WO2020116994A1 - 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치 및 호흡장치{A Wearable Cooling Apparatus and a Breathing Apparatus Using Liquefied Air} - Google Patents

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WO2020116994A1
WO2020116994A1 PCT/KR2019/017200 KR2019017200W WO2020116994A1 WO 2020116994 A1 WO2020116994 A1 WO 2020116994A1 KR 2019017200 W KR2019017200 W KR 2019017200W WO 2020116994 A1 WO2020116994 A1 WO 2020116994A1
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WO
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air
tube
liquefied
liquefied air
insulating container
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PCT/KR2019/017200
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English (en)
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Inventor
김미애
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김미애
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Publication date
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    • A41D13/00—Professional, industrial or sporting protective garments, e.g. surgeons' gowns or garments protecting against blows or punches
    • A41D13/002—Professional, industrial or sporting protective garments, e.g. surgeons' gowns or garments protecting against blows or punches with controlled internal environment
    • A41D13/005—Professional, industrial or sporting protective garments, e.g. surgeons' gowns or garments protecting against blows or punches with controlled internal environment with controlled temperature
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62B—DEVICES, APPARATUS OR METHODS FOR LIFE-SAVING
    • A62B18/00—Breathing masks or helmets, e.g. affording protection against chemical agents or for use at high altitudes or incorporating a pump or compressor for reducing the inhalation effort
    • A62B18/02—Masks
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    • A62B—DEVICES, APPARATUS OR METHODS FOR LIFE-SAVING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F1/00—Room units for air-conditioning, e.g. separate or self-contained units or units receiving primary air from a central station
    • F24F1/02—Self-contained room units for air-conditioning, i.e. with all apparatus for treatment installed in a common casing
    • F24F1/04—Arrangements for portability

Definitions

  • the present invention relates to a wearable cooling device using liquefied air.
  • the present invention proposes a breathing apparatus using liquefied air to replace a conventional breathing apparatus using compressed air.
  • Firefighters, welders in shipyards, workers working in furnaces in steel mills, and miners in mines are required to wear protective clothing that is very heavy, thick, and breathable at all times, regardless of season or weather due to the nature of the work, or work in a hot environment. do. Therefore, many workers working in firefighters, shipyards, steel mills, mines, etc. suffer from the heat for most of the year. For example, this can be confirmed through FIGS. 1(A), 1(B), 2(B), and the like.
  • Fire sites where firefighters work, or workshops such as shipyards, steel mills, mines, etc. are usually open spaces or areas that generate heat continuously, so cooling systems for firefighters, welders, furnace workers, miners, etc. It is very difficult to provide a system, and the devices and methods known so far attempted to solve the problem are not satisfactory.
  • Ice Jacket As shown in Figs. 3(A) and 3(B), an ice pack made of an ice bag or a porous resin jacket. It is distributed in various parts of (jacket) and the user wears a jacket. This method is not easy to wear due to the weight of the ice bag or the ice pack itself, and water droplets are generated on the surface, which increases the humidity around the user's body, which is easy to cause discomfort. Before use, freeze the ice or cool the ice pack sufficiently. There is discomfort to do.
  • Air Jacket Air Jacket
  • Figure 2 (A) and 2 (B) Another method that is used as a conventional technique is to call a "air jacket (Air Jacket)", as shown in Figure 2 (A) and 2 (B), a plurality of holes (holes, holes)
  • the drilled tube is placed in a jacket, the jacket is worn by a user, and air is blown through a compressor or the like at one end of the tube to generate an air flow inside the protective clothing to cool.
  • a fixed external device that provides high pressure air such as a compressor
  • these methods are difficult to use for firefighters who need to move and work along long and unpredictable paths, and are limited only when they work for relatively long periods of time (eg welding).
  • Can be used since compressed air is provided by the compressor at room temperature, the cooling effect is insufficient due to the high air temperature, and it is difficult to expect a sufficient cooling effect, especially in summer when the air temperature is high.
  • the present invention can provide a safer breathing apparatus that can contain a larger amount of air compared to the volume, lighter, lower cost, and has no risk of bursting or explosion, by using an insulating container that accommodates liquefied air. Is expected.
  • a first object of the present invention is to provide a personal wearable cooling device that is convenient, efficient, comfortable and excellent in mobility that can be used without incurring a large cost by a user who needs to wear a protective clothing having very poor breathability or work in a hot environment. will be.
  • a second object of the present invention is to provide a breathing apparatus using liquefied air that is lighter, safer, and capable of containing a larger amount of air and can be used at a relatively low cost than a conventional breathing apparatus using compressed air.
  • the present invention contains liquid air in an insulating container that can be worn or carried by a user, and inside the breathable protective clothing which is worn by a user directly with low-temperature air vaporized in the insulating container. It is suggested to inject and cool.
  • the second proposal has the effect of replacing the conventional breathing reservoir, which is heavy, bulky and has a high risk of explosion or rupture due to the high pressure inside.
  • the present invention provides a wearable cooling device that is simple and lightweight, simple to use, and simple in structure.
  • the retail price of liquefied air is less than 1USD per liter, so the cost burden is not high.
  • 1 to 4 are views provided to explain the problems to be solved by the present invention and the prior art.
  • 5 is a view presented to explain the state of a gas determined according to a triple point, a critical point, and pressure and temperature of the gas.
  • FIG. 6 is a view presented to briefly describe the cooling apparatus of the present invention.
  • FIG. 7 is a view provided to briefly describe a jacket 1 worn by a user inside a protective suit, a second tube 15 for cooling, and a tube 16 for breathing.
  • FIG. 8 is a view provided to describe the second tube 15 for cooling, the first and second branch furnaces 33 and 34 of the present invention, and a bellows type corrugated pipe.
  • FIG. 10 is a view showing a prototype (prototype) of the present invention simply manufactured to test the effectiveness of the present invention.
  • FIG. 11 is a view illustrating an exemplary method of wearing and wearing the insulating container 2 of the present invention.
  • FIG. 12 is a simplified schematic diagram (D) of the drawings (A-C) and an air reservoir (5) for explaining a modified embodiment of the insulating container 2 when adding the air pump (4).
  • FIG. 13 is a simplified schematic diagram of the air pump 4.
  • 15 is a view for explaining an embodiment for preventing the presence of a protrusion on the stopper 21 used to inject liquefied air.
  • FIG. 6 to 9 conceptually illustrate various embodiments of a wearable cooling device and a breathing device according to the present invention.
  • the wearable cooling device of the present invention is a jacket 1 worn by a user, an insulating container 2 for receiving liquefied air, and vaporized inside the container 2 It comprises a first tube (3) that is a passage for passing air to the jacket (1) worn by the user.
  • the user wears the jacket 1 first, and then wears protective clothing 6 (workwear, outerwear) thereon.
  • protective clothing 6 workwear, outerwear
  • the jacket 1 is underwear and the protective clothing (workwear) is outerwear.
  • the jacket 1 is provided with a second tube 15, which is a passage through which vaporized air flows, and a first of the second tube 15.
  • the end 152 communicates with the second end 32 of the first tube 3.
  • the second tube 15 is provided with a plurality of small holes (holes) 151 through which vaporized air can leak.
  • the container 2 accommodates liquefied air 20.
  • Liquefied air is vaporized in the container by an amount proportional to the amount of heat flowing into the container from the outside through heat conduction.
  • a heating wire may be added to the container to control the rate of vaporization of the liquefied air. Since the heating wire is a well-known technique, the illustration in the drawings is omitted.
  • the jacket 1, the container 2, the first tube 3, the second tube 15, and the like will be described in more detail later, and the use of the cooling device will be briefly described below.
  • the user wears the jacket 1, wears a protective clothing (or work clothes) thereon, and carries the container 2 containing liquefied gas on a waist dance or in a form of hanging on his back.
  • the liquefied air in the container 2 is vaporized by the amount of heat introduced from the outside at a high temperature (temperature higher than the boiling point of liquefied air) or the amount of heat artificially supplied through an electric heating wire (in the case of an embodiment in which an electric heating wire is added), and the vaporized air
  • the pressure inside the container 2 increases, the vaporized low-temperature air flows through the first tube 3 into the second tube 15 and through the small hole 151 provided in the second tube 15. Flows into protective clothing (or work clothes). That is, the inside of the protective clothing (or work clothes) is cooled by using low-temperature air vaporized in the container.
  • the cooling device of the present invention uses the bad breathability of the protective clothing.
  • the cooling apparatus of the present invention using liquefied air can operate efficiently.
  • Liquefied air can also be used for breathing apparatus, in which case it has two advantages described below compared to using conventional compressed air for breathing apparatus.
  • a breathing apparatus using liquefied air can be used longer than a breathing apparatus using compressed air (first advantage).
  • the container When the container is filled with liquefied air, it is vaporized inside the container to increase the internal pressure of the container.
  • a pressure regulator When a pressure regulator is installed in the container, if the internal pressure is greater than a predetermined reference pressure (for example, 2 atm), the pressure regulator By allowing a part of the vaporized air to be discharged to the outside, the pressure inside the container can be maintained below the reference pressure.
  • a conventional breathing apparatus using compressed air must use an air cylinder capable of withstanding very high pressure (usually 200 to 300 atmospheres), so the air cylinder is made of a thick metal or an expensive carbon composite material. Therefore, a breathing apparatus using liquefied air can use a much lighter, cheaper and safer container than a conventional breathing apparatus using compressed air (second advantage).
  • the present invention is to provide a wearable cooling device using liquefied air, and to propose to selectively use liquefied air to the respiratory system.
  • Table 1 lists the main gas components that make up the atmosphere and their basic physical quantities related to the present invention.
  • Water vapor (H 2 O) was excluded from the main gas components constituting the atmosphere because of the large fluctuations depending on the place or time (ie weather).
  • Carbon dioxide (CO 2 ) is not considered in the present invention because its composition ratio is not large and is removed in the process of producing liquefied air like water vapor.
  • Various other types of gases are present in a very small amount (in the order of CO, Ne, He, CH 4 , Kr, N 2 O, H 2 , O 3 based on the composition ratio), and their total compositional ratio is also based on mass or volume. Since all are very small as 0.01% or less based on the amount of the molar amount, the present invention will also ignore all of these very small amounts of gas components.
  • composition ratio calculated based on the molar amount in Table 1 is calculated by considering the sum of the molar ratios of the top three components (nitrogen, oxygen, and argon) as 100%.
  • liquefied air may be regarded as a mixture of liquid nitrogen (approximately 78 mol%), liquid oxygen (approximately 21 mol%) and liquid argon (approximately 1 mol%). Since the boiling point of argon is roughly similar to that of oxygen, liquefied air may be considered a mixture of liquid nitrogen (approximately 78 mol%) and liquid oxygen (approximately 22 mol%).
  • liquid nitrogen, liquid oxygen, and liquid argon separately, so users will have to purchase and mix liquid nitrogen and liquid oxygen respectively (liquid argon is expensive and the present invention is implemented. It is not necessary to do this, so it is not necessary to add liquid argon).
  • the user may only use liquid nitrogen.
  • the user may use only liquid oxygen.
  • the liquefied air supplier does not separate the liquefied air and liquefies the air in the atmosphere, nitrogen, oxygen, argon, etc. supply the liquefied air mixed with the same composition ratio in the atmosphere, and the mixed liquefied air is used as it is. You can do it.
  • the "liquefied air” referred to in the present invention may refer to i) pure liquid nitrogen, ii) pure liquid oxygen, and iii) similar or intentional to the composition ratio of air in the atmosphere.
  • the composition ratio of liquid oxygen higher than the composition ratio of oxygen in the atmosphere (which helps to increase the user's activity ability), it may mean a mixture of liquid nitrogen and liquid oxygen, and sometimes iv) does not separate air in the atmosphere. I want to emphasize that it can mean that it is liquefied as it is.
  • the average molecular weight, average liquid specific gravity, average boiling point, and average heat of vaporization calculated by considering the composition ratio based on the molar amount were 28.957 (g/mol), 0.883 (g/cm 3 ), -193.0 (°C) and 5.832, respectively. (KJ/mol).
  • Those skilled in the art can easily calculate the average physical quantities of the liquefied air mentioned above from Table 1.
  • the main components constituting the cooling device will be described in more detail with respect to the insulating container (2), the first tube (3), the second tube (15) and the vest (1).
  • the container 2 includes a stopper 21 and a main body 22.
  • the stopper 21 and the main body 22 may be closed by a method such as screwing. Opening the stopper 21 and injecting the liquefied air 20 into the body 22 through the inlet provided on the upper portion of the body 22, and closing the stopper 21 to seal the inside of the body 22 from the outside.
  • the nozzle 214 may be installed to allow the vaporized air to flow in a portion of the stopper 21 or the body 22. 9(A) to 9(D), only the embodiment in which the nozzle 214 is installed on the stopper 21 is illustratively illustrated, but the nozzle may be installed on the main body 22 as necessary.
  • a stopper for closing the container without a nozzle may be further provided as necessary.
  • the container closure stopper is used to slow the evaporation rate of the liquefied air inside when the container 2 containing liquefied air is not used as a cooling device or breathing apparatus. Since the container closure stopper is the same as the stopper 21 without the nozzle 214, the illustration in the drawing is omitted.
  • a nozzle sealing stopper 216 that seals the second end of the nozzle 214 may be further provided.
  • the container closure stopper and the nozzle closure stopper 216 slow the vaporization rate of the liquefied air 20 contained in the container 2 when not used as a cooling device or a breathing apparatus, which is inside the container 2 from the outside. It helps to reduce the amount of heat introduced into the furnace and increase the pressure inside the container 2 so that the liquefied air is less vaporized (typically, the higher the external pressure, the higher the vaporization temperature of the liquid).
  • the pressure inside the container 2 continues to increase, so that the main body 22 or container can be prevented. It is preferable to further include a pressure regulator on at least one of the sealing stopper or the nozzle closing stopper 216.
  • the pressure regulator will be described in more detail later.
  • the first end (not shown) of the nozzle 214 communicates with the upper portion of the inner space of the vessel 2 in which vaporized air is present, and is fixed at the lower portion of the inner space of the vessel. Avoid submersion in liquefied air.
  • the second end (not shown) of the nozzle 214 communicates with the first end 31 of the first tube 3.
