DE69423332T2

DE69423332T2 - Einrichtung zur Verringerung der relativen Feuchte von einem fliessenden Gasstrom

Info

Publication number: DE69423332T2
Application number: DE69423332T
Authority: DE
Inventors: Dan Linden; Magnus Schnuerer
Original assignee: Siemens Elema AB
Current assignee: Maquet Critical Care AB
Priority date: 1994-01-27
Filing date: 1994-12-27
Publication date: 2000-11-30
Anticipated expiration: 2014-12-28
Also published as: SE9400253L; SE9400253D0; JPH07232027A; US5634517A; EP0665043B1; DE69423332D1; EP0665043A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Verringerung der relativen Feuchte von einem fließenden Gas, das wärmer ist als eine umgebende Atmosphäre, vorzugsweise von einem Lebewesen ausgeatmetes Gas, mit einem Einlaß für das fließende Gas, zumindest einem Durchgangskanal, in dem das fließende Gas entfeuchtet wird, und einem Auslaß für das fließende Gas.
Die Entfeuchtung eines feuchten, fließenden Gases ist in vielen Zusammenhängen wichtig. Zum Beispiel in Verbindung mit dem Messen des Flusses des fließenden Gases arbeiten viele Flußmesser weniger effektiv und können sogar fehlerhafte Messungen erzeugen, wenn das fließende Gas so feucht ist, daß sich durch Kondensation der Feuchtigkeit Flüssigkeit in dem Flußmesser sammelt. Andere Meßinstrumente wie verschiedene Gasanalysatoren sind auch empfindlich gegen Kondensation innerhalb des Meßinstruments. Das Verhindern der Kondensation von Feuchtigkeit zu Flüssigkeit, etwas, was dementsprechend das Meßinstrument beeinflussen würde, ist besonders wichtig bei der Respiratorbehandlung von Patienten, da die Funktion des Respirators von dem korrekten Arbeiten des Meßinstruments abhängt. Von dem Patienten ausgeatmetes Gas ist im allgemeinen mit Wasserdampf gesättigt und hat auch eine relativ hohe Temperatur, etwa 36ºC.
Die Umgebungstempertur um den Patienten herum, wo sich normalerweise die Meßinstrumente befinden, beträgt etwa 18-22ºC. Daher ist ein Abkühlen der ausgeatmeten Luft im allgemeinen unvermeidbar und Kondensation tritt ein.
Die US-A-4,182,129 beschreibt einen Wärmeaustauscher mit hohlem Behälter, in dem ein hohles Element koaxial angeordnet ist. Gas kann in den Wärmeaustauscher über eine erste Öffnung eintreten. Das Gas wird zuerst zwischen der Innenwand des Behälters und der Außenwand des Elementes fließen und dann innerhalb des hohlen Elementes. Das Gas kann an einer zweiten Öffnung austreten. Dadurch wird ein Flußweg in dem Wärmeaus tauscher gebildet. Das hohle Element ist thermisch leitend und mit Temperaturregelmitteln verbunden, um das Element auf einer spezifischen Temperatur zu halten.
Eine bekannte Vorrichtung zum Entfeuchten der von einem Patienten ausgeatmeten Luft ist in der Broschüre "Star Exhalation Isolation System Operation Instructions, Siemens Version, Infrasonic Inc., Form No. 9910053", April 1988, beschrieben. Die Vorrichtung ist mit dem Ausatmungsauslaß eines Ventilators verbunden, um ausgeatmetes Gas zu erwärmen, wenn es durch die Vorrichtung hindurchgeht. Wenn ausgeatmete Luft erwärmt wird, nimmt die relative Feuchtigkeit der ausgeatmeten Luft ab, wodurch das Risiko der Kondensation innerhalb eines Meßinstruments reduziert wird. Die reduzierte relative Feuchtigkeit beruht darauf, daß warme Luft einen höheren Sättigungsdampfdruck hat. Ein Nachteil der Vorrichtung besteht darin, daß sie eine externe Energiequelle und irgend eine Art von Element zum Erwärmen der ausgeatmeten Luft erfordert. Darüber hinaus muß die Vorrichtung dicht an dem Meßinstrument angeordnet sein, da das erwärmte Gas sonst Zeit hätte abzukühlen, bevor es das Meßinstrument erreicht.
