DE69732529T2

DE69732529T2 - Diffusionsgasübertragungssystem und verfahren zu seinem gebrauch

Info

Publication number: DE69732529T2
Application number: DE69732529T
Authority: DE
Inventors: L. David BRAUN; Ricardo Lira
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1996-12-09
Filing date: 1997-04-11
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2017-04-12
Also published as: TW422730B; DE69732529D1; CA2272277C; WO1998025687A1; JP2001505816A; US5976220A; PL189898B1; RU2182512C2; PL333978A1; CA2272277A1; KR100493128B1; AU2663997A; EP0946257B1; EP0946257A1; KR20000057455A; US6248153B1

Description

Technisches Feld
Diese Erfindung betrifft ein Diffusionsgasübertragungssystem, das eine Membran verwendet, um Gasbestandteile durch einen Diffusionsprozess auszutauschen, während Teilchenübertragung im Wesentlichen blockiert wird, und ein Verfahren zu seinem Gebrauch.
Allgemeiner Stand der Technik
Verschiedene Lüftungssysteme sind zur Steuerung des Gehalts von Kohlendioxid und Sauerstoff in geschlossenen Räumen verwendet worden. Bei dem geschlossenen Raum könnte es sich zum Beispiel um ein Automobil, ein Wohnhaus, ein Hochhaus, das Innere eines Atemschutzgeräts, eine Fabrik einen Reinraum oder einen Raum eines Krankenhauses handeln. Die Lüftungssystem beseitigen überschüssiges Kohlendioxid aus den geschlossenen Räumen und füllen den dort verbrauchten Sauerstoff nach.
Zum Durchführen von Vorgängen dieser Art verwenden herkömmliche Lüftungssysteme typischerweise ein Filtermedium, um in der Luft schwebende Teilchen daran zu hindern, von einer äußeren Umgebung in den geschlossenen Raum einzudringen. Typischerweise tritt die Luft normal oder senkrecht durch das Filtermedium durch, und es wird eine Energiequelle benutzt, um die Luft dort hindurch zu zwingen. Wird die Luft, die in den geschlossenen Raum eintritt, nicht gefiltert, können die Insassen unter toxischen oder allergischen Reaktionen auf unbelebte in der Luft schwebende Teilchen oder unter gesundheitsschädlichen Wirkungen von in der Luft schwebenden Mikroorganismen leiden. Um zu verhindern, dass sich Druck aufbaut, muss Luft aus dem geschlossenen Raum durch eine Auslassöffnung abgeführt werden, wenn gefilterte Luft in den geschlossenen Raum gezwungen wird.
Die Systeme herkömmlicher Lüftungen besitzen eine Anzahl von Nachteilen.
Ein erster Nachteil besteht darin, dass es für Teilchenfilter schwierig ist, im Wesentlichen alle in der Luft schwebenden Feststoffteilchen aus der hereingelassenen Luft zu entfernen, ohne so viel Filtermedium zu verwenden, dass hoher Druckabfall erzeugt wird, wenn die Luft durch das Filtermedium durchtritt. Als Folge davon gestatten herkömmliche Filtriersysteme es typischerweise einer nennenswerten Anzahl von Teilchen, im hereingelassenen Luftstrom in den geschlossenen Raum einzudringen.
Ein zweiter Nachteil besteht darin, dass die hereingelassene Luft normal oder senkrecht durch das Filtermedium durchtreten muss. Wenn teilchenhaltige Luft in einer derartigen Weise durch einen Filter strömt, werden die Filterporen mit den Teilchen angefüllt, was eine entsprechende Zunahme des Druckabfalls bewirkt. Sollen gute Durchflussmengen erhalten bleiben, muss der Filter häufig ersetzt werden.
Ein dritter Nachteil besteht darin, dass in herkömmlichen Systemen erhebliche Mengen Energie benötigt werden, um die hereingelassene Luft durch das Filtermedium zu zwingen. Filter, deren Poren nicht verstopft sind, stellen nichtsdestoweniger dem Lufteintritt erhebliche Reibungskräfte oder Widerstände entgegen. In großen Strukturen kann der Energiebedarf beträchtlich sein.
Ein anderer Nachteil besteht darin, dass herkömmliche Lüftungssysteme ein Auslassnetz benötigen, um das Abführen überschüssiger Luft aus dem geschlossenen Raum zu gestatten. Anderenfalls wäre es sehr schwierig, wenn nicht unmöglich, einen stetigen Lüftungsvorgang aufrechtzuerhalten.
Herkömmliche Lüftungsfiltriersysteme sind auch nachteilig, weil sie erheblich mehr Luftstrom benötigen, als es für den Sauerstoffverbrauch erforderlich ist. Betrachten wir einen geschlossenen Raum, der von verunreinigter Luft umgeben ist und bei dem gefilterte Luft in den geschlossenen Raum gezwungen wird, um Sauerstoff für die Insassen bereitzustellen, und die innere Umgebungsluft aus diesem entfernt wird, um erhöhten Druck zu vermeiden. Kohlendioxid tritt im Abluftstrom aus dem geschlossenen Raum in die umgebende Umwelt aus. Gängig ist die Zufuhr von 20 Kubikfuß pro Minute (566 Liter pro Minute) Außenluft pro Gebäudeinsasse. Sitzend tätige Büromitarbeiter erzeugen CO₂ in einer Menge von etwa 0,35 Liter pro Minute (l/min) und Insasse. Unter diesen Bedingungen und im stationären Zustand würde die Außenluft, die eine CO₂-Konzentration von etwa 0,03 % aufweist, eine CO₂-Konzentration von 0,09 % aufweisen, wenn sie aus dem Gebäude austritt ((0,35 l/min / 566 l/min) + 0,03 % = 0,09 %). CO₂-Werte oberhalb von 0,1 % können für die Insassen unangenehm oder nachteilig sein. Außenluft weist auf Meereshöhe im Allgemeinen eine O₂-Konzentration von 20,95 % auf. Nachdem ein Insasse ungefähr 0,28 Liter O₂ pro Minute verbraucht, wird Luft aus dem geschlossenen Raum ausgelassen, die eine O₂-Konzentration von ungefähr 20,0 % aufweist. Dieser Wert ausgelassenen Sauerstoffs spiegelt eine dynamische Raumsauerstoffkonzentration wider, die viel höher ist, als es zur Sicherheit erforderlich ist. Daher bestimmt das CO₂-Niveau die Lüftungsmenge ausgehend von dem Standpunkt, den physiologischen Bedürfnissen von Menschen in geschlossenen Räumen zu genügen.
Die US-amerikanische Patentschrift Nr. 3.369.343 (Robb) beschreibt die Verwendung einer permeablen nicht porösen Wand, die aus Werkstoffen wie z.B.
Silikonkautschuk hergestellt ist, zum Austauschen von CO₂ oder O₂ über Permeation. Permeation, wie sie bei Robb benutzt wird, ist auf ein Lösungsverfahren begrenzt, bei dem sich die Gase in der Folie lösen und anschließend im gelösten Zustand durch die Folie diffundieren. Die Folie bildet eine porenfreie Barriere für jeden Feststoff, jede Flüssigkeit oder jedes Gas, das sich nicht chemisch im Silikonkautschuk löst. Robb beschreibt verschiedene Luftreinigungssysteme unter Nutzung der Silikonkautschukmembranen.
Die sowjetische Patentschrift Nr. SU 1710951 beschreibt ein Lüftungsgerät, das eine Nuklearmembran als ein Gasübertragungsmedium zum Belüften einer geschlossenen Struktur benutzt. Partialdrücke von O₂ und CO₂ auf entgegengesetzten Oberflächen der Nuklearmembran stellen eine Treibkraft für die Gasübertragung bereit. Daneben ist die Membran nützlich beim Blockieren in der Außenluft vorhandener schädlicher Aerosole und Mikroteilchen. Nuklearmembranen werden typischerweise gebildet durch Beschleunigen atomarer Teilchen an einer polymeren Folie, um im Allgemeinen parallele Löcher durch die Folie zu bilden. Diese Löcher in Nuklearmembranen können verstopft oder mit Teilchen angefüllt werden, wodurch die Membran als Gasübertragungsmedium weniger wirksam wird.
Die sowjetische Patentschrift Nr. SU 1119197 beschreibt ein Atemschutzgerät, das eine dünne elastische poröse gaspermeable polymere Membran als ein Diffusionsgasübertragungsmedium benutzt. Die Membran ist als ein Nuklearfiltertyp beschrieben, der aus einer Polyethylenterephthalat- oder Polykarbonatfolie hergestellt ist, die eine Porosität von etwa 10 % aufweist (bei höheren Porositäten fällt die mechanische Festigkeit des Filters schnell ab). Angeblich kann Schutz vor Aerosolen jeder Größe durch die porösen polymeren Membranen bereitgestellt werden, die eine Porengröße von 3 bis 0,03 Mikrometer aufweisen. Wegen der hohen Gleichmäßigkeit der Porengrößen ist die Wirksamkeit des Schutzes vor Aerosolen, die Größen gleich den oder größer als die Poren aufweisen, im Allgemeinen gleich 100 %.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist durch die Merkmale der Ansprüche definiert. Diese Erfindung stellt ein Diffusionsgasübertragungssystem wie in Anspruch 1 definiert bereit.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich außerdem durch ein Verfahren des Gestattens der Übertragung gasförmiger Bestandteile nach Anspruch 26 aus.
Das Diffusionsgasübertragungssystem und das Verfahren der Erfindung unterscheiden sich dadurch von herkömmlichen Lüftungssystemen, dass eine Membran verwendet wird, die die Diffusion von Gasen über die Membran hinweg gestattet, während die Übertragung von Teilchen im Wesentlichen blockiert wird, in Verbindung damit, dass Gasströmung transversal über die Membran hinweg statt normal durch diese gerichtet ist. Das vorliegende System und Verfahren können die Übertragung von Teilchen über einen sehr weiten Bereich aerodynamischer Durchmesser blockieren und sind außerdem insbesondere bei Blockieren von Teilchen von Nutzen, die Größen von 0,2 bis 0,3 μm aufweisen, bei denen herkömmliche Filtriersysteme am einfachsten durchdrungen werden. Die Erfindung überwindet daher die Unbrauchbarkeit der Verwendung großer Mengen von Filtern, um sicherzustellen, dass alle Teilchen abgeschieden werden, um eine saubere Sauerstoffzufuhr sicherzustellen.
Obgleich die Membranen zum Abscheiden von Teilchen in der Lage sein können, wie dies ein Filter tut, ist Filterung nicht notwendig, um gereinigte Gase in den geschlossenen Raum zu bekommen. Sauerstoff kann durch die Membran diffundieren, weil der Partialdruck von Sauerstoff im äußeren Gasbereich größer als im inneren oder geschlossenen Gasbereich ist, in dem sich die Insassen aufhalten. In ähnlicher Weise kann überschüssiges Kohlendioxid aus einem geschlossenen Gasbereich durch Diffusion abgeführt werden, weil sein Partialdruck darin größer als im umgebenden Bereich ist. Filterung erfolgt nicht in nennenswertem Maße, weil die Gasströme transversal zur Membran fließen. Im Ergebnis treten bei System und Verfahren der Erfindung keine wesentlichen Porenverstopfungen auf, denen herkömmliche Systeme unterliegen. Zunahmen des Druckabfalls und häufiger Membranaustausch werden somit vermieden, und Gasübertragungsraten können auch dann aufrechterhalten werden, nachdem die Membran nennenswerter Teilchenbelastung ausgesetzt war.
Die Erfindung neigt außerdem zur, Minimierung des Energiebedarfs, weil die Gasströmungen nicht durch die Membran gezwungen werden müssen. Die Gasübertragung kann allein durch Diffusion auftreten. Die Membran ist in der Lage, eine im Allgemeinen konstante Gasübertragungsrate auch unter Bedingungen derartiger Teilchenbelastung aufrechtzuerhalten, dass ein Druckabfall über die Membran bei konstanter Strömung um etwa 25 % oder mehr zunimmt.
Ferner benötigt die Erfindung keinerlei Auslassöffnung oder System zur Verhinderung von zu hohem Druck im geschlossenen Gasbereich. Überschüssige Mengen von Gasen wie CO₂ können durch Diffusion durch die Membran selbst aus dem geschlossenen Bereich abgeführt werden.
Die Erfindung überwindet auch den Nachteil, dass relativ große Luftströmungen aus der Umgebung in den geschlossenen Raum erforderlich sind. Kohlendioxid und Sauerstoff können aus einem geschlossenen Raum abgeführt bzw. diesem zugeführt werden ohne die gleichzeitig stattfindende Übertragung von Luft und anderen Gasen.
Kurz gesagt: Das Diffusionsgasübertragungssystem ist eine praktische Alternative zu herkömmlichen Filterverfahren für die großmaßstäbliche Abfuhr von CO₂ aus geschlossenen Räumen und das Nachfüllen von O₂ in dieselben ohne die Einbringung in der Luft der Umgebung schwebender feststoffteilchenartiger Verunreinigungen in den geschlossenen Raum.
Dieses Luftbehandlungssystem ist von Vorteil, weil es zusätzlich zu den oben erwähnten Vorzügen Energiesparvorteile in Kombination mit Vorteilen beim Qualitätsmanagement der Luft bietet.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 stellt schematisch ein beispielhaftes Diffusionsgasübertragungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
2a stellt grafisch die Teilchenbelastung durch ein Diffusionsgasübertragungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
2b stellt grafisch die Druckdifferenz über eine Membran in einer Ausführungsform eines Diffusionsgasübertragungssystems dar.
3 ist eine schematische Schnittansicht eines Mehrschicht-Diffusionsgasübertragungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Draufsicht überlagerter beispielhafter Gleich- oder Gegenstromgitter zur Verwendung in einem Diffusionsgasübertragungssystem der vorliegenden Erfindung.
5 stellt schematisch ein mehrschichtiges Querstrom-Diffusionsgasübertragungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
6 gibt schematisch einen Kombinations-Luft-Luft-Wärmetauscher und ein Diffusionsgasübertragungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung wider.
7a stellt einen Verlauf der Sauerstoffkonzentration an Kanaleintritten bei Verwendung von Durchflussmengen von etwa 2,36 Litern pro Minute (l/min) dar.
7b zeigt die volumenmäßige Gesamtmenge übertragenen Sauerstoffs (experimentell gegenüber berechnet) vom Sauerstoffstrom zum Stickstoffstrom bei verschiedenen Durchflussmengen.
7c zeigt die Sauerstoffkonzentration über die Kanallänge auf beiden Seiten einer Membran in laminarer Strömung.
7d zeigt die Sauerstoffkonzentration über die Kanallänge auf beiden Seiten einer Membran in turbulenter Strömung.
8a stellt schematisch ein Personen-Teilchenfiltriersystem gemäß der vorliegenden Erfindung dar.
8b ist eine Vorderansicht eines Personen-Teilchenfiltriersystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine isometrische Ansicht einer Prüfkammer zur Beurteilung eines Diffusionsgasübertragungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
10a ist eine isometrische Ansicht des Diffusionsgasübertragungssystems der 9.
10b ist ein Graph, der die CO₂-Werte bei verschiedenen Durchflussmengen durch das Diffusionsgasübertragungssystem der 9 zeigt.
10c zeigt grafisch verschiedene CO₂-Konzentrationen bei konstanten Arbeitswerten des Subjekts für zwei unterschiedliche Durchflussmengen durch ein Diffusionsgasübertragungssystem der 9.
11 stellt schematisch eine Prüfzelle zur Beurteilung der Diffusionsgasübertragungseigenschaften von Membranen dar.
12a stellt grafisch die Eigenschaft beschleunigter Teilchenbelastung einer mikroporösen und einer Nuklearmembran dar.
12b stellt grafisch die Teilchenbelastungs-Eigenschaft einer mikroporösen und einer anderen Nuklearmembran dar.
13 stellt grafisch die Drücke dar, bei denen für verschiedene mikroporöse Membranen die Teilchendurchdringung aufzutreten beginnt.
14 ist eine Schnittansicht einer Prüfvorrichtung zur Ermittlung von Teilchendurchdringung bei niedrigen Drücken für verschiedene mikroporöse Membranen.
Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Als Begriffe finden in diesem Dokument Verwendung:
„Umgebungsgasströmung" bedeutet eine Strömung oder einen Strom von Gas, üblicherweise Luft, die/der eine Suspension von Flüssigkeiten und/oder Feststoffen enthalten kann.
„Diffusion" bedeutet einen Prozess, bei dem eine diskrete Menge von Flüssigkeiten, Gasen und/oder Feststoffen in einer Umgebungsgasströmung oder in ruhiger Luft sich als Ergebnis ihrer spontanen zufälligen Bewegung vermischt, die durch thermische Bewegung und Kollision verursacht wird, die so zu einer stetigen Durchmischung führt, wie das Volumen sich einer gleichmäßigen Zusammensetzung annähert. In gelösten Substanzen bewegen sich die diskreten Elemente mittels Diffusion von einer Region höherer Konzentration zu einer niedrigerer Konzentration.
„Diffusion von Gasen" ist die freie Bewegung von Atomen und Molekülen von Gasen in der Umgebungsgasströmung oder in ruhiger Luft, wobei die Bewegung dazu neigt, die Atome oder Moleküle sich innerhalb der Grenzen eines geschlossenen Raum gleich verteilen zu lassen.
„Atemgase" beinhalten Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf.
„Teilchen" sind relativ kleine und diskrete Einheiten, entweder fest, flüssig oder eine Kombination daraus, die in einer Umgebungsgasströmung suspendiert oder transportiert werden können. Die Teilchen können einen Durchmesser von etwa 1,0 Millimeter (mm) oder mehr bis weniger als etwa 0,01 Mikrometer (μm) aufweisen. Teilchen, die einen Durchmesser von etwa 20 μm oder größer aufweisen, können im Allgemeinen problemlos mithilfe herkömmlicher Filtrierverfahren entfernt werden. Partikel mit einem Durchmesser von etwa 0,1 μm bis etwa 0,5 μm, wie z.B. Tabakrauch, sind typischerweise zu klein, um mithilfe von Trägheitsmechanismen aus der Luft entfernt zu werden, beispielsweise mit Direkt-Prallflächenabscheidern. Teilchen dieser Größen können jedoch durch Membranen blockiert werden, die in dieser Erfindung verwendet werden. Das vorliegende Diffusionsgasübertragungssystem blockiert die Übertragung im Wesentlichen aller Teilchen von etwa 1,0 mm Durchmesser oder weniger, blockiert mehr vorzugsweise die Übertragung im Wesentlichen aller Partikel, und blockiert noch mehr vorzugsweise die Übertragung aller Partikel.
„Durchlässigkeit" (Permeabilität) ist der Zustand oder die Eigenschaft, in der die Art des Transports einer Substanz wie z.B. einer Flüssigkeit, eines Gases oder eines Feststoffs die durch Poren oder Zwischenräume einer anderen Substanz ist.
„Gewundener Pfad" ist eine Öffnung oder ein Durchtritt durch eine durchlässige Membran, die/der nicht im Wesentlichen gerade ist.
„Ruhige Luft" ist Luft, die im Wesentlichen null Konvektion und Volumenbewegung aufweist.
Das erfinderische Diffusionsgasübertragungssystem erreicht Resultate, die denen überlegen sind, die durch herkömmliche Teilchenfilter erzielt werden. Eine Membran bildet eine Zwischenwand zwischen einem ersten Gasbereich und einem zweiten Gasbereich. Außer über die Membran stehen die ersten und zweiten Gasbereiche vorzugsweise nicht in signifikanter gasförmiger Verbindung miteinander. Die ersten und zweiten Gasbereiche beinhalten jeweils einen Mechanismus, der in der Lage ist, eine erste und zweite Umgebungsgasströmung über die entgegengesetzten Oberflächen der Membran hinweg zu richten. Der „Mechanismus" kann ein Instrument, ein Prozess oder ein anderes Mittel oder eine Kombination sein, die das Umgebungsgas veranlasst, transversal über die und in Kontakt mit der Membran zu strömen. Die Membran gestattet die Diffusion von Gasen, die in den Umgebungsgasströmungen enthalten sind, zwischen den ersten und zweiten Gasbereichen, während die Übertragung von Teilchen im Wesentlichen blockiert wird. Besonders geeignet ist die vorliegende Erfindung zur Durchführung des Austauschs von Atemgasen zwischen den ersten und zweiten Gasbereichen. Andere Nicht-Atemgase können zu anderen nützlichen Zwecken ebenfalls übertragen werden. Als Folge davon kann der zweite Gasbereich in einem lebenserhaltenden Zustand oder anderweitig vorteilhaften Zustand gehalten werden, der im Wesentlichen frei von Teilchen ist, die ihren Ursprung im ersten Gasbereich haben oder von diesem herrühren.
In einer Ausführungsform wird die Membran gehalten. Die gehaltene Membran blockiert im Wesentlichen die Übertragung von Teilchen, wenn ein Druckunterschied über der Membran einen Druck umfasst, der größer als ein Berstdruck der Membran ist. Das Verhältnis eines Diffusionskoeffizienten eines gewählten Gases bei einer gegebenen Temperatur und einem gegebenen Druck innerhalb des gewundenen Pfades der Membran zu einem Diffusionskoeffizienten desselben Gases unter derselben Temperatur und demselben Druck in ruhiger Luft liegt zwischen 0,002 und 0,970.
Die erste Umgebungsgasströmung ist vorzugsweise Luft außerhalb eines geschlossenen Raumes. Die zweite Umgebungsgasströmung ist vorzugsweise Luft innerhalb des geschlossenen Raumes. Der geschlossene Raum kann das Innere eines Reinraumes, ein Personen-Atemgerät, einen Fahrgastraum eines Automobils, eine Flugzeugkabine, ein Wohnhaus, ein Hochhaus, eine Fabrik einen Raum eines Krankenhauses oder eine Vielzahl anderer Strukturen umfassen. In einer alternativen Ausführungsform kann das Diffusionsgasübertragungssystem genutzt werden, in der Luft schwebende Teilchen ohne den zweiten Gasbereich zurückzuhalten. In Anwendungen, bei denen der zweite Gasbereich das Innere eines Raumes, eines Abteils, eines Gebäudes oder einer anderen Struktur ist, erfolgt der Gasaustausch primär über die Membran, während sekundärer Gasaustausch in anderen Gebieten als über die Membran auftreten kann, wie z.B. aufgrund von Undichtigkeiten um Türen und Fenster. Mit „primär" ist gemeint, dass über einen ausgedehnten Zeitraum ein erheblich größeres Volumen des Gasaustauschs zwischen den Bereichen über die Membran(en) statt über andere Gebiete erfolgt.
Die ersten und zweiten Umgebungsgasströmungen oder – ströme können senkrecht, parallel oder in verschiedenen Winkeln relativ zueinander gerichtet sein. In einer Ausführungsform kann eine oder mehrere der Umgebungsgasströmungen in turbulenter oder laminarer Strömung in Bezug auf das Diffusionsgasübertragungsmedium fließen.
In dieser Erfindung tendieren wie in herkömmlichen Lüftungssystemen die CO₂-Werte dazu, die Luftdurchdlussmengen zu bestimmen. Für das erfinderische Diffusionsgasübertragungssystem können die Durchflussmengen ermittelt werden, indem die intern erzeugte Menge von CO2 durch die Änderung in der CO2-Konzentration über das Gasübertragungssystem hinweg dividiert wird. Wenn beispielsweise eine sitzend tätige Einzelperson 0,35 Liter CO2 pro Minute erzeugt und die Änderung der CO2-Konzentration über den innere Strömungskreis (zweite Umgebungsgasströmung) des Gasübertragungssystems 0,05 Prozent beträgt, ist der Luftstrom in in diesem Strömungskreis gleich 0,35 dividiert durch 0,0005, also gleich 700 Liter pro Minute.
1 stellt schematisch ein Diffusionsgasübertragungssystem 20 dar, in dem Umgebungsgasströmung von einem ersten Gasbereich 22, die durch die erste Kammer 28 strömt, in Kontakt mit einer ersten Oberfläche 23 einer Membran 24 gebracht wird. Umgebungsgasströmung von einem zweiten Gasbereich 26, die durch die zweite Kammer 30 strömt, wird in Kontakt mit einer zweiten Oberfläche 25 der Membran 24 gebracht. In der in 1 dargestellten Ausführungsform repräsentiert der erste Gasbereich 22 Luft außerhalb eines geschlossenen Raumes und repräsentiert der zweite Gasbereich 26 Luft in einem geschlossenen Raum. Eine Dichtung 27 ist bereitgestellt, um Gasleckage zwischen den Bereichen 22, 26 und den Rändern von Membran 24 einzuschränken. Druckabnahmeöffnungen 29a-d befinden sich an verschiedenen Stellen in den Kammern 28, 30, wie z.B. nahe den Ein- und Auslässen 42, 44, 46, 48. Die ersten und zweiten Gasbereiche 22, 26 stehen nicht in Fluidkommunikation miteinander, ausgenommen über die Membran 24. Bei Anwendungen, in denen der zweite Gasbereich 26 eine große Struktur repräsentiert, beispielsweise ein hohes Gebäude, sind die ersten und zweiten Gasbereiche 22, 26 möglicherweise aufgrund von Undichtigkeiten oder vorübergehenden Öffnungen zwischen den beiden Gasbereichen noch anders als über die Membran miteinander verbunden.
Wegen der Lebensprozesse innerhalb des zweiten Gasbereichs 26 enthält die Umgebungsgasströmung in der zweiten Kammer 30 bezogen auf die Umgebungsgasströmung in der ersten Kammer 28 erhöhte Werte von CO2 und verringerte Werte von O₂. Der höhere Partialdruck von Sauerstoff in der ersten Kammer 28 bewirkt, dass O₂ durch die Membran 24 und in die zweite Kammer 30 strömt. Gleichzeitig bewirkt der höhere Partialdruck von Kohlendioxid in der zweiten Kammer 30, dass CO₂ durch die Membran 24 und in die erste Kammer 28 strömt.
Die Membran 24 kann eine Größe aufweisen, mit der sie ausreichenden Diffusionsaustausch von O₂ und CO₂ bereitstellt, um eine gesunde Umgebung innerhalb des zweiten Gasbereichs 26 aufrechtzuerhalten, während Teilchen daran gehindert werden, in die Membran 24 einzudringen. Die Diffusion von Sauerstoff und Kohlendioxid über die Membran 24 wird über verschiedene Faktoren gesteuert, wie z.B. über den (zu den Partialdruckunterschieden von O₂ und CO₂ proportionalen) Konzentrationsgradienten über der Membran 24, die Diffusionstransparenz der Membran, die Geometrie der Strömungskanäle auf jeder Oberfläche der Membran 24 im System 20, die verfügbare Diffusionsfläche der Membran 24, die Durchflussmenge in den Strömungskanälen und andere Faktoren. Jeder Sauerstoffverbrauch oder jede Kohlendioxiderzeugung innerhalb des zweiten Gasbereichs 26 bewirkt eine entsprechende Übertragung des gewählten Gases über die Membran 24.
