DE19947453A1 - Gaskompressor mit zweistufigem Kolben - Google Patents

Abstract

Der Gaskompressor mit zweistufigem Kolben (6) ist in einer Gassammelanlage zur Rückgewinnung von Anästhesiegas, z. B. Xenon, aus Anästhesieabgas enthalten. Der Gaskompressor arbeitet praktisch gasverlustfrei.

Description

Die Erfindung betrifft einen Gaskompressor mit zweistufigem Kolben, eine Gassammelanlage und ein Verfahren zur Rückgewinnung von Anästhesiegas aus Anästhesieabgas.

Die Verwendung von Xenon als Narkosegas ist seit langem bekannt. Die breite Anwendung von Xenon bei der Narkose scheiterte bisher am hohen Preis des Xenon.

DE 37 12 598 A1 (Siemens) beschreibt ein Inhalations-Anästhesiegerät mit einem Reservoir für ein Anästhetikum wie Xenon. Das Exspirationsgas (Ausat­ mungsgas) des Patienten wird nach Herausfilterung von Wasserdampf und Kohlendioxid direkt oder über einen Kompressor zu dem Reservoir geleitet und von dort zum Patienten zurückgeführt.

DE 44 11 533 C1 (Georgieff et al.) beschreibt ein Narkosegerät mit einer Rück­ gewinnungsanlage für Xenon. In der Rückgewinnungsanlage wird das ausge­ atmete Atemgas nach einer Vorreinigung komprimiert und in einen Druckbe­ hälter eingeleitet, welcher in eine Kühlvorrichtung aufgenommen ist. Über die Kühlvorrichtung wird der Druckbehälter so weit abgekühlt, daß das rückzuge­ winnende Xenon sich verflüssigt. Das Xenon aus dem Ausatmungsgas wird also in flüssigem Zustand in einem Druckbehälter gesammelt und von dort zum Patienten zurückgeführt.

WO 98118718 beschreibt eine Apparatur und ein Verfahren zur Reinigung und Rückführung von Xenon in Anästhesiesystemen, wobei das Xenon nach der Reinigung verflüssigt in einem kryogenen Behälter gesammelt wird und von dort zum Patienten zurückgeführt.

DE 196 35 002 A1 (interne Bezeichnung MG 1999) beschreibt ein Verfahren zur Online-Rückgewinnung von Xenon aus Narkosegas, wobei das exspiratori­ sche Atemgas mit einer Kühlfläche in Kontakt gebracht wird, die sich auf einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der abzutrennenden Komponente befindet. Das Xenon wird hierbei ausgefroren und die Verunreinigungen über das Kopfgas durch Anlegen eines Vakuums abgezogen.

Die genannten Systeme und Verfahren sind Bestandteil eines Anästhesiesy­ stems und dienen einer direkten Rückführung des Xenons zum Patienten wäh­ rend der Anästhesie. Die Systeme und Verfahren sind apparativ sehr aufwen­ dig.

Gaspumpen oder Gaskompressoren sind in der Regel nur für trockene Gase geeignet, da sonst aufgrund von Korrosion nur kurze Standzeiten erzielt wer­ den.

Gaspumpen und Flüssigkeitspumpen für hohe Drücke ist in "Ullmanns Ency­ klopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 3: Verfahrenstechnik II und Reaktionsapparate, Kapitel: Drucktechnik, Verlag Chemie, Weinheim 1973, S. 83-98, insbesondere S. 87-95" beschrieben.

Heute übliche Kolbenkompressoren weisen einen Gasverlust durch Leckage über die Kolbenringe von 2-5% auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zur Förderung und gasverlust­ freien Verdichtung von Gasen geeignete Pumpe bereitzustellen, die die ge­ nannten Nachteile vermeidet.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gasrückgewinnungsystem zu schaffen, das möglichst gasverlustfrei, wartungsarm, leise und benutzerfreund­ lich betrieben werden kann, insbesondere ein System, welches in der Lage ist, bei geringen Saugdrücken (0,1 bar- 0,9 bar, vorzugsweise 0,6 bar) die erfor­ derliche Saugleistung von ca. 8 l/min. zu bringen und zum anderen in den ho­ hen Druckbereich von 120 bar zu kommen.

Gelöst wurde die Aufgabe durch einen Gaskompressor mit den in Anspruch 1 beschriebenen Merkmalen.

Der Gaskompressor, im folgenden Pumpe genannt, ist eine hermetisch gas­ dichte Kolbenpumpe mit doppelstufigem Kolben. Die Pumpe ist vorzugsweise eine trockenlaufende Kolbenpumpe. Die Pumpe ermöglicht durch den hermeti­ schen Aufbau eine verlustfreie Verdichtung von Gasen.

