專利名稱:氣體發(fā)生器和低溫氣體的發(fā)生方法
本發(fā)明涉及應用化學，更準確地說涉及用于發(fā)生低溫氣體的器件和獲得低溫氣體的方法。
以化學推進劑及其它組合物的分解或燃燒為基礎的氣體發(fā)生過程常常用于許多目的，如氣袋(例如汽車、椽子、救生艇和背心的氣袋)的充氣，快速安裝的隔離體(它在鉆井中用于失火時切斷油井)，不同類型的氣動系統(tǒng)和操作機構等的驅動和氣體發(fā)生器。
獲得較冷氣體(尤其氮氣)的一些技術方法是已知的。這些方法是以固體材料在特殊裝置中的分解或燃燒為基礎的。這些材料通常成形為單塊或多孔制品并且可以具有所有類型的形狀和尺寸。
從這些材料的分解生產的熱氣一般借助于特殊的化學冷卻劑或通過特殊設計的器件如換熱器來進行冷卻。
高溫燃燒氣體流過冷卻劑層或熱交換器，由于冷卻劑的吸熱分解過程或吸熱而降低了該氣體的溫度。此類過程例如描述在US-1362349，GB-1371506，F(xiàn)R-136897和俄羅斯發(fā)明人證書801540中。換熱器的使用描述在GB-1500137和GB-1487944中。
所產生氣體的冷卻程度取決于冷卻劑的性質和冷卻劑的質量，該質量有時會超過氣體發(fā)生用組合物的質量，對于熱交換器而言，取決于交換器的設計特征。
以上列舉的現(xiàn)有技術的諸多缺陷中的一個是這些裝置具有比較復雜的結構。另一缺點是已知的氣體發(fā)生器無法讓氣體冷卻到低于150℃。因此，這些氣體發(fā)生器的適用性限于能夠承受該高溫的系統(tǒng)。從成本和應用考慮，這些是不利的。
另外，通過上述方法獲得的氣體含有太多的所不希望的含量的某些組分，這些組分不僅對構造有負面影響，而且對于汽車的安全氣袋來說，對于受該安全氣袋保護的人(駕駛員)也有影響。
復雜的設計和復雜化產品導致它們有增加的質量、尺寸和復雜性，這是這些氣體發(fā)生方法的負面特征。這降低了整個系統(tǒng)的可靠性和效率。尤其對于救生用的安全氣袋工業(yè)，仍然需要產生冷卻氣體的可靠、安全和經濟的方法。
RF-專利2108282描述了利用由氣體可滲透的固體材料制成的產品的吸熱式分解，發(fā)生冷卻氣體(尤其氮氣)以及氫氣和氧氣的方法。氣體可滲透的固體材料包括氣源和吸熱混合物，通過在反應前沿的移動方向上讓熱氣流過該產品的多孔體來冷卻氣態(tài)的反應產物。該熱氣將該多孔體加熱到為了支持吸熱化學反應發(fā)生所需要的溫度。多孔體的加熱是促成主要反應所必需的。冷卻劑的分解也是吸熱化學反應。該專利聲稱從固體推進劑系統(tǒng)獲得氮氣，純度優(yōu)于97％，溫度低于150℃。
在使用這一方法的氣體發(fā)生器中(以及在大多數(shù)的其它氣體發(fā)生器中)疊氮化物，氫化物和氯酸鹽用作氣源，這些化合物一般是以堿金屬和堿土金屬化合物的形式使用。在這些化合物的分解之后，常常有高度反應活性的金屬渣保留在氣體發(fā)生器中。
例如，對于氮氣產生的氣體發(fā)生器，可以使用組合物NaN3。NaN3的分解反應導致產生Na和N2。同樣在鈉化合物的其它分解反應中，也形成鈉。所形成的氣體被放出而渣會剩下。這一渣包括膠結劑以及冷卻劑和金屬鈉的剩余物。因此在氣體發(fā)生的這些條件下產生了高度化學反應活性的鈉。這一高度反應活性的物質積聚在冷凝的燃燒分解產物中，因此給現(xiàn)場的人帶來潛在危險。當存在水分時，這能夠導致劇烈和危險的反應，兼產生高度可燃性的和爆炸性的氫氣。在分解之后接著會有爆炸、其它不希望有的影響，或甚至造成人員傷害，如果人在現(xiàn)場的話。
