DE4104007A1 - Atemsystem mit sauerstoffreichem gas fuer passagierflugzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Atemsysteme mit sauerstoffrei­ chem Gas und insbes. auf ein System und eine Einrichtung zum Bereitstellen von sauerstoffreichem Gas für das Einatmen durch Flugzeugbesatzung und Passagiere in kommerziellen Passagierflugzeugen und zur Verwendung in Flugzeugen für die medizinische Versorgung.

Bei Passagierflugzeugen ist es erforderlich, daß Sauerstoff zum Einatmen durch die Flugzeugbesatzung, die Kabinenmann­ schaft und die Passagiere bereitgestellt wird, insbes. in Notsituationen, wenn z. B. in der Kabine ein Druckabfall auftritt. Im allgemeinen ist das Atemsystem für die Flugzeug­ besatzung getrennt von dem Atemsystem für die Passagiere ausgelegt, und es wird Sauerstoff aus unter Druck stehenden, gasförmigen Sauerstoff enthaltenden Zylindern eingespeist. Es ist auch erforderlich, daß Sauerstoff zum laufenden Einatmen durch die Flugzeugbesatzung zur Verfügung steht, wenn das Flugzeug über einer Flughöhe von 12 000 m fliegt, um einen Schutz gegen den Einfluß der Höhe im Fall eines kurzfristigen Druckabfalls in der Kabine zu erzielen. Im Idealfall soll Sauerstoff für diesen Bedarf zur Verfügung stehen, ohne daß der gespeicherte Sauerstoffvorrat für das Notsystem aufge­ braucht wird. Das Passagiersystem ist so ausgelegt, daß es Schutz gegen Druckabfall in der Kabine bei großen Flughöhen bietet, und es ist erforderlich, Sauerstoff für bis zu zehn Minuten Dauer bereitzustellen, während das Flugzeug auf eine sichere Höhe von 3000 m niedergeht. Zu diesem Zweck werden häufig Chlorat-Kerzen verwendet, obgleich auch gasförmiger Sauerstoff in der Passagierkabine zur Verfügung gestellt werden kann, der von der Kabinenmannschaft für therapeutische Zwecke während eines Fluges in großer Höhe bereitgehalten wird. Bei größeren Flugzeugen kann gasförmiger Sauerstoff für das Passagiersystem bereitgehalten werden, und es kann zusätzlicher Sauerstoff in Gasform mitgeführt werden, damit Sauerstoff während einer längeren Periode des Sauerstoffbe­ darfes als die vorgeschriebenen zehn Minuten bereitgestellt werden kann.

Die Erschließung neuer Luftrouten in bestimmten Bereichen der Welt stellt ein Problem dar, weil Teile dieser Routen über gebirgiges Gelände führen, das ein Tiefergehen des Flugzeuges bei Druckabfall in der Kabine nicht ermöglicht. Dies führt dazu, daß Sauerstoff für eine Verwendung bei Flughöhen bis zu 6000 m über längere Perioden, z. B. vierzig Minuten oder darüber, verfügbar sein muß. Für Zeiträume über zehn Minuten ist der Betrieb mit Chlorat-Kerzen unzuverlässig, das Mitführen von zusätzlichen Zylindern zur Speicherung von gasförmigem Sauerstoff führt jedoch zu erheblichen Schwierig­ keiten in bezug auf Gewicht und Platzbedarf.

Systeme, die gasförmigen Sauerstoff in Zylindern gespeichert verwenden, machen ein häufiges Warten und Nachfüllen zur Aufrechterhaltung des Druckes erforderlich, wobei ein solches Warten und Nachfüllen entweder am Flugzeug von einer Boden­ quelle aus, oder aber durch Austausch der Zylinder vorgenom­ men wird. Da die Zylinder so ausgelegt werden müssen, daß sie außerhalb des Flugzeuges transportierbar sind, unterliegen sie Vorschriften, die ihr Gewicht verglichen mit der normalen Auslegung im Flugzeug erhöhen.

GB-A- 22 19 511 der Anmelderin zeigt ein Lebensrettungssystem für die Flugzeugbesatzung, das bei Militärflugzeugen einge­ setzt wird. Das System weist ein Bordsauerstofferzeugungs­ system (OBOGS) auf, das Molekularsieb-Adsorberbette oder Oxygenkonzentratoren enthält, die so gesteuert werden, daß sie sauerstoffreiches Atemgas bis zu einer Konzentration von etwa 55-60% liefern, was ausreichend ist, um den Atembe­ darf der Flugzeugbesatzung während eines normalen Flugbetrie­ bes vom Boden bis zu einer maximalen Flughöhe von 18 300 m bei einer Druckkabine, d. h. einer maximalen Kabinenbetriebs­ höhe von 6100 m zu decken. Der Druck des Atemgases wird in diesem Konzentrationsbereich durch einen Druckverstärker oder Kompressor erhöht, bevor das Atemgas in einen Speichertank abgegeben wird, von dem aus es der Flugzeugbesatzung über einen Atemregler und eine Gesichtsmaske zugeführt wird. Zusätzlich kann das OBOGS zu solchen Zeiten, zu denen der Druck im Speichertank einen vorbestimmten Wert übersteigt und das System nicht aufgeladen wird, so geschaltet werden, daß es die Sauerstoffkonzentratoren in der Weise steuert, daß Atemgas mit einer maximalen Sauerstoffkonzentration von mindestens 90% Sauerstoff abgegeben wird, um eine Notatemgas­ speicherflasche aufzufüllen, die einem Schleudersitz zugeord­ net ist, und um es beim Abspringen zu verwenden, wenn festgestellt wird, daß der Druck in dieser Speicherflasche unter einen vorbestimmten minimalen Wert gefallen ist. Da Atemgas bei allen Flugbetriebsbedingungen eingespeist werden muß, müssen die Sauerstoffkonzentratoren und der Kompressor so dimensioniert sein, daß sie diese Forderung erfüllen, und der Speichertank muß eine ausreichende Kapazität haben, damit der Atemgasbedarf auch bei Spitzenbedarfswerten gedeckt werden kann, wenn die Flugzeugbesatzung, z. B. während eines anstrengenden Flugmanövers, tief oder schnell atmet. Gleich­ zeitig müssen Vorkehrungen getroffen sein, um den zyklischen Betrieb der Sauerstoffkonzentratoren so zu ändern, daß eine Abgabe von im wesentlichen reinem Sauerstoff erzielt wird, damit die Forderung erfüllt werden kann, die Notgasspeicher­ flasche nachzufüllen.

