Vorrichtung zur kontrollierten Erhöhung des relativen Feuchtigkeitsgehaltes eines Gases
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur kontrollierten Erhöhung des relativen Feuchtigkeitsgehaltes eines Gases mit einem Gehäuse mit einer Kammer mit Sumpf im unteren Teil; zum Sumpf hin offene Mittel für die Flüssigkeitszufuhr; zur Kammer hin offene Mittel für den Einlass von Gas in die Kammer und entsprechende Auslassmittel zur Fortführung des Gases aus der Kammer.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung dient insbesondere zur Erhöhung der relativen Feuchtigkeit von Narkosegasen, wodurch eine Austrocknung des Patienten während der Narkose verhindert werden soll.
Wenn einem Patienten während eines ärztlichen Eingriffs Narkosegase verabreicht werden, besteht die Gefahr, dass die Lungen und andere Organe des Patienten an Wasser verlieren bzw. austrocknen. Ein solcher Wasserverlust kann die Gesundheit des Patienten ernsthaft gefährden, und gemäss der herkömmlichen Praxis wird diesem Problem durch intravenöse Injektionen zu begegnen versucht. Die Austrocknung des Patienten rührt von der Tatsache her, dass die Narkosegase keinen Wasserdampf enthalten, wie er sonst in der normalen Atmosphäre vorhanden ist.
Bislang wurden keinerlei Vorrichtungen entwickelt, die in der Lage wären, eine gesteuerte Erhöhung der relativen Feuchtigkeit von Narkosegasen bei ihrer Verabreichung zu bewirken. Die Schwierigkeiten, die beim Versuch zur Entwicklung einer solchen Vorrichtung auftreten, bestehen darin, dass sie in der Lage sein muss, die Feuchtigkeit sehr rasch zu erhöhen, so dass die Gase bei ihrer Verabreichung wirksam angefeuchtet sind, und dass dieser Vorgang ohne irgendeine Beschränkung der Gasströmung zum Patienten hin stattfinden muss, da z. B. eine Vorrichtung, die einen merklichen Rückstau bedingen würde, ungeeignet wäre, weil es in diesem Fall für den Patienten schwierig wäre, bei Bedarf eine rasch gesteigerte Strömung bzw. Menge an Narkosemitteln aufzunehmen.
Die gegebenenfalls in den Narkosegasen erforderliche Feuchtigkeitsmenge kann abhängig von den Erfordernissen eines speziellen Falls bzw. Patienten veränderlich sein, und es ist mithin notwendig, dass die relative Feuchtigkeit des Gases mit Hilfe der Vorrichtung kontrolliert werden kann.
Aus den genannten Gründen muss die Kontrolle der relativen Feuchtigkeit des Gases über einen relativ weiten Bereich unterschiedlicher Zulieferungsvolumina möglich sein.
Wenngleich im folgenden stets nur von Feuchtigkeitsgehalt gesprochen wird, ist darunter auch der prozentuale Anteil irgendeiner Flüssigkeit oder eines flüssigen Stoffes in einem gasförmigen Medium zu verstehen.
Die Definition Flüssigkeit resp. flüssiger Stoff stützt sich dabei auf den Aggregatzustand, in welchem der Stoff zur Verarbeitung in der Vorrichtung gemäss der Erfindung vorliegt. ist also unabhängig davon, ob er dabei in ein Aerosol, einen Dampf oder ein Gas übergeht.
Das Problem der Erhöhung des Feuchtigkeitsgehaltes in einem Gas bzw. in Luft tritt ausser in dem beschriebenen Fall in vielen anderen Bereichen auf. So sind beispielsweise zahlreiche industrielle Anwendungen denkbar, wie für die Verdampfung von Brennstoffen, das Feuchthalten oder Fermentieren von Tabak, Auswaschen und Befeuchten von Ventilationsluft mit Wasser und das Versprühen bzw. Verteilen von Chemikalien in Gasräume hinein. bei denen grosse Luftoder Gasvolumina verarbeitet werden und grosse Tröpfchengrössen erzielbar sind.
Herkömmliche Verdampfer bzw. Befeuchter, wie Haushaltsgeräte, machen ausschliesslich von Verdampfungsvorgängen Gebrauch. So wird beispielsweise bei einer bekannten Anordnung eine mit einem absorbierenden Material bedeckte Trommel im Lufteinlass eines Haushaltofens in Rotation versetzt. Die Befeuchtung erfolgt direkt durch Abdampfen von Flüssigkeit bzw. Wasser von der Trommeloberfläche und hängt in starkem Masse von der Geschwindigkeit ab, mit der die Luft über die feuchte Oberfläche der Trommel geleitet wird.
Diese Art von Vorrichtung ist für eine sehr rasche Erhöhung der relativen Feuchtigkeit der Luft unbrauchbar, und sie funktioniert im wesentlichen in der Weise, dass die für Anwendungen im Haushalt bestimmte Luft unter schrittweiser Erhöhung der Feuchtigkeit je Durchgang zahlreiche Male umgewälzt wird. Diese Art der allmählichen Erhöhung der Feuchtigkeit ist für viele industrielle Zwecke ungeeignet.
Ziel der Erfindung ist daher die Beseitigung der bislang bestehenden Schwierigkeiten auf diesem technischen Gebiet durch eine verbesserte Apparatur zur raschen Einführung von Flüssigkeit bzw. Dampf in einen Gasstrom, und zwar in Form feinster Nebeltröpfchen und/oder von Dampf.
Die zu diesem Zweck entwickelte erfindungsgemässe Vorrichtung der eingangs genannten Art ist gekennzeichnet durch in der Kammer drehbare Scheiben, von denen ein Abschnitt des äusseren Randes in den Sumpf hineinragt; Mittel für die Rotation der Scheiben mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit zur Zerstäubung der Flüssigkeit innerhalb des Kammerraumes, durch den das Gas geleitet wird.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung kann zur Regulierung der relativen Feuchtigkeit eines Gasstromes bei hohem Feuchtigkeitsniveau verwendet werden, wobei die Tröpfchengrössen bei Anwendungen, bei dem Nebel und übersättigte Luft unerwünscht sind, minimal gehalten werden. Die Vorrichtung ist minimalen Gasströmungsgeschwindigkeiten, wie sie klinisch bedingt sein können, gut anpassbar. Mit dieser Vorrichtung können auch Narkotika oder andere Arzneimittel in einen Gasstrom entweder allein oder zusammen mit Wasser eingeführt werden.
Die Rotation der Scheiben innerhalb der Kammer erfolgt mit einer Geschwindigkeit, die zur feinen Zerstäubung des Fluids bzw. Wassers innerhalb der Kammer durch die antreibende Wirkung des rotierenden Organs ausreicht, wodurch dem durch die Kammer hindurchtretenden Gas genügend Flüssigkeit bzw. Dampf zur Erhöhung der relativen Feuchtigkeit beigebracht wird.
Nachfolgend wird die Erfindung in Form von Beispielen unter Bezugnahme auf die angefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemässe Vorrichtung, in der Perspektive (teilweise aufgeschnitten),
Fig. 2 einen senkrechten Schnitt durch den eigentlichen Befeuchtungsteil der Vorrichtung von Fig. 1,
Fig. 2A eine Variante der in Fig. 2 gezeigten Anordnung mit fixierten Prallorganen,
Fig. 3 ein Scheibenpaar sowie den Gasein- und -auslass der Kammer in auseinandergerückter Form unter Andeutung des Gasströmungsweges,
Fig. 4 ein Schema für eine Narkoseanordnung mit eingebauter erfindungsgemässer Vorrichtung,
Fig. 5 schematisch den inneren Aufbau eines Ventils zur proportionalen Steuerung der durch die Vorrichtung gemäss Fig. 1 hindurchtretenden Gasmenge,
Fig. 6 eine andere Art einer Scheibe in der Perspektive und teilweise aufgeschnitten,
Fig. 7 bis 12 weitere Ausführungsformen rotierender Scheiben und
Fig. 13 einen Schnitt längs XIII-XIII durch die in Fig.
2A gezeigte B efeuchtungskammer.
Fig. 1 zeigt eine allgemein mit 10 bezeichnete erfindungsgemässe Vorrichtung zur gesteuerten Erhöhung der relativen Feuchtigkeit eines Gases. Diese Vorrichtung umfasst ein Gehäuse 12, einen Rahmen bzw. ein Stativ 14 und einen Motor 16. Der Rahmen 14 besteht aus einer horizontalen Platte bzw. Plattform 18 mit einem aufrecht stehenden Flansch oder Winkeleisen 20 am vorderen Ende und einem gebogenen Träger 22 am hinteren Ende. Das Winkeleisen 20 und der gebogene Träger 22 dienen zur Halterung des Motors 16. Dieser ist an seinem vorderen Ende am Winkeleisen 20 mit Hilfe von Feststellschrauben 24 festgelegt. Der Motor 16 besitzt vorzugsweise eine variable Geschwindigkeit, so dass die innerhalb der Kammer 12 herrschenden Zerstäubungsbedingungen durch Einstellung der Rotationsgeschwindigkeit des Motors, wie nachfolgend beschrieben wird, eingestellt werden können.