鈉的中和方法是現(xiàn)有技術中本身已知的，例如描述在“Sodiumproduction，its properties and use”，State Publishing House，莫斯科，1961 pp142中。一種除去金屬鈉的方法是用水破壞。為了能夠應用這一方法來中和使用過的氣體發(fā)生器，該發(fā)生器在使用之后必需密封和轉移到合適的裝置中以充分中和該發(fā)生器的反應活性剩余物。這是危險的、成本低效的和復雜的，因此是不希望的。
對于鈉化合物作為氣源的情況，在疊氮化鈉的分解之后形成了元素鈉(Na)。鈉是具有高度反應活性和強作用的化學品。由于這一反應活性，鈉能夠與許多物質反應形成許多足夠穩(wěn)定的化合物。這些化合物中的一種是硫。鈉與硫反應形成硫化鈉(Na2S)。
通過與氣體發(fā)生組合物中的硫或硫化合物反應來使鈉中和的方法例如可以從US 3775199，US 5536340，EP 394103和US 3741585中獲知。在氣體發(fā)生組合物的分解過程中該硫會蒸發(fā)并與所形成的鈉渣反應得到中性的硫化鈉。
在前面所述的現(xiàn)有技術的氣體發(fā)生器中，隨著氣體的產生，硫蒸發(fā)。很難在鈉渣形成和它與鈉渣反應的速率兩者相同的速率下蒸發(fā)硫。結果，蒸發(fā)的硫離開氣體發(fā)生器和/或不是全部的金屬鈉被中和。這是使用在現(xiàn)有技術中描述的硫和氣體發(fā)生組合物的混合物時的缺點。
所以，本發(fā)明的目的是開發(fā)出一種產品，它能夠促使低溫氮氣的高效產生，但沒有上述不利影響和沒有對氣體發(fā)生器的輸出和性能參數(shù)的主要屈讓。
本發(fā)明的再一個目的是提供低溫氮氣的發(fā)生方法和提供能夠產生低溫氮氣的氣體發(fā)生器。
發(fā)明者現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)一種氣體發(fā)生器構型，它能夠克服現(xiàn)有技術的上述缺陷和能夠高效地產生低溫氣體和充分中和所述的活性渣。
本發(fā)明因此包括氣體發(fā)生器，它包括至少一種第一結構體，該第一結構體帶有氣體發(fā)生用器件，和至少一種第二結構體，該第二結構體帶有中和劑產生用器件；所述的氣體發(fā)生器具有用于讓該中和劑與該第一結構體接觸以中和由于在第一結構體中的氣體發(fā)生所形成的反應產物的器件，該氣體發(fā)生器還具有用于在第一結構體中氣體發(fā)生的時間和/或空間的間隔內，操作在第二結構體中的中和劑的產生的器件。
本發(fā)明的原理包括氣體發(fā)生物質和中和物質的分離，從而使得有可能改進氣體發(fā)生及中和的效率和可靠性。根據本發(fā)明的實施方案，兩種氣體發(fā)生物質存在于一個殼體中，在空間上彼此分開。第一氣體發(fā)生器主要任務在于產生氣體(優(yōu)選低溫)，和第二氣體發(fā)生器主要任務在于產生可供從第一氣體發(fā)生器獲得的渣(中和)用的中和劑。
第一個氣體發(fā)生器包括一種組合物，利用屬于氣體可滲透的固體材料形式的氣體發(fā)生組合物的分解而能夠從該組合物獲得氮氣、氫氣和/或氧氣(優(yōu)選低溫)，其中所產生的氣體產物在分解前沿移動的方向上流過多孔體。
