KR101201150B1 - 저장 및 절용 모드를 갖는 산소 발생기 - Google Patents

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Abstract

전자 제어기(16)는 요구되는 가스를 생성하는 전기화학적 산소 발생 시스템(14)의 작동을 제어한다. 제품 가스는 저장 유닛(12) 또는 조절기(28) 및 사용자에게로의 가스 유동을 제어하는 펄싱 밸브(28)에 공급된다. 2단 시스템(180)은 저압 가스 발생 서브시스템(100) 및 고압 가스 발생 서브시스템(150)을 조합한다. 저압 서브시스템(100)은 주위 공기로부터의 산소를 펌핑하여 저압을 발생시키기 위해 IMAT(106)를 사용한다. 고압 서브시스템(150)은 고압 산소 저장 장치(194)로 산소를 펌핑하기 위해 IMAT(106)를 사용한다.

Description

저장 및 절용 모드를 갖는 산소 발생기{OXYGEN GENERATOR WITH STORAGE AND CONSERVATION MODES}
본 발명은 전기화학적 가스 발생기 분야, 더욱 구체적으로는 산소를 발생시켜 사용자에게 급송하기 위한 세라믹 산소 발생 시스템(ceramic oxygen generating systems; COGS)에 관한 것이다.
의료 분야, 레이저 절단을 위한 전자 산업 분야 및 그 외 다른 많은 분야에 있어서의 사용을 위해 실질적으로 순수한 산소를 발생 및 급송하는 다양한 방법이 존재한다. 순수 산소에 대한 2가지 주요한 사용 영역으로는 가정 산소 요법(home oxygen therapy; HOT) 환자 및 항공 승무원을 위한 호흡 용도로 사용하는 것이 있다.
산소는 상승된 압력으로 실린더 내에 저장될 수 있으며, 통상적으로 듀어(Dewar)라고 불리는 것 내에 액체 산소로서 저장될 수 있다. 이러한 기술은 보편적인 상식이며 오랫동안 사용되어 왔다.
더욱 최근에, 산소는 압력 변동 흡착(pressure swing adsorption; PSA) 공정 또는 진공 압력 변동 흡착(VPSA) 공정을 사용하여, 압축 공기 공급원으로부터 산소를 분리 및 농축시키기 위해 다양한 분자체(molecular sieves)를 사용하여 실시간으로 농축 또는 발생될 수 있다. 압력 변동 흡착에 의해 발생된 산소 제품은 가격이 낮으며 용이하게 이용 가능하다. 그러나 이러한 제품에 있어서의 산소 농도는 약 90 내지 95%이다.
더 더욱 최근에, 산소는 세라믹 막(membrane)의 일 표면에서 산소 분자를 이온화하고, 상기 막을 통해 상기 이온을 이동시켜, 상기 이온으로부터 과잉 전자를 제거함으로써 상기 막의 다른 표면 상에 산소 분자로서 상기 이온을 변형시키는 전기화학 공정을 사용하여 발생될 수 있다. 또한, 이러한 유형의 기술은 세라믹 산소 발생 시스템(COGS)으로서 알려져 있다.
흡기(inhalation)의 개시시 비삽관(nasal cannula)을 통해 사용자에게 단 펄스(short pulse)의 산소를 제공하는 산소 절용 장치(oxygen conserving devices)는, 만성 폐질환으로 고통받는 환자에게 급송되는 보충 산소의 양을 감소시키면서도 혈류에서 충분한 산소 포화 수준이 유지되도록 하기 위해 수년 동안 광범위하게 사용되어 왔다. 이는 산소의 펄스 투여(pulse dosing)로 일반적으로 인식되어 왔다.
이러한 유형의 펄스식 산소 투여 기술은 최근 들어 항공기에 사용되어, 통상적으로 32,000 피트까지의 고도에서 비행하는 일반 항공기의 조종사에게 보충 산소를 제공하여 왔다. 유사하게, 산소 호흡 조절기는 사용자의 산소 중독의 가능성을 최소화하기 위해 다양한 고도에서 비행체 승무원에 의해 소비되는 산소의 양을 감소시키는 반면, 더 높은 고도에서 저산소증의 발생을 방지하기 위한 최소 수준, 즉 생리학적 안전 산소 농도를 제공하도록 수년 동안 사용되어 왔다. 산소의 생리학 적 안전 농도는, 승무원에게 급송하기 전에 항공기 객실의 공기를 끌어들이고 이를 저장 또는 발생된 산소에 추가하여, 대기압-고도에 따라 요구되는 수준까지 농도를 낮추는 호흡 조절기에 의해 제공되어 왔다. 이는 가장 일반적으로는 공지된 공압 분사 장치를 사용하여 흔히 실행된다. 또한, 이러한 기술은 항공기 내의 PSA 산소 농축기로부터 발생되는 산소를 요구되는 농도로 희석시키기 위해 사용되어 왔다.
만약, 항공기에 PSA 산소 농축기가 설치되어 있고, 약 30,000 피트의 항공 고도 위에서 항공기의 객실 압력이 떨어지면, 약 95% 산소에 불과한 PSA에 의해 발생되는 산소의 순도는 승무원이 보다 높은 고도에서 안전하게 머물 수 있는 노출 시간을 제한한다. 그러나 만약, 항공 우주 산소 시스템이 99.5% 산소의 저장 산소로 이루어지거나, 99.5% 산소가 수용된 보충 산소 시스템(back-up oxygen system; BOS)을 갖는다면, 그러한 높은 고도에서 객실 압력의 감소가 발생한 경우에, 승무원 안전이 한층 강화될 수 있다. 그러나 고압 저장 또는 액상의 99.5% 산소의 사용은 일(日) 내지 주(週)를 기간으로 정하여 주기적 보충을 요구하며, 결과적으로 사용자의 보급 부담을 야기한다.
PSA 산소 농축기를 항공 우주 분야에 사용하는 것은 산소에 대한 일(日) 단위의 요구를 해결하지만, 더 높은 고도에서 객실 압력의 감소 후에의 사용을 위한 산소의 공급원으로서 허용하는 데에는 한계가 있었다. 현재, F-15E 항공기만이 일체형 압축기를 갖는 PSA 산소 농축기를 사용하여 발생 및 저장되는 93% 산소로 자동 충전되는 보충 산소 공급원을 사용한다. 차세대 항공기에 PSA 산소 농축기를 사용함에 있어 발생하는 한계는 덜 압축된 공기가 항공기에서의 PSA 산소 농축기 및 기타 공기 조절 시스템에 활용될 수 있게 하는 더 높은 바이패스비의 보다 효율적인 엔진을 사용하려는 추세에 있다. 이는 항공기 엔진으로부터 압축 공기의 사용을 최소화하거나 제거하고자 하는 시장의 압력을 야기한다.
