Патент на изобретение №2302993

(54) ХИМИЧЕСКИЙ КИСЛОРОДНЫЙ ГЕНЕРАТОР

(57) Реферат:

Изобретение может быть использовано при получении охлажденного кислорода в аварийных ситуациях для дыхания людей в самолетах, подводных лодках, космических станциях, при пожарах. Химический кислородный генератор содержит корпус заряда и размещенный в нем пористый, газопроницаемый механически прочный заряд. Заряд выполнен из смеси, выделяющей кислород при экзотермическом самоподдерживающемся разложении после инициирования и содержит не более 3 вес.% связующего. Заряд обеспечивает возможность прохождения кислорода без нанесения вреда непереработанному материалу и без объемного горения. Полученный кислород проходит через заряд под действием разницы давлений от движущегося фронта разложения по направлению к выходному отверстию. Генератор также содержит устройство для зажигания и одно или более выходных отверстий для выхода полученного кислорода, фильтры для его охлаждения, для предотвращения уноса частиц и загрязняющих веществ, а также фильтр с катализатором для преобразования СО, полученного при разложении, в СО₂. 26 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к химическому кислородному генератору.

Химические (пиротехнические) кислородные генераторы разрабатываются и используются уже многие годы. Саморегулирование, постоянная готовность к употреблению в течение многих лет без каких-либо контрольных проверок, легкость приведения в действие от источников электроэнергии низкой мощности, малые габариты, безопасность, довольно высокая производительность по кислороду на единицу объема или на единицу массы и ряд других преимуществ делают их незаменимыми в случаях аварий и в несчастных случаях. Они используются и применяются, например, при аварийной подаче кислорода пассажирам в самолетах в случае разгерметизации салона, на подводных лодках, если отказывают другие аварийные установки подачи кислорода, на космических станциях в случае аварии, если отказывают основные аварийные установки подачи кислорода, и во многих других предполагаемых аварийных ситуациях. Типичный пример использования кислородных генераторов на борту самолета представлен в патенте США 4840171.

Оперативным применением является подача кислорода для пожарных. Другими случаями подачи кислорода для обеспечения оперативных потребностей являются, например, применения для водолазов или для привода двигателей запуска ракеты на борту космического корабля. Во всех этих случаях кислород должен быть подан независимо от окружающей среды или окружения.

В общем, кислород может быть подан из баллонов для хранения кислорода или из кислородных генераторов. Последние во многих случаях являются более легкими и менее объемными, чем баллоны для такого же количества кислорода. Химические кислородные генераторы являются предметом этого изобретения. Химические кислородные генераторы хорошо известны специалистам в этой области техники. Как правило, в химических кислородных генераторах используются химические соединения, которые выделяют кислород в процессе термического разложения. Обычно используются следующие соединения:

хлораты щелочных металлов и перхлораты щелочных металлов, в особенности перхлорат лития (LiClO₄), хлорат лития (LiClO₃), перхлорат натрия (NaClO₄), хлорат натрия (NaClO₃), перхлорат калия (KClO₄) или хлорат калия (KClO₃);

пероксиды, в особенности пероксид натрия и пероксид калия (К₂О₂);

супероксиды, в особенности супероксид калия (KO₂) и супероксид натрия (NaO₂).

Специальные добавки используются в небольших количествах для гарантии самоподдержания разложения (горения) во время высвобождения кислорода. Эти добавки также контролируют скорость реакции и образуют теплостойкий шлак с высокой температурой плавления, и удаляют примеси вредных газов (т.е. загрязнений, например, хлора, его соединений и других веществ), которые могут быть высвобождены в побочных реакциях.

Типичными примерами этих добавок являются:

металлы: алюминий, магний, цинк, марганец, молибден, кобальт, никель и в особенности железо;

оксиды кобальта (Со₂О₃ и Со₃O₄), оксид хрома (Cr₂О₃), оксид меди (CuO), оксид железа (Fe₂O₃), оксид цинка (ZnO), оксид марганца (MnO), двуокись марганца (MnO₂), оксид магния (MgO), двуокись кремния (SiO₂);

пероксиды щелочных металлов, в особенности пероксид натрия (Na₂O₂), пероксид калия (К₂О₂), пероксид бария (ВаО₂);

супероксиды щелочных металлов, в особенности супероксид натрия (NaO₂) и супероксид калия (KO₂).

