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Einatemventil Die Erfindung betrifft ein Einatemventll für lungengesteuerte
Druckgas-Atemschutzgerate, wobei der die Öffnungs- bzw. Schließbewegung ausfUhrende
Ventilkegel über einen Schwenkhebel mit einer Steuermembran verbunden ist, die einerseits
von dem in der Einatemleitung herrschenden Druck, andererseits vom Umgebungsdruck
beaufschlagt
ist und die bei Absinken des Druckes in der Einatemleitung unter einen gewünschten
Wert das Einatemventil öffnet.
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Bei einem derartigen, durch die DAS Er.1 120 279 bekannt gewordenen
Einatemventil sitzt der Ventilkegel am einen Ende des Schwenkhebels und wird durch
eine Druckfeder an den Ventilsitz angepreßt, während das andere Ende des Schwenkhebels
an der elastischen Steuermembran anliegt. Beim Einatmen sinkt der Druck in der Einatemleitung
ab. Die elastische Steuermembran wölbt sich nach innen und beginnt, den Ventilkegel
entgegen der auf ihn einwirkenden Federkraft abzuheben, so daß Druckgas durch ds
Ventil hindurch in die Einatemleitung nachströmen kann. Bei Beendigung des Einatemvorganges
erhöht das nachströmende Druckgas den Druck in der Binatemleitung, wodurch die Steuermembran
wieder ihre ursprenglflche Stellung einnimmt und das Einatemventil zugedrückt wird.
Die Stärke der für den Schließvorgang des Einatemventils verantwortlichen Druckfeder
richtet sich nach dem Druck des vor dem Ventil aufgerauten Gases. Zwar hat das Gas
im allgemeinen bereits einen Druckminderer passiert, doch sind die beim Binatmen
zum Offnen des Ventils erforderlichen Unterdrücke immer noch so hoch, daß mit großen
Nembranflächen gearbeitet werden muß. Große Membranflächen erzeugen nach den bekannten
Gesetzmäßigkeiten bei geringem Druck eine relativ hohe Kraft, die, verstärkt durch
das Übersetzungsverhältnis des ungleicharmigen Schwenkhebels,
in
der Lage ist, den Ventilkegel entgegen der Federkraft von seinem Sitz abzuheben.
Dennoch macht sich, besonders bei längerer Benutzung eines solchen bekannten Atemschutzgerätes
der erhöhte Atemwiderstand, verursacht durch das Öffnen an sich sowie auch durch
das Aufhalten des Ventiles, recht unangenehm bemerkbar.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Einateinventil
der eingangs erwähnten Gattung dahingehend zu verbessern, daß sowohl dessen Ansprechwiderstand
beim Öffnen des Ventils als auch der danach sich einstellende, relativ konstante
Atemwjderstand wesentlich verringert wird. Weiterhin soll mit kleinen Membanflächen
ausgekommen werden, so daß sich das erfindungsgemäße Gerät durch geringen Platzbedarf
auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ventilkegel
mittels einer an ihm schwenkbar angeordneten Schubstange außerhalb der Drehachse
des Schwenkhebels an diesen angelenkt ist, derart, daß der Anlenkpunkt bei Schließstellung
des Ventilkegels auf oder knapp neben der gedachten Verbindungslinie zwischen Ventilkegel
und Drehachse liegt und sich beim Öffnen des Ventils von dieser Verbindungslinie
entfernt.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung ergibt sich nicht nur ein grundsätzlich
hohes Verstärkungsverhältnis
zwischen der an der Membran erzeugten
Kraft einerseits und der am Ventil wirkenden Schließkraft andererseits, vielmehr
ändert sich die Ubersetzungscharakteristik mit zunehmendem Schließen des Ventils
laufend in der Welse, daß eine an der Membran angreifende, konstant gehaltene Kraft
eine immer höhere, im Grenz fall (Anlenkpunkt auf der gedachten Verbindungslinie
zwischen Ventilkegel und Drehachse) theoretisch eine unendlich hohe Schließkraft
am Ventil erzeugt. Das heißt, mit einer relativ kleinen Steuermembran lassen sich
mit zunehmender Schließbewegung stark ansteigende Schließkräfte erzeugen. Man kommt
daher beim Einatmen mit einem wesentlich schwächeren Unterdruck zum Öffnen des Einatemventiles
aus als bei den bekannten Bauarten.
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Da außerdem die erforderliche Membranfläche verringert werden kann,
ergeben sich günstige Gehäuseabmessungen.
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Es besteht die Möglichkeit, den Schwenkhebel parallel verschiebbar
zur Steuermembran an dieser zu befestigen.
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Zur Erzeugung der Schließkraft ist in diesem Fall in der Einatemleitung
ein gewisser.tJberdruck erforderlich.
