;

밸브 시트 및 밸브 스템을 구비하는 모듈 격리 밸브를 포함하며,

이 모듈 격리 밸브는, 가스 흐름 격리 장치 내의 가스의 압력이 예정된 레벨을 초과할 때 상기 입구 통로로부터 상기 출구 통로로의 가스의 흐름을 막도록 개방 상태에서 폐쇄 상태로 이동 가능한 것이며, 상기 파열판의 제1 면은, 상기 하나의 모듈의 출구가 가스 흐름 격리 장치의 입구 통로와 유통하는 상태로 놓여 있고 모듈 격리 밸브가 개방 상태에 있을 때, 상기 하나의 모듈로부터의 출구와 유통하는 것이고, 상기 모듈 격리 밸브는 개방 상태 시에 가스 흐름 격리 장치의 입구 통로로부터 출구 통로로의 가스의 흐름을 허용할 뿐만 아니라 가스의 흐름이 상기 파열판의 제1 면에 작용하게 되는 것을 허용하며, 상기 파열판은 예정된 압력차가 파열판을 가로질러 발생할 때 파열되는 것이고,

상기 밸브 시트는 상기 입구 통로와 상기 출구 통로 사이에 있는 것이며,

상기 밸브 스템은 그 일단부에 밸브 부재가 마련되어 있고, 상기 모듈 격리 밸브는 상기 밸브 부재가 상기 밸브 시트로부터 이격되어 있을 때 개방 상태에 놓이며, 상기 밸브 부재가 상기 밸브 시트에 대해 안착되어 있을 때 폐쇄 상태에 놓이고, 상기 모듈 격리 밸브는 정상 상태에서 크러셔블 부재(crushable member)에 의해 개방 상태로 편향되고, 상기 크러셔블 부재가 압축될 때 폐쇄 상태에 놓이며, 상기 밸브 스템은 상기 모듈 격리 밸브가 개방 상태에 있을 때 상기 파열판에 힘을 전달하는 맞물림 상태에서 벗어나 있고, 상기 크러셔블 부재는 상기 파열판이 파열된 이후에 상기 밸브 부재에 대항하는 가스의 흐름에 의해 밸브 부재에 인가되는 힘에 의하여 압축되는 것인 가스 흐름 격리 장치.
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제20항에 있어서, 상기 크러셔블 부재를 위한 고정 지지면을 포함하고, 이 고정 지지면 내부에는 상기 밸브 스템과 축방향으로 정렬되어 있는 통로가 마련되어 있으며, 상기 크러셔블 부재는 상기 지지면 상에서 지지되어 있고, 상기 크러셔블 부재는, 상기 밸브 스템과 축방향으로 정렬되어 있는 통로와, 상기 밸브 스템에 연결되어 있고 상기 파열판이 파열된 이후에 상기 크러셔블 부재에 작용하여 압축하기 위하여 상기 밸브 스템에 의해 축방향으로 이동 가능한 작동 부재를 구비하는 것인 가스 흐름 격리 장치.
제20항 또는 제22항에 있어서, 상기 크러셔블 부재는 스프링 부재인 것인 가스 흐름 격리 장치.
제20항에 있어서, 2개 이상의 모듈이 결합되어 있는 경우, 상기 가스 흐름 격리 장치의 출구 통로는 공통 헤더의 일부분인 것인 가스 흐름 격리 장치.
제20항에 있어서, 가스가 가스 흐름 격리 장치를 빠져나갈 때 가스가 통과하는 흐름 제한 오리피스가 상기 출구 통로에 마련되어 있는 것인 가스 흐름 격리 장치.
제25항에 있어서, 소요 저압으로 유지되는 상기 챔버는 상기 출구 통로에 있는 흐름 제한 오리피스를 통과한 가스와 유통함으로써 상기 소요 저압으로 유지되는 것인 가스 흐름 격리 장치.
제20항에 있어서, 2개 이상의 모듈이 결합되어 있는 경우, 소요 저압으로 유지되는 상기 챔버는 공통 헤더의 일부분이고, 상기 모듈 격리 밸브는 파열판의 파열 이후에 페쇄 상태에 있을 때 가스가 파열판을 지나 상기 챔버 안으로 유동하는 것을 방지하는 것인 가스 흐름 격리 장치.
제20항에 있어서, 소요 저압으로 유지되는 상기 챔버는 그 내부에 저압 가스 를 포함하는 것인 가스 흐름 격리 장치.
제7항 또는 제28항에 있어서, 상기 저압 가스는 상기 출구 통로를 통해 유동하는 가스와는 별개인 것인 가스 흐름 격리 장치.
제28항에 있어서, 상기 저압 가스는 상기 출구 통로를 통과한 가스인 것인 가스 흐름 격리 장치.
제1항 또는 제20항에 있어서, 이온 이송막 모듈로부터 가스 흐름 격리 장치의 입구 통로로의 가스의 흐름을 허용하기 위해, 이온 이송막 모듈에 연결되도록 되어 있는 시일을 포함하는 것인 가스 흐름 격리 장치.
제1항 또는 제20항에 있어서, 산소 함유 가스로부터 산소를 분리하고 이 산소를 가스 흐름 격리 장치의 입구 통로를 향해 안내하기 위해 이용되는 타입의 이온 이송막 모듈에 연결되도록 되어 있는 시일을 포함하는 것인 가스 흐름 격리 장치.
제20항에 있어서, 합성 가스의 생성을 위해 이용되는 타입의 이온 이송막 모듈에 연결되도록 되어 있는 시일을 포함하고, 상기 가스 흐름 격리 장치는 소비 가스 격리 장치이며, 이 소비 가스 격리 장치의 입구 통로는 상기 모듈을 빠져나가는 소비 가스와 유통하는 것인 가스 흐름 격리 장치.
산소 함유 가스를 받아들이기 위한 입구 통로와, 이 입구 통로의 하류에 있는 상기 산소 함유 가스를 위한 출구 통로와, 제2 파열판과, 저압 챔버, 그리고 제2 모듈 격리 밸브를 구비하는 제2 격리 장치(신규 가스 격리 장치)와, 제33항에 있어서의 가스 흐름 격리 장치(소비 가스 격리 장치)가 결합되어 있는 조합체로서,

