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Die Erfindung betrifft einen aktiven Kühlanzug sowie ein Verfahren zu dessen Anwendung für den Arbeits-, Sport- oder militärischen Einsatz.
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Für Outdoor-Aktivitäten in heißen klimatischen Zonen kann der natürliche Kühlmechanismus durch die Verdunstung von Schweiß nicht ausreichend ausgeschöpft werden. Die Folge ist Ermattung und Ermüdung durch die Überhitzung des Körpers. Entsprechende Bekleidung im Arbeits-, Sport- oder militärischen Einsatz besitzt bislang keine aktiven und passiven Möglichkeiten den produzierten Schweiß hinreichend zu verdunsten, um eine Kühlwirkung zu erzielen. Vielmehr wird der Schweiß von der Kleidung aufgesaugt (Unterwäsche) und kann außer durch diffusive Prozesse nur langsam verteilt werden. Erst wenn durchnässte Zonen mit der Umgebung in Kontakt treten findet eine Verdunstung statt, die aber nicht körpernah erfolgt und somit von dem Soldaten nicht als kühlend empfunden wird.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2010 052 573 A1 ist eine Luftkonditionierungsanlage, insbesondere zur Entwärmung des menschlichen Organismus beim Tragen von Schutzbekleidung, dadurch gekennzeichnet, dass, die Luftkonditionierungsanlage einen Kompressor, einen Druckminderer, ein Magnetventil, einen Schalldämpfer, eine Heizung, eine Volumenmessstrecke, eine Kühlung, einen Sensor Heizung, eine Regeleinheit Heizung (mit Steuerung des Magnetventils), einen Sensor Kühlung, eine Regeleinheit Kühlung aufweist und Luft mit einer rel. Luftfeuchte von « 5%, einem Luftstrom von mindestens 600 l/min, in einem Temperaturbereich von 20°C-34 °C konditioniert.
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Der Nachteil dieser Luftkonditionierungsanlage besteht in deren großen Dimensionen, die zwar einen optimalen Luftstrom schaffen, für eine mobile Anwendung außerhalb eines Fahrzeugs jedoch nicht geeignet sind.
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Weiter ist aus der US-Offenlegungsschrift
US 2006/0174392 A1 ein Kleidungsstück zum Kühlen des Körpers eines Trägers bekannt, welches ein im Wesentlichen gasundurchlässiges erstes Substrat und ein gasdurchlässiges zweites Substrat, die um ihre Peripherien zusammengefasst sind und einen Hohlraum bilden, aufweist. Mindestens ein Abstandselement, das in dem Hohlraum angeordnet ist und eine Vielzahl von erhabenen Vorsprüngen auf dem Gas durchlässigen zweiten Substrat Oberfläche, außerhalb des Hohlraums und in der Nähe des Körpers des Trägers aufweist; wobei der Hohlraum dazu ausgelegt ist, mit einem Gas verbunden zu werden, sodass das Gas in den Hohlraum strömt und aus dem Hohlraum durch das gasdurchlässige zweite Substrat austritt.
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Der Nachteil dieser mobilen Lösung liegt darin, dass der menschliche Körper unterschiedlich schweissintensive Zonen aufweist. Die undefinierte Überströmung aller Zonen erfordert aufgrund des schlechten Kühlungswirkungsgrades eine große Gebläseleistung bzw. hat nur einen eingeschränkten Kühleffekt.
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Für die konkrete Kühlung der schweissintensiven Zonen schlägt die internationale Offenlegungsschrift
WO 2017/132672 A1 ein Kleidungsstück zur Regulierung einer Temperatur eines Trägers vor. Das Kleidungsstück beinhaltet einen Stoff, der so gestaltet ist, dass er vom Träger getragen werden kann. Das Gewebe beinhaltet Kanäle parallel zu einer Primärfläche des Gewebes. Das Kleidungsstück beinhaltet ein verzweigtes Schlauchnetz zur Zirkulation einer Arbeitsflüssigkeit. Das verzweigte Schlauchnetz ist in den Kanälen des Gewebes angeordnet. Das verzweigte Schlauchnetz beinhaltet eine Vielzahl von Schläuchen, wobei mindestens ein Ende jedes Schlauchs verzweigt ist und mit zwei oder mehr Tochterschläuchen verbunden ist, wobei die Verbindung einen Abzweigwinkel von 1 bis einschließlich 359 Grad aufweist. Das Schläuchnetz weist mindestens zwei Ebenen von Abzweigungen auf.
