DE2446304C3 - Membranpumpe für gasförmige Stoffe, insbesondere für Atemgeräte - Google Patents

Description

5. Membranpumpe nach einem der Ansprüche ί bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abdichtung des zweiten Hohlraums ein oberer, das Gewicht (60) mit dem Führungsschaft (52) verbindender Balg (80) und zur Abdichtung des ersten Hohlraums ein unterer, ebenfalls den Führungsschaft (52) mit dem Gewicht verbindender unterer Balg (68) vorgesehen sind. ^M

6. Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5. dadurch gekennzeichnet, daß der obere, zweite Hohlraum (88) einen Durchlaß (48) aufweist, über den er mit einem den Druck in ihm steuernden System verbunden ist. "

7 Verwendung der Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6. zur Zuführung von Atemgas zu den Lungen eines Patienten

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe für gasförmige Stoffe, insbesondere für Atemgeräte, mit einem ersten, den Stoff ansaugenden und ausgebenden Hohlraum und einem zweiten, gegenüber dem ersten durch eine bewegliche Membran abgetrennten Hohlraum, in welchem eine Druckschwankung erzeugbar ist. Eine solche Pumpe, allerdings zur Beförderung von sirupähnlichen Stoffen oder Säften, ist bekannt aus der US-PS 32 94 030. Um den auszugebenden oder zu transportierenden Stoff anzusaugen, wird die Membran von einer Feder nach oben gedruckt, und durch ein dann geöffnetes Einlaßventil gelangt der auszugebende Stoff in den Hohlrauni. Der Ausgabehub erfolgt durch Einführen eines Überdrucks in den zweiten, gegenüber dem ersten durch die Membran abgetrennten Hohlraum, wodurch sich die Membran gegen den Druck der Feder nach unten bewegt und der Stoff durch eine nunmehr geöffnete Auslaßöffnung ausgepreßt wird. Nachteilig ist, daß durch die Verwendung einer Feder für den Bewegungsablauf der Membran keine gleichmäßig über die von der Membran zurückgelegte Weglänge einwirkende Kraft erzielt werden kann, außerdem sind keine Mittel vorgesehen zur eindeutigen Begrenzung des beim Ausgabenhub erforderlichen Überdrucks auf der anderen Membranseite, so daß sich bei bestimmten Anwendungsfällen erhebliche Gefahren ergeben können.

Eine weitere, durch eine Membran in zwei getrennte Hohlräume abgeteilte Pumpe ist bekannt aus der US-PS 32 42 952. Diese bekannte Pumpe dient zur Beförderung einer abgemessenen Stoffmenge durch ein Wärmetauscheraggregat bei einem Kraftfahrzeug. Im oberen Hohlraum ist eine Feder montiert, die unter dem Einfluß eines auf den gleichen Hohlraum einwirkenden Vakuums zusammengedrückt wird und die Membranbewegung nach oben freigibt. Wird die Vakuumeinwirkung unterbrochen, dann drückt die Feder die Membran nach unten und preßt das zunächst angesaugte Medium wieder aus dem unteren Hohlraum aus. Zur Einleitung des Vakuums in den oberen Hohlraum ist eine komplizierte Ventilanordnung vorgesehen, die so eingestellt ist, daß der volle Hub der Membran erforderlich ist, um eine Verschiebung des Ventils zu bewirken und die Membranbewegung umzukehren. Von wesentlichem Nachteil ist bei diesem bekannten System, daß der Ausgabedruck einei starken Veränderung unterworfen isl, denn die Feder ändert in bekannter Weise ihre Krafteinwirkung auf die Membran in Abhängigkeit vom zurückgelegten Weg. außerdem können sich nach längerem Gebrauch erhebliche Änderungen in den Kennwerten des Systems ergeben, da Ermüdungserscheinungen, insbesondere bei der Feder nicht ausgeschlossen sind.

Schließlich ist aus der US PS 9 83 729 eine Luftpumpe bekannt, die so aufgebaut ist. daß eine Membran ein Gehäuse in zwei Hohlräume unterteilt, wobei der obere Hohlraum die Luft ansaugt und ausgibt. Die beim Ansaughub erforderliche Abwärtsbewegung der Membran erfolgt durch eine Gewichtseinwirkung; der Ausgabehubdruck auf die Membran wird durch das Einführen einer in den unteren 1 lohlraum eingepumpten Flüssigkeit bewirkt, die Gewicht und Membran anhebt und nach oben drückt. Das bedeutet, daß gerade in der kritischen Phase der Stoffausgabc die Fremdeinwirkung eines weiteren, unter einem Druck stehenden und in den Hohlraum, in welchem die Druckschwankung er/eugbar ι ist. einpumpbaren Mediums in Kauf genommen werden muß, nut allen Nachteilen, die sich hierdurch ergeben, denn der Maximaldruck der ausströmenden Luft sowie ihre Geschwindigkeit hängt von dem Strömlingsdruck der in den unteren I lohlraum einzupumpenden Flüssig-. keil ab und dieser ist selbst wieder Druckschwankungen u"'l Veränderungen im System unterworfen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Pumpe für gasförmige Stoffe, insbesondere für Alemgc-

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rate zu schaffen, die in der Luge ist, mit hoher Genauigkeit ein begrenztes Gasvolumen mit vorgegebener Strömungsgeschwindigkeit und nicht überschreitbarem Maximaldruck freizugeben, wobei der Ausgabedruck Ober den gesamten Kolbenweg gleichbleibt und sichergestellt ist, daß auch bei einem Versagen des gesamten Systems und von Teilen davon keine, beispielsweise einen Patienten gefährdende Situation entsteht

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von der eingangs genannten Pumpe und besteht erfinriungsgemäß darin, daß zur Erzeugung eines über den gesamten Kolbenweg gleichbleibenden Ausgabedrucks die Membran mit einem entsprechenden Gewicht verbunden ist und im ersten Hohlraum zum Anheben des Gewichts und der Membran ein Unterdruck verwendet ist.

