DE102005029226B4

DE102005029226B4 - Zuführen eines Freistrahls zu einem Gesichtsfeld eines Benutzers

Info

Publication number: DE102005029226B4
Application number: DE200510029226
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Heinrich; Robert Surma
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2005-06-23
Filing date: 2005-06-23
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2025-06-24
Also published as: DE102005029226A1

Abstract

Vorrichtung (10) für ein Flugzeug zum Zuführen eines Freistrahls (16) zu einem Gesichtsfeld (15) eines Benutzers, wobei die Vorrichtung (10) aufweist
eine Leitung (11);
einen eine sauerstoffhaltige Komponente enthaltenden ersten Vorratsbehälter (30), der mit der Leitung (11) koppelbar ist;
eine Auslassöffnung (13);
eine Transporteinrichtung (5);
eine Heizeinrichtung zum Erzeugen von Wasserdampf;
wobei der Leitung (11) die sauerstoffhaltige Komponente und eine wasserhaltige Komponente zuführbar ist;
wobei mittels der Transporteinrichtung (5) ein Gemisch aus der sauerstoffhaltigen Komponente und der wasserhaltigen Komponente durch die Leitung (11) zu der Auslassöffnung (13) transportierbar ist, so dass das Gemisch durch die Auslassöffnung (13) in Form eines Freistrahls direkt auf das Gesichtsfeld (15) des Benutzers geströmt wird, und
wobei die Vorrichtung eine Konzentrationsjustiereinrichtung zum Justieren der Konzentration der sauerstoffhaltigen Komponente und des Wasserdampfs des Freistrahls (16) aufweist, um das aus der Auslassöffnung (13) austretende Gemisch zu übersättigen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zuführen eines Freistrahls (Mehrkomponentenstrahls) zu einem Gesichtsfeld eines Benutzers in einem Flugzeug und ein Flugzeug.
In Flugzeugen wird häufig aufgrund von elektrischen und elektronischen Geräten sowie der Isolierung und der Struktur des Flugzeugs eine Entfeuchtung der Kabinenluft mittels Extraktion vorgenommen. Die Komfortgrenze für Crew und Passagiere hinsichtlich feuchter Luft liegt in der Regel bei einem relativen Anteil von mindestens 30%, während in einer Höhe von 40.000 Fuß dieser Anteil nur noch 1 bis 2% betragen kann. Bei bestimmten Gegebenheiten bzw. Flugoperationen ist zudem eine vorausgehende Erhöhung der Sauerstoffkonzentration in der Atemluft der Flugmannschaft oder des so genannten Loadmasters notwendig. Dieses so genannte Pre-Breathing ist in der Regel über einen längeren Zeitraum erforderlich, um die Sauerstoffkonzentration im Blut ausreichend zu erhöhen. Die Verwendung von Atemmasken über diesen langen Zeitraum hinweg ist in vielen Fällen nicht ausreichend komfortabel. Ein Sauerstofffreistrahl mit vernachlässigbarer Feuchte hingegen würde zwar den Tragekomfort erhöhen, allerdings auch in vergleichsweise kurzer Zeit ein Austrocknen der angeströmten Schleimhäute bewirken.
Aus der nachveröffentlichten DE 2004 024 615 A1 ist eine Vorrichtung zur Kabinenluftbefeuchtung eines Passagier- oder Frachtflugzeugs bekannt. Diese Vorrichtung weist eine Leitung, eine Auslassöffnung und eine Transporteinrichtung auf, wobei der Leitung eine sauerstoffhaltige Komponente und eine wasserhaltige Komponente zuführbar ist, wobei mittels der Transporteinrichtung ein Gemisch aus der sauerstoffhaltigen Komponente und der wasserhaltigen Komponente durch die Leitung zu der Auslassöffnung transportierbar ist, so dass das Gemisch durch die Auslassöffnung in Form eines Freistrahls direkt auf das Gesichtsfeld des Benutzers geströmt wird.
Aus der US 5,944,284 A ist ein Befeuchtungssystem für eine Flugzeugkabine bekannt. Bei diesem System wird in einem Vorratsbehälter Wasser und in einem anderen Vorratsbehälter Inertgas gespeichert. Das Inertgas dient als Treibgas, um einen aus dem Wasser gebildeten Aerosolstrahl aus einer Düse zum Gesichtsfeld eines Passagiers zu sprühen.