第二氣體發(fā)生器(所述中和器)是產生中和用氣體的另一組合物，優(yōu)選包括氣體發(fā)生組合物和高效中和劑化合物，例如硫，氧化鐵，金屬硫化物，金屬氧化物(選自Fe，Cu，Mg，Ti，Sn，B等)，二氧化硅等等。利用該中和劑組合物，中和氣體能夠與在第一發(fā)生器中產生的氣體獨立地產生。在第一個氣體發(fā)生器的時間和/或空間的間隔內，產生該中和氣體。本發(fā)明的一個重要方面是，在分解性固體多孔材料的分解過程中或之前，該中和劑不與該多孔材料接觸。本發(fā)明基于以下原理僅僅在該材料分解之后，中和用物質流過該分解的多孔質固體材料，以中和(常常危險的)分解產物(渣)。以一定的速率和一種方式來產生中和氣體，以使渣的有效中和得到實現(xiàn)，并且不會散發(fā)汽狀中和劑。該中和劑，如汽狀硫，與來自第一氣體發(fā)生器的反應產物(渣)反應，以使這些產物被有效地中和。
在一個實施方案中，本發(fā)明因此涉及包括氣體可滲透的固體材料的第一氣體發(fā)生器，該材料包括氮源(優(yōu)選為疊氮化物，更優(yōu)選疊氮化鈉)、膠結劑和任選的吸熱性混合物，其中該固體材料具有35-60％的孔隙率，以及含有中和劑組合物的第二氣體發(fā)生器，該組合物含有硫和附加的氮源。
產生的氣體可以選自氮氣、氧氣和氫氣，或它們的混合物。通常疊氮化物、氫化物和氯酸鹽用于此目的，優(yōu)選以堿金屬形式使用。
在本發(fā)明的又一個實施方案中，產生的氣體是氮氣，在第一和第二氣體發(fā)生器中的氮源選自堿金屬疊氮化物或堿土金屬疊氮化物，優(yōu)選疊氮化鉀或疊氮化鈉，更優(yōu)選疊氮化鈉。
第一和第二氣體發(fā)生器不必在整體上彼此分開。在本發(fā)明的實施方案中，它們能夠以相對于彼此的任何位置布置，只要第二發(fā)生器的蒸發(fā)的中和劑能夠與來自第一發(fā)生器的渣接觸就行。
在本發(fā)明中，在第一氣體發(fā)生器的分解反應的反應前沿的后方進行中和反應。在第一氣體發(fā)生器的反應前沿與在第二氣體發(fā)生器的中和劑的生產之間的空間間隔應使得來自第一氣體發(fā)生器的高溫反應產物留下來，而氮氣將放出。中和前沿處在分解前沿后方，并中和所留下來的反應產物。
在本發(fā)明的另一實施方案中，氣體發(fā)生用組合物的分解速率不同于中和劑原料的分解速率。因此，氣體發(fā)生用組合物和中和劑的分解是同時開始。形成了金屬渣，隨后在第二發(fā)生器中產生汽狀的中和劑，它中和該渣。
在本發(fā)明的另一實施方案中，中和器被啟動的時刻落在氣體發(fā)生器被啟動的時刻之后。
兩個結構體的啟動或點火能夠通過現(xiàn)有技術中已知的任何合適方式來進行。
本發(fā)明的典型實施方案如下所述。
結構體主要由兩個部分組成氣體發(fā)生器和中和器。氣體發(fā)生器含有多孔質固體材料(含有氣體發(fā)生組分如疊氮化鈉)，和膠結劑(如酚樹脂)和任選的冷卻劑或其它吸熱性混合物。結構體的其它部分是中和劑塊料。中和器含有中和劑(硫，鐵，金屬硫化物，金屬氧化物)和氣體發(fā)生組分。該氣體發(fā)生組分可以與在第一部分中的氣體發(fā)生組分例如疊氮化鈉相同。當氣體發(fā)生器被啟動時，氣體發(fā)生和放出，留下高度反應活性的金屬鈉渣。該中和器被啟動使中和試劑發(fā)生蒸發(fā)；對于固體中和劑的情況，它形成氣溶膠形式。該中和劑與渣起反應，形成無危險的或低危險的物質，對于用硫中和鈉的情況，生成中性硫化鈉。
中和劑的量應使得它足以中和該中和器和氣體發(fā)生器兩者中形成的渣，并且僅僅最低量或幾乎沒有汽狀中和劑放出。
在本發(fā)明中，為了促進在鈉和中和劑化合物(例如硫)之間的相互作用，優(yōu)選的是，中和產物處于一種使得與鈉渣的反應得到增強的形式。為此，中和劑可以與粉末、粒狀等形式的氣體發(fā)生化合物混合。
