DE3874258T2

DE3874258T2 - Ausatmungsventil mit abgleich fuer atemgeraete mit geschlossenem kreislauf.

Info

Publication number: DE3874258T2
Application number: DE8888110141T
Authority: DE
Inventors: Chris Michael Moellers
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Mission Systems Davenport Inc
Priority date: 1987-08-28
Filing date: 1988-06-24
Publication date: 1992-12-24
Anticipated expiration: 2008-06-25
Also published as: DE3874258D1; JPS6462175A; CA1281254C; EP0304580A1; US4774942A; EP0304580B1; JP2510678B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Atmungssystem mit geschlossenem Kreislauf gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derzeit bekannte unabhängige Atmungssysteme, wie sie von Feuerwehrleuten und Rettungsmannschaften benutzt werden, sind mit einigen Problemen behaftet. So arbeitet das in der Druckschrift US-A-4 186 735 beschriebene System mit geschlossenem Kreislauf zufriedenstellend, bietet jedoch eine Atmungsversorgung für lediglich 30 Minuten. Andere geschlossene Systeme mit einem in Flaschen enthaltenen Atmungsgas bieten ebenfalls nur eine zu kurze Versorgungsmöglichkeit und liefern eine unbefriedigende, meist zu heiße Atemgasversorgung bei einem Druck, der unter dem tatsächlichen Überdruck in der Gesichts- oder Atemmaske liegt insbesondere bei hoher Beanspruchung. Geschlossene Systeme mit reiner Sauerstoffversorgung, wie sie in der Druckschrift CH-A-229 530 beschrieben sind, eignen sich nicht für Feuerbekämpfungseinsätze, da unter bestimmten Bedingungen fast unvermeidlich Gas hoher Sauerstoffkonzentration nach außen dringt und die Entzündungsgefahr in der Umgebung deutlich erhöht. Mit Superoxiden arbeitende chemische Systeme führen zu ähnlichen Problemen wie geschlossene Systeme mit Sauerstoffflaschen, jedoch mit den zusätzlichen Nachteilen einer unzuverlässigen Kerzenstartvorrichtung, zweifelhafter Stabilität der Superoxidmaterialien (insbesondere wenn diese Kohlenwasserstoffverbindungen ausgesetzt sind) sowie teuren Ersatzkanistern.
Ein zu bevorzugendes Atmungssystem wäre sicher eines mit offenem Kreislauf, weil sich dadurch sowohl das Gewicht als auch das Volumen verkleinern ließen. Leider sind aber auch offene Kreislaufsysteme aufgrund des Gewichts der mit komprimiertem Gas gefüllten Flaschen auf Betriebsnutzungsdauern von etwa einer Stunde begrenzt. Wünschenswert wäre daher ein System, das hinsichtlich Größe und Gewicht den geschlossenen Kreislauf mit den vorteilhaften Atmungseigenschaften eines Systems mit offenem Kreislauf kombinieren würde, da sich dadurch alle Atmungs- und Beatmungsanforderungen durch ein optimales Atmungssystem erfüllen ließen, das sich für alle denkbaren Not- und Rettungssituationen verwenden ließe.

