EP0721308B1

EP0721308B1 - Pneumatisches, federndes flächenlager und seine verwendungen

Info

Publication number: EP0721308B1
Application number: EP94926213A
Authority: EP
Inventors: Erhard Weber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-09-15
Filing date: 1994-08-20
Publication date: 1997-12-10
Anticipated expiration: 2014-08-20
Also published as: DE4331240A1; ATE160922T1; US5784731A; DE59404788D1; WO1995007644A1; EP0721308A1

Description

Die Erfindung betrifft ein pneumatisches, federndes Flächenlager mit den folgenden zielsetzungsgemäß entscheidenden Eigenschaften:

I. Durch seine Grobkonturanpassungsfähigkeit legt es sich auch an stark unebene Körper mit nur sehr gering progressiver Anpassungshub-Druckkraftbeziehung an.
I'. Es besitzt eine inhärente, progressiv wirkende Dämpfung bei der Anpassungshubbewegung an den oder bei der Verlagerung des Körpers.
II. Eine von der Grobkonturanpassung getrennt wirkende elastische Komponente erlaubt es, diese Körper federnd zu lagern.
III. Es verfügt über eine negative wie positive Verschiebung der Auflageelemente mit einem Gesamthub h von mindestens der unbelasteten Behältnishöhe H und von bis zu 3/4 Hges, der Gesamtbauhöhe des Flächenlagers.

Besonders vorteilhaft wird das pneumatische, federnde Flächenlager als Unterrahmen für Betten, Liegen oder Sessel eingesetzt, wo es eine optimale Flächenkonturanpassung und Auflagedruck-ausgleichende, leicht federnde Lagerung in allen Liege- und Sitzstellungen des menschlichen oder tierischen Körpers ermöglicht.
Im Falle der Hauptanwendung der Erfindung, dem Bettunterrahmen bzw. Lattenrost sind viele mechanische, aero- und hydropneumatische, federnde Einzellagerkonstruktionen bekannt:

(a) Konventionelle Unterrahmen mit Zug- oder Schraubensprungfedern, Lattenroste vornehmlich mit elastischen Schichtholzquerleisten in Gummielementhalterungen, eine gemeinsame Gummiband-Aufhängung mehrerer Querlatten, sowie das Wasserbett.
(b) Nicht konventionelle Bettunterrahmen, die auf anderen Funktionsprinzipien basieren, aber eine ähnliche Zielsetzung wie das Flächenlager verfolgen.

Eine Querlattenkonstruktion, bei der die Querlattenenden jeweils auf einer Einzelkolben-Zylinder Anordnung aufliegen. Die einzelnen Hubräume der Zylinder sind hydraulisch oder pneumatisch miteinander in Verbindung und mit Überströmkanälen versehen (WO 89/01749).
Eine Vielkammerkonstruktion mit Gegendruckfedern, die auf dem Prinzip der kommunizierenden Gefäße mit einem pneumatisch verschiebbaren Balg funktioniert und auf denen Einzel-Querlatten über Stützstäbe aufliegen. (EP O 481157).
Eine Blasebalg-Konstruktion unter Einzel- oder Doppelquerlatten, die untereinander über Strömungskanäle zum Druckausgleich und zur Dämpfung verbunden sind. Zusätzlich ist eine Senkrechtführung und eine zwangsweise Kopplung der Hubbewegung beider Querlattenenden vorgesehen, um den Rausschmeißeffekt zu vermeiden (US 3 210 889).
Allen diesen Konstruktionen ist gemeinsam, daß sie sehr viel komplexer sind als das Flächenlager, ein deutlich geringeres Hub/Bauhöhen-Verhältnis aufweisen und die Eigenschaften I bis III nur teilweise einzeln, in der Summe aber keineswegs erreichen.
In (c) bis (f) werden Lattenroste bzw. Stützelemente beschrieben, die einzelne Funktionselemente des pneumatischen, federnden Flächenlagers in abgewandelter Form verwenden, die entscheidenden erfindungsgemäßen Merkmale aber nicht aufweisen und keine der in den Punkten I bis III angeführten Eigenschaften erfüllen.
(c) DE OS 3232123 gibt einen Lattenrost an, der aus U-profilförmigen Seitenholmen mit einem kompressiblen Schlauchkörper besteht, auf dem mehrere Querlatten einzeln direkt aufgelegt und in angeschweißten Taschen fixiert sind und in Einschnitte in den U-Holmen einfedern können. Eine sehr ähnliche Konstruktion wird in dem Patent US 5038429, Fig. 1 beschrieben (siehe auch EP O 378469), wobei hier aber der Schlauchkörper noch pro aufgelegter Querlatte in einzelne "compartiments" mit Überströmkanälen unterteilt ist (Spalte 6, Zeile 14f). Der Nachteil dieser Konstruktionen besteht in der direkten und breiten Auflage der Latten. Bei schneller Wechselbelastung besteht die Gefahr, daß der Schlauch in den Einschnitten gequetscht und damit leck wird.
Sie werden technisch wirklich nur funktionieren, wenn der Schlauchkörper "kompressibel"ist, d.h., wenn er aus einem dehnungsfähigen Material besteht und /oder eine Gasfüllung enthält.
Eine ähnliche Konstruktion mit nicht flexiblen, im Profil hochkant stehenden Querlatten auf einem gasgefüllten Schlauchkörper wird in EP O 038155 beschrieben.
Eine selbsttragende Schlauchkonstruktion, gegebenenfalls in einer halbhohen Wanne mit direkter Auflage der Latten in Taschen ist in DE 2621803 beschrieben und wird technisch vorteilhaft mit einem kompressiblen Medium gefüllt.
Ein Aero-Bett besteht aus zwei luftgefüllten, selbsttragenden Längsschläuchen, auf denen Querlatten aufliegen.
(d) US 5038429 (praktisch identisch mit EP O 378469) beschreibt weiterhin einen in "compartments" unterteilten Schlauchkörper in einem Hohlprofilholm, auf dem einzelne Kolben mit rechteckigen Auflagen auf der gesamten Schlauchbreite aufliegen (s. Fig. 4 und Spalte 61, Anspruch 1, Zeile 15f und 19f). Die Unterteilung in "compartments", verbunden mit Überströmkanälen oder Membranen ist für ein technisch sinnvolles Funktionieren in Hub und Dämpfung notwendig
(e) EP O 489374 beschreibt einen Lattenrost, bei dem rohrartige Kammern einen vollständig anliegenden,aufblasbaren Balg aufnehmen, auf dem die Stützschäfte der Querlatten federnd aufliegen. Erfindungsgemäß muß der Balg prall-gasgefüllt sein.
(f) In DE AS 1260092 werden Stützelemente beschrieben, die mit Kolben verbunden sind, welche direkt (Dichtungsprobleme!) oder über beweglicheRollbalg- oder FaltenmembranDichtungen auf ein druckaufnehmendes oder übertragendes Medium wirken, das lückenlos einen schalenförmigen Hohlraum ausfüllt. Das Medium ist vorteilhafterweise inkompressibel, muß dann aber in einem Nebenhohlraum von einem kompressiblen Puffermedium (Gas) beaufschlagt sein, um die beabsichtigte Anpassungs- und Federwirkung zu erzielen.

