CN113967300A - 一种气体压力平衡管及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体压力平衡管，包括第一左管、第一右管、第一左平衡阀杆、第一右平衡阀杆、第一分隔件、第一左控制阀、第一右控制阀、第一左进气口、第一右进气口，第一分隔件位于第一左管和第一右管之间，第一分隔件将其两侧的气室空间分隔且其能够沿第一左管和第一右管的连通方向移动，第一分隔件的一侧通过第一左平衡阀杆与第一左控制阀连接、另一侧通过第一右平衡阀杆与第一右控制阀连接，第一左控制阀和第一右控制阀在运动过程中能够分别调节第一左管和第一右管的气体出口的开度。本发明可实现两种不同压力的气体输入，通过气体压力平衡管后，输出相等压力的两种气体，最大限度地减少压力传感器误差或失效给控制带来的不确定性。

Description

一种气体压力平衡管及其工作方法

技术领域

本发明属于医疗呼吸设备或流体控制技术领域，具体涉及一种气体压力平衡管及其工作方法。

背景技术

两种流体精准混合广泛应用于各种领域，如医用空氧混合器和高流量治疗设备是医院必需的仪器设备，尤其在新生儿救治领域，高浓度吸氧(氧气浓度>50％)容易导致新生儿视网膜病变(ROP)、支气管肺的发育不良综合征(BPD)等疾患，即高浓度吸氧导致氧中毒等副作用，如果吸氧浓度过低，又容易产生低血氧综合症、高碳酸血症或两者兼而有之的呼吸衰竭、脑损伤等疾病，精准合适调节空氧气体的氧气浓度至关重要，因此空氧混合器在临床上也被应用于病毒性肺炎(如COVID-19)、呼吸窘迫综合症(RDS)、呼吸衰竭、呼吸暂停(AOP)、肺炎等呼吸系统疾病及早产儿肺透明膜病(HMD)、细支气管炎等疾病的治疗。

空氧混合经鼻高流量通气/氧疗也是一种新的呼吸支持技术，除具有正压通气治疗的功能外，还因其安全有效、护理简单操作、治疗过程中无损伤与良好的舒适性广泛应用于病患的呼吸治疗，在临床使用过程中，医生只需要直接调节氧气浓度O₂％与流量V，但现有空氧技术存在如下缺陷：

①用流量表进行空氧混合，通过调节氧气流量与空气流量，得到氧气浓度O₂％，依据如下公式(1)(2)进行计算，或查表方式调节流量，但操作非常不方便，难以满足实际使用要求。

V＝V1+V2 (2)

其中V1为空气流量，V2为氧气流量。

②利用比例阀调节空氧混合，现有压力平衡装置对输入气体压力变化不灵敏，尤其在低压工况下，不能根据输入气流压力的变化实时灵敏平衡气体压力，从而导致输出气体的氧气浓度偏差大大超过许可误差，如±5％的误差。

③现有空氧混合器压力平衡装置原理复杂，成本与加工要求高，还容易发生气体泄漏现象，这种不确定性给治疗带来安全风险，大大降低了临床治疗效果。

现有气体压力平衡装置很难实现多级压力平衡系统，因原理及结构等因素限制，做两级压力平衡结构已非常不容易，很难精准平衡，满足使用要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气体压力平衡管及其工作方法，可通过该气体压力平衡管(Gas pressure balance tube-GPBT)输出相等压力的两种气体，最大限度地减少压力传感器误差或失效给控制带来的不确定性，满足高精度技术要求。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种气体压力平衡管，包括第一左管、第一右管、第一左平衡阀杆、第一右平衡阀杆、第一分隔件、第一左控制阀、第一右控制阀、第一左进气口、第一右进气口，

所述第一左管和第一右管的一端相互连接，所述第一左进气口与所述第一左管连通，所述第一右进气口与所述第一右管连通，所述第一分隔件位于所述第一左管和第一右管之间，所述第一分隔件将其两侧的气室空间分隔且其能够沿第一左管和第一右管的连通方向移动，所述第一分隔件的一侧通过第一左平衡阀杆与第一左控制阀连接、另一侧通过第一右平衡阀杆与第一右控制阀连接，第一左控制阀和第一右控制阀在运动过程中能够分别调节第一左管和第一右管的气体出口的开度。

