KR101873612B1 - 화학적 이산화탄소 기체 발생기 - Google Patents

화학적 이산화탄소 기체 발생기 Download PDF

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네덜란제 오르가니자티에 포오르 토에게파스트-나투우르베텐샤펠리즈크 온데르조에크 테엔오
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Abstract

- 충전물 하우징;
- a) 분해시 이산화탄소를 발생시키는, 탄산마그네슘, 다른 탄산염, 옥살산마그네슘 및 다른 옥살산염의 군으로부터 선택되는 물질 40-60 중량%,
b) 염소산나트륨, 염소산칼륨, 염소산리튬, 다른 금속 염소산염, 과염소산나트륨, 과염소산칼륨, 과염소산리튬 및 다른 금속 과염소산염의 군으로부터 선택되는 산화제 20-50 중량%,
c) 탄소 또는 다른 연료 1-20 중량%,
d) 결합제 1-10 중량%
를 포함하고, 상기 성분 a), b), c) 및 d)가 함께 충전물 총 중량의 90-100 중량%를 형성하는, 상기 하우징에 함유된 이산화탄소 기체 투과성 충전물;
- 충전물 점화를 위한 점화 장치;
- 발생한 이산화 탄소 내 - 충전물에 의해 형성되었을 수 있는 - 하나 이상의 부산물의 함량을 감소시키고/거나 충전물에 의해 발생한 이산화탄소를 냉각시키기 위한 이산화탄소 기체 처리 유닛; 및
- 충전물에 의해 발생한 이산화탄소 기체 배출구
를 포함하는 화학적 이산화탄소 기체 발생기.

Description

화학적 이산화탄소 기체 발생기{CHEMICAL CARBON DIOXIDE GAS GENERATOR}
본 발명은 응용화학, 더 구체적으로는 화학적 이산화탄소 기체 발생기, 화학적 이산화탄소 기체 발생기를 포함하는 장치, 이산화탄소 발생 방법 및 이산화탄소 기체 발생에 적절한 충전 재료에 관한 것이다.
화학적 분사제의 분해 또는 연소에 기초한 기체 발생 방법은 예를 들어, 에어백, 구명정 또는 구명조끼와 같은 부풀어 오르는(inflatable) 장치의 팽창, 공기압식 구동 장치의 작동, 또는 소방 장치에서의 사용과 같은 수많은 목적을 위해 종종 사용된다.
상대적 저온 기체를 얻는 공지의 화학적 방법은 일반적으로 특별한 유닛 내 고체 재료의 분해 또는 연소에 기초한다. 이러한 재료는 일반적으로 재료의 고체 블럭의 형태로 또는 (느슨하게) 패킹된 분말, 느슨한 과립 또는 느슨한 정제로서 만들어진다. 이러한 재료의 분해로부터 발생하는 고온 기체는 보통 특별한 화학적 냉각제에 의해 또는 열 교환기와 같은 특정의 고안된 특징에 의해 냉각된다. 고온 연소 기체는 냉각제 또는 열 교환기의 층을 통해 통과되고 냉각제의 흡열성 분해 과정 또는 냉각제에 의한 열 흡수의 결과로서 기체의 온도가 하강한다. 이러한 과정은 예를 들어 GB-A 1,371,506에 기술되어 있다.
RU 2108282에서 위에 인용된 것과 같은 지금까지 알려진 당해 분야의 결점 중 하나가 이러한 유닛의 비교적 복잡한 구조라는 것이 언급된다. 다른 결점은 공지의 기체 발생기가 150 ℃ 미만으로 기체가 냉각되는 것을 허용하거나 제공하지 않았다는 것이며, 이는 그러한 기체 발생기의 그러한 고온을 견딜 수 있는 시스템으로의 응용성을 제한한다. 다른 단점은 비교적 많은 양의, 예를 들어 일산화 탄소 (CO) 또는 산화질소와 같은 바람직하지 않은 부산물, 많은 양 및 큰 크기의 발생기의 형성을 포함한다. 질소 기체 발생기에 있어서, RU 2108282는 사용 후에 남는 반응성 슬래그의 결점을 가진다. 이 반응성 슬래그는 사용된 기체 발생기의 통제된 해체를 필요로 하며 이는 이것이 소비재에 덜 적절하도록 한다.
WO 01/23327은 위의 결점을 극복하기 위해 저온의 질소 기체를 효과적으로 발생시키는 기체 발생 장치를 제시한다.
따라서, WO 01/23327의 기체 발생기는 (질소) 기체의 발생을 위한 수단을 포함하는 하나 이상의 제1 몸체, 및 중화제의 발생을 위한 수단을 포함하는 하나 이상의 제2 몸체를 포함하고, 여기서의 수단은 상기 제1 몸체 내 기체의 발생으로부터 반응성 반응 산물 (슬래그)를 중화하기 위해, 상기 제1 몸체와 상기 중화제를 접촉시키기 위해 존재하며, 여기서의 수단은 제1 몸체 내 기체의 발생으로부터 시간 및/또는 공간 간격에서 제2 몸체 내 중화제의 발생을 작동하기 위해 존재한다.
WO 03/009899는 저온 산소 화학적 기체 발생기에 관한 것이며, 이는 50 ℃ 미만의 온도에서 산소 기체의 생성을 가능하게 한다. 이러한 발생기가 일부 응용 분야에서 질소에 대한 대안으로써 기능할 수 있으나, 산소의 반응성이 불리할 수 있고 발생하는 기체가 특정 목적에 부적절하게 만들 수 있다. 일반적으로, 그 기체는 소화기 응용 분야에서 사용될 수 없고 예를 들어 산소와 접촉하게 되는 재료의 부식과 같은 산화 반응에 기여할 수 있다.