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Dies ist bei Atemschutzmasken von Vorteil, aus deren Innenraum bei
eventuellen Undichtigkeiten Druckgas ausströmen soll, um das Eindringen schädlicher
Gase aus der Umgebung in jedem Fall auszuschließen, Durch das zusätzliche Anbringen
einer den Schwenkhebel an die Steuermembran anpressenden Feder kann der Überdruck
in der Einatemleitung mehr oder weniger verringert werden.
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Eine stufenlose Feinregulierung des Überdruckes in der Einatemleitung
ist durch einfaches Hinein- oder Herausdrehen des Ventilsitzes möglich, da sich
hierbei der Anlenkpunkt von der gedachten Verbindungslinie zwischen Drehachse und
Ventilkegel entfernt oder sich ihr nähert und somit eine Änderung des Übersetzungsverhältnisses
eintritt. Wird die Schließkraft durch eine Feder aufgebracht, die so dimensioniert
ist, daß zum Offenen des Einatemventils ein gewisser Unterdruck erforderlich ist,
so läßt sich dieser in gleicher Weise einstellen.
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Vorteilhafterweise stützt sich der Schwenkhebel über eine Rolle an
der Membran ab und wird durch eine Feder an die Membran angedrückt. Die erforderliche
Schließkraft am Ventil wird in diesem Fall allein durch die Feder aufgebracht. Infolge
der erfindungsgemäßen günstigen Kraftumsetzung kann trotz erheblicher Ventilschließkräfte
mit sehr kleinen Federkräften gearbeitet werden, so daß sowohl der Ansprechwiderstand
als auch der Atemwiderstand selbst sehr gering bleiben.
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Zweckmäßigerweise ist die Steuermembrane für einen langen Hub ausgebildet,
so daß sie relativ große Verschiebebewegungen durchführen kann, ohne nennenswerte
Eigenspannungen aufzubauen.
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Schließlich ist es zweckmäßig, daß am Schwenkhebel oder an der Schubstange
eine Überdrehsicherung angebracht ist. Diese verhindert, daß der Anlenkpunkt der
Schubstange am Schwenkhebel die Verbindungslinie zwischen Ventilkegel und Drehachse
überschreitet.
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Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Prinzips ist dadurch
gekennzeichnet, daß sich der Ventilkegel mittels eInes nur in Hubrichtung verschiebbaren
Gleitschuhes auf zumindest einer Führungsbahn des Schwenkhebels abstützt, daß diese
Führungsbahn die Drehachse des Schwenkhebels spiralförmig umgibt, derart, daß der
mit dem Gleitschuh in Anlage befindliche Teil der Führungsbahn bei Schließstellung
des Ventilkegels nahezu senkrecht zur Hubrichtung verläuft und beim Öffnen seinen
Abstand von der Drehachse rasch vermindert. Durch eine derartige Gestaltung der
Führungwbahn ergibt sich gleichartig wie bei der weiter oben erwähnten Anordnung
ein mit dem Schließen des Ventils zunehmendes Ubersetzungsverhältnis zwischen der
an der Membran erzeugten Kraft einerseits und der auf das Ventil einwirkenden Schließkraft
andererseits.
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Die bereits oben beschriebenen, zweckmäßigen Ausgestaltungen gemäß
den Unteransprüchen eignen sich auch für diese konstruktive Ausführung. Es ist lediglich
zu beachten, daß in diesem Fall die Überdrehsicherung auf den Schwenkhebel einwirken
muß.
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Es liegt im Rahmen der Erfindung, wenn auf eine separate Schubstange
verzichtet wird und sich der Ventilkegel stattdessen direkt am Schwenkhebel abstützt.
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Dies kann durch exzentrische Anlenkung an den Schwenkhebel erfolgen
oder aber durch Abstützung an einer entsprechend geformten Führungsbahn (Nocken)
des Schwenkhebels.
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..weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispie les anhand einer Zeichnung; darin zeigt:
Fig.
1 ein Einatenventil mit den zu seiner Betätigung erforderlichen Elementen im Schnitt
und Fig. 2 eine Übersicht über die wirksamen Kräfte.
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Ein zylindrisches Gehäuse 1 weist an seiner einen Stirnseite eine
elastische Membran 2 oder einen Faltenbalg auf, an seiner-gegenüberliegenden Stirnseite
ein Anschlußstück 3 zur Entnahme von Einatemluft. An der Mantelfläche des Gehäuses
1 sitzt radial ein Stutzen 4, der für den Anschluß eines nicht dargestellten Druckgasbehälters
vorgesehen ist. Dieser Stutzen 4 trägt in seinem Inneren eine eingeschraubte Düse
5, die verdrehbar und dadurch axial verstellbar ist sowie einen axial verschiebbaren
Ventilkegel 6. Letzterer stützt sich über eine schwenkbar in ihm angeordnete Schubstange
7 an einem Schwenkhebel 8 ab. Die Verbindung zwischen Schubstange 7 und Schwenkhebel
8 erfolgt durch ein Drehgelenk 9. Der Schwenkhebel 8 ist seinerseits durch einen
Bolzen 10 drehbar am Gehäuse 1 angebracht. -An seinem freien Ende trägt er eine
Rolle 11 und wird durch eine Biegefeder 12, die am Bolzen 10 gelagert und gegen
das Gehäuse 1 verspannt ist, gegen die-Membråne 2 gedruckt.
