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Diese Erfindung betrifft einen Gasdruckregler,
insbesondere zur Verwendung mit Atemgeräten.
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Bekannte Atemgeräte umfassen im Allgemeinen
eine Quelle eines atembaren Gases, wie eine Druckluftflasche, eine
Art Haube oder Maske, die über
das Gesicht oder den Kopf des Benutzers gestülpt wird, sowie einen Schlauch,
der die zwei verbindet, um, Gas aus der Quelle zur Haube oder Maske
zuzuführen.
Allgemein gesagt, wird die Gasquelle unter einem höheren Druck
stehen als für
die Zufuhr zum Benutzer notwendig ist, und am Ausgang der Gasquelle
wird ein Regler verwendet, um den Druck von dem der Flasche auf
den vom Benutzer benötigten
zu mindern. Schließlich
wird eine Art von Ventil verwendet, um es zu ermöglichen, die Zufuhr an- und abzustellen.
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Während
die Gasflasche leer wird, sinkt der hohe Druck innerhalb der Flasche
allmählich
ab, bis der Druck in der Flasche nicht größer ist als der Abgabedruck
aus dem Regler. An diesem Punkt kann die Flasche als praktisch leer
angesehen werden und macht ein Befüllen erforderlich. Bei gewissen
Anwendungen ist es nützlich,
dem Benutzer eine Warnung zukommen zu lassen, dass die Flasche beinahe
leer ist, oder um einen automatischen Vorgang zum Befüllen von
Flaschen einzuleiten. Zum Beispiel besitzt der Benutzer bei Notrettungsatemgeräten einen
sehr begrenzten Gasvorrat, gewöhnlich
aus nur einer einzigen Flasche, so dass sich die Frage eines Wechselns
der Flasche und eines Weitermachens nicht stellt. Statt dessen besteht
der Zweck einer solchen Ausrüstung
darin, es dem Benutzer zu ermöglichen, nach
dem Anlegen der Ausrüstung
aus einer gefährlichen
Situation in Sicherheit zu entkommen. Unter solchen Umständen kann
es lebenswichtig sein, zu wissen, dass die Flasche zu Ende geht.
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Es ist bekannt, unter diesen Umständen für eine hörbare Warnung
zu sorgen, wobei diese typischerweise die Form eines durch den Gasvorrat
betätigten
Pfeiftons aufweist. Derartige Pfeifen sind im Allgemeinen mit der
Flaschenseite des Reglers verbunden und überwachen somit den hohen Flaschendruck.
Einrichtungen sind innerhalb des Pfeifenkörpers vorgesehen, um zu erfassen,
wenn der Flaschendruck auf ein vorbestimmtes Niveau absinkt, an
welchem Punkt ein Ventil geöffnet
wird, um die Pfeife mittels des verbleibenden Gasdrucks zu betätigen. Solche
Pfeifen sind kompliziert und teuer.
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Das US-Patent Nr. 3,811,400 beschreibt
eine Niederdruck-Warnvorrichtung,
die einen Pfeifton ertönen
lässt.
Die Warnvorrichtung ist mit einem Regler verbunden, und die beiden
sind innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses untergebracht. Jedoch
arbeiten das Ventil, das die Pfeife betätigt, und der Regler unabhängig voneinander.
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Bekannte Regler umfassen einen Kolben, der
in einer zylindrischen Bohrung beweglich ist und den Durchfluss
durch eine Öffnung
am Ausgang aus der Flasche steuert, um den Nachschub oder die Versorgung
aus der Flasche zu regulieren. Gemäß der vorliegenden Erfindung
wird ein Gasdruckregler bereitgestellt, umfassend einen Reglerkolben,
der in einer zylindrischen Bohrung beweglich ist, um einen Gaszufluss
aus einer Gasquelle in einer solchen Weise zu steuern, dass an einer
Auslassöffnung
ein regulierter Gasabgabedruck geliefert wird, sowie eine Warneinrichtung
zur Lieferung einer Anzeige, dass die Gasquelle leer oder beinahe
leer ist, wobei der Regler dadurch gekennzeichnet ist, dass die
Warneinrichtung eine Einrichtung umfasst, um die Bewegung des Reglerkolbens
zu überwachen
und eine Ausgabe zu liefern, wenn der Reglerkolben eine vorbestimmte
Position in der Bohrung erreicht, wobei die Position darauf hindeutet,
dass die Gasquelle leer oder beinahe leer ist.