질소 또는 산소 저온 기체의 기체 발생기에 대한 대안이 필요하다.
그러한 대안, 특히 위에 확인된 문서에서 언급한 기체 발생기의 하나 이상의 결점을 극복하는 그러한 대안을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
특히 독성 또는 유해한 성분을 포함하지 않거나 비교적 적은 양 포함하는 비교적 저온 기체를 발생시키기에 적절한 기체 발생기를 제공하는 것이 목적이다.
이제 질소와 상이한 기체상 분자를 주로 포함하는 비교적 저온 기체를 발생시키기에 적절한 기체 발생기 제공이 가능하다는 것이 밝혀졌다.
따라서, 본 발명은 다음을 포함하는 화학적 이산화탄소 기체 발생기에 관한 것이다:
- 충전물 하우징 (housing);
- a) 분해시 이산화탄소를 발생시키는, 탄산마그네슘, 다른 탄산염, 옥살산마그네슘 및 다른 옥살산염의 군으로부터 선택되는 물질 40-70 중량%,
b) 염소산나트륨, 염소산칼륨, 염소산리튬, 다른 금속 염소산염, 과염소산나트륨, 과염소산칼륨, 과염소산리튬 및 다른 금속 과염소산염의 군으로부터 선택되는 산화제 20-50 중량%,
c) 탄소 또는 다른 연료 1-20 중량%,
d) 결합제 1-10 중량%
를 포함하며,
상기 성분 a), b), c) 및 d)는 함께 충전물 총 중량의 90-100 중량%를 형성하는, 상기 하우징에 함유된 이산화탄소 기체 투과성 충전물;
- 충전물 점화를 위한 점화 장치;
- 발생한 이산화탄소 내 - 충전물에 의해 형성되었을 수 있는 - 하나 이상의 부산물 함량을 감소시키고/거나 충전물에 의해 발생한 이산화탄소 기체를 냉각하기 위한 이산화탄소 기체 처리 재료; 및
- 충전물에 의해 발생한 이산화탄소 기체 배출구.
본 발명은 또한 전술의 청구항 중 어느 하나에 따른 기체 발생기를 포함하는 장치에 관한 것이며 여기서 제품은 소화 장치, 특히 소화기, 빌딩 안의 소화 시스템; 부풀어 오르는 장치, 특히 구명조끼, 고무보트, 에어백, 부풀어 오르는 부표; 및 공기압식 구동 장치, 특히 공기압식 작동기, 공기압식 밸브의 군으로부터 선택된다. 이러한 장치의 설계는 그 자체가 공지된 설계에 기초할 수 있다.
본 발명은 또한 이산화탄소 기체 발생에 적절한 충전 재료에 관한 것이며,
a) 분해시 이산화탄소를 발생시키는 탄산마그네슘, 다른 탄산염, 옥살산마그네슘 및 다른 옥살산염의 군으로부터 선택되는 물질 40-70 중량%,
b) 염소산나트륨, 염소산칼륨, 염소산리튬, 다른 금속 염소산염, 과염소산나트륨, 과염소산칼륨, 과염소산리튬 및 다른 금속 과염소산염의 군으로부터 선택되는 산화제 20-50 중량%,
c) 탄소 또는 다른 연료 1-20 중량%,
d) 결합제 1-10 중량%
를 포함하고,
상기 성분 a), b), c) 및 d)는 함께 충전물 총 중량의 90-100 중량%를 형성한다.
본 발명에 따른 충전 재료는 특히 본 발명에 따른 기체 발생기에 대한 기체 투과성 충전물을 형성하기에 적절하다.
따라서, 본 발명은 또한 본 발명에 따른 충전 재료를 포함하는 화학적 이산화탄소 기체 발생기에 대한 기체 침투성 충전물에 관한 것이다.
이러한 충전물은 충전 재료 또는 충전 재료를 제공하기 위한 성분 a) 내지 d)를 습식 혼합하고, 이로써 습윤한 충전 재료를 얻고; 습식 혼합한 충전 재료를 과립화하고; 목적하는 공극률을 갖는 생성물을 얻기 위해 과립화된 재료를 압축하고; 압축된 생성물을 충전물에 대해 블록과 같은 원하는 형태로 형성하고 충전물을 건조함으로써 제조될 수 있다. 만들어진 충전물은 특히 충전물이 함유될 것인 하우징의 내부에 매칭하기에 적합할 수 있다.
본 발명은 또한 이산화탄소를 발생시키는 방법에 관한 것이며
- 본 발명에 따른 가스 발생기를 제공하고;
- 분해시 이산화탄소를 발생시키는 물질을 분해하고 이로써 이산화탄소 기체를 형성하고;
- 이산화탄소 기체가 다공성 또는 기체 투과성 충전물을 통과하여 이산화탄소 기체 처리 유닛으로 가게 하고 이후 이산화탄소 기체 처리 유닛을 통과하게 하고; 그리고
- 기체가 배출구를 통해 통과하게 하는 것
을 포함한다.
도 1은 본 발명에 따른 기체 발생기의 개략도를 보여준다.
도 2는 연소 충전물의 개략도를 보여준다.
본원에서 쓰인 "또는"이라는 용어는 다르게 명시하지 않는 한 "및/또는"을 의미한다.
