DE69403342T2

DE69403342T2 - Verfahren und vorrichtung zum erzeugen von stickstoffoxyde

Info

Publication number: DE69403342T2
Application number: DE69403342T
Authority: DE
Inventors: Niels Jacobsen
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1993-09-13
Filing date: 1994-09-09
Publication date: 1997-08-28
Anticipated expiration: 2014-09-10
Also published as: DE69403342D1; FI961144A; FI961144A0; EP0719159A1; WO1995007610A1; CA2169859A1; EP0719159B1; JPH09502690A; NO961002L; NO961002D0; ATE153311T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Stickstoff, Sauerstoff und Stickstoffmonoxid (Stickstoffoxid) enthaltenden Gasmischung.
Geringe Mengen von Stickstoffmonoxid als die aktiven Komponente enthaltende Atemgase werden medizinisch unter anderem zum Behandeln von Asthma, anderer Formen von Bronchialzusam menziehungen und schwerwiegender Unterbrechungen beim Atmen verwendet.
Die Gasmischung wird zum heutigen Zeitpunkt durch Vermischen von Stickstoffmonoxid mit einem geeigneten Trägergas hergestellt. Das Stickstoffmonoxid wird in großem Umfang hergestellt und normalerweise in einem Druckbehälter geliefert. Das resultierende Stickstoffmonoxid enthaltende Gas wird auch in Druckbehältern gelagert.
Der Nachteil beim Herstellen der Stickstoffmonoxid enthaltenden Gasmischung auf diese Weise besteht darin, daß unterschiedliche Mengen oder Konzentrationen von Stickstoffmonoxid die Verwendung separater Gasbehälter oder komplizierter Gasmischsysteme erforderlich machen. Darüber hinaus sind die Gasbehälter extrem schwer und die Verwendung der Gasmischung ist folglich auf den Ort begrenzt, an dem der Behälter steht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen einer Stickstoff, Sauer stoff und Stickstoffmonoxid enthaltenden Gasmischung auf der Grundlage eines Ausgangsmaterials, das Stickstoff und Sauerstoff enthält.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer Vorrichtung zum Herstellen einer Stickstoff, Sauerstoff und Stickstoffmonoxid enthaltenden Gasmischung auf der Grundlage eines Ausgangsmaterials, das Stickstoff und Sauerstoff enthält.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer tragbaren und batteriebetriebenen Vorrichtung zum Herstellen des Stickstoffmonoxid enthaltenden Gases.
Die vorliegende Erfindung betrifft daher ein neues Verfahren zum Herstellen einer Gasmischung, die Stickstoff, Sauerstoff und Stickstoffmonoxid enthält. Das verwendete Ausgangsmaterial ist eine Sauerstoff und Stickstoff enthaltende Gaszusammensetzung. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch Durchleiten der Gaszusammensetzung durch einen Bereich, in dem eine Glimmentladung erzeugt wird. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen ausgeführt.
Die Vorrichtung zum Herstellen einer Stickstoff, Sauerstoff und Stickstoffmonoxid enthaltenden Gasmischung weist eine Reaktionskammer, eine Einlaßöffnung für Ausgangsmaterial in der Reaktionskammer, wobei dieses Ausgangsmaterial Stickstoff und Sauerstoff enthält, eine Auslaßöffnung für die Gasmischung in der Reaktionskammer und Mittel zum Erzeugen einer Glimmentladung in der Reaktionskammer auf.
Das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung ermöglichen die Herstellung von Stickstoffmonoxid enthaltenden Gasmischungen, die bis zu 10.000 ppm Stickstoffmonoxid enthalten.
Die Erfindung wird jetzt unter Bezugnahme auf eine nichtbegrenzende beispielhafte Ausführung derselben und weiter unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen
Fig. 1 schematisch ein Kurvenbild darstellt, das die Spannung als eine Funktion des Stroms zeigt, wenn ein elektrischer Strom zwischen zwei voneinander beabstandeten Elektroden innerhalb des Glimmentladungsintervalls hindurchfließt;
Fig. 2 schematisch eine erste beispielhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stickstoffmonoxid erzeugenden Vorrichtung veranschaulicht;
Fig. 3 schematisch eine zweite beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stickstoffmonoxid erzeugenden Vorrichtung darstellt; und
