-
TECHNISCHES GEBIET
-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearkompressor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Sie betrifft weiterhin ein Beatmungsgerät sowie einen Sauerstoffkonzentrator mit einem solchen Linearkompressor, die insbesondere zur Atemunterstützung ausgebildet sind.
-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Herkömmliche Beatmungsgeräte sind üblicherweise mit einem Membrankompressor versehen, bei welchem eine schwingende Membran angesaugte Umgebungsluft verdichtet und in eine Atemgasleitung fördert, die das verdichtete Atemgas einem Patienten zuführt. Bei derartigen Geräten ist die Membran einem Verschleiß unterworfen und muss zum Erhalt der geforderten Zuverlässigkeit turnusmäßig ausgetauscht werden. Die Verwendung von Kolbenkompressoren für Beatmungsgeräte bringt den Nachteil mit sich, dass zur Schmierung des Kolbens benötigte Schmierstoffe in die Atemluft gelangen können. Herkömmliche Beatmungsgeräte weisen einen hohen elektrischen Energiebedarf auf, der entweder nur durch permanenten Anschluss an eine stationäre elektrische Stromversorgung oder durch große und schwere Akkumulatoren gedeckt werden kann. Dies schränkt die Mobilität von Patienten, die auf ein Beatmungsgerät angewiesen sind, erheblich ein. Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn es sich um eine Beatmungshilfe zur Atemunterstützung bei an sich mobilen Patienten handelt. Der Grund dafür ist in erster Linie der Energiebedarf des im Bearbeitungsgeräts verbauten Kompressors.
-
STAND DER TECHNIK
-
Aus der
DE 10 2004 061 941 ist ein luftgelagerter Linearkompressor bekannt, der eine axial angetriebene Kolben-Zylinder-Einheit mit einem Zylinder und einem Kolben aufweist, der zwischen einer ersten Kolbenstellung, in der das vom Kolben und vom Zylinder umschlossene Zylindervolumen maximal ist, und einer zweiten Kolbenstellung, in der dieses Zylindervolumen minimal ist, in Axialrichtung des Zylinders hin- und her bewegbar ist, sowie einem zwischen dem Kolben und dem Zylinder vorgesehenen Luftlager, das den Kolben im Zylinder reibungsarm axial bewegbar lagert und das eine den Umfang des Kolbens zumindest über einen Teil der Axialerstreckung des Kolbens umgebende kolbenseitige Lagerfläche bestimmt, einem in Axialrichtung des Zylinders oder im Wesentlichen parallel dazu hin- und her bewegbaren Antriebselement, das mit dem Kolben über eine Kolbenstange mechanisch verbunden ist.
-
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen verbesserten Linearkompressor anzugeben, der insbesondere für den Einsatz in Beatmungsgeräten geeignet ist und der einen geringeren elektrischen Energiebedarf aufweist als vergleichbare Kompressoren des Standes der Technik. Eine weiter Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Beatmungsgerät mit einem derartigen verbesserten Kompressor anzugeben.
-
Der auf den Linearkompressor gerichtete Teil der Aufgabe wird gelöst durch einen Linearkompressor mit den Merkmalen der Patentanspruchs 1.
-
Ein Linearkompressor mit einer ersten Kolben-Zylinder-Einheit mit einem in einem Zylinder gasdruckgelagerten linear bewegbaren Kolben, einer den Kolben zu einer entlang einer Zylinderachse reziprozierenden Bewegung im Zylinder beaufschlagenden ersten elektrischen Linearantriebseinheit und einem zwischen einer Zylinderinnenumfangsfläche und einer Kolbenaußenumfangsfläche gebildeten Lagerspalt, wobei die Zylinderinnenumfangsfläche, eine Stirnwand des Kolbens und eine Zylinderstirnwand einen Kompressionsraum umgeben, der im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens minimal ist und der zumindest eine Einlassöffnung und zumindest eine Auslassöffnung aufweist, und wobei in zumindest einem Bereich der Zylinderinnenumfangsfläche eine Mehrzahl von als Mikrolöcher ausgebildeten Gasaustrittsdüsen vorgesehen ist, die in den Lagerspalt münden und ein Gasdrucklager bilden, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass eine gleichartig aufgebaute zweite Kolben-Zylinder-Einheit vorgesehen ist, die zur ersten Kolben-Zylinder-Einheit spiegelbildlich angeordnet ist, wobei die Zylinderachse eine gemeinsame Achse für den Zylinder der ersten Kolben-Zylinder-Einheit und den Zylinder der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit bildet und wobei eine zweiten elektrische Linearantriebseinheit zur Beaufschlagung des Kolbens der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit mit einer reziprozierenden Bewegung vorgesehen ist, und dass eine Steuerungs- oder Regelungseinrichtung vorgesehen ist, die ausgebildet ist, um die erste und die zweite Linearantriebseinheit derart zu steuern oder zu regeln, dass der Kolben der ersten Kolben-Zylinder-Einheit und der Kolben der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit im Betrieb gegenläufig synchron bewegt sind.
