KR20220011623A - 산소 생산을 위한 휴대용 시스템 - Google Patents

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KR20220011623A
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oxygen
hydrogen peroxide
reaction chamber
cooling
water
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KR1020217035623A
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리라즈 아브라함
란 미론
오디드 웨이즈
벤 알카히 (빈야민)
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옥시제니움 엘티디.
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Publication date
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Abstract

반응 챔버, 반응 챔버에 과산화수소 용액을 제공하고 제어하기 위한 공급 시스템, 및 반응기를 떠나는 고온 산소 및 수증기를 냉각시키고 물을 응축시키고 제거하기 위한 냉각/응축 시스템을 포함하는 포터블 산소 발생 시스템이 제공된다. 포터블 화학적 산소 발생 시스템은 장기간에 걸쳐 제어된 유량 및 온도에서, 실질적으로 과산화수소 및 다른 오염물이 없는 가습된 호흡 가능한 산소를 생산한다.

Description

산소 생산을 위한 포터블 시스템
관련 출원 상호 참조
본 출원은 2019년 4월 3일자로 출원된 미국 가출원 제62/828,475호에 대한 우선권을 주장한다.
기술분야
본 개시는 산소 생산, 산소 생산 방법, 및 화학적 산소 발생기 분야에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 고순도의 호흡 가능한 산소를 제공하는 포터블 화학적 산소 발생기를 제공한다. 또한 본 개시는 예를 들어, 산소 발생의 물 부산물을 제거시, (수)증기의 저에너지 응축을 위한 장치/시스템을 제공한다.
산소는 의학적 처치의 중요한 성분이다. 이러한 처치는 만성 또는 급성일 수 있다. 보충 산소는 비상 상황에서 목숨을 구할 수 있지만, 이송 동안 및 원거리에서 산소를 제공하는 부담은 비용, 이송, 및 재료 면에서 상당하다.
산소 용기들은 무겁고, 연소, 폭발 및 사출 위험을 비롯한 여러가지 잠재적인 위험들이 있다. 액화 산소 시스템들은 보다 작은 풋프린트(footprint)를 갖는 다량의 가스를 제공하지만, 시간이 지남에 따라 무거운 배기 가스가 되고, 부적절하게 취급되는 경우 연소 위험이 있다. 또한, 이들 산소 시스템들 양자의 산출량은 유한하고 리필을 필요로 하며, 이는 앞으로의 군사 작업들에서 물류 문제들을 나타낸다. 군사 및 대량 살상 작전들을 비롯한 많은 비상 상황들의 경우 보다 간단하고, 보다 가벼우며, 보다 오래 지속되는 산소 운반 시스템들이 필요하다.
해결책으로서 포터블 산소 농축기(portable oxygen concentrator, POC)들 및 화학적 산소 발생기(chemical oxygen generator, COG)들이 제안되었다. POC들(때때로 산소 농축기들로 지칭됨)은 일반적으로 약 21% 산소를 함유하는 환경으로부터 공기를 흡인하고, 질소를 추출하여 최대 90-95%의 농도로 산소를 공급한다. 포터블 유닛들은 일반적으로 최대 6 l/min를 생산하고, (포터블이 아닌) 보다 큰 디바이스들은 최대 25 l/min를 생산한다. 이들 디바이스들 모두는 전기로 작동되고 연속적인 전원을 필요로 하므로, 정전은 대기 발생기, 또는 배터리 백업 및 전력 인버터가 이용 가능하지 않는 한 산소 공급의 차질을 초래할 것이다. 또한, 포터블 유닛들로부터 공급되는 가스의 낮은 유량과 보다 낮은 압력으로 인해 많은 비상 상황들에서 사용이 제한된다.
화학적 산소 발생은 Joseph Priestly의 연구에 의해 그가 산화 수은으로 연구하는 동안 산소를 발견했을 때 처음 제안되었다. Priestly는 1775년에 그의 조사 결과들을 발표했다. 1902년, "Lancet"은 Kamm의 의료용 산소 발생기 발명을 보고했다. 이 디바이스는 산소원으로서 염소산염을 사용했고 알코올 램프에 의해 가열될 때 재료를 보충해야 하기 전에 대략 4 입방 ft의 산소를 생산했다. 예를 들어 잠수함에서는, 비상 산소원으로서 염소산염 양초가 사용되었다. 그러나, 염소산염 양초의 산소 생산 반응은 매우 고온이고(약 700-800℃), 따라서 매우 위험할 수 있다.
POC들 및 COG들은 액화 및 가압 기화 산소 시스템들과 연관된 물류 문제들, 중량, 및 폭발 위험 때문에 액화 및 가압 기화 산소 시스템들의 대안예들로서 앞으로의 군사 작전들과 재난 및 대규모 사상 상황들에서 사용하기 위해 제안되었다. 현재 통용 기술들에 대한 평가는 COG들이 제조업체 및 설계에 따라, 단 30분 이내 동안에만 작동할 수 있고, 산출량을 조절할 수 없기 때문에 디바이스들이 지속적인 임상 치료 또는 장기적인 동작에 적합하지 않다. COG들은 또한 여러 비상용으로 사용하기에 너무 낮은 산소 유량을 가질 수 있다.
보다 최근에는, 용기들로 또는 액체 형태로 산소를 제공하는 것이 물류적으로 어렵거나 경제적으로 엄두도 못 낼 정도로 비싼 지역들, 이를테면 전투 사상자 치료, 재난 상황들 및 개발 도상국들의 극한의 지방 환경들에서 이 기술을 채용하는 데 관심이 있었다. 군사 및 대량 살상 작전들의 경우 보다 간단하고, 보다 가벼우며, 보다 오래 지속되는 산소 운반 시스템들이 필요하다.
FDA는 COG가 최소 15분 동안 최소 6 L/min의 산소 유량을 제공해야 한다고 규정한다(21 CFR 파트 868.5440). 그러나, 미 육군은 시스템이 최소 20분 동안 8 L/min을 제공해야 하는 보다 높은 산출량을 요구한다. 이는 총 O2 산출량이 75% 증가한 것으로, 통용 COG들로는 달성할 수 없는 수준이다. 포터블 온디맨드식 산소 발생기에 대한 필요성이 오랫동안 느껴져 왔다.
본 개시는 장기간에 걸쳐 제어된 유량 및 온도에서, 실질적으로 과산화수소 및 다른 오염물이 없는 가습된 호흡 가능한 산소를 생산하는 화학적 산소 발생 시스템을 제공한다. 일 양태에서, 화학적 산소 발생 시스템은 약 30분을 초과하는 동안 약 40℃ 미만의 온도에서, 약 8 L/min 초과 및 최대 약 15 L/분의 일정한 유량의 산소를 발생시킬 수 있다.
일 양태에서, 포터블 산소 발생 시스템은 반응 챔버, 반응 챔버에 과산화수소 용액을 제공하고 제어하기 위한 공급 시스템, 및 반응기를 떠나는 고온 산소 및 수증기를 냉각시키고 물을 응축시키고 제거하기 위한 냉각/응축 시스템을 포함한다. 반응 챔버는 과산화수소의 산소와 물로의 화학적 분해를 촉진시키는 촉매, 반응 챔버로 과산화수소 용액의 도입을 위한 유입구, 및 반응 챔버로부터 산소 및 수증기의 방출을 위한 유출구를 포함한다. 과산화수소 공급 시스템은 과산화수소 수용액을 포함하는 과산화수소 저장조, 및 과산화수소 수용액의 반응 챔버 내로의 첨가 속도를 제어하기 위한 공급 유량 조절기를 포함한다. 냉각 시스템은 산소 및 수증기를 수용하기 위한 유입구, 냉각 시스템에서 수증기로부터 응축수를 배수하도록 각각 구성된 두 개 이상의 배수구들을 포함하는 응축기, 및 수증기가 감소된 냉각된 산소 가스의 방출을 위한 출구를 포함하는, 냉각 시스템을 포함한다.
산소 발생을 위한 포터블 디바이스를 제공하는 것이 본 개시의 일 양태이며, 산소 발생을 위한 포터블 디바이스는:
과산화수소 용액을 보유하기 위한 적어도 하나의 저장조;
수소 용액을 반응시키고 산소와 수증기를 생산하기 위한, 촉매를 함유하는 하나 이상의 반응 챔버;
저장조로부터 반응기(들)로 과산화수소를 공급하기 위한 공급 시스템;
응축된 액체수를 응축시키고 제거하는, 반응기의 유출구와 유체 연통하는 냉각 시스템;
선택 사항으로서, 산소 스트림으로부터 물의 일부를 제거하기 위해 반응기와 냉각 시스템 사이에 위치된 건조기;
선택 사항으로서, 액체수를 저장 탱크로 이동시키기 위한 구동 시스템;
선택 사항으로서, 냉각 시스템의 산소 유출구에서 물을 제거하기 위한 소수성 막; 및
선택 사항으로서, 소수성 막 유출구에서 산소 유량을 조절하기 위한 산소 유량 조절기를 포함한다.
냉각 시스템은 반응기 유출구와 소수성 막(필터) 사이에 작동 가능하게 위치된 개방 시스템일 수 있다. 냉각 시스템은 반응기와 필터 사이를 흐르는 산소 가스를 냉각하도록 구성된다.
또 다른 양태는 저장조가 과산화수소, 과산화수소 복합체 또는 과산화수소 용액을 보유하도록 구성된, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다.
또 다른 양태는 과산화수소 용액이 적어도 15% 과산화수소이거나, 또는 적어도 20% 과산화수소인, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다. 저장조는 공급 시스템에 탈착 가능하게 연결되는 카트리지일 수 있다. 카트리지는 과산화수소 용액이 고갈되면 즉각적으로 교체 가능하도록 구성될 수 있다.