在根據本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的氣體發(fā)生器中，該氣體發(fā)生器是以疊氮化鈉和硫的使用為基礎，在第一和第二結構體中氮源的合并量占氣體發(fā)生器的總重量的50-80wt％，在第二結構體中中和劑的量是第二結構體的重量的47-90wt％。氣體發(fā)生器的重量是在不計算外殼、外部冷卻機構等的情況下測量的。
第二結構體(氣體發(fā)生器)占本發(fā)明氣體發(fā)生器的17-35wt％，基于氣體發(fā)生器的總重量計算。第二結構體(氣體發(fā)生器)含有10-53wt％的氮源和47-90wt％的中和劑。在一個優(yōu)選實施方案中，第二結構體(氣體發(fā)生器)含有15-25 wt％，更優(yōu)選17-23wt％的氮源和75-85 wt％，更優(yōu)選77-83wt％的硫。
在一個優(yōu)選實施方案中，硫呈現(xiàn)顆粒形式，優(yōu)選呈現(xiàn)小顆粒形式，更優(yōu)選呈現(xiàn)硫粉末形式。
疊氮化鈉和硫的相對量是使硫的下限是所形成的元素鈉的中和所需要的硫量，而硫的上限是使得幾乎沒有放出的汽化硫的量或放出的硫量相對于產出的氣體純度被認為是可以接受的量。
測定產生氣體的速率，為的是與任選的吸熱性產品和中和劑產品一起提供最佳配方。選擇不同組分(氮源，吸熱性材料和硫)的比率，以實現(xiàn)所要求的最大流出量的汽化硫和材料的穩(wěn)定燃燒。已經發(fā)現(xiàn)，如果在該材料中硫的濃度高于附加氮源和硫的合并重量(中和劑塊料)的90wt％，則材料的穩(wěn)定點火和燃燒是不可能的。如果該硫的濃度低于該合并重量的47wt％，則汽化硫的排出量下降到低于所需的水平，并且總(中和劑塊料(mass))/(氮源)比率需要提高，以便在足夠高的水平下實現(xiàn)元素硫的鍵接。氮源和中和劑的優(yōu)選的質量比是由渣中被中和成硫化鈉的總鈉中和率決定的。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，氮源和中和劑(優(yōu)選硫)被均勻混合作為第二結構體的一部分。
在本發(fā)明的另一優(yōu)選實施方案中，中和劑包括硫和另外的氮源，以它們的合并重量計，含10-53wt％的另外氮源和47-90wt％的硫。
在本發(fā)明的這一實施方案中，氮源和硫的合并量，基于氣體發(fā)生器的總重量，是17-35wt％。
對于附加的氮源和硫的合并重量低于17wt％，鈉的總中和率是不夠的，因為缺少硫。對于該量高于35wt％的情況，該汽化硫將隨產生的氣體一起吹出，因此，產生的氮氣的純度下降。
應當注意，有時候該產生的氣體可能含有一些夾帶的污染物。如果這些在發(fā)生器的預定用途中是不希望的，則理想的是包括附加的下游的過濾器件。這可以是任何種類的過濾器，如砂濾器，化學濾毒器，金屬線過濾器等等。在一些情況下，也理想的是在過濾器中包括一些附加的中和劑，據此提供了防止污染物隨氣體一起排出的附加預防措施。
對于讓產生的氣體流過上述多孔質固體材料來產生冷卻氣體的情況，則會遇到這樣一種情況當該材料幾乎完全分解時，多孔材料的剩余部分的冷卻能力太小以致于無法保持氣體的溫度在恒定水平。如果在專門應用中這是不能接受的，則理想的是在氣體發(fā)生器中包括下游的冷卻器件。還有可能將這些冷卻器件與以上討論的過濾器件相結合使用，尤其當冷卻器件和過濾器件能夠容易地從相同材料(砂，鋼絲，鋼絲絨，金屬網等)制成時。
本發(fā)明也涉及氣體(優(yōu)選氮氣)的發(fā)生方法，包括以下步驟-在第一結構體中分解氣體可滲透的多孔質固體材料，使得在分解前沿產生氣體及其它反應產物；-在第二結構體中產生中和劑；-通過與中和劑反應來中和在第一結構體中的其它反應產物；-在第一結構體的分解前沿與通過讓中和劑從第二結構體流入第一結構體中所進行的中和前沿之間保持時間和/或空間上的間隔。