Die erfindungsgemäße Pumpe eignet sich für eine Vielzahl von Anwendungszwecken, beispielweise als Luftpumpe für genau dosierte Abgabemengen, als Voiurnendosiereinrichtung für die Abfüllung von Gasen, allgemein überall dort, wo es im industriel'^n Bereich darauf ankommt, Gase mit präziser Wiederholungsrate nach Menge und Druck abzufüllen oder zu befördern und selbstverständlich insbesondere als Pumpe bei Atemgeräten, in welchem Zusammenhang die erfindungsgemäße Pumpe im folgenden auch im einzelnen erläutert wird.

Bei solchen Atemgeräten ist ein wesentliches Grundelement die Einheit, die die Atemgase von einer Vorratsquelle dem Patienten unter Druck zuführt; hierzu kann beispielsweise eine mechanisch angetriebene Zylinder-Kolbeneinheit verwendet werden, die jedoch wegen der kontinuierlichen Drehbewegung des variablen Übersetzungsverhältnisses nicht gleichzeitig r> druckbegrenzend sein kann, denn der Kolben wird mechanisch zwangsweise bewegt. Das Auftreten gefährlicher Zustände bei zu hohen Drücken — wenn sich beispielsweise der Atemwiderstand des Patienten verändert — werden durch Druckentlastungsventile aufgefangen, die jedoch eine Alterung bzw. einem Versagen unterworfen sein können.

Verwendet man anstelle solcher mechanischen Ausgabeeinheiten einen Zylinder mit einem inneren Balg oder einer Membran, dann läßt sich zwar die Bewegung des Balges, der von einer einen Überdruck erzeugenden Pumpe pneumatisch angetrieben wird, durch die Abtastung der jeweiligen Balgposition, beispielsweise mittels eines Potentiometers kontrollieren, es ist jedoch schw.erig, bei solchen Balgsystemen to ein genaues Gasvolumen auszugeben, und zwar wegen der erheolichen Nachgiebigkeit und Schlaffheit des Balges. Dies trifft beispielsweise in erhöhtem Maße auch auf die aus der US-PS 9 83 729 bekannten Luftpumpe zu.

Die Erfindung beseitigt alle diese Probleme und kann mit äußerst genauer Wiederholungsrate einem Patienten das erforderliche Atemgas zuführen, wobei darüber hinaus eine äußerst präzise Kontrolle des Volumens und des Drucks möglich ist. hi>

Besonders vorteilhaft ist bei der Erfindung, daß sie selbst druckbeschränkend ist, denn das Gewicht ist so ausgewählt, daß selbst unter freien Fällbedingungen nur ein bekannter Maximaldruck erzeugt werden kann. Durch die Verwendung eines solchen gleitfähig t>\ ausgebildeten Gewichts als Antriebsquelle für die Stoffausgabe ergibt s\dt daher eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem bekannten System, denn es werden keine komplizierten und störanfälligen Regelsysteme benötigt, um den Patienten zu schützen. Der maximal erzeugbare Druck ist stets nur so groß, wie die auf das Gewicht einwirkende Schwerkraft dies ermöglicht. Es sind daher auch keine sonst notwendigen Entlastungsventile und sonstige Sicherheitssysteme erforderlich, so daß nicht nur die Kosten und die Kompliziertheit verringert wird, sondern auch dem Patienten ein größerer Sicherheitsrahmen zur Verfügung gestellt werden kann, da weniger Komponenten, die ihrerseits wieder störanfällig sind und ausfallen können, benötigt werden.

Der Gasfluß zum Patienten wird, da das Gewicht, welches sich während des Ausgabehubs längs eines zentralen Führungsschaftes im Zylinder bewegt, konstant bleibt, keinen Veränderungen unterworfen, so daß es gelingt außerordentlich gute Flußausgabeeigenschaften zu erzielen. Der Fluß des Gases ist eine inverse Funktion des Atemgasdrucks, v/elcher von dem Gewicht erzeugt wird; der Fluß n'omt allmählich ab, wenn der Druck sich aufbaut tmd endet beim Maximaldruck völlig, so daß das kisiko für den Patienten minimal ist. Über die gesamte Länge des Ausgabehubs ist maximaler, jedoch konstanter Druck verfügbar, denn die maximale Antriebskraft des Gewichts ist ebenfalls stets verfügbar.