ZUSAMMENFASSUNG UND VORTEILE DER ERFINDUNG

Ein Atmungssystem mit geschlossenem Kreislauf gemäß der Erfindung für eine Betriebsdauer von zwei Stunden arbeitet stets mit leichtem Überdruck in der Gesichtsmaske und bietet dem Benutzer das angenehme Atmungsempfinden eines Systems mit offenem Kreislauf. Der geringe Überdruck ist erwünscht, um die Möglichkeit einer Verunreinigung des Atmungsgemisches in der Gesichtsmaske zu vermeiden. Wird der Druck in der Gesichtsmaske zu irgendeinem Zeitpunkt negativ, so besteht die Möglichkeit eines eindringenden Lecks. Bei einem geschlossenen System verbleibt jede eindringende Verunreinigung im Beatmungskreislauf, bis der Benutzer das Gerät ablegt.
Um das Austreten von reinem Sauerstoff oder sauerstoffreichem Gas in die Umgebung zu vermeiden, wird ein Gasgemisch mit einem Anteil von 30 und 40 % Sauerstoff verwendet. Da nur das vom Benutzer ausgeatmete Gas in die Umgebung abgegeben wird, liegt die Sauerstoffkonzentration dieses abgegebenen Gases stets unter der des unter Druck stehenden Gasgemisches.
Um eine mögliche Ermüdung des Benutzers so klein wie möglich zu halten, wird bei dem erfindungsgemäßen System mit geschlossenem Kreislauf die Atmungsbeanspruchung annähernd genauso eingestellt, wie bei derzeit bekannten Systemen mit offenem Kreislauf. Diese wünschenswerten Kennwerte werden erreicht durch einen Atmungsregulator, der auf Druckanforderung reagiert und durch ein abgeglichenes Ausatmungsventil. Der auf Druckanforderung reagierende Atmungsregulator enthält einen Injektor, der dafür sorgt, daß die ausgeatmete Luft durch eine Reihe von flexiblen Beatmungstaschen und einen CO&sub2;-Wäscher zirkuliert wird. Das abgeglichene Ausatmungsventil verhindert, daß der sich unterhalb des Ausatmungsventils aufbauende Druck das Ausatmungsventil beaufschlagt, wodurch ein anstrengungsfreies Atmen möglich wird.
Entsprechend diesem Vorteil liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein mit geringem Überdruck arbeitendes Atmungsgerät mit geschlossenem Kreislauf zu schaffen, das hinsichtlich seiner Eigenschaften für den Benutzer einem System mit offenem Kreislauf nahekommt.
Weiterhin soll mit der Erfindung ein Atmungssystem mit geschlossenem Kreislauf geschaffen werden, bei dem ein abgeglichenes Ausatmungsventil verhindert, daß sich stromab von diesem Ventil ein Druck aufbaut, der dieses Ventil vorspannt, so daß die Atemanstrengung für den Benutzer größer wird.
Diese und andere vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweiserAusführungsform näher erläutert, wobei in den einzelnen Zeichnungsfiguren die einander entsprechenden Teile und Baugruppen mit den gleichen Bezugshinweisen gekennzeichnet sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Atmungssystem mit geschlossenem Kreislauf.
Fig. 2 gibt eine Schnittdarstellung eines Ausatmungsventils wieder, das im Atemsystem mit geschlossenem Kreislauf gemäß Fig. 1 eingesetzt ist.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In Fig. 1 ist durch Bezugshinweis 10 allgemein ein Atemgerät mit geschlossenem Kreislauf angegeben. Ein Benutzer 12 bedient sich des Atemgeräts mittels einer Gesichtsmaske 13, die normales Atmen über Mund oder Nase ermöglicht. Die Maske ist über einen Ausatmungsschlauch 14 an den Eingang 16 einer abgeglichenen Ausatmungs-Ventilanordnung 17 angeschlossen. Der Ausgang 18 des Ausatmungsventils ist mit einem ersten flexiblen Atmungssack 20 verbunden, der seinerseits an einen Behälter 22 angeschlossen ist, der ein Kohlendioxid-Sorbens, etwa Sodakalk, enthält. Der Sorbensbehälter 22 ist mit einem zweiten flexiblen Atmungssack 23 verbunden, der einen Ausgang 24 aufweist. Der Ausgang 24 des zweiten flexiblen Atmungssacks 23 ist an den Eingang 26 eines flexiblen Wärmetauscherbehälters 27 angeschlossen. Letzterer Behälter 27 enthält eine unter Druck stehende Flasche 28 mit sauerstoffreichem Gas, d. h. einem Gasgemisch mit einem Sauerstoffanteil zwischen 30 und 40 %. Der Auslaß 29 der Flasche 28 ist mit dem Hochdruckgaseinlaß 31 eines Gasmisch- und -regulierventils 32 verbunden. Der Auslaß des flexiblen Wärmetauscherbehälters 27 ist außerdem an den Niederdruckgaseinlaß 34 des Gasmisch- und -regulierventils 32 angeschlossen. Der Ausgang 36 des Gasmisch- und -regulierventils 32 ist über einen Einatmungsschlauch 37 verbunden, dessen anderes Ende an die Einlaßöffnung 38 der Gesichtsmaske 13 angeschlossen ist.
Die Fig. 2 zeigt die Anordnung des abgeglichenen Ausatmungsventils in Einzelheiten. Die Ventilanordnung 17 umfaßt ein Hauptventil 41, das durch eine Feder 42 gegen einen Ventilsitz 43 vorgespannt ist. Das Ventil 41 öffnet zu einer Kammer 44, deren eine Seite durch eine flexible Membran 46 gebildet ist. Die Membran 46 und das Hauptventil 41 sind an einem steifen Abstandsstück 48 befestigt und bewegen sich gemeinsam. Die Kammer 44 weist eine Auslaßöffnung 47 auf, die mit dem Auslaß 18 der Ventilanordnung 17 kommuniziert. Die Ventilanordnung 17 umfaßt weiterhin ein Entlastungsventil 51, das durch eine Feder 42 gegen einen Ventilsitz 43 gedrückt wird. Die Entlastungsventilanordnung steht über eine Entlastungsöffnung 54 in Verbindung mit dem Gas in der Kammer 44.

