DE19823748A1 - Verfahren und Vorrichtung zur plasmachemischen Erzeugung von Stickstoffmonoxid - Google Patents

Abstract

Um insbesondere für medizinische Zwecke ein mit Stickstoffmonoxid (NO) angereichertes Inhalationsgas herzustellen, werden ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur plasmachemischen Erzeugung von Stickstoffmonoxid (NO) vorgeschlagen. Die Stickstoffmonoxid-Erzeugung wird dabei mittels einer in einem Stickstoff (N¶2¶) und Sauerstoff (O¶2¶) enthaltenden Betriebsgas (B) herbeigeführten dielektrisch behinderten Entladung bewirkt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur plasmachemischen Erzeugung von Stickstoffmonoxid (NO) insbesondere für medi­ zinische Zwecke. Sie bezieht sich desweiteren auf eine Vor­ richtung zur plasmachemischen Erzeugung von NO.

Stickstoffmonoxid ist ein biologisch wichtiges Molekül für die inner- und interzelluläre Reizleitung und für immunologi­ sche Reaktionen, das normalerweise auch im menschlichen Kör­ per gebildet wird. Die Entspannung von Blutgefäßen wird von NO ebenso beeinflußt wie die Entspannung der Alveolen oder der glatten Muskulatur im gastrischen Bereich. Ein Mangel an NO kann umgekehrt dazu führen, daß die Relaxation der glatten Muskulatur unterbleibt und damit Konstriktionen auftreten. Eine solche Konstriktion äußert sich beispielsweise im bron­ chialen Bereich in Form von Asthma. Viele dieser Symptome lassen sich bekanntermaßen durch Inhalation NO-haltiger Gas­ gemische mit NO-Konzentrationen im Bereich 0,5 ppm bis 200 ppm beheben.

Bisher wird ein derartiges NO-haltiges Inhalationsgas aus Gasflaschen bereitgestellt, deren Lagerung und Handhabung in einer Klinik oder einer anderen Therapieeinrichtung aufgrund der erforderlichen Sicherheitsmaßnahmen aufwendig ist. Dies gilt insbesondere für eine mobile Vorrichtung. Zudem muß die Qualität des gelagerten Gases für medizinische Anwendungen hohen Anforderungen genügen, die den Aufwand für Herstellung und Lagerung weiter erhöhen. Schon eine geringe Verunreini­ gung des Gases führt nämlich zur Bildung unerwünschter - und eventuell giftiger - Nebenprodukte.

Aus der WO 95/07610 A ist ein Verfahren zur plasmachemischen Erzeugung von NO bekannt, bei dem NO unter Einwirkung einer Glimmentladung in einem Stickstoff (N₂) und Sauerstoff (O₂) enthaltenden Betriebsgas erzeugt wird. Die Glimmentladung wird dabei kontinuierlich betrieben. Eine Gasentladung der beschriebenen Art führt in nachteiliger Weise nur zu einer vergleichsweise geringen Aufheizung des Betriebsgases auf eine Temperatur, die in der Größenordnung von 200°C liegt. Bei dieser vergleichsweise niedrigen Temperatur läßt sich NO in einem Gasgemisch nur mit einer geringen Effizienz erzeu­ gen. Vielmehr wird bevorzugt das für Inhalationszwecke uner­ wünschte NO₂ erzeugt. Um das NO₂ aus dem Inhalationsgas zu entfernen, ist der Einsatz einer aufwendigen Absorbertechnik erforderlich. Der Nachteil eines Absorbers liegt insbesondere darin, daß das Absorbermaterial häufig ausgetauscht oder wie­ deraufbereitet werden muß.

Ein weiteres Verfahren dieser Art ist aus der US 5 396 882 A bekannt. Anstelle der Glimmentladung wird hier das Plasma mittels einer Funkenentladung (oder auch Lichtbogenentladung) erzeugt. Die im Vergleich zu einer Glimmentladung energierei­ che Funkenentladung bewirkt eine vergleichsweise starke Gas­ aufheizung, wodurch eine entsprechend effiziente NO-Erzeugung erzielt wird. Die insbesondere am Ansatzpunkt des Funkens hohe thermische Belastung der Elektroden führt jedoch in nachteiliger Weise zu einer starken Elektrodenerosion, d. h. einer fortschreitenden Zersetzung des Elektrodenmaterials. Aufgrund dieser Elektrodenerosion ist das bekannte Verfahren einerseits wartungsintensiv, da die Elektroden sehr ver­ schleißanfällig sind. Andererseits muß verhindert werden, daß das im Inhalationsgas feinverteilte erodierte Elektrodenmate­ rial in die Atmungswege eines Patienten gelangt. Dies erfor­ dert eine aufwendige Reinigung des Inhalationsgases.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbes­ sertes Verfahren zur plasmachemischen Erzeugung von NO an zu­ geben. Darüber hinaus soll eine Vorrichtung angegeben werden, mit welcher das Verfahren besonders effektiv durchführbar ist.

Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach wird ein Stickstoff (N₂) und Sauerstoff (O₂) enthaltendes Be­ triebsgas durch eine Entladungszone geleitet, innerhalb derer eine dielektrisch behinderte Gasentladung (oder auch Barrie­ renentladung) herbeigeführt wird. Die dielektrisch behinderte Gasentladung führt zu eine Ionisation von Gasmolekülen und somit zur Bildung reaktiver Radikale in einem sogenannten nicht-thermischen Plasma. Die Gasentladung und somit die Plasmaerzeugung finden bei einer erhöhten Gastemperatur von mindestens 400°C statt.

Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, daß sich eine Elektrodenerosion wirksam vermeiden läßt, wenn die Ga­ sentladung nicht kontinuierlich, sondern in kurzzeitigen Ent­ ladungspulsen betrieben wird. Dazu eignet sich erkanntermaßen die sogenannte dielektrisch behinderte Entladung im besonde­ ren Maße, da sich eine solche prinzipiell in einer Serie von kurzen Entladungspulsen vollzieht. Eine mittels einer Puls­ verkürzung der Entladungsspannung hervorgerufene gepulste Gasentladung wäre schon deshalb zur Lösung der Aufgabe un­ zweckmäßig, weil dazu eine technisch aufwendige - und daher teuere - Spannungsversorgung benötigt würde. Die zum Betrieb einer dielektrisch behinderten Entladung benötigte Spannungs­ versorgung ist dagegen einfach und kostengünstig zu realisie­ ren. Bei einer vergleichsweise erhöhten Temperatur von minde­ stens 400°C bis 800°C läuft dabei die NO-Erzeugung genügend effizient ab, während gleichzeitig unerwünschte mehrfach oxidierte Stickoxide, insbesondere NO₂, nur in geringem Maße erzeugt werden. Versuche haben ergeben, daß ein Temperaturbe­ reich von 600°C bis 800°C in der Gasentladung besonders gün­ stig für die plasma-induzierte NO-Erzeugung ist. Insbesondere wird mittels der Begrenzung der Temperatur auf weniger als 800°C die Schädigung des Elektrodenmaterials (Elektrodenero­ sion) durch Sauerstoff-Radikale unterdrückt.

Um die infolge der Gasentladung entstandenen mehrfach oxi­ dierten Stickoxide wirkungsvoll aus dem mit NO angereicherten Betriebsgas zu entfernen, werden diese in einem bevorzugt vorgesehenen Verfahrensschritt katalytisch reduziert. Als vorteilhaft hat sich dabei eine Gastemperatur bis zu 600°C während der Reduktion erwiesen. Aufgrund der Reduktion der mehrfach oxidierten Stickoxide kann die Verwendung häufig auszutauschender Absorbermaterialien auf ein geringes Maß be­ schränkt werden.

Vorteilhafterweise wird mittels der Gasentladung und ggf. der dieser nachgeschalteten Reduktion eine hohe NO-Konzentration im Betriebsgas erzeugt, die ≧ 1000 ppm beträgt und somit die für medizinische Anwendungen verträgliche NO-Konzentration von bis zu 200 ppm um ein Mehrfaches übersteigt. Die hochkon­ zentrierte NO-Erzeugung läuft mit einem besonders hohen Wir­ kungsgrad ab und ist somit energiesparend. Zur Erreichung ei­ ner medizinisch verträglichen NO-Konzentration im Betriebsgas wird das mit NO hochangereicherte Betriebsgas mit unbehandel­ ten - und somit an NO armen - Betriebsgas rückverdünnt. Durch die Zumischung des unbehandelten Betriebsgases erfolgt des­ weiteren eine Kühlung des hochangereicherten Betriebsgases. Dies verbessert zusätzlich die Wirtschaftlichkeit des Verfah­ rens, zumal auf die Weise Energie für die ohnehin nötige Kühlung des Betriebsgases vor dessen Auslieferung an einem Patienten eingespart wird.

Zweckmäßigerweise wird zumindest ein Teil der überschüssigen Wärme des infolge der Gasentladung angereicherten Betriebsga­ ses zur Vorheizung des noch unbehandelten Betriebsgases zu­ rückgewonnen. Dies verringert die Betriebskosten für die oh­ nehin nötige Kühlung des aus der Entladungszone abströmenden Betriebsgases. Infolge der erzielten Kühlung werden zudem un­ erwünschte Folgereaktionen, wie beispielsweise die Rückbil­ dung von NO₂, im Betriebsgas weitgehend unterdrückt.

