DD254524A1 - COMPUTER-CONTROLLED VALVE - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein rechnergesteuertes Ventil fuer pneumatische Durchfluesse, das hauptsaechlich als Inspirationsventil in der Beatmungs- und Narkosetechnik aber auch auf anderen Gebieten der pneumatischen Steuerungstechnik angewendet wird. Erfindungsgemaess ist ein rotatorischer Flachschieber aus einer Ueberstroemplatine und einer Ein- und Ausstroemplatine gebildet, welche gegeneinander gepresst sind und dass die Beruehrungsflaechen zwischen der Ueberstroemplatine und der Ein- und Ausstroemplattine zum einen aus den ringfoermigen aeusseren Dichtflaechen und zum anderen aus den den radial verlaufenden Einstroemschlitz umgebenden inneren Dichtflaechen der Ein- und Ausstroemplatine und der mit einer spiralfoermigen Abdeckkante versehenen inneren Dichtflaeche der Ueberstroemplatine gebildet sind. Dabei sind die Ueberstroemplatine und die Ein- und Ausstroemplatine bevorzugt aus einem oxidkeramischen Material gefertigt.The invention relates to a computer-controlled valve for pneumatic flows, which is mainly used as an inspiratory valve in the ventilation and anesthesia technique but also in other areas of pneumatic control technology. According to the invention, a rotary flat slide is formed from an overflow platinum and an input and output platinum which are pressed against one another and the contact surfaces between the supersonic platinum and the input and output platinum are surrounded on the one hand by the ring-shaped outer sealing surfaces and on the other hand by the radially extending Einstroemschlitz inner sealing surfaces of the input and Ausstroemplatine and provided with a spiral-shaped cover edge inner sealing surface of the supraregraft are formed. The supernatant platelets and the input and discharge platelets are preferably made of an oxide-ceramic material.
Description
Hierzu 5 Seiten ZeichnungenFor this 5 pages drawings
Die Erfindung betrifft ein rechnergesteuertes Ventil für pneumatische Durchflüsse, das durch einen Schrittmotor angesteuert wird. Die Anwendung erfolgt hauptsächlich als Inspirationsventil in der Beatmungs- und Narkosetechnik. Die Erfindung kann aber auch in der Schweißtechnik sowie auf anderen Gebieten der pneumatischen Steuerungstechnik angewendet werden.The invention relates to a computer-controlled valve for pneumatic flows, which is controlled by a stepper motor. The application is mainly as an inspiratory valve in the ventilation and anesthesia technique. However, the invention can also be applied in welding technology and in other areas of pneumatic control technology.
Bekannt ist ein Ventil für Atmungsgeräte, bei welchem mittels Membranen die Öffnungen im Inspirations- bzw. Exspirationsstutzen geöffnet bzw. geschlossen werden (DD-PS 112077). Nachteilig bei diesen pneumatischen Auf-Zu-Ventilen ist, daß eine analoge Beeinflussung des Gasstromes nach den verschiedensten Beatmungsmustern, wie z. B. Flow, nicht zu realisieren ist.A valve for respiratory equipment is known in which the openings in the inspiratory or expiratory nozzle are opened or closed by means of membranes (DD-PS 112077). A disadvantage of these pneumatic on-off valves that an analogous influence on the gas flow to the various ventilation patterns, such. B. Flow, can not be realized.
Weiterhin ist eine Lösung bekannt, in welcher ein Balg zur Druckreduzierung und -konstanthaltung sowie zur Speicherung des Inspirationsgases eingesetzt wird (Service-Handbuch zum Servo-Ventilator 900 B). Dabei wird das entspannte Gas mit Hilfe eines Schlauchquetschventils dosiert, das von einem Schrittmotor angesteuert und über einen Volumenstromsensor vom Mikrorechner geregelt wird. Nachteile dieser Lösung sind die relativ großen zu variierenden Durchlaßquerschnitte im Ventil, die dadurch eingeschränkte Dynamik, die Abhängigkeit von der Genauigkeit des Durchflußmessers und der große Platzbedarf der Gesamtlösung.Furthermore, a solution is known in which a bellows for pressure reduction and constant maintenance and for storing the inspiration gas is used (service manual for the servo-fan 900 B). In this case, the expanded gas is metered by means of a Schlauchquetschventils, which is controlled by a stepper motor and controlled by a volume flow sensor from the microcomputer. Disadvantages of this solution are the relatively large to varying passage cross-sections in the valve, the resulting limited dynamics, the dependence on the accuracy of the flow meter and the large footprint of the overall solution.
