DE2524242C2 - Vorrichtung zur Erzeugung von mit Sauerstoff angereicherter Luft - Google Patents

Description

— Einrichtungen (24,26) zur Erzeugung eines Einlaßluftstroms,

— Einrichtungen zur Aufteilung des Einlaßluftstroms in zwei Teilströme,

— eine Einrichtung (26, 46) zum Leiten des einen Teilstroms über eine Teilvakuumerzeugungseinrichtung (38) zum Erwärmen des Teilstroms,

— eine Mischeinrichtung (51) zum Vereinigen des erwärmten Teilstroms mit dem anderen, kalten Teilstrom zu einem auf die Zellen (70) gerichteten Luftstrom steuerbarer Temperatur,

— eine Wasch- oder Reinigungseinrichtung (76, 80) in der Permeatleitung (74), sowie

— Einrichtungen (89,90) zur Leitung des angereicherten Gases zur weiteren Verwendung aufweist, wobei die Teilvakuumerzeugungseinrichtung (38) über die Permeatleitung (74) mit den Zellen (70) verbunden ist.

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilvakuumerzeugungseinrichtung (38) eine Vakuumpumpe enthält und der zu erwärmende Teilstrom um diese Pumpe herum leitbar ist

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin einen Wärmeaustauscher (78) zur Verringerung der Temperatur des angereicherten Gases auf eine vorgewählte Gebrauchstemperatur aufweist

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts von dem Wärmetauscher (78) ein Wasserdampfabscheider (80) für das angereicherte Gas angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranzellen (70) parallel und im Abstand zueinander angebracht sind, und die Einrichtung (44) zum Leiten des auf die Zellen (70) gerichteten Luftstroms so angeordnet ist, daß dieser parallel über die Anordnung (60) führbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen der Membranzellen (70) aus Polyphenylenäther bestehen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Membranzelle eine Dicke von 1000 Angström oder weniger besitzt.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

— die Membranzellen (70) in Vielzahl parallel und im Abstand zueinander in einem Rahmen (12) angeordnet sind,

— die Einrichtung (44) zum Leiten des Luftstroms eine durch den Rahmen (12) gebildete Strömungskammer mit der Anordnung (60) der Zellen (70) im Innern ist,

— der Rahmen (12) eine geschlossene Lufteinlaßkammer 24) mit einer Lufteinlaßöffnung (30) und einer Luftauslaßöffnung (22a), in der ein Gebläse (26) zum Durchsaugen von Luft angeordnet ist, bildet,

— der Lufteinlaßkammer (24) eine zweite Kammer (35) benachbart ist, in der stromabwärts von der Auslaßöffnung (22a,} die Vakuumpumpe (38) angeordnet ist und die eine Kaltluftöffnung (42) benachbart zur Luftauslaßöffnung (22a) und eine Warmluftöffnung (46) stromabwärts von der Pumpe (38) besitzt,

— ein zu den Kalt- und Warmluftöffnungen (42, 46) an einem Ende und zum stromabwärts gelegenen Ende der Strömungskammer (44) am anderen Ende cffener Kanal ausgebildet ist,

— mit der Mischeinrichtung (51) der Luftstrom von der Kalt- und Warmluftöffnung (42,46) einstellbar ist,

— eine mit dem Auslaßende der Pumpe (38) gekoppelte Leitung in die Einlaßkammer (24) hineinragt,

— der Wärmetauscher (78) ein mit Leitblechen ausgesteuerter Luftwärmetauscher in dieser Leitung in der Einlaßkammer (24) ist, und

— stromabwärts vom Wärmetauscher (78) nacheinander der Wasserdampfabscheider (80), eine Strömungssteuereinrichtung (89, 90) und ein Bakterienfilter (94) für das angereicherte Gas angeordnet sind.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung von mit Sauerstoff angereicherter Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Vorrichtung ist aus der BE-PS 8 07 764 bekannt.

Bei der Behandlung von Patienten, die an Atembeschwerden leiden, beispielsweise an einem Emphysem, bei dem die Lungenkapazität eines Patienten stark eingeschränkt ist, ist es allgemein üblich, dem Patienten eine Sauerstoffquelle zur Verfügung zu stellen. Typischerweise erhält man diese Sauerstoffversorgung aus einem Sauerstoffdruckzylinder, der in einem Krankenhaus entfernt von dem Patienten angeordnet sein kann und durch geeignete Leitungen zugeführt werden kann (zentrale Speicherung); es kann auch ein einzelner Zylinder sein, der neben dem Bett des Patienten angebracht ist. Da viele dieser Krankheiten chronisch sind und eine längere Behandlung erfordern, wurden tragbare Sauerstoffzylinder entwickelt, welche der Patient zu Hause benutzen kann.