Als Betriebsgas wird zweckmäßigerweise Luft verwendet. Eine aufwendige Handhabung von Gasflaschen oder ähnlichen Aufbe­ wahrungsmitteln entfällt dadurch. Dies ist insbesondere von Vorteil bei einem mobilen Einsatz des Verfahrens. Alternativ dazu ist der Einsatz von sogenannter synthetischer Luft zweckmäßig, insbesondere für eine stationäre Durchführung des Verfahrens im klinischen Bereich. Darunter versteht man eine Mischung aus jeweils als Reingas vorliegendem Stickstoff und Sauerstoff. In dieser Ausführung kann die Zusammensetzung des Betriebsgases je nach Anforderung variiert werden. Da synthe­ tische Luft frei von Verunreinigungen und Schadstoffen ist, kann zu dem eine Filterung und Reinigung des Betriebsgases vor der Durchführung des Verfahrens entfallen.

Die NO-Erzeugung wird vorteilhafterweise anhand des Volumen­ stroms des Betriebsgases, der Gastemperatur und/oder der Ent­ ladungsspannung als Einstellparameter geregelt. Die Einstell­ parameter können dabei alternativ oder gleichzeitig zur Rege­ lung der NO-Erzeugung herangezogen werden. Insbesondere bei gleichzeitiger Regelung der NO-Erzeugung über mehrere Ein­ stellparameter kann das Verfahren vorteilhafterweise hin­ sichtlich des Energieverbrauchs und der Erzeugung unerwünsch­ ter Nebenprodukte optimiert werden. Als Meßgrößen für die Re­ gelung werden dabei die Gastemperatur, der Gasdruck und zu­ mindest die NO-Konzentration herangezogen. Desweiteren werden bevorzugt die Konzentrationen an O₂ und NO₂ ermittelt. Die Regelung erfolgt mittels vorgegebener Kennlinien, die den Zu­ sammenhang zwischen den Meßgrößen und den Einstellgrößen her­ stellen. Die Meßgrößen werden vorteilhafterweise im rückver­ dünnten Betriebsgas ermittelt, das als Endprodukt an einen Patienten ausgeliefert wird. Auf diese Weise kann die ein­ wandfreie Durchführung des Verfahrens anhand der Meßgrößen besonders zuverlässig kontrolliert werden. Ein Überschreiten vorgegebener kritischer Grenzwerte für die Meßgrößen, insbe­ sondere die Konzentrationen, wird vorzugsweise unmittelbar angezeigt, so daß die weitere NO-Erzeugung ggf. gestoppt wer­ den kann.

Bezüglich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 9. Dabei ist zur Erzeugung von Stickstoffmonoxid ein von einem Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Betriebsgas durchströmter plasma­ chemischer Reaktor vorgesehen, dem in Strömungsrichtung des Betriebsgases ein katalytischer Konverter zur Reduktion mehr­ fach oxidierter Stickoxide nachgeschaltet ist.

Zur Erzeugung einer dielektrisch behinderten Entladung umfaßt der Reaktor vorzugsweise eine Elektrode und eine dieser mit Abstand gegenüberstehende Gegenelektrode, zwischen deren ein­ ander zugewandten Flächen ein vom Betriebsgas durchströmter Entladungsspalt gebildet ist. Die dem Entladungsspalt zuge­ sandte Fläche der Elektrode ist dabei mit einer dielektri­ schen Barriere, d. h. mit einer Schicht aus einem dielektrisch wirksamen Material, versehen. Vorteilhafterweise ist der Ent­ ladungsspalt zur Bildung von Entladungszonen in Strömungs­ richtung alternierend verengt ausgebildet. Auf diese Weise wird der Entladungsspalt längs der Strömungsrichtung in Zonen fit hohem elektrischen Feld zur Radikalerzeugung und in Zonen mit niedrigem elektrischen Feld zur ungestörten Reaktion der Radikale mit dem Betriebsgas unterteilt. Mittels einer derar­ tigen Strukturierung des Entladungsspaltes wird die Effizienz des Reaktors entscheidend erhöht.

Vorteilhafterweise nimmt dabei die Schlagweite, d. h. die Breite des Entladungsspaltes im Bereich einer jeden Entla­ dungszone in Strömungsrichtung von Entladungszone zu Entla­ dungszone zu. Damit wird erreicht, daß trotz der sukzessiven Gasaufheizung entlang des Reaktors und der sich somit ändern­ den Plasmabedingungen in jeder Entladungszone stets die glei­ che Leistung in das Betriebsgas eingekoppelt wird.

Wird in vorteilhafter Ausgestaltung der Konverter in Strö­ mungsrichtung unmittelbar an den Reaktor angesetzt ist, so wird eine Abkühlung des Betriebsgases zwischen dem Reaktor und dem Konverter vermieden. Die Wärme des infolge der Gasentladung aufgeheizten Betriebsgases wird somit effizient zur Beschleunigung der im Konverter stattfindenden chemischen Reduktion genutzt. Weitere Energie zur Aufheizung und der nachfolgenden Kühlung des Betriebsgases wird zweckmäßiger­ weise dadurch eingespart, das mittels eines Wärmetauschers das dem Reaktor zuströmende Betriebsgas unter Rückgewinnung der Wärme des aus dem Reaktor abströmenden Betriebsgas es vor­ geheizt wird. In einer besonders vorteilhaften Ausführungs­ form ist dabei der Konverter integral als Wärmetauscher aus­ gebildet.