在含氮源的氣體發(fā)生材料和中和材料的點火之后，這些材料開始分解。
氮源的氣態(tài)分解產物在反應前沿的移動方向上流過網狀的多孔體，并通過將熱量轉移到多孔體而被冷卻。在中和劑燃燒時，產生汽化硫并流過氮源的渣。在本發(fā)明的實施方案中，提供了在氮源的反應前沿與中和劑的反應前沿之間的空間和時間的間隔。在汽化硫和金屬鈉之間的反應是放熱的。然而，當在氣體發(fā)生反應和中和反應之間提供空間和/或時間的間隔時，對所產生氣體的溫度沒有影響。這一間隔能夠通過較低的中和劑反應速率(當與氮源的反應速率相比時)或通過合適的時間延遲來實現(xiàn)。通過這一間隔，汽化硫主要是在形成鈉之后產生，因此使得氣體的產生和鈉的中和具有更佳的反應條件。
該間隔還可以通過設計相關參數(shù)來控制，例如由不同形式的燃燒表面或通過氮源和中和劑的非同時點火來調節(jié)流速。本發(fā)明因此包括低溫氣體的發(fā)生器。
在一個優(yōu)選實施方案中，通過讓氣體在反應前沿的移動方向上流過多孔體來冷卻所產生的氣體。
在優(yōu)選實施方案中，利用包含在多孔體內的吸熱性物質來吸收在放熱反應中所形成的熱量。
在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案中，所產生的熱量與被吸收的熱量的關系是使得所產生的氣體被冷卻至低于150℃、優(yōu)選低于100℃的溫度。
現(xiàn)在根據
附圖來闡明本發(fā)明。在附圖中示出了氣體發(fā)生器，它具有殼體1，供所產生的氣體用的開口2。在殼體1內，存在兩個氣體發(fā)生結構體3，4。第一固體多孔體3，提供主要量的氣體，和結構體4，提供中和氣體。此外，存在冷卻和/或過濾材料的結構體5，例如砂濾器，任選含有分散的附加中和劑。
一旦該結構體3已經通過點火裝置(未示出)點燃，分解開始，產生氣體，該氣體主要在箭頭B的方向上流動即流過結構體3，從而加熱多孔材料，同時自身被冷卻至較低溫度。最后，冷卻的氣體離開殼體1，在箭頭C的方向上流過開口2。
多孔質固體材料的分解隨著時間的推移而不斷進行，分解前沿在箭頭A的方向上移動。
在結構體的點火(利用點火器，未示出)之后，從結構體4中產生中和氣體。氣體在箭頭D的方向上流動并在結構體3中產生中和前沿(未示出)，該前沿處于分解前沿之后，但在相同方向(箭頭A)上移動。
權利要求
1.氣體發(fā)生器，它包括至少一種第一結構體，該第一結構體帶有氣體發(fā)生用器件，和至少一種第二結構體，該第二結構體帶有中和劑產生用器件；所述的氣體發(fā)生器具有用于讓該中和劑與該第一結構體接觸以中和由于在第一結構體中的氣體發(fā)生所形成的反應產物(渣)的器件，該氣體發(fā)生器還具有用于在第一結構體中氣體發(fā)生的時間和/或空間的間隔內，操作在第二結構體中的中和劑的產生的器件。
2.根據權利要求
1的氣體發(fā)生器，其中氣體發(fā)生用器件含有會產生氮氣，氧氣，氫氣或它們的混合物的組分。
3.根據權利要求
2的氣體發(fā)生器，其中在第一結構體中的器件包括氣體可滲透的固體材料，該材料包括氣源、膠結劑和任選的吸熱性混合物，其中所述固體材料具有35-60wt％的孔隙率。
4.根據權利要求
1-3的氣體發(fā)生器，其中所述第一結構體包括會產生氮氣的器件，優(yōu)選是疊氮化物，更優(yōu)選疊氮化鈉。
5.根據權利要求
1-4的氣體發(fā)生器，其中所述反應產物包括含有鈉的渣。
