DE68909707T2

DE68909707T2 - Atemgerät.

Info

Publication number: DE68909707T2
Application number: DE89307083T
Authority: DE
Inventors: David Brian Edwards
Original assignee: Racal Health and Safety Ltd
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1988-07-26
Filing date: 1989-07-13
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 2009-07-14
Also published as: FI893539A7; AU612876B2; DE68909707D1; US4971052A; GB2221164B; GB2221164A; FI89332C; GB8916087D0; FI89332B; FI893539A0; EP0352938A2; AU3887589A; EP0352938A3; CA1310248C; JP2858131B2; EP0352938B1; JPH0274267A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Atmungsvorrichtungen, wie sie als Servoatmungsgeräte oder servounterstützte Atmungsgeräte bekannt sind, bei welchen ein motorgetriebener Ventilator dem Gesicht des Benutzers einen Strom gefilterter Luft zuführt, wodurch dem Benutzer (bei normalem Betrieb) in ausreichendem Maß saubere, atmungsfähige Luft zugeführt wird, wenn er die Vorrichtung in kontaminierter Atmosphäre trägt.
Für den Benutzer besteht ein Hauptvorteil eines servounterstützten Atmungsgeräts, verglichen mit einem herkömmlichen nicht servounterstütztem Atmungsgerät, bei welchem der oder die Filter unmittelbar an den Einlaß der Gesichtsmaske angeschlossen sind, in der Entlastung seiner Lungen von der Dehnungsarbeit, welche diese sonst gegen den Widerstand der Filter verrichten müßten. Dies ist insbesondere von Bedeutung, wenn Aktivkohlefilter oder ähnliche chemische Filter zur Entfernung kontaminierter Gase und/oder Dämpfe aus Luft verwendet werden, deren Atmungswiderstände diejenigen von Staub- und Partikelfiltern bei weitem übersteigen.
Die meisten Servoatmungsgeräte führen ihrem Benutzer, unabhängig von dessen momentanen Atmungsanforderungen, immer einen konstanten und kontinuierlichen Luftstrom zu. Dies ist jedoch reichlich verschwenderisch und führt zu einer vorzeitigen Erschöpfung der Filter - und auch der Batterien, mit denen der Ventilator betrieben wird - da die gefilterte Luft nur während der Inhalationsphase tatsächlich benötigt wird. Dieses Problem der begrenzten Filterlebensdauer ist wiederum besonders bei der Verwendung von Gas- und Dampffiltern akut, obschon es auch bei Partikelfiltern auftritt.
Zur Verminderung dieses Nachteils und zur Erhöhung der Lebensdauer der Filter in einem Servoatmungsgerät wurde vorgeschlagen, den Betrieb des Ventilatormotors in Abhängigkeit eines innerhalb der Vorrichtung gemessenen Druckparameters zu steuern, so daß der Motor während der Ausatemphase des Benutzers abgeschaltet wird. Während dieser Perioden wird daher keine Luft durch die Filter gesaugt und die Kapazität der Filter (und der Batterien für den Motor) wird nicht unnötig eingeschränkt. In der Patentbeschreibung Nr. 2 032 284 des Vereinigten Königreichs überwacht beispielsweise ein Sensor den Druck in der Gesichtsmaske des Atemgeräts und schaltet den Motor ab, wenn dieser Druck infolge der Ausatmung des Benutzers über einen bestimmten Schwellenwert ansteigt. In der Patentbeschreibung Nr. 2 141 348 des Vereinigten Königreichs überwacht ein Sensor den Druck an einem Ort zwischen den Filtern und dem Ventilator (wobei sich die Filter stromaufwärts von dem Ventilator befinden) und schaltet den Motor ab, wenn dieser Druck infolge der Ausatmung des Benutzers (und der darauf folgenden Schließung eines Einatmungsventils an der Gesichtsmaske) einen bestimmten Schwellenwert übersteigt.
Bei diesen vorbekannten Systemen wird der Druck, mit welchem der Motor gesteuert wird, als Differenz zum atmosphärischen Druck gemessen. Die Drucksensoren umfassen daher eine dünne flexible Membran, welche an ihren einander gegenüberliegenden Seiten mit einem bestimmten Punkt im Innenraum des Atmungsgerätes bzw. mit der äußeren Atmosphäre in Verbindung steht - d.h. mit der kontaminierten Atmosphäre, vor welcher das Atmungsgerät schützen soll. Man hat jedoch herausgefunden, daß verschiedene chemische Stoffe, vor welchen man sich schützen will, in der Lage sind, die Materialien, aus welchen die Membranen für die Drucksensoren üblicherweise hergestellt sind, entweder angreifen oder durch diese hindurchdiffundieren können, was zu einer entsprechenden Gefährdung für den Benutzer führt. Es sei auch angemerkt, daß diese vorbekannten Kontrollsysteme im wesentlichen Ein/Aus-Systeme mit zwei Zuständen sind und demzufolge die Zufuhr an gefiltertem Gas nicht den wechselnden Atmungsanforderungen des Benutzers anpassen können.