또 다른 양태는 카트리지 부착 시스템이 공급 시스템에 대한 신속한 부착을 가능하게 하는, 위에서 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다. 카트리지는 접철식일 수 있거나, 접철식 라이너를 가질 수 있거나, 또는 경질면 또는 연질면일 수 있다.
또 다른 양태는 공급 유닛이 연질측 카트리지 상에 압력을 발생시키도록 구성된, 위에서 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다. 압력은 스프링, 피스톤 또는 공압 압력에 의해 발생될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 공급 시스템은 펌프, 예를 들어, 변위 펌프, 연동 펌프, 시린지 펌프, 피스톤 펌프, 플런저 펌프, 스크류 펌프 및 왕복 펌프로부터 선택되는 펌프를 포함할 수 있다.
또 다른 양태는 반응기가 과산화수소를 물과 산소로 분해하도록 구성된, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다. 반응기는 과산화수소의 산소와 물로의 화학적 분해를 촉진시키는 촉매를 포함한다. 촉매는 금속, 준금속, 금속 합금, 준금속 합금, 금속 화합물, 및 준금속 화합물로부터 선택되는 하나 이상의 활성 화합물을 포함할 수 있다. 촉매는 전기음성 원소를 추가로 포함할 수 있다.
또 다른 양태는 디바이스가 추가로, 그리고 선택 사항으로서, 촉매 필터를 포함하는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다. 촉매 필터는 존재하는 경우, 적어도 하나의 촉매를 포함할 수 있으며, 촉매는 금속, 준금속, 금속 합금, 준금속 합금, 금속 화합물, 및 준금속 화합물로부터 선택되는 하나 이상의 활성 화합물을 포함한다. 촉매 필터는 반응기와 동일한 촉매(들)를 포함할 수 있거나, 또는 상이한 촉매를 포함할 수 있다.
또 다른 양태는 냉각 시스템이 히트 싱크를 포함하는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다. 냉각 시스템은 냉각 시스템으로부터 열의 제거를 촉진시키기 위한 적어도 하나의 팬을 추가로 포함할 수 있다. 팬은 전기 팬일 수 있다.
또 다른 양태는 냉각 시스템이 응축기를 포함하는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다. 응축기를 포함하는 냉각 시스템은 냉각 시스템에 의해 응축된 액체수의 배수를 촉진시키도록 구성된다. 배수 시스템은 적어도 하나의 지점으로부터 냉각 시스템을 따라 응축된 물을 배수하도록 구성될 수 있다.
또 다른 양태는 응축된 물이 즉각적이고 연속적으로 배수되는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다. 냉각 시스템은 응축수를 집수하기 위한 리셉터클을 추가로 포함할 수 있다.
또 다른 양태는 소수성 막이 아크릴 공중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF), 폴리설폰 및 폴리카보네이트로 이루어진 군의 하나 이상으로부터 선택되는 물질로 구성되는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다.
또 다른 양태는 산소 유량 조절기가 실시간 유량 측정을 위해 구성된 열/질량 산소(O2) 유량계인, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다.
또 다른 양태는 디바이스가 전자 제어 및 디스플레이 유닛을 추가로 포함하는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이며, 전자 제어 및 디스플레이 유닛은:
유닛 센서들;
유닛 제어부들;
유닛 경보부들; 및
유닛 피드백 회로들 중 하나 이상을 포함한다.
제어 유닛은 지정된 인쇄 회로 기판에 기반할 수 있다.
또 다른 양태는 유닛 센서들이 사용자 설정 O2 유량, 유출구 O2 유량, 유출구 O2 온도, 배터리 용량, H2O2 저장조 레벨, 반응 챔버 압력, 및/또는 물 탱크 용량(예를 들어, 중량)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 파라미터를 측정하도록 구성되는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다.
또 다른 양태는 유닛 제어부들이 연동 펌프 RPM, 냉각 팬 속도, 및 물 탱크 배수 솔레노이드로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 파라미터를 제어하도록 구성된 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다. 제어 유닛은 상기한 것들 중 임의의 것에 개시된 바와 같은 파라미터들 중 하나 이상에 대한 피드백 회로들을 또한 포함할 수 있다.
또 다른 양태는 제어 유닛이 다음 중 하나 이상의 경우에 경보를 발하도록 구성되는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다:
저 H2O2 저장조;
저 배터리;
고 물 탱크 레벨;
고 디바이스 압력;
산소 순도; 및
디바이스 유지 보수.
또 다른 양태는 제어 유닛이 데이터 로거(data logger)를 추가로 포함하며, 데이터 로거는 디바이스의 상태를 레코딩도록 구성된, 상기한 것들 임의의 것에 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다. 제어 유닛은 외부 시스템과 통신하도록 구성될 수 있으며, 통신은:
레코딩된 데이터를 외부 시스템에 전달하는 것;
외부 시스템으로부터 처치 프로토콜을 수신하는 것으로서 특성화되어 선택된다.
또 다른 양태는 배터리 유닛에 의해 전력을 공급받는 디바이스를 제공하는 것이며, 예를 들어, 배터리는 12-18V/4-5Ah 리필 가능할 수 있다.
또 다른 양태는 디바이스가 바이오피드백 센서를 추가로 포함하는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 디바이스를 제공하는 것이다. 바이오피드백 센서는 환자의 말초 혈액 O2 포화 레벨을 검출하도록 구성될 수 있다. 센서는 상술한 바와 같은 제어 유닛과 통신하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 센서 및 제어 유닛은 낮거나 높은 O2 환자 포화 레벨들의 경우에 경보를 발하도록 구성될 수 있다.
본 개시의 일 양태는 산소 발생을 위한 방법은 제공하는 것이며, 산소 발생을 위한 방법은:
과산화수소 용액을 촉매와 조합하는 단계;
산소 및 수증기를 냉각시키는 단계;
수증기로부터 응축된 물을 배수하는 단계;
선택 사항으로서, 산소를 여과하여, 물을 제거하는 단계; 및
선택 사항으로서, 산소를 유량 조절기에 통과시키는 단계를 포함한다.
또 다른 양태는 방법이 과산화수소 용액의 반응기로의 유량을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 양태는 방법이 산소 및 수증기를 선택 사항인 촉매 필터에 통과시키는 단계를 추가로 포함하는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 양태는 냉각 및/또는 산소 및 수증기를 냉각시키는 단계가 응축 유닛을 사용하되, 적어도 부분적으로 공기 - 공기는 냉각 및/또는 응축 유닛의 적어도 일부에 걸쳐, 팬에 의해 발생됨 - 의 스트림을 발생시킴으로써 냉각이 제공되는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 양태는 방법이 냉각 시스템을 빠져나가는 산소 유량 및 산소의 온도를 분석하는 단계를 추가로 포함하는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 양태는 방법이 저 H2O2 저장조, 저 배터리, 고 시스템 압력, 고 물 탱크 레벨, 산소 순도, 및/또는 저 환자 O2 포화 레벨들 중 하나 이상의 경우에 사용자에게 경보하는 단계를 추가로 포함하는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 양태는 방법이 다음 단계들을 더 포함하는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 방법을 제공하는 것이다:
환자에게 산소를 제공하는 단계; 또는
산소를 저장하는 단계.
또 다른 양태는 방법이 환자에서 O2 포화 레벨들을 검출하는 단계를 추가로 포함하는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 방법을 제공하는 것이다.
또 다른 양태는 방법이 다음 중 하나 이상을 추가로 포함하는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 방법을 제공하는 것이다:
디바이스의 데이터를 로깅하는 단계;
환자의 데이터를 로깅하는 단계;
데이터를 외부 시스템에 전달하는 단계.
또 다른 양태는 방법이 산소 유속을 조절하는 단계들을 추가로 포함하는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 방법을 제공하는 것이고, 조절은 과산화수소 용액의 반응기로의 유량 및 유량 조절기를 통한 유량으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 파라미터를 조절함으로써 제어되며, 유량 조절은 시스템 압력, 반응기 압력, 산소 유량 및 환자 O2 포화 레벨로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 파라미터에 의해 결정된다. 또 다른 양태는 방법이 산소 유속을 조절하는 단계가 산소 유속을 측정하는 단계를 포함하는, 상기한 것들 중 임의의 것에 제시된 바와 같은 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 개시에 따른 포터블 화학적 산소 발생기의 개략도이다.
도 2는 본 개시에 따른 포터블 화학적 산소 발생기의 일 실시예를 도시한다.
도 3은 본 개시에 따른 냉각 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도 4는 본 개시에 따른 히트 싱크 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도 5는 본 개시에 따른 냉각 시스템의 냉각 인클로저의 일 실시예를 도시한다.
도 6은 본 개시에 따른 냉각 시스템의 일 실시예를 도시한다.
도 7은 본 개시에 따른 포터블 화학적 산소 발생기의 일 실시예를 도시한다.
도 8은 각 유출구로부터 배수된 액체에 미치는 가스 유량의 영향을 도시한다.
도 9는 배수된 액체의 온도에 미치는 가스 유량의 영향을 도시한다.
도 10은 냉각 시스템에 의해 방출되는 열에 미치는 가스 유량의 영향을 도시한다.
도 11은 배수된 액체에 미치는 가스 유량 및 촉매량의 영향을 도시한다.
도 12는 배수된 액체 온도에 미치는 가스 유량 및 촉매량의 영향을 도시한다.
도 13은 열 방출에 미치는 가스 유량 및 촉매량의 영향을 도시한다.
본 개시에 따른 화학적 산소 발생기는 화학 반응을 통해 산소를 생산하는 디바이스이다. 화학적 산소 발생기는 산소 탱크들 또는 전기분해와 같은 다른 방법들이 실현 가능하지 않은 상황들에서 비상 산소를 제공하는 데 중요하다.