많은 항공 우주 분야에서는 99.5% 보다 고 순도의 산소를 발생시키고 이를 비상 상황을 위해 높은 압력으로 저장하면서도, 항공기 조종실이 약 25000 피트 미만의 압력-고도와 동일할 때, 정상적인 비행 조건 위해 더 낮은 농도를 제공하는 방법에 대한 요구가 있다. 이러한 시스템은 소정의 정상 및 비상 비행 조건 하에서 약 70mmHg에 이르는 압력으로 산소를 급송할 수 있는 입-코 마스크를 포함하는 최근의 항공기 개인 장비와 양립될 필요가 있다.
유사하게, 많은 가정 산소 요법 환자들은 비삽관을 사용하여 펄스-투여식 산소 절용 장치를 통해 가정에서 산소를 급송할 수 있으면서, 또한 가정 밖에서의 일시적인 사용을 위해 휴대용 실린더에 산소를 저장할 수 있는 산소 발생기로 인해 많은 편의를 누릴 수 있다. 이는 사용후 휴대용 산소 실린더를 보충해야할 필요를 없앰으로써, 가정 건강 관리 제공자의 보급 부담을 덜어준다. 수면 장애를 앓고 있는 일부 환자는 그들이 잠들어 있는 동안, 요구되는 산소 혈액 포화 수준을 유지하기 위해 비삽관으로부터의 연속적인 흐름에 의해 보다 우수한 서비스를 받게 된다.
특정 조건에 노출되는 경우 특정 세라믹 재료는 그 매트릭스를 통해 산소 원자를 능동적으로 통과시킬 것이다. 이러한 개념의 종래 실시예는 적합하게 설계된 세라믹 막이 100% 산소를 농축하기 위한 수단 및 종래의 산소 실린더를 재충전하기 에 적합한 수준으로 산소를 압축하는 수단 모두로서 작용할 수 있다는 것을 보여주었다.
기본적인 세라믹 산소 발생 시스템은 일반적으로 세라믹 산소 발생 요소를 수용하는 하나 이상의 온도 제어식 오븐으로 구성된다. 세라믹 요소에 충분한 산소를 공급하기 위해, 공기는 오븐 내부에서 순환된다. 세라믹 요소가 고온(약 700℃)에서 작동하기 때문에, 공기는 오븐에 투입되기 전에 가열되어야 한다. 열 교환기는 열을 유지하고, 오븐으로부터 배출된 산소-고갈 공기(oxygen-depleted air)의 온도를 감소시키기 위해 사용된다.
전술된 이러한 기본적인 COGS의 주요 문제점은 다음과 같다.
- 공기 입력 흐름 대 산소 출력 흐름의 비율이 매우 높음(20 대 1). 이렇게 높은 입력 유량은 세라믹 요소에 대한 열 손실 또는 열 충격을 방지하도록 열 교환기를 구비할 것을 요구함.
- 열 교환기 효율은 열을 보전하도록 높을 필요가 있음. 따라서, 열 교환기는 고가임.
- 열을 교환하기 위해, 오븐은 복귀(산소-고갈 배기) 유동을 발생시키기 위해 가압됨. 양압은 오븐 상의 개구/균열 주위에서 열의 유출을 발생시킴.
고 순도 레벨, 고압 및 고온의 산소는 많은 종래의 재료의 격렬한 연소를 지원할 것이기 때문에, 위험한 환경을 조성한다. 따라서, 고압 및 고온으로 순수 산소를 유지할 수 있는 비용-효율적인 압력 용기를 설계하는 것은 매우 어렵다. 이러한 개념의 종래의 실시예는 종래의 산소 실린더로의 안전한 이동 및 상기 실린더 내의 안전한 저장을 위해 충분히 냉각될 수 있을 때까지, 고 순도의 산소를 위한 초기 압력 용기로서 세라믹 막을 사용해 왔다.
압력 용기로서 세라믹 막을 사용하는 것은 최대 작동 압력과 산소 농도의 비율 사이에서 강력한 반목을 야기한다. 세라믹 재료는 상대적으로 취성을 띠며, 따라서 내부 가압과 연관된 인장 응력을 견디는데 적합하지 않다. 모듈의 벽 두께를 증가시키는 것은 재료의 응력을 낮추겠지만, 이는 또한 모듈의 산소 농축 비율 및 작동 효율을 낮추게 될 것이다.
미국 특허 번호 제5,871,624호, 제5,985,113호, 제6,194,335호, 제6,352,624 호 등에서 개시된 일체형 매니폴드 및 튜브(Integrated Manifold and Tubes; IMAT)와 같은 세라믹 산소 발생 모듈가 산소 발생 시스템에 사용되어 왔다. 그러나, 대부분의 적용예에 있어서, IMAT의 외측면은 공기와 경계를 이루고, 산소는 세라믹을 통해 내부 공동(회로)으로 펌핑된다. 이러한 구조는 세라믹 상의 높은 인장 응력으로 인해 최대 산소 발생 압력을 제한한다.
전술된 인용 문헌들이 본 기술 분야에서 다수의 주목할 만한 진보 및 기술적인 개선을 도입 및 개시하고 있지만, 어느 것도 본 발명에 의해 얻어지는 특징적 목적을 완전하게 달성하지는 못한다.
본 발명에 따르면, 산소는 IMAT의 내부로부터 펌핑되어 외부에 압력을 발생시킨다. 세라믹은 인장보다 압축시의 응력을 더 잘 견딘다. 따라서, 최대 발생 압력은 전술한 구조와 비교하여 개선될 수 있다.
본 발명의 제1 실시예는 산소와 같은 원하는 가스의 제어된 양 및 압력을 생성하는 전기화학적 산소 발생 시스템의 작동을 제어하는 전기 제어식 유닛을 포함한다. 가스 발생 시스템으로부터의 출력 또는 제품 가스는 정화된 산소 또는 그 밖의 다른 가스의 사용자에게로의 제품 가스 흐름을 제어하는 조절기 또는 저장 유닛 중 어느 하나에 공급된다. 펄싱 밸브(pulsing valve)가 조절기 내에 포함되어, 사용자에게로의 정화된 산소의 흐름 및 양을 추가로 제어할 수 있다.
COGS 유닛의 제2 실시예는 2개의 서브시스템을 임의로 결합하는 2단 시스템을 포함한다. 하나의 서브시스템은 주위 공기로부터 내부 회로로 산소를 펌핑하여 저압 산소를 발생시키기 위해 IMAT를 사용한다. 다른 서브시스템은 IMAT의 제2 그룹을 사용하여, 내부 회로로부터 적절한 고압 산소 저장 장치로 산소를 펌핑한다.