2a und 2b stellt grafisch die theoretische Teilchenbelastung bzw. den Druckunterschied über eine Membran 24 hinweg entlang des Strömungspfades der Diffusionsgasübertragungsmembran (DGTM) bei Verwendung des Diffusionsgasübertragungssystem dar, wie in 1 dargestellt. Kurve 40 entspricht dem statischen Luftdruck innerhalb der ersten Kammer 28. Umgebungsgasströmung tritt vom ersten Bereich 22 in die erste Kammer 28 durch die Einlassöffnung 42 ein, die durch die linke senkrechte Achse bezeichnet wird. Der statische Druck innerhalb der ersten Kammer 28 fällt ab, wenn sich die Umgebungsgasströmung durch die erste Kammer 28 zu einer Ausgangsöffnung 44 bewegt, die durch die rechte senkrechte Achse bezeichnet wird. In der Ausführungsform der 1 zeigt die Umgebungsgasströmung durch die zweite Kammer 30 in die umgekehrte Richtung. Demzufolge ist der Druck über die Membran hinweg nahe dem Einlass 48 am höchsten, wie durch den Schnittpunkt zwischen der rechten senkrechten Achse und der Kurve 46 im Druckgraphen der 2b gezeigt. An einem Punkt nahe der Mitte des Diffusionsgasübertragungssystems 20 ist der Druckunterschied über die Membran 24 am Schnittpunkt der Kurven 40, 46 ungefähr gleich null. Die Richtungen der Umgebungsgasströmungen durch das System 20 können bezogen aufeinander parallel oder in einem Winkel schräg zueinander sein statt entgegengesetzt gerichtet, obgleich Gegenströmung im Allgemeinen in der höchsten Massenübertragungsrate des Systems resultiert. Da der Druckabfall über die Membran 24 hinweg zunimmt, kann auch eine druckbedingte Strömung vorhanden sein, die die Diffusionsströmung der Gase ergänzt oder beeinträchtigt.
Die Teilchenbelastung der Membran 24 wird primär durch Druckunterschiede zwischen entgegengesetzten Oberflächen der Membran 24 betrieben. Wie in 2a dargestellt, entspricht die Kurve 50 der Teilchenbelastung an der ersten Oberfläche 23 der Membran 24. Da der Druckunterschied über die Membran 24 hinweg am Einlass 42 am größten ist, der durch die linke senkrechte Achse bezeichnet wird, ist die Teilchenbelastung an jener Stelle am größten. Die Teilchenbelastung fällt in Richtung der Mitte des Diffusionsgasübertragungssystems 20, wo der Druckunterschied über die Membran 24 hinweg sich null nähert, deutlich ab, obgleich die Teilchenbelastung bedingt durch die zufällige Bewegung des Gases und die entsprechende Brownsche Bewegung der Teilchen größer als null sein kann. Dementsprechend ist die Teilchenbelastung auf der zweiten Oberfläche 25 der Membran 24 am Einlass 48 am größten. Unter der Annahme, dass das Umgebungsgasströmungs-Volumen auf der zweiten Oberfläche 25 im Allgemeinen weniger Teilchen enthält, ist die in Kurve 52 gezeigte Gesamthöhe der Teilchenbelastung niedriger. Wie im Zusammenhang mit der ersten Kammer 28 diskutiert, fällt die Teilchenbelastung in dem Maße deutlich ab, wie sich der Druckunterschied über die Membran 24 hinweg verringert.
3 stellt schematisch ein mehrschichtiges Diffusionsgasübertragungssystem 60 dar, das ausgelegt ist, die Fläche von Diffusionsmembranen 61 zwischen dem verunreinigten Strom der Umgebungsgasströmung 62 und dem weniger verunreinigten Strom der Umgebungsgasströmung 64 zu maximieren. Wie in der Region R gezeigt, variieren die Konzentrationen von Sauerstoff, Kohlendioxid, Wasserdampf und anderen Gasen und Dämpfen, die durch die Membran 61 diffundieren, während der aktiven Diffusion. Beispielsweise ist im Falle laminarer Strömung und unter der Annahme, dass die Konzentration eines ausgewählten oder Zielgases in dem verunreinigten Strom der Umgebungsgasströmung 62 höher ist, die Konzentration Cx eines Zielgases in dem verunreinigten Strom der Umgebungsgasströmung 62 nahe der Mittellinie D1 im Allgemeinen größer als die Konzentration des Zielgases C_y. Da das Zielgas fortfährt, durch die Membran 61 zu diffundieren, wird die Konzentration von Sauerstoff C₁ auf der entgegengesetzten Oberfläche der Membran größer als die Konzentration C₂ sein. Über einen Zeitraum wird die Konzentration C_x fortfahren abzunehmen und die Konzentration C₂ fortfahren zuzunehmen, da die Ströme der Umgebungsgasströmungen 62, 64 fortfahren zu strömen.
In einer Umgebung mit laminarer Strömung ist die Geschwindigkeit der Umgebungsgasströmung im Allgemeinen entlang der Mittellinien D₁, D₂ der Ströme der Umgebungsgasströmungen 62, 64 am größten. Die Geschwindigkeit tendiert näher an der Membran 61 dazu, niedriger zu sein. Konzeptionsbedingt ist die Diffusion durch die Membran 61 durch drei Impedanzen begrenzt: eine erste Grenzschicht zwischen C_x und C_y, die Membran 61 und eine zweite Grenzschicht zwischen C₁ und C₂. Die Grenzschichtimpedanz ist in einer Umgebung mit turbulenter Strömung im Allgemeinen geringer.
4 stellt schematisch eine Gitterschicht 80 zur Verwendung in einem geschichteten Diffusionsgasübertragungssystem dar. Die Gitterschicht 80 weist eine Reihe von Teilern 82 zum Richten von Umgebungsgasströmung entlang diskreter Strömungspfade 84 und 86 auf. Die Teiler 82 dienen auch als Abstandshalter zwischen wechselnden Schichten von Membranen. Das Diffusionsgasübertragungssystem kann durch wechselnde Gitterschichten 80 mit Blättern einer Membran (nicht gezeigt) konfiguriert sein. Wechselnde Gitterschichten 80 können derart um 180° zueinander gedreht sein, dass sich die Teiler 82 entlang den Endabschnitten 87, 88 in einer Querstromkonfiguration befinden. Abbrechabschnitte 81 halten die Teiler und sonstige Komponenten während des Zusammenbaus in einem Abstand zueinander und werden entfernt, nachdem der Membranstapel zusammengebaut ist. In einer Gegenstromsituation sind die Regionen 83a und 83b Einlässe, 85a und 85b hingegen Auslässe. Bei einem Gleichstrom sind 83a und 85b Einlässe, 83b und 85a Auslässe.
5 ist eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Diffusionsgasübertragungssystems 90. Eine Reihe von Membranen 99 werden von einer Reihe Teiler 97 in einer Konfiguration mit Abstand zueinander gehalten. Wechselnde Schichten verunreinigter Umgebungsgasströmung 92 bewegen sich durch Kanäle 94 senkrecht zur weniger verunreinigten Umgebungsgasströmung 98 in Kanälen 96.
6 stellt schematisch ein Diffusionsgasübertragungssystem 200 das, das in Kombination mit einem Luft-Luft-Wärmetauscher 202 angeordnet ist. Kühle Umgebungsgasströmung von einem ersten Gasbereich 204 tritt in einer Einlassöffnung 206 ein und tritt an Öffnung 208 aus dem System aus. Das Gas durchläuft einen ersten gasförmigen Strömungspfad 213 auf dem Stromaufwärts-Abschnitt 211 unter der Wirkung eines geeigneten Antriebs wie z.B. eines Gebläses, einer Pumpe, eines Verdichters, eines Balges oder dergleichen. Die Umgebungsgasströmung, die an der Einlassöffnung 206 eintritt, wird zu einer ersten Oberfläche einer Diffusionsgasübertragungsmembran 212 in einer Diffusionsgasübertragungsgrenzfläche in einem Abschnitt 210c gefördert. Die Membran trennt im Wesentlichen das, was als der Stromaufwärts-Abschnitt 211 des ersten gasförmigen Strömungspfades 213 bezeichnet wird, von dessen Stromabwärts-Abschnitt 215. Ein zweites oder wärmeres gasförmiges Fluid 217 aus einem zweiten Gasbereich 216 berührt die entgegengesetzte Oberfläche der Membran 212, um Diffusionsübertragung zwischen dem ersten gasförmigen Strömungspfad 213 und dem zweiten gasförmigen Strömungspfad 217 in Abschnitt 210c zu bewirken. Thermische Übertragung tritt über das Medium 212 ebenfalls derart auf, dass die kühlere gasförmige Strömung 213 an Stelle 210c erwärmt wird. Der erste, jetzt Sauerstoff-verbrauchte wärmere Gasstrom in Pfad 213 an Stelle 210c setzt seinen Weg entlang des Stromabwärts-Abschnitts 215 des Fluidpfades 213 zu einer Stelle 210b fort, wo er in thermische Kommunikation mit dem kühleren Umgebungsgasstrom vom Stromaufwärts-Abschnitt 211 an der Stelle 210a gebracht wird, wodurch er das ankommende Gas erwärmt.
Laminare/turbulente Massendiffusion
Die Leistung des Diffusionsgasübertragungsgeräts hängt von der Vorauswahl zwischen den Gesetzmäßigkeiten der laminaren und der turbulenten Strömung ab. In einer geraden Kanalkonfiguration tritt laminare Strömung bei einer Reynoldszahl von weniger als ungefähr 2300 auf. Turbulente Strömung tendiert dazu, oberhalb von etwa 2300 einzusetzen. Die Reynoldszahl ist definiert als das Verhältnis von Trägheits- zu Viskositätseffekten, also als
wobei ρ die Dichte des Fluids, D der äquivalente Durchmesser des Kanals, V die Strömungsgeschwindigkeit und μ die Viskosität des Fluids ist.
Für ein Gas, das sich durch einen Kanal bewegt, ist eine Grenzschicht durch den Teil des sich bewegenden Gases definiert, der durch das Vorhandensein einer festen Grenze beeinflusst wird, wie z.B. einer porösen Membran. Für eine gegebene Membran bestimmt die Grenzschichtdicke die Menge des Gases, das von einer Oberfläche der Membran zur anderen übertragen wird. Dickere laminare Grenzschichten fördern eine geringere Gasübertragung über die Membran verglichen mit dünneren turbulenten Grenzschichten (viskosen Unterschichten), die näher an der Diffusionsmembran liegen und mit dieser verbunden sind. Gleichzeitig erzeugen aufgrund einer größeren Fluid-Verweilzeit laminare Durchflussmengen höhere Konzentrationsprofile über die Länge des Kanals hinweg.
Für eine gegebene Kanalkonfiguration existiert eine optimale Kombination aus Durchflussmenge, Strömungspfad, Kanalweite und -länge und Kanalzwischenraum, bei der die Massenübertragung von einem Einlass zu einem Auslass gleich einem Maximalwert ist, wobei man in Erinnerung behalten muss, dass hoher Druckabfall bei sehr hohen Durchflussmengen wegen der Möglichkeit der Membranverformung und der Lüfter-Energiekosten schädlich sein kann.
Um die Wirkung zu analysieren, die laminare oder turbulente Strömung auf die Massenübertragung hat, wurde ein Satz von Experimenten entwickelt, um die Beziehung zwischen Massenübertragung und Strömungsgesetzmäßigkeit unter Gleichstrombedingungen zu ermitteln.
Laminarer/turbulenter Diffusionstest
Die in diesem Test verwendete Experimentiervorrichtung bestand aus zwei einzelnen horizontalen Strömungskanälen, die voneinander durch eine Membran getrennt waren (weiter unten in Beispiel 5 verwendeter Werkstoff). Die Maße jedes Kanals waren: Dicke: 1/8 Inch (3,175 mm), Breite: 0,3125 Inch (7,9375 mm) und Länge: 4 Inch (10,16 cm). Die Experimentiervorrichtung gab die Strömungsführung wieder, die in 1 beschrieben ist, mit der Ausnahme, dass die Ein- und Auslässe in 90° bezogen auf die Strömungspfadachse ausgerichtet waren und die Strömung gleichstrom- statt gegenstrommäßig war.
Der Strömungspfad in der ersten Kammer 28 enthielt ultrareinen Stickstoff (0 % Sauerstoff) und die untere Strömung in der zweiten Kammer 30 enthielt vorgefilterte Laborluft (20,9 % Sauerstoff). Die Diffusionsanalyse erfolgte durch Übertragen von Sauerstoff von der Luft enthaltenden Kammer 30 in die Stickstoff enthaltende Kammer 28. Die Menge des Sauerstoffs, die in den Stickstoffstrom übertragen wurde, wurde am Auslass 44 des Stickstoffpfades überwacht und gemessen. Die Instrumentierung, die zur Detektierung der Sauerstoffkonzentration verwendet wurde, war dieselbe, die in den weiter unten beschriebenen Diffusionstests benutzt wurde.
Druckabfälle und Durchflussmengen wurden an jedem Strömungspfadein- und -auslass mithilfe von Magnahelic-Druckmessgeräten bzw. Rota-Durchflussmessern überwacht. Tabelle 1 zeigt den Prozentsatz an Sauerstoff, der in den Stickstoffstrom übertragen wurde, gemessen am Strömungspfadauslass bei Gleichstrom. Die Differenz in den Druckabfallwerten zwischen den beiden Strömen ist durch die unterschiedlichen Werte der Viskosität und Dichte für das jeweilige Gas (Luft und Stickstoff) bedingt. Beachten Sie, dass die Strömungen in den laminaren Fällen in Schritten von 5 Kubikfuß pro Stunde (cfh), 2,36 Liter pro Minute (l/min) und in den turbulenten Fällen in Schritten von 10 cfh (4,72 l/min) inkrementiert wurden.
Laminares/turbulentes Diffusionsmodell
Die oben durchgeführte experimentelle Analyse war sehr hilfreich dabei, eine Bezugslinie der Niveaus der Gasübertragung in dieser Prüfzelle zu erhalten.
Um den experimentellen Iterationsprozess (Trial and Error) zu reduzieren, wurde ein Fluiddynamik-Berechnungsmodell (CFD-Modell) entwickelt, um einige der Experimentläufe zu überprüfen und und dabei zu helfen, einige bevorzugtere Modi auszuwählen. Ist das Modell einmal erstellt, bietet der Berechnungsprozess den Vorteil von Änderungen und Variationen von Parametern, die anderenfalls im Experiment nicht vorgenommen werden könnten.
Das entwickelte Berechnungsmodell nutzt die Navier-Stokes-Bestimmungsgleichungen, die die Fluiddynamik und die Massenübertragung beschreiben, die im tatsächlichen Prozess auftreten. Das Modell besteht aus einem diskretisieren Maschenbereich, der (abgesehen von Ein- und Auslässen) die tatsächliche Geometrie wiedergibt, wobei die numerischen Gleichungen gelöst werden, um eine Lösung gleich der anzunähern, die im Experiment gefunden wurde. Da das Modell eine Näherung des realen Systems ist, ist es, sobald man eine Lösung erhalten hat, möglich, Informationen an jeder Stelle des physikalischen Bereichs zu extrahieren. Informationen wie z.b. Druckgradienten, Geschwindigkeiten (einschließlich Strömungsrichtung), Konzentrationsgradienten, übertragene Gesamtmasse usw. können überall im Bereich der diskretisierten Lösung erlangt werden. Das entwickelte Modell beinhaltete laminare und turbulente Effekte, die mit der Massenübertragung von Spezien gekoppelt waren.
Um eine vergleichende Analyse des Prozesses zu entwickeln, wurden die physikalischen Parameter und Maße des Experiments in das Modell integriert. Der Prozentsatz an Sauerstoff, der in den Stickstoffstrom übertragen wurde, war der Hauptparameter, der zum Vergleichen von experimentellen und berechneten Werten verwendet wurde.
7a zeigt eine Seitenansicht der Konzentration von Sauerstoff für den Gleichstrom für einen kleinen Abschnitt an den Luft- (20,9 % Sauerstoff) und Stickstoffeinlässen (0,0 % Sauerstoff). In dieser Figur sind beide Einlässe gezeigt, wobei der Luftstrom unten und der Stickstoffstrom oben sowie eine Membran zu sehen ist, die die Gasströmungen von links nach rechts in beiden Strömungspfaden trennt. Es ist wichtig zu beachten, wie die lineare Zunahme der Sauerstoffkonzentration direkt am Eingang dieses kleinen Strömungspfad-Schnitts erfasst werden kann. Das berechnete Modell lief mit 5 Kubikfuß pro Stunde (cfh) (2,36 l/min) bei laminarer Strömung, und die Integration der Konzentrationswerte am oberen Auslass ergab 3.57 % Sauerstoff (gegenüber 4,62 % im Experiment). Die Gesamtvolumenmenge übertragenen Sauerstoffs kann für jeden Fall errechnet werden durch Multiplizieren der tatsächlichen Durchflussmenge mit dem Prozentsatz übertragenen Sauerstoffs für diesen Fall nach Tabelle 1.
7b zeigt den Vergleich berechneter Werte gegenüber experimentellen Werten für das Gesamtvolumen übertragenen Sauerstoffs im Gleichstrommodus. Eine wichtige Erkenntnis aus dieser vergleichenden Analyse ist die Tatsache, dass bessere Massenübertragungsraten bei höheren Durchflussmengen auftreten (turbulente Strömung).
Der Effekt der Massenübertragung kann außerdem aus den Konzentrationsvariationen über die Länge des Strömungspfades quantifiziert werden. 7c zeigt die Sauerstoffkonzentrations-Variation vom Einlass (x = 0) zum Auslass (x = 10,16 cm) entlang jeder der Oberflächen 23, 25 der Membran (nahe an der Feststoff/Gas-Grenzfläche) im Gleichstrommodus für eine laminare Durchflussmenge von 5 cfh (2,36 l/min). 7d zeigt dieselbe Sauerstoffkonzentrations-Variation, jedoch für eine turbulente Durchflussmenge von 140 cfh (66 l/min). Es ist zu beobachten, dass die Konzentrationsdifferenz (ΔC) für den laminaren Fall über die Membran etwa gleich 1,5 % ist, während für den turbulenten Fall die Konzentrationsdifferenz (ΔC) über die Membran etwa 8 % beträgt.
Tabelle 1
8a und 8b betreffen ein Personen-Diffusionsgasübertragungssystem 70. Der Bediener 71 atmet durch eine Maske 73, von der ausgeatmeter Atem durch einen Exhalationsschlauch 75 in ein Diffusionsgasübertragungmodul 72 geführt wird. Die vom Bediener 71 exhalierte Luft enthält relativ zur Außenluft geringere Konzentrationen von O₂ und höhere Konzentrationen von CO₂. Ein äußerer (Teilchen enthaltender) Luftstrom 74 wird derart in Zusammenwirken mit dem Diffusionsgasübertragungmodul 72 gebracht, dass der Sauerstoffgehalt im Raum der Sammelkammer 77 erhöht und der CO₂-Gehalt verringert wird. Die sauerstoffangereicherte Rückluft im Raum der Sammelkammer 77 wird an einen Atembeutel 76 geleitet. Die Inhalation von Atem aus dem Atembeutel 76 erfolgt durch einen Inhalationsschlauch 79 zum Bediener 71. Es versteht sich, dass die Außenluft optional durch einen Lüfter oder einen anderen Mechanismus in das Zusammenwirken mit dem Diffusionsgasübertragungmodul 72 gezwungen werden kann.
9 ist eine isometrische Darstellung einer Prüfkammer 100 zur Beurteilung eines Diffusionsgasübertragungssystems 102. Die Prüfkammer 100 ist hermetisch abgedichtet und bildet einen inneren Gasbereich 104. Luft in einem äußeren Gasbereich 106 vermischt sich nicht mit der Luft im inneren Gasbereich 104. Innerhalb der Prüfkammer 100 ist ein Stück Trainingsausstattung 120 bereitgestellt, um den Verbrauch von Sauerstoff durch den Bediener 122 zu beschleunigen.
Das Diffusionsgasübertragungssystem 102 beinhaltet, wie am besten in 10a zu sehen, ein mehrschichtiges Diffusionsgasübertragungmodul 108, das im Allgemeinen die Konfiguration der 4 mit einer Mehrzahl in einem Abstand angeordneter Membranen aufweist. Die Luft im äußeren Gasbereich 106 wird von einem Lüfter 112 über die Membranen getrieben. Die Luft kehrt über die Öffnung 114 zum äußeren Gasbereich zurück. In ähnlicher Weise wälzt ein Lüfter 116 Luft innerhalb des inneren Gasbereichs 104 über die Membranen um. Die Luft kehrt über die Öffnung 118 in den inneren Gasbereich 104 zurück. Die Prüfkammer 100 und das Diffusionsgasübertragungssystem 102 werden im Zusammenhang mit Beispiel 42 ausführlicher diskutiert. Der Luftstrom wird über eine Reihe von Zugstangen 110 gesteuert, die im Zusammenhang mit Beispiel 42 beschrieben werden.
10b ist eine grafische Darstellung der Gleichgewichtskonzentration von CO₂ innerhalb der Prüfkammer 100 von 9 für eine Vielzahl von Luftdurchflussmengen durch das Diffusionsgasübertragungssystem 102. Die horizontale Achse zeigt die Durchflussmenge sowohl in Litern pro Minute als auch in Kubikfuß pro Minute an. 10b zeigt ferner die Gleichgewichts-CO₂-Konzentration innerhalb der Prüfkammer bei verschiedenen Luftströmungen durch die DGTM. Die CO₂-Werte wurden mit einem CO₂-Messgerät des Typs 3600 gemessen, das von der Mine Safety Appliance Co., 121 Gamma Dr., Pittsburgh, PA 15238, USA, angeboten wird. Beachten Sie, dass der Gleichgewichts-CO2-Wert anfangs bei zunehmendem Strom von Luft durch die DGTM schnell fällt. Verringerungen im CO₂-Level erreichen einen Level der verminderten Rückfuhr bei etwa 48 CFM (1360 l/min). Das CO₂ wurde mit einer konstanten Rate von etwa 1,55 l/min erzeugt, ein Wert, der durch Anwendung der Lehre der Wasserman-Referenz ermittelt wurde, die unten für eine männliche Person von 255 lb. (115,77 kg) angegeben ist, die sich einer Trainingsbelastung von 100 Watt aussetzt. Weil die Konzentrationen Gleichgewichtswerte sind, überträgt die DGTM etwa 1,55 l/min CO₂ für jede der in 10a gezeigten Durchflusshöhen. Steigerungen der Strömung durch die DGTM haben den vorteilhaften Effekt, die eingeschlossene CO₂-Konzentration zu reduzieren.
10c ist eine grafische Darstellung zweier nacheinander durchgeführter Trainingsexperimente, die übereinander liegend gezeigt werden. Die obere Kurve 140 zeigt die CO2-Konzentration im inneren Gasbereich 104 bei Durchflussmengen durch beide Strömungskreise des Diffusionsgasübertragungssystems von 680 Liter/Minute (24 ft3/Minute). Der ansteigende Abschnitt 141 der oberen Kurve 140 zeigt den Anstieg der CO₂-Konzentration auf einen Gleichgewichtswert von etwa 0,38 %. Zum Zeitpunkt 142 auf der Kurve 140 wurde die Messsonde verschoben, um die CO2-Konzentration am Auslass 118 des Diffusionsgasübertragungssystems 102 zu messen. Die CO₂-Konzentration am Auslass 118 ist im Wesentlichen niedriger als innerhalb des inneren Gasbereichs 104.
10c zeigt ferner die CO₂-Konzentration über die Zeit für eine zweite männliche Person von 190 lbs (86,26 kg) Gewicht, die mit 100 Watt in in zwei separaten Experimenten trainiert, die beide gezeigt werden. Die obere Kurve gilt für eine Durchflussmenge von 24 CFM (680 l/min) durch die DGTM, und die darüber gelegte untere Kurve gilt für eine Durchflussmenge von 48 CFM (1360 l/min). In beiden Kurven ist die schnelle Änderung der Konzentration durch das Verlegen der Absaugsonde des Instruments von der Kammer in die Luft bedingt, die von der DGTM in die Kammer zurück umgewälzt wird. Für die 680-l/min-Kurve beträgt die Reduzierung 0,23 % CO₂ bei einer Übertragung von 1,56 l/min CO₂ durch die DGTM. Für die 1360-l/min-Kurve beträgt die Reduzierung 0,1 % CO₂ bei einer Übertragung von 1,36 l/min CO₂ durch die DGTM.
In ähnlicher Weise zeigt die untere Kurve 144 die verringerten Konzentrationen von CO2, die sich durch das Anheben der Strömung durch das Diffusionsgasübertragungssystem auf 1360 l/min ergeben. Zum Zeitpunkt 145 wurde die Messsonde verschoben, um die CO2-Konzentration am Auslass 118 des Diffusionsgasübertragungssystems 102 zu messen. Zu den Zeitpunkten 146 und 147 wurde die Messsonde verschoben, um noch einmal die CO₂-Konzentration innerhalb des inneren Gasbereichs 104 zu messen.
Beurteilung der Membranen
Die Membranen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, besitzen Eigenschaften, die es erlauben, der Außenluft Sauerstoff zu entziehen, ohne dass Feststoffteilchen übertragen werden. Sauerstoff ist natürlich zur Lebenserhaltung in einem geschlossenen Raum nützlich. Wenn der Außenluft Sauerstoff durch die Membran entzogen wird, wird das überschüssige Kohlendioxid von den Lebensprozessen im geschlossenen Raum in die Außenluft ausgestoßen. Membranen, die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind, blockieren außerdem im Wesentlichen die Übertragung von Feststoffteilchen-Verunreinigungen.
Die Membran ist vorzugsweise ein polymerer Werkstoff, der eine faserige oder kugelförmige Struktur aufweist. Der Hohlraumvolumenanteil der Membran beträgt mindestens 0,2 und vorzugsweise mindestens 0,5, und mehr vorzugsweise, 0,7 oder mehr. Typischerweise, beträgt das obere Ende des Hohlraumvolumenanteils 0,95, typischererweise 0,9. Die gewundenen Pfade in der Membran können durch Poren in der Membran gekennzeichnet sein, die eine offensichtliche maximale Porengröße aufweisen. Die Membran blockiert vorzugsweise die Übertragung von Teilchen sogar dann, wenn die Teilchen viel kleiner als die tatsächliche Porengröße sind, die durch den gewundenen Pfad definiert ist. Die maximale Porengröße für im Wesentlichen vollständige Blockade von Teilchen von 0,1 Mikrometern oder weniger kann abhängig vom Druck, der über die Membran hinweg auftritt, bis zu 3,0 Mikrometern groß sein. Maximale Porengrößen von 0,05 bis 2 Mikrometer können im Wesentlichen die Teilchenübertragung sogar bei höheren Betriebs-Differentialdrücken über die Membran blockieren.
Zur Erhöhung ihres mechanischen Durchbruch- oder Berstdrucks kann die vorliegende Membran gehalten werden. In einer Ausführungsform blockiert die Membran im Wesentlichen die Übertragung von Teilchen, wenn ein Druckunterschied über der Membran größer als der Berstdruck der Membran ist.
Die Membran blockiert vorzugsweise Teilchen und erhält trotzdem hohe Raten des Diffusionsaustauschs von Gasen aufrecht. Die Membranen der vorliegenden Erfindung weisen eine derartige Struktur auf, dass es gewundene Pfade zwischen den oberen und unteren Oberflächen der Membran gibt, die offen und mit Luft gefüllt sind. Zu den Membranparametern, die für den Auswahlprozess relevant sind, zählen:

1. Membranwerkstoff. In Anwendungen, in denen die Feuchtigkeit hoch ist oder in denen die Membranoberfläche eine niedrige Temperatur derart aufweist, dass Kondensation auftreten kann, ist es wünschenswert einen Werkstoff zu verwenden, der eine geringe Oberflächenenergie derart aufweist, dass kondensiertes Wasser nicht in die Poren sickert, um diese zu benetzen. Die thermischen Eigenschaften des Werkstoffs widerstehen vorzugsweise Anwendungstemperaturen auch dann, wenn die Membranen feine mikroporöse Strukturen (von unter 1,0 Mikrometer) aufweisen. Falls der Membranwerkstoff in verschiedenen Anwendungen keine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist, kann er dadurch gehalten werden, dass er mit einer offenen makroporösen Stütztgewebeschicht geschichtet wird. Die Grenzflächenklebung zwischen der Membran und der Halteschicht muss stark genug sein, um Delaminierung während des Gebrauchs zu verhindern, ohne die Gasübertragungsprozesse zu stören.
2. Dicke. Dünne Membranen in der Größenordnung einiger Mikrometer bis zu mehreren hundert Mikrometern sind nützlich, und dickere Membranen mögen erforderlich sein in Anwendungen, in denen die Drücke hoch sind oder in denen physikalischer Missbrauch wahrscheinlich ist.
3. Hohlraumvolumenanteil und Völligkeit. Kontrolle und Auswahl der Völligkeit oder des Feststoffanteils der Membran ist für die Diffusionseigenschaften relevant. Wenn die Völligkeit, die entweder als Bruch oder als Dezimalbruch ausgedrückt wird, von der Zahl 1,0 subtrahiert wird, ergibt sich der Hohlraumvolumenanteil. Der Hohlraumvolumenanteil ist die Summe aller Porenräume innerhalb der Membran zwischen den beiden Membranoberflächen, dividiert durch das Membrangesamtvolumen. Unter dem Gesichtspunkt der Strömung oder des Gasaustauschs ist der Hohlraumvolumenanteil auch der Raum, in dem derartige Strömungs- oder Austauschprozesse auftreten können.
4. Strömungswiderstand. Strömungswiderstand kann nach dem Gurley-Prüfverfahren über die Zeit gemessen werden, die für eine gegebene Menge Gas benötigt wird, um durch die Membran zu strömen, wenn dieses unter einem gegebenen konstanten Druck steht. Strömungswiderstand kann auch durch Messen des Drucks ermittelt werden, der sich durch eine gegebene konstante Strömung ergibt. Wenn die Kenntnis des Strömungswiderstands mit der Kenntnis der Membrandicke, Völligkeit und Feststoffpolymerdichte kombiniert wird, führt sie zu einer Näherung sowohl des effektiven Faserdurchmessers (EFD) nach Rubow als auch des effektiven Porendurchmessers nach Benarie-Chen. (siehe Rubow, K.: Submicron Aerosol Filtration Characteristics of Membrane Filters, Ph.D Thesis, Univ. of Minn., S. 37-38 (1981); Benarie, M.: Influence of Pore Structure Upon Separation Efficiencies in Fiber Filters, Staub. R. Luff 29 (2) S. 37 (1969); Chen, C.Y.: Filtration of Aerosols by Fibrous Media, Chem. Rev 55 (6) S. 595-623 (1955)).
5. Effektive Faserdurchmesser. Der effektive Faserdurchmesser (EFD) ist ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Membraneigenschaften bezüglich der Partikelblockade. Er ist für die Feststoffteilchenbarrieren-Eigenschaften der Membran relevanter als für die Gasübertragungseigenschaften. Zusammen mit dem Porendurchmesser ist die Kenntnis des EFD nützlich bei der Visualisierung der Membranstruktur.
6. Porendurchmesser. Der effektive Porendurchmesser (EPD) nähert den mittleren Porendurchmesser an. Der Blasenbildungspunkt-Porendurchmesser (BPPD) ist repräsentativ für den größten Satz tatsächlicher Kapillarporen, die sich von einer Oberfläche der Membran zur anderen erstrecken, gleich, ob entlang eines gewundenen Pfades oder nicht. Der BPPD ist die Größe des Satzes von Poren, die als Erste das Auswerfen einer benetzenden Flüssigkeit aus der Membran durch ein Gas erlaubt. Diese beiden Porendurchmesser sind in Tabelle 2 aufgeführt.

