CH679642A5

CH679642A5 -

Info

Publication number: CH679642A5
Application number: CH1215/89A
Authority: CH
Inventors: Jorma Ponkala
Original assignee: Kemira Oy
Priority date: 1987-10-05
Filing date: 1989-04-03
Publication date: 1992-03-31
Also published as: NL193899C; AU610699B2; SE8900699D0; FI874356A0; SE465854B; GB8904512D0; FI80606B; FR2644254B1; FR2644254A1; NL8900829A; GB2228418A; US4905687A; SE8900699L; AU3096489A; NL193899B; FI80606C; FI874356L; GB2228418B

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Regeln der Luftmenge, insbesondere in einer Gasmaske, wobei die Vorrichtung einen Filter, einen Ventilator zur Erhöhung des Luftdurchsatzes und einen Antriebsmotor für den Ventilator sowie einen elektronischen Schaltkreis und Betriebsschalter zur Kontrolle der Wirkungsweise aufweist.

Im Sinne der Erfindung soll die Bezeichnung «Gasmaske» die Bedeutung einer eigentlichen Gasmaske haben, aber auch andere Atemschutzgeräte und deren Gesichtsteile umfassen.

Die Patentanmeldungen EP 0 094 757 und Fl 852 272 beschreiben beispielsweise Gasmasken des betroffenen bekannten Typs. Diese bekannten Gasmasken weisen das Problem auf, dass die Speiseakkumulatoren oder Batterien, welche den Motor antreiben, ganz entladen werden, oder dass die Akkumulatoren oder Batterien zu schnell entladen werden, wodurch deren Lebensdauer reduziert wird. Es sind verschiedene Verfahren vorgeschlagen worden, um den Energieverbrauch zu reduzieren, beispielsweise gemäss EP 0 094 757.

Die Patentanmeldung GB 2 032 284 offenbart beispielsweise die Steuerung der Arbeitsdrehzahl des Ventilators an der Maske in Abhängigkeit von der Druckdifferenz, welche von einem Detektor festgestellt wird. Ein derartiger Druckdifferenzdetektor neigt jedoch dazu, häufig Störungen aufzuweisen und bedarf vorsichtiger Behandlung, insbesondere wenn die Maske gereinigt wird.

Im weiteren weisen die bekannten Einrichtungen den Nachteil auf, dass die Luftmenge, welche der Maske zugeführt wird, abhängig vom Grad der Verstopfung des Filters variiert. Wenn der Filter neu und sauber ist, lässt er mehr Luft durch, als gemäss diesem Standardgebrauchsfall notwendig ist. Dies verursacht zwei Arten von Problemen. Einerseits werden die Stromquellen entladen, und anderseits kann ein übermässiger Luftstrom beim Träger der Maske Kopfschmerzen und Augenbrennen verursachen. Wenn der Filter verstopft ist, besteht das weitere Problem, dass man nicht weiss, wann die Luftmenge zur Gasmaske geringer ist als die notwendige Menge. Im weiteren verursacht ein übermässiger Luftdurchfluss durch den Filter eine wesentlich raschere Verstopfung des Filters.

Abhängig von deren Konstruktionsweise haben die gegenwärtig bekannten Gasmasken auch den Nachteil, dass die zur Kontrolle der Wirkungsweise verwendete Elektronik nicht genügend vor Beschädigungen durch die umgebende Atmosphäre geschützt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile des bekannten Standes der Technik zu vermeiden und eine Vorrichtung anzugeben, welche ein zu rasches und zu tiefes Entladen der Batterien bzw. Akkumulatoren verhindert, in einfacher Weise die Regelung eines im wesentlichen konstanten Luftdurchsatzes ermöglicht, das Durchblasen von übermässiger Luft verhindert, den Betrieb bei ungenügendem Lufdurchsatz unterbricht und die elekro-nischen Schaltkreise vor der umgebenden Atmosphäre schützt.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfin-dungsgemäss durch die kennzeichnenden Merkmale dieses Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich nach den Merkmalen der abhängigen Patentansprüche.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass bei Verwendung eines Gleichstrommotors für den Ventilator an der Gasmaske der Strom allmählich abnimmt, wenn der Durchfluss von Luft behindert wird, d.h. bei zunehmender Verstopfung des Filters. Dieses Merkmal des Ventilatormotors kann als eine Art Sensor verwendet werden, wenn man die Luftmenge konstant halten will, auch wenn der Durchflusswiderstand des Filters oder die Arbeitsspannung stark verändert werden.