Eine weitere Lösung besteht aus einem mit großer Präzision gefertigten Kugelventil, das mit einem translatorischen Positionierantrieb kompakt gekoppelt ist. Der Positionierantrieb besteht aus einem Tauchspuimotor und einem speziellen Wegemeßsystem, die zusammen mit einem Mikrorechner den Lageregelkreis bilden. Unter Berücksichtigung des mit einem eingebauten Drucksensor gemessenen Vordruckes steuert der Rechner den Antrieb derart, daß jeder Ventilposition ein definierter Gasdurchfluß zuzuordnen ist (Entwicklung eines elektrisch steuerbaren Inspiraionsventils für Beatmungsgeräte — Forschungsbericht 1984).Another solution consists of a high-precision ball valve, which is compactly coupled to a translatory positioning drive. The positioning drive consists of a submersible spool motor and a special travel measuring system, which together with a microcomputer form the position control loop. Taking into account the pre-pressure measured with a built-in pressure sensor, the computer controls the drive in such a way that a defined gas flow can be assigned to each valve position (development of an electrically controllable inspiratory valve for ventilators - Research Report 1984).
Nachteile dieser Lösung sind der relativ hohe Kraftaufwand beim Öffnen gegen den Vordruck, die hohe erforderliche Präzision der Fertigung von Ventilsitz, Kugel und Stößelführung und die spezielle Fertigung von Wegemeßsystem und Antrieb.Disadvantages of this solution are the relatively high force when opening against the form, the high precision required for the production of valve seat, ball and tappet guide and the special production of Wegemeßsystem and drive.
Es ist das Ziel der Erfindung, ein rechnergesteuertes Ventil zu entwickeln, das die Nachteile der bekannten Lösungen vermeidet und durch seinen einfachen, konstruktiven Aufbau eine hohe Stelldynamik und Auflösung ermöglicht.It is the object of the invention to develop a computer-controlled valve which avoids the disadvantages of the known solutions and by its simple, constructive structure enables a high positioning dynamics and resolution.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein rechnergesteuertes Ventil zu schaffen, das direkt mit einem Positionierantrieb gekoppelt werden kann und das durch seinen konstruktiven Aufbau eine gewünschte Öffnungskennlinie ermöglicht. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem zyiinderförmigen Gehäuse ein rotatorischer Flachschieber aus einer Überströmplatine und einer Ein- und Ausströmplatine gebildet ist. Die Überströmplatine ist in einer Mitnehmerkappe durch ein Axialkugellager drehbar und axial fixiert. Die Ein-und Ausströmplatine ist axial beweglich und tangential fixiert und in einerThe object of the invention is to provide a computer-controlled valve which can be coupled directly to a positioning drive and which allows a desired opening characteristic through its structural design. According to the invention the object is achieved in that in a zyiinderförmigen housing a rotary slide valve is formed of a spill plate and an inlet and Ausströmplatine. The overflow plate is rotatably and axially fixed in a driver cap by an axial ball bearing. The inlet and Ausströmplatine is axially movable and tangentially fixed and in one
Ausströmkappe befestigt. Die Ein- und Ausströmplatine ist dabei über einen Zylinderstift mit der Überströmplatine drehbar verbunden. In der Ausströmkappe ist ein Ein- und ein Ausströmrohr angeordnet. Durch einen Federbügel, dessen Vorspannung durch Stellschrauben einstellbar ist, ist die Ein- und Ausströmplatine gegen Verdrehung fixiert und gegen die Überströmplatine gepreßt. Die Berührungsflächen zwischen der Überströmplatine und der Ein- und Ausströmplatine sind zum einen aus den ringförmigen, äußeren Dichflächen und zum anderen aus den den radial verlaufenden Einströmschlitz umgebenden inneren Dichtflächen der Ein- und Ausströmplatine und der mit einer spiralförmigen Abdeckkante versehenen inneren Dichtfläche der Überströmplatine gebildet.Outlet cap attached. The inlet and outlet board is rotatably connected via a cylinder pin with the overflow. In the discharge cap an inlet and an outlet pipe is arranged. By a spring clip whose bias is adjustable by adjusting screws, the inlet and Ausströmplatine is fixed against rotation and pressed against the overflow plate. The contact surfaces between the overflow and the inlet and Ausströmplatine are formed on the one hand from the annular outer sealing surfaces and the other from the radially extending inflow surrounding the inner sealing surfaces of the inlet and Ausströmplatine and provided with a spiral cover edge inner sealing surface of the spill.
