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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Patrone nach Anspruch 1 und ein diese enthaltendes Atemschutzgerät nach Anspruch 18.
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Beschreibung
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Ein Atemschutzgerät mit geschlossenem Kreislauf (Closed Circuit Breathing Apparatus, CCBA) ermöglicht es dem Benutzer, bis zu 4 Stunden in gefährlichen Bereichen zu arbeiten. Das CCBA verwendet eine Sauerstoffquelle, die entweder aus einer Hochdruck-Sauerstoffflasche oder chemisch erzeugtem Sauerstoff besteht.
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In einem Atemschutzgerät des letzteren Typs wird die Ausatemluft des Benutzers über eine in einem Behälter oder einer chemischen Patrone befindliche Chemikalie, z. B. Kaliumhyperoxid (KO2), die in granulärer Form vorliegt, geleitet. Feuchtigkeit und Kohlendioxid, die in der Ausatemluft vorhanden sind, reagieren mit dem Kaliumhyperoxid und Sauerstoff wird in einer exothermen Reaktion gemäß den folgenden Gleichungen gebildet:
4 KO2 + 2 H2O -> 4 KOH + 3 O2 (I)
4 KO2 + 4 CO2 + 2 H2O -> 4 KHCO3 + 3 O2 (II)
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Der erzeugte Sauerstoff wird anschließend aus der chemischen Patrone in einen Atembeutel geleitet und dann vom Benutzer eingeatmet.
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Das ausgeatmete CO2 kann zumindest zum Teil von dem KO2 absorbiert werden (siehe vorstehende Gleichung II) oder kann durch ein zusätzliches CO2-Absorptionsmittel, wie Natronkalk im Fall von Hochdruck-Sauerstoff, absorbiert werden.
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Zur Überwachung, Warnung oder zur Unterstützung wichtiger Funktionen benötigen alle CCBA zusätzliche elektrische Energie. Bei derzeitigen Anwendungen wird die elektrische Energie durch Batterien oder Akkumulatoren bereitgestellt.
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Der zunehmende Bedarf an elektrischer Energie (zum Beispiel aufgrund zusätzlicher oder komplizierterer Überwachungsausrüstung) erfordert jedoch mehr elektrische Leistung. In der Vergangenheit wurden verschiedene Ansätze zur Bereitstellung von zusätzlicher elektrischer Energie vorgeschlagen, wie Verwendung thermischer Effekte, piezoelektrischer Effekte zur Erzeugung von Energie oder das Hinzufügen von mehr Batterien. Diese sämtlichen Vorschläge erfordern zusätzliche Teile und sie erhöhen das Gesamtgewicht, das vom Benutzer getragen werden muss.
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Somit besteht ein Bedarf an einer Begrenzung oder Verringerung des Gewichts von Batterien oder Akkumulatoren, die vom Benutzer eines CCBA getragen werden müssen.
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Die vorliegende Erfindung stellt eine Vorrichtung, insbesondere eine Patrone, für ein solches Atemschutzgerät bereit, die elektrische Energie erzeugen und das Gewicht der erforderlichen Batterien oder Akkumulatoren verringern und dadurch das Gesamtgewicht des CCBA erheblich reduzieren kann.
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Diese Erfindung betrifft eine Patrone für ein Atemschutzgerät nach Anspruch 1 und ein Atemschutzgerät, das eine solche Patrone umfasst, nach Anspruch 18.
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Allgemein gesagt, wird eine chemische Patrone für ein Atemschutzgerät, insbesondere ein Sauerstoff erzeugendes Atemschutzgerät, bereitgestellt, die einen äußeren Behälter und einen inneren Behälter mit einem Innenraum umfasst.
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Der Innenraum des inneren Behälters umfasst weiterhin mindestens ein Alkalihyperoxid oder Erdalkalihyperoxid, das in Anwesenheit von Feuchtigkeit als Elektrolyt wirken kann, und mindestens ein erstes metallisches Material. Mindestens ein zweites metallisches Material wird zwischen dem inneren Behälter und dem äußeren Behälter bereitgestellt oder ist gegebenenfalls zumindest zum Teil in die Wand des äußeren Behälters integriert.
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Zusätzlich ist ein ionenpermeables Material zwischen dem ersten metallischen Material im inneren Behälter und dem zweiten metallischen Material angeordnet.