  • the second end 32 of the first tube 3 communicates with the first end (not shown) of the second tube 15 installed in the jacket 1. It is more preferable that the second end (not shown) of the second tube 15 is blocked, which is advantageous for allowing the vaporized air to flow out through only the plurality of holes 151 to uniformly spread the low temperature air. Do.
  • the main body 22 of the container may be formed in a multi-layer structure such as an inner material 223, a heat insulating material 222, and an outer material 221.
  • the container 2 Can be formed in a multi-layer structure such as an inner material 213, an insulating material 212, and an outer material 211.
  • the interior materials 213 and 223 are in direct contact with the low-temperature liquefied air or the vaporized air, it is preferable to form a material having strong durability in a low-temperature environment. It must also be able to withstand high thermal gradients.
  • a metal material such as aluminum or stainless steel can be used, and there is no need to limit it to a metal material, and it can be selected from a variety of arbitrary materials that can maintain airtightness without breakage despite the difference between cryogenic and high temperatures. have.
  • the external materials 211 and 221 may be any material capable of protecting the heat insulating materials 212 and 222.
  • the material of the external materials 211 and 221 is preferably a lower thermal conductivity, and is preferably a material having a large surface hardness and a degree of elasticity.
  • the material of the external materials 211 and 221 one of polymer synthetic resins having low thermal conductivity and high surface strength and elasticity may be selected, or a composite material of them may be selected.
  • the heat insulating materials 212 and 222 may be formed by stacking a plurality of different types of heat insulating materials.
  • a pressure regulator may be further installed on at least one of the main body 22, the container closure stopper, and the nozzle closure stopper 216.
  • the pressure regulator opens the valve when the pressure inside the container increases due to the vaporized gas and becomes larger than a predetermined predetermined threshold pressure, and discharges a part of the vaporized air accumulated inside the container to the outside. By doing so, it is prevented that the internal pressure of the container increases above a predetermined reference value set in the pressure regulator.
  • a pressure regulator one of well-known and commercialized products such as a diaphragm valve can be purchased and used, so a detailed description thereof will be omitted.
  • the nozzle 214 may optionally include a plurality of partitions 215 each having one or more holes 217. It is preferable to alternately install the holes provided in adjacent partitions so that the vaporized air passes well and the liquefied air in the liquid state does not pass well. The reason is to prevent the liquefied air in the liquid state from easily flowing into the first tube 3 or the second tube 15 even if the container is turned over or tilted.
  • bellows-shaped wrinkles may be further formed on at least a portion of the first tube 3 or the second tube 15.
  • the bellows-shaped wrinkles are effective in preventing liquid liquefied air from flowing directly into the protective clothing even when the container is turned over or tilted.
  • the bellows-shaped wrinkles are also effective in that the cross-sectional shape of the first tube and the second tube can be flexibly bent without deforming (ie, the air passages of the first and second tubes are not blocked).
  • the bellows creases shrink inside the curve and expand outside the curve, so that the cross-sectional shape of the circular bellows is not deformed and bent. If you have experience with corrugated plastic straws, you can easily understand the principle.
  • the first tube 3 may optionally further include a first branch path 33 for discharging a part of the vaporized air to the outside atmosphere. If the evaporation rate of the liquefied air is too fast and the user feels cold, the outlet (not shown) provided at the end of the first branch path 33 is opened to discharge a portion of the vaporized air to the outside, but the size of the outlet By controlling the amount of vaporized air released, the temperature inside the garment can be adjusted accordingly.
  • the first tube 3 may further include a second branch path 34 through which a portion of vaporized air flows into the breathing mask. Through the second branch passage 34, one container can be used for both the cooling device and the breathing device.
  • the surface area inside the protective clothing surrounding the jacket 1 is 1 m 2 (with the surface area of the user's chest, belly, and back in mind, based on the total area of the human skin being 1.6 to 2.0 m 2 ) , Assuming that the average distance between the inner surface of the protective clothing and the user's skin (i.e., the thickness of the air layer inside the protective clothing) is 2 cm, the air volume inside the protective clothing is 20 liters, so take a generous amount of space and approximately 1 mol inside the protective clothing It can be assumed that it contains the air of (at 0°C, 1 atm, the volume of gas is approximately 22.4 liters).
  • the physical quantity of liquefied air is equal to the average value obtained by weighting the molar ratio of the main gas components contained in the atmosphere.
  • the arithmetic mean values of nitrogen (78.118 mol%), oxygen (20.952 mol%) and argon (0.930 mol%) are the same.
  • the molecular weight, liquid specific gravity, boiling point and heat of vaporization of liquefied air are considered to be 28.957 (g/mol), 0.883 (g/cm 3 ), -193.0 (°C) and 5.832 (KJ/mol), respectively (see Table 1). .
  • the temperature of the vaporized air in the container 2 is -193°C (80K, the average boiling point of air), and the air temperature inside the protective clothing is 30°C (303K) before cooling, and it is lowered to 20°C (293K). It is assumed that the required amount of liquefied air is x(mol).
  • the air temperature of about 1 mol inside the garment can be cooled from 30°C to 20°C.
  • the time required for the temperature inside the protective clothing cooled to 20°C to rise to 30°C again varies greatly depending on variables such as the temperature of the surrounding environment, the amount of activity of the user, and the air permeability of the protective clothing, but at least 6 seconds or more (The more accurate time can be easily obtained by repeating simple experiments by changing the type of protective clothing, the temperature of the surrounding environment, and the activity of the user).
  • the temperature inside the protective clothing is to be maintained at an average temperature of 25° C. for 1 hour, 30 mol of liquefied air can be vaporized for 1 hour to supply as uniformly as possible. In terms of liquid volume, it corresponds to approximately 983.8 cm 3 .
  • Liquefied nitrogen and liquefied oxygen can be purchased at a price of about 1 USD per liter (when purchased at a retail price in Korea at the time of filing of the present invention).
  • the liquefied air to be used in the present invention can be supplied at a lower price than when separately purchasing liquefied nitrogen or liquefied oxygen, since it is possible to directly liquefy and use the air in the atmosphere without fractional distillation and separation by gas type. have.
  • the wearable cooling device proposed in the present invention can effectively lower the sensation temperature of users (firefighters, welders, workers in steelworks or mines) working in hot environments while wearing protective clothing that is thick and poorly breathable.
  • users firefighters, welders, workers in steelworks or mines
  • liquefied air By increasing the size of the insulated container, a larger amount of liquefied air is added or the liquefied air is recharged during a break, so that the user can use the cooling device almost continuously for a desired time.
  • the container 2 has a cylindrical shape
  • the thickness of the insulating material surrounding the container is 1 cm
  • the thermal conductivity of the insulating material is 0.04 (W/mK). Therefore, it is a number that can be easily implemented at a low price).
  • the above insulated container absorbs heat capable of vaporizing about 0.00983 (mol) per second, and approximately 0.05 (mol) to vaporize liquefied air. It takes about 5.09 seconds.
  • a person skilled in the art adjusts at least one of the type of heat insulating material (ie, thermal conductivity k), the thickness (d) of the heat insulating material, and the surface area (A) of the container (that is, the rate at which liquefied air is vaporized (that is, the amount of liquefied air per unit time) It will be readily appreciated that the air inside the work clothes can be adjusted to a temperature suitable for the user by adjusting the.
  • the type of heat insulating material ie, thermal conductivity k
  • d thickness of the heat insulating material
  • A surface area of the container
  • the vaporization rate of the container described above is Since it is rather fast, it can be optimized by increasing the thickness d of the insulation from 1.0 cm to 1.18 cm.
  • the worker can variably change the vaporization rate of the liquefied air.
  • the vaporization rate of liquefied air is set to a maximum value (for example, the thickness d of the insulating material is set small), and the excess vaporized air is discharged through the first branch tube 33 to the outside of the work clothes. Is to do.
  • An example of the first branch tube 33 is shown in Fig. 8B.
  • the amount of vaporized cold air supplied to the inside of the protective clothing can be adjusted by adjusting the opening degree of the first branch tube 33.
  • the maximum amount of air vaporized into the work clothes is supplied, and when the tube for the first branch is completely opened, the minimum amount of air vaporized into the work clothes is supplied.
  • This method has the advantage of simple structure and relatively easy temperature control, but has the disadvantage of wasting without using part of the vaporized air.
  • the second method is to set the vaporization rate of liquefied air to a minimum value (for example, to set a large thickness d of the heat insulating material) and to adjust the surface area of the container not covered with the heat insulating material.
  • a minimum value for example, to set a large thickness d of the heat insulating material
  • the amount of heat flowing from outside at a high temperature can be adjusted to control the amount of air vaporized inside the container. If the surface area of the container not covered by the insulation is set to the maximum, the amount of vaporized air supplied to the inside of the work clothes becomes the maximum value, and when the surface area of the container not covered by the insulation is set to the minimum value, the vaporization supplied into the workwear The amount of air is at a minimum.
  • This method has the disadvantages that the structure of the container is complicated, the cost of manufacturing the container is increased, the temperature is somewhat cumbersome, and the reaction is slow, but the vaporized air is not wasted.
  • the third method is to set the vaporization rate of the liquefied air to a minimum value (for example, to set a large thickness d of the heat insulating material), and to add a heater (not shown) that supplies heat inside the container.
  • the amount of heat supplied to the inside of the container can be variably adjusted through the heater to control the amount of vaporized air supplied to the inside of the protective clothing. If the heater supplies the maximum amount of heat to the inside of the container, the maximum amount of vaporized air is supplied to the inside of the work clothes, and if the heater does not supply the amount of heat to the inside of the container, the minimum amount of vaporized air is supplied to the inside of the work clothes.
  • This method has the disadvantage of adding an electric heater, a power source, and an operation switch, but it does not waste vaporized air, and the container is relatively easy to manufacture and the reaction is quick, so that the user can easily and precisely adjust the temperature inside the protective clothing.
  • the breathing apparatus used by firefighters and the like uses compressed air. In order to put a sufficient amount of air in a limited volume reservoir, it must be compressed at a very high pressure, usually about 200 to 300 atmospheres. At room temperature (approximately 300K) and 200 to 300 atmospheres, the main gas components (nitrogen and oxygen) that make up the air, respectively And critical temperatures (Tcr) and critical pressures (Pcr) of argon (see Table 1), so that all of these major gas components (nitrogen, oxygen and argon) are supercritical fluid states (gas State or liquid state) (see FIG. 5).
  • Tcr critical temperatures
  • Pcr critical pressures
  • the air cylinder used in the conventional breathing apparatus must be made of a thick metal or an expensive carbon composite material, which makes the air cylinder heavy and has a high purchase cost.
  • these reservoirs cannot contain a large amount of air relative to the volume.
  • compressed air with 200 to 300 atmospheres is placed in an air reservoir having a volume of 5 liters (liter) inside, it is converted into air under 1 atmosphere and contains approximately 1000 to 1500 liters. This is said to be the amount consumed by breathing, usually 30 to 45 minutes, while firefighters with high activity are working. From this, the firefighter in operation consumes about 33.33 liters of air per minute (atmospheric pressure conditions) by breathing.
  • the amount of air required for the cooling device is about 30 mol per hour
  • the amount of air required for breathing is about three times that, which is somewhat burdensome in terms of cost.
  • the breathing apparatus of the present invention using liquefied air is smaller, lighter, cheaper and safer than a conventional breathing apparatus using compressed air because the internal pressure of the insulating container is not large and can contain a larger amount of air in the same volume. It has the advantage of being. As described above, if the compressed air at 300 atm is placed in a 5 liter air container, about 67 mol can be added, whereas a 3 liter insulating container can hold about 90 mol of liquefied air.
  • a breathing apparatus using liquefied air has a disadvantage that an additional cost is required to purchase liquefied air (it is necessary to accurately compare the cost of charging compressed air to the air cylinder), but this is more light and safe for users such as firefighters.
  • the advantage of being able to use a breathing apparatus can be offset sufficiently.
  • the first problem is that the boiling point of nitrogen, oxygen, and argon is different, so that the composition ratio of the vaporized air may be different from the composition ratio of air in the atmosphere.
  • the second problem is that the temperature of the vaporized air is too low. It can be difficult to breathe.
  • the first method-a container for liquefied nitrogen and a container for liquefied oxygen are provided separately, and the amount of nitrogen and oxygen vaporized in each container is adjusted to approximate the composition ratio of nitrogen and oxygen contained in the atmosphere. It is to supply by mixing. In order to increase a user's activity ability, the composition ratio of oxygen may be intentionally increased and supplied. Whether or not to install more containers for liquefied argon is at the discretion of the practitioner, argon is not required for cooling or breathing, and the price of liquefied argon is much higher than liquefied nitrogen or liquefied oxygen, so prepare a container for liquefied argon There is no need to do it.
  • the second method-The liquefied air is contained in one container, and a heating wire (not shown) that comes into contact with the liquefied air is further installed inside the container, and an electric heating wire is flowed by flowing an electric current so that the liquefied air is vaporized at a rate suitable for breathing. It is to heat.
  • a heating wire (not shown) that comes into contact with the liquefied air is further installed inside the container, and an electric heating wire is flowed by flowing an electric current so that the liquefied air is vaporized at a rate suitable for breathing. It is to heat.
  • the composition ratio of air vaporized on the surface of the heated heating wire is predicted to be similar to the composition ratio of each gas type mixed with liquefied air. This is similar to the phenomenon in which ethanol and water boil together when the mixture of water and ethanol is boiled first when the mixture of water and ethanol is slowly heated, followed by boiling of water.
  • Method 1 The evaporated air is sufficiently absorbed from the container through the tube to the breathing mask by extending the tube extending from the container to the breathing mask. It's enough to make it fit. In this case, it is desirable that the tube has a high thermal conductivity. As shown in FIG. 7(B), when the breathing tube 16 is installed in the jacket 1 so as to pass through the inside of the protective clothing, the temperature of the breathing air is increased to the body temperature of the user while simultaneously cooling the inside of the protective clothing. It also has an effect, so it is more efficient.
  • the first end 161 of the breathing tube 16 is a second end (not shown) of the nozzle 214, a second end 32 of the first tube 3, or a second branch optionally further provided
  • the second end (not shown) of 34 communicates with one, and the second end 162 of the breathing tube 16 communicates with a breathing mask.
  • the heated portion of the tube is formed of a material having a high thermal conductivity.