Membrandickenprüfungen
Die Prüfungen der Membrandicke erfolgten bei zwei unterschiedlichen Oberflächendruckspannungsstärken. Membranen weisen differierende Härtegrade auf, sodass der Betrag der Verdichtung durch aufgebrachte Druckspannung mit der aufgebrachten Spannung und der Härte der Membran variiert. Verdichtung muss vermieden werden, um genaue Messungen zu erhalten. Wichtig ist auch, genügend Spannung bereitzustellen, um Falten in der Membran einzuebnen, um so die Membrandicke messen zu können, ohne das ein Luftspalt zwischen dem Prüfling und der Messoberfläche vorhanden ist. Zur Erhöhung der Genauigkeit wurden Prüflinge unter 25,4 Mikrometer Dicke 5 Schichten oder in einigen Fällen 10 Schichten hoch gestapelt, und die mittlere Dicke pro Membran wurde bestimmt.
Die Dicken der Membranen der Beispiele C1 bis C8 wurden mithilfe des Digital-Längenmessgeräts ONO-SOKKI EG 133 der Ono-Sokki Co. Ltd., Japan, geprüft. Dieses Instrument erfasst bis zu 4 × 10-5 Inch und/oder bis zu 1 × 10-3 mm. Die werksseitige Rückstellfeder im Instrument wurde entfernt, um dem Prüfkopf des Instruments zu gestatten, frei auf dem Prüfling zu ruhen. Das Prüfkopfgewicht betrug 37 Gramm, und diesem wurde ein 100-Gramm-Gewicht hinzugefügt. Ein spezielles Messanbauteil, dessen Gewicht im Prüfkopfgewicht enthalten ist und das eine flache Unterseite mit einem Durchmesser von 0,508 cm (0,2 Inch) aufweist, wurde angefertigt und zum Berühren des Prüflings verwendet. Die Oberflächendruckspannung, die in der Membran während der Messung wirkte, betrug 9,6 psi (6,62 × 10⁴ Pascal).
Die Dicken der Membranen der Beispiele 1 bis 40 wurden mithilfe des oben diskutierten Instruments geprüft. Eine spezielles Aluminium-Messanbauteil, das 11,22 Gramm wog und das eine flache Unterseite mit einem Durchmesser von 2,866 cm (1,128 Inch) mit einer Vertiefung von 0,2'' (0,508 cm) Durchmesser aufweist, wurde zum Berühren des Prüflings verwendet. Das auf den Prüfling wirkende Gesamtgewicht betrug 148,22 Gramm. Die auf den Prüfling wirkende Fläche betrug 6,24 cm² (0,9679 in²), und die während der Messung auf die Membran wirkende Oberflächendruckspannung betrug 0,337 psi (2,32 kPa).
Prüfung der Feststoffpolymerdichte
Poröse Membranen weisen eine Raumdichte auch, die durch Dividieren der Masse eines Prüflings durch das Produkt seiner Dicke und seiner Fläche ermittelt wird. Weil die Membran Hohlraumvolumen aufweist, war dieser Dichtewert niedriger als die tatsächliche Dichte der Feststoffpolymeranteile der Membran, die wie weiter unten beschrieben ermittelt werden konnte.
Die Prüflinge wurden in Luft mit 0,00001 Gramm Genauigkeit gewogen. Lag das Gewicht unter etwa 0,1 Gramm, wurde die geprüfte Membranmenge erhöht, bis deren Gewicht über 0,1 Gramm lag. Das Gewicht wurde protokolliert. Der Prüfling wurde in einen kleinen (etwa 20 cm hohen und 40 mm Durchmesser aufweisenden) perforierten zylindrischen Aluminiumbehälter gelegt, der mittig in der Waage aufgehängt werden konnte. Der Behälter wies vorzugsweise perforierte Wände, Deckel und Boden auf, und sein Gewicht lag unter 20 Gramm. Er wies ein dünnes Nylon-Monofilament auf, das mittig am Deckel angebracht war, mit einer kleinen Schlaufe am entgegengesetzten Ende. Das Gewicht der Baugruppe aus Behälter und Monofilament wurde mit 0,00001 Gramm Genauigkeit protokolliert.
Prüfling und Behälter wurden in ein 150-ml-Becherglas gestellt, das etwa zur Hälfte mit dearomatisiertem Heptan gefüllt war. Der Prüfling wurde in einer Glasglocke vakuumentgast, die auf etwa 1 mm Hg Absolutdruck gepumpt werden konnte. Die Gasentwicklung aus dem Prüfling wurde beobachtet. Die Blasen, die während der Druckabsenkung austraten, waren typischerweise Luftblasen. Blasen, die bei den niedrigeren Drücken austraten, zeigten das Sieden des Heptans an. Das Herunterpumpen wurde wiederholt, bis nur siedendes Heptan beobachtet wurde und keine Blasen während des Herunterpumpens austraten. Von diesem Punkt an verblieben der Behälter und der Prüfling im Heptan, um Lufteinschluss zu vermeiden.
Da sich der Prüfling während des Heptan-Siedeprozesses abkühlt, war es erforderlich, dem Prüfling und dem Heptan das Zurückkehren auf Raumtemperatur zu gestatten. Das Becherglas und der Behälter wurden in der Gramm-Waage platziert, und der Behälter wurde von oben mithilfe eines Nylon-Monofilaments an das Waagenwerk gehängt. Heptan wurde hinzugegeben, bis sich der Behälter um ein gewähltes Standardmaß unterhalb der Heptanoberfläche befand. Bewährt hat sich ein kleiner Knoten im Monofilament, sodass der Heptanspiegel einheitlich war. Der Behälter wurde im Heptan aufgehängt gewogen. Wichtig war, dass der Behälter frei im Heptan hing. Das Behältergewicht wurde subtrahiert, um das Gewicht der in Heptan aufgehängten Membran zu erhalten.
Das Volumen des Feststoffanteils der Membran wurde dadurch erhalten, dass zuerst das Gewicht der Prüflings in Luft vom Gewicht des Prüflings in Heptan subtrahiert wurde und diese Differenz durch die bei Raumtemperatur aufgenommene Dichte des Heptans geteilt wurde. Anschließend wurde die Dichte des Feststoffanteils der Membran durch Teilen des Gewichts des Membranprüflings in Luft durch das oben ermittelte Volumen des Feststoffanteils der Membran bestimmt.
Membran-Strömungswiderstand
Der Widerstand der Membran gegen die Strömung von Luft wird gemäß ASTM-D-726-58, Methode A gemessen. Als Prüfvorrichtungen wurden verwendet ein Teledyne Gurley-Densometer, Modell 4110 und eine Densometer-Steuereinheit 4136/4137, die beide von Teledyne Gurley, Troy, New York, USA, angeboten werden. Bei dem Test wird ein Membran-Prüfling von 1,0 Quadratinch (6,45 cm²) Luft mit einem Druck von 4,88 Inch Wassersäule (1,215 kPa) ausgesetzt. Die Anzahl Sekunden, die während des Strömens von 50 cm³ Luft verstreicht, wird protokolliert. Diese „Gurley-Sekunden" stehen daher in linearer Weise mit dem Strömungswiderstand in Zusammenhang, weil der Strömungswiderstand umso größer ist, je höher der Wert ist.
Blasenbildungspunkt-Porendurchmesser
Bei der Prüfung des Blasenbildungspunkt-Porendurchmessers wird der effektive Porendurchmesser (EPD) in Mikrometer gemessen. Die Prüfungen werden gemäß ASTM-F-316-86, Prüfverfahren A, durchgeführt, das hier zusammenfassend beschrieben wird, da es seit 1995 ausgelaufen ist. Prüfverfahren A bestimmt die maximale Porengröße und wird durchgeführt, indem der Prüfling vorbenetzt wird, der Druck des Gases stromaufwärts des Prüflings um eine vorher festgelegte Rate erhöht wird und stromabwärts auf Gasblasen geachtet wird, die auf den Durchtritt von Gas durch den Satz Prüflingsporen maximalen Durchmessers hinweisen. Das Blasenbildungspunkt-Prüfverfahren basiert auf dem Prinzip, dass eine benetzende Flüssigkeit durch Kapillarkräfte und Oberflächenspannung in den Kapillarporen des Prüflings gehalten wird und der erforderliche Mindestdruck, um Flüssigkeit aus diesen Poren zu zwingen, eine Funktion des Porendurchmessers ist. Der Druck, bei dem ein stetiger Strom von Blasen erscheint, wird Blasenbildungspunktdruck genannt. Zur Durchführung des Tests wurde ein Prüfling von 47 mm Durchmesser auf einer Trägerscheibe platziert, die eine erste Stützschicht, die aus einem Sieb von 100 Mesh oder feiner besteht, und eine zweite Schicht aus perforiertem Metallblech zur Steifigkeit aufweist. Als Gas wurde Argon verwendet, und das Verfahren wurde für ein Benetzungsfluid kalibriert, das aus 3M Fluorinert (TM), FC-43 besteht und von der 3M Specialty Chemicals Division, 3M Center, St. Paul, MN, USA, angeboten wird. Der rampenförmige Druckanstieg wurde von einem Instrument erzeugt und gesteuert, das als ica-Scan Wet-Durchflussinstrument bezeichnet und von International Consultants Association, Encinitas, CA, USA, angeboten wird. Der Druck wurde von einem Ashcroft-Druckgeber, Modell K1, gemessen, der bei Ashcroft, einem Tochterunternehmen von Dresser Industries, Instrument Division, Milford, CT, USA, erhältlich ist. Ein Vacuum General-Modell USX2-11, das von Vacuum General, San Diego, CA, USA, geliefert wird, wurde verwendet, um die Strömung von Gas durch die benetzte Membran zu messen, die auf eine Gasströmung von 10 Norm-cm3 pro Minute kalibriert wurde (stetiger Strom von Blasen). Zur Berechnung der maximalen Porengröße wurde das Berechnungsverfahren nach ASTM-F-316-86, Absatz 9.1 wie folgt verwendet: d = (C)(y)/(P)wobei:

d: = Grenzdurchmesser, μm,
y: = Oberflächenspannung, (dyn/cm)
P: = Druck in psi oder Pa
C: = konstant (2860, wenn p in Pa, 0,415, wenn p in psi angegeben ist)

Im Falle von Fluorinert (TM) FC 43 beträgt das Produkt aus C und y 6,64 dyn/cm.
Membran-Charakterisierung
Eine Vielzahl von Membranen erfüllen die oben diskutierten Kriterien. Eine Membran, die eine mikroporöse polymere Matrix mit wünschenswerten Diffusionsgasübertragungseigenschaften aufweist, ist in der US-Patentschrift Nr. 5.260.360 beschrieben, die Mrozinski et al. erteilt wurde. Mrozinski beschreibt eine Membran, die eine Vielzahl zufällig verteilter, unregelmäßig geformter thermoplastischer Teilchen aufweist. Ein Teil der thermoplastischen Teilchen ist mit Abstand zueinander angeordnet, um zwischen ihnen ein Netz von Pfaden bereitzustellen. Ein Teil der mit Abstand angeordneten thermoplastischen Teilchen ist miteinander durch Fibrillen verbunden.
Eine mikroporöse polymere Matrix ist jeder Werkstoff, der im Allgemeinen gleich bleibende kleinste Öffnungen aufweist, die einen gewundenen Pfad durch dessen Dicke aufweisen. Obgleich es vorzuziehen ist, dass die gesamte Fläche eines blattartigen Werkstoffes mikroporös ist, können Blätter, die massive oder nicht poröse Flächen und mikroporöse Flächen aufweisen, für bestimmte Anwendungen eingesetzt werden. Die Porengröße in einer Matrix ist im Allgemeinen kleiner als die Matrixdicke.
Andere Folien mit wünschenswerten Diffusionsgasübertragungseigenschaften beinhalten: Folien mit ausgerichteten Teilchen wie jene, die in der US-Patentschrift Nr. 4.777.073, der US-Patentschrift Nr. 4.347.844, der US-Patentschrift Nr. 5.176.953 und der US-Patentschrift Nr. 5.317.035 beschrieben sind, kaltdichte Folien, die durch Warm- und Kaltrecken porös gemacht werden, wie jene, die in der US-Patentschrift Nr. 5.013.439, der US-Patentschrift Nr. 3.839.240, der US-Patentschrift Nr. 3.426.754, der US-Patentschrift Nr. 3.843.761, der US-Patentschrift Nr. 3.801.404 und der US-Patentschrift Nr. 3.801.692 beschrieben sind, und andere thermisch angeregte phasengetrennte Folien, wie z.B. in der US-Patentschrift Nr. 4.867.881, der US-Patentschrift Nr. 4.539.256 und der US-Patentschrift Nr. 4.519.909 beschrieben. Eine Vielzahl anderer Membranen, die hier nicht aufgeführt sind, kann ebenfalls in der vorliegenden Erfindung von Nutzen sein.
Eine Reihe von Membranen werden anhand der oben umrissenen Kriterien bewertet, wie in Tabelle 2 zusammengefasst:
Bei C1 weist das leicht negative Resultat für das Hohlraumvolumen darauf hin, dass der Hohlraumvolumenanteil vermutlich sehr niedrig ist. Weil es eine Kombination von Tests ist, die zu dieser Zahl beiträgt, ist es wahrscheinlich, dass das Volumen, das aus der Dicke und der Fläche berechnet wurde, etwas zu hoch war, wodurch die aus dem Volumen errechnete Masse größer als die gemessene Masse wurde. Der Begriff Solidarität in der ganz rechten Spalte von Tabelle 2 ist ein Maß für die Anzahl von Schichten der Struktur in der Membran. Die Solidarität ist gleich dem Vierfachen der Membrandicke mal dem Völligkeitsbruch dividiert durch π (3,1416) und den effektiven Faserdurchmesser (EFD). Dieser Wert ist hilfreich bei der Veranschaulichung der Anzahl von Begegnungen, die einem Teilchen oder Gasmolekül widerfahren, wenn es sich von einer Seite der Membran zur anderen Seite bewegt.
Diffusionsgasübertragungsprüfungen
Zwei im Zusammenhang stehende Prüfungen dienen zur Bestimmung der Diffusionsgasübertragungseigenschaften von Membranen. Die erste ist eine Einzelmembranschichtprüfung zur Messung des Betrages der Gasdiffusion oder Permeation über die Membran hinweg. Die zweite ist eine Prüfung unter Einbeziehung mehrerer Schichten ausgewählter Membranen, die durchgeführt wird, um die tatsächlichen Diffusionseigenschaften der Membranen zu ermitteln.
Die Diffusionsrate von O₂ in Luft beträgt etwa 0,20 cm² pro Sekunde. Die theoretische maximale Diffusionsrate von Sauerstoff durch eine Membran ist kleiner oder gleich der Diffusionsrate von Sauerstoff durch Luft.
Einzelmembranschichtprüfung
11 zeigt eine Diffusionsgasübertragungs-Prüfzelle 150, die identische obere und untere Abschnitte 152, 154 aufweist. Geregelte Strömungen von 5,00 Liter pro Minute (l/min) werden zur oberen Sammelkammer 151 bzw. unteren Sammelkammer 153 gesendet und anschließend durch 100 in gleichmäßigen Abständen angeordnete Bohrungen 156, die einen Durchmesser von 0,10 cm (0,04 Inch) bei einer Länge von 0,32 cm (0,125 Inch) aufweisen. Diese Bohrungen wandeln die Strömung von Gas in kleine Strömungsstrahlen um, die senkrecht auf die Membranoberfläche wirken. Die Strahlen wirken identisch auf obere und untere Oberflächen der Membran 158. Ein Gitter von einundachtzig Stützpfosten 160 (9 Einheiten × 9 Einheiten im Quadrat) sind zwischen den Strahlbohrungen angeordnet, um die Membran zentriert zu halten. Auch berühren die Stützpfosten die Membran 158 leicht, ändern die Membranmaße jedoch nicht.
Ströme von den Strahlen 156 liefern das erste diffundierende Gasgemisch zu jeder Oberfläche der Membran 158 und nehmen auch das zweite diffundierende Gas auf, das durch die Membran kommt. Anschließend strömen die Gase von der Membran 158 fort durch insgesamt vierzig Bohrungen 161, 163 von 0,125'' (0,32 cm) Durchmesser, die zu je zehn pro Seite um die gleich langen Seiten der Zelle 150 auf jeder Seite der Membran 158 verteilt sind. Die Strömung auf jeder Seite der Membran 158 führt anschließend weiter zu den seitlichen Sammelkammern zur Sammlung und Übertragung zu den Ausgangsöffnungen 162 bzw. 164.
Ein Gasgemisch mit bekanntem prozentualen Anteil von Sauerstoff oder Kohlendioxid mit Stickstoff als Ausgleich wurde dem oberen Zellenabschnitt zugeführt und 100 Prozent Stickstoff wurden dem unteren Zellenabschnitt zugeführt. Durchflüsse wurden mit einem speziellen Durchflussmessgerät gemessen, das im mit Gasströmungsprüfung bezeichneten Abschnitt beschrieben ist. Sauerstoffkonzentrationen wurden mithilfe einer Servomex-Analysatorsteuerung der Reihe 1100, Modellnr. 1100A0103110002000000, (603) gemessen, die von Servomex in Norwood, MA, USA, geliefert wird. Wenn Kohlendioxid verwendet wurde, wurde die Konzentration mit einem Luftqualitätsmonitor des Modells aq-501 gemessen, der von der Metrosonics, Inc. in Rochester, NY, USA, angeboten wird. Ein Druckmessgerät, das eine Nullmittenskala aufweist und in der Lage ist, Druckunterschiede von nur 0,01 Inch Wassersäule (2,49 Pascal) anzuzeigen, wurde an den oberen und unteren Zellen angebracht, um sicherzustellen, dass der Druck zwischen den oberen und unteren Zellen abgeglichen war.
Die diffundierte Menge beispielsweise von Sauerstoff ist das Produkt der Konzentration von Sauerstoff, die im (unteren) Stickstoffstrom festgestellt wurde, und der Ausgangsströmung des unteren Zellenabschnitts. Die exakten Ausgangsströmungen können algebraisch durch Sauerstoff- oder Stickstoff-Massenausgleichsberechnungen ermittelt werden. Weil die Mengen diffundierten Sauerstoffs und Stickstoffs nahezu gleich sind, liegen die Ausgangsströmungen sehr nahe an den Eingangsströmungen von 5,00 l/min, und die Verwendung von 5,00 l/min für Ausgangsströmungen beeinträchtigt die Bestimmung der Menge diffundierten Gases nicht nennenswert. Beispielsweise übertrug Beispiel 19 der 45-μm-Membran Gelman GN-6 0 6,74 % O₂ in eine 5,0-l/min-Strömung für insgesamt 0,337 l/min übertragenes O₂.
Tabelle 3 stellt Diffusionsergebnisse für Membranen bereit, die in der Einzelschichtmembranprüfung unter Verwendung von Sauerstoff und Kohlendioxid als Prüfgase getestet wurden. Je höher der Wert, desto besser die Diffusionseigenschaften der Membran.
Tabelle 3
Mehrschichtmembranprüfung
Die Mehrschichtmembranprüfung nutzt Ausrüstung und Verfahrensweise der oben diskutierten Einzelschichtmembranprüfung. Die Mehrschichtprüfung folgt der Bestimmung effektiver Diffusionskoeffizienten von Gasen innerhalb von Membranstrukturen.
Zur Ermittlung der Diffusionstransfereigenschaften von Membranen ist es notwendig, das, was innerhalb der Membran geschieht, von Grenzschichteffekten auf und nahe den Membranflächen zu trennen. Die Membranbeiträge können durch Reihen von Experimenten festgestellt werden, bei denen zunehmend Schichten von Membranen in engem Kontakt aufeinander gestapelt werden. Die in 11 gezeigten Stützpfosten 160 dienen dazu, einzelne Membranen 158 in dem Stapel von Membranen in engem Kontakt zu halten. Um eine Stapelprüfung durchzuführen, wird zuerst eine Membran getestet, dann werden zwei, dann vier und schließlich acht Membranen getestet. Für jeden dieser vier Tests wird der Term „L" in der folgenden Gleichung ermittelt, die auf dem Fickschen Gesetzt basiert:
Die Diffundierte Menge ist in (cm³/s) angegeben.

D: ist der Diffusionskoeffizient (cm²/s).
A: ist die Prüffläche (39,44 cm²).
C: ist der mittlere Konzentrationsgradient (dezimal).
L: ist die Diffusionspfadlänge (cm).