화학적 산소 발생기는 환자의 흡입 공기 중의 산소 농도를 보충하고 증가시키는 것에 사용된다. 이러한 가스상 산소는 혈액 순환 문제들(예를 들어, 질병으로 인한 또는 부상으로 인한), 호흡 문제들, 폐 기능 감소, 및 고산병을 비롯해 산소 보충이 필요할 수 있는 다수의 징후들을 갖는다. (혈액에 산소가 불충분한) 저산소혈증은 급성 하부 호흡계 감염, 이를테면 박테리아(폐렴 연쇄상구균 및 인플루엔자균) 및 바이러스(호흡기 세포융합 바이러스, 인플루엔자 바이러스, 코로나 바이러스)로 인한 폐렴에서 통상적인 합병증이고, 사망에 대한 강력한 위험 인자이다.
다른 용도들은 군사 작전들 및 제3 세계 병원들에서와 같이, 컴팩트하고 포터블한 산소 발생기가 필요한 곳일 수 있다. 화학적 산소 발생기는 또한 잠수함,항공기, 및 소방관 및 광산 구호대들에 의해 사용될 수도 있다.
바람직하게는, 본 개시에 따른 화학적 산소 발생기는 컴팩트하고 포터블하며, 또한 작동하기에 신뢰성 있고 간단하다. 이러한 화학적 산소 발생기는 장기간에 걸쳐 제어된 산소 유량 및 온도를 제공한다. 산소의 유량은 0 L/min으로부터 최대 약 8 L/min의 산소 가스, 또는 최대 약 10 L/min, 또는 최대 약 15 L/min를 분배하도록 사용자에 의해 제어될 수 있다.
디바이스는 실질적으로 과산화수소 및 다른 오염물이 없는 호흡 가능한 산소의 지속적이고 제어 가능한 유동을 생성할 수 있다. 본원에서 사용된 용어 "실질적으로 없는"은 의학적으로 허용되는 수준 미만이고, 이에 따라 환자에게 상해 또는 불쾌감을 주지 않는 과산화수소 또는 다른 오염물의 농도를 지칭한다. 예를 들어, 본원에서 개시되는 화학적 산소 발생기는 약 1 ppm 미만의 과산화수소, 또는 약 0.5 ppm 미만의 과산화수소를 갖는 산소 유동을 환자에게 제공한다. 일부 양태들에서, 본 디바이스는 약 30분을 초과하는 동안 약 40℃ 미만의 온도에서, 최대 약 8 L/min, 또는 최대 약 10 L/min, 또는 최대 약 15 L/min의 일정한 유량의 산소를 발생시킬 수 있다.
중요하게는, 본원에서 개시되는 화학적 산소 발생기는 가습되는 산소의 유동을 제공하고, 외부 가습 장치의 사용을 필요로 하지 않는다. 가습된 산소는 환자의 편안함 및 안전성 개선을 제공한다. 적절한 가습이 없는 보다 높은 산소 유속은 비강 또는 구강 점막의 건조와 함께, 연관된 출혈 및 가능한 기도 폐쇄를 야기할 수 있다. 비인두 카테터, 기관내 튜브 또는 기관절개술들 받는 환자의 경우, 공급되는 산소의 가습은 분비물을 얇게 유지하고 점액전을 방지하기 위해 중요하다. 공급되는 산소의 부적절한 가습으로 인한 기관내 튜브 폐색은 병원에서 많은 불필요한 사망의 원인으로서 보고되었다. 본원에서 개시되는 화학적 산소 발생기는 가습되는 산소의 유동을 보충함으로써 이러한 문제들을 해결한다.
과산화수소의 분해는 매우 발열성이기 때문에, 반응 챔버에서 생성된 산소는 90℃를 초과하고, 최대 약 98℃의 온도일 수 있고, 이에 따라 환자에게 분배하기에는 너무 고온이다. 본원에서 설명되는 화학적 산소 발생기를 사용하여, 산소는 통상적으로 환자에게 전달하기 위한 가요성 튜브에 의해, 편안하게 호흡 가능한 온도, 즉 약 40℃ 미만으로 디바이스를 빠져나간다. 바람직하게는, 디바이스를 빠져나가는 산소는 주위 온도(예를 들어, 실온)를 약 10℃ 넘게 초과하지 않거나, 또는 주위 온도를 약 8℃ 넘게 초과하지 않거나, 또는 주위 온도를 약 6℃ 넘게 초과하지 않는다.
포터블 산소 발생 시스템은 반응 챔버, 반응 챔버에 과산화수소 용액을 제공하고 제어하기 위한 공급 시스템, 및 반응기를 떠나는 고온 산소 및 수증기를 냉각시키고 물을 응축시키고 제거하기 위한 냉각/응축 시스템을 포함한다. 반응 챔버는 과산화수소의 산소와 물로의 화학적 분해를 촉진시키는 촉매, 반응 챔버로 과산화수소 용액의 도입을 위한 유입구, 및 반응 챔버로부터 산소 및 수증기의 방출을 위한 유출구를 포함한다. 과산화수소 공급 시스템은 과산화수소 수용액을 포함하는 과산화수소 저장조, 및 과산화수소 수용액의 반응 챔버 내로의 첨가 속도를 제어하기 위한 공급 유량 조절기를 포함한다. 냉각 시스템은 산소 및 수증기를 수용하기 위한 유입구, 냉각 시스템에서 수증기로부터 응축수를 배수하도록 각각 구성된 두 개 이상의 배수구들을 포함하는 응축기, 및 수증기가 감소된 냉각된 산소 가스의 방출을 위한 출구를 포함하는, 냉각 시스템을 포함한다.
산소원
산소의 화학적 발생을 위한 산소원은 과산화수소이거나, 또는 과산화수소의 부가물 또는 착물이다. 과산화수소 수용액은 본원에서 제공되는 디바이스들에서 사용되는 화학 반응에서 산소원으로서 사용하기에 바람직하다.
산소 가스의 형성을 제공하기 위해 반응기에서 사용되는 과산화수소 분해에 대한 일반적인 반응은 다음과 같다:
2 H2O2 → O2 + 2 H2O
과산화수소는 3% 내지 70% 범위의 농도를 갖는 수용액으로서 통용된다. H2O2의 농도는 바람직하게는 20% 이상이고, 약 30% 내지 약 70%일 수 있다.
촉매
반응 챔버는 과산화수소의 발열 분해를 촉진시키는 촉매를 포함한다. 촉매는 금속, 준금속, 금속 합금, 준금속 합금, 금속 산화물과 같은 금속 화합물, 및 준금속 화합물, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 촉매는 전이 금속 산화물, 이를테면, MnO2, PbO2, Co3O4, V2O5, KMnO4, 은 기재 촉매, Ni 기재 촉매, Fe 기재 촉매, Pt 기재 촉매, Pd 기재 촉매를 포함할 수 있다. 금속 촉매는 은, 금, 아연, 백금, 팔라듐, 또는 다른 금속 촉매 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 대안적으로, 반응을 촉진하기 위해 산이 사용될 수도 있다.
고체 불균일 촉매(즉, 물에 불용성인 촉매)가 사용될 때, 산소의 생성은 촉매의 표면에서 일어난다. 고체 불균질 촉매는 위에서 열거된 촉매로부터 선택될 수 있으며, 이는 물에 용해되지 않는다. 고체 불균질 촉매는 고효율을 유지하면서 과산화수소의 새로운 부분들과 함께 여러 번 재사용될 수 있다는 이점을 갖는다.
촉매는 분말 또는 과립의 형태일 수 있다. 분말 형태의 촉매는 보다 큰 표면적으로 인해 상대적으로 더 빠른 운동을 가질 수 있다. 그러나, 취급 및 재사용하기에는 과립이 보다 편리할 수 있다. 분말화된 촉매의 높은 표면적이 과산화수소를 신속하게 분해하도록 하는 것을 돕지만, 미세 분말은 반응 챔버에 촉매를 유지하는 데 있어서 문제들을 보일 수 있다.
촉매는 예를 들어, 약 0.5 mm 내지 약 5 mm의 직경을 갖는 과립의 형태일 수 있다. 촉매 과립은 금속, 준금속, 금속 합금, 준금속 합금, 금속 화합물, 및 준금속 화합물 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 과립은 하나 이상의 결합제 물질을 더 포함할 수 있다.
촉매는 고체 지지 물질, 또는 매트릭스의 표면 상에 분산되거나 코팅될 수 있다. 대안적으로, 촉매는 불활성 매트릭스 물질 또는 결합제에 함침될 수 있다.
촉매는 다공성 매트릭스, 예를 들어 촉매의 나노 입자들이 침착되는 다공성 스캐폴드 구조를 포함할 수 있다. 다공성 매트릭스 또는 스캐폴드 구조는 많은 적합한 물질들 또는 물질들의 조합물들로 형성될 수 있다. 적합한 물질들의 비제한적인 예들은 유기 물질들 또는 무기 물질들을 포함하고, 수지, 중합체, 금속, 유리, 세라믹, 활성탄, 텍스타일, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
다공성 매트릭스 또는 스캐폴드 구조는 중합체 스펀지로 형성될 수 있다. 중합체 매트릭스/지지체는 반응기에서 고농도의 과산화수소 및 고온을 견딜 수 있는 물질들로부터 선택되어야 하고, 예를 들어, 폴리카보네이트, PVC, 고밀도 폴리에틸렌을 포함할 수 있다. 다공성 스캐폴드 구조는 폴리-HIPE(poly-High Internal Phase Emulsion) 방법의 합성에 의해 형성될 수 있다. HIPE의 연속상의 중합은 폴리HIPE로 불리는 다공성 중합체 모놀리스의 형성을 초래한다. 폴리HIPE는 약 10-100 ㎛의 공극 크기를 갖는 고다공성을 갖는다.