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In einem Regler, der einen Kolben
verwendet, wie oben beschrieben, wird der regulierte Ausgangsdruck
im Allgemeinen mittels einer Feder eingestellt, die auf den Kolben
einwirkt. Es ist ein Kennzeichen solcher Regler, dass sich beim
allmählichen Absinken
des Drucks der Quelle der Kolben langsam von einer beliebigen Bezugsposition
weg bewegt, womit er es ermöglicht,
dass sich das vorgenannte Ventil mit sinkendem Druck weiter und
weiter öffnet. Diese
Bewegung ist während
der anfänglichen
Stadien der Entleerung der Gasquelle gering; wenn jedoch der Druck
der Gasquelle auf ein Niveau absinkt, das sich an dasjenige der
regulierten Abgabe des Ventils annähert, nimmt die Bewegung merklich
zu, was in der Bewegung des Kolbens eine nahezu sprunghafte Bewegung
verursacht. Sobald der Kolben diese sprunghafte Bewegung ausgeführt hat,
endet effektiv die Regulierung und der Ausgangsdruck sinkt mit dem
Quellendruck ab, bis die Quelle leer ist. Die Überwachungseinrichtung der
vorliegenden Erfindung erfasst die sprunghafte Bewegung, um es zu
ermöglichen,
ein Signal von irgendeiner Art zu erzeugen, um, anzuzeigen, dass
der Druck der Quelle auf im Wesentlichen dasselbe Niveau wie der
regulierte Abgabedruck abgesunken ist, und dass die Regulierung
effektiv aufgehört
hat.
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Die Überwachungseinrichtung kann
verschiedene Formen annehmen, zum Beispiel einen Magnetdetektor,
einen Hall-Effekt-Sensor oder einen Näherungssensor, von denen alle
ein elektrisches Signal liefern, das benutzt werden kann, um irgendeinen
automatischen Vorgang einzuleiten oder einen Alarm zu aktivieren,
oder beides. Bei einer Ausführungsform
der Erfindung dient der Kolben selbst als Ventilelement, das bei
einer vorbestimmten Position des Kolbens ein Ventil öffnet, um
es zu ermöglichen, einen
Druck an einem Wandler anzulegen, der wiederum in der oben beschriebenen
Weise ein elektrisches Signal erzeugt, oder direkt an einem durch Druck
betätigten
Alarm oder einer Pfeife. Die Überwachungseinrichtung
kann zum Beispiel eine Öffnung
umfassen, die sich in die Wand der Bohrung öffnet und die dem Gaszustrom
ausgesetzt wird, wenn der Kolben die vorbestimmte Position in der
Bohrung erreicht.
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Damit. die Erfindung besser verständlich wird,
wird nun eine Ausführungsform
derselben lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die begleitenden
Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 eine
Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Regler/Ventilvorrichtung
ist; und
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2 eine
grafische Darstellung der Kolbenbewegung über den Flaschendruck ist,
wenn die Vorrichtung eine nahezu konstante. Strömungsmenge abgibt.
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Bezugnehmend auf 1, umfasst die Regler-/Ventilvorrichtung
der Erfindung ein zweiteiliges Gehäuse, umfassend einen Körperteil 1 und
einen Kopfteil 2, die allgemein zylindrisch geformt und durch
eine Gewindeverbindung 3 verbunden sind.
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Der Körperteil 1 ist mit
einer axialen Bohrung 4 ausgebildet, die bei 5 ein Gewinde
aufweist und einen Standardanschluss für eine Gasflasche (nicht dargestellt)
bildet, welche eine Druckgasquelle bildet. Das innere Ende der Bohrung 4 ist
bei 6 verengt und endet in einer Strahldüse 7. Die Strahldüse ist normalerweise
durch einen Sitz 8 aus Kunststoffmaterial, wie Nylon, verschlossen,
der am unteren Ende des Schaftes 9 eines T-förmigen Kolbens 10 angebracht ist.
Der Kolben 10 ist in einer Stufenbohrung beweglich, die
einen axial im Kopfteil 2 ausgebildeten weiteren Abschnitt 11 und
einen axial im Körperteil 1 ausgebildeten
engen Abschnitt 12 aufweist. O-Ring-Dichtungen 13, 14 werden
benutzt, um den Kopf und Schaft des Kolbens 10 gegen die
Abschnitte 11 bzw. 12 der Stufenbohrung abzudichten. Eine axial
angebrachte Druckfeder 15 wirkt zwischen dem Körperteil 1 und
der Unterseite des Kopfs des Kolbens 10 und spannt den
Kolben in Aufwärtsrichtung vor.