Das Gehäuse 12 hat eine zylindrische Wand 26 und sich gegenüberliegende scheibenartige Seitenwände 28 und 30. An der Wand 30 befindet sich ein als Dampffalle ausgebildeter Einlass 32 und an der Wand 28 ein entsprechender Auslass 34. Die Wand 30 hat einen Durchgang 36, der mit der Dampffalle 32 in Verbindung steht und die Wand 28 einen Durchgang 38, der mit der Dampffalle 34 in Verbindung ist.
In der Seitenwand der Falle 32 befindet sich ein Eingang 40, während der Ausgang 42 in der End- oder Stirnwand der Falle 34 vorgesehen ist.
Es ist zu bemerken, dass sich der Eingang 40 und der Ausgang 42 der Kammer 44 auf einem höheren Niveau befinden als die Durchgänge 36 und 38 in den Seitenwänden 30 und 28 des Gehäuses 12. Durch diese Anordnung der Dampffallen 32 und 34 und der Durchgänge bzw. Ein- und Ausgänge 36 und 38 in den Seitenwänden kann sichergestellt werden, dass keine Flüssigkeit von der Kammer 44 in irgendeine Richtung (nach vorn oder hinten) ausser bei Zerstäubung in genügend feine Teilchen durch das Gas ausgetragen wird, wie verständlich werden wird.
Das untere Ende des Gehäuses 12 kann auf der Plattform 18 ruhen, und das Gehäuse ist einer Montage zur Verhinderung von Drehbewegungen durch Festlegung an Armen 21 (von denen lediglich einer in Fig. 1 gezeigt ist) angepasst, die von der Basisplatte 18 nach oben vorstehen und an dem nach oben vorragenden Winkeleisen 20 befestigt sind.
Der Rahmen 14, das Gehäuse 12 und die Darnpffallen 32 und 34 können aus irgendeinem geeigneten Material, wie Kunststoff (Polyäthylen) gebildet oder auch aus einem geeignet gegen Korrosion geschützten Metall hergestellt sein.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung folgt, ist die vom Gehäuse 12 umschlossene Kammer 44 im allgemeinen zylindrisch. Wenn die Anforderungen an die Vorrichtung sehr hoch sind, kann die Kammer 44 mit einer wesentlichen Flüssigkeitsmenge gefüllt sein, so dass der untere Teil der Kammer als Sumpf 46 betrachtet werden kann, als welcher er nachfolgend bezeichnet wird.
Die vom Elektromotor vorragende Antriebswelle 48 ist über eine geeignete Kupplung 50 mit der Hauptantriebswelle 52 verbunden. Wie Fig. 2 zeigt, ist die Hauptantriebswelle 52 drehbar in den Seitenwänden 28 und 30 des Gehäuses 12 montiert. Die Welle ist gegenüber den Wänden 28 und 30 geeignet abgedichtet, um zu verhindern, dass Flüssigkeit aus dem Gehäuse austritt. Ein Paar Scheiben 56 und 57 sind mit dieser zusammen drehbar auf der Welle 52 montiert.
Diese Scheiben werden auf der Welle durch eine Schraubenfeder 58 voneinander entfernt gehalten.
Wie nachfolgend verständlich werden wird, sind die Scheiben für eine Zerstäubung von Wasser bzw. Flüssigkeit innerhalb der Kammer unter der Wirkung ihrer Bewegung, wenn sie mit hoher Geschwindigkeit gedreht werden, konstruiert. In Fig. 2 ist auch schematisch das den Sumpf 46 des Gehäuses bildende Wasser 60 eingezeichnet sowie die Anordnung des Wassereinlasses 62. Es ist zu bemerken, dass dieser Einlass so angeordnet ist, dass das Wasser in enger Nachbarschaft zur Scheibe 56 in die Kammer gelangt. Dadurch wird sichergestellt, dass das in die Kammer durch die Zufuhrleitung 64 eintretende Wasser auf die Scheibe 56 trifft, was die Geschwindigkeit der Wasserzerstäubung bei Rotation der Scheibe 56 weiter unterstützt.
Fig. 3 zeigt schematisch einen typischen Strömungsweg für das Gas durch die Kammer 12. Die in Fig. 3 gezeigte Anordnung hat eine besondere Scheibenform und Anordnung. Es ist jedoch klar, dass die in Fig. 6 bis 12 gezeigten unterschiedlichen Scheibenformen auch angewandt werden können.
Bei der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform hat die Scheibe 56 halbkreisförmige Aussparungen 70 am äusseren Umfang und zwei auf Kreisen angeordnete Reihen von Durchlässen 72 und 74, die auf der Scheibe vom Rand radial einwärts in einem gewissen Abstand angeordnet sind. In ähnlicher Weise hat die Scheibe 57 Aussparungen 70a am äusseren Umfang und zwei Reihen von Durchlässen 72a und 74a. Jede(r) der Aussparungen 70 sowie der Durchlässe 72a und 74 hat einen kleinen Einlass-Öffnungsquerschnitt und einen grossen Auslassquerschnitt (bei kegelförmiger Seitenbegrenzung der Bohrung), während die Aussparungen 70a und Durchlässe 72 und 74a einen kleinen Auslassquerschnitt und grossen Einlassquerschnitt haben.
Bei den in Fig. 3 gezeigten Scheiben haben alle Aussparungen 70 bzw. 70a am äusseren Umfang der Scheibe einen kleinen Durchmesser auf der Zuströmseite der Scheibe 56 bzw. auf der Abströmseite der Scheibe 57. Die Durchlässe 72 und 72a sind in gleicher Weise angeordnet, so dass der kleine Öffnungsquerschnitt abwechselnd auf der Zuströmseite und auf der Abströmseite von jeder der Scheiben 56 und 57 angeordnet ist.
Der Gasströmungsweg durch das Gehäuse 12 wird in Fig. 3 durch Pfeile angedeutet. Das Gas tritt durch den Einlass 40 in die Falle 32 ein, durchquert diese und entweicht in das Gehäuse 12 durch den Durchgang 36. Nach Durchqueren des Gehäuses wird das Gas durch den Auslass 38 in die Falle 34 abgegeben. Das befeuchtete Gas entweicht dann aus der Falle 34 durch den Auslass 42. Während seines Aufenthaltes in der Kammer 44 und bei Rotation der Scheiben 56 und 57 in Richtung der Pfeile A neigt das Gas dazu, durch die verschiedenen Durchgänge 70, 70a, 72, 72a, 74 und 74a in Richtung vom Hochdruckbereich zum Niederdruckbereich gesaugt bzw. geleitet zu werden.
Es wurde gefunden, dass es durch konische Gestaltung der Durchgänge in der weiter oben angegebenen Weise und alternierende Anordnung der Verjüngungsrichtung in aneinandergrenzenden Durchgängen möglich ist, eine bedeutende Turbulenz innerhalb der Zerstäubungskammer zu erzeugen, ohne dass irgendein wesentlicher Rückstau auftritt, der den Gasdurchgang durch die Vorrichtung (Zerstäuber) behindern würde.
Obgleich gefunden wurde, dass die Form und Anordnung der Durchgänge 70, 70a, 72, 72a, 74 und 74a bei niedrigen Geschwindigkeiten nicht kritisch ist, erscheint eine grosse Anzahl solcher Durchgänge durch die Scheiben 56 und 57 bei hohen Geschwindigkeiten zur Verhinderung der Erzeugung eines Rückstaus in der Durchgangsleitung zum und vom Zerstäuber 10 erwünscht, weil sonst die Zulieferung einer angemessenen Menge von zu befeuchtendem bzw. feuchtem Gas oder Dampf behindert würde.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung, die für die Zulieferung von Narkosegasen zu einem Patienten brauchbar ist. Das Gas wird in einer schematisch mit 80 bezeichneten herkömmlichen Speichervorrichtung aufbewahrt. Von der Speichervorrichtung 80 herkommendes Gas passiert ein Regelventil 82. Dieses dient der Zulieferung irgendeines bestimmten Anteils des ankommenden Gases durch die Zuleitung 85 zu der Zerstäubervorrichtung 10' bzw. zur Bypass-Leitung 84.
Der Ausstoss des Zerstäubers 10' mischt sich nach Durchqueren der Leitung 86 mit dem Gas der Bypass-Leitung 84 und gelangt zu einer Gesichtsmaske oder anderen Applikationseinrichtung 88. Bei Verwendung eines Regelventils 82, wie es in Fig. 4 gezeigt wird, kann der Zerstäubermotor mit einer konstanten Geschwindigkeit betrieben werden und das Ausmass der Erhöhung der relativen Feuchtigkeit durch entsprechende Einstellung des zum Zerstäuber hinströmenden Gasanteils zu dem durch die Bypass-Leitung durchströmenden Gas verändert werden.