Als konstruktive Merkmalsunterschiede dieser Lattenroste/Stützelemente in (c) bis (f) zum Flächenlager sind vor allem anzuführen:

In (c) besitzen alle eine breite, direkte Auflage der Querlatten fixiert in angeschweißten Taschen auf dem Schlauchkörper.
In (d) liegt ein Druckelement mit rechteckförmiger Auflage auf der ganzen Schauchbreite auf, mit einer Kolbenstange als Verbindung zu der Querlatte,und der Schlauchkörper ist in Kammern unterteilt.
In (e) liegt ein prall gefüllter Balg an der gesamten Rohrkammerwandung an.
In (f) beruht die Federwirkung immer auf der stark progressiven Volumenelastizität (Druck · Volumen ≈ const.) des Gasmediums oder - puffers.

Konstruktionsbedingt ergeben sich für die Lattenroste (c) bis (f) folgende Funktionsmerkmale:

allen gemeinsam ist eine schnell einsetzende durchgehend stark progressive Hub - Kraftbeziehung, deren Steifigkeit umso größer wird, je mehr Latten druckbelastet werden;
bei (c) und (d) bewirkt die Verschiebung der Latten eine Abplattung des Schlauches quer zur Hubbewegung sowie bei dehnungselastischer Wandung eine Volumenvergrößerung des Schlauchkörpers;
alle ohne Kammern (also außer (d)) haben große Dämpfungsprobleme, insbesondere bei Gasbefüllung, aber auch bei höherviskosen, inkompressiblen Füllmedien aufgrund der sich kaum verringernden Schlauchquerschnitte. Sie müssen einen Kompromiß eingehen zwischen schwabbeligem Aufliegeverhalten und größeren Hubverschiebungen bei geringem Innendruck oder hartem Aufliegeverhalten und Kleinen Hubwegen bei großem Innendruck,
daher ist der technisch und funktionell erreichbare Hubweg mehrerer Querlatten gleichzeitig etwa auf die halbe Schlauchhöhe beschränkt.
Keines der Systeme weist einen nennenswerten positiven Hubweg auf.

Das Ziel der Erfindung ist es, die in den Punkten I, I', II und III aufgeführten Funktionseigenschaften mit möglichst einfachen konstruktiven Mitteln zu erreichen.

I.Die Grobkonturanpassung beruht auf der starken, speziellen Formänderung desBehältnisses:
- der nach innen gerichteten Einstülpung in negativer Hubrichtung unter Ausbildung zweier Längskammern parallel zur Achse des Behältnisses und
- der Aufwölbung des Behältnisses in positiver Hubrichtung bis zum Druckausgleich im Behältnismedium.
I'. Die inhärente, progressiv mit dem Hub sich verstärkende Dämpfung kommt durch die starke Querschnittsverengung bei der Ausbildung der Längskammern zustande.
II. Die federnde Lagerung insbesondere in und nach der Endphase der Grobkonturanpassung beruht auf der Volumenänderung des Behältnisses, dessen Wandung vorteilhalterweise aus einem dehnungselastischen Material gewählt wird, und/oder wird bewirkt durch Einbringung und Kompression eines abgegrenzten Kleinen Gasvolumens.
III. Die große sowohl negativ als auch positiv mögliche Hubverschiebung ergibt sich aus I und II und kann durch in sich federnde Auflageelemente noch vergrößert werden.