Weitere Vorschläge für Atemsysteme bei Militärflugzeugen, die in der Lage sind, von einem OBOGS geliefertes Atemgas zu speichern, können der EP-A- 00 45 404 und der US-A- 46 51 728 entnommen werden. Bei dem Vorschlag nach der EP-A- 00 45 404 (deren Inhaberin die Anmelderin ist) wird ein Teil des sauerstoffreichen Atemgases, das von Sauerstoffkonzentratoren geliefert wird, in einem Notspeichertank gespeichert, von dem es zum Atmen im Falle einer Unterbrechung der normalen Versorgung aus den Konzentratoren entnommen werden kann. Die US-A- 46 51 728 der Anmelderin zeigt ein System mit einer Bereitschaftseinspeisung von Atemgas und einer Noteinspeisung von Atemgas, die in getrennten Zylindern gespeichert sind. Es ist ein Auswählventil vorgesehen, über das Atmungsgas aus dem Bereitschaftszylinder entnommen werden kann, wenn das Flugzeug auf dem Boden steht, wobei das OBOGS nicht in Betrieb ist, oder während des Fluges, wenn das System fehlerhaft arbeitet. Der Notgaszylinder ist hauptsächlich als eine Quelle des Atemgases zur Verwendung durch die Flugzeug­ besatzung während des Abspringens aus dem Flugzeug einge­ schaltet, kann aber auch im Falle eines Fehlers sowohl des OBOGS als auch des Bereitschaftszylinders verwendet werden. Die Systeme, die Gegenstand dieser beiden Vorveröffentlichun­ gen sind, müssen die Forderung nach kontinuierlicher Beatmung bei normalem Flugbetrieb vom Boden bis zu maximaler Flughöhe eines Flugzeuges mit einem oder zwei Piloten erfüllen, so daß sie entsprechend zu dimensionieren sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein System und eine Einrichtung zum Erzeugen und Einspeisen von sauerstoffreichem Gas an Bord eines Flugzeuges vorzuschlagen, das die Forderungen erfüllt, daß Sauerstoff zum Atmen durch die Flugzeugbesatzung und die Passagiere von zivilen Personenflugzeugen zur Verfügung steht, und das auch in der Lage ist, sauerstoffreiches Atemgas zur Verwendung in einem Flugzeug einzuspeisen, das für die medizinische Versorgung verwendet wird.

Gemäß der Erfindung wird für das Einspeisen von sauerstoff­ reichem Gas zum Einatmen durch die Besatzung und die Passa­ giere eines Passagierflugzeuges ein System vorgeschlagen, das gekennzeichnet ist durch eine Molekularsieb-Sauerstoffkon­ zentratorvorrichtung, die sauerstoffreiches Gas liefert, eine Kompressorvorrichtung, die von der Konzentratorvorrichtung geliefertes sauerstoffreiches Gas aufnimmt und so betätigbar ist, daß das sauerstoffreiche Gas bei erhöhtem Druck bereit­ gestellt wird, eine erste Gasspeichervorrichtung, die so geschaltet ist, daß sie sauerstoffreiches Gas aus der Kompressorvorrichtung aufnimmt und an die Besatzung des Flugzeuges abgibt, eine zweite Gasspeichervorrichtung, die so geschaltet ist, daß sie sauerstoffreiches Gas aus der Kompressorvorrichtung aufnimmt und an die Passagiere des Flugzeuges abgibt, eine Vorrichtung zum Überwachen des Sauerstoffgehaltes des sauerstoffreichen Gases, das durch die Konzentratorvorrichtung abgegeben wird, eine Steuervorrich­ tung zur Aufnahme von Signalen aus der den Sauerstoffgehalt überwachenden Vorrichtung und zur Abgabe von Signalen für die Steuerung der Konzentratorvorrichtung, eine Vorrichtung zum Feststellen des Druckes des in der ersten und der zweiten Speichervorrichtung gespeicherten Gases, die so geschaltet ist, daß sie Signale an die Steuervorrichtung abgibt, wobei der Gasgehalt der ersten und der zweiten Speichervorrichtung durch die Steuervorrichtung und von der Steuervorrichtung abgegebene Signale berechnet werden kann, um einen Betrieb der Konzentratorvorrichtung und der Kompressorvorrichtung einzuleiten, damit druckaufgeladenes, sauerstoffreiches Gas erzeugt wird, das in der Lage ist, die Speichervorrichtungen aufzufüllen, wenn festgestellt wird, daß der Inhalt einer oder beider Speichervorrichtungen unter einen vorgegebenen Wert gefallen ist.

Vorzugsweise weist das System eine Prioritätsventilvorrich­ tung auf, die in eine Förderleitung von der Kompressorvor­ richtung zur ersten und zweiten Gasspeichervorrichtung eingeschaltet und mit der Steuervorrichtung antriebsmäßig verbunden ist, wobei der Prioritätsventilvorrichtung signali­ siert werden kann, auf bevorzugtes Laden der ersten Gasspei­ chervorrichtung zu schalten, wenn festgestellt wird, daß sowohl die erste als auch die zweite Speichervorrichtung unter einen vorbestimmten Wert gefallen ist.

Der Ausdruck "sauerstoffreiches Gas" bedeutet Gas mit mindestens 90% Sauerstoff, der Rest sind andere Gase ein­ schließlich Argon.

Wenn das Molekularsiebmaterial, das für die Sauerstoff/Stick­ stoff-Trennung verwendet wird, keine Selektivität für Sauerstoff/Argon hat, beträgt die maximal erzielbare Sauer­ stoffreinheit etwa 95%.