Besonders vorteilhaft ist bei vorliegender Erfindung schließlich noch, daß die Bestimmung des gewünschten, einem Patienten zuzuführenden Atemgasvolumens einfach, äußerst genau und wiederholbar ist. Soll beispielsweise ein geringeres Atemgasvolumen ausgegeben werden, als es der Maximalkapazität des Systems entspricht, dann wird beim Ansaughub das Gewicht nur um eine solche Weglänge angehoben, wie es dem verringerten, benötigten Atemgasvolumen beim nächsten Atemzug entspricht. Der abwärts verlaufende Ausgabehub endet dann stets angrenzend an der unteren Zylinderbodenwand, so daß nur ein schon vorbestimmtes Volumen ausgegeben werden kann, und zwar selbst dann, wenn sämtliche Regel- und Kontrollehrichtungen versagen sollten. Dies steht in erheblichem Gegensatz zu früheren Systemen, bei denen die Freigabe des Gases ausgehend von einem Punkt maximalen, volumensmäßigen Inhalts des Ausgabezylinders erfolgt; d. h. daß bei bekannten Systemen die Ausgabe stets ausgehend vom maximalen Luftvolumen der Ausgabeanordnung vorgenommen wird, wobei dann die zugeordneten Regelsysteme in der Weise arbeiten, daß der Ausgabehub beendet wird, wenn Meßsystem angeben, daß das gewünschte Atemgasvolumen, die erforderliche Flußrate oder der jeweilige Druck erreicht ist. In solchen Systemen kann ein Versagen der Regelschaltung außerordentlich nachteilig sein, denn bei einer Störung oder einem Ausfallen von Regeleinheiten kann das maximale *\temga»volu men dem Patienten zugeführt werden. Vorteilhaft ist schließlich noch, daß tote Räume innerhalb des Ausgabehohlraums nicht vorhanden sind, denn das Gewicht erreich' bei jedem Ausgabehub den Boden des Ausgabezylinders und entleert sich daher bei jedem Zyklus vollständig.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindu'ig sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung nach Aufbau und Wirkungsweise anhand der Zeichnung im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigt

F i g. 1 in einer Qucrschnittsdarstellung einen Gasaus-

gabezyiinder für ein Atemgerät, wobei sich das die Gasfreigabe bewirkende Gewicht in der oberen Position befindet,

Fig.2 zeigt die gleiche Darstellung der Fig. I, das Gewicht befindet sich jedoch in seiner abgesenkten Position,

Fig.3 zeigt eine Aufsicht auf die Darstellung der Fig. I und

Fig.4 zeigt in schematischer Darstellung die Verbindung des Zylinders nach Fig. I eingebaut in ein pneumatisches Gesamtsystem.

In den Zeichnungen ist ein allgemein mit dem Bezugszeichen 10 versehenes Gehäuse zur Bildung eines Gasausgabezylinders dargestellt, das insbesondere in geeigneter Weise in einem Atemsystem verwendet Werden kann, um genaue Gasvolumen mit begrenzten Flußraten und Drücken und um hauptsächlich bei begrenzten Überdrucken ein vorgewähltes begrenztes Gasvolumen be· piner vorgewählten und begrenzten Flußgeschwindigkeit freizugeben. Das zylinderförmige Gehäuse besieht aus einem oberen zylindrischen Gehäuseteil 12, an welchen sich an dessen unterem Ende ein unterer zylindrischer Gehäuseteil 14 anschließt und somit den oberen Gehäuseteil abschließt; das obere Ende des oberen zylindrischen Gehäuseteils 12 ist von einer Abdeckung 16 verschlossen. Der Gehäuseteil 12 weist einen peripheren, sich nach außen erstreckenden Flansch 18 auf, der auf einen entsprechenden peripheren Flansch 20 an der oberen Kante des unteren zylindrischen Gehäuseteils 14 ausgerichtet ist und mit diesem übereinstimmt. Die beiden Flansche sind mit Hilfe von Schraubbolzen, Klemmen oder sonstigen geeigneten, eine luftdichte Verbindung herstellenden Befestigungsmitteln 22 miteinander verbunden. Zwischen die beiden Flansche ist die periphere Randkante eines ringförmigen, eine Abrollung ermöglichenden Membran 26 üblichen Aufbaus eingeklemmt; eine solche Membran 26 kann beispielsweise dem US-PS 28 49 026 entnommen werden. Das flexible Material der Membran dient als Dichtung zwischen den Flanschen. Darüber hinaus können in die Flanschverbindung zur Sicherstellung einer luftdichten Verbindung getrennt oder einstückig mit der Membran O-Ringe 28 angeordnet sein.

Der untere Gehäuseteil 14 ist in seiner Form allgemein zylindrisch ausgebildet und umfaßt an seiner Bodenkante einen Einlaß 30 und einen Auslaß 32. denen Ventile, beispielsweise Rückschlagventile 34 und 36 zugeordnet sind, um die Richtung des Mediumsdurchflusses vorzugeben und zu begrenzen. Der Einlaß 30 und j" das Rückschlagventil 34 wirken in der Weise zusammen, daß sie den Durchfluß von Gasen in den Gehäuseteil 14 ermöglichen, während der Auslaß 32 mit seinem Rückschlagventil 36 in der Weise wirkt, daß ein Luftstrom von innerhalb des Gehäuseieils 14 zu einer "i nicht dargestellten Leitung oder etwas ähnlichem ermöglicht wird, die zu einem Patienten Führt, dem Atemgas zugeführt werden soll.

Der Boden des unteren zylindrischen Gehäuseteils 14 ist von einem Bodenteil 38 abgeschlossen, de¹" bevorzugt ro als Teil des Gehäuseteils 14 ausgebildet ist, jedoch falls erwünscht auch eine getrennte Abschlußplatte umfassen kann. Zentral in der Bodenplatte ist eine Ausnehmung oder ein konkaver Raum 40 angeordnet, auf dessen Zweck weiter unten noch genauer eingegan- «λ gen wird, innerhalb der Ausnehrnung und in axialer Anordnung mit Bezug auf das Gehäuse 10 ist eine Öffnung 42 vorgesehen, die einen Zugang zum Gehäuseinneren ermöglicht.

Der obere zylindrische Gehäuseteil 12 ist an seiner Oberkante mit einer Kappe oder Abdeckung 16 Versehen, die das obere Ende abschließt. Dabei ist zwischen einem Flansch 44 des Gehäuseteils 12 und der peripheren Randkante der Abdeckung 16 ein O-Ring 46 vorgesehen, um eine luftdichte Abdichtung zu erzielen. Die Abdeckung 16 umfaßt einen Durchlaß 48, der es ermöglicht, daß aus dem oberen Gehäuseteil 12 des Gehäuses Luft abgezogen oder in diesen Luft eingeführt wird, um die Arbeitsweise der Gasabgabe zu steuern. Eine zweite Öffnung 50 ist zentral in der Abdeckung 16 angeordnet, um einen Zugang zum Gehäuseinneren zu schaffen.