Die EP 0 885 623 A2 beschreibt ein Atmungsbefeuchtungssystem bei dem über ein Gebläse Luft angesaugt wird. Dieser Luftstrom wird durch einen Befeuchtungsbehälter geleitet, in dem mittels einer Heizeinrichtung Wasserdampf erzeugt wird, so dass der Luftstrom befeuchtet wird. Dieses Luft-Wasserdampfgemisch wird über eine Zuleitung in der sich eine Heizeinrichtung befindet, einem Benutzer mittels einer an die Zuleitung angebrachten Atemmaske zugeführt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, den Komfort eines Benutzers zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zuführen eines Freistrahls zu einem Gesichtsfeld eines Benutzers sowie durch ein Flugzeug mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vorrichtung für ein Flugzeug zum Zuführen eines Freistrahls zu einem Gesichtsfeld eines Benutzers geschaffen, wobei die Vorrichtung eine Leitung, einen eine sauerstoffhaltige Komponente enthaltenden und mit der Leitung koppelbaren ersten Vorratsbehälter, eine Auslassöffnung, eine Transporteinrichtung und eine Heizeinrichtung zum Erzeugen von Wasserdampf aufweist. Der Leitung ist die sauerstoffhaltige Komponente und eine wasserhaltige Komponente (Wasser oder Wasserdampf) zuführbar. Mittels der Transporteinrichtung ist ein Gemisch aus der sauerstoffhaltigen Komponente und der wasserhaltigen Komponente durch die Leitung zu der Auslassöffnung transportierbar, sodass das Gemisch durch die Auslassöffnung in Form eines Freistrahls direkt auf das Gesichtsfeld des Benutzers geströmt wird. Ferner ist eine Konzentrationsjustiereinrichtung zum Justieren der Konzentration der sauerstoffhaltigen Komponente und des Wasserdampfs des Freistrahls aufweist, um das aus der Auslassöffnung austretende Gemisch zu übersättigen.
Ferner ist ein Flugzeug mit einer Vorrichtung mit den oben beschriebenen Merkmalen zum Zuführen eines Freistrahls (zum Beispiel eines Zwei- oder Mehrkomponentenstrahls) zu einem Gesichtsfeld eines Benutzers geschaffen.
Darüber hinaus ist gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Verfahren zum Zuführen eines Freistrahls zu einem Gesichtsfeld eines Benutzers in einem Flugzeug bereitgestellt, wobei gemäß dem Verfahren eine sauerstoffhaltige Komponente in einem mit einer Leitung koppelbaren Vorratsbehälter speichert, eine sauerstoffhaltige Komponente (z. B. Luft oder Sauerstoff) und eine wasserhaltige Komponente einer Leitung zugeführt werden, Wasserdampf erzeugt wird, ein Gemisch aus der sauerstoffhaltigen Komponente und der wasserhaltigen Komponente durch die Leitung zu einer Auslassöffnung transportiert wird, das Gemisch durch die Auslassöffnung in Richtung des Gesichtsfeldes des Benutzers ausströmt und das austretende Gemisch mittels einer Konzentrationsjustiereinrichtung übersättigt. Dadurch ist es möglich, einen Zweikomponentenstrahl (d. h. einen Strahl, der mindestens zwei Komponenten aufweist) oder einen Zweiphasenstrahl (d. h. einen Strahl, der mindestens zwei Komponenten unterschiedlicher Aggregatszustände, zum Beispiel flüssig und gasförmig, aufweist), als Freistrahl unmittelbar in Richtung des Gesichtsfeldes des Benutzers strömen zu lassen, wodurch die Verwendung von Atemmasken oder anderen störenden Gegenständen entfallt. Dies erhöht den Tragekomfort und stellt simultan eine erhöhte Versorgung des Benutzers mit Sauerstoff und Feuchtigkeit sicher, sodass sowohl eine erhöhte Sauerstoffversorgung sichergestellt als auch ein Austrocknen der Schleimhäute vermieden ist.
Das aus der Auslassöffnung austretende Gemisch ist übersättigt, sodass die wasserhaltige Komponente zumindest teilweise als Kondensat vorliegt. Auf diese Weise wird eine Art Aerosol gebildet, in dessen Atmosphäre der Komfort eines Benutzers hoch ist.
Es können geeignete Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden, um die O₂-Konzentration in der Kabinenatmosphäre nicht insgesamt zu erhöhen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht die Möglichkeit, eine gezielt höhere Sauerstoffkonzentration und/oder Luftkonzentration in der Nähe der Atmungsorgane bzw. des Gesichtsfeldes eines Benutzers mit Hilfe eines befeuchteten Sauerstoff- bzw. Luftfreistrahls zu erzeugen und auf Atemmasken somit ganz zu verzichten. Dadurch kann zum einen die unsachgemäße Anwendung von Atemmasken vermieden werden, da eine Aktion zum Beispiel seitens der Passagiere entfallt. Insbesondere in Stresssituationen können dadurch die Nachteile einer anzulegenden Atemmaske ausgeschlossen und kann eine Versorgung mit Sauerstoff gewährleistet werden. Zum anderen kann durch den Verzicht auf Atemmasken eine gewünschte lokale Komforterhöhung im Hinblick auf die Luftfeuchte und Sauerstoffkonzentration erreicht werden, insbesondere bei Anwendungen, die über einen längeren Zeitraum erfolgen.
