DE19754213C1

DE19754213C1 - Vorrichtung zur Sauerstofftrennung von Umgebungsluft und deren Verwendung

Info

Publication number: DE19754213C1
Application number: DE1997154213
Authority: DE
Inventors: Michael Riecke
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draeger Medical GmbH
Priority date: 1997-12-06
Filing date: 1997-12-06
Publication date: 1999-02-04
Anticipated expiration: 2017-12-07

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Sauerstofftrennung von Umgebungsluft mit den Merkmalen gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Eine gattungsgemäße Anordnung ist aus der WO 97/07053 bekanntgeworden und soll dazu dienen, in einem Puffervolumen Sauerstoff für Flugzeugbesatzungen in großen Flughöhen bereitzustellen. Ein wesentliches Bauelement der beschriebenen Anordnung ist ein Sauerstoffgenerator, der einen Festelektrolyten mit geeigneten Elektroden zur Sauerstofftrennung aus Luft aufweist.

Aus der US 5,378,345 gehen verschiedene Materialkombinationen und räumliche Anordnungen für Festelektrolyte und Elektroden hervor, die für den Aufbau von Sauerstoffgeneratoren geeignet sind.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine kompakte, einfach aufgebaute, für den dezentralen kontinuierlichen Betrieb im medizinischen Bereich geeignete und wirkungsvolle Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen. Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 für eine Vorrichtung der eingangs genannten Art. Die Ansprüche 2 und 3 definieren vorteilhafte Ausgestaltungen und die Ansprüche 4 bis 9 bevorzugte Verwendungen der Vorrichtung nach Anspruch 1. Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß für eine Sauerstofförderleistung von beispielsweise 5 Litern pro Minute nur ein geringes Bauvolumen von etwa 30 Litern mit einem Gewicht von maximal etwa 20 Kilogramm erforderlich ist. Gleichzeitig sind bis auf einen Lüfter keine beweglichen Teile vorhanden, und praktisch reiner Sauerstoff wird generiert. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Konstruktion des eigentlichen Sauerstoffgenerators der aufgrund seiner modularen Bauweise je nach Verwendungszweck und gewünschter Sauerstofförderleistung frei skalierbar durch eine elektrische Reihenschaltung mehrerer einzelner Sauerstoffgeneratoren ist, wobei in dieser bevorzugten Anordnung eine Verfahrenstechnische Parallelschaltung bezüglich der Anordnung der Gasströme realisiert ist.

Der Einsatz der Erfindung im Medizinbereich ist besonders vorteilhaft. Bislang wird der in diesem Bereich Verwendete Sauerstoff entweder in aufwendigen zentralen Aiilagen mit entsprechender Logistik aus der Luft gewonnen (Linde-Verfahren) und verteilt, oder es wird, insbesondere zur Sauerstoff-Langzeittherapie, der Sauerstoff über Molekularsiebe in Druckwechsel-Absorptionsanlagen gewonnen, wobei eine erhebliche Lärmbelästigung zu verzeichnen ist und nur Sauerstoffreinheiten bis maximal 95% erzielt werden. Es besteht im medizinischen Bereich also Bedarf für eine dezentrale Sauerstoffversorgung, die ohne logistischen Aufwand vor Ort für die jeweils gewünschte Anwendung Sauerstoff hinreichender Reinheit ohne Lärmbelästigung liefert.

Die gestellten Anforderungen werden durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erfüllt. Ein wesentliches Bauelement der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Sauerstofftrennung nach Anspruch 1 ist ein Sauerstoffgenerator, der auf dem Prinzip des Ionentransports in Feststoffen beruht. Bei diesem Prinzip werden an einen Festelektrolyten an zwei gegenüberliegenden Seiten Elektroden angeordnet und an die so entstandene Zelle eine Spannung von beispielsweise 1 Volt angelegt. Dadurch wird aus der Luft Sauerstoff von der Kathode zur Anode gepumpt, da der Ladungstransport in Inneren der Zelle von Sauerstoffionen geleistet wird. Wird Luft an der Kathode vorbeigeleitet, so wird der darin enthaltene Sauerstoff ionisiert und durch das treibende Potential der an die Zelle angelegten Spannung durch den Festelektrolyten gefördert. An der Anode wird der ionisierte Sauerstoff wieder entionisiert und kann als reiner Sauerstoff abgegriffen werden. Als Festelektrolyt wird kubisches oder tetragonales Zirkoniumoxid (ZrO₂) verwendet, das zur thermischen Stabilisierung der Gitterstruktur mit 5 bis 12 mol%, insbesondere 7 bis 9 mol%, Yttriumoxid (Y₂O₃) dotiert wird. Die Elektroden bestehen vorzugsweise aus einem porös strukturierten Perowskit vom Typ A_xB_yO₃, wobei A_x = La, Pr, Nd, Sm, Y oder Gd mit 0,5 < x < 1 und B_y = Mn oder Co mit 0,2 < y < 1, Ga mit 0,7 < y < 1, Fe oder Cr mit 0,8 < y < 1, dotiert mit einem oder mehreren der Elemente Ca, Sr, Mg, Co, Ni, Fe, Mn, falls x oder y ungleich 1 sind.

