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Die Erfindung betrifft eine physiologische Kühlmethode zur Entwärmung des menschlichen Organismus' beim Tragen von Schutzbekleidung.
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Diese Bekleidung ist u. a. in vielen Bereichen der Industrie, des Katastrophenschutzes sowie der inneren und äußeren Sicherheit erforderlich.
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Im industriellen Bereich wird Schutzbekleidung beispielsweise in der chemischen Industrie (Chemikalienschutzanzug bei der Kesselreinigung), bei der Stahlproduktion (Hitzeschutzanzug während des Stahlabstichs), im Bergbau (Flammenschutzanzug der Grubenwehr) und bei der Altlastensanierung (Chemikalienschutzanzug) getragen.
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Ebenso müssen Einsatzkräfte der Feuerwehr, der Polizei u. a. zeitweise Chemikalien-, Hitze- oder ballistische Schutzbekleidung tragen. Auch im medizinischen Bereich sind bei besonderer Gefährdung (z. B. biologische Arbeitsstoffe der Risikogruppe 4) den Körper vollständig umkleidende Schutzanzüge notwendig.
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Deutsche Soldaten sind insbesondere bei Auslandseinsätzen gefährdet und tragen ballistische Schutzwesten, EOD-Anzüge, ABC-Schutzbekleidung o. ä..
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Schutzbekleidung behindert allerdings den Bewegungsablauf und hat häufig ein hohes Gewicht. Das führt bei ihren Trägern zur Einschränkung der Arbeitsfähigkeit und zur vermehrten Muskelarbeit mit erhöhter Wärmebildung. Gleichzeitig erschwert diese Bekleidung die Entwärmung insbesondere durch die reduzierte Schweißverdunstung. Diese ist jedoch beim schwer arbeitenden Menschen von hoher Bedeutung, da bis zu 75% der entwickelten Wärme durch die Nutzung der Verdunstungskälte abgeführt werden könnte.
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Durch die eingeschränkte Entwärmung kommt es nicht nur zu Leistungseinbußen, sondern vor allem beim Tragen von vollkommen isolierender Schutzbekleidung müssen die Einsatzzeiten zur Prävention von Hitzeerkrankungen drastisch reduziert werden: Im zivilen Bereich erlauben die Berufsgenossenschaftliche Regeln (BGR 189 und BGR 190) nur Tragezeiten von maximal 30 min. Auch in der Bundeswehr ist es derzeit nicht möglich, im heißen Klima mit der ABC-Schutzbekleidung (Zodiak) einen Auftrag, der über 30 min hinausgeht, ohne Gefährdung der Gesundheit auszuführen.
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Abhilfe ist nur durch Kühlung der Träger von Schutzbekleidung möglich. Leider existiert weder im zivilen noch im militärischen Bereich eine umfassend geeignete Körperkühleinrichtung. Die gebräuchlichsten Verfahren lassen sich zwei Gruppen zuordnen:
Bei der ”aktiven” Ventilation wird zumeist mit einem tragbaren Gebläse Umgebungsluft in einen Schutzanzug gepresst.
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Die zweite Gruppe bilden Kühlwesten und Kühlmittel durchströmte Unterziehbekleidungen: Die Westen werden vor einem Einsatz gekühlt und unter der Schutzbekleidung getragen. Die Kühlmittel durchströmte Unterziehbekleidung wird über ein transportables System mit einem konditionierten Kühlmedium versorgt.
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Aus der Patentschrift
DE 195 47 795 C2 ist ein Spezialanzug, insbesondere für Piloten bzw. Fahrer von Fahrzeugen bzw. sonstige körperlich zu schützende Personen bekannt. Der Anzug besitzt eine äußere Schutzschicht, die gegen unerwünschte Einwirkungen schützt, eine feuchtigkeits- und/oder dampfdurchlässige Innenschicht und eine Abstand haltende, Fluid durchlässige Distanzlage, die zwischen der äußeren Schutzschicht und der Innenschicht angeordnet und unter Einführung eines Fluids klimatisierbar ist. Die Distanzlage ist eine elastische Struktur, die durch ein flexibles und druckfest Abstand haltendes Gewirke und/oder Gewebe gebildet ist, wobei das Gewirke und/oder Gewebe miteinander vernetzte Garne aus Kunststoff enthält. Die Schutzschicht, die Innenschicht und die Distanzlage decken im Wesentlichen den Spezialanzugbereich des Rumpfes und/oder der Beine und/oder der Arme ab.
