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Die
Erfindung betrifft einen Schutzanzug, wie er in der chemischen Industrie
oder bei Katastrophen-Einsätzen
getragen wird. Der Schutzanzug schirmt den Körper des Anzugträgers zusammen
mit seinem Atemschutzgerät
von der Umgebungsatmosphäre
ab, so dass zwischen am Anzugträger
und dem Schutzanzug ein von der Umgebungsatmosphäre isoliertes Luftvolumen vorhanden
ist.
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Die
physiologische Belastung für
die Träger von
Schutzanzügen
ist sehr hoch, weil die Innentemperatur und die Feuchtigkeit im
Anzug bei körperlicher
Belastung sehr schnell ansteigen. Insbesondere die hohe Luftfeuchtigkeit
hat zur Folge, dass der Mensch seine Körperwärme nicht mehr genügend abgeben
kann, denn bei hoher körperlicher
Belastung wird die Wärme überwiegend
durch Schwitzen abgegeben. Durch diesen Umstand ist der Einsatz von
Rettungskräften
mit Schutzanzügen
zeitlich sehr begrenzt und die Einsatzzeit beträgt deshalb maximal nur 10 bis
20 Minuten. Bei weiten Anwegen zum Einsatzort bleibt nur noch wenig
Zeit und Energie für den
eigentlichen Rettungseinsatz und den eigenen Rückweg.
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Der
Mensch ist durchaus in der Lage, über mehrere Stunden selbst
bei Umgebungstemperaturen von 42 Grad Celsius eine körperliche
Tätigkeit auszuführen, wenn
die Luftfeuchtigkeit relativ niedrig ist, d. h. unterhalb von 30%
relativer Feuchte liegt. Zwar erhöht sich dabei die Körpertemperatur
etwas, sie bleibt dann jedoch auf einem stabilen Niveau. Das Gleiche
gilt für
die Herzfrequenz.
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Bei
einer deutlich reduzierten Lufttemperatur von 32 Grad Celsius, aber
einer sehr hohen relativen Feuchte von 84%, steigt die Körpertemperatur
ständig
an und der Proband erschöpft
sehr schnell. Bei Personen, die einen Schutzanzug tragen, ist zu
berücksichtigen,
dass die Erschöpfung
dadurch beschleunigt wird, dass neben dem Schutzanzug auch noch
ein Atemschutzgerät
am Körper
der Person vorhanden ist.
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Aus
der
EP 1 494 760 B1 ist
ein Schutzanzug bekannt, bei dem mittels eines Gebläses Luft
von außen
zugeführt
und über
ein Überdruckventil
aus dem Schutzanzug wieder abgelassen wird. Durch die Spülung mit
Luft ergibt sich zwar eine messbare Kühlwirkung, allerdings kann
nicht verhindert werden, dass sich im Innenraum des Anzugs die Feuchtigkeit
anreichert und an dem Schutzanzugmaterial kondensiert. Das Kondensat
sammelt sich teilweise an der Kleidung, was für den Anzugträger unangenehm
ist. Außerdem
saugt das Gebläse
Umgebungsluft an, die kontaminiert sein kann und gut gefiltert werden
muss. Das Restrisiko, dass kontaminierte Luft in den Innenraum des
Schutzanzugs gelangen kann, wird von den Anwendern nicht akzeptiert.
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Zur
Kühlung
oder Temperaturregelung von Menschen wird auch die Flüssigkeitskühlung eingesetzt.
Diese findet Verwendung in Raumanzügen, aber auch bei Chemikalien-Schutzanzügen. Dieses Prinzip
ist jedoch in seiner Wirkung begrenzt, weil es auf der konduktiven
Kühlwirkung
direkt auf der Haut wirkt. Die Hauttemperatur muss so kühl gehalten werden,
dass kein Schwitzen entsteht und führt dadurch zu unphysiologischen
bzw. sehr unangenehmen, kalten Hauttemperaturen. Die eigentliche
Kühlquelle
ist außerhalb
des Anzugs angebracht. Bei einem mobilen Gerät muss die gesamte Kühlenergie mitgeführt werden,
was zu hohen Gewichten, von ca. 12–18 kg zusätzlich und entsprechend großem Bauvolumen
führt.
