CN103182142B - 混氧阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种混氧阀，包括阀体，阀体上具有氧气入口、空气入口、混合气体出口，阀体内设置与混合气体出口相通的混合腔、与氧气入口相通的氧气腔、与空气入口相通的空气腔，在氧气腔内弹性设置有第一导向座，在空气腔内弹性设置第二导向座，在第一导向座、第二导向座的内端分别设置第一滚珠和第二滚珠，第一滚珠与第二滚珠通过滚珠顶杆相连，第一导向座的外端活动设置顶杆，顶杆外侧设置可转动的轴承，轴承外侧设置渐开线凸轮，渐开线凸轮与步进电机的输出轴相连。此混氧阀具有结构简单、安装维护方便、制造成本低、能灵敏精确调节控制氧气和空气的比例、配合一个普通的比例阀即可实现大小潮气量控制的优点。

Description

混氧阀

技术领域

本发明涉及医疗器械领域，尤其涉及一种混氧阀。

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。

潮气量通常是指在静息状态(没受刺激的状态)下每次吸入或呼出的气量。它与年龄、性别、体积表面、呼吸习惯、肌体新陈代谢有关。设定的潮气量通常指吸入气量。潮气量的设定并非恒定，应根据病人的血气分析进行调整，正常情况下：成人：8-10ml/kg，小儿：10-15ml/kg。

目前，常规混氧阀设计一般依靠两个流量比例控制阀或端面密封阀实现控制空气和氧气的混合比例，在这两种设计中，第一种设计采用了两个流量比例控制阀，这样增加了产品的制造成本，且此种设计对于控制婴幼儿小潮气量的精确度有很大困难；第二种设计采用端面密封阀，但是因为零件加工制造精度和装配精度要求较高，造成加工制造难度大，且易造成密封不严，空气与氧气混合比例关系不确定。

如图1所示，中国专利文献CN101766861A公开一种“气体混合模块及具有该模块的呼吸机和麻醉机”，其中的气体混合模块包括壳体5a，壳体5a中具有混合腔52a，以及分别设于混合腔52a两侧的第一腔51a和第二腔53a，第一腔51a和第二腔53a可分别通过第一出气口512和第二出气口532与混合腔52a连通，芯轴2a沿轴向依次穿过第一腔51a、混合腔52a和第二腔53a，并且芯轴2a具有容纳于混合腔52a中的台肩22a，以及步进电机9a，用以驱动芯轴2a，以使芯轴2a轴向移动，从而通过台肩22a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。

此方案使用步进电机9a来控制，传动形式采用梯形螺纹传动，气体混合机构运动副采用固定螺母4a的形式，控制芯轴2a既转动又移动，气体混合机构芯轴2a与步进电机9a轴的连接采用弹性联轴器1a，弹性联轴器1a扭转刚性能把螺旋运动精度转变为线性运动，电机轴的位置确定采用对射式光电开关3a、限位丝6a、光电挡片7a等，步进电机9a与芯轴2a采用一体式支架8a定位，用一体式支架8a上两孔的同轴来保证电机轴与芯轴2a的同轴度。空氧混合机构设置在进气模块后安装，是呼吸机吸气管前、呼吸机内部气路的一部分，通过外接气源的空气、氧气两路气体经过气体混合机构，依靠步进电机9a和联轴器精确控制芯轴2a在型腔中的位置，同时调节空气氧气流通量，达到患者所需要的氧浓度的要求，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。

采用此种方案有以下缺点：第一、空气、氧气出口的密封仅通过芯轴2a的台肩22a进行端面密封，密封效果不好；第二、此种端面密封对接触面的平整度要求很高，这样就加大了加工制造难度；第三、芯轴2a和电机轴的中心不易找正，容易使芯轴2a和电机轴不同心，造成台肩22a对第一出气口512或第二出气口532的密封不严，致使气体泄漏，使气体的比例不在要求范围以内。

发明内容

本发明的目的在于解决产品成本高、密封效果差、加工制造难度高、不能精确控制空、氧气混合比例的问题，提供一种混氧阀，其具有体积小、结构简单、安装维护方便、制造成本低、在较高压力下达到稳定、精确的氧浓度调节控制、能灵敏精确调节控制氧气和空气的混合比例、配合一个普通的比例阀即可实现大小潮气量控制的优点。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：

