DE69407221T2

DE69407221T2 - Regler für selbständiges Luftatemgerät

Info

Publication number: DE69407221T2
Application number: DE69407221T
Authority: DE
Inventors: Rober L Cramer
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1993-06-01
Filing date: 1994-05-10
Publication date: 1998-07-09
Anticipated expiration: 2014-05-11
Also published as: EP0631795B1; JPH07553A; EP0631795A1; CA2122522A1; DE69407221D1; US5787883A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Atemgerät zur Verwendung in gefährlicher Umgebung, genauer gesagt, einen gasvermischenden Druckregler zum Versorgen eines Atemgeräts mit Atemgas.

Hintergrund der Erfindung

Es ist bekannt, bei Arbeiten unter gefährlichen Bedingungen, wie zum Beispiel beim Bekämpfen von Feuer, ein Atemgerät zu verwenden. Ein typisches Atemgerät weist im Allgemeinen eine Gesichtsmaske, eine Zuführung für eine unter Druck stehende Sauerstofflstickstoffmischung, eine sich von der Druckzuführung zur Gesichtsmaske erstreckende Einatemröhre, eine die ausgeatmete Luft aufnehmende Ausatemröhre, durch die die ausgeatmete Luft zu einer Ausatemkammer und durch eine Gasreinigungseinrichtung zum Entfernen des Kohlendioxids aus der ausgeatmeten Luft geführt wird. Die kohlendioxidfreie Luft wird dann mit einer frischen Mischung von Sauerstoff/Stickstoff vermischt und durch das System als Atemluft rückgeführt. Üblicherweise ist ein Druckregler zum Mischen der kohlendioxidfreien ausgeatmeten Luft mit der frischen Mischung von Sauerstoff 1 Stickstoff von der Druckzuführung und Rückführen als Atemluft zu der Gesichtsmaske vorgesehen.
Frühere Druckregler erforderten die Verwendung von mechanischen Federn zum Öffnen und Schließen von Ventilen für eine korrekte Mischung von Gas aus der Druckzuführung und der ausgeatmeten Luft. Bei derartigen Federn besteht nicht nur die Gefahr von Fehlfunktionen sondern auch von Energieverlusten und Instabilitäten, die die Bereitstellung eines Bypasses für den Fall eines Ausfalls erfordem. Bei einer Fehlfunktion der Federn in dem Druckregler könnte ungeregelte Atemluft von der Druckzuführung direkt zur Gesichtsmaske strömen. Umgekehrt kann eine Fehlfunktion der gegenüberliegenden Feder die Strömung von Atemluft zur Maske verhindern. Dieser letztere Zustand muss durch die Regelung mittels eines aufwendigen Bypassmechanismuses vermieden werden, welcher durch die Erfindung überflüssig wird.
Ein anderes Problem liegt darin, daß bei bekannten Ausgestaltungen eine Atemmembran gegen eine äußere Feder gedrückt wird, um einen Einlass zum Zuführen von Druckluft zur Gesichtsmaske zu bewegen. Derartige Federn werden als instabil angesehen und neigen dazu, sich während des Ausatmens von dem Hebel wegzubewegen, was zu einer Verzögerung beim Ansprechen auf den Bedarf von Atemluft durch den Benutzer führt.
Ein anderes, bei bekannten Anordnungen auftretendes Problem liegt darin, dass nach Jeder Nutzung die der ausgeatmeten Luft ausgesetzten Teile des Atemgeräts gereinigt werden müssen. Bei bekannten Vorrichtungen waren die sich bewegenden Hebel und Ventile nicht von der ausgeatmeten Luft getrennt, so dass Wasserdampf aus der ausgeatmeten Luft sowie von Reinigungslösungen die sich bewegenden Hebel und Ventile verschmutzten und somit ihre Funktion beeinträchtigten, was zu einem verzögerten Ansprechverhalten oder einer Fehlfunktion führte.
In FR-A-2 387 667 wird ein Druckregler für ein Atemgerät beschrieben, mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1. Bei dem Druckregler tritt das gleiche Problem auf, wie oben beschrieben, da Wasserdampf von der ausgeatmeten Luft das Ventil und den Drucksensor verschmutzt, so dass seine Funktion beeinträchtigt werden kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Zur Lösung der oben genannten Aufgaben wird ein Druckregler mit den Merkmalen von Anspruch 1 angegeben.
Ein erfindungsgemässer Druckregler für ein Atemgerät weist eine Mischkammer zum Bereitstellen einer korrekten Mischung aus angereichertem, gespeichertem Sauerstoff/Stickstoffgas mit kohlendioxidbefreitem, ausgeatmetem Gas auf, sowie einen ersten Einlassanschluss zum Zuführen von angereichertem, gespeichertem Gas zu der Mischkammer, einem zweiten Einlass zum Zuführen von kohlendioxidfreiem, ausgeatmetem Gas zu der Mischkammer und einer Mischröhre zum Zuführen des gemischten Gases zu einer Gesichtsmaske. Ein druckempfindliches Ventil ist zum Öffnen des ersten Einlasses zum Zuführen von angereichertem, gespeichertem Gas zu der Mischkammer vorgesehen. Das Druckversorgungsventil weist einen gleitenden Stößel zum Öffnen und Schliessen des ersten Einlassanschlusses auf, der durch einen schwenkbaren Hebel in Abhängigkeit von einer druckempfindlichen Membran betätigt wird. Das Ventil ist von der Mischkammer getrennt, um eine Verschmutzung des Ventils durch die Feuchtigkeit der ausgeatmeten Luft und einer Reinigungslösung zu vermeiden.
Merkmale und Vorteile der Erfindung bestehen darin, einen verbesserten Druckregler für ein Atemgerät anzugeben, der keine mechanischen Federn erfordert, der einen Bypass überflüssig macht und ein druckempfindliches Ventil verwendet, bei dem der Hebel und das bewegliche Ventil von Verschmutzungen und Reinigungslösung getrennt sind, der effektiver, zuverlässiger, robuster, stabiler, haltbarer, leichter herstell- und wartbar ist, sowie eine lange Lebensdauer aufweist.