일부 양태들에서, 다공성 스캐폴드 구조는 과립 다공성 물질들에 의해 형성될 수 있다. 예를 들어, 다공성 스캐폴드 구조의 지지체를 나타내는 다공성 물질의 과립은 함께 보유되어 다공성 스캐폴드 구조를 형성할 수 있다. 활성탄, 중합체 비드, 규사, 지르코니아, 알루미나, 무연탄 등을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 과립상 다공성 물질이 사용될 수 있다.
과산화수소의 첨가 속도, 반응 챔버의 온도, 및 과산화수소 용액과 접촉하는 촉매의 양을 포함하는 다수의 변수들이 산소 방출 속도에 영향을 미칠 수 있다. 촉매는 반응 챔버가 반응 챔버 내로 도입된 과산화수소에 대해 과량의 촉매를 포함하도록 함으로써 변수로서 제거될 수 있다. 반응이 진행되면, 산소가 생성되면서, 반응 챔버의 온도는 약 90℃ 이상 및 약 98℃ 이하로 유지된다. 반응 챔버에 존재하는 충분한 양의 고체 촉매(이를테면, 이산화망간)에 의해, 산소 생성 속도는 반응 챔버에 과산화수소 수용액의 첨가 속도에 의해 제어될 수 있다. 따라서, 제어 가능하고 선택적으로 일정한 속도로 산소를 생성하는 것이 일 양태이다.
H2O2 저장조
저장조는 과산화수소 용액을 보유한다. 저장조는 스테인레스 강 또는 중합체/플라스틱과 같은 불활성의 비반응성 물질로 구성된다. 저장조는 일회용 또는 사용 후 버리는 용기일 수 있거나, 리필 가능할 수 있다. 저장조는 공급 유량 조절기에 의해 반응 챔버 내로 공급되는 과산화수소 용액을 보유하는 카트리지일 수 있다. 일부 실시예들에서, 저장조는 시스템의 일부이고 또 다른 용기로부터 리필된다.
저장조는 경질 또는 연질면일 수 있다. 일부 실시예들에서, 저장조는 '시린지'처럼 수축된다, 즉 배럴과 플런저(또는 피스톤)로 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 저장조는 약 8 L/min, 또는 약 10 L/min, 또는 약 15 L/min의 산소 유속에서, 적어도 약 20분, 또는 적어도 약 30분 동안 산소의 정상 유동을 유지하기에 충분한 수중 과산화수소의 용액을 보유할 수 있는 캐니스터이다. 과산화수소의 농도는 약 15% 이상, 또는 약 20% 이상이다. 과산화수소의 농도는 약 30% 내지 약 70%일 수 있다. 과산화수소 저장조는 약 500 ml 내지 약 4000 ml의 과산화수소 용액, 또는 약 1000 ml 내지 약 3000 ml의 과산화수소 용액을 보유할 수 있다.
공급 유량 조절기
공급 시스템에 의해 반응 챔버에 제공되는 과산화수소 용액의 속도는 원하는 산소 유동을 유지하기 위해 사용자에 의해 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 공급 유량 조절기는 과산화수소 용액의 반응기 내로의 유동을 제어하기 위한 펌프를 포함한다. 펌프는 변위 펌프, 연동 펌프, 시린지 펌프, 피스톤 펌프, 플런저 펌프, 스크류 펌프 또는 왕복 펌프를 포함하지만 이에 제한되지 않는 당업계에 공지된 임의의 적합한 펌핑 유닛일 수 있다. 일부 실시예들에서, 저장조는 접철식이고, 공급 유닛은 저장조 상에 압력을 가함으로써, 과산화수소 용액을 반응기 내로 가압하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 공급 유닛은 펌프의 일부를 형성하는 저장조를 갖는 왕복 펌프로서 작용한다.
반응기
반응 챔버는 산소원, 통상적으로 수용액으로서의 과산화수소의 화학적 분해가 일어나는 압력 밀폐형 하우징을 포함한다. 반응 챔버는 과산화수소의 산소와 물로의 화학적 분해를 촉진시키는 촉매, 반응 챔버로 과산화수소 용액의 도입을 위한 유입구, 및 반응 챔버로부터 산소 및 수증기의 방출을 위한 유출구를 포함한다.
반응 챔버는 예를 들어, 산소 유출구가 폐색되는 경우에, 하우징 파열을 방지하기 위해 과압 밸브를 선택 사항으로서 포함할 수 있다. 압력 밸브는 과잉 가스를 방출함으로써 그리고/또는 공급 용액 유속을 조절함으로써 반응 챔버에서의 압력을 조절하도록 구성될 수 있다. 압력 밸브에 의한 유속의 조절은 직접적으로 또는 제어 유닛에 의해 수행될 수 있다.
반응기 유출구는 선택 사항으로서 필터 또는 메쉬를 포함할 수 있으며, 이는 촉매를 반응 챔버에 유지시키는 기능을 한다. 이러한 필터 또는 메쉬는 촉매가 분말이고 작은 입자 크기를 갖는 경우에 특히 유용할 수 있다.
반응 챔버는 적어도 100℃의 온도를 견딜 수 있는 불활성의 비반응성 물질로 구성된다. 반응기는 알루미늄, 스테인리스 강, 인코넬과 같은 니켈 합금 등을 비롯한 불활성/비반응성 금속 또는 금속 합금으로 구성될 수 있다. 대안적으로, 반응 챔버는 불활성/비반응성 중합체 물질로 구성될 수 있다. 본 문맥에서, 불활성 또는 비반응성 물질은 반응 조건 하에서 분해되지 않는 물질이다. 그러나, 일부 실시예들에서, 반응 챔버에 대해 선택되고 과산화수소와 접촉하는 물질은 과산화수소의 분해를 촉진킬 수 있다.
과산화수소 수용액은 적어도 하나의 애처퍼 또는 유입구, 이를테면 노즐 또는 분사 노즐을 통해 공급 유닛으로부터 반응기로 들어간다. 이 용액은 O2 촉매와 혼합되어, H2O2를 H2O와 O2로 빠르게 분해한다. 반응은 발열성이어서, 90℃를 초과하고 최대 약 98℃인 지속 온도에 도달하고, 이에 따라 물이 반응기에서 증기로 기화된다. 과산화수소의 분해에 의해 생성된 가스는 반응기에서 반응기 유출구로부터 유출된다. 선택 사항으로서, 반응 챔버는 또한 임의의 축적된 액체수의 제거를 가능하게 하는 배수구를 포함할 수 있다. 반응 챔버로부터의 기상 반응 산물(O2, H2O)의 유량은 과산화수소 용액이 반응기로 펌핑되는 속도에 정비례한다.
촉매 필터
반응 챔버를 빠져나가는 것은 반응 산물, 즉 산소와 수증기이고, 일부 실시예들에서는, 일부 미반응 액화 또는 기상 과산화수소이다. 일부 과산화수소가 반응 챔버를 빠져나가는 경우에, 산소 발생기는 잔류 과산화수소의 분해를 제공하는 2차 반응기(촉매 필터로 지칭됨)를 선택 사항으로서 포함할 수 있다.
촉매 필터는 분해 반응에 의해 기화 또는 증류되고 반응 챔버를 빠져나간 임의의 과산화수소를 분해하도록 구성된다. 촉매 필터는 상술된 바와 같이, 과산화수소의 산소와 물로의 분해를 촉진시키는 하나 이상의 촉매를 포함한다. 촉매 필터는 반응기와 동일한 촉매 또는 또 다른 촉매를 포함할 수 있다. 촉매 필터를 빠져나가는 가스 유동에는 실질적으로 과산화수소가 없을 수 있고, 이에 따라 빠져나가는 가스 유동에서의 과산화수소는 의학적으로 허용되는 수준 이하이다.
냉각 유닛/응축기
본 개시는 가스상 혼합물의 냉각 및 분리를 위한 냉각 유닛 또는 시스템을 제공한다. 냉각 시스템이 산소 가스로부터 물을 냉각 및 분리하는 데 사용하기 위한 것으로 설명되지만, 냉각 시스템은 다른 혼합물들의 냉각 및 분리를 위해 구성될 수도 있다.
냉각 유닛으로 들어가는 고온 혼합물은 적어도 두 가지 성분, 즉 저비점 성분 및 고비점 성분의 혼합물을 포함한다. 산소 발생기의 경우에, 저비점 성분은 산소이고, 고비점 성분은 물이다. 고온 증기는 응축/냉각 유닛으로 유동한다. 응축/냉각 유닛은 가스/증기 혼합물을 수용하고 냉각함으로써, 응축성 증기를 액체로 변환시키도록 구성된 인클로저를 포함한다. 일부 실시예들에서, 인클로저는 파이프 또는 튜브이다. 응축 인클로저는 유닛의 길이 전체에 걸쳐 적어도 하나의 배수구, 및 바람직하게는 복수의 배수구들을 포함하여, 응축된 액체가 가스 유동으로부터 분리되어 탱크 내로 배수될 수 있게 한다. 일부 실시예들에서, 냉각 인클로저는 복수의 배수구들을 포함하여, 냉각 유닛의 길이 전체에 걸쳐 응축된 액체의 배수를 가능하게 하여, 액체가 신속하고 연속적으로 배수됨으로써 분리딜 수 있게 한다.
