AT9689U1 - PROCESS FOR PROVIDING GAS MIXTURES FOR VENTILATION DEVICES AND DEVICE FOR CARRYING OUT THIS METHOD - Google Patents
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Description
2 AT 009 689 U12 AT 009 689 U1
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bereitstellen von Gasgemischen für Beatmungsgeräte, bei welchem eine Mehrzahl von voneinander verschiedenen Gasen über Schaltventile einer Mischkammer zugeführt wird, wobei die Schaltventile getaktet geöffnet und geschlossen werden, und der Druck in der Mischkammer überwacht wird sowie auf eine entspre-5 chende Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The invention relates to a method for providing gas mixtures for ventilators, in which a plurality of different gases is supplied via switching valves of a mixing chamber, wherein the switching valves are opened and closed in a clocked manner, and the pressure in the mixing chamber is monitored and a corre sponding -5 chende device for carrying out this method.
Zur Herstellung eines Gasgemisches werden bei derartigen Verfahren elektronisch angesteuerte Schaltventile eingesetzt, welche getrennt voneinander die Durchflussmenge der Eingangsmedien regeln und anschließend eine Mischkammer befüllen. Abhängig von der durch den io Schaltalgorithmus bestimmten Taktung der Schaltventile werden die Durchflussmengen der Eingangsmedien geregelt. Dadurch ergibt sich in der Mischkammer ein definiertes Mischungsverhältnis der Gase, bei einem ebenfalls definierten Druck.To produce a gas mixture, electronically controlled switching valves are used in such methods, which regulate the flow rate of the input media separately from each other and then fill a mixing chamber. Depending on the timing of the switching valves, which is determined by the switching algorithm, the flow rates of the input media are regulated. This results in the mixing chamber a defined mixing ratio of the gases, at a likewise defined pressure.
Ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine entsprechende Vorrichtung sind bei-15 spielsweise der US 4 576 159 zu entnehmen. Bei diesem bekannten Verfahren werden Schaltventile eingesetzt, welche jeweils gepulst betrieben werden. Da durch den pulsierenden Betrieb der Schaltventile ein hohes Maß an Druckschwankungen auftritt, wurde hier vorgeschlagen die jeweils über die Ventile geleiteten Gasströme einem Windkessel zuzuführen, in welchem der Druck vergleichmäßigt und entsprechend überwacht wurde. Zu diesem Zweck konnte im Wind-20 kessel eine elastische Membran vorgesehen sein oder aber ein Ventil zur Druckkonstanthaltung angeordnet werden, wobei der Windkessel als Mischkammer diente und in erster Linie Fluktuationen der Gasdrücke eliminieren sollte.A method of the type mentioned above and a corresponding device can be found in example 15 of US Pat. No. 4 576 159. In this known method switching valves are used, which are operated in each case pulsed. Since a high degree of pressure fluctuations occurs due to the pulsating operation of the switching valves, it has been proposed here to supply the gas flows guided in each case via the valves to a wind chamber, in which the pressure has been uniformed and correspondingly monitored. For this purpose, an elastic membrane could be provided in the wind tank, or else a pressure regulating valve could be arranged, the air chamber serving as a mixing chamber and primarily eliminating fluctuations of the gas pressures.
Weitere bekannte Vorrichtungen, bei welchen die Schaltfrequenz von Schaltventilen beeinflußt 25 wurde, sind beispielsweise der US 3 626 963 zu entnehmen. Der US 3 895 642 ist die Verwendung von Differenzdruckventilen zur Erzielung des gewünschten Mischungsverhältnisses zu entnehmen, wobei schließlich die US 4 380 233 ein Beatmungsgerät mit einer speziellen Schaltungsanordnung für den Betrieb von Magnetventilen angibt, mit welchen neben der Schaltfrequenz für die gepulsten Ventile auch das Verhältnis der Einatmungs- und der Ausatmungszeit 30 voreingestellt werden konnte.Other known devices, in which the switching frequency of switching valves influenced 25, can be found for example in US 3,626,963. US Pat. No. 3,895,642 discloses the use of differential pressure valves to achieve the desired mixing ratio, and finally US Pat. No. 4,380,233 discloses a ventilator with a special circuit arrangement for the operation of solenoid valves, with which, in addition to the switching frequency for the pulsed valves, the ratio the inhalation and exhalation time 30 could be preset.