Fig. 5 zeigt schematisch einen Schnitt durch ein geeignetes Regelventil 82, bei dem das Ventilgehäuse 90 einen Einlass 92 und einen mit der Einlassleitung 85 in Verbindung stehenden Auslass 94 sowie einen mit der Bypass-Leitung 84 verbundenen Auslass 96 hat. Der Ventilkörper 98 ist innerhalb des Gehäuses 90 drehbar montiert und hat eine Aufnahmekammer 100 sowie einen zugeordneten Auslass 102.
Bei der in Fig. 5 gezeigten Stellung des Ventilkörpers wird das gesamte durch den Einlass 92 in das Ventil eintretende trockene Gas durch die Auslässe 102 und 94 zum Zerstäuber 10' hingeleitet. Zur Einstellung bzw. Veränderung des zum Zerstäuber geleiteten Gasprozentsatzes wird der Ventilkörper 98 gedreht, so dass irgendein erforderlicher Anteil des Auslasses 96 für den Einlass von Gas in die Bypass-Leitung 84 geöffnet wird. Wie man sieht, kann das Ventil 82 von der in Fig. 5 gezeigten Einstellung in eine Position gedreht werden, bei der das gesamte in das Ventil eintretende trockene Gas durch den Auslass 96 in die Bypass Leitung 84 entlassen wird.
Fig. 6 zeigt eine Scheibe 110, die für die Verwendung in einer Vorrichtung gemäss der Erfindung geeignet ist. Diese Scheibe hat eine zentrale Öffnung 112, die der Antriebswelle 52 in einer ähnlichen Weise wie bei den früher beschriebenen Scheiben angepasst ist. Die Scheibe 110 hat eine rinnenförmige Umfangsausnehmung 114 mit V-förmigem Querschnitt. Eine Mehrzahl von Löchern 116 mit geringem Durchmesser durchsetzt die Scheibe im Bereich der V-förmigen Ausnehmung 114 mit Öffnung innerhalb des Grundes der Ausnehmung. Die Löcher 116 sind mit gleichmässigem Abstand und in einem bestimmten radialen Abstand von der Drehachse angeordnet. Eine zweite Reihe von Löchern 118 mit grösserem Durchmesser durchsetzt den Körper der Scheibe in einem bestimmten von den Löchern 116 aus radial nach innen weisenden Abstand.
Es wurde gefunden, dass eine Scheibe dieses Typs in der weiter oben beschriebenen Vorrichtung für eine wirksame Zerstäubung von Wasser verwendet werden kann, das in die Kammer 44 eingebracht wird oder in dieser enthalten ist.
Eine andere Scheibenart wird in Fig. 7 gezeigt. Bei dieser Ausführungsart hat die Scheibe 120 zwei peripher voneinander entfernte Reihen von Durchlässen 126 und 128 und eine Reihe von halbkreisförmigen Aussparungen 124 längs des Umfanges. Sowohl die Vorder- als auch die Rückseite der Scheibe zeigt angrenzend an die Aussparungen 124 und Durchlässe 126 und 128 Auskehlungen. Auch hier wurde gefunden, dass die Scheibe dieses Typs zur Zerstäubung von in der Kammer des Zerstäubers enthaltenem oder in diese eintretendem Wasser bei Rotation mit genügender Geschwindigkeit dienlich sein wird.
Fig. 8 zeigt eine weitere Form einer Scheibe 130 mit Aussparungen 134 und Durchlässen 136 und 138, die jeweils relativ zueinander umfangsmässig entfernt sind. Alle Aussparungen 134 und alle Durchlässe 136 und 138 haben eine konische Ausnehmung in der Vorderseite 133, die sich von vorn nach hinten erstreckt, so dass die Öffnung an der Rückseite der Scheibe kleiner ist als an der Vorderseite der Scheibe.
Die in Fig. 9 gezeigte Scheibe 140 hat wiederum Aussparungen 144 am äusseren Umfang und radial nach einwärts angeordnete Durchlässe 146 und 148. Bei dieser Ausführungsform liegt der verjüngte Teil der Ausnehmungen 144 alternierend an der Vorder- bzw. Hinterseite der Scheibe.
Eine ähnliche alternierende Anordnung der Verjüngungs richtung zeigen die Durchlässe 146, während der Durchmesser aller Durchlässe 148 von der Vorderseite zur Hinterseite der Scheibe hin abnimmt.
Bei Fig. 10 sind die Aussparungen 154 und Durchlässe 156 der Scheibe 150 wie bei Fig. 9 alternierend nach vorn bzw. hinten zu verjüngt, und die Durchlässe 158 zeigen ebenfalls eine alternierende Anordnung der Verjüngungsrichtung.
Fig. 11 zeigt eine Scheibe 160 mit Aussparungen 164 mit konischer Begrenzung, deren Durchmesser von der Vorderseite zur Hinterseite hin abnimmt. Die Durchlässe 166 und 168 zeigen keine konische Verjüngung.
Eine einfache Form von Scheibe 170 wird in Fig. 12 gezeigt. Bei dieser erstrecken sich die Ausnehmungen 174 und die Durchlässe 176 und 178 in gerader Weise durch den Körper der Scheibe, und sie zeigen keinerlei Verjüngung.
Bei allen diesen Scheiben können zahlreiche zusätzliche Abwandlungen vorgenommen werden. Beispielsweise kann radial einwärts an den in Fig. 9 bis 12 gezeigten innersten Lochkranz eine zusätzliche Reihe von längs eines Kreises verteilten Durchlässen (z. B. 76, 76a; s. Fig. 3) angeordnet sein.
Bei Verwendung dieser Vorrichtung für medizinische oder chirurgische Zwecke wird das trockene Gas, das irgendeines der allgemein bekannten Narkosegase sein kann, wie 2, He oder N2O oder CO2 über das Regelventil 82 zum Zerstäuber geliefert. Wasser kann entweder vor Inbetriebnahme des Zerstäubers in den Sumpf 46 eingespeist oder kontinuierlich oder in Tropfenform über den Einlass 62 zugefügt werden. Selbstverständlich kann auch kombiniert Wasser im Sumpf gespeichert und kontinuierlich oder tropfenweise zugeliefert werden.
Bei Inbetriebnahme des Motors 16 werden die Scheiben 56, 57, 110, 120, 130, 140, 150, 160 bzw. 170 innerhalb der Kammer 44 in Rotation versetzt. Ein unteres Segment der Scheiben durchquert dabei die im Sumpf 46 enthaltene Flüssigkeit 60 (insbesondere Wasser). In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, dass lediglich ein sehr geringer Zwischenraum 49 zwischen dem äusseren Umfang der Scheiben und der Innenfläche der zylindrischen Wand 26 vorgesehen ist.
Es wurde gefunden, dass es bei Anwendung irgendeiner der weiter oben beschriebenen Scheiben möglich ist, näherungsweise 1,4 g Wasser zu zerstäuben und in den durch die Kammer mit einer Geschwindigkeit von 5 1/min strömenden Sauerstoff bzw. Gasstrom zu überführen, wenn die Kammer ursprünglich mit 20 g destilliertem Wasser gefüllt ist. Mit den einzelnen in den Zeichnungen dargestellten Scheiben wurden jeweils sehr ähnliche Ergebnisse erzielt.
Wie festgestellt wurde, ergibt eine (nicht gezeigte) Vollscheibe ohne irgendwelche Durchzugslöcher einen relativ geringen Anstieg der relativen Feuchtigkeit. Die Verwendung einer Vollscheibe kann für Anwendungszwecke von Vorteil sein, bei denen eine Apparatur gewünscht wird, durch welche die relative Feuchtigkeit eines Gases nicht über einen vorbestimmten Maximalwert erhöht werden soll. Eine solche Struktur ist jedoch ungeeignet, wenn eine höhere Steigerungsrate der relativen Feuchtigkeit im Gas erforderlich ist. Zudem kann das Gas bei der Vollscheibe weder in genügend hoher Volumenmenge oder Geschwindigkeit frei durch die Kammer hindurchtreten, noch wird eine ausreichende wirksame Mahlwirkung der Scheiben erreicht, durch welche die Flüssigkeit 60 zur raschen Erhöhung der Feuchtigkeit eines grossen durch Kammer 44 hindurchtretenden Gasvolumens angeregt würde.
