WO2013014114A1

WO2013014114A1 - Pneumatische einrichtung zum erzeugen und übertragen von druckschwingungen über ein luftkissen auf den menschlichen körper

Info

Publication number: WO2013014114A1
Application number: PCT/EP2012/064373
Authority: WO
Inventors: Reinhard Schwenzer
Original assignee: Atec Innovation Gmbh
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2012-07-23
Publication date: 2013-01-31
Also published as: DE102011079712A8; DE102011079712A1

Abstract

Eine pneumatische Einrichtung (10) zum Erzeugen und Übertragen von Druckschwingungen über ein Luftkissen (11) auf den menschlichen Körper (9) ist mit einem Druckerzeuger (13), mit einer Druckleitung (12) zwischen dem Druckerzeuger (13) und dem Luftkissen (11) und mit einem Steuergerät (16) versehen. Zum Erreichen einer effizienten Übertragung von Druckwellen ist vorgesehen, dass der Druckerzeuger (13) durch eine Membranpumpe gebildet ist, die zum Erzeugen eines Druckniveaus sowie zum Erzeugen von Druckschwingungen hergerichtet ist.

Description

Pneumatische Einrichtung zum Erzeugen und Übertragen von Druckschwingungen über ein Luftkissen auf den menschlichen Körper

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine pneumatische Einrichtung zum Erzeugen und Übertragen von Druckschwingungen über ein Luftkissen auf den menschlichen Körper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bekannt sind Kissen, Matratzen, Sessel und Liegen mit elektrischen Vibrationsmotoren (Massagesessel, -kissen,

-liegen und –matratzen zu Relaxation und Entspannung sowie Babysitze, -betten und –wiegen als Einschlafhilfe) sowie solche mit Luftkammer, die durch elektropneumatische Pumpen und Ventile oszillierend mit Druck beaufschlagt werden. Auch Sitz- und Liegemöbel mit integrierten Vibrationsfunktionen werden in vielfältiger Weise am Markt angeboten. Mit der Vibrationsfunktion soll bei diesen Geräten in der Regel eine entspannungsfördernde und beruhigende Wirkung erzielt werden, wie zum Beispiel bei Babys eine Beruhigung im Falle von Schreikrämpfen und zur Schlafförderung. Bei erwachsenen Personen fördern Vibrationen zum Beispiel die Entspannung bei muskulären Verkrampfungen durch Stressbelastung oder sie werden zum Beispiel bei medizinischen Anwendungen zur gezielten Körpermassage eingesetzt (Oszillationstherapie o.a.). Auch der Einsatz zur Therapie von Einschlaf- oder Durchschlafproblemen ist denkbar, ebenso wie zur Unterdrückung von Müdigkeitssymptomen oder zum Aufwecken durch die stimulierende Wirkung bei stärkerer Dosierung.

Für die Vibrationserzeugung werden fast ausschließlich elektromotorische bzw. elektromagnetische oder piezoelektrische Vibrationssysteme verwendet. Diese wirken jedoch nur punktuell, benötigen bei großflächigeren Anwendungen relativ starre Unterkonstruktionen, viel Raum für Vibratoren und Verkabelung, das heißt somit einen vergleichsweise hohen Aufwand in Verbindung mit entsprechend hohen Herstellkosten, Energieverbrauch, Verschleißproblemen und Störanfälligkeit. Da die Beschleunigung und damit Kraftwirkung dieser Vibrationen quadratisch mit der Schwingungsfrequenz ansteigt, lassen sich die Schwingungsfrequenz und die Schwingungsamplitude bei elektromotorischen Systemen nicht unabhängig voneinander einstellen, wodurch der physiologisch wirksame Einsatz erheblich eingeschränkt wird.

Bedingt durch die erforderliche Integration von zahlreichen elektrischen und elektromechanischen Komponenten ergibt sich für die umhüllenden Polsterelemente zudem eine vergleichsweise sperrige und unflexible Bauweise mit dem Nachteil einer schlechten Adaptierbarkeit an bestehende Möbel in Verbindung mit einer deutlichen Reduzierung des Anwendungskomforts.

Weitere medizinisch-physiologische Nachteile durch die Auswirkung der vergleichsweise starken elektrischen und elektromagnetischen Störfelder in unmittelbarer Körpernähe sind zu befürchten. Nicht zuletzt besteht auch ein Gefahrenpotential durch elektrische Stromschläge zum Beispiel in Folge von Flüssigkeits- oder Feuchtigkeitseinwirkung innerhalb der Polsterung oder auch bei schadhafter Kapselung der elektrischen Komponenten.

Betrieben werden diese Vibrationssystem wegen des Gefahrenpotentials zumeist mit Niederspannungs-Stromversorgungen oder auch Batterien bzw. Akkumulatoren. Dadurch bedingt wird in allen Fällen nur eine geringe Energieeffizienz erzielt. Insbesondere der Betrieb mit Batterien oder Akkumulatoren verursacht vergleichsweise hohe Betriebskosten und schränkt die Betriebsdauer zudem wesentlich ein.

Bekannt sind aus der WO 2008/143 468 A2 Matratzen mit Vibrationsmitteln, wobei zahlreiche Piezo-Vibratoren in eine konventionelle Matratze integriert sind. Des Weiteren ist aus der JP 05076440 A eine Matratze für Betten oder ähnliche Produkte bekannt, bei der elektromagnetische Vibratoren in eine konventionelle Matratze integriert sind.

