EP2818204A1 - Kühlvorrichtung für Chemikalien-Schutzanzüge und/oder Kreislaufatemgeräte - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung für Schutzanzüge, insbesondere Chemikalien-Schutzanzüge, zur Kühlung und Entfeuchtung der im Innenraum eines Schutzanzugs enthaltenen Luft. Diese Kühlvorrichtung weist eine Wärmepumpe mit einem Kühlmittelkreislauf auf, wobei die Wärmepumpe einen Kompressor (19) zum Verdichten des Kühlmittels, wodurch die Temperatur des Kühlmittels ansteigt, einen mit dem Kompressor (19) verbundenen Kondensator (18) zum Kondensieren des erwärmten Kühlmittels, wobei das Kühlmittel seine Kondensationswärme an die Umgebung abgibt, eine mit dem Kondensator (18) verbundene Drossel (20) zum Reduzieren des aus dem Kondensator austretenden Kühlmittels, wodurch sich das Kühlmittel abkühlt, und einen mit der Drossel (20) verbundenen Verdampfer (8) aufweist, der ausgestaltet ist, um die Kälteenergie des Kühlmittels an eine vorbeiströmende Luftströmung abzugeben, wodurch diese Luftströmung abgekühlt und durch Kondensation von Feuchtigkeit reduziert wird. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können aber auch bei einer Kühlvorrichtung für Atemgeräte, insbesondere Kreislaufatemgeräte, zur Kühlung und Entfeuchtung der dem Träger des Atemgeräts zugeführten Atemluft zum Einsatz kommen.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Kühlvorrichtung für Chemikalien-Schutzanzüge oder andere Schutzanzüge. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Kühlvorrichtung für Kreislaufatemgeräte und ähnliche Atemgeräte. Solche Kreislaufatemgeräte kommen oft zusammen mit Schutzanzügen und insbesondere mit Chemikalien-Schutzanzügen zum Einsatz.
• Für Träger von Chemikalien-Schutzanzügen (CSA) ist die physiologische Belastung sehr hoch, weil die Innentemperatur und die Luftfeuchtigkeit in einem Schutzanzug und speziell in einem Chemikalien-Schutzanzug bei hohen körperlichen Belastungen sehr schnell ansteigen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere die hohe Luftfeuchtigkeit im Inneren des Schutzanzugs zur Folge hat, dass der Träger des Schutzanzugs seine Körperwärme nicht mehr in einem ausreichenden Maß abgeben kann, weil die Körperwärme bei hohen körperlichen Belastungen überwiegend durch Schwitzen abgegeben wird. Durch diesen Effekt ist der Einsatz von Rettungskräften, die diese Chemikalien-Schutzanzüge tragen müssen, zeitlich sehr begrenzt. Die maximale Einsatzzeit beträgt üblicherweise nur etwa 10 bis 20 Minuten. Bei weiten Wegen zum Einsatzort bleibt daher nicht viel Zeit und Energie für den eigentlichen Rettungseinsatz sowie für den Rückweg des Trägers vom Einsatzort in eine gefahrlose Umgebung.
• Außerdem haben physiologische Untersuchungen gezeigt, dass sich das Herzzeitvolumen (trotz steigenden Herzfrequenz) mit steigender Kerntemperatur des Körpers des Trägers drastisch vermindert, so dass der Träger des Schutzanzugs immer weniger leisten kann, wenn die Umgebung zu warm wird. Mit anderen Worten: bei steigender Körperkerntemperatur steigt die Herzfrequenz, gleichzeitig vermindern sich aber das Herzschlagvolumen (Milliliter pro Herzschlag) und die Gesamtleistung des Herzens (Liter pro Minute).
• Klimakomfortmessungen haben ferner gezeigt, dass besonders die hohe Luftfeuchtigkeit für die thermische Belastung und die vorzeitige Erschöpfung des Trägers ausschlaggebend ist. Auch hat sich herausgestellt, dass der Träger eines Schutzanzugs über eine längere Zeit (also mehrere Stunden) in der Lage ist, selbst bei hohen Umgebungstemperaturen von beispielsweise 42° C, eine anstrengende körperliche Tätigkeit auszuführen, sofern die Luftfeuchtigkeit relativ niedrig ist (z.B. 30 % relative Luftfeuchtigkeit). Die Körpertemperatur erhöht sich zwar etwas, bleibt dann jedoch auf einem stabilen Niveau. Das gleiche gilt für die Herzfrequenz des Trägers.
• Schließlich hat sich gezeigt, dass bei einer deutlich reduzierten Lufttemperatur (z.B. 32 °C) und einer sehr hohen relativen Luftfeuchtigkeit (z.B. 84 %) die Körpertemperatur ständig ansteigt und der Proband sehr schnell erschöpft, was an einer stetig ansteigenden Herzfrequenz zu erkennen ist. Dieser bisher nicht berücksichtigte Umstand hat für die vorliegende Erfindung eine wesentliche Bedeutung, da der Träger eines Chemikalien-Schutzanzugs zumeist sehr hohen körperlichen Belastungen ausgesetzt ist, was zu einem höheren Anstieg von Luftfeuchtigkeit und Temperatur im Inneren des Schutzanzugs führt, so dass die Erschöpfung des Trägers wesentlich schneller stattfindet. Hinzu kommt, dass der Träger oft auch ein Atemschutzgerät (zumeist ein Kreislaufatemgerät) verwendet, woraus eine zusätzliche physiologische Belastung resultiert, wie nachfolgend beschrieben wird.
• Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise ein Chemikalien-Schutzanzug bekannt, bei dem die Luft im Inneren des Schutzanzugs gekühlt wird, indem gekühlte Luft über Pressluftschläuche von außen zugeführt wird. Hierdurch wird allerdings die Mobilität des Trägers eines solchen Schutzanzugs sehr stark eingeschränkt. Die zugeführte Luft ist zwar trocken und kühl, was zunächst zu einer gewissen Kühlwirkung führt. Im Innenraum dieses Schutzanzugs steigt jedoch die relative Luftfeuchtigkeit sehr schnell an, was zur Bildung von Kondensat an den Innenwänden des Anzugs sowie an der Innenseite des Visiers führt, was wiederum zu einer Einschränkung der Sicht des Trägers führt. Das Kondensat sammelt sich schließlich auch in den Stiefeln des Anzugs, was für den Träger sehr unangenehm ist. Trotz der in den Innenraum des Anzugs geführten gekühlten Luft führt die schnell steigende Luftfeuchtigkeit im Innenraum des Anzugs zu einer deutlichen Reduzierung der Verdunstungsleistung der Haut des Trägers und damit zu einer immer schneller ansteigenden Körperkerntemperatur. Dies hat zur Folge, dass der Träger dieses bekannten Anzugs vorzeitig erschöpft.
• Zur Kühlung bzw. zur Regelung der Temperatur im Innenraum eines Schutzanzugs kann beispielsweise auch eine Flüssigkeitskühlung eingesetzt werden. Diese Lösung wird beispielsweise bei Raumanzügen angewendet. Dieses Prinzip ist jedoch in seiner Wirkung begrenzt, weil es auf der konduktiven Kühlwirkung direkt auf der Haut des Trägers wirkt. Die Hauttemperatur muss hierbei so kühl gehalten werden, dass der Träger nicht schwitzt. Dies führt jedoch zu einer unphysiologischen bzw. zu einer als sehr unangenehm empfundenen kalten Hauttemperatur. Das eigentliche Kühlgerät zum Kühlen der Luft befindet sich bei dieser Lösung außerhalb des Schutzanzugs. Bei einem mobilen Kühlgerät muss die gesamte Kühlenergie in Form einer Kühlquelle mitgeführt werden, was zu einem hohen Gewicht und zu einem entsprechend großen Bauvolumen des Geräts führt. Als Kühlquelle des Kühlgeräts kann zum Beispiel ein Wassereisspeicher verwendet werden, der bei einer angenommenen Kühlarbeit von 1080 kJ (d.h. 800 Watt über 30 Minuten) ein Nettogewicht von etwa 3,23 kg für das Eis haben muss. Zum Gewicht des Wassereisspeichers addieren sich allerdings noch das Gewicht des Kühlgeräts und weiterer Komponenten. Die Handhabung des Wassereisspeichers ist aufwändig, weil das Eis zunächst hergestellt, anschließend aus dem Kühlbehälter herausgelöst und dann in das Kühlgerät des Schutzanzugs eingesetzt werden muss. Daher ist eine solche Lösung nicht praktikabel.
• Ferner ist für den Einsatz im Bergbau ein Schutzanzug mit CO₂-Trockeneis-kühlung bekannt. Bei diesem Anzug wird die Wärme vom Körper des Trägers über einen Wärmetauscher (Innenanzug) sowie mit Hilfe einer Membranpumpe und in einem Kreislauf zirkulierendem Silikonöl entzogen und anschließend vom Trockeneis durch die beim Schmelzen des Eises frei werdende Energie gekühlt. Dieses Prinzip ist ebenfalls sehr aufwändig. Ferner hat das Kühlgerät ein hohes Gewicht (> 20 kg) und ein großes Bauvolumen.
• Wenn die zur Kühlung eines Schutzanzugs erforderliche Luftmenge mitgeführt werden soll, muss der Träger des Anzugs einen entsprechend großen und schweren Druckluftbehälter tragen. Heutige Chemikalien-Schutzanzüge haben eine Spülluftmenge von etwa 120 Liter/Minute. Bei einer Einsatzzeit von 30 Minuten ergibt sich eine Gesamtluftmenge von 3600 Liter. Eine Druckluftflasche mit 300 bar müsste folglich ein Volumen von 12 Liter haben. Eine solche Druckluftflasche wäre aufgrund ihres Gewichts und ihrer Größe aber weder tragbar noch zumutbar. So haben Druckluftflaschen für heute übliche Atemschutzgeräte üblicherweise ein Volumen von bis zu 6,8 Liter und ein Gewicht von etwa 5 bis 6 kg. Zwei Druckluftflaschen mit Halterung und Druckminderer würden zu einem Gewicht des Atemschutzgeräts von etwa 10 bis 12 kg führen. Ein solches Gewicht ist für ein Atemschutzgerät, das für den Einsatz in gefährlichen Umgebungen gedacht ist, schon fast "grenzwertig", da das Maximalgewicht der gesamten Ausrüstung 16 kg nicht überschreiten sollte. Deshalb kommt das Prinzip der Frischluftkühlung, die zu einem erheblichen zusätzlichen Gewicht in der gleichen Größenordnung führen würde, nicht in Frage. Durch eine Frischluftmenge von 120 Liter/Minute wird außerdem nur eine Kühlleistung von etwa 225 Watt bewirkt, wenn man davon ausgeht, dass die Kompressorluft relativ trocken (z.B. 5 % relative Luftfeuchte) und die entweichende Luft gesättigt ist (100 % relative Feuchte). Unter diesen theoretischen Bedingungen würde dies einer Schweißmenge von 346 g entsprechen, die abgeführt werden kann. Man muss jedoch davon ausgehen, dass die körperliche Leistung sehr viel höher ist und mindestens 600 Watt beträgt. Hierfür wäre dann allerdings eine Frischluftmenge von etwa 320 Liter/Minute erforderlich, was zu einem noch höheren Gewicht/Größe der Druckluftflasche(n) führen würde.
• Die vorstehenden Betrachtungen gelten auch für sogenannte Phase-Change-Materialien (PCM), wie zum Beispiel Wachs bzw. Paraffin. Diese Materialien haben aber eine geringere spezifische Kühlkapazität (180 kJ/kg) als Wassereis (334 kJ/kg). Daher wäre ein Parafinspeicher noch schwerer als ein Wassereisspeicher, d.h. etwa 6 kg netto für das Paraffin zuzüglich des Gewichts des Kühlgeräts.