Der Diffusionskoeffizient D ist Perry's Chemical Engineers' Handbook, vierte Auflage (McGraw-Hill) entnommen. Die Prüffläche A wurde ermittelt durch Subtrahieren der Gesamtfläche der oben beschriebenen 81 Stützpfosten 160 von der Gesamtfläche der ausgesetzten Membran 158. der mittlere Konzentrationsgradient wurde aus Ein- und Ausgangs-Sauerstoffkonzentrationen errechnet. Wenn beispielsweise Flaschenluft, die zu 20,90 Prozent Sauerstoff und zu 79,10 Prozent Stickstoff enthält, auf der oberen Oberfläche des Membranstapels eingeführt wird und eine gleiche Strömung Stickstoff bei 0,00 Prozent Sauerstoff auf der unteren Oberfläche des Membranstapels und wenn der Ausgang der oberen Oberfläche 14,59 % O₂ und der unteren Oberfläche 6,27 % O₂ enthält, ist die mittlere obere Oberflächenkonzentration gleich (20,90 + 14,59) dividiert durch zwei, also gleich 17,745. Die mittlere untere Oberflächenkonzentration ist gleich (6,27 – 0,0) dividiert durch zwei, also gleich 3,135. Der mittlere Konzentrationsgradient von O2 über die Membran hinweg ist dann gleich (17,745 – 3,135) oder gleich 14,61 %. In der Diffusionsgleichung wird dieser Wert dezimal mit 0,1461 ausgedrückt. Der linke Term, die diffundierte Menge, wird wie in der Einzelschichtmembranprüfung ermittelt. Mit den oben diskutierten Angaben kann der L-Term berechnet werden.
Der L-Term weist drei Komponenten auf. Wenn die Strömungen, die die Gase zu den Regionen oberhalb und unterhalb der Membranen transportieren, gleich sind, sind die Grenzschichten von Gas oberhalb und unterhalb der Membran gleich, und jede trägt eine gleiche Komponente von L bei. Zu diesen zwei Teilen von L wird der Betrag des Membranstapels für einen gegebenen Test hinzugefügt. Wird die Anzahl der Schichten erhöht, bleiben die Grenzschichtbeiträge zu L konstant, und die Zunahme in L ist nur durch die hinzugefügten Membranen bedingt. Somit ist es möglich, das, was innerhalb der Membranen geschieht, von jedweden Grenzschichteffekten zu trennen.
Tabelle 4 stellt Ergebnisse für die Mehrschichtmembranprüfung bereit. Durch Subtrahieren der effektiven Diffusionsdicke der Membran von der effektiven Geamtübertragungsdicke der Einzelschicht erhält man die äquivalente Grenzschichtdicke für ruhige Luft. Wenn die Ergebnisse dieser Berechnung für die Membranen von Tabelle 4 gemittelt werden, lautet das Resultat 0,176 cm. Dieser Wert ist die äquivalente Gesamtfolien-Grenzschichtdicke für ruhige Luft für die oberen und unteren Grenzschichten bei den benutzten Bedingungen. Bei der Durchführung dieser Tests ist es zulässig, leicht unterschiedliche äquivalente Gesamtfolien-Grenzschichtdicken für ruhige Luft zwischen 0,17 und 0,18 cm zu verwenden, jedoch muss dieser Wert von einem vergleichenden Test zu einem anderen konstant gehalten werden.
Ausgewählte Membranen, die der Gruppe der Beispiele 1-40 entnommen sind, zeigen überlegene Diffusionstransfereigenschaften im Vergleich zu den Membranen der Vergleichsexemplare C1 bis C8. Bei einer gegebenen Dicke weist ein niedrigerer Wert der effektive Membrandiffusionsdicke auf überlegene Gasübertragungseigenschaften hin. Das Verhältnis von Diffusionskoeffizienten ist numerisch äquivalent dem Verhältnis der effektive Membrandiffusionsdicke zur tatsächlichen Dicke. Das Verhältnis eines Diffusionskoeffizienten eines ausgewählten Gases wie z.B. Sauerstoff bei einer ausgewählten Temperatur und einem ausgewählten Druck in ruhiger Luft zu einem effektiven Diffusionskoeffizienten desselben Gases innerhalb der Membran unter derselben Temperatur und demselben Druck beträgt 1,03 bis 500.
Gasströmungsprüfung
Akkurate Messung des Volumenstroms von Gas ist kritisch für die Diffusionsströmungsmessungen, die zur Kennzeichnung der Diffusionseigenschaften von Membranen dienen. Das folgende Verfahren reproduziert Strömungen besser als 0,5 Prozent. Die absolute Genauigkeit hängt von dem Verfahren ab, das zum Kalibrieren der Messungen benutzt wird. Durch Verwendung volumetrischer Gasmengenmesser werden absolute Fehler auf weniger als etwa ein Prozent begrenzt. Das Verfahren hängt vom Hagen-Poiseuilleschen Gesetz ab:

Q: ist der Volumenrate der Strömung (cm³/min).
d: ist der Durchmesser (cm).
γ: ist das spezifische Gewicht (g/cm³).
h_L: ist der Druckverlust im Rohr (cm strömenden Fluids).
μ: ist die Gasviskosität (g/cm²).
l: ist die Länge des Rohres (cm).

Aus praktischen Gründen des Verfahrens wurden über 350 24-Gauge-Kapillarrohre, die einen Innendurchmesser von 0,012 Inch (0,0305 cm) und eine Länge von 2,605 Inch (6,617 cm) aufweisen, parallel in einem größeren Aluminiumrohr montiert. Die Zwischenräume zwischen den Rohren wurden mit Epoxid derart abgedichtet, dass nur die innere Bohrung Strömung führen konnte. Diese Systeme wurden anschließend kalibriert, indem einige der Rohre abgedichtet wurden, was in einer Vorrichtung resultierte, die einen Druckabfall von 249 Pa (1,0 Inch Wassersäule) für jeden Liter Luftstrom pro Minute erzeugte. Die anfängliche Kalibrierung erfolgte mit Luft, und anschließend erfolgten Kalibrierungen mit Sauerstoff, Stickstoff und jedweden anderen verwendeten Gasen. Diese Kalibrierung ist notwendig, weil das Verfahren von den Eigenschaften des spezifischen verwendeten Gases abhängt. Die Baugruppe aus kleineren Rohren, die in einem größeren Rohr abgedichtet werden, nennt man ein HP-Rohr.
Die Diffusionsgasübertragungs-Prüfzelle weist obere und untere Abschnitte auf, von denen jeder in der Lage ist, Strömungen aufzunehmen und abzuführen. Als zukünftige Referenz beträgt bei einer Nenn-Durchflussmenge von 5 l/min durch entweder einen oberen oder einen unteren Abschnitt der Druckabfall der Zelle 8,0 Pa (0,032 Inch Wassersäule).
Zum Kalibrieren der HP-Rohre wurde jedem das zu prüfende Gas zugeführt (Luft, O₂, N₂), und der Ausgang des Rohres wurde mit einem volumetrischen Singer-Durchflussmesser Modell DTM 115 verbunden, der von der American Meter Co., Horsham, PA, USA, angeboten wird. Es wurde festgestellt, dass der Druck, der zum Betreiben des Singer-Durchflussmessers benötigt wurde, zwischen 4,98 und 37,4 Pa (0,02 und 0,15 Inch Wassersäule) und über die Zeit gemittelt bei etwa 19,93 Pa (0,08 Inch Wassersäule) lag. Durch Verbinden des HP-Rohres mit dem Singer-Durchflussmesser zur Kalibrierung und durch Ersetzen des Durchflussmessers durch die Diffusionskoeffizient-Prüfzelle sind wir sicher, dass die Strömungen bei einem gegebenen Kalibrierpunkt innerhalb der Genauigkeitsgrenzen gleich sind, welche die Untersuchung erfordert. Die in der vorliegenden Erfindung angegebenen Strömungen sind volumetrische Strömungen.
Ermittlung von Teilchenblockier- und -belastungseigenschaften von Membranen
Es wurde entdeckt, dass Membranen in ihren Eigenschaften hinsichtlich den Notwendigkeiten der vorliegenden Erfindung stark variieren. Eine der wichtigeren Anforderungen ist die Fähigkeit der Membran, den Durchtritt von Teilchen durch ihre mikroporöse Struktur im Wesentlichen zu blockieren. Die vorliegende Erfindung erfordert im Wesentlichen vollständige Blockade von Teilchen zusammen mit einer zweiten wichtigen Anforderung einer hohen Gasübertragungsrate durch Diffusion unter realen Bedingungen, wenn potenzielle Verschmutzungsteilchen vorhanden sind. Eine dritte Anforderung ist mechanische Integrität. Hinsichtlich der Beziehungen dieser Anforderungen untereinander sind mikroporöse Membranen in der vorliegenden Erfindung von Nutzen, wenn Kombinationen der folgenden Bedingungen eingehalten werden:

1. Die ausgewählten Membranen blockieren den Durchtritt von Teilchen vollständig, wenn im Wesentlichen null Differenz im Gesamtdruck (der Summe aus statischem und Staudruck) über die Membran vorhanden ist. Diese Membranen weisen die minimal nützliche Teilchenblockierfähigkeiten auf.
2. Die ausgewählten Membranen blockieren den Durchtritt von Teilchen vollständig, wenn der Gesamtdruck über die Membran unterhalb des Maximaldrucks liegt, der über die Membran während irgendeiner Phase des Lebensdauerzyklus in einem definierten Betriebssystem auftritt.
3. Die ausgewählten Membranen gestatten Diffusionsübertragung von Gas- und Dampfmolekülen durch eine mikroporöse Struktur.
4. Die ausgewählten Membranen blockieren den Durchtritt von Teilchen vollständig, wenn der Gesamtdruck über die Membran unterhalb eines definierten Maximaldrucks liegt, der in der Lage ist, die Integrität der Membran durch Zerreißen oder Durchbrechen der ausgewählten Membran zu zerstören.
5. Die ausgewählten Membranen erhalten hohe Niveaus von Diffusionsgasübertragung aufrecht, wenn sie unter den bestimmten Verwendungsbedingungen signifikant mit Teilchen belastet sind.

Minimal nützliche Teilchenblockiereigenschaften
Die Kombination der Bedingungen (1), (3) und (5) ist nützlich für Systeme, in denen die Membranen verwendet werden, um den Durchtritt von Teilchen vollständig zu blockieren, während sie die Übertragung von Gasen wie folgt erlauben. Man betrachte einen geschlossenen Raum, der von einer äußeren, mit Feststoffteilchen verunreinigten Umgebung getrennt ist. Man betrachte ferner Bedingungen, bei denen ein Druckausgleich zwischen dem geschlossenen Raum und der äußeren, mit Feststoffteilchen verunreinigten Umgebung vorhanden ist. Unterstützung von Lebensprozessen oder Gasverbrauch oder Erzeugungsprozessen innerhalb des geschlossenen Raumes mit im Wesentlichen vollständiger Blockade von Teilchen kann erreicht werden, indem Membranen der Erfindung verwendet werden, die zwischen dem geschlossenen Raum und der äußeren Umgebung unter Bedingungen freier oder natürlicher Konvektionsprozesse angeordnet sind, die keine wesentlichen Drücke über die Membran aufbringen. Membranen, die minimale Teilchenblockiereigenschaften aufweisen, sind in obigem System von Nutzen.
Niederdruck-Teilchenblockiereigenschaften
Die Kombination der Bedingungen (2), (3) und (5) ist nützlich für Systeme, in denen die Membranen verwendet werden, um den Teilchendurchtritt vollständig zu blockieren, während sie die Übertragung von Gasen wie folgt erlauben. Man betrachte einen geschlossenen Raum, der a) ein Membranmodulsystem, b) einen Lüfter und ein Führungssystem zum Umwälzen von Luft durch das Membranmodulsystem und c) einen zweiten Lüfter und ein zweites Führungssystem zum Umwälzen von Luft von der äußeren, mit Feststoffteilchen verunreinigten Umgebung zum und durch das Membranmodul und und zurück zur äußeren Umgebung aufweist. Akzeptable Eigenschaften sind erzielt, wenn die Druckunterschiede zwischen den verunreinigten und nicht verunreinigten Abschnitten des Membranmoduls innerhalb der vorgegebenen Bereichs der vollständigen Teilchenblockierfähigkeit der Membran liegen.
Hochdruck-Teilchenblockiereigenschaften
Die Kombination der Bedingungen (3), (4) und (5) ist nützlich für Systeme, in denen die Membranen verwendet werden, um den Teilchendurchtritt vollständig zu blockieren, während sie die Übertragung von Gasen wie folgt erlauben. Man betrachte einen geschlossenen Raum, der a) ein hockdruckfähiges Membranmodulsystem, b) einen Hochdrucklüfter und ein Führungssystem zum Umwälzen von Luft durch das Membranmodulsystem und c) einen zweiten Hochdrucklüfter und ein zweites Führungssystem zum Umwälzen von Luft von der äußeren, mit Feststoffteilchen verunreinigten Umgebung zum und durch das Membranmodul und und zurück zur äußeren Umgebung aufweist. Hochdrücke über das Membranmodul sind nützlich, um turbulente Strömungsbedingungen innerhalb des Membranmoduls zu entwickeln, und sind ebenfalls nützlich für Membranmodule, die einschränkend enge Strömungspfade aufweisen, um die Diffusionsgasübertragungsraten zu maximieren.
Hochdrücke über eine Membran führen Konvektion als einen zweiten wichtigen Gasübertragungsmechanismus ein. Abhängig von der Anordnung der Verbindungen zwischen dem Membranmodulsystem den ersten und zweiten Hochdrucklüfter- und Führungssystemen kann sich ein geringfügiger Vorteil für die Gesamtgasübertragung eines gegebenen Gases ergeben, wie z.B. für CO₂.
Beispiele
Experimentelle Verfahrensweisen
Zwei unterschiedliche experimentelle Systeme wurden zur Bestimmung der Teilchenblockiereigenschaften von Membranen verwendet. Das erste System wurde zur Durchführung des Folgenden benutzt:
1. Null-Differenzdruck-Bedingung: 14 zeigt ein experimentelles System im Allgemeinen gemäß 1 zum Platzieren einer Subjektmembran 24' zwischen zwei gegenüberliegenden Kammern 28', 30', um einen Druckunterschied über die Membran von null oder nahe null bereitzustellen. Einander zugehörige Komponenten sind durch ähnliche Bezugszahlen gekennzeichnet. Die untere Kammer wird teilchenfrei gehalten, indem ultrareine Luft mit ungefähr 0,7 l/min durch sie strömt. Eine Zufuhr gereinigter Luft wird erzeugt, indem Druckluft durch einen mehrstufigen Filter, durch einen Durchflussmesser und durch ein Manteleinlassrohrsystem 182, wie gezeigt, geleitet wird. Die Mantelströmung über Einlassrohr 182 von 4-5 l/min vermeidet das Beaufschlagen eines Druckes auf die untere Kammer 30' und minimiert die Chance von Umgebungsteilchen, in dass Einlassrohr 182 einzutreten, indem sie es in ultrareiner Luft badet. Zwischen dem Einlassrohr 182 und dem Mantel 180 ist ein Abstand vorhanden, der in einem Ringströmungsraum um Einlassrohr 182 herum resultiert. Die Strömung durch die untere Zelle 30' wird auf 0,7 l/min gehalten durch die Probenpumpe im Portacount Plus-Teilchenmessgerät, das von der TSI, Inc. in St. Paul, MN, USA, angeboten wird.
Teilchen werden der oberen Kammer 28' zugeführt, indem ein Strom von 4-5 l/min Luft durch einen Raucherzeuger geleitet wird. Der Rauch wurde von einem glimmenden Ende eines Stücks Baumwollseil erzeugt, das unter der Produktnr. 10196 als Southgate (TM) Sash Cord von der Wellington Leisure Products Inc. in Madison, GA, USA, angeboten wird. Die Polymerseele des Seils wurde entfernt, sodass nur dass äußere Baumwollgeflecht übrig blieb, dass auf einer isolierenden und feuerfesten keramischen Oberfläche am Boden eines umgekehrten 5-Gallonen-Eimers platziert wurde. Die Mehrheit der von Rauch verunreinigten Luft wurde über eine Umgehungsleitung zu einer Dunstabzugshaube geleitet. Ein kleinerer Strom von etwa 0,7 l/min der von Rauch verunreinigten Luft wurde durch ein erstes Ventil zu einer Membranpumpe und durch ein zweites Ventil geleitet.
Das erste Ventil steuerte die Pumpeneinlassstrom und das zweite Ventil steuerte den Pumpenauslassstrom. Als Nächstes wurde der Strom durch einen 3-Liter-Pufferbehälter, einen Durchflussmesser und in die obere Kammer 28' des Prüfsystems geleitet. Es wurde festgestellt, dass eine Null-Druck-Bedingung erzielt werden könnte durch Begrenzen der Einschränkungen für die Strömung, die aus der oberen Kammer 28' austritt, und durch Abgleichen der Strömungen auf 0,7 l/min, um, sofern dies möglich war, identische strömungsmechanische Bedingungen in den oberen und unteren Kammern 28', 30' der Prüfzelle zu schaffen.
Die Rauchteilchendurchmesser-Verteilung wurde mithilfe eines TSI Scanning Mobility-Teilchenmessystems gemessen, das von der Thermo Systems Inc., St. Paul, MN, USA, angeboten wird. Es wurde festgestellt, dass die Teilchengrößenverteilung symmetrisch um einen Teilchendurchmesser-Mittelwert von 0,12 μm was und sich bis zu Werten erstreckte, die nicht größer als 0,60 μm und nicht kleiner als 0,03 μm Durchmesser waren.
Um eine Prüfung einer ausgewählten Membran durchzuführen, wurde die Membran zwischen den oberen und unteren Kammern platziert, und die Strömungen wurden abgeglichen. Der Strom aus der unteren teilchenfreien Kammer kann zuerst Teilchen enthalten, weil die den Umgebungsteilchen (üblicherweise 2000-5000 Teilchen pro cm3) gegenüber während des Einbaus der Membran offen ist. Wurde der Strom während eines Zeitraums allmählich sauber, wenn ein Druckunterschied von null über die Membran vorhanden war, wurde geschlossen, dass die Membran eine wirksame Null-Druck-Barriere darstellte. Ging der Strom der unteren Zelle nicht auf null oder erhöhte sich seine Teilchenkonzentration, wurde geschlossen, dass die Membran als Teilchenbarriere unter der Null-Druck-Bedingung unwirksam war. Im obigen Experiment besteht das Ziel darin, zu ermitteln, ob Teilchen über die Membran allein durch Diffusionsprozesse übertragen werden können oder nicht.
2. Bedingung mit niedrigem Differenzdruck: Das experimentelle System der 1, das für die Null-Druck-Bedingung verwendet wurde, wurde modifiziert, um es zu ermöglichen, Membranen niedrigen positiven Drücken mit Feststoffteilchen verunreinigter Luft auszusetzen. Die untere Kammer und das System waren wie für die Null-Druck-Bedingung verwendet. Die obere Kammer und das System wurden um Richtungs- und Feineinstellungs-Auslassventile ergänzt, um den Strom zu beschränken, der aus der oberen Kammer austrat. Im Gegenzug gestattete diese Konfiguration, dass der Druck in der oberen Kammer erhöht und über einen Bereich von Niederdrücken gesteuert wird, wie in 13 aufgeführt.
13 illustriert grafisch die Teilchenbarriereneigenschaften verschiedener Membranen als eine Funktion niedriger Druckunterschiede über die Membran. Die Membranen sind auf der linken Achse der Figur aufgeführt. Wenn man die Y-Achse nach oben geht, tendieren die Membranen dazu, größere Poren, größere Fasern, kleinere Grundflächen und eine geringere Masse aufzuweisen. Region 200 steht für Teilchendurchdringung und Region 202 steht für keine Teilchendurchdringung. Wie aus 13 klar wird, blockieren die Membranen C6, 38 und C7 Teilchen sogar bei einem Druckunterschied von im Wesentlichen null nicht. Membranen in den unteren Abschnitten von 13 blockieren im Allgemeinen Teilchen bei höheren gemessenen Druckunterschieden. Andererseits mögen einige der Teilchen blockierenden Membranen, die auf der Y-Achse aufgeführt sind, keine optimale Diffusionsrate bieten. Demzufolge ist es für alle Anwendungen wichtig, sowohl Diffusionsrate als auch Teilchenbarriereneigenschaften zu prüfen. 13 gibt den Druck an, bei dem die ersten Teilchen durchkommen. Falls Teilchen bei einem Druck von null durchkommen, wie bei den ersten drei Exemplaren, erfolgt die Teilchenübertragung allein durch Diffusion. Indem Membranen dieser Prüfung unterzogen werden, ist es möglich, Membranen zu überprüfen und von weiteren Überlegungen in der Praxis der vorliegenden Erfindung auszuschließen, weil die Prüfmembranen Teilchen allein durch Diffusion übertragen.
3. Bedingung mit hohem Differenzdruck: Um die Teilchenblockiereigenschaften von Membranen unter Bedingungen höheren Drucks bis zu Drücken zu ermitteln, die das Bersten der Membran bewirken können, wenn diese über eine angemessene und nützliche Weite nicht gehalten wird, wie sie in einem Membranmodul auftreten kann, wurden die folgenden Prüfungen erdacht und durchgeführt. Der Ausgang eines Kolbenluftverdichters wurde mit einem Luftbehälter von 48 cm Länge und 31 cm Durchmesser verbunden, der ein Fassungsvermögen von etwa 55 Litern aufwies. Unter Druck stehende Luft wurde vom Behälterauslass durch einen Druckregler zu einer Prüfzelle geführt, die die Membran enthielt, die auf einer Fritte gehalten war. Die Fritte wies einen Oberseitendurchmesser von 2,85 cm und Poren von ungefähr 50 Mikrometer auf, um so den freien Durchtritt der Luft zu gestatten, während unterhalb der Membran vollständige Unterstützung gewährt wurde. Die Frittenoberfläche was glatt und mit einer Aluminiumoberfläche fluchtend, die in Verbindung mit einer „O"-Ring-Dichtung gerade jenseits des Frittenumfangs verwendet wurde. Die vom Membranfilter kommende Strömung wurde mit dem Portacount-Instrument gemessen, um den Teilchendurchbruch der Membran zu bestimmen. Der Test wurde durchgeführt, indem der Behälter zuerst mit Druckluft befüllt wurde, die dem Raum entnommen wurde, und anschließend die Strömung durch die Membran abgeführt wurde, indem der Druck allmählich mithilfe des Druckreglers erhöht wurde. Der Druck und die Strömung, bei denen die ersten Teilchen beobachtet wurden, wurde notiert. Wurden bis zum Maximaldruck von 50 PSI (344,7 kPa) keine Teilchen beobachtet, wurde die Membran im Rahmen einer schwierigeren Prüfung getestet, wobei die Baumwollseil-Rauchquelle verwendet wurde, die oben in der Prüfung mit niedrigem Differenzdruck beschrieben ist. Der Rauch wurde in den Behälter komprimiert, und der Test wurde wie oben wiederholt. Wurden in der Strömung, die aus der Membran austrat, keine Teilchen detektiert, wurde der Maximaldruck protokolliert. Wurden Teilchen detektiert, wurde der Druck vermerkt, bei dem dies auftrat.
Tabelle 5 gibt die Eigenschaften von Membranen an, die unter Verwendung von Rauchteilchen sowohl in Raum- als auch in höherer Konzentration als Anforderung hohem Differenzdruck ausgesetzt sind. Membranen der Beispiele C4, 18 und 25 zeigten Teilchendurchbruch im ersten Test sogar bei relativ geringen Konzentrationen von Raumteilchen, wodurch eine Prüfung derselben unter schwierigeren Bedingungen irrelevant wurde. Die Membran von Beispiel 1 bestand den Raumteilchentest, zeigte jedoch eine Durchdringung bei einer Rauchteilchenkonzentration von 570,000 Teilchen pro cm3. Die Membranen der Beispiele 15 und C1 konnten nicht getestet werden, weil sie beide einen derart hohen Druckabfall aufweisen, dass es nicht möglich war, eine ausreichende Strömung aufzubauen, um das Portacount-Instrument in geeigneter Weise zu beschicken. Wie aus Tabelle 5 klar wird, zeigen die verbleibenden Membranen im Wesentlichen vollständige Teilchenblockade sogar bei Drücken im Bereich von 45-50 PSI (310-345 kPa).