Die vorliegende Erfindung begegnet diesen Nachteilen der vorbekannten Anordnungen und hat demzufolge in einem ihrer Aspekte zum Gegenstand eine Atmungsvorrichtung mit einem motorisch angetriebenen Ventilator; mit dem Ventilator verbundene Filter zur Entfernung einer oder mehrerer unerwünschter Komponenten aus der Außenluft, welche durch den Betrieb des Ventilators in die Vorrichtung eingesaugt wird; eine Gesichtsmaske oder ein anderes angeschlossenes Atmungszwischenstück zur Aufnahme dieser gefilterten Luft; einen Differenzdrucksensor mit einer Membran oder einem anderen flexiblen druckempfindlichen Bauteil (z.B. Balgen), welcher so an die Vorrichtung angeschlossen ist, daß seine beiden einander gegenüberliegenden Seiten dem Druck innerhalb der Vorrichtung stromabwärts des Ventilators bzw. dem Druck innerhalb der Vorrichtung stromaufwärts des Ventilators oder dem atmosphärischen Druck ausgesetzt sind, wobei im Fall der Zerstörung des druckempfindlichen Bauteils oder bei dessen Durchlässigkeit gegenüber einer unerwünschten Komponente der Anschluß des Drucksensors keine Verbindung von der äußeren Atmosphäre zu dem Atmungszwischenstück bildet, welche den Filter nicht ebenfalls beinhaltet; und eine Einrichtung zur Kontrolle des Betriebs des Ventilatormotors in Abhängigkeit von dem Sensor zur Reduzierung des den Ventilator durchtretenden Luftstroms im Falle einer Erhöhung der von dem Sensor gemessenen Druckdifferenz und zur Erhöhung des den Ventilator durchtretenden Luftstroms im Falle einer Erniedrigung dieser Druckdifferenz.
Es werden zwei Einzelanordnungen vorgestellt. Bei der ersten befinden sich die Filter stromaufwärts von dem Ventilator und das druckempfindliche Bauteil ist so angeschlossen, daß es mit seinen einander gegenüberliegenden Seiten dem Druck innerhalb der Vorrichtung stromabwärts des Ventilators bzw. dem Druck innerhalb der Vorrichtung stromabwärts der Filter, jedoch stromaufwärts des Ventilators ausgesetzt ist. Demzufolge sind beide Seiten des druckempfindlichen Bauteils in dem Drucksensor Luft ausgesetzt, welche den Filter bereits durchlaufen hat und keine Seite ist der äußeren, kontaminierten Atmosphäre ausgesetzt. Der Nachteil eines potentiellen Angriffs oder der Diffusion von Verschmutzungsstoffen aus der Atmosphäre durch das Bauteil wird hierdurch vermieden.
In einigen Anwendungsfällen ist es jedoch vorteilhaft, das servounterstützte Atmungsgerät so anzuordnen, daß der Filter unmittelbar an den Einlaß der Gesichtsmaske oder eines anderen Atmungszwischenstücks angeschlossen ist und der Ventilator stromaufwärts des Filters angeordnet ist, d.h. daß der Ventilator bezüglich des Filters in einem "Schiebe"-Betrieb anstatt in dem oben betriebenen "Zug"-Betrieb arbeitet. Einige Benutzer bevorzugen diese Anordnung beispielsweise zur Minimierung der Anzahl der Klebestellen zwischen dem Filter und der Gesichtsmaske oder weil auf diese Weise eine Gesichtsmaske zusammen mit einem daran angebrachten Filter vorbereitet werden und die Ventilatoreinheit anschließend daran angeschlossen werden kann.