Scheiben mit Löchern, wie sie in den Fig. 6 bis 12 gezeigt werden. sind zu einer wesentlichen Erhöhung der relativen Feuchtigkeit eines Gases befähigt und gestatten erhebliche Gasströmungen durch die Kammer. Es wurde gefunden, dass die konisch gestalteten Durchlässe von den Fig. 7 bis 10 als schwacher Ventilator wirken mit einer Tendenz zur Erhöhung der Turbulenz des durch die Kammer 44 hindurchtretenden Gases ohne wesentliche Erhöhung des Druckes innerhalb der Kammer 44. Diese Struktur ermöglicht eine sehr geringe Frischluft- bzw. Gaszirkulation von üblicherweise in der klinischen Praxis erforderlichem Typ ohne einen zusätzlichen
Umwälzventilator. So wird die Flüssigkeit zwischen der
Scheibe und der Kammerwand durch die unterschiedliche Ge schwindigkeit der Flüssigkeit an diesen Oberflächen einer
Scherwirkung ausgesetzt.
Diese Geschwindigkeitsdifferenz ist zur Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe proportional. Es wurde gefunden, dass die dabei erzeugte Mahlwirkung eine
Dispersion von Molekülen oder winzigen Tröpfchen der
Flüssigkeit, wie z. B. Wasser, in die Atmosphäre der Kammer hinein bewirkt, wo eine Mischung mit der hindurchtretenden
Gasströmung stattfindet.
Es wurde gefunden, dass die Flüssigkeitsmenge, die in den Gasstrom eingebracht werden kann, mit der Rotations geschwindigkeit und der Flüssigkeitstiefe in der Kammer zunimmt.
Es ist ebenfalls zu bemerken, dass der Einlass für das Gas benachbart zur Rotationsachse der Scheiben angeordnet ist.
Wenn die Scheiben in Rotation versetzt werden, verursachen die Zentrifugalkräfte innerhalb der Kammer einen Druck abfall im Bereich benachbart zur Rotationsachse, was die
Einspeisung von Gas oder Luft in die Kammer unterstützt.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemässen Vor richtung, das diese von herkömmlichen Raumbefeuchtern un terscheidet, besteht darin, dass die Rotation der Scheiben bei der Flüssigkeit in der Kammer eine Art Mahlwirkung ausübt. Diese Mahlwirkung verursacht ein mechanisches
Aufreissen der molekularen Bindungskräfte in der Flüssig keit. Der durch die Kammer hindurchtretende Luft- oder
Gasstrom nimmt die in feine Teilchen zerrissene Flüssigkeit auf und führt sie mit sich, wodurch die relative Feuchtigkeit des Gases sehr rasch ansteigt.
Dabei ist zu bemerken, dass - wie bereits weiter oben angegeben wurde - nur ein sehr kleiner bzw. schmaler Zwi schenraum 49 zwischen der inneren Zylinderfläche 26 der
Kammer und der Aussenfläche der Rotationsscheibe vor handen ist. Das führt dazu, dass in der Kammer vorhandenes
Wasser durch Grenzschichtadhäsion aufgenommen und in
Bewegung versetzt wird und gleichzeitig der Einwirkung von
Zentrifugalkräften unterliegt; dabei wird Flüssigkeit zwischen die Scheibe und die Wand getrieben. Die Flüssigkeit 60 neigt an der Kammerwand 26 dazu, an dieser zu haften, während eng benachbart dazu Flüssigkeit durch die Scheibe zu einer
Kreisbewegung angeregt wird, wobei die Flüssigkeit an der
Scheibenoberfläche etwa die Geschwindigkeit der Scheibe an nimmt.
Zur Bestimmung der Flüssigkeitsmenge, die mit den er findungsgemässen Vorrichtungen in einer bestimmten Zeit dauer zerstäubt werden kann, wurden zahlreiche Versuche durchgeführt. Bei den ersten vier Versuchen waren zwei
Scheiben mit 15,2 cm Durchmesser und 3,18 mm Dicke auf der Welle des Zerstäubers montiert und wurden mit 1640
Upm in Rotation versetzt. Am äusseren Umfang hatten die
Scheiben 30 Aussparungen der in Fig. 8 gezeigten Art. Die
Durchlässe des ersten Lochkranzes waren jeweils zwischen zwei Randaussparungen versetzt angeordnet und in einer
Anzahl von 30 Stück vorhanden. Die Durchlässe des zweiten
Lochkranzes waren zwischen je zwei Durchlässen der ersten
Reihe versetzt und radial einwärts angeordnet und in einer
Anzahl von insgesamt 15 vorhanden. Die dritte Reihe von insgesamt 15 Löchern war versetzt zur zweiten Reihe ange ordnet.
Versuch 1
Der erste Versuch wurde mit 35 g destilliertem Wasser im Sumpf durchzeführt, und die Prüfergebnisse wurden nach 10 min aufgenommen. Durch die Vorrichtung wurde Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von 61/min geleitet, und als Mittel von drei Prüfungen wurde eine Wasseraufnahme durch den Sauerstoff von 5,4 g entsprechend etwa 91 mg/l ge funden. Als weiteres Merkmal dieser Prüfung wurde festgestellt, dass die Temperatur des mit Umgebungstemperatur von 24,4 C eintretenden Gases am Auslass des Zerstäubers auf 31,1 C angestiegen war.
Versuch 2
Ein weiterer Versuch wurde mit einer Scheibe durchgeführt, die einen kleinen Durchmesser (von 4,33 cm) hatte und mit dem Wasser im Sumpf 46 nicht in Kontakt war.
Durch die Vorrichtung 10 wurde Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von 5 1/min geleitet, und zu Beginn der Prüfung enthielt der Sumpf 46 5 g destilliertes Wasser. Nach einer Zeitdauer von 10 Minuten betrug die vom Sauerstoff aufgenommene Flüssigkeitsmenge 0,26 g.
Versuch 3
Bei diesem Versuch wurde eine Scheibe der in Fig. 12 gezeigten Art in der Kammer mit etwa 1400 bis 1750 Upm in Rotation versetzt, wobei jedoch genaue Messungen unmöglich waren. Durch die Kammer wurde Sauerstoff mit einer Geschwindigkeit von 5 1/min geleitet, und 5 g destilliertes Wasser befanden sich im Sumpf 46. Nach 10 Minuten waren 1,26 g Wasser in den Sauerstoff übergegangen.
Die obigen Versuche wurden mit zahlreichen Gasen wiederholt; die dabei erzielten Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1 Gas Wasseraufnahme (mg/Liter) A 91,06 B 82,233 C 84,4 mit einem Gas A aus N2O (4 Liter/min) O2 (2 Üter/min) und Fluothane (1%)
Gas B aus N2O (4 Liter/min) O3 (2 Liter/min) und Penthrane (1%);
Gas C wurde durch N2O (6 Liter/min) gebildet.
Weiter wurden zusätzliche Versuche unter den in Versuch 3 angegebenen Bedingungen durchgeführt; die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle II zusammengefasst.
Tabelle II
Versuch-Nr. Scheibe nach N2O-Aufnahme
Fig. (g)
4 6 1,3
5 7 1,4
6 8 1,2
7 10 1,1
8 11 1,1
Aus diesen Versuchen geht hervor, dass die Feuchtigkeit des Sauerstoffs (und von anderen Gasen) durch Hindurchleiten durch die erfindungsgemässe Vorrichtung erheblich erhöht werden kann.
Wie Versuch 1 zeigt, wurde die relative Feuchtigkeit des Sauerstoffs auf etwa 400 % erhöht. Zwar waren Werte für die Wassersättigung von Sauerstoff nicht verfügbar, jedoch wurde angenommen, dass die Sättigungswerte bei Sauerstoff praktisch denjenigen von Luft gleichzusetzen sind. Danach wurde die relative Feuchtigkeit des bei Versuch 1 abgehenden Gases wie folgt bestimmt:
EMI5.1
mit R = Gas-Strömungsgeschwindigkeit (Liter/min) t = Zeit (min)
W = Wasseraufnahme (g)
E = Masse des Dampfes in gesättigtem Sauerstoff bei Prüftemperatur (24,4 C) Danach betrug die relative Feuchtigkeit des Sauerstoffs
EMI5.2
Die relative Feuchtigkeit des Gases wurde im Rahmen der vorliegenden Versuche allgemein gemäss obiger Formel bestimmt.
Wenn sich Wasserdampf über einer Wassermenge mit dieser im Gleichgewicht befindet, ist die relative Feuchtigkeit 100%. Die relative Feuchtigkeit von 100% ist temperaturabhängig, und die in irgendeinem Gas bei Sättigung vorhandenen Wassermengen können den üblichen Tabellenwerken entnommen werden. Diese relative Feuchtigkeit von 100% wird nun bei irgendeiner gegebenen Temperatur erhalten, wenn die Luft ruhig und die mit dem Dampf in Kontakt befindliche Wassermenge ebenfalls ruhig ist.
