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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Befeuchtung
von Luft. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Atemluftbefeuchtungsvorrichtung
mit hohlen, von Luft durchströmten Membranfäden in einem
transportablen Flüssigkeitsbehälter.
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Derartige
Vorrichtungen werden bevorzugt bei der Beatmung von Personen mit
Preß- und Druckluft eingesetzt,
wie z.B. bei Druckluftschlauchgeräten, Schutzanzügen, Sauerstoffzelten
oder auch Taucheratemgeräten.
Da Preßluft
vor ihrem Einsatz expandiert wird, muß sie extrem trocken sein,
um ein Vereisen der Preßluft-Auslaßventile
zu verhindern. Da jedoch diese expandierte, extrem trockene Preßluft die
Atemwege austrocknet und belastet, besteht beim Einsatz für Beatmungszwecke
ein besonderer Befeuchtungsbedarf.
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Für diesen
Zweck wurden eine Reihe von unterschiedlichen Wirkungsprinzipien
entwickelt. In der Patentanmeldung
EP
0 376 584 wird ein Heizmodul zur Verdampfung von Wasser
eingesetzt. In der Offenlegungsschrift
DE 42 07 168 wird nach dem gleichen
Prinzip gearbeitet. Dies hat jedoch den Nachteil, daß bei einem
mobilen Gerät
stromführende
Teile vom Benutzer mitgeführt
werden müßten. Dies
ist insbesondere in explosionsgefährlichen Atmosphären kritisch.
In EP-Anmeldung 0 589 429 wird die zu befeuchtende Luft über eine
freiliegende Wasserfläche
geführt.
Patent
DE 43 03 645 und
die Offenlegungsschrift 43 19 458 und Patentschrift 24 30 875 arbeiten
nach dem gleichen Prinzip. Derartige Vorrichtungen lassen sich jedoch
nur begrenzt für
mobile Zwecke einsetzen. Körperhaltungen
des Benutzers in liegender oder Überkopfposition,
wie sie z.B. bei der Schiffsmontage oder bei Tauchenn auftreten, sind
damit nicht zu bewältigen.
Auch kann eine zu hohe Strömungsgeschwindigkeit
ein Mitreißen
von Wasser bewirken. In
DE 41
26 028 und
DE 44 32
907 wird die Atemluft zur Vergrößerung der Verdunstungsoberfläche über saugfähige gewebeartige Feuchtigkeitsaustauscherrippen
geführt.
Eine solche Anordnung ist jedoch aus hygienischen Gründen mit hohem
Wartungsaufwand verbunden.
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Im
Unterschied zu den genannten Konstruktionen besitzen Luftbefeuchter
der eingangs genannten Art ein Bündel
von Hohlfasern, hier als Membranfäden bezeichnet, welche von
Luft durchströmt
werden. Die Membranfäden
sind auf ihrer Außenseite von
Wasser umgeben. Sie bestehen aus einer dünnen, schlauchförmigen Folie,
welche für
Wasser undurchlässig
ist, Wasserdampf jedoch durchlässt. Eine
solche Vorrichtung wird in der Patentschrift
DE 26 17 985 beschrieben.
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Da
die nach diesem Prinzip gebauten Luftbefeuchter in der Praxis jedoch
keine zufriedenstellenden Befeuchtungsergebnisse erbrachten, wird
in der Auslegeschrift
DE 29 00
484 vorgeschlagen, mittels eines Federelementes den Wasserdruck
zu erhöhen, um
die Diffusion von Wasserdampf durch die Membranen in den Luftstrom
zu erhöhen.
In der Praxis hat sich jedoch auch dieses Konzept nicht bewährt.
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Die
DE 38 19 988 C2 zeigt
einen Atemluftbefeuchter mit einer geschlossenen Befeuchtungskammer,
durch welche Hohlfasern verlaufen. Die Befeuchtungskammer besitzt
eine flexible Außenwand und
weist an ihrem Eingang eine verstellbare Drossel auf und ist mit
Ausnahme der Hohlfaser-Austrittsöffnungen
vollständig
von einem Außengehäuse umgeben,
wobei zwischen Befeuchtungskammer und Außengehäuse Raum für eine Vorkammer verbleibt. Das
Außengehäuse hat
eine Eintrittsöffnung
und einen Austrittsstutzen, in welchen die Austrittsöffnungen
der Hohlfasern münden.