BETRIEBSWEISE DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Während des Gebrauchs atmet der Benutzer 12 normal über die Maske 13. Ausgeatmete Gase gelangen über den Ausatmungsschlauch 14 zum Einlaß 16 der abgeglichenen Ausatmungsventilanordnung 17. Durch den Druck des ausgeatmeten Gases am Einlaß 16 wird das Hauptventil 41 geöffnet, so daß das Ausatmungsgas in die Kammer 44 eintritt. Die Feder 42 drückt das Ventil 41 in Schließstellung, so daß dem Benutzer ein geringer Überdruck bei der Atmung angeboten wird. Um einen Rückstrom an ausgeatmeten Gasen zu verhindern, wird das Ventil 41 durch die Feder 42 geschlossen. Das Gas in der Kammer 44 gelangt über die Öffnung 47 zum Auslaß 18 des Ausatmungsventils 17. Das Gas am Auslaß 18 tritt in den ersten flexiblen Atmungssack 20 ein, der durch das durchströmende Gas expandiert bzw. kontrahiert wird und daher als eine Art Akkumulator zum Vergleichmäßigen des Gasstroms dient. Der erste flexible Atmungssack 20 ist an den Behälter 22 angeschlossen, der Sodakalk als Sorbens zum Entfernen von CO&sub2; aus dem ausgeatmeten Gas enthält und der das so gereinigte Gas an einen zweiten flexiblen Atmungssack 23 abgibt, durch welchen der Gasstrom durch die gesamte Vorrichtung weiter vergleichmäßigt wird. Der zweite flexible Atmungssack 23 ist mit dem flexiblen Wärmetauscherbehälter 27 verbunden, durch den das Gas in Verbindung gebracht wird mit dem sauerstoffreichen Gas in der Druckflasche 28.
Das Gasmisch- und das -regulierventil 32 ermöglichen, daß Hochdruckgas aus der Flasche 28 in Abhängigkeit von der über die Maske 13 und den Einlaßschlauch 37 ausgehenden Saugwirkung zum Hochdruckgaseinlaß 31 des Regulators 32 gelangt. Die Freigabe von Hochdruckgas aus der Druckflasche 28 kühlt die Flasche 28 sowie das im Wärmetauscherbehälter 27 vorhandene Gas. Weiterhin tritt das den Einlaß 31 beaufschlagende Hochdruckgas in eine (nicht gezeigte) Ausdehnungskammer im Regulatorventil 32 ein, wodurch der Druck absinkt und eine Saugwirkung am Niederdruckgaseinlaß 34 entsteht, so daß das sauerstoffarme Niederdruckgas vom Wärmetauscherbehälter 27 in das Gasmisch- und -regulierventil 32 eintritt, wobei es mit dem Hochdruckgas von der Flasche 28 gemischt wird. Der konstruktive Aufbau des Gasmisch- und -regulierventils 32 ist in Einzelheiten in der oben erwähnten US-A-4 186 735 beschrieben. Die Mischung aus Hochdruck- und Niederdruckgas gelangt über den Einatmungsschlauch 37 und die Einlaßöffnung 38 zur Maske 13 des Benutzers 12.
Während des Ausatmungszyklus des Benutzers liegt am Gasmisch- und -regulierventil 32 keine Sauganforderung vor, um das sauerstoffarme ausgeatmete Gas über die Atmungssäcke 20 und 23 und den Behälter 22 mit dem CO&sub2;-Sorbens zu ziehen. Dementsprechend führt ein Druckaufbau auf der Ausatmungsseite der Vorrichtung zu einem Druckanstieg in der Kammer 44, was dem Öffnen des Hauptventils 41 entgegenwirkt, so daß die Atmungsanstrengung für den Benutzer steigt. Um dieses Ergebnis zu vermeiden, enthält die mit dem Ausatmungsventil 41 ausgerüstete Kammer 44 die flexible Membran 46, die dem gleichen erhöhten Druck ausgesetzt ist wie das Hauptventil 41. Der Druckanstieg in der Kammer 44 wirkt also als Kraft auf die Membran 46, die über das steife Abstandsstück 48 auf das Hauptventil 41 übertragen wird. Die Kraft der Feder 42 und die relativen Größenabmessungen des Ventils 41 sowie der Membran 46 sind so dimensioniert, daß das Ventil 41 bei einem auf den Einlaß 16 wirkenden Druck zwischen ca. 1,25 und 5 cm Wassersäule (125 Pa - 498 Pa) öffnet, unabhängig vom Druck in der Kammer 44.
Das Entlastungsventil 51 wird so eingestellt, daß es öffnet, um einen Überdruck in der Kammer 44 zu verhindern. In der Praxis öffnet das Entlastungsventil bei einem Druck von etwa 5cm Wassersäule (498 Pa). Da das Gas in der Kammer 44 ein Gemisch ist aus dem komprimierten Gas in der Flasche 28, das 30 bis 40 % Sauerstoff enthält, und dem sauerstoffarmen Gas, das über die Atemmaske 13 ausgeatmet wurde, liegt die Sauerstoffkonzentration des durch das Entlastungsventil freigegebenen Gases unter der des vom Benutzer eingeatmeten Gases, welches ein Gemisch ist mit einer Sauerstoffkonzentration zwischen 19,5 % und 30 %. Das Entweichenlassen dieses Gases über das Entlastungsventil in die Umgebung verursacht daher keine besonderen Probleme, wie erhöhte Entzündbarkeit oder dergleichen.
Aufgrund der so weit beschriebenen Erfindung sind dem Fachmann zahlreiche Änderungen und Abwandlungen des Gegenstands der Erfindung möglich, ohne den durch die nachfolgend angegebenen Patentansprüche definierten Schutzumfang zu verlassen.