В патенте США 6126854 упоминается ряд соединений, особенно оксид магния для контроля реакций разложения, подавления образования хлора, улучшения реологии и облегчения смешения. Одной из причин улучшения реологии и смешения является способ, посредством которого была получена кислородная свеча, в соответствии с патентом США 6126854. Настоящее изобретение дает возможность избежать некоторых из этих трудностей. В патенте США 3868225 описан другой генератор кислорода (или кислородная свеча). Материалы типа асбеста, которые в настоящее время считаются вредными для здоровья, используются в этом патенте для получения кислорода такого качества, который пригоден для дыхания. В кислородном генераторе, который является предметом настоящего изобретения, асбест не используется.

В патентах США 5336470 и 5322669 описаны устройства для контроля массового расхода кислорода. Это производится путем введения перегородок различных форм. Эти перегородки с одной стороны создают определенный путь фронта разложения, но также конкретно служат для поглощения тепла реакции разложения. Это определенно требуется, если химический кислородный генератор должен подавать кислород для дыхания. Например, разложение хлората натрия производится в соответствии с реакцией:

2NaClO₃2NaCl+3O₂+101 кДж.

Для поддержания реакции разложения к смеси добавляется топливо типа железа (Fe). Температура разложения смеси имеет около 1500 К. В классическом химическом кислородном генераторе тепло поглощается добавками и корпусом, но требуется изоляционный материал для предотвращения чрезмерного нагрева корпуса снаружи и поглощения дополнительного тепла, чтобы охладить кислород до требуемых температур. В патенте США 3868225 используется стекловолокно как изоляционный материал и двойная стенка, внутри которой может проходить охлаждающий воздух. Тем не менее сообщается о температурах кислорода до 370°С. Очевидно, что если кислород должен быть использован непосредственно для дыхания, он должен быть охлажден дополнительно, что обычно осуществляется посредством фильтров большой теплопроизводительности. Они служат для того, чтобы фильтровать газообразный кислород от частичек материала и загрязняющих химических веществ, при их наличии, но в особенности для охлаждения кислорода. Поэтому эти фильтры гораздо больше и тяжелее, чем в случае, если единственной целью было бы фильтрование и очистка кислорода. Фактически фильтры являются контрпродуктивными для уменьшения массы и объема. Важность низкой массы особенно подчеркивается в патенте США 6007736.

Настоящее изобретение решает проблемы известного уровня техники путем использования технологии, которая была описана в патенте России 2108282 и в международной заявке на патент PCT/NL00/00696, публикация №WO 0123327. Здесь горячий газ после разложения проходит через материал, не вступивший в реакцию, посредством этого повышается температура непереработанного материала, и охлаждается полученный газ. Однако для выполнения этого необходимо изготовить пористый заряд, который остается целым в продолжение разложения, когда высвобождается кислород. В противном случае частицы материала могут забивать пористый заряд, и работа газогенератора нарушается. В патенте США 4981655 описан химический кислородный генератор, в котором горячий кислород также проходит через непереработанный материал. Однако этот непереработанный материал состоит из рыхлых гранул, удерживаемых вместе и сжимаемых нагруженной пружиной. Сами гранулы специально изготавливаются и состоят из цилиндрической центральной части и двух полусферических колпачков на концах. Цилиндрическая часть может даже иметь другой химический состав, чем полусферические колпачки на концах. Хотя размеры гранул не приведены в патенте США 4981655, их можно определить из чертежей, на которых они даны в увеличенных размерах; поэтому удельная поверхность для контакта с горячим кислородом гораздо меньше, чем удельная поверхность пористого непереработанного материала, который является предметом настоящего изобретения.

Задачей изобретения является создание химического генератора, который производит кислород с низкой температурой, например, ниже 50°С, предпочтительно ниже 30°С, предпочтительно также очень высокой чистоты. Основной задачей изобретения является применение специального выделяющего кислород материала, а также технология изготовления пористых, газопроницаемых, механически прочных зарядов из этого материала.

Технический результат достигается посредством химического кислородного генератора для получения охлажденного газообразного кислорода, который содержит корпус заряда, пористый, газопроницаемый, механически прочный заряд, который размещен в корпусе, причем указанный заряд выполнен из химической смеси, которая выделяет кислород при разложении и в которой экзотермическое разложение само поддерживается после его инициирования, причем заряд содержит не больше 3% вес. связующего материала, при этом пористый, газопроницаемый, механически прочный заряд обеспечивает возможность прохождения полученного кислорода через заряд без нанесения вреда не переработанному материалу и без создания объемного горения и смонтирован в корпусе таким образом, что полученный кислород проходит через указанный заряд и под действием разницы давлений проходит от движущегося фронта разложения по направлению к выходному отверстию, устройство для зажигания, установленное на одном конце патрона, обеспечивающее инициирование самоподдерживающегося разложения заряда на поверхности заряда, примыкающей к устройству для зажигания, одно или более выходных отверстий, выполненных таким образом, что полученный кислород, проходящий через генерирующий пористый заряд, выходит из химического кислородного генератора через эти выходные отверстия.