본 발명의 이점은 다음과 같다.
- 동일한 구성의 IMAT가 양 서브시스템 모두에 사용될 수 있음.
- 생산 라인의 IMAT는 저성능 및 고성능으로 분리될 수 있으며, 저압 및 고압 서브시스템에서 사용될 수 있음. 상기 분리 및 사용은 폐기되는 IMAT를 감소시킬 것임. 따라서, 생산성은 개선될 수 있음.
본 발명의 저압 서브시스템의 출력 산소 순도는 매우 높다. 따라서, 고압 서브시스템 상에 요구되는 세정 공정(purging)이 없다.
본 발명의 또 다른 목적은 세라믹 막을 압력 용기로서 사용할 때 산소 농축율과 최대 작동 압력 사이의 모순을 제거하는 것이다.
본 발명의 이러한 목적 및 그 외 다른 목적, 이점, 및 특징은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 참조하여 이루어진 이하의 설명으로부터 자명할 것이다.
위에서 간단하게 요약된 본 발명의 구체적인 설명은 도면에서 예시되고, 이하의 상세 설명에서 추가로 논의되는 전형적인 실시예로부터 활용할 수 있다. 이러한 참조를 통해, 전술된 특징 및 자명한 다른 특징들이 어떻게 얻어지는지 알 수 있을 것이며, 상세한 설명을 통해 이해될 수 있을 것이다. 상기 도면은 본 발명의 전형적이고 바람직한 실시예만을 예시하고 있으나, 다른 동등한 효율적인 실시예에 허용할 수 있는 범위를 한정하는 것으로 간주되지는 않는다.
도 1은 일반적인 가정 산소 요법 용도에 적합한 원하는 가스를 발생 및 저장하기 위한 본 발명의 전기 및 공압 블럭도,
도 2는 항공 분야에서의 사용에 적합한 원하는 가스를 발생 및 저장하기 위한 본 발명의 전기 및 공압 블럭도,
도 3은 원하는 가스를 발생시키는 저압 및 고압 서브시스템을 갖는 본 발명의 전기 및 공압 블럭도,
도 4는 본 발명의 저압 COGS 서브시스템의 전기 및 공압 블럭도,
도 5는 본 발명의 저압 COGS 서브시스템의 관련 요소를 도시하는 전기 및 공압 블럭도,
도 6은 본 발명의 고압 COGS 서브시스템의 단면도,
도 7은 본 발명에 사용될 수 있는 IMAT 또는 세라믹 막 부분의 사시도.
전술한 본 발명의 특징, 이점 및 목적이 얻어지는 방식이 상세하게 이해될 수 있도록, 위에서 간단하게 요약된 본 발명의 더욱 구체적인 설명이 첨부된 도면에서 예시된 실시예를 참조하여 이루어질 수 있다. 모든 도면에 있어서, 동일한 도면부호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1 및 도 2를 특히 참조하면, 본 발명의 제1 실시예는 산소와 같은 원하는 가스의 제어된 양 및 압력을 생성하는 COGS, 즉 전기화학적 산소 발생 시스템(14)의 작동을 제어하는 전기 제어식 유닛(16)을 포함한다. 가스 발생 시스템(14)으로부터의 출력 또는 제품 가스는 정화된 산소 또는 다른 가스의 사용자에게로의 제품 가스 유동을 제어 또는 관리하는 조절기(28) 또는 저장 유닛(12) 중 어느 하나에 공급된다. 사용자에게로의 정화된 산소의 유동 및 양을 추가로 관리하기 위해 펄싱 밸브(26)가 조절기(28)에 포함될 수 있다.
가정 산소 요법(HOT) 사용에 대한 전술한 문제점들은 휴대 사용을 위한 실린더 또는 그 밖의 다른 적합한 저장 용기(10)에 산소를 저장 및 발생시키고, 또한 일정한 산소 유동이 수면 무호흡증과 같은 수면 장애를 가진 환자에게 더욱 효과적인 경우, 수면 동안의 사용 및 활성을 위해 또 다른 저장 용기(12)를 충전하는 옵션을 갖는 COGS(C)에 의해 동시에 충족될 수 있다. 본 발명은 전술된 환자 시나리오를 위한 적합한 유속을 제공하는 반면, COGS(C)의 크기, 중량 및 동력을 줄이는 것을 돕는다.
잠재적 절감의 예는 이하의 분석에서 주어진다. 가정 건강 관리 환자는 밤 에는 연속적인 3 lpm의 투여가 요구되며, 낮에는 단지 1 lpm 만이 요구될 수 있다. 이러한 시나리오에서, 1일당 전체 산소 사용량은 이하 개시되는 바와 같이 계산된다.
3 lpm × 60 분/시간 × 8 시간 + 1 lpm × 60 분/시간 × 16 시간 = 2400 리터
최근, 통상적인 PSA 농축기는 최악의 경우의 필요량을 충족시키기 위해 연속적으로 3 lpm을 제공하는 크기로 되어 있다.
전형적인 전자적 펄스 투여 시스템은 가스 소비에 있어 1/6 절약을 제공할 수 있으며, 이로써 이하 계산되는 바와 같이 하루 전체의 산소 소비가 도출된다.
3 lpm × 60 분/시간 × 8 시간 + 1/6 lpm × 60 분/시간 × 16 시간 = 1600 리터
펄스 투여 시스템을 사용하고, 밤에 연속 유동 모드에서의 사용을 위해 낮 동안 생성된 여분의 산소를 저장함으로써, 산소 발생 시스템(PSA 또는 COGS)은 분당 1.11 리터(1600 리터/1440 분/일)를 생산하도록 크기 결정될 수 있다. 따라서, 산소 공급 시스템은 밤에 연속적인 정점 유동이 여전히 제공되는 동안 종래의 시스템에 의해 요구되는 것보다 절반 이하의 가스를 제공하도록 크기 결정될 수 있다.