Eine andere Ausführung einer Vorrichtung, die das Risiko der Kondensation von Wasserdampf in ausgeatmeter Luft reduziert, ist in einem Artikel mit dem Titel "Expired Gas Cooling Device" von J. Attwood und L. Bartel, beide aus den U. S. A., beschrieben. Diese Vorrichtung weist eine Kühlvorrichtung zur Kondensation von Wasserdampf in ausgeatmeter Luft, bevor sie das Meßinstrument erreicht, auf. Die ausgeatmete Luft wird gekühlt, um das Risiko der Kondensation innerhalb des Meßinstruments zu reduzieren, auch wenn die in das Meßinstrument eindringende Luft immer noch eine sehr hohe relative Feuchtigkeit haben kann und sogar noch gesättigt sein kann. Da ein Gas mit einer niedrigen Temperatur nicht soviel Wasserdampf halten kann wie ein wärmeres Gas, wird die relative Feuchtigkeit als solche nicht tatsächliche reduziert, wenn die ausgeatmete Luft gekühlt wird. Jedoch erfolgt kein zusätzliches Kühlen der ausgeatmeten Luft und das Risiko der Kondensation innerhalb des Meßinstruments wird daher reduziert.
Die Kühlvorrichtung erfordern auch irgendeine externe Energiequelle. In diesem Fall wird ein Ventilator angetrieben, der Luft über ein Radiatorsystem bläst, durch das die ausgeatmete Luft strömt.
Zusätzlich zu der Tatsache, daß die beschriebenen Vorrichtungen aufhören zu arbeiten, wenn die betreffenden Energiequellen (elektrische Spannungsversorgung) ausfallen, sind die Vorrichtungen auch klobig und schwierig zu reinigen.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung gemäß der Einleitung anzugeben, die ein fließendes Gas, insbesondere von einem Patienten ausgeatmete Luft entfeuchtet, ohne den oben beschriebenen Problemen ausgesetzt zu sein.
Eine derartige Vorrichtung wird gemäß der Erfindung dadurch erzielt, daß ein Element mit einem Durchgangskanal in einem Behälter angeordnet ist, wobei ein Hohlraum um das Element herum in dem Behälter und der Durchgangskanal zusammen den Durchflußkanal bilden, der Einlaß mit dem Hohlraum an einem Ende des Behälters verbunden ist, der Auslaß an einem Ende des Elementes an dem selben Ende des Behälters angeordnet ist und das andere Ende des Elementes in einem spezifischen Abstand von dem Einlaß ist, wobei das fließende Gas über den Einlaß in den Hohlraum gelangt, entlang der Außenseite des Elementes zu dem Durchgangskanal strömt und durch denselben zu dem Auslaß gelangt.
Wenn z. B. ausgeatmete Luft über den Einlaß in den Hohlraum in dem Behälter gelangt, passiert das Gas das gesamte Element. Da ausgeatmetes Gas wärmer ist als umgebende Luft, wird ein Teil der Wärmedesselben auf das Element übertragen. Gas wird gleichzeitig an den Innenwänden des Behälters gekühlt und Feuchtigkeit in dem fließenden Gas kondensiert an denselben zu Flüssigkeit. Die Flüssigkeit sammelt sich in den tiefsten Teilen des Behälters. Gekühltes Gas gelangt in den Durchgangskanal in dem Element und nimmt einen Teil der Wärme auf, die von der einfließenden Feuchtigkeit an das Element abgegeben wurde. Die relative Feuchtigkeit der ausgeatmeten Luft nimmt daher ab und die Luft kann ohne irgend ein Risiko der Kondensation zu dem Meßinstrument strömen.
Zur maximalen Ausnutzung des thermischen Effektes ist es vorteilhaft, wenn sowohl das Element als auch der Behälter dünne Wände haben und aus einem wärmeleitenden Material bestehen. Abhängig von der Länge des Elementes könnte es ein Vorteil sein, wenn die thermische Leitfähigkeit des Materials nicht zu groß wäre. Wenn die thermische Leitfähigkeit groß ist, besteht immer das Risiko des übermäßig schnellen Temperaturausgleichs entlang des Elementes und das Erwärmen des Gases, das in Richtung auf den Auslaß ausströmt, würde dann abnehmen. Ein Material, das Wärme leitet, aber sie nicht entlang der Länge des Elementes weiterleitet, wäre ideal.
Es ist hierbei vorteilhaft, wenn das Element mit einer oberflächenvergrößernden Außenfläche ausgebildet ist, da das den Wärmeentzug aus dem in dem Hohlraum fließenden Gas verbessern wird. Ein passender Weg, um die Mantelfläche des Elementes zu vergrößern besteht darin, seine Außenfläche mit Vorsprüngen zu versehen.