Dadurch ist ein Verfahren zur lokalen Komforterhöhung geschaffen, bei dem mit Hilfe eines gerichteten Zweiphasenfreistrahls als Gemisch aus Luft/Sauerstoff und Wasser/Wasserdampf ein im Vergleich zu der Kabinen-Atmosphäre lokal erhöhter Sauerstoff- und/oder Wasserdampfpartialdruck im Gesichtsfeld von Passagieren bzw. Besatzungsmitgliedern einstellbar ist. Insbesondere kann bei dem Verfahren für das so genannte Pre-Breathing seitens der Flugzeugbesatzung im Vergleich zu der Kabinen-Atmosphäre ein höherer Wasserdampfpartialdruck über eine Zuleitung, gerichtet durch einen Freistrahl im Bereich des Gesichtsfeldes, eingestellt werden. Ferner kann in Kombination mit Sauerstoff als Trägergas gleichzeitig eine höhere Sauerstoffkonzentration im Bereich des Gesichtsfeldes eingestellt werden und eine Aufkonzentrierung durch Absaugung vermieden werden.
Exemplarische Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Im Weiteren werden Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben. Diese Ausgestaltungen gelten auch für das erfindungsgemäße Flugzeug sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
Die Vorrichtung weist einen die sauerstoffhaltige Komponente enthaltenden ersten Vorratsbehälter auf, der mit der Leitung koppelbar ist. Mit anderen Worten kann ein luft- oder sauerstoffenthaltender Vorratsbehälter mit der Leitung, zum Beispiel mittels eines Ventils, so gekoppelt werden, dass die in dem Vorratsbehälter enthaltene sauerstoffhaltige Komponente in die Leitung strömt. Entsprechend kann ein die wasserhaltige Komponente enthaltender zweiter Vorratsbehälter vorgesehen sein, der mit der Leitung koppelbar ist. Auch in diesem Fall kann zum Beispiel mittels eines Ventils die Zufuhr der wasserhaltigen Komponente aus dem zweiten Vorratsbehälter entsprechend eingestellt werden.
Der zweite Vorratsbehälter kann beheizbar sein. Dadurch kann es möglich sein, auch die in einem flüssigen Aggregatszustand vorliegende wasserhaltige Komponente in die Dampfphase zu überführen, um dann durch Mischung mit der sauerstoffhaltigen Komponente einen Freistrahl nach dem Ausströmen zu erzeugen.
Ein Bereich zwischen der Auslassöffnung und dem Gesichtsfeld des Benutzers kann frei von Komponenten der Vorrichtung sein. Mit anderen Worten kann auf jegliche körperlichen oder strukturellen Merkmale zwischen der Auslassöffnung und dem Gesichtsfeld des Benutzers verzichtet werden.
Die Vorrichtung kann ein steuerbares und/oder regelbares Düsen- und/oder Schlauchelement im Bereich der Auslassöffnung enthalten, mit der Parameter des Freistrahls gezielt vorgegeben werden können.
Die Vorrichtung kann eine Geschwindigkeitsreguliereinrichtung aufweisen, die zum Regulieren einer Geschwindigkeit des Freistrahls eingerichtet sein kann. Zum Beispiel kann ein Drosselventil so eingestellt werden, dass eine gewünschte Geschwindigkeit am Austrittsort des Freistrahls aus der Auslassöffnung erreichbar ist.
Die Vorrichtung weist ferner eine Heizeinrichtung auf, die zum Verdampfen von Wasser eingerichtet ist. Eine solche Heizeinrichtung kann zudem die Temperatur des Zweiphasenstrahls vorgeben und/oder kann den Sättigungsgrad bzw. die Dampfkonzentration und somit die Feuchtigkeit des Zweiphasenstrahls einstellen.
Die Vorrichtung kann zum Anbringen an und/oder in einer Begrenzung in einer Kabine oder eines Raums eingerichtet sein. Zum Beispiel kann die Vorrichtung hinter Seitenwänden oder hinter einer Deckenwand einer Flugzeugkabine oder eines anderen Raumes bzw. eines Fahrzeuges angeordnet sein, wobei lediglich die Austrittsöffnung und optional ein Endstück der Leitung aus dieser Begrenzungseinrichtung hervortritt. Optisch unauffällig kann dadurch die Vorrichtung gezielt räumlich definierbare Bereiche mit Sauerstoff und/oder Feuchtigkeit versorgen, um den Komfort eines in dem Raum befindlichen menschlichen oder tierischen Benutzers zu verbessern.
Alternativ kann die Vorrichtung zum mobilen Tragen am Körper des Benutzers eingerichtet sein. Gemäß dieser Ausgestaltung kann zumindest ein Teil der Einrichtung als mobiles Gerät ausgeführt sein, welches zum Beispiel am Kopfeines Benutzers, ähnlich wie ein Mikrofon, befestigt werden kann. Dies ermöglicht eine sichere Versorgung eines Benutzers, zum Beispiel von Kabinenpersonal eines Flugzeugs, mit Sauerstoff und Feuchtigkeit, selbst wenn der Benutzer sich während Benutzung der Vorrichtung ständig bewegt.
Die Vorrichtung kann darüber hinaus eine Richtungsjustiereinrichtung zum Justieren einer Austrittsrichtung des Freistrahls aus der Auslassöffnung aufweisen. Indem definiert ein Winkelbereich vorgegeben wird, in welchen die Feuchtigkeit bzw. die Luft emittiert wird, kann auf die geometrischen Gegebenheiten eines Raumes flexibel reagiert werden.