Obwohl die Verwendung von einzelnen Zylindern für diese Patienten die erforderliche lebenserhaltende Behandlung ermöglicht, ergeben die Zylinder selbst bei der Benutzung im Haushalt mehrere Probleme. Da diese Zylinder Sauerstoff unter hohem Druck (etwa 140 bar) enthalten, bilden sie während ihres Gebrauchs eine ständige Feuer- und Explosionsgefahr. Die einzelnen Zylinder besitzen nur ein begrenztes Fassungsvermögen und müssen daher routinemäßig gewartet und ausgetauscht werden, wodurch die Kosten einer Behandlung erhöht werden. Weiterhin können Leckprobleme auftreten, die

in unerwarteter Weise die Füllung eines Zylindes verringern können, so daß dem Patienten nur eine ungenügende Menge des zur Behandlung dienenden Gases verbleibt

Die atmosphärische Luft enthält etwa 21 % Sauerstoff und 78% Stickstoff und stellt eine riesige unerschöpfliche Sauerstoffquelle dar. Bis in die jüngste Zeit fehlte es jedoch an einer Technologie zur wirtschaftlichen Gewinnung von Sauerstoff für eine individuelle Verwendung. Es wurden jedoch nunmehr Membranen entwikkelt, die eine sinnvolle Extraktion von Gasen gestatten.

Die Abtrennung von Gasen durch Verfahren unter Verwendung von Membranen ist bekannt und beruht auf der selektiven Permeabilität (Durchlässigkeit) von bestimmten Materialien. Der Ausdruck »selektive Permeabilität« bedeutet hier, daß ein Gas in einer Mischung durch eine Membran schneller hindurchgeht als ein zweites Gas; dies soll jedoch nicht bedeuten, daß ein Gas unter völligem Ausschluß aller anderen Gase durch die Membran hindurchtritt Es ergibt sich vielmehr eine unterschiedliche Durchtrittsgeschwindigkeit durch eine solche permeable Membran für zwei unterschiedliche Molekülarten, so daß das Gasgemisch auf einer Seite der Membran bezüglich der Konzentration des leichter hindurchtretenden Bestandteils abgereichert und das Gas auf der anderen Seite der Membran bezüglich dieses Bestandteils angereichert wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die im Krankenhaus oder zu Hause neben dem Bett eines Patienten aufgeteilt werden kann und transportabel und einfach zu bedienen ist

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß den Bedürfnissen des Patienten mit Sauerstoff angereichertes Gas erzeugt, ohne die von Natur aus bestehenden Gefahren von Druckzylindern mit Sauerstoff aufzuweisen. Die Verfügbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist nur durch die elektrische Energie und die Lebensdauer der Bauteile der Vorrichtung begrenzt. Dabei wird die Speicherkapazität einzelner Zylinder weit überstiegen. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit und die Sicherheit der Vorrichtung erhöht, und man erhält auch noch eine wirtschaftliche Quelle für Sauerstoff für solche Patienten, die eine länger währende Behandlung von Atembeschwerden benötigen.

Die einzige Figur zeigt eine schematische Schnittansicht einer Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die Figur zeigt eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 10, in der atmosphärische Luft über eine Anzahl von selektiv permeablen Membranen geleitet wird, welche den Sauerstoff mit einer größeren Geschwindigkeit durchdringen lassen als Stickstoff, um einen mit Sauerstoff angereicherten Gasstrom zu erhalten. Die Vorrichtung 10 enthält einen Rahmen 12 mit einem allgemein rechteckförmigen Querschnitt und einem Oberteil 14, einem Unterteil 15, Endwandteilen 16 und Seitenwandteilen (nicht gezeigt), wobei die Teile ein geschlossenes Gehäuse bilden.