Im Betrieb tritt Luft durch die Eintrittsöffnung des Außengehäuses, passiert
die Drossel, strömt
längs durch
die Hohlfasern, wird dabei angefeuchtet und verlässt die Vorrichtung durch den
Austrittsstutzen des Außengehäuses. Hierbei
führt die
Drossel zu einer Druckdifferenz zwischen der Innenseite der Hohlfasern
und der mit Wasser gefüllten
Befeuchtungskammer, wodurch Wasser von dieser durch die Membranwände der Hohlfasern
in den luftdurchströmten
Hohlfaserinnenbereich gedrückt
wird. Zudem erzeugt die Drossel einen gegenüber dem Innenraum der Hohlfasern
höheren
Druck in der Vorkammer, der aufgrund der flexiblen Außenwand
der Befeuchtungskammer zu einem Druck auf diese führt, wodurch
die Diffusion von Wasser in die Hohlfasern unterstützt wird.
Der Atembefeuchter benötigt
zur Erzielung eines ausreichenden Befeuchtungsergebnisses ein Druckgefälle zwischen
der Befeuchtungskammer und dem luftdurchströmten Hohlfaser-Innenraum, welcher
durch die Drossel erzeugt wird. Nachteilig hierbei ist, dass diese
Drossel den sowieso schon durch die engen Hohlfasern behinderten
Luftstrom und somit die Atemtätigkeit
des Benutzers erschwert. Auch stellt die Drossel ein wegen ihrer
Regelbarkeit versagensanfälliges zusätzliches
Bauteil dar. Auch ist der Atemluftbefeuchter aufgrund der elastischen
Außenwand
der Befeuchtungskammer empfindlich gegen äußere Einwirkungen, weshalb
ein großvolumiges
und schweres zusätzliches
Außengehäuse um das
Wasserreservoir vom Benutzer mitgeführt werden muss.
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In
der
DE 30 32 438 C2 ,
der
DE 29 29 706 C2 und
der
DE 27 03 892 C2 sind
Atembefeuchter zum Einsatz in der Intensivmedizin für die Atemluftbefeuchtung
künstlich
beatmeter Patienten beschrieben. Aufgrund der für diesen Zweck notwendigen
längerfristigen
kontinuierlichen Versorgung der Patienten mit befeuchteter Atemluft
weisen diese Atembefeuchter Wasserversorgungsleitungen auf, welche durch
Diffusionsvorgänge
an den Membranfäden auftretende
Blasen durch die Wasserströmung
wegtransportieren. Nachteilig bei diesen Atembefeuchtern ist, dass
sie einen zusätzlichen
aufwändigen Wasserkreislauf
benötigen,
welcher einen transportablen Einsatz dieser Atembefeuchter unter
sinnvollem Aufwand unmöglich
macht.
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Es
besteht daher die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten
An so weiterzuentwickeln, dass mobile Luftbefeuchter mit ausreichendem
Befeuchtungsergebnis zur Verfügung
stehen.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar. Die Erfindung
wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezug
auf die begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
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1 demonstriert
eine Einsatzmöglichkeit der
Vorrichtung in der Lackiertechnik zur Versorgung einer Atemschutzhaube;
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2 zeigt
eine Anwendung im gleichen Einsatzgebiet, wobei zum Lackieren und
zur Beatmung die gleiche Druckluftzuleitung benutzt wird;
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3 zeigt
eine Ansicht der Befeuchtungsvorrichtung von oben;
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4 zeigt
einen Schnitt durch die Vorrichtung entlang der in 3 markierten
Linie F-G;
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5 zeigt
einen Schnitt durch die Vorrichtung entlang der in 3 markierten
Linie D-E; und
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6 zeigt
einen Querschnitt durch eine Befeuchtungspatrone.
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1 zeigt
einen möglichen
Einsatzfall einer erfindungsgemäßen Befeuchtungsvorrichtung.
Aus einem Luftreiniger mit Druckluftregler wird über einen Schlauch 28 Druckluft
für ein
Arbeitsgerät,
in diesem Fall eine Lackierpistole, entnommen. Über einen weiteren Ausgang
wird einem Aktivkohlefilter 5 für Atemzwecke bestimmte Druckluft
zugeführt.
