Pneumatischer Nebenwiderstand sowie Gasmischer
Die Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet von Gasmischern. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Gasmischer, die bei der künstlichen Beatmung von Patienten eingesetzt werden.
Konventionell im Bereich der Intensivmedizin eingesetzte Gasmischer basieren i.d.R. auf aufwändigen mechanischen Druckreglern (Dräger u.a.). Die Einstellung erfolgt über mechanische Drehwahlschalter. Allein deren Einstellfehler ist häufig größer als die geforderte Genauigkeit in der Gasmischung.
Durchflussregler als Kombination von Gasflusssensor und Proportionalventil sind bekannt und handelsüblich. Gasmischer oder -dosierer als Parallelschaltung von Durchflussreglern sind als diskrete Aufbauten bekannt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen kompakten pneumatischen Nebenwiderstand und einen kompakten Gasmischer anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteilhaft an einer Strömung durch einen Spalt ist die Laminarität der Strömung. Hieraus ergibt sich eine in weiten Bereichen lineare Kennlinie.
Vorteilhaft an der Verwendung eines Spalts zwischen einem zylinderförmigen Messhohlraum und einem zylinderförmigen Widerstandskörper ist die leichte Herstellbarkeit beispielsweise durch Bohren, Spritzgießen oder Drehen.
Ein gleichmäßig breiter Spalt sorgt vorteilhafter Weise für einen großen linearen Bereich. Dies wird vorteilhafter Weise dadurch erreicht, dass die Rotationsachsen des Widerstandskörpers und des Messhohlraums zusammenfallen.
Ist der Widerstandskörper Teil eines Einsatzes, der mittels eines Gewindes in den Block eingedreht wird, kann der Strömungswiderstand des Nebenwiderstands durch unterschiedliche Einsätze in einfacher Weise den Erfordernissen angepasst werden.
Ein O-Ring sorgt auf einfache Weise für Druckdichtigkeit.
Ein Gasmischer, der einen Block mit den wichtigsten pneumatischen Verbindungen enthält und an dem möglichst viele Ventile und Sensoren unmittelbar befestigt und pneumatisch angeschlossen werden, nimmt wenig Platz ein und ist leicht zu montieren, da der Verschlauchungsaufwand sinkt, weil ja weniger Schläuche benötigt werden.
Ein erfindungsgemäßer pneumatischen Nebenwiderstand kann in vorteilhafter Weise in den Block des Gasmischers integriert werden und erleichtert so die Anpassung des Gasmischers an Gasquellen, die unterschiedliche Drücke liefern.
Ein Schwerteinsatz sorgt für eine rasche und vollständige Vermischung der zu mischenden Gase. Dies ist insbesondere beim Einsatz von Gassensoren vorteilhaft, um Fehlmessungen zu vermeiden.
Die Engstelle zusammen mit einem Speichervolumen, das an dem Anschluss angeschlossen werden kann, der dem Gasauslass parallel geschaltet ist, bildet einen pneumatischen Tiefpass, der die Stabilität der Regelschleifen erhöht, auch wenn am Ausgang während der Inspiration und Exspiration unterschiedlich viel Gas abgenommen wird.
Ein Sauerstoffsensor kann in vorteilhafter Weise mit Hilfe der zugeführten synthetischen Luft kalibriert werden und nach Umschalten eines entsprechenden Umschaltventils die Sauerstoffkonzentration des gemischten Glases verifizieren.
Die Verwendung von Zusatzblöcken erlaubt es in vorteilhafter Weise, den Gasmischer an unterschiedliche Anforderungen anzupassen. So lassen sich Herstellungskosten durch Verwendung von gleichen Bauteilen in unterschiedlichen Geräten aufgrund der größeren Stückzahlen reduzieren.
Mit Hilfe des zweiten Zusatzblocks ist es in vorteilhafter Weise möglich, die vorgelagerten Ausgänge mit einem bestimmten Druckniveau aus dem Grundblock zu versorgen und für den Beatmungsanschluss separat ein Druck- oder Durchsatzniveau einzuregeln.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen pneumatischen Nebenwiderstand;
Fig. 2 einen horizontalen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen pneumatischen Nebenwiderstand;
Fig. 3 ein pneumatisches Schaltbild des erfindungsgemäßen Gasmischers;
Fig. 4 einen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Gasmischer; und
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Gasmischers.
Figuren 1 und 2 zeigen zwei Schnitte durch einen erfindungsgemäßen pneumatischen Nebenwiderstand 1. In einem Block 2 befindet sich eine gasführende Bohrung 4, links und rechts je ein Schlauchanschluss 9 an der gasführenden Bohrung 4, zwei Sensoranschlüsse 10 sowie ein Einsatz 3. Der Einsatz 3 wird durch ein Gewinde 7 im Block 2 fest geschraubt.
