DE3818280C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anreicherung von Atemgas mit Sauerstoff, bei welcher anzureicherndes Speisegas durch eine aus einem oder mehreren Konzentratoren bestehende Konzentratoranordnung Speisegas durch eine aus einem oder mehreren Konzentratoren bestehende Konzentratoranordnung hindurch einer Mischgasleitung zuführbar ist und ein Teilstrom des Speisegases über eine in ihrer Durchlässigkeit einstellbare Bypass-Leitung ebenfalls der Mischgasleitung zuführbar ist.

Bekannte Vorrichtungen benutzen zur Anreicherung des Speisegases Druckwechseladsorptionsbetten, gefüllt mit einem geeigneten Zeolithen; es können aber ebensogut Permeatoren benutzt werden, die mit einer sauerstoffdurchlässigen Membran versehen sind. Diese beiden Anreicherungseinheiten sollen im folgenden als Konzentrator bezeichnet werden. Sie werden insbesondere dazu benutzt, um die Atemgasversorgung von fliegendem Personal in unterschiedlichen Höhen mit den jeweils notwendigen Sauerstoffkonzentrationen sicherzustellen.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE-OS 28 37 281 bekanntgeworden.

Bei der bekannten Vorrichtung wird das mit Sauerstoff anzureichernde Atemgas durch den Konzentrator geführt, in welchem der Stickstoff festgehalten und das angereicherte Atemgas dem Verbraucher zugeführt wird.

Die Konzentration des von dem Konzentrator durchgelassenen Sauerstoffs ist wesentlich abhängig von der ihn durchströmenden Menge an Speisegas. Benötigt der Verbraucher niedrigere Sauerstoffkonzentrationen, wird die Durchströmung des Konzentrators erhöht, wobei dann die überschüssige Menge an angereichertem Produktgas in einem Pufferbehälter gesammelt wird. Unterschreitet die Entnahmemenge aus dem Pufferbehälter die vom Konzentrator zugelieferte Menge, wird der Überschuß über eine Ausströmöffnung an die Umgebung abgegeben.

Da bei der bekannten Vorrichtung die Anreicherungskonzentration des Produktgases durch die Höhe der Durchströmung des Speisegases durch den Konzentrator festgelegt wird, ist eine Anpassung der erforderlichen Anreicherungskonzentration an den benötigten Produktgasverbrauch in der Regel mit einem unnötigen Verlust an Produktgas gekoppelt.

Für den Fall, daß bei einer unvorhergesehenen Dekompression im Aufenthaltsbereich des fliegenden Personals kurzfristig die Anreicherungskonzentration, speziell bei einer Sauerstoffanreicherung, auf physiologisch notwendige Werte erhöht werden muß, kann dies bei dem bekannten Konzentrator nur dadurch erfolgen, daß die Durchströmung des Konzentrators erniedrigt wird. Dabei erfolgt jedoch die Steigerung der Sauerstoffkonzentration mit einer so großen Zeitkonstanten, daß eine schnelle Veränderung der Anreicherungskonzentration nicht verwirklicht werden kann. Deshalb muß zu diesem Zweck bei der bekannten Vorrichtung ein zusätzliches sogenanntes Back-up-System bereitgestellt werden, welches in der Lage ist, kurzfristig Atemgas mit erhöhter Sauerstoffkonzentration zu liefern.

Bei einer weiteren bekannten Vorrichtung wird von einem Konzentrator stets hochangereicherter Sauerstoff geliefert und diesem dann je nach Bedarf mehr oder weniger Kabinenluft unter völliger Umgehung des Konzentrators zugemischt. Nachteilig an dieser Vorrichtung ist, daß dem Atemgas feuchte, ungereinigte Kabinenluft zugemischt wird, was zu einer Beeinträchtigung des Verbrauchers führen kann. Soll dies vermieden werden, muß ein separates Reinigungs- und Trocknungssystem vorgesehen werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Anreicherung von Atemgas der genannten Art so zu verbessern, daß die erforderliche Anreicherungskonzentration verlustarm und schnell an die wechselnden Entnahmemengen angepaßt und dem Verbraucher im Bedarfsfall umgehend eine erhöhte Anreicherungskonzentration angeboten werden kann.