  • a heating wire, a power supply, and an operation switch must be further provided, but also has the advantage of being able to rapidly raise and accurately control the temperature of the vaporized air.
  • any one of various embodiments may be appropriately selected, for example, used only for the cooling device, only for the breathing device, or used together for the cooling device and the breathing device.
  • the insulating container 2 was described as being worn outside the outer garment (protective beam). However, if necessary, both the insulating container 2 and the first tube 3 may be changed to be worn inside the outer garment of the user. have. It is preferable that the insulating container worn on the inside of the user's outer garment is made of a flexible pouch in a wider area, thinner thickness and flexible than the insulating container worn on the outside of the user's outer garment.
  • the pouch-shaped container is suitable for use by a user who needs to wear a suit, for example, in hot weather.
  • any protective equipment protecting pants, protective gloves surrounding the lower body, hands, feet, and head below the waist, if necessary.
  • the user's body part can be cooled by injecting low-temperature air vaporized inside the protective boots, helmet, etc.).
  • this term will be referred to collectively using the term "protective gear,” such protective gear as protective clothing, protective clothing trousers, protective gloves, protective boots, helmets or even a suit worn by the user in hot weather. It is obvious to a person skilled in the art to include any outerwear.
  • the items described above are contents proposed in Korean Patent Application No. 10-2018-0156508 (hereinafter referred to as'prior invention'), in which the present invention claims priority.
  • the inventors of the present invention of the present application have a container with a very high thermal insulation performance described in Fig. 10(A) (a stainless steel vacuum thermos with an internal capacity of 0.532 liters) and a container with a very low thermal insulation performance disclosed in Fig. 10(B) (with an internal capacity of 1.0 liter) Aluminum water bottle), liquid nitrogen, PE (polyethylene) tube and urethane tube, the inner diameter of the tube was combined with a case of 4 mm and 6 mm, and the effectiveness of the prior invention was tested. As shown in FIG.
  • a second tube 15 was installed inside the jacket 1 and tested by wearing the jacket 1.
  • the nozzle 214 inserted into the aluminum bottle with very low thermal insulation performance and the two short tubes that combine the first and second tubes 3 and 15 are connected and the The binder was worn and tested.
  • the test results are as follows. If the nozzle 214 is left still in an open state at room temperature, it takes more than 2 hours to vaporize all the liquid nitrogen contained in the 0.532 liter vacuum thermos of FIG. 10(A), and it is contained in a 1 liter aluminum water bottle of FIG. 10(B). It takes about an hour to vaporize all the liquid nitrogen. As shown in FIG. 11, while wearing the cooling device of the present invention, and wearing thick padding for cold protection instead of protective clothing (fire fighting clothing, etc.) thereon, for about 1 hour in a hot environment (saunasil) at 43 to 44°C (liquid nitrogen is I was able to withstand it until it evaporated). In the case of using the vacuum thermos shown in Fig.
  • the important problems realized by the inventors of the present invention are as follows. i) First, the pressure of the gas vaporized inside the heat-insulating container 2 is not sufficiently large, so that cold air is difficult to reach to the end of the second tube 15. In addition, the temperature deviation of the gas flowing therein in the longitudinal direction of the second tube 15 is very large, making it difficult to uniformly cool the inside of the protective clothing. ii) Second, because the temperature of the vaporized gas is too low, the vicinity of the first end 31 of the first tube 3, which is in communication with the heat insulating container 2, is rapidly cooled and hardened, so that it is not flexibly bent and brittle. Changes.
  • each gas has its boiling point (-195.8 , -183.0 and -185.9 °C) to 20 °C, respectively, and the required amount of heat to increase from 6.285, 5.963 and -185.9 °C) to 20 °C, respectively, is 6.285, 5.963 and 4.280 (KJ/mol), respectively.
  • This is equivalent to the gas's heat of vaporization, 5.56, 6.82, and 6.43 (KJ/mol).
  • the amount of heat required for the liquid air liquefied in the atmosphere to rise from its boiling point to 20° C. is 6.20 (KJ/mol), and the average heat of vaporization of air in the atmosphere is 5.83 (KJ/mol). .
  • the average cooling heat of 5.83 (KJ/mol) is the protective clothing. It is not used to cool the inside, but is wasted. Only the average specific heat capacity required to raise the temperature from the average boiling point to 20° C. is 6.20 (KJ/mol) of cold air.
  • the heat insulating performance of the heat insulating container 2 and the first tube 3 is sufficient (the outer surface is not very cold), it is also acceptable to wear the heat insulating container 2 outside the protective clothing, in which case the cooling device Wearing and manipulating is more convenient and can prevent wasting liquefied air.
  • the heat insulating performance of the heat insulating container 2 and the first tube 3 is insufficient (the outer surface is very cold), it is preferable to wear the heat insulating container 2 inside the protective clothing. The concept of technology is disclosed. If the outer surface of the insulating container 2 or the first tube 3 is very cold, for example, as shown in Figs.
  • the insulating material underwear, etc.
  • it has an effect of sufficiently cooling the user's back, even if cold vaporized air is not injected into the user's back. Since the nerve bundles and blood vessels of the spine are concentrated in the human back, cooling the back is more effective than cooling the rest of the body. It is more effective to properly set the area or curvature of the outer surface of the insulating container 2 so as to be in close contact with the user's skin.
  • the end of the suction pipe 41 of the air pump 4 may be located inside the protective clothing, or may be located outside the protective clothing.
  • the end of the exhaust pipe 42 of the air pump 4 is connected to the inlet of the second nozzle 218 that injects external air into the interior of the insulating container 2.
  • a second nozzle sealing stopper (not shown) for closing the inlet of the second nozzle 218 is further provided, it is helpful to reduce the consumption of liquefied air when not in use, as in the use of the nozzle stopper 216.
  • the outlet of the second nozzle 218 is located at the bottom of the insulating container 2 as shown in FIG. 12(B) to allow air injected from the outside to pass through the liquefied air, and the insulating container as shown in FIG.
  • the air injected from the outside may be mixed with liquefied air and vaporized gas.
  • Fig. 12(B) cools the outside air cooler than that of Fig. 12(A), and the amount of vaporization of the amount of liquefied air is also greater.
  • the second nozzle 218 is elongated inside the heat insulating container 2, the extended portion passes through the liquefied air layer, and the outlet and nozzle of the second nozzle 218 ( 214).
  • the air injected from the outside through the air pump 4 is cooled while passing through the extended portion of the second nozzle 218 contacting the liquefied air, and then flows to the first tube 3.
  • the liquefied air 20 only functions to cool the air injected from the outside, and the vaporized air from the liquefied air does not flow into the first tube 3.
  • the present invention proposes to use together an air reservoir 5 that receives clean compressed air 50 as disclosed in FIG. 12(D).
  • the nozzle 51 of the reservoir 5 and the inlet of the second nozzle 218 disclosed in FIGS. 12(A) to 12(C) are connected, and the nozzle 214 and the breathing tube 16 of the insulating container 2 are connected.
  • the user can breathe clean and cool cooled air.
  • valve 52 of the reservoir 5 is adjusted to properly adjust the amount of compressed air supplied from the reservoir to the inside of the insulating container 2 per unit time, the amount of air supplied to the breathing mask and its temperature can be appropriately adjusted. have.
  • the flexible spiral type metal tube shown in Fig. 14(A) or the flexible vacuum type metal tube shown in Fig. 14(B) is flexible even at cryogenic temperatures of around -200°C.
  • the bent, tube made of Teflon material in Fig. 14(C) also maintains some flexibility up to a very low temperature of about -60°C.
  • the internal surface temperature of the main body 22 is rapidly lowered by designing a small heat capacity of the main body 22 of the heat-insulating container 2, particularly, the interior material 223 of the main body 22.
  • the interior material 223 of the main body 22 is preferably designed with a thickness and a surface area as small as possible, and a metal having a specific heat as small as possible.
  • the heat insulating material 222 of the main body 22 it is important to significantly increase the heat insulating performance of the heat insulating material 222 of the main body 22 so that the amount of heat introduced from the outside is not transmitted to the inside material 223. To this end, it is best to evacuate the space occupied by the heat insulating material 222, that is, to fill the space between the inner material 223 and the outer material 221 with a vacuum (actually very low density air). to be.
  • a vacuum actually very low density air
  • opening the stopper 21 provided with the nozzle 214 or the second nozzle 218 to inject the liquefied air 20 into the insulating container 2 It is very troublesome. Therefore, inject the stopper and liquefied air used to install the nozzles 214, 218 or other components that can be selectively added to the insulating container 2 (ie, first and second electrical wiring, pressure regulators). It is desirable to have a stopper used to separate.
  • first and second electric wirings 231 and 232 for supplying electric current to the heating wire, pressure regulator 219 and nozzle it is preferable that the 214 and the second stopper 23 used for the purpose of installing the second nozzle 219 are further provided separately.
  • the pressure regulator 219 may be installed on the stopper 21 used for injecting liquefied air.
  • the electrical wiring, the nozzle, the pressure regulator, etc. were all described as being installed on one of the second stoppers 23, but they could also be installed on multiple stoppers, or on the main body 22 of the insulating container 2 without stoppers. It is obvious to a person skilled in the art that the present invention can be implemented by directly installing it.
  • 2-insulating container 20-liquefied air; 21-plug; 22-body; 23-second stopper;

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Abstract

본 발명의 제1 목적은 착용형 냉각장치를 제공하는 것이고, 본 발명의 제2 목적은 종래의 압축 공기를 이용하는 호흡장치보다 더욱 가볍고 부피가 작으며 보다 안전한 호흡장치를 제공하는 것이다. 사용자가 착용하여 휴대할 수 있는 단열성 용기에 액화 공기를 담고, 단열성 용기 내에서 기화된 저온의 공기를 사용자가 착용하고 있는 보호복 내부에 주입하여 냉각함으로써 본 발명의 제1 목적을 달성할 수 있고, 상기 기화된 저온의 공기를 호흡용 공기로 이용함으로써 본 발명의 제2 목적을 달성할 수 있다. 에어 펌프(4)를 함께 이용하면, 냉각용 공기의 공급량, 압력 및 온도를 보다 쉽게 조절할 수 있고, 액화 공기의 냉기를 보다 효율적으로 이용할 수 있다. 압축 공기를 수용하는 공기통(5)을 함께 이용하면, 호흡용 마스크로 공급되는 호흡용 공기를 깨끗하게 유지하면서 호흡용 공기의 공급량, 압력 및 온도를 보다 쉽게 조절할 수 있다. [대표도] 도면 12(B)

Description

액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치 및 호흡장치{A Wearable Cooling Apparatus and a Breathing Apparatus Using Liquefied Air}
본 발명은 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치에 관한 것이다. 이와 더불어, 본 발명은 종래의 압축 공기를 이용하는 호흡장치를 대체하기 위해 액화 공기를 이용하는 호흡장치를 제안한다.
소방관, 조선소의 용접공, 제철소의 용광로 작업 노동자, 광산의 광부 등은 작업의 특성상 계절이나 날씨에 상관없이 상시적으로 매우 무겁고 두꺼우며 통기성이 나쁜 보호복을 착용해야 하거나 상시적으로 무더운 환경에서 작업해야 한다. 그래서 소방관이나 조선소, 제철소, 광산 등에서 일하는 많은 노동자들은 연중 대부분의 기간 동안 더위에 시달리고 있다. 예를 들어, 도 1(A), 1(B), 2(B) 등을 통해서 이를 확인할 수 있다.
이로 인해, 특히 여름철에는 더욱 더, 체력 저하가 심하고 집중력이 떨어지며 탈진에 빠지기 쉬워서, 업무 효율이 저하되고 위험한 상황에 빠지기 쉬우며 건강에도 매우 나쁜 영향을 끼친다. 또한, 장시간 동안 연속적인 작업이 곤란하므로 생산성 측면에서도 큰 장애가 된다.
소방관이 일하는 화재 현장이나, 조선소, 제철소, 광산 등의 작업장은 보통 개방된 넓은 공간이거나 지속적으로 열이 발생하는 공간이므로, 이러한 공간에서 일하는 소방관, 용접공, 용광로 노동자, 광부 등을 위한 냉각 시스템(Cooling System)을 제공하는 것이 매우 어렵고, 이를 해결하기 위해 시도된 지금까지 알려진 장치나 방법들은 만족스럽지 못한 실정이다.
종래 기술로서 이용되고 있는 방법 중의 하나는 소위 "아이스 재킷(Ice Jacket)"이라고 하는 것인데, 도 3(A)와 3(B)에 도시한 바와 같이, 어름 주머니나 다공성 수지로 이루어진 아이스 팩을 재킷(jacket)의 여러 부위에 분산하여 배치하고 사용자가 재킷을 착용하는 방식이다. 이 방법은 어름 주머니나 아이스팩 자체의 무게 때문에 착용감이 나쁘고, 표면에 물방울이 생성되므로 사용자 신체 주변의 습도를 높여서 불쾌감을 유발하기 쉬우며, 사용하기 전에 미리 어름을 얼려둔다거나 아이스팩을 충분히 냉각시켜 두어야 하는 불편함이 있다.
종래 기술로서 이용되고 있는 또 다른 방법 중의 하나는 소위 "에어 재킷(Air Jacket)"이라고 하는 것인데, 도 2(A)와 2(B)에 도시한 바와 같이, 복수 개의 구멍(홀, hole)을 뚫은 튜브(tube)를 재킷(jacket)에 배치하고 상기 재킷을 사용자가 착용하며 상기 튜브의 일단에 컴프레서(compressor) 등으로 공기를 불어 넣어 보호복 내부에서 공기의 흐름을 발생시켜 냉각하는 것이다. 이 방법은 상기 재킷에 배치된 튜브의 일종단이 컴프레서(compressor) 등의 고압의 공기를 제공하는 고정된 외부장치와 항상 연결되어 있어야 하므로, 사용자의 움직임과 이동거리를 제한하는 불편함이 있다. 따라서, 이러한 방법은 길고 예측하기 어려운 경로를 따라 움직이며 작업해야 하는 소방관이 이용하기 어렵고, 한 장소에서 비교적 오랜 시간 동안 머물면서 움직임이 크지 않는 작업(예를 들어, 용접)을 하는 경우에만 제한적으로 이용할 수 있다. 또한 상온에서 컴프레서에 의해 압축된 공기를 제공하므로 공기의 온도가 높아 냉각효과가 충분하지 않고, 특히 대기의 온도가 높은 여름에 충분한 냉각 효과를 기대하기 어렵다.