一种混氧阀，包括阀体，所述阀体上具有氧气入口、空气入口、混合气体出口，所述阀体内设置与混合气体出口相通的混合腔、与氧气入口相通的氧气腔、与空气入口相通的空气腔，在所述氧气腔内弹性设置有第一导向座，在所述空气腔内弹性设置第二导向座，在所述第一导向座、第二导向座的内端分别设置第一滚珠和第二滚珠，所述第一滚珠与第二滚珠通过滚珠顶杆相连，所述第一导向座的外端活动设置顶杆，所述顶杆外侧设置可转动的轴承，所述轴承外侧设置渐开线凸轮，所述渐开线凸轮与步进电机的输出轴相连，通过步进电机输出轴转动实现渐开线凸轮转动，进一步带动轴承做旋转运动和水平移动，推动顶杆轴向移动，从而调节空气腔与氧气腔出口的开度。

优选的，所述阀体包括依次设置的阀体一、阀体二和阀体三，所述混合腔设置在所述阀体二内，所述混合腔内设置第一阀芯体和第二阀芯体，所述第一阀芯体与所述第二阀芯体相接，使两者内部连通并形成空气腔，所述氧气腔设置在所述阀体一内，所述空气腔通过设置在第一阀芯体上的空气出口与混合腔实现连通，所述氧气腔通过设置在阀体二上的氧气出口与混合腔实现连通。

优选的，所述第一导向座外端通过第一弹簧与阀体一相连接，所述第二导向座外端通过第二弹簧与阀体三相连接，所述空气入口设置在阀体三上，并连通至阀体二内部设置的空气腔，所述氧气入口设置在阀体一上，并连通至阀体一内部设置的氧气腔。

优选的，所述阀体的一侧固定设置两块呈上、下布置的夹板，所述轴承置于两夹板之间，且一并通过销轴穿接在一起，所述顶杆设置在阀体一内，且所述顶杆一端延伸至所述氧气腔内，并与第一导向座的外端抵靠，另一端延伸至所述的两夹板内。

进一步的，所述空气出口一端设置与第二滚珠相配合的锥形面，所述氧气出口的一端设置与第一滚珠相配合的锥形面，通过锥形面与滚珠的配合形成可靠的密封，并实现通气量的精确控制，所述滚珠顶杆设置在混合腔内，且所述滚珠顶杆两端分别延伸至空气出口和氧气出口内。

进一步的，所述顶杆的轴心、第一滚珠的圆心、滚珠顶杆的轴心以及第二滚珠的圆心在同一条直线上，此设计可保证空气与氧气混合比例得到精确控制。

进一步的，所述第二弹簧的弹力大于第一弹簧的弹力，以使在常态下第二滚珠始终封堵空气出口，空气端处于关闭状态，第一滚珠远离氧气出口，氧气端处于全开状态。

优选的，所述阀体一与所述阀体二的接触面设置O型密封圈，所述阀体二与所述第二阀芯体的接触面设置O型密封圈，所述第二阀芯体与所述阀体三的接触面设置O型密封圈，所述第二阀芯体与所述第一阀芯体的接触面设置O型密封圈。

优选的，所述顶杆与阀体一的接触面设置O型密封圈。

优选的，所述顶杆与阀体一的接触面设置密封膜片。

本发明的有益效果为：通过采取步进电机驱动渐开线凸轮旋转，渐开线凸轮带动轴承同时做旋转和水平移动，然后轴承推动顶杆移动，从而实现滚珠与阀体的锥形面形成可靠的密封和通气量的精密控制，而且在不同的流量情况下，实现将步进电机旋转角度线性的转换为气体流量的变化，为实现自动化控制提供了良好的机械结构平台；通过在整个混氧阀的各处密封处均通过O型密封圈进行密封，不仅密封安全可靠，价格低廉，而且拆卸维护也很方便；通过将顶杆的轴心、第一滚珠的圆心、滚珠顶杆的轴心以及第二滚珠的圆心设置在同一条直线上，这样可以使第一滚珠和第二滚珠能够按照比例打开，保证混氧阀的精确度；通过在混氧阀中设置弹簧，可以对第一导向座和第二导向座进行预紧压紧，且第二弹簧的压紧力大于第一弹簧的压紧力，可以确保滚珠顶杆和其两侧的滚珠紧密压在一起，并使在常态下第二滚珠始终封堵空气出口，空气出口处于关闭状态，第一滚珠远离氧气出口，氧气出口处于全开状态。对比现有技术，此混氧阀具有体积小、结构简单、安装维护方便、制造成本低、在较高压力下达到稳定、精确的氧浓度调节控制、能灵敏精确调节控制氧气和空气的混合比例、配合一个普通的比例阀即可实现大小潮气量控制的优点。