본원에서 쓰인 "하나의" 또는 "한"이라는 용어는 다르게 명시하지 않는 한 "하나 이상"을 의미한다.
단수의 '명사' (예를 들어, 화합물, 첨가제 등)를 언급하는 경우 다르게 명시하지 않는 한 복수가 포함되는 것을 의미한다.
탄산염, 염소산염 및 탄소를 연료로서 포함하는 이산화탄소를 발생시키는 충전물은 수십 년간 알려져 있었다는 것을 염두에 두어야 한다. 예를 들어, US 4,097,241은 냉각수로서 탄산마그네슘, 산화제로서 염소산염 및 탄소 연료를 포함하는 불꽃 조성물에 관한 것이다. 이 충전물은 약 426.5 ℃의 온도를 갖는 이산화탄소 발생을 가능케 한다고 언급되어 있다 (컬럼 10, 38-42줄).
본 발명에 따라 비교적 저온에서 이산화탄소 기체를 발생시키는 것이 가능하다고 여겨지며; 통상적으로 충전물에서 이탈하는 기체가 선택적인 추가 냉각 (특히 충전물을 이탈하는 기체가 발열 처리를 받는 본 발명의 방법에서 수행될 수 있음) 이전에 이미 비교적 저온을 갖는다. (충전물을 이탈한 후 또는 배출구에서) 본 발명에 따라 얻어지는 비교적 저온의 기체는 본원에서 이하 '저온 기체'로 언급할 것이다. 이 용어는 일반적으로 100 ℃ 이하의 온도를 가지는 기체, 특히 90 ℃ 이하, 바람직하게는 70 ℃ 이하, 더욱 바람직하게는 50 ℃ 이하의 온도를 가지는 기체에 대해 사용된다. 기체 발생기의 배출구에서의 기체 온도는 대개 약 상온 또는 그 이상, 특히 25 ℃ 이상, 30 ℃ 이상, 또는 35 ℃ 이상이다.
본 발명에 따라, 기체를 기체 발생기로부터 얻을 수 있고 이 기체는 가장 풍부한 성분으로서 CO2를 포함한다. 특히, 본 발명은 75-100 몰%, 더욱 특히 80 몰% 이상의 CO2 함량을 갖는 기체를 제공하는 것을 가능하게 한다. 매우 유리한 실시태양에서, CO2 함량은 85 몰% 이상, 특히 90 몰% 이상이다.
실제로, 하나 이상의 다른 기체상 성분이 기체 발생기를 빠져나가는 기체 안에 존재할 수 있다. 따라서, CO2 함량은 99 몰% 미만, 특히 95 몰% 이하, 또는 90 몰% 이하일 수 있다.
얻어지는 기체는 통상적으로 25 몰 % 이하, 특히 15 몰% 이하의 농도로, 더욱 특히 5 몰% 이하, 또는 1 몰% 이하의 농도로 산소를 특히 포함할 수 있다. 산소는 (과)염소산염으로부터 발생한다고 생각되며, 이것이 바람직한 산소 방출 화학 물질로 알려져 있기 때문이다 (예를 들어, WO 03/009899 참고).
얻어지는 기체는 예를 들어 약 5 몰% 이하의 일부 물을 포함할 수 있다. 그러나 본 발명에 따라 물을 제거하기 위해 물 흡착제와 같은 특정 수단의 필요없이 특히 0.1 내지 1.0 몰%의 범위 내로 상당히 더 적은 물이 있는 기체를 제공하는 것이 가능하다.
또한, 적은 함량의 독성 또는 유해한 성분을 갖거나 본질적으로 그것이 없는 저온 기체를 수득하는 것이 가능하다고 밝혀졌다. 따라서, 본 발명은 폐쇄 공간에서 기체를 생산하는 데 이용될 수 있다. 본질적으로 없다는 것은 특히 0.05 몰% 미만, 더욱 특히 화합물이 표준 기체 검출기 튜브로 검출할 수 없다는 것을 의미한다.
특히, 탄산염 또는 옥살산염 및 염소산염 또는 과염소산염에 기초한 충전물을 가지는 기체 발생기를 이용하여 낮은 함량의 CO를 갖거나 본질적으로 CO가 없는 기체가 얻어진다는 것이 놀랍다. 그러한 충전물에서의 CO 형성이 예를 들어, 20 몰% 초과, 또는 50 몰% 초과로 실질적일 수 있고 이로써 CO2 생성을 초과할 수 있다는 것이 본 발명자들의 발견이다. 본 발명에 따라, 발생기로부터 얻어지는 저온 기체는 일반적으로 CO보다 실질적으로 더 많은 CO2를 함유한다. CO 농도는 바람직하게 3 몰% 이하, 특히 1 몰% 이하, 더욱 특히 0.1 몰% 이하이다. CO 농도는 25 ppmv 미만 또는 0일 수 있지만 (즉, 검출 한계 미만), 실제로 CO 농도는 약 10 ppmv 이상, 약 40 ppmv 이상, 또는 약 100 ppmv 이상일 수 있다.