Aus der US 6 695 798 B2 ist eine Luftmatratze mit Massagevorrichtung bekannt, bei der in die Luftmatratze Vibrationsmotoren integriert sind. Somit weisen die vorgenannten Systeme, die auf der Integration von elektrischen Vibrationssystemen in Matratzen basieren, die oben beschriebenen systemimmanenten Nachteile von rein elektrischen Vibrationssystemen auf.

Die JP 02101896 A beschreibt einen akustischen Vibrationsgenerator, bei dem eine akustische Übertragung von Schallwellen über Schläuche in einem Sitzpolster stattfindet. Hierbei wird eine Anordnung zur Übertragung von niederfrequenten Basstönen und Vibrationen eines Lautsprechers durch eine Schlauchleitung in die Sitz- und Rückenpolster eines Stuhls oder Sessels beschrieben. Die Effizienz dieses akustischen Verfahrens zur Vibrationsübertragung mittels Schallwellen ist angesichts der vergleichsweise starren Schlauchhülle der ungünstigen radialen Schalldruckerzeugung und der begrenzten Oberfläche der Schlauchleitung vergleichsweise gering.

Schließlich wird in der WO 2004/045485 A2 ein pneumatischer Pulsationserzeuger beschrieben, der aus einer Exzenter-Membranpumpe mit Druckluftgebläse besteht und bei dem eine Vibrationsübertragung durch Luftkissen auf den menschlichen Brustkorb für spezielle Anwendungen im medizinischen Bereich stattfindet. Hierbei bleibt offen, wie der Exzenter der Exzenter-Membranpumpe sowie das Druckluftgebläse angetrieben werden. Eine derartige Einrichtung ist relativ aufwändig und großbauend.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine pneumatische Einrichtung zur Erzeugung und Übertragen von Druckschwingungen über ein Luftkissen auf den menschlichen Körper der eingangs genannten Art zu schaffen, die die Nachteile der bisher bekannten Vibrationssysteme vermeidet und zu einer effizienteren Übertragung von Druckwellen führt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind bei einer pneumatischen Einrichtung zum Erzeugen und Übertragen von Druckschwingungen über ein Luftkissen auf den menschlichen Körper der genannten Art die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale vorgesehen.

Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen ist eine vereinfachte und hinsichtlich des Druckerzeugers kleinbauende pneumatische Einrichtung erreicht, die für die Übertragung auf Ein- oder Mehrkammerluftkissen über Schlauchleitungen geeignet ist.

Erfindungsgemäß ist als Druckerzeuger eine Membranpumpe vorgesehen, die zum Erzeugen eines Druckniveaus sowie zum Erzeugen von Druckschwingungen hergerichtet ist. Damit ist es einerseits möglich, die erfindungsgemäße Einrichtung fortlaufend auf einem erwünschten Druckniveau zu halten, sowie andererseits die erwünschten Druckschwingungen zu erzeugen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen eines oder mehrerer der Ansprüche 2 bis 4. Dadurch lassen sich weitere Verbesserungen hinsichtlich der Vibrationswirkung erreichen. Durch die Druckwellen-Resonanzabstimmung des Übertragungsschlauches zwischen dem Druck-/Pulsationserzeuger und den Luftkissen kann eine deutliche Verstärkung der Vibrationsamplituden erzielt werden. Durch die optimale Anpassung des Kisseninnendrucks und –volumens an die Resonanzfrequenz des Schwingungssystems aus Luftkissen und aufliegender Gewichtslast kann eine deutliche Verstärkung der Vibrationsamplituden erzielt werden.

Mit den Merkmalen gemäß Anspruch 5 und/oder 6 ist einerseits zu erreichen, dass die Vibrationsamplitude und/oder die Vibrationsfrequenz unabhängig voneinander in einen großen Bereich verändert werden können und dass Luftdruckänderungen, die durch Bewegungen des Kissenbenutzers oder durch charakteristische Geräusche (Schreien, Schnarchen, u.a.) verursacht werden, durch Druckwellen vom Luftkissen auf die Pumpenseite übertragen und dort detektiert und zu Steuerungszwecken (Stimulation, Beruhigung, o.ä.) ausgewertet werden können. Außerdem können Druckschwingungen mit unterschiedlichen Signalfrequenzen und Amplituden überlagert werden.

Mit den Merkmalen nach Anspruch 7 ist erreicht, dass Luftströme, die in unterschiedlicher Weise präpariert sind, wie das Erwärmen oder Kühlen oder das Durchsetzen mit ätherischen Ölen oder medizinischen Gasen/Dämpfen auf den Benutzer übertragen werden können.

Ausführungsbeispiele hinsichtlich der als Druckerzeuger verwendeten Schwinganker-Membranpumpe ergeben sich aus den Merkmalen nach Anspruch 8 oder 11. Dies sind optimale und auf anderen Gebieten angewendete Grundfunktionen einer Schwinganker-Membranpumpe. In vorteilhafter Weise sind gemäß diesen Ausführungsbeispielen Varianten vorgesehen, was zu einer bifunktionalen Druckkammerauslegung mit getrennten Kammern für die Druck- und die Pulsationserzeugung führt, so dass die Vibrationsleistung derartiger Schwinganker-Membranpumpen erheblich gesteigert werden kann. Dabei kann die Vibrationsleistung von gegenläufig arbeitenden Doppelpumpen, wie die linearen Schwinganker-Membranpumpen durch eine pneumatische Verzögerungsleitung zwischen beiden Pumpenseiten deutlich verstärkt werden.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert ist. Es zeigen:

Figur 1 in funktioneller schematischer Darstellung eine pneumatische Einrichtung zum Erzeugen und Übertragen von Druckschwingungen über ein Luftkissen auf den menschlichen Körper gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung,

Figur 1a ein Druck-Zeit-Diagramm der Einrichtung nach Figur 1,

Figur 2 in schematischer längsgeschnittener Darstellung einen Druckerzeuger gemäß einer ersten Ausführungsform,

Figur 3a eine der Figur 2 entsprechende Darstellung eines Druckerzeugers, jedoch gemäß einer Variante der ersten Ausführungsform,

Figur 3b eine der Figur 2 entsprechende Darstellung eines Druckerzeugers, jedoch gemäß einer anderen Variante der ersten Ausführungsform,

Figur 4 in schematischer längsgeschnittener Darstellung einen Druckerzeuger gemäß einer zweiten Ausführungsform,

Figur 5a eine der Figur 4 entsprechende Darstellung eines Druckerzeugers, jedoch gemäß einer Variante der zweiten Ausführungsform, und

Figur 5b eine der Figur 4 entsprechende Darstellung eines Druckerzeugers, jedoch gemäß einer anderen Variante der zweiten Ausführungsform.

Die in Figur 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung dargestellte Einrichtung 10 dient zum Erzeugen und Übertragen von Druckschwingungen über ein Luftkissen 11 auf den menschlichen Körper, hier beispielsweise eines Kleinkindes 9.

Das Luftkissen 11, das mit einer oder mehreren Luftkammern versehen sein kann und das im Bezug auf Größe und Form weitgehend flexibel an die gewünschte Anwendung angepasst werden kann, ist durch einen Luftschlauch bzw. eine Druckleitung 12 unmittelbar mit einem Druckerzeuger 13 verbunden, der gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Schwinganker-Membranpumpe 13 ist.

Es wird darauf hingewiesen, dass als Druckerzeuger 13 nicht nur eine Schwinganker-Membranpumpe zum Einsatz kommen kann, sondern auch jegliche andere Art einer Membranpumpe. So kann auch eine Kolbenmembranpumpe oder eine Exzentermembranpumpe oder dergleichen als Druckerzeuger 13 verwendet werden. Auch wenn in den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen immer nur eine Schwinganker-Membranpumpe zur Anwendung kommt, so soll die vorliegend beschriebene Erfindung nicht auf diese Schwinganker-Membranpumpe beschränkt sein, sondern – wie gesagt – nur ganz allgemein auf Membranpumpen.

Mit der Schwinganker-Membranpumpe 13 ist ein Ansaugventil 14 verbunden, über welches Umgebungsluft angesaugt wird, die die Schwinganker-Membranpumpe zyklisch, das heißt mit der gewählten Betriebsfrequenz, über die Druckleitung 12 in das Luftkissen 11 fördert. Durch ein mit der Druckleitung 12 verbundenes Drosselventil 15 wird das Druckniveau im Luftkissen 11 mittels einer dosierten bzw. einstellbaren Leckageströmung in die Umgebung auf ein vergleichsweise niedriges Niveau von beispielsweise 15 mbar reduziert, um eine zyklische Pulsation des Druckverlaufs in der Druckleitung 12 bzw. im Luftkissen 11 zu erzielen. Ein Beispiel eines derartigen Druckverlaufs in Abhängigkeit von der Zeit t stellt das in Figur 1a gezeigte Diagramm dar. Infolge des geringen Druckniveaus bleibt das Luftkissen 11 relativ flach und schmiegt sich flexibel an die Oberfläche zwischen Auflage und Kissenbenutzer 9 an. Bei gleichbleibenden Anwendungsbedingungen kann das einstellbare Drosselventil 15 durch eine entsprechend dimensionierte und konstante Leckageöffung ersetzt werden. Bei unterschiedlichen, variierenden Anwendungsbedingungen kann das gewünschte mittlere Druckniveau im Luftkissen 11 in vorteilhafter Weise auch durch ein Druckbegrenzungsventil oder durch einen Druckregler eingestellt bzw. limitiert werden.

Das in Bezug auf die Vibrationswirkung optimale Druckniveau P lässt sich aus der wirksamen mittleren Höhe H des belasteten Luftkissens 11 abhängig von der Vibrationsfrequenz f in der folgenden Weise abschätzen:

(1)

wobei

g = Erdbeschleunigung

қ = Isentropenexponent Luft

H = mittlere Kissenhöhe

f = Vibrationsfrequenz

ist.

Ist

g = 9,81 m/s²

қ = 1,4

H = 0,01 m

f = 50 Hz,

so berechnet man mit der Formel (1) einen optimalen Arbeitsdruck von 1411 N/m² = 14 mbar, bei dem im belasteten Luftkissen infolge von Resonanzeffekten unter den gegebenen Voraussetzungen maximale Vibrationsamplituden erzielt werden.