附图说明

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1为现有的混氧阀的结构示意图；

图2为本发明所述的混氧阀的俯视示意图；

图3为图2的A-A向剖视示意图；

图4为本发明所述的混氧阀的侧视示意图；

图5为图4的B-B向剖视示意图；

图6为本发明所述的混氧阀中渐开线凸轮的结构示意图；

图7为本发明所述的混氧阀中氧气全开时的状态示意图；

图8为本发明所述的混氧阀中空气端滚珠与锥形面的工作状态图；

图9为本发明所述的混氧阀中氧气端滚珠与锥形面的工作状态图；

图10为按公式计算的电机步数与混合后氧浓度的数据表格；

图11为按公式计算数据绘制的氧浓度与电机步数的关系图；

图12为按实际实验数据绘制的氧浓度与电机步数的关系图。

图中：

1a、弹性联轴器；2a、芯轴；3a、光电开关；4a、固定螺母；5a、壳体；6a、限位丝；7a、光电挡片；8a、支架；9a、步进电机；22a、台肩；51a、第一腔；52a、混合腔；53a、第二腔；512、第一出气口；532、第二出气口；

1、步进电机；2、渐开线凸轮；3、轴承；4、顶杆；5、第一弹簧；6、阀体一；7、第一导向座；8、阀体二；9、第一滚珠；10、滚珠顶杆；11、第一阀芯体；12、第二滚珠；13、第二弹簧；14、第二阀芯体；15、第二导向座；16、阀体三；17、空气入口；18、空气腔；19、空气出口；20、混合气体出口；21、混合腔；22、氧气出口；23、氧气腔；24、氧气入口；25、销轴；26、夹板。

具体实施方式

如图2～6所示实施例中，本发明所述的混氧阀包括阀体，阀体上具有氧气入口24、空气入口17、混合气体出口20，阀体内设置与混合气体出口20相通的混合腔21、与氧气入口24相通的氧气腔23、与空气入口17相通的空气腔18，在氧气腔23内弹性设置有第一导向座7，在空气腔18内弹性设置第二导向座15，在第一导向座7、第二导向座15的内端分别设置第一滚珠9和第二滚珠12，第一滚珠9与第二滚珠12通过滚珠顶杆10相连，第一导向座7的外端活动设置顶杆4，顶杆4外侧设置可转动的轴承3，轴承3外侧设置渐开线凸轮2，渐开线凸轮2与步进电机1的输出轴相连，通过步进电机1输出轴转动实现渐开线凸轮2转动，进一步带动轴承3做旋转运动和水平移动，推动顶杆4轴向移动，从而调节空气腔18与氧气腔23出口的开度。

如图2～5所示的混氧阀，此阀体包括从右至左依次设置的阀体一6、阀体二8以及阀体三16，阀体一6内设置氧气腔23，且氧气入口24也设置在阀体一6上，并连通至氧气腔23；混合腔21设置在阀体二8内，阀体二8内还安装有第一阀芯体11和第二阀芯体14，第一阀芯体11和第二阀芯体14相对设置并相互连接，使两者内部形成空气腔18；阀体三16上设置空气入口17，且空气入口17连通至空气腔18内，在第一阀芯体11上设置空气出口19，在第二阀芯体14上设置氧气出口22，空气腔18通过空气出口19与混合腔21实现连通，氧气腔23通过氧气出口22与混合腔21实现连通。

第一导向座7外端通过第一弹簧5与阀体一6相连接，其内端开有凹槽，第一滚珠9安装在此凹槽内；第二导向座15外端通过第二弹簧13与阀体三16相连接，其内端开有凹槽，第二滚珠12安装在此凹槽内；在第一滚珠9与第二滚珠12之间设置滚珠顶杆10，且三者的中心位于同一直线上；滚珠顶杆10位于混合腔21内，其一端延伸至氧气出口22内，另一端延伸至空气出口19内，在第一弹簧5和第二弹簧13弹力的驱使下，以使第一滚珠9、滚珠顶杆10、第二滚珠12三者抵靠在一起；并且在氧气出口22对应第一滚珠9的一端设计成锥形面，以使其与第一滚珠9相配合，在空气出口19对应第二滚珠12的一端设计成锥形面，以使其与第二滚珠12相配合；位于阀体一6的外侧，在阀体上滑动设置两块呈上下布置的夹板26，轴承3设置在两夹板26之间，两夹板26组成了轴承座，三者通过销轴25穿接在一起，以使轴承3可绕销轴25转动；顶杆4设置在阀体一6内，且顶杆4一端延伸至氧气腔23内，并与第一导向座7外端相抵靠，另一端延伸至两夹板26内，并与夹板通过螺纹连接在一起，当轴承3旋转并产生水平移动时，其可实现夹板及顶杆的轴向移动，进而实现第一导向座7、第一滚珠9、滚珠顶杆10、第二滚珠12的联动，此联动能实现调节空气出口19、氧气出口22的开度，为了保证运动的可靠性，故将顶杆4的轴心、第一滚珠9的圆心、滚珠顶杆10的轴心以及第二滚珠12的圆心设计在同一条直线上。

