KR20080083271A

KR20080083271A - 산소 발생용 세라믹 오븐

Info

Publication number: KR20080083271A
Application number: KR1020087013396A
Authority: KR
Inventors: 튜안 카오
Original assignee: 칼튼 라이프 서포트 시스템즈, 인크.
Priority date: 2006-01-12
Filing date: 2007-01-02
Publication date: 2008-09-17
Also published as: EP1971424A2; US20070158329A1; US7309847B2; WO2007082107A3; WO2007082107A2; JP2009525164A; CA2632104A1

Abstract

내부 챔버(22), 가열 요소(12), 내부 챔버(22) 내에 장착된 하나 이상의 가스 발생 모듈(14), 공기의 입력 소스를 제공하는 공기 입구(26), 및 생성 가스 출구(16)를 포함하는 유형의 가스 발생 시스템(C)을 위한 오븐(10)은, 내부 챔버(22) 내에 장착된 공기 증폭기 부재(20)를 포함한다. 입력 공기가 오븐(10)의 내부 챔버(22)로 도입될 때, 공기 증폭기 부재(20)는 공기의 입력 소스의 공기 유동 특성을 증폭시킨다. 이러한 증폭은 오븐(10) 내부의 열적 균일도 및 공기 분포를 개선하는 오븐 공기 재순환을 촉진한다.

Description

산소 발생용 세라믹 오븐{CERAMIC OXYGEN GENERATING OVEN}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 발명의 명칭이 "산소 발생용 세라믹 오븐(Ceramic Oxygen Generating Oven)"이며 2006년 1월 12일자로 출원된 미국 가특허 출원 제60/766,352호의 우선권을 주장한다.

본 발명은 가스 분리 장치의 분야와 관련된다. 보다 구체적으로, 본 발명은 가스의 혼합물(예컨대, 공기)로부터 하나의 가스(예컨대, 산소)를 분리하기 위한 전기화학적 공정을 이용하는 장치와 관련된다.

가스 발생 시스템의 일 실시예에 있어서, 고체 상태 공정(solid-state process)은 의료용 또는 산업용으로 사용하기 위해 대기 중의 공기로부터 산소를 분리하는 데에 사용된다. 이러한 장치는 산소 발생용 세라믹 시스템 또는 COGS라고 불린다. 산소 발생용 세라믹 모듈(COG module)은 높은 온도에서 작동한다. COG 모듈을 제조하기 위해 사용되는 재료의 유형에 따라, 작동 온도는 800 ℃ 정도로 높을 수 있다. COG 모듈이 작동 온도에 도달하도록 하고 COG 모듈을 상기 작동 온도로 유지하기 위해서, 로(爐) 또는 오븐이 주로 사용된다.

오븐에 대한 입구 공기 유동이 요구된다. 입력 기류는 오븐 내부의 최소 산 소 농도를 유지하기 위해 산소 출력 유동의 10 내지 25 배인 것이 바람직하다. 공기 입력 대 산소 출력의 비는 내부의 오븐 공기의 재순환에 따라 결정된다. 보다 양호한 재순환은 일반적으로 더 낮은 입력/출력의 비와 상관관계가 있다.

기존의 오븐 구조의 대부분은, 입구 공기 온도가 내부 오븐 온도에 근사하게 되도록 하고 배출되는 공기 스트림으로부터 열을 회수하기 위해 열 교환기를 필요로 한다. 이러한 오븐은 일반적으로 열 교환기를 통과하는 적절한 유동을 발생시키기 위해 높은 압력에서 작동되어야만 한다. 열 교환기를 갖춘 오븐은 더욱 복잡하며, 조립이 더욱 어렵고, 공기 재순환도 적다.

본 발명은 공기 증폭기를 이용하여 COG 모듈에 입력 공기를 공급하는 오븐을 설명한다. 미국 특허 제4,046,492호에 설명된 것과 유사한 공기 증폭기는 공기 유동을 입구 공기 유동의 25 배까지 증폭시킬 수 있다.

일반적으로, 종래 기술의 장비는 다음의 단점을 갖는다.

- 열 교환기가 요구됨.

- 가압되는 오븐은 밀봉된 오븐이어야 함.

- 공기 순환의 부족은 큰 입력/출력의 비를 필요로 함.

유사하게, 본 발명은 다음의 장점을 갖는다.

- 다량의 공기 순환.

- 작은 입력/출력의 비.

- 열 교환기가 필요 없음.

- 상압 상태의 오븐.