-
Die erfindungsgemäße Kombination aus einem an sich bekannten Kolbenkompressor mit einem im Zylinder gasgelagerten Kolben und einer elektrischen Linearantriebseinheit reduziert den Innenwiderstand sowohl der Kolben-Zylinder-Einheit als auch der Linearantriebseinheit erheblich, so dass der Aufwand an elektrischer Energie sehr gering ist. Die paarweise spiegelbildliche koaxiale Anordnung von zwei derartigen Kolben-Zylinder-Einheiten mit jeweils zugeordneter Linearantriebseinheit und der gegenläufig synchrone Betrieb des jeweiligen Kolbens sorgt für die Kompensation von Massenkräften bei der Bewegungsumkehr des jeweiligen Kolbens im unteren beziehungsweise im oberen Totpunkt. Der niedrige Energieverbrauch und der nach außen hin schwingungsarme Betrieb, machen den erfindungsgemäß aufgebauten Linearkompressor besonders für den mobilen Einsatz geeignet.
-
Der Kolben ist zwischen einer ersten Kolbenstellung, in der das vom Kolben und vom Zylinder umschlossene Zylindervolumen maximal ist (unterer Totpunkt) und einer eine Kompressionsstellung bildenden zweiten Kolbenstellung, in der dieses Zylindervolumen minimal ist (oberer Totpunkt), in Axialrichtung des Zylinders hin und her bewegbar.
-
Das Gasdrucklager weist bevorzugt eine Vielzahl von Gasaustrittsdüsen bildenden Mikrolöchern auf, die in mehreren in Axialrichtung des Zylinders voneinander beabstandeten Querschnittsebenen des Zylinders ringförmig in der Zylinderinnenwand ausgebildet sind. Diese Mikrolöcher sind mittels eines hochenergetischen Strahls, beispielsweise mittels eines Laserstrahls, in die Zylinderwandung eingebrachte Löcher mit einem jeweiligen Austrittsdurchmesser der so gebildeten Gasaustrittsdüse in der Zylinderinnenwand zwischen 15 µm und 50 µm, vorzugsweise zwischen 20 µm und 35 µm, weiter vorzugsweise zwischen 25 µm und 30 µm.
-
Von Vorteil ist es, wenn die Gasaustrittsdüsen des Gasdrucklagers, aus denen unter Druck ein Lagergas (zum Beispiel Druckluft) austritt, auch in dem Bereich der Innenumfangsfläche des Zylinders ausgebildet sind, dem der Kolben in der zweiten Kolbenstellung, nicht aber in der ersten Kolbenstellung gegenüberliegt. Dadurch wird die Kippstabilität des Kolbens in dessen Kompressionsstellung erhöht.
-
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Austrittsdüsen so angeordnet sind, dass dann, wenn sich der Kolben in der Kompressionsstellung befindet, erste Austrittsdüsen den bezüglich der Kolbenlängserstreckung vorderen Bereich der kolbenseitigen Lagerfläche und zweite Austrittsdüsen den bezüglich der Kolbenlängserstreckung mittleren Bereich der kolbenseitigen Lagerfläche mit Lagergas versorgen, so dass sich der Lagerschwerpunkt nach vorne zum Kolbenboden hin erstreckt, wodurch im Bereich des vorderen Endes des ringförmigen Lagerspalts zwischen dem Kolben und dem Zylinder ein höherer Druck im Gasdrucklager aufgebaut und der Kolben stabil zentriert wird.
-
VORTEILE
-
Weitere bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale des erfindungsgemäßen Linearkompressors sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 10.
-
Vorzugsweise ist der jeweilige Kolben von einer ihm zugeordneten Feder mit einer entlang der Zylinderachse wirksamen Federkraft beaufschlagt, so dass jeder Kolben mit der ihm zugeordneten Feder einen Feder-Masse-Schwinger bildet, und die auf den ersten Kolben wirkende Federkraft ist zu der auf den zweiten Kolben wirkenden Federkraft entgegengesetzt gerichtet. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, dass der Feder-Masse-Schwinger nach einer Anregung durch die Linearantriebseinheit aufgrund der nahezu reibungsfreien Führung des Kolbens im Gasdrucklager nahezu ungedämpft schwingt, so dass die Linearantriebseinheit im Wesentlichen nur die Energie zur Kompression des Gasvolumens im Kompressionsraum aufbringen muss. Der Verbrauch an elektrischer Energie ist daher sehr gering.
-
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die jeweilige Feder zwischen dem jeweiligen Kolben und der zugeordneten Linearantriebseinheit wirksam vorgesehen ist. Der Kolben ist dadurch an die Linearantriebseinheit, insbesondere an deren Stator, mechanisch gekoppelt.