기타 착용하거나 휴대할 수 있고 액화 기체를 이용하는 냉각장치와 관련된 다른 선행기술들의 특허 목록은 아래와 같다.
등록특허 제10-0323687호, 등록특허 제10-1450251호,
등록특허 제10-1698665호, 등록특허 제10-1093495호,
등록특허 제10-0352437호, 등록특허 제10-1339891호,
일본공개특허 제1996-189739호, 일본등록특허 제3045277호
본 발명이 개선할 수 있는 또 다른 종래기술은 압축 공기를 이용한 호흡장치이다. 현재 소방관 등이 사용하는 호흡장치는 보통 200~300기압의 높은 압력으로 압축된 공기를 수용하는 공기통을 사용하므로, 부피에 비해 많은 양의 공기를 담을 수 없고, 무거우며, 고가이고, 또한 파열이나 폭발의 위험을 가지고 있다. 현재 소방관이 이용하는 호흡장치와 공기통은 도 1(A), 도 4(A) 및 도 4(B)에 도시된 바와 같다.
본 발명은 액화 공기를 수용하는 단열성 용기를 이용함으로써, 부피에 비해 보다 많은 양의 공기를 담을 수 있고, 가벼우며, 저가이고, 또한 파열이나 폭발의 위험이 없는 보다 안전한 호흡장치를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
본 발명의 제1 목적은 통기성이 매우 나쁜 보호복을 착용해야 하거나 무더운 환경에서 작업해야 하는 이용자가 큰 비용을 들이지 않고 이용할 수 있는 편리하고 효율적이며 쾌적하고 이동성이 우수한 개인용 착용형 냉각장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제2 목적은 종래의 압축 공기를 이용하는 호흡장치보다 더욱 가볍고 안전하며 보다 많은 양의 공기를 담을 수 있으면서 비교적 저렴한 비용으로 이용할 수 있는 액화 공기를 이용하는 호흡장치를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 출원발명은 사용자가 착용하거나 휴대할 수 있는 단열성 용기에 액화 공기를 담고, 단열성 용기 내에서 기화된 저온의 공기를 직접 사용자가 착용하고 있는 통기성이 나쁜 보호복 내부에 주입하여 냉각할 것을 제안한다.
또한, 상기 단열성 용기 내에서 기화된 공기를 호흡하기에 적당할 정도의 온도로 높인 후에 사용자가 이를 직접 호흡에 이용할 것도 제안한다. 두 번째 제안은 무겁고 부피가 크며 내부의 높은 압력으로 인해 폭발이나 파열의 위험이 있는 종래의 호흡용 공기통을 대체하는 효과를 가진다.
본 발명은 작고 가벼워서 사용하기 간편하고 구조가 단순한 착용형 냉각장치를 제공한다.
시간당 1리터 정도의 액화공기를 소비하면 소방관 등 두껍고 통기성이 나쁜 보호복을 착용한 채 무더운 환경에서 작업해야 하는 사용자에게 충분한 냉각효과를 줄 수 있다.
시간당 3리터 정도의 액화공기를 소비하면 소방관 등이 사용하는 종래의 무겁고 부피가 크며 파열이나 폭발의 위험성이 큰 종래의 호흡용 공기통을 보다 가볍고 부피가 작으며 안전한 단열성 용기로 대체하여 호흡에 이용할 수 있다.
액화 공기의 소매 가격은 리터당 1USD 이하이므로, 비용 부담도 크지 않다.
본 명세서에 첨부되는 도면은 본 발명의 바람직하거나 가능한 실시예를 예시적으로 제공하는 것이고, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 쉽게 이해시키도록 하는 것이므로, 본 발명의 기술사상을 도면에 도시된 사항으로 한정해서 해석해서는 아니 된다.
도 1 내지 도 4는 본 발명이 해결하고자 하는 과제와 종래 기술을 설명하기 위해 제시한 도면이다.
도 5는 기체의 삼중점, 임계점 및 압력과 온도에 따라 결정되는 기체의 상태를 설명하기 위해 제시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 냉각장치를 간략하게 설명하기 위해 제시한 도면이다.
도 7은 사용자가 보호복 안쪽에 착용하는 재킷(1), 냉각용 제2 튜브(15) 및 호흡용 튜브(16)를 간략하게 설명하기 위해 제시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 냉각용 제2 튜브(15), 제1, 2 분기로(33, 34), 벨로우즈 형태의 주름관을 설명하기 위해 제시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 단열성 용기(2)를 설명하기 위해 제시한 도면이다.
도 10은 본 발명의 효용성을 테스트하기 위해 단순하게 제작한 본 발명의 시제품(prototype)을 개시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 단열성 용기(2)를 착용하여 사용하는 예시적인 방법을 개시한 도면이다.
도 12는 에어 펌프(4)를 추가할 때 단열성 용기(2)의 변형된 실시예를 설명하기 위한 도면들(A~C)과 공기통(5)의 간략화된 모식도(D)이다.
도 13은 에어 펌프(4)의 간략화된 모식도이다.
도 14는 매우 낮은 온도까지 유연성(flexibility)을 유지하는 상용화된 튜브들을 예시한 도면이다.
도 15는 액화 공기를 주입하는데 이용되는 마개(21)에 돌출부위가 존재하지 않도록 하기 위한 실시예를 설명하는 도면이다.
이하, 본 발명의 내용을 도면의 예시적인 실시예를 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 본 발명의 상세한 설명 및 청구범위에 사용된 용어는 가능한 한 사전적이거나 통상적으로 사용되는 용어와 일치하도록 기재하였으나, 만약 그렇지 않은 경우가 있다면 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
또한, 본 발명의 상세한 설명 및 도면에 기재된 냉각장치 또는 개별 구성 요소들은 본 발명의 기술사상을 구현할 수 있는 예시적인 실시예일 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형된 실시예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
I. 발명의 개요
도 6~9에는 본 발명에 따른 착용형 냉각장치 및 호흡장치의 여러 가지 실시예가 개념적으로 도시되어 있다.
도 6~9을 참조하면, 일 실시예로서, 본 발명의 착용형 냉각장치는 사용자가 착용하는 재킷(1), 액화 공기를 수용하는 단열성 용기(2) 및 상기 용기(2) 내부에서 기화된 공기를 사용자가 착용한 재킷(1)으로 전달하는 통로인 제1 튜브(3)를 포함하여 구성된다.
사용자는 재킷(1)을 먼저 착용하고, 그 위에 보호복(6; 작업복, 겉옷)을 착용한다. 다시 말해서, 재킷(1)이 속옷이고 보호복(작업복)이 겉옷이다.
도 7(A)와 7(B)에 도시되어 있는 바와 같이, 재킷(1)에는 기화된 공기가 흐르는 통로인 제2 튜브(15)가 설치되어 있고, 상기 제2 튜브(15)의 제1 종단(152)은 상기 제1 튜브(3)의 제2 종단(32)과 연통한다.
도 8(A)에 도시되어 있는 바와 같이, 상기 제2 튜브(15)에는 기화된 공기가 새어나올 수 있는 복수의 작은 구멍(홀, hole; 151)들이 마련되어 있다.
도 9(B) 등에 도시되어 있는 바와 같이, 용기(2)는 액화 공기(20)를 수용한다. 열전도를 통해서 외부에서 용기 내부로 유입되는 열량에 비례하는 양만큼 액화 공기가 용기 내부에서 기화된다. 필요에 따라서는 용기에 전열선을 추가하여 액화 공기의 기화 속도를 제어할 수도 있다. 전열선은 널리 알려진 기술이므로 도면에 도시하는 것은 생략한다.
재킷(1), 용기(2), 제1 튜브(3) 및 제2 튜브(15) 등에 대해서는 뒤에서 더 자세히 설명하기로 하고, 이하에서는 냉각 장치의 사용법에 관해 간단히 설명하기로 한다.
사용자가 재킷(1)을 착용하고, 그 위에 보호복(또는 작업복)을 착용하며, 액화 가스를 담은 용기(2)를 허리춤에 차거나 등에 매는 형태로 휴대한다. 고온(액화 공기의 끓는점보다 높은 온도)의 외부로부터 유입되는 열량이나 전열선을 통해 인위적으로 공급되는 열량(전열선을 추가하는 실시예의 경우)에 의해 용기(2) 내의 액화 공기가 기화되고, 기화된 공기에 의해 용기(2) 내부의 압력이 증가하면 기화된 저온의 공기가 제1 튜브(3)를 거쳐 제2 튜브(15)로 유입되며 제2 튜브(15)에 마련된 작은 홀(151)을 통해 보호복(또는 작업복) 내부로 흘러든다. 즉, 용기 내부에서 기화된 저온의 공기를 이용하여 보호복(또는 작업복) 내부를 냉각하는 것이다.
보호복(또는 작업복)의 나쁜 통기성 때문에 소방관 등의 사용자가 쉽게 더위를 느끼게 되는데, 본 발명의 냉각장치는 오히려 보호복의 나쁜 통기성을 이용하는 것이다. 다시 말해서, 보호복의 나쁜 통기성 때문에 보호복 내부로 주입된 차가운 공기가 보호복 외부로 쉽게 빠져나가지 않으므로 액화 공기를 이용하는 본 발명의 냉각장치가 효율적으로 작동할 수 있다.
액화 공기는 호흡장치에도 이용할 수 있는데, 이 경우에는 종래의 압축 공기를 호흡장치에 이용하는 경우와 대비하여 아래에 기재된 두 가지 장점을 가진다.
동일한 부피의 용기에 공기를 넣을 때, 통상적으로 액화 공기를 채우는 경우가 압축 공기를 채우는 경우보다 더 많은 양의 공기를 넣을 수 있다. 그러므로 액화 공기를 이용하는 호흡장치가 종래의 압축 공기를 이용하는 호흡장치보다 더 오래 사용할 수 있다(첫 번째 장점).
용기에 액화 공기를 채우면 용기 내부에서 기화되어 용기의 내부 압력이 증가하는데, 용기에 압력 레귤레이터를 설치하여 내부 압력이 미리 설정한 소정의 기준압력(예를 들어, 2기압)보다 커지면 압력 레귤레이터를 통해 기화된 공기의 일부가 외부로 방출되게 함으로써 용기 내부의 압력을 기준압력 이하로 유지할 수 있다.
이에 반해, 종래의 압축 공기를 이용하는 호흡장치는 매우 높은 압력(보통 200~300기압)을 견딜 수 있는 공기통을 필수적으로 이용해야 하므로, 공기통을 두꺼운 금속이나 고가의 탄소복합재료로 제작한다. 그러므로 액화 공기를 이용하는 호흡장치는 압축 공기를 이용하는 종래의 호흡장치보다 훨씬 가볍고 저렴하며 보다 안전한 용기를 이용할 수 있다(두 번째 장점).
본 발명은 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치를 제공하는 것이고, 선택적으로 액화 공기를 호흡장치에도 이용할 것을 제안하는 것이다.
Ⅱ. 액화 공기
냉각장치 및 호흡장치에서 액화 공기(liquid air)를 이용하는 경우의 장점은 일반인들도 쉽게 이해할 수 있다. 액화 공기는 인체에 무해하고, 상업적으로 쉽게 구입할 수 있으며, 값이 싸고, 풍부하다.
액화 공기의 공업적 생산 방법으로는 대기 중의 공기를 채집하여 고압으로 압축한 후 단열 팽창시키는 공정을 반복하여 공기의 온도를 낮추고 가압하여 액화시키는 방법이 가장 널리 이용된다. 이러한 공정 과정 중에 수증기(H2O)와 이산화탄소(CO2)가 제거된다. 각 기체 성분의 끓는점(boiling point) 차이를 이용하여 액화 공기를 분별 증류하면 순수한 질소, 산소, 아르곤 등의 기체가 얻어지고, 이들을 다시 압축 및 냉각하는 공정을 반복하여 액화시킴으로써 액체 질소, 액체 산소, 액체 아르곤 등을 생산한다. 대기 중에 가장 풍부하므로 액체 질소와 액체 산소의 판매 가격은 도매가격으로 1리터당 대략 0.5USD 정도이고, 소매가격도 1리터당 대략 1USD 정도에 불과하다(본 발명의 출원 시점에 한국에서의 경우).
아래의 표 1에 대기를 구성하는 주요 기체 성분 및 본 발명과 관련 있는 그들의 기초적인 물리량을 기재하였다. 수증기(H2O)는 장소나 시간(즉, 날씨)에 따라 변동 폭이 크므로 대기를 구성하는 주요 기체 성분에서 제외시켰다. 이산화탄소(CO2)는 그 조성비가 크지 않고 수증기와 마찬가지로 액화 공기를 생산하는 과정에서 제거되므로 본 발명에서 고려하지 않기로 한다. 기타 다양한 종류의 가스들이 극소량 존재하는데(조성비를 기준으로 CO, Ne, He, CH4, Kr, N2O, H2, O3 순서), 그들의 조성비 총합도 질량을 기준으로 보나 부피를 기준으로 보나 몰량을 기준으로 보나 모두 0.01% 이하로서 매우 작으므로, 본 발명에서는 이들 극소량의 기체 성분들도 모두 무시하기로 한다.
표 1에서 몰량을 기준으로 산출한 조성비는 상위 3가지 성분(질소, 산소 및 아르곤)의 몰량비의 합을 100%로 간주하고 산출한 것이다.
Figure PCTKR2019017200-appb-I000001
따라서, 본 발명을 실시함에 있어서 액화 공기는 액체 질소(대략 78 mol%), 액체 산소(대략 21 mol%) 및 액체 아르곤(대략 1 mol%)의 혼합물이라고 간주하면 된다. 아르곤의 끓는점이 산소의 끓는점과 대략 비슷하므로 액화 공기는 액체 질소(대략 78 mol%)와 액체 산소(대략 22 mol%)의 혼합물이라고 간주해도 된다.
현재에는 액화 공기 공급 업체가 보통 액체 질소, 액체 산소 및 액체 아르곤 등으로 분리하여 공급하기 때문에 사용자가 액체 질소와 액체 산소를 각각 구매하여 혼합해서 사용해야 할 것이다(액체 아르곤은 가격이 비싸고 본 발명을 실시하는데 꼭 필요한 것도 아니므로, 굳이 액체 아르곤까지 추가할 필요는 없다).