그들의 연구 동안, 본 발명자들은 또한 a) 탄산염 또는 옥살산염, b) (과)염소산염, c) 연료 및 d) 결합제에 기초한 충전 조성물로부터 저온 기체를 발생시킬 때 염소 기체 (Cl2)가 형성될 수 있는 것을 밝혔다. Cl2는 부식성이며 건강상 위험을 줄 수 있을 뿐만 아니라 발생한 기체와 접촉한 장비의 부식을 야기할 수 있기 때문에 이는 바람직하지 않다. 본 발명에 따라, 염소 기체 함량이 낮거나 염소 기체를 추적할 수 없는 기체를 제공하는 것이 가능하다. 통상적으로 Cl2 농도는 1 몰% 이하, 특히 0.5 몰% 이하, 더욱 특히 0.1 몰% 이하이다. Cl2 농도는 0.1 ppmv 미만 또는 0일 수 있지만 (즉, 검출 한계 미만), 실제로 Cl2 농도는 약 1 ppmv 이상, 약 10 ppmv 이상 또는 약 100 ppmv 이상일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 (기체 발생기 내) 충전물은, 발생한 기체가 그 몸체를 실질적인 충전물의 파괴 또는 바람직하지 않은 부피 연소 없이 통과하도록 하면서 충전물이 발열적으로 분해 (연소)하고 이로써 CO2를 발생시킬 수 있다는 점에서 유리하다. 충전물은 일반적으로 압력 차이 하에 앞의 반응과 같은 방향으로 반응에서 발생하는 산소가 충전물의 다공성의 미가공 (분해되지 않은) 부분을 통과하는 그러한 방식으로 기체 발생기 안에 위치한다. 이러한 공정 때문에, 충전물과의 열 교환으로 인해 발생한 기체가 냉각된다. 동시에, 발생한 기체는 분해 반응을 유지하는 데 필요한 온도까지 앞의 반응 근처에서 충전물을 가열한다.
본 발명에 따른 (기체 발생기의) 충전 조성물의 유리한 점은 또한 낮은 독성을 가진다는 것이다.
반응 후에 형성되는 슬래그는 일반적으로 높은 용융점 및 비등점을 가지는 하나 이상의 물질에 의해 형성되며 기체 발생기 내에 잔류한다.
적절한 특성을 갖는 충전물의 제조는 본원에 기술한 정보, 흔한 일반 상식 및 경우에 따라 일부 정기 시험과 조합하여 예를 들어, WO 03/009899 또는 WO 01/23327에 기술된 방법론에 기초해서와 같이, 그 자체로 공지된 방식에 기초할 수 있다.
위에 나타낸 바와 같이, 충전물은 발생하는 기체에 투과성이다. 따라서 유리하게는 충전물이 구조물을 통한 채널 (개방 구멍)을 포함하는 구조물이다. 이러한 구조물은 특히 과립성 재료에 의해 제공될 수 있으며 그 과립은 (결합제에 의해) 함께 결합한다. 기체는 과립 사이의 사이 공간을 통해 그리고/또는 - 만일 과립이 다공성이라면 - 과립 내 구멍을 통해 통과할 수 있다. 일반적으로, 공극률 (εp)은 0.2 내지 0.75의 범위 내이다. 양호한 기체 흐름 특성, 양호한 재료 강도 및 재료의 부피 단위당 양호한 CO2 생산 수율을 위해 공극률이 0.30 내지 0.65의 범위 내인 것이 바람직하다. 특히, 0.40 내지 0.60의 범위 내 공극률 (εp)을 갖는 기체 투과성 충전물로 좋은 결과가 얻어졌다. 본원에서, εp는 이하로 정의된다: 1-(최대 이론적 조성물 밀도 (ρ c )로 나눈 충전물 밀도 (ρ ch ))
유리하게는, 충전물은 2 MPa 이상, 특히 2 내지 5 MPa의 압축 강도를 가진다. 압축 강도는 재료 알갱이(grain)를 프레스에 위치시키고 어떤 힘에서 그것이 부서지는지를 결정하는 것에 의해 측정될 수 있다 (알갱이 특성: 원형 원통, 직경 44 mm, 60 mm 길이, 힘이 바닥에, 이에 대하여 수직으로 작용함).
분해시 이산화탄소를 발생시키는 물질 (a)은 특히 알칼리성 토금속 및 알칼리 금속, 바람직하게 탄산칼슘, 옥살산칼슘, 탄산마그네슘 또는 옥살산마그네슘의 군으로부터 선택될 수 있다.
이론적인 이산화탄소 수율의 관점에서, 가능한 한 높은 분율의 물질 '(a)'의 충전물이 바람직하다. 한편으로는, 사용하는 동안 분해 반응이 유지되도록 주의를 기울여야 한다. 특히 탄산마그네슘으로 양호한 결과가 얻어졌다.
분해시 충전물 내 이산화탄소를 발생시키는 물질의 분율은 충전물의 중량에 기초하여 바람직하게 45 중량% 이상, 특히 50 중량% 이상, 더욱 특히 53 중량% 이상이다. 특히 탄산염 (탄산마그네슘)에 있어서, 충전물의 중량에 기초하여 55 중량% 초과, 더욱 특히 58 중량% 초과의 분율에서 또한 양호한 결과를 얻는 것이 가능하다고 밝혀졌다.
유리한 분해 속도에 대하여, 65 중량% 이하, 특히 62 % 이하의 분율에서 분해시 충전물 내 이산화탄소를 발생시키는 물질 (a)을 제공하는 것이 대개 바람직하다. 특히 바람직한 실시태양에서, 분해시 충전물 내 이산화탄소를 발생시키는 물질의 분율은 충전물의 중량에 기초하여 40-60 중량%의 범위 내와 같이 약 60 중량% 이하이다. 특정 실시태양에서, 상기 분율은 58 중량% 이하, 특히 55 중량% 이하이다.