Ein System nach der Erfindung weist vorzugsweise eine Uberströmventilvorrichtung auf, die in eine Förderleitung zwischen Konzentratorvorrichtung und Kompressorvorrichtung eingeschaltet ist und die durch die Steuervorrichtung so betätigbar ist, daß sie in das umgebende Gas entlüftet, das von der Konzentratorvorrichtung geliefert wird, wenn die Sauerstoffkonzentration unter 90% fällt, wie dies z. B. unmittelbar im Anschluß an die Einleitung des Betriebes der Konzentratorvorrichtung der Fall ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird eine Einrichtung zum Erzeugen von sauerstoffreichem Gas für ein System, das sauerstoffreiches Gas zum Einatmen durch Besatzung und Passagiere eines Passagierflugzeuges einspeist, vorgeschla­ gen, die gekennzeichnet ist durch eine Vielzahl von Mehrbett- Molekularsieb-Sauerstoffkonzentratoren, deren jeder ein Einlaßende für die Speiseluft und ein Auslaßende für das sauerstoffreiche Gas aufweist, eine Speiselufteinlaßvorrich­ tung, die mit einer Speiseluftquelle verbindbar ist und eine Druckregelvorrichtung sowie eine Leitungsvorrichtung, die die Speiseluft in die Einlaßenden der Konzentratoren verteilt, aufweist, eine Vorrichtung zur Überwachung des Sauerstoffge­ haltes im sauerstoffreichen, von den Konzentratoren geliefer­ ten Gas, eine Steuervorrichtung, die auf Signale aus der Überwachungsvorrichtung zur Steuerung des Zyklus der Konzen­ tratorbette zwischen Im-Strom/Füll- und Nicht-Im-Strom/Reini­ gungs-Phasen anspricht, wobei Gas, das mit Sauerstoff bis zu im wesentlichen maximaler Konzentration angereichert ist, an den Auslaßenden der Konzentratoren bereitgestellt wird, eine Leitungsvorrichtung, die mit den Auslaßenden der Konzentrato­ ren verbunden ist, um sauerstoffreiches Gas aufzunehmen, das durch die Konzentratoren bereitgestellt wird, und eine Kompressorvorrichtung mit einer Einlaßvorrichtung, die mit der sauerstoffeiches Gas führenden Leitungsvorrichtung zur Aufnahme des Gases verbunden und so betätigbar ist, daß der Druck des Gases zur Bereitstellung aus der Kompressorauslaß­ vorrichtung erhöht wird.

Die Kompressorvorrichtung einer derartigen Einrichtung kann getrennte Kompressoren aufweisen, von denen jeweils einer jedem Konzentrator zugeordnet ist, oder einen gemeinsamen Kompressor, der so geschaltet ist, daß er sauerstoffreiches Gas aus allen Konzentratoren aufnimmt.

Eine Ausführungsform einer Einrichtung nach der Erfindung ist als Packungseinheit mit das Produktgas mit Druck beaufschla­ genden Kolben- und Zylinderanordnungen des Kompressors ausgebildet, die durch Speiseluft angetrieben werden können, welche in den Kompressor aus der Speiseluftabgabevorrichtung über eine Leitung mit darum herum angeordneten Mehrbett- Konzentratoren geführt wird.

Die Mehrbett-Konzentratoren sind vorzugsweise so ausgebildet, wie in US-A- 47 37 170 und EP-A- 02 25 736 dargestellt und beschrieben. Sie haben Molekularsiebbette, die konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei ein Speiselufteinlaß und ein Reinigungsgasauslaß eines jeden Bettes durch Membranven­ tile gesteuert werden. Ein Solenoidventil, das den Servodruck in einer den Membranventilen eines jeden Siebbettes zugeord­ neten Servodruckkammer steuert, ist so geschaltet, daß es Signale aus der Steuervorrichtung aufnimmt, wobei die Bette zwischen Im-Strom- und Nicht-Im-Strom-Phasen geschaltet werden.

Die Überwachungsvorrichtung bzw. der Monitor kann verschie­ dene Ausführungsformen annehmen, weist jedoch bei einer bevorzugten Ausführungsform einen Sauerstoffkonzentrations­ sensor auf, der so ausgebildet ist, daß er ein Signal erzeugt, das direkt die Sauerstoffkonzentration angibt, z. B. ein Sauerstoffkonzentrationssensor mit einer Zirkonoxydzelle. Eine derartige Vorrichtung hat ein sehr schnelles Ansprech­ verhalten gegenüber Änderungen in der Sauerstoffkonzentration und kann deshalb das System in die Lage versetzen, rasch auf sich ändernde Bedingungen anzusprechen.

Erforderlichenfalls kann die Überwachungsvorrichtung jedem Konzentrator zugeordnet sein, so daß der Sauerstoffgehalt des Produktgases, das von jedem Konzentrator geliefert wird, überwacht wird, und es können Vorkehrungen getroffen sein, um einen individuellen Konzentrator im Falle einer fehlerhaften Betriebsweise abzuschalten und zu isolieren.

Ein System und eine Einrichtung nach der Erfindung konnen an einen weiten Bereich von Speisebedingungen dadurch angepaßt werden, daß die Kompressorvorrichtung so ausgelegt wird, daß sie über einen weiten Bereich von Fördergeschwindigkeiten unter dem Einfluß der Steuervorrichtung betrieben werden kann. Dies erfordert zusätzliche Vorkehrungen zur Überwachung der Speiseluftqualität und eine geeignete Steuerlogik in der Steuervorrichtung. Es ermöglicht, daß ein hoher Durchfluß an Produktgas aus der Konzentratorvorrichtung unter guten Bedingungen, bei reduzierten Durchfluß zu anderen Zeiten, entnommen wird.

Während die Konzentratorvorrichtung nach der Erfindung so dimensioniert werden kann, daß sie einen sauerstoffreichen Gasfluß erzeugt, der zum Aufladen der Gasspeichervorrichtung im Flugzeug aus einem leeren Zustand in einen voll gefüllten Zustand ergibt, kann vorzugsweise eine Konzentratorvorrich­ tung mit geringeren Dimensionen und niedrigerem Gewicht vorgesehen werden, deren Abgabeleistung an sauerstoffreichem Gasfluß geeignet ist zum erneuten Auffüllen der Gasspeicher­ vorrichtung, um darin einen gewünschten Produktgasgehalt aufrecht zu erhalten, wobei die Speichervorrichtung so ausgelegt ist, daß sie mit Sauerstoffgas in den voll gefüll­ ten Zustand geladen werden kann, wenn das Flugzeug sich auf dem Boden befindet.