-
Vorzugsweise stützt sich die Feder dabei am Kolben und an der Linearantriebseinheit ab. Bevorzugt stützt sich die Feder am Stator der Linearantriebseinheit ab.
-
Von Vorteil ist es auch, wenn die Feder als Druckfeder ausgebildet ist.
-
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die mit anderen Ausführungsformen kombinierbar ist, ist der jeweilige Kolben an seiner von der Stirnwand abgewandten Rückseite mit einem Tauchspulenansatz versehen, der in eine den Stator bildende Magnetanordnung der jeweils zugeordneten Linearantriebseinheit eintaucht und der entlang der oder parallel zur Zylinderachse bewegbar ist. Ein derartiger Tauchspulenantrieb oder Schwingspulenantrieb mit einem am Kolben angeordneten Tauchspulenansatz besitzt den Vorteil der geringen Masse, insbesondere wenn der Tauchspulenansatz einen integral mit dem Kolben ausgebildeten Spulenträger aufweist, auf dem die Spulenwicklung der Tauchspule angeordnet ist. Der an der Kolbenrückseite angeordnete Tauchspulenansatz mit der auf dem Spulenträger angeordneten Spulenwicklung ist somit Teil der Linearantriebseinheit, wodurch der Kolben unmittelbar mit der Linearantriebseinheit gekoppelt ist oder - bei integraler Ausbildung - sogar Teil der Linearantriebseinheit ist.
-
Dabei ist es insbesondere von Vorteil, wenn die Magnetanordnung mit einer zur Zylinderachse koaxialen ringförmigen Ausnehmung versehen ist, in die der zylinderringförmig ausgebildete Tauchspulenansatz eintaucht. Diese Ausführungsform ist besonders kompakt.
-
Vorzugsweise sind die die Gasaustrittsdüsen bildenden Mikrolöcher in der Zylinderinnenumfangsfläche ausgebildet. Diese bei allen Varianten des erfindungsgemäßen Linearkompressors realisierbare Ausführungsform sorgt für einen äußerst schmalen Lagerspalt bei hoher Tragfähigkeit. Wird das aus den Mikrolöchern austretende Lagergas aus dem den Kompressionsraum verlassenden Druckgas entnommen, so dichtet das aus den Mikrolöchern austretende Gas gleichzeitig den Kompressionsraum gegen den Lagerspalt ab.
-
Dabei ist es von Vorteil, wenn in der Zylinderinnenumfangsfläche zumindest zwei in Richtung der Zylinderachse voneinander beabstandete ringförmige Anordnungen von die Gasaustrittsdüsen bildenden Mikrolöchern vorgesehen sind. Diese Anordnung reduziert die Kippgefahr des Kolbens.
-
Zur Erhöhung der Kippstabilität des Kolbens weist bevorzugt ein dem Kompressionsraum benachbarter Abschnitt des Lagerspalts eine größere Radialerstreckung auf als der vom Kompressionsraum abgewandte Abschnitt des Lagerspalts, wobei der Abschnitt des Lagerspalts mit größerer Radialerstreckung gebildet ist von einem Kolbenabschnitt mit reduziertem Durchmesser.
-
Alternativ oder zusätzlich ist der Kolben in einem der Kolbenstirnwand oder dem Kolbenabschnitt mit reduziertem Durchmesser benachbarten Umfangsabschnitt mit zumindest einer Umfangsnut versehen, die bevorzugt als Abluftnut ausgebildet ist, in welche eine Abluftleitung mündet.
-
Eine verbesserte Kippstabilität des Kolbens kann auch erreicht werden, indem in zumindest einer Querschnittsebene des Kolbens, der Kolbenstirnwand oder dem stirnseitigen Kolbenabschnitt mit reduziertem Durchmesser benachbart, eine Mehrzahl von Fluidaustrittsdüsen in der Kolbenaußenumfangswand entlang des Umfangs angeordnet ist, die in den Lagerspalt münden.
-
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, die mit anderen Ausführungsformen der Erfindung kombinierbar ist, ist die Steuerungs- oder Regelungseinrichtung ausgebildet, um die beiden federkraftbeaufschlagten Kolben gegenläufig in Resonanz zu betreiben, so dass sich die in Richtung der Zylinderachse auf die Kolben wirkenden Beschleunigungskräfte aufheben. Ein solcher Resonanzbetrieb reduziert nicht nur die Vibrationen des Linearkompressors, sondern sorgt auch dafür, dass nur jeweils die für die Kompression des Gasvolumens im Kompressionsraum erforderliche Energie von der Linearantriebseinheit aufgebracht werden muss, wodurch der Energieverbrauch für den Antrieb weiter reduziert wird. Dieser Resonanzbetrieb erfolgt aufgrund der nahezu reibungsfreien Gasdrucklagerung des jeweiligen Kolbens quasi ungedämpft.
-
Der auf das Beatmungsgerät gerichtete Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Beatmungsgerät mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11.
