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Zweistufiges Druckminderventil für Atmungsgeräte Die Erfindung betrifft
ein zweistufiges Druckminderventil für Atmungsgeräte. Bei Atmungsgeräten ist eine
besonders feine und empfindliche Druckregelung erforderlich, welche sich im allgemeinen
nur durch ein zweistufiges Druckminderventil erreichen läßt.
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Ein Druckminderventil ermöglicht beispielsweise eine Minderung des
Druckes von 140 kp/cm' auf der Hochdruckseite auf 1,54 kpjcm' auf der Niederdruckseite.
Der Niederdruck muß mit großer Genauigkeit eingehalten werden.
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Für diesen Zweck ist schon einzweistufiges Druckminderventil bekannt,
bei welchem ein in einer Membran aufgehängtes, über diese Membran vom Atmosphärendruck
und außerdem einstellbar mittels Federdruck belastetes Sekundärventil zwischen einem
Mit teldruckraum und einem Niederdruckraum angeordnet ist und bei welchem ein in-
einer weiteren, den Niederdruckraum von einem Mitteldruckraum trennenden Membran
aufgehängtes Primärventil zwischen dem Mitteldruckraum und dem Hochdruckraum angeordnet
ist. Dabei kann das Sekundärventil gegen den eingestellten Mitteldruck mittels der
Federspannung so lange geöffnet werden, bis dieser den Einstelldruck übersteigt
und das Sekundärventil schließt, worauf der sich im Mitteldruckraum aufbauende und
auf die zweite Membran wirkende Überdruck das Primärventil schließt und damit die
Gaszufuhr aus dem Hochdruckraum in den Mitteldruckraum so lange unterbricht, bis
infolge der Gasentnahme aus dem Niederdruckraum zum Verbraucher die Feder das Sekundärventil
wieder öffnet, so daß das im Mitteldruckraum befindliche Gas zum Niederdruckraum
abströmen kann, worauf infolge des Druckausgleichs beiderseits der zweiten Membran
das Primärventil wieder geöffnet wird, um dem Hochdruck wieder Zutritt zum Mitteldruckraum
zu geben.
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Bei dieser Anordnung sind die beiden Ventilkörper durch eine Membran
gegeneinander abgedichtet. Diese Membran weist den Nachteil auf, daß die gegenseitige
Bewegung der beiden Ventilkörper durch die zuletzt genannte Membran begrenzt wird.
Insbesondere setzt diese Membran der Bewegung der beiden Ventilkörper gegeneinander
bei größerem Abstand einen größeren Widerstand entgegen. Dies führt dazu, daß der
Niederdruck nicht mit der für ein Atmungsgerät erforderlichen Konstanz geregelt
werden kann.
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Die Erfindung geht von einem derartigen zweistufigen Druckminderventil
für Atmungsgeräte aus, bei welchem ein in einer Membran aufgehängtes, über diese
Membran vom Atmosphärendruck und außerdem einstellbar mittels Federdruck belastetes
Sekundärventil zwischen einem Mitteldruckraum und einem mit dem Verbraucher in Verbindung
stehenden Niederdruckraum angeordnet ist und bei welchem ein in einer weiteren,
den Niederdruckraum von einem Mitteldruckraum trennenden Membran aufgehängtes Primärventil
zwischen diesem Mitteldruckraum und dem Hochdruckraum angeordnet ist und bei welchem
der ein Hochdruckzuleitungsrohr mit Spiel umgebende Ventilkörper des Sekundärventils
halsartig in das becherförmige Primärventil hineinragt und mit diesem durch
eine bewegliche Wandung verbunden ist. Ein solches Druckminderventil ist
nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß als bewegliche Wandung eine an sich
bekannte Stülpmanschette aus leicht biegsamem, gasdichtem Werkstoff, z. B. natürlichem
oder künstlichem Gummi, dient, deren eines Ende am Primärventil und deren anderes
Ende am Sekundärventil befestigt ist, während ihre Stulpe in dem engen Ringraum
zwischen dem halsartigen Vorsprung des Sekundärventils und der diesen mit Spiel
umgebenden Innenwandung des Primärventils liegt, und so eine gegenseitige Verschiebung
zwischen Primär- und Sekundärventil ermöglicht.
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Stülpmanschetten sind bei einstufigen Druckminderventilen bekannt.
Bei einem zweistufigen Druckminderventil sind sie noch nicht verwendet worden. Sie
bieten den Vorteil, daß sie eine einwandfreie Dichtung zwischen Primär- und Sekundärventil
ermöglichen,
ohne die gegenseitige Bewegung der Ventile zu hemmen.
