CN101766861B - 气体混合模块及具有该模块的呼吸机和麻醉机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体混合模块及具有该模块的呼吸机和麻醉机，该模块包括：壳体(5)，具有混合腔(52)、以及分别设于混合腔(52)两侧的第一腔(51)和第二腔(53)，第一腔(51)和第二腔(53)分别通过第一出气口(512)和第二出气口(532)与混合腔(52)连通；芯轴(2)，沿轴向依次穿过第一腔(51)、混合腔(52)和第二腔(53)，并且具有容纳于混合腔(52)中的台肩(22)；以及步进电机(9)，驱动芯轴(2)，使芯轴(2)轴向移动，从而通过台肩(22)的轴向移动同时改变第一出气口(512)和第二出气口(532)的开度。该气体混合模块能精确控制芯轴台肩在混合腔中的位置，并提高芯轴定位重复性，从而可提高呼吸机、麻醉机的精确度和稳定性。

Description

气体混合模块及具有该模块的呼吸机和麻醉机

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，具体而言涉及一种用于混合诸如空气和氧的两种不同气体的气体混合模块以及具有该模块的呼吸机和麻醉机。

背景技术

在呼吸机、麻醉机等医疗器械的使用过程中，需要对患者进行机械通气。对于正在接受治疗的患者来说，通气量的大小控制和氧浓度调节是非常重要的，特别是婴幼儿患者和危重症患者。从成人大潮气量到婴幼儿小潮气量下氧浓度的精确、灵敏、连续调节，这决定了呼吸机的精度，也决定着呼吸机的档次。

目前，用于呼吸机氧浓度调节的方式按不同方式分为依靠两个流量比例阀控制调节和依靠不同通径的电磁阀岛排列组合进行调节，以及依靠一套独立的气体混合模块进行调节等等。其中，在依靠两个流量比例阀进行氧浓度调节的方式中，由于普通流量比例阀本身的局限性，其在小流量下很难做到精确控制，而换取高精度的小流量比例阀不仅很难达到大流量的要求而且还相应增加产品成本。在依靠不同通径的电磁阀岛排列组合进行调节的装置中，虽然依靠阀岛进行潮气量和氧浓度的调节可以满足很高的精度，但阀岛的组合大大增加了设计成本，同时电源板也需要很高的功率来满足阀岛的使用，从而增大了功率损耗，减少了电池使用寿命。在依靠独立的气体混合模块进行调节的方式中，该气体混合模块相当于设置有两个节流阀，通过利用芯轴改变空气、氧气入口端的开度调节空气、氧气气流大小来实现混合腔中氧浓度的调节，这种模块结构简单、制作成本低、易于维护，应用广泛。

如何精确控制气体混合模块中芯轴在混合腔中的位置，并提高芯轴定位重复性，以进一步提高呼吸机、麻醉机的精确度和稳定性是本发明所要解决的问题。

发明内容

本发明正是致力于解决现有技术中的上述问题而做出的，且本发明的目的在于提出一种气体混合模块，其能够保证较高的控制精度和重复定位精度，并且操作简单、成本低。

根据本发明的一个方面提供了一种气体混合模块，包括：壳体，具有混合腔、以及分别设于所述混合腔两侧的第一腔和第二腔，所述第一腔和所述第二腔可分别通过第一出气口和第二出气口与所述混合腔连通；芯轴，所述芯轴沿轴向依次穿过所述第一腔、所述混合腔和所述第二腔，并且所述芯轴具有容纳于所述混合腔中的台肩；以及步进电机，用以驱动所述芯轴，以使所述芯轴轴向移动，从而通过所述台肩的轴向移动同时改变所述第一出气口和所述第二出气口的开度；其中，所述芯轴与所述步进电机通过弹性联轴器连接在一起。

优选地，该气体混合模块还包括光电开关和光电挡片，所述光电开关固定在所述壳体上，所述光电挡片同轴地套设在所述芯轴上以随所述芯轴一起刚性转动且与所述光电开关选择性地相对。