Dabei sind die Überströmplatine und die Ein- und Ausströmplatine bevorzugt aus einem oxidkeramischen Material gefertigt. Es ist auch zweckmäßig, daß die Überströmplatine mit einem Positionierantrieb (nicht gezeichnet) verbunden ist. Der Steuereffekt wird durch eine den Einströmschlitz mehr oder weniger verdeckende spiralförmige Fläche in der Überströmplatine erzielt. Diese Fläche bildet zusammen mit der Fläche um den Einströmschlitz die innere Dichtfläche, während die Ringflächen die äußere Dichtfläche bilden.The overflow plate and the inlet and Ausströmplatine are preferably made of an oxide ceramic material. It is also appropriate that the spill plate is connected to a positioning drive (not shown). The control effect is achieved by a more or less concealing the inflow slot helical surface in the spill plate. This surface, together with the surface around the inflow slot, forms the inner sealing surface, while the annular surfaces form the outer sealing surface.
Die erfindungsgemäße Lösung soll an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigenThe solution according to the invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment. In the drawing show
Figur 1: Rechnergesteuertes VentilFigure 1: computer controlled valve
Figur 2: Überströmplatine — DraufsichtFigure 2: overflow - plan view
Figur 3: Überströmplatine — SchnittFigure 3: Overflow plate - section
Figur 4: Ein-und Ausströmplatine — SchnittFigure 4: inlet and Ausströmplatine - section
Figur 5: Ein-und Ausströmplatine — DraufsichtFigure 5: inlet and Ausströmplatine - top view
Figur 6: Ein-und Ausströmplatine — SchnittFigure 6: inlet and Ausströmplatine - section
Figur 7: Ein-und Ausströmplatine — DraufsichtFigure 7: inlet and Ausströmplatine - top view
Figur 8: Überströmplatine — DraufsichtFIG. 8: Overflow plate - top view
Figur 9: Überströmpiatine — SchnittFigure 9: Überströmpiatine - section
Wie in Figur 1 dargestellt, ist in einer Mitnehmerkappe 1 durch ein Axialkugellager 2 eine Überströmplatine 3 drehbar und axial fixiert. Mit der Überströmplatine 3 ist über einen Zylinderstift 4 eine Ein- und Ausströmplatine 5 drehbar verbunden. Die Ein- und Ausströmplatine 5 ist axial beweglich und tangential fixiert. Beide Platinen und die sie befestigenden Teile sind in einem Gehäuse 6 angeordnet. Die Ein- und Ausströmplatine 5 ist in einer Ausströmkappe 7 befestigt.Durch einen Federbügel 8, dessen Vorspannung durch Stellschrauben 9 einstellbar ist, wird die Ein- und Ausströmplatine 5 gegen Verdrehung fixiert und gegen die Überströmplatine 3 gepreßt. In der Ausströmkappe 7 ist auch ein Einströmrohr (nicht gezeichnet) und ein Ausströmrohr 10 angeordnet. Die Berührungsflächen zwischen der Überströmplatine 3 und der Ein- und Ausströmplatine 5 werden zum einen aus den ringförmigen äußeren Dichtflächen 11 und zum anderen aus den einen radial verlaufenden Einströmschlitz 15 umgebenden inneren Dichflächen 14 der Ein- und Ausströmplatine 5 und der mit einer