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So wird eine chemische Patrone für ein Atemschutzgerät mit mehreren Funktionen, nämlich elektrochemische Zelle, Sauerstofferzeugung und CO2-Absorption, bereitgestellt. Die erfindungsgemäße chemische Patrone ermöglicht die Erzeugung von elektrischer Energie, wenn feuchte Ausatemluft mit dem in der Patrone vorhandenen Hyperoxid in Kontakt kommt. Die Reaktion des Hyperoxids mit Wasser erzeugt eine alkalische Elektrolytlösung (siehe zum Beispiel die vorstehende Gleichung I), die mit beiden metallischen Materialien in Kontakt steht. Der alkalische Elektrolyt liefert einen Stromkreis zwischen dem ersten und dem zweiten metallischen Material (mit unterschiedlichen Standard-Potenzialen), wodurch elektrische Energie erzeugt wird. Die vorliegende chemische Patrone liefert somit elektrische Energie nach Bedarf (d. h. nur wenn das Atemschutzgerät und die Patrone verwendet werden) ohne irgendeinen Verlust von möglicher Leistung während der Aufbewahrung. Zusätzliche Batterien zur Stromversorgung sind nicht erforderlich, wodurch das Gewicht eines Atemschutzgerätes verringert und gleichzeitig die Leistung verbessert wird.
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In einer Ausführungsform wird das mindestens eine Alkalihyperoxid aus einer Gruppe ausgewählt, die Natriumhyperoxid, Kaliumhyperoxid und Lithiumhyperoxid umfasst, wobei Kaliumhyperoxid bevorzugt wird.
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Das Erdalkalihyperoxid kann aus einer Gruppe ausgewählt werden, die Magnesiumhyperoxid, Calciumhyperoxid, Strontiumhyperoxid und Bariumhyperoxid umfasst.
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Das Hyperoxid wird üblicherweise im Innenraum der Patrone, vorzugsweise im inneren Behälter der Patrone, als granuläre feste Verbindung bereitgestellt. Wenn das Hyperoxid, wie Kaliumhyperoxid, mit Wasser, wie es in der Ausatemluft vorhanden ist, in Kontakt gebracht wird, bildet sich eine alkalische Lösung, die als Elektrolyt wirkt. Im vorliegenden Fall ist die Feuchtigkeit (der Wassergehalt) in der Ausatemluft ausreichend, dass eine alkalische Elektrolytlösung bereitgestellt wird.
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In einer Ausführungsform wird die Hyperoxidverbindung im inneren Behälter innerhalb der Patrone bereitgestellt, wobei der innere Behälter eine poröse, ionenpermeable Behälterwand, zum Beispiel in Form einer permeablen Membran oder porösen Metallwand, aufweist.
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In einer Variante der vorliegenden Patrone wird mindestens eine Haltestruktur im Inneren des inneren Behälters zum Halten und Aufbewahren des mindestens einem Alkalihyperoxids oder Erdalkalihyperoxids und zum Vermeiden oder Verhindern irgendeiner Agglomeration der Hyperoxidverbindung bereitgestellt. Die Haltestruktur kann ein poröses Material, wie Drahtgeflecht, insbesondere ein Metalldrahtgeflecht, oder eine Lochplatte (zum Beispiel mit einer Lochgröße von etwa 3 mm) sein. In diesem Fall kann das Metalldrahtgeflecht auch als das erste metallische Material dienen, wie nachstehend detaillierter erläutert wird.
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Die Haltestruktur kann derart bereitgestellt werden, dass der Innenraum des inneren Behälters in mehrere Abschnitte oder Unterbereiche unterteilt wird. Die Abschnitte können die gleiche Größe oder unterschiedliche Größen besitzen. Darüber können hinaus die Abschnitte vertikal (in Strömungsrichtung des eingeatmeten Gases durch die Patrone) angeordnet sein oder in einer Raster- oder Gitterform angeordnet sein.
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Damit ein elektrischer Strom oder eine elektrische Spannung erzeugt wird, umfassen das mindestens eine erste metallische Material und das mindestens eine zweite metallische Material unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Standard-Potenzialen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden das mindestens eine erste metallische Material und das mindestens eine zweite metallische Material so gewählt, dass die Differenz im Standard-Potenzial zwischen beiden Materialien eine Mindest-Spannung von mindestens 100 mV, vorzugsweise mindestens 200 mV, stärker bevorzugt mindestens 400 mV liefert.