In entsprechender Weise kann die Kondensation an den Innenwänden des Behälters ansteigen, wenn der Behälter mit einer oberflächenvergrößernden Außenfläche ausgebildet ist, da das das Kühlen der Behälterwände steigern würde. Insbesondere kann die Außenfläche des Behälters mit Vorsprüngen, vorzugsweise Flanschen, versehen sein, um die oberflächenvergrößernde Außenfläche zu bilden.
Es ist auch ein Vorteil, wenn der Hohlraum, das Element und der Durchgangskanal eine zylindrische Form haben.
Eine zylindrische Form wird es dem Gas ermöglichen, innerhalb des Behälters hin zu dem Durchgangskanal zu wirbeln, ohne den Gasfluß zu blockieren oder zu behindern.
Mit einer zylindrischen Form des Elementes wird es ein Vorteil sein, wenn der Vorsprung als ein dem Hohlraum gegenüberstehender schraubenförmiger Flansch ausgebildet ist. Wie oben angegeben, würde das den Wärmeaustausch zwischen dem Abwärtsfluß des Gases in dem Hohlraum und dem Aufwärtsfluß des Gases in dem Durchgangskanal verbessern.
Es ist auch ein Vorteil, wenn der Behälter ein Ablaßloch hat und wenn ein Auffanggefäß angeschlossen ist, um die bei der Kondensation der Feuchtigkeit in dem fließenden Gas sich ansammelnde Flüssigkeit durch das Ablaßloch aufzufangen. Das Ablaßloch soll vorzugsweise so ausgebildet sein, daß der Gasfluß durch das Volumen des Gefäßes nicht beeinflußt wird. Zum Beispiel könnte ein Docht oder etwas dergleichen vorgesehen sein, um die Flüssigkeit in das Auffanggefäß zu leiten.
Das Auffanggefäß ist vorzugsweise abnehmbar verbunden, so daß es periodisch während seines Gebrauches von Wasser geleert werden kann.
Eine Verbesserung der Erfindung wird gemäß der Erfindung dadurch erzielt, daß das Element zumindest einen zusätzlichen Durchgangskanal aufweist.
Mit einem zusätzlichen Durchgangskanal in dem Element, wobei der Durchmesser des Kanals vorzugsweise verkleinert sein könnte, könnte die wärmeleitende Oberflächenfläche vergrößert werden, ohne irgendeine Vergrößerung der Vorrichtung und ohne irgendeine Behinderung des Gasflusses.
Alternativ kann der gleiche Effekt dadurch erzielt werden, daß zumindest ein zusätzliches Element mit zumindest einem Durchgangskanal in dem Hohlraum in dem Behälter angeschlossen ist, um den Durchgangskanal zu bilden.
Mit einer Mehrzahl von Elementen, besonders solchen mit einer Mehrzahl von Durchgangskanälen, kann die Wärmeleitung und dementsprechend das Erwärmen des fließenden Gases optimiert werden.
Auf diese Weise wird die dem Gas durch das Element entzogene Wärme nicht zu den Wänden des Behälters an dem Punkt der Auslaßbefestigung geleitet. Gleichzeitig wird das Kühlen des Behälters in Relation zur Umgebung effektiver und das wird seinerseits dazu führen, die Kondensation der Feuchtigkeit in dem fließenden Gas zu steigern.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung wird nun detaillierter unter Bezug auf die Figuren beschrieben, in denen Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Vorrichtung und
Fig. 2 eine Draufsicht der Vorrichtung zeigt.
In Fig. 1 wird eine Vorrichtung 2 zum Entfeuchten eines fließenden Gases und Reduzieren des Risikos der Kondensation in empfindlichen Meßinstrumenten, die in Flußrichtung nach der Vorrichtung liegen, dargestellt. Die Vorrichtung 2 weist einen Behälter 4 mit einem Hohlraum 6 auf. Das fließende Gas strömt über einen Einlaß 8 in den Hohlraum 6. Vom dem Behälter 4 tritt das fließende Gas dann durch einen Auslaß 10 aus. Ein Rohr 12, das thermisch gegen die Wände des Behälters 4 isoliert ist, ist in dem Behälter 4 angeordnet. Das Rohr 12 hat einen Durchgangskanal 14, der den Auslaß 10 mit dem Hohlraum 6 verbindet. Hier fließt das fließende Gas über den Einlaß 8 in den Hohlraum 6 und weiter nach unten durch den Hohlraum 6, die ganze Zeit in Kontakt sowohl mit dem Rohr 12 als auch der Wand 15 des Behälters 4. Wenn die Vorrichtung 2 hauptsächlich für die Verwendung in Verbindung mit der Ventilation eines Patienten vorgesehen ist, besteht das fließende Gas aus warmer, ausgeatmeter