초저온가스 및 초저온용기

대기압에서 약 –150℃이하의 온도의 액체상태인 가스를 초저온가스라 한다.

 

 

 

초저온가스 및 초저온용기

초저온가스 위험성

대기압에서 약 –150℃이하의 온도의 액체상태인 가스를 초저온가스라 하고, 초저온가스는 피부에 노출 시 저온화상, 동상을 입을 수 있으며, 불활성가스의 경우 밀폐된 공간에서 질식, 폐기능 장애 등을 일으킬 수 있으며, 액체산소와 액체수소는 화재 위험성이 매우 높은 물질이다. 

 

대표적인 가스로는 액체헬륨, 액체질소, 액체수소, 액체알곤, 액체산소 및 액체메탄 등이 있다. 

 

 

초저온용기

산소, 질소, 알곤 등 –150℃ 이하의 액체가스를 충전하는 초저온용기는 기체가스를 충전하는 고압용기와 달리 아주 복잡한 구조로 되어 있다.

(1) 초저온용기는 용기의 압력이 높으면 낮게, 낮으면 높게 조정하도록 하는 기능이 있으며, 사용자의 필요에 따라 용기에서 액화가스를 취출해 사용하거나 기체로 전환해 사용할 수 있다.
(2) 1차 안전밸브(Relief Valve)
- 용기의 내조 기상부에 설치되어 압력이 과다하게 설정압력(표 1 참조) 이상이 되면 작동하여 압력을 배출하고 압력이 떨어지면 다시 잠기는 반복적 기능을 하며, 용기의 안전사용을 1차적으로 감당하는 중요한 부품이다.

 

<표 1> 1차 안전밸브 설정압력

- 1차 안전밸브의 구조는 스프링의 탄성을 이용해 압력을 조정하도록 되어 있다. 스프링의 반복적 작동과 이물질의 유입, 겨울철 수분에 의한 동결, 산성-염기성 화학물질 사용에 따른 산화 등으로 인해 스프링이 오작동하거나 고착되어 작동하지 못해 용기가 파열되는 사고가 발생할 수 있으므로 항상 작동여부를 점검해야 한다.
- 1차 안전밸브는 제조업체에 설정한 압력을 절대 변경시켜서는 안 되며 가연성 및 독성가스를 충전, 사용하는 경우에는 반드시 유도관을 연결하여 안전한 곳에서 가스가 방출되도록 하여야 한다.

 

 

(3) 파열판(Rupture Disc, 2nd Safety Disc)
- 용기의 기상부에 위치해 1차 안전밸브의 오동작이나 멈춤으로 용기의 압력이 계속 상승할 경우나 용기의 주변에 화재 등으로 용기의 표면온도가 800℃ 이상 되고 진공이 파괴되어 버린 경우에도 용기 내의 압력이 내압시험압력 이하가 되도록 하기 위한 이중 안전장치이다.

- 파열판의 설정압력(표 2 참조)은 1차 안전밸브의 설정압력 이상과 용기의 내압시험압력 이하에서 작동하도록 되어 있다. 파열판이 작동하면 용기의 압력은 완전 소진되며 새제품으로 교체하여야 한다.

 

<표 2> 파열판 설정압력

- 일반적으로 파열판이 작동하는 것은 용기의 압력이 1차 안전밸브의 설정압력 이상되어도 1차 안전밸브가 작동하지 않거나, 오랜기간 압력에 의한 파열판 피로현상, 초저온과 대기의 접촉으로 급격한 온도차에 의한 파열판 금속조직의 변, 파열판의 부식 등이 원인이 될 수 있으므로 상시 점검하여 작동상태를 확인한다.
- 가연성 및 독성가스 등을 충전하여 사용하는 용기의 경우 반드시 유도관을 설치하여 안전한 곳에서 가스가 방출되도록 하여야 한다.

 

 

(3) 조정기(Pressure Building Regulator)
- 용기에서 가스를 사용할 경우 압력이 떨어지고 설정압력 이하로 떨어지면 조정기가 작동해 용기 스스로 압력을 상승시킨다.
- 가스를 사용할 때는 항상 열어 놓아 사용압력을 유지하게 하고 작업이 끝나면 잠가야 한다.
- 승압기능과 반대로 용기의 압력이 설정압력 이상이 되면 조정기가 열려 용기 상부의 기체가스가 먼저 사용되어 용기의 압력을 떨어뜨린다.
- 용기의 압력이 높은 경우 기체가스를 취출하여 압력을 낮추어야 한다.