为了使滚珠顶杆10和其两边的滚珠能紧密得压在一起，故选用的第二弹簧13的弹力需大于第一弹簧5的弹力，以使在常态下(即步进电机未工作时)，第二滚珠12在第二弹簧13的弹力作用下封堵空气出口19，空气端处于关闭状态，同时第一滚珠9在第二弹簧13的弹力作用下远离氧气出口22，氧气端处于全开状态。

为了使混氧阀的密封性能更好，在顶杆4与阀体一6的接触面、阀体一6与阀体二8的接触面、阀体二8与第二阀芯体14的接触面、第二阀芯体14与阀体三16的接触面、第二阀芯体与第一阀芯体11的接触面均采用O型密封圈进行密封，采用这种方式密封不仅能节约成本，还能使混氧阀拆卸维护更方便。

但是由于顶杆4与阀体一6长期的相对运动，容易导致两者接触面的O型密封圈磨损，需要定期对密封圈进行更换，所以为了使密封性能更好和避免定期更换密封圈，可以将顶杆4与阀体一6的接触面采用膜片密封方式。

为了实现混氧阀通气量精密控制，此混氧阀中凸轮的外轮廓设计成渐开线形式，渐开线的起始角度为0°，逆时针到终止角度为350°，图6所示起始角开始顺时针所标注的8°内为半径15mm的圆弧，渐开线凸轮2旋转324°，给顶杆4最大移动量为1.2mm，所以推出其公式如下所示：X＝15+(t/350°)×1.3，其中t代表凸轮工作时旋转的度数，经过多次验证确定渐开线凸轮2的工作角度为270°，也就是说电机步进150步(1.8°/步)对应的是氧气浓度从100％降到21％，那么渐开线凸轮2旋转270°，顶杆4水平移动的距离为：270/350*1.3＝1.0mm，电机步进1.8°，即一个工步，滚珠移动的距离为：1.8/350*1.3＝0.0067mm。为了确保工作正常和计算方便，将混氧阀从氧气密封到空气密封的水平移动距离为1mm。

如图7～9所示，氧浓度值与顶杆7移动量的函数关系为：

y氧＝0.7x，y空＝0.7(1-x)；

s氧＝3.14{(y氧+3)²-9}＝3.14{(0.7x+3)²-9}；

s空＝3.14{(y空+3)²-9}＝3.14{(3.7-0.7x)²-9}；

单位时间内通过混氧阀的氧气流量＝(流速×s氧)+(流速×s空×21％)；

混合氧气浓度O₂％与x的函数关系如下：混合氧气浓度O₂％＝{(流速×s氧)+(流速×s空×21％)}/{(流速×s氧)+(流速×s空)}×100％；

简化之：混合氧气浓度O₂％＝(s氧+s空×21％)/(s氧+s空)×100％；

电机步数与混合后氧浓度的函数关系如下：

电机步数T＝(1-x)/0.007；

混合氧气浓度O₂％＝[(S氧+S空×21％)/(S氧+S空)]×100％

＝【3.14{(0.7x+3)-9}+3.14{(3.7-0.7x)-9}*21％】/【3.14{(0.7x+3)-9}+3.14{(3.7-0.7x)-9}】*100％

＝【0.5928x+3.1122x+0.9849】/【0.98x-0.98x+4.69】*100％；

其中，y氧：第一滚珠9与椎体面的距离；y空：第二滚珠12与椎体面的距离；x：滚珠水平移动距离；s氧：对应滚珠x距离时通气截面积；s空：对应滚珠x距离时通气截面积；

根据该函数关系，可以绘制出电机步数与混合后氧浓度数据表格和绘制的曲线图(如图10，11所示)：从表格和图形中可以看出，滚珠在一定的移动范围内、通气量与滚珠移动的距离近似线性关系，可以方便实现自动化控制；

经过混氧阀制造、装配和调试后，在测试工装上对10组混氧阀进行测试验证。试验出电机步数与混合后氧浓度曲线图(如图12所示)：从图中看出与计算的图形非常接近。当然为了实际运用，在混氧阀氧气和空气封闭时两端部都留有一定得余量，方便调整和标定。