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Weiterhin existiert nach der europäischen Patentschrift
EP 0 460 136 B1 ein Schutzanzugsystem für Piloten von Luft- bzw. Raumfahrzeugen oder für Fahrer von Bodenfahrzeugen, die insbesondere hohen Beschleunigungen ausgesetzt sind. Das System enthält zwischen dem Körper der Trägerperson und der Schutzanzugshülle einen Zwischenraum, der in mindestens zwei voneinander getrennte Bereiche mit voneinander getrennten Kammern unterteilt ist. Die Kammern sind unabhängig voneinander über Zuleitungen an eine Einrichtung zur Lieferung eines gasförmigen Mediums anschließbar. In die Zuleitungen sind getrennte und unabhängig voneinander arbeitende Regler eingesetzt. Zur wahlweisen Durchströmung der Bereiche des Schutzanzuges sind Zu- und Rückleitungen über die Regler zur Druckbeaufschlagung bzw. Durchströmung der Kammern vorgesehen.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 37 21 736 A1 ist eine Bergbaukühljacke für den Abbau von Mineralien in tiefen Gruben, insbesondere auch für den Steinkohleabbau in großen Teufen, bekannt. Die Kühljacke ist doppelwandig ausgeführt, wobei in den so geschaffenen Hohlräumen ein Innenfutter eingearbeitet ist. Die innere Wandung ist in Richtung Hohlraum diffundierbar ausgebildet, wodurch die vom Körper ausgehende Feuchtigkeit vom Innenfutter aufgenommen und von dem durchströmenden Gas bzw. insbesondere der Luft aufgenommen und ausgetragen werden kann. Insgesamt ergibt sich so eine über die gesamte Fläche gleichmäßige Kühlwirkung, die vorteilhaft dadurch unterstützt wird, dass die Feuchtigkeit von der Körperoberfläche frühzeitig abgenommen wird.
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Der Nachteil der „aktiven” Ventilation besteht darin, dass die Belüftungsraten zu gering (<< 200 l/min) sind, um eine nennenswerte Schweißverdunstung zu erreichen. Gleichzeitig wird die Luft im Anzug auch noch unzureichend verteilt, da keine auf die Physiologie und Anatomie des Organismus' abgestimmten Verteilungssysteme o. ä. angeboten werden. Darüber hinaus besteht der grundsätzliche Nachteil, dass es in einem Umgebungsklima mit hohen Temperaturen und Luftfeuchten sogar zur zusätzlichen Wärmebelastung des Organismus durch die Aufnahme feucht-heißer Luft kommt. Eine nennenswerte Entwärmung des Organismus findet durch diese Methode nicht statt.
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Kühlwesten und Kühlmittel durchströmte Unterziehbekleidung weisen hingegen einen gemeinsamen grundsätzlichen Nachteil auf: Sie unterstützen nicht die wichtige Schweißverdunstung, sondern kühlen die Haut und führen durch Konduktion (Leitung) Wärme ab. Es ist naheliegend, dass diese Kühlungsmethode beim Unterschreiten des thermischen Komfortbereichs eine periphere Vasokonstriktion (Zusammenziehen der Blutgefäße) auslöst, die den Blutfluss verringert. Dadurch wird der Wärmetransport mit dem Blutkreislauf und schließlich eine effektive Entwärmung sogar behindert.
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Auch die durch Patentschriften bzw. durch eine Offenlegungsschrift bekannten Methoden unterstützen nicht effektiv die Thermoregulation des menschlichen Organismus', da sie ebenfalls grundlegende physiologische und anatomische Prinzipien (Entwärmungsmechanismen, Gefäßregulation, Regionalisierung der Schweißdrüsenverteilung etc.) nicht ausreichend berücksichtigen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine effektive Entwärmung des Körpers durch Unterstützung der natürlichen Thermoregulation des Organismus (Schweißverdunstung) zu gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs einer erfindungsgemäßen Luftkoordinierungsanlage gelöst.
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Das tragende Prinzip der vorliegenden Erfindung ist es, durch eine neue Methode die Mechanismen der natürlichen Thermoregulation zur effektiven Entwärmung des menschlichen Organismus' zu unterstützen.