-
Ein erfindungsgemäßes Beatmungsgerät ist versehen mit zumindest einem Linearkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auslassöffnungen der Kompressionsräume mit einer Atemgasleitung verbunden sind.
-
Aufgrund der kompakten Bauweise, des niedrigen Energieverbrauchs und des nahezu vibrationsfreien, zumindest aber sehr vibrationsarmen, Betriebs ist das erfindungsgemäße Beatmungsgerät besonders für den mobilen Einsatz geeignet.
-
Dabei ist es von Vorteil, wenn in der Atemgasleitung eine Mischeinrichtung vorgesehen ist, durch die Sauerstoff in das in der Atemgasleitung strömende Atemgas einleitbar ist, wodurch der Sauerstoffanteil in der Atemluft erhöht wird. Der Patient kann so zur unter Überdruck strömenden Atemluft, wodurch der Sauerstoffpartialdruck an sich schon erhöht wird, noch zusätzlich mit Sauerstoff aus einer separaten Sauerstoffquelle versorgt werden.
-
Schließlich ist die Erfindung gemäß Anspruch 13 auch gerichtet auf einen Sauerstoffkonzentrator mit zumindest einem Linearkompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auslassöffnungen der Kompressionsräume mit einer von einer Abluftleitung des Linearkompressors gebildeten Atemgasleitung verbunden sind und wobei eine Sauerstoffkonzentrationseinrichtung in der Atemgasleitung vorgesehen ist.
-
Die aus dem Linearkompressor unter Druck austretende Luft wird in der Sauerstoffkonzentrationseinrichtung auf an sich bekannte Weise durch eine Filtermembran oder ein Molekularsieb geleitet, wobei der Luftstickstoff abgetrennt wird, und der dabei gewonnene Sauerstoff wird - konzentriert oder mit Atemluft vermischt - in den zum Patienten führenden Teil der Atemgasleitung geleitet.
-
Selbstverständlich kann ein solcher Sauerstoffkonzentrator auch als Sauerstoffquelle eingesetzt werden, um in einem Beatmungsgerät, beispielsweise dem erfindungsgemäßen Beatmungsgerät, den einer Mischeinrichtung zugeführten Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu gewinnen.
-
Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße Linearkompressor ansaugseitig und/oder abluftseitig mit zumindest einer Filtereinrichtung versehen sein, um damit Partikel, beispielsweise Mikroorganismen oder Staub, aus dem zum Patienten zu führenden Atemgas zu entfernen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung mit zusätzlichen Ausgestaltungsdetails und weiteren Vorteilen sind nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.
-
Figurenliste
-
Es zeigt:
- 1 Eine teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Linearkompressors mit den Kolben im unteren Totpunkt,
- 1A eine vergrößerte Darstellung der linken Kolben-Zylinder-Einheit aus 1;
- 2 eine teilweise geschnittene Ansicht des Linearkompressors aus 1 mit den Kolben im oberen Totpunkt;
- 3 eine schematische Darstellung der Komponenten eines Beatmungsgeräts gemäß der Erfindung und
- 4 eine schematische Darstellung der Komponenten eines Sauerstoffkonzentrators gemäß der Erfindung.
-
DARSTELLUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
-
1 zeigt eine teilweise geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Linearkompressors 1 mit einer ersten Kolben-Zylinder-Einheit 2 und einer spiegelbildlich dazu angeordneten und gleich aufgebauten zweiten Kolben-Zylinder-Einheit 2'. Jede Kolben-Zylinder-Einheit weist einen Zylinder 20, 20' mit jeweils einem darin entlang einer gemeinsamen Zylinderachse X reziprozierend bewegbaren Kolben 22, 22' sowie eine Linearantriebseinheit 3, 3' zum Antrieb des zugeordneten Kolbens 22, 22' auf. Der Aufbau einer jeweiligen Kolben-Zylinder-Einheit 2, 2' und deren Kopplung mit der zugeordneten Linearantriebseinheit 3, 3' wird im Folgenden anhand der in 1 linken Kolben-Zylinder-Einheit 2 und ihrer vergrößerten Darstellung in 1A beschrieben. Da die Kolben-Zylinder-Einheiten 2, 2' sowie die Linearantriebseinheiten 3, 3' gleich aufgebaut sind, gelten die folgenden Ausführungen sinngemäß auch für die rechte Kolben-Zylinder-Einheit 2' und deren zugeordnete Linearantriebseinheit 3'. Eine detaillierte Beschreibung des Aufbaus und der Funktion der rechten Kombination aus Kolben-Zylinder-Einheit 2' und Linearantriebseinheit 3' wird daher zur Vermeidung von Wiederholungen weggelassen*.
-
1 zeigt den Zustand des Linearkompressors 1, in welchem sich die Kolben 22, 22' im unteren Totpunkt befinden, wohingegen 2 denselben Linearkompressor zeigt, bei dem sich die Kolben 22, 22' im oberen Totpunkt, also in der Kompressionsstellung, befinden.