Im Inneren des Gehäuses 10 befestigt erstreckt sich axial zwischen den beiden soeben genannten öffnungen 42 und 50 ein Führungsschaft 52, in Form einer Lagerröhre. Das untere Ende des zylindrischen Führungsschafts 52 ist so ausgebildet, daß es um einen sich nach oben erstreckenden Flansch 54. der die Öffnung 42 in der Bodenplatte 38 umgibt, herum paßt und diesen Flansch erfaßt. Dabei ist zwischen dem Führungsschaft 52 und der Bodenplatte 38 ebenfalls ein weiterer O-Ring 55 angeordnet zur Bildung eines lüftdichten Abschlusses. In ähnlicher Weise erfaßt das obere Ende des Führungsschaftes 52 einen Flansch 56, der die Öffnung 50 in der Abdeckung oder oberen Platte 16 umgibt 'ind bildet. Ein dazwischengelegter O-Ring 58 stellt einen luftdichten Abschluß zwischen dem Führungsschaft und dem Flansch 56 her.

Innerhalb des vom oberen und unteren Gehäuseteil 12 und 14 gebildeten zylindrischen Gehäuses 10 ist ein Gewicht 60 angeordnet, welches in seiner Form allgemein ringförmig ausgebildet ist und so gestaltet ist, daß er sich innerhalb des Gehäuses nach oben und unten verschieben kann. Das Gewicht kann zur Bildung der gewünschten Masse aus Blei hergestellt sein und weist obere und untere Lager 62 und 64 auf. Diese Lager sind so an dem oberen und unteren Ende der inneren Oberfläche 66 des ringförmigen Gewichtes angeordnet, daß die äußere Oberfläche des Führungsschaftes 52 gleitend erfaßt werden kann. Die Lager sind bevorzugt aus gefülltem Teflon, nämlich einem Polytetrafluoräthylenmaterial hergestellt, um eine Lange Lebensdauer mit einer leichtgleitenden Bewegung beim zyklischen Auf- und Abfahren des Gewichtes zu verbinden.

Mit dem Boden des Gewichts 60 und bevorzugt an oder dort angrenzend an die innere Oberfläche 66 des Gewichtes ist die obere periphere Randkante eines allgemein röhrenförmig ausgebildeten dehnbaren und zusammenfaltbaren Balges 68 befestigt. Der Balg, Ker als Faltenbalg ausgebildet ist, umgibt den unteren Teil des Führungsschaftes 52 und erstreckt sich nach unten, wobei er an der Bodenplatte 38 des unteren "Gehäuseteils 14 ähnlich wie der dort angeordnete O-Ring 55 befestigt ist. Dabei ist die periphere untere Bodenkante des Balges hermetisch mit der Bodenplatte 38 oder mit dem Boden des Führungsschaftes 52 abgedichtet und der Balg ist so ausgebildet, daß er, wie in Fig. 1,sich bei Aufwärtsbewegung des Gewichtes 60 längs des Führungsschaftes 52 dehnt und in die Ausnehmung 40 kollabiert, wenn sich das Antriebsgewicht nach unten bewegt, wie dies in F i g. 2 dargestellt ist. Die obere periphere Kante des Balges 68 kann dabei mit Hilfe geeigneter Mittel am Boden des Gewichts 60 befestigt und hermetisch abgedichtet sein. So kann sich beispielsweise über die obere Kante des Balges 68 eine ringförmige Halteplatte 70 erstrecken und mittels

geeigneter, in der Zeichnung nicht dargestellter Mittel am Boden des Gewichtes zur Bildung einer luftdichten Abdichtung befestigt sein, wodurch auch der untere Teil des Führungsschaftes vom Gehäuseinneren isoliert ist. Bevorzugt ist der Balg mit Verstärkungen ausgeführt, beispielsweise mit Hilfe von steifen, aus einem polymeren Material bestehenden und nicht dargestellten Rillen, Um den sich auf ihn auswirkenden nach innen und außen gerichteten Druckunterschieden ohne übermäßige seitliche Formänderung oder Verwindung |₀ widerstehen zu können.

Des weiteren ist an der Bodenfläche des Gewichtes 60 oder an einem sonstigen geeigneten Teil dieses Gewichtes der innere periphere Rand 72 der weiter vorn schon erwähnten ringförmigen Membran 26 (5 befestigt. Die Randkante 72 der Membran kann an dem Gewicht mittels eines geeigneten Klebemittels, mit Hilfe eines Halteringes oder mittels sonstiger Anordnungen befestigt sein, die zur Herstellung einer luftdichten Abdichtung zwischen der Randkante 72 und dem Gewicht geeignet sind. Die ringförmige Membran erstreckt sich daher von der von den Gehäuseteilen 12 und 14 gbildeten zylindrischen Wand zum beweglichen Gewicht 60; der Boden des Gewichts 60 erstreckt sich von der inneren peripheren Randkante der Membran 26 zum oberen Ende des Balges 68; der Balg 68 erstreckt sich wiederum vom Boden des Gewichts 60 zur Bodenplatte 38 des unteren Gehäuseteils 14. Diese Elemente sind sämtlich luftdicht ausgebildet und formen zusammen mit dem Gehäuseteil 14 einen ersten unteren Hohlraum 74 innerhalb des Gehäuses 10. Der Hohlraum ist schließlich noch über den Einlaß 30 mit einem Vorrat an Atemgas verbunden, der auch die umgebende Atmosphäre sein kann, und ist so ausgebildet, daß der Atemgasvorrat über den Auslaß 32 mit einem Patienten verbunden werden kann.