Kurzbeschreibung der Figuren

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht des die Erfindung nutzenden Atemge-
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des Druckreglers.

Beschreibung

Fig. 1 zeigt ein die Erfindung verwendendes Atemgerät 10 mit einer Gesichtsmaske 12, einer Einatemröhre 14 und einer Ausatemröhre 16, welche beide mit einer in einem auf dem Rücken des Benutzers tragbaren Träger 17 enthaltenen Atemluftzuführung verbunden sind. Eine Druckgasquelle 18 ist in dem Träger 17 vorgesehen und enthällt eine Sauerstofflstickstoffmischung, vorzugsweise in einem Verhältnis mit 38 % Sauerstoff. Das sauerstoffreiche Gas wird über ein Schließventil 20, einen Hochdruckschlauch 22, einen Druckminderer 24, einen Verbindungsschlauch 25, einen Druckregler 26, die Einatemröhre 14 und die Gesichtsmaske 12 zugeführt. Wenn der Benutzer atmet, strömt die ausgeatmete Luft von der Gesichtsmaske 12 durch die Ausatemröhre 16, ein Ausatemabsperrventil 30 und in eine Ausatemkammer 34. Für die Ausatemröhre ist ein Druckminderventil 32 vorgesehen. Die ausgeatmete Luft sammelt sich in der Ausatemkammer 34 und strömt schließlich durch einen Gasreiniger 36, der das Kohlendioxid aus der ausgeatmeten Luft entfernt. Der Gasreiniger 36 weist gegenüberliegende Filtermatten mit einer dazwischen angeordneten Kalk/Natromischung, welche mit dem Kohlendioxid aus der ausgeatmeten Luft chemisch reagiert, um Calzium und Natriumkarbonat zu erzeugen und dadurch das Kohlendioxid aus der ausgeatmeten Luft zu entfernen. Danach strömt die kohlendioxidfreie und sauerstoffarme ausgeatmete Luft in eine Rückführkammer 38 und wird schließlich zu dem Druckregler 26 durch einen Rückführanschluss 30 mit einem Rückführanschluss-Absperrventil 42 geleitet. Die ausgeatmete Luft wird dann mit dem sauerstoffreichen Gas aus der Zuführung 18 in geeignetem Verhältnis gemischt, um Atemluft für die Eina temröhre 14 und schließlich über die Gesichtsmaske 12 für den Benutzer zur Verfügung zu stellen. Im Betrieb beträgt das Verhältnis zwischen ausgeatmeter Luft und sauerstoffreicher Luft etwa 4 bis 5 zu 1.
Der Regler 26 steuert sowohl die Strömung des Hochdruckgases als auch mischt er es mit der kohlendioxidfreien, ausgeatmeten Luft, um die daraus resultierende Mischung aus sauerstoffangereicherter Luft dem Benutzer des Geräts 10 zuzuführen, wenn der Benutzer es durch Einatmen oder Ausatmen anfordert. Wie in Fig. 2 gezeigt, weist der Regler 26 eine Membran- und Ventilanordnung in einer Kammer 60 auf, um das Druckgas und die ausgeatmete Luft zum Erzeugen von der Maske 12 zuzuführender, sauerstoffangereicherter Luft zu mischen. Der Druckregler 26 weist ein Gehäuse 44 mit einer daran mittels geeigneter Elemente wie zum Beispiel Kopfschrauben 45a befestigten Abdeckung 45 auf. Das Gehäuse 44 weist einen Hochdruckeinlass 46 auf, der über den Schlauch 25 von der Zuführung 18 Druckgas empfängt. Eine Ventilhülse 48 weist ein Tellerventil 50 zum Öffnen und Schliessen des Einlasses 46 auf und wird durch einen Ventilstößel 52 betätigt. Zwischen der Hülse 48 und dem Gehäuse 44 ist eine Dichtung 48' angeordnet, um eine Luftleckage zu vermeiden. Der Ventilstößel 52 wird durch einen in eine Büchse 52b mit der gewünschten Höhe eingeschraubten und an diesen durch einen Gewindeverbinder 52c befestigten Stößel 52a gebildet. Das Tellerventil 50 steht in loser gleitender Verbindung mit der Büchse 52b über die Verlängerung 52d. Der Ventilstößel 52 gleitet innerhalb der Hülse 48 und einer Ventilstößelführung 