Химический кислородный генератор также содержит инертную пористую массу (фильтр) для охлаждения кислорода по направлению к концу горения, фильтр для предотвращения уноса частиц материала из патрона, фильтр, содержащий катализатор, который преобразует любой СО, присутствующий в газах, полученных при разложении, в СО₂, и фильтр для предотвращения уноса загрязняющих химических веществ из патрона. При этом могут быть соединены два или более фильтров.

Температура выпускаемого газообразного кислорода может быть меньше, чем 50°С, но предпочтительно меньше, чем 30°С.

Согласно изобретению заряд выполнен из гранулированного материала, связанного связующим веществом и имеющего пористость между 41% и 61%, причем связующее представляет собой органическое связующее и присутствует в количестве 1,5% или менее, а заряд имеет прочность на сжатие больше, чем 0,67 МПа и модуль упругости при сжатии больше, чем 50 МПа.

При получении определенного количества (поступающего снаружи) тепла заряды могут разлагаться экзотермически (гореть) с одновременным выделением кислорода. Эти заряды также обеспечивают возможность прохода горячего кислорода через них без разложения или объемного горения. Заряд помещается в кислородный генератор таким образом, что кислород, полученный в процессе реакции, проходит через пористый непереработанный заряд в том же направлении, что и фронт реакции под действием разницы в давлении. В связи с этим процессом, кислород охлаждается до окружающей температуры благодаря теплообмену с зарядом. В то же время кислород нагревает заряд вблизи фронта реакции до температуры, требуемой для поддержания этой реакции.

Шлак, образованный после реакции, состоит из веществ с высокими точками плавления и точками кипения и остается внутри кислородного генератора.

Для достижения эффективного теплообмена и беспрепятственного пути кислорода, заряд имеет пористость () в диапазоне от 41% до 61% и относительно большую удельную поверхность S_c=(13±2)·10⁸ м²/кг. (Пористость определяется как =1-_ch/_с, где _ch представляет собой плотность заряда и _с представляет собой плотность состава заряда).

Заряд состоит из мелких гранул, используемых в качестве источника кислорода; основные ингредиенты представляют собой соединения из групп:

хлораты и перхлораты щелочных металлов, в особенности перхлорат лития (LiClO₄), хлорат лития (LiClO₃), перхлорат натрия (NaClO₄), хлорат натрия (LiClO₃), перхлорат калия (KClO₄) или хлорат калия (KClO₃);

пероксиды, в особенности пероксид натрия (Na₂O₂) и пероксид калия (К₂О₂);

супероксиды, в особенности супероксид калия (KO₂) и супероксид натрия (NaO₂).

Небольшие количества специальных веществ вводятся в состав заряда для того, чтобы:

обеспечить самоподдержание разложения (горения), выделяющего кислород,

контролировать скорость реакции,

образовать теплостойкий шлак с высокой точкой плавления и кипения, и

удалить примеси опасных загрязнений (например, хлора и его соединений), которые могут появиться в небольшом количестве в результате побочных реакций.

Эти вещества выбирают из следующих групп:

металлы: алюминий (Al), магний (Mg), цинк (Zn), марганец (Mn), молибден (Мо), кобальт (Со), никель (Ni), в особенности железо (Fe);

оксиды: оксиды кобальта (Со₂О₃ и CO₃О₄), оксид хрома (Cr₂О₃), оксид меди (CuO), оксид железа (Fe₂O₃), оксид цинка (ZnO), оксид марганца (MnO), двуокись марганца (MnO₂), двуокись кремния (SiO₂), оксид магния (MgO);

пероксиды щелочных и щелочно-земельных металлов, в особенности пероксид натрия (Na₂O₂), пероксид калия (К₂О₂) и пероксид бария (ВаО₂);

супероксиды, в особенности супероксид натрия (NaO₂) и супероксид калия (КО₂).

Для получения требуемых характеристик горения и охлаждения предпочтительно, чтобы пористый материал имел очень высокую удельную поверхность. Важно, чтобы при существенной пористости и относительно высокой удельной поверхности пор была гарантирована достаточно высокая прочность заряда (минимальное давление сжатия составляет по меньшей мере 0,67 МПа и модуль упругости выше 50 МПа). Эти механические характеристики гарантируют, что при монтаже, работе и транспортировке газового генератора, заряд не деформируется, остается целым и не растрескивается или крошится.