• Aus der DE 10 2005 010 951 A1 ist eine einfache und kleine Personenbelüftungseinrichtung mit einem Gehäuse, einem darin integrierten Lüfter und einer Leistungselektronik nebst Steuerungselektronik bekannt. Vom Anmelder (ENTRAK Energie- und Antriebstechnik GmbH & Co. KG) dieser Schrift wurde auch ein Kühlgerät unter dem Namen "iceCube" angeboten, bei dem Eispacks verwendet werden und das ein Gesamtgewicht von etwa 2,4 kg hat. Allerdings hat dieses Kühlgerät eine Kühlleistung von lediglich etwa 250 Watt. In diesem Gesamtgewicht von 2,4 kg sind das Gewicht des Eispacks, des Ventilators, der Batterie und des Gehäuses enthalten, so dass zur Kühlung ein Eispack mit einem Gewicht von lediglich etwa 2 kg zur Verfügung steht, d.h. maximal 2 kg _* 334 kJ/kg = 668 kJ. Bei diesem Gerät wird die Luft gekühlt, indem ein Ventilator die Innenluft umwälzt und an dem Eispack vorbeileitet. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass bei diesem Gerät die relative Luftfeuchte im Inneren des Anzugs nicht merklich reduziert und die Kühlwirkung daher stark begrenzt ist. Es hat sich außerdem gezeigt, dass durch dieses Gerät die Lufttemperatur deutlich abgekühlt wird, gleichzeitig jedoch die relative Luftfeuchte durch die Schweißabgabe des Trägers ständig ansteigt, bis die Luft im Inneren des Anzugs vollständig gesättigt ist. Die erreichbare Kühlwirkung reduziert sich daher auf die Konvektionskühlung, weshalb keine Evaporationskühlung realisiert werden kann, die aber bei hoher körperlicher Leistung erforderlich ist.
• Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Arten von Schutzanzügen und Möglichkeiten zur Luftkühlung bekannt.
• In der DE 30 15 597 A1 ist beispielsweise eine Kühlweste beschrieben ist, bei der die Oberfläche der Weste mit einer Flüssigkeit benetzt wird, die an die Umgebung verdunstet und eine evaporative Kühlung erzeugt. Ferner ist eine poröse wasserspeichernde Außenschicht mit einem darunter liegenden Schutzmantel offenbart, der aus einer bekannten Sperrschichtfolie gegen Wasserdampf besteht.
• Die DE 10 2008 019 513 B3 beschreibt einen Schutzanzug mit einem passiven Verdunstungskühler. Das beschriebene Prinzip ist jedoch nur mit einem hohen technischen Aufwand zu realisieren. Ferner hat sich gezeigt, dass die Kühlleistung des Verdunstungskühlers in vielen Fällen nicht ausreichend ist.
• Eine Vorrichtung zur Kühlung eines Schutzanzugs unter Verwendung eines Ventilators ist in der DE 10 2008 060 826 B3 beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird die Luft im Innenraum eines Chemikalien-Schutzanzugs zirkuliert und an kalten Oberflächen mehrerer, zum Beispiel mit Ammoniumnitrat und Wasser gefüllten Behältern vorbeigeführt, um die Temperatur der vorbeigeführten Luft zu reduzieren. Es hat sich allerdings herausgestellt, dass die erreichbare Kühlleistung im Verhältnis zum erforderlichen technischen und finanziellen Aufwand nicht ausreichend ist.
• Die US 3,174,300 beschreibt ein in einem Schutzanzug integriertes Kreislaufatemgerät, das eine interne Kühlquelle hat. Die Kühlquelle ist durch einen mit Kühlmittel gefüllten Tank gebildet, an dem ein Luftstrom vorbeigeführt wird. Das Gerät wird mit einem Gebläse betrieben, das jedoch nur einen kleinen Volumenstrom hat, der etwa dem Atemvolumenstrom entspricht (d.h. etwa 30 bis 60 Liter/Minute) und für eine Körperkühlung nicht ausreichend ist. Ferner kann kein wirksamer Feuchtigkeitsentzug im Innenraum des Schutzanzugs durchgeführt werden.
• Die DE 199 22 848 A1 betrifft eine Vorrichtung zum Kühlen einer Flüssigkeit in einem Behälter mittels eines Flüssigkeitskühlers, der durch ein Sorptionsmittel aus einem Verdampfer, der mit der zu kühlenden Flüssigkeit in thermischem Kontakt steht, Arbeitsmitteldampf absaugt. Beim Regenerieren des Sorptionsmittels strömt der Arbeitsmitteldampf zurück in den Verdampfer und gibt beim Kondensieren seine Kondensationswärme an eine Flüssigkeit innerhalb des Behälters ab.
• Die DE 40 29 084 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung zur Atemgaskühlung in einem Atemschutzgerät. Hierbei ist ein Wärmekollektor als ein Vorratsbehälter für eine verdampfbare Flüssigkeit ausgebildet, der mit einem evakuierten Adsorptionsmittelbehälter derart verbindbar ist, dass die Flüssigkeit unter Aufnahme von Verdampfungswärme verdampft und der Dampf an einem in dem Adsorptionsmittelbehälter befindlichen Adsorptionsmittel unter Abgabe von Adsorptionswärme und Kondensationswärme adsorbiert wird. Der Adsorptionsmittelbehälter ist als ein außerhalb des Atemgasstroms angeordneter, zur Abgabe der Wärme an die Umgebung vorgesehener Kühlkörper ausgebildet.
• Die US 3,132,688 offenbart eine Kühlvorrichtung zum Kühlen bestimmter Regionen des menschlichen Körpers, die unter Verwendung einer thermoelektrischen Wärmepumpe (z.B. Peltier-Elemente) funktioniert.
• Die DE 10 2008 055 700 A1 zeigt ein Atemgerät mit einem Kreislauf für Atemgas und mit einem durch ein Verdunstungsmittel gekühlten Wärmetauscherkanal. Das Verdunstungsmittel wird aus einem Verdunstungsmittelbehälter über mindestens eine Gruppe von Sprühelementen in den Wärmetauscherkanal eingebracht. Ferner ist eine Gasfördereinrichtung vorgesehen, mit Hilfe derer ein Gasvolumenstrom durch den Wärmetauscherkanal geleitet wird.
• Die US 5,896,856 offenbart ein Atemgerät für Feuerwehrleute, das mit einem Kühlmittelbehälter verbunden ist. Das Kühlmittel wird einem Wärmetauscher zugeführt, um die Atemluft abzukühlen. Die Kühlung eines Schutzanzugs ist nicht beschrieben.
• Die US 5,662,161 zeigt eine Vorrichtung zum Abkühlen von Atemgas. Das Atemgas strömt an einem Wärmetauscher vorbei, der durch mit einem Phase-Change-Material gefüllte Röhren gebildet ist.
• Die DE 43 44 353 A1 offenbart eine Versorgungseinrichtung für eine in einem Schutzanzug befindliche Person, mit Hilfe derer dem Schutzanzug gefilterte und gekühlte Atemluft zugeführt wird. Die Einrichtung umfasst einen Kompressor, durch den Luft angesaugt und einem Wärmetauscher zugeführt wird. Ferner ist ein Kompressor mit einem Kondensator vorgesehen, die zusammen mit dem Wärmetauscher einen Kältekreislauf bilden.
• Schließlich zeigt die EP 0 148 543 A1 ein Atemgerät, bei dem die Atemluft durch eine Rohrleitung strömt, die in einer wärmetauschenden Beziehung zu einem mit einem Kühlmittel gefüllten Behälter steht.
• Der Mensch hat im Laufe seiner Entwicklungsgeschichte das Schwitzen auf der Körperoberfläche entwickelt, um bei hoher körperlicher Leistung eine homeotherme Körpertemperatur beizubehalten. Ein Mensch, der 600 Watt Wärmeleistung produziert, gibt über Strahlung etwa 30 Watt und über Konvektion etwa 42 Watt an die Umgebung ab. Der größte Teil der Wärmeabgabe (etwa 528 Watt) erfolgt jedoch über Verdunstung an der Körperoberfläche (Schwitzen). Dieses Größenverhältnis erklärt den beeindruckenden Anteil der Thermoregulation durch Schwitzen, sobald eine höhere körperliche Leistung erzeugt wird.
• Mit der Optimierung der Kleidung hinsichtlich ihrer Schutzwirkung (in diesem Fall gegen äußere chemikalische, biologische oder nukleare Stoffe und zum mechanischen Schutz) ist die vom Menschen entwickelte Fähigkeit der Eigenkühlung durch das Schwitzen immer weiter reduziert worden. Der Körper reagiert zwar mit dem Einsatz des Schwitzens naturgemäß auf die Erhöhung der Körpertemperatur, der Schweiß kann jedoch immer weniger verdunsten und zur Kühlwirkung beitragen, was dazu führt, dass die Körpertemperatur steigt. Dampfdurchlässige Kleidung (Dampfdiffusion) ist in ihrer Wirkung begrenzt und kann insbesondere bei Chemikalien-Schutzanzügen nicht eingesetzt werden, weil sie den Körper nicht gegen die giftigen bzw. schädlichen Gase schützen können.
• Eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht folglich darin, eine Kühlvorrichtung für Schutzanzüge und speziell für Chemikalien-Schutzanzüge zur Verfügung zu stellen, mit Hilfe deren eine verbesserte Kühlung und Entfeuchtung im Innenraum dieser Schutzanzüge erreicht werden kann.
• Wie eingangs erläutert, werden Schutzanzüge und speziell Chemikalien-Schutzanzüge, die für den Einsatz in gefährlichen Umgebungen gedacht sind, normalerweise zusammen mit Atemgeräten verwendet. Häufig werden Atemgeräte mit einer Sauerstoffflasche verwendet. Bei längeren Einsätzen werden aber sogenannte Kreislaufatemgeräte bevorzugt, bei denen der CO₂ -Anteil der ausgeatmeten Atemluft reduziert werden muss.
• Bei bekannten Kreislaufatemgeräten erfolgt die Reduzierung des CO₂-Anteils durch Absorbieren des vom Träger des Geräts produzierten CO₂ in der Ausatemluft. Dies wird im Allgemeinen mit Atemkalk oder Alkali durchgeführt, das aufgrund der chemischen Reaktion Feuchtigkeit und Wärme entwickelt, was wiederum zu einer entsprechenden Erwärmung und Befeuchtung der zurückgeführten Einatemluft führt. Dieser Effekt steht einem physiologisch verträglichen Atemklima entgegen. In der Vergangenheit wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um die erwärmte Einatemluft zu kühlen und zu entfeuchten. So wurde zur Kühlung der Einatemluft beispielsweise Wassereis verwendet, was aber bezüglich der Handhabung sehr aufwändig ist, weil der Eisblock zunächst hergestellt und dann kurz vor dem Einsatz aus der Gefriertruhe geholt und in das Atemgerät eingesetzt werden muss. Außerdem hat sich herausgestellt, dass die mit Wassereis erreichte Kühlwirkung in vielen Fällen nicht ausreichend ist, um die Atemgastemperatur und die Atemgasfeuchte auf physiologisch verträglichere Werte (ca. 25° C mit ca. 50 % rel. Feuchte) zu bringen.
• Als Alternative zu Wassereis kann auch ein sogenannter Regenerationskühler verwendet werden, bei dem statt Wassereis ein anderer Latentwärmespeicher benutzt wird, der die Schmelzenergie zur Kühlung ohne Einsatz eines Gefriergeräts zur Verfügung stellt. Dieses Konzept ist in der Handhabung deutlich einfacher, weil der Kühler immer wieder verwendet werden kann und einsatzbereit im Gerät gelagert ist. Allerdings ist die Kühlkapazität deutlich geringer, weil das PCM (Phase-Change-Material) eine geringere spezifische Kühlkapazität hat, wie vorstehend bereits erläutert wurde. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Atemluft-Kühlvorrichtungen besteht darin, dass ihre Verwendungsdauer begrenzt ist, da die Energie des Wassereises oder des Phase-Change-Materials relativ schnell aufgebraucht ist. Will man die Einsatzdauer verlängern, so geht dies nur über eine Erhöhung der Menge an Wassereis bzw. PCM, wodurch sich aber das Gewicht und das Bauvolumen der Kühlvorrichtung wesentlich vergrößern würden.
• Kühlvorrichtungen des obigen Typs sind zum Beispiel aus der DE 928 690 C und aus der DE 879 651 C bekannt.
• Als eine weitere Alternative zur Kühlung von Atemgeräten ist ein sogenannter Zeolithkühler bekannt, bei dem der Umgebung durch Verdunstung von Wasser Wärme entzogen und die Feuchtigkeit in einem Zeolithen absorbiert wird. Ein entsprechendes Verfahren zur Kühlung eines Atemgeräts ist in der DE 40 29 084 offenbart. Allerdings ist die Herstellung eines solchen Zeolithkühlers technisch sehr aufwändig, weil der Zeolith unter Vakuum gelagert und die Dichtigkeit für eine sehr lange Zeit garantiert werden muss. Außerdem muss der wieder verwendbare Kühler aufwändig regeneriert werden. Dazu muss der Zeolith bei Temperaturen von über 200° C entfeuchtet und das Wasser in einem Verdampfer kondensiert werden. Es hat sich gezeigt, dass die Verwendung eines Zeolithkühlers für ein Atemgerät bzw. Atemschutzgerät nicht praktikabel ist.
• Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht also darin, eine Kühlvorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit Hilfe deren eine verbesserte Kühlung und auch Entfeuchtung von erwärmter Luft erreicht werden kann, und zwar insbesondere der Atemluft bei einem Kreislaufatemgerät, so dass dem Träger eines Kreislaufatemgeräts eine angenehm kühle und relativ trockene Atemluft zur Verfügung gestellt werden kann. Es ist ebenfalls Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Kühlung und Entfeuchtung der Luft im Innenraum eines Schutzanzugs zur Verfügung zu stellen.
• Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass Kühlvorrichtungen für Schutzanzüge aber auch für Atemschutzgeräte (insbesondere Kreislaufatemgeräte) bei höheren Umgebungstemperaturen nur sehr bedingt einsatztauglich sind. Erfahrungsgemäß arbeiten die bekannten Kühlvorrichtungen nur in Umgebungen mit einer Temperatur von bis zu 60 bis 70° C zufriedenstellend. Oberhalb dieser Temperatur können die bekannten Kühlvorrichtungen zumeist keine ausreichende Wärme an die Umgebung abgeben, um eine ausreichende Kühlung bzw. Entfeuchtung der Innenluft eines Schutzanzugs oder der Atemluft zu gewährleisten.
• Folglich besteht noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine Kühlvorrichtung für einen Schutzanzug bzw. für ein Atemgerät zur Verfügung zu stellen, mit dem eine ausreichende Kühlung und Entfeuchtung der Luft im Innenraum eines Schutzanzugs bzw. der Atemluft bei einem Atemgerät (Kreislaufatemgerät) auch bei hohen Umgebungstemperaturen zu erreichen.
• Zur Lösung dieser Aufgaben dienen die Merkmale von Patentanspruch 1 und Patentanspruch 2. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
• Grundlage der vorliegenden Erfindung ist zunächst die Erkenntnis, dass die absolute Feuchte im Innenraum eines Chemikalien-Schutzanzugs möglich gering gehalten werden muss, damit die Schweißverdunstung des Trägers funktionieren kann. Es hat sich herausgestellt, dass bei zunehmender relativer Luftfeuchtigkeit im Innenraum des Schutzanzugs die Verdunstung des Schweißes an der Hautoberfläche des Trägers des Schutzanzugs immer stärker abnimmt. Dies hat zur Folge, dass sich auf der Hautoberfläche des Trägers immer mehr Schweiß bildet, bis sich schließlich auf der Haut Tropfen bilden, die sich aufgrund der Schwerkraft nach unten bewegen und sich vornehmlich in den Stiefeln des Anzugs ansammeln. Außerdem kommt es zu einer verstärkten Bildung von Kondenswasser an den Innenflächen des Anzugs und insbesondere an der Innenfläche des Visiers, wodurch die Sicht des Trägers stark eingeschränkt wird.
• Durch Studien wurde herausgefunden, dass bei ungekühlten Schutzanzügen die Lufttemperatur im Innenraum des Anzugs innerhalb von 30 Minuten von etwa 20 °C auf etwa 30 °C ansteigt. Im weiteren zeitlichen Verlauf kann die Lufttemperatur weiter ansteigen. Dieser Anstieg erfolgt etwa in Form einer Exponentialfunktion. Gleichzeitig steigt die relative Luftfeuchtigkeit von etwa 40 % auf einen stabilen Wert von etwa 90 % (ebenfalls als Exponentialfunktion). Aufgrund des starken Anstiegs der Kerntemperatur des Körpers des Trägers innerhalb eines kurzen Zeitraums (z.B. 30 Minuten) sinkt der thermische Komfort zunehmend und führt schließlich zu einer massiven Erschöpfung des Trägers. Der Grund hierfür liegt darin, dass der Träger durch Schwitzen nur noch relativ wenig evaporative Wärme abgeben kann, weil die Luft im Innenraum des Schutzanzugs relativ schnell ihren Sättigungszustand erreicht (25 g/kg). Wenn die Hauttemperatur des Trägers etwa 35 °C beträgt und mit Schweiß gesättigt ist, hat die Luft in unmittelbarer Nähe der Haut eine absolute Feuchte von etwa 36 g/kg. Der Träger könnte unter diesen Bedingungen theoretisch noch etwa 11 Gramm Wasser pro Kilogramm Luft an die Umgebung abgeben, wenn die Luft um den Körper des Trägers gut zirkuliert. Auch kann der Träger noch Wärme über Konvektion an die Umgebung abgeben, weil die Lufttemperatur im Innenraum des Anzugs immer noch geringer ist als die Haut- bzw. Kerntemperatur des Trägers. Ferner kann Strahlungswärme abgeführt werden, solange die Hauttemperatur einen höheren Wert hat als die Innenwandtemperatur des Anzugs, die zwischen der Innenlufttemperatur des Anzugs von etwa 30 °C und der Außentemperatur von etwa 23 °C liegt, also bei beispielsweise 27 °C. Es wurde jedoch herausgefunden, dass diese mögliche Wärmeabgabe nicht ausreicht, um die Körpertemperatur des Trägers zu stabilisieren, weshalb die Körpertemperatur weiter ansteigt.
• Diese Probleme lassen sich dadurch lösen, dass eine spezielle Kühlung des Innenraums eines Schutzanzugs bzw. Chemikalien-Schutzanzugs realisiert wird, bei der auch die Luftfeuchtigkeit im Innenraum deutlich gesenkt wird. Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung, die vorzugsweise als Wärmepumpenkühler realisiert ist, ist daher ausgestaltet, um die relative Luftfeuchtigkeit im Innenraum des Anzugs beispielsweise von etwa 90 % auf etwa 50 % zu senken. Hierbei würde der absolute Wassergehalt der Luft im Innenraum des Anzugs von etwa 27 g/kg auf etwa 13 g/kg sinken. Hierdurch wird die Partialdruckdifferenz deutlich gesenkt, so dass auch deutlich mehr Schweiß verdunsten kann. Das heißt, es können nun 23 g/kg anstelle der bisherigen 11 g/kg Schweiß in die Luft abgegeben werden. Mit anderen Worten: mit Hilfe der Erfindung kann etwa eine Verdoppelung der Verdunstungsmenge und damit eine Verdoppelung der Verdunstungskühlung erreicht werden.
• Die vorliegende Erfindung basiert auf der Verwendung einer Kühlvorrichtung in Form eines Wärmepumpenkühlers, der mit Hilfe einer elektrischen Batterie (oder Akku) versorgt wird. Der Wärmepumpenkühler weist im Wesentlichen einen Verdampfer und einen Kondensator auf, der seine Wärme an die Umgebung abgibt, während der Verdampfer die im Innenraum des Schutzanzugs zirkulierende Luft herunterkühlt und den Wasserdampf kondensieren lässt. Das Prinzip eines Wärmepumpenkühlers basiert auf einem elektrisch betriebenen Kompressor, der ein Kühlmittel verdichtet und dabei auf ca. 40 bis 75° C erhitzt. Die Wärme wird in Form von Kühlmitteldampf (der einen hohen Energiegehalt hat) zu einem Kondensator (Wärmetauscher) transportiert, wobei dieser Kondensator dann die erforderliche Wärmesenke darstellt, in der das Kühlmittel kondensiert, wobei im Wesentlichen die gesamte Kondensationswärme an die Umgebung abgeführt werden kann. Hinter dem Kondensator (in Strömungsrichtung des Kühlmittels) wird das (verflüssigte) Kühlmittel über eine Leitung, die eine Drossel beinhaltet, an einen Verdampfer weitergeleitet. In dem Verdampfer hat das Kühlmittel eine sehr viel geringere Temperatur von beispielsweise -10° bis +10° C. Mit Hilfe des Verdampfers wird die vorbeiströmende Luft (z.B. die Innenluft des Schutzanzugs oder auch die Einatemluft bei einem Atemgerät) auf eine Temperatur von beispielsweise ca. 15° C heruntergekühlt, wobei diese Temperatur unter anderem von der Ausgestaltung des Verdampfers (Kühlfläche) sowie von der Menge und Geschwindigkeit der vorbeiströmenden Luft abhängt. Das Kühlmittel wird hierbei verdampft und im Kühlkreislauf wieder dem Kompressor zugeführt.
• Die Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, der Luft im Innenraum des Schutzanzugs Wasser zu entziehen. Dies kann in vorteilhafter Weise dadurch geschehen, dass der außenliegende (z.B. außerhalb des Schutzanzugs) Kondensator eine deutlich höhere Temperatur als die Umgebungstemperatur hat, wobei der Verdampfer die Luft im Innenraum des Schutzanzugs herunterkühlt, wobei gleichzeitig am Verdampfer die Feuchtigkeit der Innenluft kondensieren kann. Es ist offensichtlich, dass das entstehende Kondensat in einem Auffangbehälter aufgefangen wird. Auf diese Weise können die Temperatur und die relative Feuchte im Innenraum des Schutzanzugs niedrig gehalten werden. Die Taupunkttemperatur für eine gesättigte Feuchte von 12 g/kg liegt bei etwa 18 °C. Auf diese Temperatur (vorzugsweise < 18° C) sollte sich der Verdampfer abkühlen. Dies ist mit einer Wärmepumpe leicht realisierbar. Es können auch Temperaturen bis zu ca. 4 °C erreicht werden, ohne dass eine Vereisung stattfindet.
• Wie bereits erläutert, wurde durch Versuche herausgefunden, dass die Feuchte bei einer geschätzten Wandtemperatur des Anzugs von 27 °C auch schon an der Innenseite des Anzugs kondensiert. Dieser Effekt lässt sich aber auch nicht vollständig verhindern. Wenn jedoch mit Hilfe der Erfindung die relative Feuchte im Anzug durch Entzug von Feuchte am Verdampfer verringert wird, sinkt die Taupunkttemperatur, und an der Innenseite des Anzugs kondensiert weniger Wasser.
• Die für die Kühlung erforderliche Leistung reduziert sich bei der Wärmepumpe durch den Coefficient of Performance (COP) mindestens auf die Hälfte, bei guter Auslegung kann sie sogar auf ein Viertel der effektiven Kühlleistung reduziert werden. Zusätzlich muss noch die Leistung für den Antrieb der erforderlichen Lüfter bzw. Gebläse (etwa 1 Watt) zur Verfügung gestellt werden. Eine Batterie für die Wärmepumpe und für die Gebläse (Ventilatoren) müsste für eine Einsatzzeit von etwa 60 Minuten eine Kapazität von etwa 3 Ah (bei 24 Volt) haben. Beispielhaft zu verwendende Standard-Baby-Lithium-Thionylchlorid-Zellen haben eine Nennkapazität von etwa 3 Ah und wiegen etwa 600 Gramm. Das gesamte Gewicht der Kühlvorrichtung setzt sich aus dem Gewicht der Wärmepumpe plus Wärmetauscher (= ca. 1500 g), des Lüfters (= ca. 100 g) und der Batterie (= ca. 600 g) zusammen. Aus diesem Grund ist die Kühlvorrichtung mit einem Gesamtgewicht von etwa 2,2 kg eine sehr gute Alternative zu den bekannten Kühlvorrichtungen gemäß Stand der Technik.
• Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann die vorstehend erläuterte Kühlvorrichtung in abgewandelter Form auch bei Kreislaufatemgeräten oder anderen Atemgeräten zur Anwendung kommen, wenn es erforderlich ist, die Atemluft abzukühlen und zu entfeuchten. Es ist offensichtlich, dass die Dimensionen einer für den Atemkreislauf eines Atemgeräts verwendeten Kühlvorichtung (Wärmepumpe) entsprechend geringer ausfallen.
• Aus den obigen Betrachtungen ergibt sich ferner, dass eine Wärmepumpen-Kühlvorrichtung immer nur dann wirksam betrieben werden kann, wenn die Umgebungstemperatur entsprechend niedrig ist. Zur Überwindung dieser Einschränkung ist gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass der Kondensator bei höheren Umgebungstemperaturen von außen mit einer verdampfbaren Flüssigkeit (zum Beispiel Wasser) besprüht bzw. benetzt wird. Dies dient dazu, den Wirkungsgrad der Wärmepumpe (Kältemaschine) in einem günstigen Arbeitsbereich zu halten und somit mehr Wärmeleistung über die Verdunstungswärme an die Umgebung abzuführen. Auf diese Weise kann auch bei hohen Umgebungstemperaturen eine wirksame Kühlung erreicht werden. Es ist offensichtlich, dass das Besprühen des Kondensators auch bei der Kühlvorrichtung zum Kühlen des Innenraums eines Schutzanzugs angewendet werden kann.