Zur Optimierung der Vorrichtung hinsichtlich ihres Energie­ verbrauchs trägt außerdem eine dem Reaktor und dem Konverter parallelgeschaltete Zweigleitung bei, über welche unbehandel­ tes Betriebsgas am Reaktor und am Konverter vorbeigeleitet wird. Der Reaktor und der Konverter können somit mit einem besonders hohen Wirkungsgrad betrieben werden, wobei das den Reaktor und den Konverter durchströmende Betriebsgas mit NO hochangereichert wird. Über die Zweigleitung wird dieses hochangereicherte Betriebsgas auf die gewünschte NO-Konzen­ tration rückverdünnt, wodurch gleichzeitig eine energiespa­ rende Kühlung des hochangereicherten Betriebsgases erzielt wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbeson­ dere darin, daß mittels eines plasmachemischen Reaktors zur Erzeugung einer dielektrisch behinderten Entladung Stick­ stoffmonoxid in einem Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Betriebsgas besonders effektiv erzeugt werden kann. Der an sich aus der WO 97/03746 bekannte Reaktor wird jedoch nicht entsprechend der dortigen Verwendung zur Zersetzung von NO und NO₂ sondern vielmehr zur Erzeugung von NO für medizini­ sche Zwecke eingesetzt.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Stick­ stoffmonoxid in einer für die Verwendung von Luft als Betriebsgas vorgesehenen Ausführungsform,

Fig. 2 für die Verwendung von synthetischer Luft als Be­ triebsgas vorgesehene Ausführungsform der Vorrichtung gemäß Fig. 1, und

Fig. 3 einen plasmachemischen Reaktor mit einem an diesem angesetzten katalytischen Konverter.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung 1 wird von einer Pumpe 2 mit einem einstellbaren Volumenstrom angesaugte Luft als Betriebsgas B zunächst durch einen Einlaßfilter 3 gelei­ tet, in welchem Verunreinigungspartikel - wie z. B. Ruß oder Staub entfernt werden. Desweiteren findet im Einlaßfilter 3 vorzugsweise eine Trocknung des Betriebsgases B statt. Das gereinigte und getrocknete Betriebsgas B wird mittels der Pumpe 2 entlang der Strömungsrichtung S über einen Wärmetau­ scher 4 einem plasmachemischen Reaktor 5 zugeführt.

Der Reaktor 5 beinhaltet eine gasdurchströmte Elektrodenan­ ordnung 6, die aus einem Hochspannungsnetzteil 7 mit einer einstellbaren Entladungsspannung U versorgt wird. Als Entla­ dungsspannung U wird eine periodische Wechselspannung mit ei­ ner Frequenz zwischen 1 kHz und 100 kHz und sinusförmigem oder gepulstem Zeitverlauf verwendet. Die mittlere Entladungslei­ stung wird dabei über die Amplitude und/oder die Frequenz der Entladungsspannung U eingestellt. Innerhalb der Elektroden­ anordnung 6 wird durch die geregelte Zufuhr elektrischer Energie eine nicht-thermische, räumlich eng begrenzte Gasent­ ladung betrieben, die im Betriebsgas B vornehmlich Stick­ stoffradikale erzeugt und das Betriebsgas B dabei gleichzei­ tig auf eine Gastemperatur T₁ zwischen 600°C und 800°C auf­ heizt. Bei Bedarf kann die Aufheizung des Betriebsgases B zusätzlich in einem der Elektrodenanordnung 6 vorgeschalteten Heizaggregat 8 erfolgen. Dieses Heizaggregat 8 ist bevorzugt als thermostatisch geregelte Heizspule ausgeführt.

In dem genannten Temperaturintervall reagiert ein durch die Gasentladung gebildetes Stickstoff-Radikal sehr effizient mit einem Sauerstoffmolekül (O₂) unter Bildung von NO. Eine Ab­ baureaktion des NO mit einem Sauerstoff-Radikal unter NO₂- Bildung findet dabei infolge der vergleichsweise hohen Gastemperatur T₁ nur in einem geringen Maß statt. Die obere Grenztemperatur für die Gasentladung ist gemäß T₁ ≦ 800°C derart gewählt, daß eine thermische NO-Erzeugung vermieden wird. Eine solche thermische NO-Erzeugung ist infolge der Be­ teiligung von Sauerstoff-Radikalen mit einer extremen Bela­ stung des Reaktormaterials verbunden.