Die funktionellen Eigenschaften, die in den Punkten I, I' II und III beschrieben sind, werden erreicht durch die konstruktiven Merkmale, die in den Ansprüchen 1) bis 4) und 6) angegeben sind.

Zu I: Die Formänderung
des nicht prall mit einem vorteilhafterweise glycerin- bis gelatineartigen, inkompressiblen Medium gefüllten schlauchartigen Behältnisses erfolgt durch
kleinflächige Auflageelemente, deren Breite b ≈ 1/6 B bis 1/2 B der Schlauchbreite B und deren Länge l ≈ b bis 3 b beträgt. Die Behältnishöhe ist H≈ 1 B bis 3 B.
Zur Grobkonturanpassung sind trotz der starken Formänderung nur geringe, kaum progressive Druckkräfte und ein kleiner Arbeitsaufwand nötig.
Die Einstülpung entsteht durch Einwalken der Schlauchwand. Bei vorteilhafterweise geringer Steifigkeit der dehnungselastischen Wand ist die über den Einstülpungsvorgang praktisch konstante Walkarbeit vernachlässigbar; das gleiche gilt für die Mediumtransportarbeit bei langsamen Anpassungsvorgängen, da diese proportional dem Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit ist. Die Dehnungsarbeit zur Verlängerung der Wandung an der Behältnisoberfläche in der V-förmigen Einstülpung wird erst in der Endphase der Konturanpassung für h > H entscheidend und ist stark materialabhängig.
Die zu berücksichtigende Arbeit W_A muß durch die Änderung der Massen(höhe)verteilung, Transport des Behältnismediums (vorteilhafterweise Wasser mit einem Gelierungsmittel) aus der Einstülpung in die Auswölbung gegen die Schwerkraft geleistet werden, $W_{A} {= Δm·g · Δh ≈ 7,5·10}^{-2} J pro Auflageelement,$
unter den experimentellen Bedingungen: Höhenanderung $Δh = 1/2 H = B = 5cm$
, transportierte Masse ${Δm < 200g = 2 dl H}_{2} O$
und der Schwerebeschleunigung g ≈ 10 m/s².
Aus der gering progressiven Steigerung der Hubkraft bis h = 0,6 H kann die obere Grenze der Dehnarbeit bei der Einstülpung zu maximal W_A abgeschätzt werden.
Ein menschlicher Körper mit ca. 80 kg Masse vermag bei dem Bettunterrahmen-Flächenlager nach Fig. 2 in Seitenlage ca. 10 Auflageelemente um ca. 0,6 H und weitere 6 um ca. 0,3 H (von insgesamt 2x14=28 für beide Seitenholme des Bettunterrahmens) einzudrucken. Die dabei im Mittel dem Körper verloren gegangene potentielle Energie beträgt $W_{K} {= m·g·h = 80 kg · 10 m/s}^{2} · 0,05 m = 40 J$
Bei dieser Vorgabe fallen für insgesamt 16 bewegte Auflageelemente je 2 W_A an (Arbeit gegen Schwerkraft und zur Längsdehnung), also 32 W_A. Aus dem Verhältnis ${32·W}_{A} {/W}_{K} < 0,05$
ergibt sich, daß nur rund 5% der Schwerkraftpotentialenergie auf die reine Grobkonturanpassung aufgewandt werden müssen.
Der Rest von 95% wird durch die elastische Komponente der Volumenänderung, d.h. durch die elastische Ausdehnung der Behältniswandung, die aufgrund des überall gleichen Druckes sehr gleichmäßig erfolgt, aufgenommen und führt zur federnden Lagerung des Körpers.
Trotz der geringen benötigten Druckkraft und Grobhubanpassungsarbeit erfolgt die Kopplung aller Auflageelemente in der Hauptsache durch die Einstülp- und Auswölbungsvorgänge, die auch die positive Unterstützung tieferer Einbuchtungen und die sehr gleichmäßige, druckspitzenfreie Lagerung des aufliegenden Körpers bewirken.
Die Masse des flüssigen Mediums kann durchaus um mehr als eine Größenordnung kleiner sein als die des zu lagernden Körpers, wodurch das Gesamtgewicht des Flächenlagers in Grenzen gehalten wird.
Zu I': Die inhärente, progressive Dämpfung tritt ein aufgrund der Doppellängskammer-Ausbildung durch die Einstülpung des Schlauches bei gleichzeitiger Reduzierung der Schlauchhöhe H auf etwa die Hälfte.
Der effektive Querschnittsradius wird für $B = H/2$
dabei von $r_{1} = (B+H)/4 = 3H/8$
reduziert auf $r_{2} < (H/2 + B/3)/4 = H/6$
, siehe Fig. 1.
Nach dem Gesetz von Hagen Poiseuille ist das pro Zeit Δt durchströmende Flüssigkeitsvolumen ΔV proportional zum Öffnungsradius R⁴ und umgekehrt proportional zur Zähigkeit η des Mediums. ${ΔV/Δt∼R}^{4} /η$
Damit reduziert sich bei starker Einstülpung das durchgedrückte Flüssigkeitsvolumen ${ΔV}_{2} {≼ΔV}_{1} /25$
um etwa den Faktor 25.
Als Füllmedium wird vorteilhafterweise Wasser mit einem Gelierungsmittel verwendet, das eine wenig temperaturabhängige Zähigkeit ${η≈2Ns/m}^{2}$