Alle bekannten Vorrichtungen dienen dazu ein Gemisch aus zwei Gaskomponenten, und insbesondere von Sauerstoff und Druckluft, mit einem wählbaren Mischungsverhältnis und einem, wenn möglich, wählbaren Druck bereit zu stellen. Bei modernen Jet-Beatmungsgeräten zur Jet-35 Ventilation muss ein wesentlich höherer Arbeitsdruck bzw. Abstrahldruck eingesetzt werden, um einen ausreichenden Gasaustausch in der Lunge des Patienten zu gewährleisten. Abstrahldrücke sind hier in der Regel in der Größenordnung von bis zu 4 bar erforderlich, wobei die bekannten Systeme, die mit Proportionalventilen oder Schaltventilen arbeiten, üblicher Weise in einem ersten Arbeitsschritt die Gaskonzentration regeln und erst anschließend in einem weite-40 ren Arbeitsschritt den gewünschten Arbeitsdruck einer Regelung unterziehen. Derartige Systeme liefern in der Regel für eine Jet-Ventilation nur unzulängliche Druckkonstanz und in aller Regel auch nur einen zu geringen Gasfluss. Die Flowcharakteristik ist zumeist stark vom eingestellten Mischungsverhältnis abhängig, was bedeutet, dass mit der Sauerstoffkonzentration sich auch der Ausgangsdruck und damit eine Reihe weiterer Einstellparameter des Beatm ungsgerä-45 tes ändern.All known devices serve to provide a mixture of two gas components, and in particular oxygen and compressed air, with a selectable mixing ratio and, if possible, selectable pressure. In modern jet-ventilators for Jet-35 ventilation, a significantly higher working pressure or radiation pressure must be used to ensure a sufficient gas exchange in the lungs of the patient. Radiation pressures are generally required in the order of up to 4 bar, the known systems that operate with proportional valves or switching valves usually control the gas concentration in a first step and only then in a wide-40 ren operation the desired working pressure subject to regulation. As a rule, such systems only provide inadequate pressure stability for jet ventilation and, as a rule, only too low a gas flow. The flow characteristic is mostly heavily dependent on the set mixing ratio, which means that the oxygen concentration also changes the outlet pressure and thus a number of further ventilation parameters.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, jeweils unabhängig von dem voreingestellten Mischungsverhältnis und der sich jeweils ändernden Entnahmemenge konstante Misch- und Druckverhältnisse zu gewährleisten, um einen entsprechend hohen Fluss bei entsprechend hohem Druck so einem Jet-Beatmungsgerät zuführen zu können.The invention now aims to ensure constant mixing and pressure conditions regardless of the preset mixing ratio and the respectively changing removal quantity in order to be able to supply a correspondingly high flow at a correspondingly high pressure to a jet ventilator.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht das erfindungsgemäße Verfahren im Wesentlichen darin, dass die voneinander verschiedenen Gase jeweils über eine Mehrzahl von parallel angeordneten Schaltventilen geführt werden und die Steuerung der Schaltventile derart erfolgt, dass eine 55 einem groben Mischungsverhältnis der Gase entsprechende Anzahl von jeweils voneinander 3 AT 009 689 U1 verschiedenen Gasen zugeordneten Schaltventilen synchron geöffnet und geschlossen wird. Dadurch, dass für unterschiedliche Gase, wie beispielsweise Sauerstoff und Luft, jeweils eine Mehrzahl von Ventilen parallel angeordnet ist, gelingt es, durch Wahl der entsprechenden Anzahl der jeweils zu öffnenden Ventile ein gewünschtes Mischungsverhältnis grob und weiters 5 auch die gewünschte Durchflussmenge zu gewährleisten. Diese jeweils der Grundeinstellung dienenden Ventile bzw. Ventilgruppen können entsprechend synchron getaktet betrieben werden, wobei die jeweiligen Gasströme der Mischkammer zugeführt werden. Die Mischkammer erhält somit unmittelbar die gewünschte Gasmasse in der Zeiteinheit sowie die jeweiligen Gasströme in dem gewünschten Mischungsverhältnis. Um nun eine Feinanpassung an das ge-io wünschte Mischungsverhältnis sicherzustellen, ohne hierbei eine jeweils vorgegebenen Durchflussmenge zu beeinträchtigen, ist das