본원에서 설명되는 산소 발생기의 경우, 존재한다면 반응 챔버 또는 촉매 필터를 빠져나가는 고온 가스는 냉각 유닛에 이른다. 냉각 유닛으로 들어가는 가스 유동은 약 90℃를 초고하고 최대 약 98℃일 수 있고, 이에 따라 환자에게 분배하기에는 너무 고온이다. 냉각 유닛은 가스 유동을 편안한 호흡 가능한 온도, 즉 약 40℃ 미만으로 냉각시킨다.
냉각 유닛은 가스 유동을 냉각시켜, 수증기를 액체수로 응축시키고, 액체수를 제거하도록 구성된다. 냉각 유닛은 액체수가 가스 유동으로부터 분리되어 저장 탱크 내로 배수될 수 있게 한다. 일부 양태들에서, 냉각 유닛은 냉각 유닛의 길이 전체에 걸쳐 배수를 제공하여 액체수가 신속하고 연속적으로 배수될 수 있게 한다. 이 시스템은 응축이 일어날 때, 상승된 온도에 있을 수 있는 응축수를 신속하게 제거한다. 냉각 인클로저의 길이 전체에 걸쳐 시스템으로부터 물을 제거함으로써, 냉각 시스템의 냉각 용량은 응축수를 완전히 냉각할 필요 없이, 산소 가스 유동의 효율적인 냉각으로 유도될 수 있다. 이러한 배열은 냉각 시스템의 냉각 용량이 보다 낮은 질량 산소 유동을 냉각시키는 것을 지향하여, 냉각의 효율을 증가시킨다.
일 실시예에서, 냉각 인클로저는 U자형 굴곡부들에 의해 연결된 파이프의 수직 섹션들로 형성된다. 디바이스가 작동 중일 때, 냉각 시스템의 하부 U자형 굴곡부들은 파이프를 따라 최저 지점들에 배수 포트들을 갖고 수평으로 위치되어, 중력이 냉각 시스템으로부터 응축된 액체수의 연속적인 배수를 보조할 수 있게 한다. 대안적으로, 냉각 인클로저는 수평 코일의 형태로 가스 유동을 포함하는 파이프를 포함하여, 각 코일 회전에 대해 최저 지점들을 따라 위치된 배수 포트들을 갖는다. 냉각 인클로저는 히트 싱크 내에 통합될 수 있고/있거나 인클로저의 외부를 따라 냉각 핀(fin)들을 가질 수 있다. 냉각 유체는 냉각 인클로저로부터의 열의 제거를 보조하기 위해 냉각 인클로저를 지나게 지향될 수 있다. 냉각 유체는 액체 또는 가스일 수 있고, 일부 실시예들에서 냉각 공기의 유동이다.
바람직한 양태들에서, 냉각 시스템은 능동 공기 냉각 시스템이다. 냉각 시스템의 능동 구성요소로서 전기 팬이 사용될 수 있다. 냉각 공기는 팬 통과에 의해 그리고 인클로저 주위에서 발생되어, 인클로저의 본체를 냉각한다. 냉각된 산소는 배기/배출 튜브를 통해 응축 인클로저를 빠져나간다. 바람직하게는, 냉각 시스템을 빠져나가는 산소는 주위 온도를 약 10℃ 넘게 초과하지 않거나, 또는 주위 온도를 약 8℃ 넘게 초과하지 않거나, 또는 주위 온도를 약 6℃ 넘게 초과하지 않는다.
소수성 막
실시예들에서, 냉각 시스템을 빠져나가는 습기 있는 산소 가스는 미량의 물을 여과하는 소수성 막을 통과한다. 액체수는 산소 유량의 측정 정확도를 방해할 수 있다. 소수성 막은 중합체 물질의 미세 다공성 막이다. 소수성 막은 아크릴 공중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF), 폴리설폰 및 폴리카보네이트를 비롯한, 이러한 목적을 위해 당업계에 공지된 임의의 물질로 제조될 수 있다. 이를 위해 소수성 막을 갖는 통기 플러그들로서 시중에서 입수 가능한 것이 사용될 수 있다.
실시예들에서, 건조기는 반응 챔버, 또는 존재하는 경우 촉매 필터와 냉각 시스템 사이에 위치할 수 있다. 건조기는 소수성 막을 포함하고, 유동이 냉각 시스템로 들어가기 전에 가스 유동으로부터 물의 일부를 제거하는 역할을 한다. 건조기는 가스 유동으로부터 최대 약 90%의 물, 또는 가스 유동으로부터의 약 70% 내지 약 90% 물을 제거할 수 있다. 가스 유동이 냉각 시스템으로 들어가기 전에 물의 일부를 제거하는 것은 냉각 시스템의 효율을 증가시킬 수 있다. 소수성 막은 중합체 물질의 미세 다공성 막이고, 아크릴 공중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF), 폴리설폰 및 폴리카보네이트를 비롯한, 이러한 목적을 위해 당업계에 공지된 임의의 물질로 구성될 수 있다.
도 1은 화학적 산소 발생기의 일 실시예의 기본 유닛(10)을 개략적으로 도시한다. 저장조(11)는 과산화수소 용액을 보유한다. 홀더는 일회용이거나 리필 가능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 저장조는 용액을 보유하고 시스템 내로 공급되는 카트리지이다. 일부 실시예들에서, 저장조는 시스템의 일부이고 또 다른 용기로부터 리필된다. 저장조는 경질 또는 연질면일 수 있다. 저장조는 불활성의 비반응성 의약 등급 물질들로 구성된다. 일부 실시예들에서, 저장조는 '시린지'처럼 수축된다, 즉 배럴과 플런저(또는 피스톤)로 구성된다. 일부 실시예들에서, 저장조는 수중 과산화수소(H2O2)의 용액을 보유할 수 있는 캐니스터이다. 과산화수소의 백분율은 적어도 20%이고, 일부 실시예들에서는 30-70%이다.
공급 유닛(12)은 과산화수소 용액의 반응기 내로의 흐름을 제어한다. 일부 실시예들에서, 공급 유닛은 펌프이다. 펌프는 예를 들어, 변위 펌프, 연동 펌프, 시린지 펌프, 피스톤 펌프, 플런저 펌프, 스크류 펌프 또는 왕복 펌프일 수 있다. 일부 실시예들에서, 저장조(12)는 접철식이고, 공급 유닛은 저장조 상에 압력을 가하여, 과산화수소 용액을 반응기 내로 가압하도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 공급 유닛은 펌프의 일부를 형성하는 저장조를 갖는 왕복 펌프로서 작용한다.
공급 유닛은 과산화수소 용액 유속, (디바이스의 유출구에서의) 산소 유속, 및 반응 챔버 압력을 비롯한 다양한 파라미터들에 따라 유속을 제어하도록 설정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 공급 유닛은 압력 센서를 추가로 포함한다.
반응 챔버(13)는 과산화수소의 산소와 물로의 화학적 분해를 촉진시키는 촉매, 반응 챔버로 과산화수소 용액의 도입을 위한 유입구, 및 반응 챔버로부터 산소 및 수증기의 방출을 위한 유출구를 포함한다. 반응 챔버는 적어도 100℃의 온도를 견딜 수 있는 불활성의 비반응성 물질로 구성된다.
과산화수소 수용액은 적어도 하나의 애처퍼 또는 유입구, 이를테면 노즐 또는 분사 노즐을 통해 공급 유닛으로부터 반응기로 들어간다. 반응기는 과산화수소의 물과 산소로의 분해를 촉진시키는 촉매를 포함한다. 용액은 고체 촉매 입자들과 혼합되어, 과산화수소를 H2O 및 O2로 분해한다. 이 반응은 발열성이어서, 90℃를 초과하고 최대 약 98℃인 온도에 도달한다. 과산화수소의 분해에 의해 생산된 가스는 반응기로부터 촉매 필터(14)를 통해 흐른다.
반응 챔버는 압력 밸브를 추가로 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 압력 밸브는 과잉 가스를 방출함으로써 또는 용액 유속을 조절함으로써 반응 챔버에서의 압력을 조절하도록 구성된다. 압력 밸브에 의한 유속의 조절은 직접적으로 또는 제어 유닛에 의해 수행될 수 있다.
촉매 필터(14)는 분해 반응에 의해 기화 또는 증류된 임의의 과산화수소를 분해하도록 구성된다. 필터는 반응기에 존재하는 것과 동일한 촉매 또는 또 다른 촉매로 구성될 수 있다.
필터(14)를 통해 흐르는 가스는 냉각 유닛(15)에 이른다. 냉각 유닛은 가스를 냉각시켜, 수증기를 액체수로 응축시키도록 구성된다. 냉각 유닛은 액체가 탱크 내로 배수될 수 있게 한다. 일부 실시예들에서, 냉각 유닛은 냉각 유닛의 길이 전체에 걸쳐 배수를 제공한다. 일부 실시예들에서, 액체는 즉각적이고 연속적으로 배수된다. 물 탱크는 물을 보유하고 배수될 수 있다.
냉각 유닛(15)을 통과하는 가스는 소수성 막(또는 필터)(16)을 통과하여 냉각 유닛 전체에 응축되지 않은 임의의 수증기를 제거한다.
산소 유량 조절기(17)는 필터(16)를 지나가는 산소의 양을 측정하는 유량계를 포함한다. 유량계는 산소의 흐름이 연속적이고 요구되는 수준에 있도록 공급 유닛을 조절할 수 있다. 유동 조절기는 또한 산소가 환자에게 너무 뜨겁지 않도록 하기 위해 가스의 온도를 측정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 유량 조절기는 산소 유량을 조절하기 위한 밸브를 추가로 포함한다. 밸브는 수동식, 기계식 또는 전기-기계식일 수 있다. 일부 실시예들에서, 밸브는 사용자, 제어 유닛에 의해 또는 유량계에 의해 직접적으로 제어된다.