Mitgeführte
Wassereis-Speicher haben entsprechende Gewichte von 3,23 kg netto
für das
Eis zuzüglich
der Eigengewichtskraft des Gehäuses
bei einer angenommenen Kühlarbeit
von 1.080 Kilojoule, was einer Kühlleistung
von 800 Watt über 30
Minuten entspricht. Die Handhabung mit dem Wassereis ist aufwendig,
weil das Eis zunächst
hergestellt und schließlich
aus den Kühlbehältern herausgelöst und in
die Kühlvorrichtung eingesetzt
werden muss. Ein Schutzanzug mit einer Kühlquelle geht beispielhaft
aus der
DE 28 46 139
C2 hervor.
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Aus
der
US 3,174,300 ist
ein Schutzanzug bekannt, bei dem die Innenraumluft mittels eines
Gebläses
umgewälzt
und dabei sowohl Kohlendioxid und Feuchtigkeit entfernt werden.
Der verbrauchte Sauerstoff wird ersetzt. Eine mit einem Kältemittel gefüllte Kammer
dient zur Abscheidung von Feuchtigkeit, wobei das entstehende Kondensat
in einem Sammelbehälter
aufgefangen wird. Zwar lassen sich bei dem bekannten Schutzanzug
Temperatur und Feuchtigkeit im Innenraum gut einstellen, allerdings muss
ein Kältemittel
mitgeführt
und nach einer gewissen Einsatzzeit ersetzt werden. Die zur Verfügung stehende
Kühlenergie
ist durch das mitgeführte
Gewicht des Kältemittels
stark eingeschränkt.
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Eine
Schutzkleidung mit einem außen
getragenen Klimagerät
und einem innen getragenen Konverter geht aus der
DE 200 13 797 U1 hervor,
wobei ein Wärmetransport
zwischen dem Konverter, durch den die Innenraumluft der Schutzkleidung
zirkuliert, und dem Klimagerät
erfolgt. Das Klimagerät
enthält ein
Peltier-Element, mit dem Wärme
oder Kälte
erzeugt werden kann.
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Aus
der
US 6,189,327 B1 geht
ein Stirnband hervor, das auf der Basis eines Verdunstungskühlers arbeitet.
Zur Unterstützung
der Kühlleistung,
wird Umgebungsluft mittels eines Gebläses über die Verdunstungsfläche geleitet.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schutzanzug derart zu
verbessern, dass bei guter Klimatisierung des Innenraums das vom
Anzugträger
mitzuführende
Gewicht auf ein Mindestmaß reduziert
wird.
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Die
Lösung
der Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die
Aufgabe wird auch mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Durch
die Zirkulationsbelüftung
des Innenraums der Schutzanzughülle
mit Hilfe eines ersten Gebläses
wird der Anzugträger
forciert belüftet
und das führt
auf der Haut und auf der Kleidung des Anzugträgers zu einer besseren Verdunstung
der Feuchtigkeit und damit zu einer geringeren Steigerung der Körpertemperatur.
Dadurch verbessert sich auch das Wohlbefinden des Anzugträgers. Das
Kondensat im Innenraum wird an der Wärmetauscherfläche abgeschieden
und in einem Reservoir gesammelt. Die Außenseite der Wärmetauscherfläche ist mit
einem porösen
Material versehen und in Form eines Oberflächenverdunsters oder Verdunstungskühlers zur
Verdunstung von Flüssigkeit
ausgebildet. Das poröse Material
befindet sich in einem Strömungskanal
und ein zweites Gebläse
fördert
zur Erhöhung
der Verdunstungsleistung Umgebungsluft über die Oberfläche des
porösen
Materials. Während der
Startphase kann das poröse
Material durch mitgeführtes
Wasser benetzt werden. Hierzu ist die Zufuhr einer Kühlflüssigkeit
vorgesehen, beispielsweise durch einen mit Wasser gefüllten Behälter an
der Außenseite
des Schutzanzugs. Dieser Behälter
lässt sich
im Bedarfsfall auch einfach wieder mit Wasser oder einer anderen
Flüssigkeit
auffüllen.
