Die vorliegende Erfindung betrifft ein Atemkreislaufgerät mit einer Atemkreisleitung, einem CC> ₂ -Absorber in der Atemkreisleitung und mit einer Kühleinrichtung zur Kühlung des Atemgases nach Austritt aus dem CC> ₂ -Absorber .

Bei Atemkreislaufgeräten muss das vom Geräteträger erzeugte und in die Atemkreisleitung ausgeatmete CO ₂ absorbiert werden, bevor das Atemgas wieder dem Geräteträger zugeführt wird. Dies geschieht durch CC> ₂ -Absorber in der Atemkreisleitung, die im Allgemeinen Atemkalk oder Alkali enthalten. In dem CC> ₂ -Absorber entsteht durch die chemische Reaktion mit dem CO ₂ Feuchtigkeit und Wärme (exothermische chemische Reaktion des CO ₂ mit dem Ab ^¬ sorbermaterial) . Dies führt zu einer entsprechenden Erwärmung und Befeuchtung der dem Geräteträger wieder zugeführten Einatemluft. Die so erwärmte und befeuchtete Atemluft bedeutet ein physiologisch schlecht verträgliches Atemklima. Im Stand der Technik wurden verschiedene Verfahren entwickelt, um das Atemgas hinter dem CC> ₂ -Absorber zu kühlen und zu entfeuchten.

Bei heute gängigen Atemkreislaufgeräten wird Wassereis zur Kühlung verwendet. Dies ist hinsichtlich der Handhabung aufwendig, da zunächst ein Eisblock gebildet werden und dann kurz vor dem Einsatz des Atemkreislaufgerätes aus dem Gefrier ^¬ schrank entnommen und in das Atemkreislaufgerät eingesetzt werden muss. Dazu ist es außerdem erforderlich, das Gerät zu öffnen .

Alternativ zu der Kühlung durch Wassereis wird für die auf dem Markt befindlichen Atemkreislaufgeräte auch ein sogenannter Regenerationskühler verwendet, der anstelle des Wassereises einen Latentwärmespeicher einsetzt, der die Schmelzenergie zur Kühlung zur Verfügung stellt. Dieses Konzept ist in der Hand- habung deutlich einfacher, da der Kühler immer wieder verwendet werden kann und einsatzbereit im Gerät gelagert ist. Al ^¬ lerdings ist die Kühlkapazität deutlich geringer weil das PCM (phase change material) bei gleichem Volumen eine niedrigere spezifische Kühlkapazität hat und keine niedrigen Atemgastem ^¬ peraturen durch die über der Raumtemperatur liegende Schmelztemperatur des PCM erreicht werden kann. Beispiele für derartige gekühlte Atemkreislaufgeräte sind in DE 879 651 und 928 690 beschrieben.

Als weitere Alternative zur Kühlung in Atemkreislaufgeräten sind sogenannte Zeolithkühler bekannt, die durch Verdunstung von Wasser der Umgebung Wärme entziehen und die Feuchtigkeit in einem Zeolithen adsorbieren. Eine derartige Kühlvorrichtung zur Atemgaskühlung in einem Atemkreislaufgerät ist aus DE 40 29 084 AI bekannt. Allerdings ist die Herstellung eines sol ^¬ chen wiederverwendbaren Zeolithkühlers technisch sehr aufwendig, weil der Zeolith unter Vakuum gelagert und die Dichtig ^¬ keit für eine sehr lange Zeit sichergestellt werden muss. Au ^¬ ßerdem muss der wiederverwendbare Kühler aufwendig regeneriert werden. Dazu muss der Zeolith bei Temperaturen über 200°C entfeuchtet und das Wasser im Verdampfer kondensiert werden. Das ist für die Anwendung bei Atemschutzgeräten nicht praktikabel.

Es sind ferner Zeolithkühler in einer verformbaren Verpackung bekannt, die als Kühlelemente so verformbar sind, dass sie in gutem Wärmeleitungskontakt an der Atemkreisleitung hinter dem CC>2-Absorber anliegen können, wie in EP 2 374 509 AI beschrieben. Diese sind prinzipiell als Einwegkühler herstellbar, so dass eine aufwändige Regenerierung vermieden werden kann. Das hat jedoch sehr hohe Gebrauchskosten zur Folge.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Atemkreislauf- gerät mit verbesserter Kühlung und Entfeuchtung des Atemgases nach dem Austritt aus dem CC>2-Absorber anzugeben. Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 in Verbindung mit dessen Oberbegriff. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Kühleinrichtung eine Wärmepumpe aufweist, die mit einem Kompressor zur Verdichtung eines Kühlmediums, einem Kondensator, der das verdichtete Kühlmedium aufnimmt, kühlt und dabei Wärme an die Umgebung ab- gibt, und mit einem Wärmetauscherkörper versehen ist, der das gekühlte Kühlmedium aufnimmt und in Wärmeleitungskontakt mit der Atemkreisleitung steht .