Zeichnet man in einem Diagramm auf der Abszisse den Grad der Verstopfung des Filters und auf der Ordinate den Stromverbrauch des Ventilator-motores auf, so ergibt sich eine Kurve, welche zeigt, wie die Veränderungen des Durchflusswiderstandes im Filter den Motorenstrom verändern. Die Kurve zeigt, dass der Stromverbrauch geringer wird, je stärker der Filter verstopft ist. Diese Erscheinung stabilisiert als solche den Luftdurchfluss, weil der ohmsche Widerstand der Spule des kleinen Gleichstrommotores, welcher im Ventilator verwendet wird, bedeutend ist und folglich die gegenmotorische Spannung des Motors und damit auch die Drehzahl ansteigt, wenn der Strom abnimmt.

Entsprechend der Erfindung wird die Luftmenge, welche zur Gasmaske geführt wird, im wesentlichen dadurch konstant gehalten, dass die Leistung des Ventilatormotors gesteuert wird. Um dies zu erreichen, umfasst die Gasmaske einen elektronischen Regelschaltkreis, wie er in den Ansprüchen definiert ist.

Dadurch, dass der Ventilatormotor selbst als Sensor benutzt werden kann, wird die Konstruktion sehr einfach. Der Ventilator und die Luftkanäle können gewaschen bzw. gereinigt werden, wann immer dies notwendig ist, da sie keine empfindlichen getrennten Sensoren enthalten. Durch den Regelschaltkreis wird der Strom, welcher dem Motor zugeführt wird, bei einem genauen Minimum begrenzt, wodurch die Lebensdauer erhöht und der entstehende Lärm gedämpft wird. Die Betriebszyklen zwischen der Wartung der Filter werden verlängert, da keine überschüssige Luft durch die Filter geblasen wird.

Eine konstante Luftmenge wird vorteilhaft dadurch erreicht, dass die Spannung, welche am Motor angelegt ist, gesteuert wird, wobei diese Spannungskontrolle zweckmässigerweise durch Pulsbreitmodulation erwirkt wird.

Durch eine Integrationsschaltung innerhalb der Regelkreisschaltung wird die Leistung des Ventilatormotors stufenlos an den Ansaugdruck auf Ausgangsteile des Ventilators, bzw. an die Einatmungsintensität des Trägers der Gasmaske ange-passt.

Um die Betriebseigenschaften der Gasmaske zu verbessern, ist die elektronische Regelkreisschal-

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tung in einem staub- und flüssigkeitsdichten Gehäuse angeordnet. In der Regelkreisschaltung befinden sich Betriebsschalter für den Ventilator und Wahlschalter für die Gebläseleistung, welche in bekannter Weise aus Zungenrelais bestehen können. Diese Schalter werden durch Magnete gesteuert, welche ausserhalb des Gehäuses angeordnet sind. In diesem Falle sind keine Durchführungen durch die Gehäusewände notwendig, welche schwierig zu dichten wären. Sofern nötig, kann das Gehäuse gasdicht ausgeführt sein. Dank der Magnetschalter ist die elektronische Regelkreisschaltung keinerlei mechanischen Belastungen ausgesetzt, welche auftreten würden, wenn mechanische Schalter vorhanden wären.

Durch eine Anzeigevorrichtung, welche mit der elektronischen Regelkreisschaltung verbunden ist, wird der Bereich angezeigt, in welchem der Ventilatormotor nicht mehr in der Lage ist, den gewünschten Luftdurchsatz zu erzeugen. Die Anzeigevorrichtung ist vorzugsweise eine bekannte Lumineszenzdiode (LED). Auf diese Weise wird eine Anzeige erwirkt, welche vom Träger der Gasmaske leicht überwacht werden kann. Die Anzeige lässt erkennen, dass die Akkumulatorspannung zu tief ist, d.h., dass der Akkumulator entladen ist oder dass der Filter verstopft ist, wobei dies unabhängig vom Typ des Filters ist. Diese Anzeige kann von lebenserhaltender Wichtigkeit für den Träger der Gasmaske sein.