Claims

1. Atmungssystem mit geschlossenem Kreislauf, mit einer Gesichtsmaske (13), einer Druckflasche (28), die sauerstoffreiches Atemgas enthält, einem Ausatmungsschlauch (14) und einem Einatmungsschlauch (37), die an die Gesichtsmaske (13) angeschlossen sind, flexiblen Atmungstaschen (20, 23), die den Strom ausgeatmeten Gases durch das System vergleichmäßigen, einem CO&sub2;-Wäscher (22) zur Entfernung von CO&sub2; aus dem ausgeatmeten Gas, ein Gasmischund -regulierventil (32) zum Mischen des über die Gesichtsmaske (13) ausgeatmeten Gases mit sauerstoffreichem Atemgas aus der Druckflasche (28) sowie mit einer Ausatmungs-Ventilanordnung (17), die ein Hauptventil (41) enthält, welches das Zurückströmen von Gas in den Ausatmungsschlauch (14) verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausatmungs-Ventilanordnung (17) eine stromab vom Hauptventil (41) angeordnete Kammer (44) enthält, die eine Ausgleichsvorrichtung (42, 44, 46, 48) aufweist, welche einen Druckanstieg in der Kammer (44) und damit ein Ansteigen der zum Öffnen des Hauptventils (41) erforderlichen Kraft verhindert.

2. Atmungssystem mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgleichsvorrichtung als eine Wand der Kammer (44) eine flexible Membran (46) aufweist.

3. Atmungssystem mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hauptventil (41) und der flexiblen Membran (46) ein starres Abstandsstück (48) angeordnet ist zur Übertragung des Drucks in der Kammer auf das Hauptventil.

4. Atmungssystem mit geschlossenem Kreislauf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (44) ein an diese angeschlossenes Entlastungsventil (51) aufweist, wodurch der Druck in der Kammer auf den Druckpunkt des Entlastungsventils begrenzt ist.