Выбор и количество специального связующего материала и процесса изготовления заряда представляет собой важный вариант этого изобретения. В этом варианте изобретения количество связующего материала составляет менее 3% вес. от заряда, посредством чего гарантируется высокая чистота, причем одновременно сохраняется достаточная пористость. Это обеспечивает достаточный уровень механических свойств при существенной пористости заряда с очень небольшим количеством связующего в составе. Связующее выбирается из группы:

неорганических связующих: в особенности силикат натрия (Na₂SiO₃) или силикат калия (К₂SiO₃), или их смесь;

из группы органических лаков или связующих, предпочтительно, натриевая соль поливинилтетразола (C₃H₃N₄Na)_m и, кроме того, натриевая соль карбоксилцеллюлозы, поливинилацетат, нитроцеллюлоза, смесь пентафталевого ангидрида и пентаэритрита, эпоксидная смола и водорастворимые белки.

В случае использования органических связующих, что является предпочтительным, их количество предпочтительно должно быть меньше, чем 1,5% вес.

В соответствии со способом производства охлажденных газов (патент России №2108282), конструкция заряда и его размещение в генераторе должно создать фронт разложения и обеспечить прохождение полученного кислорода через заряд в направлении от устройства для зажигания к выходному отверстию. В связи с этим конструкция и форма заряда ограничиваются только тем, что они должны обеспечить соответствующее проникновение фронта разложения и потока кислорода через заряд.

Вибрационная набивка гранулированной массы в обрабатывающую пресс-форму используется для изготовления пористых зарядов. Эта технология включает следующие основные стадии:

приготовление ингредиентов,

смешение сухих порошкообразных ингредиентов,

смешение массы,

гранулирование массы,

формование гранулированной массы и отверждение заряда.

Приготовление твердых ингредиентов включает:

смешение,

измельчение, и

просеивание или грохочение, для того, чтобы разделить частицы определенных размеров на фракции.

Приготовление связующего включает:

смешение раствора связующего в определенной концентрации с промежуточным обрабатывающим растворителем,

смешение порошкообразных ингредиентов в требуемом соотношении до тех пор, пока не получится однородная масса.

Смешение массы включает следующее: полное перемешивание раствора связующего (или его части) и смешение сухих порошкообразных ингредиентов в требуемых соотношениях.

Гранулирование содержит изготовление твердых гранул определенных размеров из полученной массы для того, чтобы гарантировать требуемую пористость и удельную поверхность пор заряда. Гранулы смачиваются раствором связующего в промежуточном обрабатывающем растворителе или непосредственно промежуточным обрабатывающим растворителем и формуются посредством вибрационной набивки в обрабатывающей пресс-форме требуемых размеров и формы. Вибрационная набивка выполняется для обеспечения гомогенной плотности, пористости и прочности всего заряда. Заряд, отлитый в обрабатывающую пресс-форму, подвергается отверждению. В предпочтительном варианте оборудование для отливки заряда представляет собой часть корпуса кислородного генератора.

Предпочтительно, состав представляет собой хлорат натрия>80%, пероксид бария >2%, порошкообразное железо >3%, оксид кобальта (Со₃O₄) < 5%, двуокись марганца <5% и натрий поливинилтетразол <3%, связующее представляет собой натрий поливинилтетразол, количество которого составляет <1,5%, скорость реакции разложения определяется составом заряда и, в частности, количеством и видом добавок, размер частиц гранулированных ингредиентов выбран таким образом, что достигается пористость между 41% и 61%, размер частиц гранулированных ингредиентов выбран таким образом, что плотность заряда находится между 1000 кг/м³ и 1150 кг/м³, состав заряда и гранулометрические свойства ингредиентов таковы, что скорость фронта разложения находится между 0,2 и 0,3 мм/с.

Одной особенностью изобретения является то, что корпус газового генератора имеет один или более фильтров. Эти фильтры установлены между зарядом и выходным отверстием газового генератора. Фильтры имеют следующие целевые функции:

они улавливают частицы шлака, которые могут быть унесены потоком кислорода;

они удаляют примеси других газов, которые загрязняют кислород и которые не были удалены специальными добавками в заряде;

они каталитически преобразуют загрязняющие соединения в менее вредные соединения, например преобразуют СО в СО₂;

они охлаждают поток кислорода при приближении к концу реакции, когда последняя небольшая часть заряда нагревается и может иметь недостаточную теплопроизводительность для охлаждения этого последнего потока кислорода до требуемой температуры.