• Zum besseren Verständnis: wenn beispielsweise die Umgebungstemperatur, in der die Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung (also die Kühlvorrichtung für den Schutzanzug und/oder die Kühlvorrichtung für das Kreislaufatemgerät) zum Einsatz kommt, ca. 80° C beträgt, dann würde der mit dieser Umgebung in Kontakt stehende Kondensator der Kühlvorrichtung keine Wärmeleistung mehr an die Umgebung abgeben können, wenn seine Temperatur ebenfalls 80° C oder weniger beträgt. Der Druck des Kühlmittels in der Kühlvorrichtung würde bei beispielhafter Verwendung des Kühlmittels R134a bei 80° C aber ca. 26 bar betragen müssen. Beträgt die Umgebungstemperatur also etwa 80° C, so muss der Kondensator bzw. das darin enthaltene Kühlmittel eine Temperatur von deutlich über 80° C haben, so dass eine Wärmeabgabe an die Umgebung erfolgen kann. Folglich muss der Kompressor einen Druck von über 26 bar erzeugen. Ein solcher Druck wäre allerdings zu hoch und würde mit hoher Wahrscheinlichkeit zu einem frühzeitigen Ausfall des Kompressors führen. Bei einer Kondensatortemperatur von 60° C wäre lediglich ein Druck von ca. 16 bar erforderlich (bei 40° C nur etwa 10 bar). Eine Drucksenkung durch eine Reduzierung der Kondensatortemperatur würde also dazu führen, dass der Kompressor störungsfrei und dauerhaft arbeiten kann. Außerdem kann die elektrische Leistungsaufnahme der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung (d.h. Leistungsaufnahme des Kompressors) durch Verringerung des Kühlmitteldrucks deutlich reduziert werden, wodurch die Einsatzdauer der Kühlvorrichtung erheblich verlängert werden kann.
• Wie vorstehend erläutert, kann erfindungsgemäß die Verringerung des Drucks des Kühlmittels im Kühlkreislauf der Kühlvorrichtung dadurch erreicht werden, dass die Temperatur des Kondensators durch Besprühen oder Benetzen der Außenfläche des Kondensators mit Wasser oder einer anderen verdampfbaren Flüssigkeit reduziert werden kann. Durch den resultierenden Verdunstungsprozess kann sehr viel mehr Wärme entzogen werden, und die Kühlmitteltemperatur kann niedriger eingestellt werden. Daraus resultiert, dass der Kompressor durch seinen verminderten Stromverbrauch sehr viel länger betrieben werden kann.
• Durch die Verdunstung des Wassers von der Oberfläche des Kondensators kann dem Kondensator sogar noch Wärme entzogen werden, wenn die Umgebungstemperatur höher ist als die Kühlmitteltemperatur im Kondensator. Bei einer Umgebungstemperatur von beispielsweise 80° C entsteht aufgrund der thermodynamischen Bedingungen der Verdunstung ein sogenannter "ziehender Punkt", der 25° C entspricht. Dies ist ähnlich einer Bedingung, bei der die Umgebung diese Temperatur aufweisen würde.
• Bei der vorliegenden Ausgestaltung kann der Kondensator (Wärmetauscher) seine Wärme passiv durch Konvektion und Strahlung abgeben, wobei die Konvektionskühlung durch Vorsehen eines Lüfters weiter verbessert werden kann. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Kondensator mit Kühlschlangen zur Abgabe von Wärme an die Umgebung versehen. Mit Hilfe des Lüfters wird die Umgebungsluft über die Oberfläche des Kondensators geblasen, wodurch die Verdunstung des Sprühwassers verbessert wird.
• Vorzugsweise erfolgt das Besprühen der Oberfläche des Kondensators mit Hilfe einer Sprüheinrichtung (z.B. eine Sprühflasche oder ein kleiner Kompressor). Das Sprühmedium kann beispielsweise destilliertes Wasser oder eine andere verdampfbare Flüssigkeit sein. Bei Verwendung einer Sprühflasche muss darauf geachtet werden, dass ein nicht-brennbares Treibmittel verwendet wird. Das Sprühventil der Sprüheinrichtung, mit Hilfe derer das Verdunstungsmedium (Wasser) auf die äußere Wärmetauscheroberfläche des Kondensators gesprüht wird, kann elektrisch angesteuert werden.
• Wenn man davon ausgehen kann, dass der Einsatz des Kreislaufatemgeräts (oder des Schutzanzugs) nicht die komplette Zeit bei einer hohen Umgebungstemperatur betrieben wird, sondern nur zeitweise, kann die Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung (Wärmepumpenkühler) immer dann wirksam betrieben werden, wie vorstehend erläutert wurde, wenn die Umgebungstemperatur entsprechend niedrig ist (also beispielsweise unter 60° C), also die Temperatur des Kondensators höher ist als die Temperatur der Umgebung, so dass der Kondensator Wärme an die Umgebung abgeben kann. Gemäß einem noch weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Kühlvorrichtung dazu ausgestaltet, dass sie während dieser Zeit parallel Kälteenergie speichern kann, die dann, wenn höhere Umgebungstemperaturen vorliegen, zur Kühlung bzw. Entfeuchtung der Atemluft eines Atemgeräts oder auch der Luft im Innenraum eines Schutzanzugs genutzt werden kann.
• Wenn man von einem praktischen Beispiel ausgeht, dass bei einem Langzeiteinsatz die Umgebungstemperatur 80° C beträgt und die Verweildauer in dieser Umgebung 20 Minuten beträgt, dann müsste eine Kälteenergie von 162 KJ gespeichert werden. Zum Vergleich: eine Kühlkapazität von 45 W (vergleichsweise wie ein Eiskühler) über 20 Minuten entspricht einer Kälteenergie von 54 KJ. Wenn man diese Kälte nicht in einem Kältespeicher aus Metall sondern durch Einfrieren von Eiswasser oder von einem entsprechenden Kühlgel speichert, wäre hierzu eine Eismenge von 162 g (Eis hat eine Schmelzenergie von 332 KJ/kg) erforderlich. Diese Eismenge ist relativ klein und hat folglich ein erträgliches Gewicht. Diese Eismenge könnte daher vorteilhaft im Atemkreislauf bzw. direkt im Wärmetauscher eines Kreislaufatemgeräts angeordnet werden. Wenn dieses Prinzip zur Kühlung der Luft im Innenraum eines Schutzanzugs angewendet werden soll, muss natürlich eine entsprechend größere Eismenge verwendet werden.
• Ein für ein Kreislaufatemgerät praktikables Kühlmodul (Kühlvorrichtung) basiert im Wesentlichen auf dem Prinzip einer Wärmepumpe, wie eingangs erläutert. Ein elektrisch betriebener Kompressor verdichtet hierbei ein Kühlmedium (zum Beispiel R134a), das hierbei auf beispielsweise etwa 40 bis 75° C erwärmt wird. Durch Weiterleitung an einen Wärmetauscher (Kondensator) kann das Kühlmedium seine Wärme an die Umgebung abführen. Dabei kühlt sich das Kühlmedium etwas ab und kondensiert. Der Wärmetauscher kann seine Wärme passiv (d.h. durch Konvektion und Strahlung) oder durch Verdunstung von Flüssigkeit abgeben, die auf die Oberfläche der Wärmetauschers (Kondensator) gesprüht wird, wie vorstehend erläutert. Dieser Effekt kann durch den Einsatz eines kleinen Lüfters (ca. 100 mW) verstärkt werden. Hinter dem Kondensator wird das flüssige Kühlmedium über eine Drossel an einen Wärmetauscher (Verdampfer) geleitet und dort entspannt. Das Kühlmedium hat jetzt noch eine Temperatur von beispielsweise -10 bis +10° C. Der Verdampfer ist ausgestaltet, um das Atemgas auf eine Temperatur von etwa 15° C herunterzukühlen. Das Kühlmedium wird hierbei verdampft und im Kreislauf wieder dem Kompressor zugeführt. Das gesamte "innere" Kühlsystem mit dem Kühlmedium ist von der Umgebung in einem Gehäuse getrennt. Die Drehzahl des Kompressors kann geregelt oder schrittweise ein- und ausgeschaltet werden, um die Kühlleistung an den erforderlichen Kühlbedarf anzupassen. Dazu kann optional ein Temperatursensor in der Atemgasleitung eingebaut sein. Die elektrische Energie wird durch eine Batterie (Akku) geliefert, die beispielsweise ein Lithium-Polymerakku ist.
• Erfindungsgemäß befindet sich in dem Atemkreislauf zusätzlich zu dem Verdampfer noch ein Kältespeicher, beispielsweise in Form eines zylindrischen Gefäßes, das mit Wasser oder mit einem Kühlgel gefüllt ist. Die Verbindung zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer wird durch dieses Kühlgel realisiert. Die Wärmepumpe kann so eingestellt werden, dass die Temperatur hinter der Drossel unterhalb 0° C liegt, so dass zunächst die Kälteleistung dazu führt, dass das Kühlgel (bzw. das Wasser) eingefroren wird. Anschließend wird diese Leitung zum eigentlichen Luftwärmetauscher (Verdampfer) weitergeführt. Dort erreicht das Kühlmittel eine etwas höhere Temperatur, so dass nicht zu erwarten ist, dass der Luftwärmetauscher von außen vereisen kann. Dazu kann ein weiterer Temperatursensor an der Eingangsleitung des Luftwärmetauschers angebracht sein, um bestimmen zu können, ob eine Verweisung droht. In diesem Fall kann die Kühlleistung etwas verringert werden, um eine Vereisung zu verhindern. Das von dem Luftwärmetauscher erwärmte Kühlmittel wird dann von dem Kompressor wieder verdichtet, erwärmt sich hierbei wieder und kondensiert dann im Kondensator, wobei es seine Wärmeenergie an die Umgebung abgibt.
• Solange also die Umgebungstemperatur unterhalb der Temperatur des Kondensators liegt, wird im Kältespeicher der Kühlvorrichtung das Kühlgel gefroren und eine entsprechende Menge an Kälteenergie gespeichert. Gleichzeitig wird das Atemgas durch den Verdampfer auf beispielsweise 15° C heruntergekühlt. Im Fall einer höheren Umgebungstemperatur (also z.B. 80° C), bei der der Kondensator seine Wärmeenergie nicht mehr oder nicht ausreichend an die Umgebung abgeben kann, weil er eine etwa gleich hohe Temperatur hat, wird das Atemgas durch den Kältespeicher gekühlt, ohne dass die Wärmepumpe betrieben werden muss. Ohne den erfindungsgemäßen Kältespeicher müsste der durch den Kompressor erzeigte Druck erhöht werden (wie vorstehend beschrieben), wodurch der Stromverbrauch deutlich erhöht wird und ein frühzeitiger Ausfall des Kompressor riskiert wird, oder es müsste die Menge an Flüssigkeit erhöht werden, die durch die oben beschriebene Sprühvorrichtung (falls vorhanden) auf den Kondensator gesprüht wird.
• Bei einer alternativen Ausgestaltung läuft die Wärmepumpe auch weiter, wenn die Umgebungstemperatur oberhalb der Temperatur des Kondensators liegt. Bei dieser Ausgestaltung liegt der Kältespeicher nicht im unmittelbaren Atemluftstrom zwischen Kondensator und Verdampfer, sondern seitlich neben dem Atemluftstrom im Gehäuse der Kühlvorrichtung, damit er seine Kühlverluste in den Atemluftkreislauf liefert und nicht extra zur Umgebung isoliert werden muss. Dadurch transportiert die Wärmepumpe die Kälte aus dem Wärmespeicher in den Luftwärmetauscher (Verdampfer) und kühlt hierüber die Atemluft.