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Die Wirkungsweise ist folgende: Wird ueber die Einatemleitung 13 Luft
aus dem Gehäuse 1 entnommen, so sinkt der Innendruck. Da die Membrane 2 von außen
unter konstantem Druck steht, -baut sich an dieser eine Druckdifferenz auf, die
bestrebt ist, -die Membrane in das Innere des Gehäuses 1 zu verschieben.
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Im selben Bewegungssinne wirkt auch der von dem nicht
dargestellten
Druckgasbehälter auf den Ventilkegel 6 ausgeübte Druck. Sobald die Summe dieser
beiden Druckkräfte die entgegenwirkende Kraft der Biegefeder 12 überwiegt, wandert
die Membrane , 2 in das Gehäuseinnere, wobei nie den Schwenkhebel 8 mitnimmt. Durch
die Drehung des Schwenkhebels 8 wird das Drehgelenk 9 nach unten weggedreht, so
daß der Ventilkegel 6 die Öffnung der Düse 5 freigibt. Das hinter dem Ventil aufgestaute
Druckgas kann nunmehr über die Öffnung 4a in das Innere des Gehäuses 1 und von dort
zur Einatemleitung 13 strömen. Steigt der Druck durch nachlassende Einatemtätigkeit
im Gehäuse 1 an, so überwiegt die Kraft der Biegefeder 12 die entgegenwirkenden
Druckkräfte. Die Membrane 2 wird nach außen gedrückt, der Schwenkhebel 8 entsprechend
verschwenkt und der Ventilkegel 6 auf die Düse 5 zu bewegt, bis sich wiederum Druckgleichgewicht
einstellt.
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In Fig. 2 sind die an der Kraftübertragung beteiligten Elemente mit
den an ihnen angreifenden Kräften schematisch- dargestellt. Gleiche Teile sind dabei
mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 versehen. Fig. 2 zeigt die Kräfteverhältnisse,
die vorliegen, wenn der Ventilkegel nahezu seine Schließstellung erreicht hat.
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Um ein sicheres Abdichte n zwischen Ventilkegel und Düse zu erzielen,
sei eine Ventilanpreßkraft K1 erforderlich. Zur Erzeugung dieser Anpreßkraft K1
am Drehgelenk 9 ist die in Umfangsrichtung wirkende Kraft K2
notwendig.
K2 greift an dem am Bolzen 10 drehbar gelagerten Schwenkhebel 8 an und ist bei Berücksichtigung
der unterschiedlich langen Hebelarme gleichzusetzen mit der am Berührpunkt zwischen
-Schwenkhebel 8 und Faltenbalg 2 angreifenden Kraft K. Zur Erzeugung einer Ventilanpreßkraft
der Größe K1 genügt also eine Feder, die die relativ geringe Kraft K3 entwickelt.
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Das Öffnen des Ventilkegels 6 erfolgt durch die an der Membrane 2
angreifende Druckdifferenz zwischen Innendruck und Umgebungsdruck. Diese Druckdifferenz
muß so hoch sein, daß sie multipliziert mit der Fläche des Faltenbalges die Kraft
K4 zumindest kompensiert.
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Denkt man sich den Ventilkegel 6 etwas weiter in Richtung Schließstellung
verschoben, so nimmt der Winkel zu, was bedeutet, daß die konstant gedachte Federkraft
K3 eine noch größere Kraft K1 erzeugt, als es bei der gezeichneten Stellung der
Fall ist. Da K1 = K2/COS oL folgt für den Grenzfall
Die erfindungsgemäße Anordnung gestattet also, mit einer konstanten Kraft an dem
Schwenkhebel 8 eine mit zunehmender Schließbewegung des Ventilkegels 6 stark anwachsende
Anpreßkraft K1 zu erzeugen. Sie kommt daher trotz kleiner Membranflächen mit sehr
geringen Atemwiderständen aus.
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Dieselbe Kraftübersetzung ergibt sich im Prinzip auch dann, wenn die
Schubstange 7 nicht fest am Schwenkhebel 8 angelenkt ist, sondern sich stattdessen
auf einer Führungsbahn des Schwenkhebels abstützt und nur in Hubrichtung verschiebbar
ist. Da man den spiralförmigen Verlauf der Führungsbahn innerhalb gewisser Grenzen
frei wählen kann, bietet diese Anordnung den Vorteil, daß man das Übersetzungsverhältnis
der Kräfte K1 zu K3 stärker beeinflussen kann als bei der in Fig. 1 gezeigten Konstruktion.
Allerdings muß dafür ein gewisser fertigungstechnischer Mehraufwand in Kauf genommen
werden.