Eine weitere Verbesserung der Vibrationswirkung lässt sich durch eine optimale Längenanpassung der Druckleitung 12 an die Vibrationsfrequenz f erzielen. Verursacht durch die Druckwellen in geschlossenen Leitungssystemen, die sich mit Schallgeschwindigkeit ausbreiten, entstehen auch in der Druckleitung 12 zwischen dem Druckerzeuger 13 und dem Luftkissen 11 akustische Druckschwingungen. Bei einer Dimensionierung der Gesamtlänge L von Druckleitung 12 und Luftkissen 11 entsprechend der Formel

(2)

entstehen bei ungeradzahligen Faktoren von N (1, 3, 5 …) maximale Resonanzamplituden, während bei geradzahligen Faktoren von N (2, 4, 6 …) Resonanzschwingungen weitgehend unterdrückt werden. Mit der Schallgeschwindigkeitskonstanten c in Luft von 340 m/s und einer Vibrationsfrequenz f = 50 Hz berechnet man mit der oben angegebenen Formel (2) beispielsweise als optimale Länge von Druckleitung 12 und Luftkissen 11 eine Gesamtlänge L = 1,7 m (bzw. 5,1 m, 8,5 m, …) zur Erzielung maximaler Resonanzamplituden bei beispielsweise 50 Hz. Vorteilhaft bei dieser Dimensionierung ist insbesondere die Tatsache, dass zur Vibrationserzeugung bereits minimale Ansteuerleistungen im Bereich von zum Teil weniger als 1 W ausreichen, um die gewünschte beruhigende Vibrationswirkung im Luftkissen 11 zu erzielen. Dies ermöglicht zugleich eine entsprechende Reduzierung der Membranpumpen-Größe mit erheblichen Vorteilen im Hinblick auf Kosten, Gewicht, Baugröße, Geräuschpegel, Vibrationen, Verschleiß usw.

Bei einer Gesamtlänge von L = 3,4 m (bzw. 6,8 m, 10,2 m …) werden Resonanzschwingungen im vorliegenden Fall weitgehend unterdrückt. Damit kann beispielsweise eine besonders pulsationsarme Druckerzeugung für niederfrequent modulierte Anwendungen erzielt werden, vorteilhaft zum Beispiel beim Einsatz der Luftkissen 11 im medizinisch-therapeutischen Bereich oder zur Erzeugung sanfter Bewegungen und Schwingungsprofile in Wellness-Liegen.

Bedingt durch diese energieeffiziente akustische Übertragung der Vibrationsschwingungen durch eine Druckleitung in Form einer Schlauchleitung 12 kann der Druckerzeuger 13 ggf. auch in größerer Entfernung zum Vibrations-Luftkissen 11 aufgestellt und betrieben werden. Dadurch können akustische Störgeräusche und elektrische oder elektromagnetische Störfelder vom Benutzer 9 ferngehalten werden. Das Betriebsmedium Luft ist infolge des minimalen Betriebsdrucks von nur wenigen Millibar vollkommen unschädlich. Das Luftkissen 11 ist aufgrund seiner geringen Dicke h und Steifigkeit gut in beliebige Sitz- oder Liegemöbel integrierbar und bietet einen sehr angenehmen Anwendungskomfort.

Figur 1 zeigt außerdem ein Steuergerät 16 zur Ansteuerung der Schwinganker-Membranpumpe 13 über eine Steuerleitung 17 mit den gewünschten Amplituden, Frequenzen und zeit- oder ereignisgesteuerten Sollwertprofilen. Dieses elektrische oder elektronische Steuergerät 16 ist dann nicht notwendig, wenn im einfachsten Fall der Betrieb der Schwinganker-Membranpumpe 13 mit Netzfrequenz von hier 50 Hz erfolgt. Durch eine Amplituden- und/oder Frequenzmodulation der Versorgungsspannung oder zum Beispiel durch zeitgesteuertes Ein-/Ausschalten der Stromversorgung bei einer Wellenpaketsteuerung bzw. Phasenanschnittsteuerung kann der Druckverlauf der Membranpumpe 13 in einfachster Weise unterschiedlich moduliert und vorgegeben werden.

Das Steuergerät 16 kann, wie gestrichelt dargestellt, außerdem über eine Messleitung 18 mit der Druckleitung 12 und/oder über eine Drucksignalleitung 19 mit der Druckleitung 12 verbunden sein. Im ersteren Falle dient die Messleitung 18 dazu, dass das Steuergerät die in der Druckleitung 12 auftretenden Druckschwankungen erfassen kann. Über die Drucksignalleitung 19 können vom Steuergerät 16 auf die Druckleitung 12 unmittelbar Druckschwingungen aufmoduliert werden.

So ist beispielsweise eine Überlagerung niederfrequenter, sanfter Schwingungsverläufe mit höherfrequenten Vibrationen oder Pulsationen möglich. Vorteilhaft ist dabei insbesondere, dass die Amplituden und Frequenzen dieser Druckschwingungen weitgehend unabhängig voneinander vorgegeben werden können. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, durch eine entsprechende Modulation des Druckverlaufs angenehme Töne, Geräusche oder Klangbilder zu übertragen. Bei höherfrequenter Auslegung des Membranpumpenantriebs oder bei akustischer Einkopplung über Schallwandler ist die Übertragung von Musik und/oder Sprache ins Luftkissen 11 möglich. Somit kann eine lokale Übertragung von Informationen, Lerninhalten, Melodien o.ä. im Schlaf mit gezielter lokaler Beschallung des Benutzers 9 des Luftkissens 11 erfolgen.

