Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Konstantströmungsreguliervorrichtung
mit einer Einlasskammer und einer Auslasskammer.
Hintergrund der Erfindung
Viele Erkrankungen können durch Studieren der Konzentration von bestimmten
Substanzen in der Ausatmungsluft einer Person, z. B. Stickstoffoxid, diagnostiziert
werden. Da jedoch der Druck der ausgeatmeten Luft von Person zu Person variiert,
variiert das Volumen von Luft, die durch eine Teströhre oder dergleichen pro Zeiteinheit
strömt, erheblich. Es gibt deshalb einen Bedarf nach einer Vorrichtung, die eine
konstante Strömung von ausgeatmeter Luft zu einer Teströhre oder dergleichen unabhängig
von dem Druck der ausgeatmeten Luft erzeugt. Es ist der Gegenstand der vorliegenden
Erfindung, eine solche Vorrichtung bereitzustellen.
GB-A-816212 offenbart eine Flüssigkeitströmungssteuervorrichtung.
Die Vorrichtung umfasst einen fixierten Steuerstopfen d mit einem kegelförmigen
Ende, das sich durch ein Loch in einer bewegbaren Wand erstreckt, die mittels einer
Feder g in Richtung des Stopfens vorgespannt ist. Mit ansteigendem Flüssigkeitsdruck
vergrößert sich eine ringförmige Öffnung zwischen dem Stopfen und dem Loch, um eine
Flüssigkeitsströmung durch das Loch zu erhöhen.
US-A-5685296 offenbart ein strömungsregulierendes Ventil in einer
Atmungsgaszuführvorrichtung. Gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erstreckt sich
ein Körperabschnitt 70 eines Stifts 62 koaxial durch einen bewegbaren
Einsatz 52 und durch eine darin befindliche Öffnung 54. Der Einsatz
und der Stift sind dimensioniert, um für jede relative Position einen Abstand zwischen
ihnen bereitzustellen, so dass eine Gasströmung durch den Abstand mit einer Regelströmungsrate
aufrechterhalten wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Dieser Gegenstand wird durch eine Konstantgasströmungsvorrichtung
mit einer Einlasskammer und einer Auslasskammer erreicht, wobei eine bewegbare Wand
die Einlasskammer und die Auslasskammer voneinander abgrenzt, wobei die Wand eine
Öffnung aufweist, welche eine Kommunikation zwischen den Kammern erlaubt, wobei
sich ein langgestrecktes Element zentrisch in der Öffnung der bewegbaren Wand in
dessen Bewegungsrichtung erstreckt, wobei die Öffnung in einer ersten Position in
der bewegbaren Wand in der Nähe eines ersten Endes des langgestreckten Elements
angeordnete ist, wobei das Element eine Querschnittsgröße besitzt, welche sich von
dem ersten Ende zu dessen zweiten Ende allmählich vergrößert, wobei die Größe der
Öffnung in der bewegbaren Wand größer ist als die Querschnittsgröße des langgestreckten
Elements, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schraubenfeder zum Vorspannen der bewegbaren
Wand in Richtung einer ersten Position bereitgestellt ist und dass ein Körper, welcher
an die bewegbare Wand angebracht ist und die Öffnung aufweist, einen Abschnitt des
langgestreckten Elements umgibt, wobei der Körper mit einem langgestreckten Führungsteil,
welches die Bewegungsrichtung der bewegbaren Wand definiert, verschiebbar verbunden
ist.
Durch eine solche Vorrichtung vergrößert sich der Raum zwischen der
äußeren Peripherie des langgestreckten Elements und der inneren Peripherie der Öffnung
in der Wand proportional zu dem Anstieg des Drucks in der Einlasskammer, so dass
der Druck in der Auslasskammer unabhängig von dem Druck in der Einlasskammer konstant
gehalten wird.
In der bevorzugten Ausführungsform hat das langgestreckte Element
ein erstes Ende, das in der Einlasskammer angeordnet ist, und ein zweites Ende,
das in der Auslasskammer angeordnet ist. Die Querschnittsform des langgestreckten
Elements korrespondiert mit der Querschnittsform der Öffnung, wobei die Querschnittsform
der Öffnung in der bewegbaren Wand und des langgestreckten Elements kreisförmig
ist und das langgestreckte Element die Form eines abgeschnittenen Konus hat. Die
langgestreckte Wand kann ein Diaphragma sein. Vorzugsweise ist die konstante Strömung
in einem Bereich zwischen 0,5 und 4,5 l/min. und besonders bevorzugt zwischen 0,6
und 3 l/min.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird nun mit Bezug auf die beiliegende
1 beschrieben, die eine Querschnittsansicht einer bevorzugten
Ausführungsform einer Konstantgasströmungsreguliervorrichtung gemäß der Erfindung
zeigt.