Fig. 4 schematisch Mittel zum Handhaben von Gas stromaufwärts und stromabwärts der Stickstoffmonoxid erzeugenden Vorrichtung darstellt.
Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung weist ein aus Isoliermaterial hergestelltes röhrenförmiges Gehäuse 18 auf. Zwei Elektroden 15, 16 sind abdichtend in einem entsprechenden Ende des Gehäuses derart angeordnet, um eine durch das Gehäuse 18 und die Elektroden 15, 16 begrenzte Reaktionskammer 17 zu erhalten. Die Elektroden 15, 16 sind voneinander beabstandet, um eine Glimmentladung innerhalb eines Stromintervalls zu erhalten. Das Gehäuse 18 weist eine Ausgangsmaterial- Einlaßöffnung 4 und eine Auslaßöffnung 5 für die erzeugte Gasmischung auf, wobei diese Mischung Stickstoffmonoxid enthält. Die Elektroden 15 und 16 sind mit einer elektrischen Stromquelle 7 durch Kabel oder Leitungen 30, 31 verbunden. Diejenigen Teile der Elektroden 15, 16, die außerhalb der Reaktionskammer angeordnet sind, werden durch Umgebungsluft gekühlt.
Die Vorrichtung wird in Betrieb gesetzt, indem ein Stickstoff und Sauerstoff enthaltendes Gas kontinuierlich durch die Ein laßöf fnung zugeführt und eine hohe Spannung über den Elektroden 15, 16 angelegt wird, nachdem ein Durchschlag erfolgte. Der Strom wird konstant gehalten, nachdem er auf einen gewünschten Arbeitspunkt in dem Glimmentladungsbereich erhöht wurde. Der Druck wird auf eine Höhe von höchstens 3 bar gesteuert, im vorliegenden Beispiel auf Atmosphärendruck.
Fig. 1 stellt eine Spannung U als eine Funktion der Stromstärke I im Glimmentladungsintervall dar. Ein Durchschlag, d. h. eine Glimmentladung, wird in dem Bereich 6 zwischen den Elektroden 15, 16 in Fig. 2 erhalten, wenn sich die Stromstärke von den niedrigen Werten auf den Wert der linken gestrichelten Linie in dem mit 1 (Fig. 1) gekennzeichneten In tervall erhöht. Es wird aus dem Kurvenbild in Fig. 1 ersichtlich sein, daß der Intervall 1 immer abfallende Spannungswerte bei ansteigenden Stromstärken aufweist. Die Glimmentladung im Intervall 1 wird als eine unternormale Glimmentladung bezeichnet.
Wenn die Stromstärke von dem Intervall 1 ansteigt, wird ein Intervall 2 erreicht, in dem eine im wesentlichen konstante Spannung als eine Funktion der Stromstärke erhalten wird. Wenn die Stromstärke von dem Intervall 2 erhöht wird, wird ein Spannungsanstieg als eine Funktion der Stromstärke erhalten. Dieser Intervall 3 wird als eine anormale Glimmentladung bezeichnet. Der erfindungsgemäße Stickstoffmonoxidgenerator hat einen Arbeitsbereich innerhalb der Intervalle 1, 2 und 3. Die Spannung der normalen Glimmentladung wird normalerweise in einem Bereich von 100 bis 1000 Volt liegen und wird als Ug bezeichnet.
Bei noch höheren Stromstärken werden Bereiche außerhalb des Intervalls 3 erreicht, wo ein diskontinuierlicher Spannungsabfall auf einen Wert weit unter Ug erhalten wird, d. h. ein Wert von höchstens 50 Volt. Eine Bogenentladung erfolgt in diesem Intervall. Wenn die Stromstärke von dem Bogenentladungsintervall abgesenkt wird, wird erneut der Intervall 3 erreicht. Es ist jedoch oft notwendig, die Stromstärke auf einen niedrigeren Wert als den oberen Grenzwert des Intervalls 3 abzusenken. Dies führt zu einem sogenannten Hystereseeffekt.
Die in Fig. 2 gezeigte Reaktionskammer 18 kann auch durch Seitenwände 18 und nicht gezeigte Endwände begrenzt werden. In diesem Fall werden die Elektroden 15, 16 durch jeweilige Endwände eingeführt und in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet. Gemäß einer im folgenden erklärten Ausführungsform können die Elektroden 15, 16 in Bezug aufeinander bewegbar sein, wobei eine oder beide Elektroden 15, 16 bewegbar angeordnet werden können.
Die Elektroden 15, 16 können mit einem flüssigen Kühlmittel oder mit Umgebungsluft gekühlt werden. Die Einlaß- und Auslaßöffnungen 4 und 5 können auch in den Elektrodenwänden vorgesehen sein. Die zuemandergerichteten Enden der Elektroden 15, 16 können wie in Fig. 2 gezeigt konisch sein, oder sie können eine andere Form, zum Beispiel eine hemisphärische Form haben.