Die den Aktivkohlefilter 5 durchströmende Druckluft gelangt anschließend in
eine stationär
installierte, erfindungsgemäße Luftbefeuchtungsvorrichtung 1,
von wo aus sie über
einen Schlauch 27 zur zu versorgenden Personen weitergeleitet
wird. Diese Person trägt
ein Regelventil 7 am Gürtel, über das
der Luftstrom durch den Schlauch 27 in die Atemmaske oder
einen sonstigen Luftverbraucher 2 reguliere werden kann.
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2 zeigt
eine ähnliche
Anwendung wie 1. Allerdings ist in diesem
Falle die Luftbefeuchtungsvorrichtung 1 nicht stationär an der
Wand, sondern mobil am Gürtel
des Benutzers befestigt. Über einen
Luftreiniger mit Druckregler 6 wird über einen Schlauch 27 ein
Arbeitsgerät 4,
in diesem Falle eine Farbsprühpistole,
mit Druckluft versorgt. Die Luft passiert dabei eine am Gürtel des
Benutzers befestigte Verteilervorrichtung 3. Hier wird
die für
Atemzwecke benötigte
Luft entnommen. Während
die Luft in Richtung des Arbeitsgerätes ungehindert durchströmen kann,
ist die für
den Luftverbraucher 2 abgezweigte Luftmenge über ein
Regelventil 7 einstellbar. Der abgezweigte Luftstrom wird über einen
ebenfalls am Gürtel
mitgeführten
Aktivkohlefilter 5 gereinigt und anschließend einer
erfindungsgemäßen Beleuchtungsvorrichtung 1 zugeführt. Von
dieser aus gelangt die Druckluft dann zum Luftverbraucher 2.
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Unter
Bezug auf 5 und 6 besitzt eine
erfindungsgemäße Befeuchtungsvorrichtung 1 eine
Befeuchtungspatrone 9. Diese Befeuchtungspatrone 9 hat
ein Bündel
von Membranfäden 11,
die von Atemluft durchströmt
werden. Die Membranfäden 11 sind
hohle Röhrchen,
deren Wände
durch eine semipermeable Membran gebildet werden. Diese Membran
ist für
Wasserdampf durchlässig,
nicht jedoch für Wasser.
Das Bündel
von Membranfäden 11 ist
vorzugsweise von einem Patronengehäuse 10 umgeben. In
diesem Patronengehäuse 10 sind
Ausbrüche 12 vorgesehen.
Die Membranfäden 11 sind
jeweils an ihren beiden Enden z.B. durch Eingießen in Kunststoffharz mit dem
Patronengehäuse 10 druckdicht
verbunden. Dieses Eingießen
erfolgt so, daß die
Membranfäden
zumindest in der Eingußzone
fixiert sind, ohne dabei die Öffnungen
der Membranfäden
zu verschließen.
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Unter
Bezug auf 3 bis 5 befindet sich
die Befeuchtungspatrone 9 in einem Gehäuse 23. Dieses Gehäuse 23 besitzt
einen Lufteintrittsstutzen 18, der in einen abschraubbaren
Bodendeckel 16 eingeschraubt ist. Weiterhin besitzt das
Gehäuse 23 einen
in der vorliegenden Ausführungsform
verschweißten
Deckel 17 mit einem abschraubbaren Luftaustrittsstutzen 19.
Der Mittelteil des Gehäuses wird
durch eine Wandung 15 gebildet.
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Die
Befeuchtungspatrone 9 ist so in das Gehäuse 23 integriert,
daß die
beiden Enden 21 und 21' der Befeuchtungspatrone 9 jeweils
mit den Ein- und Austrittstutzen 18 und 19 in
Verbindung stehen.
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Dichtungsringe 22 und 22' an den beiden
Enden 21 und 21' der
Befeuchtungspatrone 9 gewährleisten, daß die Vorrichtung
sicher in zwei separate Teilbereiche getrennt ist. Der eine Bereich
wird von Luft durchströmt
und verläuft über den
Eintrittsstutzen 18 durch die Membranfäden 11 in der Patrone 9 hin
zum Austrittsstutzen 19. Die Durchströmrichtung durch die Befeuchtungspatrone 9 ist
nicht vorgegeben, so daß keinerlei
Einlegefehler bzw. Montagefehler auftreten können. Der zweite Bereich 24 dient
der Wasserbevorratung und wird eingegrenzt durch die Gehäusewandung 15,
Bodendeckel 16, Deckel 17 und die Außenflächen der
Membranfäden 11.