-
Der Zylinder 20 weist ein Zylindergehäuse 280 auf, das mit einer Zylinderbohrung 200 versehen ist, in der der Kolben 22 in Richtung der Zylinderachse X (Längsachse der Zylinderbohrung 200) hin und her bewegbar und frei geführt aufgenommen ist. An der nach außen, also von der anderen Kolben-Zylinder-Einheit 2' weg, weisenden Seite ist der Zylinder 2 mit einem Zylinderkopf 230 versehen, der eine kopfseitige Zylinderstirnwand 232 des Zylinders 20 aufweist, die die Zylinderbohrung 200 verschließt. Die Zylinderbohrung 200 bestimmt eine Zylinderinnenumfangsfläche 242 einer Zylinderwandung 240.
-
Der Kolben 22 weist einen ringzylindrischen Kolbenmantel 220 auf, der einen Kolbenhohlraum 221 umgibt. An der zum Zylinderkopf 230 weisenden Seite ist der Kolbenhohlraum 221 von einem mit dem Kolbenmantel 220 verbundenen oder einstückig damit ausgebildeten Kolbenboden 222 verschlossen.
-
Die kopfseitige Stirnwand 232 des Zylinders 20, die Zylinderwandung 240 und der eine Stirnwand des Kolbens 22 bildende Kolbenboden 222 begrenzen einen Zylinderraum 23, der einen ersten Kompressionsraum 24 des Linearkompressors 1 bildet. Der analog ausgebildete Zylinderraum 23' der zweiten Kolben-Zylinder-Einheit 2' bildet einen zweiten Kompressionsraum 24'.
-
Die Zylinderwandung 240 ist mit einer Vielzahl von Gasaustrittsdüsen 250, 260, 270 bildenden Mikrolöchern 251, 261, 271 versehen, die über den Umfang der Zylinderbohrung 200 gleichmäßig verteilt sind, und bildet eine zylinderseitige Lagerfläche 210 eines Gasdrucklagers 21 für den Kolben 22. Im gezeigten Beispiel sind drei die Gasaustrittsdüsen 250, 260, 270 aufweisende Düsenringe 25, 26, 27 in der Zylinderwandung 240 ausgebildet.
-
Der erste Düsenring 25 mit den ihm zugeordneten Mikrolöchern 251 ist in einem Bereich gelegen, in dem der Kolben 22 die Mikrolöcher 251 nur dann abdeckt, wenn er sich in der Nähe der Kompressionsstellung befindet, also dann, wenn das Volumen des Zylinderraums 23 minimiert ist, wie es in 2 gezeigt ist. In diesem Fall deckt der Kolben 22 die vorderen, ersten Mikrolöcher 251 mit dem vorderen Bereich der am Umfang des Kolbens 22 ausgebildeten kolbenseitigen Lagerfläche 224 ab. In der in 1 gezeigten Stellung, in der das Volumen des Zylinderraums 23 maximal ist, tragen die Mikrolöcher 251 nicht zu der Bildung eines Gaspolsters zwischen der Zylinderinnenumfangsfläche 242 der Zylinderwandung 240 und der Außenumfangsfläche 223 des Kolbens 22 bei. Aufgrund des äußerst geringen Querschnitts der Mikrolöcher 251 ist der so entstehende Druckverlust jedoch nicht gravierend. Es kann auch eine (nicht gezeigte) Ventilanordnung vorgesehen sein, die die Gasaustrittsdüsen 250 des ersten Düsenrings 25 nur dann mit Druckgas beaufschlagt, wenn der Kolben 22 die Mikrolöcher 251 abdeckt.
-
Der zweite Düsenring 26 ist so angeordnet, dass die ihm zugeordneten Mikrolöcher 261 stets vom Kolben 22 abgedeckt sind, so dass die von den Mikrolöchern 261 gebildeten Gasaustrittsdüsen 260 über den gesamten axialen Bewegungsweg des Kolbens 22 zur Bildung des Gaspolsters im ringförmigen Lagerspalt 28 zwischen der Zylinderinnenumfangsfläche 242 des Zylinders 20 und der Außenumfangsfläche 223 des Kolbens 22 beitragen.
-
Der dritte Düsenring 27 ist am weitesten von der kopfseitigen Stirnwand 232 des Zylinders 20 entfernt. Die dem dritten Düsenring 27 zugeordneten Mikrolöcher 271 sind ebenfalls stets vom Kolben 22 überdeckt, und zwar vom hinteren Bereich der kolbenseitigen Lagerfläche 224, wenn sich der Kolben 22 im Bereich seiner vorgeschobenen Position befindet, in der das Volumen des Zylinderraums 23 minimal ist. Der dritte Düsenring 27 mit den ihm zugeordneten, von den Mikrolöchern 271 gebildeten Gasaustrittsdüsen 270 stützt den Kolben 22 in seinem hinteren Bereich ab und dient zur Verbesserung der Laufeigenschaften des Kolbens 22 in der Zylinderbohrung 10, insbesondere von dessen Kippstabilität.
