DE19947453A1 - Gaskompressor mit zweistufigem Kolben - Google Patents
Gaskompressor mit zweistufigem KolbenInfo
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Abstract
Der Gaskompressor mit zweistufigem Kolben (6) ist in einer Gassammelanlage zur Rückgewinnung von Anästhesiegas, z. B. Xenon, aus Anästhesieabgas enthalten. Der Gaskompressor arbeitet praktisch gasverlustfrei.
Description
Die Erfindung betrifft einen Gaskompressor mit zweistufigem Kolben, eine
Gassammelanlage und ein Verfahren zur Rückgewinnung von Anästhesiegas
aus Anästhesieabgas.
Die Verwendung von Xenon als Narkosegas ist seit langem bekannt. Die breite
Anwendung von Xenon bei der Narkose scheiterte bisher am hohen Preis des
Xenon.
DE 37 12 598 A1 (Siemens) beschreibt ein Inhalations-Anästhesiegerät mit
einem Reservoir für ein Anästhetikum wie Xenon. Das Exspirationsgas (Ausat
mungsgas) des Patienten wird nach Herausfilterung von Wasserdampf und
Kohlendioxid direkt oder über einen Kompressor zu dem Reservoir geleitet und
von dort zum Patienten zurückgeführt.
DE 44 11 533 C1 (Georgieff et al.) beschreibt ein Narkosegerät mit einer Rück
gewinnungsanlage für Xenon. In der Rückgewinnungsanlage wird das ausge
atmete Atemgas nach einer Vorreinigung komprimiert und in einen Druckbe
hälter eingeleitet, welcher in eine Kühlvorrichtung aufgenommen ist. Über die
Kühlvorrichtung wird der Druckbehälter so weit abgekühlt, daß das rückzuge
winnende Xenon sich verflüssigt. Das Xenon aus dem Ausatmungsgas wird
also in flüssigem Zustand in einem Druckbehälter gesammelt und von dort zum
Patienten zurückgeführt.
WO 98118718 beschreibt eine Apparatur und ein Verfahren zur Reinigung und
Rückführung von Xenon in Anästhesiesystemen, wobei das Xenon nach der
Reinigung verflüssigt in einem kryogenen Behälter gesammelt wird und von
dort zum Patienten zurückgeführt.
DE 196 35 002 A1 (interne Bezeichnung MG 1999) beschreibt ein Verfahren
zur Online-Rückgewinnung von Xenon aus Narkosegas, wobei das exspiratori
sche Atemgas mit einer Kühlfläche in Kontakt gebracht wird, die sich auf einer
Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der abzutrennenden Komponente
befindet. Das Xenon wird hierbei ausgefroren und die Verunreinigungen über
das Kopfgas durch Anlegen eines Vakuums abgezogen.
Die genannten Systeme und Verfahren sind Bestandteil eines Anästhesiesy
stems und dienen einer direkten Rückführung des Xenons zum Patienten wäh
rend der Anästhesie. Die Systeme und Verfahren sind apparativ sehr aufwen
dig.
Gaspumpen oder Gaskompressoren sind in der Regel nur für trockene Gase
geeignet, da sonst aufgrund von Korrosion nur kurze Standzeiten erzielt wer
den.
Gaspumpen und Flüssigkeitspumpen für hohe Drücke ist in "Ullmanns Ency
klopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 3: Verfahrenstechnik II und
Reaktionsapparate, Kapitel: Drucktechnik, Verlag Chemie, Weinheim 1973, S.
83-98, insbesondere S. 87-95" beschrieben.