(etwa gleich der von Glycerin bei T = 15°C) ergibt.
Mit dieser Füllung je eines Gummischlauchs ( $B=H/2≈4 bis 5 cm$
, Wandstärke 1,4 mm, Motoradschlauchqualität) in den beiden Seitenholmen eines 200cm x 100 cm Unterrahmens (nach Fig. 2 oder 3), werden keine Oszillationen, kein Rausschmeißeffekt beim Einsteigen und doch eine angenehm leichte Anpassung beim Wechsel von Rücken- in Seitenlage des menschlichen Körpers beobachtet. Die Zeitkonstante der Dämpfung und die optimale Anpassung an das Körpergewicht kann durch die Wahl der Zähigkeit des Füllmediums bestimmt werden, als auch durch eine Erhöhung des Fülldrucks p₀ für das unbelastete Behältnis.
Zur Anpassung an die Massenverteilung des menschlichen Körpers kann auch die Außagenelementfläche variiert werden. Das in den Punkten zu I und I' beschriebene Verhalten und die erfindungsgemäßen Eigenschaften des Schlauchbehältnisses wurde in vielen Versuchen mit verschiedenartigen Behältnissen und Auflageelementen in einem Versuchsaufbau gewonnen, dessen eine Seitenwand zur Beobachtung aus Plexiglas war. Komplexe Vielkammer- oder Mehrfachschlauchsysteme konnten so auf das einfache, einstülpende und gerade bei kleinflächigen Auflageelementen selbstdämpfende Einschlauchsystem mit gelatineartiger, inkompressibler Füllung reduziert werden.
Zu II. Voluimenänderung des Behältnisses 1
Zur elastisch federnden Lagerung wird die Wandung des Behältnisses vorteilhafterweise aus einem dehnungselastischen Material gewählt und/oder ein kleinerer Teil des Behältnisvolumens z.B. im Fußbereich des Unterrahmens mit einem separaten Gaspuffervolumen befüllt. Beide Maßnahmen bringen insbesondere in der Endphase der Anpassungsverschiebung der Auflageelemente eine elastische Komponente ein, d.h. eine progressive Hub-Druckkraft Beziehung.
Mit und ohne diese elastische Komponente stellt sich überall im Behältnis im Gleichgewichtszustand derselbe Druck ein. Dadurch ergibt sich auch bei kleinflächigen Auflageelementen eine gleichmäßige, verteilte und somit punktuell geringe Dehnungsbelastung der Behältniswandung; dies gilt auch für den Einstülpbereich für Auflagenelemente mit abgerundeten Ecken und Kanten und den o.a. Maßgrenzen.
Der Hub h_el durch die elastische Volumenänderung ist deutlich kleiner h_el≈h/5 bis h/10 gegenüber dem Formänderungshub h.
Die elastische Hubkomponente h_el kann vorteilhaft auf $h_{el} ≈h/3$
bis h/2 vergrößert werden durch Ausbildung der Auflageelemente als Teleskopfederstangen (siehe Fig. 3) oder als in Längsrichtung des Schlauches angeordnete ovale doppeltrapez- oder ringförmige Federelemente (siehe Fig. 2 a und b).
Zu III. Die Gesamthubverschlebung durch die Formänderung von h > H, der unbelasteten Behältnishöhe, kann durch die zusätzlichen elastischen Elemente auf $h_{ges} {=h+h}_{el} ≈4H/3 bis 3H/2$
vergrößert werden, wobei dann die Gesamtaufbauhöhe H_ges des Unterrahmens $H_{ges} > 10H/6$
bis 7H/3 beträgt (Fig. 2).
Zu dem Unterrahmenhub kommen bei der Verwendung als Bett-, Liege- oder Sesselunterrahmen hinzu:
- die elastische Durchbiegung, z.B. der Doppelquerleisten, die je ein Auflageelement in beiden Seitenholmen des Rahmens verbinden (siehe Fig. 3) und
- die Volumenelastizität der Rahmenauflage, deren Höhe vorzugsweise mit etwa 1/3 H_ges geringer gewählt werden kann als die normaler Matratzen. Die Auflage muß auch so gestaltet sein, daß sie den großen möglichen Rahmenhub übernimmt und nicht behindert.
Durch die getroffenen konstruktiven Maßnahmen kommt das pneumatische, federnde Flächenlager sehr nahe an den idealen Liege- und Schlafkomfort heran. Dieser wird erreicht als Mittelwert des Schwebe- oder Schwimmzustandes eines Körpers in einer Flüssigkeit, z.B. Meerwasser, mit überall gleichem Auflagedruck und dem Zustand, bei dem die unterstützenden Druckkräfte überall der Massenverteilung entsprechen. Gerade dieser Mittelweg wird bei dem Flächenlager begangen durch die gering Unterstützungsdruck - aufbauende Grobhubanpassung und die massenabhängige, federnde Endlagerung, deren Auflagedruck aber ausgemittelt wird durch die Einstellung eines mittleren Druckes im Behältnismedium.