Die Stülpmanschette setzt der gegenseitigen Bewegung einen geringen Widerstand entgegen,
wobei dieser Widerstand von der Amplitude der gegenseitigen Bewegung unabhängig
ist, so daß man eine lineare Regelcharakteristik erhält.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sei im folgenden an Hand der Zeichnungen
beschrieben. Es stellt dar Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Druckminderventil
nach der Erfindung, Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1. Die hier
dargestellte Ausführungsform der Erfindung besteht aus einem mit Hohlräumen versehenen
Mittelstück 10 sowie zwei Gehäuseteilen 12 und 14. Das Mittelstück 10 weist einen
kreisrunden Flansch 10a und einen entgegengesetzt angeordneten kreisrunden Flansch
10 b auf. Die Gehäuseteile 12 und 14 sind auf diese Flansche aufgeschraubt. Zwischen
dem Flansch 10a und dem Gehäuseteil 12 ist eine elastische Membran 16 eingespannt,
welche sich innerhalb des Flansches 10 a quer durch einen Raum 18 erstreckt. Zwischen
dem Flansch 10b und dem Gehäuseteil 14 ist eine ringförmige elastische Membran 20
eingespannt, welche sich innerhalb des. Flansches 10 b quer durch den Raum 22 erstreckt
und mit einer Stülpmanschette 24 zusammenwirkt, welche ein primäres Ventil und ein
sekundäres Ventil miteinander verbindet und zusammen mit einer noch zu beschreibenden
Ventilvorrichtung eine zentrale Öffnung in der erwähnten ringförmigen Membran 20
einnimmt. Die Membranen 16 und 20 können aus irgendeinem geeigneten elastischen
Werkstoff hergestellt werden, beispielsweise aus natürlichem oder synthetischem
Gummi.
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Das Mittelstück 10 weist einen Einlaß 26 mit Innengewinde auf, welcher
über einen Kanal 28 mit einer Hochdruckkammer 30 a in Verbindung steht. Diese
letztere bildet den (in der Zeichnung) oberen Teil einer Aussparung 30, welche sich
von der unteren Fläche des Mittelstücks 10 aus aufwärts erstreckt.
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Die Hochdruckkammer 30 a steht mit einer Mitteldruckkammer 34 a und
34 b über ein Strahlrohr 32 in Verbindung, dessen Kopf 32 b in denjenigen Teil der
Aussparung 30 eingeschraubt ist, welcher sich gerade unterhalb der Hochdruckkammer
30 a befindet. Dieser Kopf 32 b bildet einen Teil der noch zu beschreibenden sekundären
Ventilvorrichtung und weist einen radialen Flansch 32 a auf, welcher in den unteren
Teil der Aussparung 30 hineinpaßt. Das Strahlrohr 32 wird durch ein primäres Ventil
36 geöffnet und geschlossen, welches mit dem in der Zeichnung unteren Ende
des Strahlrohrs zusammenwirkt. Dieses primäre Ventil ist becherförmig und frei beweglich
gelagert, indem es am Innenrand der Membran 20 hängt. Das becherförmige Ventil
36 hat einen radialen Flansch 36 a, welcher über den Innenrand der Membran
20 hinüberragt und an derselben angenietet oder in anderer Weise befestigt ist.
Der Zwischen-bzw. Bodenteil bildet eine Ventilscheibe 36b für das untere Ende des
Strahlrohrs 32. Durch diese Ventilscheibe 36 b sind Kanäle 36 c hindurchgeführt,
welche die Kammern 34 a und 34 b, also die Räume oberhalb und unterhalb des primären
Ventils 36, miteinander verbinden. Diese Kammern 34 a und 34 b bilden zusammen die
Mitteldruckkammer. Die Ventilscheibe 36 b ist im Ventil 36 eingepreßt und hält so
das in der Zeichnung untere Ende der Stülpmanschette 24 zwischen sich und einem
ausgesparten Teil 37 der zylindrischen Wandung des Ventils 36.
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Aus der Mitteldruckkammer 34 a strömt das Gas durch die sekundäre
Ventilvorrichtung zu der Niederdruckkammer in den Raum 22, der innerhalb des sich
in der Zeichnung abwärts erstreckenden Mittelstückflansches 10b gebildet ist und
von der ringförmigen Membran 20 und der Stülpmanschette 24 begrenzt wird und der
durch Kanäle 22a hindurch mit einem Auslaß 38 mit Innengewinde Verbindung hat. Der
von dem in der Zeichnung aufwärts gerichteten Mittelstückflansch 10 a und der elastischen
Membran 16 umgrenzte Raum 18 steht ebenfalls durch Kanäle 18 a mit dem Auslaß 38
in Verbindung.
