DE2837281A1

DE2837281A1 - Verfahren zum bereitstellen von atemgas fuer luftfahrzeuge

Info

Publication number: DE2837281A1
Application number: DE19782837281
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl Ing Benkmann; Dietmar Ing Grad Winkler
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1978-08-25
Filing date: 1978-08-25
Publication date: 1980-03-06
Also published as: ZA794483B; JPS5559100A

Description

Verfahren zum Bereitstellen von Atemgas für
tuftfahrzeuge Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bereitstellen von Atemgas für in druckgeregelten Kabinen von Luftfahrzeugen sich aufhaltende Personen mit von der Flughöhe abhängiger Sauerstoffkonzentration.
Für Luftfahrzeuge mit druckgeregelten Kabinen, insbesondere für Kampfflugzeuge, existieren Vorschriften sowohl hinsichtlich der Abhängigkeit des Kabinendrucks vom Außendruck als auch hinsichtlich der vom Piloten benötigten Atemgasmenge und der zulässigen Grenzen für die Konzentrate tion des im Atemgas enthaltenen Sauerstoffs. Menge und Konzentrationsgrenzen hängen vom Kabinendruck und damit ebenfalls indirekt vom Außendruck bzw. der Flughöhe ab. Der Kabinendruck ist so zu regeln, daß er wie der Außendruck mit der Flughöhe abnimmt, allerdings nicht im selben Maße.
Das Atemgas wird dem Piloten über eine Atemmaske zugeführt, wobei die Atemgasmenge so geregelt wird, daß Gleichgewicht zwischen dem in der Lunge des Piloten herrschenden Druck sowie dem Kabinendruck besteht. Die benötigte Atemgasmenge sinkt folglich; abgesehen von besonderen Belastungszuständen, mit dem Kabinendruck, während die vorgeschriebenen Grenzen für die Sauerstoffkonzentration umgekehrt mit fallendem Kabinendruck steigen. Die Kabinenluft eignet sich nicht unmittelbar als Atemgas, da sie vom Triebwerkskompressor geliefert wird und infolgedessen für den Piloten schädliche Verunreinigungen enthaltenkann, und da wie vor allem nicht den erforderlichen Sauerstoffgehalt aufweist.
Bisher wurden verschiedene Methoden zum Bereitstellen des Atemgases für die Atemmaske angewandt: So war es beispielsweise üblich, den benötigten Sauerstoff in reiner Form komprimiert oder in Flüssiggas behältern mit zuführen, zu verdampfen, mit Kabinenluft zu vermischen und dem Piloten als Atemgas zur Verfügung zu stellen. Bei zu starker Verunreinigung der Kabinenluft mußte reiner Sauerstoff geatmet werden, was aus medizinischen Gründen jedoch auf die Dauer unerwünscht ist.
Weiterhin war es üblich, den benötigten Sauerstoff teilweise durch adsorptive Abtrennung des Stickstoffs aus Luft an Bord selbst zu erzeugen, diesem stets gleichbleibend hochangereicherten Sauerstoff Kabinenluft in von der Flughöhe abhängiger Menge beizumischen und zur Deckung von Bedarfsspitzen sowie im Falle zu starker Verunreinigung der Kabinenluft darüber hinaus Sauerstoff aus chemischen Verbindungen, beispielsweise Chloraten, freizusetzen und diesen dem adsorptiv erzeugten Sauerstoff zusätzlich oder anstelle der Kabinenluft beizumischen.
Diese Methode ist jedoch apparativ und regelungstechnisch aufwendig. Im Falle der Zuspeisung von Kabinenluft müssen zusätzliche Filter zum Zurückhalten von Verunreinigungen bereitgestellt werden und bei der Mischung von adsorptiv und chemisch erzeugtem Sauerstoff ohne Zumischung von Kabinenluft ist die Sauerstoffkonzentration im Atemgas sehr hoch.
Aufgrund aller dieser Nachteile erschien es wünschenswert, nach neuen, verbesserten Atemgasversorgungss«ystemen zu suchen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zum Bereitstellen von Atemgas für Luft fahrzeuge anzugeben, mit dessen Hilfe es möglich ist, die an die Sauerstoffkonzentration des Atemgases gestellten Anforderungen mit möglichst geringem apparativem und regelungstechnischem Aufwand sowie auf möglichst flexible Weise zu erfüllen.
Diese Aufgabe wird mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Maßnahmen erfüllt.