Die Wärmepumpe weist einen beispielsweise elektrisch betriebe ^¬ nen Kompressor auf, der das Kühlmedium verdichtet und auf circa 40°C bis 75°C erhitzt, je nach Wärmeabfuhr an die Umgebung. Durch die Weiterleitung des verdichteten Kühlmediums an einen Kondensator kühlt sich das Kühlmedium ab und kondensiert dort. Der Kondensator steht mit der Umgebung in Wärmeaustauschverbindung und kann seine Wärme dort ableiten. Der Kondensator kann passiv durch Konvektion und Strahlung seine Wärme abgeben; alternativ kann die Konvektion durch den Einsatz eines kleinen Lüfters verstärkt werden. Hinter dem Kondensator wird das flüssige Kühlmedium an einen Wärmetauscherkörper (Verdampfer) weitergeleitet, der in thermischen Kontakt mit dem zu kühlenden Atemgas in der Atemkreisleitung steht. Das gekühlte Kühlmedium hat eine sehr niedrige Temperatur (beispielsweise - 10°C bis + 10°C) . Der Wärmetauscher kühlt dabei das Atemgas auf eine Temperatur von circa 15°C herunter. Das Kühlmedium wird dabei verdampft und im Kreislauf wieder dem Kompressor zugeführt . In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Kühleinrichtung mit einem Ventilator versehen, der einen Luftstrom zur Ableitung von Wärme von dem Kondensator erzeugt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Kühleinrichtung mit Luftleitmitteln versehen sein, die eine thermische Konvektionsströmung, die aus der Umgebungsluft gespeist wird, bewirkt .

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Kondensator mit Kühlschlangen zur Abgabe von Wärme an die Umgebung versehen.

In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der Wärmetauscherkörper an einem flexiblem Atembeutel an, der Teil der Atemkreisleitung ist, wobei der Wärmetauscherkörper an derjenigen Seite des Atembeutels anliegt, an der die den Atembeutel verlassende Luft entlang strömt.

In einer vorteilhaften Ausführungsform liegt der Wärmetauscherkörper in Wärmeleitungskontakt an einem Festkörper an, dessen mit einer Vielzahl von Rippen versehener Innenraum von der zu kühlenden Atemluft durchströmt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist eine Steuereinrichtung vorhanden, die dazu eingerichtet ist, die Drehzahl des Kompressors auf einen vorgegebenen Wert einzustellen oder die Betriebszykluszeiten des Kompressors so zu takten, dass die Kühlleistung an den Kühlbedarf angepasst werden kann.

Vorzugsweise kann dazu ein Temperatursensor in der Atemkreisleitung eingebaut sein, der die Atemgastemperatur und die Steuereinrichtung meldet, die daraufhin den Betrieb des Kompressors dahingehend regelt, dass eine gewünschte Atemgastem ^¬ peratur durch den Temperatursensor festgestellt wird. Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbei ^¬ spiels beschrieben, wobei in

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Atemkreis ^¬ laufgerätes gezeigt ist.

Die in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Atemkreislaufgerät 1 hat eine Atemkreisleitung, in der das Atemgas des Geräteträ ^¬ gers zirkuliert. In Fig. 1 ist die Eintrittsleitung 2 für das Atemgas 20 in die Kühleinrichtung und die Austrittsleitung 3 aus der Kühleinrichtung gezeigt. Das von dem Geräteträger ausgeatmete Atemgas 20 tritt durch die Eintrittsleitung 2 in ei ^¬ nen CC> ₂ -Absorber 6 ein. In dem CC> ₂ -Absorber kommt es zu einer exothermen chemischen Reaktion, die CO ₂ aus dem Atemgas ent ^¬ fernt. Gleichzeitig sind die Temperatur und die Feuchtigkeit des aus dem CC> ₂ -Absorber austretenden gereinigten Atemgases 22 erhöht. Das Atemgas tritt danach in einen Atembeutel 13 ein, kondensiert zum Teil an der kälteren Beutelwand und kühlt da ^¬ bei ab. Im unteren Bereich des Atembeutels 13 wird das Atemgas bei 22 umgelenkt und tritt einen kleinen Kanal 23 ein, der an eine Innenwand 24 und an eine flexible Außenwand 16 angrenzt. Damit der Kanal 23 nicht komprimiert werden kann, ist der Ka ^¬ nal beispielsweise mit einem Abstandsgewirke (nicht gezeigt) gefüllt. Über die Außenwand 16 grenzt der Kanal 23 an einem Wärmetauscherkörper 8 an, der eine niedrigere Temperatur als das Atemgas hat. Dadurch wird der Taupunkt des gesättigten Atemgases unterschritten und ein Teil der Feuchtigkeit konden ^¬ siert an der Wand 16 aus. Außerdem wird über Konvektion der Atemgasstrom in dem Kanal 23 gekühlt. Das Atemgas 21 tritt dann aus der Austrittsleitung 3 gekühlt und entfeuchtet aus und wird über die Atemkreisleitung dem Geräteträger zum Einatmen zugeführt .

