具有短和长持续时间的飞行器乘员化学氧系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年1月30日提交的题为“AIRCRAFT OCCUPANT CHEMICAL OXYGENSYSTEM WITH SHORT AND LONG DURATION”的美国临时申请No.62/623,669的权益，其内容以其整体通过引用并入本文。
技术领域
本申请涉及化学氧发生器系统，并且更具体地涉及具有针对短和长持续时间的氧供应的化学氧发生器系统。
背景技术
用于产生和提供可呼吸氧的氧源通常用在各种应用和行业中，包括但不限于飞行器、用于消防员和矿山救援人员等的呼吸装置、潜艇以及需要紧凑型应急氧发生器的任何应用。可以以多种方式产生氧。在飞行器中的应急情况下，飞行器乘客需要被供应有应急氧，以便免受飞行器舱室压力的压降的影响。应急氧可以由化学氧发生器提供，其中氧是通过化学氧芯的高温分解而生成的。
与这种化学氧发生器相关联的问题是，除了化学氧芯的组成之外，诸如舱室压力、振动和舱室温度之类的外部环境影响可能显著影响化学反应的速度，这也可能导致太多或太少的氧在化学氧发生器中产生。特别是在应急情况下，舱室温度和舱室压力可能显著地变化，这可能影响化学反应的速度和每时间单位所产生的氧的量。例如，与在降低的温度的化学氧芯相比，在增加的温度的化学氧芯可以在更短的持续时间内产生氧，而与在增加的温度的化学氧芯相比，在降低的温度的化学氧芯可能具有降低的氧流量。作为另一示例，与经受降低的振动的化学芯相比，经受经增加的振动的化学氧芯可以具有减少的氧流量。此外，化学反应的速度以及因此每时间单位所产生的氧的量可以取决于化学氧芯的年龄，并且还取决于化学氧芯的制造效果。这样的效果还可能影响化学反应中每时间单位所产生的氧的量。所有这些内部和外部效果都可能不利地影响氧产生，并导致氧输送不足或氧输送时间不足。因此，需要一种化学氧发生器，其在不同的环境条件下以所要求的氧流量、持续时间和呼吸气体纯度产生充足量的氧。
发明内容
在本专利中使用的术语“发明”，“本发明”，“此发明”和“这个发明”旨在广泛地指代本专利的技术方案和以下的专利权利要求中的全部。包含这些术语的陈述应理解为不限制本文所述的技术方案，也不限制以下专利权利要求的含义或范围。由本专利所覆盖的发明的实施例由以下权利要求而非本发明内容限定。本发明内容是对本发明的各种实施例的高度概述，并且介绍了将在下文的具体实施方式中进一步描述的概念中的一些。本发明内容不旨在标识所要求保护的技术方案的关键或必要特征，也不旨在单独用于确定所要求保护的技术方案的范围。应当通过参考本申请的整个说明书的适当部分、任何或所有附图、以及每个权利要求来理解技术方案。
根据某些示例，一种用于化学氧发生器的化学氧芯包括至少一层的氧生成组合物。在一些示例中，至少一层包括金属粉末燃料、过渡金属氧化物催化剂和氧源。在各个方面，至少一层包括按重量小于约0.1百分比的过渡金属氧化物催化剂。化学氧芯被配置为在化学氧芯的热分解时产生可呼吸的氧气。
在一些情况下，至少一层包括按重量约0.0至5.0百分比的金属粉末燃料。在某些方面，金属粉末燃料选自由铁、钴及其组合组成的组。在各种示例中，至少一层包括按重量约3.4至3.9百分比的金属粉末燃料。根据一些示例，至少一层还包括添加剂，并且添加剂选自由长石、无水硅酸铝及其组合组成的组。
在各个方面，氧源选自由碱金属氯酸盐、碱金属高氯酸盐及其组合组成的组。在某些示例中，至少一层还包括结合剂，结合剂选自由无定形二氧化硅、云母及其组合组成的组。在各种情况下，至少一层还包括反应调节剂，反应调节剂选自由高锰酸钾、氢氧化钾、云母、无定形二氧化硅及其组合组成的组。在某些方面，至少一层包括按重量约0.0至0.1百分比的过渡金属氧化物催化剂。