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Das im Innenraum des inneren Behälters bereitgestellte erste metallische Material kann aus einem ersten Metall oder Metalloxid bestehen, das ein niedrigeres Standard-Potenzial als das zweite metallische Material oder Metalloxid besitzt. Es ist auch möglich, dass das erste metallische Material ein höheres Standard-Potenzial als das zweite metallische Material besitzt. Es sollte selbstverständlich sein, dass jede beliebige geeignete Kombination irgendeines geeigneten Metalls oder Metalloxids als das erste und das zweite metallische Material verwendet werden kann, solange ein ausreichender Unterschied im Standard Potenzial besteht.
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So kann in einer Variante der vorliegenden Patrone das erste metallische Material aus einem ersten Metall, wie Aluminium, Zink, Mangan, bestehen und das zweite metallische Material kann aus einem zweiten Metall, wie Eisen, Blei, Kupfer, Silber, Hopcalit, bestehen oder umgekehrt.
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Wie vorstehend erwähnt, kann das erste metallische Material in Form eines Metalldrahtgeflechts bereitgestellt werden. Das erste metallische Material kann auch in Form eines Stabs, einer Platte oder in einer beliebigen anderen geeigneten Form bereitgestellt werden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird das mindestens eine erste metallische Material in Form von Metallpartikeln, die in dem Alkalihyperoxid oder Erdalkalihyperoxid dispergiert sind, bereitgestellt. Zum Beispiel können Zink-Partikel in dem Hyperoxid dispergiert sein.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine erste metallische Material mit mindestens einer ersten Elektrode verbunden. Die erste Elektrode kann aus einem beliebigen geeigneten leitenden Material, wie Metall, leitendem Polymer usw., hergestellt sein. Wenn das erste metallische Material in Form von Partikeln in dem Alkalihyperoxid dispergiert ist, wird die erste Elektrode innerhalb der Dispersion bereitgestellt.
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Wie vorstehend erwähnt, kann das mindestens eine zweite metallische Material als eine getrennte Einheit zwischen dem inneren und dem äußeren Behälter bereitgestellt werden.
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Dies kann auf verschiedenerlei Weisen durchgeführt werden. In einer ersten Ausführungsform wird das mindestens eine zweite metallische Material als Stab oder Platte in dem Raum zwischen der Wand des inneren Behälters und der Wand des äußeren Behälters ohne irgendeinen Kontakt zu einer der Behälterwände bereitgestellt.
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Es ist ebenfalls denkbar, dass das zweite metallische Material in Form von Metallpartikeln bereitgestellt wird, die zwischen dem inneren und dem äußeren Behälter platziert werden. Dies kann derart erfolgen, dass die metallischen Partikel in einem abgeschlossenen Raum zwischen der ionenpermeablen Membran und dem äußeren Behälter angeordnet werden. Die Wände des abgeschlossenen Raums werden aus einem porösen Material, zum Beispiel in Form einer Lochplatte, hergestellt. Das zweite metallische Material kann auch als Partikel in einer geeigneten Trägerverbindung oder in einer zusätzlichen CO2-absorbierenden Verbindung dispergiert werden.
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In einer Ausführungsform kann das mindestens eine zweite metallische Material an der inneren Oberfläche der Wand des äußeren Behälters, wie direkt auf der inneren Oberfläche oder innerhalb eines festgelegten Abstands von der inneren Oberfläche der Wand des äußeren Behälters, platziert oder befestigt werden. In diesem Fall kann das mindestens eine zweite metallische Material vorzugsweise als Platte geformt sein, die mit der Wand des äußeren Behälters in Kontakt steht.
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Wie vorstehend erwähnt, kann das mindestens eine zweite metallische Material zumindest zum Teil in den äußeren Behälter (die Wand des äußeren Behälters) integriert werden. In einer Ausführungsform wird das zweite metallische Material in die Wand des äußeren Behälters innerhalb eines vorbestimmten Teils oder Abschnitts der Wand integriert. In diesem Fall besteht der restliche Teil der Behälterwand aus einem anderen Material, das nicht leitend ist.
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Das mindestens eine zweite metallische Material ist mit mindestens einer zweiten Elektrode elektrisch verbunden. Wie im Fall der ersten Elektrode, kann die zweite Elektrode aus einem beliebigen geeigneten leitenden Material, wie Metall oder einem leitenden Polymer, hergestellt werden.