Wenn jedoch im Wasser z. B. durch Aufschleudern der Wassermasse auf eine Oberfläche infolge der mechanischen Kräfte eine Turbulenz hervorgerufen wird, ist das in der Umgebung befindliche Gas bzw. die Luft nicht mehr ruhig und wird selbst turbulent. Das neue turbulente Gleichgewicht kann als relative Feuchtigkeit von über 100% gemessen werden (d. h. über der relativen Feuchtigkeit von ruhendem Gas und damit im Gleichgewicht befindlicher Flüssigkeit liegen). In Wirklichkeit ist dieses neue Gleichgewicht zwischen turbulentem Gas (Luft) und bewegter Flüssigkeit (Wasser) durch einzelne Dampfmoleküle oder Ansammlungen solcher Moleküle, die entweder sichtbar oder für das blosse Auge unsichtbar sind, übersättigt. Bei den vorstehenden Prüfungen war das im Gas enthaltene Wasser für das blosse Auge unsichtbar.
Die vorstehenden Erläuterungen sollen nicht besagen, dass die bei den obigen Prüfungen erzielten Ergebnisse einem Gleichgewicht zwischen turbulentem Gas und Wasser entsprechen. Was gewiss erreicht werden kann, ist eine relative Feuchtigkeit, die höher ist, als dem Gleichgewicht zwischen ruhendem Gas und Flüssigkeit entspricht.
Weitere Prüfergebnisse besagen, dass nach 10 Minuten Betrieb mit 50 g Wasser im Sumpf 46, einer Scheibengeschwindigkeit von 1540 Upm und einem Sauerstoffstrom von 6 1/min 6,2 g Wasser abgegeben wurden und mithin 103,3 mg Wasser je Liter im durch die Vorrichtung 10 strömenden Sauerstoff dispergiert wurden. Die Dampftemperatur betrug bei der gesamten Prüfung 22,8 C.
Die Fig. 13 und 2A zeigen weitere Ausführungsarten gemäss der Erfindung. Der Zerstäuber 10' hat eine Reihe von festen in enger Nachbarschaft zu den rotierenden Scheiben 56 und 57 angeordneten Prallorganen. Beispielsweise kann das Prallorgan durch Ansätze 200 gebildet werden, die von der zylindrischen Wand der Kammer 44 an gerechnet nach innen versetzt sind bzw. vorspringen und insbesondere im oberen Teil derselben (oberhalb der Achse der Antriebswelle 52 für die Rotation der Scheiben) angeordnet sind.
Weiter kann bei Fig. 1 ein zusätzliches Prallorgan zwischen den Scheiben 56 und 57 beispielsweise als Stöpsel 27 vorgesehen sein, der eine genügende Länge besitzt, so dass er durch die zylindrische Wand 26 nach innen in den Raum zwischen den Scheiben 56 und 57 vorspringt. Vorzugsweise sind die Prallorgane in enger Nachbarschaft zu den rotieren den Schaufeln bzw. Scheiben angeordnet, beispielsweise in etwa 3 mm Abstand, so dass die Flüssigkeitsströmung benachbart zu den Oberflächen der rotierenden Scheiben aufgerissen wird. Bei dieser Ausführungsart kann irgendeine der in den Fig. 3 und 6 bis 12 dargestellten Scheiben verwendet werden.
PATENTANSPRUCH 1
Vorrichtung zur kontrollierten Erhöhung des relativen Feuchtigkeitsgehaltes eines Gases mit einem Gehäuse mit einer Kammer mit Sumpf im unteren Teil; zum Sumpf hin offene Mittel für die Flüssigkeitszufuhr; zur Kammer hin offene Mittel für den Einlass von Gas in die Kammer und entsprechende Auslassmittel zur Fortführung des Gases aus der Kammer, gekennzeichnet durch in der Kammer (44) drehbare Scheiben (56, 57), von denen ein Abschnitt des äusseren Randes in den Sumpf (46) hineinragt; Mittel (16) für die Rotation der Scheiben mit einer ausreichend hohen Geschwindigkeit zur Zerstäubung der Flüssigkeit innerhalb des Kammerraumes, durch den das Gas geleitet wird.
UNTERANSPRÜCHE
1. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ein- und Auslass (36 und 38) für das Gas an entgegengesetzten Seiten der rotierenden Scheiben (56, 57) angeordnet sind.
2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und Unteranspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel (62, 64) zur gesteuerten Zufuhr von Flüssigkeit zum Sumpf (46).
3. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und Unteranspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zur Steuerung der Rotationsgeschwindigkeit der Scheiben.
4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder einem der Unteransprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch zumindest zwei Scheiben (56, 57), die um eine gemeinsame Achse drehbar in der Kammer (44) montiert und in einem Abstand parallel zueinander angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 oder einem der Unteransprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheiben (56, 57) eine Mehrzahl von vom Umfang her nach innen vorspringenden Aussparungen (70, 70a) in Kreisteilung angeordnet aufweisen.
6. Vorrichtung nach Unteransprüchen 4 und 5, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von Durchlässen (72, 74, 76,), die durch den Scheibenkörper hindurchgehen und den Durch tritt von Gas von der einen Seite der Scheibe (56) zur anderen (57) ermöglichen.
7. Vorrichtung nach Unteranspruch 6, gekennzeichnet durch einen ersten Lochkranz von gleichmässig längs des Umfanges verteilten Durchlässen (72), die von der Aussenkante einer Scheibe (56) an gerechnet nach innen zu einen gewissen Abstand haben.
8. Vorrichtung nach Unteranspruch 7, gekennzeichnet durch einen zweiten Lochkranz von gleichmässig über den Umfang verteilten Durchlässen (74), die vom ersten Lochkranz an gerechnet radial einwärts angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Unteranspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (70) bzw. Durchlässe (72, 74, 76) je eine Einlassöffnung auf einer Seite der Scheibe und je eine Auslassöffnung auf der anderen Seite der Scheibe haben, wobei die Einlassöffnung wesentlich kleiner als die Auslassöffnung ist.
10. Vorrichtung nach Unteransprüchen 8 und 9, gekennzeichnet durch alternierende Anordnung der Verjüngungsrichtung der Aussparungen (70, 70a) bzw. Durchlässe (72, 72a, 74, 74a, 76, 76a) innerhalb eines Lochkranzes und/oder von einem Lochkranz zum benachbarten der Scheibe und/ oder von einer Scheibe zur anderen.
11. Vorrichtung nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlässe (72, 74) je eine Einlassöffnung und eine wesentlich grössere Auslassöffnung haben, wobei die Einlassöffnungen der Durchlässe (74) des zweiten Lochkranzes alle auf einer Seite der Scheibe (56) und die Auslassöffnungen auf der anderen Seite liegen, während die Einlass- und Auslassöffnungen der jeweils benachbarten Durchlässe (72) des ersten Lochkranzes auf entgegengesetzten Seiten der Scheibe liegen.
12. Vorrichtung nach Unteranspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangskante der Scheibe (110) eine V-förmige Umfangsrinne (114) aufweist, deren Boden genügend weit radial einwärts reicht, so dass die Durchlässe (116) des ersten Lochkranzes zur Rinne (114) hin offen sind, wobei die Durchlässe des ersten Lochkranzes wesentlich kleiner sind als die des zweiten.
13. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch senkrechte Anordnung der Scheiben innerhalb der Kammer.
14. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch ein relativ geringes Spiel (49) zwischen dem äusseren Umfang der Scheiben und der Kammerwand.
15. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch scheibenachsnahe Anordnung des Gaseinlasses (36).
16. Vorrichtung nach Unteranspruch 15 gekennzeichnet durch einen sich konisch nach dem Kammerinnenraum zu erweiternden Gaseinlass (36).
17. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und Unteran spruch 1 gekennzeichnet durch Flüssigkeitsfallen (34) am Gasauslass (38) zur Verhinderung eines Austritts schwerer Flüssigkeitsteilchen aus der Kammer.
18. Vorrichtung nach Unteranspruch 2, gekennzeichnet durch eine Flüssigkeitsfalle (32) am Gaseinlass (36) zur Verhinderung eines Entweichens von Flüssigkeit aus der Kammer über den Gaseinlass.
19. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und den Unteransprüchen 1, 2 und 8, gekennzeichnet durch Prallorgane (27; 200), die in die enge Nachbarschaft zu den rotierenden Scheiben reichen, so dass die Flüssigkeitsströmung angrenzend an die Oberflächen der rotierenden Scheiben aufgerissen wird.
20. Vorrichtung nach Patentanspruch 1 und Unteransprüchen 1, 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Prallorgane (27; 200) auf zumindest etwa 3 mm Abstand an die Oberfläche der rotierenden Scheiben heranreichen.
PATENTANSPRUCH II
Anwendung der Vorrichtung nach Patentanspruch 1 zum Befeuchten von Narkosegasen.
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Device for the controlled increase of the relative moisture content of a gas
The invention relates to a device for the controlled increase of the relative moisture content of a gas with a housing with a chamber with a sump in the lower part; fluid supply means open to the sump; Means open towards the chamber for the inlet of gas into the chamber and corresponding outlet means for the continuation of the gas from the chamber.