Im Gegensatz zu bekannten Atemsystemen für militärische Anwendungen, wie insbes. in GB-A- 22 19 511, EP-A- 00 45 404 und US-A- 46 51 728 dargestellt, verwendet ein Atemsystem nach vorliegender Erfindung, das die Anforderungen an sauerstoffreiches Gas für Beatmungszwecke bei Passagierflug­ zeugen erfüllt, Sauerstoffkonzentratoren ausschließlich zur Erzeugung von sauerstoffreichem Gas mit höchster praktisch erzielbarer Sauerstoffkonzentration, um einen Gasvorrat zum Füllen von Speichersystemen für die Besatzung und die Passagiere zu erzeugen, so daß die Sauerstoffkonzentratoren und ein zugeordneter Kompressor entsprechend dimensioniert sein müssen.

System und Einrichtung nach vorliegender Erfindung ergeben eine Gasspeichervorrichtung, die im Flugzeug angeordnet ist und die in voll gefülltem Zustand durch eine an Bord befind­ liche Erzeugereinrichtung für sauerstoffreiches Gas gehalten wird, wodurch die Notwendigkeit einer Befüllung mit Sauer­ stoffgas am Boden entfällt oder verringert wird. Zylinder, wie sie in Speichervorrichtungen bei Passagierflugzeugsyste­ men derzeit verwendet werden, haben ein Volumen in der Größe von 3 cbm und müssen gegen Straßentransport und Handhabung so geschützt sein, daß sie etwa jeweils 45 kg wiegen. Zylinder, die in Verbindung mit einem System nach der Erfindung eingesetzt werden, brauchen in der Regel nicht von dem Flugzeug entfernt werden, so daß die normale Beanspruchung im Flugzeug zugrunde gelegt werden kann. Dies bedeutet, daß ein Zylinder mit einer Kapazität von 3 cbm mit einem Nennbe­ triebsdruck von 12,4 MPa weniger als 23 kg wiegen kann, was eine Einsparung von etwa 340 kg für ein System mit 15 Zylindern ergibt. Dies gilt für die Verwendung von herkömm­ lichen Stahlzylindern; eine größere Gewichtseinsparung läßt sich erreichen, wenn Verbundkonstruktionen verwendet werden. Ein Schutz gegen Handhabung während der Installation und ein nachfolgendes Entfernen kann durch Festlegen der Zylinder auf Paletten erzielt werden, ferner durch Verwendung eines Schutzgehäuses, das eine unbeabsichtigte Beschädigung verhindert.

Andere Vorteile des Systems und der Einrichtung nach der Erfindung sind folgende:

• a) Die Speicherkapazität, die die wichtigste Dauerforderung erfüllt, wird durch die Speicherzylinder erreicht.
• b) Eine relativ kleine Konzentratorvorrichtung wird verwen­ det, um die Zylinder nachzufüllen und eine Beatmung der Besatzung und andere Routinefunktionen zu erreichen.
• c) Das System ist vollständig autonom und es ist keine Bodenbedienung oder kein Füllen am Boden im normalen Betrieb notwendig (eine Öffnung soll vorgesehen sein, um eine Bodenfüllung der Zylinder im Anschluß an die Erstinstallation zu ermöglichen).
• d) Es können Speicherzylinder mit geringem Gewicht (aus der Raumfahrt) verwendet werden.
• e) Das System ist sicher, wenn ein Druckabfall in Verbindung mit einem Verlust an Anzapflufteinspeisung in die Konzentratorvorrichtung auftritt.
• f) Es wird Hochdruckatmungsgas eingespeist, das bei vorhan­ denen Besatzungs- und Passagiersystemen verwendet werden kann.
• g) Eine Prüfung der Zylinder auf Inhalt vor dem Flug gibt an, daß das System für den Flug bereit ist.
• h) Es sind geringe Anzapfluftströme erforderlich.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeich­ nung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Atemsystems mit mit Sauerstoff angereichertem Gas für Flugzeuge, nach einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 eine Seitenansicht einer Molekularsieb-Sauerstoffkon­ zentrationsvorrichtung nach einer weiteren Ausfüh­ rungsform der Erfindung für die Verwendung in einem System nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Aufsicht auf das Einlaßende der Einrichtung nach Fig. 2, und

Fig. 4 eine Aufsicht auf das Auslaßende der Einrichtung nach Fig. 2.

Ein System zum Erzeugen von mit Sauerstoff angereichertem Gas (etwa 90-95% Sauerstoff) für die Bordbeatmung eines Passagierflugzeuges, wie es in Fig. 1 der Zeichnung darge­ stellt ist, weist eine Molekularsieb-Konzentrationsvorrich­ tung 11 auf, von der eine Ausführungsform in Verbindung mit den Fig. 2, 3 und 4 beschrieben wird. Die Konzentrations­ vorrichtung 11 nimmt Speiseluft über eine Speiseleitung 12 auf, die ein Absperrventil 13, eine Filter- und Wassertrenn­ vorrichtung 14 und ein Druckreduzierventil 15 enthält. Die Speiseluftquelle ist vorzugsweise Anzapfluft von einer Kompressorstufe eines oder mehrerer der Flugzeugtriebwerke. Die Konzentrationsvorrichtung wird so betätigt, daß sie mit Sauerstoff angereichertes bzw. sauerstoffreiches Gas erzeugt, das über eine Förderleitung 16 an einen Kompressor 17 gegeben wird, der bei der vorliegenden Ausführungsform pneumatisch angetriebene Druckkolben- und -zylinderanordnungen (nicht dargestellt) für sauerstoffreiches Gas aufweist. Luft zum Betreiben der Druckkolben- und -zylinderanordnungen ist Speiseluft, die in den Kompressor 17 über eine Speiseleitung 18 eingeführt wird, welche mit der Speiseleitung 12 stromab­ wärts in bezug auf das Druckreduzierventil 15 verbunden ist.