개방된 환경이고 사용자가 외부의 공기를 충분히 호흡할 수 있어서 질식할 위험이 없다면 사용자는 액체 질소만 이용할 수도 있다. 또한, 화재의 위험이 없고, 개방된 환경이며, 사용자가 외부의 공기를 충분히 호흡할 수 있어서 고농도의 산소 호흡으로 인해 사용자의 신체에 이상이 발생할 위험이 없다면 사용자는 액체 산소만 이용할 수도 있다.
만약, 액화 공기 공급 업체가 액화 공기를 분리하지 않고 대기 중의 공기를 그대로 액화하여 질소, 산소, 아르곤 등이 대기 중의 조성비와 동일한 조성비로 혼합된 액화 공기를 공급하여 준다면 그 혼합된 액화 공기를 그대로 사용하면 된다.
사실 대기 중의 공기를 기체 종류별로 분리하지 않고 그대로 액화하여 공급하는 경우가 가장 바람직하다. 그 이유는 대기 중의 공기 조성비와 동일한 액화 공기가 사용자의 호흡에 가장 적합하고 안전하며, 분별증류 공정이 생략되므로 액화 공기의 생산비와 구입비를 절감할 수 있기 때문이다.
위에서 설명한 바를 정리하자면, 본 발명에서 언급하는 "액화 공기"는, i) 순수한 액체 질소를 의미할 수도 있고, ii) 순수한 액체 산소를 의미할 수도 있으며, iii) 대기 중의 공기 조성비와 유사하거나 또는 의도적으로 액체 산소의 조성비를 대기 중의 산소 조성비 보다 더 높게 설정한(이는 사용자의 활동 능력을 높이는데 도움이 된다) 액체 질소와 액체 산소의 혼합물을 의미할 수도 있고, 때로는 iv) 대기 중의 공기를 분리하지 않고 그대로 액화한 것을 의미할 수 있다는 점을 강조하고자 한다.
다만, 계산과 설명의 편의상, 이하에서는 액화 공기를 질소(N2)와 산소(O2) 및 아르곤(Ar)이 대기 중의 조성비와 동일한 조성비로 혼합된 것이라고 간주한다. 다시 말해서, 대기 중에 포함된 질소, 산소 및 아르곤의 몰%의 합을 100%라고 놓고, 다른 종류의 기체 (H2O, CO2, CO, Ne, He, CH4, Kr, N2O, H2, O3 등)는 모두 무시한다. 이 경우에 몰량 기준 조성비를 감안하여 산출한 액화 공기의 평균 분자량, 평균 액체비중, 평균 끓는점 및 평균 기화열은 각각 28.957(g/mol), 0.883(g/cm3), -193.0(℃) 및 5.832(KJ/mol)이다. 통상의 기술자라면 표 1로부터 위에서 언급한 액화 공기의 평균 물리량들을 쉽게 산출할 수 있을 것이다.
Ⅲ. 단열성 용기, 제1 튜브 및 제2 튜브
이제, 냉각장치를 이루는 주요 구성 요소인 단열성 용기(2), 제1 튜브(3), 제2 튜브(15) 및 조끼(1)에 대해서 더 자세히 살펴보기로 한다.
용기(2)의 예시적인 실시예는 도 9(A)~9(D)에 개시되어 있다. 도 9(A), 9(B)에 도시된 바와 같이, 용기(2)는 마개(21)와 본체(22)를 포함하여 구성된다. 예시적으로, 마개(21)와 본체(22)는 나사 결합 등의 방식으로 밀폐될 수 있다. 마개(21)를 열어 본체(22)의 상부에 마련된 입구를 통해 본체(22) 내부로 액화 공기(20)를 주입하고, 마개(21)를 닫아 본체(22)의 내부를 외부로부터 밀폐한다.
마개(21) 또는 본체(22)의 일부분에 기화된 공기가 흐를 수 있도록 노즐(214)을 설치할 수 있다. 도 9(A)~9(D)에는 노즐(214)이 마개(21)에 설치된 실시예만 예시적으로 도시하고 있으나, 필요에 따라서는 노즐을 본체(22)에 설치할 수도 있다.
또한, 도 9(A)~9(D)에는 노즐(214)이 설치되어 있는 마개(21)만 예시적으로 도시되어 있으나, 필요에 따라서는 노즐이 없는 용기 밀폐용 마개를 더 구비할 수도 있다. 용기 밀폐용 마개는 액화 공기가 담긴 용기(2)를 냉각장치나 호흡장치로 사용하지 않을 때 내부의 액화 공기의 기화 속도를 늦추기 위해 사용된다. 용기 밀폐용 마개는 노즐(214)을 구비하지 않은 마개(21)와 같은 것이므로 도면에 도시하는 것을 생략한다.
도 9(D)에 도시된 바와 같이, 노즐(214)의 제2 종단을 밀폐하는 노즐 밀폐용 마개(216)를 더 구비할 수도 있다. 상기 용기 밀폐용 마개와 노즐 밀폐용 마개(216)는 냉각장치나 호흡장치로 사용하지 않을 때 용기(2) 안에 담긴 액화 공기(20)의 기화 속도를 늦추는데, 이는 외부에서 용기(2) 내부로 유입되는 열량을 줄이고, 용기(2) 내부의 압력을 증가시켜 액화 공기가 덜 기화되도록 하는데 도움이 된다(통상적으로 외부의 압력이 높을수록 액체의 기화 온도가 상승한다).
다만, 상기 용기 밀폐용 마개 또는 노즐 밀폐용 마개(216)를 결합하여 용기(2)를 밀폐하는 경우에 용기(2) 내부의 압력이 계속 증가하므로, 이를 방지할 수 있도록 본체(22)나 용기 밀폐용 마개 또는 노즐 밀폐용 마개(216) 중 적어도 하나에 압력 레귤레이터를 더 구비하는 것이 바람직하다. 압력 레귤레이터에 관해서는 뒤에서 보다 자세히 설명하기로 한다.
도 9(C) 등에 도시된 바와 같이, 노즐(214)의 제1 종단(미도시)은 기화된 공기가 존재하는 용기(2)의 내부 공간의 상부와 연통하되 용기의 내부 공간의 하부에 고여 있는 액화 공기에 잠기지 않도록 한다.
도 7(A)와 도 9(C)에 도시된 바와 같이, 노즐(214)의 제2 종단(미도시)은 제1 튜브(3)의 제1 종단(31)과 연통한다. 제1 튜브(3)의 제2 종단(32)은 재킷(1)에 설치된 제2 튜브(15)의 제1 종단(미도시)과 연통한다. 제2 튜브(15)의 제2 종단(미도시)은 막혀 있는 것이 더 바람직한데, 이는 기화된 공기가 복수의 홀(151)을 통해서만 밖으로 빠져나오도록 하여 저온의 공기가 균일하게 퍼지도록 하는데 유리하다.
도 9(A)의 예시적인 실시예처럼, 용기의 본체(22)를 내부재(223), 단열재(222) 및 외부재(221) 등의 복층 구조로 형성할 수 있고, 이와 마찬가지로 용기(2)의 마개(21)를 내부재(213), 단열재(212) 및 외부재(211) 등의 복층 구조로 형성할 수 있다.
내부재(213, 223)는 저온의 액화 공기 또는 그 기화된 공기와 직접 접촉하므로 저온의 환경에서 강한 내구성을 가지는 재료로 형성하는 것이 좋다. 또한 높은 열 구배를 견딜 수 있어야 한다. 예를 들어, 알루미늄이나 스테인리스 스틸 등의 금속 재료를 사용할 수 있는데, 금속 재료로 한정할 필요는 없고 극저온의 온도와 높은 온도 차이에도 불구하고 파손되지 않고 기밀성을 유지할 수 있는 다양한 임의의 재료 중에서 선택할 수 있다.
외부재(211, 221)는 단열재(212, 222)를 보호할 수 있는 임의의 재료일 수 있다. 외부재(211, 221)의 재료는 열전도율이 낮을수록 좋고, 표면경도가 크면서 탄력성도 어느 정도 가지는 재질이 좋다. 예를 들어, 외부재(211, 221)의 재료로는 열전도율이 낮고 표면강도와 탄력성이 큰 고분자 합성수지 중에서 하나를 선택하거나 그들의 복합재료를 선택할 수 있다.
단열재(212, 222)는 열전도율이 낮을수록 좋은데, 단열성능이 좋지 않으면 용기 내에 수용된 액화 공기의 기화 속도가 빨라서 용기에 담은 액화 공기를 오랫동안 사용하기 어렵다. 만약 단열재(212, 222)가 내부재(213, 223) 또는 외부재(211, 221)의 성능 조건을 만족한다면, 내부재(213, 223) 또는 외부재(211, 221)를 생략할 수 도 있다. 단열재(212, 222)는 종류가 다른 복수의 단열재를 적층하여 형성할 수도 있다.
앞서 기재한 바와 같이 본체(22), 용기 밀폐용 마개, 노즐 밀폐용 마개(216) 중 적어도 하나에 압력 레귤레이터(pressure regulator)를 더 설치할 수 있다. 압력 레귤레이터는 기화된 가스에 의해 용기 내부의 압력이 증가하여 미리 설정된 소정의 임계 압력보다 커지면 밸브를 열어 용기 내부에 축적된 기화된 공기의 일부를 외부로 방출한다. 그럼으로써, 용기의 내부 압력이 압력 레귤레이터에 설정한 소정의 기준치 이상으로 증가하는 것을 방지한다. 압력 레귤레이터로는 다이어프램 밸브(diaphragm valve) 등의 널리 공지되고 상용화된 제품 중의 하나를 구입하여 사용할 수 있으므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 압력 레귤레이터에 의해서 사용하지 않을 때에도 용기(2) 내부에 압력이 축적될 위험성이 없으므로 높은 압력(200~300 기압)을 견딜 수 있어야 하는 종래의 호흡용 공기통처럼 두껍고 무거운 금속재질이나 탄소복합재료처럼 고가의 소재로 용기(2)를 만들 필요가 없다.
도 9(A)에 도시된 바와 같이, 선택적으로 노즐(214)은 각각 1개 이상의 홀(217)을 구비한 복수 개의 칸막이(215)를 포함할 수 있다. 기화된 공기는 잘 통과하고 액체 상태인 액화 공기는 잘 통과하지 못하도록 인접한 칸막이에 구비되는 홀들의 위치를 엇갈려 설치하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 용기가 뒤집히거나 기울어지더라도 액체 상태인 액화 공기가 제1 튜브(3)나 제2 튜브(15)로 쉽게 흘러 들어가지 않도록 하기 위해서이다.
도 8(C)에 도시된 바와 같이, 선택적으로 제1 튜브(3) 또는 제2 튜브(15)의 적어도 일부분에 벨로우즈(bellows) 형태의 주름을 더 형성할 수 있다. 벨로우즈 형태의 주름은 용기가 뒤집히거나 기울어지더라도 액체 상태인 액화 공기가 보호복 내부로 직접 흘러들어가지 않도록 하는데 효과적이다. 벨로우즈 형태의 주름은 또한 제1 튜브 및 제2 튜브의 단면 형상이 변형되지 않으면서(즉, 제1, 2 튜브의 공기 통로가 막히지 않으면서) 유연하게 구부릴 수 있도록 하는 점에서도 효과적이다. 벨로우즈의 주름은 곡선 안쪽에서 수축되고 곡선 바깥쪽에서 팽창함으로써 원형인 벨로우즈의 단면 형상이 변형되지 않고 구부러지도록 하는데, 주름이 있는 플라스틱 빨대를 사용한 경험이 있다면 그 원리를 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 8(C)에 도시된 바와 같이, 선택적으로 제1 튜브(3)에는 기화된 공기의 일부를 외부 대기로 방출하기 위한 제1 분기로(33)를 더 구비할 수 있다. 액화 공기의 기화속도가 너무 빨라서 사용자가 추위를 느낀다면 상기 제1 분기로(33)의 종단에 마련된 방출구(미도시)를 열어 기화된 공기의 일부를 외부로 방출하되, 상기 방출구의 크기를 조절하여 방출되는 기화된 공기의 양을 조절함으로써 보호복 내부의 온도를 적절하게 조정할 수 있다.
도 8(C)에 도시된 바와 같이, 선택적으로 제1 튜브(3)에는 기화된 공기의 일부분이 호흡용 마스크로 흘러 들어가도록 하는 제2 분기로(34)를 더 구비할 수 있다. 상기 제2 분기로(34)를 통해서 하나의 용기를 냉각장치와 호흡장치에 함께 이용할 수 있다.
Ⅳ. 냉각장치에 이용하기 위해 필요한 액화 공기의 기화량
여기서 먼저, 보호복 내부의 공기 온도를 충분히 냉각하기 위해서는 단위 시간당 대략 어느 정도의 액화 공기를 기화시켜야 하는지 산출해 보기로 한다.
재킷(1)을 둘러싸는 보호복 내부의 표면적이 1m2 이고(사용자의 가슴, 배 및 등 부위의 표면적을 염두에 둔 것인데, 사람의 피부 전체 면적이 1.6~2.0m2 인 것을 기초로 하였다), 보호복의 내부 표면과 사용자의 피부까지 평균 거리(즉, 보호복 내부의 공기층 두께)를 2cm라고 가정하면, 보호복 내부의 공기 부피는 20리터가 되므로, 넉넉히 잡아 보호복 내부에 대략 1mol 정도의 공기를 담고 있다고 가정할 수 있다(0℃, 1기압에서 기체의 부피는 대략 22.4리터이다).
편의상 액화 공기의 물리량은 대기 중에 포함된 주요 기체 성분의 몰량비를 가중치로 한 평균값과 같다고 가정한다. 다시 말해서, 질소(78.118 몰%), 산소(20.952 몰%) 및 아르곤(0.930 몰%)의 산술 평균값과 같다고 가정한다. 그러면, 액화 공기의 분자량, 액체비중, 끓는점 및 기화열은 각각 28.957(g/mol), 0.883(g/cm3), -193.0(℃) 및 5.832(KJ/mol)으로 간주된다(표 1 참조).