54, die in der Hülse vorgesehen ist und durch Dichtungen 54' abgedichtet ist, so dass bei Hin und Herbewegen des Ventilstößels 52 das Tellerventil 50 öffnet und schließt. In der Ventilhülse 48 ist ein Ventilsitz 55 vorgesehen und durch Stopf büchsen 55a, 55b abgedichtet. Eine Öffnung 55c in dem Ventilsitz kommuniziert mit dem Einlass 46, um bei Öffnen des Tellerventils 50 Druckgas von der Zuführung 18 zur Gesichtsmaske 12 zu leiten. Das Tellerventil 50 wird durch einen Hebel 56 geöffnet und geschlossen, der an einem Ende mittels einem Zapfen 56' an der Hülse 48 schwenkbar befestigt und an dem anderen Ende über einen an einer Membran 58 befestigten Knopf 58a an der Membran 58 gehalten ist. Die Membran 58 ist zwischen dem Gehäuse 44 und der Gehäuseabdeckung 45 eingeklemmt und in einer zwischen dem Gehäuse 44 und der Gehäuseabdeckung 45 ausgebildeten Druckmesskammer 60 angeordnet. Eine Seite 60a der Druckmesskammer 60 wird über einen Umgebungsanschluss 61 mit Umgebungsdruck versorgt. Die andere Seite 60b der Druckmesskammer 60 wird über einen mit der Gesichtsmaske 12 kommunizierenden Druckmessanschluss 62 auf Betriebsdruck gehalten (der im wesentlichen bei 25,4 mm (1 inch) Wasser oder weniger liegt).
Das Gehäuse 44 enthält weiterhin ein Absperrventil 64, dass mit dem Hochdrukkeinlass 46 über Anschlüsse 44a, 44b, 44c verbunden ist. Die Anordnung 64 weist eine Absperrventildüse 64a aus Silikongummi auf, die in eine Düsenhülse 64b eingepreßt ist, welche in eine äußere Hülse 64c eingeschraubt ist. Die äußere Hülse 64c ist in das Gehäuse 44 eingeschraubt. Stopibüchsen 64' vermeiden Luftleckage um die Anordnung 64 herum. Die äußere Hülse 64c weist eine Öffnung 64c' auf, die mit den Hochdruckanschlüssen 44a, 44b, 44c kommuniziert, um Hochdruckgas von dem Einlass 46 zur Gesichtsmaske 12 zuzuführen. Das flexible und abgeflachte oder konische Ende 60 der Düse 64a bleibt normalerweise geschlossen, bis Hochdruckgas vom Einlass 46 durch die Düse 64a strömt, wodurch das konische Ende 66 geöffnet wird, so dass das Hochdruckgas in eine Mischkammer 68 einströmen kann. Das offene Ende der Düsenhülse 64b limitiert die Öffnung des Endes 66 der Düse 64a, um eine Beschädigung zu vermeiden.
Ein Absperrklappenventil 42 aus Sllikongummi ist mittels eines Stifts 42a an einem Ventilgehäuse 43 befestigt. Das Ventilgehäuse 43 ist in das Gehäuse 44 eingeschraubt, wobei Stopibüchsen 43a einen Luft- und Druckverlust vermeiden. Das Ventilgehäuse 43 bildet den Rückführanschluss 40 zum Zuführen von kohlendioxidfreier Luft in die Mischkammer 68.
Eine konische oder sich erweiternde Mischröhre 74 ist an ihrem engeren Ende 74a in das Gehäuse 44 nahe der Mischkammer 68 eingeschraubt und weist an ihrem weiteren Ende 74b einen Außendurchmesser auf, der eine enge Passage 76 mit dem Gehäuse 44 bildet. Dichtungen 74c sind zum Vermeiden von Luft- und Druckverlusten vorgesehen. Die Einatemröhre 14 ist nahe dem Ende 74b mit dem Gehäuse 44 verbunden, um Atemluft für die Gesichtsmaske 12 bereitzustellen.