此混氧阀的工作步骤如下：开机前先确定渐开线凸轮2是否复位到最低点，也就是氧气全开、空气全关闭的状态，然后利用光电传感器对渐开线凸轮2的初始位置进行定位，启动步进电机1，根据所需要的氧气浓度调整步进电机1的步数，步进电机1再驱动渐开线凸轮2旋转相应角度，渐开线凸轮2推动轴承3旋转并移动一定位移，轴承3推动顶杆4水平移动相应距离，顶杆4推动第一导向座7和第一滚珠9向左移动一定距离，第一滚珠9推动滚珠顶杆，使第二滚珠12打开，这时空气从空气腔18穿过空气出口19进入混合腔21，从而降低混合腔21的氧气浓度至所需要的氧气浓度，使用完毕后，关机前先确定渐开线凸轮2是否复位到最低点，也就是氧气全开、空气全关闭的状态，然后再关闭电源。

本混氧阀解决了在高压条件下使用空氧混合机构的不稳定的问题，且同时在较大流量范围内精确控制氧浓度，密封效果也较好，如果在此混氧机构前装配一对减压阀，可以实现输入的空气和氧气在不同的压力情况下(但要求输入气体的压力不大于600KPa)，输出的两路气体的压力差值稳定在0.03KPa以内，这样才能保证经过混氧阀后实现混合比例的精确控制，同时实现了从成人的大潮气量到婴幼儿小潮气量范围内的持续调节。

Claims (9)

1.一种混氧阀，包括阀体，所述阀体上具有氧气入口、空气入口、混合气体出口，所述阀体内设置与混合气体出口相通的混合腔、与氧气入口相通的氧气腔、与空气入口相通的空气腔，其特征在于，在所述氧气腔内弹性设置有第一导向座，在所述空气腔内弹性设置第二导向座，在所述第一导向座、第二导向座的内端分别设置第一滚珠和第二滚珠，所述第一滚珠与第二滚珠通过滚珠顶杆相连，所述第一导向座的外端活动设置顶杆，所述顶杆外侧设置可转动的轴承，所述轴承外侧设置渐开线凸轮，所述渐开线凸轮与步进电机的输出轴相连；

所述阀体包括依次设置的阀体一、阀体二和阀体三，所述混合腔设置在所述阀体二内，所述混合腔内设置第一阀芯体和第二阀芯体，所述第一阀芯体与所述第二阀芯体相接，使两者内部连通并形成空气腔，所述氧气腔设置在所述阀体一内，所述空气腔通过设置在第一阀芯体上的空气出口与混合腔实现连通，所述氧气腔通过设置在阀体二上的氧气出口与混合腔实现连通。

2.根据权利要求1所述的混氧阀，其特征在于，所述第一导向座外端通过第一弹簧与阀体一相连接，所述第二导向座外端通过第二弹簧与阀体三相连接，所述空气入口设置在阀体三上，并连通至阀体二内部设置的空气腔，所述氧气入口设置在阀体一上，并连通至阀体一内部设置的氧气腔。

3.根据权利要求1所述的混氧阀，其特征在于，所述阀体的一侧固定设置两块呈上、下布置的夹板，所述轴承置于两夹板之间，且一并通过销轴穿接在一起，所述顶杆设置在阀体一内，且所述顶杆一端延伸至所述氧气腔内，并与第一导向座的外端抵靠，另一端延伸至所述的两夹板内。

4.根据权利要求1所述的混氧阀，其特征在于，所述空气出口一端设置与第二滚珠相配合的锥形面，所述氧气出口的一端设置与第一滚珠相配合的锥形面，所述滚珠顶杆设置在混合腔内，且所述滚珠顶杆两端分别延伸至空气出口和氧气出口内。

5.根据权利要求1所述的混氧阀，其特征在于，所述顶杆的轴心、第一滚珠的圆心、滚珠顶杆的轴心以及第二滚珠的圆心在同一条直线上。

6.根据权利要求2所述的混氧阀，其特征在于，所述第二弹簧的弹力大于第一弹簧的弹力，以使在常态下氧气出口为全开状态、空气出口为关闭状态。

7.根据权利要求1或2或4或5或6任一所述的混氧阀，其特征在于，所述阀体一与所述阀体二的接触面设置O型密封圈，所述阀体二与第二阀芯体的接触面设置O型密封圈，所述第二阀芯体与所述阀体三的接触面设置O型密封圈，所述第二阀芯体与第一阀芯体的接触面设置O型密封圈。

8.根据权利要求3所述的混氧阀，其特征在于，所述顶杆与阀体一的接触面设置O型密封圈。

9.根据权利要求3所述的混氧阀，其特征在于，所述顶杆与阀体一的接触面设置密封膜片。