DE19727884A1 - Vorrichtung zur Befeuchtung von Luft - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Befeuchtung von Luft. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Atemluftbefeuchtungsvorrichtung mit hohlen, von Luft durchströmten Membranfäden in einem transportablen Flüssigkeitsbehälter.

Derartige Vorrichtungen werden bevorzugt bei der Beatmung von Personen mit Preß- und Druckluft eingesetzt, wie z. B. bei Druckluftschlauchgeräten, Schutzanzügen, Sauerstoffzelten oder auch Taucheratemgeräten. Da Preßluft vor ihrem Einsatz expandiert wird, muß sie extrem trocken sein, um ein Vereisen der Preßluft- Auslaßventile zu verhindern. Da jedoch diese expandierte, extrem trockene Preßluft die Atemwege austrocknet und belastet, besteht beim Einsatz für Beatmungszwecke ein besonderer Befeuchtungsbedarf.

Für diesen Zweck wurden eine Reihe von unterschiedlichen Wirkungsprinzipien entwickelt. In der Patentanmeldung EP 0 376 584 wird ein Heizmodul zur Verdampfung von Wasser eingesetzt. In der Offenlegungsschrift DE 42 07 168 wird nach dem gleichen Prinzip gearbeitet. Dies hat jedoch den Nachteil, daß bei einem mobilen Gerät stromführende Teile vom Benutzer mitgeführt werden müßten. Dies ist insbesondere in explosionsgefährlichen Atmosphären kritisch. In EP-Anmeldung 0 589 429 wird die zu befeuchtende Luft über eine freiliegende Wasserfläche geführt. Patent DE 43 03 645 und die Offenlegungsschrift 43 19 458 und Patentschrift 24 30 875 arbeiten nach dem gleichen Prinzip. Derartige Vorrichtungen lassen sich jedoch nur begrenzt für mobile Zwecke einsetzen. Körperhaltungen des Benutzers in liegender oder Überkopfposition, wie sie z. B. bei der Schiffsmontage oder bei Taucher auftreten, sind damit nicht zu bewältigen. Auch kann eine zu hohe Strömungsgeschwindigkeit ein Mitreißen von Wasser bewirken. In DE 41 26 028 und DE 44 32 907 wird die Atemluft zur Vergrößerung der Verdunstungsoberfläche über saugfähige gewebeartige Feuchtigkeitsaustauscherrippen geführt. Eine solche Anordnung ist jedoch aus hygienischen Gründen mit hohem Wartungsaufwand verbunden.

Im Unterschied zu den genannten Konstruktionen besitzen Luftbefeuchter der eingangs genannten Art ein Bündel von Hohlfasern, hier als Membranfäden bezeichnet, welche von Luft durchströmt werden. Die Membranfäden sind auf ihrer Außenseite von Wasser umgeben. Sie bestehen aus einer dünnen, schlauchförmigen Folie, welche für Wasser undurchlässig ist, Wasserdampf jedoch durchläßt. Eine solche Vorrichtung wird in der Patentschrift DE 26 17 985 beschrieben.

Da die nach diesem Prinzip gebauten Luftbefeuchter in der Praxis jedoch keine zufriedenstellenden Befeuchtungsergebnisse erbrachten, wird in der Auslegeschrift DE 29 00 484 vorgeschlagen, mittels eines Federelementes den Wasserdruck zu erhöhen, um die Diffusion von Wasserdampf durch die Membranen in den Luftstrom zu erhöhen. In der Praxis hat sich jedoch auch dieses Konzept nicht bewährt.

Es besteht daher die Aufgabe, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzuentwickeln, daß mobile Luftbefeuchter mit ausreichendem Befeuchtungsergebnis zur Verfügung stehen.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar. Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen detailliert beschrieben.

Fig. 1 demonstriert eine Einsatzmöglichkeit der Vorrichtung in der Lackiertechnik zur Versorgung einer Atemschutzhaube;

Fig. 2 zeigt eine Anwendung im gleichen Einsatzgebiet, wobei zum Lackieren und zur Beatmung die gleiche Druckluftzuleitung benutzt wird;

Fig. 3 zeigt eine Ansicht der Befeuchtungsvorrichtung von oben;

Fig. 4 zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung entlang der in Fig. 3 markierten Linie F-G;

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch die Vorrichtung entlang der in Fig. 3 markierten Linie D-E; und

Fig. 6 zeigt einen Querschnitt durch eine Befeuchtungspatrone.