Weiterhin soll kein separates Reinigungs- und Trocknungssystem erforderlich werden.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß die Bypass-Leitung zur Umgehung eines Teilbereiches der Konzentratoranordnung vorgesehen ist.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen im wesentlichen darin, daß einerseits die Durchströmung der Konzentratoranordnung auf die Erzielung einer maximalen Anreicherungskonzentration eingestellt werden kann, so daß an der Produktgasleitung ein den erforderlichen Wert übersteigende Anreicherungskonzentration erhalten wird. Durch die Zuführung von nicht angereichertem Speisegas in die Produktgasleitung kann durch entsprechende Einstellung der Durchlässigkeit in der Bypass-Leitung die erhöhte Anreicherungskonzentration auf den benötigten Wert heruntergemischt werden. Durch entsprechende Aufteilung des Speisegases in einen Anteil zur Durchströmung der Konzentratoranordnung und einen Anteil zur Umgehung eines Teilbereiches der Konzentratoranordnung über die Bypass-Leitung kann die gewünschte Anreicherungskonzentration in einem weiten Bereich eingestellt werden, ohne daß ein nicht benötigter Überschuß an Produktgas an die Umgebung verlorengeht. Da das zugemischte Speisegas immer einen Teilbereich der Konzentratoranordnung durchläuft, ist es von Wasser und groben Verschmutzungen befreit und somit zum Atmen geeignet.

Für den Fall einer unvorhergesehenen Dekompression braucht die Durchströmung der Bypass-Leitung nur reduziert bzw. ganz abgeschaltet zu werden, um die erforderliche erhöhte Anreicherungskonzentration im Produktgas dem Verbraucher schnell zuführen zu können. Ein separates Back-up-System wird dadurch überflüssig.

Zweckmäßigerweise wird in der Konzentratoranordnung und der Mischgasleitung ein Pufferbehälter eingebracht, der ebenfalls durch die Bypass-Leitung umgehbar ist und als Speicher für Produktgas mit hoher Anreicherungskonzentration geeignet ist.

Besteht der Konzentrator beispielsweise aus mehreren hintereinandergeschalteten Druckwechseladsorptionsbetten oder auch Permeatoren, so kann es zweckmäßig sein, den Eingangs-Anschluß der Bypass-Leitung an der Verbindungsleitung zweier Konzentratoren anzuschließen. Dem Produktgas wird dann schon vor-angereichertes Speisegas zugeführt, so daß ein Heruntermischen der hohen Anreicherungskonzentration auf nicht ganz so tiefe Werte, jedoch mit einer höheren Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Vorteilhafterweise wird die Bypass-Leitung an eine seitliche Anzapfung des Konzentrators angeschlossen. Die Anzapfung liegt ziemlich zu Beginn des Adsorptionsbettes oder Permeators, so daß wenig angereichertes, jedoch fast vollständig trockenes Speisegas über die Bypass-Leitung zum Produktgas geführt wird. Dadurch wird ein Kondensieren des mit dem Speisegas gemischten Produktgases in den nachfolgenden Leitungsführungen bis hin zum Verbraucher vermieden und ein Ausfrieren von Feuchtigkeit bei extrem niedrigen Umgebungstemperaturen ausgeschaltet.

Zur automatischen Steuerung der Anteile von Produktgas und beigemischtem Speisegas ist es günstig, in die Mischgasleitung einen Fühler vorzusehen, um eine gasspezifische Größe, beispielsweise die Anreicherungskonzentration bzw. den Sauerstoffgehalt, zu messen und als Stellgröße für eine Steuereinheit vorzusehen, welche ein Mischelement am Knotenpunkt zwischen Produktgasleitung und Bypass-Leitung je nach den gewünschten Sollwerten einstellt.

In der nachfolgenden Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt und werden im folgenden näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine Vorrichtung mit zweistufigem Konzentrator

Fig. 2 eine Vorrichtung mit zyklisch im Gegentaktverfahren betriebenem Konzentrator.

In den Ausführungsbeispielen sind die Konzentratoren mit Druckwechseladsorptionsbetten versehen, die zur Anreicherung von Atemgas mit Sauerstoff dienen.

In Fig. 1 ist eine zweistufige Vorrichtung zur Anreicherung des Atemgases dargestellt, bei welcher zwei Adsorptionsbetten (1, 11) hintereinandergeschaltet und mit einer Verbindungsleitung (10) miteinander verbunden sind. Die Adsorptionsbetten (1, 11) werden über eine Speisegasleitung (2) mit Speisegas beschickt, aus dem sie den Stickstoff festhalten und Sauerstoff in die Produktgasleitung (3) abgeben. In der Produktgasleitung (3) befinden sich ein Speicherbehälter (4) und ein Mischelement (5) sowie in einer sich anschließenden Mischgasleitung (9) ein die Anreicherungskonzentration feststellender Sauerstoffsensor (6). Eine Bypass-Leitung (7) ist an die Verbindungsleitung (10) und das Mischelement (5) angeschlossen. Das Mischelement (5) wird über eine Steuereinheit (8) betrieben, welche den von dem Sensor (6) ermittelten Istwert der Sauerstoffkonzentration mit einem einstellbaren Sollwert vergleicht und das Mischelement (5) über eine Steuerleitung (18) derart steuert, daß die Aufteilung von Produktgas durch die Adsorptionsbetten (1, 11) und von Speisegas durch die Bypass-Leitung (7) zur Erzielung der gewünschten Sauerstoffkonzentration in der Mischgasleitung (9) führt.

