DE102008019513B3 - Schutzanzug mit Verdunstungskühler - Google Patents

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Abstract

Ein Schutzanzug soll derart verbessert werden, dass bei guter Klimatisierung des Innenraums das vom Anzugträger mitzuführende Gewicht auf ein Mindestmaß reduziert wird. Zur Lösung der Aufgabe ist an der Schutzanzughülle (3) eine Wärmetauscherfläche (5) vorgesehen, die zur Außenseite hin mit einem porösen Material (17) zur Verdunstung von Flüssigkeit versehen ist.

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Die Aufgabe wird auch mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur gezeigt und im Folgenden näher erläutert.
  • Es zeigen:
  • 1 einen Schutzanzug mit einem Verdunstungskühler;
  • 2 eine Einzelheit des Verdunstungskühlers nach der 1.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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

Claims (4)

  1. Schutzanzug mit einer Schutzanzughülle (3), die einen Innenraum (4) umschließt, einem ersten Gebläse (14), welches die Luft im Innenraum (4) umwälzt, einer Wärmetauscherfläche (5) an der Schutzanzughülle (3) zur Auskondensation von Feuchtigkeit, einem porösen Material (17) zur Verdunstung einer Flüssigkeit an der Außenseite der Schutzanzughülle (3), welches an der Wärmetauscherfläche (5) anliegt, einem das poröse Material (17) umschließenden ersten Strömungskanal (18) mit einem zweiten Gebläse (19) zur Förderung von Umgebungsluft über die Oberfläche des porösen Materials (17), einer Zuführung für Kühlflüssigkeit (22) zur Benetzung des porösen Materials (17), welche ein an der Außenseite des Schutzanzugs (1) angebrachter Wasserbehälter (23) ist.
  2. Schutzanzug mit einer Schutzanzughülle (3), die einen Innenraum (4) umschließt, einem ersten Gebläse (14), welches die Luft im Innenraum (4) umwälzt, einer Wärmetauscherfläche (5) an der Schutzanzughülle (3) zur Aus kondensation von Feuchtigkeit, einem porösen Material (17) zur Verdunstung einer Flüssigkeit an der Außenseite der Schutzanzughülle (3), welches an der Wärmetauscherfläche (5) anliegt, einem das poröse Material (17) umschließenden ersten Strömungskanal (18) mit einem zweiten Gebläse (19) zur Förderung von Umgebungsluft über die Oberfläche des porösen Materials (17), einer Zuführung für Kühlflüssigkeit (22) zur Benetzung des porösen Materials (17), welche ein das Kondensat (27) der Wärmetauscherfläche (5) aufnehmendes, in Strömungsverbindung mit dem porösen Material (17) stehendes Reservoir (16) ist.
  3. Schutzanzug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das poröse Material (17) aus einem textilen Vlies, Baumwolle oder Sintermaterial besteht.
  4. Schutzanzug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Reservoir (16) über einen Docht (28) mit dem porösen Material (17) verbunden ist.
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