erfindungsgemäße Verfahren mit Vorteil so weitergebildet, dass wenigstens ein weiteres der Anpassung an ein definiertes Mischungsverhältnis dienendes Schaltventil im Vergleich zu anderen weiteren Schaltventilen asynchron geöffnet und geschlossen wird, wobei die Summe der jeweils geöffneten weiteren Ventile konstant gehalten 15 wird. Dieses weitere Ventil bzw. diese weiteren Ventile werden nun asynchron betrieben, so-dass dann, wenn beispielsweise ein Ventil in der Sauerstoffleitung geschlossen wird, ein Ventil in der Luftleitung bzw. einer weiteren Gasleitung geöffnet wird. Als Ergebnis dieses alternierenden Betriebes ergibt sich, dass die Gasdurchflussmenge insgesamt konstant gehalten werden kann und dennoch das gewünschte Mischungsverhältnis entsprechend exakt eingestellt werden 20 kann. Mit Vorteil wird hiefür so vorgegangen, dass die Gesamtzahl der jeweils geöffneten Ventile in Abhängigkeit von der gewünschten Durchflussmenge gewählt und konstant gehalten wird. Die jeweils getaktet bzw. gepulst betriebenen Schaltventile können entsprechend den Erfordernissen der Druckregelung gepulst betrieben werden, wobei der Druck selbst einer Zweipunktregelung in konventioneller Weise unterworfen werden kann und die entsprechenden Steuersig-25 nale unmittelbar den Schaltventilen zur Verfügung gestellt werden können. Über eine Drossel kann Gas abgezweigt werden und einer Gasanalyse zugeführt werden, wodurch kontinuierlich das Mischverhältnis überprüft wird und eine Qualitätskontrolle ermöglicht wird.To solve this problem, the inventive method consists essentially in that the gases different from each other are each guided over a plurality of parallel switching valves and the control of the switching valves is such that a 55 a coarse mixing ratio of the gases corresponding number of each other 3 AT 009 689 U1 assigned to different gases associated switching valves synchronously opened and closed. Characterized in that for different gases, such as oxygen and air, in each case a plurality of valves is arranged in parallel, it is possible by selecting the appropriate number of valves to be opened in each case a desired mixing ratio coarse and further 5 to ensure the desired flow rate. These respective basic settings serving valves or valve groups can be operated synchronously clocked accordingly, the respective gas streams are fed to the mixing chamber. The mixing chamber thus receives directly the desired gas mass in the unit time and the respective gas streams in the desired mixing ratio. In order to ensure a fine adjustment to the ge desired mixing ratio, without affecting a given flow rate, the inventive method is advantageously developed so that at least another of the adaptation to a defined mixing ratio serving switching valve in comparison to other other switching valves asynchronous is opened and closed, wherein the sum of each opened further valves is kept constant 15. This further valve or these other valves are now operated asynchronously, so that when, for example, a valve in the oxygen line is closed, a valve in the air line or a further gas line is opened. As a result of this alternating operation results that the total gas flow rate can be kept constant and yet the desired mixing ratio can be set according to exactly 20. Advantageously, the procedure is such that the total number of valves opened in each case is selected as a function of the desired flow rate and kept constant. The clocked respectively pulsed operated switching valves can be operated pulsed according to the requirements of pressure control, the pressure itself can be subjected to a two-step control in a conventional manner and the corresponding Steuersig 25 nale directly the switching valves can be provided. Through a throttle gas can be diverted and fed to a gas analysis, whereby the mixing ratio is continuously checked and quality control is enabled.