Heute übliche Kolbenkompressoren weisen einen Gasverlust durch Leckage
über die Kolbenringe von 2-5% auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zur Förderung und gasverlust
freien Verdichtung von Gasen geeignete Pumpe bereitzustellen, die die ge
nannten Nachteile vermeidet.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gasrückgewinnungsystem zu
schaffen, das möglichst gasverlustfrei, wartungsarm, leise und benutzerfreund
lich betrieben werden kann, insbesondere ein System, welches in der Lage ist,
bei geringen Saugdrücken (0,1 bar- 0,9 bar, vorzugsweise 0,6 bar) die erfor
derliche Saugleistung von ca. 8 l/min. zu bringen und zum anderen in den ho
hen Druckbereich von 120 bar zu kommen.
Gelöst wurde die Aufgabe durch einen Gaskompressor mit den in Anspruch 1
beschriebenen Merkmalen.
Der Gaskompressor, im folgenden Pumpe genannt, ist eine hermetisch gas
dichte Kolbenpumpe mit doppelstufigem Kolben. Die Pumpe ist vorzugsweise
eine trockenlaufende Kolbenpumpe. Die Pumpe ermöglicht durch den hermeti
schen Aufbau eine verlustfreie Verdichtung von Gasen.
Das Pumpe arbeitet beispielsweise bei einer Saugleistung ca. 8 l/min., einem
Saugdruck im Bereich von 0,1 bar- 0,9 bar, vorzugsweise 0,6 bar (absolut), bis
zur Komprimierung des Gases auf einen Enddruck von bis zu 500 bar, vor
zugsweise 120 bar, mit nur einem Verdichter. Der Verdichter wird vorzugsweise
elektrisch angetrieben.
Der Vorteil eines elektrisch angetriebenen Verdichters liegt im Konstrukti
onsprinzip. Für den elektrischen Antrieb können vollkommen gekapselte Moto
ren oder Magnetantriebe eingesetzt werden.
Die neue Pumpe ist in der Lage bei geringen Drücken anzusaugen und bis in
den hohen Druckbereich zu gelangen. Dies wird insbesondere durch den Ein
satz einer neuen modifizierten mehrstufigen (mit zwei Doppelzylindern) troc
kenlaufenden hermetisch gekapselten Kolbenpumpe erreicht. Diese Pumpe
arbeitet verlustfrei, da die Leckagen über die Kolben dem System wieder zu
geführt werden. Dies ist nur möglich bei vollkommen gekapselten Pumpen.
Durch den Einsatz einer Heizpatrone im Kurbelgehäuse oder einer Wärmezu
führung von außen z. B. durch ein Wasserbad kann verhindert werden, daß
Wasser in der Pumpe auskondensiert. Dieses Wasserbad kann gleichzeitig für
die Wärmeabfuhr der Kompressionswärme genutzt werden. Zusätzlich hat die
se Einrichtung den Vorteil, daß der Geräuschpegel, bedingt durch den Ver
dichter, deutlich reduziert werden kann. D. h. diese Pumpe ist auch geeignet für
die Verdichtung von wasserdampfgesättigten Gasen. D. h. eine Vortrocknung
des Gases ist nicht mehr erforderlich. Ein einfacher Wasserabscheider zwi
schen der 2 und 3. Stufe reicht aus um das Wasser zu entfernen. Ein Trockner
(z. B. Molsieb oder ein anders Trocknungsmittel) kann dann entfallen.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.
Fig. 1 zeigt ein Schema des Aufbaus doppelstufigen Kolbens.
Fig. 2 zeigt ein Schema einer Gassammeleinrichtung mit einer Pumpe mit zwei
Zylindern mit je zwei Stufen.
Fig. 3 zeigt ein Schema einer Gassammeleinrichtung mit einer Pumpe mit drei
Zylindern mit je zwei Stufen.
Fig. 4 zeigt ein Schema einer Gassammeleinrichtung mit einer Pumpe mit zwei
einstufigen Zylindern.