용기(2) 내에서 기화된 공기의 온도가 -193℃(80K, 공기의 평균 끓는점)이고, 냉각되기 전에 보호복 내부의 공기 온도가 30℃(303K)이며, 이를 20℃(293K)까지 낮추는데 필요한 액화 공기의 양을 x(mol)이라고 가정한다.
그러면 다음과 같은 식을 만족해야 한다.
80·x+303·1=293·(1+x)
이를 풀면, x=10/213(mol)로서 넉넉히 잡고 0.05mol 정도면 충분하다.
위 식의 의미를 풀어쓰면, 액화 공기의 대략 0.05mol 정도를 기화시켜 보호복 내부에 공급하면, 보호복 내부에 있는 대략 1mol 정도의 공기 온도를 30℃에서 20℃까지 냉각할 수 있다는 것이다.
20℃까지 냉각된 보호복 내부의 온도가 다시 30℃까지 상승하는데 소요되는 시간은 주변 환경의 온도, 사용자의 활동량 및 보호복의 통기도 등의 변수에 따라 크게 다르겠지만, 적어도 6초(second) 이상은 될 것이다(보다 정확한 소요 시간은 보호복의 종류, 주변 환경의 온도 및 사용자의 활동량을 변경해 가면서 단순한 실험을 반복하여 쉽게 얻을 수 있다).
실험 결과, 예를 들어, 20℃까지 냉각된 보호복 내부의 공기 온도가 다시 30℃까지 상승하는데 걸리는 시간이 6초라면, 1초당 1/120mol 정도를 기화시켜 보호복 안에 주입하면 평균 25℃를 유지할 수 있다는 것을 의미한다.
만약 보호복 내부의 온도를 1시간 동안 평균 25℃로 유지하고자 한다면 1시간 동안 30 mol 정도의 액화 공기를 기화시켜 가급적 균일하게 공급하면 되는데, 액화 공기 30 mol은 액화 공기 868.7g 정도에 해당하고 이를 액체의 부피로 환산하면 대략 983.8cm3에 해당한다.
액화 질소 및 액화 산소는 1리터당 대략 1 USD 정도의 가격으로 구매할 수 있다(본 발명의 출원 시점에 한국에서 소매가격으로 구매하는 경우). 또한, 본 발명에서 이용하고자 하는 액화 공기는 분별 증류하여 기체 종류 별로 분리할 필요 없이 대기 중의 공기를 바로 액화하여 이용할 수 있으므로, 액화 질소나 액화 산소를 별도로 구매하는 경우보다 더욱 낮은 가격으로 공급받을 수도 있다.
위에서 대략적으로 계산한 바와 같이, 단열 용기, 튜브 및 재킷으로 구성되는 가볍고 단순하며 저렴한, 본 발명에서 제안하는 착용용 냉각장치와 시간당 소비량이 대략 1 USD 정도의 가격으로 구매할 수 있는 액화 공기를 이용하면, 두껍고 통기성이 나쁜 보호복을 착용한 채 무더운 환경에서 작업하는 사용자(소방관, 용접공, 제철소나 광산의 노동자 등)의 체감 온도를 효과적으로 낮출 수 있다. 단열 용기의 크기를 증가시켜 보다 많은 양의 액화 공기를 넣거나 휴식 시간에 액화 공기를 재충전함으로써 사용자가 원하는 시간만큼 거의 연속적으로 냉각장치를 이용할 수 있다.
Ⅴ. 단열성 용기에 요구되는 단열 성능
다음으로, 외부에서 유입되는 열량에 의해 단열재로 둘러싸인 용기(2)의 내부에서 단위 시간당 어느 정도의 액화 공기가 기화되는지 대략적으로 계산해 보기로 한다. 필요한 계산식은 아래와 같다.
ΔQ/Δt = k·A·ΔT/d
(여기서, ΔQ/Δt-단위 시간당 유입되는 열량; k-열전도율; A-면적; ΔT-온도차; d-두께)
예를 들어, 용기(2)가 원기둥 형상이고, 그 내부 표면의 반경 R=5cm이며, 높이 h=15cm라고 가정하면, 그 내부의 수용 부피 V=πR2h=1178cm3이고, 그 내부의 표면적 A=2πR2+2πRh=628.3cm2이다. 용기를 둘러싼 단열재의 두께가 1cm이고, 단열재의 열전도율이 0.04(W/m·K)라고 가정한다(열전도율 0.04 W/m·K는 단열성이 가장 좋은 목재의 열전도율이고, 단열성이 가장 나쁜 에어로젤의 열전도율이므로, 저렴한 가격으로 쉽게 구현할 수 있는 수치이다).
액화 공기가 담긴 용기 내부의 온도가 -193℃(끓는점)이고 무더운 여름철에 용기 외부의 온도가 35℃라고 가정하면 ΔT=228(K)가 되므로, ΔQ/Δt=(0.04)(0.06283)(228)/(0.01) = 57.3(W) 와 같다.
액화 공기의 평균 기화열이 5.832(KJ/mol)이므로, 위 단열 용기는 초당 0.00983(mol) 정도의 액화 공기를 기화할 수 있는 열을 흡수하고, 0.05(mol) 정도의 액화 공기를 기화하기 위해서는 대략 5.09초 가량이 소요된다.
통상의 기술자라면 단열재의 종류(즉, 열전도율 k), 단열재의 두께(d), 용기의 표면적(A) 중 적어도 하나를 조절하여 액화 공기가 기화되는 속도(즉, 단위 시간당 액화 공기의 기화량)를 조절함으로써 작업복 내부의 공기를 사용자에게 적합한 온도로 조절할 수 있다는 것을 쉽게 알 것이다. 예를 들어, 만약 작업복 내부의 공기 온도를 적합하게 유지하기 위해서 6초당 0.05 mol(1초당 1/120 mol) 정도의 액화 공기를 기화하는 것이 적당하다는 실험결과가 있다면, 위에서 살펴본 용기의 기화 속도는 다소 빠르므로 단열재의 두께 d를 1.0 cm에서 1.18 cm로 증가시킴으로써 최적화 할 수 있다.
한편, 작업자를 둘러싼 외부 환경의 온도가 시간과 장소에 따라 변하고, 작업자의 활동량도 상시적으로 변하므로, 작업자가 액화 공기의 기화 속도를 가변적으로 변경할 수 있는 것이 더욱 바람직하다. 아래에서 예시적인 3가지 방법을 들겠다.
제1 방법은, 액화 공기의 기화 속도를 최대치로 설정하고(예를 들어, 단열재의 두께 d를 작게 설정하고), 여분의 기화된 공기를 제1 분기용 튜브(33)를 통해 작업복 외부로 방출하는 것이다. 제1 분기용 튜브(33)의 일례는 도 8(B)에 도시되어 있다. 제1 분기용 튜브(33)의 개방 정도를 조절하여 보호복 내부로 공급되는 기화된 차가운 공기의 양을 조절할 수 있다. 제1 분기용 튜브를 완전히 막으면 작업복 내부로 기화된 공기의 최대량이 공급되고, 제1 분기용 튜브를 완전히 개방하면 작업복 내부로 기화된 공기의 최소량이 공급된다. 이 방법은 구조가 간단하고 온도 조절이 비교적 용이한 장점이 있으나 기화된 공기의 일부를 이용하지 않고 낭비하는 단점이 있다.
제2 방법은, 액화 공기의 기화 속도를 최소치로 설정하고(예를 들어, 단열재의 두께 d를 크게 설정하고), 단열재로 덮이지 않는 용기의 표면 면적을 조절하는 것이다. 단열재로 덮이지 않는 용기의 표면 면적을 조절하면, 고온의 외부에서 유입되는 열량이 조절되어 용기의 내부에서 기화되는 공기의 양을 조절할 수 있다. 단열재로 덮이지 않는 용기의 표면 면적을 최대치로 설정하면 작업복 내부로 공급되는 기화된 공기의 양이 최대치로 되고, 단열재로 덮이지 않는 용기의 표면 면적을 최소치로 설정하면 작업복 내부로 공급되는 기화된 공기의 양이 최소치로 된다. 이 방법은 용기의 구조가 복잡하여 용기 제조 비용이 증가하고 온도를 조절하기 다소 번거로우며 반응이 느리다는 단점이 있으나 기화된 공기를 낭비하지 않는 장점이 있다.
제3 방법은, 액화 공기의 기화 속도를 최소치로 설정하고(예를 들어, 단열재의 두께 d를 크게 설정하고), 용기 내부에 열량을 공급하는 전열기(미도시)를 추가하는 것이다. 전열기를 통해 용기 내부에 공급되는 열량을 가변적으로 조절하여 보호복 내부로 공급되는 기화된 공기의 양을 조절할 수 있다. 전열기가 용기 내부로 최대치의 열량을 공급하면 작업복 내부로 최대치의 기화된 공기가 공급되고, 전열기가 용기 내부로 열량을 공급하지 않으면 작업복 내부로 최소치의 기화된 공기가 공급된다. 이 방법은 전열기, 전원 및 조작용 스위치를 더 추가해야 하는 단점이 있으나, 기화된 공기를 낭비하지 않고 용기의 제작이 비교적 쉬우며 반응이 빨라서 사용자가 보호복 내부의 온도를 쉽고 정밀하게 조절할 수 있다는 장점을 가진다.
Ⅵ. 액화 공기를 호흡장치에 이용하는 경우
이제, 본 발명의 단열 용기 및 액화 공기를 호흡장치로 이용하는 경우에 대해서 설명하기로 한다.
현재 소방관 등이 사용하는 호흡장치는 압축된 공기를 이용하는 것이다. 한정된 부피의 공기통 안에 충분한 양의 공기를 넣기 위해 보통 200~300 기압 정도의 매우 높은 압력으로 압축시켜 넣어야 하는데, 상온(대략 300K) 및 200~300 기압은 각각 공기를 이루는 주요 기체 성분(질소, 산소 및 아르곤)들의 임계 온도(Tcr; critical temperature) 및 임계 압력(Pcr; critical pressure)보다 크므로(표 1 참조), 이들 주요 기체 성분들(질소, 산소 및 아르곤)은 모두 초임계 유체 상태(기체 상태인지 액체 상태인지 구분할 수 없는 상태)로 된다(도 5 참조).
이처럼 높은 내부 압력에 의해 공기통이 파열될 위험이 크므로 종래 호흡장치에 이용하는 공기통은 두꺼운 금속이나 고가의 탄소복합재료로 제조해야 하고, 이로 인해 공기통이 무겁고 그 구매 비용도 높다.
또한, 이러한 공기통은 부피에 비해 많은 양의 공기를 담을 수 없다. 예를 들어, 내부 수용 공간의 부피가 5리터(liter)인 공기통에 200~300기압으로 압축된 공기를 넣는 경우에는 1기압 조건 하에서의 공기로 환산하여 대략 1000~1500리터 정도를 담고 있는 셈인데, 이는 활동량이 많은 소방관들이 작업하면서 보통 30~45분 정도에 호흡으로 소비하는 양이라고 한다. 이로부터, 작업 중인 소방관이 호흡으로 1분당 약 33.33 리터의 공기(대기압 조건)를 소비하는 셈이다.
평상시의 사람이 보통 1분당 약 28리터의 공기를 호흡으로 소비한다고 하니, 활동량이 많은 소방관들이 작업 중에 1분당 약 33.33리터의 공기를 소비한다고 추정하는 것은 충분히 합리적이다. 그러므로 작업 중인 소방관이나 무더운 환경에서 작업하는 다른 사용자들은 호흡하기 위해서 1분당 대략 1.5mol 정도의 공기가 필요하고, 이를 다시 환산하면 1시간당 대략 90mol 정도의 공기가 필요하다고 추정할 수 있다.
앞서 살펴본 바와 같이, 냉각장치에 필요한 공기의 양이 1시간당 30 mol 정도임을 감안하면, 호흡에 필요한 공기의 양은 그 3배 정도이므로 비용 측면에서 다소 부담스럽다.
그러나, 액화 공기를 이용하는 본 발명의 호흡장치는 단열성 용기의 내부 압력이 크지 않고 동일한 부피에 보다 많은 양의 공기를 담을 수 있으므로, 종래의 압축 공기를 이용하는 호흡장치에 비해 보다 작고 가벼우며 저렴하고 안전하다는 장점을 가진다. 앞에서 살펴본 바와 같이, 5리터의 공기통에 300기압으로 압축된 공기를 넣으면 약 67mol 정도를 넣을 수 있는데 비해, 3리터의 단열성 용기에는 약 90mol 정도의 액화 공기를 담을 수 있다.
따라서, 액화 공기를 이용하는 호흡장치는 액화 공기를 구매하기 위해 비용이 추가된다는 단점도 있으나(공기통에 압축공기를 충전하는데 드는 비용과 정확히 비교해 볼 필요가 있다), 이는 소방관 등의 이용자가 보다 가볍고 안전한 호흡장치를 이용할 수 있다는 장점으로 충분히 상쇄할 수 있다고 본다.
액화 공기의 구매 비용 외에도 액화 공기를 호흡장치에 이용하기 위해서는 2가지 문제를 더 해결해야 한다. (1) 첫 번째 문제는 질소와 산소 및 아르곤의 끓는점이 서로 달라서 기화되는 공기의 조성비가 대기 중의 공기 조성비와 다를 수 있다는 점이고, (2) 두 번째 문제는 기화된 공기의 온도가 너무 낮아서 이를 바로 호흡하기 어려울 수 있다는 점이다.
(1) 위 첫 번째 문제를 해결하기 위해서는 아래의 두 가지 방법을 생각할 수 있다.
i) 제1 방법 - 액화 질소를 담는 용기와 액화 산소를 담는 용기를 별도로 구비하고 각 용기 내부에서 질소와 산소가 기화되는 양을 조절하여 대기 중에 함유된 질소와 산소의 조성비와 비슷하게 되도록 두 기체를 혼합하여 공급하는 것이다. 사용자의 활동 능력을 높이기 위해 의도적으로 산소의 조성비를 더 높여 공급할 수도 있다. 액화 아르곤을 담는 용기를 더 설치할지 여부는 실시자의 재량이나, 냉각이나 호흡에 아르곤이 꼭 필요한 것도 아니고 액화 아르곤의 가격이 액화 질소나 액화 산소보다 훨씬 비싸므로, 액화 아르곤을 수용하는 용기를 별도로 준비할 필요는 없다.
ii) 제2 방법 - 액화 공기를 하나의 용기에 담고, 용기 내부에서 액화 공기와 접촉하는 전열선(미도시)을 더 설치하며, 호흡에 적합한 정도의 속도로 액화 공기가 기화되도록 전류를 흘려 전열선을 가열하는 것이다. 질소의 끓는점이 산소나 아르곤의 끓는점보다 낮으나 가열된 전열선의 표면에서 기화되는 공기의 조성비는 액화 공기에 혼합된 기체 종류별 조성비와 비슷할 것으로 예측된다. 이는 물과 에탄올의 혼합물을 천천히 가열하면 에탄올이 먼저 끓고 이 후에 물이 끓으나, 물과 에탄올의 혼합물을 급격히 가열하면 에탄올과 물이 함께 끓는 현상과 유사하다.