根据一些示例，化学氧发生器包括化学氧芯和沿着化学氧芯的长度围绕化学氧芯的穿孔金属覆盖物。在某些情况下，穿孔金属覆盖物包括约0至100百分比的开口率。在一些情况下，穿孔金属覆盖物包括约0至60百分比的开口率。在各个方面，穿孔金属覆盖物围绕并支撑化学氧芯，以防止材料在发生器的操作和非操作期间的损坏和分离。
在各种示例中，化学氧发生器还包括壳体，壳体具有点火端部、出口端部和壳体腔，其中化学氧芯和穿孔金属覆盖物被定位在壳体腔内。在各个方面，点火端部包括被配置为点燃化学氧芯的点火系统，并且出口端部被配置为将氧气引导出化学氧发生器。在一些情况下，穿孔金属覆盖物包括沿着化学氧芯的长度逐步、线性或多项式函数增加的开口率。在某些示例中，穿孔金属覆盖物选自由镍铬合金、不锈钢及其组合组成的组。
在某些方面，化学氧发生器还包括沿着化学氧芯的长度围绕穿孔金属覆盖物的衬里。在一些示例中，衬里是柱形金属衬里。在各个方面，衬里是锥形金属衬里。在各种示例中，穿孔金属覆盖物包括至少一个端部部分和与至少一个端部部分邻近的本体部分，并且至少一个端部部分包括比本体部分的开口率小的开口率。在某些情况下，至少一个端部部分包括0百分比的开口率，这意味着该端部部分没有开口。在一些情况下，至少一个端部部分包括两个端部部分，并且本体部分在两个端部部分之间。
在各种情况下，化学氧芯包括至少一层的氧生成组合物，并且至少一层包括金属粉末燃料、过渡金属氧化物催化剂和氧源。在某些示例中，至少一层包括按重量小于约0.1百分比的过渡金属氧化物催化剂。在各种示例中，至少一层包括按重量约0.0至5.0百分比的金属粉末燃料。在一些方面，至少一层包括按重量约0.0至0.1百分比的过渡金属氧化物催化剂。
本公开中所描述的各种实现可以包括附加的系统、方法、特征和优点，这些附加的系统、方法、特征和优点在本文中不一定明确地被公开，但是对于本领域的普通技术人员而言，在检查以下详细描述和所附附图时将是明显的。旨在将所有这样的系统、方法、特征和优点包括在本公开内并且由所附权利要求保护。
附图说明
图示了以下附图的特征和部件以强调本公开的一般原理。为了一致性和清楚起见，在整个附图中的对应特征和部件可以由匹配的附图标记来指定。
图1是根据本公开的方面的化学氧发生器的侧视图，其中化学氧发生器的壳体以截面被示出，使得化学氧发生器的内部可见。
图2是图1的化学氧发生器的一部分的侧视图，该部分取自图1中的细节圆2。
图3是图1的化学氧发生器的一部分的侧视图，该部分取自图1中的细节圆3。
图4是图1的化学氧发生器的穿孔覆盖物的侧视图。
图5是图4的穿孔覆盖物的端视图。
图6是根据本公开的方面的化学氧发生器的截面图。
图7是用于根据本公开的方面的化学氧发生器的穿孔覆盖物的侧视图。
具体实施方式
在满足法定要求的情况下，在此具体描述了本发明的实施例的技术方案，但是此描述不必旨在限制权利要求的范围。所要求保护的技术方案可以以其他方式被实施，可以包括不同的元件或步骤，并且可以与其他现有的或将来的技术结合使用。除了当明确地描述了单独的步骤的顺序或元件的布置，否则此描述不应被解释为暗示各个步骤或元件之间或之中的任何特定顺序或布置。诸如“上”、“下”、“顶部”、“左”、“右”、“前”和“后”等方向性引用旨在指代部件和方向所参考的(多个)图中所图示和描述的取向。在本文中对“由......组成”的引用在至少某些情况下可以涵盖“基本上由......组成”或“包括”。
在一些方面，公开了一种化学氧芯，其包括能够在化学氧芯的热分解时生成用于化学氧发生器的氧的组合物。在一个示例中，该组合物包括金属燃料、过渡金属氧化物催化剂和氧源。在一些示例中，过渡金属氧化物催化剂的量被最小化或被消除，并且金属燃料的量被控制。在各种示例中，化学氧芯包括按重量小于约0.1％的过渡金属氧化物催化剂。
出乎意料地发现，通过控制金属燃料的量以及最小化和/或消除过渡金属氧化物催化剂的量，燃烧前沿温度(即，化学氧芯经历热分解的部分的温度)被增加。通过增加燃烧前沿温度，出乎意料地发现，在较高温度的氧的流量和持续时间与在较低温度的氧的流量和持续时间之间的差异被最小化。换句话说，化学氧芯对温度效应较不敏感。