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Zuletzt ist aus der Offenlegungsschrift
GB 2 523 333 A ein Kleidungsstück zur Temperaturkontrolle offenbart, das so angeordnet ist, dass es am Oberkörper eines Benutzers getragen werden kann, bestehend aus einer Blase, die als eine Kammer zur Aufnahme einer Gaszufuhr ausgebildet ist, die Blase, umfasst mindestens einen Rückabschnitt, der angeordnet ist, um mindestens einen Teil vom Rücken eines Trägers zu überlagern; eine Anordnung von Löchern, die in der Blase vorgesehen sind, um zugeführtes Gas in Richtung des Körpers des Benutzers zuzuführen, um die Temperatur des Körpers des Benutzers zu verändern; und eine Beatmungsleitung, die mit der Blase verbunden ist, um eine Gaszufuhr für die Atemluft des Benutzers aufzunehmen.
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Die Kühlung erfolgt in nach diesem Stand der Technik zwar gezielt auf bestimmte Körperzonen, jedoch ist die Verknüpfung der Kühlluft mit der Atemluft aufgrund unterschiedlicher Konditionierungen schwierig, wenn nicht sogar unmöglich und die Mobilität leidet aufgrund der dargestellt großen Abmessungen der Versorgungseinrichtungen.
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Es besteht grundsätzlich bei allen Kühlwesten nach dem Stand der Technik, die mit undefinierten luftdurchlässigen Zwischenlagen wirken der Nachteil, dass die Luft durch das vorhandene Belüftungssystem aufgrund der fehlenden Strömungsrichtungsgeber nicht gezielt an die Stellen hoher Wärmeproduktion gebracht werden kann. Der Kühleffekt ist lokal stark begrenzt, da das Abstandsgewirke, das zur Luftverteilung dient und offenporig ist, eine Höhe von ca. 0.5 bis 1 cm aufweist und somit ein recht großer Strömungsquerschnitt entsteht. Durch diesen großen Strömungsquerschnitt können nur geringe Strömungsgeschwindigkeiten in größerer Entfernung von der Ausblasöffnung erzeugt werden. Eine Verteilung des Luftstroms und ein gezielter Transport an die Stellen hoher Wärme- und Schweißproduktion ist damit nicht möglich. Zudem werden durch die großen Strömungsquerschnitte größere Volumenströme benötigt, die große Lüfter (Bauraum) benötigen. Die Akkulaufzeit ist damit stark begrenzt. Bei gleichzeitig notwendiger Gewichtseinsparung können größere Akkus nicht eingesetzt werden. Die Verdunstung erfolgt bei diesem System ausschließlich an der textilen Oberfläche der Unterwäsche (T-Shirt). Eine hautnahe Verdunstungszone kann hiermit nicht realisiert werden. Damit ist der erzielbare Kühleffekt zum einen lokal begrenzt und zum anderen durch die Unterwäsche begrenzt, da diese nur über geringe kapillare Wirkungsmechanismen für den Flüssigkeitstransport verfügt.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Luft gezielt an die Stellen zu befördern, an denen eine Kühlung benötigt wird. Des Weiteren sollen hautnahe Verdunstungszonen geschaffen werden, die über kapillare Effekte den Schweiß dem Luftstrom besser zuführen. Des Weiteren soll die Erfindung helfen, mit geringen Volumenströmen den größtmöglichen Verdunstungseffekt und damit Kühleffekt an den Zonen hoher Wärmeproduktion zu erzielen.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 4 löst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein Radialgebläse in ein Schutzgehäuse eingehaust ist und der Ausgang des Radialgebläses über ein Schlauchanschlussstück direkt mit dem Schlauchsystem verbindbar ist. Die Verbindung des Radialgebläseausgangs und des Schlauchsystemeingangs durch ein passgenaues und strömungsoptimiertes Verbindungsstück, welches gleichzeitig im Schutzgehäuse fixierbar ist, optimiert das erfindungsgemäße Gebläse bezüglich Masse und Bauraum.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Verwendung eines Schlauchsystems, welches sich verzweigt und bei dem die Querschnitte des Schlauchsystems mit zunehmendem Verzweigungsgrad abnehmen. Durch eine gezielte Volumenstromaufteilung durch Y-Verteiler (2 Leitungen gehen ab, daher fraktales Baumsystem) und gleichzeitiger Reduktion des Durchmessers der abgehenden Leitungen kann die Strömungsgeschwindigkeit bis zu den Auslassöffnungen erhalten bleiben (ca. 2 m/s).
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht in der flexiblen Einrahmung der zu kühlenden Zone. Ein flexibler Rahmen umschließt zunächst im einsatzfähigen Zustand die zu kühlende Zone des Trägers. Weiter nimmt der flexible Rahmen die Enden des verzweigten Schlauchsystems auf. So wird erfindungsgemäß festgelegt, dass der Volumenstrom der Kühlluft, die durch das Schlauchsystem geleitet wird, gleichmäßig über die zu kühlende Zone geleitet wird.