In der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher der Filter stromabwärts von dem Ventilator angeordnet und das druckempfindliche Bauteil ist so angeschlossen, daß es an seinen einander gegenüberliegenden Seiten dem Druck innerhalb der Vorrichtung stromabwärts vom Ventilator, jedoch stromaufwärts vom Filter bzw. dem Druck innerhalb der Vorrichtung stromaufwärts vom Ventilator oder atmosphärischem Druck ausgesetzt ist. Auf diese Weise wird, obwohl die Membran oder ein anderes druckempfindliches Bauteil des Drucksensors kontaminierter Luft ausgesetzt sein können, jede Verunreinigung, welche durch das Bauteil diffundiert, aus dem Luftstrom entfernt, bevor dieser dem Benutzer zugeführt wird, weil der Sensor stromaufwärts von dem Filter angeschlossen ist. In dem extremen, wenngleich unwahrscheinlichen Fall der Zerstörung des druckempfindlichen Bauteils durch eine besonders aggressive Atmosphäre, kann der Sensor so angeordnet werden, daß er "sicher versagt", d.h. daß bei seinem Versagen ein kontinuierlicher Betrieb des Ventilatormotors einsetzt.
Bei jeder Anordnung ist die gemessene Druckdifferenz normalerweise die Differenz zwischen den Drücken am Auslaß und am Einlaß des Ventilators, was die maximale meßbare Differenz in dem Ventilatorsystem darstellt (und in der zweiten Anordnung der Differenz zwischen dem Auslaß des Ventilators und der Atmosphäre entspricht).
Jedoch können in einigen Ausführungen, in welchen es nicht notwendig ist, mit der Maximaldifferenz zu arbeiten, auch andere Punkte innerhalb des Ventilators ausgewählt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Drucksensor so angeordnet, daß er ein variables Ausgangssignal über den Bereich von Druckdifferenzen erzeugtm in welchem eine Proportionalkontrolle des Ventilatordurchsatzes ausgeführt wird. In diesem Fall kann der Sensor einen Sender und einen Empfänger im Infrarotbereich oder im Bereich einer anderen ausgewählten elektromagnetischen Strahlung umfassen, welche in Bezug auf das druckempfindliche Bauteil so angebracht sind, daß der Anteil der vom Sender emittierten Strahlung, welcher vom Empfänger empfanger wird, von der von dem Bauteil angenommenen Verbiegungsstellung abhängig ist, wobei das Ausgangssignal des Empfängers Änderungen in der Druckdifferenz anzeigt.
Die gemessene Druckdifferenz hängt von der Atmungscharakteristik des Benutzers ab und die Art und Weise, in welcher diese zur Änderung des Betriebs des Ventilators in Abhängigkeit von den Atmungsanforderungen des Benutzers verwendet werden kann, ist aus der ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, zusammen mit den begleitenden schematischen Zeichnungen, leichter verständiglich. Diese zeigen:
Fig. 1 eine diagrammartige Darstellung einer Atmungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform eines Differenzdrucksensors zur Verwendung in der Vorrichtung nach Figur 1;
Fig. 3 ein Diagramm eines elektronische Kontrollschaltkreises für den Ventilatormotor der Vorrichtung; und
Fig. 4 eine diagrammartige Darstellung einer Atmungsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
Wie aus Figur 1, welche eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Atemgeräts darstellt, ersichtlich ist, weist dieses eine Gesichtsmaske 1 auf, welche sich über das ganze Gesicht einschließlich der Augen, der Nase und des Mundes des Benutzers erstreckt und von einer (nicht dargestellten) Halterungsvorrichtung fixiert wird, welche sich um die Rückseite des Kopfes des Benutzers erstreckt und peripher mit dem Kopf des Benutzers verbunden ist. Diese Gesichtsmaske ist als Doppelmaske ausgeführt mit einer ein Visier aufweisenden äußeren Maske 2 mit einem Lufteinlaß 3, welcher ein Einwegeinlaßventil 4 aufweist, und einer inneren Maske 5, welche nur die Nase und den Mund bedeckt und mit dem Raum innerhalb der äußeren Maske über eine oder mehrere Einwegventile 6 verbunden ist. Die innere Maske 5 weist einen Auslaß 7 zur Atmosphäre auf, in welchem sich ein Einwegausatmungsventil 8 befindet.
An den Einlaß 3 der Gesichtsmaske ist der Auslaß 9 der Ventilatoreinheit 10 angeschlossen. Die Einheit 10 umfaßt ein Gehäuse 11 innerhalb dessen sich ein zentrifugaler oder (wie dargestellt) axialer Ventilator 12 befindet, der von einem aus Batterien 14 mit Gleichstrom versorgten Elektromotor 13 angetrieben wird. Diese Einheit weist ebenfalls einen Einlaß 15 auf, an welchem ein austauschbares Filtergehäuse 16 angeschlossen ist, welches gemäß der Gefahr, zu deren Abwendung das Atemgerät jeweils eingesetzt wird, entsprechend ausgewählt werden kann. In der Praxis kann der Einlaß 15 gabelförmig oder auf andere Weise mehrfach ausgelegt sein, um zwei oder mehr Filtergehäuse 16 parallel anschließen zu können.
