저장 및 절용 모드를 갖는 산소 발생기 document_id A220623051434

의료 분야, 레이저 절단을 위한 전자 산업 분야 및 그 외 다른 많은 분야에 있어서의 사용을 위해 실질적으로 순수한 산소를 발생 및 급송하는 다양한 방법이 존재한다. 순수 산소에 대한 2가지 주요한 사용 영역으로는 가정 산소 요법(home oxygen therapy; HOT) 환자 및 항공 승무원을 위한 호흡 용도로 사용하는 것이 있다. 산소는 상승된 압력으로 실린더 내에 저장될 수 있으며, 통상적으로 듀어(Dewar)라고 불리는 것 내에 액체 산소로서 저장될 수 있다. 이러한 기술은 보편적인 상식이며 오랫동안 사용되어 왔다. 더욱 최근에, 산소는 압력 변동 흡착(pressure swing adsorption; PSA) 공정 또는 진공 압력 변동 흡착(VPSA) 공정을 사용하여, 압축 공기 공급원으로부터 산소를 분리 및 농축시키기 위해 다양한 분자체(molecular sieves)를 사용하여 실시간으로 농축 또는 발생될 수 있다. 압력 변동 흡착에 의해 발생된 산소 제품은 가격이 낮으며 용이하게 이용 가능하다. 그러나 이러한 제품에 있어서의 산소 농도는 약 90 내지 95%이다. 더 더욱 최근에, 산소는 세라믹 막(membrane)의 일 표면에서 산소 분자를 이온화하고, 상기 막을 통해 상기 이온을 이동시켜, 상기 이온으로부터 과잉 전자를 제거함으로써 상기 막의 다른 표면 상에 산소 분자로서 상기 이온을 변형시키는 전기화학 공정을 사용하여 발생될 수 있다. 또한, 이러한 유형의 기술은 세라믹 산소 발생 시스템(COGS)으로서 알려져 있다. 흡기(inhalation)의 개시시 비삽관(nasal cannula)을 통해 사용자에게 단 펄스(short pulse)의 산소를 제공하는 산소 절용 장치(oxygen conserving devices)는, 만성 폐질환으로 고통받는 환자에게 급송되는 보충 산소의 양을 감소시키면서도 혈류에서 충분한 산소 포화 수준이 유지되도록 하기 위해 수년 동안 광범위하게 사용되어 왔다. 이는 산소의 펄스 투여(pulse dosing)로 일반적으로 인식되어 왔다. 이러한 유형의 펄스식 산소 투여 기술은 최근 들어 항공기에 사용되어, 통상적으로 32,000 피트까지의 고도에서 비행하는 일반 항공기의 조종사에게 보충 산소를 제공하여 왔다. 유사하게, 산소 호흡 조절기는 사용자의 산소 중독의 가능성을 최소화하기 위해 다양한 고도에서 비행체 승무원에 의해 소비되는 산소의 양을 감소시키는 반면, 더 높은 고도에서 저산소증의 발생을 방지하기 위한 최소 수준, 즉 생리학적 안전 산소 농도를 제공하도록 수년 동안 사용되어 왔다. 산소의 생리학적 안전 농도는, 승무원에게 급송하기 전에 항공기 객실의 공기를 끌어들이고 이를 저장 또는 발생된 산소에 추가하여, 대기압-고도에 따라 요구되는 수준까지 농도를 낮추는 호흡 조절기에 의해 제공되어 왔다. 이는 가장 일반적으로는 공지된 공압 분사 장치를 사용하여 흔히 실행된다. 또한, 이러한 기술은 항공기 내의 PSA 산소 농축기로부터 발생되는 산소를 요구되는 농도로 희석시키기 위해 사용되어 왔다. 만약, 항공기에 PSA 산소 농축기가 설치되어 있고, 약 30,000 피트의 항공 고도 위에서 항공기의 객실 압력이 떨어지면, 약 95% 산소에 불과한 PSA에 의해 발생되는 산소의 순도는 승무원이 보다 높은 고도에서 안전하게 머물 수 있는 노출 시간을 제한한다. 그러나 만약, 항공 우주 산소 시스템이 99.5% 산소의 저장 산소로 이루어지거나, 99.5% 산소가 수용된 보충 산소 시스템(back-up oxygen system; BOS)을 갖는다면, 그러한 높은 고도에서 객실 압력의 감소가 발생한 경우에, 승무원 안전이 한층 강화될 수 있다. 그러나 고압 저장 또는 액상의 99.5% 산소의 사용은 일(日) 내지 주(週)를 기간으로 정하여 주기적 보충을 요구하며, 결과적으로 사용자의 보급 부담을 야기한다. PSA 산소 농축기를 항공 우주 분야에 사용하는 것은 산소에 대한 일(日) 단위의 요구를 해결하지만, 더 높은 고도에서 객실 압력의 감소 후에의 사용을 위한 산소의 공급원으로서 허용하는 데에는 한계가 있었다. 현재, F-15E 항공기만이 일체형 압축기를 갖는 PSA 산소 농축기를 사용하여 발생 및 저장되는 93% 산소로 자동 충전되는 보충 산소 공급원을 사용한다. 