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist im wesentlichen 30 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen jedem Anschluss für eine Gasleitung und einer Mischkammer eine Mehrzahl von getaktet offen- und schließbaren Schaltventilen eingeschaltet ist und dass die Schaltventile mit einem Steuergerät und einem Taktgeber verbunden sind, dessen Taktfrequenz bzw. Steuersignale zum Öffnen und Schließen der Schaltventile in Abhängigkeit von Vorgaben für das Mischungsverhältnis der Gase und der gewünschten Durchflussmenge 35 für einzelne Ventile im gleichen Gasweg gesondert verstellbar sind. Um die entsprechende Druckkonstanz und die entsprechenden Mischungsverhältnisse bei entsprechend hoher Durchflussmenge zu gewährleisten, ist die Ausbildung mit Vorteil so getroffen, dass in jedem Gasweg wenigstens drei, vorzugsweise vier, Ventile parallel zueinander angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Mischkammer als Druckkessel ausgebildet ist, deren Druck von wenigstens 40 einem Sensor überwacht ist, dessen Sensorsignale dem Steuergerät zu einer Druckregelung zugeführt ist. Für die Zwecke einer Qualitätskontrolle ist die Ausbildung mit Vorteil so getroffen, dass in wenigstens einem Gasweg eine Drossel zu einer Zweigleitung geführt ist, an welche ein Gasana-45 lysegerät anschließbar ist.The device according to the invention for carrying out this method is essentially characterized in that between each connection for a gas line and a mixing chamber, a plurality of clocked open and close switching valves is turned on and that the switching valves are connected to a control unit and a clock whose clock frequency or control signals for opening and closing the switching valves depending on specifications for the mixing ratio of the gases and the desired flow rate 35 for individual valves in the same gas path are separately adjustable. In order to ensure the appropriate pressure constancy and the corresponding mixing ratios with a correspondingly high flow rate, the design is advantageously such that in each gas path at least three, preferably four, valves are arranged parallel to each other, wherein preferably the mixing chamber is designed as a pressure vessel whose pressure is monitored by at least 40 a sensor whose sensor signals is supplied to the control unit to a pressure control. For the purpose of a quality control training is advantageously made so that in at least one gas path, a throttle is guided to a branch line, to which a Gasana-45 lysegerät can be connected.
Insgesamt ergibt sich durch die erfindungsgemäße Ausbildung eine Einrichtung, bei welcher die entsprechende Druck-, Durchflussmengen- und Mischungskonstanz in einem Arbeitsgang voreingestellt werden kann, sodass eine wesentlich kleinere Mischkammer zur Vergleichmäßi-50 gung der Druckspitzen zum Einsatz gelangen kann. Das Mischverhältnis kann mit höherer Genauigkeit mit einer Abweichung unter 1% vom Sollwert eingestellt werden, wobei bei kurzzeitiger Maximalentnahme eine entsprechende Pufferung in der Mischkammer gewährleistet werden kann. 55 Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten 4 AT 009 689 U1Overall, the inventive construction results in a device in which the corresponding pressure, flow rate and mixing constancy can be preset in one operation, so that a much smaller mixing chamber for Vergleichmäßi 50 supply of pressure peaks can be used. The mixing ratio can be set with higher accuracy with a deviation of less than 1% of the nominal value, whereby with short-term maximum removal a corresponding buffering in the mixing chamber can be ensured. The invention is described below with reference to a 4 AT 009 689 U1 shown schematically in the drawing
Ausführungsbeispieles näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 ein Diagramm für die Schaltzeiten der Ventile zur Einstellung des gewünschten Mischungsverhältnisses und Fig. 3 eine modifizierte und ergänzte Darstellung entsprechend der Fig. 2, bei welcher auch der Druckverlauf und damit die Druckre-5 gelung über eine Mehrzahl von Schaltzyklen dargestellt ist.Embodiment explained in more detail. 2 shows a diagram for the switching times of the valves for setting the desired mixing ratio and FIG. 3 shows a modified and supplemented illustration corresponding to FIG. 2, in which also the pressure curve and thus the Druckre-5 gelung over a plurality of switching cycles is shown.