Wie genauer der F i g. 2 entnommen werden kann, verfügt die obere Fläche 76 des Gewichts 60 über eine zentral angeordnete Ausnehmung 78, die so ausgebildet ist, daß sie die untere Randkante eines weiteren oberen Balges 80 aufnehmen kann, der seinerseits eine allgemein röhrenförmige Form aufweist, den oberen Teil des Führungsschaftes 52 umgibt und dehnbar und kollabierfähig ausgebildet ist. Bevorzugt ist auch dieser obere Balg 80, wie mit Bezug auf den unteren schon erläutert, verstärkt ausgebildet. Die untere periphere Randkante 82 des oberen Balges 80 kann mittels geeigneter Anordnungen, beispielsweise eines Halteringes 84 am Boden der Ausnehmung 78 des Gewichtes 60 befestigt sein und bildet dann eine luftdichte Abdichtung zwischen dem Balg und dem Gewicht 60.

Die obere periphere Kante 86 des Balges 80 ist mit der Abdeckung 16 oder dem oberen Ende des -Führungsschaftes 52 ebenfalls mit Hilfe geeigneter Anordnungen zur Bildung einer luftdichten Abdichtung mit dem Gehäuse verbunden, derart, daß die abrollbare Membran 26, das Antriebsgewicht 60 und der Balg 80 in der Weise mit dem zylindrischen oberen Gehäuseteil 12 und der Abdeckung 16 zusammenwirken, daß sich ein zweiter oberer Hohlraum 88 ergibt, der gegenüber dem Führungsschaft isoliert ist und lediglich über der schon erwähnten Durchlaß 48 mit nach außen oder mit einem Drucksteuersystem verbunden ist

Wie der Fig.2 entnommen werden kann, ist der obere Balg 80 dann, wenn sich das Antriebsgewicht 60 in seiner unteren Position befindet, so ausgefahren, daß er im wesentlichen den Führungsschaft 52 bedeckt, während der untere Balg 68 in die Ausnehmung 40 am Boden des unteren Zylinderteils kollabiert ist. Steigt das Gewicht an, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, dann kollabiert der obere Balg 80 in die Ausnehmung 78, während sich der untere Balg 68 ausdehnt und den unteren Teil des Führungsschaftes 52 bedeckt. Die Bälge 68 und 80 sind aus einem Polyurethanmaterial hergestellt und bevorzugt, wie weiter oben erwähnt, verstärkt, welches flexibel und elastisch genug ist, um eine leichte freie Bewegung des Gewichtes zu ermöglichen, jedoch noch ein so ausreichendes Formgedächtnis aufweist, daß die Bälge jederzeit dann, wenn sie expandiert waren, wie dies für den Balg 68 in Fig. 1 zutrifft, wieder in ihre bestimmte geeignete Form zurückkehren, so daß das Volumen mindestens der Unteren Ausgabekammer 74 für eine vorgegebene Position des Gewichtes im wesentlichen konstant ist. Da es beim Betrieb dieses Gesamtsystems erforderlich ist, ein bekanntes Gasvolumen in dem ersten Hohlraum 74 zu haben, so daLS auch eine bekannte Gasmenge einem Patienten zugeführt werden kann, ist das Formgedächtnis oder das sogenannte »Erinnerungsvermögen« des für den Balg 68 verwendeten verstärkten Materials besonders wesentlich. Das in den Hohlraum 74 durch den Einlaß 30 während der Aufwärtsbewegung des Gewichtes 60 eingesaugte Gas und das in dem Hohlraum unmittelbar vor dem Ausgabehub vorhandene Gas befindet sich normalerweise auf oder im Bereich des Atmosphärendrucks, und da das Innere des Balges ebenfalls Atmosphärendruck aufweist, ist sichergestellt, daß beim tatsächlichen Arbeitsablauf keine Schwierigkeiten auftreten, die gewünschten volumetrischen Meßwerte sicherzustellen.

In Übereinstimmung mit erfinderischen Maßnahmen ist das Gehäuse 10 so ausgebildet und wird so betrieben, daß jeder Ausgabehub des Gewichtes und jede Rollbewegung des Membrans damit endet, daß sich das Gewicht angrenzend am Gehäuseboden befindet, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Der Balg 68 ist dann effektiv kollabiert und zusammengedrückt, wenn das Gewicht 60 das Ende dieses nach unten verlaufenden Hubes erreicht ist, daher beeinträchtigt irgendeine Biegung oder Ausbauchung des Balges, die durch den bei Abwärtsbewegung des Gewichtes 60 hervorgerufenen Druckanstiegs in dem Hohlraum 74 bewirkt sein könnte, das Volumen der ausgegebenen Luft nicht wesentlich, denn der Aufbau des Hohlraums 74 ist so getroffen, daß der Hohlraum am Ende jedes Hubes im wesentlichen das gleiche Volumen aufweist; dieses Volumen hängt präzise von der Endträgheit des sich absenkenden Gewichtes ab, ist jedoch in sämtlichen Fällen minimal. Des weiteren läßt sich feststellen, daß die elastische Membran 26 längs der inneren Wand des oberen ₊Gehäuseteils 12 und längs der äußeren Oberfläche des !!Gewichtes 60 während der Vertikalbewegüng dieses Gewichtes abrollt und daher stets von festen Wandteilen getragen und durch diese gelagert ist mit Ausnahme des Membranteils, welcher den Abstand zwischen dem Gewicht 60 und dem Zylindergehäuse überbrückt. Allerdings ist dieser Oberbrückungsbereich, wie in den F i g. 1 und 2 mit 90 bezeichnet, relativ klein und verfügt über eine gekrümmte Oberfläche, so daß sich hier ein vernachlässigbares Maß an Ausbiegung, hervorgerufen durch den Luftdruck im Hohlraum 74 ergibt Daher stellt die Formgedächtniswirkung des Balges 68, die am Beginn des Abwärtshubes ein konstantes Volumen erzeugt, zusammen mit der geringen Nachgiebigkeit der Membran 26 und aufgrund des Umstandes, daß der Balg 68 selbst am Ende des Abwärtshubes vollständig