Der in Fig. 1 gezeigte Zylinder 1 weist zwei Stufen zur Gasverdichtung auf. Der
Querschnitt des Zylinders im Bereich der ersten Stufe ist größer als der Quer
schnitt des Zylinders im Bereich der zweiten Stufe. Der Zylinder 1 enthält im
Bereich der ersten Stufe eine Gaseintrittsöffnung 2 und eine Gasaustrittsöff
nung 3. Der Zylinder enthält im Bereich der zweiten Stufe eine Gaseintrittsöff
nung 4 und eine Gasaustrittsöffnung 5. Gasaustrittsöffnung 3 der ersten Stufe
und Gaseintrittsöffnung 4 der zweiten Stufe sind mit einer Gasleitung 10
(Druckleitung) verbunden. Außerhalb des Zylinders sind die Rückschlagventile
7, 8 und 9 angeordnet. Der Kolben 6 weist ein Kopfteil mit größerem Quer
schnitt und ein unteres Teil mit kleinerem Querschnitt auf, entsprechend den
Bereichen für erste und zweite Stufe im Zylinder.
In der in Fig. 2 gezeigten Gassammeleinrichtung wird eine Pumpe mit zwei Zy
lindern mit je zwei Stufen (siehe Fig. 1) eingesetzt. Der erste Zylinder (unten
links abgebildet) enthält die erste Stufe 11 und die zweite Stufe 12, der zweite
Zylinder (unten rechts abgebildet) enthält die dritte Stufe 13 und die vierte Stufe
14. Die Stufen 11, 12, 13 und 14 sind dabei so gewählt, daß die maximalen
adiabatischen Verdichtungstemperaturen 250°C nicht überschritten werden (z.
B. Stufe 11, 1. Stufe, Zylinderdurchmesser 4 cm; Stufe 12, 2. Stufe, 3,4 cm
(Ringkolben) (bei einem "normalen" Kolben wären dies 2,1 cm für die 2. Stufe);
Stufe 13, 3. Stufe, 1,2 cm; Stufe 14, 4. Stufe, 1,04 cm (Ringkolben) (bei einem
"normalen" Kolben wären dies 0,6 cm für die 4. Stufe) bei einem Hub von 3,2
cm).
Die angegeben Durchmesser für die Stufen 12 und 14 entsprechen denen ei
nes Ringkolbens, d. h. der tatsächliche Durchmesser für "normale" Kolben wäre
viel kleiner.
Erst durch die Kombination des Doppelkolbens (Fig. 1) ist es möglich, mit her
kömmlichen Bauteilen einen Verdichter für kleine Liefermengen und für hohe
Druckbereiche zu bauen.
Die Verdichtung des Gases erfolgt bei einem Druck von 0,5-0,7 bar abs. über
die Verdichtung in der 1. Stufe (Stufe 11) bis zu einem Druck von ca. 1,8-2,8 bar.
In der 2. Stufe (Stufe 12) wird auf einen Druck von ca. 6,5-8,0 bar ver
dichtet. In der 3. Stufe (Stufe 13) auf 28-35 bar und in der 4. Stufe (Stufe 14)
auf bis 120 bar.
Die Kolben der beiden Zylinder werden über den Antrieb 16 angetrieben.
Im Eingang des Verdichters (vor Stufe 11) ist ein Pufferbehälter 15 angeord
net. Der Pufferbehälter ist in der Regel ein Behälter, kann aber auch ein Lei
tungsstück mit vergrößertem inneren Querschnitt sein. Dieser Pufferbehälter 15
ist so ausgelegt, daß sein Volumen mindestens dem 120-fachen des Leitungs-
und Totraumvolumens des Verdichters nach der 2. Stufe entspricht. Dies ist
deshalb erforderlich, da beim Abstellen des Verdichtungsvorgangs der Ver
dichtungsdruck entspannt werden muß, damit der Verdichter wieder anfahren
kann. Der Puffer nimmt hierbei die komplette Menge an Gas auf.
Die Gassammeleinrichtung enthält am Gaseingang ein Rückschlagventil 19.