In Fig. 1 ist mit 1 die Pressluftkupplung und mit 2 die Sauerstoffkupplung der entsprechenden Gasversorgung eines Krankenhauses schematisch angedeutet. Den jeweiligen Kupplungen sind jeweils Druckregler 3 nachgeschaltet, wobei die entsprechenden Drucksensoren mit 4 io bezeichnet sind. In die jeweiligen Gaswege 5 und 6 sind jeweils eine Mehrzahl von Ventilen parallel geschaltet angeordnet, wobei bei der Darstellung nach Fig. 1 jeweils vier Ventile vorgesehen sind, welche im Fall des Luftweges als VL1 bis VL4 bezeichnet sind und im Fall des Sauerstoffweges als V01 bis V04 eingezeichnet sind. Alle diese Ventile sind als getaktet öffen-und schließbare Ventile ausgebildet und werden von einem nicht näher dargestellten Impulsge-15 ber jeweils geöffnet und geschlossen. Der jeweilige Summenausgang der Gasleitungen 5 und 6 wird über eine Leitung 7 zusammengeführt und einer Mischkammer 8 zugeführt. Die Mischkammer 8 kann relativ klein bauen, wobei die jeweils mit hohem Druck und in entsprechender Menge zugeführten Gase zur besseren Verwirbelung auch voneinander getrennt und tangential in die Mischkammer eingeführt werden können. Die Mischkammer selbst verfügt über einen 20 Drucksensor 9, über welchen der jeweils obere oder untere Druckwert für die Zweipunktregelung eingestellt ist. Mit 10 ist eine Drossel bezeichnet, über welche Gas einem Sauerstoffsensor 11 zur Analyse des Gases zugeführt wird. Das Gemisch wird über die Leitung 12 dem Beatmungsgerät zugeführt. 25 Bei der Darstellung nach Fig. 2 ist nun ein Diagramm ersichtlich, in welchem eine mögliche Betriebsweise bei jeweils vier Ventilen für den Sauerstoff- und den Luftweg schematisch dargestellt ist. Das Sauerstoffventil V01 wird ebenso wie die beiden Luftventile VL1 und VL2 über den gesamten Zeitraum von T1 bis T0 geöffnet. Bei gleicher Schaltfrequenz und gleichen Durchflussquerschnitten ergibt sich ein Mischungsverhältnis von LufLSauerstoff von 2:1, wobei 30 mit T1 die Einschaltzeit und mit T0 die jeweilige Abschaltzeit angedeutet ist. Für eine Feineinstellung des Mischungsverhältnisses sind zusätzliche Ventile V02 und VL3 vorgesehen, welche nunmehr alternierend geöffnet und geschlossen werden, d.h. asynchron betrieben werden, sodass insgesamt jeweils von T1 bis T0 diejenige Durchflussmenge durchgeführt wird, welche einem weiteren Ventil entsprechen würde, da ja die beiden Ventile V02 und VL3 zum Zeitpunkt 35 t1 umgeschaltet werden, sodass jeweils immer nur ein Ventil geöffnet ist. Der Zeitraum des Ventilwechsels ergibt eine entsprechende Feineinstellung des Mischungsverhältnisses, und insbesondere der gewünschten Sauerstoffkonzentration im Luft-Sauerstoff-Gemisch.In Fig. 1, 1 with the compressed air coupling and with 2 the oxygen coupling of the corresponding gas supply of a hospital indicated schematically. The respective clutches each pressure regulator 3 are connected downstream, the corresponding pressure sensors are designated by 4 io. In each of the gas paths 5 and 6, a plurality of valves are arranged in parallel, wherein in the illustration of FIG. 1, four valves are provided, which are designated in the case of the airway as VL1 to VL4 and in the case of the oxygen path as V01 to V04 are drawn. All of these valves are designed as clocked openable and closable valves and are opened and closed by a Impulsge-15, not shown each. The respective sum output of the gas lines 5 and 6 is combined via a line 7 and fed to a mixing chamber 8. The mixing chamber 8 can build relatively small, wherein the respectively supplied with high pressure and in an appropriate amount of gases for better turbulence and separated from each other and can be introduced tangentially into the mixing chamber. The mixing chamber itself has a pressure sensor 9, via which the respective upper or lower pressure value for the two-point control is set. Denoted at 10 is a throttle via which gas is supplied to an oxygen sensor 11 for analysis of the gas. The mixture is supplied via line 12 to the ventilator. In the illustration according to FIG. 2, a diagram can now be seen, in which a possible mode of operation in each case of four valves for the oxygen and the air path is shown schematically. The oxygen valve V01 is opened as well as the two air valves VL1 and VL2 over the entire period from T1 to T0. With the same switching frequency and the same flow cross-sections, a mixing ratio of LufL oxygen of 2: 1 results, with 30 being the on-time T1 and the respective switch-off time T0. For a fine adjustment of the mixing ratio additional valves V02 and VL3 are provided, which are now alternately opened and closed, i. operated asynchronously, so that in total from T1 to T0 the flow rate is performed, which would correspond to another valve, since the two valves V02 and VL3 are switched at time 35 t1, so that only one valve is always open. The period of valve change results in a corresponding fine adjustment of the mixing ratio, and in particular the desired oxygen concentration in the air-oxygen mixture.