HOT 사용에 적합한 시스템(C)에 대한 개략도가 도 1에 도시된다. COGS(C)는 주위 공기로부터 산소를 전기화학적으로 추출하고, 이를 유동 밸브(22)를 갖는 가스관(20)을 통해 상승된 압력으로 급송하는 세라믹 산소 발생기(COG) 유닛(14)을 포함한다. 임의의 이동식 저장 실린더(ambulatory storage cylinder )(10) 및 밤시간 연속 유동 모드를 위한 임의 가스 저장 용기(12)는 유체 경로 또는 파이프(24)로 밸브(22)에 작동식으로 연결된 하나의 분기 라인을 갖는 매니폴드 또는 T교차점(들)(25)에 유체 유동 상태로 연결된다. 시스템 작동을 제어하는 전자 제어 유닛(ECU; 16)은 환자 또는 사용자 흡기 요구를 감지하는 압력 변환기(PT1; 18) 및 COG 유닛(14)으로 연결 경로(15)에 의해 전기식 또는 다른 작동식으로 연결된다. 밸브(26)는 바람직한 시간 및 기간에 ECU(16)에 의해 명령을 받아 개방된다. 조절기 유닛(28)은 매니폴드 또는 T교차점(들)(25)과 바람직한 또는 선택된 시간 및 기간을 위해 ECU(16)로부터의 제어 신호(17)에 의해 개방 명령을 받는 공기 또는 가스 유동 밸브(26) 사이에서 유체 유동 경로(30)에 작동식으로 연결된다. 압력 변환기(또는 스위치)(PT2, PT3; 31a, 31b)는 저장 탱크(12) 및 이동식 실린더(10) 압력에 대해 ECU(16)로 피드백을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
일반적으로, 캐뉼라(cannula), 마스크 또는 그 외 다른 공지된 산소 급송 수단(32)은 입력 흐름을 압력 변환기(18)에 임의로 공급하여 ECU(16)에 피드백 신호(36)를 제공할 수 있는 관형 경로(34)를 통해 조절기(28) 또는 밸브(26)와 유체 연통된다.
HOT를 포함한 용도에 적합한 시스템(C)의 대안적 실시예는,
1. 분리 가능하여 캐뉼라, 압력 변환기, 조절기 또는 이동 실린더와 연동할 수 있는 펄스 투여용 별도의 ECU와,
2. 이동식 실린더(10)를 유닛에 재장착할 때 보충식 저장부로부터 자동 공급이 가능하도록 설계될 수 있는 이동식 및 보충식 저장 연결부.
특히 도 2를 참조하면, 본 발명의 대안적 실시예는 비행용 산소 시나리오에 대한 일련의 상황과 연결된 문제점에 대한 해결책을 제공한다. 이 비행용 산소 시스템(V)은 수백 psi(pounds per square inch)의 압력으로 최소 99.5% 산소를 급송할 수 있는 세라믹 산소 발생기 유닛(14)과, 제1 산소 저장 용기 또는 탱크(38)와, 산소-절용 조절기(40)와, 바람직하게는 산소 절용 기능부가 장착되는 비형-구형(oral-nasal type) 승무원용 산소 마스크(42)로 이루어진다.
세라믹 산소 발생 시스템(COGS)(V)의 비행용 실시예는 항공기로부터의 별도의 또는 외부 압축 공기 공급원을 필요로 하지 않고 산소를 발생시킨다. 바람직하게는, 상기 장치는 저장 용기(38)의 크기를 감소시키고 임시 압축기(도시되지 않음)에 대한 필요를 없애기 위해, 500 psig 또는 그 이상에서 산소를 급송하기에 충분히 견고하다. 이러한 장치는 종래에 있는 것으로서 미국 특허 제5,871,624호 및 다수의 관련 후속 특허에서 개시된다. 발생기 유닛(14)은 산소 절용 기법을 사용하여 승무원(들)에게 충분한 산소를 제공하며, 원하는 상승된 압력으로 저장 용기 또는 보충 산소 시스템(BOS; 38) 혹은 임의의 비상 또는 대기 저장 용기 또는 시스템(EOS; 44)으로 발생되는 과잉 산소를 급송하도록 설계된다.
조절기의 작동 모드
산소-절용 조절기(40)는 바람직하게는 하나 이상의 작동 모드를 갖는다.
정상 모드는 승무원의 흡기의 초기 동안에만 산소를 급송하여, 호흡 사이클에서 가장 효율적인 경우에 산소를 제공하면서 산소를 절용하기 위해 펄스식 투여를 사용한다. 이로써 안전성은 감소시키지 않지만 산소 소비는 감소시키게 된다. 저장 산소는 더 큰 흐름 또는 더 높은 농도가 필요할 때 사용하기 위해 간직된다.
산소 농도의 증가를 요구하는 높은 고도에서 객실의 압력이 떨어질 때, 펄스식 투여는 더 긴 기간의 펄스로 변동되고, 더 높은 고도에서 100% 모드로 변동되는데, 여기서 산소는 펄스 투여 모드 대신에 호흡 가스에 대한 승무원의 요구에 응답하는 요구 유동 밸브(demand flow valve)를 통해 승무원에게 전달된다. 이러한 유동은 소정 기구를 통한 공지된 호흡-다이어그램(breathing diaphragm)의 작동 또는 하나 이상의 전기 작동식 유동 제어 밸브에 작용하는 압력 변환기 및 피드백 전자 제어 회로에 의해 공압적으로 제어될 수 있다.
약 40,000 피트 이상의 객실의 고도에서, 호흡 조절기는 유동을 제어하여 상승된 호흡 압력의 산소를 승무원에게 급송하여, 감소된 대기압에서 폐에 의한 산소의 흡수를 더 강화 및 유지하기 위해 고도에 대한 압력 호흡(pressure breathing of altitude; PBA)를 제공할 수 있다.
또한, 임의의 가속도계(48)로부터의 입력 신호(46)에 응답하는 조절기(40)는 항공기 가속도의 함수로서 산소 압력을 제공하여, 정상 중력 수준에 약 4배 이상의 높은 가속도에서 머리로부터 피의 부적격 유동(incapacitating flow)을 제거하는 것을 돕는다. 이는 통상적으로 G에 대한 압력 호흡(pressure breathing of G's; PBG)로 지칭된다. 임의의 내중력 밸브 요소(anti-G valve components)(58)는 ECU(16) 및 요구되는 바에 따른 비행용 시스템(V)의 그 외 다른 구성 요소에 작동식으로 연결될 수 있다. 추가로, 저중력 의복 또는 비행 중력복(60)은 내중력 밸브(58)를 통해 비행용 시스템(V)에 작동식으로 연결될 수 있다.
선택적으로, 압력 변환기(50)는 ECU(16)로의 제어 신호(52)를 발생시킬 수 있다. 또한, ECU(16)는 조절기(40)에 작동식으로 연결될 수 있다. 유동 밸브(54)는 객실용 공기 입구(55)와 마스크(42) 사이의 유동 경로에 선택적으로 위치할 수 있다. 객실용 공기 입구(55)로부터의 공기 흐름은 정화된 가스 제품과 객실 공기의 혼합을 허용하는 조절기(40)에 전달될 수 있다.
추가 제어 또는 밸브 시스템(56a, 56b, 56c, 56d)은 사용자를 위해 보충 안전 제어 시스템을 제공하도록 작동식으로 연결될 수 있다.