In Fig. 2 ist eine Vorrichtung zur Anreicherung von Atemgases dargestellt, welche zwei parallelgeschaltete Adsorptionsbetten (20, 22) enthält, die jeweils abwechselnd über Speisegasleitungen (2, 12) mit Speisegas zur Adsorption des Stickstoffes betrieben werden. Während das eine Adsorptionsbett (20) ein mit Sauerstoff angereichertes Produktgas abgibt, wird aus seiner Produktgasleitung (30) über ein Drosselelement (31) Sauerstoff in das gesättigte andere Adsorptionsbett (22) im Gegenstrom geleitet und über die Entlüftung (40) der desorbierte Stickstoff an die Umgebung abgegeben. Das Produktgas aus dem Adsorptionsbett (20) wird über die Produktgasleitung (30) und das Rückschlagventil (70) in den Speicher (4) geleitet. Die Bypass-Leitung (50) beginnt an einer Anzapfung (80) im Eingangsbereich des Adsorptionsbettes (20) und wird über ein steuerbares Ventilelement (60) in die Produktgasleitung hinter dem Speicherbehälter (4) geführt. Die Entnahme der Mischung von angereichertem Produktgas aus dem Speicherbehälter (4) und trockenem Speisegas wird über die Mischgasleitung (9), in welcher sich der Sauerstoffsensor (6) befindet, einem nicht dargestellten Verbraucher zugeführt. Der Sauerstoffsensor gibt ein Signal über die Signalleitung (16) an die Steuereinheit (8) ab, welche über Steuerleitungen (18, 81) an die entsprechenden Ventilelemente (60, 66) in den Bypass-Leitungen (50, 55) zwischen den Anzapfungen (80, 88) der Adsorptionsbetten (20, 22) angeschlossen sind.

Wenn das erste Adsorptionsbett (20) vollständig mit Stickstoff belegt und somit gesättigt ist, ist zur selben Zeit das vorher gesättigte Adsorptionsbett (22) durch die erfolgte Desorption mittels des Produktgases aus dem Adsorptionsbett (20) vollständig regeneriert, so daß ein umgekehrter Betrieb der Adsorptionsbetten (20, 22) erfolgen kann. Jetzt wird nämlich das zweite Adsorptionsbett (22) mit Speisegas beschickt, und es liefert mit Sauerstoff angereichertes Produktgas durch seine Produktgasleitung (33) und das Rückschlagventil (77) in den Speicherbehälter (4). Gleichzeitig wird ein Teil seines Produktgases über das Drosselelement (31) zu dem gesättigten Adsorptionsbett (20) geführt und dieses im Gegenstrom von dem adsorbierten Stickstoff befreit, welcher über die Entlüftung (44) an die Umgebung abgegeben wird. Die Steuerung eines jeden Ventilelementes (60, 66) erfolgt über die Steuereinheit (8) derart, daß es bei der Regenerationsphase des entsprechenden Adsorptionsbettes (20, 22) geschlossen ist und nur während der Anreicherungsphase den Durchströmungsanteil in der entsprechenden Bypass-Leitung (50, 55) regelt.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Anreicherung von Atemgas mit Sauerstoff, bei welcher anzureicherndes Speisegas durch eine aus einem oder mehreren Konzentratoren bestehenden Konzentratoranordnung (1, 11, 20, 22) hindurch einer Mischgasleitung (9) zuführbar ist und ein Teilstrom des Speisegases über eine in ihrer Durchlässigkeit einstellbare Bypass-Leitung (7, 50, 55) der Mischgasleitung (9) zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypass-Leitung (7, 50, 55) zur Umgehung eines Teilbereiches der Konzentratoranordnung (1, 11, 20, 22) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Konzentratoranordnung (1, 11, 20, 22) und der Mischgasleitung (9) ein durch die Bypass-Leitung (7, 50, 55) umgehbarer Speicher (4) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei mehreren hintereinandergeschalteten Konzentratoren (1, 11) die Bypass-Leitung (7) eingangsseitig an die Verbindungsleitung zweier Konzentratoren (1, 11) angeschlossen ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bypass-Leitung (50, 55) an eine Anzapfung (80, 88) von mindestens einem der Konzentratoren (20, 22) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Durchlässigkeit der Bypass-Leitung (7, 50, 55) ein die Anreicherungskonzentration in der Mischgasleitung (9) feststellendes Sensorelement (6) vorgesehen ist, dessen über eine Steuereinheit (8) verarbeitetes Signal einem in der Bypass-Leitung (7, 50, 55) eingebauten Ventilelement (5, 60, 66) zuführbar ist.