Beim Betrieb des Motors 13 treibt dieser den Ventilator 12 so an, daß kontaminierte Luft aus der äußeren Atmosphäre durch das Filtergehäuse 16 eingesaugt wird, in dem die Verschmutzung ausgefiltert wird, worauf die gefilterte Luft dem Einlaß 3 der Gesichtsmaske zugeführt wird, von wo aus sie in die innere Maske 5 strömt, um vom Benutzer eingeatmet zu werden, wobei die Ausatemgase und vorhandene Überschußluft durch das Ventil 7 nach außen ausströmen können. Insoweit arbeitet das Atmungsgerät in völlig herkömmlicher Weise. Zusätzlich ist es jedoch mit einer Vorrichtung zur Kontrolle des Betriebs des Motors 13 ausgestattet, um die unnötige vorzeitige Erschöpfung der Filter 16 zu minimieren, was im folgenden beschrieben wird.
Zwischen dem Einlaß 15 und dem Auslaß 9 der Ventilatoreinheit 10 ist ein Differenzdrucksensor 17 eingeschaltet. In einer bevorzugten Ausführungsform beinhaltet dieser Sensor, wie in Figur 2 dargestellt, zwei aus Kunststoffformteilen bestehende Gehäuseteile 18 und 19, welche entlang ihrer Randkanten zusammenpassen und zwischen sich den Umfang einer dünnen elastomeren Membran 20 festklemmen. Die Membran trennt daher zwei Kammern 21 und 22 innerhalb des Gehäuses voneinander, von denen jede einen Einlaß 23, 24 zur Verbindung mit der entsprechenden Druckquelle aufweist; (obwohl aufgrund der besseren Darstellbarkeit der Sensor als physikalisch von der Ventilatoreinheit 10 getrennte Einheit dargestellt ist, ist er in der Praxis vorzugsweise in das Ventilatorgehäuse integriert, wobei die Einlässe unmittelbar an die entsprechenden Meßpunkte angeschlossen sind). Die dargestellte Membran weist "zylinderhutförmigen" Querschnitt auf mit einem mittigen, runden, scheibenartigen Bereich 25, an welchem sich in seinem peripheren Bereich ein konischer Bereich 26 und eine ringförmige Sicke 27 anschließen, welche die für den Betrieb der Membran notwendige Flexibilität gewährleistet. Bei sich ändernden Druckdifferenzen zwischen den Kammern 21 und 22 bewegt sich also der Zentralbereich 25 der Membran nach oben und unten (wie es in der Abbildung dargestellt ist), indem sich die Sicke 27 verbiegt, während die im wesentlichen senkrechte Ausrichtung zu ihrer Achse erhalten bleibt.
Innerhalb des Gehäuseteils 18 sind einander in der Kammer 21 gegenüberliegend eine Infrarotlicht emittierende Diode (LED) 28 und ein Phototransistorempfänger 29 angebracht. Beim Betrieb emittiert die LED 28 einen relativ breiten Infrarotstrahl in Richtung des Phototransistors 29, welcher senkrecht zur Bewegungsrichtung der Membran 20 verläuft und die relative Stellung der Membran wird durch Messung des vom Phototransistor empfangenen Bruchteils des von der LED emittierten Lichts überwacht.
Im einzelnen hängt die Höhe des Zentralbereichs der Membran 20 innerhalb des Gehäuses jeweils davon ab, inwieweit der Druck in der Kammer 22 den Druck in der Kammer 21 übersteigt. Wenn sich die Membran nach oben und unten bewegt, verdeckt sie mehr oder weniger den Infrarotstrahl, welcher zwischen der LED 28 und dem Phototransistor 29 verläuft. Die vom Phototransistor empfangene Lichtenergie - und damit dessen elektrischer Widerstand - hängen damit von der Druckdifferenz zwischen den Kammern 22 und 21 ab und der sich ändernde Widerstand kann von einem geeigneten Schaltkreis mit einer Motorsteuerungseinheit (welche in Figur 1 die Bezugszahl 30 trägt) detektiert werden, um den Betrieb des Ventilatormotors 13 zu kontrollieren. Eine geeignete Implementierung des Kontrollschaltkreises ist in Figur 3 dargestellt, wo der Phototransistor 29 als variabler Widerstand geschaltet ist, der zusammen mit einem Widerstand R2 einen Spannungsteiler bildet und auf diese Weise die an den MOSFET 31 angelegte Gate-Spannung erhöht bzw. erniedrigt, wenn sich die von dem Phototransistor 29 empfangene Lichtenergie erhöht bzw. erniedrigt. Die sich ändernde Gate-Spannung des MOSFET ändert die daran angelegte Spannung und damit den Stromfluß durch den Motor 13. Der dargestellte Widerstand R1 ist ein strombegrenzender Widerstand für die LED 28 und die dargestellte Diode D2 dient als Rückweg für die vom Motor 13 erzeugte Rück- EMK, wenn die am Motor angelegte Spannung schnell reduziert wird, wodurch der MOSFET 31 vor möglichen falsch gepolten Spannungen geschützt wird.