spiralförmigen Abdeckkante 13 versehenen inneren Dichtfläche 12 der Überströmplatine 3 gebildet.As shown in Figure 1, an overflow 3 is rotatably and axially fixed in a driver cap 1 by an axial ball bearing 2. With the overflow plate 3 is connected via a cylinder pin 4, an inlet and Ausströmplatine 5 rotatably connected. The inlet and Ausströmplatine 5 is axially movable and tangentially fixed. Both boards and the parts fixing them are arranged in a housing 6. The inlet and Ausströmplatine 5 is mounted in a Ausströmkappe 7. By a spring clip 8, the bias of which is adjustable by adjusting screws 9, the input and Ausströmplatine 5 is fixed against rotation and pressed against the overflow 3. In the outflow cap 7 and an inflow pipe (not shown) and an exhaust pipe 10 is arranged. The contact surfaces between the overflow 3 and the inlet and Ausströmplatine 5 are on the one hand from the annular outer sealing surfaces 11 and the other from the radially extending Einströmschlitz 15 surrounding inner sealing surfaces 14 of the input and Ausströmplatine 5 and provided with a spiral cover edge 13 inner sealing surface 12 of the overflow 3 formed.
Aus Figur 2 und 3 ist die Gestaltung der Überströmplatine 3 und aus Figur 4 und 5 ist die Gestaltung der Ein-und Ausström platine 5 ersichtlich.From Figures 2 and 3, the design of the overflow 3 and from Figure 4 and 5, the design of the input and Ausström is printed circuit board 5 can be seen.
Die äußeren Dichtflächen 11 der Überströmplatine 3 und der Ein- und Ausströmplatine 5 sind deckungsgleich. Die inneren Dichtflächen 14 der Ein- und Ausströmplatine 5 umschließen den Einströmschlitz 15 in ausreichender Breite. Außerdem werden die inneren Dichtflächen 14 von einer entsprechenden Fläche auf der Überströmplatine 3 überdeckt. Die Flächengröße und die Form des Einströmschlitzes 15 werden durch die Druckdifferenz, den maximalen Durchfluß und die gewünschte Kennlinie bestimmt. Weiterhin istdie Gestaltung der Abdeckkante 13 in derÜberströmplatine 3 von der gewünschten Kennlinie abhängig. Die in den Figuren 2 bis 5 dargestellte Struktur der Platinen ist relativ einfach herstellbar und ermöglicht bei dem Medium Luft eine zwischen 10% und 90% Öffnung lineare Kennlinie.The outer sealing surfaces 11 of the overflow 3 and the inlet and Ausströmplatine 5 are congruent. The inner sealing surfaces 14 of the inlet and Ausströmplatine 5 surround the Einströmschlitz 15 in sufficient width. In addition, the inner sealing surfaces 14 are covered by a corresponding surface on the overflow 3. The area size and the shape of the inflow slot 15 are determined by the pressure difference, the maximum flow and the desired characteristic. Furthermore, the design of the cover edge 13 in the overflow 3 is dependent on the desired characteristic. The structure of the boards shown in Figures 2 to 5 is relatively easy to produce and allows for the medium air between 10% and 90% opening linear characteristic.