Другой частью этого изобретения является тепловая изоляция корпуса генератора кислорода для предотвращения нагрева его наружной поверхности в процессе горения заряда.

Эта тепловая изоляция может быть нанесена на внутреннюю сторону или на наружную сторону корпуса, или на обе стороны.

Внутренняя тепловая изоляция может быть изготовлена из стеклянных или силиконовых волокон, пропитанных таким же связующим, какое было использовано в заряде.

Альтернативно, сам корпус, если он изготовлен из композитного материала с низкой теплопроводностью, может служить теплоизоляционным материалом.

Если тепловая изоляция корпуса отсутствует, наружная сторона заряда может быть снабжена тепловой изоляцией, или наружная сторона поверхности самого заряда может служить тепловой изоляцией. Наружная сторона заряда толщиной ˜1,5 мм, примыкающая к стенке корпуса, не будет гореть благодаря охлаждению от стенки, и поэтому служит тепловой изоляцией.

Все эти подходы могут быть также использованы в сочетании.

На фиг.1 показана схема кислородного генератора, состоящего из устройства для зажигания (1); пористого заряда, выделяющего кислород (2); одного или более фильтров (3); причем эти фильтры (3) поставляются по выбору; корпуса (4); тепловой изоляции (по выбору) (5), причем эта тепловая изоляция может также быть образована самим зарядом; и выходного отверстия или выхода (6).

На фиг.2 показана схема сгорающего пористого заряда: разложившаяся часть заряда (7) с левой стороны, фронт разложения (8) отделяет разложившуюся часть заряда и непереработанный материал заряда (9). Температурный профиль (10) в заряде показан схематически, и температура быстро падает от температуры разложения, приблизительно 1500°К, до температуры окружающей среды. Кислород (11) проходит от фронта разложения (8) вправо через пористый заряд и покидает пористый заряд с правой стороны.

Химический кислородный генератор (фиг.1) включает корпус 4, в который помещен пористый заряд 2, изготовленный из выделяющего кислород материала. Самоподдержание разложения (горения) заряда 2 инициируется устройством для зажигания 1. Реакция начинается на поверхности заряда, примыкающей к устройству для зажигания, и фронт реакции движется через заряд к противоположному концу в направлении выходного отверстия 6. Под действием разности давлений кислород, полученный в результате реакции, проходит через непереработанный пористый заряд, охлаждается в нем и выходит через выходное отверстие 6 к пользователю или в баллон для хранения.

В одном из предпочтительных конструктивных вариантов корпус защищен от тепла разложения заряда тепловой изоляцией 5, предпочтительно выполненной из силиконовых или стекловолокон, пропитанных тем же связующим, которое используется в заряде 2. В другом предпочтительном конструктивном варианте заряд 2 сам обеспечивает тепловую изоляцию корпуса. В этом случае слой теплоизоляционного материала толщиной ˜1,5 мм, размещенный между зарядом и стенкой корпуса, не горит в связи с охлаждением наружной стороны заряда стенкой корпуса 4.

В предпочтительном конструктивном варианте корпус 4 изготовлен из металла, такого как сталь, алюминий или титан. В другом предпочтительном конструктивном варианте корпус 4 изготовлен из пластмассового композитного материала (композитной пластмассы).

Между зарядом 2 и выходным отверстием 6 установлен фильтр 3. Данный фильтр служит для того, чтобы

предотвратить унос частиц кислородом 11;

удалить любые химические загрязнения, которые не были удалены в процессе реакции составом заряда;

преобразовать любой СО, присутствующий в газах, в CO₂ путем каталитического воздействия;

охладить последнюю порцию кислорода 11, которая может иметь несколько более высокую температуру, чем кислород в процессе основного периода горения.

Фильтр 3 может состоять из четырех отдельных фильтров: первый предназначен для предотвращения уноса частиц кислородом 11, второй – для удаления вредных газообразных загрязнений, третий – для преобразования любого СО в CO₂, четвертый фильтр – для дополнительного охлаждения кислорода.

Песок может представлять собой материал фильтра для охлаждения самой последней порции кислорода 11. Во втором предпочтительном конструктивном варианте все функции фильтра скомбинированы в двух или трех отдельных фильтрах 3. В другом предпочтительном конструктивном варианте различные функции фильтров скомбинированы в одном фильтре 3.

В другом предпочтительном конструктивном варианте число фильтров уменьшено, и во многих случаях не требуется ни одного фильтра или только один специальный фильтр. Если не требуется дополнительного охлаждения, песчаный фильтр может быть исключен.