kollabiert ist, sicher, daß mit minimaler Abweichung während jedes Zyklus eine bekannte Atemgasmenge von dem Gehäuse 10 freigegeben wird. Darüber hinaus ist für einen gegebenen Anfangspunkt bei der Bewegung des Gewichtes 60 diese Menge im wesentlichen konstant füf jeden Arbeitszyklus. Die vorliegende Anordnung ist daher von extrem geringer Nachgiebigkeit oder geringem Änderungsvermögen und arbeitet daher mit einem außerordentlich hohen Maß an Genauigkeit bei der Freigabe vorgewählter Atemgasmengen.

Um eine genaue Überwachung der Position oder des Ortes des Gewichtes 60 sicherzustellen und damit auch einwandfreie Ablesungen hinsichtlich des Kammervolumens des Hohlraums 74 zu ermöglichen, ist am Gewicht, auch zur Bewirkung einer Bewegung desselben eine Miilaufkette 92 befestigt. Wie in den Zeichnungen dargestellt, kann diese Mitlaufkette am Gewicht 60 fiiuiels einer Kupplung uuei ciiici Veibinuuiigsvuiiiuntung 94 befestigt sein, dessen obere und untere Enden an den entsprechenden Enden der Mitlaufkette 92 befestigt sind. Die Kupplung ist am Gewicht 60 mit Hilfe eines Zapfens % gelagert, der durch einen sich in Längsrichtung estreckenden Schlitz 98 läuft, der im Führungsschaft 52 eingeformt ist. Die entgegengesetzten Enden des Zapfens 96 sind dann an diametral gegenüberliegenden Punkten innerhalb der Ausnehmung 78 des Gewichts 60 befestigt, wobei der Zapfen, um mit dem Gewicht 60 die Bewegung durchführen zu können, von einem Haltering 100 festgehalten ist. Der Haltering 100 ist in seiner Form ringförmig ausgebildet und hält mit seinem inneren Umfang zum Führungsschaft 52 einen Abstand ein, während sein äußerer Umfang an der Wandung der Ausnehmung 78 anliegt, um so den Zapfen 96 zur Durchführung einer Bewegung mit dem Gewicht 60 festzuhalten. Falls es erwünscht ist, kann der Haltering oder die Sicherungsscheibe 100 ihrerseits wieder von einem Haltering 94 gesichert sein, es ist aber auch möglich, den Haltering 100 unabhängig davon in der Ausnehmung zu befestigen. Es sei darauf hingewiesen, daß der soeben erwähnte Schlitz 98, der sich diametral über den Fühlungsschaft 52 erstreckt, über nahezu die gesamte Länge des Führungsschaftes in diesen eingearbeitet ist, so daß sich der Zapfen 96 mit dem Gewicht 60 bei dessen Auf- und Abwärtsgleiten längs des Führungsschaftes frei bewegen kann. Dieser Schlitz bildet daher die Verbindung zwischen dem GehäuseäuBeren und dem Inneren der Bälge 68 und 80 über den hohlen Führungsschaft 52 und die Gehäuseöffnungen 42 und 50, so daß sichergestellt wird, daß innerhalb des Gehäuses, wie soeben ausgeführt, atmosphärischer Druck herrscht.

Der Teil der Mitlaufkette, der am oberen Ende der Kupplung 94 befestigt ist, erstreckt sich nach oben durch den hohlen Mittelbereich des Führungsschaftes 52 und verläßt den Zylinder 10 durch die obere öffnung 50. Die Kette läuft dann über ein Kettenrad oder eine Riemenscheibe 102, die auf einer Welle 104, wie Fig.3 zeigt, gelagert ist und dabei als Antrieb für einen Potentiometer dient Die Welle 104 ist mit ihren Enden von Lagerrahmen 106 und 108 gehalten, die an der Oberfläche der Abdeckung 16 befestigt sind.

Die Antriebswelle 104 für das Potentiometer 110 treibt dieses so an, daß das Potentiometer einen Widerstandswert zur Verfugung stellt der sich in Obereinstimmung mit der vertikalen Position des Gewichtes 60 ändert Der Ausgang des Potentiometers kann daher zum Antrieb einer geeigneten Anzeigevorrichtung, von Regelsdhaltungen oder dergleichen verwendet werden.

Die Welle 104 treibt des weiteren noch eine Anzeigerolle oder Anzeigescheibe 112, die über eine Kabelverbindung 114 mit einem auf diese Weise mechanisch betätigten Volumenanzeigegerät verbunden ist, welches in den Zeichnungen nicht dargestellt ist und welches sich in Übereinstimmung mit der Bewegung des Gewichtes 60 bewegt und auf diese Weise eine kontinuierliche optische Anzeige für die Bewegung und die Position des Gewichtes bildet.