Auch kurzzeitige Druckänderungen beispielsweise infolge einer Kompression oder Entlasten des Luftkissens 11 durch Bewegungen des Benutzers 9 können über die Druckleitung 12 zur Seite der Membranpumpe 13 übertragen und dort mittels Drucksensoren in einfacher Weise detektiert und ausgewertet werden. Dies gilt auch für die Übertragung von Schallwellen, die beispielsweise durch Schreilaute eines Kleinkindes oder durch das Geräusch eines schnarchenden Benutzers 9 verursacht werden. Mit Hilfe dieser Sensorsignale können ggf. spezielle Funktionen des Luftkissens 11, beispielsweise zur Beruhigung oder zum Aufwecken aktiviert werden oder auch andersartige Funktionen, wie Alarmsignale o.ä. ausgelöst werden.

Allein durch elektronische Maßnahmen im bzw. mit dem Steuergerät 16 können mit einer wellenartigen Steuerung oder Regelung der Schwingungsamplituden auch größere Druckschwankungen ohne die zusätzliche Verwendung von weiteren Schalt- oder Regelventilen erzeugt werden. Dies verringert den Kostenaufwand, die Geräuschentwicklung und auch den Komponentenverschleiß in erheblicher Weise und ermöglicht weitere Anwendungen, wie beispielsweise der Erzeugung von sanften Bewegungen des Luftkissens 11. Sehr wirksam ist dieser Effekt insbesondere als Maßnahme zur Entspannung und Beruhigung des Anwenders bzw. Benutzers 9 und kann im Zusammenhang mit einer Druck- oder Differenzdruckregelung sehr gezielt dosiert werden. So können beispielsweise mit zwei getrennt platzierten Luftkissen 11 mit jeweils separater Druckversorgung durch zwei Schwinganker-Membranpumpen 13 mit Hilfe einer koordinierten und zeitversetzten Ansteuerung wellenförmige Bewegungseindrücke oder auch schaukelnde und wiegende Bewegungsverläufe erzeugt werden.

Durch den permanenten Luftaustausch zwischen Druckerzeuger 13 und Luftkissen 11, der ggf. durch eine stellenweise poröse Kissenoberfläche oder durch entsprechend kleine Luftöffnungen unterstützt wird, kann mit dem Luftstrom beispielsweise auch Wärme oder Kälte gezielt in die umhüllenden Polsterelemente mittels der Druckleitung 12 übertragen werden, wie dies in Figur 1 durch den der Druckleitung 12 zugeordneten Pfeil A dargestellt ist. Diese Art der Klimatisierung des Luftstromes kann auf der Pumpenseite durch Heiz- oder Kühlelemente (Wärmetauscher) an den Luftstrom abgegeben werden. Klimatisierung beinhaltet auch beispielsweise eine permanente Trocknung des Luftstromes und damit der Polsterung bei schwül-warmer Witterung oder bei schwitzenden oder ggf. nässenden Anwendern 9.

Im Bedarfsfall kann die angesaugte Umgebungsluft auch befeuchtet und/oder mit Duftstoffen und/oder mit medizinisch wirksamen ätherischen Ölen und/oder gasförmigen Substanzen angereichert werden. Durch die einfache, komfortable und vorteilhafte Integrationsmöglichkeit derartiger Luftkissen 11 beispielsweise in Matratzen, Liegen oder Sitzmöbeln lassen sich mit dieser Technologie sehr vielseitige und zum Teil neuartige Anwendungsgebiete erschließen.

Wie bereits erwähnt wurde, ist erfindungsgemäß als Druckerzeuger 13 ganz allgemein eine Membranpumpe vorgesehen. Wie die Figuren 2 bis 5b zeigen, kann als Druck- und Pulsationserzeuger 13 vorzugsweise eine Schwinganker-Membranpumpe 13 verwendet werden. Die Grundpulsation des erzeugten Luftstromes wird durch zyklische Ansaug- und Verdichtungsvorgänge verursacht und kann durch die weiter oben beschriebenen Maßnahmen insbesondere durch die Ausnutzung von akustischen und mechanischen Resonanzeffekten gezielt verstärkt oder auch abgeschwächt werden.

Die Figuren 2 bis 5b zeigen unterschiedlich aufgebaute Schwinganker-Membranpumpen 13, 13‘, 13‘‘ bzw. 113, 113‘, 113‘‘, die zur Vermeidung von übermäßigen mechanischen Vibrationen als Doppelpumpen mit spiegelbildlicher Anordnung ausgeführt sind, so dass sich die beiden Volumen-Luftströme ebenso wie die erzeugten Pulsationen aufsummieren.

Bei der in Figur 2 in schematischer längsgeschnittener Darstellung gezeigten Schwinganker-Membranpumpe 13 sind zwei identische Permanentmagnete 21 und 22 am freien T-förmigen Ende 23 bzw. 24 je eines Schwenkhebels 25, 26 befestigt, der in einem beabstandeten Lager um eine Schwenkachse 27, 28 gemäß Doppelpfeil B hin und her bewegbar ist. Dabei sind die beiden Schwenkhebel 25 und 26 synchron gegensinnig bewegt. Zwischen den beiden Schwenkhebeln 25 und 26 befindet sich eine Membranordnung 30 mit einer eine erste Membrankammer 32 begrenzenden hier linken Membran 31 und einer im Ruhezustand identischen eine zweite Membrankammer 34 begrenzenden hier rechten Membran 33. Zwischen den beiden Membrankammern 32 und 34 befindet sich ein Kanal 35, der eine Ansaugseite 36 und eine Druckseite 37 aufweist, zwischen denen ein mit der Ansaugseite 36 über eine Öffnung 41 in Verbindung stehender Ansaugraum 38 und ein über eine Öffnung 42 mit der Druckseite 37 verbundener Druckraum 39 angeordnet sind. Ansaugraum 38 und Druckraum 39 sind durch eine undurchlässige Wand voneinander getrennt. Jede der beiden Membrankammern 32 und 34 ist über ein Saugventil 43, 44 mit dem Ansaugraum 38 und über ein Druckventil 46 bzw. 47 mit dem Druckraum 39 verbunden. Die Ventile 43, 44, 46, 47 sind als Rückschlagventile ausgebildet. Die gemäß Figur 2 linke Membran 31 und die gemäß Figur 2 rechte Membran 33 sind jeweils in ihrem Ruhestandsscheitelpunkt mit dem betreffenden Schwenkhebel 25 bzw. 26 bewegungsfest verbunden.

