DE102009024040B4 - Wasserfalle mit verbesserter Schutzfunktion - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Wasserfalle mit den Merkmalen von Anspruch 1.
- Derartige Wasserfallen gehen beispielsweise aus den Patenten
DE 199 01 590 C1 undDE 10 2007 046 533 B3 der Anmelderin hervor. Die Wasserfalle1 vonDE 10 2007 046 533 B3 umfasst zwei Membrane5 und6 . An der Wasserabscheidemembran5 aus einem hydrophoben Membranmaterial wie PTFE wird das im Gasstrom mittransportierte Wasser abgeschieden. Die zweite, ebenfalls wasserundurchlässige, jedoch gasdurchlässige Membran6 aus einem hydrophoben Material verhindert, dass versehentlich Wasser über den Spülgasfluss-Zweig in die angeschaltete Pneumatik der Gasmesseinrichtung2 gelangt. Ein Analysegas-Zweig führt zu Sensoren einer Gasmesseinrichtung2 . Ein Spülgasfluss15 transportiert das im Gasstrom mittransportierte Wasser in einen Wassertank20 . - Bei den bisher für Anästhesiegase in bzw. für Anästhesiegeräte verwendeten Wasserfallen für die absaugende Patientengasmessung werden zur Wasserabscheidung und -rückhaltung entweder ausschließlich gasdurchlässige und flüssigkeitsundurchlässige PTFE-(Polythetrafluorethylen)-Membranen benutzt oder neben einer PTFE-Membran zusätzlich Filterelemente, die bei Kontakt mit Wasser ihren Gasflusswiderstand deutlich erhöhen und ein Durchschlagen von Wasser verhindern sollen.
- Nachteilig bei den Wasserfallen der ersten Art ohne zusätzliches Filterelement ist, dass sich auf der Oberfläche der PTFE-Membranen im Laufe der Betriebszeit Fremdsubstanzen ansammeln, die mit dem Probengasstrom transportiert und dort abgeschieden werden. Diese Fremdsubstanzen setzten die hydrophobe Wirkung der PTFE-Membranen herab und führen schließlich zu einer Durchnässung (wetting) der PTFE-Membranen und zu einem Durchschlag von Flüssigkeiten bzw. Kondensat.
- Bei Wasserfallen der genannten zweiten Art (beispielsweise Wasserfallen der Firma Criticare) ist nachteilig, dass die zusätzlichen Filterelemente strukturbedingt bereits im trockenen Zustand einen erheblichen Druckabfall verursachen. Der für die Patientengasmessung zur Verfügung stehende Druckbereich wird dadurch deutlich einschränkt.
- Schlägt im Fehlerfall Wasser durch die Membranen und gelangt in die Filterelemente, so steigt der Druckabfall über diese Elemente auf Grund der feinporigen Struktur deutlich an. Jedoch besteht auch weiterhin die Gefahr, dass bei entsprechenden Druckbedingungen Flüssigkeiten durch diese Filterelemente hindurchgelangen, insbesondere bei Druckdifferenzen größer als 500 hPa.
- In
US 7402197 B2 wird eine Wasserfalle (gas/liquid separator 10) mit einem Tank (trap reservoir or liquid collection chamber 20) und zwei semipermeable Membranen und PTFE-Laminat beschrieben. - Weiteren Stand der Technik bilden die
US 4 924 860 A ,US 4 488 547 A ,EP 1 142 602 A2 undUS 5 012 805 A . - Es besteht deshalb Bedarf für eine in den Produkteigenschaften verbesserte Wasserfalle, die folgende Anforderungen erfüllt:
- Unter der Einwirkung des vom Mundstück des Patienten abgesaugten Probengasstromes sollen mit den verwendeten Filterelementen keine oder nur eine geringe Änderung ihrer Gasflusswiderstände erfolgen.
- Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Die Unteransprüche geben bevorzugte Aus- und Weiterbildungen der Wasserfalle nach Anspruch 1 an. - Die erfindungsgemäße Wasserfalle umfasst zwei semipermeable Membranen, ein lasergeschweißtes Zwischenteil und einen Tank.