Bei der Darstellung nach Fig. 3 ist nun zusätzlich über die jeweiligen Schaltzeitpunkte der un-40 terschiedlichen Ventile V01, V02 sowie VL1, VL2 und VL3 der entsprechende Druckverlauf ersichtlich. Zum Einschaltzeitpunkt T1 befindet sich der Druck auf dem unteren Grenzwert p1 und steigt im Verlauf des Einschaltzyklus, in welchem auch die jeweiligen Ventilwechselzeitpunkte t1 und t2 für die Umschaltung von Ventilen liegen, bis zu einem Druck p2 an, worauf zu diesem Zeitpunkt T0 eine Abschaltung erfolgt bis der Druck jeweils wieder von p2 auf p1 abge-45 sunken ist. In der Folge werden entsprechend verschoben wiederum von T1 bis T0 Druckwerte zwischen p1 und p2 erzielt, wobei nunmehr drei Schaltwechselzeitpunkte t1, t2 und t3 beobachtet werden, um insgesamt die gewünschte Konstanz sowie das gewünschte Mischungsverhältnis bei gleicher Masse in der Zeiteinheit zu gewährleisten. so Die Schaltventile V01 bis V04 bzw. VL1 bis VL4 füllen jeweils die Mischkammer mit dem gewünschten Gemisch auf, wobei sobald die obere Druckgrenze in der Mischkammer erreicht ist, alle Ventile geschlossen werden. Sobald der Druck auf die untere Druckgrenze fällt, werden die jeweils entsprechenden Ventile wieder geöffnet, womit eine Zweipunktregelung verwirklicht wird. Die Anzahl der verwendeten Schaltventile für Luft und Sauerstoff gibt ein grobes Misch-55 Verhältnis vor, wobei zusätzlich durch das kurzzeitige hin- und herschalten wenigstens einesIn the illustration according to FIG. 3, the corresponding pressure curve can now be seen in addition via the respective switching times of the un-40 different valves V01, V02 and VL1, VL2 and VL3. At the switch-on time T1, the pressure is at the lower limit value p1 and increases in the course of the switch-on cycle, in which the valve switching times t1 and t2 are for the switching of valves, up to a pressure p2, followed by a switch-off at this time T0 until the pressure drops again from p2 to p1. As a result, correspondingly shifted from T1 to T0 pressure values between p1 and p2 achieved, now three Schaltwechselzeitpunkte t1, t2 and t3 are observed to ensure total desired consistency and the desired mixing ratio at the same mass in the unit time. Thus, the switching valves V01 to V04 and VL1 to VL4 respectively fill the mixing chamber with the desired mixture, and as soon as the upper pressure limit in the mixing chamber is reached, all the valves are closed. As soon as the pressure drops to the lower pressure limit, the respectively corresponding valves are opened again, whereby a two-point control is realized. The number of switching valves used for air and oxygen gives a coarse mixing-55 ratio, in addition to the short-time switching at least one
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AT9689U1 true AT9689U1 (en) | 2008-02-15 |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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EP3705152B1 (en) | 2019-03-07 | 2022-10-26 | Löwenstein Medical Technology S.A. | Ventilator with mixer chamber and mixer chamber for a ventilator |
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2006
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EP3705152B1 (en) | 2019-03-07 | 2022-10-26 | Löwenstein Medical Technology S.A. | Ventilator with mixer chamber and mixer chamber for a ventilator |
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Legal Events
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