Als Elektrodenmaterial kommen bekanntermaßen auch Silber oder Platin in Frage. Der Aufbau des Sauerstoffgenerators ist in tubularer oder planarer Bauweise möglich. Bei tubularer Bauweise ist der Festelektrolyt als Rohr ausgebildet und die Elektroden sind an der innen- bzw. Außenfläche angeordnet. Für größere Sauerstoff- Lieferleistungen und damit größere Festelektrolytflächen ist eine planare Bauweise mit Ausbildung des Festelektrolyts als eine oder mehrere ebene Platten bevorzugt. Um eine kompakte Bauweise einer Festelektrolytzelle zu erreichen, legt man die Festelektrolyte schichtweise mit je einer gasundurchlässigen, aber elektrisch leitenden Zwischenschicht aus dem gleichen oder ähnlichen Material wie die Elektroden aufeinander. Elektrisch betrachtet erhält man somit eine Reihenschaltung. Auf der Zwischenschicht muß eine Gasführung eingeprägt sein, die aber noch einen ausreichenden Stromkontakt zuläßt, so daß der generierte Sauerstoff auf einer Seite der Zelle abgeführt werden kann. Auf der anderen Seite der Zwischenschicht muß eine geeignete Gasführung eingeprägt sein, welche die Zufuhr von Luft und die Abfuhr von sauerstoffabgereicherter Luft bei gleichzeitigem elektrischen Kontakt ermöglicht.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der einzigen Figur erläutert. Der Sauerstoffgenerator des Ausführungsbeispiels liefert einen Sauerstoffvolumenstrom von 5 Litern pro Minute.

Die hierfür erforderliche Ladungsmenge pro Zeiteinheit beträgt 1435 Ampere. Bei üblichen Stromstärken von 0,5 bis 2 Ampere pro cm² beträgt der Elektrolytflächenbedarf etwa 720 bis 3600 cm².

Bei üblichen Zellspannungen von etwa 1 bis 2 Volt ist eine Leistung von 500 Watt notwendig plus einer Zellheizung, welche die Sauerstoffzelle einmalig auf Betriebstemperatur bringen muß und diese dann im Betrieb auf ihrer Arbeitstemperatur von rund 700 bis 1000°C hält.

Um 5 Liter Sauerstoff pro Minute zu erzeugen, muß einem erfindungsgemäßen Sauerstoffgenerator ein Volumenstrom Luft von 25 bis 125 Litern pro Minute zugeführt werden.

Die Figur stellt schematisch eine bevorzugte Anordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dar, die je nach Anwendungsfall über eine nicht dargestellte Meß- und Regeleinheit oder durch eine Steuereinheit betrieben werden kann. Umgebungsluft mit einer Temperatur von im Extremfall 10 bis 45°C wird mit einem Förderstrom von etwa 25 bis 125 Litern pro Minute mittels eines Lüfters 2 über eine Leitung zu einem Wärmetauscher 11 gefördert. Die Umgebungsluft wird im Wärmetauscher 11 im Gegenstrom mit den im Sauerstoffgenerator 13 getrennten Gasen Sauerstoff und sauerstoffabgereicherte Luft geführt, so daß die heißen, getrennten Gase die zugeführte Umgebungsluft auf die erforderliche Temperatur aufheizen können. Anschließend gelangt die aufgeheizte Umgebungsluft durch eine optionale Zusatzheizung 12 in den Sauerstoffgenerator 13. Der generierte Sauerstoffstrom mit einer Temperatur von etwa 700 bis 1000°C gelangt über den mindestens einen Wärmetauscher 11 und optional über einen, vorzugsweise als Peltierelement ausgebildeten, Kühler 15 in eine Leitung, die beispielsweise direkt in die Inspirationsleitung eines beatmeten oder langzeittherapierten Patienten führt. Die sauerstoffabgereicherte Luft im in der Figur oberen Leitungsabschnitt wird ebenfalls optional über einen vorzugsweise als Peltierelement ausgebildeten Kühler 14 gekühlt und an die Umgebung abgegeben. Statt eines Wärmetauschers 11 können auch zwei hintereinander geschaltete Wärmetauscher verwendet werden, so daß entweder nur die Umgebungsluft und der generierte Sauerstoff im Gegenstrom beide Wärmetauscher 11 passieren, wohingegen die sauerstoffabgereicherte Luft nur einen Wärmetauscher 11 passiert, oder alternativ werden die Wärmetauscher 11 so geschaltet, daß nur die Umgebungsluft und die sauerstoffabgereicherte Luft beide Wärmetauscher 11 passieren, wohingegen der generierte Sauerstoff nur einen Wärmetauscher 11 passiert.