In dem in Figur 1 dargestellten Schnitt weist der Einsatz 3 in seinem unteren Bereich einen Zylinder 13 auf. Der Zylinder 13 befindet sich in einer Messbohrung 6, die senkrecht die gasführenden Bohrung kreuzt, wobei sich auch die Mittellinien beider Bohrungen kreuzen. Der Durchmesser der Messbohrung 6 ist geringfügig größer als der Durchmesser der gasführenden Bohrung 4. Zwischen der Messbohrung 6 und dem Zylinder 13 entsteht ein schmaler Spalt 5 von einigen Zehntelmillimetern. Im Spalt 5 wird das strömende Gas in eine annähernd laminare Strömung gebracht, so dass man eine monotone, bereichsweise lineare Kennlinie für den Zusammenhang von Druckabfall und Fluss erhält. Der Einsatz 3 weist einen Dichtbund auf, der durch einen O-Ring 8 gegenüber dem Block 2 gedichtet wird. Solche Einsätze sind einfach herzustellen.
Im Gegensatz zu anderen Strömungswiderständen wird beim erfindungsgemäßen pneumatische Nebenwiderstand auf sehr einfache Art eine laminare Strömung erzeugt. Durch Austausch des Einsatzes 3 durch einen anderen Einsatz mit einem Zylinder 13 mit geringfügig anderem Radius kann das Spaltmaß 5 auf den Durchflussbereich angepasst werden, so dass sich eine hohe Variabilität ergibt, ohne den Block 2 verändern zu müssen.
Die Grundanpassung erfolgt durch Wahl der Messbohrung 6 im Verhältnis zur gasführenden Bohrung 4.
Über Querbohrungen 12, Sensoranschlussbohrungen 11 sowie Sensoranschlüsse 10 kann der Druckabfall an der Messbohrung 6 abgegriffen werden. An den Sensoranschlüssen 10 kann entweder ein Flusssensor oder ein Differenzdrucksensor angeschlossen werden, wobei hierdurch der pneumatische Nebenwiderstand 1 zu einem Flusssensor erweitert wird.
In Figuren 3, 4 und 5 sind verschiedene Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Gasmischers dargestellt. Figur 3 zeigt ein pneumatisches Schaltbild des voll bestückten, erfindungsgemäßen Gasmischers 100. Figur 4 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform eines solchen Gasmischers 100, die in Figur 5 perspektivisch dargestellt ist.
Der Gasmischer umfasst ein Grundmodul 109, ein erstes Zusatzmodul 139 sowie ein zweites Zusatzmodul 169. Herzstücke der Module sind ein Grundblock 110, ein erster Zusatzblock 140 beziehungsweise ein zweiter Zusatzblock 170. Die Ausführung in gefrästen und gebohrten Blöcken, beispielsweise aus eloxiertem Aluminium, garantiert einen kompakten Aufbau. Die benötigte, aber nicht dargestellte Leiterplatte befindet sich parallel zu und unmittelbar unter den Blöcken. Die Montagezeit ist deutlich geringer als bei diskret aufgebauten Gasmischern, weil beim erfindungsgemäßen Gasmischer weniger Schläuche benötigt werden, um die erforderlichen Ventile und Sensoren durch Schläuche zu verbunden.
Der Gasmischer besteht in der einfachsten Ausführungsform aus einem Grundmodul, in dem die Mischung zweier Gasströme realisiert ist.
Der Sauerstoffanschluss 111 ist, wie der Name sagt, für den Anschluss an Sauerstoff vorgesehen. Am Luftanschluss 121 wird künstliche Luft oder über einen
Kompressor komprimierte Luft zugeführt. Die Zuführung von Gasen erfolgt in der in
Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsform über Schläuche. Deshalb sind an den Anschlüssen in Figuren 4 und 5 Schlauchanschlüsse dargestellt. In einer anderen Ausführungsform kann beispielsweise ein nicht dargestelltes Filtermodul unmittelbar am Grundblock 110 befestigt und gegenüber diesem gedichtet sein.
Jeder der beiden Gasströme passiert zunächst einen Drucksensor 112 bzw. 122, in denen der Druck am Sauerstoffanschluss 111 beziehungsweise dem Luftanschluss 121 gemessen wird. Anschließend passiert jeder Gasstrom eine Kombination aus einem Proportionalventil 113 beziehungsweise 123 und einem Gasflusssensor 114, 115, 116, 117 bzw. 124, 125, 126, 127. Jeder Gasflusssensor besteht aus einem pneumatischen Nebenwiderstand, wie er unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 erläutert wurde. In den Figuren 3 bis 5 sind beispielhaft die Einsätze 117 beziehungsweise 127 dargestellt. Über die Flusssensoraus- und -einlasse 114 und 115 bzw. 124 und 125 sind Flusssensoren 116 beziehungsweise 126 angeschlossen. Wie oben erwähnt, können an Stelle der Flusssensoren 116 und 126 auch Differenzdrucksensoren eingesetzt werden. Durch eine nicht dargestellte, bekannte, elektronische Schaltung werden die beiden Proportionalventile mit den beiden Gasflusssensoren zu zwei Regelkreisen zusammengeschaltet, wobei in jedem Regelkreis die Stellung des Proportionalventils so eingestellt wird, dass ein vorgegebener Gasfluss möglichst eingehalten wird.
Anschließend werden die beiden Gasströme in der Querbohrung, in der sich ein Schwerteinsatz 133 befindet, gemischt. Um eine gute und schnelle Durchmischung zu erreichen, sorgt der Schwerteinsatz 133 dafür, dass das vom Luftanschluss 121 kommende Gas in der oberen Hälfte (vgl. Fig. 4) der Querbohrung zunächst nach links fließt, dort auf das vom Sauerstoffanschluss kommende Gas trifft, und anschließend durch die untere Hälfte der Querbohrung zur Engstelle 136 und weiter zum Gasauslass 137 des Grundmoduls fließt.
Bei der Zusammenführung von zwei Gasströmen mit je konstantem Fluss entsteht ein neuer Gasstrom, der ebenfalls einen konstanten Fluss aufweist. Alternativ kann auch mit Hilfe eines an der Mischstelle angebrachten Drucksensors 138 auf einen bestimmten Solldruck am Gasauslass 137 geregelt werden.
Über einen Anschluss 135 kann ein nicht dargestelltes Ausgleichsreservoir angeschlossen werden, so dass die Engstelle 136 und das Ausgleichsreservoir einen pneumatischen Tiefpass bilden. Durch diesen Tiefpass werden Störeinflüsse auf die Regelkreise verringert, wenn am Gasauslass 137 beispielsweise bei Inspiration und Exspiration unterschiedlich viel Gas abgenommen wird.
Die Ventile für den Luftweg und die Einsätze 117 und 127 können je nach vorgesehenem Einsatzfall ausgetauscht werden, so dass sie sowohl für die Versorgung mit Druckluft aus der Flasche oder dem Kliniksystem (2-7bar) als auch für gering komprimierte Luft aus einem Kompressor (150mbar) eine optimale Regelung ermöglichen.
Auf der Eingangsseite kann ein erstes Zusatzmodul 139 angebracht werden, über das alternativ zur Luft bis zu zwei andere Gase, z.B. Lachgas am Lachgasanschluss 141 oder ein Edelgas wie Helium oder Xenon am Edelgasanschluss 151 , gleichzeitig angeschlossen werden können. Mittels der über Anschlüsse 142 beziehungsweise 152 angeschlossenen Drucksensoren 143 beziehungsweise 153 kann der Eingangsdruck überprüft werden, um beispielsweise durch einen Alarm auf eine leere Gasflasche hinzuweisen. Eine Reihenschaltung aus Umschaltventilen 144 und 145 sorgt dafür, dass immer nur eines der drei Gase mit Sauerstoff gemischt wird. Falls das erste Zusatzmodul 139 angeschlossen ist, wird der Luftweg durch Unterbrecher 130 unterbrochen, um einem pneumatischen Kurzschluss von Umschaltventil 145 zu vermeiden. Wird das erste Zusatzmodul 139 nicht benötigt, so werden die Anschlussöffnungen im Grundblock dicht verschlossen.
Anstelle des ersten Zusatzmoduls 139 kann ein Ventil 131 und ein Anschluss für einen Sauerstoffsensor 132 am Grundblock 110 montiert werden. Lediglich aufgrund der Abmessungen der Bauteile ist es bei der derzeit in Betracht gezogenen Ausführungsform von Grundblock 110 nicht möglich, sowohl das Ventil 131 als auch das erste Zusatzmodul 139 gleichzeitig zu montieren. Deshalb zeigt Figur 3 auch die Kombination von beiden Varianten. Der Sauerstoffsensor 132 kann in der einen Stellung von Ventil 131 entweder an Hand des am Luftanschluss 121 zugeführten Gases kalibriert werden oder die Sauerstoffkonzentration dieses Gases messen oder in der anderen, in Figur 3 dargestellten Stellung des Ventils 131 die Sauerstoffkonzentration des am Gasauslass 137 abgegebenen Gasgemisches überwachen. Insbesondere wegen dieser Analysemöglichkeit ist es notwendig, die beiden Gasströme rasch zu mischen. Andernfalls hängt die gemessene Sauerstoffkonzentration auch vom Abzweigungspunkt der Rückleitung zu Ventil 131 ab, was nicht akzeptabel ist. Diese Rückleitung zweigt kurz vor der Engstelle 136 nach oben aus der Zeichnungsebene in Figur 4 ab, so dass sie in Figur 4 nicht dargestellt ist.
Auf der Ausgangsseite kann ein zweites Zusatzmodul 169 mit dem zweiten Zusatzblock 170 angeschlossen werden. Das zweite Zusatzmodul 169 enthält nochmals einen Gasflusssensor mit einem erfindungsgemäßen pneumatischen Nebenwiderstand mit Einsatz 178, einem Flusssensorauslass 175 und einem Flusssensoreinlass 176, an denen ein Flusssensor 177 angeschlossen werden kann, ein Proportionalventil 174 und einen Anschluss 185 für einen Drucksensor 179, um den Fluss zum oder Druck am Beatmungsanschluss 187 unabhängig von Fluss durch und Druck am Gasauslass 137 einstellen zu können.
Daneben bietet das zweite Zusatzmodul 169 einen Injektoranschluss 186, der über das Ventil 173 und das Umschaltventil 134 direkt mit Gas vom Sauerstoffanschluss 111 oder vom Luftanschluss 121 versorgt werden kann. Alternativ kann der Fluss durch den Injektionsanschluss 186 über ein Ventil 172 und eine Kapillare 171 begrenzt werden. Die Kapillare kann beispielsweise eine Öffnung von 0,3 mm aufweisen.
Ferner weist das zweite Zusatzmodul 169 einen Handbeatmungsanschluss 188 auf, der über ein Ventil 181 mit dem Gasauslass 137 verbunden werden kann. Schließlich weist das zweite Zusatzmodul 169 einen Vernebleranschluss 189 auf, der über eine Kapillare 184 und ein Ventil 183 mit dem Gasauslass 137 verbunden werden kann. Die Kapillare 184 kann beispielsweise eine Öffnung von 0,8 mm aufweisen.
In einer Ausführungsform haben die Drucksensoren 112, 122, 138, 143, 153 einen Messbereich von 0 bis 7 bar. Der Drucksensor 179 weist in dieser Ausführungsform einen Messbereich von 0 bis 300 mbar auf. Die Ventile 131 , 172, 173 und 183 weisen eine Nennweite von 0,7 mm auf. Die Ventile 134, 144, 145 sowie 181 weisen eine Nennweite von 1 ,5 mm auf.
Der Gasmischer wurde zur Erzeugung von Gasmischungen zur Beatmung entwickelt, ist aber für viele weitere Aufgaben der Gasmischung einsetzbar.
Die Erfindung wurde zuvor anhand von bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert. Für einen Fachmann ist jedoch offensichtlich, dass verschiedene Abwandlungen und Modifikationen gemacht werden können, ohne vom Geist der
Erfindung abzuweichen. Deshalb wird der Schutzbereich durch die nachfolgenden Ansprüche und ihre Äquivalente festgelegt.
Bezugszeichenliste
1 pneumatischer Nebenwiderstand
2 Block
5 3 Einsatz
4 gasführende Bohrung
5 Spalt
6 Messbohrung
7 Gewinde
10 8 O-Ring
9 Schlauchanschluss
10 Sensoranschluss
11 Sensoranschlussbohrung
12 Querbohrung
15 13 Zylinder
100 Gasmischer
109 Grundmodul
110 Grundblock
111 Sauerstoffanschluss
20 112 Drucksensor
113 Proportionalventil
114 Flusssensorauslass
115 Flusssensoreinlass
116 Flusssensor
25 117 Einsatz
121 Luftanschluss
122 Drucksensor
123 Proportionalventil
124 Flusssensorauslass
30 125 Flusssensoreinlass
126 Flusssensor
127 Einsatz
130 Unterbrecher
131 Ventil
132 Sauerstoffsensor
133 Schwerteinsatz
134 Ventil
5 135 Anschluss
136 Engstelle
137 Gasauslass
138 Drucksensor
139 erstes Zusatzmodul 10 140 erster Zusatzblock
141 Lachgasanschluss
142 Anschluss
143 Drucksensor 144, 145 Ventil
15 151 Edelgasanschluss
152 Anschluss
153 Drucksensor
169 zweites Zusatzmodul
170 zweiter Zusatzblock 20 171 Kapillare
172, 173 Ventil
174 Proportionalventil
175 Flusssensorauslass
176 Flusssensoreinlass 25 177 Flusssensor
178 Einsatz
179 Drucksensor
180 O-Ring
181 Ventil 30 183 Ventil
184 Kapillare
185 Anschluss
186 Injektoranschluss
187 Beatmungsanschluss
188 Handbeatmungsanschluss
189 Vernebleranschluss