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Zum
Betrieb der Vorrichtung wird das Gehäuse 23 mit Wasser
gefüllt.
Durch die Ausbrüche 12 im
Patronengehäuse 10 werden
die Membranfäden 11 mit
Wasser umspült.
Zur Befeuchtung strömt
nun Luft durch den Eintrittstutzen 18 in die Membranfäden 11 des
Befeuchtungsmodules 9 ein. Sie durchströmt die Membranfäden 11 in
ihrer Längsrichtung und
reichert sich dabei mit durch die Membran diffundierenden Wasserdampf
aus dem Wasserbereich 24 an. Anschließend strömt die Luft auf der anderen
Seite des Befeuchtungsmodules in den Austrittstutzen 19.
An diesem Stutzen kann ein Zuluftschlauch für einen Atemanschluß angeschlossen
sein.
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Für den mobilen
Einsatz ist es zweckmäßig, die
Befeuchtungsvorrichtung nahe am Körper mitzuführen, um ein Kondensieren der
Luftfeuchtigkeit in am Boden liegenden, kalten Rohren oder Schläuchen zu
verhindern. Zu diesem Zweck hat die Vorrichtung eine Befestigungsvorrichtung 14.
Mit Hilfe dieser Befestigungsvorrichtung 14, die im vorliegenden
Fall als einfacher Steckbügel
ausgebildet ist, läßt sich
die Beatmungsvorrichtung z.B. am Gürtel des Benutzers befestigen.
Zur Erwärmung
der Luft kann die Vorrichtung z.B. mit einem mitgeführten, zweckmäßigerweise
vorgeschalteten Vortexerwärmer
kombiniert werden. Auch die Vorschaltung eines Aktivkohlefilters
kann vorgesehen werden. Es ist weiterhin möglich, das Atemluftgerät an die
gleiche Dnackluftzuleitung anzuschließen wie das Arbeitsgerät. Auf diese
Weise kann die Anzahl der Verbindungsschläuche reduziert und die Handhabung
vereinfacht werden.
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Der
Diffusionsprozeß an
der Membran ist noch nicht vollständig bekannt. Modellhaft beschrieben
wird das außen
an den Membranfäden
anstehende Wasser in Folge Kapillarwirkung durch die engen Poren
der Membranen in das Innere der Faser in den Bereich der Atemluft
gefördert.
Im Inneren der Membrane befindet sich eine Porenübergangszone. Die Poren werden
immer feiner und bilden eine Wabenstruktur mit einem relativ undurchlässigen Übergangsbereich,
der im Inneren in einem schwammartigen Gebilde mündet. Das Wasser wird in Folge
Kapillarwirkung in die Poren hineingefördert und in Folge der Oberflächenspannung
des Wassers dort festgehalten. In Folge des Partialdrucks bei Verdampfung
wird das Wasser zunächst
durch die weiterhin vorhandene Kapillarwirkung ähnlich einer Dochtströmung nach
innen gefördert.
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Den
Masken wird üblicherweise
komprimierte Luft in einem Druckbereich von 0,6 bis 2,7 bar zugeführt, in
Einzelfällen
bis 3,2 bar. Untersuchungen haben ergeben, daß trotz des erheblichen Innendrucks
von z.B. 2,4 bar im Verhältnis
zum Außendruck
trotzdem ein Wassertransport von außen nach innen stattfindet
und eine ausreichende Befeuchtung für Atemzwecke sich einstellt.
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Da
die Membran nicht vollständig
undurchlässig
ist, erfolgt ein Gastransport von der Innenseite der Hohlfaser zu
deren Außenseite,
wenn der Innendruck höher
als der Außendruck
ist. Der Transport ist umso höher
je höher
das entsprechende Druckgefälle
ist. Diese Gasdiffusion führt
zur Blasenbildung an den Außenwänden der
Membranfäden.