-
Der Kolben 22 wird bei seiner Axialbewegung somit stets im Bereich des zweiten Düsenrings 26 und des dritten Düsenrings 27 abgestützt. Der erste, vordere Düsenring 25 ist optional vorgesehen und verbessert die Kippstabilität des Kolbens in dessen vorderster Stellung, der Kompressionsstellung.
-
Zwischen den Düsenringen 25, 26, 27 mit den ihnen zugeordneten, die Gasaustrittsdüsen 250, 260, 270 bildenden Mikrolöchern 251, 261, 271, die jeweils ringförmige Düsenanordnungen bilden, können noch weitere in gleicher Weise aufgebaute ringförmige Düsenanordnungen in der Zylinderinnenumfangsfläche 242 der Zylinderwandung 240 vorgesehen sein.
-
In der kopfseitigen Stirnwand 232 des Zylinderkopfs 230 sind ein mit einem schematisch gezeigten Einlassventil 233 versehener Einlasskanal 234, der eine Einlassöffnung 235 für den Zylinderraum 23 und damit für den Kompressionsraum 24 bildet, und ein mit einem schematisch gezeigten Auslassventil 236 versehener Auslasskanal 237 vorgesehen, der eine Auslassöffnung 238 für den Zylinderraum 23 und damit für den Kompressionsraum 24 bildet. Der Einlasskanal 234 und der Auslasskanal 237 münden in den Zylinderraum 23.
-
Bei einer Bewegung des Kolbens 22 in 1 nach rechts wird durch den Einlasskanal 234 und das Einlassventil 233 Luft aus der Umgebung in den Zylinderraum 23 angesaugt und bei einer Bewegung des Kolbens 22 nach links wird diese Luft komprimiert und im komprimierten Zustand durch das Auslassventil 236 und den Auslasskanal 237 ausgestoßen.
-
Ein Teil der aus dem Kompressionsraum 24 ausgestoßenen komprimierten Luft wird aus dem Auslasskanal 237 durch einen Verbindungskanal 29, der im Zylinderkopf 230 und im Zylindergehäuse 280 des Zylinders 20 vorgesehen ist, in Ringkanäle 290, 292, 294 geleitet, die ebenfalls im Zylindergehäuse 280 vorgesehen sind und die die Zylinderbohrung 200 ringförmig umgeben. Die Ringkanäle 290, 292, 294 sind in Richtung der Zylinderachse X voneinander beabstandet. Jeweils einer der Ringkanäle 290, 292, 294 ist einem der Düsenringe 25, 26, 27 zugeordnet und mit dem zugeordneten Düsenring 25, 26, 27 in einer Querschnittsebene des Zylinders 20 gelegen. Die Mikrolöcher 251, 261, 271 des jeweiligen Düsenrings 25, 26, 27 durchdringen die Zylinderwandung 240 und münden auf ihrer von der Gasaustrittsdüse 250, 260, 270 abgewandten Rückseite in den zugeordneten Ringkanal 290, 292, 294 und verbinden so den jeweiligen Ringkanal 290, 292, 294 mit dem Inneren der Zylinderbohrung 200. Druckgas, beispielsweise komprimierte Luft, das durch den Verbindungskanal 29 in die Mikrolöcher 251, 261, 271 strömt und durch die Gasaustrittsdüsen 250, 260, 270 austritt, bildet zwischen der zylinderseitigen Lagerfläche 210 und der kolbenseitigen Lagerfläche 224 ein den Kolben seitlich abstützendes Gaspolster, auf dem sich der Kolben 22 nahezu reibungsfrei relativ zum Zylinder 20 bewegen kann.
-
Der Kolben 22 weist an seiner von der Stirnwand 232 abgewandten Rückseite 225 eine Kolbenhinterwand 226 mit einer Entlüftungsöffnung 227 auf, die den Kolbenhohlraum 221 mit der Umgebung verbindet. Der Kolben 22 ist an der Kolbenhinterwand 226 mit einem Tauchspulenansatz 228 (beziehungsweise 228') versehen. Der Tauchspulenansatz 228 ist in Form eines Zylinderrings ausgebildet und weist (nicht dargestellte) elektrische Wicklungen auf, die auf einen (nicht dargestellten) mit der Kolbenhinterwand 226 fest verbundenen Kern gewickelt sind.
-
Der zylinderringförmige Tauchspulenansatz 228 bildet so eine zur Zylinderachse koaxiale zylinderringförmige elektrische Tauchspule 229, die sich von der Kolbenhinterwand 226 nach hinten (vom Kolben weg) erstreckt.
-
Die Linearantriebseinheit 3 weist eine Magnetanordnung 30 mit zumindest einem Permanentmagneten auf, die mit der Magnetanordnung 30' der Linearantriebseinheit 3' verbunden ist, wobei die beiden gleichartig aufgebauten Magnetanordnungen 30, 30' spiegelbildlich zueinander angeordnet sind.