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Die sekundäre Ventilvorrichtung weist ein hohles zylindrisches Ventil
40 auf, welches den Schaftteil des Strahlrohrs 32 derart umgibt, daß zwischen der
inneren rohrförmigen Wandfläche des Ventils 40 und der äußeren Oberfläche des Strahlrohrs
ein Kanal 41 frei bleibt, der sich von der Kammer 34 a der Mitteldruckkammer bis
zu der in der Zeichnung oberen Fläche des radialen Flanschteils 40 a des Ventils
40 erstreckt. Das Ventil 40 ist durch starre Verbindungsglieder 42, welche durch
Bohrungen 44 hindurchragen, mit der oberen Membran 16 verbunden. Diese Bohrungen
sind durch das Mittelstück 10 hindurchgeführt und weit genug, um zu gestatten, daß
die Verbindungsglieder 42 sich je nach der Bewegung der Membran 16 frei auf und
ab bewegen können.
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Die Membran 16 steht mit ihrer oberen Fläche unter dem Druck der Außenatmosphäre;
sie stellt sich also jeweils entsprechend den Änderungen des Druckunterschiedes
zwischen dem Atmosphärendruck und dem Druck in der Niederdruckkammer ein. Da sie
durch die Verbindungsglieder 42 mit dem sekundären Ventil 40 verbunden ist, öffnet
und schließt sich dieses Ventil nach Maßgabe ihrer Bewegungen.
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Auf der in der Zeichnung oberen Fläche des Flanschteils 40 a des sekundären
Ventils 40 befindet sich ein Ventilsitz 46; dieser liegt praktisch gegenüber einem
nach unten ragenden Ventilsitz 48, der an der in der Zeichnung unteren Fläche des
Strahlrohrfla.nsches 32a angeordnet ist. Zwischen den Ventilsitzen 46 und 48 befindet
sich eine ringförmige Ventilscheibe 50, die vorzugsweise aus einem elastischen Werkstoff,
wie z. B. natürlichem oder künstlichem Gummi, hergestellt ist. Diese Ventilscheibe
50 ist doppeltwirkend und umgibt den Schaftteil des Strahlrohrs 32, und ihre zentrale
Öffnung 50a ist weit genug, um zwischen ihrem Innenumfang und dem Schaft des Stahlrohrs
32 einen Gaskanal frei zu lassen. Man sieht also, daß Gas von der Mitteldruckkammer
entweder über die obere oder die untere Fläche der Ventilscheibe 50 oder auch über
beide Flächen streichen kann, je nach der Lage der Ventilscheibe 50 mit Bezug auf
die Ventilsitze 46 und 48. Wenn das sekundäre Ventil 40 geschlossen ist, d. h.,
wenn es sich in seiner obersten Lage befindet, dann stehen die Ventilsitze 46 und
48 in Berührung mit der oberen bzw. mit der unteren Fläche der Ventilscheibe 50,
und der Durchtritt von Gas von der Mitteldruckkammer zu der Niederdruckkammer ist
damit unterbunden. Wenn jedoch das Ventil 40 durch die Abwärtsbewegung der Membran
16 von seinem Sitz abgehoben wird; kann Gas aus der Mitteldruckkammer oberhalb der
Ventilscheibe 50 zwischen dieser und dem Sitz 48, aber auch unterhalb der Scheibe
50, zwischen dieser und dem Sitz 46 zu der Niederdruckkammer
strömen,
wenn der Gasdruck in der Mitteldruckkammer genügend hoch ist, um das Gewicht der
Ventilscheibe 50 anzuheben. Zu der sekundären Ventilvorrichtung gehört also eine
Ventilscheibe, die frei beweglich zwischen einem festen und einem beweglichen Ventilsitz
angeordnet ist. Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß sie leicht einzubauen ist,
und sie vermeidet die Schwierigkeiten, die sich bei Ventildichtungsmaterial ergeben,
welches in eine Aussparung eines Ventilelements eingekittet ist und mit einem Sitz
an einem anderen Ventilelement zusammenwirkt.
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Die sekundäre Ventilvorrichtung ist praktisch entlastet, da die Flächen
innerhalb der Sitze 46 und 48, die demjenigen Druck unterliegen, welcher versucht,
das Ventil zu öffnen, im wesentlichen gleich groß sind wie die wirksame Fläche der
Stülpmanschette 24 und der unteren Stirnseite des Ventils 40, die einem Druck unterliegen,
welcher das Bestreben hat, das Ventil zu schließen.