• Bei einer weiteren Ausgestaltung ist kein mit Kühlgel gefüllter Kältespeicher vorgesehen. Stattdessen ist die Kühlvorrichtung so ausgestaltet, dass sich die Feuchtigkeit, die sich im Atemkreislauf befindet, kondensiert und gefriert. Über einen längeren Zeitraum wird dann genügend Eis gespeichert, das genutzt werden kann, wenn der Kondensator seine Wärme bei hohen Umgebungstemperaturen nicht mehr ausreichend an die Umgebung abgeben kann. In diesem Fall wird das Gesamtgewicht des Kühlmoduls durch den Wegfall des Kältespeichers verringert. Das Gewicht erhöht sich nur in dem Maße, wie das im Atemkreislauf enthaltene Wasser gefriert. Der so gebildete Kältespeicher (Wärmetauscher) ist vorzugsweise so angeordnet, dass die Atemluft an ihm vorbeiströmt und er beim Speichern die gefrierende Feuchtigkeit aufnehmen kann als auch beim Kühlen die Atemluft entsprechend abkühlen kann.
• Bei einer Abwandlung wird der Lüfter in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur geregelt. Der Lüfter erzeugt einen forcierten Luftstrom, der die Wärmeabgabe an die Umgebung erhöht. Falls die Umgebungstemperatur höher ist als die Eingangstemperatur des Wärmetauschers, kann der Lüfter und optional auch der Kompressor ausgeschaltet werden, bis die Umgebungstemperatur wieder niedrig genug ist, so dass die Wärme wieder über den Kondensator an die Umgebung abgegeben werden kann.
• Durch den Einsatz des vorstehend beschriebenen Kältespeichers können die Kühleigenschaften der Wärmepumpe in einem Kreislaufatemgerät wesentlich verbessert werden, indem eine Kühlwirkung auch dann ermöglicht wird, wenn eine erhöhte Umgebungstemperatur keinen Abtransport der Wärme vom Kondensator an die Umgebung zulassen würde. Gemäß der Erfindung ist hierzu im Kältekreislauf der Wärmepumpe ein Kältespeicher integriert, der vor dem Luftwärmetauscher (Verdampfer) angeordnet ist und Kälte in Form von Schmelzwärme, beispielsweise von Wassereis oder Kühlgel, gefriert. Dieser Kältespeicher kann damit in den Zeiten, in denen keine Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann, die erforderliche Kühlwirkung im Atemkreislauf aufrechterhalten. Damit ist der Einsatz von Wärmepumpen-Kühlvorrichtungen (zwar zeitlich begrenzt) auch bei hohen Umgebungstemperaturen möglich, ohne dass die Kühlwirkung unterbrochen bzw. reduziert wird. Der Aufbau dieser Kühlvorrichtung mit integriertem Kältespeicher ist sehr einfach und nimmt nur wenig Platz in Anspruch, weil die Schmelzenergie von Wassereis sehr hoch ist und nur etwa 160 cm³ Speichervolumen für eine Kühlzeit von etwa 20 Minuten erforderlich ist.
• Es ist offensichtlich, dass die oben beschriebene Kühlvorrichtung mit integriertem Kältespeicher zusätzlich mit der vorstehend beschriebenen Sprüheinrichtung zum Besprühen des Kondensators versehen sein kann.
• Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben:
• Fig. 1 zeigt einen mit einer Kühlvorrichtung versehenen Schutzanzug.
• Fig. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer alternativen Ausgestaltung der Kühlvorrichtung aus Fig. 1.
• Fig. 3 zeigt einen Teil eines mit einer Kühlvorrichtung versehenen Kreislaufatemgeräts.
• Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung der Kühlvorrichtung aus Figur 3.
• Fig. 5 zeigt die Kühlvorrichtung aus Figur 4, die mit einem Lüfter versehen ist.
• Fig. 6 zeigt die Kühlvorrichtung aus Figur 5, die mit einer Sprüheinrichtung zum Besprühen des Kondensators der Kühlvorrichtung versehen ist.
• Figur 7 zeigt eine Abwandlung der Kühlvorrichtung aus Figur 4 mit einem integrierten Kältespeicher.
• Figur 8 zeigt eine alternative Ausführung der Kühlvorrichtung aus Figur 7.
• Figur 9 zeigt eine weitere alternative Ausführung der Kühlvorrichtung aus Figuren 7 und 8.
• Figur 10 zeigt noch eine weitere Ausgestaltung der Kühlvorrichtung aus Figuren 7 bis 9.
• Fig. 1 zeigt schematisch einen Schutzanzug 1 (zum Beispiel ein Chemikalien-Schutzanzug), der den Träger des Anzugs vollständig umgibt. Der Schutzanzug 1 besteht aus einer Schutzanzughülle 3, die einen Innenraum 2 umschließt. Der Schutzanzug 1 umfasst Stiefel 7 und Handschuhe 6, die über geeignete Verbindungen am Anzug befestigt werden können, so dass der Träger vor giftigen Gasen in der Umgebung geschützt ist. Der Träger der Anzugs bekommt die Atemluft über eine Vollmaske 4 mit einem Bedarfsventil 9, einen Druckgasschlauch 10 und einen Druckgasbehälter (Pressluftatmer) 11, der am Rücken des Trägers befestigt ist. An einem Manometer 12 kann der Druck des Pressluftatmers 11 abgelesen werden. Über das Ventil 9 atmet der Träger die Atemluft vorzugsweise in den Innenraum des Schutzanzugs aus. Die Luftmenge im Innenraum des Schutzanzugs wird somit laufend durch die Zufuhr von Ausatemluft vergrößert, weshalb der Innendruck im Innenraum des Schutzanzugs steigt. Dadurch wird sichergestellt, dass von außen keine giftigen Gase in den Innenraum des Schutzanzugs eintreten können. Über ein Überdruckventil 13 wird das Aufblähen des Schutzanzugs begrenzt.
• Im hinteren Bereich des Schutzanzugs 1 befindet sich die eigentliche Kühlvorrichtung 5 in Form eines Kühlgeräts bzw. Kühlmoduls, das beispielsweise mechanisch mit dem Pressluftatmer 11 gekoppelt ist und mit diesem zusammen getragen wird. Das Kühlmodul 5 umfasst einen Kühlmittelkompressor 19, der das in einem Kühlmittelkreislauf zirkulierende Kühlmittel komprimiert und auf eine hohe Temperatur von beispielsweise zwischen etwa 30 °C und etwa 75 °C erhöht. Das komprimierte Kühlmittel wird einem Kondensator 18 zugeführt, mit Hilfe dessen die Wärme des Kühlmittels an die Umgebung abgegeben werden kann. Hierzu ist vorzugsweise ein Luftströmungskanal 26 vorgesehen, der mit dem Kondensator 18 in Verbindung steht, um so Umgebungsluft an dem Kondensator 18 vorbeizuleiten. Diese Luftströmung kann über einen ersten Lüfter (Ventilator) 17 verstärkt werden, der vorzugsweise an der Einlassöffnung des Luftströmungskanals vorgesehen ist, so dass der Wärmetausch mit der in die Einlassöffnung eintretenden Umgebungsluft 23 forciert werden kann. Die in den Kanal 26 eintretende kühle Umgebungsluft ist in Figur 1 mit Bezugszeichen 23 bezeichnet. Die durch Vorbeiströmen am Kondensator erwärmte Umgebungsluft 22 tritt dann wieder an die Umgebung aus, wie durch Pfeile 22 dargestellt ist. Über eine Drossel 20 wird der Druck des aus dem Kondensator 18 austretenden Kühlmittels wieder reduziert, wodurch das Kühlmittel entspannt wird, sich abkühlt und in einen Verdampfer (bzw. Verdunster) 8 eintritt. In dem Verdampfer ist das abgekühlte (ca. - 10° C bis ca. +10° C) Kühlmittel dann in der Lage, die Wärme aus dem Innenraum 2 des Schutzanzugs 1 aufzunehmen, die warme Luft aus dem Innenraum des Schutzanzugs auf ca. 15° C abzukühlen und die gesättigte Luft des Innenraums zu kondensieren. Die kondensierte Flüssigkeit wird in einem Behälter aufgefangen, der im unteren Bereich der Kühlvorrichtung 5 vorgesehen ist. Folglich umfasst das erfindungsgemäße Kühlmodul 5 einen Kompressor 19 zum Verdichten des Kühlmittels, einen Kondensator 18 zur Abgabe von Wärme des Kühlmittels an die Umgebung, eine Drossel 20 zum Reduzieren des Kühlmitteldrucks und einen Verdampfer 8 zur Aufnahme von Wärme aus dem Innenraum des Schutzanzugs.
• Wie in Figur 1 gezeigt, strömt die Luft aus dem Innenraum 2 des Anzugs 1 in einen weiteren Kanal 27 (Innenluftkanal), der mit dem Verdampfer 8 in Verbindung steht, um so die aus dem Innenraum 2 des Anzugs 1 austretende Luft an dem Verdampfer 8 vorbeizuleiten. Diese Luftströmung kann über einen zweiten Lüfter (Ventilator) 16 verstärkt werden, um den Wärmetausch zwischen der warmen Innenluft und dem Verdampfer 8 zu forcieren. Dieser zweite Lüfter 16 ist vorzugsweise an der Einlassöffnung des Innenluftkanals 27 vorgesehen. Dieser Lüfter saugt folglich die warme Luft (dargestellt durch Pfeil 15) aus dem Innenraum 2 an und leitet sie durch den Kanal 27 an dem Verdampfer 8 vorbei, wodurch die warme Innenluft 15 abgekühlt und - von Feuchtigkeit entzogen - wieder in den Innenraum 2 des Anzugs geblasen wird, wie durch den Pfeil 24 dargestellt ist. Die Entfeuchtung der warmen Innenluft erfolgt durch Kondensation der warmen Luft am Verdampfer 8 während des Abkühlungsprozesses, wobei das kondensierte Wasser in einem unterhalb des Verdampfers vorgesehenen Behälter (in Figur 1 nicht gezeigt) aufgefangen und gesammelt wird. Dieses Wasser kann später verwendet werden, um den Kondensator 18 zu besprühen, wie vorstehend erläutert wurde.
• Das Kühlmodul 5 wird über einen Akku (nicht gezeigt) betrieben. Das heißt, der Kompressor 19 und die beiden Lüfter 16, 17 werden jeweils durch einen von einem Akku gespeisten Elektromotor angetrieben.
• Der Kompressor 19 hat zum Beispiel eine elektrische Leistung von 75 Watt und benötigt folglich bei 24 Volt eine Stromstärke von ca. 3 Ampere.
• Ein Problem bei der Verwendung von elektrisch betriebenen Kühlvorrichtungen bzw. Kühlgeräten (Kühlmodulen) in einem Chemikalien-Schutzanzug besteht jedoch darin, dass die Umgebung explosiv sein kann, so dass die Kühlvorrichtung möglichst im Innenraum des Schutzanzugs untergebracht werden sollte, damit das gesamte Kühlgerät nicht explosionsgeschützt hergestellt werden muss, was die Herstellungskosten und das Gewicht des Kühlmoduls in die Höhe treiben würde. Deshalb sollten zumindest die elektrischen Komponenten (d.h. Lüfter 16, 17 und Kompressor 19) im Innenraum des Schutzanzugs 1 vorgesehen sein. Der Lüfter 16 kann auf einfache Weise im Innenraum vorgesehen sein. Für den Lüfter 17 ist eine solche Anordnung allerdings nur schwer zu realisieren. Folglich müsste der Lüfter 17 explosionsgeschützt hergestellt oder vom Innenraum beispielsweise über eine Magnetkupplung (nicht gezeigt) angetrieben werden.
• Eine weitere Schwierigkeit besteht darin, dass die Kühlvorrichtung möglichst zusammen mit dem Pressluftatmer getragen werden sollte, wobei der Chemikalien-Schutzanzug erst übergestülpt werden muss, wenn der Träger das Atemgerät und die Kühlvorrichtung angelegt hat. In diesem Fall wären alle Komponenten der Kühlvorrichtung im Innenraum des Anzugs untergebracht. Das widerspricht jedoch dem Grundkonzept der vorliegenden Erfindung, nämlich eine verbesserte Wärmeabgabe nach außen an die Umgebungsluft. Alternativ kann daher, wie in Figur 2 gezeigt ist, der Kondensator 18 an der Innenseite der Hülle 25 des Chemikalien-Schutzanzugs 1 anliegen und seine Wärme konduktiv an einen außen liegenden Wärmetauscher 21 übertragen, der dann seine Wärme an die Umgebung abgibt. Der Lüfter 17 könnte auch in diesem Fall über eine Magnetkupplung (nicht gezeigt) von der Innenseite des Anzugs angetrieben werden. Der äußere Wärmetauscher 21 könnte beispielsweise durch Magnete (nicht gezeigt) von außen an die innenliegende Kühlvorrichtung (d.h. den innenliegenden Kondensator 18) angekoppelt werden, so dass der außenliegende Wärmetauscher 21 erst nach dem Anziehen des Schutzanzugs angebracht werden muss. Diese Lösung ermöglicht es, die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zusammen mit beliebigen verschiedenen Schutzanzügen zu verwenden. Eine mechanische Durchführung von Komponenten (elektrische Leitungen. Gasleitungen, usw.) wäre in diesem Fall ebenfalls nicht erforderlich.