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Wesentlich
zur Entwicklung der vorliegenden Erfindung war nun die Erkenntnis,
daß bei
Vorrichtungen der eingangs genannten Art die aus dem Luftstrom durch
die Membranen in den Wasserbehälter diffundierende
Luft sich an den Außenseiten
der Membranfäden
ansammelt und durch Blasenbildung zu einer Reduzierung der Austauschfläche führt.
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Erfindungswesentlich
ist daher die Reduzierung der Packungsdichte der Membranfäden. Durch die
Beabstandung der Membranfäden
gegeneinander können
sich Luftblasen nun nicht mehr zwischen den Membranfäden ansammeln,
so daß nun
ständiger
Wasserkontakt und eine kontinuierliche Befeuchtung gewährleistet
sind. Vorteilhafterweise sollte der Abstand zwischen den Fasern
ungefähr
das 0,5-Fache des Faserdurchmessers betragen. Je größer der Faserabstand
ist, umso besser ist die Benetzung und damit das Befeuchtungsergebnis.
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In
einer Ausführungsform
besitzt die Befeuchtungspatrone Hohlfasern mit einem Faserinnendurchmesser
von 1.400 Mikrometern und eine Wandstärke von 200 Mikrometern bei
einer Packung von ca. 200 Membranfäden pro Patrone. Weitere vorteilhafte
Ausführungsformen
besitzen einen Fadengesamtquerschnitt der kleiner als 0,65 des Innenquerschnittes
des Befeuchtermoduls beträgt.
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Die
relative Befeuchtung bei einer Ausgangsfeuchte von 10,5 % und einem
Luftdurchsatz von 245 Litern pro Minute beträgt ca. 25 % bei einer Ausführungsform
mit einer Packungsdichte von ca. 44 %. Im Vergleich dazu sinkt die
Befeuchtungsleistung bei einer Packungsdichte von 60 % auf ca. 20 %.
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Die
Befeuchtungsleistung der erfindungsgemäßen Befeuchtungsvorrichtung
ist u.a. vom Druckgefälle
in der Befeuchtungsvorrichtung vom Eintritts- zum Austrittsstutzen
abhängig
ist. Untersuchungen haben gezeigt, daß das Befeuchtungsergebnis
bis zu einem Wasserstand von einem Sechstel der Gesamtbehälterhöhe nahezu
unabhängig
von der Füllhöhe ist,
da das Wasser in Folge Kapillar- und Schwammkapillarwirkung an den
Membranfäden
hochgezogen wird und in allen Bereichen der Membranfäden in den Bereich
der Atemluft eindringt. Auch bei horizontaler Lage und nur geringfügig gefülltem Behälter wird noch
eine erhebliche Erhöhung
der Atemluftfeuchtigkeit erzielt. Das Wasseneservoir kann dadurch
fast vollständig
ausgenutzt werden. In Folge der Unabhängigkeit von Außendruck
und Füllstandshöhe können beliebige
Formen für
das Gehäuse 23 konstruktiv
ausgeführt
werden.
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Bei
Konstruktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist allerdings zu berücksichtigen,
daß es in
Folge der Gasdiffusion zu einer Ansammlung von Gas und damit zu
einer Druckerhöhung
im Wasserbereich 24 kommt. Ein Überdruck von 2,5 bar im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
bewirkt ein Kollabieren der Membranfäden. Dadurch wird der Luftströmungsweg
blockiert. Sinkt der Überdruck,
so öffnen die
Membranfäden
wieder. Allerdings geschieht dies schlagartig, was ein Bersten der
Membranfäden
und einen Wassereinbruch in den Atemluftschlauch zur Folge hat.
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Um
einen derartigen kritischen Druckanstieg zu verhindern und eine
Entlüftung
des Wasserbehälters
zu erreichen, ist im Deckel 17 ein Überdruckventil 25 vorgesehen
und in 4 dargestellt. Es öffnet bei einem vorgegebenen
Druckwert. Es befindet sich bei normaler Haltung des Benutzers im
oberen Bereich der Vorrichtung, so daß beim Öffnen die sich dort ansammelnde
Luft austreten kann. Sollte das Ventil nicht nach oben zeigen, so
ist das mögliche Austreten
von Wasser nach außen
einem Wassereinbruch in die Atemmaske wegen geborstener Membranfäden immer
noch vorzuziehen.