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Die in Fig. 1 dargestellte Stülpmanschette 24, welche zusammen mit
der Membran 20 die Mitteldruckkammer von der Niederdruckkammer getrennt hält und
eine relative Bewegung zwischen den Ventilen 36 und 40 zuläßt, ist an einem Ende
zwischen dem primären Ventil 36 und der Ventilscheibe 36 b
gehalten. Sie erstreckt
sich neben der zylindrischen Wandung des Ventils 36 aufwärts, ist oben umgestülpt,
erstreckt sich längs der Wandung des sekundären Ventils 40 abwärts und ist am unteren
Ende verdickt, um einen Wulst 24a zu bilden, dessen freier Rand über das untere
Ende des sekundären Ventils 40 gezogen ist und dort durch seine eigene Elastizität
gehalten wird. Diese Haftung wird durch eine Versteifungseinlage 25 und den in der
Kammer 34 a herrschenden Druck unterstützt. Bei der Stülpmanschette 24 ändern die
sich aufwärts und abwärts erstreckenden Teile ihre Länge, und zwar wird jeweils
der eine Teil kürzer, während der andere Teil länger wird, wenn das primäre Ventil
36 sich dem unteren Rande des Strahlrohrs 32 nähert oder von demselben entfernt
oder wenn das sekundäre Ventil 40 sich in die geschlossene Lage bzw. aus derselben
heraus bewegt. Wie aus Fig. 1. ersichtlich, ist die Stülpmanschette 24 über einen
beträchtlichen Teil ihrer Länge umgestülpt und erstreckt sich aufwärts in den Ringraum
zwischen der Außenseite des Schaftes des sekundären Ventils 40 und der Innenseite
des becherförmigen primären Ventils 36 hinein. Die übereinanderliegenden Teile sind
konzentrisch und dicht aneinander angeordnet und nehmen in der Querrichtung der
Vorrichtung sehr viel weniger Raum ein als eine flache elastische Membran, welche
das gleiche Ausmaß relativer Bewegung zwischen den Ventilen 36 und 40 zulassen würde.
Die Verwendung der Stülpmanschette 24 ermöglicht also, die Vorrichtung sowohl hinsichtlich
Größe als auch hinsichtlich Gewicht so klein wie möglich zu bauen, was dann von
besonderer Wichtigkeit ist, wenn die Vorrichtung zusammen mit einem Gerät verwendet
werden soll, das häufig in der Hand getragen werden muß, wie z. B. mit Wiederbelebungs-Atmungsgeräten
bei Notrufen.
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Wie aus Fig. 1 weiterhin ersichtlich ist, ist die obere Membran 16
an der Platte 60 mittels eines mit Außengewinde versehenen Bolzens 60a befestigt,
der sich aufwärts durch die Mitte der Membran hindurch erstreckt und eine ringförmige
Platte bzw. Scheibe 62 hält, welche auf der Membran ruht, wobei die Bauelemente
60 und 62 an einander entgegengesetzt gelegenen Flächen der Membran 16 mittels einer
Mutter 64 angeklemmt sind, welche auf den Bolzen 60 a aufgeschraubt ist.
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Die Verbindungsglieder 42, welche das Ventil 40 und die Platte 60
miteinander verbinden, stehen aus der Platte 60 nach unten hervor und werden somit
frei beweglich von der Membran 16 gehalten. Die Membran 16 wird durch eine Schraubenfeder
66 so belastet, daß sie anfänglich das Ventil 40 von seiner geschlossenen Lage entfernt
hält, so daß das Gas, welches über die Hochdruckkammer in die Mitteldruckkammer
getreten ist, in die Niederdruckkammer strömen kann, bis in der letzteren ein Druck
aufgebaut worden ist, der genügend hoch ist, um den auf die Membran 16 wirkenden
Atmosphärendruck und die Kraft der Feder 66 zu überwinden, wobei die Membran 16
angehoben und das Ventil 40 geschlossen wird. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, hat
der in der Zeichnung obere Gehäuseteil 12 einen sich nach oben erstreckenden rohrförmigen
Ansatz 12a mit Außengewinde zur Aufnahme einer Kappe 68. Die Schraubenfeder 66 befindet
sich innerhalb des geschlossenen Raumes, der von dem Gehäuseteil 12 und der Membran
16 gebildet wird; sie legt sich mit ihrem einen Ende um den Bolzen 60 a und ruht
auf der Scheibe 62, während ihr anderes Ende in einen Federteller 70 am oberen Ende
des erwähnten geschlossenen Raums hineinragt und sich dort abstützt. Der Federteller
70 wird durch eine Schraube 72, deren Schaft durch eine Gewindebohrung 74 in der
Kappe 68 hindurchragt und in einer Gewindebohrung 76 des Federtellers 70 gehalten
wird, an Drehung gehindert. Der Druck, welchen die Feder 66 auf die Membran 16 ausübt,
kann durch Drehen der Kapp-- 68, deren äußere Oberfläche 69 gerändelt ist, geändert
werden. Um das Maß der Einstellung zu begrenzen und zu verhindern, daß der Entnahmedruck
unbeabsichtigt auf eine unerwünschte Höhe ansteigt, ist an dem Federteller 70 ein
Vorsprung 71 vorgesehen, welcher nach Erreichen der Grenze des zulässigen Einstellbereiches
wie ein Anschlag wirkt, indem er sich an das obere Ende des Gehäuseteils 12 anlegt.
