DE60221087T2

DE60221087T2 - Verfahren zur Bestimmung der Adsorptionkapazität eines Systems zur Entfernung von Kohlendioxid und zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE60221087T2
Application number: DE60221087T
Authority: DE
Inventors: Martin John Parker
Original assignee: Parker Martin John Helston
Current assignee: Clipper Data Ltd
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2002-11-26
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2022-11-27
Also published as: EP1316331A1; EP1316331B1; DE60221087D1; GB2382572A; GB0128732D0; GB2382572B

Description

Die Erfindung betrifft Kohlendioxid-Scrubber und insbesondere Kohlendioxid-Scrubber für Atemschutzgeräte, die beispielsweise beim Tiefwassertauchen oder in anderen gefährlichen Umgebungen benutzt werden, wobei der Benutzer mit atembarem Gas versorgt werden muss. Zu solchen Anwendungen gehören die Brandbekämpfung, bei der die Luft stark mit Verbrennungsprodukten und schädlichen Gasen angereichert sein kann, andere Industrieanwendungen, bei denen die Luft verschmutzt oder anderweitig unatembar sein kann, oder in großen Höhen, wo die Atmosphäre zu dünn ist oder effektiv nicht mehr existiert. Der hier verwendete Ausdruck rezirkulierendes umluftunabhängiges Atemschutzgerät bezieht sich auf Rebreather mit geschlossenem und halbgeschlossenem Kreislauf, wobei mindestens ein Teil des Ausatemgases rezirkuliert wird.
Obwohl sich die vorliegende Erfindung für einen weiten Bereich von Anwendungen eignet, wird sie nachfolgend besonders in Bezug auf ihre Anwendung als Unterwasser-Atemschutzgerät für Taucher beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass diese Beschreibung die allgemeine Anwendung oder den Anwendungsbereich der Erfindung nicht ausschließt.
Es ist weitgehend bekannt, Taucher mit umluftunabhängigen Atemschutzgeräten auszurüsten, um die Zeit zu verlängern, die der Taucher unter der Wasseroberfläche verbringen kann. Das am meisten benutzte umluftunabhängige Atemschutzgerät weist einen festen Behälter auf, der einen Vorrat an Pressluft enthält, die durch einen Hochdruck- oder Erststufen-Regler aus dem Behälter austritt und durch einen flexiblen Schlauch zu einem Mundstück geführt wird, das ein Bedarfsventil einschließlich einem Zweitstufen-Regler aufweist, das sich automatisch öffnet und schließt, wenn der Taucher ein- und ausatmet. Solche Systeme werden Offenkreislauf-Atemschutzgeräte genannt, weil das Ausatemgas direkt in die Unterwasserumgebung ausgeführt werden kann, wobei bei jedem Ausatmen ein Blasenstrom ausgestoßen wird. Wenn das aus dem Gasbehälter ausgeatmete Gas Luft darstellt, dann ist ein großer Teil des Ausatemgases Stickstoff, der in der Luft bekanntlich mit Sauerstoff in einem Verhältnis von etwa 4:1 vorkommt. Mit anderen Worten, 80 % der vom Taucher geatmeten Luft und daher 80 % des Inhalts des Pressluftbehälters enthält wenig mehr als ein Transportmittel für den Sauerstoff, der bei seinem Aufenthalt in der Lunge zum Teil in Kohlendioxid umgewandelt wird. Das heißt, dass der Körper eigentlich 80 % des Atemgases gar nicht braucht, und dass dieses nur dazu dient, den Sauerstoff zu verdünnen. Es ist nicht möglich, in Tiefen unter 10 Metern reinen Sauerstoff zu atmen, da Sauerstoff bei höherem Druck toxisch wird.
Es ist früher so genannte Offenkreislauf- oder Rebreather-Geräte vorgeschlagen worden, in denen der Kohlendioxidanteil der ausgeatmeten Luft außerhalb des Körpers abgeführt wird, frischer Sauerstoff zugeführt wird, um den verbrauchten zu ersetzen, und die derart aufgebesserte Luft dem Taucher erneut zum Wiedereinatmen (Rebreathing) zugeführt wird. Auf diese Weise braucht der Rebreather nur genügend Stickstoff im Atemkreislauf, um die Zirkulation zu ermöglichen. So reichen beispielsweise zwei oder drei Lungen voll Stickstoff für die Zirkulation um den geschlossenen Kreislauf zu zirkulieren. Ein solches System wird beispielsweise in US-Patent 4 964 404 (William C. Stone) und in US-Patent 3 556 098 (John W. Kanwisher und Walter A. Starck II) beschrieben. Diese Erfinder waren jedoch nicht die ersten, einen Rebreather mit geschlossenem Kreislauf zu schaffen, denn es ist bekannt, dass so genannte Froschmänner im 2. Weltkrieg Rebreather-Geräte benutzt haben, um die verräterischen Blasen zu vermeiden, die bei einem Offenkreislaufsystem – wie dem oben beschriebenen herkömmlichen Pressluftflaschensystem – beim Ausatmen an die Oberfläche steigen. US-Patent 4 964 404 beschreibt ein verbessertes derartiges Mischgas-Atemschutzgerät, in dem ein Behälter für das Ausatemgas (die so genannte Gegenlunge) in zwei Teilen gebildet ist, nämlich einen ersten Teil, in dem ein Schlauch vom Mundstück in einen Kohlendioxid-Filter führt, und einen zweiten Teil in der Leitung zwischen dem Kohlendioxid-Filter und dem Mundstück. Der bei dem in US 3 556 098 beschriebenen System eingesetzte Kohlendioxid-Filter enthält eine Kammer mit Sauerstoffpartialdruck-Sensoren, die dazu dienen, den Sauerstoffgehalt im Ausatemgas zu erkennen und die Sauerstoffbilanz wiederherzustellen, indem Sauerstoff durch ein indirekt von den Sensoren gesteuertes Ventil eingeführt wird.