Die Erfindung basiert auf der Grundidee, das gesamte Atemgasvolumen durch eine einzige Methode gleich in der jeweils gewünschten Zusammensetzung zu erzeugen. Diese Methode ist die an sich bereits bekannte Anreicherung von Luftsauerstoff durch Teiladsorption von Stickstoff. Diese Teiladsorption wird so geregelt, daß die jeweils gewünschte Sauerstoffkonzentration im kurzzeitigen Mittel mit äußerst geringer Anpassungsträgheit erreicht wird. Die besondere Betriebsweise der Adsorber bringt es mit sich, daß die Sauerstoffanreicherung in Grenzen gehalten wird und immer ein mehr oder weniger großer Stickstoffanteil im Atemgas vorhanden ist. Mit im Verhältnis zum Adsorptionsdruck sinkender Desorptionsdruck tritt eine Zunahme der Sauerstoffkonzentration ein, was auf vollständigerer Regenerierung der Adsorber beruht. Demgegenüber führt eine Steigerung der den Adsorber durchströmenden Gasmenge zu einer Abnahme der Saue-#stoffkonzentration, da in diesem Falle bei konstant bleibender Dauer der Adsorptionsphase die Stickstoffkomponente stärker durchbricht.
Mit Hilfe der genannten Betriebs- und Regelmaßnahmen ist es demnach möglich, auf einfache Weise und mit geringem apparativem Aufwand ein Atemgas mit den jeweils ,herrschenden Bedingungen angepaßter Sauerstoffkonzentration zur Verfügung zu stellen. Dabei werden hauptcächlich die Nachteile einer Zumischung von Kabinenluft umgangen. Die dort vorzusehenden zusätzlichen Maßnahmen zur Reinigung des Kabinenluftanteils entfallen hier, da sämtliche Verunreinigungen bereits in den Adsorbern sowie der davor angeordneten Filterstufe zurückgehalten werden, wobei zu beachten ist, daß die vorgeschaltete Filterstufe auch bei den herkömmlichen Verfahren vorhanden ist, die mit adsorptiver Reinigung arbeiten. Beim erfindungsgemäßen Verfahren entfallen weiterhin Zusatzeinrichtungen zur chemischen Sauerstoff-Freisetzung sowie Regeleinrichtungen zur Zumischung von Kabinenluft. Der Pilot ist nicht gezwungen, zu hohe und damit medizinisch unerwünschte Sauerstoffkonzentrationen einzuatmen, da diese beim erfindungsgemäßen Verfahren immer auf den zulässigen Bereich eingeregelt werden können.
Es können alle zur Sauerstoff-Stickstoff-Trennung geeigneten Adsorptionsmittel verwendet werden, insbesondere zeolithische sowie Kohlenstoffmolekularsiebe.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in besonderer Weise zur Anpassung an die Je nach Flughöhe unterschiedlichen Außendrücke geeignet: Dazu ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, daß der Adsorptionsdruck konstant gehalten und die Desorption bei dem in der jeweiligen Flughöhe herrschenden Außendruck durchgeführt wird. Der Adsorber braucht in der Desorptionsphase also lediglich an den im Vergleich zum Adsorptionsdruck niedrigeren Außendruck angeschlossen zu werden. Bei steigender Flughöhe und damit sinkendem Desorptionsdruck ergibt sich somit automatisch eine Verbesserung der Adsorberregenerierung, womit wiederum eine Steigerung der Sauerstoffkonzentration verbunden ist. Eine solche Steigerung der Sauerstoffkonzentration mit der Flughöhe ist aber gerade vorgeschrieben. Die Einstellung des Desorptionsdruckes bzw. des Druckverhältnisses zwischen Adsorption und Desorption ist somit auf denkbar einfache Weise möglich, ohne daß Pumpen oder Gebläse benötigt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß das Atemgas nach der adsorptiven Behandlung in einen dem Verbraucher vorgeschalteten Pufferbehälter geleitet und die die Adsorber durchströmende Gasmenge mit Hilfe eines am Pufferbehälter angebrachten, in Abhängigkeit vom Kabinendruck sowie von der im Pufferbehälter herrschenden Sauerstoffkonzentration regelbaren Ausströmventils eingestellt wird. Der Pufferbehälter hat eine glättende Wirkung auf die Sauerstoffkonzentration, die ja innerhalb jeder Adsorptionsphase von größeren zu kleineren Werten hin verläuft.
Der Pufferbehälter darf niclt zu groß bemessen sein, da das System sonst eine zu große Trägheit hinsichtlich der Anpassungsfähigkeit an wechselnde Kabinen- bzw. Außendrücke aufweist. Das Ausströmventil wird in Abhängigkeit vom jeweiligen Kabinendruck sowie der jeweils im Pufferbehälter herrschenden Sauerstoffkonzentration geregelt, wobei der zum jeweiligen Kabinendruck gehörende zulässige bzw. vorgeschriebene Konzentrationsbereich in die Regelung eingeht.
Die Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens soll im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Figuren# 1 und 2 verdeutlicht werden.