Die Mitlaufkette erstreckt sich, nachdem sie über das Kettenrad 102 gelaufen ist, radial quer über die Abdeckung 16 zu einem freilautenden Kettenrad 166, welches zur Durchführung einer Drehbewegung auf einer Welle 118 gelagert ist, die ihrerseits von zwei Rahmenteilen 120 und 122 gehalten sind. Anschließen-! läuft die Kette nach unten entlang der äußeren Seite des Gehäuses iö und zu einem zweiten leerlaufenden Kettenrad 124, welches auf einer Welle 126 montiert ist, die in Rahmenteilen 128 gelagert sind, die an der Bodenplatte 38 des Gehäuses 10 befestigt sind. Die Kette läuft dann um ein drittes freilaufendes Kettenrad 130, gelagert auf einer ebenfalls in dem schon erwähnten Rahmenteil 128 montierten Welle 132, und erstreckt sich durch die in die Bodenplatte 38 eingeformte untere öffnung 42 und läuft dann durch den hohlen Führungsschaft 52 nach oben, wobei ihr unteres Ende wiederum an der Kupplung 94 befestigt ist. Falls erwünscht, können Spannmittel, beispielsweise eine Feder 134 vorgesehen sein, um sicherzustellen, daß die Kette stets gespannt bleibt, so daß toter Gang zwischen dem Gewicht und dem Potentiometer vermieden und einwandfreie Ablesungen über die jeweilige Standhöhe sichergestellt sind.

Die Arbeitsweise des Atemgas liefernden Gehäuses 10 kann der schematischen Darstellung dieses Zylinders und eines Teils eines zugeordneten Regelsystems entsprechend Fig.4 entnommen werden. Die Darstellung zeigt, daß der Durchlaß 48 des Gehäuses 10 über eine Leitung 136 und über ein soleonid₀esteuertes Ventil 138 mit einer Vakuumpumpe 140 verbunden ist, die dann, wenn das Ventil 138 offen ist, aus dem oberen Hohlraum 88 des Zylinders 10 Luft absaugt. Der Durchlaß ist weiterhin über die schon erwähnte Leitung 136 mit einem veränderlichen, flußbegrenzenden Ventil 142 (Drosseldurchlaß) und einem zweiten solenoidgesteuerten Ventil 144 mit der Atmosphäre verbunden. Wenn das soleonidgesteuerte Ventil 138 geschlossen und das Ventil 144 geöffnet ist, strömt atmosphärische Luft durch den variablen, den Durchfluß steuernden Drosseldurchlaß 142 in die Leitung 136 und von da durch den Durchlaß 48 in den Hohlraum 88. Das in

^: F i g. 4 dargestellte System bildet die stark gekürzte und schematisierte Version einer Regelvorrichtung, die bevorzugt zum Betrieb des so gebildeten Atemsystems verwendet werden kann.

Ist das Ventil 144 geschlossen und das Ventil 138 offen, dann erzeugt die Pumpe 140 in dem Hohlraum 88 ein Vakuum, welches sich so auswirkt daß das Gewicht 60 längs des Führungsschaftes 52 nach oben gezogen wird. Bei einem Anheben des Gewichtes kollabiert der Balg 80 allmählich und der Balg 68 expandiert allmählich, wobei sich gleichzeitig die Membran 25 längs der inneren Wand des Gehäuseteils 12 abrollt gleichzeitig expandiert der Hohlraum 74. Dabei fließt das einer Atemgasquelle wie der Atmosphäre, einen Sauerstoffvorrat einen Vorrat an anästhetischem Gas

öder einer Kombination solch-Sr Quellen entnommene Atemgas durch den Einlaß 30 und über das Ventil 34 und füllt den Hohlraum 74 auf.

Die nach oben verlaufende Bewegung des Antriebsgewichtes wird von der Drehung des Potentiometers 110 abgetastet, welches ein elektrisches Signal erzeugt, das beispielsweise über eine Leitung 146 einer geeigneten und allgemein mit 148 bezeichneten Regelschaltung zugeführt wird. Diese Regelschaltung umfaßt Einstellmittel 150, mit deren Hilfe ein gewünschtes Gasvolumen, welches ausgegeben werden soll, voreingestellt werden kann. Das ausgewählte Volumen entspricht genauestens der speziellen Position des Gewichtes 60 längs des Lagerschaftes 52; ist diese Position erreicht, dann stimmen die Signale von der Einstellschaltung 150 und dem Potentiometer überein, und über die Leitung 152 wird dem üolenoidgesteuerten Ventil 138 ein Regelsignal zugeführt, welches dieses Ventil ahsrhallpt und pinp wpitprp Fntnahmp von Luft aus dem Hohlraum 88 verhindert. Das Gewicht kommt zum Stehe» und verbleibt in dieser angehobenen Position für unbegrenzte Zeit, bis die Entnahme des vorgewählten Luftvolumens gewünscht ist.

Um die Freigabe des Atemgases einzuleiten, erzeugt die Regelschaltung 148 ein Signal und führt es dem soleonidgesteuerten Ventil 144 zu, wodurch dieses Ventil geöffnet wird und Luft durch den Durchlaß 142 in den Kontrollraum 88 einfließen kann, was zu einer Freigabe des Gewichtes 60 führt welches sodann unter dem Einfluß der Schwerkraft nach unten gleitet. Die Einstellung des Durchlasses 142 oder des entsprechenden Regelventils steuert das Ausmaß der in den Hohlraum 88 einströmenden Luft, wodurch die Geschwindigkeit begrenzt wird, mit welcher das Gewicht nach unten gleitet. Die abwärts gerichtete Bewegung des Gewichtes erzeugt bezüglich des Gases in den Hohlraum 74 einen Druck und drückt dieses Gas über den Auslaß 32 und das Rückschlagventil 36 in eine geeignete Leitung, eine Atemmaske oder dergleichen, mittels weichen das freigegebene Atemgas dem Patienten zugeführt wird.