Dem Reaktor 5 ist ein katalytischer Konverter 9 nachgeschal­ tet. Mittels des Konverters 9 werden als Nebenprodukt der Gasentladung gebildete mehrfach oxidierte Stickoxide, insbe­ sondere NO₂ und N₂O₅, zu NO reduziert. Als geeignetes Kataly­ satormaterial ist aus der JP 096-304377 beispielsweise M₀₂C mit 1-2% Ni bekannt. Diese chemische Reduktion läuft beson­ ders effizient bei einer Gastemperatur T₂ von bis zu 600°C ab. Der Konverter 9 ist deshalb in räumlicher Nähe zum Reak­ tor 5 angeordnet, um eine Abkühlung des Betriebsgases B zwi­ schen dem Reaktor 5 und dem Konverter 9 zu vermeiden. Das dem Konverter 9 entströmende heiße Betriebsgas B wird durch den Wärmetauscher 4 geleitet, in dem ein Teil seiner Wärme zur Vorheizung des dem Reaktor 5 zuströmenden unbehandelten Be­ triebsgases B zurückgewonnen wird. Das vom Reaktor 5 abströ­ mende Betriebsgas B wird nach Durchlaufen des Wärmetau­ schers 4 in einem bevorzugt mit einem Thermostat versehenen Kühler 10 auf eine einstellbare Temperatur T₃ abgekühlt.

Mittels des Reaktors 5 und des Konverters 9 wird das Be­ triebsgas B auf eine hohe NO-Konzentration CN*_No angereichert, welche die für eine medizinische Anwendung geforderten Werte (< 200 ppm) um ein Mehrfaches übersteigt. Daher ist eine den Reaktor 5 und den Konverter 9 überbrückende Zweigleitung 11 vorgesehen, über die das hochangereicherte Betriebsgas B durch Zumischung von unbehandeltem Betriebsgas B bezüglich des NO-Gehalts rückverdünnt wird. Infolge der Zumischung des unbehandelten und somit kalten Betriebsgases B ist gleich­ zeitig das rückverdünnte Betriebsgas B bezüglich des hochan­ gereicherten Betriebsgases B weiter abgekühlt. Zur Einstel­ lung eines definierten Zumischungsanteils ist die Zweiglei­ tung 11 mit einem Massenflußregler 12 versehen. Als kosten­ günstige Alternative zu diesem Massenflußregler 12 kann auch ein manuell zu betätigendes Ventil vorgesehen sein.

Über ein in Strömungsrichtung S öffnendes Rückschlagventil 13 strömt das rückverdünnte Betriebsgas B in eine vorzugsweise flexible Leitung 14, welche die Vorrichtung 1 mit einer Schnittstelle zu einem Patienten (z. B. einer Atemmaske oder ein Sauerstoffzelt) verbindet. In einem in der Leitung 14 an­ geordneten T-Stück 15 besteht die Möglichkeit, das rückver­ dünnte Betriebsgas B durch Zumischung von Luft, Sauerstoff, etc. über eine Zuleitung 16 weiter zu konditionieren. Ein stromabwärts des T-Stücks angeordneter Auslaßfilter 17 ver­ hindert, daß durch Reaktion von NO mit O₂ inzwischen gebilde­ tes NO₂ zum Patienten gelangt. Dieser Filter kann bekannte NO₂-Absorber wie noXon®, Atemkalk, Sodalime® oder Sodasorb® enthalten. Das mittels des Auslaßfilters 17 gereinigte Be­ triebsgas B wird dem Patienten als Inhalationsgas zugeführt.

Dem Rückschlagventil 13 ist ein von dem rückverdünnten Be­ triebsgas B umspülter Prüfkopf 18 vorgeordnet, der dieses fortlaufend kontrolliert. Der Prüfkopf 18 ist dazu mit Senso­ ren zur Messung einer der Temperatur T₄, des Drucks p und der Konzentrationen C_i von NO, O₂ und NO₂ des rückverdünnten Be­ triebsgases B ausgestattet. Zur Konzentrationsmessung sind bevorzugt elektrochemische Sensoren vorgesehen, wie sie bei­ spielsweise bei der Rauchgasanalyse üblich sind. Alternativ dazu können auch Chemolumineszenz-Sensoren verwendet werden.

Die vom Prüfkopf 18 ermittelten Temperatur-, Druck- und Kon­ zentrationsdaten T₄, p, C_i werden als Meßgrößen einer zentralen Regeleinheit 19 zugeführt. Die Regeleinheit 19, die bevorzugt als elektronische Datenverarbeitungsanlage ausgeführt ist, ist über eine Steuerleitung 20 mit der Pumpe 2, dem Hochspan­ nungsnetzteil 7, dem Heizaggregat 8, dem Kühler 10 sowie dem Massenflußregler 12 verbunden. Anhand vorgegebener Kennlinien steuert die Regeleinheit 19 die genannten Geräte 2, 7, 8, 10, 12 derart, daß die gemessenen Ist-Werte der Meßgrößen T₄, p, C_i mit extern vorgegebenen Soll-Werten übereinstimmen. Bei einer kritischen Abweichung des Ist-Wertes mindestens einer Meßgröße T₄, p, C_i von dessen Soll-Wert, beispielsweise infolge eines Defekts der Vorrichtung 1, gibt die Regeleinheit 19 ein Alarmsignal aus und stoppt ggf. die NO-Erzeugung.

Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung 1 ist abweichend von der Ausführungsform gemäß Fig. 1, die ins­ besondere für den mobilen Einsatz geeignet ist, für die Ver­ wendung von sogenannter synthetischer Luft oder eines anderen Stickstoff-Sauerstoff-Gemisches als Betriebsgas B vorgesehen. Der Begriff "synthetische Luft" bezeichnet in diesem Zusam­ menhang ein Gemisch aus reinem Sauerstoff O₂ und reinem Stickstoff N₂ im Verhältnis 2 : 8 (Volumenverhältnis). Zumal beide Gaskomponenten aus Gasflaschen bereitgestellt werden müssen, ist diese Ausführungsform der Vorrichtung 1 in erster Linie für den stationären Einsatz z. B. im klinischen Bereich geeignet.

Bei Verwendung synthetischer Luft entfallen die Pumpe 2 und der Einlaßfilter 3 gemäß Fig. 1. Statt dessen werden die bei­ den Gaskomponenten über zwei getrennte Zuleitungen 21 und 22 in einer Mischungskammer 23 zusammengeführt und gleichmäßig durchmischt. Das Mischungsverhältnis des Betriebsgases B so­ wie dessen Volumenstrom kann dabei über einen in jeder Zulei­ tung 21, 22 positionierten Massenflußregler 24 bzw. 25 einge­ stellt werden. Die Massenflußregler 24 und 25 werden dabei ebenfalls über die Steuerleitung 20 von der zentralen Re­ geleinheit 19 angesteuert. Jedem Massenflußregler 24, 25 ist dabei ein Kontrollventil 26 bzw. 27 vorgeschaltet. Zumal die Sauerstoffkonzentration vom Sauerstoffsensor im Prüfkopf 18 gemessen und an die Regeleinheit 19 gemeldet wird, läßt sich eine Fehlfunktion der Massenflußregler 24, 25 sofort auf­ decken.

Der übrige Aufbau der Vorrichtung 1 entspricht dem Ausfüh­ rungsbeispiel gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des plasmachemi­ schen Reaktors 5 und des katalytischen Konverters 9, gemäß der der Konverter 9 direkt an den Reaktor 5 angesetzt ist. Der Reaktor 5 und der Konverter 9 weisen dabei eine im we­ sentlichen hohlzylindrische Form auf und sind koaxial bezüg­ lich einer Längsachse L angeordnet.

Die Elektrodenanordnung 6 gemäß den Fig. 1 und 2 ist durch eine Elektrode 30 und eine Gegenelektrode 31 gebildet. Die als hohlzylindrische Wand des Reaktors 5 ausgebildete Elek­ trode 30 ist dabei innenseitig mit einer dielektrischen Schicht als Barriere 32 versehen. Als Material für die Bar­ riere 32 wird dabei vorzugsweise Quarzglas oder eine dicht­ gesinterte Aluminiumoxid-Keramik verwendet. Die im wesentli­ chen hohlzylindrische Gegenelektrode 31 ist dabei koaxial im Inneren der Elektrode 30 geführt. Der zwischen der Bar­ riere 32 und der Gegenelektrode 31 gebildete Ringraum wird als Entladungsspalt 33 bezeichnet. Die Gegenelektrode 31 trägt auf ihrer Außenfläche eine Anzahl von ringscheibenför­ migen Vorsprüngen 34, die senkrecht zur Längsachse L in den Entladungsspalt 33 hineinragen. Die Vorsprünge 34 verengen somit den Entladungsspalt 33 alternierend bezüglich der Längsachse L.

Das Betriebsgas B wird dem Reaktor 5 über die hohle Gegene­ lektrode 31 zugeführt. Die Gegenelektrode 31 ist zu diesem Zweck an eine Rohrleitung 35 aus Edelstahl angeschlossen, die fluchtend zur Gegenelektrode 31 den Konverter 9 über dessen gesamte Länge durchzieht. Die Rohrleitung 35 und die Gegene­ lektrode 31 sind dabei mittels einer Übergangshülse 36 aus Isoliermaterial elektrisch voneinander getrennt. Das dem Re­ aktor 5 zugeführte Betriebsgas B durchströmt somit zunächst innerhalb der Rohrleitung 35 den Konverter 9 und wird dabei von dem um die Rohrleitung 35 angeordneten Heizaggregat 8 vorerhitzt. Das vorerhitzte Betriebsgas B wird innerhalb der Gegenelektrode 31 weitergeleitet und tritt aus dieser nahe des durch eine Stirnwand 37 aus Isoliermaterial verschlosse­ nen Freiendes des Reaktors 5 durch entsprechende Auslaßöff­ nungen 38 in den Entladungsspalt 33 aus. Im Entladungs­ spalt 33 strömt das Betriebsgas B in Richtung des Konver­ ters 9 zurück, wobei es die von den Vorsprüngen 34 gebildeten Verengungen passiert.