• Die in Figur 2 gezeigte Kühlvorrichtung hat grundsätzlich einen ähnlichen Aufbau wie die Kühlvorrichtung aus Figur 1. Allerdings befinden sich der Verdampfer 8, der Kondensator 18 und der koppelnde Kühlmittelkreislauf mit dem Kompressor 19 und der Drossel 20 im Innenraum des Schutzanzugs. Wie dargestellt, ist eine Außenfläche des Kondensators 18 ausgestaltet, um an der Innenfläche der Hülle 25 des Schutzanzugs anzuliegen. Vorzugsweise hat der Kondensator 18 eine entsprechend geformte Fläche, um eine möglichst große Wärmeübertragungsfläche mit der Außenseite der Hülle 25 des Schutzanzugs zu ermöglichen. An dieser Wärmeübertragungsfläche des Kondensators 18 liegt - getrennt von der Hülle 25 des Schutzanzugs - eine entsprechend geformte Fläche eines äußeren Wärmetauschers 21 an. Auf diese Weise erfolgt eine äußerst effiziente Wärmeübertragung vom Kondensator 8 durch die Hülle 25 des Schutzanzugs zum Wärmetauscher 21. Die Ankopplung des äußeren Wärmetauschers 21 an den inneren Wärmetauscher (d.h. Kondensator 18) kann durch Magnetkraft erfolgen. Das heißt, der innenliegende Kondensator 18 und/oder der außenliegende Wärmetauscher 21 können mit Magnetmitteln versehen sein, die eine ausreichende Kraft erzeugen, um den äußeren Wärmetauscher 21, den Luftströmungskanal 26 und den Lüfter 17 an der Außenseite des Schutzanzugs bzw. an der Wärmetauscherfläche des innenliegenden Kondensators 18 zu halten.
• Wie in Figur 2 weiter gezeigt, kann der äußere Wärmetauscher 21 mit Kühlrippen ausgebildet sein, um eine möglichst große Oberfläche zu bilden, wodurch die Wärmeableitung verbessert wird. Ferner ist der Lüfter 17 vorgesehen, um die Umgebungsluft 23 an den Rippen des äußeren Wärmetauschers 21 vorbeizuleiten, wodurch die Kühlleistung weiter verbessert wird.
• Die aus dem ersten Lüfter 17 und dem Wärmetauscher 21 bestehende Einheit kann so ausgeführt sein, dass sie wahlweise mit der zwischenliegenden Hülle 25 des Schutzanzugs oder direkt auf dem Kondensator 18 betrieben werden kann. Im letzteren Fall ist die wärmeübertragende Kontaktfläche des Kondensators 18 durch die Hülle des Schutzanzugs durchgeführt. Das heißt, die Hülle des Schutzanzugs ist mit einer Öffnung ausgebildet, in der die Kontaktfläche des Kondensators 18 abgedichtet eingesetzt ist. Alternativ kann in der Hülle 25 eine Platte aus Metall oder aus einem anderen Material mit guten Wärmeleiteigenschaften eingesetzt sein, an deren Innenseite der Kondensator angekoppelt ist und an deren Außenseite der Wärmetauscher angekoppelt ist.
• Zusammenfassend wird unter Bezugnahme auf Figuren 1 und 2 eine Kühlvorrichtung für einen Chemikalien-Schutzanzug beschrieben, mit Hilfe derer die Innenluft im Inneren des Schutzanzugs durch eine autarke Wärmepumpe heruntergekühlt und entfeuchtet wird, um das Klima im Schutzanzug auf ein komfortables Niveau zu bringen. Damit wird die Gefahr eines Kreislaufkollapses reduziert und die Arbeitssicherheit deutlich erhöht. Die Wärmepumpe wird über einen Akku elektrisch betrieben und überträgt die Wärme über einen Kondensator an die Umgebung. Damit ist das System mobil. Die Verbindung zwischen dem Verdampfer im Innenraum und der Wärmeabgabe an die Umgebung kann auf verschiedene Weise realisiert werden, wie vorstehend erläutert wurde.
• Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass die Drehzahl des Kompressors 19 entweder geregelt oder der Kompressor schrittweise ein- und ausgeschaltet werden kann, um die Kühlleistung der Kühlvorrichtung an den erforderlichen Kühlbedarf anpassen zu können. Dazu kann optional ein Temperatursensor beispielsweise im Innenraum des Schutzanzugs vorgesehen sein.
• Wie bereits erwähnt, kann das unter Bezugnahme auf Figuren 1 und 2 beschriebene Prinzip der Kühlvorrichtung auch zur Abkühlung der Atemluft bei einem Kreislaufatemgerät verwendet werden. Eine solche Ausgestaltung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren 3 bis 6 beschrieben.
• Wie in Figur 3 gezeigt, wird dem Kreislaufatemgerät das ausgeatmete Atemgas des Geräteträgers über einen Einlasskanal 36 zugeführt. In einem Absorber 32 wird ein großer Teil des im ausgeatmeten Atemgas enthaltenen CO₂ entfernt, und das so "gereinigte" Atemgas wird anschließend in einen Atembeutel 34 geleitet. Aus diesem Beutel 34 wird das "gereinigte" Atemgas in den Wärmetauscher 31 einer Kühleinrichtung 30 geleitet. In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der Kühlkörper des Wärmetauschers auch an dem flexiblen Atembeutel 34 an, der Teil der Atemkreisleitung ist. Der Wärmetauscher 31 wird durch das Wärmepumpenkühlgerät gekühlt, wie bereits vorstehend erläutert wurde. Dadurch wird der Taupunkt des gesättigten Atemgases unterschritten, und ein Teil der Feuchtigkeit kondensiert aus. Außerdem wird über Konvektion der Atemgasstrom gekühlt. Das Atemgas tritt dann aus dem Auslasskanal 37 gekühlt und entfeuchtet aus und wird dann wieder dem Geräteträger zugeführt.
• Das Wärmepumpenkühlgerät aus Figur 3 weist einen Kompressor 35 auf, der das Kühlmittel komprimiert und einem Kondensator 38 (auch in Figur 4 gezeigt) zuführt, wo das Kühlmittel seine Wärme an die Umgebung abgibt, sich dadurch folglich abkühlt und kondensiert. Über eine Drossel 39 wird der Druck des Kühlmittels gesenkt. Anschließend wird das Kühlmittel wieder dem Wärmetauscher 31 (Verdampfer) zugeführt. Dabei kühlt das Kühlmittel weiter ab und kann über den Wärmetauscher 31 wieder Wärme aus dem Atemkreis aufnehmen, um dadurch die Atemluft zu kühlen. Hierbei wird das Kühlmittel wieder erwärmt. Der Kompressor 35 wird über einen Akku 28 mit elektrischer Energie versorgt. Die obigen Komponenten sind in einem Gehäuse 29 enthalten. Das Reduzieren des vom Träger des Geräts produzierten CO₂ in der Ausatemluft wird üblicherweise mit Atemkalk oder Alkali durchgeführt, wie vorstehend beschrieben wurde.
• In Figur 4 ist der Kühlkreislauf der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung aus Figur 3 schematisch dargestellt. Wie in dieser Figur deutlich zu sehen, weist der Kühlkreislauf die Kühleinrichtung 30 mit dem Wärmetauscher (Verdampfer) 31, den Kompressor 35, den Kondensator 38 und die Drossel 39 auf. Die Kühleinrichtung 30 ist mit einem Einlass 41 und einem Auslass 42 versehen, um die zu kühlende Atemluft in die Kühleinrichtung einzuleiten bzw. herauszuleiten.
• Der Kompressor 35 hat beispielsweise eine elektrische Leistung von 60 Watt. Er zieht also bei einer Spannung von 24 V einen Strom von ca. 2,5 Ampere. Unter normalen Betriebsbedingungen erreicht der Kompressor eine Kühlleistung von etwa 100 Watt im Atemkreislauf. Für einen Einsatz von 4 Stunden bedarf es einer Kapazität von mindestens 10 Amperestunden. Das Gewicht für einen kommerziell verfügbaren Akku beträgt ca. 1,8 kg. Es ist davon auszugehen, dass die elektrischen Energiespeicher in Zukunft noch leichter werden. Folglich würde die Kühlvorrichtung mit allen Komponenten ein Gewicht von etwa 3,5 kg haben. Gegenüber einem vergleichbaren Eiskühler ist dieses Gewicht zwar um etwa 1,5 kg höher, dafür ist die Kühlleistung aber auch deutlich größer.
• Figur 5 unterscheidet sich von Figur 4 lediglich dadurch, dass ein elektrisch betriebener Lüfter 43 vorgesehen ist, der über einen Temperatursensor 44 mit zugehöriger Steuerelektronik optional ein- und ausgeschaltet werden kann. Durch den Lüfter wird die Wärmeabgabe des Kondensators 38 an die Umgebung erhöht, indem eine Luftströmung 45 über den Kondensator 38 geblasen wird.
• In Figur 6 ist zusätzlich ein Wasservorratsbehälter 46 vorgesehen, der Wasser über eine Leitung 47 und über Düsen 51 auf die Oberfläche des Kondensators 38 fördert. Der Wasservorratsbehälter kann beispielsweise mit einem Treibsatz gefüllt sein, so dass keine zusätzliche Pumpe erforderlich ist. Über ein Ventil 48 kann die Wasserdosierung zeitlich gesteuert werden. Immer dann, wenn die Umgebungstemperatur nicht um einen gewünschten Betrag unterhalb der Temperatur des Kondensators liegt, die mit Hilfe eines Sensors 49 gemessen werden kann, oder wenn allgemein der Temperaturunterschied zwischen dem Kondensator 38 und der Umgebung keinen effektiven Wärmepumpenprozess zulässt, wird für eine kurze Zeit das Ventil 48 geöffnet und der Kondensator 38 mit Wasser besprüht bzw. benetzt, so dass es verdunsten kann, um dadurch die Temperatur des Kondensators 38 zu reduzieren. Wie vorstehend erläutert, kann auch das am Verdampfer 31 kondensierende Wasser aufgefangen und zum Besprühen des Kondensators 38 verwendet werden.
• Schließlich kann am Auslass 42 der Kühleinrichtung 30 ein weiterer Temperatursensor 50 vorgesehen sein, um die Temperatur des gekühlten Atemgases messen zu können. Auch dieser Temperaturwert kann verwendet werden, um die Menge an Wasser zu steuern, die auf den Kondensator 38 gesprüht wird, und/oder um die Drehzahl des Lüfters 43 zu steuern.
• Vorzugsweise ist die oben beschriebene Sprüheinrichtung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung für einen Betrieb bei hohen Umgebungstemperaturen auf eine Betriebszeit von etwa 1 Stunde ausgelegt. Folglich muss die entsprechende Menge an Wasser vorgesehen sein. Die Sprüheinrichtung ist vorzugsweise für einen intermittierenden Betrieb ausgelegt, so dass beispielsweise bei einem Sprühzeitenanteil von etwa 25 % die gesamte Einsatzdauer der Kühlvorrichtung abgedeckt werden kann. Bei einer mittleren Verdunstungsleistung von 100 Watt und einer Verdunstungsenthalpie von 2,5 MJ/kg wird eine Wassermenge von etwa 150 Gramm benötigt, so dass das resultierende Zusatzgewicht vergleichsweise gering ist. Für einen effektiven Betrieb ist die Sprüheinrichtung (z.B. Sprühflasche) so angeordnet, dass 50-99 % der Oberfläche des Wärmetauschers (Kondensator 38) besprüht werden können und das Wasser zu 50-99 % auf der Wärmetauscheroberfläche deponiert wird. Es ist offensichtlich, dass die Kühlung nach Bedarf eingeschaltet werden kann und/oder ununterbrochen zur Verfügung stehen kann, solange noch genügend elektrische Kapazität im Akku vorhanden ist.
• Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuerelektronik der Kühlvorrichtung dazu eingerichtet, um die Drehzahl des Kompressors 35 auf einen vorgegebenen Wert einzustellen oder die Betriebszykluszeiten des Kompressors 35 so zu takten, dass die Kühlleistung an den Kühlbedarf angepasst werden kann.
• Bevorzugt wird der Sprühnebel über eine Treibmittel sparende Düse (bzw. Düsen) erzeugt. Die Sprüheinrichtung funktioniert lageunabhängig, d.h. unabhängig von der Lage der Kühlvorrichtung. Dies kann durch eine Verbindung der Düse(n) mit einem Saugrüssel erreicht werden, der mit einem Schwimmer versehen ist.
• Die Oberfläche des Wärmetauschers (Kondensators) 38 (gleiches gilt für die Oberfläche des Kondensators 18 aus Figur 1) kann hydrophile Eigenschaften haben, um die effektiv an der Verdunstung beteiligte Fläche zu erhöhen.