(2) 위 두 번째 문제를 해결하기 위해서는 아래의 두 가지 방법을 생각할 수 있다.
i) 제1 방법 - 용기로부터 호흡용 마스크까지 연결되는 튜브를 길게 연장하여 기화된 공기가 튜브를 따라 용기로부터 호흡용 마스크까지 흘러가는 동안에 외부의 열을 충분히 흡수하여 기화된 공기의 온도가 호흡에 적합할 정도로 충분히 상승하도록 하는 것이다. 이 경우에는 튜브의 열전도율이 높은 것이 바람직하다. 도 7(B)에 도시된 바와 같이, 호흡용 튜브(16)가 보호복 내부를 통과하도록 재킷(1)에 설치하면 사용자의 체온으로 호흡용 공기의 온도를 상승시키면서 동시에 보호복 내부를 냉각하는 효과도 있으므로 더욱 효율적이다. 호흡용 튜브(16)의 제1 종단(161)은 노즐(214)의 제2 종단(미도시), 제1 튜브(3)의 제2 종단(32) 또는 선택적으로 더 구비한 제2 분기로(34)의 제2 종단(미도시) 중 하나와 연통하고, 호흡용 튜브(16)의 제2 종단(162)은 호흡용 마스크와 연통한다. 이 방법은 별도로 추가해야 하는 구성이 없다는 장점이 있으나, 기화된 공기의 온도가 호흡에 적당할 정도로 충분히 상승하기 위해서는 용기로부터 호흡용 마스크까지 연결하는 튜브의 총 길이를 충분히 크게 해야 하는 단점도 있다.
ii) 제2 방법 - 용기로부터 호흡장치의 호흡용 마스크까지 연결되는 튜브의 일부분을 전열선으로 가열하는 것이다. 튜브의 가열되는 부분은 높은 열전도율을 가지는 물질로 형성하는 것이 바람직하다. 전열선과 전원 및 조작용 스위치를 더 구비해야 하는 단점이 있으나, 기화된 공기의 온도를 빠르게 올리고 정확하게 제어할 수 있다는 장점도 있다.
Ⅶ. 실시자의 선택
단열성 용기의 단열 성능이 아무리 우수하더라도 액화 공기를 장시간 동안 액체 상태로 보관할 수는 없다. 열전도를 통해서 지속적으로 열량이 유입되므로 단열성 용기 내의 액화 공기는 지속적으로 기화된다. 단열성 용기에 압력 레귤레이터를 설치하여 소정의 압력 이상이 되면 기화된 공기를 외부로 방출함으로써 압력이 증가하는 것을 막을 수는 있으나, 액화 공기의 소비는 피할 수 없다.
그러므로 액화 공기를 냉각 장치나 호흡 장치로 사용하기 직전에 용기에 액화 공기를 채우는 것이 바람직하다. 그런 점에서 압축 공기를 이용하는 종래의 호흡장치보다 다소 번거롭다는 단점이 있다.
액화 공기를 구매하는데 필요한 비용, 가능하면 사용하기 직전에 액화 공기를 용기에 채워야 하는 번거로움, 액화 공기를 냉각장치나 호흡장치에 이용할 때 얻을 수 있는 이익 등을 함께 고려하여, 사용자는 액화 공기를 냉각장치에만 이용하거나, 호흡장치에만 이용하거나, 또는 냉각장치와 호흡장치에 함께 이용하는 등 여러 가지 실시형태 중에서 어느 하나를 적절히 선택할 수 있다.
앞에서 단열성 용기(2)를 겉옷(보호보) 외부에 착용하는 것으로 설명하였으나, 필요에 따라서는 단열성 용기(2)와 제1 튜브(3)를 모두 사용자의 겉옷 안쪽에 착용하도록 변경하여 실시할 수도 있다. 사용자의 겉옷 안쪽에 착용하는 단열성 용기는 사용자의 겉옷 바깥쪽에 착용하는 단열성 용기에 비해 면적은 더 넓고 두께는 더 얇으며 유연한(flexible) 파우치 형태로 제작하는 것이 바람직하다. 파우치 형태의 용기는, 예를 들어 무더운 날씨에 정장을 착용해야 하는 사용자가 이용하기에 적합하다.
앞에서 냉각장치를 사용자의 상체(가슴, 배, 등)에 적용하는 실시예를 설명하였으나, 필요에 따라서는 허리 이하의 하체, 손, 발, 머리를 감싸는 임의의 보호 장구(보호복 바지, 보호 장갑, 보호 장화, 헬멧 등) 안쪽에 기화된 저온의 공기를 주입하여 사용자의 해당 신체 부분을 냉각할 수 있다는 것도 통상의 기술자에게 자명한 사항이다. 청구범위에서는 이를 감안하여 "보호 장구"라는 용어를 사용하여 통칭할 것이고, 상기 보호 장구가 보호복 상의, 보호복 바지, 보호 장갑, 보호 장화, 헬멧 또는 심지어 무더운 날씨에 사용자가 입어야 하는 정장과 같은 임의의 겉옷까지 포함한다는 것도 통상의 기술자에게 자명하다.
Ⅷ. 추가 개선책
앞에서 기재한 사항들은 본 발명이 우선권을 주장하는 대한민국 특허출원 제10-2018-0156508호(이하 '선행발명'이라 한다)에서 제안한 내용이다. 본 출원발명의 발명자는 도면 10(A)에 개시된 단열성능이 매우 높은 용기(내부 용량 0.532리터의 스테인리스스틸 진공 보온병)와 도면 10(B)에 개시된 단열성능이 매우 낮은 용기(내부 용량 1.0리터의 알루미늄 수통), 액화 질소, PE(폴리에틸렌) 튜브와 우레탄 튜브, 튜브의 내경이 4mm인 경우와 6mm인 경우를 조합하여, 선행 발명의 효용성 여부를 테스트하였다. 도면 10(C)에 개시된 바와 같이 재킷(1)의 안쪽에 제2 튜브(15)를 설치하고 재킷(1)을 착용하여 테스트하였다. 또한 도면 10(D)에 개시된 바와 같이 단열 성능이 매우 낮은 알루미늄 수통에 삽입한 노즐(214)과 제1, 2 튜브(3, 15)를 겸용하는 2개의 짧은 튜브를 연결하고 상기 수통과 튜브의 결합체를 착용하여 테스트하였다.
테스트 결과는 다음과 같다. 상온에서 노즐(214)이 개방된 상태로 가만히 놓아두면 도면 10(A)의 0.532리터 진공 보온병에 담긴 액화 질소를 모두 기화하는데 2시간 이상 소요되고, 도면 10(B)의 1리터 알루미늄 수통에 담긴 액화 질소를 모두 기화하는데 1시간 정도 소요된다. 도면 11에 개시된 바와 같이, 본 발명의 냉각장치를 착용하고 그 위에 보호복(소방복 등) 대신에 두꺼운 방한용 패딩을 입은 채 43~44℃의 무더운 환경(사우나실)에서 1시간 정도(액화 질소가 모두 증발할 때까지)를 힘들지 않게 견딜 수 있었다. 도면 10(A)의 진공 보온병을 이용하는 경우에는 액화 질소의 기화량이 충분하지 않아서 계속 흔들면서 테스트하였다. 테스트 결과 선행발명이 충분히 유용하고 실용적이라는 결론을 내릴 수 있었다. 그런데, 선행발명의 테스트 과정에서 개선해야 할 몇 가지 문제점들이 발견되어서, 본 출원발명을 통해 그에 대한 개선책을 추가적으로 제안하려고 한다.
본 출원발명의 발명인이 깨달은 중요한 문제점은 다음과 같다. i) 첫째, 단열성 용기(2) 내부에서 기화된 기체의 압력이 충분히 크지 않아서 제2 튜브(15)의 말단까지 차가운 공기가 도달하기 어렵다. 또한, 제2 튜브(15)의 길이방향으로 그 내부에서 흐르는 기체의 온도 편차가 매우 커서 보호복 내부를 균일하게 냉각하기 어렵다. ii) 둘째, 기화된 기체의 온도가 너무 낮아서 단열성 용기(2)와 도통하는 제1 튜브(3)의 제1 종단(31) 근처가 급속히 냉각되고 경화되므로 유연하게 휘어지지 않고 부서지기 쉬운 상태로 변한다. iii)셋째, 단열성 용기(2)를 보호복 외부에 착용하거나 단열성 용기(2)의 내부에 설치한 전열선으로 액체 공기를 기화시키면, 액체 공기가 가지고 있는 냉기를 충분히 사용하지 못하고 낭비하는 문제점이 있다.
먼저, 위 세 번째 문제점에 대해 먼저 설명하고, 그 개선책을 제안하겠다.
표 1을 참조하면 질소, 산소 및 아르곤의 비열용량(1몰의 기체 온도를 1K 올리는데 필요한 열량)이 각각 29.124, 29.378 및 20.786(J/mol·K)이므로, 각각의 기체를 그 끓는점(-195.8, -183.0 및 -185.9 ℃)에서 20℃까지 올리는데 필요한 열량은 각각 6.285, 5.963 및 -185.9 ℃)에서 20℃까지 올리는데 필요한 열량은 각각 6.285, 5.963 및 4.280(KJ/mol)인데, 이러한 값들은 각 기체의 기화열인 5.56, 6.82 및 6.43( KJ/mol)과 대등한 수준이다. 그 조성비를 고려하면 대기 중의 공기를 액화한 액체 공기가 그 끓는점에서 20℃까지 상승하는데 필요한 열량은 6.20(KJ/mol)이라 할 수 있고, 대기 중의 공기의 평균 기화열은 5.83(KJ/mol)이다.
그러므로, 단열성 용기(2)를 보호복 외부에 착용하는 경우와 단열성 용기(2)의 내부에 설치한 전열선으로 액체 공기를 기화시키는 경우에는, 평균 기화열인 5.83(KJ/mol)의 냉기가 보호복 내부를 냉각하는데 이용되지 않고 허비되며, 단지 평균 끓는점에서 20℃까지 온도를 올리는데 필요한 평균 비열용량인 6.20(KJ/mol)의 냉기만 이용되는 것이다.
또, 단열성 용기(2)를 보호복 외부에 착용하면 단열성 용기(2)의 외부 표면과 함께 제1 튜브(3)의 외부 표면을 통해서도 외부로 냉기가 빠져나가서 보호복 내부의 냉각에 이용되지 않고 허비된다.
물론, 단열성 용기(2)와 제1 튜브(3)의 단열 성능이 충분한 경우(외부 표면이 크게 차갑지 않다)에는 단열성 용기(2)를 보호복 외부에 착용하는 것도 무방하며, 그 경우에는 냉각장치를 착용하는 것과 조작하는 것이 더욱 편리하고 액화 공기를 낭비하는 것도 막을 수 있다. 그러나, 단열성 용기(2)와 제1 튜브(3)의 단열 성능이 충분하지 않은 경우(외부 표면이 매우 차갑다)에는 단열성 용기(2)를 보호복 내부에 착용하는 것이 바람직한데, 도면 11에 그 기술개념이 개시되어 있다. 단열성 용기(2) 또는 제1 튜브(3)의 외부 표면이 매우 차가우면, 예를 들어 도면 10(D)와 도면 11에 개시된 것처럼 보호복 안쪽에서 사용자의 등에 밀착되게 착용하되, 외부 표면의 온도에 따라 외부 표면과 사용자의 피부 사이에 삽입되는 단열재(속옷 등)의 두께를 적절하게 조절하면, 사용자의 등 부위에는 기화된 차가운 공기를 주입하지 않더라도 사용자의 등 부위를 충분히 냉각하는 효과를 가진다. 사람의 등 부분에는 척추의 신경다발과 혈관이 밀집되어 있으므로 등 부분을 냉각하는 것이 신체의 다른 부분을 냉각하는 것보다 더욱 효과적이다. 사용자의 피부와 밀착되도록 단열성 용기(2)의 외부 표면의 면적이나 굴곡을 적절하게 설정하면 더욱 효과적이다.
또한, 가능하면 전열선을 이용하여 액체 공기의 기화량을 조절하는 것을 지양해야 하는데, 전열선으로 액체 공기를 기화하면 전열선으로 공급되는 열량만큼의 액화 공기의 기화열(즉, 그에 상응하는 정도의 냉기)이 냉각에 이용되지 않고 낭비되기 때문이다.
다음으로, 위 첫 번째 문제점을 해결하기 위한 방법으로 에어 펌프를 이용할 것을 제안한다. 도면 12(A) 또는 도면 12(B)와 같이, 에어 펌프(4)를 이용하여 외부의 공기를 단열성 용기(2) 내부로 주입하면 제1 튜브(3)로 흐르는 차가운 공기의 양을 증가시킬 수 있다. 외부에서 주입되는 고온의 공기가 가지고 있는 열량에 의해서 액화 공기의 기화 속도가 조정된다. 그러므로 단위 시간당 단열성 용기(2) 내부로 주입되는 공기의 양을 조절하여 단위 시간당 보호복 내부로 공급되는 차가운 공기의 양과 온도를 조절할 수 있다. 본 발명에 적용하기에 충분한 용량과 연속 동작시간을 가지는 충전식 무선 에어 펌프가 현재 상업적으로 이용 가능하다.