进一步地，还包括第一左出气室和第一右出气室，所述第一左出气室与第一左管的另一端连接，第一右出气室与第一右管的另一端连接。

进一步地，还包括第一右平衡弹簧、第一右阀体紧固件、第一左阀体紧固件和第一左平衡弹簧，所述第一右阀体紧固件设置于第一右出气室上，所述第一左阀体紧固件设置于第一左出气室上，所述第一右平衡弹簧的两端分别与第一右控制阀和第一右阀体紧固件连接，所述第一左平衡弹簧的两端分别与第一左控制阀和第一左阀体紧固件连接。

进一步地，包括第二左管、第二右管、第二左平衡阀杆、第二右平衡阀杆、第二分隔件、第二左控制阀、第二右控制阀、第二左进气口、第二右进气口，

所述第二左管和第二右管的一端相互连接，所述第二左进气口与所述第二左管连通，所述第二右进气口与所述第一右管连通，所述第二分隔件位于所述第二左管和第二右管之间，所述第二分隔件将其两侧的气室空间分隔且其能够沿第二左管和第二右管的连通方向移动，所述第二分隔件的一侧通过第二左平衡阀杆与第二左控制阀连接、另一侧通过第二右平衡阀杆与第二右控制阀连接，第二左控制阀和第二右控制阀在运动过程中能够分别调节第二左管和第二右管的气体出口的开度，

所述第二左进气口与所述第一左出气室的出口连通，所述第二右进气口与所述第一右出气室的出口连通。

进一步地，还包括第二左出气室和第二右出气室，所述第二左出气室与第二左管的另一端连接，第二右出气室与第二右管的另一端连接。

进一步地，还包括第二右平衡弹簧、第二右阀体紧固件、第二左阀体紧固件和第二左平衡弹簧，所述第二右阀体紧固件设置于第二右出气室上，所述第二左阀体紧固件设置于第二左出气室上，所述第二右平衡弹簧的两端分别与第二右控制阀和第二右阀体紧固件连接，所述第二左平衡弹簧的两端分别与第二左控制阀和第二左阀体紧固件连接。

进一步地，所述第一分隔件和/或第二分隔件为隔膜，隔膜材料如SUS316、SUS316L、蒙乃尔合金(Cu30Ni70)、哈氏合金(H276c)、钽(Ta)、钛膜片等。

进一步地，还包括比例调节阀座、比例调节旋钮和双端阀，所述比例调节阀座内包括第一气体通道、第二气体通道和混合气体出口通道，第一气体通道和第二左出气室的出气口连通，第二气体通道和第二右出气室的出气口连通，所述双端阀位于比例调节阀座内且位于第一气体通道、第二气体通道和混合气体出口通道的交汇处，所述比例调节旋钮与所述双端阀连接，通过调节比例调节旋钮能够控制双端阀调节第一气体通道和第二气体通道的气体流量。

根据上述的气体压力平衡管的工作方法，第一气体自第一左进气口进入第一左管内，第二气体自第一右进气口进入第一右管内，当两种气体的压力不同时，所述第一分隔件向压力小的气体的方向运动并调节对应的控制阀的流量，直至第一左管和第一右管内的压力初步平衡；第一左管内的第一气体自第一左出气室进入第二左管内，第一右管内的第二气体自第一右出气室进入第二右管内，通过第二分隔件的运动进一步调节两种气体的压力平衡；第二左管内的第一气体自第二左出气室进入比例调节阀座内的第一气体通道，第二右管内的第二气体自第二右出气室进入比例调节阀座内的第二气体通道，通过预先设定的双端阀的位置使得第一气体和第二气体以预定的流量在混合气体出口通道内混合。

一种空氧混合器，所述空氧混合器包括上述的气体压力平衡管。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明气体压力平衡管，适用于各种流体压力平衡输出要求的各种应用领域，结构简单，加工、制造装配和维修都比较容易，因而成本大大降低，在设计完成之后就可制造出产品，易于推广；

(2)本发明气体压力平衡管，通过隔膜技术，能够灵敏感知输入气体压力差，利用管内的压力平衡机构，使输出的气体压力归于平衡，压力平衡实现过程简单可靠，满足实际应用要求；

(3)本发明气体压力平衡管，通过简单气体压力平衡管的叠加连接，实现多级压力平衡系统，满足各种技术精度要求。

附图说明

图1是本发明第一实施例的气体压力平衡管(pressure balance tube-PBT)结构示意图。

图2是本发明第二实施例的两级压力平衡管系统(Two stage pressure balancetube system-2PBT)的结构示意图。

图3是本发明两级压力平衡管医用空氧混合器调节系统(Medical air oxygenblender with two-stage pressure balance tube)的结构示意图。

图中，1.第一左管(形成左气室)、2.第一左控制阀(如球阀、针阀等)、3.第一左阀座、4.第一左平衡阀杆、5.第一左进气口、6.第一隔膜，7.第一右进气口、8.第一右管(形成右气室)、9.第一右平衡阀杆、10.第一右阀座、11.第一右控制阀、12.第一右平衡弹簧、13.第一右阀体紧固件、14.第一右出气室、15第一左出气室、16.第一左阀体紧固件、17.第一左平衡弹簧、18.第一右连接管、19.第二右进气口、20.第二右管(形成第二右气室)、21.第二右控制阀、22第二右平衡弹簧、23.第二右阀体紧固件、24.第二右出气室、25.第二右阀座、26.第二右平衡阀杆、27.第二隔膜、28.第二左平衡阀杆、29.第二左控制阀、30.第二左阀座、31.第二左阀体紧固件、32.第二左平衡弹簧、33第二左出气室、34.第二左管(形成第二左气室)、35.第二左进气口、36.第一左连接管、37.第二右连接管、38.比例调节阀座、39.比例调节旋钮、40.双端阀、41.第二左连接管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

一种第一气体压力平衡管，如图1所示，由第一左管1(形成第一左气室)、第一左控制阀2(如球阀、针阀等)、第一左阀座3、第一左平衡阀杆4、第一左进气口5、第一隔膜6，第一右进气口7、第一右管(形成第一右气室)8、第一右平衡阀杆9、第一右阀座10、第一右控制阀11、第一右平衡弹簧12、第一右阀体紧固件13、第一右出气室14、第一左出气室15、第一左阀体紧固件16、第一左平衡弹簧17组成，第一左右管(1,8)一端安装第一控制阀，另一端中间嵌接第一隔膜6，形成第一左气室和第一右气室，第一左右平衡阀杆(4,9)一端与第一隔膜6连接，另一端与第一左右控制阀(2,11)连接，形成压力平衡控制单元，当两种不同压力的气体分别自第一左进气口5和第一右进气口7进入第一压力平衡管时，第一隔膜6对压力差会作出反应，通过与第一隔膜6连接的第一左右平衡阀杆(4,9)，产生第一左右平衡阀杆(4,9)的运动(冲程)，调节第一左右控制阀(2,11)输出流量大小。当第一左气室气体压力大于第一右气室的气体压力时，第一隔膜6产生第一右平衡阀杆9运动(冲程)，调节第一右控制阀11流量，直到第一左右气室的压力平衡，第一隔膜6产生第一右平衡阀杆运动停止，反之当第一右气室气体压力大于第一左气室的气体压力时，第一隔膜6产生第一左平衡阀杆4运动(冲程)，调节第一左控制阀2流量，实现压力平衡。第一隔膜6作为压力平衡的灵敏元件，平衡第一左右管气体的压力。该实施例给出了一种一级压力平衡管系统的示意。

实施例2

为了进一步提高气体的压力平衡的精准度，参见图2，在实施例1的第一平衡管基础上，又增加第二压力平衡管，第一压力平衡管出口与第二压力平衡管进口连接，即第一右连接管18、把第一右出气室14与第二右进气口19连接，第一左连接管36把第一左出气室15与第二左进气口35连接，形成了两级压力平衡管系统，更精准平衡两种气体出气压力，如图2所示，第二压力平衡管由第二右进气口19、第二右管20(形成第二右气室)、第二右控制阀21、第二右平衡弹簧22、第二右阀体紧固件23、第二右出气室24、第二右阀座25、第二右平衡阀杆26、第二隔膜27、第二左平衡阀杆28、第二左控制阀29、第二左阀座30、第二左阀体紧固件31、第二左平衡弹簧32、第二左出气室33、第二左管(形成第二左气室)34、第二左进气口35组成，第二左右管(34，20)一端安装第二左右控制阀(29,21)，另一端中间嵌接第二隔膜27，形成第二左右气室，第二左右平衡阀杆(28，26)一端与第二隔27连接，另一端与第二左右控制阀(29,21)连接，形成压力平衡控制单元，当两种不同压力的气体进入第二压力平衡管时，第二隔膜27对压力差会作出反应，通过与第二隔膜27连接的第二左右平衡阀杆(28,26)，产生第二左右平衡阀杆(28,26)的运动(冲程)，调节第二左右控制阀(29,21)输出流量大小。当第二左气室气体压力大于第二右气室的气体压力时，第二隔膜27产生第二右平衡阀杆运动26(冲程)，调节第二右控制阀21流量，直到第二左右气室的压力平衡，第二隔膜27产生第二右平衡阀杆26运动停止，反之当第二右气室气体压力大于第二左气室的气体压力时，第二隔膜27产生第二左平衡阀杆28运动(冲程)，调节第二左控制阀29流量，实现压力平衡。第二隔膜27作为压力平衡的灵敏元件，平衡第二左右管气体的压力。依次再增加压力平衡管，以此类推，就可以实现多级气体压力平衡管系统。两种气体经过两级平衡管的调节，压力近乎于相等。

图3为一种两级压力平衡管医用空氧混合器系统，在实施例2的基础上增加一个比例调节阀，比例调节阀由比例调节阀座38、比例调节旋钮39、双端阀40组成，二级压力平衡管输出左右出气室(24,33)通过第二级左右连接管(41,37)与气体比例调节阀座38连接，比例调节旋钮39连接一个双端阀40，一个阀座控制空气通道，另一个阀座控制氧气通道，比例调节旋钮39上选择的氧百分比混合空氧气体。当调节氧气浓度21％时，比例调节旋钮39处于全逆时针位置比例调节阀座阀门38将完全关闭氧气，只允许空气流动。当顺时针调节比例控制旋钮39(100％)位置，空气流量完全阻塞，只允许氧气流动，实际使用时可根据需要调节氧气的浓度在21％-100％之间。第二级压力平衡管的目的是为了平衡在进入气体比例调节阀座38前的空气和氧气压力，实现精准氧气浓度调节，由于经过两级的压力平衡管的调节，两种气体的压力近乎于相等，因此此时只需要通过双端阀40调节两种气体的流量即可获得精准浓度。

本发明压力平衡管加工工艺简单、制造成本低、满足流体特性的管状结构设计，位于压力平衡管中间的隔膜能实时感知气体压力的变化，通过由隔膜、压力平衡阀杆、控制阀及平衡弹簧组成的压力平衡机构，实现两种输出气体压力平衡，满足实际应用科学要求，如医用空氧混合器的氧气浓度调节要求。

本发明提供了一种气体压力平衡管(Gas pressure balance tube-GPBT)技术，即两种不同压力的气体输入，通过该气体压力平衡管后，输出相等压力的两种气体，压力平衡管(pressure balance tube-PBT)能有效使输出的两种气体压力平衡，最大限度地减少压力传感器误差或失效给控制带来的不确定性，同时通过多个气体压力平衡管叠加连接，可以实现多级(含两级)压力平衡系统。该技术可广泛应用于各种领域，如医用空氧混合吸氧治疗设备或经鼻高流量治疗仪(HFNC)。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体压力平衡管，其特征在于，包括第一左管(1)、第一右管(8)、第一左平衡阀杆(4)、第一右平衡阀杆(9)、第一分隔件(6)、第一左控制阀(2)、第一右控制阀(11)、第一左进气口(5)、第一右进气口(7)，

所述第一左管(1)和第一右管(8)的一端相互连接，所述第一左进气口(5)与所述第一左管(1)连通，所述第一右进气口(7)与所述第一右管(2)连通，所述第一分隔件(6)位于所述第一左管(1)和第一右管(8)之间，所述第一分隔件(6)将其两侧的气室空间分隔且其能够沿第一左管(1)和第一右管(8)的连通方向移动，所述第一分隔件(6)的一侧通过第一左平衡阀杆(4)与第一左控制阀(2)连接、另一侧通过第一右平衡阀杆(9)与第一右控制阀(11)连接，第一左控制阀(2)和第一右控制阀(11)在运动过程中能够分别调节第一左管(1)和第一右管(8)的气体出口的开度。

2.根据权利要求1所述的气体压力平衡管，其特征在于，还包括第一左出气室(15)和第一右出气室(14)，所述第一左出气室(15)与第一左管(1)的另一端连接，第一右出气室(14)与第一右管(8)的另一端连接。

3.根据权利要求2所述的气体压力平衡管，其特征在于，还包括第一右平衡弹簧(12)、第一右阀体紧固件(13)、第一左阀体紧固件(16)和第一左平衡弹簧(17)，所述第一右阀体紧固件(13)设置于第一右出气室(14)上，所述第一左阀体紧固件(16)设置于第一左出气室(15)上，所述第一右平衡弹簧(12)的两端分别与第一右控制阀(11)和第一右阀体紧固件(13)连接，所述第一左平衡弹簧(17)的两端分别与第一左控制阀(2)和第一左阀体紧固件(16)连接。

4.根据权利要求2或3所述的气体压力平衡管，其特征在于，包括第二左管(34)、第二右管(20)、第二左平衡阀杆(28)、第二右平衡阀杆(26)、第二分隔件(27)、第二左控制阀(29)、第二右控制阀(21)、第二左进气口(35)、第二右进气口(19)，

所述第二左管(34)和第二右管(20)的一端相互连接，所述第二左进气口(35)与所述第二左管(34)连通，所述第二右进气口(19)与所述第一右管(2)连通，所述第二分隔件(27)位于所述第二左管(34)和第二右管(20)之间，所述第二分隔件(27)将其两侧的气室空间分隔且其能够沿第二左管(34)和第二右管(20)的连通方向移动，所述第二分隔件(27)的一侧通过第二左平衡阀杆(28)与第二左控制阀(29)连接、另一侧通过第二右平衡阀杆(26)与第二右控制阀(21)连接，第二左控制阀(29)和第二右控制阀(21)在运动过程中能够分别调节第二左管(34)和第二右管(20)的气体出口的开度，

所述第二左进气口(35)与所述第一左出气室(15)的出口连通，所述第二右进气口(19)与所述第一右出气室(14)的出口连通。

5.根据权利要求4所述的气体压力平衡管，其特征在于，还包括第二左出气室(33)和第二右出气室(24)，所述第二左出气室(33)与第二左管(34)的另一端连接，第二右出气室(24)与第二右管(20)的另一端连接。

6.根据权利要求5所述的气体压力平衡管，其特征在于，还包括第二右平衡弹簧(22)、第二右阀体紧固件(23)、第二左阀体紧固件(31)和第二左平衡弹簧(32)，所述第二右阀体紧固件(23)设置于第二右出气室(24)上，所述第二左阀体紧固件(31)设置于第二左出气室(33)上，所述第二右平衡弹簧(22)的两端分别与第二右控制阀(21)和第二右阀体紧固件(23)连接，所述第二左平衡弹簧(32)的两端分别与第二左控制阀(29)和第二左阀体紧固件(31)连接。

7.根据权利要求1-6任一项所述的气体压力平衡管，其特征在于，所述第一分隔件(6)和/或第二分隔件(27)为隔膜。

8.根据权利要求6所述的气体压力平衡管，其特征在于，还包括比例调节阀座(38)、比例调节旋钮(39)和双端阀(40)，所述比例调节阀座(38)内包括第一气体通道、第二气体通道和混合气体出口通道，第一气体通道和第二左出气室(33)的出气口连通，第二气体通道和第二右出气室(24)的出气口连通，所述双端阀(40)位于比例调节阀座(38)内且位于第一气体通道、第二气体通道和混合气体出口通道的交汇处，所述比例调节旋钮(39)与所述双端阀(40)连接，通过调节比例调节旋钮(39)能够控制双端阀(40)调节第一气体通道和第二气体通道的气体流量。

9.根据权利要求8所述的气体压力平衡管的工作方法，其特征在于，第一气体自第一左进气口(5)进入第一左管(1)内，第二气体自第一右进气口(7)进入第一右管(8)内，当两种气体的压力不同时，所述第一分隔件(6)向压力小的气体的方向运动并调节对应的控制阀的流量，直至第一左管(1)和第一右管(8)内的压力初步平衡；第一左管(1)内的第一气体自第一左出气室(15)进入第二左管(34)内，第一右管(8)内的第二气体自第一右出气室(14)进入第二右管(20)内，通过第二分隔件(27)的运动进一步调节两种气体的压力平衡；第二左管(34)内的第一气体自第二左出气室(33)进入比例调节阀座(38)内的第一气体通道，第二右管(20)内的第二气体自第二右出气室(24)进入比例调节阀座(38)内的第二气体通道，通过预先设定的双端阀(40)的位置使得第一气体和第二气体以预定的流量在混合气体出口通道内混合。

10.一种空氧混合器，其特征在于，所述空氧混合器包括如权利要求1-8任一项所述的气体压力平衡管。

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