상기 제2 격리 장치의 출구 통로는, 산소 함유 가스가 제2 격리 장치로부터 이온 이송막 모듈 안으로 그리고 이 모듈을 통과하게 안내되는 것을 허용하여 합성 가스의 생성을 위한 산소 이온을 제공하기 위하여, 이온 이송막 모듈의 산소 함유 가스 입구와 연통하도록 되어 있고,

상기 제2 파열판은 상기 제2 격리 장치의 하단부를 폐쇄하며, 대향하는 제1 면과 제2 면을 구비하고,

상기 저압 챔버는 상기 파열판의 아래에 위치하며, 상기 파열판의 제2 면과 연통하고,

상기 제2 격리 장치의 제2 모듈 격리 밸브는, 이온 이송막 모듈로부터 제2 격리 장치의 입구 통로로의 합성 가스의 역류에 의해 발생되는 배압이 예정된 레벨을 초과할 때, 상기 합성 가스의 역류를 막도록 개방 상태에서 폐쇄 상태로 이동 가능한 것이고, 상기 제2 파열판의 제1 면은, 제2 모듈 격리 밸브가 개방 상태에 있을 때, 상기 합성 가스의 역류와 유통하며, 상기 제2 격리 장치의 입구 통로는, 상기 제2 모듈 격리 밸브의 개방 시에, 산소 함유 가스가 상기 제2 격리 장치로부터 이온 수송막 모듈 안으로 그리고 이 모듈을 통과하게 안내되는 것을 하용하여 합성 가스의 생성을 위한 산소를 제공하도록, 상기 제2 격리 장치의 출구 통로 및 이온 수송막 모듈의 산소 함유 가스 입구와 유통하는 것으로서, 상기 제2 모듈 격리 밸브는 밸브 시트와, 밸브 스템, 그리고 크러셔블 부재를 포함하고,

상기 밸브 시트는, 상기 제2 격리 장치의 입구 통로와 출구 통로 사이에 있는 것이며,

상기 밸브 스템은, 그 일단부에 밸브 부재가 마련되어 있고, 상기 제2 모듈 격리 밸브는 상기 밸브 부재가 상기 밸브 시트로부터 이격되어 있을 때 개방 상태에 놓이며, 상기 밸브 부재가 상기 밸브 시트에 대해 안착되어 있을 때 폐쇄 상태에 놓이는 것이고,