Die beiden Membranen weisen einen Wassereindringdruck von größer 750 hPa auf. Die beiden Membranen bestehen aus gleichen oder unterschiedlichen PTFE-Laminaten. Die beiden Membranen sind mit einem Kleberrand umgeben. Die Wasserdichtigkeit ist durch den Kleberand der Membranen sichergestellt.
Das Zwischenteil umfasst zwei selbstversiegelnde Filterelemente, die im Gasstromrichtung nachgeschaltet sind, sowie zwei Anschlüsse. Die nötige Gasdichtigkeit nach außen ist durch das Zwischenteil sichergestellt, welches die Filterelemente trägt.
Mittels der Membranen und der Filterelemente ist über das Material und den Formfaktor der Gasstrom im Verhältnis 10:90 bis 25:75 auf den Spül-/Purge-Zweig parallel zu den Sensoren und den Analysegas-Zweig zu den Sensoren aufgeteilt. Die selbstversiegelte Filterelemente sind für den Analysegas-Zweig und den Spül-/Purge-Zweig. Die selbstversiegelnden Filterelemente versiegeln sich bei Kontakt mit Wasser und zeigen gleichzeitig einen Farbumschlag. - Die Filterelemente bestehen aus einem versinterten PE-Granulat mit Partikelgrößen von 300 - 400 µm mit einem Superabsorberzusatz von 10 bis 20 Gewichts%.
Die Anschlüsse weisen die Anschlussmaße für den Analyse-Port und den Purge-Port auf. - In einer Ausgestaltung wurde die Lösung der genannten Aufgabenstellung durch den Einsatz von Filterelementen aus einem Kunststoffsinterkörper erreicht, dem zusätzlich ein Superabsorber Polymer (SAP) und ein Farbstoffindikator beigefügt wurden. Dabei wurde ein (Polyethylen)PE-Granulat versintert, welches eine Partikelgröße zwischen 300 und 400 µm (XM-1213, Fa. Porex) aufweist, dem ein SAP-Granulat mit einer Partikelgröße < 300 µm (Luquasorb 1030, Fa. BTC/BASF) und einem Anteil zwischen 10% und 20%, vorzugsweise 15%, beigemischt wurde. Der SAP-Zusatz nimmt Feuchtigkeit im gasförmigen Zustand nur moderat auf und ändert damit den Gasflusswiderstand der Filterelemente maximal um einen Faktor
3 (bei Raumtemperatur und 100% Feuchte).
Die resultierenden Gasflusswiderstände bei dem verwendeten Probengasfluss von 200 ml/min steigen damit von 2 bis etwa 4 hPa im Trockenzustand auf max. 12 hPa im Betrieb bei Begasung mit feuchtem Messgas.
Trifft dagegen Wasser auf das Filterelement, so steigt der Widerstand sprunghaft an und das Filterelement versiegelt sich hermetisch, so dass auch bei einem längeren Einwirken von über 24 Stunden und einer Wassersäule größer 8 m entsprechend einem Differenzdruck von über 800 hPa kein Wasser durchschlägt und eine Beschädigung der angeschlossenen Gassensoren durch eingedrungene wasserhaltige Flüssigkeiten damit wirksam verhindert wird.
Zusätzlich wurde vorzugsweise ein wasserlöslicher Farbstoff mit einem Gewichtsanteil von 0,1% zugefügt. Dieser Farbstoff liegt in dem Filterelement fein verteilt in kleinen Farbstoffpigmenten vor, und ist, solange das Filterelement nicht nass geworden ist, unsichtbar. Erst bei Kontakt mit Wasser oder wasserhaltigen Lösungen löst sich der Farbstoff auf und färbt das Filterelement deutlich sichtbar durch. - In dem Fall, dass ein Patient mit großen inspiratorischen - exspiratorischen Atemwegsdruckdifferenzen beatmet wird (Pdiff = Paw - Ppeep) erweist es sich bei den bekannten Wasserfallen als nachteilig, dass abhängig von der Höhe des auftretenden Differenzdruckes Pdiff im Moment des Umschaltens von der Inspirations- auf die Exspirationsphase Artefakte in den Gaskonzentrationsverläufen auftreten, welche insbesondere sichtbar sind auf dem CO2-Konzentrationsverlauf, das heißt in einem Kapnogramm.