在各个方面，还公开了一种化学氧发生器，其具有化学氧芯和围绕该化学氧芯的穿孔金属覆盖物。在一些示例中，穿孔金属覆盖物具有约0％至100％的开口率。在各个方面，穿孔金属覆盖物包括约0％至60％的开口率。在某些方面，穿孔金属覆盖物减少了向芯的外部(即，在化学氧发生器的壳体与网之间)的热传递，因此增加了燃烧前沿温度。在一些示例中，穿孔金属覆盖物还向化学氧芯提供结构稳定性，使得振动或其他物理状况对氧的产生和流量的影响最小化。
在各种示例中，化学氧芯包括至少一层的氧生成组合物。在一些示例中，该至少一层包括金属燃料、过渡金属氧化物催化剂、和氧源。在某些示例中，该组合物可选地包括(多种)结合剂和/或(多种)添加剂。
在各个方面，金属燃料是被提供作为燃料以提供帮助维持分解反应所必要的热量的金属粉末。在某些情况下，金属粉末燃料可以包括铁、钴、各种其他合适的金属粉末燃料或其组合。在一个非限制性示例中，金属粉末燃料包括铁。在一些方面，化学氧芯包括按重量约0.0％至15.0％的金属粉末燃料。在各种示例中，化学氧芯包括按重量约0.0％至5.0％的金属粉末燃料。在一些非限制性示例中，组合物包括按重量约3.4％至3.9％的金属粉末燃料。在一个非限制性示例中，该组合物包括按重量约3.4％的金属粉末燃料。在另一非限制性示例中，该组合物包括按重量约3.6％的金属粉末燃料。在又一非限制性示例中，该组合物包括按重量约3.9％的金属粉末燃料。
在一些示例中，过渡金属氧化物催化剂用于促进分解。在各种示例中，过渡金属氧化物催化剂包括钴氧化物(例如，CO3O4)、镁氧化物(例如，MnO2、Mn2O3、Mn3O4)、铁氧化物(例如，Fe2O3)、氧化钠(Na2O)、其组合或各种其他合适的催化剂。在某些方面，组合物包括按重量小于约0.1％的过渡金属催化剂。在一些示例中，组合物包括按重量约0.0％至0.1％的过渡金属催化剂。在一个非限制性示例中，组合物包括按重量0.0％的过渡金属催化剂(即，过渡金属催化剂被排除/不存在于组合物中)。如前所述，出乎意料地发现，通过控制金属燃料的量以及最小化和/或消除过渡金属氧化物催化剂的量，燃烧前沿温度被增加，并且在较高温度的氧的流量和持续时间与在较低温度的氧的流量和持续时间之间的差异被最小化。换句话说，具有金属燃料和过渡金属氧化物催化剂的这样的组合物的化学氧芯对温度效应较不敏感。
在各个方面，氧源是碱金属氯酸盐、碱金属高氯酸盐、各种其他合适的氧源材料、或其组合。在一个非限制性示例中，氧源是氯酸钠。
诸如玻璃粉末、玻璃纤维之类的惰性陶瓷氧化物和其他合适的材料可以被提供作为结合剂，以帮助在分解之前和之后将组合物保持在一起，或者作为反应调节剂以修改分解速率和/或促进均匀的氧气生成。在一些示例中，结合剂可包括无定形二氧化硅、云母、各种其他合适的结合剂、或其组合。在各种示例中，反应调节剂包括高锰酸钾、氢氧化钾、云母、无定形二氧化硅、各种其他合适的反应调节剂、或其组合。
在各种示例中，可以出于各种目的将添加剂添加到组合物，各种目的包括但不限于降低氯气形成、反应速率控制等。在一些示例中，添加剂可以包括长石、无水硅酸铝、各种其他添加剂或其组合。在一些示例中，与等量的其他类似的惰性无机添加剂相比，无水硅酸铝可以改进反应速率控制。在某些示例中，具有长石的组合物可以减少或降低氯气形成。
图1-图3示出了根据本公开的方面的化学氧发生器100的一个示例。在某些示例中，化学氧发生器100包括限定壳体腔104的壳体102。化学氧芯110定位在壳体腔104内。壳体102还包括点火端部106和出口端部108。在各种示例中，点火端部106包括点火系统(例如，参见图6中的点火系统602)，该点火系统被配置为点燃化学氧芯110并开始产生氧气的化学反应。可以在各种情况下触发点火系统，例如通过乘客从乘客服务单元拉出氧供应面罩来触发。在一些示例中并且如图6所示，点火系统602包括弹簧、开火柱塞和底火帽。在其他示例中，可以利用适合于点燃化学氧芯110的各种其他点火系统。出口端部108被配置为在氧由化学氧芯110生成时将氧引导出化学氧发生器100。在一些示例中，歧管112或其他合适的出口被提供在出口端部108处，使得化学氧发生器100通过歧管112与一个或多个氧面罩流体连通。