Durch Voreinstellung der oberen Position des Gewichts wird der gewünschte Atemgasanteil vor Beginn des Ausgabehubes ausgewählt, so daß ein Versagen im Regelsystem während des Ausgabehubs nicht dazu führen kann, daß eine größere Gasmenge ausgegeben wird, der Durchlaß 48 kann des weiteren eine Begrenzung aufweisen, so daß selbst dann, wenn die Leitung 136 von dem Kontrolldurchlaß 48 während des Ausgabezyklus entfernt wird, das Gewicht nicht frei einzig gegen den Rückdruck der Auslaßöffnung 32 und den Lungen des Patienten nach unten fallen kann.

Darüber hinaus ermöglicht die mechanische Überwachung der Position des Gewichtes 60 einer die Vorrichtung betätigenden und wartenden Person, das beim nächsten Ausgabezyklus freizugebende Volumen festzustellen, so daß selbst dann, wenn die Regelschaltung beim Aufwärtshub des Gewichtes 60 ausfällt und das Gewicht nicht einwandfrei bezüglich der Freigabe des gewünschten Volumens lokalisiert, die bedienende Person die Gelegenheit hat, diesen Fehler zu korrigit ren. Es ist daher durch Überwachung und Kontrolle des Aufwärtshubs auf diese Weise möglich, zu einer Überwachung des Systems vor der Ausgabe zu gelangen, so daß auch hier noch ein wesentlicher Sicherheitsbeitrag geleistet wird.

Beim vorliegenden System wird ein ausreichend hohes Vakuum erzeugt, um sicherzustellen, daß e" zu einem sehr schnellen Anheben des Gewichts 60 kommt, so daß das System schnell geladen und für den nächsten Ausgabphnh hprpilgphaltpn wprrlpn kann Dips stplll

nicht nur zusätzliche Zeit zum Überprüfen des auszuliefernden Gasvolumens zur Verfügung sondern ermöglicht auch eine Ruheperiode, während welcher sich die Position des Gewichtes vor dem nächsten Ausgabezyklus stabilisieren kann, so daß eine genaue Messung des auszugebenden Gasvolumens möglich ist. Da darüber hinaus eine Überwachung und Kontrolle während der Aufwärtsbewegung des Gewichtes stattfindet, tritt ein mögliches Überschwingen des Systems während des Ladezyklus auf und nicht während des Entladezyklus, was einen zusätzlichen Sicherheitsfaktor bildet.

Im folgenden werden noch einige spezielle Daten für ein hergestelltes Ausführungsbeispiel bezüglich des unteren Hohlraums angegeben. Dabei hat sich herausgestellt, daß durch einen Hub von 20,2 cm bei einem Gehäusedurchmesser von 12,7 cm eine Verdrängung von 2,1 I in dem Hohlraum erreicht wird, so daß das System ein ausreichend angemessenes Ausgabevolumen aufweist. Des weiteren erzeugt, wie sich herausgestellt hat, ein Gewicht von 12,1 kg einen maximalen, wirksamen Druck von 100 cm Wassersäule, wobei die tatsächlichen Arbeitsbedingungen eines solchen Arbeitszylinders in Rechnung gezogen sind. Die effektiv wirksame Fläche (für Volumenmessung) der Membran 26 beträgt 104 cm². Diese Angaben sind angenähert und berücksichtigen, daß der untere Balg 68 nominal einen äußeren Durchmesser von 5,5 cm aufweist. Man gelangt auf diese Weise zu einem neuen und verbesserten, Atemgas freigebenden Zylinder, der in der Lage ist, ein vorgewähltes Gasvolurnen mit einer vorgewählten begrenzten Flußrate oder Flußgeschwindigkeit bei begrenztem Überdruck freizugeben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Membranpumpe für gasförmige Stoffe, insbesondere für Atemgeräte mit einem ersten, den Stoff ansaugenden und ausgebenden Hohlraum und einem zweiten, gegenüber dem ersten durch eine bewegliche Membran abgetrennten Hohlraum, in welchem eine Druckschwankung erzeugbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung eines über den gesamten Kolbenweg gleichbleibenden Ausgabedrucks die Membran (26) mit einem entsprechenden Gewicht (60) verbunden ist und im ersten Hohlraum (88) zum Anheben des Gewichts (60) und der Membran (26) ein Unterdruck verwendet ist.

2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran zur Durchführung einer Abrollbewegung an der inneren Oberfläche des die Hohlräume umschließenden Gehäuses (10) und am Gewicht (60) befestigt ist, wobei das Gewicht (60) eine so enge Abstandsbeziehung zur inneren Gehäusewandung aufweist, daß die Membran (26) bei der Bewegung des Gewichts an dieser und an der äußeren Oberfläche des Gewichts (60) abrollt und der erste Hohlraum (74) eine entsprechend geringe Nachgiebigkeit aufweist.

3. Membrampumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich axial durch das Gehäuse (10) erstreckender Führungsschaft (52) JO vorgesehen ist, an welchem das ringförmige Gewicht (60) gleitend montiert ist.

4. Membranpumpe nach ei.,em der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsschaft (52) hohl ist, daß im Inr ren des Führungs- Ji schaftes eine Mitlaufketle (92) zur Anzeige der Bewegung und der Position des ringförmigen Gewichts (60) über eine Anzeigeanordnung (110, 112, 114) angeordnet ist und daß die Mitlaufkette (92) durch einen Längsschnitt (98) in der Wand des w Führungsschafts mit dem Gewicht (60) verbunden is,t.