Die Vorrichtung wird vorzugsweise Mittel zum Anregen der Glimmentladung, zum Beispiel in Form einer separaten Stromquelle aufweisen, die einen hohen Spannungsimpuls oder eine Hochfrequenzwechselspannung erzeugt, die über zwei Zündelektroden angelegt wird. Diese Elektroden können sich von den Arbeitselektroden 15, 16 unterscheiden und können außerhalb des Isoliergehäuses angeordnet werden. Die Glimmentladung kann auch durch zeitweises Absenken des Drucks in der Reaktionskammer 17 mit Hilfe einer Pumpe angeregt werden. Noch ein weiteres Verfahren zum Anregen der Glimmentladung besteht darin, den Abstand zwischen den Enden der Elektroden 15, 16 zu verringern, bis Kontakt hergestellt ist, und dann einen elektrischen Strom anzulegen und anschließend die Elektroden über einen gewünschten Abstand auseinanderzubewegen.
Die Stromquelle erhält Energie aus einer Batterie (nicht gezeigt) oder aus einem Netzanschluß. Die Stromquelle liefert den Strom und hat einen solchen Innenwiderstand, um eine zumindest allgemein stabile Glimmentladung aufrechtzuerhalten. Die Stromquelle kann Gleichstrom oder Wechselstrom zuführen, wobei es für diesen letzteren Strom notwendig ist, einen Nullübergang aufzuweisen, der so schnell ist, daß es nicht notwendig ist, die Glimmentladung nach dem Nullübergang erneut zu starten.
Fig. 3 stellt eine Ausführungsform dar, in der eine Reaktionskammer 10 durch Paare von zueinander parallel angeordneten Seitenwänden 19 begrenzt ist, die, obwohl nicht gezeigt, mit Endwänden versehen sein können, welche eine Ausgangsmaterial-Einlaßöffnung 12 in einer Endwand und eine Auslaßöffnung 13 für die Stickstoffmonoxid enthaltende Gasmischung in der anderen Endwand aufweisen. Zwei Elektroden 8, 9 sind außerhalb von zwei Paaren paralleler Seitenwände 19 angeordnet. Die Elektroden 8 und 9 sind mit einem Hochfrequenz- Wechselstromgenerator 11 verbunden.
Der wechselstromgenerator 11 wird durch eine Batterie (nicht gezeigt) oder durch einen Netzanschluß betrieben.
Nachdem begonnen wurde, der Reaktionskammer kontinuierlich Ausgangsmaterial zuzuführen, wird eine Wechselspannung mit ausreichend hoher Frequenz, mindestens 1 MHz, über den Elektroden angelegt. Dies führt zu einem Glimmentladungsbereich 14 in der Reaktionskammer 10. Das resultierende Produkt wird durch die Auslaßöffnung 13 entfernt.
Um Bedingungen zu erhalten, die so weit wie möglich konstant bleiben, wird die Vorrichtung vorzugsweise einen Druckregler 22 aufweisen, siehe Fig. 3, der in einer Leitung 29 angebracht ist, welche eine Quelle 21 von Ausgangsmaterial mit der Einlaßöffnung 4, 12 in der in Fig. 3 mit 23 gekennzeichneten erfindungsgemäßen Stickstoffmonoxid erzeugenden Vorrichtung verbindet. Die Vorrichtung 23 entspricht der in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellten Vorrichtung.
Wenn gewählt wird, mit einem Unterdruck in der Reaktionskammer 23 zu arbeiten, kann eine Pumpe 24 in eine Leitung 28 eingeschlossen werden, die die Auslaßöffnung 5, 13 (Fig. 2 bzw. 3) mit einer Quelle oder einem Verbraucher verbindet.
Die Pumpe 24 arbeitet, um den Auslaßgasdruck auf Atmosphärendruck zu erhöhen. Der Arbeitsdruck in der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird normalerweise zwischen 0,01 und 3 bar liegen.
Um sicherzustellen, daß ein Produkt ohne unerwünschte Nebenprodukte, zum Beispiel andere Stickstoffoxide oder Ozon erhalten wird, kann ein Filter 25 in der Leitung 28 angeordnet werden. Filter für diesen Zweck sind dem Fachmann gut bekannt.
Schließlich kann weiter eine Mischeinrichtung 26 in der Leitung 28 vorgesehen werden. Dieser Einrichtung wird durch eine Leitung 27 ein Gas zugeführt, das Sauerstoff und wahlweise auch Stickstoff, zum Beispiel Luft, enthält, welches die Konzentration von Stickstoffmonoxid auf einen gewünschten niedrigen Wert absenkt. Die Konzentration von Stickstoffmonoxid kann weiter durch Steuern des Stroms zu der Stromquelle 7 bzw. zu dem Wechselstromgenerator 11 angepaßt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglichen das Erzeugen von Stickstoffmonoxid in einem Konzentrationsbereich von 10-10.000 ppm.