Im Betrieb wird die Gesichtsmaske 12 auf dem Gesicht des Benutzers befestigt und der Träger 17 über den Rücken des Benutzers übergestreift, wie dies aus dem Stand der Technik bekannt ist. Das Schließventil 20 wird eingeschaltet, wodurch geregeltes Druckgas mit ungefähr 4,8 x 10&sup5; - 6,9 x 10&sup5; Pa (70 - 100 PSIG), das durch den Druckminderer 24 geregelt wird, durch den Schlauch 25 zu dem Einlass 46 zugeführt wird. Der Druck in der Kammer 60 beträgt normalerweise ungefähr 25,4 mm (1 inch) Wassersäule oder weniger und drückt die Membran 58 gegen den Hebel 56, um das Ventil 50 zu schließen. Der Druck des Gases von der Zuführung ist größer als der in der Kammer 60. Wenn demnach das Schließventil 20 eingeschaltet wird, drückt der am Einlass 46 anliegende, vergrößerte Druck gegen das Ventil 50, um es gegen die Federkraft der Membran 58 zu öffnen, so dass sauerstoffangereichertes Druckgas von dem Einlass 46 über die Anschlüsse 44a, 44b, 44c durch die Absperrventildüse 64 in die Mischkammer 68 und durch die Mischröhre 74 über die Einatemröhre 14 zur Gesichtsmaske 12 strömen kann.
Wenn das Hochdruckgas durch die Düse 64 In die Mischkammer 68 einströmt, wird ein ventun-ähnlicher Effekt erzeugt, wobei die hohe Geschwindigkeit der Strömung des Druckgases von der Düse 64 eine Druckminderung in der Mischkammer 68 erzeugt. Der Druckabfall bewirkt, dass das Absperrklappenventil 42 auf der linken Seite in Fig. 2 öffnet, wodurch kohlendioxidfreie Luft von Rückführanschluss 40 in die Mischkammer 68 einströmt, um sich mit dem Druckgas von der Zuführung 18 zu vermischen. Die gemischte Luft strömt dann durch die Mischröhre 74 mit hoher Geschwindigkeit zum engen Ende 74a, entspannt sich und vermindert seine Geschwindigkeit, wenn es zum gegenüberliegenden, sich erweiternden Ende 74b strömt, so dass das Druckgas und die kohlendioxidfreie Luft weiter vermischt wird, um die Atemluft zu erzeugen. Die gemischte Atemluft strömt dann durch die Einatemröhre 14 zur Gesichtsmaske 12. Wenn der Benutzer einatmet, verringert sich der Druck in der Gesichtsmaske 12 und in der Einatemröhre 14. Dieser Druckabfall wird über den Anschluss 62 gemessen und redu ziert damit den Druck in der Kammer 60, wodurch der Gasdruck von dem Einlass 46 das Ventil 50 gegen die Federkraft der Membran 58 öffnet. Der Luftstrom erzeugt nach Passieren des sich erweiternden Endes 74b der Mischröhre 74 einen ventun-ähnlichen Effekt an dem engen Durchlass 76, wodurch die Geschwindigkeit des Luftstroms nach Passieren der Passage 76 eine zusätzliche Druckminde rung am Anschluss 62 und somit der Kammer 60 bewirkt, um es dem Ventil zu ermöglichen, sich gegen die Federkraft der Membran 58 zu öffnen.
1 Wenn der Benutzer ausatmet, gelangt die ausgeatmete Luft durch die Ausatemröhre 16 in die Ausatemkammer 34. Während des Ausatmens wird die Luft in der Einatemröhre 14 komprimiert, was den durch den Druckmessanschluss 62 und die Membran 58 In der Druckmesskammer 60 gemessenen Druck erhöht. Wenn der Druck auf ungefähr 25,4 mm (1 inch) Wassersäule oder weniger ansteigt, wird die Membran 58 nach rechts gedrückt (wie in Fig. 2 gesehen), wodurch der Hebel 56 verschwenkt, um das Ventil 50 zu schließen und den Luftstrom von dem Hochdruckschlauch 25 zu unterbrechen. Wenn der Benutzer erneut einatmet, strömt Luft in der Einatemröhre 14 erneut zur Gesichtsmaske 12, was zu einer Druckver minderung führt, die einen weiteren Einatemzyklus des Reglers bewirkt.
In der Druckregler arbeitet das Ventil 50 ohne Verwendung von mechanischen Fedem, wodurch die Gefahr einer Fehlfunktlon des Ventils eliminiert ist und auf einen Bypass verzichtet werden kann. Die Eliminierung der Federn in dem Ventil 50 gewährleistet ein schnelleres Antwortverhalten auf Druckänderungen aufgrund von Atemluftanforderungen des Benutzers. Weiterhin wird das Ventil von der ausgeatmeten Luft durch die Absperrventlldüse 64 getrennt, so dass das Ventil und der Hebel nicht durch Wasserdampf oder Reinigungslösung verschmutzt werden können.

Claims

1. Druckregler (26) für ein Atemgerät (10), mit einer Druckgasquelle (18) und einer Zuführung für von dem Benutzer des Geräts ausgeatmeter, im wesentlichen kohlendioxidfreier Luft, mit: einem Gehäuse (44), einer Mischkammer (68) innerhalb des Gehäuses (44) zum Mischen von Druckgas und im wesentlichen kohlendioxidfreier, ausgeatmeter Luft von dem Atemgerät, einer mit der Mischkammer (68) verbundenen Anschlußeinrichtung (25, 44a, 44b, 44c, 64) zum Ausgeben von Druckgas in die Mischkammer, einem von dem Gehäuse getragenen ersten Einlaß (46) zum Empfangen von Druckgas von dem Atemgerät, einem von dem Gehäuse (44) getragenen und von der Mischkammer (68) isolierten Ventil (50), welches mit dem ersten Einlaß (46) und der Anschlußeinrichtung (44a, 44b, 44c, 64) kommuniziert und in eine Offenstellung und in eine Schließstellung bewegbar ist, um das Druckgas zu der Mischkammer (68) zu steuern, einem mit dem Ventil (50) verbundenen Drucksensor (58), der eine Umgebungsseite (60a) und eine Druckseite (60b) aufweist und nur auf Druckänderungen während des Einatmens des Gerätebenutzers reagiert, um das Ventil (50) zu öffnen und über die Anschlußeinrichtung (44a, 44b, 44c, 64) Druckgas in die Mlschkammer (68) abzugeben, sowie auf Druckänderungen während des Ausatmens des Gerätebenutzers, um das Ventil (50) zu schließen und das Abgeben von Druckgas über die Anschlußeinrichtung zu beenden, einem durch das Gehäuse (44) getragenen zweiten Einlaß (40), der mit der Mischkammer (68) kommuniziert, um im wesentlichen kohlendioxidfreie, ausgeatmete Luft in die Mischkammer (68) abzugeben und mit von der Anschlußeinrichtung (64) abgegebenem Druckgas zu mischen, und mit einem von dem Gehäuse (44) getragenen Auslaß (74), der mit der Mischkammer (68) kommuniziert, um die Mischung aus dem Druckgas und der im wesentlichen kohlendixoidfreien, ausgeatmeten Luft dem Gerätebenutzer zuzuführen, wenn der Benutzer einatmet;