The device according to the invention is used in particular to increase the relative humidity of anesthetic gases, which is intended to prevent the patient from drying out during anesthesia.
If anesthetic gases are administered to a patient during a medical procedure, there is a risk that the patient's lungs and other organs will lose water or dry out. Such loss of water can seriously endanger the health of the patient and conventional practice has attempted to counter this problem by intravenous injections. The dehydration of the patient arises from the fact that the anesthetic gases do not contain water vapor, which is otherwise present in the normal atmosphere.
To date no devices have been developed which would be able to bring about a controlled increase in the relative humidity of anesthetic gases as they are administered. The difficulties encountered in attempting to develop such a device are that it must be able to increase the humidity very quickly so that the gases are effectively humidified when they are administered, and that this process can be carried out without any limitation on the Gas flow to the patient must take place, since z. B. a device which would cause a noticeable back pressure would be unsuitable because in this case it would be difficult for the patient to absorb a rapidly increased flow or amount of anesthetic if necessary.
The amount of moisture that may be required in the anesthetic gases can vary depending on the requirements of a particular case or patient, and it is therefore necessary that the relative humidity of the gas can be controlled with the aid of the device.
For the reasons mentioned, it must be possible to control the relative humidity of the gas over a relatively wide range of different supply volumes.
Although moisture content is always spoken of in the following, this also includes the percentage of any liquid or liquid substance in a gaseous medium.
The definition liquid resp. Liquid substance is based on the physical state in which the substance is present for processing in the device according to the invention. is therefore independent of whether it turns into an aerosol, vapor or gas.
The problem of increasing the moisture content in a gas or in air occurs in many other areas except in the case described. For example, numerous industrial applications are conceivable, such as for the evaporation of fuels, the humidification or fermentation of tobacco, washing out and moistening of ventilation air with water and the spraying or distribution of chemicals into gas spaces. in which large air or gas volumes are processed and large droplet sizes can be achieved.
Conventional evaporators or humidifiers, such as household appliances, only make use of evaporation processes. For example, in one known arrangement, a drum covered with an absorbent material is set in rotation in the air inlet of a domestic oven. Humidification takes place directly through the evaporation of liquid or water from the drum surface and depends to a large extent on the speed with which the air is passed over the damp surface of the drum.
This type of device is unsuitable for increasing the relative humidity of the air very rapidly, and essentially operates by circulating the air intended for household applications numerous times per pass, gradually increasing the humidity. This type of gradual increase in humidity is unsuitable for many industrial purposes.
The aim of the invention is therefore to eliminate the difficulties previously encountered in this technical field by means of an improved apparatus for the rapid introduction of liquid or steam into a gas stream, specifically in the form of very fine mist droplets and / or steam.
The device according to the invention of the type mentioned above, developed for this purpose, is characterized by disks rotatable in the chamber, of which a section of the outer edge protrudes into the sump; Means for rotating the disks at a speed sufficiently high to atomize the liquid within the chamber space through which the gas is passed.
The device according to the invention can be used to regulate the relative humidity of a gas flow at a high humidity level, the droplet sizes being kept to a minimum in applications in which fog and supersaturated air are undesirable. The device is easily adaptable to minimal gas flow rates, as they can be clinically determined. This device can also be used to introduce narcotics or other drugs into a gas stream, either alone or with water.
The rotation of the disks within the chamber takes place at a speed which is sufficient for the fine atomization of the fluid or water within the chamber by the driving effect of the rotating member, whereby the gas passing through the chamber has enough liquid or steam to increase the relative humidity is taught.
The invention is described below in the form of examples with reference to the attached drawings.
Show it:
1 shows a device according to the invention, in perspective (partially cut open),
FIG. 2 shows a vertical section through the actual humidification part of the device from FIG. 1,
2A shows a variant of the arrangement shown in FIG. 2 with fixed impact organs,
3 shows a pair of discs as well as the gas inlet and outlet of the chamber in a form moved apart, indicating the gas flow path,
4 shows a scheme for an anesthesia arrangement with a built-in device according to the invention,
5 schematically the internal structure of a valve for proportional control of the amount of gas passing through the device according to FIG. 1,
6 shows another type of disk in perspective and partially cut open,
7 to 12 further embodiments of rotating disks and
13 shows a section along XIII-XIII through the in Fig.
2A shown humidification chamber.
1 shows a device according to the invention, generally designated 10, for the controlled increase in the relative humidity of a gas. This apparatus comprises a housing 12, a frame or stand 14 and a motor 16. The frame 14 consists of a horizontal plate or platform 18 with an upright flange or angle iron 20 at the front end and a curved bracket 22 at the rear end . The angle iron 20 and the curved support 22 are used to hold the motor 16. This is fixed at its front end on the angle iron 20 with the aid of locking screws 24. The motor 16 preferably has a variable speed so that the atomization conditions prevailing within the chamber 12 can be adjusted by adjusting the speed of rotation of the motor, as will be described below.
The housing 12 has a cylindrical wall 26 and opposing disk-like side walls 28 and 30. On the wall 30 there is an inlet 32 designed as a steam trap and on the wall 28 a corresponding outlet 34. The wall 30 has a passage 36 which connects to the Steam trap 32 is in communication and the wall 28 has a passage 38 which is in communication with the steam trap 34.
An entrance 40 is located in the side wall of the trap 32, while the exit 42 is provided in the end wall of the trap 34.
It should be noted that the entrance 40 and exit 42 of the chamber 44 are at a higher level than the passages 36 and 38 in the side walls 30 and 28 of the housing 12. By this arrangement of the vapor traps 32 and 34 and the passages respectively Entrances and exits 36 and 38 in the side walls can be used to ensure that no liquid is discharged from the chamber 44 in any direction (forward or rearward) except when atomized into sufficiently fine particles by the gas, as will be understood.
The lower end of the housing 12 can rest on the platform 18, and the housing is adapted to be mounted for preventing rotational movement by being attached to arms 21 (only one of which is shown in FIG. 1) which protrude upwardly from the base plate 18 and attached to the angle iron 20 protruding upward.
The frame 14, the housing 12 and the canopy traps 32 and 34 can be formed from any suitable material, such as plastic (polyethylene), or can be made from a metal suitably protected against corrosion.
As follows from the foregoing description, the chamber 44 enclosed by the housing 12 is generally cylindrical. If the demands on the device are very high, the chamber 44 can be filled with a substantial amount of liquid, so that the lower part of the chamber can be regarded as the sump 46, as it is referred to below.
The drive shaft 48 protruding from the electric motor is connected to the main drive shaft 52 via a suitable coupling 50. As shown in FIG. 2, the main drive shaft 52 is rotatably mounted in the side walls 28 and 30 of the housing 12. The shaft is suitably sealed from walls 28 and 30 to prevent fluid from leaking out of the housing. A pair of disks 56 and 57 are rotatably mounted therewith on the shaft 52.
These disks are held apart on the shaft by a coil spring 58.
As will be understood below, the disks are designed to atomize water or liquid within the chamber under the action of their movement when rotated at high speed. 2 also schematically shows the water 60 forming the sump 46 of the housing and the arrangement of the water inlet 62. It should be noted that this inlet is arranged in such a way that the water enters the chamber in close proximity to the disk 56. This ensures that the water entering the chamber through the supply line 64 hits the disk 56, which further supports the speed of the water atomization when the disk 56 rotates.
Fig. 3 shows schematically a typical flow path for the gas through the chamber 12. The arrangement shown in Fig. 3 has a particular disk shape and arrangement. It is clear, however, that the different disk shapes shown in FIGS. 6 to 12 can also be used.
In the embodiment shown in FIG. 3, the disc 56 has semicircular recesses 70 on the outer circumference and two rows of passages 72 and 74 arranged in circles, which are arranged on the disc from the edge radially inward at a certain distance. Similarly, the disc 57 has recesses 70a on the outer periphery and two rows of passages 72a and 74a. Each of the recesses 70 and the passages 72a and 74 has a small inlet opening cross-section and a large outlet cross-section (with a conical side limitation of the bore), while the recesses 70a and passages 72 and 74a have a small outlet cross-section and a large inlet cross-section.
In the disks shown in FIG. 3, all the recesses 70 and 70a on the outer circumference of the disk have a small diameter on the inflow side of the disk 56 and on the outflow side of the disk 57. The passages 72 and 72a are arranged in the same way, see above that the small opening cross-section is arranged alternately on the inflow side and on the outflow side of each of the disks 56 and 57.
The gas flow path through the housing 12 is indicated in FIG. 3 by arrows. The gas enters trap 32 through inlet 40, traverses it, and escapes into housing 12 through passage 36. After passing through the housing, the gas is released into trap 34 through outlet 38. The humidified gas then escapes from the trap 34 through the outlet 42. While it is in the chamber 44 and when the disks 56 and 57 rotate in the direction of arrows A, the gas tends to pass through the various passages 70, 70a, 72, 72a , 74 and 74a being sucked and directed in the direction from the high pressure area to the low pressure area.