Das pneumatische, federnde Flächenlager bietet einen ähnlichen Liege-Schlafkomfort wie das Wasserbett, ohne dessen Nachteile aufzuweisen:

Anpassungsfähigkeit durch Dichte und Zähigkeit der Hülle eingeschränkt
Bewegungseinschränkung bei Änderung der Liegestellung durch Seitendruckkräfte in der Einsenkmulde und der dazu nötigen Wasserverdrängung, besonders hoch bei Kammersystemen
Wassersackhülle völlig wasser- und dampfundurchlässig
Schwappneigung, hohes Gewicht sowie Beheizung/Temperaturregelung nötig.

Figuren

Die Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 4 illustrieren die wichtigsten Teile und Funktionen der Erfindung, insbesondere für die Hauptanwendung, den pneumatischen, federnden Bettunterrahmen. Sie Zeigen den prinzipiellen Aufbau in schematischer Weise und stellen jeweils nur eine von mehreren Ausführungs- und Verwendungsmöglichkeiten dar.

Fig. 1: Schematischer Ausschnitt aus einem pneumatischen, federnden Flächenlager bestehend aus einem schlauchartigen, form- und vorteilhafterweise auch volumenveränderlichen Behältnis 1, das in den beiden extremen Formveränderungen der negativen Einstülpung 8 und der positiven Auswölbung 9 gezeigt ist.
Fig. 2:
- a) Querschnitt durch einen Seitenteilaufbau eines pneumatischen, federnden Bettunterrahmen-Flächenlagers mit einem asymetrisch U-profilförmigen Seitenholm 4 und einer flexiblen mittleren Seitenwand 24 zur Aufnahme des Schlauchbehältnisses 1 mit
- b) als Ringfeder ausgebildeten Auflageelementen 26 zur Vergrößerung des elastischen Hubweges um h'_el, sowie Matratzenauflage 10.
Fig. 3: Querschnitt durch einen pneumatischen, federnden Bett-, Liege- oder Sesselunterrahmen mit geringer Bauhöhe H_ges mit zwei separaten schlauchartigen Behältnissen 1 und 1' in den beiden Vierkantprofil-Seitenholmen 34 und 34' und abgesenkter, innenliegender Matratzenauflage 10'.
Fig. 4: Querschnitt durch einen pneumatischen, federnden Bettunterrahmen mit einem stationären L-Profil Seitenholm 44 und einer nach unten absenkbaren Innenwand 44', die verbunden mit einem elastischen Gummiband 34 über ein ankerförmiges Auflageelement 36 die Deformation des Schlauchbehältnisses 1 bewirkt.

Figurenbeschreibung

Fig. 1 zeigt als Ausschnitt ein pneumatisches, federndes Flächenlager mit einem schlauchartigen, formveränderlichen Behältnis 1, das nicht prall mit einem inkompressiblen Medium 3 gefüllt ist und in dem U-förmigen Holm 4 mit asymmetrischen Schenkeln liegt, und das bewegliche Seitenwände 4' und 4'' aufweist, die vorteilhafterweise in Nuten oder Schienen (nicht gezeigt) geführt werden.
Über die vorzugsweise ankerförmigen Auflageelemente 6,6', welche mit den oberen Seitenwänden 4'' verbunden sind, werden die Auflage-Druckkräfte - F_p und F'_p auf das Behältnis 1 ausgeübt. Sie können zu den beiden gezeigten starken, speziellen Verformungen des Behältnisses 1 führen, der Einstülpung 8 in negativer Hubrichtung und der positiven Auswölbung 9 über die Gleichgewichtshöhe H des unbelasteten Behältnisses hinaus, bis zur Einstellung eines überall gleichen Druckes p im Medium 2.
Durch die übereinander und über den kurzen Innenschenkel des U-förmigen Holmes 4 laufenden Seitenwände 4' und 4'' kann der gesamte Hub h > H zur Grobkonturanpassung an einen aufliegenden Körper ausgenutzt werden.
Die Auflageelemente 6,6' werden vorteilhafterweise in der Form eines T oder eines Ankers ausgebildet und ergeben dann eine optimale Ausbildung und Form der Einstülpung 8 mit:

geringer Belastung der Behältniswandung 2,
günstiger Unterbringung des Querschnittswandungumfangs, der sich durch die Einstülpung kaum verändert, bei minimaler Resthöhe des Behältnisses 1,
Ausbildung von 2 getrennten Längskammern zur progressiven Dämpfung, und
pufferndem, automatischen Aufsitzstops durch Aufliegen des Ankeroberteils auf dem eingestülpten Behältnis.