Darüber hinaus weist die Vorrichtung eine Konzentrationsjustiereinrichtung zum Justieren der Konzentration der sauerstoffhaltigen Komponente und des Wasserdampfs des Zweiphasenstrahls auf. Diese Konzentrationsjustiereinrichtung kann, zum Beispiel basierend auf gemessenen Sensorsignalen, welche gegenwärtige Sauerstoff- bzw. Feuchtigkeitsdaten liefern, eine geeignete Menge von Sauerstoff und/oder Feuchtigkeit nachliefern, um einem Benutzer einen hohen Komfort zu ermöglichen oder ggf. die Zufuhr stoppen, um keine sicherheitsgefährdende Atmosphäre zu erzeugen.
Die Vorrichtung kann ferner eine Absaugeinrichtung zum Absaugen eines Sauerstoff-Überschusses aufweisen. Eine solche Absaugeinrichtung, die ggf. Rest-Sauerstoff absaugen kann, kann zum Beispiel in einem Umgebungsbereich des Gesichtsfelds eines Benutzers angebracht werden, um eine unerwünscht starke Überhöhung der Sauerstoff-Konzentration zu vermeiden und somit die Betriebssicherheit zu erhöhen.
Im Weiteren werden Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben. Diese Ausgestaltungen gelten auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung und für das erfindungsgemäße Flugzeug.
Das Gemisch kann dem Gesichtsfeld des Benutzers mit einer Strahlachsen-Geschwindigkeit von höchstens 10 m/s zugeführt werden. Dies stellt sicher, dass eine Beeinträchtigung des Wohlbefindens der zu versorgenden Person ausgeschlossen ist.
Ferner kann das Gemisch dem Gesichtsfeld des Benutzers mit einer Strahlachsen-Geschwindigkeit von mindestens 0.5 m/s bis 1 m/s zugeführt werden. Dadurch kann ausgeschlossen werden, dass der Freistrahl bereits vorher zerfällt, wodurch eine gerichtete Erhöhung der Sauerstoffkonzentration und der Luftfeuchtigkeit nicht mehr gezielt lokal gegeben wäre.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher beschrieben.
Es zeigen:
1 einen Teil einer schematischen Vorrichtung mit einem Düsen- bzw.
Schlauchelement zur Ausrichtung eines Freistrahls aus gasförmigem Sauerstoff und Wasserdampf gemäß einem exemplarischen Ausmhrungsbeispiel der Erfindung,
2 einen Teil einer schematischen Vorrichtung mit einem insbesondere am Körper eines Benutzers zu tragenden Stützelement gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 eine schematische Darstellung der Ausbreitung des Freistrahls,
4 eine Vorrichtung zum Zuführen eines Freistrahls zu einem Gesichtsfeld eines Benutzers gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Darstellungen in den Figuren sind schematisch und nicht maßstäblich. Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die gezeigten Ausführungsformen der Vorrichtungen dienen zur Versorgung von Passagieren und Kabinen und Flugmannschaft mit zusätzlichem Sauerstoff und simultan mit zusätzlicher Feuchtigkeit.
In 1 sind schematisch eine Vorrichtung 10 bzw. deren relevanten Teile zur Versorgung von Passagieren mit zusätzlichem Sauerstoff und Feuchtigkeit gezeigt.
Die Vorrichtung 10 enthält einen (nicht dargestellten) Behälter zur Aufnahme und Lagerung von gasförmigem Sauerstoff und einen anderen (nicht dargestellten) Behälter zur Aufnahme und Lagerung von Wasser. Die Position der Behälter ist frei wählbar. Von den Behältern ausgehend, verläuft jeweils eine lediglich angedeutete Leitung 11 in Richtung eines Bereiches, aus dem die Leitung 11 bzw. der in der Leitung 11 geführte Sauerstoff und die Feuchtigkeitskomponente austritt. Das Gemisch aus Sauerstoff und Wasser wird durch eine Transporteinrichtung 5 (zum Beispiel eine Pumpe) durch die Leitung 11 geleitet. Die oder jede Leitung 11 kann in einem Deckenelement 12 oberhalb eines Sitzes in einer Flugzeugkabine angeordnet sein. Im Bereich einer Auslassöffnung 13 mündet die Leitung 11 in den mit Sauerstoff und Feuchtigkeit zu versorgenden Raum 14. Die Leitung 11 bzw. die Auslassöffnung 13 bilden dabei selbst das Mittel zur Zuführung des Sauerstoffs und der Feuchtigkeit in den Bereich von Atmungsorganen 15, indem sich ein aus der Auslassöffnung 13 austretender Freistrahl 16 aus Sauerstoff mit einer beaufschlagten Feuchtigkeitskomponente bis in den Bereich der Atmungsorgane 15 ausbreitet.