Der Kompressor 17 wird so betätigt, daß er sauerstoffreiches Gas mit erhöhtem Druck über eine ein Rückschlagventil 21 aufweisende Förderleitung 20 an einen Sauerstoffgas-Speicher­ zylinder 22 für die Flugzeugbesatzung, sowie an eine Reihe von Sauerstoffgas-Speicherzylindern 23 für die Passagiere liefert; die Anzahl der Zylinder 23 beträgt je nach der Flugzeuggröße und nach den Anforderungen zwischen 3 und 15 Zylinder; in Fig. 1 sind drei dieser Zylinder 23a, 23b, 23c dargestellt. Die Förderleitung 20 steht mit einem Prioritäts­ ventil 24 in Verbindung, das, wie nachstehend beschrieben, so geschaltet werden kann, daß der Speicherzylinder 22 für die Besatzung mit Priorität gegenüber den Speicherzylindern 23 für die Passagiere gefüllt werden kann. Das Prioritätsventil 24 ist mit dem Speicherzylinder für die Besatzung über eine Förderleitung 25 verbunden, die an den Speicherzylinder 22 angeschlossen ist, ferner mit den Speicherzylindern für die Passagiere über eine Förderleitung 26 mit Zweigleitungen 26a, 26b, 26c, die an die Speicherzylinder 23a, 23b, 23c ange­ schlossen sind.

Sauerstoffreiches Gas aus dem Speicherzylinder 22 für die Besatzung wird über eine Speiseleitung 27 mit Druckreduzier­ ventil an zwei Bedarfsregler 29 geliefert, die Produktgas auf Bedarf an zwei Gesichtsmasken 30 führen, von denen eine an jeder Station des Piloten und des Kopiloten vorgesehen ist. Sauerstoffreiches Gas aus dem Speicherzylinder 23 für die Passagiere wird über eine Speiseleitung 31, die an die Zylinder 23a, 23b, 23c angeschlossen ist und die ein Druck­ reduzierventil 32 enthält, an Passagierspeiseleitungen 23 gegeben, die längs jeder Seite der Passagierkabine 34 über die Kabinenlänge verlaufen und mit denen Drop-Down-Atemmasken (nicht dargestellt) verbunden sind. Sauerstoffreiches Gas steht in der Passagierkabine 34 für therapeutische Zwecke durch die Kabinenbesatzung über eine Speiseleitung (nicht dargestellt) zur Verfügung, die in die Speiseleitung 31 oder in die Speiseleitungen 33 eingeschleust werden kann. Wird ein Flugzeug für die medizinische Behandlung (z. B. von Verwunde­ ten) verwendet, kann natürlich sauerstoffreiches Gas von den Passagier-Speicherzylindern für das Beatmen von Patienten bereitgestellt werden.

Der Gehalt an Sauerstoff im Gas, das von der Konzentrations­ vorrichtung geliefert wird, wird durch einen Monitor 35 überwacht, der von beliebiger Ausführungsform sein kann, der jedoch bei vorliegendem Ausführungsbeispiel ein Sauerstoff­ konzentrationssensor mit Zirkonoxydzelle ist, welcher eine Probe mit sauerstoffreichem Gas und eine Einspeisung von Bezugsluft erforderlich macht. Die Probe mit sauerstoffrei­ chem Gas wird in den Monitor 35 über eine Anzapfleitung 36 eingeführt, die zwischen der Förderleitung 16 für das sauerstoffreiche Gas und dem Monitor eingeschaltet ist, und die Bezugsluft wird über eine Anzapfleitung 19 eingespeist, die an die Speiseluftleitung 12 angeschlossen ist. Der Monitor 35 ist über eine Signalleitung 37 zur Abgabe von Signalen, die der Sauerstoffkonzentration entsprechen, an eine elektronische Steuereinheit (ECU) 38 angeschlossen. Die ECU ist über eine Signalleitung 39 zur Abgabe von elektri­ schen Signalen an die Konzentratorvorrichtung 11 angeschlos­ sen, wobei ein zyklischer Betrieb von Molekularsiebbetten (in Fig. 1 nicht dargestellt) zwischen einer Im-Strom/ Füllphase und einer Nicht-Im-Strom/Reinigungsphase gesteuert werden kann, um die Bereitstellung von Gas mit weitgehend maximaler Sauerstoffkonzentration zu erzielen.

Die ECU 38 ist über Signalleitungen 40 und 41 mit entspre­ chenden Gasdrucksensoren 42 und 43 verbunden, die an den Besatzungs- und Passagier-Gasspeicherzylinder 22 und 23 vorgesehen sind. Ferner ist die ECU über eine Signalleitung 44 mit dem Abschaltventil 13 und über eine Signalleitung 45 mit einem Elektromotor (in Fig. 1 nicht dargestellt) des Kompressors 17 verbunden, wobei Ventile der Verstärkervor­ richtung nacheinander zwischen Offen- und Geschlossen-Posi­ tionen geschaltet werden.

Ein Uberströmventil 46 ist in der Förderleitung 16 zwischen der Konzentratorvorrichtung 11 und dem Kompressor 17 vorge­ sehen. Das Überströmventil 46 ist über eine Signalleitung 47 mit der ECU 38 verbunden und wird durch die ECU so geschal­ tet, daß von der Konzentratorvorrichtung geliefertes Gas in die Atmosphäre abgegeben wird, wenn der Monitor 35 fest­ stellt, daß der Sauerstoffgehalt unter 90% gesunken ist.

Bei dieser Ausführungsform ist die ECU 38 mit einer Flugzeug- Datenverarbeitungsanlage, z. B. dem Hauptbordcomputer 48, über eine Signalleitung 49 verbunden, die die Hauptflugzeugdaten­ sammelleitung ist. Diese Verbindung ermöglicht, daß die Statusinformation für das System der Besatzung zur Verfügung steht, ferner auch für eingeprägte Tests, die ausgeführt werden sollen. Wenn erwünscht, kann die Information zusätz­ lich aus dem Bordsystemcomputer in die ECU für Steuerzwecke im System eingeführt werden.