• Die vorstehend beschriebene Kühlvorrichtung kann als komplettes Modul mit einem vorhandenen Kreislaufatemgerät gekoppelt werden. Sie kann aber auch modular zur Adaption an eine Außenfläche des Chemikalien-Schutzanzugs ("Wärmefenster" zum Beispiel aus hochfester Metallfolie) vorgesehen sein und dann drahtlos gesteuert werden.
• Die in Figur 7 gezeigte Kühlvorrichtung für ein Kreislaufatemgerät basiert im Wesentlichen auf dem Prinzip einer Wärmepumpe, die einen elektrisch betriebenen Kompressor 35, der ein Kühlmedium (zum Beispiel R134a) verdichtet, so dass es auf beispielsweise etwa 40 bis 75° C erwärmt wird. Durch Weiterleitung an einen Kondensator 38 kann das Kühlmedium seine Wärme an die Umgebung abführen. Dabei kühlt sich das Kühlmedium etwas ab und kondensiert. Der Kondensator 38 kann seine Wärme passiv (d.h. durch Konvektion und Strahlung) oder durch Verdunstung von Flüssigkeit an die Umgebung abgeben, die gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung auf die Oberfläche des Kondensators 38 gesprüht wird, wie vorstehend erläutert. Dieser Effekt kann durch den Einsatz eines kleinen Lüfters 45 (ca. 100 mW) verstärkt werden, wie in Figur 9 gezeigt ist. Hinter dem Kondensator wird das flüssige Kühlmedium über eine Drossel 39 an den Wärmetauscher 31 (Verdampfer) einer Kühleinrichtung 30 geleitet und dort entspannt. Das Kühlmedium hat jetzt noch eine Temperatur von beispielsweise -10 bis +10° C. Der Verdampfer 31 ist ausgestaltet, um das Atemgas auf eine Temperatur von etwa 15° C herunterzukühlen. Das Kühlmedium wird hierbei verdampft und im Kreislauf wieder dem Kompressor 35 zugeführt. Das gesamte "innere" Kühlsystem mit dem Kühlmedium ist in einem Gehäuse angeordnet und dadurch von der Umgebung getrennt. Die Drehzahl des Kompressors 35 kann geregelt oder schrittweise ein- und ausgeschaltet werden, um die Kühlleistung der Kühlvorrichtung an den erforderlichen Kühlbedarf anzupassen. Dazu kann optional ein Temperatursensor 50 in der Atemgasleitung (beispielsweise am Auslass 42) eingebaut sein. Die elektrische Energie wird durch eine Batterie (Akku) geliefert, die beispielsweise ein Lithium-Polymerakku ist.
• Erfindungsgemäß befindet sich in dem Atemkreislauf des Atemgeräts zusätzlich zu dem Verdampfer 31 noch ein Kältespeicher 52, beispielsweise in Form eines zylindrischen Behälters, der mit Wasser oder mit einem Kühlgel gefüllt ist. Die Verbindung zwischen dem Kondensator 38 und dem Verdampfer 31 wird durch dieses Kühlgel realisiert. Die Wärmepumpe kann so eingestellt werden, dass die Temperatur hinter der Drossel 39 unterhalb 0° C liegt, so dass diese Kälteleistung dazu führt, dass zuerst das Kühlgel (bzw. das Wasser) des Kältespeichers 52 eingefroren wird. Anschließend wird diese Kälteleitung zum eigentlichen Luftwärmetauscher (Verdampfer) 31 weitergeführt. Dort erreicht das Kühlmittel eine etwas höhere Temperatur, so dass nicht zu erwarten ist, dass der Luftwärmetauscher 31 von außen vereisen kann. Dazu kann ein weiterer Temperatursensor 53 an der Eingangsleitung des Luftwärmetauschers 31 angebracht sein, um bestimmen zu können, ob eine Verweisung droht. In diesem Fall kann die Kühlleistung etwas verringert werden, um eine Vereisung des Wärmetauschers 31 zu verhindern. Das von dem Luftwärmetauscher 31 erwärmte Kühlmittel wird dann von dem Kompressor wieder verdichtet, erwärmt sich hierbei wieder und kondensiert dann im Kondensator, wobei es seine Wärmeenergie an die Umgebung abgibt.
• Solange also die Umgebungstemperatur unterhalb der Temperatur des Kondensators 38 liegt, wird im Kältespeicher 52 der Kühlvorrichtung das Kühlgel gefroren und eine entsprechende Menge an Kälteenergie gespeichert. Gleichzeitig wird das Atemgas durch den Verdampfer 31 auf beispielsweise 15° C heruntergekühlt. Im Fall einer höheren Umgebungstemperatur (also z.B. 80° C), bei der der Kondensator 38 seine Wärmeenergie nicht mehr oder nicht ausreichend an die Umgebung abgeben kann, weil er eine etwa gleich hohe Temperatur hat, wird das Atemgas durch den Kältespeicher 52 gekühlt, ohne dass die Wärmepumpe betrieben werden muss. Ohne den erfindungsgemäßen Kältespeicher 52 müsste der durch den Kompressor 35 erzeugte Druck erhöht werden (wie vorstehend beschrieben), wodurch der Stromverbrauch deutlich erhöht wird und ein frühzeitiger Ausfall des Kompressor 35 riskiert wird, oder es müsste die Menge an Flüssigkeit erhöht werden, die durch die oben unter Bezugnahme auf Figur 6 beschriebene Sprühvorrichtung (falls vorhanden) auf den Kondensator 38 gesprüht wird.
• Bei einer alternativen Ausgestaltung, die in Figur 8 gezeigt ist, läuft die Wärmepumpe auch weiter, wenn die Umgebungstemperatur oberhalb der Temperatur des Kondensators 38 liegt. Bei dieser Ausgestaltung liegt der Kältespeicher 52 nicht im unmittelbaren Atemluftstrom zwischen Kondensator 38 und Verdampfer 31, sondern seitlich neben dem Atemluftstrom im Gehäuse der Kühlvorrichtung, damit er seine Kühlverluste in den Atemluftkreislauf liefert und nicht extra zur Umgebung isoliert werden muss. Dadurch transportiert die Wärmepumpe die Kälte aus dem Kältespeicher 52 in den Luftwärmetauscher 31 und kühlt hierüber die Atemluft. Zur Regelung des Kompressors 35 ist auch hier ein Temperatursensor 53 am Eingang des Wärmetauschers 31 vorgesehen.
• Bei einer weiteren Ausgestaltung, die in Figur 9 gezeigt ist, ist kein mit Kühlgel oder Wasser gefüllter Kältespeicher vorgesehen. Stattdessen ist die Kühlvorrichtung so ausgestaltet, dass sich die Feuchtigkeit, die sich im Atemkreislauf befindet, an der Kühlmittelleitung zwischen Drossel 39 und Verdampfer 31 kondensiert und gefriert. Hierzu ist dieser Teil der Leitung mit Rippen 54 oder mit anderen Einrichtungen versehen, die geeignet sind, um das Kondensieren und Gefrieren der Feuchtigkeit zu unterstützen. Über einen längeren Zeitraum wird dann genügend Eis gespeichert, das genutzt werden kann, wenn der Kondensator 38 seine Wärme bei hohen Umgebungstemperaturen nicht mehr ausreichend an die Umgebung abgeben kann. In diesem Fall wird das Gesamtgewicht des Kühlmoduls zunächst durch den Wegfall des Kältespeichers (siehe Figuren 7 und 8) verringert. Das Gewicht erhöht sich nur in dem Maße, wie das im Atemkreislauf enthaltene Wasser an den Rippen 54 gefriert. Der so gebildete Kältespeicher ist vorzugsweise so angeordnet, dass die Atemluft an ihm vorbeiströmt, so dass er beim Speichern die gefrierende Feuchtigkeit aufnehmen kann und beim Kühlen die Atemluft entsprechend abkühlen kann.
• Die in Figur 9 gezeigte Ausgestaltung enthält einen Lüfter 43, in dessen unmittelbarer Nähe ein Temperatursensor 44 vorgesehen ist. Auf diese Weise kann eine Luftströmung 45 erzeugt werden, die über den Kondensator 38 strömt. Die Drehzahl des Lüfters 43 wird durch eine Steuerung (nicht gezeigt) auf Basis der durch den Sensor 44 gemessenen Umgebungstemperatur gesteuert. Der Lüfter 43 erzeugt somit eine forcierte Luftströmung, wodurch die Wärmeabgabe an die Umgebung erhöht wird. Falls die Umgebungstemperatur höher ist als die Eingangstemperatur des Wärmetauschers, kann der Lüfter 43 und optional auch der Kompressor 35 ausgeschaltet werden, bis die Umgebungstemperatur wieder niedrig genug ist, so dass die Wärme wieder über den Kondensator 38 an die Umgebung abgegeben werden kann.
• Durch den Einsatz des vorstehend beschriebenen Kältespeichers können die Kühleigenschaften der Wärmepumpe in einem Kreislaufatemgerät wesentlich verbessert werden, indem eine Kühlwirkung auch dann ermöglicht wird, wenn eine erhöhte Umgebungstemperatur keinen Abtransport der Wärme vom Kondensator 38 an die Umgebung zulassen würde. Gemäß der Erfindung ist hierzu im Kältekreislauf der Wärmepumpe der beschriebene Kältespeicher integriert, der vor dem Luftwärmetauscher 31 angeordnet ist und Kälte in Form von Schmelzwärme, beispielsweise von Wassereis oder Kühlgel, gefriert. Dieser Kältespeicher kann damit in den Zeiten, in denen keine Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann, die erforderliche Kühlwirkung im Atemkreislauf aufrechterhalten. Damit ist der Einsatz von Wärmepumpen-Kühlvorrichtungen (zwar zeitlich begrenzt) auch bei hohen Umgebungstemperaturen möglich, ohne dass die Kühlwirkung unterbrochen bzw. reduziert wird. Der Aufbau dieser Kühlvorrichtung mit integriertem Kältespeicher ist sehr einfach und nimmt nur wenig Platz in Anspruch, weil die Schmelzenergie von Wassereis sehr hoch ist und nur etwa 160 cm³ Speichervolumen für eine Kühlzeit von etwa 20 Minuten erforderlich ist. Es ist offensichtlich, dass dieser Aspekt der Erfindung auch bei der Kühlung und Entfeuchtung der Luft im Innenraum eines Schutzanzugs verwendet werden kann. Die Dimensionen der Komponenten und die Menge an Wasser bzw. Kühlgel müssen entsprechend größer sein.
• Es ist offensichtlich, dass die oben beschriebene Kühlvorrichtung mit integriertem Kältespeicher der Figuren 7 bis 9 zusätzlich mit der vorstehend beschriebenen Sprüheinrichtung zum Besprühen des Kondensators 38 versehen sein kann, die unter Bezugnahme auf Figur 6 beschrieben wurde.
• Die in Figur 10 gezeigte Kühlvorrichtung für ein Kreislaufatemgerät basiert ebenfalls im Wesentlichen auf dem Prinzip einer Wärmepumpe. Das Grundprinzip dieser Wärmepumpe wurde bereits unter Bezugnahme auf Figuren 7 bis 9 ausführlich beschrieben. Die Kühlverrichtung umfasst einen Kompressor 35 zum Verdichten eines Kühlmediums, so dass es auf beispielsweise etwa 40 bis 75° C erwärmt wird. Durch Weiterleitung des Kühlmittels an einen Kondensator 38 kann das Kühlmedium seine Wärme an die Umgebung abführen. Dabei kühlt sich das Kühlmedium etwas ab und kondensiert. Hinter dem Kondensator wird das flüssige Kühlmedium über eine Drossel 39 an einen Wärmetauscher 31 geleitet und dort entspannt. Das Kühlmedium hat jetzt eine Temperatur von beispielsweise -10 bis +10° C. Der Wärmetauscher 31 kühlt das Atemgas auf eine Temperatur von etwa 15° C herunter. Das Kühlmedium wird hierbei verdampft und im Kreislauf wieder dem Kompressor 35 zugeführt. Die Drehzahl des Kompressors kann geregelt werden, um die Kühlleistung der Kühlvorrichtung an den erforderlichen Kühlbedarf anzupassen. Dazu kann optional ein Temperatursensor 50 am Auslass 42 der Atemgasleitung eingebaut sein.
• Bei der in Figur 10 gezeigten Variante befindet sich der Kältespeicher 52 (im Gegensatz zu den Ausführungen der Figuren 7 bis 9) mittig in dem Wärmetauscher 31, wobei der Kältespeicher an seiner Außenseite Kühlrippen hat und wobei die Kühlschlange 55 durch den Kältespeicher 52 verläuft und zunächst das Kühlgel herunterkühlt. Durch diese Bauweise kann die gesamte Kühleinrichtung 30 kompakter gestaltet und die Strömungsführung vereinfacht werden.
Bezugszeichenliste:

1

Schutzanzug

2

Innenraum

3

Schutzanzughülle

4

Vollmaske

5

Kühlvorrichtung (Kühlmodul)

6

Handschuhe

7

Stiefel

8

Verdampfer

9

Bedarfsventil

10

Druckgasschlauch

11

Druckgasbehälter (Pressluftatmer)

12

Manometer

13

Überdruckventil

15

warme Innenluft

16

zweiter Lüfter

17

erster Lüfter

18

Kondensator

19

Kühlkompressor

20

Drossel

21

Wärmetauscher

22

erwärme Umgebungsluft

23

kühle Umgebungsluft

24

abgekühlte Innenluft

25

Hülle des Chemikalien-Schutzanzugs

26

Luftströmungskanal

27

Innenluftkanal

28

Akku

29

Gehäuse

30

Kühleinrichtung

31

Wärmetauscher

32

Absorber

34

Atembeutel

35

Kompressor

36

Einlasskanal

37

Auslasskanal

38

Kondensator

39

Drossel

40

Verdampfer

41

Einlass

42

Auslass

43

Lüfter

44

Temperatursensor

45

Luftströmung

46

Wasservorratsbehälter

47

Leitung

48

Ventil

49

Sensor

50

Sensor

51

Düsen

52

Kältespeicher

53

Temperatursensor

54

Rippen

Claims (15)

1. Kühlvorrichtung für Schutzanzüge, insbesondere Chemikalien-Schutzanzüge, zur Kühlung und Entfeuchtung der im Innenraum eines Schutzanzugs enthaltenen Luft, mit:

   - einem Lufteinlass (15) und einem Luftauslass (24),

   - einem Luftströmungskanal (27) zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass,

   - einer Wärmepumpe mit einem Kühlmittelkreislauf, der von einem Kühlmittel durchströmt wird und aufweist:

   - einen Kompressor (19; 35) zum Verdichten des im Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittels, wobei die Temperatur des Kühlmittels ansteigt,

   - einen mit dem Kompressor (19; 35) verbundenen Kondensator (18; 38) zum Kondensieren des erwärmten Kühlmittels, wobei das Kühlmittel seine Kondensationswärme an die Umgebung abgibt,

   - eine mit dem Kondensator (18; 38) verbundene Drossel (20; 39) zum Reduzieren des aus dem Kondensator austretenden Kühlmittels, wobei sich das Kühlmittel abkühlt,

   - einen mit der Drossel (20; 39) verbundenen Verdampfer (8; 31), der mit dem Luftströmungskanal wärmegekoppelt und ausgestaltet ist, um die Kälteenergie des Kühlmittels an eine durch den Luftströmungskanal strömende Luftströmung abzugeben, wodurch die Luftströmung abgekühlt und durch Kondensation von Feuchtigkeit reduziert wird.
2. Kühlvorrichtung für Atemgeräte, insbesondere Kreislaufatemgeräte, zur Kühlung und Entfeuchtung der dem Träger des Atemgeräts zugeführten Atemluft, mit:

   - einem Lufteinlass (41) und einem Luftauslass (42),

   - einem Luftströmungskanal (27) zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass,

   - einer Wärmepumpe mit einem Kühlmittelkreislauf, der von einem Kühlmittel durchströmt wird und aufweist:

   - einen Kompressor (19; 35) zum Verdichten des im Kühlmittelkreislauf zirkulierenden Kühlmittels, wobei die Temperatur des Kühlmittels ansteigt,

   - einen mit dem Kompressor (19; 35) verbundenen Kondensator (18; 38) zum Kondensieren des erwärmten Kühlmittels, wobei das Kühlmittel seine Kondensationswärme an die Umgebung abgibt,

   - eine mit dem Kondensator (18; 38) verbundene Drossel (20; 39) zum Reduzieren des aus dem Kondensator austretenden Kühlmittels, wobei sich das Kühlmittel abkühlt,

   - einen mit der Drossel (20; 39) verbundenen Verdampfer (8; 31), der mit dem Luftströmungskanal wärmegekoppelt und ausgestaltet ist, um die Kälteenergie des Kühlmittels an eine durch den Luftströmungskanal strömende Luftströmung abzugeben, wodurch die Luftströmung abgekühlt und durch Kondensation von Feuchtigkeit reduziert wird.
3. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ausgestaltet ist, um die in der durch den Luftströmungskanal (27) strömenden Luftströmung enthaltene Feuchtigkeit an dem Verdampfer (8; 31) zu kondensieren und um das erzeugte Kondensat in einem Auffangbehälter aufzufangen, wobei der Luftströmungskanal (27) optional mit einem Lüfter (16) versehen ist, um eine Luftströmung durch den Luftströmungskanal (27) zu unterstützen.
4. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Sprüheinrichtung (46, 47, 48, 51) vorgesehen ist, um die Außenfläche des Kondensators (18; 38) mit einer verdampfbaren Flüssigkeit zu besprühen bzw. zu benetzen, um mehr Wärmeenergie des durch den Kondensator (18; 38) strömenden Kühlmittels über Verdunstungswärme an die Umgebung abzuführen.
5. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Wasservorratsbehälter (46), um Wasser über eine Leitung (47) und über Düsen (51) auf die Oberfläche des Kondensators (18; 38) zu sprühen, wobei der Wasservorratsbehälter optional mit einem Treibsatz gefüllt ist.
6. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Lüfter (17; 43) vorgesehen ist, um Umgebungsluft über die Außenfläche des Kondensators (18; 38) zu blasen.
7. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ausgestaltet ist, um mittels eines Kältespeichers (52) Kälteenergie zu speichern, die zur Kühlung bzw. Entfeuchtung der durch den Luftströmungskanal (27) strömenden Luftströmung genutzt werden kann, wobei der Kältespeicher (52) entweder direkt mit dem Verdampfer gekoppelt oder zwischen der Drossel und dem Verdampfer vorgesehen ist.
8. Kühlvorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Kältespeicher (52) durch einen mit Wasser oder Kühlgel gefüllten Behälter realisiert ist, wobei die thermische Verbindung zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer wird durch dieses Wasser/Kühlgel realisiert ist, oder
   wobei der Kältespeicher (52) integriert mit dem Verdampfer ausgebildet ist, wobei die Kühlmittelleitung (55) durch diesen Kältespeicher (52) verläuft, um zunächst das in dem Kältespeicher (52) enthaltene Wasser/Kühlgel herunterzukühlen.
9. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die ausgestaltet ist, dass Feuchtigkeit in der in die Kühlvorrichtung eintretenden Luft an einer Kühlmittelleitung zwischen der Drossel (19; 39) und dem Verdampfer (8; 31) kondensieren und gefrieren kann, um so einen Kältespeicher zu bilden, wobei diese Kühlmittelleitung zumindest teilweise mit Rippen (54) oder anderen Einrichtungen versehen, die geeignet sind, um das Kondensieren und Gefrieren der Feuchtigkeit zu unterstützen.
10. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem Luftströmungskanal (26), der mit dem Kondensator (18; 38) in Verbindung steht, um so Umgebungsluft an dem Kondensator vorbeizuleiten, wobei optional ein Lüfter (17; 43) zum Verstärken der Luftströmung durch den Luftströmungskanal (26) vorgesehen ist.
11. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei warme Innenluft aus dem Innenraum (2) eines Schutzanzugs (1) über den Lufteinlass (15) in den Luftströmungskanal (27) eintritt, der mit dem Verdampfer (8) in Verbindung steht, um die warme Innenluft an dem Verdampfer (8) vorbeizuleiten, wonach die durch den Verdampfer abgekühlte und entfeuchtete Luft über den Luftauslass (24) wieder in den Innenraum (2) des Schutzanzugs strömt, wobei optional ein Lüfter (16) vorgesehen ist, um diese Luftströmung zu verstärken, um den Wärmetausch zwischen der warmen Innenluft und dem Verdampfer (8) zu forcieren.
12. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kompressor (19) und der (die) Lüfter (16, 17) jeweils durch einen von einem Akku (28) gespeisten Elektromotor angetrieben werden.
13. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche des Kondensators (18; 38) hydrophile Eigenschaften hat.
14. Schutzanzug, insbesondere Chemikalien-Schutzanzug, mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen und Entfeuchten der Luft im Inneren des Schutzanzugs nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
15. Atemgerät, insbesondere Kreislaufatemgerät, mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen und Entfeuchten von Atemluft nach einem der Ansprüche 1 bis 13.

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