Der Raum 14 kann eine Flugzeugkabine, ein Laderaum im Flugzeug, aber auch jeder andere Raum sein. Für den Fall der Auslösung der Sauerstoff- und Feuchtigkeitsversorgung wird ein Gemisch aus Sauerstoff und Wasserdampf aus der Leitung 11 im Bereich der Auslassöffnung 13 freigesetzt, wobei der Sauerstoff und die Feuchtigkeit durch Mittel 5, die zum Beispiel eine Druckdifferenz zwischen den Behältern und der Leitung 11 einerseits und der Umgebung, zum Beispiel dem Raum 14, andererseits erzeugen. Die Auslassöffnung 13 und/oder die Leitung 11 selbst sind mittels üblicher und nicht dargestellter Elemente verschließbar und wieder zu öffnen. Zum Beispiel sind diese Elemente an eine Steuerungs- und/oder Regelungseinheit angeschlossen. Die Elemente können aber auch mittels der Druckeinstellung in der Leitung 11 regelbar sein. Die Auslassöffnung 13 weist einen definierten Querschnitt auf, der jedoch je nach Erfordernis unterschiedlich ausgebildet sein kann.
Die Atmungsorgane 15 sind üblicherweise in einem Abstand x von der Auslassöffnung 13 angeordnet bzw. platziert. Basis für die Ermittlung des Abstandes x sind zum Beispiel Durchschnittswerte von Personen bezüglich ihrer Größe. Besonders bevorzugt sind Abstände x im Bereich von bis zu 0,7 m zwischen dem Austrittsquerschnitt und den Atmungsorganen 15. Andere Abstände sind jedoch ggf. ebenfalls möglich. Der Abstand x bzw. der Bereich zwischen der Auslassöffnung 13 und den Atmungsorganen 15 ist frei von Komponenten der Vorrichtung 10 selbst, sodass sich der Freistrahl 16 ungehindert ausbreiten kann.
Im Bereich der Auslassöffnung 13 (siehe insbesondere 3) ist bevorzugt ein Düsen- und/oder Schlauchelement 17 (siehe insbesondere 1) angeordnet. Das Düsen- und/oder Schlauchelement 17 ist steuer- und/oder regelbar und insbesondere verstellbar ausgebildet, sodass der Freistrahl 16 und eine Absaugeinrichtung 40 gezielt und gerichtet positionierbar ist. Nach Austritt des Freistrahls 16 aus der Auslassöffnung 13 bzw. dem Düsen- und/oder Schlauchelement 17 trifft der Freistrahl 16 auf Umgebungsluft 18 und vermischt sich mit dieser. Die Ausbreitung des Freistrahls 16 ist auf der Basis eines konstanten Impulsstromes berechenbar. Das bedeutet, dass abgesehen von der Geschwindigkeit des Freistrahls 16 sowie der Strahlaufweitung auch die Sauerstoffkonzentration und die Feuchtigkeitsbeladung des Freistrahls 16, jeweils in Bezug auf den Abstand x, berechenbar ist. Hierzu wird vollumfänglich auf die von Ricou und Spalding vorgeschlagene Methode (siehe zum Beispiel F. P. Ricou, D. B. Spalding: Measurements or entrainment by axisymmetrical turbulent jets, J. Fluid Mech. 11 (1961), Seiten 21 bis 32) verwiesen. Die Vorrichtung 10 weist ferner die Absaugeinrichtung 40 zum Absaugen eines Sauerstoff-Überschusses auf, so dass Rest-Sauerstoff in einem Umgebungsbereich des Gesichtsfelds 15 des Benutzers abgesaugt werden kann.
Aufgrund der in der Regel geringen Beladung einer kontinuierlichen Gasphase als Trägergas mit Wassertröpfchen bzw. mit Wasserdampf erfolgt die Berechnung der Ausbreitung des Freistrahls in gasförmiger Atmosphäre auf der Basis eines konstanten Impulsstromes. In 3 ist die Ausbreitung eines isothermen Gasfreistrahls in gasförmiger Atmosphäre dargestellt, siehe zum Beispiel Surma, R., Friedel, L., Bricard, P.: Geschwindigkeit und Größe der Tropfen in horizontalen Zweiphasen-Freistrahlen aus Wasser und Luft in ruhender Umgebung. Teil 1 und Teil 2, Techn. Überwachung 44 (2003), 4, Seiten 24 bis 27, und 5, Seiten 26 bis 33.
Der Strahl strömt aus einem Austrittsquerschnitt aus. Infolge der Vermischung mit der Umgebungsluft nimmt zum Beispiel die Sauerstoffkonzentration und die relative Feuchtigkeit sowie die Geschwindigkeit des Freistrahls mit zunehmender Entfernung vom Austrittsquerschnitt ab, gleichzeitig weitet sich der Freistrahl auf.
Anhand von 3 wird die Ausbreitung eines isothermen Gasfreistrahls in gasförmiger Atmosphäre erläutert.