Weiterhin kann das abgebogene, sich verjüngende Vorderteil der oberen Ankerplatte, das vorzugsweise aus elastischem Material besteht und an dem Außenschenkel des U-Holms 4 anliegt, Kleinere horizontale Verschiebungen der Seitenwände 4'' abfangen und ausgleichen.
Fig. 2 zeigt als Querschnitt den technisch funktionellen Seitenteilaufbau eines Bettunterrahmens mit Matratzenauflage 10 auf der Basis des pneumatischen, federnden Flächenlagers. Ein asymmetrischer U-Profilholm 4 umschließt das Behältnis 1 mit Breite $B≈H/2$
zu 2/3 seines Querschnitt-Umfangs. Der über den kurzen Innenschenkel 14 des U-Holms 4 reichende Behältniswandungsteil wird von einer flexiblen, dünnwandigen Seitenwand 24 umfaßt und weitgehend an einem Ausbeulen in den Bettrahmenzwischenraum quer zur Hubverschiebung h gehindert. Dazu wird die flexible, vorzugsweise in Längsrichtung des Holmes 4 dehnungselastische Seitenwand 24 z.B. durch jeweils eine einfache Clipvorrichtung 28 und 27 an den kurzen Innenschenkel 14 bzw. dem Unterteil des Auflageelements 26 befestigt, um den es vorteilhafterweise zusätzlich geschlungen ist. Die flexible Seitenwand 24 kann aus einem einzigen Gummiband über die Seitenholmlängen von z.B. 200 cm bestehen, mit einer Wandstärke von ca. 1 bis 2 mm. Da ein in Längsrichtung auf Zug beanspruchtes Gummiband eine Querkontraktion zeigt, widersetzt es sich quer zur Zugrichtung einer Dehnung dann stärker.
Die obere bewegliche Seitenwand 24' ist mit dem Auflageelement 26 und mit einer Kappe 23 aus handelsüblichen Weichkunststoffmaterial verbunden zur Aufnahme von z.B. Doppelquerlatten 18, 18' aus Federholzleisten, auf denen die Matratzenauflage 10 liegt.
Die bewegliche obere Seitenwand 24' mit den Querlatten 18, 18' werden vertikal geführt durch eine Nut 15 in dem langen U-Außenschenkel 14', in der eine Rolle 17 läuft, deren Achse 25 in dem waagerechten Oberteil 24'' der Seitenwand 24' verschiebbar eingelassen ist und so die neigungs- und durchbiegungsbedingte Abstandsänderung der Querlatten ausgleicht. Zur Erhöhung des elastischen Hubweges sind die Auflageelemente als Ringfedern 26 ausgebildet, deren elastischer Hub in dem angegebenen Beispiel $h_{el} =H/3$
beträgt bei einer Ringhöhe von 2 H/3.
Bei Druckausübung durch Körperauflage kann die bewegliche Seitenwand 24' an der flexiblen Wand 24 vorbei unter Einstülpung des Behältnisses 1 bis zur Basis des U-Holms 4 abgesenkt werden. Die flexible Seitenwand 24 macht den Einstülpvorgang mit und gleicht Höhenunterschiede zu den benachbarten Auflageelementen durch Längsdehnung aus. Bei besonders starker Belastung kann ein zusätzliches flexibles nicht dehnungsfähiges Verstärkungsband, z.B. aus Gewebe, mit B/2 bis B Breite am Holmschenkel 14 und der Ringfeder 26 befestigt, über die dehnungselastische Seitenwand 24 gespannt angebracht werden.
Die flexible Seitenwand 24 kann auch aus einzelnen Längslamellen als Fortsetzung der Holmseitenwand 14 ohne Verbindung zu den Auflageelementen 26 bestehen, die sich zum Behältnis 1 hin umlegen können, sich durch einen Anschlag der Auswölbung in den Holmzwischenraum aber widersetzen. Diese lamellierte Seitenwand muß im Doppelquerleistenabstand segmentiert sein.
Der Gesamthub des in Fig. 2 dargestellten Flächenlagers ist $h_{ges} {=h+h'}_{el} >4H/3$
. Die Gesamtbauhöhe des Bettes, inklusive einer Auflage mit 2 H/3 Höhe ist dann ${H'}_{ges} =7 H/3 = 24 cm$
für z.B. eine Behältnishöhe H=10 cm. Diese Bauhöhe ist durchaus vergleichbar mit der Gesamthöhe eines konventionellen Unterrahmens mit Matratze. Der reine Flächenlagerhub h_ges ≈14 cm erreicht damit fast 60% der Betthöhe inklusive Matratzenauflage, ohne Einbeziehung der Durchbiegung der Querlatten 18, 18' oder der volumenelastischen Einbuchtung der Auflage 10, die nochmals 4 bis 6 cm Hubanteil beitragen.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt durch ein weiteres technisch funktionelles Lösungsbeispiel für einen Bettflächenlager-Unterrahmen mit abgesenkter, innenliegender Matratzenauflage 10'. Die beiden Vierkantprofil-Seitenholme 34 und 34' nehmen je ein Schlauchbehältnis 1 und 1' auf Die paarweise mit vorzugsweise Doppelquerlatten 18, 18' verbundenen Auflageelemente 16, 16' sind zur Vergrößerung des elastischen Hubweges h_el insbesondere in den kritischen Schulter- und Gesäßregionen des Unterrahmens als Teleskopfederstangen ausgebildet, die in den Oberteilen 19, 19' der Holme in Buchsen 5,5' geführt sind.
Die Teleskopfederstangen 16,16' sind über Z-förmige Wirkelelemente 11,11' mit den Querlatten 18, 18' verbunden, wodurch die Matratze 10' in den Holmzwischenraum abgesenkt werden kann. Dadurch wird wieder ein großes Verhältnis Gesamthub/Gesamtbetthöhe von $h_{ges} {/H}_{ges} ≈1/2$
erreicht. Die Querlattenaufnahmen 12, 12' sind um ihre Achsen 20, 20' drehbar.
Fig. 4 stellt im Querschnitt einen Bettunterrahmen mit L-förmigen stationären Holm 44 und umgekehrt L-förmiger, nach unten absenkbarer Innenwand 44' dar. Die Druckbelastung wird über die Auflage 10, die Querlatten 18, 18' und die Innenwand 44' auf ein elastisches Band 34 um das ankerförmige Auflageelement 36 auf das Schlauchbehältnis 1 übertragen. Das Band der Breite B/2 bis 3 B/2 läuft an der Seitenwandung des Behältnisses 1 vorbei und ist am Unterteil der Seitenwand 44 befestigt. Zur Führung und Umlenkung des Bandes können Rollen 27 eingesetzt werden. Die Umlenkung des Bandes zur Befestigung an der Innenwand ist vorteilhaft, um den Außenteil der Holmbasis auf den Seitenwangenstützen des Bettgestelles auflegen zu können.
In dieser Version wird der zusätzliche elastische Hubanteil h'_el durch das elastische Band, z.B. aus Gummi, bereitgestellt.
Beim Einstülp- und Absenkvorgang rollt die Behältniswand 2 teilweise und gleitet teilweise an der Seitenwand 44' ab. Das Gleiten kann durch die Wahl des Seitenwand-(Oberflächen-) Materials gefördert und/oder durch, z.B. Talkum, unterstutzt werden. Die verbleibende Haftreibung stellt einen weiteren Dämpfungsfaktor dar.
Alle beschriebenen Beispiele des pneumatischen, federnden Unterrahmens mit Auflage können in jedes herkömmliche Bettgestell eingesetzt werden. Da diese in der Regel eine ausreichende Bodenfreiheit haben, ist wie bei herkömmlichen Versionen eine Durchbiegung der Querleisten 18, 18' und der Matratzenauflage 10 unter die Seitenholmunterkante möglich, in dem Beispiel der Fig. 4 auch das Absenken der Innenseitenwand 44'.
Eine Winkelverstellung des Kopf- und Beinteiles des pneumatischen Unterrahmens um mindestens +30° bzw. + 10° ist möglich. In den beschriebenen pneumatischen, federnden Unterrahmen treten auch in Kombination mit zusätzlichen federnden Elementen (Teleskopfederstangen, elastischen Querleisten und Matratzen) praktisch keine die Bewegungsfreiheit behindernde Seitenkräfte auf.
Die Verwendung zweier getrennter symmetrischer, schlauchförmiger Behältnisse 1, 1' in den beiden Seitenholmen des Unterrahmens ergibt eine gleichmäßige Belastungsreaktion und vermeidet den Rausschmeißeffekt beim Einsteigen oder bei einseitiger Belastung des Bettes. Die Zahl der Auflageelemente 6, 6' etc., verbunden mit jeweils Doppelquerlatten beträgt vorteilhafterweise 14 Stück auf einem 200 cm Bettholm angeordnet in 14 cm Abständen. Andere Anordnungen als die beispielhaft beschriebene und Kombinationen mit bekannten oder modifizierten Untermatratzenelementen und Matratzenauflagen sind selbstverständlich ebenfalls möglich. Die erfindungsgemäß außerordentlich hohe Konturanpassungsfähigkeit bei sehr gleichmäßiger Auflagedruckverteilung ohne Druckspitzen wurde mit dem Ergocheck® Druckmatratzen-Computersystem in vielen Versuchen im Schulter- und Gesäßbereich auch bei Seitenlage an drei verschiedenen Prototypen überprüft und nachgewiesen.
Bei allen beschriebenen Versionen kann eine Anpassung an das Gewicht des aufliegenden Körpers und die Beanspruchung wahlweise durch eine oder mehrere der folgenden konstruktiven und funktionellen Maßnahmen vorgenommen werden:

Wahl der Viskosität des inkompressiblen Füllmediums 3
Anpassung der Auflageflächen 7, 7' an das Gesamtgewicht und/oder an die Masseverteilung des Körpers
Stufenlose Variation des Behältnisfülldruckes durch Anpressen einer großflächigen Stempelplatte mit Fläche A≈ B² bis 5 B² an die Unterseite des Behältnisses 1 oder
Einbringung eines separaten Gasvolumens durch ein räumlich abgegrenztes Gaspolster; beide liegen vorzugsweise im Fußteilbereich des Unterrahmens.

Neben der Verwendung als Bettuntermatratze kann das beschriebene pneumatische, federnde Flächenlager auch für Liegen und Sesselpolsterungen, z.B. für länger bettlägerige, bandscheibengeschädigte und querschnittsgelähmte Menschen Verwendung finden, ebenso als konturanpassungsfähiges Flächenlager in der (Großtier-) Veterinärmedizin.
Weitere exemplarische Beispiele für die Verwendungsmöglichkeiten des pneumatischen, federnden Flächenlagers sind:
Flächenlager für Gebäude oder -teile in stark erdbebengefährdeten Gebieten Flächenlager zum Transport von hochempfindlichen Gütern oder Gerätschaften Federnde und neigungsempfindliche Flächenlager im Automobil- und Eisenbahnbau Schwingungs-Entkopplungs-Flächenlager für erschütterungsempfindliche Geräte, Laser, Instrumente oder Experimentiertische.