Um den Akkumulator oder die Batterie, welche die Vorrichtung speisen, vor zu starker Entladung zu schützen, beinhaltet die Regelkreisschaltung einen Teilschaltkreis zur Spannungsüberwachung. Dieser Spannungsüberwachungsschaltkreis schaltet den Strom zum Motor bzw. zur Einrichtung ab, wenn die Speisespannung unter einen vorbestimmten Grenzwert fällt. Dadurch steigt die Lebensdauer des Akkumulators bzw. der Batterie an. Es lassen sich auch leichtere und kleine Batterien in analoger Weise einsetzen.

Wie anfänglich erwähnt, hat das Konzept «Gasmaske» in diesem Zusammenhange eine weit gefasste Bedeutung. D.h. dass die vorliegende Erfindung auf eine integrierte Gasmaske anwendbar ist, auf eine Gasmaske, welche Gebläse- und/oder Filtereinheiten getrennt vom Gesichtsstück enthält und auch auf Atemschutzgeräte, welche beispielsweise aus einer Haube oder ähnlichen Vorrichtungen bestehen, welche das Gesicht bzw. den Kopf des Trägers unvollständig abdichten. Die vorliegende Erfindung ist auch auf andere Lösungen anwendbar, bei welchen ein konstanter Luftfluss durch einen Ventilator erreicht werden soll, und der Motor des Ventilators den Sensor bildet.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, welches die Abhängigkeit des Stromverbrauchs vom Durchflusswiderstand an einem Ventilatormotor des Standes der Technik zeigt,

Fig. 2 das Prinzip der Regelkreisschaltung gemäss der Erfindung, und

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform der elektronischen Regelkreisschaltung gemäss der Erfindung an einer Gasmaske.

Die Grundfunktion der Vorrichtung wird zum leichteren Verständnis anhand der Fig. 1 und 2 nachfolgend erläutert. Bei Verwendung eines gemäss dem Stand der Technik bekannten Gleichstrommotors für den Ventilator ist bekannt, dass die Drehzahl des Motors 1 und die an ihm angelegte Spannung U1 umgekehrt zum Strom I verlaufen. Die Stabilität des Luftstromes, welcher der Gasmaske zugeführt wird, wird wesentlich erhöht, wenn der Motor 1 mit einem konstanten Strom betrieben wird. In diesem Falle muss die Anschlussspannung am Motor 1 erhöht werden, wenn der Filter zunehmend verstopft, da der Strom konstant bleiben soll.

Grundsätzlich überwacht ein Operationsverstärker OP1 den Spannungsverlauf an den Anschlüssen eines Widerstandes R11, wobei diese Überwachung dazu neigt, die Spannung auf dem Niveau einer Referenzspannung UV beizubehalten.

In der Praxis genügt solch eine Anordnung noch nicht, da die Luftmenge weiterhin abnimmt, wenn der Verstopfungsgrad des Filters zunimmt. Der Schaltkreis kann jedoch wesentlich verbessert werden, wenn die Referenzspannung UV nicht fest ist, sondern zunimmt, wenn die Spannung an den Polen des Motors 1 zunimmt. Wenn ein Widerstand R von dieser Spannung abhängig gemacht wird, kann weiterhin eine Linearisierung erreicht werden.

Fig. 3 zeigt eine elektronische Regelkreisschaltung, in welcher die Erfindung angewendet ist, in wesentlich grösserem Detail als bis anhin beschrieben. Die Stromversorgung des Schaltkreises erfolgt über einen Akkumulator oder eine Batterie, welche nicht dargestellt sind. Trotzdem die Funktion der Durchschaltetechnik als solche von einem Fachmann, welcher mit dem Stand der Technik vertraut ist, ohne Erläuterung auf der Grundlage der Figuren verstanden werden kann, werden die Hauptpunkte nachfolgend noch beschrieben.

Der Stromschalter für den Ventilatormotor 1 wird durch ein Zungenrelais 6A gebildet, welches von einem nicht dargestellten ausserhalb des Gehäuses angeordneten Magneten gesteuert wird. Der zugehörige Teilschaltkreis 6 enthält Spannungsüberwa-chungskomponenten, welche die Referenzspannung ref2 für einen Operationsverstärker OP2 und die Speisespannung P für eine Gatterschaltung 4 und eine Integrationsschaltung 7 zur Verfügung stellen.