Figur 1 zeigt ein Verfahrensschema, Figur 2 zeigt in einem Diagramm die mit dem Verfahren gemäß Figur 1 erzielbare Sauerstoffkonzentration in Abhängigkeit von der Flughöhe und in Gegenüberstellung zu den geforderten Werten der Sauerstoffkonzentration sowie der Atemgasmenge.
Gemäß Figur 1 wird ein komprimierter Luftstrom durch eine Leitung 1 herangeführt, mit Hilfe eines Regelventils 2 auf einem Druck von 2,2 bar gehalten und in einem Kühler, der in einem Flugzeug beispielsweise ein Luftkühler sein kann, auf eine Temperatur von ca. 150C gebracht. Eventuell mitgeführte Verunreinigungen in Form von Flüssigkeitströpfchen oder festen Partikeln werden in einer Filtervorrichtung 4 zurückgehalten. Die so vorbehandelte Luft strömt in eine Adsorptionsvorrichtung 5 ein, die drei umschaltbare, jeweils mit etwa 5 1 zeolithischem Molekularsieb vom Typ 5A gefüllte Adsorber umfaßt. Diese werden im Druckwechsel betrieben, wobei der Adsorptionsphase jeweils eine aus Entspannung, Desorption und zwei Druckaufbaustufen bestehende Re rationsphase folgt und der eigentlichen Adsorption noch eine Vorbeladung vorgeschaltet ist, während der jeweils zwei der drei Adsorber bezüglich der Rohluft in Reihe geschaltet sind. DiesesAdsprptionsverfahren entspricht dem in der deutschen Patentanmeldung P 27 24 763.8-4) beschriebenen. Die Periodendauer beträgt im vorliegenden Fall 20 Sekunden. Das Desorption und Spülgas wird durch eine Leitung 6 abgezogen.
Durch Variierung des Desorptionsdruckes können verschiedene Flughöhen simuliert werden.
Ein durch Teiladsorption von Stickstoff in der Adsorptionsvorrlchtung 5 mit Sauerstoff angereichertes Ga wird durch eine Leitung 7 einem Pufferbehälter 8 zugeführt.
Über eine Leitung 11 wird mit Hilfe eines Regelventils 12 die jeweils benötigte Atemgasmenge abgezogen, in einem Wärmeaustauscher 13 auf etwa Raumtemperatur gebracht und der Atemmaske 14 zugeführt. Das Regelventil 12 sorgt dafür, daß das Atemgas immer unter dem Kabinendruck abgegeben wird.
Die Sauerstoffkonzentration des Atemgases wird im vorliegenden Fall außer durch den Desorptionsdruck noch mit Hilfe eines dem Pufferbehälter 8 zugeordneten, in Leitung 9 vorgesehenen Ausströmventiles 10 eingeregelt. Dieses ist an ein (nicht dargestelltes) Regelgerät angeschlossen, em die zulässigen Höchst- und Mindestwerte der Saue#stoff.-konzentration sowie ein bestimmter Druck eingegeben werden, der dem Kabinendruck entspricht und im vorliegenden Regelungsfalle mit dem Desorptionsdruck über die funktionale Beziehung zwischen Kabinendruck und Außendruck in einem festen Zusammenhang steht.
Bei vorgegebenem Desorptionsdruck, der die Flughöhe simuliert, wird aus dem Pufferbehälter 8 durch Leitung 11 eine entsprechende Menge Atemgas abgezogen. Die Sauerstoffkonzentration wird mit Hilfe des Ausströmventiles 10 auf einen Wert innerhalb des zulässigen Bereiches eingeregelt.
Dies ist im Diagramm der Figur 2 dargestellt.
Auf der linken Ordinate des Diagramms ist die Sauerstoffkonzentration C in Vol.-% aufgetragen, auf der rechten Ordinate das jeweils abgezogene Atemgasvolumen V in Normliter pro Minute. Auf der unteren Abszisse ist die mit dem Desorptionsdruck in einem festen Zusammenhang stehende Flughöhe h in angelsächsischem (feet) sowie metrischem (Meter) Maß, auf der oberen Abszisse die Kabinenhöhe hk in feet angegeben. Letztere ist eine fiktive Größe und gleicht derjenigen Höhe in der Atmosphäre, in der derselbe Luftdruck herrscht wie in der Kabine bei der angegebenen Flughöhe. Kurve A zeigt das jeweils abgezogene Atemgasvolumen, Kurve E die gemessene Sauerstoffkonzentration, die innerhalb der den zulässigen Höchst- und Mindestwerten der Sauerstoffkonzentration entsprechenden Kurven B und D verläuft. Dabei ist zu beachten, daß die Kurve D die physiologisch absolut einzuhaltende Mindestkonzentration angibt, während die Kurve B mehr den Charakter einer empSohlenfflnHöchstgrenze hat.
Wie das Diagramm der Figur 2 zeigt, ist es mit Hilfe der geschilderten Ausführungsform des erfindungsgemäßen 57erfahrens möglich, ein Atemgas ausreichender Menge und zulässiger Sauerstoffkonzentration für praktisch alle in Frage kommenden Flughöhen bereitzustellen.
L e e r s e i t e