Im Patent des Antragstellers, WO-A-9 913 944 enthält der Kohlendioxidfilter ein Filterbett aus Reagenzmaterial zwischen kreisförmigen durchlässigen Schranken in einem zylindrischen Behälter eines zentral-axialen Elements.
In umluftunabhängigen Atemschutzgeräten besteht das Filterbett aus Reagenzmaterial in einem zylindrischen Behälter innerhalb des Rezirkulationskreislaufs, um das ausgeatmete Kohlendioxid auf sichere Weise abzuführen. Im normalen Betrieb verhindert das Reagenzmaterial, dass ausgeatmetes Kohlendioxid durch den Filter und zurück in die Lungen des Tauchers gelangt. Wenn das Reagenzmaterial jedoch erschöpft wird, dann kommt es zu einem so genannten Durchbruch, und Kohlendioxid gelangt durch den Filter, und wenn der Taucher weiterhin durch das Atemschutzgerät atmet, erhöht sich der Kohlendioxidgehalt, bis er toxische Werte erreicht.
Es ist vorgeschlagen worden, dass die Erschöpfung des Kohlendioxid-Reagenzmaterials erkannt werden kann, indem man den Kohlendioxidgehalt der rezirkulierenden Gase direkt misst. Es stellte sich jedoch als schwierig und relativ teuer heraus, diese Vorschläge in die Praxis umzusetzen. Obwohl es möglich ist, den Kohlendioxidgehalt in der Luft unter atmosphärischem Druck genau und zuverlässig zu messen, wird es zunehmend schwierig, dies unter hyperbarischem Druck oder bei Nichtluftgasen zu erreichen. Zum Beispiel ist es relativ leicht, Gehalte mit 0,25 KPa Partialdruck unter atmosphärischem Druck, d.h. 0,35 % des Oberflächendrucks zu messen. Bei tauchtiefen von 10 m, 30 m, 70 m und 150 m steigt der Umgebungsdruck jeweils auf 2 bar, 4 bar, 8 bar und 16 bar und derselbe Kohlendioxidgehalt ist 0,125 % bei 10 m, 0,0625 % bei 30 m, 0,03125 % bei 70 m und 0,015625 bei 150 m. Wenn der Kohlendioxidgehalt bei solchen Druckwerten gemessen wird, ist die genaue Kalibrierung äußerst wichtig. Ein solcher Genauigkeitsgrad ist aber meistens nur mit Massenspektrometern erreichbar. Dies ist ein besonderes Problem bei Tiefwasseranwendungen, da sich das Zeitintervall zwischen dem Erkennen relativ kleiner Kohlendioxidgehalte und dem Erkennen gefährlicher Gehalte mit der Tiefe verkürzt. So kann das Zeitintervall zum Beispiel zwischen einigen Minuten auf einer Tiefe von 20 m und einigen Sekunden bei 100 m liegen. Wird dabei ein Warnsignal gegeben, wenn Kohlendioxid erkannt wird, dann ist es für den Taucher oft schon zu spät zum Reagieren. Außerdem kann die Erkennung von hohen Kohlendioxidgehalten nur darauf hinweisen, dass Erschöpfung bereits aufgetreten ist. Es gibt keinen Hinweis darauf, dass Erschöpfung bevorsteht, und wenn gemeldet wird, dass das Reagenzmaterial bereits im Anfangsstadium der Erschöpfung ist, dann kann die Warnung für Taucher bereits zu spät sein, besonders bei Tiefen ab ca. 40 m.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Art von Atemschutzgerät vorgestellt, bei dem Ausatemgas durch einen Reagenzmaterialkörper geführt wird, um vor oder nach der Einführung einer bestimmten Menge an Sauerstoff oder eines Gemischs aus Sauerstoff und anderen Gasen und der Bereitstellung des Gases zum Rebreathing mindestens einen Teil des Kohlendioxidgehalts aus dem Ausatemgas auszuwaschen; das Gerät wird in Ansprüchen 1 bis 16 beschrieben.
In dem genannten Aspekt messen die Temperatursensoren den Temperaturanstieg aufgrund der exothermischen chemischen Reaktion innerhalb des Reagenzmaterials, weil das Kohlendioxid durch die Aktion des Reagenzmaterials in eine feste Carbonatverbindung umgewandelt wird, wodurch das Kohlendioxid aus dem rezirkulierenden Gasstrom ausgewaschen wird. Die durch diese exothermische Reaktion herbeigeführte Wärme lässt die Ortstemperatur steigen. Die Erfinder haben festgestellt, dass die Temperatur des Reagenzmaterials durch den Behälter mit Reagenzmaterial auf im Wesentlichen lineare Weise ansteigt, bis sie eine im Wesentlichen einheitliche Betriebstemperatur erreicht. Es versteht sich, dass die Betriebstemperatur je nach Scrubbermaterial, Reagenzmaterial, Umgebungstemperatur, Dichte des Reagenzmaterials und Atemfrequenz des Benutzers variiert. Der Temperaturanstieg durch den Behälter mit Reagenzmaterial erfolgt in Gasstromrichtung und kann als eine "Warmtemperaturfront" oder Reaktionsfront angesehen werden, wie er vom Einlassende zum Auslassende des Reagenzmaterials fortschreitet. Wenn das Reagenzmaterial verbraucht, d.h. in eine Carbonatverbindung umgewandelt wird, beginnt das Material, sich abzukühlen. Das Reagenzmaterial, das dem Kohlendioxid zuerst ausgesetzt ist, wird zuerst genutzt oder aufgebraucht, und das Material, das zuletzt ausgesetzt ist, wird zuletzt aufgebraucht. In dieser Hinsicht erfolgt das Abkühlen des Reagenzmaterials durch den Behälter ebenfalls in Gasstromrichtung auf lineare Weise. Das Fortschreiten des Temperaturabfalls durch den Behälter mit Reagenzmaterial kann als eine "Kaltfront" angesehen werden. So kann durch Ermittlung des Temperaturunterschieds bzw. -gradienten zwischen den Temperatursensoren die Position der Kaltfront bestimmt werden, die wiederum dazu benutzt werden kann, die Nutzungsdauer des ungebrauchten Reagenzmaterials zu bestimmen.