Das Pumpe arbeitet beispielsweise bei einer Saugleistung ca. 8 l/min., einem Saugdruck im Bereich von 0,1 bar- 0,9 bar, vorzugsweise 0,6 bar (absolut), bis zur Komprimierung des Gases auf einen Enddruck von bis zu 500 bar, vor­ zugsweise 120 bar, mit nur einem Verdichter. Der Verdichter wird vorzugsweise elektrisch angetrieben.

Der Vorteil eines elektrisch angetriebenen Verdichters liegt im Konstrukti­ onsprinzip. Für den elektrischen Antrieb können vollkommen gekapselte Moto­ ren oder Magnetantriebe eingesetzt werden.

Die neue Pumpe ist in der Lage bei geringen Drücken anzusaugen und bis in den hohen Druckbereich zu gelangen. Dies wird insbesondere durch den Ein­ satz einer neuen modifizierten mehrstufigen (mit zwei Doppelzylindern) troc­ kenlaufenden hermetisch gekapselten Kolbenpumpe erreicht. Diese Pumpe arbeitet verlustfrei, da die Leckagen über die Kolben dem System wieder zu­ geführt werden. Dies ist nur möglich bei vollkommen gekapselten Pumpen. Durch den Einsatz einer Heizpatrone im Kurbelgehäuse oder einer Wärmezu­ führung von außen z. B. durch ein Wasserbad kann verhindert werden, daß Wasser in der Pumpe auskondensiert. Dieses Wasserbad kann gleichzeitig für die Wärmeabfuhr der Kompressionswärme genutzt werden. Zusätzlich hat die­ se Einrichtung den Vorteil, daß der Geräuschpegel, bedingt durch den Ver­ dichter, deutlich reduziert werden kann. D. h. diese Pumpe ist auch geeignet für die Verdichtung von wasserdampfgesättigten Gasen. D. h. eine Vortrocknung des Gases ist nicht mehr erforderlich. Ein einfacher Wasserabscheider zwi­ schen der 2 und 3. Stufe reicht aus um das Wasser zu entfernen. Ein Trockner (z. B. Molsieb oder ein anders Trocknungsmittel) kann dann entfallen.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Schema des Aufbaus doppelstufigen Kolbens.

Fig. 2 zeigt ein Schema einer Gassammeleinrichtung mit einer Pumpe mit zwei Zylindern mit je zwei Stufen.

Fig. 3 zeigt ein Schema einer Gassammeleinrichtung mit einer Pumpe mit drei Zylindern mit je zwei Stufen.

Fig. 4 zeigt ein Schema einer Gassammeleinrichtung mit einer Pumpe mit zwei einstufigen Zylindern.

Der in Fig. 1 gezeigte Zylinder 1 weist zwei Stufen zur Gasverdichtung auf. Der Querschnitt des Zylinders im Bereich der ersten Stufe ist größer als der Quer­ schnitt des Zylinders im Bereich der zweiten Stufe. Der Zylinder 1 enthält im Bereich der ersten Stufe eine Gaseintrittsöffnung 2 und eine Gasaustrittsöff­ nung 3. Der Zylinder enthält im Bereich der zweiten Stufe eine Gaseintrittsöff­ nung 4 und eine Gasaustrittsöffnung 5. Gasaustrittsöffnung 3 der ersten Stufe und Gaseintrittsöffnung 4 der zweiten Stufe sind mit einer Gasleitung 10 (Druckleitung) verbunden. Außerhalb des Zylinders sind die Rückschlagventile 7, 8 und 9 angeordnet. Der Kolben 6 weist ein Kopfteil mit größerem Quer­ schnitt und ein unteres Teil mit kleinerem Querschnitt auf, entsprechend den Bereichen für erste und zweite Stufe im Zylinder.

In der in Fig. 2 gezeigten Gassammeleinrichtung wird eine Pumpe mit zwei Zy­ lindern mit je zwei Stufen (siehe Fig. 1) eingesetzt. Der erste Zylinder (unten links abgebildet) enthält die erste Stufe 11 und die zweite Stufe 12, der zweite Zylinder (unten rechts abgebildet) enthält die dritte Stufe 13 und die vierte Stufe 14. Die Stufen 11, 12, 13 und 14 sind dabei so gewählt, daß die maximalen adiabatischen Verdichtungstemperaturen 250°C nicht überschritten werden (z. B. Stufe 11, 1. Stufe, Zylinderdurchmesser 4 cm; Stufe 12, 2. Stufe, 3,4 cm (Ringkolben) (bei einem "normalen" Kolben wären dies 2,1 cm für die 2. Stufe); Stufe 13, 3. Stufe, 1,2 cm; Stufe 14, 4. Stufe, 1,04 cm (Ringkolben) (bei einem "normalen" Kolben wären dies 0,6 cm für die 4. Stufe) bei einem Hub von 3,2 cm).