Der Sensor 17 ist so an das Atmungssystem angeschlossen, daß seine Kammer 22 den Luftdruck im Auslaß 9 der Ventilatoreinheit 10 erfährt und seine Kammer 21 den Luftdruck am Einlaß 15 der Ventilatoreinheit. Die Membran 20 ist bei dieser Anordnung also auf beiden Seiten von der äußeren, kontaminierten Atmosphäre isoliert, d.h. sie ist nur Luft ausgesetzt, welche bereits das Filter 16 durchlaufen hat. Selbst wenn sie durchlässig wäre oder aus einem anderen Grund keine wirksame Abdichtung zwischen den beiden Kammern 21 und 22 bilden würde, ergäbe sich hierdurch kein Weg für ungefilterte Luft zur Gesichtsmaske 1.
Die Membran 20 ist innerhalb des Sensors derart montiert, daß sie sich in ihrer Ausgangslage bei gleichen Drücken in beiden Kammern 21 und 22, am unteren Ende ihres Verschiebebereichs befindet (wie es in Figur 2 dargestellt ist) und damit nicht im Lichtstrahl zwischen dem Sender 28 und dem Empfänger 29. Demzufolge wird der Motor 13, wenn er nach Schließen des Hauptschalters 32 aktiviert wird, zunächst mit der vollen Energie aus den Batterien 14 versorgt, was dem Zustand maximalen Lichtempfangs durch den Sensorempfänger 29 entspricht. Der Motor beschleunigt daher sofort den Ventilator 12, wodurch eine Druckdifferenz zwischen dem Einlaß 15 und dem Auslaß 9 der Ventilatoreinheit erzeugt wird, deren Größe vom Widerstand des Filtergehäuses 16 abhängt sowie eine Durchflußrate, welche vom Widerstand des Filtergehäuses und des Ventilsystems der Maske abhängt. Diese Druckdifferenz wird an die Membran 20 des Sensors 17 angelegt und die Membran biegt sich entsprechend nach oben und verdunkelt den Lichtstrahl zwischen dem Sender 28 und dem Empfänger 29 in Abhängigkeit von der angelegten Druckdifferenz. Die Verminderung der vom Empfänger 29 empfangenen Lichtenergie führt dazu, daß die Motorkontrolleinheit 30 den dem Motor 13 zugeführten Strom entsprechend reduziert, wodurch der Ventilator 12 verlangsamt und die gemessene Druckdifferenz reduziert wird. Daher entspannt sich die Membran 20 teilweise und der Empfänger 29 empfängt mehr Licht, wodurch sich die Geschwindigkeit des Ventilators 12 und damit die Druckdifferenz erhöht usw.. In der Praxis, und unter momentaner Hintanstellung der Auswirkungen der Atemcharakteristik des Benutzers, erreicht die Membran 20 sehr schnell eine Gleichgewichtsstellung, bei welcher das Maß der Verdunkelung des Lichtstrahls in dem Sensor im Gleichgewicht mit der sich ergebenden vom Ventilator erzeugten Druckdifferenz ist.
Mit anderen Worten besteht bei Abwesenheit einer überlagerten Atemcharakteristik die Wirkung dieses Kontrollsystems darin, die Ventilatorgeschwindigkeit zu regulieren, um über die Ventilatoreinheit eine im wesentlichen konstante Druckdifferenz zu erzeugen und daher einen im wesentlichen konstanten Durchfluß gefilterter Luft durch das System. In der Praxis werden die Betriebsparameter des Sensors und seines elektronischen Kontrollschaltkreises so gewählt, daß dieser regulierte Durchfluß einen Wert von etwa 20 Liter/Minute erreicht, was für die Atmungsanforderung eines typischen ruhenden Benutzers ausreichend ist, sein Gesicht kühl und sein Visier frei von Beschlag hält sowie sicherstellt, daß der Benutzer in Kenntnis des Betriebs des Systems ist, ohne jedoch eine erhebliche Menge an gefilterter Luft zu verschwenden (im Vergleich hierzu liefert beispielsweise ein typisches servounterstütztes Atemgerät mit konstantem Fluß einen kontinuierlichen Fluß von 160 Liter/Minute, um die maximale Atemanforderung abzudecken). Die Regulierung dieses Minimus hat auch den Vorteil, daß die hohen Anlaufströme vermieden werden, welche ansonsten beim Start des Motors aus seiner Ruhestellung beim Beginn jeder Einatmungsphase auftreten würden, wenn das System so ausgelegt wäre, daß es sich außerhalb der Einatmungsphasen abschaltet.