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Zusätzlich kann
das poröse
Material mit dem im Innenraum aufgefangenen Kondensat benetzt werden,
so dass mit dem aufgefangenen Kondensat die Verdunstungsleistung
des Verdunstungskühler unterstützt wird.
Als poröse
Materialien eignen sich Sorptionsmaterialien, mit denen eine Verdunstung auf
großer
Oberfläche
möglich
ist, wie poröse
Textilstoffe, Baumwolle oder Sintermaterialien.
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Besonders
vorteilhaft bei dem erfindungsgemäßen Schutzanzug ist, dass,
abgesehen von dem Wasservorrat, nur ein geringer Energievorrat zum Betreiben
der beiden Gebläse
mitgeführt
werden muss. Das mitzuführende
Gewicht zur Kühlung
des Anzugträgers
kann somit auf ein Mindestmaß reduziert
werden.
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Die
Auslegung des Verdunstungskühlers lässt sich
mit thermodynamischen Formeln berechnen. Zu berücksichtigen ist, dass die zur
Verfügung stehende
Kühlfläche deutlich
kleiner ist als die Oberfläche
des Menschen, die bei einer durchschnittlichen Körpergröße 1,8 m2 beträgt. Die
Grundfläche
eines Atemschutzgerätes
auf dem Rücken
beträgt
ca. 40 × 60
cm, also etwa 0,24 m2 und sie ist damit
nur einen Bruchteil von etwa einem Siebtel so groß wie die
Oberfläche
des Menschen. Wenn die gleiche Kühlwirkung
erreicht werden soll, wie bei der Hautoberfläche, muss die Verdunstungswirkung
durch einen verstärkten
Durchsatz von Kühlluft
geschehen. Außerdem
kann die Kühlfläche durch
Parallelanordnung weiterer Kühlflächen bzw.
einer Rippengestaltung multipliziert werden. Über die Kühlfläche muss die gleiche Verdunstungsleistung
abgegeben werden, die der Träger
entwickelt, wie z. B. 530 Watt. Die spezifische Verdunstungswärme von
Wasser beträgt 2350
Kilojoule pro kg. Das ergibt eine Schweiß- bzw. Verdunstungsmenge von
mindesten 0,81 kg pro Stunde. Die reale Schweißmenge kann allerdings diesen
Wert übersteigen,
weil der Mensch in der Lage ist, mehr zu schwitzen, als er verdunsten
kann. Es ist aus der Literatur bekannt, dass der Mensch in der ersten
Stunde seines Einsatzes bis zu 3 Liter Schweiß produzieren kann.
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Wenn
man davon ausgeht, dass die Umgebungsluft eine Temperatur von 23
Grad Celsius und eine Luftfeuchtigkeit von 50% relativer Feuchte
hat, mit 9 g Wasser pro Kilogramm Luft, dann kann die Umgebungsluft
bei Sättigung
eine maximale absolute Feuchtigkeit von 18 g pro Kilogramm aufnehmen, d.
h. die Luft kann pro Kilogramm maximal 9 g Wasser aufnehmen, bis
sie vollständig
gesättigt
ist. Eine zu verdunstende Menge von 830 g pro Stunde muss mit einem
Kühlluft-Gasfluss
von 92 kg Luft pro Stunde entsprechend 71 m3 pro
Stunde, d. h. von 1.180 l pro Minute Luft, fortgetragen werden.
Das ist technisch möglich
durch den Einsatz von kleinen Lüftern. Diese
Lüfter
müssen
keinen großen
Strömungswiderstand überwinden,
da sie nur umwälzen
sollen. Ein handelsüblicher
Axiallüfter
mit einer Förderleistung
von 84 m3 pro Stunde hat eine Leistungsaufnahme
von 2,2 Watt und eine Größe von etwa
92 × 92 × 25 mm.
Das Geräusch
beträgt
32 dBA.