충전물 내 (과)염소산염 (b)의 분율은 바람직하게는 충전물의 중량에 기초하여 25 중량% 이상, 특히 30 중량% 이상이다. 특히, 상기 분율은 44 중량% 이하, 더욱 특히 40 중량% 이하일 수 있다.
탄소에 대한 대안으로써, 연료 (c)는 특히 Al, Ti, Mn, Fe, Mo, Ni, Mg, Co, Zn 및 Cu로부터 선택될 수 있다.
충전물 내 연료, 바람직하게는 탄소의 분율은 충전물의 중량에 기초하여 바람직하게 2 중량% 이상, 특히 3 중량% 이상, 더욱 특히 4 중량% 이상이다. 만일 탄소, 알루미늄 또는 티타늄이 연료를 제공한다면, 분율은 바람직하게 9 중량% 이하이다. 특히, 상기 분율은 8 중량% 이하, 더욱 특히 7 중량% 이하일 수 있다. 특히 연료로서, Mn, Fe, Mo, Ni, Mg, Co, Zn 또는 Cu에 대해, 분율은 유리하게는 10 중량% 초과일 수 있다.
결합제 (d)로써, 원칙적으로 다른 성분을 결합하여 기체 투과성 충전물을 형성하기에 적절한 임의의 무기 또는 유기 결합제가 사용될 수 있다. 분명히, 결합제는 분해시 이산화탄소를 발생시키는 물질 (a), 산화제 (b) 및 연료 (c)와 상이한 물질이다.
유기 결합제의 예는 폴리테트라졸, 고분자 수지, 니트로셀룰로스, 및 페놀 수지를 포함한다. 유기 결합제 또는 실리콘 중합체는 분해할 수 있고 이로써 상당한 양의 수증기를 형성한다. 물이 기체 발생기 안 또는 밖에서 응축할 수 있고/거나 부식에 기여할 수 있기 때문에, 특히나 일부 이산화탄소가 응축된 물에 녹을 수 있고 이로써 산성 액체를 형성할 수 있기 때문에 비교적 높은 농도로의 수증기의 존재는 바람직하지 않다. 무기 결합제는 특히 물유리 (알칼리 금속 실리케이트), 광물 점토 및 제올라이트의 군으로부터 선택될 수 있다. 이러한 결합제는 특히 본 발명에 따른 발생기에서의 사용에 있어서 기체 투과성 충전물을 제공하기에 적절하며, 여기서 충전물은 사용 전과 사용 동안 앞의 반응이 충전물을 통과하는 실시태양에서 역시 작동하기에 충분한 강도와 결착성을 가진다 (아래의 도 1의 설명 역시 참조). 결합제가 일반적으로 분해되지 않고 이로써 충전물이 점화될 때 물을 형성한다는 점에서 물유리 (알칼리 금속 실리케이트), 광물 점토, 또는 제올라이트와 같은 무기 결합제의 특이적인 유리한 점은 그 불활성이다. 칼륨 물유리 (K2SiO3) 및 나트륨 물유리 (Na2SiO3), 특히 칼륨 물유리가 바람직하다.
충전 물 내 결합제, 바람직하게 무기 결합제의 분율은 충전물의 중량에 기초하여 바람직하게 3 중량% 이상, 특히 4 중량% 이상, 더욱 특히 5 중량% 이상이다. 특히, 상기 분율은 9 중량% 이하, 8 중량% 이하, 또는 7 중량% 이하일 수 있다.
바람직한 실시태양에서, 본 발명에 따른 (기체 발생기의) 충전 재료는 a) 탄산마그네슘, b) 염소산나트륨 및 c) 탄소를 포함한다. 특히 바람직한 실시태양에서, 본 발명에 따른 (기체 발생기의) 충전 재료는 a) 탄산마그네슘, b) 염소산나트륨 c) 탄소 및 d) 칼륨 물유리를 포함한다.
상기 성분 a), b), c) 및 d) 뿐만 아니라, 충전물은 하나 이상의 추가 성분 (첨가제)을 포함할 수 있다. 첨가제의 총 분율은 통상적으로 충전물의 총 중량의 10 중량% 이하, 특히 5 중량% 이하이다.
충전물 내 하나 이상의 첨가제는 특히 연소 속도 조정제, 이산화탄소의 발생을 촉매하는 촉매 및 염소 스캐빈저의 군으로부터 선택될 수 있다.
연소 속도 조정제는 특히 MnO2, CuO, NiO, CoOx, Co3O4, Fe2O3, Na2O, Na2O2, KO2, MgFeO4, KMnO4와 같은 연소 속도 촉매일 수 있다.
충전물 내 이산화탄소의 발생을 촉매하는 촉매는 특히 C의 CO2로의 전환 또는 CO의 CO2로의 전환을 촉매할 수 있는 이산화망간/산화구리 촉매 (홉칼라이트(hopcalite))와 같은 촉매의 군으로부터 선택될 수 있다.
충전물 내 염소 스캐빈저는 염소의, 예를 들어 염화물 또는 염소와 반응하는, 예를 들어 이로써 염화물을 형성하는 화합물로의 전환을 촉매할 수 있는 촉매일 수 있다. 그 예는 BaO2, SiO2, CoO, Co3O4, Li2O, Li2O2, MgO, CaO, MnO2; LiAlO2, 금속 붕산염, (LiBO2, Li2B4O7), 금속 인산염 (즉, Li3PO4), 금속 알루민산염을 포함한다.
본 발명에 따른 기체 발생기의 하우징은 이산화탄소 기체 처리 유닛을 포함한다. 통상적으로, 기체 처리 유닛은 충전물과 배출구 사이에 존재하여 발생하는 기체가 기체 처리 재료를 통해 통과하도록 한다. 기체 처리 유닛은 하나 이상의 상이한 기체 처리 재료를 포함할 수 있다. 다수의 기체 처리 재료가 존재한다면 이들은 단일층 또는 복수의 층으로 제공될 수 있다 (발생기가 사용될 때 기체 흐름의 일반적인 방향에 대하여 대개 직렬로 배치됨).
기체 처리 유닛은 특히 염소 흡착제, 물 흡착제, 이산화탄소로 CO를 전환하거나 일산화탄소의 전환을 촉매할 수 있는 재료, 입자 여과기 및 냉각수의 군으로부터 선택될 수 있는 기체 처리 재료를 포함할 수 있다.
냉각수로서, 흡열성 분해 재료 또는 불활성 재료가 제공될 수 있다. 불활성 냉각수 재료는 바람직하게는 낮은 열 전도도 및 높은 열 용량을 가진다. 따라서 바람직한 불활성 냉각수 재료는 (모래와 같은) 실리케이트 및 유사하거나 더 높은 열 용량 및/또는 유사하거나 더 낮은 열 전도성을 갖는 재료이다. 또한, 알루미나, 세라믹 재료 또는 금속이 특히 냉각수 재료로서 사용될 수 있다. 존재한다면, 냉각제의 중량은 통상적으로 충전물 질량의 1-30 %, 바람직하게 20 % 미만, 더욱 바람직하게 10 % 미만이다. 모래 또는 다른 과립성 재료와 같은 불활성 냉각수는 또한 충전물 또는 다른 기체 처리 재료로부터 이탈할 수 있는 (작은) 입자를 예방하는 필터로서 작용한다.
특정 실시태양에서, 존재한다면, 이것은 배출구 가까이에 위치한다 (충전물의 다운스트림 뿐만 아니라 다른 기체 처리 유닛(들) (층(들))의 다운스트림).
유리한 실시태양에서, 발생한 기체를 냉각하는 유닛은 하나 이상의 추가 기체 처리 유닛의 업스트림으로 위치하며 특히 이것은 충전물에 가장 가까운 처리 유닛으로서 위치할 수 있다. 따라서 기체는 예를 들어 CO 또는 Cl2를 제거하는 유닛으로 들어가기 전에 냉각될 수 있으며 이로써 제거 효율을 개선한다.
다른 유리한 실시태양에서, 사이에 하나 이상의 상이한 기체 처리 유닛이 위치해 있는 2 이상의 냉각 유닛이 제공된다. 예를 들어 이것은 특히 발열 공정에 의한 CO 또는 Cl2 제거와 같이 그 유닛에서 일어나는 공정의 발열 특성으로 인해 사이에 위치한 기체 처리 유닛이 기체 온도의 증가를 야기할 수 있는 경우에 유리할 수 있다.
냉각수로서 흡열성 분해 재료는 바람직하게 분해시 이산화탄소를 제공한다. 탄산 또는 옥살산 칼슘 또는 마그네슘과 같은 금속 탄산염 또는 옥살산염은 흡열 반응에서 분해하고 이로써 이산화탄소를 형성하며 기체를 냉각할 수 있다. 따라서, 이러한 재료는 충전물 뿐만 아니라 충전물의 다운스트림층에서 사용될 수 있다. 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것과 같이, 별도의 기체 처리 유닛에서 이러한 재료는 충전물 그 자체의 일부를 형성하지 않는다.
염소 흡착제는 특히 활성 탄소 (예를 들어, ABEK), 알칼리 (토)금속 과산화물 및 슈퍼옥시드의 군으로부터 선택될 수 있다.
물 흡착제는 특히 실리카겔, 제올라이트, 염화칼슘, 산화알루미늄, 산화바륨, 산화칼슘, 황산칼슘, 황산제2동, 산화마그네슘, 황산마그네슘, 오산화인, 탄산칼륨, 수산화칼륨, 황산나트륨, 염화아연의 군으로부터 선택될 수 있다.
CO의 CO2로의 전환을 촉매할 수 있는 재료는 특히 이산화망간/산화구리 촉매 (홉칼라이트) 예를 들어, 카룰라이트(carulite)일 수 있다.
기체 발생기의 설계는 공지의 기체 발생기, 예를 들어 WO 03/009899 또는 GB-A 1,371,506에 기술된 것과 같이 특히 공지의 저온 기체 발생기에 기초할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 기체 발생기의 개략적 대표도를 보여준다. 이는 예를 들어 경우에 따라 부스터 차지(booster charge)와 조합된 뇌관 또는 전기적 점화기와 같은 점화기 (1), 다공성 기체 발생 충전물 (2), 이산화탄소 기체 처리 유닛 (3) (수많은 상이한 재료로 형성될 수 있음, 나타나 있지 않음); 하우징 (4), (경우에 따른) 열 보호체 (5); 및 배출구 (6)를 보여준다.
점화기 (1)에 의한 점화시 충전물 (2)의 자발 분해 (연소)가 개시된다. 반응은 점화기에 인접한 충전물 표면에서 시작하며 앞의 반응은 반대 끝으로 배출구 (6) 쪽의 방향으로 충전물 몸체를 통해 진행한다.
압력 차이 하에서, 반응의 결과로서 발생하는 이산화탄소는 미가공 충전물의 몸체를 통해 통과하고 거기서 냉각되며 배출구 (6)를 통해 통과한다. 배출구에 기체를 저장 병 또는 기체로 이루어지는 것에 사용하기 위한 장치에 이르게 하는 도관이 제공될 수 있다.
바람직한 실시태양에서, 하우징은 바람직하게는 실리카 또는 충전물 (2)에 쓰이는 것과 동일하거나 또는 상이한 결합제가 함침된 유리 섬유로 만들어지는 열 보호체 (5)에 의해 분해하는 충전물의 열로부터 보호된다. 다른 바람직한 실시태양에서 충전물 (2) 자체가 하우징의 열 보호를 제공한다. 이 경우 일반적으로 약 1.5 mm 두께의 하우징 벽에 인접한 층은 하우징 (4) 벽에 의한 충전물 바깥의 냉각 때문에 연소하지 않는다.
바람직한 실시태양에서, 하우징 (4)은 강철, 알루미늄 또는 티타늄과 같은 금속으로 이루어진다. 다른 바람직한 실시태양에서, 하우징 (4)은 복합재료 (플라스틱 복합재)로 이루어진다.
충전물 (2)과 배출구 (6) 사이에 기체 처리 유닛 (3)이 존재한다.
위에 더욱 상세히 기술한 것과 같이 처리 유닛은 다수의 서브유닛 (층)을 포함할 수 있다.
바람직한 실시태양에서 하우징 (4)은 용이한 운반을 위해 핸들 또는 손잡이를 갖는다. 다른 바람직한 실시태양에서, 하우징 (4)은 부착 고정체를 가지며 이는 상이한 장치에서 기체 발생기의 용이한 마운팅을 제공한다. 이러한 고정체는 나사로 된 끝, 플랜지(flange), 나사 연결부 또는 당해 분야에 알려진 다른 표준 연결부를 수반한다.
도 2는 준정상 상태 연소 중의 충전물의 개략도이다. 왼쪽에 충전물의 분해된 부분 (7)이 있다 (슬래그).
앞의 분해 (8)가 왼쪽에서 오른쪽으로 이동한다. 산출된 이론적인 평형 분해 온도는 1500 K를 초과하지 않고 바람직하게는 800 내지 1200 K의 범위 내이다. 이탈된 이산화탄소 (11)는 압력 차이 하에 미가공 다공성 충전물 (9)을 통해 통과하며 이로써 미가공 충전물의 온도 (10)를 높이고 이산화탄소 기체 온도를 감소시킨다. 앞의 분해 뒤 짧은 거리에서 (대개 약 2 mm 내지 약 2 cm) 온도는 최초 충전물 온도에 근접한 값으로 떨어진다. 우변에서 이산화탄소 흐름이 충전물을 떠난다. 충전물 길이의 거리의 함수로서 온도 프로파일 (10)이 개략적으로 나타나 있다. 충전물에서 발생하는 기체의 추가 냉각은 일반적으로 충전물의 기체 처리 유닛 다운스트림에서 발생한다 (도 2에 나타나지 않음).
본 발명은 이제 다음의 실시예에 의해 설명될 것이다:
실시예
탄산마그네슘, 산화제, 연료 및 결합제를 포함하는 충전물을 다음과 같이 만들었다: 칭량 후 건조 분말을 광범위하게 혼합하였다. 물 용질화 결합제를 정량의 수분과 함께 가하였고 균일화된 혼합물을 얻기 위해 다시 광범위하게 혼합하였다. 혼합물은 이후 체 위에서 과립화하였으며 틀에 넣고 필요한 전체적 공극률까지 여러 단계로 압축하였다. 습윤한 다공성 충전물이 있는 틀을 대기와 150 ℃ 사이의 온도 범위에서 최적화된 건조 프로파일에 따라 오븐에서 건조하였다. 그 후 충전물을 틀에서 꺼내서 눈으로 조사하였다.
다음의 표에서, 테스트한 충전물 및 사용된 기체 처리 유닛 (기체 발생기 내, 충전물의 다운스트림)의 조성이 주어진다. 충전물에 대한 총 질량은 약 100 g이었다.
Figure 112013080733627-pct00001
기체 발생기 내 충전물은 가열된 저항선으로 점화하였고, 발생기의 배출구에서 기체 온도를 측정하였으며 나중의 분석을 위해 발생한 기체를 주머니에 수집하였다.
염소, 일산화탄소, 이산화탄소, 물 및 산소 함량을 기체 검출기 튜브 및 기체 크로마토그래피를 이용하여 결정하였다.
그 결과가 다음의 표에 나타나 있다
Figure 112013080733627-pct00002

Claims (31)

  1. - 충전물 하우징;
    - a) 분해시 이산화탄소를 발생시키는, 탄산마그네슘, 다른 탄산염, 옥살산마그네슘 및 다른 옥살산염의 군으로부터 선택되는 물질 40-70 중량%,
    b) 염소산나트륨, 염소산칼륨, 염소산리튬, 다른 금속 염소산염, 과염소산나트륨, 과염소산칼륨, 과염소산리튬 및 다른 금속 과염소산염의 군으로부터 선택되는 산화제 20-50 중량%,
    c) 탄소 또는 다른 연료 1-20 중량%,
    d) 결합제 1-10 중량%
    를 포함하고, 상기 성분 a), b), c) 및 d)가 함께 충전물 총 중량의 90-100 중량%를 형성하는, 상기 하우징에 함유된 이산화탄소 기체 투과성 충전물;
    - 충전물 점화를 위한 점화 장치;
    - 발생한 이산화탄소 내 - 충전물에 의해 형성되었을 수 있는 - 하나 이상의 부산물의 함량을 감소시키고/거나 충전물에 의해 발생한 이산화탄소를 냉각시키기 위한 이산화탄소 기체 처리 유닛; 및
    - 충전물에 의해 발생한 이산화탄소 기체 배출구
    를 포함하는 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  2. 제1항에 있어서, 결합제가 무기 결합제인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  3. 제2항에 있어서, 무기 결합제가 물유리, 광물 점토 및 제올라이트의 군으로부터 선택되는 것인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  4. 제3항에 있어서, 무기 결합제가 칼륨 물유리 (K2SiO3)인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  5. 제1항에 있어서, 이산화탄소 기체 처리 유닛이 염소 흡착제, 물 흡착제 및 일산화탄소를 이산화탄소로 전환하거나 전환을 촉매할 수 있는 재료의 군으로부터 선택된 하나 이상의 재료를 포함하는 것인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  6. 제1항에 있어서, 충전물이 연소 속도 조정제, 이산화탄소 발생을 촉매하는 촉매 및 염소 스캐빈저의 군으로부터 선택된 하나 이상의 첨가제를 10 중량% 이하의 총 농도로 포함하는 것인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  7. 제1항에 있어서, 분해시 이산화탄소를 발생시키는 물질의 농도가 45-65 중량%의 범위 내인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  8. 제7항에 있어서, 분해시 이산화탄소를 발생시키는 물질의 농도가 50-60 중량%의 범위 내인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  9. 제1항에 있어서, 산화제의 농도가 25-44 중량%의 범위 내인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  10. 제9항에 있어서, 산화제의 농도가 30-40 중량%의 범위 내인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  11. 제1항에 있어서, 연료의 농도가 2-9 중량%의 범위 내인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  12. 제11항에 있어서, 연료의 농도가 4-8 중량%의 범위 내인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  13. 제1항에 있어서, 결합제의 농도가 3-9 중량%의 범위 내인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  14. 제13항에 있어서, 결합제의 농도가 4-8 중량%의 범위 내인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  15. 제1항에 있어서, 분해시 이산화탄소를 발생시키는 물질이 탄산마그네슘이고 산화제가 염소산나트륨이며 연료가 탄소인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  16. 제1항에 있어서, 충전물이, 결합제에 의해 과립이 함께 결합되어 있는 과립성 재료에 의해 제공되는 구조물을 관통하는 채널을 포함하는 구조물인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  17. 제1항에 있어서, 충전물이
    1 - (최대 이론적 조성물 밀도 (ρc)로 나눈 충전물 밀도 (ρch))
    로 정의되는, 0.30 내지 0.65의 범위 내의 공극률 (εp)을 갖는 것인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  18. 제17항에 있어서, 공극률이 0.40 내지 0.60의 범위 내인 화학적 이산화탄소 기체 발생기.
  19. 소화 장치, 부풀어 오르는 장치, 및 공기압식 구동 장치의 군으로부터 선택되는, 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 기체 발생기를 포함하는 장치.
  20. 제19항에 있어서, 소화장치가 소화기 및 빌딩 안의 소화 시스템의 군으로부터 선택되는 것인 장치.
  21. 제19항에 있어서, 부풀어 오르는 장치가 구명조끼, 고무보트, 에어백 및 부풀어 오르는 부표의 군으로부터 선택되는 것인 장치.
  22. 제19항에 있어서, 공기압식 구동 장치가 공기압식 작동기 및 공기압식 밸브의 군으로부터 선택되는 것인 장치.
  23. - 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 기체 발생기를 제공하는 단계;
    - 분해시 이산화탄소를 발생시키는 물질을 분해하고, 이로써 이산화탄소 기체를 형성하는 단계;
    - 이산화탄소 기체가 충전물을 통과하여 이산화탄소 기체 처리 유닛으로 가게 하고 이후 이산화탄소 기체 처리 유닛을 통과하게 하는 단계; 및
    - 기체가 배출구를 통해 통과하게 하는 단계
    를 포함하는, 이산화탄소를 발생시키는 방법.
  24. 제23항에 있어서, 기체가 100 ℃ 이하의 온도에서 배출구를 통해 통과하게 하는 것인 방법.
  25. 제23항에 있어서, 기체가 70 ℃ 이하의 온도에서 배출구를 통해 통과하게 하는 것인 방법.
  26. 제23항에 있어서, 기체가 50 ℃ 이하의 온도에서 배출구를 통해 통과하게 하는 것인 방법.
  27. 제23항에 있어서, 배출구를 통과하는 기체가 75 몰% 이상의 이산화탄소, 0.1 몰% 미만의 염소, 0.1 몰% 미만의 CO, 및 1 몰% 미만의 물을 포함하는 것인 방법.
  28. 제23항에 있어서, 배출구를 통과하는 기체가 80 몰% 이상의 이산화탄소, 0.1 ppmv 미만의 염소, 25 ppmv 미만의 CO, 및 0.1 몰% 미만의 물을 포함하는 것인 방법.
  29. 제23항에 있어서, 분해에 의해 형성되는 기체에 의해 발생하는, 배출구와 충전물이 존재하는 하우징 내부 사이의 압력 차이에 의해 기체가 충전물을 통해 통과하는 것인 방법.
  30. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항의 이산화탄소 기체 투과성 충전물로 정의되는 조성을 갖는, 이산화탄소 기체 발생에 적절한 충전 재료.
  31. 제30항에 따른 충전 재료를 포함하는 화학적 이산화탄소 기체 발생기용 기체 침투성 충전물.
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