In den Figuren 6,7,8 und 9 ist ein Platinenpaar dargestellt, das eine lineare Kennlinie im Gesamtbereich der Öffnung sowie eine größere Auflösung ermöglicht. Außerdem wird durch die Vergrößerung der Ausströmöffnung 16 eine Verringerung der Vorspannung und damit der Verstellkräfte ermöglicht.FIGS. 6, 7, 8 and 9 show a pair of sinkers which allow a linear characteristic in the entire area of the opening and a greater resolution. In addition, a reduction of the bias voltage and thus the adjustment forces is made possible by the enlargement of the discharge opening 16.
In der Nullstellung (Ventil geschlossen) überdeckt die innere Dichtfläche 12 der Überströmplatine 3 den Einströmschlitz 15 und die innere Dichtfläche 14 der Ein- und Ausströmplatine 5 vollständig. Beim Verdrehen der Überströmplatine 3 wird durch den sich über dem Drehwinkel ändernden Radius der Abdeckkante 13 der Einströmschlitz 15 mehr oder weniger freigegeben, wodurch sich die Durchlaßöffnung und damit der Durchfluß ändern. Das Medium strömt dann durch das Einströmrohr (nicht gezeichnet), den Einströmschlitz 15, den Hohlraum zwischen der Überströmplatine 3 und der Ein- und Ausströmplatine 5 und die Ausströmöffnung 16zum Ausströmrohr 10. Entsprechend dem zwischen beiden Platinen entstehenden maximalen Flächendruck wird die Vorspannung mit Hilfe der Stellschrauben 9 gerade so groß eingestellt, daß über den äußeren Dichtflächen 11 bzw. im geschlossenen Zustand über die inneren Dichtflächen 12,14 kein Medium strömt. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung sind in folgendem begründet:In the zero position (valve closed), the inner sealing surface 12 of the overflow plate 3 completely covers the inflow slot 15 and the inner sealing surface 14 of the inflow and outflow plate 5. When rotating the overflow 3, the inflow slot 15 is more or less released by the over the rotation angle changing radius of the cover 13, whereby the passage opening and thus change the flow. The medium then flows through the inflow pipe (not shown), the Einströmschlitz 15, the cavity between the overflow 3 and the inlet and Ausströmplatine 5 and the discharge opening 16z to the exhaust pipe 10. According to the resulting between two boards maximum surface pressure, the bias with the aid of Set screws 9 just set so large that no medium flows over the outer sealing surfaces 11 and in the closed state on the inner sealing surfaces 12,14. The advantages of the solution according to the invention are based on the following:
Die innere und die äußere Dichtheit wird durch hohe Ebenheit und geringe Oberflächenrauhigkeit dieser Dichtflächen erreicht, wobei eine Langzeitstabilität dieser Werte durch die große Härte des oxidkeramischem Materials gewährleistet wird. Die Verwendung von oxidkeramischen Material für die Ein- und Ausströmplatine 5 und die Überströmplatine 3 ermöglicht eine rationelle Fertigung und gewährt eine hohe Lebensdauer bei Erhaltung der medizinischen und hygienischen Anforderungen. Weiterhin können geringe Verstellkräfte durch optimale Abstimmung von Druck, druckbelasteter Flcähe und Vorspannung erzielt werden.The inner and outer tightness is achieved by high flatness and low surface roughness of these sealing surfaces, with a long-term stability of these values is ensured by the high hardness of the oxide ceramic material. The use of oxide ceramic material for the inlet and Ausströmplatine 5 and the overflow 3 allows a rational production and ensures a long service life while maintaining the medical and hygienic requirements. Furthermore, low adjustment forces can be achieved by optimal coordination of pressure, pressure-loaded Flcähe and bias.
Die Kopplung der Überströmplatine mit dem Positionierantrieb kann direkt über eine spielfreie Kupplung erfolgen. Zur Erzielung einer höheren Auflösung ist jedoch auch eine indirekte Kopplung des rotatorischen Flachschiebers mit dem Positionierantrieb über Getriebe möglich.The coupling of the overflow plate with the positioning can be done directly via a backlash-free coupling. To achieve a higher resolution, however, an indirect coupling of the rotary flat slide with the positioning drive via gear is possible.
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