化学氧芯110可以包括与上述组合物相似的组合物(例如，按重量小于约0.1％的过渡金属催化剂和受控量的金属粉末燃料)，或者可以具有各种其他合适的组合物。在本示例中，化学氧芯110包括如前所述的按重量小于约0.1％的过渡金属催化剂和受控量的金属粉末燃料。
如图1、图4、图5所示，具有多个开口116的穿孔金属覆盖物114围绕化学氧芯110。在各个方面，穿孔金属覆盖物114围绕并支撑化学氧芯110，以最小化或防止在发生器操作和非操作期间材料的损坏和分离。在一些方面，穿孔金属覆盖物114沿着化学氧芯110的长度围绕化学氧芯110。在各种示例中，穿孔金属覆盖物114是网、穿孔金属片或具有多个开口116并围绕化学氧芯110的其他类似结构。在一些示例中，穿孔金属覆盖物114包括镍铬合金、不锈钢(例如，AISI 304或其他合适的不锈钢)、铜、黄铜、蒙乃尔合金、青铜、镍、CrNiMoTi合金、各种其他合适的金属、或其组合。在某些示例中，穿孔金属覆盖物114具有加热未反应的化学氧芯110的导热性，这可以导致化学氧芯110的预热。穿孔金属覆盖物114还可以具有在氧生成期间降低化学氧芯110的反应区处的热量的导热性，从而减慢反应并减少氧流量，这增加了形成氧的反应的持续时间。
在某些示例中，穿孔金属覆盖物114具有0％到100％的开口率。在一些情况下，穿孔金属覆盖物114具有0％至60％的开口率。在各个方面，开口率可以取决于开口116的类型或形状。作为一个非限制性示例，具有同心或椭圆形开口116的穿孔金属覆盖物114可以具有0％至91％的开口率，尽管在其他示例中则不需要。作为另一非限制性示例，具有矩形开口116的穿孔金属覆盖物114可以具有0％至100％的开口率。作为又一非限制性示例，丝网型穿孔金属覆盖物114可以具有0％至100％的开口率。在各种情况下，开口率从穿孔金属覆盖物114的一端到穿孔金属覆盖物114的相对端(例如，从靠近点火端部106到靠近出口端部108)改变(增加、减小、其他模式等)。换句话说，穿孔金属覆盖物114沿着穿孔金属覆盖物114的长度而开放的百分比可以从一端到另一端改变(增加、减少等)。在一些示例中，开口率以逐步模式、线性模式、多项式函数模式或各种其他合适的模式增加。如所提及的，开口116可以根据需要具有各种合适的形状，包括但不限于同心形状、椭圆形、矩形、其他自由形式、星形、星号、其组合或各种其他合适的形状。在各种示例中，穿孔金属覆盖物114可以允许减少或防止不期望的盐尘(在芯110的分解期间被形成)从芯反应区的喷射。在某些情况下，通过减少盐尘的喷射，穿孔金属覆盖物114可以减少或防止从盐尘到发生器壳体的不期望的热传递，这可能在发生器壳体上产生不期望的高表面温度。
在某些方面，穿孔金属覆盖物114包括靠近化学氧芯110的端部106、108之一的端部部分118和邻近该端部部分的本体部分120。在各种示例中，端部部分118从特定端部106或108延伸预定距离。在一些情况下，端部部分118从特定端部106或108延伸约0英寸至约2英寸；然而，在各种其他示例中，端部部分可以从化学氧芯110的端部延伸各种其他预定距离。在某些示例中，穿孔金属覆盖物114包括两个端部部分118A-B(各自与化学氧芯110的每个端部106、108邻近)，并且本体部分120在两个端部部分118A-B之间。在一些示例中，每个端部部分118A-B具有比本体部分210的开口率小的开口率。在一个非限制性示例中，每个端部部分118A-B具有0％的开口率。
根据各种示例，每个开口116具有最大直径，使得熔化的化学氧芯110在0g至15g的最大g力下不滴落通过开口116。在一些情况下，化学氧芯的熔化可能取决于每种特定化学混合物中的粘度。