Wenn im Betrieb die ECU 38 Signale aus den Drucksensoren 42 oder 43 aufnimmt, die anzeigen, daß der Druck des sauerstoff­ reichen Gases, das im Speicherzylinder 22 für die Besatzung oder in den Speicherzylindern 23 für die Passagiere unter einen vorbestimmten Wert gefallen ist, erhält das Abschalt­ ventil 13 ein Signal zum Öffnen, damit Speiseluft in die Konzentratorvorrichtung 11 und den Kompressor 17 eingespeist werden kann, und der Betrieb der Konzentratorvorrichtung wird begonnen. Wenn die Konzentratorvorrichtung zu arbeiten angefangen hat, wird der Gehalt an Sauerstoff im von der Einrichtung gelieferten Gas durch den Monitor 35 festge­ stellt, und es werden Signale in die ECU gegeben, die die Signale und Ausgangssignale über eine Signalleitung 39 zur Steuerung des zyklischen Betriebes der Molekularsiebbette der Konzentratorvorrichtung berechnet, um Produktgas mit maxi­ maler Sauerstoffkonzentration zu erhalten.

Gleichzeitig wird das Überströmventil 46 so geschaltet, daß die Förderleitung 16 in die Atmosphäre entlüftet wird, bis die Konzentratorvorrichtung voll Im-Strom arbeitet, und die Sauerstoffkonzentration in dem durch die Konzentratorvor­ richtung gelieferten Gas durch den Monitor 35 auf einem Wert von 90° oder höher festgestellt worden ist. Die ECU 38 signalisiert dann dem Überströmventil, die Entlüftung in die Umgebung zu schließen, so daß sauerstoffreiches Gas von der Konzentratorvorrichtung in den Kompressor 17 strömt und die ECU den Elektromotor (nicht dargestellt) anschaltet, um den Ventilfolgevorgang der aus Kolben und Zylinder bestehenden Druckanordnungen zu steuern, wobei der Druck des von der Konzentratorvorrichtung gelieferten sauerstoffreichen Gases auf einen Wert erhöht wird, der erforderlich ist, um die Gasspeicherzylinder für die Besatzung und die Passagiere aufzuladen.

Während die Sauerstoffkonzentratorvorrichtung eine Größe haben kann, die ausreicht, um sauerstoffreiches Gas für die Ladung der Speicherzylinder aus einem leeren Zustand zu erzeugen, wird vorzugsweise zur Erzielung einer kleineren und leichteren Konzentratorvorrichtung die Erstaufladung der Speicherzylinder von einer Bodenstation übernommen und die Konzentratorvorrichtung mit einer Kapazität ausgelegt, die ausreicht, die Zylinder zu füllen, wenn der Inhalt an gespeichertem Gas unter einen gewünschten Wert fällt.

Die Sauerstoffkonzentratorvorrichtung nach der Erfindung wird nachstehend in Verbindung mit den Fig. 2, 3 und 4 erläu­ tert; die Vorrichtung ist zur Verwendung in einem System geeignet, das nach Fig. 1 ausgebildet sein kann.

Die Sauerstoffkonzentratorvorrichtung 50 weist drei Mehrbett- Konzentratoren 51 (Fig. 2 und 3) auf, wobei jeder Konzent­ rator drei Molekularsiebbette 52, 53, 54 besitzt, die konzentrisch zueinander angeordnet sind, wie sich aus den Konzentratoren in Fig. 2 ergibt. Jeder Konzentrator weist ein Einlaßende auf, das durch ein Abschlußbauteil 55 dargestellt ist, welches ein individuelles Paar von Membranventilen 56, 57 enthält, die jedem Bett zugeordnet sind (in Fig. 2 ist nur ein Paar dieser Ventile dargestellt). Das Membranventil 56 steuert den Eintritt von Speiseluft in das zugeordnete Bett während der Im-Strom/Füll-Phase des Bettes und das Membran­ ventil 57 steuert die Entlüftung des Bettes während einer Nicht-Im-Strom/Reinigungs-Phase. Der Betrieb der Membran­ ventile wird durch Servodruck in einer Servodruckkammer 58 auf der Rückseite eines jeden Membranventiles gesteuert; die Kammer 58 kann über ein Solenoidventil (nicht dargestellt) in die Umgebung entlüftet werden.

Speiseluft wird den Konzentratoren über eine Speiseluft- Einlaßvorrichtung zugeführt, die einen Einlaß 59 aufweist, der mit einer Speiseluftquelle (nicht dargestellt) verbunden werden kann; diese Quelle kann Druckluft sein, welche aus einer Kompressorstufe einer oder mehrerer Flugzeugturbinen entnommen wird. Der Einlaß 59 ist über ein Filter 60 mit Eintrittsöffnungen 61 (von denen nur eine in Fig. 2 sichtbar ist) eines Druckreduzierventiles 62 verbunden. Speiseluft fließt ferner über den Einlaß 59 und das Filter 60 an eine Einlaßöffnung 63 eines Bezugsdruckventiles 64, das den Druck in einer Bezugsdruckkammer 65 über eine Anzapfleitung 66 einstellt. Eine Wand der Bezugsdruckkammer 65 ist durch eine Membran 67 gebildet, die ein Ventilbauteil 68 aufnimmt, das den Durchfluß von Speiseluft von einem Auslaß 69 zum Ventil 62 regelt. Der Auslaß 69 ist mit einer Leitung 70 verbunden, die Speiseluft an eine Speiseluft-Eintrittsöffnung 71 gibt, welche im Einlaßende eines jeden Konzentrators vorgesehen ist.

Ein Auslaßende eines jeden Konzentrators 51 weist ein Abschlußbauteil 72 mit einem Auslaß 73 auf, der wahlweise ein Gasfilter 74 aufnimmt. Sauerstoffreiches Gas, das von jedem der Bette 51, 52, 53 während einer Im-Strom-Phase abgegeben wird, wird im Auslaß 73 über Kanäle (nicht dargestellt) im Abschlußbauteil 72 zugeführt. Das Abschlußbauteil 72 nimmt ferner ein Membranventil (nicht dargestellt) auf, das jedem der Bette zugeordnet ist, durch das ein Teil des sauerstoff­ reichen Gases in ein Bett in einem Nicht-Im-Strom-Zyklus eintreten kann, um ein Reinigen von zurückgehaltenem Stick­ stoff aus diesem Bett zu unterstützen.