Der Wärmetauscherkörper 8 (Verdampfer) liegt von außen an dem Kanal 23 an und ist durch eine Isolierung 17 thermisch gegen- über der Umgebung isoliert, damit die Wärme dem Atemkreislauf und nicht der Umgebung entzogen wird. Dadurch wird auch eine Kondensatbildung auf der Außenseite des Wärmetauscherkörpers 8 verhindert. Der Wärmetauscherkörper 8 ist mit dem Kondensator 30 über einen Strömungswiderstand 29 verbunden und wird mit flüssigem und kaltem Kühlmedium versorgt, das in dem Wärmetauscherkörper 8 verdampft und den Atemkreislauf kühlt. Das ver ^¬ dampfte Kühlmittel wird vom Kompressor 33 angesaugt, kompri ^¬ miert und in der Temperatur deutlich erhöht. Das heiße Kühlme ^¬ dium wird dem Kondensator 30 zugeführt und wird dort von der Umgebungsluft heruntergekühlt, wobei es wieder kondensiert.

Der Kanal 23, durch den das Atemgas in Wärmeleitungskontakt mit dem Wärmetauscherkörper 8 strömt, wird durch den inneren Überdruck zur Umgebung ständig gegen den Wärmetauscherkörper 8 gedrückt, und zwar an dessen flexible Wand 15. Dadurch wird ein guter Wärmeübergang zwischen dem durch den Kanal 23 fließenden Atemgas und dem Wärmetauscherkörper 8 erzeugt.

In dem Gehäuse 18 des Atemkreislaufgerätes 1 sind Federn 19 vorgesehen, die dafür sorgen, dass der Druck im Atemkreislauf gegenüber der Umgebung erhöht ist. Die Federkraft wird so aus ^¬ gelegt, dass immer eine Mindestüberdruck von beispielsweise 4 mbar im System vorhanden ist. In dem Gehäuse 18 ist unten ferner eine Sauerstoffflasche 9 vorgesehen, aus der dem Atemgas im Atembeutel 13 Sauerstoff aus der Leitung 11 über ein Ventil 10 zugesetzt wird.

Das erfindungsgemäße Atemkreislaufgerät mit einer elektrisch betriebenen Wärmepumpe hat den Vorteil, dass das Atemgas be ^¬ darfsgerecht gekühlt werden kann. Die Wärmepumpe braucht erst dann eingeschaltet zu werden, wenn das Atemgas von dem Absorber erwärmt und befeuchtet wurde. Die Wärmepumpe ist zum Bei ^¬ spiel in der Lage, das Atemgas auf eine Temperatur von 15°C herunterzukühlen, so dass der feuchte Anteil nur noch ca. 11 g Wasser per kg trockene Luft hat. Bei einer späteren Erwärmung auf dem Weg zum Geräteträger hat es dann bei einer Außentemperatur von 25°C eine relative Feuchte von ca. 50%, was genau in dem gewünschten, physiologisch komfortablen Bereich liegt.

Der Kompressor 33 hat zum Beispiel eine elektrische Leistung von 75 Watt, also benötigt er bei 24 Volt ca. 3 Ampere Strom. Unter normalen Umgebungstemperaturbedingungen erreicht er eine Kühlleistung von etwa 150 Watt im Atemkreislauf. Für einen Einsatz von 4 Stunden bedarf es daher einer Kapazität von mindestens 12 Amperestunden. Das Gewicht eines dafür geeigneten, kommerziell verfügbaren Akkus beträgt etwa 1,8 kg. Mit allen Komponenten wiegt die Kühleinrichtung ca. 3 kg. Dies ist gegenüber dem Eiskühler ca. 1 kg mehr, dafür ist aber die Kühlleistung auch deutlich größer, kann bedarfsgerecht eingesetzt werden und es werden physiologisch komfortable Atembedingungen erreicht .

Ein erfindungsgemäßes Atemkreislaufgerät mit Wärmepumpenküh ^¬ lung ist eine Verbesserung gegenüber bekannten Kühleinrichtungen, da die Handhabung deutlich verbessert ist und die Kühlleistung gezielt geregelt werden kann. Die Kühlung kann nach Bedarf eingeschaltet werden und steht ununterbrochen zur Verfügung, solange noch genügend elektrische Kapazität im Akkumu ^¬ lator vorhanden ist.