본 시스템은 제어 및 디스플레이 유닛 및 전원(18)을 포함한다. 디스플레이 유닛은 모든 중요한 디바이스 파라미터들: 산소 유량, 산소 온도, 물 탱크 함량 레벨, 저장조 레벨, 시스템 압력, 배터리 전력 레벨 등을 디스플레이할 수 있다. 제어 및 디스플레이 유닛은 또한 시스템의 전체 상태, 이를테면 사용 상태, 촉매 상태, 유지 보수 등을 추적할 수 있다.
일부 실시예들에서, 본 시스템은 바이오센서를 추가로 포함한다. 일부 실시예들에서, 바이오센서는 환자에 연결되는 O2 혈액 포화 센서이다. 센서는 환자의 포화 레벨을 추적하기 위해 제어 유닛에 연결될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제어 유닛은 환자의 O2 포화 레벨에 따라 산소 유속을 제어하도록 구성된다. 제어 유닛은 유출구 밸브 또는 공급 유닛을 조절함으로써 산소율을 제어할 수 있다.
시스템은 유출구 포트(19)를 포함하며, 이를 통해 생산된 최종 산소가 디바이스를 빠져나간 다음 환자에게 전달되거나 추후 사용을 위해 저장될 수 있다.
이제, 산소 발생 디바이스의 특정 실시예를 도시하는 도 2를 참조한다.
산소 발생 디바이스(20)는 H2O 및 O2를 생산하는 화학 반응의 기재인 과산화수소 용액(예를 들어, 50% 내지 60%)을 포함하는 과산화수소 카트리지(21)를 포함한다. 카트리지 부피는 30-45분 동안 10 L/min O2의 유량을 생산하기에 충분한 750-3000 ml일 수 있다. 카트리지는 비워지면 신속하게 교체 가능하도록 설계되어, 산소의 계속적인 유동을 가능하게 한다.
연동 펌프와 같은 펌프(22)는 과산화수소 용액을 카트리지(21)로부터 화학 반응이 일어나는 반응 챔버(23)로 구동한다. 펌프 속도(RPM)는 제어 유닛을 통해 제어된다.
과산화수소는 반응 챔버(23) 내로 공급되어, 고체 촉매 입자들과 혼합되고, 물과 산소로 분해된다. 이 반응은 발열성이어서, 약 90℃를 초과하고 최대 98℃인 온도에 도달하고, 최대 1,500 W의 일정한 전력을 생성한다.
반응 챔버를 빠져나가는 것은 산소, 수증기, 및 일부 액화 및 기상 과산화수소이다. 반응 생성물들(O2, H2O)의 유량은 펌프 RPM에 정비례한다(반응은 촉매로 포화된다). 압력계(24a)가 반응 챔버에서의 압력을 추적한다. 과잉 압력의 경우들에서는, 압력 밸브(24b)가 과잉 가스를 방출할 수 있다.
반응 챔버를 빠져나가는 혼합물은 촉매 입자들로 패킹된 촉매 필터(25)로 보내진다. 미량의 과산화수소(액체 또는 기체)는 산소와 물로 화학적으로 분해되어, 임의의 부식성 과산화수소가 환자에게 도달하는 것을 방지한다.
촉매 필터(25)를 빠져나가는 고온 산소 및 증기는 팬(26a) 및 냉각 인클로저(26b)를 포함하는 능동 공기 냉각 시스템 내로 유동한다. 시스템을 통과하면서, 응축이 일어나며, 물이 냉각 인클로저 내의 각 곡선의 바닥의 포트들을 통해 흘러 내린다. 이러한 배열은 냉각 용량을 고 질량의 물을 냉각하기 보다는 저 질량의 증기 응축으로 효율적으로 유도한다. 냉각 시스템의 능동 구성요소로서 전기 팬(26b)(60W)이 사용된다.
물은 물 탱크(27) 내로 집수되고, 솔레노이드 제어 탭을 통해 적시에 배출된다.
냉각 시스템을 빠져나가는 습기 있는 산소는 추가적인 물을 여과하는 소수성 막(28)을 통해 유동한다. O2 파이프 내의 액체는 O2 유량을 정확하게 측정하는 것을 방해할 수 있다.
유출구 포트(29c)를 통해 디바이스를 빠져나가는 산소의 실시간 유량 측정을 위해서는 열량계(29a) 및 질량 산소 유량계(29b)가 사용된다.
이제 냉각 시스템(30)의 단면을 제공하는 도 3을 참조한다. 팬(31)에 의해 냉각 공기가 발생되고, 반응기에 의해 발생된 산소 및 수증기를 포함하는 파이프(34)를 둘러싸는 영역(33)으로 퍼넬링(funneling)된다(32). 이어서, 가스 스트림이 포트(36)를 통해 시스템을 빠져나가서 환자에게 제공되기 전에 소수성 막(35)에 의해 제습된다.
이제 히트 싱크 냉각 시스템(40)을 설명하는 도 4를 참조한다. 고온 산소 및 수증기의 혼합물이 (41)을 통해 싱크로 들어간다. 가스가 냉각되고 수증기가 액체로 변환됨에 따라, 액체수가 U자형 굴곡부(44)의 최저 위치에서의 배수 포트(42)를 통해 배수되며, 이에 따라 (43)을 통해 시스템을 빠져나가는 산소에서의 물의 함량이 감소된다. 도 4는 Y축 상에서 90° 회전한 도 3의 냉각 유닛을 나타낸다(즉, 측면도).
이제 냉각 시스템의 냉각 인클로저의 대표적인 실시예를 도시하는 도 5를 참조한다. 도 5a는 연속적인 U자형 굴곡부들을 포함하는 냉각 인클로저를 도시한다. 각 하측 U자형 굴곡부(51)의 최저부에는, 냉각 인클로저에서 응축된 액체(물)의 배수를 위한 배수 포트(52)가 있다. 도 5b는 수평 코일형 냉각 인클로저를 도시하며, 여기서 배수 포트들(52)은 각 코일 회전의 최저부에 위치된다.
이제 냉각 시스템의 대표적인 실시예를 도시하는 도 6을 참조한다. (고온 산소 및 증기와 같은) 고온 가스상 혼합물이 팬(66a) 및 냉각 인클로저(66b)를 포함하는 능동 공기 냉각 시스템(60) 내로 유동한다. 시스템을 통과하면서, 응축이 일어나, 보다 저비점 성분(이를테면, 물)이 응축되고 냉각 인클로저 내의 각 하측 U자형 굴곡부(66d)의 바닥에서의 배수 포트들(66e)을 통해 아래로 배수된다. 이러한 배열은 냉각 용량을 고 질량의 응축된 보다 고비점 성분(이를테면, 물)을 냉각하기 보다는, 보다 저비등 성분(이를테면, 물)을 포함하는 감소된 질량 스트림으로 효율적으로 유도한다. 냉각 시스템의 능동 구성요소로서 전기 팬(66b)이 사용된다. 보다 고비점 성분(이를테면, 물)은 탱크(67) 내로 집수된다.
이제, 산소 발생 디바이스의 특정 실시예를 도시하는 도 7를 참조한다. 산소 발생 디바이스(70)는 H2O 및 O2를 생산하는 화학 반응의 기재인 과산화수소 용액(예를 들어, 50% 내지 60%)을 포함하는 과산화수소 카트리지(71)를 포함한다. 카트리지 부피는 30-45분 동안 10 l/min O2의 유량을 생산하기에 충분한 750-3000 ml일 수 있다. 카트리지는 비워지면 즉각적으로 교체 가능하도록 설계되어, 산소의 계속적인 유동을 가능하게 한다.
연동 펌프와 같은 펌프(72)는 과산화수소 용액을 카트리지(71)로부터 화학 반응이 일어나는 반응 챔버(73)로 구동한다. 펌프 속도(RPM)는 제어 유닛(79d)을 통해 제어된다.
과산화수소는 반응 챔버(73) 내로 공급되어, 고체 촉매 입자들과 혼합되고, 물과 산소로 분해된다. 이 반응은 발열성이어서, 약 90℃를 초과하고 최대 98℃인 온도에 도달한다.
반응 챔버를 빠져나가는 것은 산소, 수증기, 및 일부 액화 및 기상 과산화수소이다. 반응 생성물들(O2, H2O)의 유량은 펌프 RPM에 정비례한다(반응은 촉매로 포화된다). 압력계(74a)가 반응 챔버에서의 압력을 추적한다. 과잉 압력의 경우들에서는, 압력 밸브(74b)가 과잉 가스를 방출할 수 있다.
반응 챔버를 빠져나가는 혼합물은 촉매 입자들로 패킹된 촉매 필터(75)로 보내진다. 미량의 과산화수소(액체 또는 기체)는 산소와 물로 화학적으로 분해되어, 임의의 부식성 과산화수소가 환자에게 도달하는 것을 방지한다.
촉매 필터(75)를 빠져나가는 고온 산소 및 증기는 소수성 막을 포함하는 건조기(76c) 내로 유동하고, 유동이 냉각 시스템로 들어가기 전에 가스 유동으로부터 물의 일부를 제거하는 역할을 한다.
부분적으로 건조된 고온 산소 및 수증기는 팬(76a) 및 냉각 인클로저(76b)를 포함하는 능동 공기 냉각 시스템 내로 유동한다. 시스템을 통과하면서, 응축이 일어나고 액체수가 냉각 인클로저 내의 각 하측 U자형 굴곡부의 바닥에서의 배수 포트들을 통해 아래로 배수된다. 물은 물 탱크(77) 내로 집수되고, 솔레노이드 제어 탭을 통해 배출된다.