Der Auslaß 73 eines jeden Konzentrators ist über eine Rohr­ leitung 75 mit einem Abgaberohr 76 verbunden, das an einen Kompressor 77 angeschlossen ist, der an den Auslaßenden der Konzentratoren befestigt ist. Der Kompressor 77 ist so ausgeführt, wie in EP-A- 03 69 623 der Anmelderin angegeben und weist eine Vielzahl von aus Kolben und Zylinder bestehen­ den Druckanordnungen 79 auf, deren Kolben pneumatisch angetrieben sind. Luft zum Antrieb der Kolben wird durch die Konzentratorspeiseluft bereitgestellt, die an den Kompressor 77 über eine rohrförmige Speiseleitung 80 abgegeben wird, welche sich von der Leitung 70 zur Verbindung mit dem Kompressor 77 erstreckt und drei Konzentratoren 51 besitzt, die darum herum angeordnet sind, wie sich aus den Fig. 3 und 4 ergibt. Der Kompressor weist ferner einen Elektromotor 81 auf, der einen Zahnriemen 82 antreibt, durch den Ventile 83 (Fig. 2) nacheinander geöffnet und geschlossen werden, um einen Betrieb der Druckkolben- und Zylinderanordnungen 79 zu steuern.

Der Elektromotor 81 ist so geschaltet daß er Signale zur Einleitung dieses Betriebes aus einer elektronischen Steuer­ einheit (ECU) 84 aufnimmt, die ferner Signale an die Soleno­ idventile (nicht dargestellt) gibt, welche die Entlüftung der Servodruckkammern 58 steuern, die den Speiseluft-Einlaßventi­ len 56 und den Reinigungsgas-Belüftungsventilen 57 an den Einlaßenden der Konzentratoren zugeordnet sind. Die ECU 84 ist so geschaltet, daß sie Sauerstoff-Konzentratorsignale aus einem Sauerstoff-Konzentratorsensor 85 mit Zirkonoxydzelle aufnimmt. Der Sensor 85 nimmt für seinen Betrieb eine Probe eines sauerstoffreichen Produktgases auf, das von der rohrförmigen Leitung 75 über eine rohrförmige Anzapfleitung 87 angezapft wird, ferner eine Einspeisung von Bezugsluft, die aus der rohrförmigen Speiseleitung 80 über eine Anzapf­ leitung 88 angezapft wird. Die Arbeitsweise derartiger Konzentratorsensoren mit Zirkonoxydzelle sind bekannt, beispielsweise aus der EP-A- 03 91 607, und werden nicht näher erläutert.

Wie für das System nach Fig. 1 beschrieben, nimmt die ECU 84 Signale auf, die den Druckzustand in den Gasspeicherzylindern für Besatzung und Passagiere angibt, und berechnet den Inhalt dieser Zylinder. Wenn der Inhalt unter einen gewünschten Wert gefallen ist, leitet die ECU einen Betrieb der Konzentratoren 51 und des Kompressors 77 ein, um sauerstoffreiches Gas zum Füllen der Speicherzylinder zu erzeugen. Der Sensor 85 überwacht den Sauerstoffgehalt im sauerstoffreichen Gas, das durch die Konzentratoren bereitgestellt wird, und von der ECU 84 übertragene Signale werden so berechnet, daß Ausgangssig­ nale zur Steuerung der Solenoide an den Einlaßenden der Konzentratorbette erzeugt werden, wobei die Bette zyklisch über Im-Strom- und Nicht-Im-Strom-Phasen zyklisch geschaltet werden, um eine maximale Sauerstoffkonzentration im Produkt­ gas zu erzielen.

Abgängig von dem beabsichtigten Flugprofil und der Verwendung eines Systems nach vorliegender Erfindung kann die Größe der Konzentratorvorrichtung dadurch verringert werden, daß sie so ausgelegt wird, daß sie einen optimalen Satz von Speise­ bedingungen, z. B. hoher Anzapfdruck/große Flughöhen angepaßt ist. Wenn dieser Satz von Bedingungen bei einer genügend großen Anzahl von Gelegenheiten erreicht wird, um wahrschein­ liche Verluste und Systemdurchflußforderungen auszugleichen, kann die Konzentratorvorrichtung zu allen anderen Zeiten isoliert werden. Dies macht entweder die Verwendung zusätz­ licher Monitoren am Einlaß des Konzentrators erforderlich, oder aber eine Datenschnittstelle am Computer 48 des Flug­ zeugsystems durch die Signalleitung 49 (Fig. 1) .

Andererseits kann ein System nach vorliegender Erfindung einem weiten Bereich von Speisebedingungen dadurch angepaßt werden, daß der Druckverstärker so ausgelegt wird, daß er über einen weiten Bereich von Abgabegeschwindigkeiten unter Steuerung der ECU arbeitet. Während dies zusätzliche Monitore zur Festlegung der Qualität der Speiseluft, und zusätzliche Steuerlogik in der ECU erforderlich macht, ist es damit möglich, einen hohen Durchsatz an sauerstoffreichem Gas unter guten Bedingungen bei Reduzierung des Flusses zu anderen Zeiten zu erzeugen.

Bei einem System mit einer Konzentratorvorrichtung, die aus einer Anzahl von unabhängigen Konzentratoren besteht, kann eine zusätzliche Betriebssicherheit dadurch erzielt werden, daß die individuelle Abgabe eines jeden Konzentrators überwacht wird und daß eine Vorrichtung zur Isolierung eines Konzentrators im Falle eines fehlerhaften Arbeitens vorgese­ hen wird. Das System arbeitet dann bei einem reduzierten Leistungspegel weiter, und es wird ein Signal gesetzt, das anzeigt, daß eine Wartung erforderlich ist.