Statt den Kohlendioxidgehalt des aufgearbeiteten Gases direkt zu messen, wird im oben genannten Aspekt der Erfindung die Aktivität der chemischen Reaktion im Reagenzmaterial gemessen, um die restliche Kapazität des Materials und damit die Nutzungsdauer des Filtereinsatzes vor Erschöpfung des Reagenzmaterials und vor dem CO₂-Durchbruch festzustellen. Dieser Aspekt der Erfindung schafft einen einfachen und relativ preiswerten Apparat für eine präventive Warnung vor dem so genannten CO₂-Durchbruch, indem der erschöpfte Anteil des Reagenzmaterials und damit die restliche Kohlendioxid-Absorptionskapazität des Einsatzes gemessen wird. Der Apparat wird nicht durch Luftfeuchtigkeit oder Druck beeinflusst, da er das Kohlendioxid nicht direkt misst. Die Temperatursensoren haben einen sehr niedrigen Energiebedarf, und insbesondere brauchen die Sensoren keine absolute Kalibrierung, da alle Temperaturwerte relativ sind, d.h. dass der Temperaturunterschied zwischen den Sensoren ausschlaggebend ist und nicht der absolute Temperaturunterschied zwischen den Teilen des Reagenzmaterials, in denen die Sensoren angebracht sind.
Bevorzugterweise sind die Sensoren in mindestens einer ersten Richtung angeordnet, die der Richtung des Gasstromes durch das Reagenzmaterial entspricht, wodurch der Temperaturgradient in dieser Stromrichtung ermittelt werden kann.
Die exothermische Reaktion wird ausgelöst, wenn das Kohlendioxid im zirkulierenden Gasstrom zuerst mit aktivem Reagenzmaterial in Kontakt kommt. Im Anfang bewegt sich die warme Reaktionsfront am Filtereinsatz entlang in Richtung des Gasstromes im Einsatz. So bewegt sich auf diese Weise nicht nur die Reaktionsfront an der Länge des Filtereinsatzes entlang, sondern auch das aufgrund der Reaktion im Reagenzmaterial bestehende Temperaturprofil bzw. der Temperaturgradient.
Mehrere Temperatursensoren sind über das gesamte Reagenzmaterial in Gasstromrichtung verteilt, damit die Temperaturverteilung im Reagenzmaterial in Gasstromrichtung während der Kohlendioxidabfuhr ermittelt werden kann.
In bevorzugten Ausführungsformen enthält das Gerät weiterhin ein Mittel, mit dem die Temperaturverteilung im Reagenzmaterial mit einem entsprechend vorgegebenen Temperaturverteilungswert für das Reagenzmaterial verglichen werden kann, sowie eine Warnvorrichtung, die entsprechend den ermittelten Unterschieden zwischen der ermittelten Verteilung und dem vorgegebenen Wert ausgelöst wird.
Bevorzugterweise enthält das Gerät weiterhin Mittel, um festzustellen, wenn der zwischen mindestens einem Paar Temperatursensoren nachgewiesene Temperaturunterschied einen vorgegebenen Wert überschreitet.
In bevorzugten Ausführungsformen enthält das Gerät weiterhin einen Drucksensor und ein Mittel zur Auswahl des Temperatursensorpaares aus einer Mehrzahl an Temperatursensoren im Reagenzmaterial gemäß dem vom Druckmesser gemessenen Druck.
Bevorzugterweise enthält das Gerät weiterhin ein Mittel zur Feststellung des vorgegebenen maximalen Temperaturunterschieds gemäß dem vom Druckmesser gemessenen Druck.
In bevorzugten Ausführungsformen wird die Warnvorrichtung ausgelöst, wenn der nachgewiesene Temperaturunterschied den vorgegebenen Wert überschreitet. Bevorzugterweise wird die Alarmvorrichtung ausgelöst, wenn ein Unterschied zwischen einer nachgewiesenen transienten Temperaturverteilung im Reagenzmaterial und einem vorgegebenen Temperaturverteilungswert für das Reagenzmaterial festgestellt wird. Es versteht sich, dass sich der Ausdruck "transiente Temperaturverteilung" auf die Temperaturverteilung im Reagenzmaterial unmittelbar nach Beginn der Kohlendioxidgasabfuhr bezieht und bevor das Reagenzmaterial durch exothermische Reaktion bis zur Beharrungstemperatur erwärmt wird.
Bevorzugterweise wird die restliche Kohlendioxidabsorptionskapazität gemäß der Beharrungstemperaturverteilung im Reagenzmaterial bestimmt. Es versteht sich, dass sich der Ausdruck "Beharrungstemperaturverteilung" auf die Temperaturverteilung im Reagenzmaterial bezieht, nachdem das Reagenzmaterial durch die exothermische Reaktion auf die Beharrungstemperatur erwärmt worden ist. Die Beharrungstemperaturverteilung kann je nach dem Abkühlen des verbrauchten nichtaktiven Reagenzmaterials – wie oben beschrieben – zeitlich variieren.
In bevorzugten Ausführungsformen enthält die Beharrungstemperaturverteilung eine stromaufwärts gelegene Region von zunehmender Temperatur in Stromrichtung und eine stromabwärts davon gelegene Region mit im Wesentlichen konstanter und erhöhter Temperatur, und die Vorrichtung zur Erkennung des Übergangs im Reagenzmaterial zwischen der Stromaufwärts- und der Stromabwärtsrichtung.