Die angegeben Durchmesser für die Stufen 12 und 14 entsprechen denen ei­ nes Ringkolbens, d. h. der tatsächliche Durchmesser für "normale" Kolben wäre viel kleiner.

Erst durch die Kombination des Doppelkolbens (Fig. 1) ist es möglich, mit her­ kömmlichen Bauteilen einen Verdichter für kleine Liefermengen und für hohe Druckbereiche zu bauen.

Die Verdichtung des Gases erfolgt bei einem Druck von 0,5-0,7 bar abs. über die Verdichtung in der 1. Stufe (Stufe 11) bis zu einem Druck von ca. 1,8-2,8 bar. In der 2. Stufe (Stufe 12) wird auf einen Druck von ca. 6,5-8,0 bar ver­ dichtet. In der 3. Stufe (Stufe 13) auf 28-35 bar und in der 4. Stufe (Stufe 14) auf bis 120 bar.

Die Kolben der beiden Zylinder werden über den Antrieb 16 angetrieben.

Im Eingang des Verdichters (vor Stufe 11) ist ein Pufferbehälter 15 angeord­ net. Der Pufferbehälter ist in der Regel ein Behälter, kann aber auch ein Lei­ tungsstück mit vergrößertem inneren Querschnitt sein. Dieser Pufferbehälter 15 ist so ausgelegt, daß sein Volumen mindestens dem 120-fachen des Leitungs- und Totraumvolumens des Verdichters nach der 2. Stufe entspricht. Dies ist deshalb erforderlich, da beim Abstellen des Verdichtungsvorgangs der Ver­ dichtungsdruck entspannt werden muß, damit der Verdichter wieder anfahren kann. Der Puffer nimmt hierbei die komplette Menge an Gas auf.

Die Gassammeleinrichtung enthält am Gaseingang ein Rückschlagventil 19. Zwischen Pufferbehälter 15 und nach dem Ausgang von Stufe 14 ist vorteilhaft eine Bypass-Gasleitung mit Absperrventil 20 angeordnet. Von der Pumpe wird Gas verdichtet und das Gas über das Rückschlagventil 21 und Dreiwegeventil 22 in die Druckgasbehälter 17 oder 18 gepumpt. Die Druckgasbehälter 17 und 18 sind vorteilhaft mit Druckmeßgeräten 23 und 24 ausgerüstet.

In der in Fig. 3 gezeigten Gassammeleinrichtung wird eine Pumpe mit drei Zy­ lindern eingesetzt. Durch einen weiteren, dritten Zylinder mit einer Doppelstufe (Stufe 25) kann der Druck auf 500 bar erhöht werden. Da die Stufen für die Druckerhöhung im Verhältnis ihrer Verdichtung kleiner gemacht werden müs­ sen, würde die 5. (Stufe 25) und 6. Stufe (Stufe 26) jetzt sehr klein werden. Dies kann mit dem Doppelkolben elegant umgangen werden, indem die 5. Stufe (Stufe 25) genauso groß oder zwischen dem Durchmesser der 3 und 4. Stufe (Stufe 13 und 14) liegt und die 6 Stufe (Stufe 26) im Durchmesser größer als die 4. Stufe (Stufe 14) liegt, entsprechend dem Verdichtungsverhältnis zwi­ schen 4 und 6. Stufe. D. h. die 5. Stufe ist eigentlich ein Puffer. Zwischen der 5. und 6. Stufe ist ein Druckhalteventil 27 angeordnet. Dadurch wird erreicht, daß zwar zunächst der Druck aus der 4. Stufe in die 5. Stufe entspannt wird und durch das Druckhalteventil 27 erst in die 6. Stufe (Stufe 26) freigegeben wird, wenn der Druck in der 5. Stufe (Stufe 25) dem der 4. Stufe (Stufe 14) ent­ spricht. Durch die Konstruktion des Doppelkolbens (siehe Fig. 1) kann der Ver­ dichtungsraum sehr klein ausgebildet werden.

Die Pumpe selbst ist als eine Einheit aufgebaut mit Spaltrohrmotor oder mit einer Magnetkupplung. Damit ist das System nach außen hermetisch dicht. Leckageverluste treten nur über die Kolbenflächen nach innen in das Kurbel­ gehäuse auf. Durch eine Verbindung vom Kurbelgehäuse mit der 1. Stufe wer­ den die Leckageverluste dem System wieder zugeführt. Bei der Gassam­ melanlage kommt es aufgrund des hohen Wertes von Xenon auf eine mög­ lichst hundertprozentige Rückgewinnung von Xenon aus dem Abgas aus der Anästhesie an.

Bei einem Anästhesiegerät muß grundsätzlich sichergestellt sein, daß der Pati­ ent genügend Sauerstoff erhält und der Beatmungskreislauf nicht leer gesaugt oder einem zu hohen Druck ausgesetzt wird.