-
Die Magnetanordnung 30 ist auf ihrer zur zugeordneten Kolben-Zylinder-Einheit 2 gewandten Stirnseite 300 mit einer zur Zylinderachse X koaxialen und achsparallel verlaufenden ringförmigen Ausnehmung 34 versehen ist, in die der zylinderringförmig ausgebildete Tauchspulenansatz 228 eintaucht und der entlang der oder parallel zur Zylinderachse X bewegbar ist. Zwischen der Magnetanordnung 30 und dem Kolben 22 ist koaxial zur Zylinderachse X eine als wendelförmige Druckfeder ausgestaltete Feder 32 (beziehungsweise 32') angeordnet, die sich mit ihrem kolbenseitigen Ende gegen die Kolbenhinterwand 226 und mit ihrem zur Magnetanordnung 30 weisenden Ende gegen den Boden 312 einer zentralen Axialbohrung 310 abstützt, die in der zur zugeordneten Kolben-Zylinder-Einheit 2 gewandten Stirnseite 300 der Magnetanordnung 30 ausgebildet ist.
-
Durch eine Beaufschlagung der Wicklungen der Tauchspule 229 mit einer elektrischen Wechselspannung schwingt der Tauchspulenansatz 228 und mit ihm der Kolben 22 in Richtung der Zylinderachse X (in 1 nach links und rechts) hin und her und zwar gegenläufig zum Kolben 22'. Dabei wird die Feder 32 komprimiert, wenn die Tauchspule 229 in die ringförmigen Ausnehmung 34 der Magnetanordnung 30 eintaucht und der Kolben sich dadurch auf seinen unteren Totpunkt zu bewegt, und die Feder 32 wird expandiert, wenn sich die Tauchspule 229 aus der ringförmigen Ausnehmung 34 der Magnetanordnung 30 heraus bewegt und der Kolben sich dadurch auf seinen oberen Totpunkt zu bewegt, wie es in 2 zu erkennen ist. Der Kolben 22 und die Feder 32 bilden so einen Feder-Masse-Schwinger, der durch die an die Tauchspule 229 angelegte Wechselspannung angeregt wird.
-
In 3 ist beispielhaft ein Schema des Aufbaus eines Beatmungsgeräts 4 mit einem vorstehend beschriebenen Linearkompressor 1 wiedergegeben. Anstelle eines einzelnen Linearkompressors können auch mehrere derartige Linearkompressoren vorgesehen sein, wobei diese vorzugsweise so angesteuert werden, dass sich die paarweise vorgesehenen Kolben der einzelnen Linearkompressoren nicht alle gleichzeitig in der Kompressionsstellung befinden, sondern nacheinander die Kompressionsstellung einnehmen. Dadurch wird ein Pulsieren des ausgestoßenen Druckgases vermieden oder zumindest deutlich reduziert.
-
Die Auslassöffnungen 238, 238' der Kompressionsräume 24, 24' sind mit einer Atemgasleitung 40 verbunden, die zu einem Atemgasauslass 42 führt, der beispielsweise zu einer Atemgasmaske 44 für einen Patienten führt. In der Atemgasleitung 40 kann eine Dämpfungseinrichtung 46 vorgesehen sein, die das Pulsieren des von dem zumindest einen Linearkompressor 1 unter Überdruck ausgestoßenen Atemgases dämpft. Des Weiteren kann in der Atemgasleitung 40 eine Mischeinrichtung 48 vorgesehen sein, durch die Sauerstoff aus einer Sauerstoffquelle 5, beispielsweise einem externen Sauerstoffdruckbehälter, in das in der Atemgasleitung 40 zum Atemgasauslass 42 strömende Atemgas einleitbar ist.
-
Eine Steuerungseinrichtung oder Regelungseinrichtung 6 steuert beziehungsweise regelt die beiden federkraftbeaufschlagten Kolben 22, 22' des Linearkompressors 1 derart, dass sie gegenläufig und in Resonanz schwingen, so dass sich im Betrieb die in Richtung der Zylinderachse X auf die Kolben 22, 22' wirkenden Beschleunigungskräfte, die zum Beispiel bei der Richtungsumkehr der Kolbenbewegung auftreten, aufheben.
-
4 ist beispielhaft ein Schema des Aufbaus eines Sauerstoffkonzentrators 4' mit einem oben beschriebenen Linearkompressor 1 wiedergegeben. Im Grundsatz entspricht dieser Aufbau dem Aufbau des in 3 dargestellten und vorstehend beschriebenen Beatmungsgeräts, wobei anstelle der Mischeinrichtung eine an sich bekannte Sauerstoffkonzentrationseinrichtung 45 vorgesehen ist. In der Atemgasleitung 40 kann auch hier zwischen dem Linearkompressor 1 und der Sauerstoffkonzentrationseinrichtung 45 eine Dämpfungseinrichtung 46 vorgesehen sein. Ebenso wir auch hier der Linearkompressor von der Steuerungseinrichtung oder Regelungseinrichtung 6 gesteuert beziehungsweise geregelt.