Oberhalb und nahe der beiden Permanentmagnete 21 und 22 ist eine elektrische Spule 50 angeordnet, die ringförmig ist und deren Ringachse mit der durch den Kanal 35 gehenden Symmetrieachse der Permanentmagnetanordnung 21, 22 und der Membrananordnung 30 fluchtet. Mit anderen Worten, der elektrischen Spule 50 ist der jeweilige Nordpol der beiden Permanentmagnete 21 und 22 zugewandt.

Je nach der Polarität der an die elektrische Spule 50 angelegten Wechselspannung von beispielsweise 60 Hz bewirkt das auf die Permanentmagnete 21 und 22 wirkende Magnetfeld eine Auslenkung der beiden Permanentmagnete 21 und 22 und damit der Schwenkhebel 25 und 26 synchron entweder zur Mitte oder jeweils äußeren Seite gemäß Figur 2. Mit dieser Bewegung werden die Membranen 31 und 33 so bewegt, dass sich beide Membrankammern 32 und 34 gleichzeitig vergrößern bzw. verringern. Beispielsweise erfolgt bei einer Bewegung in Richtung des Pfeiles B1 (nach außen) eine Ansaugströmung von der Ansaugseite 36 in die sich vergrößernden Membrankammern 32 und 34. Bei einer Bewegung der Schwenkhebel 25 und 26 in Richtung des Pfeiles B2 (nach innen), d.h. zur Mitte, erfolgt eine Druckströmung aus den sich verkleinernden Membrankammern 32 und 34 in den Druckraum 39 und damit in hier nicht dargestellter Weise in die Druckleitung 12.

Die Schwinganker-Membranpumpe 13‘ gemäß Figur 3a ist vom Grundsatz her in weiten Teilen mit der Schwinganker-Membranpumpe 13 nach Figur 2 identisch, so dass lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Wegen der synchronen/gleichsinnigen Arbeitsweise beider Pumpenhälften können bei dieser Schwinganker-Membranpumpe 13 bzw. 13‘ an einer der Ansaugseiten sowie an einer der Druckseiten die Rückschlagventile entfallen. Beispielsweise ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel keine Verbindung zwischen dem Ansaugraum 38‘ und der in Figur 3a rechten Membrankammer 34‘ vorgesehen. Des Weiteren ist zwischen der in Figur 3a rechten Membrankammer 34‘ und dem Druckraum 39‘ lediglich eine konstante Öffnung vorgesehen. Während also diese eine Ansaugöffnung dauerhaft gesperrt ist, bleibt die Öffnung 47‘ ständig geöffnet, mit dem Ergebnis einer deutlich verstärkten Pulsationswirkung durch zyklisches Ansaugen und Zurückpumpen des Luftvolumens im Luftkissen 11. Die andere in Figur 3a linke Pumpenhälfte wird dabei unverändert zur Erzeugung eines permanenten Basisdrucks und Luftstroms verwendet.

Die Schwinganker-Membranpumpe 13‘‘ gemäß Figur 3b ist vom Grundsatz her in weiten Teilen mit der Schwinganker-Membranpumpe 13 nach Figur 2 bzw. der 13‘ der Figur 3a identisch, so dass lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Insbesondere im Unterschied zu der Schwinganker-Membranpumpe 13‘ der Figur 3a ist bei der Schwinganker-Membranpumpe 13‘‘ der Figur 3b zwischen der rechten Membrankammer 34‘‘ und dem Druckraum 39‘‘ sowie zwischen der linken Membrankammer 32‘‘ und dem Druckraum 39‘‘ jeweils lediglich eine konstante Öffnung 47‘‘, 46‘‘ vorhanden, während zwischen der rechten Membrankammer 34‘‘ und dem Ansaugraum 38‘‘ sowie zwischen der linken Membrankammer 32‘‘ und dem Ansaugraum 38‘‘ jeweils ein Rückschlagventil 44‘‘, 43‘‘ vorhanden ist. Diese Variante bringt den Vorteil mit sich, dass die beiden Hälften der Schwinganker-Membranpumpe 13‘‘ symmetrisch ausgestaltet sind. Daher kann gegebenenfalls auf einen der beiden Schwenkhebel 25, 26 und eine der beiden Membrankammern 32‘‘, 34‘‘ verzichtet und die Schwinganker-Membranpumpe 13‘‘ insgesamt nur halbseitig ausgeführt werden, was unter anderem eine besonders kompakte und kostengünstige Herstellung ermöglicht.