Der Freistrahl 16 strömt aus der Auslassöffnung 13 der Leitung 11 bzw. des Düsen- und/oder Schlauchelements 17 aus. Infolge der Vermischung des Sauerstoffs mit der Umgebungsluft 18 nehmen die Konzentrationen und die Geschwindigkeit des Freistrahls mit zunehmender Entfernung von der Auslassöffnung 13 ab. Gleichzeitig weitet sich der Freistrahl 16 auf. Die Geschwindigkeit des Freistrahls 16 im Bereich der Atmungsorgane 15 beträgt vorzugsweise zwischen 1 m/s und 10 m/s. Unterhalb der Untergrenze besteht die Gefahr des Zerfalls des Freistrahls 16 bevor der zusätzliche Sauerstoff die Atmungsorgane 15 erreicht hat. Bei Überschreiten der Obergrenze ist der Freistrahl 16 unter Umständen als störende Strömung zu empfinden. Die Größe des aus der Auslassöffnung 13 ausströmenden Massenstroms führt zu der gewünschten und/oder erforderlichen Sauerstoffkonzentration in Abhängigkeit vom Abstand x zwischen der Auslassöffnung 13 und den Atmungsorganen 15. Lokale Sauerstoffkonzentratrationen, bevorzugt zwischen ca. 21% und 80%, in Abhängigkeit der Abstände x von 0 m bis 0,7 m, können eingestellt werden.
Nochmals bezugnehmend auf 1 wird die Wirkungsweise der Erfindung im Passagierbereich beschrieben. Das Gemisch aus Sauerstoff von Luft als Trägergas und Wasser bzw. Wasserdampf strömt aus der Düse 17 in Richtung des Gesichtsfeldes 15 der entsprechenden Person aus. Die Größe des ausströmenden Massenstroms erzeugt die gewünschte Sauerstoffkonzentration in Abhängigkeit von dem Abstand x zwischen dem Düsenaustritt 17 und den Atemorganen 15.
Eine weitere Ausführungsform der Vorrichtung 10 ist der 2 zu entnehmen.
Darin ist die Vorrichtung 10 als mobile Einheit ausgebildet. Das Prinzip der für die zu versorgende Person aktionslosen lokalen Sauerstoffversorgung entspricht dem bereits beschriebenen. Die Leitung 11 ist derart ausgebildet und angeordnet, dass die Auslassöffnung 13 in Richtung der Atmungsorgane 15 weist. Die Einheit kann beispielsweise in Form von aus dem Tauchsport bekannten Sauerstoffflaschen auf dem Rücken getragen werden. Die Leitung 11 ist als flexible Schlauchleitung mittels Fixierungselementen 19 führbar, wobei ein Endstück 20 der Leitung 11 bzw. ein am Endstück 20 angeordnetes Düsen- und/oder Schlauchelement im Kopfbereich, ähnlich einem Kopfhörer oder dergleichen, fixiert ist. Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 2 können Pre-Breathing-Anforderungen für die Besatzung eines Flugzeugs Rechnung getragen werden. Das Gemisch aus Sauerstoff und Feuchtigkeit strömt aus einer am Kopf des Benutzers fixierten Zuleitung 11 aus, zum Beispiel ähnlich einem Mikrofon. Bei der Zuleitung ist eine ausreichende Flexibilität hinsichtlich der Bewegungsfreiheit des Besatzungsmitglieds vorteilhaft.
Die Vorrichtung 10 aus 2 weist eine Absaugeinrichtung 40 zum Absaugen eines Sauerstoff-Überschusses auf, so dass Rest-Sauerstoff in einem Umgebungsbereich des Gesichtsfelds 15 des Benutzers abgesaugt werden kann.
Infolge der direkten Zuführung des Wasserdampfes wird lediglich ein geringer Massenstrom an Wasser benötigt, wodurch ein negativer Einfluss auf elektrische und elektronische Geräte sowie auf die Isolation der Struktur des Flugzeugs vermieden werden kann. Die Erzeugung des definierten Gasgemisches erfolgt bereits stromaufwärts vom Austrittsquerschnitt, sodass ein mit Wasserdampf vermischter Luft- bzw. Sauerstoff-Freistrahl in Richtung des Gesichtsfeldes ausströmt. Aufgrund der Abnahme der Konzentration in Abhängigkeit von dem Abstand vom Austrittsquerschnitt ist es unter Umständen notwendig, das ausströmende Zweiphasengemisch zu übersättigen, sodass der Wasserdampf teilweise kondensieren kann und als feines Aerosol vorliegt. Durch fortwährende Verdunstung des Aerosols kann eine höhere Luftfeuchte in weiterer Entfernung vom Austrittsquerschnitt im Vergleich zum lediglich mit Wasserdampf gesättigten Freistrahl erzielt werden.
Ein solches Ausführungsbeispiel ist in 4 gezeigt. Das dabei zur Verfügung stehende Potential kann durch Messwerte überprüft werden.
4 zeigt eine stationäre Ausführung eines Gerätes zur Erzeugung eines wasserdampf- gesättigten Freistrahls.