It has been found that by tapering the passages in the manner indicated above and alternating the tapering direction in adjoining passages, it is possible to generate significant turbulence within the atomization chamber without any significant back pressure occurring which would prevent the gas passage through the device (Atomizer) would hinder.
Although the shape and arrangement of the passages 70, 70a, 72, 72a, 74 and 74a have not been found to be critical at low speeds, a large number of such passages appear through the discs 56 and 57 at high speeds to prevent the generation of backwater in the through-line to and from the nebulizer 10, because otherwise the supply of an appropriate amount of humidified or humidified gas or steam would be hindered.
Fig. 4 shows an arrangement useful for delivering anesthetic gases to a patient. The gas is stored in a conventional storage device, indicated schematically at 80. Gas coming from the storage device 80 passes through a control valve 82. This serves to supply any specific portion of the incoming gas through the feed line 85 to the atomizer device 10 ′ or to the bypass line 84.
The output of the atomizer 10 ′ mixes with the gas of the bypass line 84 after it has passed through the line 86 and reaches a face mask or other application device 88. When using a control valve 82, as shown in FIG. 4, the atomizer motor can also be operated at a constant speed and the extent of the increase in relative humidity can be changed by appropriate adjustment of the proportion of gas flowing towards the atomizer to the gas flowing through the bypass line.
5 schematically shows a section through a suitable control valve 82, in which the valve housing 90 has an inlet 92 and an outlet 94 connected to the inlet line 85 and an outlet 96 connected to the bypass line 84. The valve body 98 is rotatably mounted within the housing 90 and has a receiving chamber 100 and an associated outlet 102.
In the position of the valve body shown in FIG. 5, all of the dry gas entering the valve through the inlet 92 is directed through the outlets 102 and 94 to the atomizer 10 '. To adjust or change the percentage of gas delivered to the nebulizer, the valve body 98 is rotated so that any portion of the outlet 96 required for the admission of gas into the bypass line 84 is opened. As can be seen, the valve 82 can be rotated from the setting shown in FIG. 5 to a position in which all of the dry gas entering the valve is discharged through the outlet 96 into the bypass line 84.
Fig. 6 shows a disc 110 which is suitable for use in a device according to the invention. This disc has a central opening 112 which mates with the drive shaft 52 in a manner similar to the discs previously described. The disk 110 has a groove-shaped circumferential recess 114 with a V-shaped cross section. A plurality of holes 116 with a small diameter penetrate the disk in the area of the V-shaped recess 114 with an opening within the base of the recess. The holes 116 are evenly spaced and at a certain radial distance from the axis of rotation. A second row of holes 118 with a larger diameter penetrates the body of the disk at a certain distance from the holes 116 pointing radially inward.
It has been found that a disk of this type can be used in the apparatus described above for efficient atomization of water introduced into or contained in chamber 44.
Another type of disk is shown in FIG. In this embodiment, the disc 120 has two circumferentially spaced rows of passages 126 and 128 and a row of semicircular recesses 124 along the circumference. Both the front and back of the disk show flutes adjacent to the recesses 124 and passages 126 and 128. Here, too, it has been found that the disc of this type will be useful for atomizing water contained in or entering the chamber of the atomizer when rotating at sufficient speed.
8 shows a further form of a disk 130 with recesses 134 and passages 136 and 138, which are each circumferentially removed relative to one another. All of the recesses 134 and all of the passages 136 and 138 have a conical recess in the front 133 that extends front to back so that the opening on the rear of the disc is smaller than that on the front of the disc.
The disk 140 shown in FIG. 9 again has recesses 144 on the outer circumference and passages 146 and 148 arranged radially inward. In this embodiment, the tapered part of the recesses 144 lies alternately on the front and rear side of the disk.
The passages 146 show a similar alternating arrangement of the tapering direction, while the diameter of all the passages 148 decreases from the front to the rear of the disk.
In FIG. 10, the recesses 154 and passages 156 of the disk 150 are alternately tapered forwards and backwards, as in FIG. 9, and the passages 158 likewise show an alternating arrangement of the tapering direction.
11 shows a disk 160 with recesses 164 with a conical limitation, the diameter of which decreases from the front to the rear. The passages 166 and 168 show no conical taper.
A simple form of disk 170 is shown in FIG. In this, the recesses 174 and the passages 176 and 178 extend in a straight manner through the body of the disk, and they show no tapering.
Numerous additional modifications can be made to any of these discs. For example, an additional row of passages (e.g. 76, 76a; see FIG. 3) distributed along a circle can be arranged radially inward on the innermost perforated ring shown in FIGS. 9 to 12.
When this device is used for medical or surgical purposes, the dry gas, which may be any of the well-known anesthetic gases such as 2, He, or N2O or CO2, is supplied to the nebulizer via control valve 82. Water can either be fed into the sump 46 before the atomizer is started up or can be added continuously or in the form of drops via the inlet 62. Of course, combined water can also be stored in the sump and supplied continuously or in drops.
When the motor 16 is started up, the disks 56, 57, 110, 120, 130, 140, 150, 160 or 170 are set in rotation within the chamber 44. A lower segment of the disks passes through the liquid 60 (in particular water) contained in the sump 46. In this connection it should be noted that only a very small gap 49 is provided between the outer circumference of the disks and the inner surface of the cylindrical wall 26.
It has been found that using any of the disks described above, it is possible to atomize approximately 1.4 g of water and convert it into the oxygen or gas stream flowing through the chamber at a rate of 5 l / min originally filled with 20 g of distilled water. Very similar results were obtained with each of the disks shown in the drawings.
It has been found that a solid disk (not shown) without any through holes gives a relatively small increase in relative humidity. The use of a solid disk can be advantageous for applications in which an apparatus is desired by which the relative humidity of a gas is not to be increased above a predetermined maximum value. However, such a structure is unsuitable when a higher rate of increase in relative humidity in the gas is required. In addition, with the full disk, the gas cannot freely pass through the chamber in a sufficiently high volume or speed, nor is a sufficiently effective grinding action achieved by the disks, which would stimulate the liquid 60 to rapidly increase the humidity of a large volume of gas passing through chamber 44.
Discs with holes as shown in FIGS. 6-12. are capable of substantially increasing the relative humidity of a gas and allowing substantial gas flows through the chamber. It has been found that the conical shaped passages of Figures 7-10 act as a weak fan tending to increase the turbulence of the gas passing through the chamber 44 without significantly increasing the pressure within the chamber 44. This structure allows for very little Fresh air or gas circulation of the type usually required in clinical practice without an additional one
Circulation fan. So the liquid between the
Disk and the chamber wall due to the different speed of the liquid on these surfaces
Exposed to shear.
This speed difference is proportional to the speed of rotation of the disk. It has been found that the grinding action produced thereby
Dispersion of molecules or tiny droplets of the
Liquid, such as B. water, into the atmosphere of the chamber, where it mixes with the passing through
Gas flow takes place.
It has been found that the amount of liquid that can be introduced into the gas stream increases with the speed of rotation and the depth of the liquid in the chamber.
It should also be noted that the inlet for the gas is arranged adjacent to the axis of rotation of the disks.
When the disks are set in rotation, the centrifugal forces within the chamber cause a pressure drop in the area adjacent to the axis of rotation, which the
Feeding of gas or air into the chamber is supported.
An essential advantage of the device according to the invention, which distinguishes it from conventional room humidifiers, is that the rotation of the disks exerts a kind of grinding effect on the liquid in the chamber. This grinding action causes a mechanical one
Breaking up of the molecular binding forces in the liquid. The air or air passing through the chamber
The gas stream picks up the liquid, which has been torn into fine particles, and carries it with it, whereby the relative humidity of the gas increases very rapidly.
It should be noted that - as already stated above - only a very small or narrow intermediate space 49 between the inner cylinder surface 26 of the
Chamber and the outer surface of the rotating disk is present. This leads to what is present in the chamber
Water taken up by boundary layer adhesion and in
Movement is displaced and at the same time the action of
Subject to centrifugal forces; this forces liquid between the disc and the wall. The liquid 60 tends to adhere to the chamber wall 26 while in close proximity to it liquid through the disc to one
Circular motion is excited, with the liquid at the
Disc surface takes about the speed of the disc.
Numerous experiments were carried out to determine the amount of liquid that can be atomized in a certain period of time with the devices according to the invention. The first four attempts were two
Discs 15.2 cm in diameter and 3.18 mm thick were mounted on the shaft of the atomizer and were made with 1640
Rotated rpm. On the outer circumference they had
Disks 30 cutouts of the type shown in FIG
Passages of the first perforated ring were arranged offset between two edge recesses and in one
Number of 30 pieces available. The passages of the second
Perforated wreaths were between every two passages of the first
Row offset and arranged radially inward and in one
Number of 15 available. The third row of a total of 15 holes was offset from the second row.