Diese Artefakte entstehen durch das im Tank mit der aufgefangenen Flüssigkeit gespeicherte Patientengas mit einer Zusammensetzung, die sich als zeitliches Mittel über mehrere Inspirations- und Exspirationsphasen ergibt. Während der Inspirationsphase, charakterisiert durch einen erhöhten Atemwegsdruck, erhöht sich der Gasdruck im Tank entsprechend. Im Moment des Übergangs auf die Exspirationsphase mit einem niedrigeren Atemwegsdruck expandiert das Gas aus dem Tank und gelangt in den Analysezweig. Dadurch kommt es kurzeitig zu einer Störung im Zeitverlauf der Messwerte für die ermittelten Gaskonzentrationen. Die Größe dieser Artefakte skalieren mit der Atemwegsdruckdifferenz und dem Tankvolumen. - Gemäß einem zusätzlichen Aspekt der Wasserfalle ist eine zusätzliche Vorkammer integriert, die zwischen Tank und Drainageöffnung der Analysemembran angebracht ist. Das Volumen dieser Kammer wurde so gewählt, dass es ca. 1/100 des Tankvolumens beträgt bei einem Vorkammervolumen von ca. 0,15 ml und einem Tankvolumen von ca. 15 ml. Treten nun die oben beschriebenen Druckausgleichsvorgänge auf, so wird wirksam verhindert, dass das Gas aus dem Tank direkt in den Analysezweig gelangt. Stattdessen gelangt im Wesentlichen nur das in der Vorkammer gespeicherte Gas in den Analysezweig. In diesem Fall werden Störungen auf die Konzentrationsverläufe verhindert, da die Gaskonzentration in der Vorkammer immer gut mit denen im Analysezweig übereinstimmt.
- Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Wasserfalle im Gegensatz zu den bisherigen Wasserfallen mit Gehäusen aus hochtransparenten Kunststoffen wie z.B. Polycarbonaten (PC) oder PMMA (Polymethylmethacrylat) besteht in der nunmehr verbesserten Ablesbarkeit des Füllstandes bei dem zumeist klarsichtigen Kondensat/ Wasser, was bisher nur schlecht möglich ist.
- Die verbesserte Ablesbarkeit wird dadurch erreicht, dass der Tank aus einem klarsichtigen Vorderteil (Polypropylen, PP) und einem dunkel, insbesondere dunkelblau eingefärbten rückwärtigen Teil vorzugsweise ebenfalls aus PP zusammengesetzt wird bzw. ist. Weiterhin wird die Innenseite des Vorderteiles mit einer Oberflächenstruktur versehen, Frostung, so dass es bei Beleuchtung des leeren Tanks von vorne, entsprechend den typischen Betriebsbedingungen, zu einer vermehrten Rückstreuung des einfallenden Lichtes und damit zu einem weißlich-hellen visuellen Eindruck kommt. Dabei kann die Strukturierung vorzugsweise in einer Frostung oder in prismenförmigen Strukturen mit einem brechenden Winkel von 45° erfolgen. Die Rückstreuung des einfallenden Lichts aufgrund der schräg zur Lichteinfallsrichtung stehenden strukturierten Kunststoffflächen durch teilweise Totalreflexion und ist abhängig von dem Brechungsindex-Sprung an der Grenzfläche Kunststoffmaterial (PP, nPP≅ 1,5) - Luft (nLuft ≅ 1). Wird der Tank nun teilweise mit Kondensat/Wasser gefüllt, so vermindert sich der Brechungsindex-Sprung an dieser Grenzfläche (nWasser = 1,33) und damit der Anteil des rückgestreuten Lichtes. Da durch den dunkel eingefärbten rückwärtigen Tankteil bzw. durch den lichtdicht ausgeführten Halter auch kein Licht direkt von hinten aus dem Tank fallen kann, zeigt sich nun die Füllhöhe über einen deutlichen hell-dunkel Kontrast zwischen dem gefüllten (dunkel) und leerem (hell) Tankteil.
- Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Wasserfalle besteht in Folgendem im Vergleich zu den bisherigen Wasserfallen:
- Wenn die bisherige Wasserfalle voll ist oder eine teilgefüllte Wasserfalle entsprechend horizontal gehalten wird, kann das im Tank gesammelte Kondensat auf die mit einer Purge-Membran verschlossene Öffnung laufen. Aufgrund von Adhäsionskräften zwischen dem verwendeten Kunststoff (PP) und dem Kondensat bzw. Wasser kommt es zur Ausbildung einer Wasserlinse vor dieser Öffnung, so dass diese Membran gasdicht verschlossen wird und durch die Gasflussrichtung im Betrieb auch verschlossen bleibt. Die Folge dieser Wasserlinse ist dann eine Verstopfung der Wasserfalle bei anfallendem Kondensat im Gasstrom, da eine Drainage des Kondensats in den Tank nicht mehr stattfindet; denn diese wird ja nur durch den Gasstrom über die Purge-Membran sichergestellt.
- Zur zusätzlichen Lösung dieses bekannten Problems bei den bisherigen Wasserfallen wird eine senkrechte Kanalstruktur unterhalb der Purge-Membran-Öffnung und einem die entsprechende Öffnung umfassenden Teil vorgesehen, der das Wasser trichterförmig in den Kanal leitet. Die Funktionsweise einer solchen Vorrichtung ist dadurch charakterisiert, dass gleichzeitig mit dem Entstehen der Wasserlinse die Kanalstruktur mit Wasser befüllt wird, etwa, wenn die Wasserfalle komplett mit Wasser gefüllt ist, und dann mit dem Entleeren der Wasserfalle das Wasser der Schwerkraft folgend in dem Kanal nach unten läuft. Dabei wird das Wasser in der Wasserlinse auf Grund der wirkenden Kohäsionskräfte ebenfalls in den Kanal gezogen und damit die Öffnung wieder frei gegeben.
- Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Wasserfalle mit Hilfe der Figuren erläutert.
- Es zeigen:
-
1 einen Schnitt durch eine Wasserfalle an einem Halter mit angeschlossenem Gasmessmodul -
2 eine Detailansicht der Wasserfalle nach1 - Die Wasserfalle
1 in1 ist lösbar an dem Halter8 befestigt. Der Halter8 ist stromabwärts mit dem Gasmessmodul11 über drei Ports, das heißt Anschlüsse verbunden, nämlich einen Analyse-Port9 , einen Purge-Port10 und einen Service-Port14 .. Das Gasmessmodul11 weist einen oder mehrere Gassensoren12 auf, um das zu analysierende Atemgas zu messen, sowie eine Pumpe13 zur Beförderung des Messgases. Die Gassensoren12 sind beispielsweise infrarotoptische Sensoren zur Konzentrationsbestimmung ausgewählter Atemgasbestandteile. Das Messgas strömt von einem nicht dargestellten Absaugort in einer Patienten-Atemgasleitung über den Messgas-Eingang4 in die Wasserfalle1 . Mittels zweier semipermeabler PTFE-Membranen2 wird der Messgas von enthaltener Feuchte getrennt, wobei die Flüssigkeit im Tank7 aufgefangen wird. - Die Wasserfalle
1 ist mit einer Vorkammer5 versehen für die Verminderung von Atemwegsdruck-induzierten Artefakten.