Fig. 1 zeigt einen möglichen Einsatzfall einer erfindungsgemäßen Befeuchtungsvorrichtung. Aus einem Luftreiniger mit Druckluftregler wird über einen Schlauch 28 Druckluft für ein Arbeitsgerat, in diesem Fall eine Lackierpistole, entnommen. Über einen weiteren Ausgang wird einem Aktivkohlefilter 5 für Atemzwecke bestimmte Druckluft zugeführt. Die den Aktivkohlefilter 5 durchströmende Druckluft gelangt anschließend in eine stationär installierte, erfindungsgemäße Luftbefeuchtungsvorrichtung 1, von wo aus sie über einen Schlauch 27 zur zu versorgenden Personen weitergeleitet wird. Diese Person trägt ein Regelventil 7 am Gürtel, über das der Luftstrom durch den Schlauch 27 in die Atemmaske oder einen sonstigen Luftverbraucher 2 reguliert werden kann.

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Anwendung wie Fig. 1. Allerdings ist in diesem Falle die Luftbefeuchtungsvorrichtung 1 nicht stationär an der Wand, sondern mobil am Gürtel des Benutzers befestigt. Über einen Luftreiniger mit Druckregler 6 wird über einen Schlauch 27 ein Arbeitsgerät 4, in diesem Falle eine Farbsprühpistole, mit Druckluft versorgt. Die Luft passiert dabei eine am Gürtel des Benutzers befestigte Verteilervorrichtung 3. Hier wird die für Atemzwecke benötigte Luft entnommen. Während die Luft in Richtung des Arbeitsgerätes ungehindert durchströmen kann, ist die für den Luftverbraucher 2 abgezweigte Luftmenge über ein Regelventil 7 einstellbar. Der abgezweigte Luftstrom wird über einen ebenfalls am Gürtel mitgeführten Aktivkohlefilter 5 gereinigt und anschließend einer erfindungsgemäßen Befeuchtungsvorrichtung 1 zugeführt. Von dieser aus gelangt die Druckluft dann zum Luftverbraucher 2.

Unter Bezug auf Fig. 5 und 6 besitzt eine erfindungsgemäße Befeuchtungsvorrichtung 1 eine Befeuchtungspatrone 9. Diese Befeuchtungspatrone 9 hat ein Bündel von Membranfäden 11, die von Atemluft durchströmt werden. Die Membranfäden 11 sind hohle Röhrchen, deren Wände durch eine semipermeable Membran gebildet werden. Diese Membran ist für Wasserdampf durchlässig, nicht jedoch für Wasser. Das Bündel von Membranfäden 11 ist vorzugsweise von einem Patronengehäuse 10 umgeben. In diesem Patronengehäuse 10 sind Ausbrüche 12 vorgesehen. Die Membranfäden 11 sind jeweils an ihren beiden Enden z. B. durch Eingießen in Kunststoffharz mit dem Patronengehause 10 druckdicht verbunden. Dieses Eingießen erfolgt so, daß die Membranfäden zumindest in der Eingußzone fixiert sind, ohne dabei die Öffnungen der Membranfäden zu verschließen.

Unter Bezug auf Fig. 3 bis 5 befindet sich die Befeuchtungspatrone 9 in einem Gehäuse 23. Dieses Gehäuse 23 besitzt einen Lufteintrittsstutzen 18, der in einen abschraubbaren Bodendeckel 16 eingeschraubt ist. Weiterhin besitzt das Gehäuse 23 einen in der vorliegenden Ausführungsform verschweißten Deckel 17 mit einem abschraubbaren Luftaustrittsstutzen 19. Der Mittelteil des Gehäuses wird durch eine Wandung 15 gebildet.

Die Befeuchtungspatrone 9 ist so in das Gehäuse 23 integriert, daß die beiden Enden 21 und 21' der Befeuchtungspatrone 9 jeweils mit den Ein- und Austrittsstutzen 18 und 19 in Verbindung stehen.

Dichtungsringe 22 und 22' an den beiden Enden 21 und 21' der Befeuchtungspatrone 9 gewährleisten, daß die Vorrichtung sicher in zwei separate Teilbereiche getrennt ist. Der eine Bereich wird von Luft durchströmt und verläuft über den Eintrittsstutzen 18 durch die Membranfäden 11 in der Patrone 9 hin zum Austrittsstutzen 19. Die Durchströmrichtung durch die Befeuchtungspatrone 9 ist nicht vorgegeben, so daß keinerlei Einlegefehler bzw. Montagefehler auftreten können. Der zweite Bereich 24 dient der Wasserbevorratung und wird eingegrenzt durch die Gehäusewandung 15, Bodendeckel 16, Deckel 17 und die Außenflächen der Membranfäden 11.