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Der Vorteil der neuen Methode besteht insbesondere darin, dass sie im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik die physiologischen und anatomischen Prinzipien des menschlichen Organismus' mit den physikalischen Regeln eines Körperkühlsystems in Einklang bringt. Neben der Konvektion wird vor allem der effektivste natürliche Entwärmungsweg des arbeitenden Menschen, die Schweißverdunstung (d. h. die evaporative Entwärmung), durch trockene Luft unterstützt. Daher ist es der erfindungsgemäße Anspruch der Methode, die Menge und die physikalischen Eigenschaften dieser Luft (rel. Feuchte und Temperatur) erstmals in Abhängigkeit von der Physiologie des Menschen festzulegen:
- – Verwendung von trockener Luft zur effektiven Schweißverdunstung
- – Anpassung der Luftmengen an die zu verdunstenden Schweißmengen unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen Wasserdampfaufnahmekapazität
- – Auswahl einer geeigneten Lufttemperatur (keine Auslösung einer peripheren Vasokonstriktion und auch keine Erzeugung einer zusätzlichen Wärmebelastung)
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Die Realisierung dieser Prinzipien ist der Vorteil der erfindungsgemäßen Luftkonditionierungsanlage. Sie bietet die Möglichkeit, den gesamten Körper eines Schutzbekleidung tragenden Menschen mit einer ausreichenden Menge konditionierter Luft zu umspülen. Diese Luft wird durch die Luftkonditionierungsanlage erzeugt. Durch das Prinzip der Entspannung komprimierter Luft wird Umgebungsluft getrocknet und anschließend durch Heizung/Kühlung auf eine vorgegebene Temperatur eingestellt.
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Die Wasserdampfaufnahmefähigkeit der Luft ist bekanntermaßen von ihrer Temperatur abhängig: Beispielsweise wären bei einer Temperatur der konditionierten Luft von 26°C im Idealfalle für die Verdunstung von 500 g Schweiß eines Schutzanzugträgers eine Belüftungsrate von 335 l/min bei einer einstündigen Exposition ausreichend. Da ideale Bedingungen nicht realisierbar sind, ist eine Belüftungsrate in der Größenordnung von mindestens 600 l/min notwendig. Sie bietet ausreichende Reserven, um auch bei größerer oder ungleichmäßiger Schweißbildung die Verdunstung zu sichern. Darüber hinaus fördert die hohe Belüftungsrate auch den „trockenen Wärmefluss” durch Konvektion, sofern ein ausreichender Temperaturgradient zur mittleren Hauttemperatur besteht. Dieser Effekt ist durchaus erwünscht, da er ebenfalls die physiologische Entwärmung unterstützt.
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Thermophysiologischen Untersuchungen haben ergeben, dass sich Belüftungstemperaturen in einem Temperaturbereich von 20 bis 26°C zur Entwärmung der Träger von Schutzbekleidung eignen. Weitergehend kann postuliert werden, dass auch Belüftungstemperaturen bis zu 33 bzw. 34°C zur Entwärmung beitragen. Diese Temperatur entspricht der mittleren, gewichteten Hauttemperatur eines Menschen, der sich im thermischen Komfortbereich befindet. Dementsprechend kann bei der praktischen Anwendung der Methode bei moderaten oder wärmeren Klimaten die Kühlung der trockenen Luft entfallen.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in Patentanspruch 2 beschrieben. Durch die Positionierung des Sensors Heizung zwischen Volumenmessstrecke und Kühlung wird die Regelgröße Lufttemperatur erst nach dem Passieren eines großen Teils der Luftkonditionierungsanlage bestimmt und so viele fehlerbehaftete Einflüsse kompensiert. Darüber hinaus strömt die mit einem Mengenregler vorgewählte Luftmenge durch Ansteuerung eines Magnetventils in die Anlage. Die Kontrolle der Temperatur, des Volumenstroms und Druckes erfolgt erfindungsgemäß kompakt mit einer einzigen Auswerteeinheit.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ist in Patentanspruch 6 beschrieben. Die Anlage enthält nach der primären Heizung eine Gegenkühlung zur Kompensation der Regelschwankungen der Heizung. Durch die Positionierung des Sensors Kühlung am Übergabepunkt zum Träger des Unterziehanzugs und der Schutzbekleidung wird die Lufttemperatur erst nach der Passage der kompletten Luftkonditionierungsanlage incl. der externen Schlauchführung als Regelgröße erfasst und so eine genaue Temperaturführung erreicht.