Eine Ablaufschneide6 mit beispielsweise 0,7 mm Breite und 12,5 mm Länge stellt sicher, dass das in den Tank7 beförderte Wasser an der Tankrückseite, in der1 rechts, abläuft, ohne die Tankfront, in der1 links, zu bespritzen. Die Tankfront bzw. Vorderseite15 des Tanks7 ist aus einem transparenten Werkstoff wie Polypropylen gefertigt. Der rückwärtige Teil16 ist dunkel eingefärbt, vorzugsweise dunkelblau, so dass durch eine strukturierte Oberfläche der Vorderseite15 eine Füllhöhen-abhängige Rückstreuung des einfallenden Lichts entsteht für eine verbesserte Füllhöhen-Ablesbarkeit. - Die Filterelemente
3 bestehen aus Kunststoffsinterkörpern, denen zusätzlich ein Superabsorber Polymer (SAP) und ein Farbstoffindikator beigefügt wurden. Dabei wurde ein (Polyethylen)PE-Granulat versintert, welches eine Partikelgröße zwischen 300 und 400 µm (XM-1213, Fa. Porex) aufweist, dem ein SAP-Granulat mit einer Partikelgröße < 300 µm (Luquasorb 1030, Fa. BTC/BASF) und einem Anteil zwischen 10% und 20%, vorzugsweise 15%, beigemischt wurde. Der SAP-Zusatz nimmt Feuchtigkeit im gasförmigen Zustand nur moderat auf und ändert damit den Gasflusswiderstand der Filterelemente3 maximal um einen Faktor3 (bei Raumtemperatur und 100% Feuchte).
Die resultierenden Gasflusswiderstände bei dem verwendeten Probengasfluss von 200 ml/min steigen damit von 2 bis etwa 4 hPa im Trockenzustand auf max. 12 hPa im Betrieb bei Begasung mit feuchtem Messgas.
Trifft dagegen Wasser auf ein Filterelement3 , so steigt der Widerstand sprunghaft an und das Filterelement3 versiegelt sich hermetisch, so dass auch bei einem längeren Einwirken von über 24 Stunden und einer Wassersäule größer 8 m entsprechend einem Differenzdruck von über 800 hPa kein Wasser durchschlägt und eine Beschädigung der angeschlossenen Gassensoren12 durch eingedrungene wasserhaltige Flüssigkeiten damit wirksam verhindert wird. Zusätzlich wird vorzugsweise ein wasserlöslicher Farbstoff mit einem Gewichtsanteil von etwa 0,1% zugefügt. Dieser Farbstoff liegt in den Filterelementen3 fein verteilt in kleinen Farbstoffpigmenten vor, und ist, solange das bzw. die Filterelemente3 nicht nass geworden sind, unsichtbar. Erst bei Kontakt mit Wasser oder wasserhaltigen Lösungen löst sich der Farbstoff auf und färbt das Filterelement3 deutlich sichtbar durch. - In
2 ist schematisch die Ausbildung einer Vorrichtung zur Entfernung einer Wasserlinse dargestellt, die sich vorzugsweise vor der Purge-Membran20 ausbildet, wobei die Vorrichtung einen Kanal22 bzw. eine Kanalstruktur aufweist sowie ein Teil, der das Wasser trichterförmig mittels einer Trichterstruktur21 in den Kanal22 leitet.
Die Purge-Membran20 ist eine der beiden Membranen2 der1 und ist dem Purge-Port10 stromaufwärts vorgeschaltet.
Ein Kontakt der Filterelemente mit Flüssigkeiten soll über einen Farbumschlag angezeigt werden, so dass es für einen Anwender einfach möglich ist, den Zustand dieser Filterelemente („nass“ - „trocken“) zu beurteilen.
Die in der Wasserfalle zusätzlich angeordneten Filterelemente dürfen keinen negativen Einfluss auf die Systemantwortzeit der angeschlossenen Gasmesssensoren verursachen, etwa durch ein Verschleifen der Messsignale bei einem abrupten Gaskonzentrationswechsel.
Die Filterelemente sollen möglichst biokompatibel sein, so dass das durch die Filterelemente hindurch geströmte Probengas anschließend wieder zum Atemkreis/Patienten zurückgeführt werden kann.