Zum Betrieb der Vorrichtung wird das Gehäuse 23 mit Wasser gefüllt. Durch die Ausbrüche 12 im Patronengehäuse 10 werden die Membranfäden 11 mit Wasser umspült. Zur Befeuchtung strömt nun Luft durch den Eintrittsstutzen 18 in die Membranfäden 11 des Befeuchtungsmodules 9 ein. Sie durchströmt die Membranfäden 11 in ihrer Längsrichtung und reichert sich dabei mit durch die Membran diffundierenden Wasserdampf aus dem Wasserbereich 24 an. Anschließend strömt die Luft auf der anderen Seite des Befeuchtungsmodules in den Austrittsstutzen 19. An diesem Stutzen kann ein Zuluftschlauch für einen Atemanschluß angeschlossen sein.

Für den mobilen Einsatz ist es zweckmäßig, die Befeuchtungsvorrichtung nahe am Körper mitzuführen, um ein Kondensieren der Luftfeuchtigkeit in am Boden liegenden, kalten oder Rohren Schläuchen zu verhindern. Zu diesem Zweck hat die Vorrichtung eine Befestigungsvorrichtung 14. Mit Hilfe dieser Befestigungsvorrichtung 14, die im vorliegenden Fall als einfacher Steckbügel ausgebildet ist, läßt sich die Beatmungsvorrichtung z. B. am Gürtel des Benutzers befestigen. Zur Erwärmung der Luft kann die Vorrichtung z. B. mit einem mitgeführten, zweckmäßigerweise vorgeschalteten Vortexerwärmer kombiniert werden. Auch die Vorschaltung eines Aktivkohlefilters kann vorgesehen werden. Es ist weiterhin möglich, das Atemluftgerät an die gleiche Druckluftzuleitung anzuschließen, wie das Arbeitsgerät. Auf diese Weise kann die Anzahl der Verbindungsschläuche reduziert und die Handhabung vereinfacht werden.

Der Diffusionsprozeß an der Membran ist noch nicht vollständig bekannt. Modellhaft beschrieben wird das außen an den Membranfäden anstehende Wasser in Folge Kapillarwirkung durch die engen Poren der Membranen in das Innere der Faser in den Bereich der Atemluft gefördert. Im Inneren der Membrane befindet sich eine Porenübergangszone. Die Poren werden immer feiner und bilden eine Wabenstruktur mit einem relativ undurchlässigen Übergangsbereich der im Inneren in einem schwammartigen Gebilde mündet. Das Wasser wird in Folge Kapillarwirkung in die Poren hineingefördert und in Folge der Oberflächenspannung des Wassers dort festgehalten. In Folge des Partialdrucks bei Verdampfung wird das Wasser zunächst durch die weiterhin vorhandene Kapillarwirkung ähnlich einer Dochtströmung nach innen gefördert.

Den Masken wird üblicherweise komprimierte Luft in einem Druckbereich von 0,6 bis 2,7 bar zugeführt, in Einzelfällen bis 3,2 bar. Untersuchungen haben ergeben, daß trotz des erheblichen Innendrucks von z. B. 2,4 bar im Verhältnis zum Außendruck trotzdem ein Wassertransport von außen nach innen stattfindet und eine ausreichende Befeuchtung für Atemzwecke sich einstellt.

Da die Membran nicht vollständig undurchlässig ist, erfolgt ein Gastransport von der Innenseite der Hohlfaser zu deren Außenseite, wenn der Innendruck höher als der Außendruck ist. Der Transport ist umso höher je höher das entsprechende Druckgefälle ist. Diese Gasdiffusion führt zur Blasenbildung an den Außenwänden der Membranfäden.

Wesentlich zur Entwicklung der vorliegenden Erfindung war nun die Erkenntnis, daß bei Vorrichtungen der eingangs genannten Art die aus dem Luftstrom durch die Membranen in den Wasserbehälter diffundierende Luft sich an den Außenseiten der Membranfäden ansammelt und durch Blasenbildung zu einer Reduzierung der Austauschfläche führt.

Erfindungswesentlich ist daher die Reduzierung der Packungsdichte der Membranfäden. Durch die Beabstandung der Membranfäden gegeneinander können sich Luftblasen nun nicht mehr zwischen den Membranfäden ansammeln, so daß nun ständiger Wasserkontakt und eine kontinuierliche Befeuchtung gewährleistet sind. Vorteilhafterweise sollte der Abstand zwischen den Fasern ungefähr das 0,5-fache des Faserdurchmessers betragen. Je größer der Faserabstand ist, umso besser ist die Benetzung und damit das Befeuchtungsergebnis.

In einer Ausführungsform besitzt die Befeuchtungspatrone Hohlfasern mit einem Faserinnendurchmesser von 1.400 Mikrometern und eine Wandstärke von 200 Mikrometern bei einer Packung von ca. 200 Membranfäden pro Patrone. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen besitzen einen Fadengesamtquerschnitt der kleiner als 0,65 des Innenquerschnittes des Befeuchtermoduls beträgt.