In bevorzugten Ausführungsformen wird die restliche Kohlendioxidabsorptionskapazität nach der Position des Abfalls der gemessenen Temperatur im Reagenzmaterial bestimmt. Durch Bestimmung des Temperaturabfalls im Reagenzmaterial ist es leicht möglich, die gegenwärtige Position der "Kaltfront", d.h. die Position im Reagenzmaterial zu bestimmen, nach welcher das Kohlendioxidgas nicht mehr mit dem Reagenzmaterial reagiert, und vor welcher das Kohlendioxid noch mit dem aktiven Reagenzmaterial reagiert. Auf diese Weise ist es möglich, den Benutzer zu warnen, dass die "Kaltfront" eine bestimmte Position im Reagenzmaterial erreicht hat, die einem bekannten Teil der Nutzungsdauer des Reagenzmaterials entspricht und dem Benutzer dadurch einen Hinweis über die voraussichtliche Nutzungsdauer des restlichen aktiven Reagenzmaterials vermittelt.
Die Temperatursensoren können über das gesamte Reagenzmaterial verteilt sein, um das während der Kohlendioxidabfuhr erzeugte dreidimensionale Temperaturprofil des Reagenzmaterials zu bestimmen.
In manchen Ausführungsformen kann es bevorzugt sein, ein dreidimensionales Temperaturprofil des Reagenzmaterials festzulegen, um den Verlauf der Reaktionsfront durch den Einsatz genauer verfolgen zu können. Auf diese Weise ist es auch möglich, die Form der Reaktionsfront im Reagenzmaterial und die Störsignale von den Temperatursensoren zu identifizieren, wenn bemerkt wird, dass die Temperaturverteilung im Reagenzmaterial aufgrund eines oder mehrerer falscher Signale unregelmäßig ist. Dies kann auch dazu benutzt werden, die so genannte "Kanalbildung", d.h. die "Kanalisierung" des Gasstroms entlang bevorzugten "Kanälen" im Einsatz in Richtung des Gasstromes zu identifizieren. Wenn das Gas im Reagenzmaterial in solchen bevorzugten "Kanälen" strömt, dann ist es möglich, dass große Teile des aktiven Reagenzmaterials umgangen werden, was zum CO₂-Durchbruch und zur Erschöpfung des Filters führt, obwohl das umgangene Reagenzmaterial aktiv und ungebraucht bleibt. Durch ein derartiges Überwachen des Reagenzmaterials ist es möglich, solche "Kanalbildung" des Gasstromes zu identifizieren und einen Hinweis zu erhalten, dass ein vorzeitiger Durchbruch erfolgen wird.
Die Warnvorrichtung kann als Folge der Erkennung eines bevorzugten "kanalisierten" Gasstromes im Reagenzmaterial ausgelöst werden. Dies setzt den Benutzer in die Lage, festzustellen, wenn es durch die Kanalisierung des Gasstromes durch das Reagenzmaterial zu einem vorzeitigen Durchbruch kommt.
In bevorzugten Ausführungsformen enthält der Apparat weiterhin eine Vorrichtung zum Empfang eines Wassertiefensensor-Signals und eine Vorrichtung für die Einwirkung eines zu bestimmenden Sicherheitsfaktors auf die vorgegebene restliche Absorptionsfähigkeit des Reagenzmaterials gemäß dem Tiefensignal. Auf diese Weise ist es möglich, den Sicherheitsfaktor auf die Dauer des restlichen aktiven Materials im Einsatz je nach Tiefe des Apparates zu verändern, wenn er in Form einer Taucherausrüstung benutzt wird. So kann der Sicherheitsbereich zum Beispiel vergrößert werden, wenn die Tiefe vergrößert wird.
Bevorzugterweise wird das Bestimmungsmittel und/oder die Tiefensignalempfangs-Vorrichtung in einen Mikroprozessor eingebaut. Die Signale von den Temperatursensoren und/oder Tiefensensoren können leicht in einem Mikroprozessor verarbeitet werden, um die voraussichtliche Nutzungsdauer des Reagenzmaterials im Filtereinsatz festzustellen.
Der Apparat kann außerdem eine Display-Vorrichtung für die Darstellung von Informationen aufweisen, die sich auf die verbleibende Absorptionskapazität des Reagenzmaterials beziehen. Benutzer können auf einfache Weise mit Informationen versorgt werden, die sich auf die zu erwartende Nutzungsdauer des Einsatzes beziehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein in Ansprüchen 18 bis 24 beschriebenes Verfahren vorgestellt, um die Kapazität eines Reagenzmaterials in einem CO₂-Scrubbers jener Art zu erkennen, in dem Ausatemgas durch einen Reagenzmaterialkörper geführt wird, um mindestens einen Teil des Kohlendioxidgehalts aus dem Ausatemgas vor oder nach dem Einblasen in das Gas einer vorgegebenen Menge an Sauerstoff oder einem Gemisch aus Sauerstoff und anderen Gasen auszuwaschen, und um das Gas zum Rebreathing zur Verfügung zu stellen.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielsweise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, wobei
1 ist ein schematisches Diagramm eines Kreislaufs für einen umluftunabhängigen Rebreather gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
2 ist eine schematische Rückansicht einer Ausführungsform der Erfindung, welche die Anordnung der einzelnen Bestandteile illustriert, und
3 zeigt die Zeitdomänen-Temperaturmerkmale einer Mehrzahl von Temperatursensoren an bestimmten Punkten in einem Reagenzmaterialkörper.
Unter Bezugnahme auf 1 enthält ein generell mit Bezugszeichen 11 versehener unabhängiger Rebreather einen geschlossenen Kreislauf, der von einem Mundstück 12 entlang einem Luftschlauch 13 führt, der ein schematisch angedeutetes Einwegventil 15 aufweist, und der über eine T-Kupplung 17 mit einer Gegenlunge 16 für das Ausatemgas verbunden ist.