通过穿孔金属覆盖物114，向外部(即，在穿孔金属覆盖物114与壳体102之间)的热传递被减少，并且由化学氧芯110生成的热被保留，这反过来又增加了燃烧前沿温度。另外，穿孔金属覆盖物114向化学氧芯110提供附加的支撑和稳定性，使得振动或其他物理影响对化学氧芯110的影响被最小化。
如图1至图3所示，在各种示例中，除了壳体102、化学氧芯110、和穿孔金属覆盖物114之外，化学氧发生器100还可选地包括各种部件。在一些示例中，挡板122A-B被提供在壳体腔104中，以将穿孔金属覆盖物114和/或化学氧芯110进一步定位在壳体腔104内。在各种示例中，过滤器124与化学氧发生器100一起被提供(可选地在壳体腔104内)，以将由化学氧芯110生成的可呼吸气体在其被递送给化学氧发生器的使用者之前进行过滤。在一些示例中，可以在穿孔金属覆盖物114周围提供各种类型的绝缘物，包括但不限于蛭石。
图6示出了化学氧发生器600的另一示例。化学氧发生器600与化学氧发生器100基本上类似，除了化学氧发生器还包括被提供在穿孔金属覆盖物114周围的金属衬里604。在一些示例中，金属衬里604可以是锥形(如图6所示)、柱形或具有各种其他合适的形状。在各个方面，金属衬里604由各种材料构成，包括但不限于镍、不锈钢、铜、黄铜、蒙乃尔合金、青铜、CrNiMoTi合金、其组合或各种其他合适的材料。在一些非限制性示例中，蛭石(或其他合适的绝缘物)可以被提供在金属衬里604周围。在某些情况下，可以在具有覆盖物114的芯与衬里604之间提供上述的多孔绝缘体、空气或其他合适的材料。可以根据需要沿着覆盖物114的各个部分提供金属衬里604。例如，金属衬里604可以对覆盖物114的长度的0％到100％进行覆盖，可以从覆盖物114的一端延伸到另一端，可以沿着芯的长度被提供在离散的位置或段处。在各个方面，衬里604还可以引导氧流动并且可以提供进一步的热管理。
图7图示了另一穿孔金属覆盖物714，其与穿孔金属覆盖物114基本上类似，除了穿孔金属覆盖物714是丝网。如图7所示，丝网限定至少一个开口116并且具有0％至100％的开口率。
以下提供了示例性实施例的集合，包括明确地列举为“EC”(示例组合)的至少一些实施例，其提供了根据本文所描述的概念的各种实施例类型的附加描述。这些示例并不意味着相互排斥、穷举或局限；并且本发明不限于这些示例实施例，而是涵盖在所发布的权利要求及其等同物的范围内的所有可能的修改和变化。
EC 1.一种用于化学氧发生器的化学氧芯，包括：至少一层的氧生成组合物，其中至少一层包括：金属粉末燃料；过渡金属氧化物催化剂；以及氧源，其中至少一层包括按重量小于约0.1百分比的过渡金属氧化物催化剂，并且其中化学氧芯被配置为在化学氧芯的热分解时产生可呼吸的氧气。
EC 2.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧芯，其中至少一层包括按重量约0.0至5.0百分比的金属粉末燃料。
EC 3.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧芯，其中金属粉末燃料选自由铁、钴及其组合组成的组。
EC 4.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧芯，其中至少一层包括按重量约3.4至3.9百分比的金属粉末燃料。
EC 5.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧芯，其中至少一层还包括添加剂，并且其中添加剂选自由长石、无水硅酸铝及其组合组成的组。
EC 6.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧芯，其中氧源选自由碱金属氯酸盐、碱金属高氯酸盐及其组合组成的组，其中至少一层还包括结合剂和反应调节剂，结合剂选自由无定形二氧化硅、云母及其组合组成的组，反应调节剂选自由高锰酸钾、氢氧化钾、云母、无定形二氧化硅及其组合组成的组。