dadurch gekennzeichnet, daß

das Ventil (50) durch das Druckgas von dem ersten Einlaß (46) in die Offenstellung vorgespannt ist; und daß

eine Einrichtung (64) in der Anschlußeinrichtung vorgesehen ist, um das Ventil (50) von der Mischkammer (68) zu isolieren.

2. Druckregler nach Anspruch 1, wobei der Drucksensor eine in dem Gehäuse (44) angeordnete Membran (58) aufweist, die eine Umgebungskammer (60a) auf der Umgebungsseite und eine Dichtkammer (60b) auf der Druckseite bildet, sowie einen Umgebungsanschluß (61) in dem Gehäuse, der die Umgebungskammer (60a) mit der Atmosphäre verbindet, und einen Druckmessanschluß (62), der die Dichtkammer (60b) mit dem Atemgerät verbindet, so daß der Druck in der Dichtkammer (60b) in Abhängigkeit vom Atmen des Benutzers ansteigt oder abfällt.

3. Druckregler nach Anspruch 2, mit einer Einrichtung (56, 58a) in der Umgebungskammer (60a) zum Verbinden der Membran (58) mit dem Ventil (50).

4. Druckregler nach Anspruch 2, mit einem von dem Gehäuse (44) an einem Ende drehbar gehaltenen Hebel (56), dessen anderes Ende mit der Membran (58) zusammenwirkt und der zwischen dem einen Ende und dem gegenüberliegenden Ende mit dem Ventil (50) zusammenwirkt, so daß, wenn der Druck in der Dichtkammer (60b) während dem Ausatmen des Benutzers ansteigt, die Membran (58) beaufschlagt wird, um den Hebel (56) um das eine Ende zu verschwenken und das Ventil (50) zu schließen, und wenn der Druck in der Dichtkammer (60b) beim Einatmen des Benutzers abfällt, das Ventil (50) gegen die Vorspannung der Membran (58) in Abhänglgkeit von dem Druckgas von dem ersten Einlaß (46) öffnet.

5. Druckregler nach Anspruch 1, wobei die Anschlußeinrichtung eine zwischen dem ersten Einlaß (46) und der Mischkammer (68) angeordnete Absperrventildüse (64a) aufweist, um einen Fluidstrom von dem ersten Einlaß zu der Mischkammer nur dann zu erlauben, wenn das Ventil (50) geöffnet ist.

6. Druckregler nach Anspruch 5, mit einer Einrichtung (64b) zum Begrenzen der Öffnung der Absperrventildüse (64a), um eine Beschädigung an ihr zu vermeiden.

7. Druckregler nach Anspruch 6, wobei die Einrichtung zum Begrenzen der Öffnung der Absperrventlldüse eine die Absperrventildüse (64a) umgebende Düsenhülse (64b) aufweist, wobei die Absperrventildüse (64a) ein sich verjüngendes und abgeschrägtes Ende und die Düsenhülse (64b) eine Innenöffnung aufweist, die größer ist als das abgeschrägte Ende der Absperrventildüse.

8. Druckregler nach Anspruch 5, wobei die Absperrventildüse (64a) aus einem elastischen Material herstellbar ist und ein abgeschrägtes Auslaßende und einen Einlaß mit einem größeren Durchmesser als dem Auslaß aufweist.