Durch die Einstellung der Kraft, welche die Feder 66 auf die Membran 16 ausübt,
wodurch auch der Zeitraum bestimmt wird, innerhalb dessen sich der Druck in der
Niederdruckkammer aufbauen kann, kann der Druck, unter welchem das Gas aus der Vorrichtung
entnommen wird, durch den erwähnten Anschlag 71 innerhalb eines beschränkten Bereiches
erhöht werden. In dem oberen Gehäuseteil 12 sind Luftlöcher 78 vorgesehen, um den
Druck oberhalb der Membran 16 auf Atmosphärendruck zu halten, der als niedriger
angenommen wird als der Druck, unter welchem das Gas stehen soll. Wirkungsweise
der Anordnung Das Gas, welches unter hohem Druck aus einer hier nicht dargestellten
Gasflasche in den Einlaß 26 eintritt, strömt durch den Kanal 28 in die Hochdruckkammer
30 a und von dort durch das Strahlrohr 32 in den darunterliegenden, durch die Stülpmanschette
24 und die ringförmige Membran begrenzten Raum und expandiert in diesem auf einen
Druck, dessen Höhe zwischen dem Zuströmdruck des Gases und dem Entnahmedruck desselben
aus der Vorrichtung liegt.
Das szkundäre Ventil wird anfänglich
infolge der Federkraft der Feder 66, die über die Membran 16 auf das Ventil 40 wirkt,
offen gehalten, und das Gas strömt durch das sekundäre Ventil hindurch in die Niederdruckkammer,
bis der in derselben aufgebaute Druck genügend hoch ist, um den Atmosphärendruck
zuzüglich der Kraft der Feder 66 zu überwinden, wodurch die Membran 16 angehoben,
das Ventil 40 in seine oberste Lage bewegt und das sekundäre Ventil geschlossen
wird.
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Nunmehr wird der Druck in der Mitteldruckkammer so lange aufgebaut,
bis derselbe mit einer solchen Kraft auf die untere Fläche des primären Ventils
36 und die ringförnüge Membran 20 wirkt, daß das erstere so weit angehoben wird,
bis sich dessen mittlerer Teil auf das untere Ende des Strahlrohrs legt und damit
zeitweise den Durchtritt des Gases aus der Hochdruckkammer absperrt. Da an dem Auslaß
38 weiterhin Gas entnommen wird, fällt der Druck in der Niederdruckkammer, so daß
die Feder 66 die Membran 16 und das Ventil 40 wieder herunterdrücken kann. Dadurch
wird das sekundäre Ventil neuerdings geöffnet und durch das erneute Abströmen des
Gases aus der Mitteldruckkammer wird der Druck in derselben herabgesetzt, so daß
das primäre Ventil 36 von dem unteren Ende des Strahlrohres abgehoben wird, so daß
wiederum Gas aus der Hochdruckkammer durch das Strahlrohr 32 in die Mitteldruckkammer
abströmen kann. Durch die Einstellung der Kappe 68, also durch Regelung des Druckes
in der Niederdruckkammer, kann der Entnahmedruck des Gases innerhalb eines bestimmten
begrenzten Bereiches erhöht oder gesenkt werden. Die Vorrichtung hält also die
Höhe des Druckes praktisch konstant, selbst wenn der Druck des der Vorrichtung
zugeführten Gases von 140 kp/cm2 oder mehr auf den eingestellten Entnahmedruck herabgesetzt
werden muß, welcher nur wenig über dem Atmosphärendruck zu liegen braucht, beispielsweise
1,54 kp/cm2 betragen kann.