2단 시스템
COGS 서브 유닛의 추가 실시예는 저압 및 고압 가스의 정화 또는 발생 서브시스템(100, 150)을 선택적으로 조합하는 2단 시스템(180)을 포함한다. 저압 서브시스템(100)은 주위 공기로부터 내부 회로로 산소를 펌핑하여 저압 산소를 발생시키는 IMAT(106)를 사용한다. 그 외 다른 고압 서브시스템(150)은 IMAT의 제 2 그룹(160)을 사용하여 상기 내부 회로로부터 적합한 고압 산소 저장 장치(194)로 산소를 펌핑한다.
저압 서브시스템 구성요소
특히, 도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 저압 서브시스템 또는 구성요소(100)는 압력 변동 흡착(pressure swing absorption; PSA)와 같은 다른 발생 기법에 의해 공급되는 불순한 산소를 정화하기 위한 세라믹 산소 발생 요소를 사용한다.
산소 정화 서브시스템(102)은 일반적으로 도 5에 도시된 바와 같이, 하나 이 상의 공지된 세라믹 산소 발생 요소(세라믹 요소; 106)를 수용하는 오븐(104)과, 선택적 산소 센서(108)와, 제어 가능한 불순 산소 입력 회로(도시되지 않음)와, 주 제어기(110)와, 전력 공급원(112), 온도 제어기(114) 등의 작동식으로 결합된 부속 구성요소로 이루어진다.
온도 제어기(114)는 워밍업 및 작동 동안, 내부 챔버 내에서 오븐(104)의 내부 온도를 제어한다. 오븐 온도는 작동 온도까지 서서히 상승하여 세라믹 요소(106)에 대한 열적 충격을 방지한다. 상기 온도는 일정한 작동 온도(약 700℃)로 제어되어야 한다.
산소 센서(108)는 오븐(104) 내부의 산소 농도를 검지하고, 연결부(116)를 통해 주 제어기(110)로 신호를 공급한다. 산소 센서(108)는 일반적으로 세라믹 요소와 대략 동일한 작동 온도를 갖는 공지된 세라믹 유형(즉, 지르코니아)이다. 자동 산소 센서는 본 예에 사용하기 위한 훌륭한 예이다.
오븐(104)에 작동적으로 연결되는 불순 산소 입력 회로(118)는 일반적으로 임의의 유동 제한 장치(오리피스), 솔레노이드 밸브(120) 및 고온 분배 튜브(122)를 포함한다. 주 제어기(110)는 솔레노이드 밸브(120)를 제어하여, 오븐(104) 안으로 제한적 산소 흐름이 규칙적으로 흐르게 한다. 밸브 제어는 산소 센서(108)로부터의 산소 농도 피드백 신호에 기초를 둘 수 있다. 바람직하게는, 오븐(104) 내의 산소 농도는 주위 상태로 산소를 잃는 다거나 성능의 저하를 가져옴이 없이 최적의 IMAT 작동을 위한 농도의 15 내지 20%의 범위로 유지된다.
주 제어기(110)는 모든 제어 기능을 실행한다. 출력 압력이 최대 압력[압력 스위치(PSW; 124)에 의해 표시됨]보다 낮을 때, 주 제어기(110)는 전력을 세라믹 요소(106)에 인가하기 위해 연결부(126)를 통해 전력 공급원(112)에 신호를 보낸다. 그 동안, 주 제어기(110)는 주위 공기의 산소 농도(20.9%) 이하이면서 세라믹 요소를 효율적으로 작동하기 위한 최소 수준(15%) 이상의 수준으로 오븐(104) 내의 산소 농도를 제어한다. 바람직하게는, 산소 농도는 18 내지 20% 사이에서 제어된다.
저압 서브시스템(100)은 일반적으로 오븐 히터 요소(128), 열 교환기(130), 팬, 튜브, 밸브 및 기타 부품과 같은 그 밖의 공지된 구성요소를 포함한다.
본 발명의 저압 서브시스템의 이점은 다음과 같다.
- 어떠한 열 교환기도 요구되지 않거나, 저효율 열 교환기도 허용됨. 입력 대 출력 유동 비율이 낮음. 따라서, 입력은 분배 튜브 내부에서 이동하는 동안, 예열될 수 있음.
- 오븐(104)의 작동 압력은 단지 주위 압력보다 약간 높게 유지될 필요가 있음. 따라서, 대류를 통한 열 손실은 현저하게 감소됨.
- 오븐(104) 내부의 산소 농도는 주위로 산소를 잃는 일 없이 세라믹 요소(106)의 성능을 최적화시키도록 제어됨.
고압 서브시스템 요소
도 3, 도 6 및 도 7을 특히 참조하면, 본 발명의 고압 서브시스템(150) 또는 구성요소는 전술한 세라믹 막이 인장력 대신 압축력을 받게 한다. 세라믹 재료는 인장시보다 압축시에 대략 15배 더 강하다. 이러한 결과를 얻기 위해서는 인장 력을 다루기에 보다 적합한 비용 효율적인 압력 용기(152) 내에 고압, 고온 산소를 포함하는 방법을 모색할 것을 요구한다.
바람직하게는, 압력 용기(152)는 금속성 외부 셀(154)로 이루어지며, 또한 오븐으로서 작용한다. 상기 셀(154)은 적정량의 고온 불연성 단열체(156)로 라이닝된다. 단열체(156)의 목적은 금속성 셀(154)을 비교적 낮은 온도로 유지하고, 내부 챔버(158)의 보다 안쪽에 위치하는 잠재적 점화원으로부터 상기 재료를 차폐하는 것이다. 또한, 외부 셀(154)을 낮은 온도로 유지하는 것은 상기 재료가 높은 인장 강도 특성을 유지하게 하며, 산소와 유해한 상호작용을 할 가능성을 줄이며, 또한 외부 셀(154)과 세라믹 막(160) 사이의 고압 밀봉부를 유지하는 것을 보다 용이하게 한다.
내부 챔버(158)의 온도 제어는 2개의 별도의 공정으로 이루어질 수 있다. 먼저, 상기 챔버(158)는 열원(162)에 의해 작동 온도로 될 수 있다. 바람직하게는, 이러한 열원(162)은 챔버(158) 내부에 위치되는 불연성의 고온 가열 요소로 이루어진다. 대안적인 가열 방법은 제거 가능한 금속성 요소, 고온의 불연성 재료에 의해 차폐된 금속성 요소, 또는 챔버(158)의 내부로 안내되는 마이크로파 에너지와 같은 외부 발생 열원을 포함할 수 있다.
세라믹 막(160)이 작동되는 동안, 챔버(158)의 온도는 세라믹 막(160)에 대해 전압의 조절 및 외부 수단에 의해 외부 셀(154)의 제어된 냉각을 조합하여 제어되어야 한다. 점화 가능성을 낮추기 위해, 챔버(158)를 작동 온도까지 올리기 위해 사용되는 열원(162)은 고순도 산소가 챔버(158) 내부에 존재하는 동안 사용되지 않거나 제거될 수 있다.