O2 파이프 내의 액체는 O2 유량을 정확하게 측정하는 것을 방해할 수 있다. 냉각 시스템을 빠져나가는 습기 있는 산소는 추가적인 물을 여과하는 소수성 막(78)을 통해 유동한다. 임의의 물은 소수성 막으로부터 배수구(78a)를 통해 배수될 수 있다. 선택 사항으로서, 소수성 필터를 빠져나가는 산소 유동이 실리카와 같은 건조제를 포함하는 추가적인 건조 필터(78b)를 통과한다.
유출구 포트(79c)를 통해 디바이스를 빠져나가는 산소의 실시간 유량 측정을 위해서는 온도계(79a) 및 질량 산소 유량계(79b)가 사용된다.
디바이스는 배터리 유닛(79e)에 의해 전력을 공급받으며, 이는 재충전 가능한 12-18V/4-5Ah 배터리를 포함할 수 있다. 디바이스는 전자 제어 및 디스플레이 유닛(79d)을 추가로 포함한다. 제어 및 디스플레이 유닛(79d)은 펌프 RPM, 냉각 팬 속도, 및 물 탱크 배수로부터 선택되는 파라미터들을 제어하도록 구성될 수 있다. 제어 유닛은 상기한 것들 중 임의의 것에 개시된 바와 같은 파라미터들 중 하나 이상에 대한 피드백 회로들을 또한 포함할 수 있다. 제어 유닛은 저 H2O2 저장조, 저 배터리, 높고 물 탱크 레벨, 고 디바이스 압력, 산소 순도, 및 디바이스 유지 보수 중 하나 이상의 경우에 모니터링 및/또는 경보를 발하도록 구성될 수 있다.
예들
물질들 및 방법들
다음 몇 가지 파라미터들: 배수된 액체 질량 및 부피, 배수된 액체 온도 및 각 유출구 지점으로부터 방출된 열에 의해 냉각 시스템 성능을 테스트했다.
50%의 과산화수소(H2O2) 및 과산화수소 분해를 위한 촉매(수소 결합 산화촉매)를 사용하여 5분간 디바이스의 동작 동안 데이터를 수집했다. 가스 유량계에 의해 가스 유량을 측정했고, 연동 펌프를 사용하여 과산화수소 유량을 제어함으로써 이를 간접적으로 제어했다.
실린더들을 측정함으로써 부피를 측정했으며, 분석 저울에 의해 질량을 측정했다. 온도계(ExTech 4-채널 온도계, 모델 SDL 200)에 의해 온도를 측정했다. 다음 식을 사용하여 열량을 계산했다:
Figure pct00001
Figure pct00002
Figure pct00003
Figure pct00004
Figure pct00005
Figure pct00006
Figure pct00007
표 1은 산소 발생기의 냉각 시스템에서 측정된 파라미터들을 제공한다.
Figure pct00008
1.1 가스 유량의 영향
이론적으로, 가스 유량을 증가시키는 것은 과산화수소 유량을 증가시키는 것을 필요로 하며, 이는 반응 챔버에서의 이의 분해 반응 속도를 증가시킨다. 보다 많은 반응물, 이 경우 과산화수소를 첨가하는 것은 촉매가 분해 반응을 촉진하도록 한다. 이는 보다 많은 산소 및 물의 생산을 초래하고 발열 반응으로부터의 열의 생성으로 인해 반응 챔버에서의 온도를 증가시킨다. 이에 따라, 과산화수소 유량이 증가하고 반응 챔버로 들어가는 과산화수소의 양이 증가함에 따라, 보다 많은 열이 방출됨에 따라 배수되는 액체 질량 및 액체 온도가 증가할 것으로 예상된다.
1.1.1 배수된 액체 질량
과산화수소 분해 반응의 산물은 물 및 산소이다. 고유량 실험들(7 및 10 LPM)에서, 제1 및 제2 유출구 지점들에서 배수된 액체에서 미량의 과산화수소가 발견되었다. 이는 반응 챔버에서 모든 H2O2가 반응하지 않았고 냉각 시스템에서 응축되었음을 나타낸다. H2O2의 고유량을 보상하기 위해 촉매의 양이 증가되어야 한다고 결론지을 수 있다.
도 8은 5, 7 및 10 LPM 유량에서 유출구 지점들 1-4로부터 배수된 액체 질량을 나타낸다. 알 수 있는 바와 같이, 10 LPM의 고유량에 대해서만 4번째 유출구 지점이 냉각 공정에 참여했다. 또한, 이 경향은 세 유동 모두에 대해 동일하다. 배수된 액체 질량은 유출구 지점 번호가 증가함에 따라 감소한다. 이는 대부분의 액체가 높은 온도 차이로 인해 제1 유출구 지점에서 응축된다는 사실에 의해 설명될 수 있다(가스 스트림은 반응 챔버로부터 배출될 때 92-96℃의 온도를 갖는다).
10 LPM의 그래프는 다른 두 그래프들보다 유의하게 더 높은 한편, 5와 7 LPM 사이의 차이는 작다. 그러나, 7 LPM의 경우, 더 높은 총 질량의 액체가 냉각 시스템으로부터 배수되었다(유의하게는 아님). 또한, 7 LPM의 경우, 3번째 유출구 지점은 냉각 공정에 참여했고, 5 LPM의 경우에는 단지 2개의 유출구 지점만이 필요했다.
1.1.2 배수된 액체 온도
배수된 액체의 온도는 각 유출구 지점에서의 냉각 공정의 효율을 나타낸다. 도 9에 도시된 바와 같이, 세 유속 모두에 대해, 유출구 지점 번호가 증가함에 따라 온도가 감소한다. 상이한 유동 사이의 비교는 각 유출구 지점에서 온도가 유동에 따라 감소하는 것을 보여준다. 효율은 5 LPM에 대해 가장 높고, 가장 낮은 효율은 10 LPM에 대해 얻어졌다. 가장 높은 유동에 대해, 가장 높은 질량의 산물(물과 산소)이 생성되었다. 이에 따라, 필요한 냉각은 "더 어렵다". 이는 배수된 액체의 더 높은 온도 및 냉각을 위해 필요한 유출구 지점들의 번호들로 표현된다.
1.1.3 열 방출
냉각 공정 동안 방출된 열은 배수된 액체 질량 및 유입구와 유출구 사이의 온도 차이에 기초하여 계산된다. 이 파라미터는 온도로서 냉각 효율을 나타냈다. 도 10은 상이한 유동에서 각 유출구 지점으로부터 방출된 열을 도시한다. 보다 적은 질량이 냉각될 필요가 있고 온도의 델타가 점점 더 작아지므로, 지점 번호가 증가함에 따라 각 유출구 지점에서 방출되는 열은 감소하며, 이에 따라 더 적은 열이 방출된다. 이러한 경향은 모든 테스트된 유동에 존재한다. 5 LPM의 최저 유량은 최저 과산화수소 유량을 요구했다. 반응물의 저유량은 촉매가 다른 가스 유량 실험들에서보다 과산화수소를 더 완전히 촉진할 수 있게 하고, 냉각 시스템이 냉각 시스템의 시작에서 더 많은 열을 배출할 수 있게 한다. (7 및 10 LPM 실험들에서와 같이) 고유량의 과산화수소는 냉각될 고온 가스의 증가를 야기함에 따라, 냉각 효율은 도 9에 도시된 바와 같이 보다 높은 액체 온도 및 도 10에 제시된 보다 적은 열 방출로 표현된다.
1.2 촉매량의 영향
일반적으로, 촉매가 비촉매 메커니즘보다 더 낮은 활성화 에너지를 갖는 대안적인 반응 경로를 제공하기 때문에 화학 반응은 촉매가 존재할 때 더 빨리 일어난다. 이에 따라, 촉매량은 반응 속도에 상당한 영향을 미친다. 촉매가 충분히 과량으로 존재하는 지점까지 보다 많은 촉매량에 대해 보다 높은 반응 속도를 얻을 것으로 예상된다.
1.2.1 배수된 액체 질량
도 11은 상이한 유량에 대한 배수된 액체에 미치는 촉매량의 영향을 나타낸다. 동일한 액체 유량(일정한 펌프 전압)을 위한 특정 기체 유량을 얻기 위해, 저촉매 실험들에서 더 긴 시간(모든 저촉매 시험들에서 30초)이 필요했다. 전체 실험 시간이 일정하기 때문에(5분), 제1 유출구 지점으로부터 그 시간 동안 더 적은 액체가 배수되어 얻어졌다. 제2 및 제3 유출구들에 대해, 더 적은 액체가 응축되도록 남아 있었기 때문에(액체의 대부분은 제1 유출구 지점에서 응축됨) 경향은 반대였다. 그러나, 10 LPM의 고유량에 대해, 저촉매량에 대해, 고량과 비교하여 보다 다량의 액체가 모든 유출구 지점들로부터 배수되었다. 이는 고유량 실험에서 관찰된 "과부하 현상"에 의해 설명될 수 있다. 섹션 1.1.1에서 설명된 바와 같이, 10 LPM은 반응 챔버 설계에 대해 너무 고량인 것으로 밝혀졌다. 이는 반응 챔버에 과산화수소를 과부하시키는 한편, 촉매는 동일한 속도로 이를 촉매화할 수 없다. "과부하 현상"의 결과는 불완전한 반응 및 배수된 액체 중의 과산화수소의 존재이다. 이러한 현상은 고유량(10 LPM)의 저촉매 실험에서 더 강하다. 이는 고촉매 실험에 비해 더 많은 과산화수소가 배수되는 것을 의미한다. 과산화수소는 물보다 더 조밀하기 때문에, 저촉매량에 대한 배수된 액체 질량은 더 높다.