Die Gatterschaltung 4 besteht aus einer Mikro-schaltung, in welcher die zwei Gates 4A und 4B als Oszillator geschaltet sind. Gate 4C dient als Schwellenwertdetektor. Gate 4D einschliesslich der zugehörigen Komponenten Kondensator K7, Widerstand R14 und der Diode D1 bildet eine Überwachung für den Führungstransistorschaltkreis 5. Wobei als Folge dieser Überwachung der Motor 1 einen kleinen Grundstrom in der Form von schmalen Impulsen erhält, um starten zu können. Auf diese Weise wird der Ventilator trotz des Rückhalteeffek-tes der Masse der Ventilatorflügel rasch genug in Funktion gesetzt.

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Der pulsierende Strom I wird über den Führungstransistor 5T1 durch den Motor 1 geleitet, wobei die Überwachung dadurch erfolgt, dass die vom Strom I und über den Widerstand R11 erzeugte Spannung U2 zum positiven Eingang des Operationsverstärkers OP1 geführt wird. Die erwähnte Spannung U2 wird durch den Operationsverstärker OP1 mit der Referenzspannung UV, welche an den negativen Eingang angeschlossen ist, verglichen. Die Referenzspannung UV wird durch die Spannungsteilerschaltung 3 und die Spannung U1, welche über den Motor 1 wirkt (genauer der Summe der Spannungen U1 und U2, wobei in diesem Zusammenhange die Veränderungen der Spannung U2 unberücksichtigt bleiben können) erzeugt. Innerhalb der Spannungsteilerschaltung 3 ist eine Linearisierungsschaltung durch die Widerstände R18 bis R22 und die nachgeschalteten Dioden gebildet.

Durch das Zungenrelais 3B im Schaltkreis 3 können verschiedene Leistungsstufen, d.h. Luftdurchflussstandardwerte für den Ventilatormotor 1 gewählt werden, indem auf die Referenzspannung UV eingewirkt wird. Das Relais 3B wie auch der Schalter 6A werden durch nicht dargestellte ausserhalb der Gehäuse angeordnete Magnete ferngeschaltet. Das Relais 3B kann offensichtlich auch durch ein Potentiometer ersetzt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Referenzspannung refi das Erdpotential, was eine einfache Lösung ergibt. Ohne den oben beschriebenen vom Gate 4D gelieferten Grundstrom zum Motor könnte deshalb die Schaltung den Start des Motors nicht herbeiführen.

Sobald an der Ausgangsseite des Ventilators ein Ansaugen bewirkt wird, z.B. wenn die Vorrichtung an eine Maske angeschlossen wird, nimmt der vom Ventilatormotor aufgenommene Strom ab. Wenn die Ansaugwirkung stark genug ist, stoppt die Stromaufnahme des Motores fast vollständig, da die Durchflussmenge bereits genügend war. Beim Gebrauch einer Maske ist ein derartiges Verhalten nicht erwünscht, und dies ist der Grund für die Zu-schaltung eines Operationsverstärkers OP3 zum Integrationsschaltkreis 7. Dieser verstärkt die schwache Stromreduktion, welche an den Polen des Motors 1 während der Ansaugphase entsteht. Anschliessend an den Verstärker OP3 ist eine Spit-zenwert-Diode D2 angeordnet. Der Emitterverstärker 7T beeinflusst über den Widerstand R24 die Referenzspannung UV und damit die Drehzahl des Motors 1. Auf diese Weise wird ein Schaltkreis gebildet, welcher nahezu ideal arbeitet, da die Vorrichtung, die Ansaugintensität, verschiedene Filter und deren Verstopfungsgrad sowie auch die Veränderungen der Batteriespannung berücksichtigt. Durch den Schalter 3B kann eine Luftmenge von mindestens 120 Litern pro Minute z.B. für Schutzhauben gewählt werden.

Der Ausgang des Operationsverstärkers OP1 beeinflusst die Breite der Pulse, welche von der Gatterschaltung 4 an den Führungstransistorschaltkreis 5 abgegeben werden. Als Folge der Pulsbreitenmodulation wird der Wirkungsgrad verbessert, und durch Verändern des Pulsverhältnisses kann die Spannung U1, welche über den Motor 1 wirkt, beeinflusst werden.

Durch die Regelung der Spannung U1 und damit der Drehzahl des Motors 1, weiche einen direkten Einfluss auf die geförderte Luftmenge hat, wird der Luftdurchsatz im wesentlichen konstant gehalten. Dies trotz Veränderungen der Speisespannung und/oder des Verstopfungsgrades des Filters.