Beschreibung einer Ausführungsform
Die Vorrichtung in 1 umfasst ein Gehäuse
1, wobei der innere Raum dieses Gehäuses in eine Einlasskammer
2 und eine Auslasskammer 3 durch ein Diaphragma 4 aus
einem flexiblen Material, z. B. Silikongummi oder Latex, unterteilt ist. Ein zylinderförmiger,
hohler Körper 5 ist an dem Diaphragma 4 angebracht und erstreckt
sich von dem Diaphragma in die nach unten gerichtete Richtung in 1.
Der Körper 5 hat ein erstes Ende, das in der Einlasskammer 2 angeordnet
ist, und ein zweites Ende, das in der Auslasskammer 3 angeordnet ist.
Ein Führungsteil 6, das im wesentlichen die Form eines zylinderförmigen
Körpers hat, erstreckt sich zentrisch von dessen röhrenförmigen oberen Ende
7 in die nach unten gerichtete Richtung der 1
in das Innere des Gehäuse 1. Das Führungsteil 6 wird durch das
Gehäuse durch eine beliebige geeignete Einrichtung gehalten, die es Luft erlaubt,
durch das Röhrenende 7 in den inneren Raum des Gehäuses 1 zu strömen.
Das Führungsteil umfasst desweiteren ein Sitzelement 8 in der Form einer
ringförmigen Flansch, die in einem Abstand von der oberen Wand des Gehäuses angebracht
ist.
Der hohle zylinderförmige Körper 5 hat einen Innendurchmesser,
der größer ist als der Außendurchmesser des Führungsteils 6, so dass ein
ringförmiger Raum zwischen dem Äußeren des Führungsteils und dem Inneren des Körpers
5 existiert. Desweiteren umfasst das erste Ende des Körpers Einrichtungen
9 z. B. drei Führungsstifte oder eine ringförmige Hülse, zum gleitbaren
Verbinden des Körpers 5 mit dem Führungsteil 6. Falls eine ringförmige
Hülse verwendet wird, sollte sie mit dem Hauptteil des Körpers 5 mittels
radial gerichteter Verbindungsstifte oder dergleichen verbunden sein, so dass Luft
zwischen dem Körper und der ringförmigen Hülse strömen kann.
Das zweite Ende des Körpers 5 umfasst eine kreisförmige Öffnung
10 mit einer geringeren Größe als der innere Durchmesser des Körpers
5, die in die Auslasskammer 3 führt. Die Öffnung 10 hat
eine scharfe Kante und die Wände des Körpers 5, die die Öffnung
10 definieren, divergieren relativ zueinander von der Kante.
Ein langgestrecktes Element 11 erstreckt sich von einem zentralen
Teil des zweiten Endes des Führungsteils 6 nach unten. Dieses Element hat
eine kreisförmige Querschnittsfläche mit einer Größe, die sich in der nach unten
gerichteten Richtung in 1 vergrößert. In der gezeigten
Ausführungsform hat das Element 11 die Form eines abgeschnittenen Konus.
Das Element 11 und das Teil 6 sind vorzugsweise aus demselben
Material gefertigt und in einem einteiligen Materialstück integriert.
Desweiteren erstreckt sich eine Schraubenfeder 12 zwischen
dem Diaphragma 4 und der unteren Wand des Gehäuses 1. Der Körper
5 ist durch diese Feder 12 in Richtung einer ersten Position vorgespannt,
in der dessen erstes Ende gegen die ringförmige Flansch 8 des Führungsteils
6 angeordnet ist. Das Diaphragma wird durch eine steife kreisförmige Platte
in dem zentralen Bereich verstärkt, so dass die Feder 12 gegen diese kreisförmige
Platte 14 wirkt.
Die oben beschriebene Vorrichtung funktioniert in der folgenden Weise.
Vor einer Benutzung sind die Drücke in der Einlasskammer und der Auslasskammer gleich
und der Körper 5 befindet sich in der ersten Position. Wenn von einer Person
ausgeatmete Luft durch die Einlassröhre 7 in die Einlasskammer
2 strömt, wird der Druck in der Einlasskammer größer als in der Auslasskammer,
wobei die Druckdifferenz bewirkt, dass sich das Diaphragma und dadurch der Körper
5 gegen die Kraft der Feder 12 nach unten bewegt. Die ausgeatmete
Luft kann dann durch den Raum zwischen dem Äußeren des Elements 11 und
der Kante der Öffnung 10 in dem zweiten Ende des Körpers 5 in
die Auslasskammer strömen.