Von der T-Kupplung 17 der bei Benutzung sauerstoffarme ausgeatmete Luft enthaltenden Gegenlunge führt ein Verlängerungsschlauch 18 zu einer Auffrischungseinheit 19, die in Bezug auf 2 ff. näher beschrieben wird. In der Gasauffrischungseinheit 19 wird im Ausatemgas Kohlendioxid abgeführt und (geregelt durch ein Steuersystem) Sauerstoff aus einem Reservoir 20 über Magnetventil 22 eineingeführt. Das aufgefrischte Gas wird durch einen Luftschlauch 23 aus der Einheit 19 abgezogen und in eine zweite Gegenlunge 24 in Form eines flexiblen Beutels geführt, die mit dem Schlauch 23 über eine weitere, ebenso wie T-Kupplung 17 schwenkbare T-Kupplung 25 verbunden ist, um den Schlauch bei Benutzung sowie zum einfacheren Zusammenbau frei beweglich zu machen. Von der T-Kupplung 25 führt ein Atemschlauch 26 über ein weiteres, in 1 schematisch dargestelltes Einwegventil 27 zum Mundstück 12. Ein Verdünnungsgasreservoir 69 ist direkt mit einem Steuerventil 79 an der Gegenlunge 24 verbunden.
Unter Bezugnahme auf 2 enthält der generell mit dem Bezugszeichen 19 versehene Apparat zur Behandlung der ausgeatmeten Luft einen senkrechten zylindrischen Behälter 32 mit einem inneren Einsatz 39, der nachfolgend näher beschrieben wird, einen unteren Einlassport 33 mit einem starren Einlasskanal 34, der parallel zur Achse von Behälter 32 läuft und eine lösbare Kupplung 35 zum Anschluss an den von der T-Kupplung 17 kommenden Luftschlauch 18 aufweist. Im Behälter 32 befindet sich – wie der schematische Schnitt in 2 darstellt – eine untere Kammer 36, in welche der Port 33 führt, und welche den inneren Einsatz 39 enthält.
An jedem Ende des Einsatzes 39 befindet sich ein Drehkreuz 37, 38, das den jeweiligen aus Vliesstoff bestehenden gasdurchlässigen, wasserundurchlässigen Filter 49, 50 stützt. Der Einsatz 39 enthält ein körniges Material wie z.B. Natronkalk, das Kohlendi oxid absorbiert. Das im Handel erhältliche Produkt Sofnolime^TM setzt sich wie folgt zusammen:

Na(OH) 4–5 %

H₂O 17 %
Die Reaktion von Sofnolime kann wie folgt dargestellt werden: CO₂ + H₂O → H₂O CO₃ H₂CO₃ + 2NaOH → Na₂CO₃ + 2H₂O Na₂CO₃ + Ca(OH)₂ → CaCO₃ + 2Na₂OH
Eine Anzahl an Temperatursensoren 70 (in 2 schematisch angedeutet) sind in Einsatz 39 an der Innenfläche der Einsatzzylinderwand 72 sowie entlang einem mittleren Schaft 100 verteilt. Der Schaft 100 führt durch das körnige Reagenzmaterial, das in Einsatz 39 zur Fixierung der Drehkreuze 37, 38 und der Membranen 49, 50 am Einsatz enthalten ist. Die Temperatursensoren 70 am Zylinder 72 und am Schaft 100 sind in axialer Richtung des Zylinders aufeinander ausgerichtet und in gleichmäßigen Abständen von beispielsweise 1 bis 3 cm angebracht. Die Temperatursensoren sind elektrisch mit einem Mikroprozessor 76 in Kammer 40 des Behälters verbunden, sodass die Ausgangssignale von den entsprechenden Temperatursensoren in den Mikroprozessor eingegeben werden können, um die Temperaturverteilung im körnigen Reagenzmaterial festzustellen. 2 wird die elektrische Verbindung der Temperatursensoren mit dem Mikroprozessor schematisch gezeigt und durch Linien 77 dargestellt. In bevorzugten Ausführungsformen sind die Sensoren 70 Halbleiter-Temperatursensoren.
Der Mikroprozessor ist so programmiert, dass er das durch die CO₂-Auswaschung verursachte Temperaturgefälle im Reagenzmaterial feststellen kann, wenn das rezirkulierende Gas von der unteren Kammer 36 zur oberen Kammer 40 durch den Behälter strömt, wie die Richtung des Pfeils 78 in 2 andeutet. Weiterhin ist der Mikroprozessor so programmiert, dass er die Position der exothermischen Kohlendioxid-Absorptionsreaktionsfront (Warmfront) im körnigen Material feststellt, indem er die von den Sensoren 70 empfangenen Temperaturverteilungsdaten verarbeitet, um diese Daten mit entsprechenden vorgegebenen Merkmalen für einen sachgemäß funktionierenden Scrubber zu vergleichen, sodass etwaige Abweichungen erkannt und Benutzer gewarnt werden können und damit vorausgesagt werden kann, welche restliche Kohlendioxid-Absorptionskapazität des Reagenzmaterials vorhanden ist und/oder welches Temperaturgefälle im Reagenzmaterial besteht. Der Mikroprozessor ist weiterhin so programmiert, dass er den Verlauf der Reaktionsfront durch das Reagenzmaterial in Einsatz 39 in Richtung des Gasstroms 78 überwachen kann. Wenn die Reaktionsfront eine vorgegebene Position im Einsatz erreicht und/oder passiert, wird vom Mikroprozessor ein Signal erzeugt, um auf Leitung 79 ein Ausgangssignal an eine Anzeigevorrichtung 80 zu senden und den Benutzer zu warnen, wie viel aktives Reagenzmaterial noch im Einsatz verbleibt. Der Mikroprozessor ist außerdem so programmiert, dass er die Fläche der Kohlendioxidreaktivität feststellen kann und voraussagen kann, welche restliche Kohlendioxid-Absorptionskapazität im Reagenzmaterial gemäß der Temperaturverteilung noch verbleibt und/oder welches Temperaturgefälle im Reagenzmaterial besteht. Der Mikroprozessor ist außerdem so programmiert, dass er den Verlauf der Abkühlung des Reagenzmaterials entlang dem Einsatz 39 in Richtung des Gasstroms 78 überwachen kann. Wenn z.B. ein Sensor in vorgegebener Position eine Abkühlung erkennt, die die Temperatur der Sensoren im wärmsten Teil des aktiven Materials unterschreitet, dann erzeugt der Mikroprozessor ein Signal, um ein Ausgangssignal auf Leitung 79 an eine Anzeigevorrichtung 80 (1) zu senden und dem Benutzer zu melden, wie viel aktives Reagenzmaterial noch im Einsatz verbleibt. Das Warnsignal kann in Form von blinkenden LEDs auf der Anzeigevorrichtung und alternativ oder auch zusätzlich in sichtbarer oder vibrierender Form gegeben werden. Vor einem Durchbruch können mehrere solche Warnsignale erzeugt werden, z.B. wenn die Menge des aktiven Reagenzmaterials weiter reduziert wird und die anschließenden Temperatursensoren, deren Positionen vorgegeben worden sind, abkühlen.