Infolge der über ein Koaxialkabel 39 an die Elektroden 30, 31 angelegten Entladungsspannung U bildet sich zwischen der in den Entladungsspalt 33 hineinragenden Kante jedes Vor­ sprungs 34 und einem radial gegenüberliegenden Bereich an der Innenwand der Barriere 32 eine räumlich eng begrenzte Entla­ dungszone 40 aus. Beim Passieren der Entladungszone 40 werden Moleküle des Betriebsgases B ionisiert. Getrieben durch die Entladungsspannung U entsteht infolge der Ionisierung ein Stromfluß in der Entladungszone 40.

Da die dielektrische Barriere 32 eine schlechte elektrische Leitfähigkeit aufweist, baut sich durch den Stromfluß lokal eine Gegenspannung zwischen der Innenwand der Barriere 32 und der Elektrode 30 auf. Dadurch wird nach kurzer Zeit an dieser Stelle die für die Aufrechterhaltung der Gasentladung erfor­ derliche Spannung unterschritten und weitere Einkopplung von Energie unterbunden.

In der Gasentladung werden insbesondere Stickstoff-Radikale erzeugt, die mit Sauerstoff zu NO reagieren. Die jeweils zwi­ schen zwei Entladungszonen 40 liegenden Bereiche des Entla­ dungsspalts 33 sind entladungsfrei. In diesen entladungs­ freien Zonen vollzieht sich die radikalinduzierte Erzeugung des NO ungestört von erneuten Ionisierungsprozessen.

Die Schlagweite W beträgt 2 bis 4 mm. Als Schlagweite W wird hierbei der Abstand eines jeden Vorsprungs 34 zur Barriere 32 oder - anders ausgedrückt - die Breite des Entladungsspal­ tes 33 im Bereich einer jeden Entladungszone 40 bezeichnet. Bei einer Barrierendicke von ca. 5 mm genügt zur Zündung ei­ ner Gasentladung eine Entladungsspannung U, deren Span­ nungsamplitude ca. 3 kV beträgt. Die Schlagweite W der auf­ einanderfolgenden Entladungszonen 40 ist - wie aus Fig. 3 er­ sichtlich - in Strömungsrichtung S des Betriebsgases B suk­ zessiv vergrößert. Dies trägt der Erkenntnis Rechnung, daß die Zündspannung einer Gasentladung mit steigender Gastempe­ ratur T₁ sinkt. Auf diese Weise wird erreicht, daß trotz der sukzessiven Gasaufheizung des entlang des Reaktors 5 strömen­ den Betriebsgases B in jeder Entladungszone 40 etwa die glei­ che Leistung in das Betriebsgas B eingekoppelt wird.

Durch eine für das Betriebsgas B durchlässige Stirnwand 41 tritt dieses nach Durchlaufen der Entladungszonen 40 in den angrenzenden Innenraum 42 des Konverters 9 ein. Dieser Innen­ raum 42 ist mit einem Katalysatormaterial befüllt, welches die Reduktion von NO₂ oder höheren Stickoxiden zu NO kataly­ tisch begünstigt. Infolge der koaxialen Anordnung der Rohr­ leitung 35 und des Heizaggregats 8 im Konverter 9 beheizt das Heizaggregat 8 auch das Katalysatormaterial und beschleunigt somit die Reduktion. Umgekehrt heizt das den Innenraum 42 durchströmende heiße Betriebsgas B das innerhalb der Rohrlei­ tung 35 einlaufende Betriebsgas B. Der Konverter 9 erfüllt somit in der Ausführung gemäß Fig. 3 in integraler Weise auch die Funktion des Wärmetauschers 4 gemäß den Fig. 1 und 2. Über einen in der dem Reaktor 5 abgewandten Stirnwand 43 des Konverters 9 angeordneten Gasauslaß 44 wird das dem Innen­ raum 42 entströmende Betriebsgas B dem in Fig. 3 nicht darge­ stellten Kühler 10 zugeleitet.