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Der Kolben 10 ist mit einer
Axialbohrung 16 ausgebildet, die sich von der Niederdruckkammer 17 aus
in Richtung des Schafts 9 des Kolbens und in diesen hinein
erstreckt. Die Bohrung verengt sich bei 18 und endet in einem T-Stück mit einer
Bohrung 19, die quer durch den Schaft 9 verläuft, wobei
sie sich an beiden Enden in die mittlere Kammer 20 öffnet.
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Die Funktionsweise des Reglers ist
konventionell und wird für
den Fachmann ohne ausführliche Erläuterung
verständlich.
Gas mit hohem Druck, typischerweise 200 bar, wird aus der Flasche
in die Bohrung 4 zugeführt
und strömt
durch die Strahldüse 7 in die
mittlere Kammer 20 und von dort durch die Bohrungen 19 und 16 zur
Niederdruckkammer 17, wo es auf die Oberseite des Kopfs
des Kolbens 10 einwirkt, was dazu führt, dass der Kolben 10 entgegen
der Wirkung der Feder 15 abwärts gedrückt wird, was gleichzeitig
dazu führt,
dass bewirkt wird, dass der Sitz 8 die Düse 7 verschließt. Wenn
während
des normalen Gebrauchs des Reglers Gas aus der Niederdruckkammer 17 abgeführt wird,
erreichen die Kräfte auf
den Kolben 10 einen Gleichgewichtszustand, in dem die Niederdruckkammer
auf einem im Wesentlichen konstanten Druck gehalten wird, typischerweise 10
bar.
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2 ist
eine grafische Darstellung der aufwärts gerichteten Axialbewegung
des Kolbens 10 bei der Entleerung der Flasche in Bezug
zu einem willkürlichen
Bezugspunkt. Man wird sehen, dass die anfängliche Aufwärtsbewegung
bei der Entleerung der Flasche ziemlich gering ist. Bei einer Annäherung des
in der Flasche verbleibenden Drucks an den in 2 als P2 angezeigten Reglerabgabedruck
beschleunigt sich jedoch die Bewegung des Kolbens 10 mit
dem Flaschendruckabfall, wobei ein ziemlich steiler Sprung gebildet
wird, bevor die Flasche schließlich
leer wird.
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Diese Sprungbewegung des Kolbens 10 wird benutzt,
um ein Ventil zu betätigen,
das Luft zu einer Pfeife 21 zuführt, die in eine seitliche
Bohrung 22 des Körperteils
leingesetzt ist. Das Ventil wird von einer in der Oberfläche des
engen Abschnitts 12 der Stufenbohrung ausgebildeten Ringnut 23 gebildet,
aus der sich ein seitlicher Kanal 24 in die ringförmige Federausnehmung 25 erstreckt.
Der Boden der Ausnehmung 25 ist durch einen Kanal 26 mit
dem inneren Ende der Bohrung 22 verbunden. Die Nut 23 ist
ausreichend hoch oben im engen Abschnitt 12 der Stufenbohrung
angeordnet, so dass sie während
des normalen Betriebs des Reglers auf der abgewandten Seite der
Dichtung 14 liegt und somit unter Umgebungsdruck steht.
Wenn sich jedoch der Flaschendruck an den normalen regulierten Abgabedruck
annähert,
bewegt sich der Kolben in der oben unter Bezugnahme auf 2 beschriebenen Weise aufwärts, so
dass die Nut 23 schließlich
mit der Kammer 20 in Verbindung tritt. Wenn dies der Fall
ist, strömt
Gas durch den Kanal 24 in die Ausnehmung 25 und
von dort durch den Kanal 26 zur Bohrung 22, wo
es verfügbar
ist, um die Pfeife 21 oder einen Druckwandler (nicht dargestellt)
zu betätigen,
der alternativ in die Bohrung 22 eingesetzt sein kann.
Die Pfeife funktioniert durch einen Gasstrom entlang eines Kanals 27 über eine
Kante 28 des Pfeifenkörpers 29,
um den geforderten Warnton zu erzeugen.
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Niederdruckgas tritt aus der Kammer 17 über ein
Ventil zu einer Abgabeöffnung 30 aus.
Das Ventil umfasst eine axiale Stufenbohrung 31, in der
ein zylindrisches Kolbenelement 32 verschiebbar ist. Das Kolbenelement 32 ist
gleichfalls abgestuft, und sein unterer schmalerer Teil ist mittels
einer O-Ring-Dichtung 33 gegen den engeren Teil der Bohrung 31 abgedichtet.