In bevorzugten Ausführungsformen ist der Mikroprozessor auch dafür programmiert, den Gasstrom durch einen bevorzugten Pfad im Reagenzmaterial zu kanalisieren, sodass Benutzer auf die Möglichkeit hingewiesen werden, dass ein vorzeitiger Durchbruch stattfinden könnte, wenn dies erkannt wird.
Leichter verständlich wird die Erfindung durch Bezug auf die in 3 gezeichneten experimentell abgeleiteten Domänenmerkmale für acht in gleichmäßigem Abstand entlang dem mittleren Schaft 100 angebrachte und axial in Glasstromrichtung ausgerichtete Temperatursensoren in einem Reagenzmaterialkörper in Einsatz 39. Wie aus 3 ersichtlich ist, erhitzt sich das Reagenzmaterial auf wesentlich lineare Weise, wenn das es erstmalig dem unbehandelten Gas ausgesetzt ist, d.h. in den ersten 20 Betriebsminuten beginnt der erste Temperatursensor 101, einen Temperaturanstieg zu melden, gefolgt vom nächsten, dem ersten nachgeordneten Sensor 102, dann von den übrigen Sensoren, bis schließlich das meiste Reagenzmaterials auf mehr oder weniger dieselbe Temperatur erwärmt ist. In dieser Übergangsphase wird das Reagenzmaterial auf lineare Weise erwärmt, wobei jeder nachfolgend Sensor in Gasstromrichtung eine Temperatur meldet, die jeweils ca. 120 Sekunden später eintritt als die des unmittelbar vorgelagerten Sensors. Wie bereits erklärt, kann man diesen Übergang vom Einlassende bis zum Auslassende des Reagenzmaterials als eine warme Reaktionsfront oder Warmfront bezeichnen.
Sobald das Reagenzmaterial erwärmt ist und eine im Wesentlichen konstante Temperatur erreicht hat, beginnt der erste Sensor 101, einen Temperaturabstieg zu melden, weil das Reagenzmaterial im Bereich des Sensors verbraucht ist. Das Reagenzmaterial kühlt sich auf lineare Weise ab, wenn sich das Calciumhydroxid langsam in Calciumkarbonat verwandelt. Wie aus 3 ersichtlich ist, kühlt sich das Reagenzmaterial auf eine im Wesentlichen lineare Weise ab, d.h. nach einer kurzen Zeit beginnt der erste Temperatursensor 101 einen Temperaturabstieg zu melden, gefolgt vom nächsten Sensor 102, dann von den übrigen Sensoren, bis schließlich der letzte Sensor 108 beginnt, abzukühlen, und der CO₂-Durchbruch erfolgt. In dieser Phase des Beharrungszustands kühlt sich das Reagenzmaterial auf lineare Weise ab, wobei jeder nachfolgende Sensor in Gasstromrichtung einen Temperaturabstieg meldet, der beispielsweise jeweils ca. 20 Minuten später eintritt als die des unmittelbar nachgeordneten Sensors. Wie bereits erklärt, kann man diesen Übergang vom Einlassende bis zum Auslassende des Reagenzmaterials als eine kalte Reaktionsfront oder Kaltfront bezeichnen.
Es versteht sich, dass die in 3 dargestellten Temperaturmerkmale mit einem vorgegebenen Temperaturmerkmal für den Behälteraufbau verglichen werden können. In dieser Hinsicht ist es möglich, die Temperaturverteilung des Reagenzmaterials zu überwachen und mit bekannten Daten zu vergleichen, die in einem dem Mikroprozessor zugänglichen Datenspeicher abgelegt sind, sodass ein Warnsignal erzeugt werden kann, wenn der Vergleich darauf hinweist, dass die tatsächlich gemeldete Temperaturverteilung nicht mit der vorgegebenen Verteilung im Datenspeicher übereinstimmt. Dies ist besonders nützlich, wenn Benutzer gewarnt werden sollen, dass beim Beginn des Gebrauchs potenzielle Probleme mit dem Behälter oder dem Reagenzmaterial bestehen, denn das Muster der transienten Temperaturverteilung kann überwacht und mit einer entsprechend vorgegebenen Verteilung verglichen werden. Wenn sich z.B. manche oder alle Sensoren im Wesentlichen simultan aufwärmen, könnte das bedeuten, dass kein Reagenzmaterial im Behälter vorhanden ist, oder, wenn sich der erste Sensor aufwärmt, aber nicht die nachfolgenden Sensoren in dem zu erwartenden Zeitraum, dann könnte Kohlendioxid das Reagenzmaterial umgehen, wenn z.B. der O-Dichtring beschädigt ist oder fehlt. Außerdem kann Kanalbildung beobachtet werden, wenn sich die Sensoren nicht erwartungsgemäß in Reihenfolge aufwärmen, sondern wenn ein oder mehrere Sensoren höhere Temperaturen melden als ein oder mehrere vorgelagerte Sensoren oder wenn sich die vorgelagerten Sensoren überhaupt nicht erwärmen.