Tabelle 6
4. Bruchprüfung: Die Fritte in der obigen Prüfung wird 5 durch einen offenen Aluminiumring ersetzt, der einen Außendurchmesser von 2,85 cm, einen Innendurchmesser von 2,40 cm und eine Höhe von 0,70 cm aufweist. Zwei kreisförmige Stahlstäbe, die jeweils einen Durchmesser von 0,23 cm aufweisen, wurden parallel zueinander in den oberseitigen Rand des Ringes in einem Abstand von 0,90 cm eingelegt, wobei jeder Stab vom Ringdurchmesser um 0,45 cm versetzt war. Die Stäbe, die mit der Oberseite des Ringes fluchteten, bildeten dabei eine Halterung für den Membranprüfling, der bewirkte, dass der Prüfling 0,9 cm in der schmalen Abmessung und 2,4 cm in der weiteren Abmessung überspannte. Zur Ermittlung der Membranbrucheigenschaften wurde der Druck angehoben, bis die Membran brach, und der Maximaldruck wurde protokolliert, wie dies in Tabelle 6 aufgeführt ist. In Fällen, in denen Mehrfachtests in unterschiedlichen Drehwinkeln des Prüflings an derselben Membran erfolgten, ist der kleinere Wert aufgeführt.
5. Teilchenbelastungsprüfung: Diese Prüfung ermittelt die Fähigkeit ausgewählter Membranen zur Aufrechterhaltung ausreichend hoher Werte der Diffusionsübertragung unter realen Bedingungen von Feststoffteilchenbelastung und potenzieller Verschmutzung. Unter diesen Bedingungen hängt der Betrag konvektiver Strömung, die durch Druck über die Membran getrieben ist, von der Luftstrompermeabilität ab, und diese Strömung bestimmt den Teilchenbelastungsprozess. Die Ergebnisse der Belastungsprüfung der 12a und 12b (Nebeneinander-Prüfung) sind auf Membranen anwendbar, die unter diese Kombination von Bedingungen fallen.
Ein Prüfsystem wurde aufgebaut, um zwei Membranprüflinge derselben Quelle von Luft auszusetzen, die Teilchen in aerosoler oder fester Form enthielt. Jede Membran wurde auf einer gasporösen Fritte gehalten, die eine Porengröße von etwa 50 Mikrometer aufwies. Die Fritte wurde derart in einem Rahmen montiert, dass die Frittenränder mit der oberen Oberfläche des Rahmens fluchteten. Die Expositionsfläche jeder Membran betrug 2,5 mal 2,5 Inch (6,35 mal 6,35 cm), also 6,25 Quadratinch. (40,32 Quadratzentimeter). Eine 0,6 cm dicke RTV-Gummimatte, die zwei quadratische Öffnungen aufwies, die die Membranexpositionsfläche definierten und ausreichende Länge und Breite aufwiesen, um bis geringfügig über den Umfang jeder Fritte hinaus abzudecken, wurde über die Membran platziert. Es wurde gezeigt, dass die Matte eine luftdichte Abdichtung bereitstellt, indem jede Membran durch ein Stück nicht poröser Kunststoffolie ersetzt wurde, um eine Bedingung ohne Strömung zu beobachten. Die poröse Fritte überspannte eine Sammelkammer, und die Sammelkammer wies eine Ausgangsöffnung für die Verbindung zu Rohrleitungen auf, die den Anschluss eines Manometers zum Messen des Druckabfalls über die Membran und die Fritte gestattete. Die Ausgangsverrohrung war mit einer Luftpumpe verbunden und der Ausgang der Pumpe war mit einem Ein-Gallonen-Pufferbehälter verbunden, um Pulsieren zu glätten. Der Ausgang des Pufferbehälters war mit einem Durchflussmesser verbunden.
Die Membranen der Beispiele 8 und C3 wurden nebeneinander Raumluft auf einer stetigen Basis ausgesetzt mit Ausnahme der Zeit, die zum Messen von Änderungen in den Eigenschaften der Membranen benötigt wurde. Die Feststoffteilchenniveaus im Raum wurden mit einem Quantitative Respirator Fit Tester des Typs Portacount Plus 8020 gemessen, der von der TSI, Inc. St. Paul, MN, USA, angeboten wird. Die Teilchenanzahlen wurden in einem Bereich von 1000 bis 8000 Teilchen pro cm3 Luft liegend festgestellt.
Wie in 12a dargestellt, betrug der Durchfluss durch die Membran des Beispiels C3 9,4 l/min über mehr als 400 Stunden Prüfdauer. Der Prozentsatz der O₂-Übertragung ist auf der linken senkrechten Achse und der Druckabfall über die Membran ist auf der rechten senkrechten Achse aufgetragen. Die Zeit ist auf der waagerechten Achse aufgetragen. Die Strömung durch die Membran des Beispiels C3 betrug anfangs 9,4 Liter/Minute und wurde über die ersten 95 Stunden auf 9,4 Liter/Minute gehalten, nach denen der Druckabfall durch die Membran zu hoch war, um den Anfangsdurchfluss aufrechtzuerhalten. Die Einzelschichtdiffusionsprüfung wurde in Intervallen vorgenommen, um Änderungen in den Gasübertragungseigenschaften zu verfolgen. Zu beachten ist, dass, obwohl die Menge der Belastung in der Membran des Beispiels C3 geringer als die der Membran des Beispiels 8 war, die Gasübertragungseigenschaften der Membran des Beispiels 8 über die gesamte Prüfung unverändert blieben oder sich nur sehr geringfügig änderten, während sich die Gasübertragungseigenschaften der Membran des Beispiels C3 etwa auf ein Zehntel des ursprünglichen Wertes verringerten.
12b stellt Ergebnisse vor, die die Membran des Beispiels 2 mit der Membran des Beispiels C2 vergleichen. Die Membran des Beispiels 2 zeigt entweder keine Änderung oder nur eine sehr geringfügige Änderung in den Diffusionseigenschaften nach 477 Stunden Prüfung mit einer Durchflussmenge von 9,4 Liter/Minute. Interessanterweise ändern sich die Diffusionsübertragungseigenschaften sehr wenig, während sich die Druckabfallwerte merkbar erhöhen. Im Falle der C2-Membran sind die Diffusionsübertragungswerte deutlich verringert, und die Druckabfallwerte erhöhen sich signifikant in weniger als 200 Stunden. Es war nicht möglich, die Strömung durch die C2-Membran über die gesamte Dauer der Prüfung auf dem vollen Wert von 9,4 l/min zu halten. Daher wurde die C2-Membran verglichen mit der Membran des Beispiels 2 weniger schwer geprüft.
C. Nachpartikelbeaufschlagungs-Gasübertragungsraten-Prüfung: Für diese Prüfung wird ein Anfangswert der Gasübertragungsrate von Sauerstoff durch die ausgewählte Membran durch die beschriebenen „Einzelmembranschichtprüfung" bestimmt. Die Folien-Grenzschichtdicke für ruhige Luft ist gezwungenermaßen ein fester Wert innerhalb des Bereiches von 0,17 und 0,18 cm. Die ausgewählte Membran wird anschließend mit Teilchen unter Nutzung der „Teilchenbelastungsprüfung" derart beaufschlagt, das die Änderung im Druckabfall bei einer ausgewählten Durchflussmenge pro Flächeneinheit der Teilchen enthaltenden Luft um 25 % oder mehr ansteigt. Die ausgewählte Membran wird dann unter Nutzung der „Einzelmembranschichtprüfung" neu bewertet, um die resultierende Gasübertragungsrate von Sauerstoff nach der vorgeschriebenen Teilchenbelastung zu ermitteln. Die Folien-Grenzschicht für ruhige Luft muss auf demselben Wert gehalten werden, wie in der anfänglichen „Einzelmembranschichtprüfung" beschrieben. Die anschließende Verringerung des Prozentsatzes der Sauerstoff-Gasübertragungsrate durch die Membran wird aus dem Verhältnis der Sauerstoff-Gasübertragungen vor und nach der „Teilchenbelastungsprüfung" ermittelt.
Vorbereitung der Prüflinge
Ein Patent bezüglich der Vorbereitung mikroporöser Werkstoffe für die Beispiele 1-3 ist die US-Patentschrift Nr. 4.539.256 des Antragstellers, (Shipman), erteilt am 3. Sept. 1985, die ein Verfahren zum Herstellen eines mikroporösen Werkstoffs beschreibt, umfassend die Schritte des Schmelzmischens eines kristallisationsfähigen thermoplastischen Polymers mit einer Beimischung, die mit dem thermoplastischen Polymer bei einer Schmelztemperatur des Polymers mischbar ist, aber beim Abkühlen auf oder unter die Kristallisationstemperatur des Polymers eine Phasentrennung durchläuft, Bildens eines geformten Artikels aus der Schmelzmischung, Abkühlens des geformten Artikels auf eine Temperatur, an der das thermoplastische Polymer kristallisiert, um zu bewirken, dass eine Phasentrennung zwischen dem thermoplastischen Polymer und der Beimischung auftritt, wodurch ein Artikel bereitgestellt wird, der ein Aggregat einer ersten Phase umfasst, das Teilchen kristallisierten thermoplastischen Polymers in einer zweiten Phase der Beimischung umfasst, und Ausrichtens des Artikels in mindestens einer Richtung zum Bereitstellen eines Netzes miteinander verbundener Mikroporen überall darin.
Ein zweites Patent bezüglich der Vorbereitung mikroporöser Werkstoffe speziell für die Beispiele 4-9 ist die US-Patentschrift Nr. 4.726.989 (Mrozinski), erteilt am 23. Feb. 1988, die ein Verfahren zum Herstellen eines mikroporösen Werkstoffs beschreibt, umfassend die Schritte des Schmelzmischens eines kristallisationsfähigen thermoplastischen Polymers mit einer mischbaren Beimischung und einem Nukleierungsmittel, Bildens eines geformten Artikels aus der Schmelzmischung, Abkühlens des geformten Artikels auf eine Temperatur, an der das Nukleierungsmittel das thermoplastische Polymer anregt, zu kristallisieren, um so zu bewirken, dass eine Phasentrennung zwischen dem thermoplastischen Polymer und der Beimischung auftritt, wodurch ein Artikel bereitgestellt wird, der ein Aggregat einer ersten Phase umfasst, das Teilchen kristallisierten thermoplastischen Polymers in einer zweiten Phase der Beimischung umfasst, wobei die Beimischung optional entfernt wird und der Artikel biaxial in der Bearbeitungs- und der transversalen Richtung gereckt wird, um ein Netz miteinander verbundener Poren überall in der Membran bereitzustellen.
Beispiele 1 und 2
Bei diesen Beispielen wurde das Verfahren wie beschrieben in US-Patentschrift Nr. 4.539.256 (Shipman), erteilt am 3. Sept. 1985, benutzt, um die Membranen zu bilden. In Beispiel 1 (839-3B) wurde eine 35:65-Schmelzmischung aus hochdichtem Polyethylen, das einen Schmelzfließindex von 5,0 (ASTM D 1238-82) aufweist und unter der Handelsbezeichnung „FINA 9255" von der Fina Oil and Chemical Company in LaPorte, TX, USA, bezogen werden kann, und Mineralöl, das unter der Handelsbezeichnung „Amoco White Mineral oil #31 USP grade" lieferbar ist, mit der Geschwindigkeit von 6,8 kg/h (15 lbs/hr) unter Verwendung eines Zweischneckenextruders, der mit einer Foliendüse ausgestattet war, die einen Spalt von 0,76 mm bei 199° C (390° F) aufwies, auf eine Pressprofil-Gießtrommel extrudiert, die pyramidenähnliche Vorsprünge aufweist, die diamantförmige Spitzen von 0,02 mm² aufweisen, um etwa 10 % Berührungsfläche bereitzustellen, aufrechterhalten bei 32° C (90° F). Danach wurde die Folie mit 1,1,1-Trichlorethan lösungsmittelextrahiert, um das Öl zu entfernen, und biaxial um das 4,0 × 4,0-fache (oder 400 % in der Bearbeitungsrichtung und 400 % in der transversalen Richtung) bei einer Temperatur von 70° C (158° F) in der Bearbeitungsrichtung und einer Temperatur von 77° C (170° F) in der transversalen Richtung gereckt.
Beispiel 2 (1069-1X) wurde ähnlich Beispiel 1 vorbereitet mit den folgenden Ausnahmen. Das Gewichtsverhältnis von Polyethylen zu Mineralöl betrug 36:64. Die resultierende Folie wurde mithilfe von HCFC-1,2,3 (erhältlich unter der Handelsbezeichnung Vertrel 423 von der Dupont Company) etwa 8,1 Minuten lang in einem Zusatzentfernungsbad extrahiert, um das Mineralöl zu entfernen. Danach wurde die Folie bei einer Temperatur von 28° C (83° F) getrocknet und biaxial um das 2,7 × 2,7-fache (oder 270 % in der Bearbeitungsrichtung und 270 % in der transversalen Richtung) bei einer Temperatur von 35° C (95° F) in einer Bearbeitungsrichtung und einer Temperatur von 93° C (200° F) in der transversalen Richtung gereckt. Die physikalische Kennzeichnung der Foliendicke, des Flächengewichts, der Feststoffpolymerdichte, des Strömungswiderstands (Gurley) und der Blasenbildungspunkt-Porosität ist in Tabelle 2 angegeben. Aus den Prüfergebnisse wurden jeweils der dezimale Hohlraumvolumenanteil, der Benaire-Porendurchmesser, der effektive Faserdurchmesser nach Rubow und die Völligkeit berechnet und in Tabelle 3 aufgeführt.
Beispiel 3
Eine mikroporöse Polypropylen-Membran, die durch Extrudieren einer gemischten Schmelze und Gießen auf eine Presstrommel, gefolgt von Extraktion und biaxialem Recken der Folie vorbereitet wurde, ist unter der Handelsbezeichnung „KN 9400" bei der Personal Care and Related Products Division der 3M Company, St. Paul, MN, USA, erhältlich. Die physikalischen Eigenschaften der Membran wurden gemessen oder berechnet und in den Tabellen 2 und 3 aufgeführt.
Beispiel 4
Speziell im Beispiel 4 (817-8) wurde kristallisationsfähiges Polypropylen (das unter der Handelsbezeichnung „Profax" Type 6723 von der Hercules, Inc. bezogen werden kann), das eine Dichte von 0,903g/cm3, einen Schmelzfließindex (ASTM D 1238, Bedingung I) von 0,8 und einen Schmelzpunkt von etwa 176° C aufweist, trocken mit etwa 0,30 Gewichts-% Nukleierungsmittel Dibenzylidensorbitol gemischt (erhältlich von Milliken Chemical unter der Bezeichnung Millad 3905), bevor das Polymer in den Extruder eingeführt wurde.
Das Polymer wurde bei einer Schmelztemperatur von etwa 189° C (372° F) in einem Berstorff-40-mm-Zweischneckenextruder extrudiert, der mit einer Düsenspalt-Breitspritzanlage ausgerüstet war, die oberhalb einer Presstrommel positioniert war. Der Extruder wurde mit einer Durchsatzrate von etwa 312 cm3/min betrieben, um eine Folie zu erzeugen, die mit einer Rate von etwa 6,1 Meter pro Minute gesammelt wurde. Mineralöl (unter der Handelsbezeichnung Amoco White Mineral Oil #31 USP Grade von der Amoco Oil Co. erhältlich), das einen Siedepunkt von etwa 200° C und eine Standard-Saybolt-Viskosität von 360-390 bei 38° C (etwa 80 Zentistok) aufweist, wurde über eine Injektionsöffnung gleichzeitig in den Zweischneckenextruder mit einer Rate eingeführt, um eine Mischung von 55 Gewichts-% Polypropylen-Polymer und 45 Gewichts-% Mineralöl bereitzustellen. Die Polypropylen-Mineralöl-Schmelze wurde in Folienform extrudiert und die Schmelze auf einer glatten Gießtrommel gepresst, die auf etwa 60° C (140° F) gehalten wurde. Danach wurde die Folie 3,6 Minuten lang in 1,1,1-Trichlorethan in einem Zusatzentfernungsbad getränkt, um das Mineralöl zu entfernen, und die Folie wurde bei Raumtemperatur getrocknet. Anschließend wurde die mikroporöse Folie biaxial um das 2,5 × 2,5-fache (oder 250 % sowohl in der Bearbeitungsrichtung als auch in der transversalen Richtung) bei 80° C in der Bearbeitungsrichtung und 121° C in der transversalen Richtung gereckt. Die Eigenschaften der Membranen sind in Tabelle 2 und 3 aufgeführt.
Beispiele 5 und 6
Bei den Beispielen 5 und 6 ist die Verfahrensweise zur Vorbereitung des mikroporösen Werkstoffs mit der identisch, der bei Beispiel 4 gefolgt wurde, mit den folgenden Ausnahmen: In Beispiel 5 (826-4) und Beispiel 6 (826-8) betrug das Gewichtsverhältnis von Profax 6723-Polypropylenpolymer zu Mineralöl 40:60. Diese Polymerschmelze wurde auch eine Pressprofil-Gießtromel extrudiert, die pyramidenähnliche Vorsprünge aufweist, die diamantförmige Spitzen von 0,02 mm² aufweisen, um etwa 10 % Berührungsfläche bereitzustellen, aufrechterhalten bei 140 °C. Die Folien wurden biaxial um das 2,7 × 2,7-fache (oder 270 % sowohl in Bearbeitungs- als auch in Querrichtung) gereckt. Die Ergebnisse jeder der Messungen und Berechnungen sind in den Tabellen 2 und 3 als Beispiele 5 bzw. 6 gezeigt.
Beispiele 7 und 8
Hierbei werden die Bedingungen zum Vorbereiten einer mikroporösen Membran des Beispiels 4 mit folgenden Ausnahmen befolgt: In Beispiel 7 (930-2C) wurde vor der Einführung des Polymers in den Extruder etwa 0,40 % (basierend auf dem Polymergewicht) eines Dibenzylidensorbitol-Nukleierungsmittels (Millad 3905) trocken mit dem Polypropylenpolymer gemischt. Das Polypropylen-Mineralöl-Mischungsverhältnis betrug 35:65. Nach dem Gießen auf der oben beschriebenen pyramidenstumpfförmigen Gießtrommel wurde die Polypropylen-Mineralöl-Millad 3905-Folie in Lösungsmittel HCFC-1,2,3 (lieferbar unter der Handelsbezeichnung Vertrel 423 von der Dupont Company) etwa 5,7 Minuten lang in einem Zusatzentfernungsbad gewaschen, um das Mineralöl zu entfernen.
Danach wurde jede Folie getrocknet und biaxial um das 2,7 × 2,7-fache (oder 270 % sowohl in der Bearbeitungsals auch in der transversalen Richtung) bei einer Temperatur von 80° C in der Bearbeitungsrichtung und 121° C in der transversalen Richtung gereckt. In Beispiel 8 (1030-1B) wurde vor der Einführung des Polymers in den Extruder etwa 0,20 % (basierend auf dem Polymergewicht) eines Dibenzylidensorbitol-Nukleie rungsmittels (Millad 3905) trocken mit dem Polypropylenpolymer gemischt.
Das Polypropylen-Mineralöl-Mischungsverhältnis betrug 33:67. Nach dem Gießen auf der oben beschriebenen pyramidenstumpfförmigen Gießtrommel wurde die Polypropylen-Mineralöl-Millad 3905-Folie in Lösungsmittel HCFC-1,2,3 (lieferbar unter der Handelsbezeichnung Vertrel 423 von der Dupont Company) etwa 6,6 Minuten lang in einem Zusatzentfernungsbad gewaschen, um das Mineralöl zu entfernen. Danach wurde jede Folie bei 60° C getrocknet und biaxial um das 2,5 × 2,8-fache (oder 250 % in der Bearbeitungsrichtung und 280 % in der transversalen Richtung) bei einer Temperatur von 110° C in der Bearbeitungsrichtung und 132° C in der transversalen Richtung gereckt. Die physikalischen Eigenschaften der resultierenden Membranen wurden gemessen und in den Tabellen 2 und 3 zusammengefasst.
Beispiel 9
Hierbei wurden die Bedingungen zum Vorbereiten mikroporöser Membranen des Beispiels 4 mit folgenden Ausnahmen befolgt: Im Beispiel 9 (1213-2D) wurde etwa 0,06 % (basierend auf dem Polymergewicht) eines Dibenzylidensorbitol-Nukleierungsmittels (Millad 3905) trocken mit kristallisationsfähigem Polypropylen vermischt (unter der Handelsbezeichnung Shell 5D45 von der Shell Chemical Co. erhältlich), das einen Schmelzfließindex (ASTM D 1238, Bedingung I) von 0,65 und einen Schmelzpunkt von etwa 176° C aufweist.