Figur 4 zeigt eine auch als Linear-Membranpumpe bezeichnete Schwinganker-Membranpumpe 113, bei der die beiden Permanentmagnete 121 und 122 in axialer Bewegungsrichtung miteinander bewegungsfest gekoppelt sind. Dabei ist der eine hier linke Permanentmagnet 121 gegenüber dem anderen hier rechten Permanentmagneten 122 umgekehrt in Nord-Süd-Richtung gepolt. Auf beiden Seiten der Permanentmagnetanordnung 121, 122 ist eine elektrische Spule 150 bzw. 151 angeordnet, deren Spulenachsen miteinander fluchten und senkrecht zur Bewegungsrichtung und Längserstreckung der beiden aneinandergekoppelten Permanentmagnete 121, 122 angeordnet sind. Die lineare Hin- und Herbewegung der beiden Permanentmagnete 121 und 122 entsprechend der Polarität der an die Spulen angelegten Wechselspannung erfolgt in Richtung des Doppelpfeils C.

Die Membrananordnung 130 ist derart, dass der eine linke Permanentmagnet 121 mit der in Figur 4 linken Membran 131 bewegungsschlüssig verbunden ist, welche Membran 131 eine Membrankammer 132 abgrenzt, während der in Figur 4 rechte Permanentmagnet 122 mit der Membran 133, die die Membrankammer 134 abgrenzt bewegungsschlüssig verbunden ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jede Membrankammer 132 bzw. 134 an einen Ansaugraum 138, 138‘ und davon getrennten Druckraum 139, 139‘ angrenzend angeordnet, wobei die beiden Räume 138 und 139 bzw. 138‘ und 139‘ im Zuge eines jeweils eine Ansaugseite 136, 136‘ und eine Druckseite 137, 137‘ aufweisenden Kanals 135, 135‘ angeordnet sind. Auf jeder der beiden Seiten sind Luftansaugöffnungen 141, 141‘ und Luftaustrittsöffnungen 142, 142‘, sowie als Rückschlagventile ausgebildete Saugventile 143, 144 und Druckventile 146 und 147 vorgesehen. Die Funktion ist entsprechend der Funktion der Schwinganker-Membranpumpe 13, wobei die beiden Druckseiten 137 und 137‘ durch einen Druckkanal 153 miteinander verbunden sind, der zur Druckleitung 12 führt.

Eine derartige lineare Membranpumpe besitzt einen höheren Wirkungsgrad, eine robustere und langlebigere Konstruktion und prinzipbedingt aufgrund der geringeren Pulsation durch die gegensinnige Arbeitsweise eine nahezu kontinuierliche Luftstromerzeugung.

Wegen der gegenläufigen Arbeitsweise beider Pumpenseiten ist eine Modifikation zur Erzielung von stärkeren Druckpulsationen gemäß Figur 5a als Variante nur in Verbindung mit einer zeitlichen Verzögerung der gegenläufigen Druckimpulse entsprechend der halben Periodendauer der Betriebsfrequenz möglich. Eine solche Verzögerung ist durch eine in Bezug auf Länge und Querschnitt an die Betriebsfrequenz der Membranpumpe 113‘ angepasste Verzögerungsleitung 155 in der Verbindung beider Pumpenseiten zu erreichen. Bei dieser Modifikation bzw. Variante gemäß Figur 5a ist auf einer Pumpenseite entsprechend der Variante nach Figur 3a, hier jedoch auf der der Druckleitung näherliegenden Seite keine Verbindung zwischen Membrankammer 134‘ und Ansaugraum 138‘ vorgesehen und es ist zwischen Druckraum 139‘ und Membrankammer 134‘ kein Rückschlagventil sondern eine konstante Öffnung 147‘ vorgesehen.

Die Verzögerungsleitung 155 dient dazu, die Druckwelle aus dem in Figur 5a linken Druckraum 139 mit der aus dem in Figur 5a rechten Druckraum 139‘ kommenden Druckwelle gleichzeitig in die zum Luftkissen 11 führende Druckleitung 12 einzubringen.

Die Schwinganker-Membranpumpe 113‘‘ gemäß Figur 5b ist vom Grundsatz her in weiten Teilen mit der Schwinganker-Membranpumpe 113 nach Figur 2 bzw. der 113‘ der Figur 5a identisch, so dass lediglich auf die Unterschiede eingegangen wird. Insbesondere im Unterschied zu der Schwinganker-Membranpumpe 113‘ der Figur 5a ist bei der Schwinganker-Membranpumpe 113‘‘ der Figur 5b – in ähnlicher Weise wie bei der Schwinganker-Membranpumpe 13‘‘ der Figur 3b - zwischen der rechten Membrankammer 134‘‘ und dem Druckraum 139‘‘ sowie zwischen der linken Membrankammer 132‘‘ und dem Druckraum 139‘‘ jeweils lediglich eine konstante Öffnung 147‘‘, 146‘‘ vorhanden, während zwischen der rechten Membrankammer 134‘‘ und dem Ansaugraum 138‘‘ sowie zwischen der linken Membrankammer 132‘‘ und dem Ansaugraum 138‘‘ jeweils ein Rückschlagventil 144‘‘, 143‘‘ vorhanden ist. Diese Variante bringt den Vorteil mit sich, dass die beiden Hälften der Schwinganker-Membranpumpe 113‘‘ symmetrisch ausgestaltet sind und daher unabhängig voneinander auch zwei getrennte Luftkammern oder auch Luftkissen mit unterschiedlichem Druck und/oder unterschiedlichen Pulsationen beaufschlagen können. Es könnte aber auch auf eine der beiden Membrankammern verzichtet und die Schwinganker-Membranpumpe 113‘‘ insgesamt nur halbseitig ausgeführt werden, was unter anderem eine kompaktere und kostengünstigere Herstellung ermöglicht.