Wird eine längere Warnperiode gewünscht oder befindet sich der Taucher auf größerer Tiefe, dann kann ein angemessenes Signal erzeugt werden, um den Taucher über die zu erwartende Lebensdauer des Reagenzmaterials zu unterrichten, wenn z.B. Sensor 107 eine Temperatur meldet, die 5 Grad Celsius niedriger ist als die von Sensor 108 gemeldete, oder wenn Sensor 106 5 Grad Celsius niedriger als Sensor 108 meldet. Durch Kombination der von einem Tiefensensor gemeldeten Informationen können verschiedene Sensoren und verschiedene Temperaturunterschiede gewählt werden, um ein Warnsignal zu erzeugen, z.B. wenn 106 auf 20 m 5 Grad Celsius kälter meldet als 108, wenn 105 auf 40 m 5 Grad Celsius kälter meldet als 108 oder wenn 104 auf 100 m 5 Grad kälter meldet als 108.
Obwohl sich die in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen auf ein Atemschutzgerät beziehen, in welchem dem Gas vor dem Einblasen einer vorgegebenen Menge an Sauerstoff Kohlendioxid entzogen wird, sind auch Ausführungsformen denkbar, in denen dem Gas nach dem Einblasen von Sauerstoff oder von einem Gemisch aus Sauerstoff und anderem Gas/anderen Gasen Kohlendioxid entzogen wird. In anderen Ausführungsformen kann das Atemschutzgerät ein Rebreather mit "halbgeschlossenem Kreislauf" sein, in dem sich das eingeblasene Gas für direkte Beatmung in einer vorgegebenen Tiefe eignet. So ist z.B. für das Tauchen auf 40 m Tiefe ein Gemisch aus 28 % Sauerstoff und 62 % Stickstoff ein geeignetes Gas. Für Tiefen über 40 m ist eine Mischung aus Sauerstoff, Stickstoff und Helium geeignet. In einem Rebreather mit halbgeschlossenem Kreislauf werden die verschiedenen Gase vor dem Tauchen unabhängig vom Rebreather direkt mit Sauerstoff gemischt, sodass keine separaten Reservoirs 20 und 69 gebraucht werden.
Obwohl Aspekte der Erfindung in Bezug auf die in den beigefügten Zeichnungen gezeigten Ausführungsformen beschrieben worden sind. versteht sich, dass sich die Erfindung nicht auf diese genauen Ausführungsformen beschränkt, sondern dass auch ohne weitere erfinderische Arbeit verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich sind. So können z.B. die Temperatursensoren nur am mittleren Schaft auf einer Sonde angebracht sein, die in das Reagenzmaterial im Bereich des mittleren Schafts hineinreicht, oder nur auf der Innenseite der zylindrischen Seitenwand zwischen dem Schaft und der äußeren Seitenwand, vorausgesetzt, dass diese Modifikationen in den Schutzbereich eines der beigefügten Ansprüche fallen.

Claims

Apparat für einen Kohlendioxid-Scrubber jener Art, in dem Ausatemgas durch einen Reagenzmaterialkörper geführt wird, zur Auswaschung mindestens eines Teils des CO₂-Gehalts aus dem Ausatemgas vor oder nach dem Einblasen einer vorgegebenen Menge an Sauerstoff bzw. einem Gemisch aus Sauerstoff und anderen Gasen ins Gas, und um das Gas zum Rebreathing zur Verfügung zu stellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Apparat mehrere im Reagenzmaterial angeordnete Temperatursensoren aufweist, die den Temperaturunterschied zwischen den einzelnen Einsatzstellen der Sensoren im Reagenzmaterial während der CO₂-Auswaschung messen, sowie ein Verfahren zur Ermittlung der restlichen CO₂-Absorptionsfähigkeit des Reagenzmaterials gemäß den gemessenen Temperaturen der Sensoren aufweist, wobei mit dem Verfahren die restliche Absorptionsfähigkeit des Reagenzmaterials direkt aus den unabhängig von den vorgegebenen Kalibrierdaten gemessenen Temperaturen festgestellt werden kann.
Apparat gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren in mindestens einer ersten Richtung angeordnet sind, die der Richtung des Gasstromes durch das Reagenzmaterial von einem Stromaufwärtsende zu einem Stromabwärtsende entspricht, wodurch sie das Temperaturgefälle in dieser Stromrichtung erkennen können.
Apparat gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Temperatursensoren über das Reagenzmaterial in der besagten Gasstromrichtung verteilt sind, um die Temperaturverteilung im Reagenzmaterial in Gasstromrichtung während der CO₂-Auswaschung feststellen zu können.
Apparat gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin ein Mittel aufweist, das die erkannte Temperaturverteilung im Reagenzmaterial mit einem entsprechend vorgegebenen Temperaturverteilungs-Merkmal vergleicht, sowie eine Warneinrichtung, die betätigt wird, wenn Unterschiede zwischen der gemessenen Verteilung und dem vorgegebenen Merkmal festgestellt werden.
Apparat gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin ein Mittel aufweist, das erkennt, wenn der gemessene Temperaturunterschied zwischen mindestens einem Paar Temperatursensoren einen vorgegebenen Höchstwert überschreitet.
Apparat gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin einen Drucksensor und ein Mittel aufweist, welches das besagte Paar Temperatursensoren unter mehreren Temperatursensoren im Reagenzmaterial gemäß dem von dem besagten Drucksensor gemessenen Druck auswählt.