Der Innenraum im Gehäuse 12 ist horizontal mit Hilfe eines horizontal angeordneten Teils 20 unterteilt, das sich zwischen den Endwänden 16 erstreckt. Ein quer angeordnetes Wandteil 22 erstreckt sich vom Teil 20 aus nach unten und bildet mit diesem zusammen eine Einlaßkammer 24. Das Wandteil 22 enthält eine Luftauslaßöffnung 22a, in der ein Axialgebläse 26 angeordnet ist Das Gebläse 26 erhält elektrische Leistung von Zuleitungen 27 und saugt Umgebungsluft in die Einlaßkammer 24 und durch die Vorrichtung 10. Eine Einlaßöffnung 30 ist im Bodenteil 15 vorgesehen. Ein nach oben verlaufendes Wandteil 32, das unterhalb der unteren Oberfläche des Teils 20 endet bildet zusammen mit den Seitenwandteilen und dem rechten Endwandteil 16 einen Strömungsweg in Form eines umgekehrten L, um die Umgebungsluft in die Einlaßkammer 24 zu lenken.

Die von dem Gebläse 26 durch die Einlaßkammer 24 gesaugte Umgebungsluft tritt in eine zweite Kammer 35 ein, die neben der ersten Einlaßkammer 24 angeordnet ist Die zweite Kammer 35 ist durch untere und horizontale Teile 15 und 20, die Seitenwände (nicht gezeigt), das Wandteil 22 an einem Ende und durch ein zweites vertikales Teil 36 gebildet, welches von dem Teil 20 aus am anderen Ende nach unten ragt Die zweite Einlaßkammer 35 bildet ein Gehäuse für eine Teilvakuumerzeugungseinrichtung 38, beispielsweise eine Vakuumpumpe, die ebenfalls elektrische Leistung von den Leitungen 27 erhält

Die Pumpe 38 wird durch den um sie herum fließenden Einlaßluftstrom gekühlt Die von der Pumpe 38 kommende erwärmte Luft wird dazu verwendet, eine Möglichkeit zur Steuerung der Temperatur der auf die Membranen gerichteten Umgebungsluft zu erhalten. Zu diesem Zweck endet das Teil 36 an seinem unteren Ende oberhalb der Oberfläche des Bodenteils 15 und bildet einen Warmluftauslaß 40, durch den die erwärmte Luft aus der zweiten Kammer 35 austritt. Die Temperatur der den Zellen zugeführten Luft wird dadurch gesteuert, daß die von der Pumpe 38 erwärmte Luft mit kalter Einlaßluft gemischt wird. Zu diesem Zweck bildet das Teil 20 einen Kaltluftauslaß 42 benachbart zum Gebläse 26, so daß die in die zweite Kammer 35 eintretende Luft durch den Kaltluftauslaß in eine Strömungskammer 44 umgeleitet werden kann, welche den Luftstrom auf die Membranzellenanordnung 60 richtet Die durch die Öffnung 40 strömende Warmluft wird mit Hilfe einer senkrechten Wand 42a nach oben gerichtet, die beabstandet von der linken Endwand 16 angebracht ist. Die Wand 42a bildet zusammen mit dem Bodenteil 15, in dem eine Öffnung 43 angebracht ist, einen Auslaßkanal 45 für die warme Luft. Das horizontale Teil 20 bildet eine zweite Öffnung 46 zwischen den vertikalen Teilen 36 und 42a und ergibt hierdurch eine Möglichkeit zum Ablassen warmer Auslaßluft in den Strömungskanal 44.

Der Strömungskanal 44 ist begrenzt durch ein L-förmiges Teil 50, das an der oberen Oberfläche des horizontalen Teils 20 befestigt ist, und gemäß der Darstellung in der Figur öffnet sich der Kanal nach rechts an einer Stelle mit einem Abstand von der Kaltluftöffnung 42, so daß die Luft in dem Kanal auf die Anordnung 60 gerichtet ist.

Es wurde gefunden, daß die der Membrananordnung 60 zugeführte Luft auf etwa 35° C gehalten werden sollte. Zu diesem Zweck ist auf der oberen Oberfläche des horizontalen Teils 20 eine Mischeinrichtung in Form einer gleitenden Ventilplatte 51 angeordnet. Die Platte 51 enthält eine Steueröffnung 52 neben ihrem rechten Ende. Die Steueröffnung 52 besitzt eine solche Lage in der Platte 51, daß bei Verschiebung der Platte in ihre äußerste rechte Lage (die Stellung für vollkommen warme Luft) die Öffnung 52 über dem Teil 20 liegt und von