Unter nunmehriger Bezugnahme auf die Betriebsbedingungen des Atmungsgeräts ist zu vermerken, daß die Einatmungsanforderungen des Benutzers erheblich über dem oben beschriebenen minimalen Durchfluß liegen und in ihrem Ausmaß zu jedem Zeitpunkt von einer Reihe von Faktoren, wie Lungenkapazität, Fitness, Arbeitsbelastung usw. abhängen. Normale Einatmung führt daher zu einem Druckverlust am Maskeneinlaß und Ventilatorauslaß 9, dessen Größe von der Einatmungsanforderung bestimmt ist und nachfolgendem Absinken der Druckdifferenz über der Ventilatoreinheit. Die Sensormembran 20 reagiert entsprechend, indem sie die Abdunkelung des Lichtwegs zwischen dem Sender 28 und dem Empfänger 29 um einen Betrag vermindert, welcher von der gemessenen Differenz am Ventilator abhängig ist, wobei sie im Grenzfall den Lichtstrahl völlig verlassen kann. In jedem Fall wird die daraus folgende Zunahme des Lichtempfangs beim Empfänger 29 von einer entsprechenden Zunahme der dem Motor 13 zugeführten Leistung begleitet und daher auch von einer entsprechenden Zunahme des Durchsatzes des Ventilators, wodurch den Atmungsanforderungen entsprochen wird. Am Ende der Einatmungsphase und während der Ausatmungsphase steigt der Differenzdruck über den Ventilator wieder an und setzt die Sensormembran 20 auf ihren eingestellten und oben beschriebenen Zustand minimalen Durchflusses (oder geringfügig darunter) zurück.
Auf diese Weise stellt die Membran 20 ihre Stellung während des Betriebs des Systems kontinuierlich nach, um den Durchsatz der Ventilatoreinheit entsprechend den Atmungsanforderungen, wie sie von der Druckdifferenz über den Ventilator repräsentiert werden, zu kontrollieren, und zwar zwischen der vorab beschriebenen unteren Grenze und dem maximalen Durchfluß, wie er bei Vollastbetrieb des Motors 13 erreicht werden kann (welcher während jeder einzelnen Einatmung erreicht werden kann, aber nicht erreicht werden muß).
Zwei weitere Wechselwirkungen innerhalb des Systems werden von der beschriebenen Kontrollvorrichtung ausgeglichen, nämlich ein erhöhter Widerstand des Filters, aufgrund ihrer Verstopfung durch zurückgehaltene Verschmutzungen, und ein Absinken der Versorgungsspannung, wenn die Erschöpfung der Batterien 14 beginnt.
Wenn sich der Filter 16 zusetzt, erhöht sich sein Widerstand und bei gegebener Ventilatorgeschwindigkeit erniedrigt sich der Luftfluß durch das System entsprechend. Bei geringen Durchflußraten, wie bei den 20 Litern/Minute, welche das Kontrollsystem als minimalen regulierten Fluß zur Verfügung stellt, wirkt sich der erhöhte Filterwiderstand nur geringfügig aus und die entsprechende Gleichgewichtsstellung der Sensormembran 20 unterscheidet sich nur geringfügig von der entsprechenden Gleichgewichtsstellung bei frischem Filter. Während der Einatmungsphase wirkt sich dieser erhöhte Filterwiderstand jedoch insofern aus, als der Benutzer noch geringere Drücke am Ventilatorauslaß 9 erzeugt, auf welche der Sensor 17 entsprechend reagiert und die Kontrolleinheit 30 veranlaßt, den Motor 13 mit mehr Strom zu versorgen und hierdurch die reduzierte Durchflußrate zu kompensieren, und zwar bis zur maximal möglichen Leistung.