Durch eine Gaszuleitung 30 wird Sauerstoffgas einer Mischeinheit 32 zugeführt. Ferner wird aus einem beheizbaren Flüssigkeitsreservoir 31 vorgeheiztes Wasser oder Wasserdampf der Mischeinheit 32 zugeführt, welche das Sauerstoffgas und den Wasserdampf gezielt mischt und dadurch einen Freistrahl 33 generiert, der auf Mund/Nase 15 im Gesichtsfeld eines Benutzers gerichtet wird.
Erfindungsgemäß können lokale Luftfeuchten von mindestens 30% in Abhängigkeit von der Ausführung der Erfindung für Abstände von 0,1 bis 0,5 m zwischen dem Austrittsquerschnitt und dem Gesichtsfeld eingestellt werden. Die einstellbaren Sauerstoffkonzentrationen können basierend auf der oben genannten Arbeit von Surma, Friedel und Bricard eingestellt werden.
Im Weiteren wird die Berechnung des Wasserdampfpartialdruckes zum Erreichen gewünschter Luftfeuchte im Bereich des Gesichtsfeldes vorgestellt.
Den Berechnungen gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung können die folgenden Annahmen zugrunde liegen:

– Vernachlässigung der Erdbeschleunigung
– Vernachlässigung der atmosphärischen Turbulenz (keine Vorgeschwindigkeiten der Raumluft)
– Ideales Ausströmen aus der Blende bzw. dem Schlauchstück
– Ideales Gas
– Ideales Mischungsverhalten

Ferner wird eine konservative Berechung durchgeführt, da im Prinzip ein Wasserdampfpartialdruck von ungefähr 0 mbar in der Umgebung des Freistrahls zugrunde gelegt wird, sodass die Abnahme der Luftfeuchte den theoretisch maximalen Wert darstellt.
Bei einer noch realistischeren Berechnung wird lediglich die Konzentrationsdifferenz angenommen.
Im Weiteren wird ein Beispiel beschrieben, mit dem ein Wasserdampfpartialdruck im Bereich des Gesichtsfeldes von 6 mbar erreicht wird. Hierfür wird eine Flughöhe von 8.000 Fuß, ein Umgebungsdruck von 752 mbar, eine Temperatur von 20°Celsius und ein Wasserdampfpartialdruck in der Umgebung von 0 mbar angenommen.
Gefordert wird ein Wasserdampfpartialdruck von 6 mbar, was einer 30%-igen Sättigung entspricht, da der Sättigungsdampfdruck bei 20°Celsius 20 mbar beträgt.
Die Abnahme der Konzentration bzw. des Partialdruckes berechnet sich gemäß folgender Formel: PP Wasser(g),Achse(x) = PP Wasser(g),Austritt·dDüse/(0,1856·x) (1)
Mit Gleichung (1) lässt sich die Entfernung von dem Austrittsquerschnitt bis zum Abstand stromabwärts bestimmen, an dem der geforderte Partialdruck vorliegt: x/d0 = 17,96 (2)
Der Zusammenhang von Gleichung (2) bestimmt den Austrittsdurchmesser d0 in Abhängigkeit von der Entfernung x zwischen Quelle und Atemorgan: x1 = 0,1 m => d0 = 5,57 mm (3) x2 = 0,5 m => d0 = 27,8 mm (4)
Im Folgenden wird nochmals das Verfahrensprinzip der Erfindung anhand der Ausführungsform gemäß 1 näher erläutert.
Erforderlichenfalls öffnet sich die Auslassöffnung 13, sodass gasförmiger Sauerstoff gemischt mit Feuchtigkeit aus der Leitung 11 ausströmt. Die Auslassöffnung 13 bzw. das Düsen- und/oder Schlauchelement 17 ist/sind so ausgerichtet, dass der sich bildende Freistrahl 16 aus Sauerstoff und Wasser direkt auf die Atmungsorgane 15 richtet. Diese grundsätzliche bzw. zusätzliche Versorgung mit Sauerstoff und Feuchtigkeit erfolgt ohne jeglichen Eingriff der zu versorgenden Person. Der Sauerstoff und die Feuchtigkeit werden quasi aus der Leitung 11 bzw. der Auslassöffnung 13 direkt an den Raum 14 abgegeben. Der Freistrahl 16 trifft mit einer Geschwindigkeit von max. 10 m/s auf die Atmungsorgane 15. Sollte die zugeführte Sauerstoffkonzentration nicht ausreichen, kann durch bloßes Verringern des Abstandes, zum Beispiel durch Neigen des Kopfes, eine Erhöhung der Konzentration an Sauerstoff und Wasserdampf erreicht werden. Zusätzlich die Gasphase/Dampfphase erwärmt werden, wodurch sich das spezifische Volumen vergrößert. Dadurch reduziert sich die Differenz zum spezifischen Volumen der Umgebungsluft, sodass sich der Sauerstoff und die Feuchtigkeit länger in einem oberen Kopfbereich halten.
Die anderen gezeichneten und nicht explizit dargestellten Ausführungsformen verfahren nach dem gleichen Prinzip. Bei der Ausführungsform mit der mobilen Einheit aus 2 kann sich die die Vorrichtung 10 tragende Person frei bewegen und trotzdem parallel eine Erhöhung des Sauerstoffgehaltes im Blut und eine Befeuchtung der Atmungsorgane erreichen. Die Zusatzversorgung kann sogar während der Flugoperation weitergeführt werden. Durch die Anordnung der Vorrichtung 10 am Körper folgt die Vorrichtung 10 quasi den Bewegungen der zu versorgenden Person.