В других предпочтительных конструктивных вариантах в песчаном фильтре сочетаются функции охлаждения и предотвращения уноса вместе с кислородом любых частиц вещества.

Корпус 4 в предпочтительном конструктивном варианте имеет ручки или зажимы для облегчения переноса транспортировки. В другом предпочтительном конструктивном варианте корпус 4 имеет крепежные приспособления, которые обеспечивают легкость монтажа кислородного генератора на различных устройствах или прикрепление корпуса к оборудованию или к стенкам. Такие приспособления включают торцы с резьбой, фланцы, крепления винтами или другие стандартные соединения, которые известны в этой области техники. В еще одном предпочтительном варианте корпус посредством выходного отверстия или выхода соединен с буфером или баллоном для хранения.

На фиг.2 показана принципиальная схема заряда в процессе квазиустановившегося горения. Слева показана разложившаяся часть заряда 7 (шлак). Фронт разложения 8 перемещается слева направо. Температура разложения не должна превышать 1500 К. Высвобожденный кислород 11 проходит через непереработанный пористый заряд 9 под действием разницы давлений, посредством этого повышая температуру 10 непереработанного заряда и понижая температуру кислорода. На близком расстоянии позади фронта разложения (около 5-10 мм) температура падает до значения, близкого к первоначальной температуре заряда. Поток кислорода покидает заряд с правой стороны. Температурный профиль 10, как функция расстояния длины заряда, показан схематически.

В предпочтительном конструктивном варианте состав, высвобождающий кислород, включает химические вещества, выбранные из следующих источников кислорода:

перхлорат лития (LiClO₄),

хлорат лития (LiClO₃),

перхлорат натрия (NaClO₄),

хлорат натрия (NaClO₃),

перхлорат калия (KClO₄),

хлорат калия (KClO₃),

пероксид натрия (Na₂О₂),

пероксид калия (К₂О₂),

супероксид натрия (NaO₂)

супероксид калия (KO₂)

Химические вещества добавляются в небольших количествах (вплоть до 5%) в состав для того, чтобы обеспечить самоподдержание разложения материала, высвобождающего кислород, для контроля скорости реакции, для образования шлака с высокой точкой плавления и для удаления примесей (т.е. вредных газов), которые могут быть образованы в результате побочных реакций:

металлы:

алюминий (Al), магний (Mg), цинк (Zn), марганец (Mn), молибден (Мо), кобальт (Со), никель (Ni) и в особенности железо (Fe)

соединения (оксиды):

пероксид бария (ВаО₂)

оксиды кобальта (CO₂О₃ или CO₃О₄),

оксид хрома (Cr₂О₃),

оксид меди (CuO),

оксид железа (Fe₂O₃)

двуокись кремния (SiO₂)

оксид цинка (ZnO),

оксид марганца (MnO),

двуокись марганца (MnO₂),

пероксид натрия (Na₂О₂),

пероксид калия (К₂О₂),

супероксид натрия (NaO₂),

супероксид калия (КО₂).

Связующее для высвобождающего кислород состава выбирается из следующей группы материалов:

неорганические связующие, в особенности, силикат натрия (Na₂SiO₃) или силикат калия (K₂SiO₃), или их смесь;

органические связующие или лаки, в особенности, натриевая соль поливинилтетразола (С₃Н₃N₄Na)_m; натриевая соль карбоксилцеллюлозы, поливинилацетат, нитроцеллюлоза, смесь пентафталевого ангидрида и пентаэритрита, эпоксидные смолы или водорастворимые белки.

В предпочтительном конструктивном варианте пористый заряд выделяющего кислород состава имеет площадь удельной поверхности 11·10⁸-15·10⁸ м²/кг, пористость в диапазоне от 41% до 61%, прочность на сжатие выше 0,67 МПа, модуль упругости более, чем 50 МПа и плотность между 1000 и 1150 кг/м³.

В первом предпочтительном конструктивном варианте заряд имеет следующий состав:

Измеренные характеристики продуктов разложения (без фильтра) представляют собой:

состав газа:

Температура газа (на выходе из газогенератора) составляет 293°С (566 К).

Во втором предпочтительном конструктивном варианте заряд имеет следующий состав:

Измеренные характеристики продуктов разложения (без фильтра) представляют собой:

состав газа:

Температура газа (на выходе из газогенератора) составляет 293°С (566 К).

Технология вибрационной набивки гранулированной массы из состава для получения кислорода в обрабатывающую пресс-форму используется для изготовления пористых зарядов. Технология включает следующие основные стадии: приготовление ингредиентов, смешение массы, гранулирование массы, формование гранулированной массы и отверждение заряда.