에어 펌프(4)의 흡입관(41)의 말단은 보호복 내부에 위치할 수도 있고, 보호복 외부에 위치할 수도 있다. 에어 펌프(4)의 배기관(42)의 말단은 단열성 용기(2)의 내부로 외부 공기를 주입하는 제2 노즐(218)의 입구와 연결된다. 제2 노즐(218)의 입구를 밀폐하는 제2 노즐 밀폐용 마개(미도시)를 더 구비하면, 노즐 밀폐용 마개(216)의 용도와 마찬가지로 사용하지 않을 때 액화 공기의 소모량을 줄이는데 도움이 된다. 제2 노즐(218)의 출구는 도면 12(B)와 같이 단열성 용기(2)의 밑바닥에 위치하여 외부에서 주입된 공기가 액화 공기를 통과하도록 할 수도 있고, 도면 12(A)와 같이 단열성 용기(2)의 상부에 위치하여 외부에서 주입된 공기가 액화 공기가 기화된 기체와 혼합되도록 할 수도 있다. 당연히 도면 12(B)의 경우가 도면 12(A)의 경우보다 외부 공기를 더욱 차갑게 냉각하고 액화 공기량의 기화량도 더욱 크다.
또한, 도면 12(C)와 같이, 제2 노즐(218)을 단열성 용기(2) 내부에서 길게 연장하고 그 연장된 부분이 액화 공기 층을 통과하도록 하며 제2 노즐(218)의 출구와 노즐(214)의 입구를 연결할 수도 있다. 이 경우에는 에어 펌프(4)로 외부에서 주입된 공기가 액화 공기와 접촉하는 제2 노즐(218)의 연장된 부분을 통과하면서 냉각된 후 제1 튜브(3)로 흐르게 된다. 이 경우에는 액화 공기(20)가 외부에서 주입된 공기를 냉각하는 기능만 할 뿐, 액화 공기로부터 기화된 공기가 제1 튜브(3)로 흘러 들어가지는 않는다. 도면 12(C)의 실시예는 액화 공기로부터 기화된 공기가 단열성 용기(2)의 내부 압력을 높여서 기화 속도를 늦추므로 액화 공기의 소모량을 저감하는데 유리하다. 반면에 증가된 내부 압력에 의해 단열성 용기(2)가 파열될 위험성도 발생하므로 단열성 용기(2)의 내부 압력을 적절한 수준에서 유지할 수 있도록 압력 레귤레이터(219)를 설치하는 것이 바람직하다.
이제 액화 공기를 호흡장치에 이용하는 경우를 생각해 보자. 소방관이 작업하는 장소에서 외부 공기는 통상적으로 유해하다. 그러므로 화재현장의 오염된 공기가 제2 노즐(218)을 통해 유입될 수 있는 도면 12(A) 내지 도면 12(C)에 개시된 구성만으로는 불충분하다.
따라서, 본 발명은 도면 12(D)에 개시된 바와 같이 깨끗한 압축 공기(50)를 수용하는 공기통(5)을 함께 이용할 것을 제안한다. 공기통(5)의 노즐(51)과 도면 12(A) 내지 도면 12(C)에 개시된 제2 노즐(218)의 입구를 연결하고 단열성 용기(2)의 노즐(214)과 호흡용 튜브(16)의 제1 종단(161)을 연결하면 사용자가 깨끗하고 시원하게 냉각된 공기를 호흡할 수 있다.
이 경우에는 압축된 공기를 이용하므로 공기 펌프(4)를 별도로 구비할 필요가 없다. 공기통(5)의 밸브(52)를 조절하여 단위 시간당 공기통으로부터 단열성 용기(2) 내부로 공급되는 압축 공기의 양을 적절하게 조절하면 호흡용 마스크로 공급되는 공기의 양과 그 온도를 적절하게 조절할 수 있다.
마지막으로, 상기 두 번째 문제점을 해결하기 위해서 제1 튜브(3)의 적어도 일부분을 저온이나 극저온에서 유연성(flexibility)을 유지할 수 있는 소재로 형성할 것을 제안한다. 예를 들어, 도면 14(A)의 플렉시블 스퍼럴 타입(flexible spiral type)의 금속 튜브 또는 도면 14(B)의 플렉시블 바큠 타입(flexible vacuum type)의 금속 튜브는 -200℃ 정도의 극저온에서도 유연하게 구부러지고, 도면 14(C)의 테플론 소재로 만든 튜브도 -60℃ 정도의 매우 낮은 온도까지 어느 정도의 유연성을 유지한다.
추가적으로 두 가지 문제점을 더 지적하고 그 해결책을 제안하겠다.
첫째, 단열성 용기(2)에 액화 공기(20)를 주입할 때 단열성 용기(2)의 내부 표면 온도가 액화 공기의 끓는점 부근까지 충분히 내려가기 전에는 단열성 용기(2)의 내부 표면에 접촉하는 액화 공기가 급격하게 끓어오르므로 액화 공기를 단열성 용기에 주입하는 과정에서 기화되어 손실되는 액화 공기의 양이 매우 크다.
따라서 단열성 용기(2)의 본체(22), 그 중에서도 특히 본체(22)의 내부재(223)의 열용량을 작게 설계함으로써 본체(22)의 내부 표면 온도가 빠르게 낮아지도록 하는 것이 매우 중요하다.
다시 말해서, 본체(22)의 내부재(223)는 그 두께와 표면적을 가능한 한 작게 설계하고, 이와 더불어 가능한 한 비열이 작은 금속으로 제작하는 것이 바람직하다.
또한, 본체(22)의 단열재(222)가 가지는 단열성능을 크게 높여서 외부에서 유입되는 열량이 내부재(223)로 전달되지 않도록 하는 것이 중요하다. 이를 위해서는, 단열재(222)가 차지하는 공간을 진공화 하는 것, 다시 말해서 내부재(223)와 외부재(221) 사이의 공간을 진공(실질적으로는 매우 낮은 밀도의 공기)으로 채우는 것이 가장 좋은 방법이다.
단열재(222)가 차지하는 공간을 진공화하여 본체(22)를 진공 보온병 구조로 제작하는 경우에, 외부재(221)와 내부재(223)가 접촉하는 면적을 최소화하는 것이 바람직하고, 불가피하게 접촉해야 하는 부분에서도 외부재(221)와 내부재(223) 사이를 단열성 소재로 연결하는 것이 좋다.
둘째, 도면 12(A) 내지 도면 12(C)와 같이 노즐(214)이나 제2 노즐(218)을 설치한 마개(21)를 열어 단열성 용기(2)에 액화 공기(20)를 주입하는 것은 매우 번거로운 일이다. 그러므로 노즐들(214, 218)이나 단열성 용기(2)에 선택적으로 추가할 수 있는 기타 다른 구성 요소들(즉, 제1, 2 전기배선, 압력 레귤레이터)을 설치하는데 이용되는 마개와 액화 공기를 주입하는데 이용되는 마개를 별도로 구비하는 것이 바람직하다.
예를 들어 도면 15에 개시한 바와 같이, 액화 공기를 주입하는 용도로 이용하는 마개(21) 외에도 전열선에 전류를 공급하기 위한 제1, 2 전기배선(231, 232), 압력 레귤레이터(219), 노즐(214) 및 제2 노즐(219)을 설치하는 용도로 이용되는 제2 마개(23)를 별도로 더 구비하는 것이 바람직하다. 다만, 압력 레귤레이터(219)의 크기가 작아서 설치되는 표면으로부터 돌출되는 부분의 길이가 크지 않다면, 압력 레귤레이터(219)를 액화 공기를 주입하는 용도로 이용하는 마개(21)에 설치하는 것도 무방하다.
앞 실시예에서는 전기 배선, 노즐, 압력 레귤레이터 등을 모두 제2 마개(23) 하나에 설치하는 것으로 설명하였으나, 여러 개의 마개에 나누어 설치할 수도 있고, 마개 없이 단열성 용기(2)의 본체(22)에 직접 설치하여 본 발명을 실시할 수 있다는 것도 통상의 기술자에게 자명하다.
위에서 통상의 기술자가 본 발명을 실시하는데 부족함이 없도록 본 발명의 기술 사상을 여러 실시예들과 함께 충분히 서술하였는데, 이는 본 발명을 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형이나 모방이 가능하다는 것도 명백하다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 청구범위에 기재된 대로 해석되어야 한다.
[부호의 설명]
1-재킷(jacket) ; 11-재킷 착용시 사용자 양 팔을 넣는 재킷의 구멍 ;
12-재킷의 등 부분 ; 13-재킷의 앞 오른쪽 ; 14-재킷의 앞 왼쪽 ;
15-제2 튜브 ; 151-구멍(홀) ; 16-호흡용 튜브 ;
161-호흡용 튜브의 제1 종단 ; 162-호흡용 튜브의 제2 종단 ;
2-단열성 용기 ; 20-액화 공기 ; 21-마개 ; 22-본체 ; 23-제2 마개 ;
211, 221-외부재 ; 212, 222-단열재 ; 213, 223-내부재 ;
214-노즐 ; 215-칸막이 ; 216-노즐 밀폐용 마개 ; 217-구멍(홀) ;
218-제2 노즐 ; 219-압력 레귤레이터 ; 230-전열선 ; 231-제1 전기배선 ; 232-제2 전기배선 ;
3-제1 튜브 ; 31-제1 종단 ; 32-제2 종단 ;
33-제1 분기로 ; 34-제2 분기로 ;
4-에어 펌프 ; 41-흡입관 ; 42-배기관
5-공기통 ; 50-압축공기 ; 51-노즐 ; 52-밸브 ;
6-보호복

Claims (19)

  1. 사용자가 휴대할 수 있고 그 내부에 액화 공기를 수용하는 단열성 용기(2), 상기 단열성 용기의 내부에서 기화된 공기를 단열성 용기의 외부로 전달하는 제1 튜브(3) 및
    상기 제1 튜브를 통해 흘러 들어오는 기화된 공기를 사용자가 착용하는 보호 장구(6) 안에 주입하는 제2 튜브(15)를 포함하며;
    상기 제1 튜브의 제1 종단(31)이 단열성 용기의 내부 공간과 연통하고,
    상기 제1 튜브의 제2 종단(32)이 제2 튜브의 제1 종단과 연통하며,
    상기 제2 튜브는 복수 개의 작은 구멍(151)을 구비하여 제1 튜브를 통해 흘러들어오는 저온의 기화된 공기를 사용자가 착용하는 보호 장구 안에서 고르게 퍼지도록 하는 것을 특징으로 하는;
    액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 단열성 용기(2)가 압력 레귤레이터(219)를 더 구비하여 단열성 용기의 내부 압력을 소정의 설정치 이하로 유지하는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    단위 시간당 상기 제2 튜브(15)에 공급되는 기화된 공기의 양을 조절할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 단열성 용기(2)를 구성하는 단열재가 단열성 용기의 표면을 덮는 비율을 조절할 수 있도록 형성하여, 단열성 용기(2) 안에서 단위 시간당 액화 공기가 기화되는 양을 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 튜브(3)와 연통하는 제1 분기로(33)를 더 구비하고, 상기 제1 분기로(33)의 종단에 그 개폐 정도를 조절할 수 있는 개폐 장치를 더 구비하며, 상기 개폐 장치를 조절하여 외부로 방출하는 기화된 공기의 양을 조절함으로써 단위 시간당 제2 튜브(15)에 공급되는 기화된 공기의 양을 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 단열성 용기(2)에 전열선(230)을 더 구비하여 단열성 용기(2) 안에서 단위 시간당 액화 공기가 기화되는 양을 조절하도록 하는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 단열성 용기(2)로부터 나오는 기화된 공기의 일부 또는 별도로 더 마련된 단열성 용기로부터 흘러나오는 기화된 공기를 호흡용 튜브(16)를 통해 호흡용 마스크로 전달하여 사용자가 호흡에 이용하도록 하는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    단열성 용기(2)의 마개(21), 마개에 구비된 노즐(215), 호흡용 마스크와 연통하는 호흡용 튜브(16) 중 적어도 하나에 전열선을 더 구비하여, 기화된 공기를 사용자가 호흡에 이용할 수 있을 정도의 온도에 이르도록 가열하는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 호흡용 튜브(16)의 적어도 일부를 사용자가 착용하는 보호 장구(6) 안에 설치하여 사용자의 체온으로 호흡용 공기를 가열하도록 하는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    단열성 용기(2)는 본체(22), 마개(21), 노즐(214)을 포함하고, 노즐은 본체 또는 마개 중의 하나에 설치되며, 노즐에는 하나 이상의 구멍(홀, 217)이 뚫린 복수 개의 칸막이(215)를 포함하며, 인접하는 칸막이의 구멍은 그 위치가 노즐의 길이 방향에서 볼 때 서로 엇갈리게 위치하도록 설치되는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 튜브(3) 또는 상기 제2 튜브(15) 중 적어도 하나는 적어도 그 일부분이 벨로우즈 형태의 주름을 포함하는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 호흡용 튜브(16)는 적어도 그 일부분이 벨로우즈 형태의 주름을 포함하는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  13. 청구항 3에 있어서,
    외부의 공기를 흡입하여 단열성 용기(2)의 내부로 주입하는 에어 펌프(4)를 더 구비하고, 외부 공기의 주입량을 조절하여 단위 시간당 상기 제1 튜브(3)에 공급되는 공기의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  14. 청구항 7에 있어서,
    압축 공기(50)를 수용하는 공기통(5)을 더 구비하고, 공기통(5)으로부터 단열성 용기(2)의 내부로 공급되는 공기의 양을 조절하여 단위 시간당 상기 호흡용 튜브(16)로 공급되는 공기의 양을 조절하는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  15. 청구항 1에 있어서,
    제1 튜브(3)의 적어도 일부분이 저온에서 유연성(flexibility)을 유지하는 튜브인 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    단열성 용기(2)에 액화 공기를 주입하기 위해 마련된 마개(21)에는 길게 돌출되는 노즐, 전기배선 또는 압력 레귤에이터를 설치하지 않는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  17. 청구항 1에 있어서,
    단열성 용기(2)의 몸체(22) 또는 몸체의 내부재(223)는 그 열용량이 작게 설정되어 액화 공기를 주입할 때 신속하게 냉각되는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  18. 청구항 1에 있어서,
    단열성 용기(2)를 사용자가 착용하는 보호 장구(6) 안쪽에 착용하는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    단열성 용기(2)를 사용자의 등에 밀착하여 착용하는 것을 특징으로 하는, 액화 공기를 이용하는 착용형 냉각장치.
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