Claims

Pneumatisches, federndes Flächenlager bestehend aus einem geschlossenen, schlauchartigen, formveränderlichen Behältnis (1), an dem Seitenwände (4,4',4'') teilweise anliegen und dessen Deformation nach außen in mindestens einer Raumrichtung erlauben, in den anderen Raumrichtungen aber behindern, dadurch gekennzeichnet, daß
a) das Behältnis (1) nicht prall mit einem beweglichen, weitgehend inkompressiblen Medium (3) gefüllt ist,

b) auf dem Behältnis (1) mindestens zwei Auflageelemente (6,6') aufliegen, deren Auflageflächen (7,7') in der Summe um eine Größenordnung Kleiner sind als die Oberfläche der Behältniswandung (2), und

c) diese Kleinflächigen Auflageelemente (6,6') schon bei Kleinen auf sie ausgeübten Druckkräften, -F_p und -F'_p, eine Einstülpung (8) in negativer Hubrichtung unter starker Formänderung des Behältnisses (1) und eine positive Aufwölbung (9) bewirken und damit Gesamthubverschiebungen von der Größe der Höhe H des unbelasteten Behältnisses erfahren können.
Pneumatisches, federndes Flächenlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandung (2) des Behältnisses (1) aus einem dehnungselastischen Material besteht, so daß zusätzlich zu der Formänderung eine Volumenänderung des Behältnisses (1) bis zum Druckausgleich hinzukommt, die eine federnde Komponente mit sowohl positiver als auch negativer progressiver Hubabhängigkeit bewirkt, und daß das Medium (3) aus einer Flüssigkeit besteht, die mit oder ohne Gelierung bewirkende Zusatzmittel eine glycerin- bis gelatineartige Konsistenz bestimmter Viskosistät einzustellen erlaubt.
Pneumatisches, federndes Flächenlager nach mindestens einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflageelemente 6,6' in der Form eines T (26) oder eines symmetrischen (36) oder asymmetrischen Ankers (6, 6') ausgebildet sind.
Pneumatisches, federndes Flächenlager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflageelemente (6, 6') als Teleskopfederstangen (16, 16'), oder als ring- (26), oval-, x-, oder doppeltrapezförmige Federelemente ausgebildet sind, oder aus Kombinationen solcher Elemente aus elastischen Materialien zusammengesetzt sind.
Pneumatisches, federndes Flächenlager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei schlauchartige separate Behältnisse (1) und (1') in je einem der als längliche, symmetrische oder asymmethrische U-Profile (4), Vierkanthohl- (34, 34'), V- oder L-Profile (44) ausgebildeten Seitenholme des Unterrahmens eines Bettes, einer Liege oder eines Sessels liegen, und daß geführte Auflageelemente (6, 6', 16, 16', 26, 36) paarig mit Querlatten verbunden sind und auf den Behältnissen (1) und (1') in durch den Quer- oder Doppelquerlattenabstand bestimmten Intervallen aufliegen.
Pneumatisches, federndes Flächenlager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Behältnis (1) entweder über eine flächige Stempelauflage oder durch Einpumpen von Gas in einen räumlich abgetrennten Teil des Behältnisses oder in ein separates, kleineres schlauchartiges Zusatzbehältnis, die vorzugsweise im Fußteil des Unterrahmens im bzw. unter dem Behältnis (1) angeordnet sind, mit einem einstellbaren Vordruck p₀ beaufschlagt werden kann.
Pneumatisches, federndes Flächenlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß verschiebliche, innenliegende Seitenwände (4,4', 24',44'), die in Nuten (15) oder Schienen parallel zur Hubverschiebung geführt werden, ganz oder teilweise an der Behältniswandung (2) anliegen, gegebenenfalls übereinandergleiten oder -rollen können bis die minimale Höhe des eingestülpten Behältnisses (1) erreicht ist.
Pneumatisches, federndes Flächenlager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der an dem Behältnis (1) anliegenden Seitenwand (24) aus einem flexiblen oder faltbaren Material besteht, der den Einstülp- und Auswölbvorgang des Behältnisses (1) in Hubrichtung und die Absenkung der Querlatten (18, 18') auf die Höhe des eingestülpten Behältnisses (1) erlaubt, die Auswölbung quer dazu aber behindert.
Peumatisches, federndes Flächenlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Querlatten (18,18') mit Hilfe von Z-förmigen Winkelelementen (11, 11') mit den Außageelementen (16, 16') verbunden sind und so zusammen mit der aufliegenden Matratze (10') tiefergesetzt zwischen den Seitenholm-Profilen (34, 34') angeordnet sind.
Pneumatisches, federndes Flächenlager nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein elastisches Band (36) um das Behältnis (1) gelegt, an der verschieblichen Innenwand (44') unten befestigt ist und von dieser gezogen oder entspannt den Einstülpvorgang bzw. den Auswölbungsvorgang des Behältnisses in Zugrichtung bewirkt bzw. ermöglicht.