Приготовление твердых ингредиентов включает сушку, измельчение и сепарацию для того, чтобы выделить фракции с частицами определенных размеров. Впоследствии порошкообразные ингредиенты перемешиваются в требуемом соотношении до получения гомогенной смеси.

Смешение массы осуществляется путем перемешивания связующего (или его части) с сухими порошкообразными ингредиентами и промежуточным растворителем в требуемом соотношении.

Гранулирование включает изготовление твердых гранул из полученной смеси с точно определенными размерами, что гарантирует требуемую пористость и удельную поверхность пор в заряде. Гранулы смачиваются смесью, состоящей из части связующего и промежуточного обрабатывающего растворителя, или они смачиваются только обрабатывающим растворителем. Они формуются посредством вибрационной набивки в обрабатывающую пресс-форму требуемых размеров и формы заряда. Вибрационная набивка выполняется для обеспечения гомогенной плотности, пористости и прочности всего заряда. После этого заряд остается для отверждения в обрабатывающей пресс-форме при соответствующих температурах отверждения.

После отверждения заряд удаляется из обрабатывающей формы и помещается в корпус химического газового генератора. В ряде случаев сама обрабатывающая форма может быть частью корпуса генератора, и после отверждения заряд может быть соединен с другими элементами генератора.

В соответствии со способом получения охлажденных газов путем разложения пористых зарядов в соответствии с патентом России №2108282 конструкция заряда и его установка в газовом генераторе обеспечивает надлежащее распространение фронта разложения и потока кислорода через пористый заряд.

Необходимо отметить, что описание относится к предпочтительным конструктивным вариантам изобретения, и что в нем могут быть выполнены различные изменения и модификации без выхода за пределы сущности и объема изобретения, определенные в прилагаемой формуле изобретения.

Формула изобретения

1. Химический кислородный генератор для получения охлажденного газообразного кислорода, содержащий корпус заряда, пористый, газопроницаемый, механически прочный заряд, который размещен в корпусе, причем указанный заряд выполнен из химической смеси, которая выделяет кислород при разложении и в которой экзотермическое разложение само поддерживается после его инициирования, причем заряд содержит не больше 3 вес.% связующего материала, при этом пористый, газопроницаемый, механически прочный заряд обеспечивает возможность прохождения полученного кислорода через заряд без нанесения вреда непереработанному материалу и без создания объемного горения и смонтирован в корпусе таким образом, что полученный кислород проходит через указанный заряд и под действием разницы давлений проходит от движущегося фронта разложения по направлению к выходному отверстию, устройство для зажигания, установленное на одном конце патрона, обеспечивающее инициирование самоподдерживающегося разложения заряда на поверхности заряда, примыкающей к устройству для зажигания, одно или более выходных отверстий, выполненных таким образом, что полученный кислород, проходящий через генерирующий пористый заряд, выходит из химического кислородного генератора через эти выходные отверстия.

2. Химический кислородный генератор по п.1, содержащий инертную пористую массу (фильтр) для охлаждения кислорода по направлению к концу горения, фильтр для предотвращения уноса частиц материала из патрона, фильтр, содержащий катализатор, который преобразует любой СО, присутствующий в газах, полученных при разложении, в СО₂, и фильтр для предотвращения уноса загрязняющих химических веществ из патрона.

3. Химический кислородный генератор по п.1 или 2, в котором соединены два или более фильтров.

4. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-3, в котором температура выпускаемого газообразного кислорода меньше, чем 50°С, но, предпочтительно, меньше, чем 30°С.

5. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-4, в котором заряд выполнен из гранулированного материала, связанного связующим веществом и имеющего пористость между 41% и 61%.

6. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-5, в котором связующее представляет собой органическое связующее и присутствует в количестве 1,5 вес.% или менее.

7. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-6, содержащий заряд с прочностью на сжатие больше, чем 0,67 МПа, и модулем упругости при сжатии больше, чем 50 МПа.

8. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-7, в котором химическое вещество, выделяющее кислород, выбрано из группы хлоратов или перхлоратов щелочных металлов, более конкретно, перхлората лития (LiClO₄), хлората лития (LiClO₃), перхлората натрия (NaClO₄), хлората натрия (NaClO₃), перхлората калия (KClO₄) или хлората калия (KClO₃), и, предпочтительно, хлората натрия (NaClO₃), или из группы пероксидов и супероксидов щелочных металлов, в особенности, пероксида натрия (Na₂O₂), пероксида калия (К₂О₂), в особенности, супероксида натрия (NaO₂), супероксида калия (КО₂), добавки выбраны из группы: алюминий (Al), магний (Mg), цинк (Zn), молибден (Мо), марганец (Mn), кобальт (Со), никель (Ni), железо (Fe), пероксид бария (ВаО₂), оксиды кобальта (Со₂О₃ и СО₃О₄), оксид хрома (Cr₂О₃), оксид меди (CuO), оксид железа (Fe₂O₃), двуокись кремния (SiO₂), оксид цинка (ZnO), оксид марганца (MnO) и двуокись марганца (MnO₂), или из группы пероксидов щелочных металлов, в особенности, пероксида натрия (Na₂O₂), пероксида калия (К₂О₂), и супероксидов щелочных металлов, в особенности, супероксида натрия (NaO₂), супероксида калия (КО₂), и связующий материал выбран из веществ из группы неорганических связующих, в особенности, Na₂SiO₃, K₂SiO₃ или их смеси, из группы органических лаков и связующих, предпочтительно, натриевой соли поливинилтетразола (C₃H₃N₄Na)_m и, кроме того, натриевой соли карбоксицеллюлозы, поливинилацетата, нитроцеллюлозы, смеси пентафталевого ангидрида и пентаэритрита, эпоксидной смолы и водорастворимых белков.

9. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-8, который выполнен посредством процесса вибрационной набивки для загрузки гранулированной массы в обрабатывающую пресс-форму, включающего следующие основные стадии:

приготовление твердых ингредиентов, включающее сушку, измельчение и разделение на требуемые фракции, приготовление растворов связующих в требуемых концентрациях с промежуточным обрабатывающим растворителем,

смешение сухих порошкообразных ингредиентов в требуемом соотношении до получения смеси сухих порошкообразных ингредиентов,

смешение смеси сухих порошкообразных ингредиентов со связующим (или его частью) и промежуточным обрабатывающим растворителем в требуемом соотношении,

изготовление гранул определенных размеров из смеси связующего и порошкообразных ингредиентов, формование гранул, смоченных смесью, содержащей часть связующего и обрабатывающего растворителя в требуемом соотношении посредством вибрационной набивки в обрабатывающую пресс-форму, отверждение отформованного заряда.

10. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-9, в котором оборудование для отливки заряда представляет собой часть корпуса кислородного генератора.

11. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-10, в котором состав представляет собой хлорат натрия >80%, пероксид бария >2%, порошкообразное железо >3%, оксид кобальта (СО₃О₄) < 5%, двуокись марганца <5% и натрий поливинилтетразол <3%.

12. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-11, в котором связующее представляет собой натрий поливинилтетразол, количество которого составляет 1,5%.

13. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-12, в которой скорость реакции разложения определяется составом заряда и, в частности, количеством и видом добавок.

14. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-13, в котором размер частиц гранулированных ингредиентов выбран таким образом, что достигается пористость между 41% и 61%.

15. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-14, в которой размер частиц гранулированных ингредиентов выбран таким образом, что плотность заряда находится между 1000 кг/м³ и 1150 кг/м³.

16. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-15, в котором состав заряда и гранулометрические свойства ингредиентов таковы, что скорость фронта разложения находится между 0,2 и 0,3 мм/с.

17. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-16, в котором фильтр для охлаждения газообразного кислорода по направлению к концу горения состоит из песка.

18. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-17, в котором корпус выполнен из металла.

19. Химический кислородный генератор по п.18, в котором металл представляет собой алюминий, титан или сталь.

20. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-17, в котором корпус изготовлен из пластмассового композитного материала.

21. Химический кислородный генератор по любому из пп.17-20, в котором корпус имеет крепление, обеспечивающее возможность монтировать корпус в устройствах или прикреплять корпус к оборудованию или к стенкам.

22. Химический кислородный генератор по любому из пп.17-21, в котором корпус имеет крепление, обеспечивающее возможность переносить и транспортировать корпус.

23. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-17, в котором корпус посредством отверстия или выхода соединен с буфером или баллоном для хранения.

24. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-17 или 23, в котором наружный слой заряда действует как тепловая изоляция.

25. Химический кислородный генератор по любому из пп.1-17, 23-24, в котором теплоизоляционный материал размещен между зарядом и стенкой корпуса.

26. Химический кислородный генератор по п.25, в котором теплоизоляционный материал состоит из стекловолокна, пропитанного тем же связующим, которое использовано в заряде.

27. Химический кислородный генератор по п.25, в котором теплоизоляционный материал состоит из силиконового волокна, пропитанного тем же связующим, которое использовано в заряде.

РИСУНКИ