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Ein Deckel des flexiblen Rahmens ist weiterhin erfindungsgemäß mit Auslassöffnungen versehen, um die feuchte Luft von der zu kühlenden Zone abzutransportieren. Darüber hinaus ist das flexible Rahmenelement als Kreissegment geformt, an dessen Innenseite die Enden des Schlauchsystems angebracht sind und an dessen längerer Außenseite sich die Auslassöffnungen befinden. Eine durch die Verzweigung des Schlauchsystems entstehende fächerförmige Aufteilung der Enden des Schlauchsystems wird so in optimal gleichmäßiger Form auf die zu kühlende Zone geleitet. Weiter bietet die längere Außenseite des kreissegmentförmigen flexiblen Rahmenelements viel Bauraum zur Platzierung der Auslassöffnungen um einen rückstaufreien Abfluss der feuchten Kühlluft zu ermöglichen. Diese vorteilhafte Ausgestaltung ist in den Patentansprüchen 2 und 3 beschrieben.
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In Patentanspruch 4 ist ein Verfahren zur Anwendung eines aktiven Kühlanzugs beschrieben. Mindestens ein leistungsoptimiertes, tragbares Radialgebläse fördert Kühlluft in ein Schlauchsystem. Bei Verwendung mehrerer Schlauchsysteme ist es selbstverständlich möglich auch mehrere leistungsoptimierte, tragbare Radialgebläse zu verwenden. Das Schlauchsystem transportiert die Kühlluft zur kühlenden Körperzone des Trägers und verzweigt sich mehrfach um den Volumenstrom gleichmäßig an den zu kühlenden Zonen zu verteilen. Zur Erhaltung des Volumenstroms verjüngen sich die Querschnitte des Schlauchsystems an jeder Verzweigungsstelle derart, dass die Fließgeschwindigkeit des Volumenstroms vor und nach der Verzweigungsstelle annähernd gleich bleibt (etwa 2m/s). Der Volumenstrom wird an den Enden des Schlauchsystems am höchsten Grad der Verzweigung in einen flexiblen Rahmen eingeleitet, der auf der zu kühlenden Zone aufliegt und die Zone umschließt. Die Kühlluft überstreicht die zu kühlende Fläche und tritt an den Auslassöffnungen aus dem Bereich des flexiblen Rahmens aus und gibt die feuchte Kühlluft an die Umgebung ab. Erfindungsgemäß wird pro flexiblem Rahmen ein Kühlluftstrom von 140 l/h erzeugt.
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Zum besseren Verständnis des erfindungsgemäßen aktiven Kühlanzugs wird folgendes Ausführungsbeispiel beschrieben.
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Das Gesamtsystem für eine Person besteht aus zwei Teilsystemen, das jeweils über einen eigenen Lufterzeuger mit Batterie verfügt. Die Luft wird aus der Umgebung von dem Lüfter angesaugt und über den Zentralschlauch in das fraktale Luftleitungsnetz geführt. Dort wird der Luftstrom über die jeweiligen Y-Stücke an jeder Abzweigung halbiert und bis an den Anschluss des jeweiligen Rahmenelements geführt. Innerhalb des Rahmenelements wird die Luft weiter mittels der Y-Stücke aufgeteilt. Die Auslassgeschwindigkeit beträgt bei einem Teilvolumenstrom von 140 l/h (je Teilsystem) ca. 2 m/s. Die Luft wird innerhalb des Gehäuses der flexiblen Rahmenelemente über die fächerförmige Verrippung zu den Auslassöffnungen des Gehäuses geführt. Dabei überstreicht die Luft die Verdunstungszone, die aus einer Membran besteht, die einen direkten Hautkontakt aufweist. Durch kapillare Kräfte wird der erzeugte Schweiß an die Membranoberfläche transportiert. Von dort kann die Flüssigkeit mittels des zugeführten Luftstroms verdunsten und führt daher zu einem kühlenden Effekt im Bereich der flexiblen Rahmenelemente. Die flexiblen Rahmenelemente sind zur Platzierung auf dem Träger in ein Funktionsshirt integriert.
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Jedes Teilsystem besitzt acht flexible Rahmenelemente, die an das Luftleitungsnetz nach fraktalem Prinzip angebunden sind. Vier flexible Rahmenelemente befinden sich im Brustbereich und vier im Rückenbereich. Die zwei Teilsysteme sind symmetrisch zueinander aufgebaut. Die sichelförmigen flexiblen Rahmenelemente eines Teilsystems grenzen im Brustbereich an das Brustbein bzw. sind entlang desselben positioniert. Im Rückenbereich grenzen diese an die Wirbelsäule.
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Die Positionierung der flexiblen Rahmenelemente orientiert sich an der Physiologie des Menschen hinsichtlich der Wärmeentwicklung und der Schweißproduktion.
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Es zeigen die 1 bis 4 Komponenten eines erfindungsgemäßen aktiven Kühlanzuges.