Aufgrund des Druckabfalls über dem Durchgang zwischen der Einlassklammer
und der Auslasskammer existiert jedoch immer eine Druckdifferenz zwischen den Kammern,
wobei der Druck in der Auslasskammer geringer ist, als der in der Einlasskammer.
In der Figur hat sich der Körper 5 von der ersten Position gegen den Sitz
8 pressend nach unten bewegt und die ausgeatmete in die Einlasskammer
2 strömende Luft strömt in den Durchgang zwischen der Kante der Öffnung
10 und dem Äußeren des langgestreckten Elements 11 in die Auslasskammer
3 und verlässt diese Kammer durch darin befindliche Öffnungen
13, so wie es durch Pfeile in der Figur angedeutet ist.
Je größer der Druck in der Einlasskammer ist, desto länger ist die
Distanz, um die sich der Körper 5 in die nach unten gerichtete Richtung
der 1 bewegt. je länger jedoch die Distanz ist, um
die sich der Körper 5 bewegt, desto kleiner ist der Raum zwischen der Kante
der Öffnung 10 und dem Äußeren des langgestreckten Elements. Je höher der
Druck in der Einlasskammer ist, desto kleiner ist somit der Durchgang zwischen der
Einlasskammer und der Auslasskammer. Der Raum zwischen dem Äußeren des Elements
11 und der Kante der Öffnung 10 definiert somit eine kreisförmige
regulierende Öffnung mit einer variierenden Größe, abhängig von dem Druck in der
Einlasskammer.
Durch richtiges Dimensionieren der Vergrößerung der Querschnittsgröße
des Elements 11 in der nach unten gerichteten Richtung kann der Druckabfall
über dieser regulierenden Öffnung so gestaltet werden, dass er sich bei Druck in
solcher Weise vergrößert, dass eine konstante Luftströmung durch diese regulierende
Öffnung bei variierenden Drücken in der Einlasskammer strömt. Der Druckabfall über
dieser regulierenden Öffnung, der zum Aufrechterhalten eines konstanten Druckes
in der Auslasskammer benötigt wird, und die Größe der regulierenden Öffnung zum
Erhalt eines solchen Druckabfalls ist relativ leicht zu berechnen. Die Bewegung
des Körpers 5 in Abhängigkeit von der Druckdifferenz zwischen der Einlasskammer
und der Auslasskammer für variierende Einlasskammerdrücke und in Abhängigkeit von
der Kraft der Schraubenfeder 12 ist auch relativ leicht zu berechnen, weshalb
die Vergrößerung der Querschnittsfläche des Elements 11 relativ leicht
zu berechnen ist.
Für eine Konstantströmungsreguliervorrichtung zum Aufrechterhalten
einer konstanten Strömung von ausgeatmeter Luft aus der Auslasskammer
3 durch Öffnungen 13 in dem Gehäuse 1 bei einem Druck
in der Einlasskammer, der zwischen 500 und 2000 Pa variiert und einer Öffnung in
dem Körper 5 mit einem Durchmesser von 3,5 mm und einer linearen Schraubenfeder
mit einer Federkonstante von 250 N/m macht ein Kegelwinkel von 1/70 des langgestreckten
Elements 11 den Druck in der Auslasskammer 3 unabhängig von der
Druckvariation in der Einlasskammer 2 innerhalb der oben erwähnten Grenzen
und mit der benötigten Genauigkeit.
Die Schraubenfeder wird mit einer Kraft vorgespannt, die einem Druck
von 500 Pa in der Einlasskammer 2 korrespondiert, und der Körper
5 bewegt sich somit nicht bis der Druck in der Einlasskammer 500 Pa überschreitet.
Falls der Druck in der Einlasskammer 2000 Pa überschreitet, hat sich der Körper
5 entlang des langgestreckten Elements 11 zu einem Punkt des langgestreckten
Elements 11 bewegt, wo die Querschnittsgröße des Elements gleich dem Durchmesser
der Öffnung 10 ist, und der Durchgang zwischen der Einlasskammer und der
Auslasskammer wird dann geschlossen.
Für die beschriebene Ausführungsform führen die erwähnten Berechnungen
zu einem langgestreckten Element mit einer sich linear vergrößernden Querschnittsgröße.