Luft, die mit Feuchtigkeit gesättigt ist. Die warme Luft erwärmt das Rohr 12 während ihres Durchgangs hinunter durch den Hohlraum 6 und verliert einen Teil seiner Wärme. Wärme wird auch an die Wände 15 des Behälters 4 abgegeben. Daher sammelt sich Flüssigkeit in dem Hohlraum 6, wenn die Feuchtigkeit in der Luft kondensiert. Die Kondensation findet speziell an den Wänden 15 des Behälters 4 statt. Die kondensierte Feuchtigkeit läuft hinunter auf den Boden des Behälters 4, in dem sie durch ein Ablaßloch 16 hindurch in ein Auffanggefäß 18 fließt, das abnehmbar mit dem Behälter 4 verbunden ist.
Wenn die etwas abgekühlte Luft den Boden des Behälters 4 erreicht, fließt sie nach oben durch den Durchgangskanal 14 in dem Rohr 12. Wenn das Gas durch den Kanal 14 fließt, kommt es in Kontakt mit wärmerer Umgebung und wird daher ein wenig erwärmt, wodurch die relative Feuchtigkeit des Gases reduziert wird. Wenn das Gas aus dem Auslaß 10 austritt, hat es daher eine niedrigere Temperatur und eine niedrigere relative Feuchtigkeit und das Risiko von Kondensation innerhalb des Meßinstruments in Flußrichtung nach der Vorrichtung 2 wird daher reduziert.
Wie in Fig. 2 zu sehen ist, ist der Einlaß 8 exzentrisch mit dem Behälter 4 verbunden, wodurch der Gasfluß durch den Hohlraum 6 um das Rohr 12 herum vereinfacht wird.
Um den Wärmeaustausch zwischen dem Gas und dem Rohr 12 zu verbessern, ist das Rohr 12 mit einem schraubenförmigen Flansch 20 entlang seiner Längsrichtung ausgestattet. Der schraubenförmige Flansch 20 vergrößert die wärmeabsorbierende Oberfläche für den passierenden Gasfluß. Aber der schraubenförmige Flansch 20 behindert nicht das fließende Gas. Ganz im Gegenteil, diese Ausbildung erleichtert den Durchfluß und reduziert Turbulenzen und das Vermischen von Gas in dem Hohlraum 6.
Das Rohr 12 sollte passenderweise aus einem Material mit einer mäßigen thermischen Leitfähigkeit hergestellt sein. Wärme in dem durch den Einlaß einfließenden Gases soll durch das Rohr 12 extrahiert, aber nicht axial entlang dem Rohr 12 weitergeleitet werden, da das den Aufwärmeffekt reduzieren würde, wenn Gas zu dem Auslaß hinfließt. Im Prinzip kann das Rohr 12 in Sektionen aufgeteilt sein, die thermisch gegeneinander isoliert sind, um die axiale Wärmeleitung zu verhindern.
Der Behälter 4 ist auch mit externen Flanschen 22 versehen, um die wärmeabgebende Mantelfläche des Behälters 4 zu vergrößern. Das bedeutet, daß die Wände 15 die Umgebungstemperatur beibehalten, auch wenn große Gasflüsse durch den Einlaß 8 strömen.
Alternative Ausbildungen der Vorrichtung sind auch möglich. Zum Beispiel kann/können der schraubenförmige Flansch 20 und die Flansche 22 ohne Beeinträchtigung der Funktion der Vorrichtung 2 vollständig ausgeschlossen werden. Der Behälter 4, das Rohr 12 und der Kanal 14 brauchen nicht notwendigerweise einen zylindrischen Querschnitt zu haben. Die Vorrichtung 2 kann auch mit einer Mehrzahl von mit dem Auslaß verbundenen Rohren, einem einzigen Rohr mit einer Mehrzahl von Kanälen oder irgendeiner Kombination davon ausgestattet sein. Der Hohlraum 6 kann auch so ausgebildet sein, daß er das durch den Behälter 4 nach unten strömende Gas veranlaßt, sich in einem spiralförmigen Wirbel zu bewegen. In diesem Fall kann das Rohr 12 auch in ähnlicher Weise ausgebildet sein. Das würde in einem längeren Wärmeaustauschweg resultieren, ohne irgendeinen Anstieg der äußeren Abmessungen des Behälters.
Das wesentliche Kennzeichen der Funktion der Vorrichtung gemäß der Erfindung besteht darin, den thermischen Gradienten zwischen dem fließendenn Gas und der Umgebung auszunutzen, um zuerst die Temperatur des fließenden Gases ohne die Notwendigkeit irgend einer externen Leistungsquelle zu senken, um Kondensation zu erzielen, und dann die Temperatur durch Ausnutzung der eigenen Wärme des Gases zu erhöhen, wodurch die relative Feuchtigkeit des fließenden Gases reduziert wird.