ihm gesperrt wird und das linke Ende der Platte 51 vollständig von der öffnung 46 abgezogen ist, so daß nur warme Luft auf die Membrananordnung gerichtet wird. Wenn andererseits die Platte 51 in ihre am weitesten links gelegene Stellung bewegt wird (Stellung für völlig kalte Luft), dann ist die öffnung 46 durch das linke Ende der Ventilplatte 51 verschlossen und die öffnung 52 ist mit der Kaltluftöffnung 42 ausgerichtet, so daß nur kalte Einlaßluft gegen die Anordnung 60 gerichtet wird. Die Ventilplatte 51 kann entweder von Hand oder durch thermische Betätigung zwischen den oben aufgeführten Extremlagen verschoben werden, um die Temperatur der auf die Membrananordnung 60 gerichteten Luft gleichbleibend zu halten. Auf diese Weise wird mindestens ein Teil der vom Gebläse 26 eingesaugten Luft der Anordnung 60 zugeführt, und die übrige Luft tritt durch die öffnung 43 aus. Durch richtige Benutzung der gleitenden Ventilplatte 51 ergeben die Teilströme durch die öffnungen 42 und 46 eine Luftzufuhr zu der Anordnung 60 mit der gewünschten Temperatur.

Die Membranzellenanordnung 60 ist zwischen dem oberen Teil 14 und der oberen Oberfläche des L-förmigen Teils 50 angeordnet, die zusammen einen Strömungskanal für die der Anordnung 60 zugeführte Luft bilden. Sie enthält mehrere horizontale, parallele und im Abstand zueinander angeordnete Membranzellen 70. Die Zellen 70 sind durch einen Verteilerkopf 72 mit dem Einlaß einer Leitung 74 der Vakuumpumpe 38 verbunden. Die Membranzelle 70 kann verschiedenste Bauformen besitzen, einschließlich solcher mit Membranen aus Silikongummi und Polyphenylenäther. Die Membranen können durch an sich bekannte Verfahren hergestellt werden. Da die Vorrichtung 10 als Quelle für angereicherten Sauerstoff zur Inhalationsbehandlung dienen soll, sollte das angereicherte Gas etwa 40% Sauerstoff enthalten. Für diesen Anreicherungsgfad werden Membranen aus Polyphenylenäther bevorzugt Vorzugsweise besitzt jede Membranzelle eine Permeationsdicke in der Größenanordnung von etwa 1000 Angström oder weniger.

Die Luft wird der Anordnung 60 durch die Strömungskammer 44 zugeführt und strömt über die Anordnung 60 in einem Parallelstrom von rechts nach links gemäß der Darstellung in der Figur. Das Raffinat oder die an Sauerstoff abgereicherte Luft tritt durch eine Auslaßöffnung 75 in der linken Endwand 16 aus. Während des Vorbeiströmens der Luft über die Membranzellen 70 dringt ein Teil von weniger als etwa 3% des Gesamtluftstroms durch die Zellen zur Erzeugung eines mit Sauerstoff angereicherten Gases mit einem Gehalt von etwa 40% Sauerstoff. Die Struktur jeder Zelle 70 enthält eine mittlere Stützeinrichtung, die die stützende Festigkeit für die Zelle. 70 ergibt, und ferner eine Einrichtung zur Leitung des mit Sauerstoff angereicherten Gases zum Verteilerkopf 72. Die selektiv permeable Membranzelle 70 ist an einer Oberfläche der Stütz- oder Trageinrichtung so angeordnet, daß jede Membranzelle eine Oberfläche für die Permeation besitzt Die Membranzellen 70 werden auch Rippen genannt und sind in der Figur eben und rechteckförmig dargestellt; es können jedoch auch andere Formen verwendet werden, beispielsweise zylindrische Formen.