EC 7.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧芯，其中至少一层包括按重量约0.0至0.1百分比的过渡金属氧化物催化剂。
EC 8.一种化学氧发生器，包括：化学氧芯；以及沿着化学氧芯的长度围绕化学氧芯的穿孔金属覆盖物，其中穿孔金属覆盖物包括约0至100百分比的开口率。在一些情况下，穿孔金属覆盖物包括约0至100百分比的开口率。
EC 9.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧发生器，还包括壳体，壳体具有点火端部、出口端部和壳体腔，其中化学氧芯和穿孔金属覆盖物被定位在壳体腔内，其中点火端部包括被配置为点燃化学氧芯的点火系统，并且其中出口端部被配置为将氧气引导出化学氧发生器。
EC 10.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧发生器，其中穿孔金属覆盖物包括沿着化学氧芯的长度的逐步、线性或多项式函数增加的开口率。
EC 11.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧发生器，其中穿孔金属覆盖物选自由镍铬合金、不锈钢及其组合组成的组。
EC 12.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧发生器，还包括沿着化学氧芯的长度围绕穿孔金属覆盖物的衬里。
EC 13.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧发生器，其中衬里是柱形金属衬里。
EC 14.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧发生器，其中衬里是锥形金属衬里。
EC 15.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧发生器，其中穿孔金属覆盖物包括至少一个端部部分和与至少一个端部部分邻近的本体部分，并且其中至少一个端部部分包括比本体部分的开口率小的开口率。
EC 16.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧发生器，其中至少一个端部部分包括0百分比的开口率。
EC 17.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧发生器，其中至少一个端部部分包括两个端部部分，并且其中本体部分在所述两个端部部分之间。
EC 18.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧发生器，其中化学氧芯包括至少一层的氧生成组合物，并且其中至少一层包括：金属粉末燃料；过渡金属氧化物催化剂；以及氧源，其中至少一层包括按重量小于约0.1百分比的过渡金属氧化物催化剂。
EC 19.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧发生器，其中至少一层包括按重量约0.0至5.0百分比的金属粉末燃料。
EC 20.前述或随后的示例组合中的任一项的化学氧发生器，其中至少一层包括按重量约0.0至0.1百分比的过渡金属氧化物催化剂。
上述方面仅是实现的可能示例，仅是为了清楚地理解本公开的原理而阐述的。可以在基本上不背离本公开的精神和原理的情况下，对上述(多个)实施例进行许多变化和修改。所有这些修改和变型旨在被包括在本公开的范围内，并且对各个方面或者元件或步骤的组合的所有可能的权利要求旨在由本公开支持。此外，尽管本文以及跟随的权利要求书中采用了特定术语，但是它们仅以一般性和描述性意义使用，而不是出于限制所描述的发明或者跟随的权利要求书的目的。