Die beschriebene Kühleinrichtung mit Wärmepumpe kann als kom ^¬ plettes Modul ausgebildet werden, das wahlweise an ein ent ^¬ sprechend ausgebildetes Atemkreislaufgerät angesetzt wird. Der Benutzer kann dann je nach seinen Bedürfnissen die Kühleinrichtung mit Wärmepumpe, eine PCM-Kühlung oder eine Eiskühlung einsetzen, wobei jeweils ein entsprechendes Modul als Kühlein ^¬ richtung eingesetzt werden muss. Für die Betrachtung der Wärmebilanzierung wird davon ausgegangen, dass die Wärme und Feuchte überwiegend im Atemkalkbehäl ^¬ ter 6 produziert wird. Atemkalk und der Behälter werden dabei selbst erwärmt und geben einen Teil der Wärme in Form von Kon- vektion und Strahlung an die Umgebung wieder ab. Der anschließend angeordnete Atembeutel wird von dem aus dem CC>2-Absorber austretenden und von CO2 gereinigtem Atemgas erwärmt (auf etwa 55°C bei 30°C Umgebungstemperatur), wobei die Feuchte gesät ^¬ tigt ist. Die Beutelwandung wird dadurch aufgeheizt und gibt dann über Strahlung und Konvektion Wärme an die Umgebung ab. Weil die Feuchte gesättigt und die Wandung des Atembeutels kühler ist, kondensiert an der Wandung Feuchtigkeit aus, die sich im Atembeutel sammelt. Will man diese passive Kühlwirkung des Atembeutels weiter verwenden, darf die aktive Kühleinrichtung erst hinter dem eigentlichen Atembeutel angeordnet sein.

Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Ausführungsform ist, dass die Flexibilität des Atembeutels 16 bzw. des Kanals 23 ausgenutzt werden kann, um einen guten Wärmeübergang zwischen dem zu kühlenden Atemgas und dem Wärmetauscherkörper 8 zu gewährleisten. Würde die Kühleinrichtung an einer starren ebenen Wand an dem Wärmetauscherkörper 8 anliegen, gäbe es konstruktionsbedingt Wärmeübergangsprobleme durch die schlechte Über ^¬ einstimmung der Geometrien und die daraus resultierenden isolierenden Lufteinschlüsse und örtlich begrenzten thermischen Kontakte. Bei den aus dem Haushaltsbereich bekannten Kühlelementen, die aus einfachen KunstStoffgehäusen bestehen und mit einem Kühlmittel gefüllt sind (Wasser, Gel, PCM) muss man da ^¬ von ausgehen, dass die Oberfläche nicht eben ist. Durch die Volumenvergrößerung beim Phasenübergang zwischen Wasser und Eis beulen die Kühlelemente etwas aus. Auch der Wärmetauscher (Verdampfer) des in Folien eingeschweißten Zeolithkühlers hat keine glatte, ebene Oberfläche. Die Ausgestaltung des Atembeu ^¬ tels als flexibles Element gewährleistet, dass sich der Wand ^¬ bereich des Atembeutels flexibel an die Oberflächenform des Wärmetauscherkörpers der Wärmepumpe anpassen kann, um dadurch den bestmöglichen Wärmeaustausch zu erreichen.

Berechnungen und Erfahrungen haben gezeigt, dass für den Wärmeübergang eine Kontaktfläche oder Austauschfläche von ca. 600 bis 900 cm ² erforderlich ist. Dabei ist der intensive Wärme ^¬ übergang überwiegend durch die Kondensationswärme an der Wand bestimmt und nicht durch die Konvektionswärme, die selbst ei ^¬ nen schlechten Wärmeübergang aufgrund der niedrigen Strömungsgeschwindigkeit und des schlechten Wärmeübergangskoeffizienten der strömenden Luft besitzt. Deshalb ist die Dazwischenschal- tung einer dünne flexiblen Folie thermisch nicht relevant.

Bezugs zeichenliste :

1 Atemkreislaufgerät

2 Eintrittsleitung

3 Austrittsleitung

6 C0 ₂ -Absorber

8 Wärmetauscherkörper

9 Sauerstofftank

10 Ventil

11 Sauerstoffleitung

13 Atembeutel

16 flexible Wand

17 Isolierung

18 Gehäuse

19 Federn

20 ausgeatmete Luft

21 gekühltes Atemgas

22 CC>2-gefilterte Luft

23 Ausgangskanal des Atembeutels

29 Strömungswiderstand

33 Kompressor