Claims (11)

1. System zum Einspeisen von sauerstoffreichem Gas zum Einatmen durch die Besatzung und die Passagiere eines Passagierflugzeuges, gekennzeichnet durch eine Molekular­ sieb-Sauertoffkonzentratorvorrichtung (11), das sauer­ stoffreiches Gas liefert, eine Kompressorvorrichtung (17), die zur Aufnahme von von der Konzentratorvorrich­ tung (11) geliefertem sauerstoffreichem Gas verbunden und so betätigbar ist, daß das sauerstoffreiche Gas bei erhöhtem Druck bereitgestellt wird, eine erste Gas­ speichervorrichtung (22), die so geschaltet ist, daß sie sauerstoff reiches Gas aus der Kompressorvorrichtung (17) aufnimmt und an die Besatzung des Flugzeugs abgibt, eine zweite Gasspeichervorrichtung (23), die so geschaltet ist, daß sie mit sauerstoffreiches Gas aus der Kompres­ sorvorrichtung (17) aufnimmt und an die Passagiere des Flugzeugs abgibt, eine Vorrichtung (35) zum Überwachen des Sauerstoffgehaltes des sauerstoffreichen Gases, das durch die Konzentratorvorrichtung (11) abgegeben wird eine Steuervorrichtung (38) zur Aufnahme von Signalen aus der den Sauerstoffgehalt überwachenden Vorrichtung (35) und zur Abgabe von Signalen für die Steuerung der Konzentratorvorrichtung (11), eine Vorrichtung (42, 43) zum Feststellen des Druckes des in der ersten und der zweiten Speichervorrichtung (22, 23) gespeicherten Gases, die so geschaltet ist, daß sie Signale an die Steuervor­ richtung (38) abgibt, wobei der Gasgehalt der ersten und der zweiten Speichervorrichtung (22, 23) durch die Steuervorrichtung (38) und von der Steuervorrichtung abgegebene Signaleberechnet werden kann, um einen Betrieb der Konzentratorvorrichtung und der Kompressorvorrichtung einzuleiten, damit druckaufgeladenes, sauerstoffreiches Gas erzeugt wird, das in der Lage ist, die Speichervor­ richtungen aufzufüllen, wenn festgestellt wird, daß der Inhalt einer oder beider Speichervorrichtungen unter einen vorgegebenen Wert gefallen ist.

2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Prioritätsventilvorrichtung (24), die in einer Förder­ leitung (20) zwischen der Druckverstärkungsvorrichtung (17) und der ersten und zweiten Gasspeichervorrichtung (22, 23) angeordnet ist und mit der Steuervorrichtung (38) antriebsmäßig so verbunden ist, daß der Prioritäts­ ventilvorrichtung (24) signalisiert wird, auf bevorzugtes Laden der ersten Gasspeichervorrichtung (22) zu schalten, wenn festgestellt worden ist, daß der Druck sowohl in der ersten (22) als auch in der zweiten (23) Speichervor­ richtung unter einen vorbestimmten Wert gefallen ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Überströmventilvorrichtung (46), die zwischen der Konzentratorvorrichtung (11) und der Kompressorvorrich­ tung (17) angeordnet ist und die durch die Steuervor­ richtung (38) so betätigbar ist, daß sie in das umgebende Gas entlüftet, das von der Konzentratorvorrichtung (11) geliefert wird, wenn die Sauerstoffkonzentration unter 90% fällt.

4. System nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kompressorvorrictung (17) über einen weiten Bereich von Förderleistungen unter Steuerung der Steuervorrichtung (38) arbeitet.

5. Einrichtung zur Erzeugung von sauerstoffreichem Gas für ein System nach einem der Ansprüche 1-4, das mit sauerstoffreichem Gas zum Einatmen durch Besatzung und Passagiere eines Passagierflugzeuges eingespeist wird, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von Mehrbett-Moleku­ larsieb-Sauerstoffkonzentratoren (11; 50, 51), deren jeder ein Einlaßende (59) für Speiseluft und ein Auslaß­ ende für das sauerstoffreiche Gas aufweist, eine Speise­ lufteinlaßvorrichtung, die mit einer Speiseluftquelle verbunden ist und eine Druckregelvorrichtung sowie eine Leitungsvorrichtung, die die Speiseluft in die Einlaß­ enden der Konzentratoren verteilt, aufweist, eine Vorrichtung (35) zur Überwachung des Sauerstoffgehaltes im sauerstoffreichen, das von den Konzentratoren gelie­ ferten Gas, eine Steuervorrichtung (38), die auf Signale aus der Überwachungsvorrichtung (35) zur Steuerung des Zyklus der Konzentratorbette zwischen Im-Strom/Füll- und Nicht-Im-Strom/Reinigungs-Phasen anspricht, wobei Gas, das mit Sauerstoff bis zu im wesentlichen maximaler Konzentration angereichert ist, an den Auslaßenden der Konzentratoren bereitgestellt wird, eine Leitungsvor­ richtung, die mit den Auslaßenden der Konzentratoren verbunden ist, um sauerstoffreiches Gas aufzunehmen, das durch die Konzentratoren bereitgestellt wird, und eine Kompressorvorrichtung mit einer Einlaßvorrichtung, die mit der sauerstoffreiches Gas führenden Leitungsvorrich­ tung zur Aufnahme des Gases verbunden und so betätigbar ist, daß der Druck des Gases zur Bereitstellung aus der Kompressorauslaßvorrichtung erhöht wird.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompressorvorrichtung einen gemeinsamen Kompressor aufweist, der so geschaltet ist, daß er sauerstoff­ reiches Gas aus jedem der Konzentratoren aufnimmt.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor durch die Speiseluft angetriebene, das sauerstoffreiche Gas mit Druck beaufschlagende Kolben- und Zylinderanordnungen aufweist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseluft zum Antrieb der Kolben- und Zylinderanord­ nungen an den Kompressor aus der Speiseluftfördervorrich­ tung über eine Leitung bereitgestellt wird, um die herum die Mehrbett-Konzentratoren angeordnet sind.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, daß die den Sauerstoffgehalt überwachende Vorrichtung (35) einen Sauerstoffkonzentrationssensor aufweist, der ein Signal abgibt, das direkt die Sauer­ stoffkonzentration anzeigt.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5-9 dadurch gekennzeichnet, daß die Überwachungsvorrichtung (35) jedem Konzentrator so zugeordnet ist daß der Sauerstoff­ gehalt des sauerstoffreichen Gases, das von jedem Konzentrator bereitgestellt wird, getrennt überwacht wird und daß eine Vorrichtung zum Abschalten und Isolieren eines individuellen Konzentrators im Falle einer fehler­ haften Arbeitsweise vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5-10, dadurch gekennzeichnet, daß sie so dimensioniert ist, daß sie einen Durchfluß von sauerstoffreichem Gas erzeugt, der ausreicht, um die Gasspeichervorrichtung aus einem leeren Zustand in einen voll gefüllten Zustand zu laden.