1.2.2 배수된 액체 온도
온도에 대한 결과들은 도 12에 제시되고, 특정 유량에 대해 보다 저촉매량에 대해 더 높은 온도가 얻어지는 우세한 거동을 나타낸다. 이는 배수된 액체의 질량이 더 낮으므로 예상된다. 이는 응축 공정을 통해 더 적은 에너지가 방출되고, 더 높은 온도로 이어진다는 것을 의미한다. 그러나, 10 LPM은 일관된 거동을 나타내지 않는다. 제1 유출구 지점에 대해, 저촉매는 거의 동일한 액체 배수 온도를 갖고, 제2 유출구에 대해 저촉매는 더 높은 액체 배수 온도를 가지며, 제3 유출구에 대해서는 고촉매가 더 높은 온도로 된다. 다시, 과부하는 과산화수소의 일부가 반응 챔버에서 반응하는 것을 방지하였고, 반응의 일부가 냉각 시스템에서 일어났다고 가정하는 것이 합리적임에 따라, 온도 결과들에 기초하여서는 결론을 내릴 수 없다.
상이한 유량을 비교하면, 더 많은 액체가 응축되고 이에 의해 흡열성인 응축 공정을 위해 더 많은 방출된 열을 소비하기 때문에, 유량을 감소시키는 것은 각 촉매량에 대해 각 유출구 지점에서의 온도를 감소시킨다는 것을 나타낼 수 있다.
1.2.3 열 방출
도 13에 제시된 열 방출 결과들을 보면, 유량의 증가는 (설명된 바와 같이 과부하된 10 LPM을 제외하고) 각 촉매량에 대해 각 유출구로부터 방출된 열을 감소시킨다는 것을 보여준다. 냉각 시스템에 의해 방출되는 높은 열은 냉각 공정의 효율을 나타낸다. 유입구 및 유출구 온도의 델타가 가장 크기 때문에 각 촉매량에서 더 낮은 유량에 대해 최상의 효율이 얻어졌다. 식 1에 기초하여, 열은 이 온도차에 기초하여 계산된다. 모든 실험에 대한 경향은 동일하다 - 각 유출구 지점으로부터 방출된 열은 제1 유출구 지점과 제2 유출구 지점 사이에서 극적으로 감소하고, 기울기는 제2 유출구와 제3 유출구 사이에서 더 완만해진다. 이러한 결과는 대부분의 열이 제1 유출구 지점에서 방출되고, 이것이 가장 효율적인 냉각 지점이라는 것을 입증한다.
동일한 유량(10 LPM 제외)에 대한 두 촉매량 사이의 비교는 실험 동안 (펌프 전압이 일정한 동안) 더 높은 양이 반응을 더 잘 촉매화하여 더 높은 질량의 산물이 얻어지고 더 높은 열이 이러한 발열 반응에서 발생된다는 사실로 인해, 더 높은 촉매량에 대해 더 많은 열 방출을 나타낸다.
결과들은 배수된 액체 질량은 유출구 지점 번호가 증가함에 따라 감소한다는 것을 보여준다. 각 유량에 대해, 배수된 액체 온도는 유출구 지점 번호가 증가함에 따라 감소한다. 각 유출구 지점에서, 온도는 또한 유동에 따라 감소한다. 각 유출구 지점에서 방출되는 열은 지점 번호가 증가함에 따라 감소한다. 가장 높은 유속에 대해, 가장 높은 질량의 산물(물과 산소)이 생성되었다.
효율은 5 LPM에 대해 가장 높고, 가장 낮은 효율은 10 LPM에 대해 얻어졌다. 각 촉매량에서 더 낮은 유량에 대해 최상의 효율이 얻어졌다. 제1 유출구 지점이 가장 효율적인 냉각 지점이다.

Claims (27)

  1. 포터블 산소 발생 시스템으로서,
    반응 챔버로서:
    과산화수소의 산소와 물로의 화학적 분해를 촉진시키는 촉매,
    과산화수소 용액의 상기 반응 챔버로의 도입을 위한 유입구, 및
    상기 반응 챔버로부터 산소 및 수증기의 방출을 위한 유출구를 포함하는, 상기 반응 챔버;
    상기 반응 챔버의 상기 유입구와 유체 연통하는 과산화수소 공급 시스템으로서:
    과산화수소 수용액을 포함하는 과산화수소 저장조, 및
    상기 과산화수소 수용액의 상기 반응 챔버 내로의 첨가 속도를 제어하는 공급 유량 조절기를 포함하는, 상기 과산화수소 공급 시스템;
    냉각 시스템으로서:
    산소 및 수증기를 수용하기 위해, 상기 반응 챔버의 상기 유출구와 유체 연통하는 유입구,
    상기 냉각 시스템에서 상기 수증기로부터의 응축수를 배수하도록 각각 구성된 두 개 이상의 배수구들을 포함하는 응축기, 및
    수증기가 감소된 냉각된 산소 가스의 방출을 위한 유출구를 포함하는, 상기 냉각 시스템을 포함하는, 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 디바이스로부터의 산소의 유량이 디바이스 동작 동안 상기 과산화수소 수용액의 상기 반응 챔버로의 도입 속도에 정비례하는 것인, 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 촉매는 금속, 준금속, 금속 합금, 준금속 합금, 금속 산화물과 같은 금속 화합물, 및 준금속 화합물, 또는 이들의 혼합물들로부터 선택되는 것인, 디바이스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매는 이산화망간을 포함하는 것인, 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 과산화수소 수용액은 적어도 약 15%, 또는 적어도 약 20% 과산화수소인 것인, 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 과산화수소 수용액은 약 30% 내지 약 70% 과산화수소인 것인, 디바이스.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 과산화수소 저장조는 교체 가능한 카트리지인 것인, 디바이스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공급 유량 조절기는 사용자 제어식 펌프를 포함하는 것인, 디바이스.
  9. 제8항에 있어서, 상기 펌프는 변위 펌프, 연동 펌프, 시린지 펌프, 피스톤 펌프, 플런저 펌프, 스크류 펌프 및 왕복 펌프로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인, 디바이스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 반응 챔버의 상기 유출구와 상기 냉각 시스템의 상기 유입구 사이에 유체 연통하게 위치되는 촉매 필터를 추가로 포함하되, 상기 촉매 필터는 과산화수소를 산소와 물로의 분해하는 것에 대한 촉매를 포함하는 것인, 디바이스.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 응축기는 상기 응축기의 길이 전체에 걸쳐 액체수를 배수하도록 구성된 것인, 디바이스.
  12. 제11항에 있어서, 상기 액체수는 상기 응축기로부터 즉각적이고 연속적으로 배수되는 것인, 디바이스.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 상기 응축수를 집수하기 위한 리셉터클을 추가로 포함하는, 디바이스.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 히트 싱크(heat sink)를 포함하는 것인, 디바이스.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 시스템은 하나 이상의 팬(fan)을 포함하는 것인, 디바이스.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 냉각 시스템의 상기 유출구에서 잔류수를 제거하기 위한 소수성 막을 더 포함하는, 디바이스.
  17. 제16항에 있어서, 상기 소수성 막은 아크릴 공중합체, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리비닐리덴디플루오라이드(PVDF)로 이루어진 군으로부터 선택되는 물질을 포함하는 것인, 디바이스.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디바이스를 빠져나가는 상기 산소의 유량은 약 1 ppm 미만의 과산화수소, 또는 약 0.5 ppm 미만의 과산화 수소를 포함하는 것인, 디바이스.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 약 30분을 초과하는 동안 약 40℃ 미만의 온도에서, 최대 약 8 L/min, 또는 최대 약 10 L/min, 또는 최대 약 15 L/min의 일정한 유량의 산소를 발생시키는, 디바이스.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디바이스를 빠져나가는 상기 산소는 주위 온도를 약 10℃ 넘게 초과하지 않거나, 또는 주위 온도를 약 8℃ 넘게 초과하지 않거나, 또는 주위 온도를 약 6℃ 넘게 초과하지 않는 것인, 디바이스.
  21. 가스상 혼합물을 냉각 및 분리시키기 위한 디바이스로서,
    가스상 혼합물을 수용하기 위한 유입구 - 상기 혼합물은 적어도, 보다 고비점 성분 및 보다 저비점 성분을 포함함 -;
    상기 냉각 시스템으로부터 상기 보다 고비점 성분을 포함하는 응축된 액체를 중력에 의해 연속적으로 배수하도록 각각 구성된 두 개 이상의 배수구들을 포함하는 응축기;
    적어도 하나의 냉각 유체원; 및
    감소된 보다 고비점 성분을 갖는 냉각된 가스상 혼합물의 방출을 위한 유출구를 포함하는, 디바이스.
  22. 제21항에 있어서, 상기 응축기는 U자형 굴곡부들에 의해 연결된 파이프의 수직 섹션들로 형성되며, 상기 응축기의 하측 U자형 굴곡부들 각각은 상기 U자형 굴곡부를 따라 최저 지점들에 배수 포트들을 포함하여, 상기 응축기로부터 상기 배수 포트들을 통한 상기 응축된 액체의 상기한 연속적인 배수를 중력이 보조할 수 있게 하는 것인, 디바이스.
  23. 제21항에 있어서, 상기 응축기는 각 코일 회전에 대한 상기 최저 지점들 각각에 위치된 배수 포트들을 갖는 코일의 형태인 것인, 디바이스.
  24. 제21항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 응축기는 세 개 이상의 배수 포트들을 포함하는 것인, 디바이스.
  25. 제21항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 응축기가 히트 싱크로 통합되는 것인, 디바이스.
  26. 제21항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각 유체는 공기이고, 냉각 공기원은 전기 팬인 것인, 디바이스.
  27. 제21항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 보다 고비점 성분은 물이고, 상기 보다 저비점 성분은 산소인 것인, 디바이스.
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