Wenn die Batteriespannung abzusinken beginnt, sinkt auch die dem Motor 13 bei einer gegebenen Stellung der Sensormembran 20 zugeführte Strom ab, was zu einer entsprechenden Erniedrigung der Druckdifferenz über die Ventilatoreinheit führt. Die Gleichgewichtsstellung der Membran wird hierdurch automatisch entsprechend des Differenzdrucks am Ventilator eingestellt (und zwar in der in Figur 2 dargestellten Richtung nach unten), um den dem Motor zugeführten Strom ausreichend hoch zu halten, um den eingestellten Zustand minimalen Durchflusses zu erhalten, wodurch die neue Schwellwertstellung der Membran definiert wird, von welcher sie sich in Abhängigkeit von der Einatmung des Benutzers entfernt. Wenn der Betrieb mit sich weiter entleerenden Batterien fortgesetzt wird, wird selbstverständlich schließlich ein Punkt erreicht, bei welchem die Gleichgewichtsstellung der Membran den Lichtstrahl innerhalb des Sensors 17 vollständig verläßt, was bedeutet, daß die Batterien 14 nicht mehr genügend Leistung aufweisen, um wenigstens die Durchflußrate von 20 Litern/Minute aufrecht zu erhalten.
Figur 4 zeigt ein Atemgerät mit der gleichen Gesichtsmaske 1, Ventilatoreinheit 10, Filter 16 und Differenzdrucksensor 17, wie sie oben unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben wurden, wobei jedoch der Filter 16 in diesem Fall unmittelbar mit dem Einlaß 3 der Gesichtsmaske verbunden ist und die Ventilatoreinheit 10 stromaufwärts des Filters 16 angebracht ist, wodurch die Luft von der Hochdruckseite des Ventilators aus durch den Filter gedrückt wird, anstelle von der Niederdruckseite des Ventilators aus durch den Filter gezogen zu werden. Der Drucksensor 17 zur Kontrolle des Betriebs des Ventilatormotors 13 ist auch hier zwischen den Einlaß 15 und den Auslaß 9 der Ventilatoreinheit eingeschaltet. Bei dieser Anordnung unterscheiden sich die absoluten Drücke am Einlaß und am Auslaß des Ventilators bei gegebenem Durchsatz von den Drücken der Anordnung nach Figur 1, weil der Flußwiderstand des Filters 16 nun stromabwärts anstelle von stromaufwärts des Ventilators liegt (beide werden höher sein). Die Druckdifferenz über den Ventilator ist jedoch bei dieser Anordnung ähnlich derjenigen aus Figur 1 und diese Differenz wird durch die Atmung des Benutzers in ähnlicher Weise beeinflußt. Die Funktion des Sensors 17 bei der Kontrolle des Motors 13 in Abhängigkeit von den Atmungsanforderungen des Benutzers und zur Erzeugung eines Gleichgewichtszustandes geringen Flusses ist bei der Anordnung nach Figur 4 also äquivalent zu der Anordnung nach Figur 1, weshalb die diesbezügliche ausführliche Beschreibung hier nicht wiederholt werden muß. Weil der Druck am Ventilatoreinlaß 15 bei der Anordnung nach Figur 4 während des Atmungszyklus außerdem nur geringfügig vom atmosphärischen Druck abweicht, kann in einer geänderten Ausführungsform ein zufriedenstellender Betrieb auch erreicht werden, wenn die Kammer 21 des Sensors 17 einfach zur Atmosphäre hin geöffnet ist.
Es wird hervorgehoben, daß in Figur 4 die Membran 20 des Sensors 17 selbst kontaminierter Luft ausgesetzt ist. Jede Verschmutzung, welche den Sensor durch Diffusion oder eine defekte Verklebung der Membran 20 durchdringen kann, wird jedoch durch den Filter 16 zusammen mit der Verschmutzung in dem die Vorrichtung durchquerenden Hauptluftstrom herausgefiltert. Der Anschluß des Sensors stellt bei dieser Anordnung daher keinen Weg für ungefilterte Luft zur Gesichtsmaske dar, unabhängig vom Zustand der Membran. In dem unwahrscheinlichen Fall, daß die Membran vollständig zerstört ist, kann der Lichtstrahl unbehindert vom Sender 28 zum Empfänger 29 verlaufen, so daß der Motor 13 dann kontinuierlich bei voller Leistung betrieben wird.