Dies wird durch ein einfaches Prinzip erreicht, das darin besteht, daß vor die Absaugung eine feste Drossel in Kombination mit einem Differenzdruckventil eingebaut wird. Die örtlich installierten Absaugsysteme weisen heute üblich einen Saugdruck von 0,2 bar abs. auf. D. h. fällt der Druck im Beatmungskreis­ lauf bei geöffnetem Absaugventil z. B. auf 2 mbar über dem Atmosphärendruck ab und ist das Differenzdruckventil auf 2 mbar eingestellt so strömt Luft in die Absaugung mit ein und der Beatmungskreislauf wird nicht mehr abgesaugt.

Wie schon erwähnt, lassen sich durch Kombination von Pumpen diese Syste­ me realisieren. Dies jedoch hat den Nachteil, daß unterschiedliche Pumpen mit einer Vielzahl von Einzelteilen und Steuerungen eingesetzt werden müssen. Außerdem werden bei herkömmlichen Pumpen die Verdichterkolben, bedingt durch die geringen Saugleistungen, sehr klein. Dies führt dazu, daß entweder bei den geforderten Drücken nicht mehr genug angesaugt wird oder bei Einsatz größerer Kolben nicht mehr in den hohen Druckbereich gepumpt wird.

Bei der Gassammeleinrichtung in Fig. 4 wird alternativ zum zweistufigen Dop­ pelzylinder ein einstufiger Doppelzylinder eingesetzt. Der Vorteil dieser Variante ist der, daß man hier heute übliche und auf dem Markt erhältliche Dichtungen einsetzen kann und speziell nur neue Zylinder und Zylindergehäuse anfertigen muß.

Die Verdichtung erfolgt hier zunächst in einen Zwischenbehälter 37 mit einem Volumen von vorzugsweise 10 l. Dieser Behälter wird auf einen Druck von 5 bis 10 bar, vorzugsweise 7 bar, gebracht.

Wenn der Behälter 37 diesen Druck erreicht hat oder wenn nicht mehr abge­ saugt werden muß, wird automatisch das Eingangsdreiwegeventil 28 umge­ schaltet und es wird innerhalb von 1 bis 30 Sekunden, vorzugsweise von 8 Se­ kunden, der Zwischenbehälter 37 in einen weiteren Zwischenbehälter 38 bis auf einen Restdruck von 1 bis 6 bar, vorzugsweise bis auf 2 bar, entleert.

Hat der erste Zwischenbehälter 37 den Druck von 2 bar erreicht und ist der Druck im zweiten Zwischenbehälter 38 auf größer 8,5 bar angestiegen, wird das Ventil zur Einspeisung aus dem 1. Zwischenbehälter geschlossen und das Ventil zur Einspeisung aus dem zweiten Zwischenbehälter geöffnet und in den Sammelbehälter 17 oder 18 verdichtet. Der Sammelbehälter ist mindestens zweifach vorhanden, und wird bei Erreichen des Fülldruckes automatisch um­ geschaltet (z. B. von 17 auf 18). Über eine Temperaturüberwachung wird si­ chergestellt, daß nur über der kritischen Temperatur von Xenon gefüllt wird, um eine Überfüllung des Behälters zu verhindern, bedingt durch die Verflüssigung von Xenon unterhalb der kritischen Temperatur und oberhalb des kritischen Druckes.

Claims (8)

1. Gaskompressor mit zweistufigem Kolben (6).

2. Gaskompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein, zwei, drei oder mehrere zweistufige Kolben (6) enthalten sind.

3. Gassammelanlage zur Rückgewinnung von Anästhesiegas aus Anästhesie­ abgas, enthaltend einen Gaskompressor mit zweistufigem Kolben (6) zum An­ saugen von Gas und Verdichtung auf Niederdruck oder Hochdruck.

4. Gassammelanlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas­ sammelanlage einen Druckgasbehälter (17 oder 18) zur gasförmigen Befüllung mit Anästhesiegas enthaltenden Abgasen enthält.

5. Verfahren zum Sammeln von Anästhesieabgasen, dadurch gekennzeichnet, daß Anästhesiegas enthaltendes Abgas eines Anästhesiegerätes zur Wieder­ gewinnung abgesaugt, und anschließend ohne Trocknung und/oder ohne Ana­ lyse der Gaszusammensetzung auf Hochdruck komprimiert in einem Druck­ gasbehälter gasförmig gesammelt wird, bis dieser Druckgasbehälter gefüllt ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Anästhesiegas enthaltendes Abgas eines Anästhesiegerätes nur zur Wiedergewinnung abge­ saugt und gesammelt wird, wenn das Abgas einen vorher festgelegten Min­ destgehalt des Anästhesiegases aufweist.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß Xenon als Anästhesiegas eingesetzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Absaugen und Sammeln des Abgases gesteuert erfolgt.