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Es zeigt 1 ein flexibles Rahmenelement 1. Das Rahmenelement weist mehrere Verteiler 2 -4 auf. Die Verteiler 2 -4 haben je nach Position in der Verzweigungshierarchie größere bzw. kleinere Dimension wie die Verteiler 2 -4 in der höheren bzw. niedrigeren Verzweigungs-Hierarchiestufe. So ist im Beispiel Verteiler 2 unterhalb der Verzweigungs-Hierarchiestufe der Verteiler 3 größer als Verteiler 2. Der Verteiler 4, oberhalb der Verzeigungshierarchiestufe des Verteilers 3 ist kleiner wie Verteiler 3. Die Geschwindigkeit vor und nach der Aufteilung bleibt durch die Querschnittsreduktion nach der Volumenstromaufteilung konstant. Die Verteiler 2 -4 sind mit Schläuchen 5 verknüpft. Das Ende der Verteiler 4 mündet in einen Bereich 6, der für das Überstreichen des Luftstroms über eine Zone des Körpers des Trägers bestimmt ist. Der Bereich wird zum Körper des Trägers, dies entspricht der Unterseite des flexiblen Rahmenelement 1, der durch eine Funktionstextilie 7 begrenzt ist. Die Funktionstextilie ist Teil eines Funktionshemds, an dem des flexible Rahmenelement 1 einerseits befestigt ist, anderseits fördert die Funktionstextilie 7 Schweiß vom Körper des Trägers weg, sodass der Abtransport durch die überstreichende Luft stattfindet. Weiter weisen die Verteiler Ausbuchtungen 8 auf, die formschlüssig in das flexible Rahmenelement 1 clipbar sind. Zuletzt ist das flexible Rahmenelement 1 kreisringförmig gestaltet, um die Gleichmäßigkeit des ausströmenden Volumenstroms zu unterstützen und eine baulich bedingte Möglichkeit zum rückstaufreien Abtransport der feuchten Luft zu schaffen.
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Es zeigt 2 den erfindungsgemäßen Deckel 21 eines flexiblen Rahmenelements. Der Deckel 21 weist eine kongruente Geometrie zum flexiblen Rahmenelement auf. Im weiteren, äußeren Bereich der kreisringförmigen Geometrie sind Auslassöffnungen 22 angebracht, um den Volumenstrom der feuchten Luft annähernd rückstaufrei aus dem Überströmbereich ableiten zu können. Weiter weist der Deckel eine Kanalstruktur 23, ebenfalls im Überströmbereich, auf. Die Kanalstruktur 23 unterstützt die Ausrichtung und Verwirbelung des Luftstroms im Überströmbereich, wodurch die Luft länger im Überströmbereich bleibt und. mehr Feuchtigkeit aufnehmen kann, die dann an die Umgebung abgegeben wird. Zuletzt weist der Deckel einen Rand 24 auf, der den Deckel 21 formschlüssig mit dem flexiblen Rahmenelement verbindet.
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Es zeigt 3 ein Teilsystem eines aktiven Kühlanzugs. Das Teilsystem besteht aus acht flexiblen Rahmenelementen 31 und deren Deckel und wird durch ein weiteres Teilsystem identischen Aufbaus zum erfindungsgemäßen aktiven Kühlanzug ergänzt. Die Rahmenelemente 31 sind durch Schläuche 32 verbunden. Die Schnittstellen sind durch weitere Verteiler 33 realisiert, die sich in ihrer Baugröße hin zum Gebläse 34 steigern. Das Gebläse ist ein leistungsstarkes, akkubetriebenes Radialgebläse. Die Dimensionierung ist so gewählt, dass ein achtstündiger Einsatz mit einem Gesamtvolumenstrom von 280 l/h realisierbar ist.
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Es zeigt 4 einen erfindungsgemäßen aktiven Kühlanzug, der aus einem Funktionsshirt 41 an dem an einer Vorderseite 42 eines Trägers und an einer Rückseite 43 eines Trägers jeweils vier flexible Rahmenelemente 44 an schweissintensiven Bereichen angebracht sind. Die flexiblen Rahmenelemente sind mit Schläuchen 45 verbunden. Das Gebläse 46 zur Belüftung ist in Hüftnähe des Trägers platziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flexibles Rahmenelement
- 2 -4
- Verteiler
- 5
- Schlauch
- 6
- Überströmbereich
- 7
- Funktionstextilie
- 8
- Ausbuchtungen
- 21
- Deckel
- 22
- Auslassöffnungen
- 23
- Kanalstruktur
- 24
- Rand
- 31
- Flexibles Rahmenelement mit Deckel
- 32
- Schlauch
- 33
- Verteiler
- 34
- Gebläse
- 41
- Funktionsshirt
- 42
- Vorderseite
- 43
- Rückseite
- 44
- Flexibles Rahmenelement
- 45
- Schlauch
- 46
- Gebläse