Claims

Patent ansprüche Verfahren zum Bereitstellen von Atemgas für in druckgeregelten Kabinen von Luftfahrzeugen sich aufhaltende Personen mit von der Flughöhe abhängiger Sauerstoffkonzentration, dadurch gekemnzeichnet, daß das gesamte im Normal-bzw. Dauerbetrieb benötigte Atemgasvolumen ausschließlich durch geregelte adsorptive Entfernung von Stickstoff aus komprimierter Luft mit Hilfe umschaltbarer, Adsorptions-und Gegenstrom-Desorptionsphasen aufweisende Zyklen durchlaufender Adsorber gewonnen wird, wobei die Adsorber so betrieben werden, daß während jeder einzelnen Adsorptionsphase jeweils ein zeitlich anwachsender Stickstoffanteil am Auslaßende des Adsorbers durchbricht und wobei die zulässigen Werte für die Sauerstoffkonzentration in Abhängigkeit vom Kabinendruck durch Beeinflussung der die Adsorber durchströmenden Gasmenge :und/oder des Verhältnisses von Adsorptions- zu Desorptionsdruck eingestellt werden 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorptionsdruck konstant gehalten und die Desorption bei dem in der jeweiligen Flughöhe herrschenden Außendruck durchgeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Atemgas nach der adsorptiven Behandlung in einen dem Verbraucher vorgeschalteten Puffer~ die behälter geleitet und die Adsorber durchströmende Gasmenge mit Hilfe eines am Pufferbehälter angebrachten, in Abhängigkeit vom Kabinendruck sowie von der im Pufferbehälter herrschenden Sauerstoffkonzentration regelbaren Ausströmventils eingestellt wird.