Der Sauerstoffgenerator 13 kann auch zusätzlich über eine direkte Beheizungsmöglichkeit verfügen, um so schnell die erforderliche Betriebstemperatur zu erreichen.

Je nach medizinischem Verwendungszweck kann der generierte Sauerstoff über einen zusätzlichen Befeuchter einem Beatmungs-, Anästhesie-, Transportbeatmungs- oder Sauerstofflangzeittherapiemodul einem zu behandelnden Patienten zugeführt werden.

Claims

1. Vorrichtung zur Sauerstofftrennung von Umgebungsluft für den dezentralen kontinuierlichen Betrieb im medizinischen Bereich mit

- mindestens einem Lüfter (2)
- mindestens einem dem Lüfter (2) nachgeschalteten Sauerstoffgenerator (13) mit einem Festelektrolyten zwischen je einer an eine Spannungsquelle angeschlossenen Kathode und Anode und
- mindestens einem zwischen Lüfter (2) und Sauerstoffgenerator (13) zwischengeschalteten Wärmetauscher (11) zur Vorwärmung der zugeführten Umgebungsluft und Abkühlung der den Sauerstoffgenerator (13) verlassenden sauerstoffabgereicherten Luft und des generierten Sauerstoffs, dadurch gekennzeichnet, daß
- der Sauerstoffgenerator (13) aus mehreren, zueinander parallelen Schichten des Festelektrolyts besteht, die in Form einer elektrischen Reihenschaltung mit je einer Zwischenschicht aus einem gasundurch lässigen, elektrisch leitenden Material angeordnet sind, wobei
- auf jeder Zwischenschicht eine Gasführung eingeprägt ist, so daß auf einer Seite des Sauerstoffgenerators (13) Luft zugeführt und auf der anderen Seite generierter Sauerstoff und sauerstoffabgereicherte Luft abgeführt werden,
- der Festelektrolyt aus Zirkoniumoxid (ZrO₂) besteht mit einer Dotierung von 5 bis 12 mol% Yttriumoxid (Y₂O₃), und
- Kathode und Anode aus einem porösen Perowskit der allgemeinen Formel A_xB_yO₃ (mit A_x = La, Pr, Nd, Sm, Y oder Gd mit 0,5 < x < 1 und B_y = Mn oder Co mit 0,2 < y < 1, Ga mit 0,7 < y < 1, Fe oder Cr mit 0,8 < y < 1), dotiert mit einem oder mehreren der Elemente Ca, Sr, Mg, Co, Ni, Fe, Mn, falls x oder y ungleich 1 sind, bestehen.

2. Vorrichtung zur Sauerstofftrennung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wärmetauscher (11) nachgeschaltet getrennte Leitungen mit Kühlern (14, 15) für die sauerstoffabgereicherte Luft als auch für den generierten Sauerstoff vorgesehen sind.

3. Vorrichtung zur Sauerstofftrennung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Festelektrolyt eben oder rohrförmig ausgebildet ist, wobei im Fall der rohrförmigen Ausbildung die Innenfläche und Außenfläche des Rohres jeweils entweder die Kathode oder die Anode bilden.

4. Verwendung einer Vorrichtung zur Sauerstofftrennung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der generierte Sauerstoff über einen Gasanfeuchter und/oder ein zusätzliches Kühlelement einem Patienten direkt oder mittels eines Beatmungsgerätes oder eines Anästhesiegerätes zugeleitet wird.

5. Verwendung einer Vorrichtung zur Sauerstofftrennung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der generierte Sauerstoff mittels eines nachgeschalteten Verdichters direkt in einen Druckgasbehälter für Sauerstoff gefüllt wird.

6. Verwendung einer Vorrichtung zur Sauerstofftrennung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3 für die Zudosierung von generiertem Sauerstoff in die Inspirationsleitung für maschinell beatmete oder langzeittherapierte Patienten, vorzugsweise als Bestandteil eines Inspirationsgasgemisches.

7. Verwendung einer Vorrichtung zur Sauerstofftrennung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wärme tauscher (11) nachgeschaltet sowohl die sauerstoffabgereicherte Luft als auch der generierte Sauerstoff über getrennte Leitungen geführt sind.

8. Verwendung einer Vorrichtung zur Sauerstofftrennung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gekühlte, generierte Sauerstoff in die Inspirationsleitung zum Patienten gefördert wird.

9. Verwendung einer Vorrichtung zur Sauerstofftrennung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gekühlte, generierte Sauerstoff zur Befüllung von Druckgasbehältern für medizinischen Sauerstoff dient.