Die in der Figur 5a vorhandene Verzögerungsleitung 155 kann bei der Schwinganker-Membranpumpe 113‘‘ der Figur 5b gegebenenfalls ebenfalls vorhanden sein. Dies ist aber insbesondere bei der Beaufschlagung von zwei Luftkammern oder Luftkissen über getrennte Druckleitungen nicht erforderlich.

Claims

Pneumatische Einrichtung (10) zum Erzeugen und Übertragen von Druckschwingungen über ein Luftkissen (11) auf den menschlichen Körper (9), mit einem Druckerzeuger (13) und mit einer Druckleitung (12) zwischen dem Druckerzeuger (13) und dem Luftkissen (11), dadurch gekennzeichnet, dass der Druckerzeuger (13) durch eine Membranpumpe gebildet ist, die zum Erzeugen eines Druckniveaus sowie zum Erzeugen von Druckschwingungen hergerichtet ist (Figur 1a).
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckleitung (12) zur Außenatmosphäre hin mit einer Leckageöffnung oder einem einstellbaren Drosselventil oder Druckbegrenzungsventil (15) versehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsdruck des Druckerzeugers (13) in Abhängigkeit von der mittleren Luftkissenhöhe (11) und der Vibrationsfrequenz einstellbar ist.
Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge der Druckleitung (12) an die gewählte Vibrationsfrequenz anpassbar ist.
Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Steuergerät (16) aufweist, das über eine Messleitung (18) mit der Druckleitung (12) verbunden ist.
Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät (16) über eine Beaufschlagungs- bzw. Modulationsleitung (19) mit der Druckleitung (12) verbunden ist.
Einrichtung nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckleitung (12) mit einem Klimatisierungselement und/oder einem Zusatzstoffe einbringenden Element verbunden ist.
Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwinganker-Membranpumpe (13) zwei nebeneinander angeordnete Permanentmagnete (21, 22), die am freien Ende (23, 24) je eines Schwenkhebels gehalten und senkrecht zu einer Achse einer elektrischen Ringspule (50) angeordnet sind, aufweist, wobei zwischen den beiden gegensinnig bewegten Schwenkhebeln (25, 26) eine Membrananordnung (30) mit zwei gegenüberliegenden Membrankammern (32, 34) gehalten ist und wobei die eine Membran (31) mit dem einen Schwenkhebel (25) und die andere Membran (33) mit dem anderen Schwenkhebel (26) bewegungsfest verbunden ist und zwischen den beiden Membrankammern (32, 34) ein Ansaugraum (38) und ein davon getrennter Druckraum (39) angeordnet sind.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugraum (38‘) zu einer der Membrankammern (32) mit einem Ventil (43) versehen und zur anderen Membrankammer (34‘) geschlossen ist und der Druckraum (39‘) mit der einen Membrankammer (32) über ein Ventil (46) und zur anderen Membrankammer (34‘) über eine Öffnung (47‘) ohne Ventil verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (39‘‘) zu beiden Membrankammern (32‘‘, 34‘‘) über jeweils eine Öffnung (46‘‘, 47‘‘) und der Ansaugraum (38‘‘) zu beiden Membrankammern (32‘‘, 34‘‘) über jeweils ein Rückschlagventil (43‘‘, 44‘‘) verbunden ist.
Einrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwinganker-Membranpumpe (113) mit zwei gegensinnig gepolten und axial starr miteinander verbundenen Permanentmagneten (121, 122) versehen ist, die in der miteinander fluchtenden Achse zweier nebeneinander befindlichen elektrischen Ringspulen (150, 151) angeordnet sind und von denen das freie Ende des einen Permanentmagneten (121) mit der einen Membran (131) einer Membrankammer (132) einer Membrananordnung (130) und das freie Ende des anderen Permanentmagneten (122) mit der anderen Membran (133) der anderen Membrankammer (134) der Membrananordnung (130) starr gekoppelt ist und dass jede der beiden Membrankammern (132, 134) mit einem Ansaugraum (138, 138‘) und einem Druckraum (139, 139‘) verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Membrankammern (132, 134) zum Ansaugraum (138‘) ohne Verbindung ist und zum Druckraum (139‘) mit einer Verbindungsöffnung (147‘) ohne Ventil versehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckraum (139‘‘) zu beiden Membrankammern (132‘‘, 134‘‘) über jeweils eine Öffnung (146‘‘, 147‘‘) und der Ansaugraum (138‘‘) zu beiden Membrankammern (132‘‘, 134‘‘) über jeweils ein Rückschlagventil (143‘‘, 144‘‘) verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwinganker-Membranpumpe (13‘‘, 113‘‘) insgesamt nur halbseitig ausgeführt ist.
Einrichtung nach Anspruch 10 oder Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Luftkissen vorhanden sind, und dass die Schwinganker-Membranpumpe (13‘‘, 113‘‘) die beiden Luftkissen unabhängig voneinander mit einem unterschiedlichem Druck und/oder unterschiedlichen Pulsationen beaufschlagt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden entfernt voneinander liegenden Druckräume (139, 139‘) der Membrananordnung (130) mit einer in ihrer Länge wählbaren Verzögerungsleitung (155) verbunden sind.