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Darüber hinaus ist in Patentanspruch 7 beschrieben, dass durch vorzuschaltende Filter die Luftkonditionierungsanlage auch in kontaminierter Atmosphäre konditionierte Luft zur Versorgung eines Schutzanzugträgers bereitstellen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kompressor
- 2
- Druckminderer
- 3
- Magnetventil
- 4
- Schalldämpfer
- 5
- Heizung
- 6
- Volumenmessstrecke
- 7
- Sensor Heizung
- 8
- Kühlung
- 9
- Sensor Kühlung
- 10
- Regeleinheit Kühlung
- 11
- Regeleinheit Heizung
- 12
- Auswerteinheit (Messwertanzeige der Volumenmessstrecke)
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Es zeigt die einzige 1 einen schematischen Aufbau der Luftkonditionierungsanlage.
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Es zeigt 1 einen Kompressor 1, an den sich ein Druckminderer 2, ein Magnetventil 3 zur Steuerung des Volumenstroms und ein Schalldämpfer 4 zur Reduzierung der Expansionsgeräusche der Luft anschließen. In der folgenden Heizung 5 wird die Luft je nach Bedarf erwärmt und in die Volumenmessstrecke 6 weitergeleitet. In der Volumenmessstrecke 6 werden sowohl der Volumenstrom als auch der Luftdruck ermittelt und elektronisch in der Auswerteeinheit 12 dargestellt und aufgezeichnet. Nach der Volumenmessstrecke 6 und vor der Kühlung 8 ist der Sensor Heizung 7 angebracht. Der Sensor Heizung 7 ist verbunden mit der Regeleinheit Heizung 11. In die Regeleinheit Heizung 11 ist sicherheitstechnisch die Steuerung des Magnetventils 3 integriert.
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Die Luft passiert anschließend die Kühlung 8, in der die Hysterese der aufgeheizten Luft durch Gegenkühlung minimiert wird.
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Zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen Luftkonditionierungsanlage wird folgender Funktionsablauf beschrieben:
Die Druckluft eines Kompressors wird mit einem Druckminderer auf das benötigte Volumen voreingestellt. Die Steuerung der bereitgestellten Luftmenge erfolgt über ein Magnetventil. Nach dem Passieren des Expansionsschalldämpfers und der Heizung erreicht die Luftmenge die Volumenmessstrecke. Anschließend durchströmt die Luft die Kühlung zur Kompensation der Regelhysterese der Heizung durch Gegenkühlung.
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Die Anlagensteuerung umfasst die Steuerung des Magnetventils zur Luftzufuhr und die beiden Regelkreise für die Heizung sowie für die Kühlung. Der Heizkreisregler mit seinem Sensor Heizung regelt die Temperatur der Heizung. Die Regelung der Kühlung erfolgt über den Umlaufkühler mit dem Kühlungsregler und seinem Sensor Kühlung.
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Messtechnisch wird die Anlage mit einem handelsüblichen Messgerätesystem auf einem PC (Auswerteeinheit) überwacht. Die Betriebsdaten wie die Strömungsgeschwindigkeit, der Luftdruck, der Differenzdruck in der Volumenmessstrecke und das daraus berechnete Volumen werden mit dieser Auswerteeinheit angezeigt und aufgezeichnet. Die physikalischen Betriebsdaten werden durch die vorgewählten Parameter (Sollwerte) der beiden Regeleinheiten Heizen und Kühlen ergänzt.
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Die Messtechnik ist zentral an der Volumenmessstrecke angeordnet. Die hier erfassten Strömungs- und Druckmessdaten liefern zusammen mit dem Sollwert der Regeleinheit Heizen einen räumlich zusammenhängenden Messdatensatz zur Berechnung des Volumendurchsatzes in der Volumenmessstrecke.
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Folgende Qualitätsmerkmale der Anlage gewährleisten die Eigenschaften der konditionierten Luft: Die präzise Volumenmessung erfolgt durch ein ”zwangsdurchströmtes Flügelradanemometer” in der Volumenmessstrecke. Zur Kompensation der auftretenden Regelhysterese der Heizung ist eine Kühlung nachgeschaltet. Sie besteht aus einem Lamellenkühler, der von einem Umlaufkühler gespeist wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19547795 C2 [0010]
- EP 0460136 B1 [0011]
- DE 3721736 A1 [0012]