6.根據權利要求
1-5中任何一項的氣體發(fā)生器，其中第二結構體含有氣源和中和劑。
7.根據權利要求
1-6中任何一項的氣體發(fā)生器，其中中和劑是硫。
8.根據權利要求
1-7中任何一項的氣體發(fā)生器，其中在第一和第二結構體中氣體，優(yōu)選氮源的合并量占氣體發(fā)生器的總重量的50-80wt％，并且在第二結構體中中和劑的量是第二結構體重量的47-90wt％。
9.根據權利要求
1-8中任何一項的氣體發(fā)生器，其中第二結構體占氣體發(fā)生器的總重量的17-35wt％。
10.根據權利要求
1-9中任何一項的氣體發(fā)生器，其中第二結構體含有10-53wt％的氮源和47-90wt％的中和劑。
11.根據權利要求
1-10中任何一項的氣體發(fā)生器，其中所產生的氣體通過吸熱性材料被冷卻。
12.根據權利要求
1-11中任何一項的氣體發(fā)生器，在第一結構體中包含吸熱性材料。
13.根據權利要求
1-12的氣體發(fā)生器，其中第一結構體的下游用于冷卻和/或過濾氣體。
14.根據權利要求
1-13的氣體發(fā)生器，其中所述器件還包括供氣體中夾含的污染物用的中和劑。
15.根據權利要求
1-14的氣體發(fā)生器，其中第一和第二結構體保含在同一個容器中，該容器具有至少一個供所產生氣體用的出口。
16.氣體、優(yōu)選氮氣的發(fā)生方法，包括以下步驟-在第一結構體中分解氣體可滲透的多孔質固體材料，使得在分解前沿產生氣體及其它反應產物；-在第二結構體中產生中和劑；-通過與中和劑反應來中和在第一結構體中的其它反應產物；-在第一結構體的分解前沿與通過讓中和劑從第二結構體流入第一結構體中所進行的中和前沿之間保持時間和/或空間上的間隔。
17.根據權利要求
16的方法，其中通過使所產生的氣體在與反應前沿移動的相同方向上流過多孔質固體材料而將該氣體冷卻。
18.根據權利要求
16或17的方法，其中熱量被吸收在多孔體中，該熱量是在氣體可滲透的多孔質固體材料的分解中形成的。
19.根據權利要求
11-13的方法，其中所形成和被吸收的熱的量應使得所產生的氣體被冷卻至低于150℃、優(yōu)選低于100℃的溫度。
20.根據權利要求
17-19的方法，其中吸收在多孔質固體材料中的熱量保持了對于氣體可滲透的多孔質固體材料的分解所需要的溫度。
21.根據權利要求
16-20的方法，其中產生的氣體流過在氣體發(fā)生的下游的過濾器和/或冷卻器件，該過濾器和/或冷卻器件任選含有其它中和劑。
專利摘要
氣體發(fā)生器，它包括至少一種第一結構體，該第一結構體帶有氣體發(fā)生用器件，和至少一種第二結構體，該第二結構體帶有中和劑產生用器件；所述的氣體發(fā)生器具有用于讓中和劑與第一結構體接觸以中和由于在第一結構體中的氣體發(fā)生所形成的反應產物(渣)的器件，該氣體發(fā)生器還具有用于在第一結構體中氣體發(fā)生的時間和/或空間的間隔內，操作在第二結構體中的中和劑的產生的器件。
文檔編號C06D5/00GKCN1407958SQ00813690
公開日2003年4月2日 申請日期2000年9月29日
發(fā)明者亞力山大·謝爾蓋耶維奇·扎爾科夫, 弗拉基米爾·阿列克謝耶維奇·尚達科夫, 瓦連京·帕夫洛維奇·博羅奇金, 列昂尼德·亞力山德羅維奇·皮柳金, 維塔利·費奧多羅維奇·科馬羅夫, 羅納德·彼得·范登伯格 申請人:聯(lián)邦研究與生產中心阿爾泰, 荷蘭應用科學研究會(Tno)導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan