CN111886042A - 微型双向阀和系统 - Google Patents

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Abstract

公开了一种双向呼气阀，其可用于许多应用中，例如在CPAP设备中。呼气阀包括：阀主体，其具有中央腔室、侧部腔室和经由通道联接到中央腔室的双向端口；以及机构，其在第一操作模式下提供到双向阀中的流体流入或者在第二操作模式下提供从双向阀的流体流出。多个单向端口联接到多个双向端口以在第二操作模式下提供从阀的流体流出，并且单个单向端口在第一操作模式下提供到双向阀中的流体流入。包括中央桨式件、侧部桨式件和轴的机构布置在阀主体的长形隔室中，使得轴枢转并且中央桨式件和侧部桨式件打开和关闭输入端口和输出端口中对应的端口。

Description

微型双向阀和系统
根据35 U.S.C.§119的优先权要求
本申请根据35 U.S.C.§119要求于2018年1月9日提交的标题为“微型双向阀和系统”的美国临时专利申请No.62/615,064的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
本说明书涉及流体流动系统，尤其涉及CPAP设备。
某种常见的医学疾病，睡眠呼吸暂停，涉及睡眠期间呼吸(气流)的减少或暂停。睡眠呼吸暂停在成年人中很常见，但在儿童中很少见。睡眠呼吸暂停的治疗可以包括外科手术程序或非手术治疗，这些非手术治疗可能涉及行为改变牙科用具和牙套。一种非手术治疗涉及CPAP(持续气道正压)设备。
持续气道正压(CPAP)是一种非手术治疗，其使用机器来提供气压以使使用者的气道保持开放，从而使其气道在睡眠期间不会塌陷。机器在压力下通过鼻腔或面罩输送空气。机器通过管子将加热、加湿的空气吹到罩件，该罩件紧密地佩戴以防止空气泄漏。罩件有多种形式，包括鼻枕、鼻罩和全面罩。各种CPAP机器都在使用中。通常，CPAP机器比烤面包机大一点，它通常是便携式的，因此可以在旅途中携带。但是，现有的CPAP治疗不易使用，因为在使用罩件将空气吹入鼻子中的情况下不容易入睡，并且通常需要定期清洁此类CPAP机器/罩件，以免细菌、病毒等的堆积。
在US-2015-0267695-A1中公开了基于微型泵(或微型鼓风机)的小型CPAP设备的一个示例，在US-2016-0131126-A1中公开了另一个示例，其全部内容通过引用合并于此。
发明内容
此处公开了一种双向阀。双向是指空气流入和流出阀相对容易地发生在双向端口侧，使得空气的流出不会受到来自双向阀中连续的空气流入的明显阻力。
尽管这样的阀在许多应用中将是有用的，但是在如US-2015-0267695-A1和US-2016-0131126-A1中公开的小型CPAP设备中尤其有用。与更常规的CPAP设备相比，这种CPAP设备被配置为非常小。这种阀也可用于更常规的CPAP设备，尤其是在与这些更常规的CPAP设备一起使用的罩件中。
根据一方面，一种阀包括：阀主体，其具有中央腔室、多个侧部腔室、长形隔室、多个双向端口、多个单向端口和单个单向端口，所述多个双向端口通过一组通道联接到中央腔室以在第一操作模式下提供到双向阀中的流体流入或在第二操作模式下提供从双向阀的流体流出，所述多个单向端口联接到多个双向端口以在第二操作模式下提供从阀的流体流出，所述单个单向端口用于在第一操作模式下提供到双向阀的流体流入；以及机构，其包括中央桨式件、多个侧部桨式件和轴，所述轴沿着轴的长度支撑中央桨式件和多个侧部桨式件，所述轴设置在阀主体的长形隔室中并且被允许枢转以使中央桨式件和多个侧部桨式件根据第一模式和第二模式打开和关闭输入端口和输出端口。
根据另一方面，一种气道压力呼吸设备包括：气道压力呼吸设备主体，其具有用于接收空气的至少一个空气通道和用于排出空气的至少一个通道；以及双向呼气阀。双向阀联接到用于接收空气的至少一个空气通道和用于排出空气的至少一个空气通道，并且包括：阀主体，其具有中央腔室、多个侧部腔室、长形隔室、多个双向端口、多个单向端口和单个单向端口，所述多个双向端口通过一组通道联接到中央腔室以在第一操作模式下提供到双向阀中的流体流入或在第二操作模式下提供从双向阀的流体流出，所述多个单向端口联接到多个双向端口以在第二操作模式下提供从阀的流体流出，所述单个单向端口用于在第一操作模式下提供到双向阀的流体流入；以及机构，其包括中央桨式件、多个侧部桨式件和轴，所述轴沿着轴的长度支撑中央桨式件和多个侧部桨式件，所述轴设置在阀主体的长形隔室中并且被允许枢转以使中央桨式件和多个侧部桨式件根据第一模式和第二模式打开和关闭输入端口和输出端口。
在随附的附图和以下描述中阐述了本发明的一个或多个实施例的细节。通过说明书和附图以及权利要求书，本发明的其他特征、目的和优点变得显而易见。
附图说明
图1是小型CPAP设备的图。
图2是小型CPAP设备的功能框图，该小型CPAP设备采用微型泵，该微型泵在泵送周期的两个相反阶段中操作，如以上公开的申请中所公开的。
图3A-3I是用于图1和2的小型CPAP设备的双向阀的等距视图。
图4是描绘在更常规的CPAP的罩件中的双向阀的图。
具体实施方式
概述
如在上述共同待决的通过参考并入的专利申请中所公开的，微型泵可以使用微制造方法来制造，并且可以用于执行在工业、医学和生物应用中广泛实施的微型泵送过程。例如，可以将微型泵并入CPAP设备中。微型泵可以以少量、精确测量的量输送流体，例如气体或液体。在一些实施方式中，微型泵可以以高流速(例如，约每秒几微升至约每秒几毫升)和/或高压力(例如，约千分之一psi至约十分之一psi)来输送流体。可以将微型泵设计成使得流体传输、流速和/或压力是可缩放的。
现在参考图1，示出了用于治疗呼吸障碍的自主设备10(设备)。设备10是CPAP型(持续气道正压)呼吸设备。然而，与CPAP机器不同，CPAP设备10是在鼻子局部的自主设备，其在所需压力下提供所需量的气流以治疗各种呼吸障碍，诸如阻塞性睡眠呼吸暂停(“OSA”)。
CPAP设备10可以采用以上申请中公开的概念形式。在这种配置中，CPAP设备10包括主体12，主体12容纳微型泵16，在此通过曲线表示多个部件泵堆叠的元件，其指示微型泵布置在入口端口15的后面。(有关功能位置，请参见图2；有关详细信息，请参见通过参考合并的申请。)CPAP呼吸设备10包括用作呼气阀的双向阀(未示出，但是参见图2和3A-3H和4)。CPAP设备10具有缓冲塞17a、17b，该缓冲塞17a、17b具有穿过缓冲塞17a、17b的空气通道，其提供鼻部接口。缓冲塞17a、17b由通常呈橡胶状的材料制成，当插入使用者的鼻孔时可紧密配合。CPAP设备10具有一个或如图所示的两个用于呼出空气的出口18a、18b。
现在参考图2，例如图1中所示的配置的示意图包括与CPAP设备10内的微型泵16联接的双向阀20。当例如空气的流体被推入阀20的一个或多个入口端口时，一个或多个入口端口打开，并且阀20打开从一个或多个入口到一个或多个双向端口的通道以从阀20的双向端口排出流体(例如，空气)。当流体(例如，阀外部的气流)被迫使进入一个或多个双向端口时，该气流推动阀20的入口关闭，同时在双向端口的端部处打开阀20的一个或多个出口。即使在空气吹抵入口端口时，只要施加到双向端口的压力足以克服吹抵入口端口的空气的压力，阀的这种动作就将发生。在CPAP设备的情况下，阀20在本文中称为呼气阀20。
呼气阀20具有入口20a、20b和出口21a、21b。呼气阀20联接在微型泵16(通过呼气阀入口20a、20b和微型泵16的入口16a、16b)和设备10的出口18a、18b之间(通过呼气阀端口21a、21b)，如图所示。微型泵16的入口16a、16b联接到CPAP设备10的入口端口15。
上述专利申请公开了一种蝶形构造的呼气阀，其具有设置在该阀的通道内部的瓣件。瓣件可绕轴向构件旋转以打开和关闭在一对端口和出口端口之间的通道。下面讨论的呼气阀20是上述申请中的呼气阀的替代方案，现在将对其进行描述。
现在参考图3A-3H，示出了具有双向阀构造的呼气阀20的各种视图。呼气阀20具有桨式机构，其在呼气结束/呼吸暂停开始时和呼气开始时利用来自微型泵16的气流来关闭呼气阀20中的通道。即使当微型泵将空气吹到呼气阀20上时，呼气阀20也打开。CPAP设备10被配置成选择需要多少微型泵16的气流来推动阀20关闭。来自微型泵16的压力将在呼气之前保持呼气阀20关闭。来自使用者的所有呼气气流都被施加到呼气阀20以打开呼气阀20。桨式件上的阀的瓣件的形状可以被优化以协助呼气阀20在呼气期间保持打开。另外，取决于设计的细节，弱磁也可用于保持呼气阀20打开或关闭。来自使用者的呼气空气通常将足以克服来自微型泵的最小量的气流，以保持呼气阀20关闭。
现在参考图3A，示出了阀20，其包括主体41、在该实施方式中用作入口的单个单向端口43、双向端口45a和45b、在该实施方式中用作出口端口47a、47b的多个单向端口。每个出口端口具有分别选择性地关闭和打开对应端口49a、49b的桨式件(或瓣件)49a、49b。入口端口43还具有桨式件(或瓣件)51。桨式件49a、49b和51是扁平构件，并且是桨式阀机构55的一部分。桨式阀机构55可与在主体部分41a处设置在主体41中的轴向隔室57(图3B)一起旋转，以打开和关闭端口45a、45b、49a、49b和51之间的通道，如将要描述的。
图3B以分解图示出了图3A的布置。该视图示出了穿过主体41的通道46a、46b和50。如图3B所示，主体41具有通过主体41的柱形构件或部分41a、41b联接的双向端口45a和45b和出口端口47a、47b、由主体41的矩形构件或部分41c提供的单个单向端口43、以及接收桨式阀机构55的轴向隔室57。
图3C示出了桨式阀机构55，其具有在轴53的端部处的桨式件49a、49b和(中央地)设置于侧部桨式件49a、49b之间的桨式件51，即中央桨式件51。侧部桨式件49a、49b与中央桨式件51正交，并且被支撑在轴53上，该轴53在设置在轴向隔室57中时绕其轴线旋转地枢转(图3B)。机构55还包括隔室密封件65。
同时，在该实施例中，中央桨式件51通常与侧部桨式件49a、49b正交，主体41的其他构造可以提供桨式件在轴上的其他定位构造。同样，虽然使用了两个侧部桨式件(并且因此示出了两个双向端口45a、45b和两个出口端口47a、47b)，但是可以使用更多或更少的侧部桨式件。同样，虽然在某些配置中示出了单个入口端口43，但是可以使用多个入口端口。具有多于两个的出口端口、两个双向端口和多于一个的入口端口的配置将需要对机构55进行调整。
现在参考图3D-3E，这些视图从前正视图(图3D)和暴露内部通道63a、63b以及腔室60a、60b和61的剖开的前部视图(图3E)示出了阀20。腔室60a、60b是侧部腔室，并且示出为设置在出口端口47a、47b和双向端口45a、45b之间。腔室61是中央腔室。如图所示，通道63a、63b从中央腔室61设置到侧部腔室63a、63b。在图3D-3E中还示出了轴向隔室密封件65，其密封图3A的轴向隔室57。在图3D中，横截面“图3G”和“图3I”分别参考图3G和图3I。
现在参考图3F-3G，这些视图(在剖视图中有所简化)示出了处于第一操作模式的阀20。图3F-3G示出了中央腔室61和通道63a、63b(图3F-3G中示出了63b)的内部细节，其中桨式阀机构55在由主体41提供的轴向隔室57内旋转以迫使中央桨式件51处于打开位置。当中央桨式件51处于打开位置(如图3G所示为直立)时，其打开单向入口端口43，并允许空气流过中央腔室61与侧部腔室60a、60b(仅标记了60b)之间的孔口或通道(仅标记了63b)，同时迫使侧部桨式件49a、49b关闭空气出口端口47a、47b。该模式允许空气从入口端口46流动到双向端口45a、45b，但不能从空气出口端口47a、47b流出，如箭头70所示(在阀20的一侧显示)。这将对应于使用者从微型泵16吸入空气。
图3H-3I示出了中央腔室61和通道63的内部细节，其中桨式阀机构55在由主体41提供的轴向隔室57内旋转以迫使中央桨式件51进入关闭单向入口端口43的关闭位置，并阻止空气流过中心腔室61和侧腔室60a、60b之间的孔口或通道(仅标记63b)，同时迫使侧部桨式件49a、49b打开空气出口端口47a、47b。这种模式允许空气从双向端口45a、45b流出空气出口端口47a、47b，如箭头72所示(显示在阀20的一侧)。这将对应于使用者从其鼻孔呼气。
空气出口端口47a、47b和双向端口45a、45b之间的通道通常是圆形的，但是可以使用其他形状。通道63a、63b可以是圆形的、长方形的等。中央通道61是稍微矩形的。然而，可以将任何形状用于通道、端口、腔室等，并且通常所有表面和内部通道、端口、腔室等都是平滑的。将根据各种设计考虑来选择呼气阀20的各个部件的尺寸，例如在操作模式期间将对流的空气的体积、CPAP设备10的尺寸以及CPAP设备10内的可用空间。
因此，双向呼气阀20包括具有中央腔室61和多个侧部腔室(在此为两个)60a、60b的阀主体41以及长形隔室57。多个双向端口45a、45b(在此为两个)经由一组通道63a、63b联接到中央腔室61，以在第一操作模式(吸气)提供到双向阀20中的流体流入，或者以在第二操作模式(呼气)中提供从双向阀20的流体流出。多个单向端口47a、47b用作输出端口，并且联接到多个双向端口以在呼气操作模式下提供从阀的流体流出，并且单个单向端口51提供到双向阀22中吸气的流体流入。桨式机构包括中央桨式件和多个侧部桨式件和沿着轴53的长度支撑中央桨式件51和多个侧部桨式件49a、49b的轴，轴53布置在阀主体的长形隔室中，使得轴53可在阀主体中的长形隔室内旋转。
当双向阀20用作CPAP设备中的呼气阀20时，其可以允许使用者在从鼻子通道呼气期间更容易地克服由来自微型泵(微型鼓风机)的进入空气引起的压力。这为CPAP设备10提供了更舒适和改善的呼吸体验。当在例如CPAP设备10的气道压力呼吸设备中使用时，双向呼气阀20联接到至少一个空气通道以从CPAP设备(例如，小型CPAP设备中的微型泵)接收空气或从常规CPAP)并且联接到至少一个空气通道以排出空气。CPAP气道压力呼吸设备10主体具有至少一个用于从空气源接收空气的空气通道，其联接到双向呼气阀20的多个双向端口。CPAP设备10还具有至少一个用于排出空气的通道，其联接到双向呼气阀20的多个单向端口。气道压力呼吸设备可具有由气道压力呼吸设备主体支撑的为微型泵的空气源，其中微型泵被配置为通过空气通道和双向呼气阀泵送环境空气。
不受前述限制，但是在CPAP设备的上下文中，操作可以近似如下：在吸气期间，双向端口处的压力Pb大约与Pb＝Pi+Ph(微型泵的压力Pi加上吸气压力Ph之和)有关，而在呼气期间，双向端口处的压力Pb与Pb＝Pe+Pi(呼气的压力Pe(负压或真空)加上微型泵的压力Pi(正压)之和)有关。假设在吸气期间Pb为正并且在呼气期间Pb为负，则阀20将以双向方式操作。
在其他实施例中，气道压力呼吸设备主体是罩件，该罩件构造成固定在使用者的头部之上和/或抵着使用者的鼻孔固定，其中该罩件构造成接收软管，如下图4所示。
现在参考图4，示出了罩件80，该罩件80是与常规CPAP机器(未示出)一起使用的常规鼻罩的典型。罩件80包括软管附件82(用于联接至CPAP机器的软管84)，并具有束带86，该束带86将罩件80固定至使用者，将空气出口定位在使用者的鼻子下方。与常规罩件不同，罩件80还包括呼气阀20，其安装到并定位在罩件80内，使得呼气阀20通过使用图3E-3H中所描绘的操作而允许使用者在从鼻子通道呼气期间能够更容易地克服来自CPAP机器的进入空气所引起的压力。因此，呼气阀20将被连接在罩件80中，使得软管84的出口(未标出)联接到呼气阀20的入口端口51。呼气阀20的出口端口47a、47b将联接至罩件80上的相应端口，其用于在呼气期间排出空气。双向端口45a、45b联接到具有开口的塞子(未示出)，以允许使用者(通过入口端口51)吸入空气并(通过出口端口47a、47b)排出空气。
为了满足不同类型的罩件的各种设计考虑以及CPAP设备10的不同构造，可以从图中所示的物理形式改变呼气阀的物理形式。
可以使用各种技术来生产呼气阀20，包括用合适的(医疗级)塑料材料模制设备、3D打印技术等等。
呼气阀20通常将具有适合于应用的尺寸。因此，例如在通过引用并入的申请中所预想的CPAP设备10中，尺寸在10毫米或100毫米的数量级上。在呼气阀20的一些应用中，该阀可以更小或更大。
本文描述的不同实施方式的元件可以组合以形成上面未具体阐述的其他实施例。在不会不利地影响其操作的情况下，可以将元件排除在本文所述的结构之外。此外，各种分开的元件可以组合成一个或多个单独的元件以执行本文描述的功能。其他实施例在所附权利要求的范围内。

Claims (17)

1.一种阀，包括：
阀主体，其具有中央腔室、多个侧部腔室、长形隔室、多个双向端口、多个单向端口和单个单向端口，所述多个双向端口通过一组通道联接到中央腔室以在第一操作模式下提供到双向阀中的流体流入或在第二操作模式下提供从双向阀的流体流出，所述多个单向端口联接到多个双向端口以在第二操作模式下提供从阀的流体流出，所述单个单向端口用于在第一操作模式下提供到双向阀的流体流入；以及
机构，其包括中央桨式件、多个侧部桨式件和轴，所述轴沿着轴的长度支撑中央桨式件和多个侧部桨式件，所述轴设置在阀主体的长形隔室中并且被允许枢转以使中央桨式件和多个侧部桨式件根据第一模式和第二模式打开和关闭输入端口和输出端口。
2.根据权利要求1所述的阀，其中，所述多个单向端口是出口端口并且通过主体的一对部分而联接到双向端口。
3.根据权利要求1所述的阀，其中，所述单个端口是入口端口。
4.根据权利要求1所述的阀，其中，所述多个单向端口是出口端口，并且所述单个端口是入口端口，并且所述入口端口与所述出口端口正交。
5.根据权利要求1所述的阀，其中，所述多个单向端口是出口端口，所述单个端口是入口端口，并且所述机构在所述第一操作模式下打开所述入口端口并且关闭所述单向端口。
6.根据权利要求1所述的阀，其中，所述多个单向端口是出口端口，所述单个端口是入口端口，并且所述机构在所述第二操作模式下关闭所述入口端口并打开所述单向端口。
7.根据权利要求1所述的阀，其中，所述多个单向端口是出口端口，所述单个端口是入口端口，并且所述机构在所述第一操作模式下打开所述入口端口并且关闭所述单向端口，并且所述机构允许来自所述入口端口的流体从所述双向端口流出。
8.根据权利要求1所述的阀，其中，所述多个单向端口是出口端口，所述单个端口是入口端口，并且所述机构在所述第二操作模式下关闭所述入口端口并打开所述单向端口，并且所述机构允许来自所述双向端口的流体从所述单向端口流出。
9.根据权利要求1所述的阀，其中，所述中央桨式件与所述轴上的所述多个侧部桨式件正交。
10.根据权利要求1所述的阀，还包括：
轴密封件，用于将轴保持在阀主体中的长形隔室中。
11.一种气道压力呼吸设备，包括：
气道压力呼吸设备主体，其具有用于接收空气的至少一个空气通道和用于排出空气的至少一个通道；和
双向呼气阀，所述双向呼气阀联接到用于接收空气的至少一个空气通道和用于排出空气的至少一个空气通道，所述双向呼气阀包括：
阀主体，其具有中央腔室、多个侧部腔室、长形隔室、多个双向端口、多个单向端口和单个单向端口，所述多个双向端口通过一组通道联接到中央腔室以在第一操作模式下提供到双向阀中的流体流入或在第二操作模式下提供从双向阀的流体流出，所述多个单向端口联接到多个双向端口以在第二操作模式下提供从阀的流体流出，所述单个单向端口用于在第一操作模式下提供到双向阀中的流体流入；以及
机构，其包括中央桨式件、多个侧部桨式件和轴，所述轴沿着轴的长度支撑中央桨式件和多个侧部桨式件，所述轴设置在阀主体的长形隔室中并且被允许枢转以使中央桨式件和多个侧部桨式件根据第一模式和第二模式打开和关闭输入端口和输出端口。
12.根据权利要求11所述的气道压力呼吸设备，其中，所述气道压力呼吸设备主体具有联接到空气源和双向呼气阀的多个双向端口的用于接收空气的至少一个空气通道，和联接到双向呼气阀的多个单向端口的用于排出空气的至少一个通道。
13.根据权利要求12所述的气道压力呼吸设备，其中，所述空气源是由气道压力呼吸设备主体支撑的微型泵。
14.根据权利要求11所述的气道压力呼吸设备，还包括：
微型泵，其由主体支撑，所述微型泵构造成通过空气通道和双向呼气阀泵送环境空气。
15.根据权利要求11所述的气道压力呼吸设备，其中，所述气道压力呼吸设备主体是罩件，所述罩件被构造成固定在使用者的头部之上或抵着使用者的鼻孔固定。
16.根据权利要求15所述的气道压力呼吸设备，其中，所述双向呼气阀被支撑在所述罩件中。
17.根据权利要求15所述的气道压力呼吸设备，其中，所述罩件被构造成接收软管。
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