Claims (19)

1. Verfahren zur plasmachemischen Erzeugung von Stick­ stoffmonoxid (NO), bei dem ein Stickstoff (N₂) und Sauer­ stoff (O₂) enthaltendes Betriebsgas (B) durch eine Ent­ ladungszone (40) geleitet wird, innerhalb derer eine dielektrisch behinderte Gasentladung herbeigeführt wird, wobei mittels der Gasentladung ein nichtthermisches Plasma erzeugt wird, dessen Gastemperatur (T₁) mindestens 400°C beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasentladung in einem Temperatur­ bereich von 600°C bis 800°C betrieben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß infolge der Gasentladung ent­ standene mehrfach oxidierte Stickoxide katalytisch zu Stick­ stoffmonoxid (NO) reduziert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytische Reduktion bei einer Gastemperatur (T₂) von bis zu 600°C durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß infolge der Gasentladung das Betriebsgas (B) mit einer hohen Stickstoff­ monoxid-Konzentration (C_No) von ≧ 1000 ppm angereichert wird und daß dieses hochangereicherte Betriebsgas (B) durch Zumi­ schung von unbehandeltem Betriebsgas (B) auf eine für medizi­ nische Zwecke geeignete Stickstoffmonoxid-Konzentration (C_NO) von ≦ 200 ppm rückverdünnt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme des aus der Entladungszone (40) abströmenden Betriebsgases (B) zumindest teilweise zur Aufheizung des der Entladungs­ zone (40) zuströmenden unbehandelten Betriebsgases (B) heran­ gezogen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Betriebs­ gas (B) Luft verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff­ umsatz der Stickstoffmonoxid-Erzeugung anhand des Volumen­ flusses des Betriebsgases (B), der Gastemperatur (T₁) inner­ halb der Gasentladung und/oder der die Gasentladung aus­ lösenden Entladungsspannung (U) geregelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßgröße für die Regelung die Gas­ temperatur (T₄), der Gasdruck (p) und die Stickstoffmonoxid- Konzentration (C_NO) sowie die Stickstoffdioxid-Konzentration (C_NO2) im rückverdünnten Betriebsgas (B) bestimmt werden.

10. Vorrichtung zur plasmachemischen Erzeugung von Stick­ stoffmonoxid (NO), mit einem von einem Stickstoff (N₂) und Sauerstoff (O₂) enthaltenden Betriebsgas (B) durchströmten plasmachemischen Reaktor (5), und mit einem in Strömungs­ richtung (S) des Betriebsgases (B) diesem nachgeschalteten katalytischen Konverter (9).

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Reaktor (5) eine mit einer dielektrisch wirksamen Schicht (32) versehene Elektrode (30) sowie eine Gegenelektrode (31) aufweist, wobei zwischen deren einander zugewandten Flächen ein vom Betriebsgas (B) durch­ strömter Entladungsspalt (33) gebildet ist, und daß der Ent­ ladungsspalt (33) in Strömungsrichtung (S) des Betriebsga­ ses (B) eine Anzahl von Entladungszonen (40) bildenden Eng­ stellen aufweist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (W) des Entladungs­ spaltes (33) in einer jeden Entladungszone (40) in Strömungs­ richtung (S) des Betriebsgases (B) von Entladungszone (40) zu Entladungszone (40) zunimmt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Konver­ ter (9) in Strömungsrichtung (S) des Betriebsgases (B) dem Reaktor (5) unmittelbar nachgeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, gekennzeichnet durch einen Wärmetauscher (4) zur Vorheizung des dem Reaktor (5) zuströmenden Betriebsgases (B) mittels des aus dem Reaktor (5) abströmenden Betriebsgases (B).

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (4) in den Konverter (9) integriert ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, gekennzeichnet durch eine dem Reaktor (5) und dem Konverter (9) parallelgeschaltete Zweigleitung (11) zur Rück­ verdünnung des dem Konverter (9) entströmenden, mit Stick­ stoffmonoxid (NO) hochangereicherten Betriebsgas (B) mittels unbehandelten Betriebsgases (B)

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, gekennzeichnet durch einen in Strömungsrichtung (S) des Betriebsgases (B) hinter dem Konverter (9) angeord­ neten Prüfkopf (18), der mit einem Temperaturfühler, einem Drucksensor und/oder mindestens einem Sensor zur Bestimmung einer Konzentration (C_i) im Betriebsgas (B) versehen ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 17, gekennzeichnet durch eine Regeleinheit (19) zur Einstellung der in den Reaktor (5) eingekoppelten Leistung, des Volumenflusses des Betriebsgases (B) und/oder der Gas­ temperatur (T₁, T₂, T₃, T₄).

19. Verwendung eines eine dielektrisch behinderte Entladung erzeugenden plasmachemischen Reaktors (5), mit einer eine dielektrisch wirksame Schicht (32) aufweisenden Elektrode (30) sowie mit einer durch einen gasdurchströmten Ent­ ladungsspalt (33) von dieser getrennten Gegenelektrode (31) zur Erzeugung von Stickstoffmonoxid (NO) in einem Stick­ stoff (N₂) und Sauerstoff (O₂) enthaltenden Betriebsgas (B) für medizinische Zwecke.