Das Polymer-Nukleierungsmittel-Gemisch wurde mit Mineralöl bei einem Polymer-Mineralöl-Verhältnis von etwa 31:69 schmelzgemischt. Nach dem Gießen auf eine Gießtrommel, die ein Diamant-Kreuzschraffur-Muster mit einer Oberflächenbreite jedes Kontaktbereiches von etwa 0,12 mm aufweist, die etwa 40 % Kontakt-Berührungsfläche bereitstellte und auf 66 °C gehalten wurde, wurde die Polypropylen-Mineralöl-Millad 3905-Folie in Lösungsmittel HCFC-1,2,3 (lieferbar unter der Handelsbezeichnung Vertrel 423 von der Dupont Company) etwa 6,8 Minuten lang in einem Zusatzentfernungsbad gewaschen, um das Mineralöl zu entfernen. Danach wurde jede Folie bei 60° C getrocknet und biaxial um das 2,23 × 3,3-fache (oder 223 % in der Bearbeitungsrichtung und 330 % in der transversalen Richtung) bei 87° C in der Bearbeitungsrichtung und 132° C in der transversalen Richtung gereckt. Die Eigenschaften der Membrane sind in Tabelle 2 und 3 aufgeführt.
Beispiel 10
In diesem Beispiel (1216-9 EVAL) wurde die Verfahrensweise von Beispiel 5 von US-Patentanmeldung Seriennummer 08/568,808, die hierin durch Verweis einbezogen ist, mit den folgenden Ausnahmen befolgt: 58,7 Gewichtsprozent Ethylen-Vinylalkohol-Copolymer (lieferbar als EVAL F-100B^TM von der Eval Corp. of America), 24,5 Gewichtsprozent Polyethylenglykol (lieferbar als PEG 200 von der Dow Chemical Co.) und 16,8 Gewichtsprozent Glyzerin (USP 99,7 % natur, erhältlich von der Proctor and Gamble Co.) wurden schmelzgemischt und auf eine strukturierte Gießtrommel extrudiert, die pyramidenähnliche Vorsprünge aufweist, die diamantförmige Spitzen von 0,02 mm² aufweisen, um etwa 10 % Berührungsfläche bereitzustellen, aufrechterhalten bei 77° C.
Das resultierende Folienmaterial wurde in einem Wasserbad gewaschen. Die resultierende Folie wurde in einem Wasserbad ungefähr 7,6 Minuten lang gewaschen. Die Folie wurde im nassen Zustand biaxial um das 1,9 × 1,9-fache (oder 190 % in der Bearbeitungsrichtung und 190 % in der transversalen Richtung) bei Umgebungs temperatur gereckt. Am Ende des Spannprozesses wurde das Wasser durch Verdampfung bei einer Temperatur von 182° C entfernt, um die Membran zu trocknen und zu tempern. Die Eigenschaften der Membrane sind in Tabelle 2 und 3 aufgeführt.
Beispiel 11
Eine Polypropylen-Blasmikrofaser- (-BMF-) -Vliesfolie, die gemäß dem Prozess vorbereitet wurde, der in Wente, Van A, „Superfine Thermoplastic Fibers," Industrial Engineering Chemistry, Bd. 48, S. 1342-1346 und in Wente, Van A et al., „Manufacture of Superfine Organic Fibers," Bericht Nr. 4364 des Naval Research Laboratory, veröffentlich am 25. Mai 1954, beschrieben ist, wurde aus dem Filtergewebeabschnitt durch die Demontage einer Flüssigkeitsfilterpatrone hoher Kapazität erlangt, die unter der Handelsbezeichnung „743B" von 3M Filtration Products, 3M Company, St. Paul, MN, USA, angeboten wird. Der Filtergewebeabschnitt weist einen kalandrierten Vier-Schichten-Aufbau der Polypropylen-BMF auf, wobei jede Schicht ein Grundgewicht von 20 g/m² aufweist, das in einem Gesamtgrundgewicht für die Filterfolie von 80 g/m² resultiert. Die physikalischen Eigenschaften der Blasmikrofaser- (-BMF-) -Vliesfolie wurden gemessen und in den Tabellen 2 und 3 aufgeführt.
Beispiel 12
Ein Blatt Celgard (reg.) 2400-Polypropylenfolie, die von der Hoechst Celanese Corp., Separations Products Division, Charlotte, NC, USA, angeboten wird, wurde geprüft, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
Beispiele 13 bis 16
Ein Blatt einer Dupont Tyvek (reg.)-Membran aus hochdichtem Polyethylen des Typs 10-1056-D, lieferbar von Dupont in Wilmington, DE, USA, wurde wie in Beispiel 1 geprüft, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. Folien der Typen 10-1073-D, 10-1079 und 10-1085-D, die jeweils ebenfalls aus Polyethylen hoher Dichte hergestellt waren, wurden so geprüft und und sind als Beispiele 14, 15 bzw. 16 in Tabelle 2 dargestellt.
Beispiele 17 und 18
Ein Blatt 0,1-Mikrometer-Porengrößen-Membran Costar MF MB, die aus einem Gemisch von Zellulosenitrat und Zellulosediacetat hergestellt wurde und von der Coming Costar Corporation, One Alewife Center, Cambridge, MA, USA, erhältlich ist, wurde gemäß Beispiel 1 geprüft, und die Ergebnisse sind als Beispiel 17 dargestellt. Ein Blatt 0,2-Mikrometer-Nennporengrößen-Membran Costar MF MB wurde in ähnlicher Weise als Beispiel 18 geprüft, und alle Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt.
Beispiele 19 bis 31
In Beispiel 19 wurde ein Blatt Gelman GN-6 Metricel-Membran mit 0,45 Mikrometer Nennporengröße aus gemischtem Zelluloseester, die von Gelman Sciences, Ann Arbor, MI, USA, angeboten wird, gemäß Beispiel 1 geprüft. Zwölf zusätzliche Varianten von Gelman-Membranen wurden in ähnlicher Weise geprüft und nacheinander als Beispiele 20 bis 31 dargestellt. Resultate und Membranbezeichnungen sind in Tabelle 2 vermerkt. Bei den Beispielen 20 bis 22 handelte es sich bei dem Polymertyp um Polytetrafluorethylen auf einer Stützung aus Polypropylen. Bei den Beispielen 23 bis 25 und 28 war das Polymer Polysulfon. Bei den Beispielen 26 und 27 war das Polymer Acryl-Copolymer-Guss auf einem Non-woven-Nylonsubstrat. Bei Beispiel 29 war das Polymer Nylon. Bei Beispiel 30 war das Polymer Polyvinylchlorid und bei Beispiel 31 war der Werkstoff Glasfaser mit einem Acrylbinder.
Beispiele 32 bis 38
In Beispiel 32 wurde ein Blatt Millipore MF 0.22-Membran mit 0,22 Mikrometer Porengröße aus gemischtem Zelluloseester, die von der Millipore Corporation, Bedford, MA, USA, erhältlich ist, wie in Beispiel 1 geprüft. Zwei zusätzliche Membranen aus gemischtem Zelluloseester, die Nennporengrößen von 3,0 und 8,0 Mikrometer aufweisen, wurden geprüft, und die Resultate sind in den Beispielen 33 und 34 vermerkt. Bei den Beispielen 35 und 36 handelte es sich bei dem Polymertyp um Polyvinylidenfluorid und bei den Beispielen 37 und 38 um Polytetrafluorethylen.
Beispiele 39 und 40
Ein Blatt Akzo Nobel Faser-Membran aus Polypropylen mit 0,1 Mikrometer Porengröße, die von der Akzo Nobel Faser AG Membrana in Wuppertal, Deutschland angeboten wird, wurde wie in Beispiel 1 geprüft, und die Ergebnisse sind in Tabelle 2 als Beispiel 39 dargestellt. Ein zweites, bis auf die Porengröße von 0,2 Mikrometer ähnliches Blatt wurde ebenfalls geprüft und ist als Beispiel 40 dargestellt.
Vergleichsbeispiele C1 bis C7
Ein Blatt Costar PC MB-Membran mit 0,015 Mikrometer Nennporengröße aus Polycarbonat, die von der Coming Costar Corporation, Cambridge, MA, USA, erhältlich ist, wurde gemäß Beispiel 1 geprüft und als Beispiel C1 dargestellt. Zusätzliche Blätter von Costar- Polycarbonat-Membranen wurden in ähnlicher Weise geprüft, und die Ergebnisse sind als Beispiele C2 bis C7 in Tabelle 2 dargestellt.
Vergleichsbeispiel C8
Ein Blatt 0,001''- (25,4-Mikrometer)-Silikonkautschuk-Membran, lieferbar von der Membrane Products Corp., Albany, NY, USA, wurde auf Dicke geprüft. Der Prüfling zog sich beim Schneiden zusammen, wodurch es nicht praktikabel war, Flächengewicht und Feststoffpolymerdichte zu ermitteln. Die Membran ist nicht porös, wodurch die anderen Bestimmungen der Tabelle 2 nicht anwendbar sind.
Beispiel 41
Ein Personen-Diffusionsgasübertragungs-Atemschutzsystem wurde hergestellt durch Kombinieren des Querstrom-Diffusionsgasübertragungmoduls (DGTM) der 5 mit einer modifizierten Version der Easi-Air (TM)-Atemschutzgerätmaske Nr. 7300 mittel/groß. Das DGTM und die Atemschutzgerätmaske wurden ferner in ein Personen-Atemgerätsystem kombiniert, wobei flexible Schlauchleitungen, ein flexibler, gasundurchlässiger Beutel und standardmäßige Ventilbestückung verwendet wurde.
8a und 8b zeigen das fertig gestellte Personen-Atemgerätsystem. Das Inhalationsventil auf der rechten Seite des Atemschutzgeräts wurde abgedichtet, um es zu ermöglichen, dass alle inhalierte Luft aus einer Schlauchleitung zugeführt wird. Das mittige Exhalationsventil wurde betriebsfähig belassen und dicht mit einer Schlauchleitung verbunden, die zu einer Zufuhrsammelkammer am Eintritt in das DGTM führt.
Das DGTM wurde unter Verwendung der Celenese Celgard-Membran Nr. 2400 des Beispiels 12 hergestellt. In der in 5 dargestellten Ausrichtung sind die 128 vertikalen rechteckigen Schlitze zum Aufnehmen des exhalierten Atems 1,9 mm breit, 1,0 mm dick und 20,8 mm lang. Die Struktur ist durch eine Kombination von Membranwänden und Abstandsschichten definiert. Die 129 Querstromführungen zur Kontaktierung der Umgebungsluft sind durch Quer-Abstandshalter in 16 je Abschnitte unterteilt, wodurch sich 2064 einzelne Führungen ergeben, die jeweils 1,0 cm breit, 1,0 mm dick und 2,54 cm lang sind. Die Abstandsschichten werden durch Laminierung von 0,040''- (1 mm-) -Mehrzweck-Polystyrolbogenmaterial mit doppelseitigem Klebeband 3M Nr.1522 gebildet, das einschließlich Trennschicht geliefert wird. Die Abstandsschichten für das Halten der Membran sowohl in Längs- als auch in Querrichtung wurden hergestellt, indem zuerst die Polystyrolbogen mit dem Klebeband laminiert wurden und dann das Muster mit Wasserstrahl geschnitten wurde, um Abstandskalter zu bilden.
Die Trennschicht wurde während des Zusammenbaus abgezogen, um die vollständige Abdichtung der Membran zum Abstandshalter zu ermöglichen. Jeder der 128 vertikalen Durchtritte enthält 105,7 cm² Membran, von denen 46,9 cm² durch Abstandshalter blockiert sind, wodurch 58,8 cm² wirksamer Membran verbleiben, die in zwei Bogen geteilt ist, einer auf jeder Seite des Schlitzes. Der Gesamtbetrag an wirksamer Membran im System ist 7531 cm² oder etwa 0,75 m².
Wie durch die Struktur des DGTM deutlich wird, die in 6 gezeigt ist, bilden Abschnitte der Membran, die die Wände jedes Schlitzes bilden, auch die Wände der Querstromführungen. Zusätzliche Abstandshalter, die horizontal verlaufen, wenn die Schlitze vertikal sind, halten die Atemschlitze in einem Abstand voneinander und definieren die Größe der Querstromführungen.
Der flexible Beutel, der dicht und mit dem unteren Bereich des DGTM verbunden ist, kann aus einer Vielzahl flexibler, nicht poröser Werkstoffe hergestellt sein. Der Einlass zum flexiblen Beutel ist der Auslass des DGTM bei Exhalation des Subjekts. Der Auslass des flexiblen Beutels ist dicht verbunden mit der Schlauchleitung, die zur Inhalationsventilöffnung der Atemschutzgerätmaske führt.
Im Betrieb wird der exhalierte Atem bei jeder Exhalation des Benutzers durch das DGTM gefördert. Bei Inhalation schließt das Exhalationsventil und hält den zuvor exhalierten Atem davon ab, wieder in die Maske einzutreten. Der exhalierte Atem strömt frei durch die vertikalen Schlitze und in den flexiblen Beutel. Wenn der Atem strömt, wird überschüssiges CO₂ in die Umgebung übertragen und O₂ wird in den Atemschlitz übertragen. Somit ist die Luft, die in den flexiblen Beutel eintritt, um CO₂ vermindert und um O₂ ergänzt im Vergleich zu Luft, die vom Benutzer exhaliert wird. Wasserdampf aus dem exhalierten Atem wird ebenfalls in die Umgebung übertragen. Der flexible Beutel bläht sich bei Exhalation auf und zieht sich bei Inhalation zusammen, um eine kontinuierlich umlaufende Luftmasse bereitzustellen, die frei von Feststoffteilchen-Verunreinigung ist mit Ausnahme der Mengen an Feststoffteilchen, die über Undichtigkeiten der Maskenabdichtung eintreten können. Eine vollständige Abdichtung der Maskendichtung resultiert in vollständiger Isolierung des Benutzers von den Teilchen in der Außenluft.
Um die Leistung des Geräts zu prüfen, legte ein männliches Subjekt das komplette System an und führte Übungen zweierlei Niveaus durch. Bei Gehversuhen in der Ebene über ausgedehnte Zeiträume von bis zu einer Stunde Dauer stellte das Gerät ausreichenden Gasaustausch einschließlich O2, CO2 und H2O für den Komfort ohne merkbare nachteilige Wirkungen bereit. In einem zweiten Übungsniveau ging das Subjekt drei Treppen hoch und setzte anschließend das Gehen auf ebenem Boden fort. Unter beiden dieser Prüfbedingungen erlaubte die Bewegung des Subjekts es atmosphärischer Luft, auf die Querstromführungen zu fallen und diese zu durchströmen, um CO₂ und H₂O zu entfernen und O₂ zuzuführen. Unter den zweiten Prüfbedingungen gab es einen geringfügig bemerkbaren Anstieg von CO₂, wie dies durch einen leicht sauren Geschmack im Mund nachgewiesen wurde. Das erhöhte CO₂ ging fort, wenn das Subjekt auf ebener Erde fortfuhr.
Es wird geschlossen, dass das Gerät bei leichter Arbeitsbelastung nützlich ist und für schwerere Arbeitsbelastung durch Einbeziehung eines Lüfters in den atmosphärischen Abschnitt des Systems, um Luft mit einer stetigen Geschwindigkeit durch die Führungen zu fördern, verbessert werden könnte. So, wie es ist, war da System nützlich zum Austauschen von Gasen zwischen dem Benutzer und der Umgebung wegen des freien Austauschs von Umgebungsluft auf der Außenseite des DGTM und der erzwungenen Konvektion auf der Innenseite durch den Atemzyklus.
Beispiel 42
Die in 9 gezeigte Kabine wurde verwendet, um die Diffusionsgasübertragungsfähigkeiten für ein DGTM zu ermitteln, das die in 9 gezeigte Konfiguration aufweist. Die Kabine war 194 cm hoch, 77 cm breit und 139 cm lang. Im hinteren Bereich der Kabine wurde die Breite auf 194 cm erhöht, um die Schultern und Arme des Versuchssubjekts unterzubringen. Der Rahmen wurde aus 2,54 cm-Aluminium-Vierkantrohr aufgebaut und an allen Verbindungen verschweißt, wobei klare Polycarbonatplatten die Wände und die Decke bildeten. Silikondichtmittel wurde großzügig zwischen dem Rahmen und den Platten aufgebracht, um die Kabine abzudichten. Am Fußboden wurden Schaumklebstreifendichtungen verwendet. Der Zutritt in die Kabine wurde erleichtert, indem die gesamte Kabine zum Eintreten von vorn angehoben wurde. Das innere Volumen der Kabine wurde über physikalische Messungen und Konzentrationsänderungen während der Gaszugabe etwa mit 2 m³ abgeschätzt. Das freie Gasvolumen innerhalb der Kammer war gleich dem Kabinenvolumen minus dem Volumen, das durch das Subjekt belegt war, und minus dem Volumen für jedwede Ausrüstung.
Um das Grad der Abdichtung der Kabine von der Umgebung zu prüfen, wurde es einem Gemisch von 0,50 % Kohlendioxidgas in Stickstoff ermöglicht, die Kammer zu füllen. Nach vier Tagen hatte die Konzentration von Kohlendioxid in der Kabine nicht in messbarem Umfang abgenommen. Dies ließ den Schluss zu, dass Prüfungen mit menschlichen Subjekten von ein oder zwei Stunden Dauer im Vertrauen darauf erfolgen konnten, das Gasaustausch zwischen dem Prüfsubjekt und der äußeren Umgebung durch das DGTM allein erfolgen würde ohne Sicker- oder Wandübertragung.
Das DGTM wurde auf der geneigten Platte vor dem Testsubjekt positioniert, wie in 9 gezeigt, und bestand aus 131 wirksamen Schichten der Membran von Beispiel 5 kombiniert mit Abstandshaltern, die nach der Konfiguration von 4 hergestellt waren und, abgesehen von der Form, gemäß der Verfahrensweise hergestellt waren, die für das Querstrom-Personen-DGTM verwendet wurde. Die 131 Schichten von Membranen übertragen Gase zwischen 132 Strömung enthaltenden Schichten, wobei jede Schicht in 10 Strömungskanäle geteilt ist, wie durch 4 deutlich wird. Die inneren und äußeren Luftstromkreise standen mit je 66 der Strömungsschichten und insgesamt mit je 660 Strömungskanälen in Verbindung. Um das DGTM aufzubauen, wurden die Abstandshalter, die die Schichten bildeten, um 180 Grad zum Alternieren der Schichten derart gedreht, dass, wie in 4 gezeigt, die Abstandshalter an den Eintritts- und Austrittspositionen sich unter 90 Grad kreuzen und eine Querstromanordnung mit benachbarten Schichten bereitstellen, wobei jeder Mittelabschnitt nach Wahl entweder Gleichstrom oder Gegenstrom bereitstellt. In den Prüfungen wurde Gegenstrom verwendet. An der Ober- und Unterseite der Membranstapel standen die Strömungsräume in Verbindung mit Membran auf einer Seite und mit einer nicht Gas übertragenden Wand auf der anderen. Alle anderen Strömungsräume standen auf beiden Seiten mit Gas übertragender Membran in Verbindung. Jede der 131 wirksamen Membranschichten weist eine Gesamtfläche von etwa 157 cm² Membran auf, von denen etwa 42 cm² durch Abstandshalter blockiert waren, wodurch 115 cm² Gasübertragungsfläche pro wirksamer Membranschicht verblieben. Die insgesamt im DGTM wirksame Membran betrug etwa 1,5 m².
Um den Luftstrom zum DGTM zu steuern, wurden aus Plexiglasplatten und Messing-Lochscheiben zwei Sammelkammer-Messblenden-Systeme aufgebaut. Jede Messing-Lochscheibe wies 64 Löcher auf, und jedes Loch wies einen Durchmesser von 0,653 cm auf. Der Öffnungsdurchmesser wurde so gewählt, dass ein Strom von 1 Kubikfuß pro Minute (28, 32 l/min) sich aus einem Sammelkammerdruck von einem Inch Wassersäule oder 249 Pascal ergeben würde. Insgesamt 8 Absperrventile, die aus Plexiglasplatten aufgebaut waren, die mit 0,5-mm-Gummiplatten kaschiert waren, wurden in jedem der Sammelkammer-Messblenden-Systeme angeordnet. Die Ventile wurden über Zug-Druck-Stangen 110 betätigt, und die ersten sechs Ventile konnten ein, ein, zwei, vier, acht bzw. 16 Öffnungen schließen oder öffnen. Die übrigen zwei betätigten je 16 Öffnungen. Somit war es möglich, den Luftstrom zwischen einem und 64 CFM (28,32 und 1812,5 l/min) in jeder gewünschten ganzzahligen CFM-Stärke zu steuern.
Die Kabine beherbergte ein Trainingsgerät des Typs Schwinn Air-dyne Total Body Ergometer. Das Gerät gestattete die Eingabe von Körpergewicht und Leistungsabgabe des Subjekts in Kalorien pro Stunde, erzeugten Watt und Pferdestärken.
Die Korrelation zwischen Trainingsniveau, Sauerstoffverbrauch und Kohlendioxiderzeugung kann den „Principles of Exercise Testing and Interpretation" 1987, von Karlman Wasserman, erschienen bei Lea & Febiger, Philadelphia, USA, entnommen werden. Die Rate der Erzeugung von Kohlendioxid durch das Subjekt wurde ebenfalls ermittelt durch Training auf konstantem Niveau ohne Strömung durch das DGTM, das in einer stetig steigenden Kohlendioxidkonzentration in der Kabine resultierte, aus der die Rate der Kohlendioxiderzeugung ermittelt werden konnte.