Zwischen Pufferbehälter 15 und nach dem Ausgang von Stufe 14 ist vorteilhaft
eine Bypass-Gasleitung mit Absperrventil 20 angeordnet. Von der Pumpe wird
Gas verdichtet und das Gas über das Rückschlagventil 21 und Dreiwegeventil
22 in die Druckgasbehälter 17 oder 18 gepumpt. Die Druckgasbehälter 17 und
18 sind vorteilhaft mit Druckmeßgeräten 23 und 24 ausgerüstet.
In der in Fig. 3 gezeigten Gassammeleinrichtung wird eine Pumpe mit drei Zy
lindern eingesetzt. Durch einen weiteren, dritten Zylinder mit einer Doppelstufe
(Stufe 25) kann der Druck auf 500 bar erhöht werden. Da die Stufen für die
Druckerhöhung im Verhältnis ihrer Verdichtung kleiner gemacht werden müs
sen, würde die 5. (Stufe 25) und 6. Stufe (Stufe 26) jetzt sehr klein werden.
Dies kann mit dem Doppelkolben elegant umgangen werden, indem die 5.
Stufe (Stufe 25) genauso groß oder zwischen dem Durchmesser der 3 und 4.
Stufe (Stufe 13 und 14) liegt und die 6 Stufe (Stufe 26) im Durchmesser größer
als die 4. Stufe (Stufe 14) liegt, entsprechend dem Verdichtungsverhältnis zwi
schen 4 und 6. Stufe. D. h. die 5. Stufe ist eigentlich ein Puffer. Zwischen der 5.
und 6. Stufe ist ein Druckhalteventil 27 angeordnet. Dadurch wird erreicht, daß
zwar zunächst der Druck aus der 4. Stufe in die 5. Stufe entspannt wird und
durch das Druckhalteventil 27 erst in die 6. Stufe (Stufe 26) freigegeben wird,
wenn der Druck in der 5. Stufe (Stufe 25) dem der 4. Stufe (Stufe 14) ent
spricht. Durch die Konstruktion des Doppelkolbens (siehe Fig. 1) kann der Ver
dichtungsraum sehr klein ausgebildet werden.
Die Pumpe selbst ist als eine Einheit aufgebaut mit Spaltrohrmotor oder mit
einer Magnetkupplung. Damit ist das System nach außen hermetisch dicht.
Leckageverluste treten nur über die Kolbenflächen nach innen in das Kurbel
gehäuse auf. Durch eine Verbindung vom Kurbelgehäuse mit der 1. Stufe wer
den die Leckageverluste dem System wieder zugeführt. Bei der Gassam
melanlage kommt es aufgrund des hohen Wertes von Xenon auf eine mög
lichst hundertprozentige Rückgewinnung von Xenon aus dem Abgas aus der
Anästhesie an.
Bei einem Anästhesiegerät muß grundsätzlich sichergestellt sein, daß der Pati
ent genügend Sauerstoff erhält und der Beatmungskreislauf nicht leer gesaugt
oder einem zu hohen Druck ausgesetzt wird.
Dies wird durch ein einfaches Prinzip erreicht, das darin besteht, daß vor die
Absaugung eine feste Drossel in Kombination mit einem Differenzdruckventil
eingebaut wird. Die örtlich installierten Absaugsysteme weisen heute üblich
einen Saugdruck von 0,2 bar abs. auf. D. h. fällt der Druck im Beatmungskreis
lauf bei geöffnetem Absaugventil z. B. auf 2 mbar über dem Atmosphärendruck
ab und ist das Differenzdruckventil auf 2 mbar eingestellt so strömt Luft in die
Absaugung mit ein und der Beatmungskreislauf wird nicht mehr abgesaugt.
Wie schon erwähnt, lassen sich durch Kombination von Pumpen diese Syste
me realisieren. Dies jedoch hat den Nachteil, daß unterschiedliche Pumpen mit
einer Vielzahl von Einzelteilen und Steuerungen eingesetzt werden müssen.