优选地，在所述壳体上伸出有限位板，以限制所述光电挡片的转动。

优选地，所述壳体的靠近所述第一腔的一端通过螺母座密封，所述芯轴与所述螺母座通过梯形螺纹配合，并且所述壳体的另一端通过堵头密封。

优选地，所述步进电机与所述螺母座通过一体式支架同轴定位。

优选地，所述芯轴与所述螺母座之间通过O型密封圈密封。

优选地，所述螺母座由锡铜合金制成，且所述芯轴由工具钢制成。

根据本发明的另一方面提供了一种呼吸机，该呼吸机包括进气单元，在该进气单元中设置有上述气体混合膜块以及流量比例阀，该流量比例阀与气体混合模块的混合腔连通，以控制从所述混合腔中输出的混合气体的量。

根据本发明的再一方面提供了一种麻醉机，该麻醉机包括进气单元，在该进气单元中设置有上述气体混合膜块以及流量比例阀，该流量比例阀与气体混合模块的混合腔连通，以控制从所述混合腔中输出的混合气体的量。

本发明的有益效果是，由于通过步进电机驱动芯轴转动，因而控制精度高且成本低；通过梯形螺纹传动，确保将芯轴的转动精确转变为线性移动，有效控制空气出口和氧出口的开度；利用光电开关和光电挡片相配合来准确控制用于驱动步进电机的脉冲个数，并且通过限位板可保证光电挡片的每个位置与芯轴的位置一一对应，进一步实现对芯轴的精确控制；以及通过弹性联轴器和一体支架等结构确保步进电机轴与芯轴的同轴度，保证整个模块的稳定运行。

根据本发明的气体混合模块体积小、安装维护方便、制造成本低，并且能够精确控制气体混合模块中芯轴台肩在混合腔中的位置，提高芯轴定位重复性，从而有效提高呼吸机、麻醉机的精确度和稳定性。

应该理解，以上的一般性描述和以下的详细描述都是列举和说明性质的，目的是为了对要求保护的本发明提供进一步的说明。

附图说明

附图组成本说明书的一部分，用来帮助进一步理解本发明。这些附图图解了本发明的一些实施例，并可与说明书一起用来说明本发明的原理。附图中：

图1是示意性地示出根据本发明实施例的空氧混合模块的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。在附图中相同的部件用相同的标号表示。

参考图1，本发明的空氧混合模块包括：壳体5、芯轴2以及驱动芯轴2的步进电机9，其中，壳体5中形成有混合腔室52以及分别位于混合腔室两侧的空气腔室5和氧腔室53，空气腔室51和氧腔室53分别通过空气出口512和氧出口532与混合腔室52相连通，以分别向混合腔室中输入空气和纯氧。在该实施例中，如图1所示，芯轴2沿轴向依次穿过空气腔室51、混合腔室52和氧腔室53，且芯轴2的位于混合腔室52中的部分上形成有台肩22，通过台肩的轴向移动来同时改变空气出口512和氧出口532的开度。如本领域技术人员所理解的，空气腔室和氧腔室的位置也可以互换。

如图1所示，在该空氧混合模块中，壳体5的靠近空气腔室51的一端由螺母座4密封，芯轴2穿过该螺母座进入壳体5中并与螺母座螺纹配合，壳体5的另一端由堵头10密封。通过螺母座4和堵头10同时控制芯轴2在壳体5两端的导向。在该实施例中，芯轴2与螺母座4通过梯形螺纹配合。梯形螺纹是传动螺纹的主要形式，广泛应用于传动运动的螺旋机构中，其牙根强度高，螺旋副对中性好且加工工艺好。

该实施例的空氧混合模块在使用中，步进电机9驱动芯轴2转动，通过螺母座4的梯形螺纹传动将芯轴2的转动精确转变为线性移动，进而通过台肩22的移动同时改变空气出口512和氧出口532的开度，从而改变进入混合腔室52中混合气体的氧浓度，得到所需氧浓度的空氧混合气体。