상기 크러셔블 부재는, 정상 상태에서 상기 제2 모듈 격리 밸브를 개방 상태로 편향시키기 위한 것이며, 상기 제2 모듈 격리 밸브는 상기 크러셔블 부재가 압축될 때 폐쇄 상태로 이동되며, 상기 밸브 스템은 상기 제2 모듈 격리 밸브가 개방 상태에 있을 때 상기 제2 파열판에 힘을 전달하는 맞물림 상태에서 벗어나 있고, 상기 크러셔블 부재는 합성 가스의 역류가 상기 제2 파열판을 파열한 이후에 상기 합성 가스의 역류에 의해 밸브 부재에 인가되는 힘에 의하여 압축되어 제2 모듈 격리 밸브를 폐쇄시키는 것인 조합체.
제34항에 있어서, 상기 제2 모듈 격리 밸브의 크러셔블 부재는 스프링 부재인 것인 조합체.
제34항에 있어서, 상기 제2 모듈 격리 밸브의 크러셔블 부재를 위한 고정 지지면을 포함하고, 상기 제2 모듈 격리 밸브의 밸브 스템과 축방향으로 정렬되어 있는 통로를 포함하며, 상기 제2 모듈 격리 밸브의 크러셔블 부재는 상기 지지면 상에서 지지되어 있고, 상기 크러셔블 부재는, 상기 제2 모듈 격리 밸브의 밸브 스템과 축방향으로 정렬되어 있는 통로와, 상기 제2 모듈 격리 밸브의 밸브 스템에 연결되어 있고 상기 제2 파열판이 파열된 이후에 상기 크러셔블 부재에 작용하여 이 크러셔블 부재를 압축하기 위하여 상기 제2 모듈 격리 밸브의 밸브 스템에 의해 축방향으로 이동 가능한 작동 부재를 구비하는 것인 조합체.
제36항에 있어서, 상기 제2 모듈 격리 밸브의 크러셔블 부재는 스프링 부재인 것인 조합체.
제34항에 있어서, 산소 함유 가스가 상기 제2 격리 장치의 입구 통로에서 제2 격리 장치 안으로 들어갈 때, 산소 함유 가스가 통과하는 흐름 제한 오리피스를 포함하고, 상기 제2 격리 장치의 입구 통로는 상기 흐름 제한 오리피스의 상류에 있는 산소 수집 플레넘과 연통해 있는 것인 조합체.
제38항에 있어서, 상기 제2 파열판의 제2 면과 연통하고 소요 저압으로 유지되는 상기 챔버는, 상기 산소 수집 플레넘으로부터의 가스와 유통함으로써 상기 소요 저압으로 유지되는 것인 조합체.
제16항 또는 제39항에 있어서, 상기 소비 가스 격리 장치의 파열판과 연통하고 소요 저압으로 유지되는 상기 챔버는, 상기 소비 가스 격리 장치의 출구 통로를 통과하는 소비 가스와 유통함으로써 상기 소요 저압으로 유지되는 것인 조합체.
제34항에 있어서, 상기 제2 격리 장치의 상기 제2 파열판의 제2 면과 연통하고 소요 저압으로 유지되는 상기 저압 챔버는, 상기 제2 격리 장치의 입구 통로를 향해 유동하는 상기 산소 함유 가스의 흐름으로부터 독립되어 있는 저압 가스의 흐름과 유통함으로써 상기 소요 저압으로 유지되는 것인 조합체.
제34항에 있어서, 2개 이상의 모듈이 결합되어 있는 경우, 상기 제2 파열판의 제2 면과 연통하고 소요 저압으로 유지되는 챔버는 공통 헤더의 일부분이고, 상기 제2 격리 장치의 제2 모듈 격리 밸브는 제2 파열판의 파열 이후에 폐쇄 상태로 있을 때 가스가 제2 파열판을 지나 상기 제2 파열판의 제2 면과 연통하는 상기 저압 챔버 안으로 유동하는 것을 방지하는 것인 조합체.