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Die
absolute Feuchte im Innenraum des Schutzanzuges soll möglichst
gering gehalten werden, damit die Schweißverdunstung des Trägers funktionieren
kann, denn umso höher
die Feuchtigkeit ansteigt, umso weniger kann er seinen Schweiß durch
Verdunstung abgeben. Ohne Kühlung
benetzt der Anzugträger
den ganzen Körper
mit Schweiß,
bildet Tropfen, die sich aufgrund der Schwerkraft im unteren Bereich,
vornehmlich in den Stiefeln, sammeln. Studien zeigen, dass die Lufttemperatur
im Anzug innerhalb von 30 Minuten von 20 Grad Celsius auf 30 Grad
Celsius ansteigen und bei ungekühlten
Anzügen
noch nicht im Gleichgewicht ist. Die Feuchtigkeit steigt von 40%
relativer Feuchte auf 90% relativer Feuchte, die sich jedoch bei
etwas 90% relativer Feuchte auf einen relativ stabilen Wert einstellt.
Der Anzugträger
hat seine Körpertemperatur
innerhalb dieser 30 Minuten sehr stark gesteigert und der thermische
Komfort wird mit „unkomfortabel" bis „sehr unkomfortabel" beschrieben und
der Anzugträger geht
der physischen Erschöpfung
entgegen. Aus diesem Grund muss eine Kühleinrichtung dafür sorgen, dass
die Luftfeuchtigkeit im Innenraum deutlich gesenkt wird. Würde man
die relative Luftfeuchtigkeit von 90% auf 50% senken, sinkt der
absolute Wassergehalt der Luft von 27 g auf etwa 13 g pro Kilogramm Luft.
Das heißt,
dass die Partialdruckdifferenz deutlich gesenkt wird und mehr verdunstet
werden kann.
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Der
Verdunstungskühler
muss also in der Lage sein, dem Innenraum Wasser zu entziehen. Das
geschieht erfindungsgemäß durch
poröses
Material an der Außenseite
einer Wärmetauscherfläche, mit
der die Innenwandtemperatur abgesenkt wird. An der Wärmetauscherfläche kann
die Feuchtigkeit der Innenluft kondensieren und damit die relative
Feuchte im Anzug verringert werden.
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Die
für die
Kühlung
erforderliche Leistung reduziert sich bei dem Verdunstungskühler auf
den Antrieb der beiden Gebläse.
Eine Batterie für
die beiden Gebläse
müsste
für eine
Einsatzzeit von 30 Minuten eine Kapazität von 5 Ampèrestunden haben. Handelsübliche Batterien
mit einer Nennkapazität
von etwa 7 Ampèrestunden
und einem Dauerstrom von 170 Milliampère wiegen größenordnungsmäßig etwa 50
g. Zusätzlich
zu dem Gewicht der Gebläse
und der Stromquelle wird noch der Wärmetauscher benötigt, der
ein geschätztes
Gewicht von etwa einem Kilogramm hat. Insgesamt ergibt sich ein
Zusatzgewicht von etwa 2–3
kg, was für
die Praxis akzeptabel ist.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
das Kondensat auf der Innenseite der Wärmetauscherfläche über kleine Dochte
an die Außenseite
zu transportieren und dort mit Hilfe des porösen Materials zu verdunsten.
Die Dochte können
sowohl längserstreckt
als auch über eine
Fläche
verteilt angeordnet sein, um das Kondensat über einen großen Bereich
an das poröse
Material abzugeben.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Figur gezeigt und im Folgenden näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 einen
Schutzanzug mit einem Verdunstungskühler;
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2 eine
Einzelheit des Verdunstungskühlers
nach der 1.
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1 zeigt
schematisch einen Schutzanzug 1, der einen Anzugträger 2 vollständig umgibt.
Der Schutzanzug 1 besteht aus einer Schutzanzughülle 3,
die einen Innenraum 4 umschließt mit einer Wärmetauscherfläche 5 an
der Rückseite
des Anzugs und mit aufgesteckten Handschuhen 6 an den Händen und
Stiefeln 7 an den Füßen des
Anzugträgers 2. Der
Anzugträger 2 bekommt
die Atemluft über
eine Vollmaske 8 mit einem Bedarfsventil 9, einen
Druckgasschlauch 10 und einen Druckgasbehälter 11,
der am Rücken
befestigt ist. Der aktuelle Gasdruck des Druckgasbehälters 11 wird über ein
Manometer 12 angezeigt. Das vom Anzugträger 2 ausgeatmete
Gas entweicht in den Innenraum 4 und wird über ein Überdruckventil 13 zur
Umgebung hin abgegeben.