고압 서브시스템 요소(150)의 바람직한 실시예는 공급원 가스로서 농축된 산소가 세라믹 막(160) 내부에 제공된다. 따라서, 입력 가스의 상대 조성(relative composition)은 작동 동안 세라믹 막 유닛에 대한 작동 부담을 감소시키기 위해 요구되는 제품 가스를 고려하여 미리 선택될 수 있다. 농축 산소의 사용은 대기 공기를 사용하는 것보다 훨씬 적은 입구 흐름을 요구함으로써 작동 동안 시스템의 열적 요구를 감소시킬 것이다.
대안적으로, 입력 가스는 당업계에 널리 공지된 열교환기와 같은 것으로 예비 처리되어, 입력 가스가 입구 포트(164) 내로 도입될 때, 세라믹 막(160)의 열적 충격을 감소시킨다.
고압 산소를 다루는 모든 분야에서 안전이 주요한 관심사이기 때문에, 전술한 바와 같이 다수의 유동 제어 장치가 챔버(158)의 입구 포트(들)(164) 및 제품 출구 포트(들)(166) 양자에 사용되어, 세라믹 막(160)의 고장시 누설을 최소화할 수 있다.
선택적으로, 내부 챔버(158)는 시동 성능을 개선시키기 위해 비워지거나 예압될 수 있다.
세라믹 막(160)은 평판, 튜브 또는 벌집 형상의 공지된 전기화학적 가스 발생기와 같은 전기화학적 산소 또는 가스 발생 시스템이나 고형 전해질 산소 발생 셀일 수 있다.
2단 세라믹 산소 발생 시스템용 조합 서브시스템
특히, 도 3의 2단 세라믹 산소 발생 시스템(180)의 기능도를 참조하면, 본 발명은 본 발명의 고압 서브시스템(150)과 저압 서브시스템(100) 양자를 포함한다.
2단 시스템(180)은 관련된 온도 제어기(114), IMAT 전력 공급원(112) 및 오븐 공기 공급 팬 또는 송풍기(186)를 구비한 저압 단[오븐(1)](100)과, 관련된 온도 제어기(182) 및 IMAT 전력 공급원(184)을 구비한 고압 단[오븐(2)](150)과, 주 제어기(110)와, 이 주 제어기(110)에 작동식으로 각각 연결되는 선택적 입력/출력 및 사용자 인터페이스 또는 표시부(188, 190)로 구성된다. 온도 제어기(114, 182)는 주 제어기(110)의 개별 구성요소 또는 하부 부품일 수 있다.
2단 시스템(180)은 기능적으로 2개의 서브시스템 또는 단, 즉 저압 및 고압 서브시스템으로 나누어진다. 전술된 바와 같은 저압 서브시스템(100)은 가열된 주위 공기 또는 제어된 불순 산소를 오븐(104)에 입력한다. 이러한 저압 서브시스템(100)은 저압 산소(0 내지 100 psig)를 발생시킨다. 저압 산소 제품은 입력 공급 흐름으로서 고압 서브시스템(150)에 공급되거나, 사용을 위해 저압 출구(192)로 출력될 수 있다.
또한, 전술된 고압 서브시스템(180)은 저압 서브시스템(100)으로부터 입력을 받아들인다. 고압 서브시스템(180)은 고압 실린더(194)를 재충전하기 위해 고압 산소를 발생시킨다(2000 psig에 이르는 압력).
저압 서브시스템(100)은 일체형 히터(128)를 구비한 오븐(104)과, 주 제어기(110)의 일부일 수 있는 온도 제어기(114)와, IMAT(106)의 세트(IMAT의 개수는 출력 요구 사항에 의존함)와, 열 교환기(130) 및 팬(186)을 구비한 공기 입력 및 분배체(196)와, 및 IMAT 전력 공급원(112)으로 구성된다. 저압단(100)용 오븐(104)은 열의 이탈(run-away)이 발생하지 않도록 열적으로 설계된다. 온도 제어기(114)는 정상 작동 동안 작동 온도를 제어한다.
고압 서브시스템(150)은 산소와 양립할 수 있는 히터(162)를 구비한 고압 밀봉 오븐(152), 온도 제어기(182)(주 제어기의 일부일 수 있음), IMAT(160)의 세트(그 개수는 출력 요구 사항 및 저압 서브시스템에서의 IMAT의 개수에 의존함)와, 및 IMAT 전력 공급원(184)으로 이루어진다.
2개의 단에서 사용된 IMAT의 개수 간의 비율은 IMAT의 최대 허용 전류 밀도에 의존한다. 고압단(150)용 오븐(152)은 정상 작동 동안 조금의 전력도 히터(162)로부터 요구되지 않도록 열적으로 설계된다. 내부 가열 요소(162)는 워밍업(시동) 기간 후에 작동하지 않게 된다. 작동 동안, IMAT(160)로부터 발생되는 열은 오븐 내부(158)를 작동 온도로 유지하기 위해 사용된다.
주 제어기(110)는 2개의 서브시스템(100, 150)의 작동을 제어하고, 사용자 인터페이스를 제공한다. 주 제어기(110)는 압력 스위치(124, 198) 및 상기 온도 제어기(114, 182)로부터 수신된 데이터에 기초하여 온도 제어기(114, 182) 및 전력 공급원(112, 184)을 작동(enable) 또는 비작동(disable) 상태로 할 수 있다. 시동, 충전 또는 대기 기간 동안 제어 방법은 후속하는 문단에서 설명된다.
시동 동안, 주 제어기(110)는 작동 온도(일반적으로 약 700℃)까지 2개의 오븐(104, 152)을 상승시키기 위해 온도 제어기(114, 182) 양자를 작동시킬 수 있다. 이 시간 동안, IMAT 전력 공급원(112, 184) 양자 및 오븐 공기 공급 팬(186)은 작 동하지 않는다. 두 오븐(104, 152) 모두가 작동 온도에 도달할 때, 2개의 서브시스템(114, 150)은 충전 모드 또는 기간을 이행한다.
충전 기간 동안, 주 제어기(110)는 먼저 저압 서브시스템(100)을 작동시켜, 산소 압력을 압력 스위치(PSW1; 124)의 상태를 변화시킬 지점까지 상승시킨다. 압력이 저압 회로(100)에서 생성된 후, 주 제어기(110)는 고압 서브시스템(150) 내의 내부 가열 요소(162)의 작동 정지를 개시한다.