Die Vakuumpumpe 38 besitzt die Aufgabe, das Innere jeder Membranzelle 70 auf einem Vakuum von etwa 381 mm Quecksilbersäule zu halten, bei einer Lieferung von 8 Liter pro Minute angereichertem Gas mit einem Druck von 762 mm Quecksilbersäule absolut Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung von 40 Zellen wurden 5,3 Liter pro Minute von auf 44,8%Sauerstoff angereicherter Luft erzeugt. Bei dem Absaugen des mit Sauerstoff angereicherten Gases durch die Leitung 74 strömt es durch eine Wascheinrichtung 76, die zwischen der Anordnung 60 und der Vakuumpumpe 38 angeordnet ist. Die Wascheinrichtung 76 besitzt die Aufgabe, die Konzentration von Stickstoffdioxid und Schwefeldioxid zu verringern, welche infolge ihrer selektiven Permeabilität in den Membranzellen 70 über den Gehalt in der Umgebungsluft hinaus angereichert werden können. Nachdem das angereicherte Gas gewaschen wurde, wird es durch die Vakuumpumpe 38 geleitet und einem mit Rippen versehenen Wärmetauscher 78 zugeführt, der in der Einlaßkammer 24 angeordnet ist so daß das mit Sauerstoff angereicherte Gas durch die vom Gebläse 26 eingesaugte Einlaßluft gekühlt wird. Der Wärmetauscher 78 ist so ausgelegt, daß er das Gas auf eine Temperatur in einem Bereich von etwa 2,8° C um die Umgebungstemperatur abkühlt, so daß der Patient das Gas etwa mit der gleichen Temperatur wie die Umgebungsluft erhält. Nachdem das mit Sauerstoff angereicherte Gas gekühlt wurde, strömt es durch einen Abscheider 80, der Wasserdampf abscheidet, welcher durch die Membranzellen noch stärker angereichert wird als Sauerstoff. Das Kondensat wird in dem Sammelbehälter des Abscheiders 80 so lange gesammelt, bis durch den Pegelstand des Kondensats das Schwimmerventil 82 geöffnet wird und das Wasser durch eine Schlauchleitung 84 auf einen mit einem Schwamm oder einer Schale ausgestatteten Verdampfer 86 entweichen kann, der in einem Auslaßkanal 45 angeordnet ist

Das angereicherte Gas strömt vom Abscheider 80 durch die Leitung 88 und wird zwischen einer Drosselstelle 89 und einem einstellbaren Entlastungventil 90 aufgeteilt Man erkennt, daß die Strömungsgeschwindigkeit durch die Drosselstelle 89 eine Funktion des Staudruckes ist der durch das Entlastungsventil 90 eingestellt wird. Der Gasstrom durch die Drosselstelle 89 ist der zum Patienten zu leitende Gasstrom und sollte etwa zwischen 4 bis 8 Liter pro Minute liegen. Der Gasstrom zum Patienten wird durch einen Strömungsmesser 92 gemessen.

Das angereicherte Gas strömt durch einen Bakterienfilter 94 und eine Anschlußtülle 95 für eine Verbindung mit einem Sauerstoff-Versorgungssatz einschließlich einer vom Patienten getragenen Maske oder Kanüle. Um eine mögliche Verschmutzung der Anreicherungsvorrichtung 10 durch schwebende Feststoffe zu vermeiden,

so ist im Einlaßkanal 30 ein Staubfilter 100 angeordnet

Die Arbeitsweise der Anreicherungsvorrichtung 10 wird durch ein Vakuummeßgerät 102 überwacht, das in der Einlaßleitung 74 zur Vakuumpumpe 38 angeordnet ist Wenn in der Membrananordnung 60 ein Leck entsteht oder die Vakuumpumpe ausfällt, dann wird der Druck in der Leitung 74 ansteigen. Dieser Druckanstieg wird auf dem Vakuummeßgerät 102 wiedergegeben und ergibt eine Anzeige für einen Zustand mit einem kleineren Leck. Wenn jedoch die Sicherheitsgrenzen überschritten werden oder ein grober Defekt auftritt dann schließt sich ein pneumatisch betätigter und mit-der Leitung 74 verbundener Schalter 104 und betätigt eine Warnlampe 105 und einen Summer 106, wodurch der Patient ein hörbares und sichtbares Warnsignal erhält

Die elektrische Leitung zu der Warnlampe 105 und dem Summer 106 und die Leitungen 27 sind an einen doppelpoligen Schalter 108 und an einen Schalter 109 angeschlossen. Weiterhin ist noch eine Anzeigelampe

110 vorgesehen, die eine Sichtanzeige für den Patienten dafür liefert, daß die Netzversorgung zur Anreicherungsvorrichtung 10 vorhanden ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Erzeugung von mit Sauerstoff angereicherter Luft, mit einer Anordnung von selektiv permeablen Membranzellen, die Sauerstoff mit einer größeren Geschwindigkeit als Stickstoff durchlassen, einer Einrichtung zum Leiten eines Stroms von Umgebungsluft über die Anordnung zur Permeation in die Zellen und eine mit den Zellen über einen Verteilerkopf verbundenen Leitung zum Abziehen des mit Sauerstoff angereicherten Permeates in einem geschlossenen Gehäuse, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung in dem Gehäuse