Die relative Befeuchtung bei einer Ausgangsfeuchte von 10,5% und einem Luftdurchsatz von 245 Litern pro Minute beträgt ca. 25% bei einer Ausführungsform mit einer Packungsdichte von ca. 44%. Im Vergleich dazu sinkt die Befeuchtungsleistung bei einer Packungsdichte von 60% auf ca. 20%.

Die Befeuchtungsleistung der erfindungsgemäßen Befeuchtungsvorrichtung ist u. a. vom Druckgefälle in der Befeuchtungsvorrichtung vom Eintritts- zum Austrittsstützen abhängig ist. Untersuchungen haben gezeigt, daß das Befeuchtungsergebnis bis zu einem Wasserstand von einem Sechstel der Gesamtbehälterhöhe nahezu unabhängig von der Füllhöhe ist, da das Wasser in Folge Kapillar- und Schwammkapillarwirkung an den Membranfäden hochgezogen wird und in allen Bereichen der Membranfäden in den Bereich der Atemluft eindringt. Auch bei horizontaler Lage und nur geringfügig gefülltem Behälter wird noch eine erhebliche Erhöhung der Atemluftfeuchtigkeit erzielt. Das Wasserreservoir kann dadurch fast vollständig ausgenutzt werden. In Folge der Unabhängigkeit von Außendruck und Füllstandshöhe können beliebige Formen für das Gehäuse 23 konstruktiv ausgeführt werden.

Bei Konstruktion einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist allerdings zu berücksichtigen, daß es in Folge der Gasdiffusion zu einer Ansammlung von Gas und damit zu einer Druckerhöhung im Wasserbereich 24 kommt. Ein Überdruck von 2,5 bar im vorliegenden Ausführungsbeispiel bewirkt ein Kollabieren der Membranfäden. Dadurch wird der Luftströmungsweg blockiert. Sinkt der Überdruck, so öffnen die Membranfäden wieder. Allerdings geschieht dies schlagartig, was ein Bersten der Membranfäden und einen Wassereinbruch in den Atemluftschlauch zur Folge hat.

Um einen derartigen kritischen Druckanstieg zu verhindern und eine Entlüftung des Wasserbehälters zu erreichen, ist im Deckel 17 ein Überdruckventil 25 vorgesehen und in Fig. 4 dargestellt. Es öffnet bei einem vorgegebenen Druckwert. Es befindet sich bei normaler Haltung des Benutzers im oberen Bereich der Vorrichtung, so daß beim Öffnen die sich dort ansammelnde Luft austreten kann. Sollte das Ventil nicht nach oben zeigen, so ist das mögliche Austreten von Wasser nach außen einem Wassereinbruch in die Atemmaske wegen geborstener Membranfäden immer noch vorzuziehen.

Claims (15)

1. Vorrichtung zur Befeuchtung von Luft mit hohlen, von Luft durchströmten Membranfäden (11) in einem transportablen Flüssigkeitsbehälter (23), dadurch gekennzeichnet, daß sich Luftblasen aufgrund einer ausreichenden Beabstandung der Membranfäden (11) gegeneinander von den Membranfäden (11) lösen können.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis aus Membranfäden-Gesamtquerschnittsfläche und der Innen-Querschnittsfläche einer Vorrichtung kleiner als 0,65 ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsbehälter (23) ein Überdruckventil (25) besitzt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Überdruckventil (25) ein Kollabieren der Membranfäden (11) wegen eines Überdrucks im Wasserbereich (24) verhindert.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsbehälter (23) eine durchsichtige Wandung (15) zur Füllstandskontrolle aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Membranfäden (11) in einer auswechselbaren Befeuchtungspatrone (9) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Enden (21, 21') der Patrone (9) symmetrisch sind, um Steckfehler zu verhindern.

8. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Patronengehäuse (10) Ausbrüche (12) aufweist, um eine ausreichende Umspülung und Entlüftung der Membranfäden (11) zu gewährleisten.

9. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Lufteintrittsstutzen (18) und Luftaustrittsstutzen (19) auf gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtung angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Deckel (17) und ein Bodendeckel (16) vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Deckel (17) oder Bodendeckel (16) in etwa gleiche Querschnitts-Abmessungen wie das Gehäusemittelstück (15) besitzt.

12. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranfäden (11) nicht geradlinig, sondern gebogen innerhalb des Patronengehäuses (10) verlaufen.

13. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Patronengehäuse (10) Standardstützmaterial für Filterelemente aus Edelstahl oder Kunststoff vorgesehen sind.

14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Befeuchtungsvorrichtung zur Versorgung eines Atemanschlusses verwendet wird.

15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschluß an einen Druckluftschlauch (27), der für die Versorgung von Arbeitsgeräten vorgesehen ist, möglich ist.