在该实施例中，使用步进电机9来控制芯轴2的转动，当步进电机驱动器接收到一个脉冲信号时，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(即，步进角)。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而可达到准确定位的目的；同时，一般步进电机的精度为步进角的3-5％，且不累积，这样更有利于保证整个模块使用过程中混合气体的线性度和一致性；步进电机的细分功能(8细分、16细分的应用已十分广泛)又保证整个空氧混合模块的精度要求；最后，从成本上考虑，步进电机的成本是伺服电机的十分之一，性价比较高。此外，在该实施例中，芯轴2与步进电机9的轴利用弹性联轴器1相连接，弹性联轴器可较大程度吸收轴与轴之间的安装偏差，并能够有效吸收模块运行过程中所产生的振动，保证了整个系统的稳定性。

而且，在该实施例中，为了确保步进电机9的位置精确度，还设置有对射式光电开关3和光电挡片7，其中，光电开关3固定在固定螺母座4上，光电挡片7固定套设在芯轴2上以随芯轴2一起刚性转动，通过光电挡片7与光电开关3相配合来确定步进电机9转轴的起始位置。具体地，例如，设定光电开关3发出的光线被光电挡片7遮挡时对应的混合腔室52中的氧浓度为21％(即，通过芯轴2的台肩22使得空气腔室51完全打开而氧腔室53完全关闭)，则在每次使用时，步进电机9先驱动芯轴2转动至使光电开关3与光电挡片7相对(即，光电开关3发出的光线被光电挡片7遮挡)，从而在该对应氧浓度(21％)的基础上调整用于控制步进电机9的脉冲信号个数，以驱动芯轴2转动并进一步准确控制空气出口512和氧出口532的开度。通过这种结构使得能够保证步进电机轴的重复定位精度，并且操作简单、校准灵敏可靠，使得整个空氧混合模块的稳定性大大提高。为防止光电挡片7的过度转动，在壳体5上设置有挡板6，该挡板从壳体5伸出，通过该挡板6即可确保光电挡片7的每一个位置与芯轴2的位置一一对应，从而保证整个模块的准确性。

此外，在本发明中，芯轴2的台肩22与空气出口512和氧出口532之间的密封均采用平面密封，这样可以避免密封面是锥面或者球面时对芯轴2和空气出口512及氧出口532的同轴度精度要求较高的影响，实现较高压力条件下的密封要求，同时平面比锥面和球面的加工工艺性要好很多，加工的表面光洁度也容易得到保证。此处设计降低的加工精度要求可以降低加工成本，提高的加工的工艺性又使空氧混合模块的精度大大提高。同时，利用帕斯卡压力公式F＝P×A，通过分析计算芯轴2各个截面面积，引入气体在芯轴2不同截面上形成的压力来消除螺纹传动的间隙，从而在设计上减少了弹簧的应用，降低了设计成本，同时使空氧混合模块的精度在设计上即达到有效保障。

为确保步进电机轴与芯轴2的同轴度，如图1所示，步进电机9和螺母座4由一体式支架8支撑，其中，步进电机9和螺母座4分别穿过同轴地设置在支架两端的孔中，由此保证了电机轴与芯轴2的同轴度。此外，芯轴2与螺母座4之间还通过O型密封圈42密封，这样不仅可以有效提高芯轴与电机轴的同轴度，而且也很大程度上消除了电机轴与芯轴不同轴时产生的阻尼影响。

在该实施例中，芯轴2由工具钢制成，因而具有较高的刚度和耐磨性，螺母座4由锡铜合金制成，不仅具备很强的耐磨性，而且合金本身又拥有良好的润滑性能，可以大大减少整个模块的阻尼，保障步进电机9运转过程中的平稳性和整个模块使用的可靠性。

下面参照图1描述根据本发明实施例的空氧混合模块的工作过程。根据本发明实施例的空氧混合模块通过控制步进电机9精确控制芯轴2的台肩22在混合腔室中的位置，由此同时控制空气腔室的空气出口512与氧腔室的氧出口532的开度。具体地，步进电机驱动器驱动步进电机9带动芯轴2转动，光电开关3的输出电信号为高电平。当光电挡片7与光电开关3相对时，光电开关3的输出电信号从高电平转变为低电平，此时混合腔室中混合气体的氧浓度对应于设定值，例如21％。根据所需氧浓度与该设定值，计算步进电机9还需转动的角度，进而计算控制步进电机转动所需要发出的脉冲个数，通过控制脉冲个数准确控制台肩22在混合腔室中的位置。图1中示出芯轴2的台肩22处于最右端时的情况，此时氧腔室的氧出口被封闭，空气腔室的空气出口开度达到最大值，混合腔室中为100％的空气，氧浓度即为空气中的氧浓度21％。当步进电机9控制芯轴2向左微调时，空气腔室的空气出口开度逐渐减小，氧腔室的氧出口开度逐渐增大，即空气流量变小，氧流量增加，其中，台肩22沿轴向移动的每个位置均对应于相应的氧浓度值。当芯轴2移动到最左端时，此时空气腔室被完全封闭，氧腔室的氧出口开度达到最大，混合腔室内的氧浓度为100％。由此可以实现氧浓度的持续且精确的控制。

根据本发明的空氧混合模块可用于呼吸机或麻醉机上。具体地，该空氧混合模块设置在呼吸机或麻醉剂的进气单元上，作为呼吸机内吸气管前内部气路的一部分。通过外接气源的空气、氧两路气体经过空氧混合模块，依靠步进电机9和联轴器1精确控制芯轴2的轴向移动，使得同时调节空气和氧浓度，以从混合腔室输出所需氧浓度的混合气体，再通过流量比例阀送出患者所需要的潮气量，接入吸气管路中。

尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但显然，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的前提下，可以对本发明作出各种更改和变化。本发明的各种更改、变化由所附的权利要求书及其等同物的内容涵盖。

Claims (9)

1.一种气体混合模块，其特征在于，包括：

壳体(5)，具有混合腔(52)、以及分别设于所述混合腔(52)两侧的第一腔(51)和第二腔(53)，所述第一腔(51)和所述第二腔(53)可分别通过第一出气口(512)和第二出气口(532)与所述混合腔(52)连通；

芯轴(2)，所述芯轴(2)沿轴向依次穿过所述第一腔(51)、所述混合腔(52)和所述第二腔(53)，并且所述芯轴(2)具有容纳于所述混合腔(52)中的台肩(22)；以及

步进电机(9)，用以驱动所述芯轴(2)，以使所述芯轴(2)轴向移动，从而通过所述台肩(22)的轴向移动同时改变所述第一出气口(512)和所述第二出气口(532)的开度；

其中，所述芯轴(2)与所述步进电机(9)通过弹性联轴器(1)连接在一起。

2.根据权利要求1所述的气体混合模块，其特征在于，还包括光电开关(3)和光电挡片(7)，所述光电开关(3)固定在所述壳体(5)上，所述光电挡片(7)同轴地套设在所述芯轴(2)上以随所述芯轴(2)一起刚性旋转且与所述光电开关(3)选择性地相对。

3.根据权利要求2所述的气体混合模块，其特征在于，在所述壳体(5)上伸出有限位板(6)，以限制所述光电挡片(7)的转动。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的气体混合模块，其特征在于，所述壳体(5)的靠近所述第一腔(51)的一端通过螺母座(4)密封，所述芯轴(2)与所述螺母座(4)通过梯形螺纹配合，并且所述壳体(5)的另一端通过堵头(10)密封。

5.根据权利要求4所述的气体混合模块，其特征在于，所述步进电机(9)与所述螺母座(4)通过一体式支架(8)同轴定位。

6.根据权利要求4所述的气体混合模块，其特征在于，所述芯轴(2)与所述螺母座(4)之间通过O型密封圈(42)密封。

7.根据权利要求4所述的气体混合模块，其特征在于，所述螺母座(4)由锡铜合金制成，且所述芯轴(2)由工具钢制成。

8.一种呼吸机，包括进气单元，其特征在于，所述进气单元包括：

根据权利要求1至7中任一项所述的气体混合模块；以及

流量比例阀，与所述气体混合模块的混合腔(52)连通，以控制从所述混合腔(52)中输出的混合气体的量。

9.一种麻醉机，包括进气单元，其特征在于，所述进气单元包括：

根据权利要求1至7中任一项所述的气体混合模块；以及

流量比例阀，与所述气体混合模块的混合腔(52)连通，以控制从所述混合腔(52)中输出的混合气体的量。

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