Claims

1. Atmungsvorrichtung, umfassend: einen motorisch angetriebenen Ventilator (10); eine an den Ventilator (10) angeschlossene Filtereinrichtung (16) zur Entfernung einer oder mehrerer unerwünschter Komponenten aus der durch den Betrieb des Ventilators (10) von der äußeren Atmosphäre in die Vorrichtung eingesaugten Luft; eine Gesichtsmaske (1) oder ein anderes zur Aufnahme der gefilterten Luft angeschlossenes Atmungszwischenstück; einen Differenzdrucksensor (17) mit einem flexiblen druckempfindlichen Bauteil (20); sowie eine Kontrollvorrichtung (13) für den Betrieb des Ventilatormotors (13) in Abhängigkeit von dem Sensor (17); dadurch gekennzeichnet, daß das druckempfindliche Bauteil (20) des Sensors (17) derart an die Vorrichtung angeschlossen ist, daß seine einander gegenüberliegenden Seiten (22, 21) dem Druck innerhalb der Vorrichtung stromabwärts des Ventilators (10) bzw. dem Druck innerhalb der Vorrichtung stromaufwärts des Ventilators (10) oder atmosphärischem Druck ausgesetzt sind, wodurch im Falle der Zerstörung des druckempfindlichen Bauteils (20) oder dessen Durchlässigkeit für die unerwünschte Komponente der Anschluß des Drucksensors (17) keinen Weg von der äußeren Atmosphäre zu dem Atmungszwischenstück (1) bildet, welcher nicht die Filtereinrichtung (16) beinhaltet; und die Kontrollvorrichtung (30) derart betreibbar ist, daß der Durchsatz durch den Ventilator (10) bei einer Erhöhung der vom Sensor (17) gemessenen Druckdifferenz erniedrigt wird und bei einer Erniedrigung dieser Druckdifferenz erhöht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Filtereinrichtung (16) stromaufwärts des Ventilators (10) angeschlossen ist und das druckempfindliche Bauteil (20) so angeschlossen ist, daß seine einander gegenüberliegenden Seiten (22, 21) dem Druck innerhalb der Vorrichtung stromabwärts des Ventilators (10) bzw. den Druck innerhalb der Vorrichtung stromabwärts der Filtereinrichtung (16), jedoch stromaufwärts des Ventilators (10) ausgesetzt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Filtereinrichtung (16) stromabwärts des Ventilators (10) angeschlossen ist und das druckempfindliche Bauteil (20) derart angeschlossen ist, daß seine einander gegenüberliegenden Seiten (22, 21) dem Druck innerhalb der Vorrichtung stromabwärts des Ventilators (10), jedoch stromaufwärts der Filtereinrichtung (16) bzw. dem Druck innerhalb der Vorrichtung stromaufwärts des Ventilators (10) oder atmosphärischem Druck ausgesetzt sind.

4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das druckempfindliche Bauteil (20) derart angeschlossen ist, daß seine einander gegenüberliegenden Seiten (22, 21) dem Druck am Auslaß (9) bzw. am Einlaß (15) des Ventilators (10) ausgesetzt sind.

5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Drucksensor (17) geeignet angeordnet ist zur Erzeugung eines variablen Ausgangssignals über einen Bereich von Druckdifferenzen, in Abhängigkeit von welchem die proportionale Kontrolle des Durchsatzes durch den Ventilator durch die Kontrollvorrichtung (13) erfolgt.

6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Drucksensor (17) und die Kontrollvorrichtung (30) geeignet angeordnet sind, um bei Abwesenheit einer überlagerten Atmungscharakteristik innerhalb des Atmungszwischenstücks einen konstanten Durchsatz durch den Ventilator bei gewähltem geringem Durchfluß zu erzeugen.

7. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Sensor (17) einen Sender (28) und einen Empfänger (29) für eine ausgewählte elektromagnetische Strahlung umfaßt und beide bezüglich des druckempfindlichen Bauteils (20) so angeordnet sind, daß der vom Empfänger (29) empfangene Anteil der vom Sender (28) ausgesendeten Strahlung abhängig von der von dem Bauteil (20) angenommenen Biegeposition ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Sender (28) und der Empfänger (29) einander innerhalb eines Raums, in welchem sich das druckempfindliche Bauteil (20) biegt, gegenüberstehen, wobei ein Strahl der von dem Sender (28) in Richtung des Empfängers (29) emittierten Strahlung von dem druckempfindlichen Bauteil (20) in variablem Ausmaß in Abhängigkeit von der Druckdifferenz über das Bauteil (20) unterbrochen wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei der Sender und der Empfänger eine im Infrarotbereich lichtemittierende Diode (28) bzw. einen Phototransistor (29) umfassen.

10. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das druckempfindliche Bauteil als Membran (20) ausgebildet ist, welche einen scheibenartigen zentralen Bereich (25) aufweist, welcher mit einem festen Peripheriebereich der Membran über einen ringförmigen Sickenbereich (27) verbunden ist, der der Membran die für den Betrieb notwendige Flexibilität verleiht, wobei sich der zentrale Bereich (25) in Abhängigkeit einer Änderung des Differenzdrucks über die Membran (20) relativ zu dem Peripheriebereich entlang der Achse der Membran bewegt, während er immer im wesentlichen senkrecht zu dieser Achse steht.