차세대 항공기에 PSA 산소 농축기를 사용함에 있어 발생하는 한계는 덜 압축된 공기가 항공기에서의 PSA 산소 농축기 및 기타 공기 조절 시스템에 활용될 수 있게 하는 더 높은 바이패스비의 보다 효율적인 엔진을 사용하려는 추세에 있다. 이는 항공기 엔진으로부터 압축 공기의 사용을 최소화하거나 제거하고자 하는 시장의 압력을 야기한다. 많은 항공 우주 분야에서는 99.5% 보다 고 순도의 산소를 발생시키고 이를 비상 상황을 위해 높은 압력으로 저장하면서도, 항공기 조종실이 약 25000 피트 미만의 압력-고도와 동일할 때, 정상적인 비행 조건 위해 더 낮은 농도를 제공하는 방법에 대한 요구가 있다. 이러한 시스템은 소정의 정상 및 비상 비행 조건 하에서 약 70mmHg에 이르는 압력으로 산소를 급송할 수 있는 입-코 마스크를 포함하는 최근의 항공기 개인 장비와 양립될 필요가 있다. 유사하게, 많은 가정 산소 요법 환자들은 비삽관을 사용하여 펄스-투여식 산소 절용 장치를 통해 가정에서 산소를 급송할 수 있으면서, 또한 가정 밖에서의 일시적인 사용을 위해 휴대용 실린더에 산소를 저장할 수 있는 산소 발생기로 인해 많은 편의를 누릴 수 있다. 이는 사용후 휴대용 산소 실린더를 보충해야할 필요를 없앰으로써, 가정 건강 관리 제공자의 보급 부담을 덜어준다. 수면 장애를 앓고 있는 일부 환자는 그들이 잠들어 있는 동안, 요구되는 산소 혈액 포화 수준을 유지하기 위해 비삽관으로부터의 연속적인 흐름에 의해 보다 우수한 서비스를 받게 된다. 특정 조건에 노출되는 경우 특정 세라믹 재료는 그 매트릭스를 통해 산소 원자를 능동적으로 통과시킬 것이다. 이러한 개념의 종래 실시예는 적합하게 설계된 세라믹 막이 100% 산소를 농축하기 위한 수단 및 종래의 산소 실린더를 재충전하기에 적합한 수준으로 산소를 압축하는 수단 모두로서 작용할 수 있다는 것을 보여주었다. 기본적인 세라믹 산소 발생 시스템은 일반적으로 세라믹 산소 발생 요소를 수용하는 하나 이상의 온도 제어식 오븐으로 구성된다. 세라믹 요소에 충분한 산소를 공급하기 위해, 공기는 오븐 내부에서 순환된다. 세라믹 요소가 고온(약 700℃)에서 작동하기 때문에, 공기는 오븐에 투입되기 전에 가열되어야 한다. 열 교환기는 열을 유지하고, 오븐으로부터 배출된 산소-고갈 공기(oxygen-depleted air)의 온도를 감소시키기 위해 사용된다. 전술된 이러한 기본적인 COGS의 주요 문제점은 다음과 같다. - 공기 입력 흐름 대 산소 출력 흐름의 비율이 매우 높음(20 대 1). 이렇게 높은 입력 유량은 세라믹 요소에 대한 열 손실 또는 열 충격을 방지하도록 열 교환기를 구비할 것을 요구함. - 열 교환기 효율은 열을 보전하도록 높을 필요가 있음. 따라서, 열 교환기는 고가임. - 열을 교환하기 위해, 오븐은 복귀(산소-고갈 배기) 유동을 발생시키기 위해 가압됨. 양압은 오븐 상의 개구/균열 주위에서 열의 유출을 발생시킴. 고 순도 레벨, 고압 및 고온의 산소는 많은 종래의 재료의 격렬한 연소를 지원할 것이기 때문에, 위험한 환경을 조성한다. 따라서, 고압 및 고온으로 순수 산소를 유지할 수 있는 비용-효율적인 압력 용기를 설계하는 것은 매우 어렵다. 이러한 개념의 종래의 실시예는 종래의 산소 실린더로의 안전한 이동 및 상기 실린더 내의 안전한 저장을 위해 충분히 냉각될 수 있을 때까지, 고 순도의 산소를 위한 초기 압력 용기로서 세라믹 막을 사용해 왔다. 압력 용기로서 세라믹 막을 사용하는 것은 최대 작동 압력과 산소 농도의 비율 사이에서 강력한 반목을 야기한다. 세라믹 재료는 상대적으로 취성을 띠며, 따라서 내부 가압과 연관된 인장 응력을 견디는데 적합하지 않다. 모듈의 벽 두께를 증가시키는 것은 재료의 응력을 낮추겠지만, 이는 또한 모듈의 산소 농축 비율 및 작동 효율을 낮추게 될 것이다. 미국 특허 번호 제5,871,624호, 제5,985,113호, 제6,194,335호, 제6,352,624 호 등에서 개시된 일체형 매니폴드 및 튜브(Integrated Manifold and Tubes; IMAT)와 같은 세라믹 산소 발생 모듈가 산소 발생 시스템에 사용되어 왔다. 그러나, 대부분의 적용예에 있어서, IMAT의 외측면은 공기와 경계를 이루고, 산소는 세라믹을 통해 내부 공동(회로)으로 펌핑된다. 이러한 구조는 세라믹 상의 높은 인장 응력으로 인해 최대 산소 발생 압력을 제한한다. 전술된 인용 문헌들이 본 기술 분야에서 다수의 주목할 만한 진보 및 기술적인 개선을 도입 및 개시하고 있지만, 어느 것도 본 발명에 의해 얻어지는 특징적 목적을 완전하게 달성하지는 못한다.