Solch ein Element ist leicht herzustellen. Jedoch können die Berechnungen für andere
Parameter zu einem langgestreckten Element führen, das sich in der Querschnittsgröße
entlang einer Kurve allmählich vergrößert. Die Querschnittsform der Öffnung in dem
Diaphragma und des langgestreckten Elements müssen nicht notwendigerweise miteinander
korrespondieren oder kreisförmig sein. Falls diese Formen jedoch miteinander korrespondieren
und kreisförmig sind, vereinfachen sich die Berechnungen und die Luftströmung durch
die regulierende Öffnung ist ungestörter. Desweiteren kann der Durchgang zwischen
der Einlasskammer und der Auslasskammer nicht geschlossen werden, wenn der Druck
in der Einlasskammer den maximal erlaubten Druck überschreitet, falls die Formen
der Öffnung in dem Diaphragma und der Querschnittsform des langgestreckten Elements
voneinander abweichen. Eine kreisförmige Form der Öffnung in dem Diaphragma und
eine kreisförmige Querschnittsfläche des langgestreckten Elements wird deshalb bevorzugt.
Während des Prioritätsintervalls eingefügtes Beispiel
Ein weiteres Beispiel einer Strömungsreguliervorrichtung hat ein Diaphragma
von 44 mm mit einer Öffnung von 3,2 mm und eine lineare Schraubenfeder mit einer
Federkonstante von 66 N/m. Das langgestreckte Element hat einen Kegelwinkel von
1:42,5 und die Lücke zwischen dem Diaphragma und dem langgestreckten Element variiert
zwischen 0,17 und 0,10 mm wenn der Druck zwischen 500 und 2000 Pa variiert. Dies
ergibt eine konstante Strömung von 2,7 l/min.
Um die Herstellung des langgestreckten Elements zu vereinfachen und
die benötigte Genauigkeit zu erreichen sollte dem zylinderförmigen Körper erlaubt
werden, sich wenigstens um eine Distanz zu bewegen, die das Doppelte des Durchmessers
des kleinsten Durchmessers des langgestreckten Elements ist.
Außer der Feder und dem Diaphragma sind alle Teile der beschriebenen
Strömungsregulierungsvorrichtung vorzugsweise aus einem Kunststoffmaterial gefertigt,
z. B. Polyamid, Polypropen oder Polyethylen. Metallmaterialien können jedoch auch
verwendet werden.
Die Vorrichtung ist in 1 mit einer nach
oben und unten gerichteten Bewegungsrichtung der bewegbaren Wand 4 gezeigt.
Die beschriebene Vorrichtung funktioniert jedoch in der gleichen Weise, unabhängig
von der Anordnung des Gehäuses.
Die beschriebene Ausführungsform kann natürlich in verschiedenen Weisen
innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung modifiziert werden. Das Diaphragma
kann z. B. aus einem elastischen Material gefertigt werden, in welchem Falle die
Schraubenfeder entfernt werden kann. In einem solchen Fall ist es wichtig, dass
das Material des Diaphragmas in dem Bereich, der die darin befindliche Öffnung umgibt,
verstärkt ist, so dass die Dimensionen der Öffnung sich während des elastischen
Streckens des Diaphragmas nicht verändern. Die bewegbare Wand muss kein Diaphragma
sein, sondern kann eine steife Wand sein, die gleitbar in dem Gehäuse gehalten wird.
Jedoch ist ein Diaphragma bevorzugt, weil eine Luftdichtheit zwischen der äußeren
Kante des Diaphragmas und der Wand des Gehäuses leicht herzustellen ist. Desweiteren
kann die Feder gegen das zweite Ende des zylinderförmigen Körpers 5 gerichtet
sein, anstelle des Pressens gegen den steifen Teil des Diaphragmas wie in der gezeigten
Ausführungsform. Das Gehäuse kann eine andere Form als in 1
haben und andere Führungsteile können verwendet werden zum Führen des Körpers
5, z. B. kann eine perforierte Führungshülse in der äußeren Kammer den
Körper 5 umgebend angeordnet sein, wobei das Sitzelement, das die
erste Position des Körpers definiert, dann von dem Führungsteil separat ist und
in der Einlasskammer angeordnet ist. Jedoch werden die gezeigten Führungsteile bevorzugt,
da das langgestreckte Element, der Sitz für den zylinderförmigen Körper und seine
Führungsteile in einem einzelnen einteiligen Materialstück integriert sein können.
Der Schutzumfang der Erfindung ist deshalb nur durch den Inhalt der beiliegenden
Ansprüche beschränkt.