Der Operationsverstärker OP2 vergleicht den Ausgangswert des Operationsverstärkers OP1 mit der Referenzspannung ref2. Wenn ein vorbestimmter Wert überschritten wird, leuchtet eine Lumineszenzdiode (LED) auf und der Träger der Atemschutzeinrichtung erhält damit einen Hinweis, dass die Batterie entladen wird und/oder der Filter verstopft. Der Hinweis sagt ihm, dass der Ventilator nicht in der Lage ist, die gewählte Luftmenge zu fördern.

Um zu verhindern, dass die Vorrichtung infolge von Fehlern mit einer defekten Batterie betrieben wird, sorgt der Teilschaltkreis 6 zur Spannungsüberwachung der Batterie dafür, dass die Batterie nicht zu stark entladen wird. Dabei wird Stromzuführung zur Vorrichtung und zum Motor 1 unterbrochen, wenn die Batteriespannung unter eine bestimmten Minimalspannungswert fällt, z.B. unter 4 Volt.

Das beschriebene erfindungsgemässe Regelverfahren und der Schaltkreis sind auf unterschiedliche Atemschutzvorrichtungen anwendbar. Durch den Ventilator wird ein Uberdruck und der gewünschte Luftdurchsatz erreicht, wenn eine geschlossene Maske verwendet wird. Wenn eine offene Maske oder ein Haubenmodell in einer Atemschutzvorrichtung verwendet wird, wobei keine eigentliche Druckdifferenz entsteht, kann trotzdem die Luftmenge effektvoll kontrolliert werden.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Regeln der Luftmenge, insbesondere in einer Gasmaske, wobei die Vorrichtung einen Filter, einen Ventilator zur Erhöhung des Luftdurchsatzes und einen Antriebsmotor für den Ventilator sowie einen elektronischen Schaltkreis und Betriebsschalter zur Kontrolle der Wirkungsweise aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Ventilatormotor (1) gemeinsam mit den Ventilatorflügeln und dem diese umschliessenden Gehäuseteil ein von der Luftmenge beeinflusster Sensor gebildet wird, an diesem Sensor mittels des vom Motor (1) benötigten Stromes (I) und der am Motor (1) angelegten Spannung (U1) Veränderungen der geförderten Luftmenge ermittelt werden und die Leistung des Ventilatormotors (1) abhängig von Strom und Spannung reguliert wird.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch , gekennzeichnet, dass ein elektronischer Regel- \ kreis bestehend aus einer Spannungsteiler-Schaltung (3), einer Gatterschaltung (4), einem Führungstransistor-Schaltkreis (5), einem Widerstand l (R11) und einem Operationsverstärker (OP1) einen Leistungsregler für den Ventilatormotor (1) bildet und dieser Leistungsregler den Luftdurchsatz in der Gasmaske auf einen etwa konstanten Wert einstellt und dass die am Motor (1) auftretenden Strom-

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werte (I) und Spannungswerte (U1) die Steuerwerte für den Leistungsregler sind.

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung (U1), welche am Motor (1) wirkt, geregelt ist und den konstanten Luftstrom erzeugt.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsregelung eine Pulsbreiten-Modulation ist.

5. Vorrichtung nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Regelkreis mit einem Integrationsschaltkreis (7) verbunden ist und diese beiden Schaltungen die Leistung des Motors (1) abhängig vom Ansaugdruck an der Ausgangsseite des Ventilators stufenlos regeln.

6. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Regelkreis in einem staub- und flüssigkeitsdichten Gehäuse angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Regelkreis einen Betriebsschalter (6A) für den Ventilator und einen Schalter (3B) zur Wahl der Motorleistung aufweist, diese beiden Schalter (6A und 3B) durch Zungenrelais gebildet sind und diese Relais durch ausserhalb des Gehäuses angeordnete Magnete fernbetätigt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Regelkreis mit einer Anzeigevorrichtung verbunden ist und diese Anzeigevorrichtung einen ungenügenden Luftdurchsatz des vom Motor (1 ) angetriebenen Ventilators anzeigt.

9. Vorrichtung nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzeigevorrichtung eine Lumineszenidiode ist.

10. Vorrichtung nach einem der Patentansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilschaltkreis (6) als Unterbrecher ausgebildet ist und dieser die Stromzufuhr zum Ventilatormotor (1) unterbricht, wenn die Speisespannung (SJ) unter den Grenzwert fällt, welcher vom Motor (1) für den minimalen Luftdurchsatz benötigt wird.

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