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In einer Ausführungsform dient die komplette Wand des äußeren Behälters als die zweite Elektrode. In diesem Fall ist der komplette äußere Behälter aus dem Material der zweiten Elektrode hergestellt.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Patrone ist das ionenpermeable Material, das zwischen innerem und äußerem Behälter angeordnet ist und die erste und die zweite Elektrode voneinander trennt, ein nichtleitendes Material, wie ein Glasvlies, Kunststoffvlies oder -membran. Das Trennmaterial kann für Flüssigkeit durchlässig sein und umfasst die äußere Oberfläche des inneren Behälters oder deckt diese zum Teil oder vollständig ab.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Patrone wird mindestens eine CO2-absorbierende Verbindung zwischen innerem Behälter und äußerem Behälter bereitgestellt. Die CO2-absorbierende Verbindung kann Hopcalit (ein Gemisch aus Manganoxid und Kupferoxid), Calciumhydroxid, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid, Bariumhydroxid oder Gemische davon (auch als Natronkalk bekannt) sein. Ein Alkali- oder Erdalkalihyperoxid, wie Kaliumhyperoxid, kann ebenfalls als CO2-Absorptionsmittel dienen.
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Die CO2-absorbierende Verbindung kann innerhalb des inneren Behälters (zum Beispiel im Fall von Kaliumhyperoxid) angeordnet sein oder kann in dem Raum zwischen dem inneren und dem äußeren Behälter angeordnet sein.
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In der letzteren Ausführungsform kann die CO2-absorbierende Verbindung als Schicht auf dem ionenpermeablen Material (oder der ionenpermeablen Membran oder Schicht) angeordnet sein oder, dass die CO2-absorbierende Verbindung innerhalb dieses Raums dispergiert ist. Dies kann zum Beispiel so erfolgen, dass ein abgeschlossener Raum zwischen der ionenpermeablen Schicht und der Wand des äußeren Behälters bereitgestellt wird, der mit dem CO2-absorbierenden Material gefüllt ist. Die Wände des abgeschlossenen Raums werden aus einem porösen Material, zum Beispiel in Form einer Lochplatte, hergestellt. Dies ermöglicht eine Diffusion von CO2 aus dem Innenraum des inneren Behälters durch dessen ionenpermeable Wand und das ionenpermeable Vlies durch die Lochplatte in den mit CO2-Absorptionsmittel gefüllten Raum.
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Das CO2-absorbierende Material kann auch an einem Geflechtmaterial oder Vliesmaterial befestigt werden, das anschließend auf dem ionenpermeablen Vlies oder Material angeordnet wird.
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In noch einer weiteren Ausführungsform umfasst die vorliegende Patrone mindestens einen Einlass für Luft, insbesondere Ausatemluft, die CO2 und Wasser oder Feuchtigkeit umfasst, sowie mindestens einen Auslass für in der Patrone erzeugten Sauerstoff. Die Patrone ist mit einem Atemschlauch und einem Atembeutel verbunden.
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Die vorliegende Patrone wird in einem Atemschutzgerät, insbesondere einem CCBA, verwendet.
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Wie vorstehend erläutert, ermöglicht die vorliegende Patrone im Gebrauch die gleichzeitige Erzeugung von Sauerstoff und elektrischer Energie und die Absorption von CO2. Luft, die CO2 und Wasser umfasst, insbesondere Ausatemluft, tritt in die Patrone durch den mindestens einen Einlass ein und strömt durch die Patrone. Wenn die (feuchte) Luft mit dem in der Patrone bereitgestellten mindestens einen Alkalihyperoxid oder Erdalkalihyperoxid in Kontakt kommt, bildet sich ein (alkalischer) Elektrolyt, was zur Erzeugung von elektrischer Energie führt, und gleichzeitig wird Sauerstoff gebildet, der die Patrone durch den mindestens einen Auslass verlässt.
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Die vorliegende Erfindung wird in der folgenden Beschreibung anhand der Figuren detaillierter erläutert. Es zeigt:
- 1 eine erste Ausführungsform der vorliegenden Patrone und
- 2 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Patrone.
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Die in 1 dargestellte erste Ausführungsform der vorliegenden Patrone 10 umfasst einen äußeren Behälter 11, einen inneren Behälter 12 und einen ionenpermeablen Separator, wie ein Glasvlies 14, der in einem Raum zwischen dem äußeren Behälter 11 und dem inneren Behälter 12 angeordnet ist.
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Die Wände des inneren Behälters 12 bestehen aus einem perforierten Material, wie einer Metall-Lochplatte, was die Diffusion des Gases dort hindurch ermöglicht.