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Im
Innenraum 4 der Schutzanzughülle 3 ist ein erstes
Gebläse 14 zur
Umwälzung
der Innenraumluft angeordnet, wobei die Innenraumluft längs der
Pfeile 15 im Kreis zirkuliert und kontinuierlich an der
Wärmetauscherfläche 5 vorbeigeführt wird.
Auskondensierte Flüssigkeit
wird an der Unterseite der Wärmetauscherfläche 5 in
einem Reservoir 16 gesammelt. Die Wärmetauscherfläche 5 ist
an der Außenseite
zur Umgebung hin mit einem porösen
Material 17 versehen, zur Verdunstung von Flüssigkeit.
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Das
poröse
Material ist in einem Strömungskanal 18 aufgenommen
und ein zweites Gebläse 19 fördert Umgebungsluft über die
Oberfläche
des porösen Material 17 längs der
Pfeile 21.
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Die
Wärmetauscherfläche 5 mit
dem im Strömungskanal 18 angeordneten
porösen
Material 17 und das zweite Gebläse 19 bilden zusammen
den Verdunstungskühler 20 des
Schutzanzugs 1.
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An
der Außenseite
der Schutzanzughülle 3 ist
ein mit Wasser 22 gefüllter
Behälter 23 angebracht,
der eine mit einem Ventil 24 abstellbare Auslassleitung 25 besitzt.
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Über die
Auslassleitung 25 kann das poröse Material 17 mit
Wasser 22 benetzt werden. Das Reservoir 16 an
der Unterseite der Wärmetauscherfläche 5 steht über einen
Flüssigkeitskanal 26 in
der Weise mit dem porösen
Material 17 in Verbindung, dass aufgefangenes Kondensat 27 von
dem porösen Material 17 aufgenommen
und verdampft wird. Bei ausreichender Kondensatbildung kann die
Kühlleistung
des Verdunstungskühlers 20 auch
alleine von der verdampften Kondensatmenge aufgebracht werden.
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2 veranschaulicht
eine alternative Ausführungsform
eines Verdunstungskühlers 30,
bei dem der Flüssigkeitskanal 26 zwischen
dem Reservoir 16 und dem porösen Material 17 mit
einzelnen Dochten 28 versehen ist. Die Dochte 28 transportieren
das Kondensat 27 vom Reservoir 16 zum porösen Material 17,
wo es verdunstet. Gegenüber
dem Verdunstungskühler 20 entsprechend
der 1 ist bei dem alternativen Verdunstungskühler 30 nach der 2 das
erste Gebläse 14 unmittelbar
an einem zweiten Strömungskanal 29 des
Verdunstungskühlers 30 angebracht.
Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern der 1 bezeichnet.
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- 1
- Schutzanzug
- 2
- Anzugträger
- 3
- Schutzanzughülle
- 4
- Innenraum
- 5
- Wärmetauscherfläche
- 6
- Handschuh
- 7
- Stiefel
- 8
- Vollmaske
- 9
- Bedarfsventil
- 10
- Druckgasschlauch
- 11
- Druckgasbehälter
- 12
- Manometer
- 13
- Überdruckventil
- 14
- erstes
Gebläse
- 15
- Pfeil
- 16
- Reservoir
- 17
- poröses Material
- 18
- erster
Strömungskanal
- 19
- zweites
Gebläse
- 20
- Verdunstungskühler
- 21
- Pfeil
- 22
- Wasser
- 23
- Behälter
- 24
- Ventil
- 25
- Auslassleitung
- 26
- Flüssigkeitskanal
- 27
- Kondensat
- 28
- Docht
- 29
- zweiter
Strömungskanal
- 30
- Verdunstungskühler