Außerdem werden bei herkömmlichen Pumpen die Verdichterkolben, bedingt
durch die geringen Saugleistungen, sehr klein. Dies führt dazu, daß entweder
bei den geforderten Drücken nicht mehr genug angesaugt wird oder bei Einsatz
größerer Kolben nicht mehr in den hohen Druckbereich gepumpt wird.
Bei der Gassammeleinrichtung in Fig. 4 wird alternativ zum zweistufigen Dop
pelzylinder ein einstufiger Doppelzylinder eingesetzt. Der Vorteil dieser Variante
ist der, daß man hier heute übliche und auf dem Markt erhältliche Dichtungen
einsetzen kann und speziell nur neue Zylinder und Zylindergehäuse anfertigen
muß.
Die Verdichtung erfolgt hier zunächst in einen Zwischenbehälter 37 mit einem
Volumen von vorzugsweise 10 l. Dieser Behälter wird auf einen Druck von 5 bis
10 bar, vorzugsweise 7 bar, gebracht.
Wenn der Behälter 37 diesen Druck erreicht hat oder wenn nicht mehr abge
saugt werden muß, wird automatisch das Eingangsdreiwegeventil 28 umge
schaltet und es wird innerhalb von 1 bis 30 Sekunden, vorzugsweise von 8 Se
kunden, der Zwischenbehälter 37 in einen weiteren Zwischenbehälter 38 bis
auf einen Restdruck von 1 bis 6 bar, vorzugsweise bis auf 2 bar, entleert.
Hat der erste Zwischenbehälter 37 den Druck von 2 bar erreicht und ist der
Druck im zweiten Zwischenbehälter 38 auf größer 8,5 bar angestiegen, wird
das Ventil zur Einspeisung aus dem 1. Zwischenbehälter geschlossen und das
Ventil zur Einspeisung aus dem zweiten Zwischenbehälter geöffnet und in den
Sammelbehälter 17 oder 18 verdichtet. Der Sammelbehälter ist mindestens
zweifach vorhanden, und wird bei Erreichen des Fülldruckes automatisch um
geschaltet (z. B. von 17 auf 18). Über eine Temperaturüberwachung wird si
chergestellt, daß nur über der kritischen Temperatur von Xenon gefüllt wird, um
eine Überfüllung des Behälters zu verhindern, bedingt durch die Verflüssigung
von Xenon unterhalb der kritischen Temperatur und oberhalb des kritischen
Druckes.
Claims (8)
1. Gaskompressor mit zweistufigem Kolben (6).
2. Gaskompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein, zwei,
drei oder mehrere zweistufige Kolben (6) enthalten sind.
3. Gassammelanlage zur Rückgewinnung von Anästhesiegas aus Anästhesie
abgas, enthaltend einen Gaskompressor mit zweistufigem Kolben (6) zum An
saugen von Gas und Verdichtung auf Niederdruck oder Hochdruck.
4. Gassammelanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas
sammelanlage einen Druckgasbehälter (17 oder 18) zur gasförmigen Befüllung
mit Anästhesiegas enthaltenden Abgasen enthält.
5. Verfahren zum Sammeln von Anästhesieabgasen, dadurch gekennzeichnet,
daß Anästhesiegas enthaltendes Abgas eines Anästhesiegerätes zur Wieder
gewinnung abgesaugt, und anschließend ohne Trocknung und/oder ohne Ana
lyse der Gaszusammensetzung auf Hochdruck komprimiert in einem Druck
gasbehälter gasförmig gesammelt wird, bis dieser Druckgasbehälter gefüllt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Anästhesiegas
enthaltendes Abgas eines Anästhesiegerätes nur zur Wiedergewinnung abge
saugt und gesammelt wird, wenn das Abgas einen vorher festgelegten Min
destgehalt des Anästhesiegases aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Xenon als
Anästhesiegas eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das Absaugen und Sammeln des Abgases gesteuert erfolgt.
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