Claims

Vorrichtung (10) für ein Flugzeug zum Zuführen eines Freistrahls (16) zu einem Gesichtsfeld (15) eines Benutzers, wobei die Vorrichtung (10) aufweist eine Leitung (11); einen eine sauerstoffhaltige Komponente enthaltenden ersten Vorratsbehälter (30), der mit der Leitung (11) koppelbar ist; eine Auslassöffnung (13); eine Transporteinrichtung (5); eine Heizeinrichtung zum Erzeugen von Wasserdampf; wobei der Leitung (11) die sauerstoffhaltige Komponente und eine wasserhaltige Komponente zuführbar ist; wobei mittels der Transporteinrichtung (5) ein Gemisch aus der sauerstoffhaltigen Komponente und der wasserhaltigen Komponente durch die Leitung (11) zu der Auslassöffnung (13) transportierbar ist, so dass das Gemisch durch die Auslassöffnung (13) in Form eines Freistrahls direkt auf das Gesichtsfeld (15) des Benutzers geströmt wird, und wobei die Vorrichtung eine Konzentrationsjustiereinrichtung zum Justieren der Konzentration der sauerstoffhaltigen Komponente und des Wasserdampfs des Freistrahls (16) aufweist, um das aus der Auslassöffnung (13) austretende Gemisch zu übersättigen.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, aufweisend einen die wasserhaltige Komponente enthaltenden zweiten Vorratsbehälter (31), der mit der Leitung (11) koppelbar ist.
Vorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei der zweite Vorratsbehälter (31) beheizbar ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Bereich zwischen der Auslassöffnung (13) und dem Gesichtsfeld (15) des Benutzers frei von Komponenten der Vorrichtung (10) ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend ein steuerbares und/oder regelbares Düsen- und/oder Schlauchelement (17) im Bereich der Auslassöffnung (13).
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, aufweisend eine Geschwindigkeitsreguliereinrichtung (32), die zum Regulieren einer Geschwindigkeit des Freistrahls (16) eingerichtet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend eine Heizeinrichtung, die zum Heizen des Freistrahls (16) im Bereich der Leitung (11) und/oder der Auslassöffnung (13) eingerichtet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die zum Anbringen an und/oder in Begrenzungen (12) einer Kabine oder eines Raums eingerichtet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, die zum mobilen Tragen am Körper des Benutzers eingerichtet ist.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit einer Richtungsjustiereinrichtung zum Justieren einer Austrittsrichtung des Freistrahls (16) aus der Auslassöffnung (13).
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, ferner aufweisend eine zusätzliche Leitung; eine zusätzliche Auslassöffnung; eine zusätzliche Transporteinrichtung; wobei der zusätzlichen Leitung eine sauerstoffhaltige Komponente und eine wasserhaltige Komponente zuführbar ist; wobei mittels der zusätzlichen Transporteinrichtung ein Gemisch aus der sauerstoffhaltigen Komponente und der wasserhaltigen Komponente durch die zusätzliche Leitung zu der zusätzlichen Auslassöffnung transportierbar ist, so dass das Gemisch durch die zusätzliche Auslassöffnung direkt auf das Gesichtsfeld eines anderen Benutzers geströmt wird.
Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, ferner aufweisend eine Absaugeinrichtung (40) zum Absaugen eines Sauerstoff-Überschusses.
Flugzeug, aufweisend eine Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Zuführen eines Freistrahls (16) zu einem Gesichtsfeld (15) eines Benutzers.
Verfahren zum Zuführen eines Freistrahls (16) zu einem Gesichtsfeld (15) eines Benutzers in einem Flugzeug, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Speichern einer sauerstoffhaltigen Komponente in einem Vorratsbehälter (30), der mit einer Leitung (11) koppelbar ist; Zuführen der sauerstoffhaltigen Komponente und einer wasserhaltigen Komponente zu der Leitung (11); Erzeugen von Wasserdampf; Transportieren eines Gemisches aus der sauerstoffhaltigen Komponente und der wasserhaltigen Komponente durch die Leitung (11) zu einer Auslassöffnung (13); direktes Strömen des Gemisches durch die Auslassöffnung (13) auf das Gesichtsfeld (15) des Benutzers, Übersättigen des aus der Auslassöffnung (13) austretenden Gemischs mittels einer Konzentrationsjustiereinrichtung.
Verfahren nach Anspruch 14, bei dem als sauerstoffhaltige Komponente Sauerstoff oder Luft verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, bei dem als wasserhaltige Komponente Wasserdampf verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei dem das aus der Auslassöffnung (13) austretende Gemisch übersättigt wird, so dass nach Austreten des Gemisches aus der Auslassöffnung (13) die wasserhaltige Komponente zumindest teilweise kondensiert.