-
Die vom Linearkompressor 1 aus - vorzugsweise durch einen (nicht gezeigten) Partikelfilter - angesaugter Umgebungsluft erzeugte Druckluft wird der Sauerstoffkonzentrationseinrichtung 45 zugeführt. In der Sauerstoffkonzentrationseinrichtung 45 wird aus unter Druck stehender Luft durch Abtrennen des Luftstickstoffs, beispielsweise mittels einer Filtermembran oder eines Molekularsiebs, molekularer Sauerstoff gewonnen. Dieser Sauerstoff kann entweder direkt oder mit Atem luft vermischt einem Patienten zugeführt oder auf andere Weise weiterverwendet werden.
-
Ein solcher Sauerstoffkonzentrator 4' kann zudem in jedem Beatmungsgerät, so zum Beispiel auch in dem erfindungsgemäßen Beatmungsgerät gemäß 3, als Sauerstoffquelle 5 genutzt werden, um Sauerstoff aus der Umgebungsluft zu gewinnen und der Mischeinrichtung 48 zur Anreicherung der Atemluft zuzuführen. Aufgrund des kompakten Aufbaus des nahezu vibrationsfrei laufenden erfindungsgemäßen Linearkompressors und dessen wegen des Resonanzbetriebs niedrigem Energieverbrauch eignet sich dieser Sauerstoffkonzentrator - genauso wie das erfindungsgemäße Beatmungsgerät - besonders für einen mobilen Einsatz, beispielsweise als ein von einem Patienten in einer kleinen Umhängetasche tragbares Gerät.
-
Bezugszeichen in den Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen dienen lediglich dem besseren Verständnis der Erfindung und sollen den Schutzumfang nicht einschränken.
-
Bezugszeichenliste
-
Es bezeichnen:
- 1
- Linearkompressor
- 2
- erste, linke Kolben-Zylinder-Einheit
- 2'
- zweite, rechte Kolben-Zylinder-Einheit
- 3
- Linearantriebseinheit
- 3'
- Linearantriebseinheit
- 4
- Beatmungsgerät
- 4'
- Sauerstoffkonzentrator
- 5
- Sauerstoffquelle
- 6
- Steuer- oder Regelungseinrichtung
- 10
- Zylinderbohrung
- 20
- Zylinder
- 20'
- Zylinder
- 21
- Gasdrucklager
- 22
- Kolben
- 22'
- Kolben
- 23
- Zylinderraum
- 23'
- Zylinderraum
- 24
- Kompressionsraum
- 24'
- Kompressionsraum
- 25
- erster Düsenring
- 26
- zweiter Düsenring
- 27
- dritter Düsenring
- 28
- ringförmiger Lagerspalt
- 29
- Verbindungskanal
- 30
- Magnetanordnung
- 30'
- Magnetanordnung
- 32
- Feder
- 32'
- Feder
- 34
- ringförmige Ausnehmung
- 40
- Atemgasleitung
- 42
- Atemgasauslass
- 44
- Atemgasmaske
- 45
- Sauerstoffkonzentrationseinrichtung
- 46
- Dämpfungseinrichtung
- 48
- Mischeinrichtung
- 200
- Zylinderbohrung
- 210
- zylinderseitige Lagerfläche
- 220
- ringzylindrischer Kolbenmantel
- 221
- Kolbenhohlraum
- 222
- Kolbenboden
- 223
- Kolbenaußenumfangsfläche
- 224
- kolbenseitige Lagerfläche
- 225
- Rückseite
- 226
- Kolbenhinterwand
- 227
- Entlüftungsöffnung
- 228
- Tauchspulenansatz
- 228'
- Tauchspulenansatz
- 229
- elektrische Tauchspule
- 230
- Zylinderkopf
- 232
- kopfseitige Zylinderstirnwand
- 233
- Einlassventil
- 234
- Einlasskanal
- 235
- Einlassöffnung
- 236
- Auslassventil
- 237
- Auslasskanal
- 238
- Auslassöffnung
- 238'
- Auslassöffnung
- 240
- Zylinderwandung
- 242
- Zylinderinnenumfangsfläche
- 250
- Gasaustrittsdüsen
- 251
- Mikrolöcher
- 260
- Gasaustrittsdüsen
- 261
- Mikrolöcher
- 270
- Gasaustrittsdüsen
- 271
- Mikrolöcher
- 280
- Zylindergehäuse
- 290
- Ringkanal
- 292
- Ringkanal
- 294
- Ringkanal
- 300
- Stirnseite der Magnetanordnung 30
- 310
- zentrale Axialbohrung
- 312
- Boden
- X
- Zylinderachse
- P
- Patient
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