그 후, 고압 서브시스템(150)의 온도 제어는 고압 IMAT 전력 공급원(IMAT 전력 공급원2; 184)을 사용하여 제어될 것이다. 주 제어기(110)는 저압 회로(PSW1; 124)에서의 산소 압력, 고압 회로(PSW2; 198)에서의 산소 압력, 및 고압 오븐 온도(온도 제어기2; 182)로부터 수신되는 신호를 기초로 IMAT 전력 공급원2(184)를 가용시킬 수 있다.
IMAT 전력 공급원 및 오븐 공기 공급 팬에 대한 제어 논리 방법론이 이하 개시된다. PSW1(124) 및 PSW2(198)은 서브시스템의 온/오프 제어의 과도한 순환을 방지하기 위해 바람직하게는 큰 이력현상(hystereses)을 가져야 한다.
바람직한 일련의 단계는 다음과 같다.
IMAT 전력 공급원1(112) 온 = [PSW1(124)는 낮은 수준보다 작음(즉, <50psig)] 및(AND) (온도는 최소 작동 온도보다 큼).
IMAT 전력 공급원1(112) 오프 = [PSW1(124)는 높은 수준보다 큼(즉, >100psig)] 또는(OR) (온도는 최소 작동 온도보다 작음).
오븐 공기 공급 팬(186) 온 = IMAT 전력 공급원1(112) 온.
IMAT 전력 공급원2(184) 온 = [PSW1(124)는 낮은 수준보다 작지 않음(NOT)(즉, >50psig)] 및(AND) [PSW2(198)는 높은 수준보다 크지 않음(NOT)(즉, <=2000psig)] 및(AND) [오븐 2(152) 온도는 최대 작동 온도보다 낮음(즉, <750℃)].
IMAT 전력 공급원2(184) 오프 = [PSW1(124)는 낮은 수준보다 작음(즉, <50psig)] 또는(OR) [PSW2(198)은 높은 수준 이상임(즉, >2000psig)] 또는(OR) [오븐 2(152) 온도는 최대 작동 온도보다 큼(즉, >750℃)].
충전 기간 후에[PSW2(198) 전환됨], 시스템은 대기 모드로 이행한다. 대기 모드에서, 저압 서브시스템(100)은 전술된 바와 동일한 작동 논리에 의해 제어된다. 그러나 고압 주 제어 목적은 오븐(152)을 압력의 순 증가 없이 작동 온도 범위에 유지하게 하는 것이다. IMAT 전력 공급원2(184) 출력 극성은 IMAT(160)가 산소 충전 압력에 있어서 순 증가 없이 열을 발생시키도록 순환된다.
대안적으로, 고압 서브시스템(150)에 입력 가스를 제공하는 저압 서브시스템(100)은 전기화학적 가스 발생기보다 오히려 PSA 타입일 수 있다.
대안적 시스템 실시예
저장 및 절용 모드를 갖는 본 발명의 산소 발생기는 이하의 대안적 실시예를 포함할 수 있다.
1. 흡기 개시시 산소 유동의 펄스를 발생시키기 위해 솔레노이드 밸브를 주기적으로 전환하는 대신에, COG 발생기 모듈(들)(14)에 인가되는 전압이 개인 또는 사용자에게 바람직한 주기적 유동을 생성하도록 주기적으로 변화될 수 있다. 이 실시예는 시스템 크기가 덜 중요하거나, 또는 압축된 산소 저장이 요구되지 않는 경우에 유리할 것이다. 전체 시스템 개략은 ECU(16)에 전자적으로, 그리고 비삽관(32)에 공압적으로 연결되는 COG 발생기 또는 시스템(14)으로 단순화되거나 감축될 수 있다. 또한, ECU(16)는 선택된 공지의 센서 구조로부터 센서 입력을 가질 수 있다.
2. 본질적으로 일관된 호흡 패턴의 소정 기간 후에, ECU(16)에 구현되는 소프트웨어 알고리즘(들)은 다음의 호흡을 예상 또는 예기를 개시할 수 있으며, 또한 산소 급송의 효율을 최적화하여 산소 소비를 추가로 절감할 수 있다.
3. 대안적 산소 급송 시퀀스는 호기(exhalation)의 종료시에 마스크 또는 캐뉼라 내로 산소를 주입하거나, 다음의 흡기를 준비하기 위해, 흡기의 완료시에 마스크 흡기 체크 밸브의 바로 상류측의 마스크 호스 내로 산소를 주입하게 된다. 이는 흡기 순서(sequence)의 검지가 시작하기를 대기하는 것에 대한 대안예인데, 그러한 대기는 시스템 응답을 지연시킬 수 있으며, 호흡 사이클의 가장 효율적인 순간에 산소를 제공하는데에는 실패할 수 있다.
4. 다른 센서는 주위 압력 및 온도에 대한 산소 펄스 조절을 최적화하기 위해 추가되어, 요구되는 생리적 보호를 제공한다.
5. 항공기의 높은 G 작동 동안, 선택적인 별도 내중력 밸브는 호흡 조절기(28)의 G에 대한 압력 호흡(PBG) 모드를 활성화하기 위해 압력 신호를 제공할 수 있다. 그 후, 호흡 조절기(28)는 COGS(14)에 의해 발생된 저장 산소를 사용할 것이며, 이를 항공기 객실로부터의 주위 공기에 추가하여 승무원의 생리적 요구에 맞 춰 요구되는 산소 농도를 제공할 것이다.
6. 대안적으로, 미국 특허 제6,450,943호에 개시된 바와 같은 푸시-풀(push-pull) 효과를 제거하기 위해 추가된 압력 제어를 제공하도록, 소정의 알고리즘이 호흡 조절기(28)용 전자 제어기에 제공될 수 있다.
7. 시스템이 워밍 순서에 있는 동안, 산소 요구를 충족시키기 위해 시스템 시동 동안 저장된 산소를 사용함.
8. COGS(14)에 의해 소진된 열 에너지는 승무원의 안락함과 같은 다른 필요를 위한 열원으로서 사용될 수 있다.
9. 본 발명의 시스템은 CBW(화생전; chemical biological warfare)에 노출되는 동안, 저장된 산소를 사용함으로써 100% 모드를 취할 수 있다.
10. 대안적으로, 본 발명의 시스템은 높은 고도에서 항공기로부터의 사출되는 동안 승무원에게 산소를 제공하는 사출 좌석 장착형 비상 산소 시스템(EOS; 44)에 산소를 제공할 수 있다.
11. 대안적으로, 가열된 엔진 방출 공기는 COGS 오븐 내부에 고온을 유지하기 위해 요구되는 단열량 및 열 손실을 감소시키기 위해 사용될 수 있다.