Claims

1. Eine Einrichtung (2) zur Verringerung der relativen Feuchte von einem fließenden Gas, das wärmer ist als eine umgebende Atmosphäre, vorzugsweise von einem Lebewesen ausgeatmetes Gas, mit einem Element (12) mit einem Durchgangskanal (14), der in einem wärmeleitenden Behälter (4) angeordnet ist, wobei ein Hohlraum (6) um das Element (12) herum in dem Behälter (4) und der Durchgangskanal (14) zusammen einen Durchflußkanal (6, 14) bilden, einem an einem Ende des Behälters (4) mit dem Hohlraum (6) verbundenen Einlaß (8) für das fließende Gas und einem Auslaß (10) an einem Ende des Elementes (12) an dem selben Ende des Behälters (4) und das andere Ende des Elementes (12) in einem spezifischen Abstand von dem Einlaß (8), wobei das fließende Gas über den Einlaß (8) in den Hohlraum (6) gelangt, entlang der Außenseite des Elementes (12) zu dem Durchflußkanal (14) strömt und durch denselben zu dem Auslaß (10) gelangt, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (12) thermisch von dem Behälter (4) isoliert ist und angepaßt, um die Wärme von dem Gas aufzunehmen, wenn es von dem Einlaß (8) zu dem anderen Ende des Elementes (12) strömt, und zumindest einen Teil der Wärme an das Gas zurückzugeben, wenn es von dem anderen Ende des Elementes (12) zu dem Auslaß (10) strömt.

2. Eine Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (12) dünnwandig und aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist.

3. Eine Einrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (4) dünnwandig und aus einem wärmeleitenden Material hergestellt ist.

4. Eine Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (12) mit einer oberflächenvergrößernden Außenseite ausgebildet ist.

5. Eine Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die oberflächenvergrößernde Außenseite in den Hohlraum (6) gerichtete Projektionen aufweist.

6. Eine Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (14) mit einer oberflächenvergrößernden Außenseite ausgebildet ist.

7. Eine Einrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (4) Projektionen, vorzugsweise in Form von äußeren Flanschen (22) aufweist, um seine Kontaktfläche mit der Umgebung zu vergrößern.

8. Eine Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (6) eine zylindrische Form hat.

9. Eine Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (12) und der Durchflußkanal (14) eine zylindrische Form haben.

10. Eine Einrichtung nach Anspruch 9 in Kombination mit Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (12) einen in den Hohlraum (6) gerichteten, schraubenförmigen Flansch (20) aufweist, der die Projektion bildet.

11. Eine Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (4) ein Ablaßloch (16) aufweist und daß ein Auffanggefäß (18) angeschlossen ist, um durch die Kondensation von Feuchtigkeit in dem strömenden Gas gebildete Flüssigkeit über das Ablaßloch (16) aufzusammeln.

12. Eine Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mindestens einen zusätzlichen Durchflußkanal aufweist.

13. Eine Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein zusätzliches Element mit mindestens einem Durchflußkanal in dem Hohlraum in dem Behälter angeordnet ist, um einen Durchflußkanal zu bilden.

14. Eine Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element in Segmente unterteilt ist, die thermisch voneinander separiert sind.