Beispiel

Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung wurde verwendet, um eine Stickstoffmonoxid enthaltende Gasmischung herzustellen, die auch Stickstoff und Sauerstoff enthielt. Luft wurde in die Reaktionskammer 17 bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 10 Litern pro Minute eingeführt und die Kammer wurde bei einem Druck von 1,3 bar gehalten. Ein Strom von 40 mA wurde an die Elektroden 15, 16 angelegt. Die resultierende Spannung über der Entladung betrug 800 Volt. Die die Reaktionskammer verlassende Luft enthielt etwa 500 ppm Stickstoffmonoxid (NO) und weniger als 10 ppm Stickstoffdioxid (NO&sub2;).
Die vorliegende Erfindung birgt den primären Vorteil, daß sie ermöglicht, Stickstoffmonoxid mit verhältnismäßig guter Wirksamkeit herzustellen, ohne unerwünschte Nebenprodukte in Form von anderen Stickstoffoxiden wie beispielsweise Stickstoffdioxid und Ozon herzustellen, oder solche Nebenprodukte nur in einem im allgemeinen unbeträchtlichen Umfang herstellt. Darüber hinaus werden beim Praktizieren der vorliegenden Erfindung keine hohen Spannungsimpulse erzeugt, die beim Betrieb zu elektromagnetischen Störungen führen können. In der Praxis wird eine stabile Stickstoffmonoxidherstellung erhalten. Die Glimmentladung kann kontinuierlich aufrechterhalten werden. Wiederholte Zündung oder Auslösung werden vermieden. Die Zündungssequenz kann nicht reproduziert werden.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Stickstoff, Sauerstoff und Stickstoffmonoxid enthaltenden Gasmischung, gekennzeichnet durch Durchleiten einer Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Gaszusammensetzung durch einen Bereich, in dem eine Glimmentladung erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Aufrechterhalten eines Druckes in dem Glimmentladungsbereich von höchstens 5 bar, vorzugsweise höchstens 3 bar.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Erzeugen der Glimmentladung mit Hilfe einer Batterie als Energiequelle

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszusammensetzung Luft ist.

5. Vorrichtung zum Herstellen einer Stickstoff, Sauerstoff und Stickstoffmonoxid enthaltenden Gasmischung, die eine Reaktionskammer (17, 10), eine Einlaßöffnung (4,12) in der Reaktionskammer (17, 10) für das Einführen eines Stickstoff und Sauerstoff enthaltenden Gases, eine Auslaßöffnung (5, 13) in der Reaktionskammer (17, 10) für das Entfernen der Gasmischung, und Mittel (15, 16, 7; 8, 9, 11) zum Erzeugen einer Glimmentladung in der Reaktionskammer (17, 10) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen der Glimmentladung zwei Elektroden (15, 16) aufweisen, die in die Kammer (17) eingesetzt oder darin angebracht sind und die in einem vorbestimmten Abstand voneinander angeordnet und mit einer Stromquelle (7) verbunden sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen der Glimmentladung zwei Elektroden (8, 9) aufweisen, die außerhalb der Kammer (10) angeordnet und mit einem Generator (11) für eine Hochfrequenz-Wechselspannung verbunden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromquelle eine Gleichstromquelle, vorzugsweise ein Konstantstromgenerator, ist.