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Der Innenraum 13 des inneren Behälters 12 ist mit Kaliumhyperoxid (KO2) 15 gefüllt, das innerhalb des inneren Behälters 12 durch eine Metalldrahtgeflecht-Haltestruktur 16 an Ort und Stelle gehalten wird.
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Je nach der Abmessung und Bauweise des Geflechts schafft das Geflecht 16 mehrere Abschnitte zum Aufbewahren des Alkalihyperoxids und verhindert dadurch eine Agglomeration des Hyperoxids.
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Das Drahtgeflecht 16 besteht aus einem ersten Metall, wie Aluminium, und ist mit einer ersten Elektrode 17 verbunden.
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Der äußere Behälter 11 besteht aus einem zweiten Metall, wie Eisen oder Kupfer, (mit einem höheren Standard-Potenzial als Aluminium) und dient als das zweite Metall, das mit einer zweiten Elektrode 18 verbunden ist.
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Die Patrone bildet einen Teil eines CCBA, wenn sie von einer Person verwendet wird, tritt die Ausatemluft, die CO2 und Wasser umfasst, in die Patrone durch den Einlass 20 ein und strömt in den inneren Behälter 12. Hier tritt die feuchte Luft mit dem Kaliumhyperoxid 15 in Kontakt, was die Bildung von Kaliumhydroxid bewirkt, das als alkalischer Elektrolyt wirkt.
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Aufgrund der Elektrolyt-Bildung wird eine Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erzeugt. Gleichzeitig wird Sauerstoff aus dem Kaliumhyperoxid freigesetzt, der die Patrone durch den Auslass 30 verlässt. CO2 wird von Kaliumhyperoxid 15 absorbiert.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Patrone.
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Die Ausführungsform der 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform der 1 dadurch, dass keine Haltestruktur innerhalb des inneren Behälters bereitgestellt wird. Vielmehr sind Zink-Partikel 21 im Kaliumhyperoxid 15 dispergiert, die als erstes Metall dienen. Darüber hinaus ist eine separate erste Elektrode 17 innerhalb der Kaliumhyperoxid- und Zink-Partikel-Dispersion platziert.
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Außerdem ist eine Schicht Hopcalit 19, die als das zweite Metall dient, zwischen dem ionenpermeablen Separator 14 und der Wand des äußeren Behälters bereitgestellt. Aus diesem Grund ist ein abgeschlossener Raum zwischen dem ionenpermeablen Separator 14 und der Wand des äußeren Behälters bereitgestellt, der mit dem Hopcalit 19 gefüllt ist. Die Wände des geschlossenen Raums bestehen aus einem porösen Material, zum Beispiel in Form einer Lochplatte.
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Das Hopcalit 19 dient als das zweite Metall und ist mit einer zweiten Elektrode 18 verbunden.
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Das CO2 der Ausatemluft strömt aus dem inneren Behälter durch den ionen- und gasdurchlässigen Separator 14 und wird anschließend von dem CO2-Absorptionsmittel 19 absorbiert.
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Beispiel
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Eine chemische Patrone ist als eine Alkali-Mangan-Zelle ausgestaltet. Die Patrone besteht aus einem porösen inneren Behälter, der mit einer Mischung aus KO2 und Zink-Partikeln gefüllt ist. Der innere Behälter hat einen Gaseinlass und einen Gasauslass.
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Innerhalb des KO2-Zink-Gemischs befindet sich eine aus leitfähigem Material hergestellte Elektrode. Der innere Behälter wird von einer nichtleitfähigen Membran bedeckt, die für Flüssigkeit und Gas durchlässig ist. Der innere Behälter mit dem Separator wird von einer Schicht aus MnO2 oder Hopcalit bedeckt. Die Hopcalit-Schicht ist mit einer zweiten Elektrode verbunden. Die ganze Anordnung wird von einem äußeren Behälter bedeckt.
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Wenn die KO2-Patrone verwendet wird, wird mit CO2 und Feuchtigkeit angereicherte Ausatemluft auf das KO2 aufgebracht. Die Reaktion beginnt und Sauerstoff wird erzeugt. Gleichzeitig beginnt die CO2-Absorption.
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Während der Reaktion wird Kaliumhydroxidlösung gebildet. Die flüssige Kaliumhydroxidlösung bleibt in Kontakt mit sowohl dem KO2-Zink-Gemisch als auch mit der Hopcalit-Schicht. Aufgrund der unterschiedlichen elektrochemischen Potenziale von Zink und Mangan wird eine elektrische Spannung zwischen 460 und 660 mV erzeugt.