Attempt 1
The first test was carried out with 35 g of distilled water in the sump, and the test results were recorded after 10 minutes. Oxygen was passed through the device at a rate of 61 / min, and the mean of three tests found a water uptake by oxygen of 5.4 g, corresponding to about 91 mg / l. As a further feature of this test, it was found that the temperature of the gas entering at ambient temperature of 24.4 C had risen to 31.1 C at the outlet of the atomizer.
Attempt 2
Another experiment was carried out with a disc that was small in diameter (4.33 cm) and not in contact with the water in sump 46.
Oxygen was passed through the device 10 at a rate of 5 l / min, and at the beginning of the test the sump 46 contained 5 g of distilled water. After a period of 10 minutes, the amount of liquid absorbed by the oxygen was 0.26 g.
Attempt 3
In this experiment, a disk of the type shown in Fig. 12 was rotated in the chamber at about 1400 to 1750 rpm, but accurate measurements were impossible. Oxygen was passed through the chamber at a rate of 5 l / min, and 5 g of distilled water were in the sump 46. After 10 minutes, 1.26 g of water had converted into the oxygen.
The above experiments were repeated with numerous gases; the results obtained are summarized in Table 1 below.
Table 1 Gas water absorption (mg / liter) A 91.06 B 82.233 C 84.4 with a gas A composed of N2O (4 liters / min) O2 (2 hours / min) and Fluothane (1%)
Gas B from N2O (4 liters / min) O3 (2 liters / min) and penthranes (1%);
Gas C was generated by N2O (6 liters / min).
Additional tests were also carried out under the conditions given in test 3; the results are summarized in Table II below.
Table II
Experiment no. Disc after N2O absorption
Fig. (G)
4 6 1.3
5 7 1.4
6 8 1.2
7 10 1.1
8 11 1.1
These experiments show that the moisture of the oxygen (and of other gases) can be increased considerably by passing it through the device according to the invention.
As Experiment 1 shows, the relative humidity of the oxygen was increased to about 400%. Although values for the water saturation of oxygen were not available, it was assumed that the saturation values for oxygen are practically the same as those for air. The relative humidity of the gas emitted in experiment 1 was then determined as follows:
EMI5.1
with R = gas flow rate (liter / min) t = time (min)
W = water absorption (g)
E = mass of vapor in saturated oxygen at test temperature (24.4 C). Thereafter, the relative humidity of the oxygen was
EMI5.2
The relative humidity of the gas was generally determined in the context of the present tests using the above formula.
When water vapor is in equilibrium with more than an amount of water, the relative humidity is 100%. The relative humidity of 100% is temperature-dependent, and the amounts of water present in any gas at saturation can be taken from the usual tables. This 100% relative humidity is now obtained at any given temperature when the air is calm and the amount of water in contact with the steam is also calm.
However, if in the water z. B. if turbulence is caused by the mass of water being thrown onto a surface as a result of the mechanical forces, the gas or air in the vicinity is no longer calm and becomes itself turbulent. The new turbulent equilibrium can be measured as a relative humidity greater than 100% (i.e., greater than the relative humidity of a gas at rest and a liquid in equilibrium). In reality, this new equilibrium between turbulent gas (air) and moving liquid (water) is oversaturated by individual vapor molecules or collections of such molecules, which are either visible or invisible to the naked eye. In the above tests, the water contained in the gas was invisible to the naked eye.
The preceding discussion is not intended to imply that the results obtained in the above tests correspond to an equilibrium between turbulent gas and water. What can certainly be achieved is a relative humidity that is higher than the equilibrium between gas and liquid at rest.
Further test results indicate that after 10 minutes of operation with 50 g of water in the sump 46, a disk speed of 1540 rpm and an oxygen flow of 6 1 / min, 6.2 g of water and consequently 103.3 mg of water per liter were released through the device 10 flowing oxygen were dispersed. The steam temperature for the entire test was 22.8 C.
13 and 2A show further embodiments according to the invention. The atomizer 10 'has a number of fixed baffles arranged in close proximity to the rotating disks 56 and 57. For example, the impact member can be formed by extensions 200, which are offset or protrude inwardly from the cylindrical wall of the chamber 44 and are arranged in particular in the upper part of the same (above the axis of the drive shaft 52 for the rotation of the disks).
Furthermore, in FIG. 1, an additional impact element can be provided between the disks 56 and 57, for example as a plug 27, which is of sufficient length so that it protrudes inward through the cylindrical wall 26 into the space between the disks 56 and 57. The impact members are preferably arranged in close proximity to the rotating blades or disks, for example at a distance of about 3 mm, so that the liquid flow is torn up adjacent to the surfaces of the rotating disks. Any of the disks shown in Figures 3 and 6-12 can be used in this embodiment.
PATENT CLAIM 1
Device for the controlled increase of the relative humidity of a gas with a housing with a chamber with a sump in the lower part; fluid supply means open to the sump; Means open to the chamber for the inlet of gas into the chamber and corresponding outlet means for continuing the gas out of the chamber, characterized by disks (56, 57) rotatable in the chamber (44), a portion of the outer edge of which into the sump (46) protrudes; Means (16) for rotating the disks at a speed sufficiently high to atomize the liquid within the chamber space through which the gas is passed.
SUBCLAIMS
1. Device according to claim 1, characterized in that an inlet and outlet (36 and 38) for the gas are arranged on opposite sides of the rotating disks (56, 57).
2. Device according to claim 1 and dependent claim 1, characterized by means (62, 64) for the controlled supply of liquid to the sump (46).
3. Device according to claim 1 and dependent claim 1, characterized by means for controlling the rotational speed of the disks.
4. Device according to claim 1 or one of the dependent claims 1 to 3, characterized by at least two discs (56, 57) which are rotatably mounted about a common axis in the chamber (44) and are arranged parallel to one another at a distance.
5. Device according to claim 1 or one of the dependent claims 1 to 3, characterized in that the disks (56, 57) have a plurality of inwardly projecting recesses (70, 70a) arranged in circles.
6. Device according to dependent claims 4 and 5, characterized by a plurality of passages (72, 74, 76,) which pass through the disk body and allow gas to pass through from one side of the disk (56) to the other (57) .
7. Device according to dependent claim 6, characterized by a first perforated ring of passages (72) which are uniformly distributed along the circumference and which are at a certain distance inward from the outer edge of a disc (56).
8. Device according to dependent claim 7, characterized by a second perforated ring of passages (74) evenly distributed over the circumference, which are arranged radially inward from the first perforated ring.
9. The device according to dependent claim 7, characterized in that the recesses (70) or passages (72, 74, 76) each have an inlet opening on one side of the disc and an outlet opening on the other side of the disc, the inlet opening being essential is smaller than the outlet opening.
10. Device according to dependent claims 8 and 9, characterized by the alternating arrangement of the tapering direction of the recesses (70, 70a) or passages (72, 72a, 74, 74a, 76, 76a) within a perforated ring and / or from a perforated ring to the adjacent one Disc and / or from one disc to another.
11. The device according to claim 8, characterized in that the passages (72, 74) each have an inlet opening and a substantially larger outlet opening, the inlet openings of the passages (74) of the second ring of holes all on one side of the disc (56) and the Outlet openings are on the other side, while the inlet and outlet openings of the respectively adjacent passages (72) of the first ring of holes are on opposite sides of the disk.
12. Device according to dependent claim 8, characterized in that the peripheral edge of the disc (110) has a V-shaped peripheral channel (114), the bottom of which extends radially inward sufficiently so that the passages (116) of the first ring of holes to the channel (114 ) are open, the passages of the first perforated ring being much smaller than those of the second.
13. Device according to claim 1, characterized by the vertical arrangement of the discs within the chamber.
14. Device according to claim 1, characterized by a relatively small play (49) between the outer circumference of the disks and the chamber wall.
15. Device according to claim 1, characterized by the arrangement of the gas inlet (36) close to the disk axis.
16. Device according to dependent claim 15, characterized by a gas inlet (36) which widens conically towards the chamber interior.
17. The device according to claim 1 and claim 1, characterized by liquid traps (34) at the gas outlet (38) to prevent heavy liquid particles from escaping from the chamber.
18. Device according to dependent claim 2, characterized by a liquid trap (32) at the gas inlet (36) to prevent liquid from escaping from the chamber via the gas inlet.
19. The device according to claim 1 and the dependent claims 1, 2 and 8, characterized by impact members (27; 200) which extend into close proximity to the rotating disks, so that the liquid flow is torn up adjacent to the surfaces of the rotating disks.
20. The device according to claim 1 and dependent claims 1, 2 and 8, characterized in that the impact members (27; 200) reach at least about 3 mm from the surface of the rotating disks.
PATENT CLAIM II
Use of the device according to claim 1 for humidifying anesthetic gases.
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