12. COGS(14)는 산소 압축기에 결합되는 PSA계 OBOGS와 같은, 상승된 압력의 산소를 급송할 수 있는 모든 산소 발생기로 대체될 수 있다.
13. 혈중 산소 수준을 개선하기 위해 산소 펄스 또는 연속적인 유동의 조절을 지원하는 폐쇄형 루프 피드백을 제공하기 위해 공지의 산소 포화도 측정기(oxymeter)가 추가될 수 있다. 환자 통지 알람으로 자동 제어 또는 수동 의사 결정(manual decision)을 허용하도록 알람이 개시될 수 있다.
14. 상기 제어는 수동 또는 자동으로 활성화될 수 있으며, 요구량이 실시간 발생 속도를 초과하고 저장량이 소진된 경우 발생 속도를 증가시키기 위해 COG 모듈(14) 구동 전압을 정상 전압 이상으로 증가시키는 비상 모드를 포함할 수 있다. 또한, 알람이 개시될 수 있다.
15. ECU(15)는 이동식 실린더와 함께 위치하도록 분리될 수 있으며, COG는 실린더(들)를 단지 재충전하도록 보다 간단하게 제어될 수 있다.
16. 비행 산소 용례의 경우, CBW 공격 동안, 진입 및 배출을 위한 통기성 공급원을 제공하기 위해 이동식 실린더가 추가될 수 있다.
17. 비행 산소 시스템에 있어서, 폐쇄 루프형 호흡 시스템은 산소를 절용하고, 산소를 절용하기 위해 여과된 공기에 대한 요구를 없애기 위해 CO2 세정기(scrubber)를 구비하여 설계될 수 있다.
본 발명에 대한 이상의 개시 내용 및 설명은 본 발명에 대한 예시 및 예증이며, 예시된 구성의 상세를 비롯하여 크기, 형상 및 재료에 있어서, 본 발명의 취지 및 범위를 벗어남이 없이 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (11)

  1. 가스 발생 시스템으로서,
    세라믹 막 구조체를 사용하여 제어된 양 및 제어된 압력을 가지는 요구되는 제품 가스를 생성하기 위한 전기화학적 산소 발생 유닛과,
    상기 전기화학적 산소 발생 유닛의 작동을 제어하는 전자 제어식 유닛으로서, 상기 전기화학적 산소 발생 유닛에 그리고 흡기 요구를 감지하기 위한 제1 압력 변환기 수단에 작동식으로 연결되는 전자 제어식 유닛과,
    상기 전자 제어식 유닛에 작동식으로 연결되어 저장 유닛 및 이동식 실린더 중 어느 하나 또는 양자 모두의 압력을 감지하기 위한 제2 압력 변환기 수단과,
    상기 전기화학적 산소 발생 유닛에 작동식으로 연결되어 제품 가스의 사용자에게로 보내지는 제품 가스의 유동을 제어하는 조절기 수단과,
    상기 전자 제어식 유닛 및 상기 조절기 수단에 작동식으로 연결되어 상기 제품 가스 소비를 절감하는 펄싱 밸브(pulsing valve)
    를 포함하는 것인 가스 발생 시스템.
  2. 저압 제품 가스 및 고압 제품 가스를 발생시키는 2단 세라믹 가스 발생 시스템으로서,
    세라믹 막 구조체를 포함하며 선택된 저압의 제품 가스를 발생시키는 저압 가스 발생 서브시스템과,
    별도의 세라믹 막 구조체를 사용하는 별개의 전기화학적 산소 발생 시스템 수단을 구비하는 고압 가스 발생 서브시스템으로서, 상기 저압 가스 발생 서브시스템으로부터의 제품 가스의 압력보다 높은 압력 수준의 요구되는 제품 가스를 발생시키기 위해 상기 저압 가스 발생 서브시스템으로부터의 저압 제품 가스의 적어도 일부를 고압 가스 발생 서브시스템의 세라믹 막 구조체의 입력 흐름으로써 수용하도록 되어 있는 고압 가스 발생 서브시스템
    을 포함하는 2단 세라믹 가스 발생 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 저압 가스 발생 서브시스템은, 내부 챔버 내의 산소 농도를 검지하여 오븐으로의 입력 가스를 제어하는 제어 모듈에 전달되는 신호를 발생시키기 위해 상기 오븐의 내부 공동부 내에 작동식으로 장착되는 산소 센서를 더 포함하는 것인 2단 세라믹 가스 발생 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 저압 가스 발생 서브시스템은 제품 가스를 발생시키기 위한 별도의 제2 세라믹 막 구조체를 더 포함하는 것인 2단 세라믹 가스 발생 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 저압 가스 발생 서브시스템은 압력 회전 흡착(PSA) 가스 발생기인 것인 2단 세라믹 가스 발생 시스템.
  6. 요구되는 제품 가스를 생성하기 위한 고압 가스 발생 시스템으로서,
    외부 셀 및 요구되는 압력 및 온도의 가스를 수용하도록 된 내부 공동부를 구비하며, 상기 내부 공동부로 입력 가스를 유통시키는 입구와 상기 내부 공동부 밖으로 제품 가스를 유통시키는 출구를 갖는 압력 용기와,
    상기 내부 공동부의 온도를 조절하기 위해 상기 내부 공동부 내에 위치하는 가열 요소와,
    상기 내부 공동부 내에 장착되며, 선택된 입력 가스를 정화하고 상기 요구되는 제품 가스를 생성하도록 되어 있는 적어도 하나의 전기화학적 가스 발생 유닛으로서, 세라믹 막 구조체를 포함하고, 상기 세라믹 막 구조체는 상기 세라믹 막 구조체와 상기 압력 용기의 외부 셀 사이의 압력 용기 내에 형성된 고압에 노출되는 것인 적어도 하나의 전기화학적 가스 발생 유닛을 포함하고,
    상기 세라믹 막 구조체는 상기 압력 용기 내에 형성된 고압 때문에 압축력을 받는 것인 고압 가스 발생 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 압력 용기는 상기 내부 공동부 내에 열을 유지하기 위 한 단열체(insulation)를 더 포함하는 것인 고압 가스 발생 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 상기 내부 공동부의 온도를 조절하도록 상기 가열 요소에 작동식으로 연결되는 제어기를 더 포함하는 고압 가스 발생 시스템.
  9. 제6항에 있어서, 상기 입력 가스의 온도는 세라믹 막에 급송되기 전에 미리 정해진 온도 상태로 조절되는 것인 고압 가스 발생 시스템.
  10. 제6항에 있어서, 상기 입력 가스의 상대 조성(relative composition)은 작동 중에 세라믹 막 유닛에 대한 작동 부담을 줄이기 위해 요구되는 제품 가스를 고려하여 미리 선택되는 것인 고압 가스 발생 시스템.
  11. 삭제
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