Claims

Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200), das aufweist: eine Membran (24; 61; 99; 212), die eine Feststoffmatrix aufweist, die zwischen einem ersten Gasbereich (22; 62; 204) und einem zweiten Gasbereich (26; 64; 216) angeordnet ist, wobei der erste Gasbereich (22; 62; 204) einen ersten Mechanismus aufweist, der in der Lage ist, eine erste Umgebungsgasströmung transversal über und in Kontakt mit einer ersten Oberfläche (23) der Membran (24; 61; 99; 212) zu richten, wobei der zweite Gasbereich (26; 64; 216) einen zweiten Mechanismus aufweist, der in der Lage ist, eine zweite Umgebungsgasströmung transversal über und in Kontakt mit einer zweiten Oberfläche (25) der Membran (24; 61; 99; 212) zu richten, wobei mindestens eine der ersten oder zweiten Gasströmungen Schwebeteilchen enthält, wobei die Membran (24; 61; 99; 212) eine Vielzahl gewundener Pfade aufweist, die sich von der ersten Oberfläche (23) der Membran zur zweiten Oberfläche (25) der Membran erstrecken, um eine maximale Porengröße zu definieren und um einen Hohlraumvolumenanteil zu definieren, der mindestens 0,2 beträgt, wobei die Membran (24; 61; 99; 212) in der Lage ist, die Übertragung im Wesentlichen aller Teilchen einschließlich solcher, die kleiner als die maximale Porengröße sind, zwischen den ersten und zweiten Gasbereichen (22, 26; 62, 64; 204, 216) zu blockieren, während sie die Diffusion von Gaskomponenten zwischen den ersten und zweiten Gasbereichen (22, 26; 62, 64; 204, 216) gestattet.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1, wobei die Membran (24; 61; 90; 212) so konfiguriert ist, dass sie in der Lage ist, die Übertragung von Teilchen zu blockieren, deren Durchmesser 1,0 mm oder weniger beträgt, und vorzugsweise von im Wesentlichen allen Teilchen von ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 0,5 μm Durchmesser.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Membran (24; 61; 99; 212) so konfiguriert ist, dass sie in der Lage ist, die Übertragung aller Teilchen zwischen den ersten und zweiten Gasbereichen (22, 26; 62, 64; 204, 216) zu blockieren.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1-3, wobei es sich bei der Membran (24; 61; 99; 212) um eine polymere Membran handelt.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1-3, wobei es sich bei der Membran (24; 61; 99; 212) um eine faserige, mikroporöse polymere Membran handelt.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1-3, wobei die Membran (24; 61; 99; 212) als kugelförmige, mikroporöse polymere Membran ausgeführt ist.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1-6, wobei die Membran (24; 61; 99; 212) eine Vielzahl zufällig verteilter, unregelmäßig geformter thermoplastischer Teilchen aufweist, wobei ein Teil der thermoplastischen Teilchen mit Abstand zueinander angeordnet ist, um zwischen ihnen ein Netz von Pfaden bereitzustellen, wobei ein Teil der mit Abstand angeordneten thermoplastischen Teilchen miteinander durch Fibrillen verbunden ist.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1-7, wobei die ersten und zweiten Mechanismen, die die Umgebungsgase leiten, jeweils eine Sammelkammer aufweisen.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1-8, wobei der Hohlraumvolumenanteil der Membran (24; 61; 99; 212) mindestens 0,50, vorzugsweise mindestens 0,70 und/oder weniger als 0,9 beträgt.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1-9, wobei die gewundenen Pfade eine maximale Porengröße von ungefähr 3 bis 5 Mikrometern, vorzugsweise von ungefähr 0,05 bis 2,0 Mikrometern aufweisen.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1-10, wobei die Membran (24; 61; 99; 212) zwischen den ersten und zweiten Gasbereichen (22, 26; 62, 64; 204, 216) gehalten wird und in der Lage ist, die Übertragung von Teilchen im Wesentlichen zu blockieren, wenn sie über die Membran (24; 61; 99; 212) hinweg einem Druckunterschied ausgesetzt ist, der ungefähr einem Berstdruck der Membran entspricht oder größer als ein Berstdruck der Membran ist.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1-11, wobei die Membran (24; 61; 99; 212) so konfiguriert ist, dass sie in der Lage ist, die Übertragung von Teilchen im Wesentlichen zu blockieren, wenn sie über die Membran (24; 61; 99; 212) hinweg einem Druckunterschied ausgesetzt ist, der 50 Kilopascal oder mehr beträgt.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1-12, wobei die Membran (24; 61; 99; 212) so konfiguriert ist, dass sie in der Lage ist, eine Gasübertragungsrate aufrechtzuerhalten, die bei Prüfung gemäß Nachpartikelbeaufschlagungs-Gasübertragungsraten-Prüfung um nicht mehr als 2 % vermindert ist.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1-13, wobei ein Verhältnis eines Diffusionskoeffizienten eines ausgewählten Gases bei einer ausgewählten Temperatur und einem ausgewählten Druck in ruhiger Luft zu einem effektiven Diffusionskoeffizienten desselben Gases unter derselben Temperatur und demselben Druck innerhalb der hohlen gewundenen Pfade der Membran (24; 61; 99; 212) 1,03 bis 500 beträgt.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1-14, wobei das Diffusionsgasübertragungssystem derart konfiguriert ist, dass ein Teil der ersten Umgebungsgasströmung in einer Orientierung strömt, die zur zweiten Umgebungsgasströmung senkrecht, zur zweiten Umgebungsgasströmung parallel oder bezüglich der zweiten Umgebungsgasströmung in einem Winkel ausgerichtet ist.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1-15, wobei das Diffusionsgasübertragungssystem derart konfiguriert ist, dass mindestens eine der Umgebungsgasströmungen eine laminare Strömung bezüglich der Membran (24; 61; 99; 212) und/oder eine turbulente Strömung bezüglich des Diffusionsgasübertragungsmediums zeigt.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1-16, wobei das Diffusionsgasübertragungssystem derart konfiguriert ist, dass der erste Gasbereich (22; 62; 204) Luft au ßerhalb eines geschlossenen Raumes aufweist und wobei der zweite Gasbereich (26; 64; 216) Luft innerhalb eines geschlossenen Raumes aufweist.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 17, wobei das Diffusionsgasübertragungssystem derart konfiguriert ist, dass der zweite Gasbereich (26; 64; 216) als Reinraum ausgeführt ist.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 17, wobei das Diffusionsgasübertragungssystem derart konfiguriert ist, dass der zweite Gasbereich (26; 64; 216) als Personen-Atemgerät ausgeführt ist.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 17, wobei das Diffusionsgasübertragungssystem derart konfiguriert ist, dass der zweite Gasbereich (26; 64; 216) als Inneres eines Gebäudes ausgeführt ist.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 17, wobei der geschlossene Raum einen Automobil-Fahrgastraum, eine Flugzeugkabine, ein Wohnhaus, ein Hochhaus, eine Fabrik oder einen Raum eines Krankenhauses einschließt.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 17-20, wobei der Gasaustausch zwischen dem ersten Gasbereich und einem zweiten Gasbereich primär durch die Membran erfolgt.
Diffusionsgasübertragungssystem (20; 60; 70; 90; 102; 200) nach Anspruch 1 bis 22, wobei es sich bei der Membran (24; 61; 99; 212) um eine Nichthohlfasermembran handelt.
Luftbehandlungssystem, das das Diffusionsgasübertragungssystem nach einem der Ansprüche 1-23 aufweist, wobei der erste Gasbereich in einem ersten Pfad gasförmiger Strömung ist und der zweite Gasbereich in einem zweiten Pfad gasförmiger Strömung ist, wobei sich der erste Pfad gasförmiger Strömung von einem Einlass zu einem Auslass erstreckt, und wobei der erste Pfad gasförmiger Strömung einen Stromaufwärts-Abschnitt und einen Stromabwärts-Abschnitt aufweist, und das ferner eine gasundurchlässige Thermoübertragungsregion aufweist, die die Übertragung thermischer Energie zwischen dem Stromaufwärts-Abschnitt und dem Stromabwärts-Abschnitt des ersten Pfades gasförmiger Strömung gestattet.
Luftbehandlungssystem nach Anspruch 24, wobei das Luftbehandlungssystem derart konfiguriert ist, dass ein erster gasförmiger Strom Luft außerhalb eines geschlossenen Raumes aufweist und der zweite gasförmige Strom Luft innerhalb eines geschlossenen Raumes aufweist.
Verfahren zum Gestatten der Übertragung gasförmiger Komponenten von einem ersten Gasbereich (22; 62; 204) zu einem zweiten Gasbereich (26; 64; 216), ohne eine signifikante Teilchenübertragung zu erlauben, wobei das Verfahren aufweist: (a) Richten einer ersten Umgebungsgasströmung eines ersten Gasbereichs (22; 62; 204) transversal über und in Kontakt mit einer ersten Oberfläche (23) einer Membran (24; 61; 99; 212), die eine Feststoffmatrix und eine Vielzahl gewundener Pfade aufweist, wobei sich die Pfade von der ersten Oberfläche (23) der Membran zu einer zweiten Oberfläche (25) der Membran erstrecken, um eine maximale Porengröße und einen Hohlraumvolumenanteil zu definieren, der mindestens 0,2 beträgt, und wobei die Membran in der Lage ist, die Übertragung im Wesentlichen aller Teilchen einschließlich solcher, die kleiner als die maximale Porengröße sind, zwischen den ersten und zweiten Gasbereichen (22, 26; 62, 64; 204, 216) zu blockieren, während sie die Diffusion von Gaskomponenten zwischen den ersten und zweiten Gasbereichen (22, 26; 62, 64; 204, 216) gestattet, und (b) Richten einer zweiten Umgebungsgasströmung eines zweiten Gasbereichs (26; 64; 216) transversal über und in Kontakt mit der zweiten Oberfläche (25) der Membran, wobei mindestens eine der Umgebungsgasströmungen Teilchen aufweist und wobei Gaskomponenten in dem ersten und/oder zweiten Gasbereich von dort durch die Membran (24; 61; 99; 212) in den anderen Gasbereich diffundieren, die Teilchen jedoch nicht dort hindurch übertragen werden.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Gase Atemgase einschließen.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, wobei es sich bei der Membran (24; 61; 99; 212) um eine faserige, mikroporöse polymere Membran oder eine kugelförmige, mikroporöse polymere Membran handelt.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, wobei die Membran (24; 61; 99; 212) eine Vielzahl zufällig verteilter, unregelmäßig geformter thermoplastischer Teilchen aufweist, wobei ein Teil der thermoplastischen Teilchen mit Abstand zueinander angeordnet ist, um zwischen ihnen ein Netz von Pfaden bereitzustellen, wobei ein Teil der mit Abstand angeordneten thermoplastischen Teilchen miteinander durch Fibrillen verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 26-29, wobei die Membran (24; 61; 99; 212) einen Hohlraumvolumenanteil von mindestens 0,50, vorzugsweise von mindestens 0,70 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 26-30, wobei die gewundenen Pfade eine maximale Porengröße von ungefähr 3 bis 5 Mikrometern, vorzugsweise von ungefähr 0,05 bis 2,0 Mikrometern aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 26-31, das ferner aufweist: Halten der Membran (24; 61; 99; 212) und im Wesentlichen Blockieren der Übertragung von Teilchen, wenn ein Druckunterschied über der Membran (24; 61; 99; 212) einen Druck von ungefähr dem Berstdruck der Membran oder mehr aufweist oder einen Druckunterschied über der Membran von 300 Kilopascal oder mehr aufweist.
Verfahren nach Anspruch 26-32, wobei die Membran (24; 61; 99; 212) in der Lage ist, eine Gasübertragungsrate aufrechtzuerhalten, die bei Prüfung gemäß Nachpartikelbeaufschlagungs-Gasübertragungsraten-Prüfung um nicht mehr als 2 % vermindert ist.
Verfahren nach Anspruch 26-33, wobei ein Verhältnis eines Diffusionskoeffizienten eines ausgewählten Gases bei einer ausgewählten Temperatur und einem ausgewählten Druck in ruhiger Luft zu einem Diffusionskoeffizienten desselben Gases unter derselben Temperatur und demselben Druck innerhalb der hohlen gewundenen Pfade der Membran (24; 61; 99; 212) 1,03 bis 500 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 26-34, das den Schritt aufweist, mindestens eine der Umgebungsgasströmungen in turbulenter Strömung bezüglich des Diffusi onsgasübertragungsmediums zu halten und/oder mindestens eine der Umgebungsgasströmungen in laminarer Strömung bezüglich des Diffusionsgasübertragungsmediums zu halten.
Verfahren nach Anspruch 26-35, das den Schritt aufweist, einen Teil der ersten Umgebungsgasströmung senkrecht oder antiparallel zur zweiten Umgebungsgasströmung zu halten.