Apparat gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin ein Mittel aufweist, welches den vorgegebenen Höchsttemperaturunterschied gemäß dem vom Drucksensor gemessenen Druck erkennt.
Apparat gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor einen Wassertiefenmelder darstellt.
Apparat gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Warneinrichtung betätigt wird, wenn der ermittelte Temperaturunterschied den vorgegebenen Höchstwert überschreitet.
Apparat gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Warneinrichtung betätigt wird, wenn im Reagenzmaterial ein bevorzugter kanalisierter Gasstromweg entdeckt wird.
Apparat gemäß einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Alarmeinrichtung betätigt wird, wenn ein Unterschied zwischen einer zu Beginn der CO₂-Auswaschung festgestellten Übergangs-Temperaturverteilung im Reagenzmaterial und einer Übergangs-Temperaturverteilung festgestellt wird, welche für das entsprechende Reagenzmaterial charakteristisch ist.
Apparat gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die restliche CO₂-Absorbtionsfähigkeit nach der Temperaturverteilung des Reagenzmaterials im Beharrungszustand richtet.
Apparat gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturverteilung im Beharrungszustand eine Stromaufwärtsregion von zunehmender Temperatur in Stromrichtung und eine Stromabwärtsregion von im Wesentlichen konstanter und erhöhter Temperatur hat, und dass das besagte Mittel zur Erkennung des restlichen CO₂-Gehalts eine Vorrichtung zur Identifizierung der Übergangsstelle in das Reagenzmaterial zwischen den Stromaufwärts- und Stromabwärtsregionen aufweist.
Apparat gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin ein Mittel aufweist, das ein Signal von einem Wassertiefenmelder empfängt, und ein Mittel aufweist, das die restliche CO₂-Absorptionsfähigkeit des Reagenzmaterials gemäß dem Tiefenmeldersignal verändern kann.
Apparat gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erkennungsmittel in einem Mikroprozessor integriert ist.
Apparat gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er weiterhin eine Anzeigevorrichtung aufweist, die Informationen, welche sich auf die restliche CO₂-Absorptionskapazität des Reagenzmaterials bezieht, anzeigt.
Verfahren zur Bestimmung der restlichen CO₂-Absorptionsfähigkeit eines Reagenzmaterials in einem Kohlendioxid-Scrubber jener Art, in dem Ausatemgas durch einen Reagenzmaterialkörper geführt wird, um mindestens einen Teil des CO₂-Gehalts vom Ausatemgas vor oder nach dem Einblasen einer vorgegebenen Menge von Sauerstoff bzw. eines Gemischs aus Sauerstoff und anderen Gasen ins Gas und der Bereitstellung des Gases zum Rebreathing auszuwaschen, wobei die Methode aus folgenden Verfahrensschritten besteht: Empfang eines Signals von mehreren im Reagenzmaterial verteilten Temperatursensoren; Bestimmung des Temperaturunterschieds zwischen den Sensoren während der CO₂-Auswaschung; und Bestimmung der restlichen CO₂-Absorptionsfähigkeit des Reagenzmaterials direkt aus den gemessenen Temperaturen und unabhängig von Kalibrierdaten.
Verfahren gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren in mindestens einer ersten Richtung, die der Richtung des Gasstroms durch das Reagenzmaterial entspricht, angebracht sind, und dass das Verfahren einen Verfahrensschritt enthält, um das Temperaturgefälle in jener Stromrichtung zu bestimmen.
Verfahren gemäß Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiterhin folgende Verfahrensschritte enthält: Vergleich zwischen der festgestellten Temperaturverteilung im Reagenzmaterial und einem entsprechenden vorgegebenen Temperaturverteilungs-Merkmal für das besagte Reagenzmaterial; und Betätigung einer Warneinrichtung, wenn Unterschiede zwischen der gemessenen Verteilung und dem vorgegebenen Merkmal festgestellt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass es folgende Verfahrensschritte enthält: Erkennung, ob der gemessene Temperaturunterschied zwischen mindestens einem ersten Paar Temperatursensoren den vorgegebenen Wert überschreitet; Betätigung der besagten bzw. einer Warneinrichtung, die betätigt wird, wenn Unterschiede zwischen dem gemessenen Temperaturunterschied und dem vorgegebenen Wert festgestellt werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Verfahrensschritt enthält, die besagte bzw. eine Warneinrichtung zu betätigen, wenn ein Unterschied zwischen einer gemessenen Temperaturverteilung im Reagenzmaterial und einer vorgegebenen Übergangstemperaturverteilung festgestellt wird, welche für das Reagenzmaterial charakteristisch ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass sich die restliche CO₂-Absorbtionsfähigkeit nach der Temperaturverteilung des Reagenzmaterials im Beharrungszustand richtet.
Verfahren gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturverteilung im Beharrungszustand eine Stromaufwärtsregion von zunehmender Temperatur in Stromrichtung und eine Stromabwärtsregion von im Wesentlichen konstanter und erhöhter Temperatur aufweist, und dass der Verfahrensschritt der Erkennung des restlichen CO₂-Gehalts den Verfahrensschritt enthält, die Übergangsposition im Reagenzmaterial zwischen den Stromaufwärts- und Stromabwärtsregionen zu bestimmen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren über das gesamte Reagenzmaterial verteilt sind, und dass das besagte Verfahren weiterhin den Verfahrensschritt enthält, das dreidimensionale Temperaturprofil des Reagenzmaterials zu erkennen, das während der CO₂-Auswaschung erzeugt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Verfahrensschritt enthält, ein Wassertiefensignal von einem Wassertiefensensor zu empfangen und die festgestellte restliche CO₂-Absorptionsfähigkeit des Reagenzmaterials gemäß dem Tiefensensorsignal zu verändern.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 17 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass es weiterhin den Verfahrensschritt enthält, Informationen über die erkannte restliche CO₂-Absorptionsfähigkeit des Reagenzmaterials auf einer Anzeigevorrichtung darzustellen.