Claims (9)
- Wasserfalle mit zwei semipermeablen Membranen (2), einem lasergeschweißten Zwischenteil und mindestens einem Tank (7), wobei die Membranen (2) einen Wassereindringdruck größer 750 hPa aufweisen und aus gleichen oder unterschiedlichen PTFE-Laminaten bestehen, wobei die Membranen (2) mit einem Kleberand umgeben sind, so dass die Wasser-Dichtigkeit durch den Kleberand der Membranen (2) sichergestellt ist, wobei das Zwischenteil in Gasströmungsrichtung nachgeschaltete und selbstversiegelnde Filterelemente (3) und zwei Anschlüsse umfasst, wobei die nötige Gas-Dichtigkeit nach außen durch das Zwischenteil sichergestellt ist, das die Filterelemente (3) trägt, wobei mittels der Membranen (2) und der Filterelemente (3) über das Material und den Formfaktor der Gasstrom im Verhältnis 10:90 bis 25:75 auf den Spül-/Purge-Zweig parallel zu den Sensoren (12) und den Analysegas-Zweig zu den Sensoren (12) aufgeteilt ist, wobei die selbstversiegelnden Filterelementen (3) für den Analysegas-Zweig und den Spül-/Purge-Zweig sind, sich bei Kontakt mit Wasser versiegeln und gleichzeitig einen Farbumschlag zeigen, wobei die Filterelemente (3) aus einem versinterten PE-Granulat mit Partikelgrößen von 300 - 400 µm mit einem Superabsorberzusatz von 10 bis 20 Gewichts% bestehen und wobei die Anschlüsse die Anschlussmaße für Analyse-Port (9) und Purge-Port (10) aufweisen.
- Wasserfalle nach
Anspruch 1 , wobei die Membranen (2) von einem Elastomer-Ring umgeben sind und wobei Kunststoffgehäuseteile, die die Membranen (2) einschließen, durch einen Fügeprozess miteinander verbunden sind, vorzugsweise mittels eines Kunststoff-Laserschweißprozesses, so dass die Fügeverbindung die nötige Verpressung der die Membranen (2) umgebenden Elastomer-Ringe erzeugt mit der erforderlichen Gas- und Wasser-Dichtigkeit. - Wasserfalle nach
Anspruch 2 , wobei die Filterelemente (3) zusätzlich einen wasserlöslichen Farbstoff enthalten, insbesondere einen Lebensmittel-Farbstoff, besonders bevorzugt 0,1 Gewichts%. - Wasserfalle nach
Anspruch 2 , wobei die beiden Anschlüsse mit einem Durchmesser von 4,7 mm und einem Achsabstand von 13 mm aufweisen. - Wasserfalle nach einem der
Ansprüche 2 bis4 mit einer Vorrichtung zur Entfernung einer Wasserlinse, die sich vorzugsweise vor der Purge-Membran (20) ausbildet, wobei die Vorrichtung einen Kanal (22) aufweist sowie ein Teil, der das Wasser trichterförmig in den Kanal (22) leitet. - Wasserfalle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Vorkammer (5) stromaufwärts vom Tank (7) zur Verminderung von Atemwegsdruck-induzierten Artefakten
- Wasserfalle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Vorderseite (15) des Tanks (7) aus einem überwiegend transparenten Werkstoff, insbesondere Polypropylen (PP), und einem eingefärbten rückwärtigen Teil (16), so dass durch eine Strukturierung der Vorderseite (15) des Tanks (7) eine Füllhöhen-abhängige Rückstreuung des einfallenden Lichtes entsteht für eine vereinfachte Füllhöhen-Ablesbarkeit.
- Wasserfalle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Service-Port (14), welcher direkt mit einem in dem Gehäuse der Wasserfalle (1) integrierten gasdichten Kanal verbunden ist, der bis auf den Tankboden reicht und über den die Wasserfalle (1) mit einer Spritze mit LuerLock-Anschluss entleerbar ist.
- Wasserfalle nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Ablaufschneide (6), so dass das in den Tank (7) beförderte Wasser an der Tankrückseite abläuft, ohne die Tankfront zu bespritzen.
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