Das Kolbenelement weist auch einen weiteren Mittelteil auf, der
sich im weiteren Teil der Bohrung 31 verschiebt und mittels
einer O-Ring-Dichtung 34 dagegen abgedichtet ist. Ein seitlicher
Kanal 35 erstreckt sich von der Bohrung 31 weg
und öffnet
sich in die Abgabeöffnung 30.
Ein ringförmiger
Kragen 36 ist drehbar am oberen Ende der Bohrung 31 angebracht
und weist einen Flansch 37 auf, um seine Bewegung zu begrenzen.
Die mittige Öffnung 38 des Kragens 36 ist
bemessen, um das obere Ende des Kolbenelements 32 mit einer
Gleitpassung aufzunehmen. Der Kragen wird mittels einer auf dem
Kopfteil 2 des Gehäuses
angebrachten Kappe 39 festgehalten, kann sich jedoch in Bezug zum
Gehäuse
frei drehen. Ein Stift 40 erstreckt sich in seitlicher
Richtung über
die Steueröffnung 38.
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Das Ventil ist in 1 in seiner Zu-Stellung dargestellt.
In dieser Stellung ist Gas in der Kammer 17 nicht in der
Lage, die Kammer zu verlassen, und zwar aufgrund der Tatsache, dass
die Bohrung 31 durch das Kolbenelement 32 versperrt
wird. Wenn der Einlassanschluss 5 an einer Druckqasquelle
befestigt wird, beginnt der Regler in der oben beschriebenen Weise
zu arbeiten, bis der Druck in der Kammer 17 den
Kolben 10 mit ausreichendem Druck abwärts drückt, um die Düse 7 zu
verschließen.
Somit kann kein weiteres Gas strömen,
und die Flasche ist wirkungsvoll verschlossen. Der Druck innerhalb
der Kammer 17 spannt das Kolbenelement 32 entlang der
Bohrung 31 in Aufwärtsrichtung
vor, jedoch wird jegliche Bewegung durch das Anschlagen des Kolbenelements 32 gegen
den Stift 40 begrenzt.
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Um das Ventil zu betätigen, wird
der Stift 40 entfernt, was es dem Kolbenelement 32 gestattet, sich
entlang der Bohrung 31 aufwärts zu bewegen, bis sein weiterer
Mittelteil gegen den Kragen 36 anschlägt. An diesem Punkt hat sich
die O-Ring-Dichtung 33 am
Einlass zu dem Kanal 35 vorbeibewegt, was es ermöglicht, dass Gas aus der Kammer 17 durch
die Bohrung 31 und den Kanal 35 zur Abgabeöffnung 30 strömt.
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Zur Vereinfachung des Betriebs kann
der Stift 40 hinsichtlich seiner Form angepasst werden, um
zu den Umständen
des Betriebs zu passen. Er kann, zum Beispiel, mit einem Ringzug
ausgebildet werden. In dem speziellen Anwendungsfall eines Notrettungsatemgeräts kann
der Stift mit Einrichtungen zum Befestigen eines Endes einer Schnur
versehen sein, deren anderes Ende am Deckel eines die Gasflasche
enthaltenden Beutels befestigt ist. Die Anordnung ist derart, dass
wenn der Deckel entfernt oder vom Rest des Beutels weggeschwenkt
wird, an der Schnur gezogen wird, um den Stift automatisch zu entfernen,
um so die Gaszufuhr in Gang zu setzen. Wie bereits erwähnt, sind
der Kragen 36 und somit der Stift 40 um den Körper drehbar,
so dass der Stift zur leichten Entfernung schnell in eine bevorzugte Richtung
gedreht werden kann.
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Das Ventil ist absichtlich so gemacht,
dass es leicht zu öffnen
aber viel weniger leicht zu schließen ist. Das Schließen des
Ventils, während
in der Kammer 17 noch ein Druck vorhanden ist, beinhaltet, dass
man das Kolbenelement 32 entgegen dem Druck des Gases die
Bohrung 31 hinab zurückdrückt und
dann den Stift 40 an seinen Platz zurückschiebt, sobald man eine
Lücke für ihn erhaltert
hat. Wegen der Stufenbohrung/Kolben-Anordnung ist auch die zum Schließen des
Ventils erforderliche Kraft größer als
diejenige, die erforderlich ist, um es zu öffnen, da im Fall eines Schließens der
Gasdruck in der Kammer 17. auf den weiteren Mittelteil
des Kolbenelements 32 einwirkt.