(4) 액체사용밸브(Liquid Valve)
- 액화가스를 충전하거나 사용할 때 사용하는 밸브이며 사용이 끝나면 잠가야 한다.
- 기화기를 사용할 경우 용기와 기화기의 간격은 가능한 짧게 연결하되 최대 3m 이내로 충전압력에 충분히 견딜 수 있는 초저온용 호스를 사용하여야 한다.

(5) 기체배출밸브(Vent Valve)
- 용기 내 기상부의 가스를 배출하기 위한 밸브로 용기가 소정의 압력을 초과하여 상승한 경우 밸브를 열어 압력을 낮출 수 있으며, 수동 충전시에는 감압용으로, 자동충전시에는 충전구로 사용된다.

(6) 기체사용밸브(Gas Valve)
- 용기에서 기체가스를 직접 취출해 사용하는 밸브로 용기에는 자체 기화기능을 가진 모델(VLC)과 기화기를 연결해 액화가스를 취출해 기체가스로 전환해 사용하는 모델(DLC)이 있다.
- 자체 기화기능은 용기의 외조 내부에 코일을 감아 대기의 열에 의해 기화되어 기체가스로 사용할 수 있도록 한 것으로 기화용량은 2N㎥/hr로 설계되어 있다.

 

 

초저온가스 보관기준

(1) 액체질소, 액체알곤 등 불활성의 초저온가스(이산화탄소 포함)의 용기는 지하실 및 밀폐된 공간에서는 보관 및 사용할 수 없다.
(2) 액체질소 등 초저온가스를 보관 및 사용하는 장소에는 실험실 내부에는 반드시 산소농도측정기를 설치하여야 한다. 설치장소는 실험실 바닥에서 1.5m 부근에 설치한다.
(3) 초저온가스 보관 및 사용장소는 충분한 환기설비를 갖추어야 한다. 또한, 필요시 산소농도측정기와 연동하여 실내 산소농도가 18%이하로 떨어질 경우, 자동으로 환기설비가 작동할 수 있도록 설비를 갖추어야 한다.

 

 

초저온가스 취급기준

(1) 초저온용기는 항상 수직상태로 세워져 있어야 한다.
(2) 용기를 넘어뜨리거나 떨어뜨린 경우에는 즉시 서서히 수직 상태로 세워 놓고 기체배출밸브를 열어 용기 내부의 압력을 낮추고 액화가스를 완전히 배출한 후에 ‘용기전도’라는 적색 글씨 태그를 부착하여 제조사로 보내 용기의 안전점검을 받아야 한다.
(3) 용기마다 정해진 최고사용압력(1차 안전밸브 설정압력) 이상을 초과하여 사용하지 않도록 해야 한다.
(4) 가스의 사용량이 많은 경우 반드시 기화기를 설치하여 사용하여야 한다.
(5) 기화기는 사용자의 사용조건(사용량, 사용압력 등)에 따라 선정하고 용기와 기화기의 거리는 최대한 가깝게 설치한다.
(6) 가스를 다른 용기로 충전하는 일체의 행위는 엄격히 금지된다.

 

 

초저온용기 이동기준

(1) 용기를 이동할 때 굴리거나 충격을 주어서는 안되며, 반드시 전용수레를 이용하여 운반하여야 한다.
(2) 초저온용기를 이동할 경우 반드시 소정의 운반구를 사용하여야 하며, 굴리거나 눕혀서 이동해서는 안 된다.
(3) 이동거리가 긴 경우 가스공급업체의 차량의 이용하여 이동하여야 한다. 단, 가스공급업체의 차량은 고법 제5조의4항에 따라 고압가스 운반차량으로 등록된 차량이어야 한다.
(4) 개인차량이나 밀폐된 공간(탑차 등)에 탑재하여 이동해서는 절대 안 된다.

 

Cryogenic Liquid Cylinders	Dewars

<그림 1> 초저온용기 (출처: KAIST 연구실 가스안전 매뉴얼)

 

side view	top view

<그림 2> Typical Cryogenic Liquid Cylinder (출처: KAIST 연구실 가스안전 매뉴얼)

 

 

개인보호구

(1) 초저온 액체를 취급하는 경우 액체가 튀거나 뿌려질 수 있으므로 안면보호구나 고글을 항상 착용하여야 하며, 손은 깨끗하고 건조된 단열 가죽장갑이나 초저온용 단열장갑을 착용하여야 한다.
(2) 슬리퍼나 앞이 트여 있는 신발을 신지 말고, 안전화 등 비침투성 신발을 신어야 한다.
(3) 실험복을 입고 초저온용 보호앞치마를 착용하여야 한다.

 

Reference : KAIST 연구실 가스안전 매뉴얼