위의 인용례는 당업계에서 다수의 괄목할만한 진보 및 기술적인 개선을 도입하며 개시하고 있지만, 어떠한 것도 본 발명에 의해 달성되는 특정 목적을 완전히 충족하지 못한다.

본 발명에 따르면, 내부 챔버, 가열 요소, 내부 챔버에 장착된 하나 이상의 가스 발생 모듈, 공기의 입력 소스를 제공하는 공기 입구, 및 생성 가스 출구를 포함하고, 가스 발생 모듈은 내부 챔버 내에 장착된 공기 증폭기 부재를 포함하는 유형의 가스 발생 시스템을 위한 오븐이 제공된다. 입력 공기가 오븐의 내부 챔버 내로 도입될 때 공기 증폭기는 공기의 입력 소스의 공기 유동 특성을 증폭시킨다.

증폭기를 구동하기 위해, 요구되는 COG 입구 공기가 사용된다. 오븐 공기는 증폭기에 의해 증폭된 공기 유동으로서 재순환된다. 열 교환기를 이용하는 것보다는 오븐 공기를 더욱 활발하게 재순환시킴으로써, 요구되는 입력/출력의 비를 가장 낮은 비, 예컨대 10/1까지 낮출 수 있다. 입력/출력의 비를 낮추면 입구 공기를 오븐 온도까지 가열하기 위해 요구되는 에너지가 줄어든다. 산소 발생 중에 COG에 의해 발생되는 열은, 입구 공기의 10 부(parts)가 주위 온도로부터 오븐 온도로 되도록 하기에 충분하다. 따라서, 배출물로부터의 열 회수는 불필요하다. 따라서, 오븐에 대한 열 교환기는 요구되지 않는다.

본 발명의 이들 목적, 다른 목적, 장점 및 바람직한 특징은, 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 첨부 도면을 참고로 하는 이후의 설명으로부터 명확해질 것이다.

이상 간략하게 요약된 본 발명의 보다 구체적인 설명은, 도면에 도시되고 이후에 더욱 상세하게 설명되는 예시적인 실시예로부터 가능하다. 이를 참고하여, 명확해질 전술한 특징뿐만 아니라 다른 특징들이 달성되는 방식을 알 수 있으며 자세히 이해할 수 있다. 그러나, 도면은 본 발명의 전형적이고 바람직한 실시예만을 도시하며, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 되는데, 이는 본 발명이 동등하게 유효한 실시예를 허용할 수 있기 때문이다.

도 1 및 도 2는 요구되는 가스를 생산하기 위해 2개의 세라믹 요소를 갖춘 본 발명의 오븐의 측면 단면도이다.

도 3은 오븐 부재를 통과하는 전형적인 공기 유동 경로 및 방향을 개략적으로 도시하는 본 발명의 오븐의 또 다른 측면 단면도이다.

본 발명의 전술한 특징, 장점 및 목적이 달성되는 방식을 상세히 이해할 수 있도록 하기 위해, 이상에 간략하게 요약된 본 발명의 보다 구체적인 설명은 첨부 도면에 도시된 본 발명의 실시예를 참고할 수 있다. 모든 도면에서, 동일한 도면부호는 동일한 요소를 나타낸다.

1999년 11월 16일자로 허여된 미국 특허 제5,985,113호, 1999년 2월 16일자로 허여된 미국 특허 제5,871,624호, 및 2001년 2월 27일자로 허여된 미국 특허 제6,194,335호는 모두 그 전체 내용이 본 명세서에 포함되며 본 출원의 양수인에게 양도되어 있고, 산소를 발생시킬 뿐만 아니라 높은 압력에서 산소 가스를 이송하기 위해 사용될 수 있는 전기화학적 산소 발생 장치가 어떻게 제조될 수 있는가를 교시한다. 본 명세서에서 사용되는 "좌측" 및 "우측"과 같은 용어는 상대적인 개념으로 이해되어야 하며 본 발명은 임의의 방향으로 사용 가능하다는 것을 이해해야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, COG 오븐 시스템(C)은 내장형 가열 요소(12) 및 다음의 구성요소를 구비한 단열 오븐(10)을 포함한다. COG 모듈(14)은, 생성물 튜브 또는 이송 튜브(16)가 요구되는 가스 산출물을 모으기 위한 매니폴드(18)에 연결된 상태로 오븐(10) 내부에 배치된다.

공기 증폭기 유닛(20)은, 공기 증폭기(20)의 출구 단부 또는 배출 단부(36)가 공기 가이드(24)에 연결된 상태로 오븐(10)의 내부 챔버(22) 안에 배치된다. 입구 공기 소스(26)는 증폭기 유닛(20)의 구동 포트(38)에 연결된다. 공기 증폭기(20)는 제어 가능한 방식으로 공기 압력을 증가시키기 위한 것이며, 일반적으로 유체 유동 속도를 증가시키기 위한 내부 테이퍼 구조를 갖는 벤츄리 유형의 장치 또는 앞서 인용한 미국 특허 제4,046,492호에 교시된 바와 같은 장치이다.

열전쌍(28)은 가온 작동 및 작동 중의 온도 제어를 위해 오븐(10)의 내부 챔버(22) 내에 선택적으로 배치된다. 산소가 제거된 공기가 오븐(10)의 내측 또는 내부 챔버(22)로부터 배출될 수 있도록 배기구(30)가 존재한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 선택적인 히터 로드(32)는 작동 중의 온도 제어를 위해 공기 스트림 내에 배치될 수 있다.

도 3은 내부 챔버(22)에서의 전형적인 공기 유동 패턴을 도시하고 있다. 증 폭기 유닛(22)의 출력 단부(36)로부터 분사되는 저온의 입구 공기는 오븐 내의 고온의 공기와 혼합되어 가온된 공기 혼합물을 발생시킨다. 공기 가이드(24)의 길이 방향을 따라 진행하는 중에, 가온된 공기는 요구되는 오븐 온도까지 가열된다. 고온의 공기는 배출 영역(40)을 통해[또는 요구되는 바와 같이 공기 가이드(24)의 길이 방향을 따라 다른 곳을 통해] 공기 가이드(24)를 빠져나오며, 증폭기(20)의 입구 단부 또는 도 3에 적절하게 도시된 바와 같은 오븐 유닛(10)의 내부 챔버에 있는 상단부로 순환된다.

COG 오븐(10)은 COG 시스템(C)의 하나의 구성요소 또는 하위 조립체로서 사용된다. 하나 이상의 COG 오븐(10)은 특별한 제어 알고리즘을 갖춘 시스템에서 사용될 수 있다. 가온 중에, COG 모듈 또는 요소(14)가 열적으로 충격을 받지 않도록 온도의 상승 속도를 제어할 필요가 있다. 입구 공기 유동 및 순환된 공기 유동은 입구 공기 압력에 따라 좌우되기 때문에, 제어기 유닛(34)은 작동 중에 입구 공기 압력을 제어할 수 있다. 입구 공기 압력은 오븐(10)이 최저 작동 온도에 도달하고 동력이 COG 모듈(14)에 인가될 때에만 적용될 수 있거나, 또는 열적 균일도를 향상시키기 위한 COG 모듈의 가온 중에 연속적으로 입구 공기 압력이 적용될 수 있다.

입구 공기 압력은 요구되는 입력/출력의 비[n 부(parts), 즉 비가 10/1인 경우 10임]를 달성하도록 설정된다. 작동 중에, 산소는 입구 공기로부터 제거되므로, 산소가 제거된 n-1 부의 공기는 오븐으로부터 배출된다. COG 오븐(10)은, 작동 중에 전체 열손실(열전도를 통한 배출물로부터의 열손실)이 산소 발생 중에 COG 모듈(14)에 의해 발생되는 열보다 약간 더 크게 되도록 구성될 수 있다. 열손실이 크면, 일반적으로 열폭주(thermal run away)가 방지되며, 히터(12)는 오븐 온도를 제어하기 위해 보조 열 공급원으로서 사용된다.

공기 재순환이 양호하면, 본 발명은 일반적으로 예로서 1 부의 산소 출력에 대해 10 부의 입구 공기[즉, 1 LPM의 산소 출력에 대해 10 LPM의 공기]를 요구하며, COG 모듈에 의해 발생되는 열은 입구 공기 전량(1 LPM 산소에 대해 공기는 10 LPM인 오븐)이 주위 온도로부터 오븐 온도로 되기에 충분하다(또는 거의 충분함). 설명을 위해 오븐으로부터의 열손실이 없다고 가정하면, 오븐 내부의 공기는 이미 오븐 (작동) 온도이다. 따라서, 전체 오븐을 작동 온도로 유지하기 위해 요구되는 에너지는 유입되는 공기를 주위 온도에서 오븐 온도까지 가열하기 위해 요구되는 에너지와 동일하다.

이와 같은 증폭은 오븐 공기 재순환 및 저온의 입구 공기와 고온의 오븐 공기의 혼합을 촉진하므로, 오븐(10) 내의 열적 균일도 및 공기 분포를 개선시킨다.

오븐 온도를 유지하기 위해 히터(12)로부터 요구되는 동력을 최소화함으로써, 최적화를 이루어 동력을 보존할 수 있다. 입력/출력의 비(이에 따라 일정 출력을 갖는 입구 공기 압력) 및 오븐 단열은 COG 오븐의 전체 열손실을 결정한다.

전술한 오븐 개념으로부터, 아래에 제시되고 특정 용례를 위해 선택되는 바와 같은 상이한 COG 오븐을 고안할 수 있다.

1. 오븐과 입구 및 출구가 연결된 상태에서 오븐 외부에 증폭기를 배치함.

2. 내장형 히터를 구비하지 않고 별도의 히터 요소(들)를 구비한 오븐을 사 용함.

3. 인라인 히터를 사용하여 입구 공기를 예가열함.

4. 저온의 공기와 고온의 배출 공기를 혼합하기 위해(배출물을 냉각시키기 위해) 증폭기를 부가함.

5. 평균적인 공기 유동을 제어하기 위해 압력을 바꾸는 대신 입력 공기의 펄싱(pulsing)을 이용함.

본 발명의 전술한 개시내용 및 설명은 예시적인 것이며 설명을 위한 것으로서, 본 발명의 사상에서 벗어나지 않고도 도시된 구조의 세부내용뿐만 아니라 크기, 형상, 및 재료에 있어서 다양한 변화를 행할 수 있다.

Claims

내부 챔버, 가열 요소, 내부 챔버 내에 장착된 하나 이상의 가스 발생 모듈, 공기의 입력 소스를 제공하는 공기 입구, 및 생성 가스 출구를 포함하는 유형의 전기화학적 가스 발생 시스템을 위한 오븐으로서,

공기 재순환 및 저온의 입구 공기와 고온의 오븐 공기의 혼합을 촉진하도록 오븐의 내부 챔버로 도입되는 공기의 입력 소스의 공기 유동 증폭 특성을 발생시키기 위해 상기 내부 챔버 내에 장착되는 공기 증폭기 부재 수단을 포함하는 것인 오븐.
제1항에 있어서, 상기 공기 증폭기 부재는 배출구를 구비하며, 공기 가이드 본체는 공기 증폭기의 배출구에 부착되어 공기 증폭기 부재를 빠져나오는 공기의 온도를 높이도록 안내하고 도움을 주는 것인 오븐.
제1항에 있어서, 상기 공기 증폭기 부재는 공기 증폭기 부재를 통과하는 유체 유동 속도를 증가시키기 위한 벤츄리 요소를 포함하는 것인 오븐.
제1항에 있어서, 상기 공기 증폭기 부재 내에 장착된 히터 요소를 더 포함하는 것인 오븐.
내부 챔버, 가열 요소, 내부 챔버 내에 장착된 하나 이상의 가스 발생 모듈, 공기의 입력 소스를 제공하는 공기 입구, 및 생성 가스 출구를 포함하는 유형의 전기화학적 가스 발생 시스템의 공기 유동 특성을 개선하기 위한 방법으로서,

오븐의 내부 챔버로 도입되는 공기의 공기 유동 증폭 특성을 발생시키기 위해 내부 챔버 내에 장착된 공기 증폭기 부재에 공기의 입력 소스를 제공하는 단계 및

공기 증폭기 부재로 유입되는 공기의 입력 소스의 압력과 관련하여 공기 증폭기 부재의 배출구에서 요구되는 레벨까지 공기의 입력 소스의 공기 압력을 높이는 단계를 포함하는 것인 공기 유동 특성의 개선 방법.
제5항에 있어서, 상기 공기 증폭기의 배출구에는 공기 가이드 본체가 부착되어 공기 증폭기 부재를 빠져나오는 공기의 온도를 높이도록 안내하고 도움을 주는 것인 공기 유동 특성의 개선 방법.
제5항에 있어서, 상기 공기 증폭기 부재는 공기 증폭기 부재를 통과하는 유체 유동 속도를 증가시키기 위한 벤츄리 요소를 포함하는 것인 공기 유동 특성의 개선 방법.
제5항에 있어서, 상기 공기 증폭기 부재 내에 장착된 히터 요소를 더 포함하는 것인 공기 유동 특성의 개선 방법.