DE10044523A1

DE10044523A1 - Steuerventil zur Messung von Atemströmen

Info

Publication number: DE10044523A1
Application number: DE2000144523
Authority: DE
Inventors: Hanno Schmitz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-04
Filing date: 2000-09-04
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2020-09-05
Also published as: DE10044523C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Steuern und Messen von Atemströmen, indem der Gasstrom in einer Richtung durchgelassen wird und in der entgegengesetzten Richtung abgesperrt wird, wobei das absperrende Element in Teilbereichen seiner Oberfläche bei Durchströmung in Durchlaßrichtung gleichzeitig einen dem Volumenstrom proportionalen Öffnungshub vollzieht, der über eine berührungslose Wegmessung erfaßt werden kann. DOLLAR A Bei dem Steuerventil zur Messung von Atemströmen wird eine federelastische Ventilscheibe 2 über ein Befestigungselement 5 einseitig und verdrehgesichert mit einem Gehäuse 1 verbunden. Über ein in das Gehäuse 1 eingelassenes, weichelastisches Dichtelement 3 schließt die Ventilscheibe 2 den Gasstrom in Sperrichtung ab. Über eine zwischen Befestigungselement 5 und Ventilscheibe 2 montierte federelastische Scheibe 4 wird die Federkennlinie der Ventilscheibe 2 derart beeinflußt, daß ein auf der Ventilscheibe montiertes, magnetisches Bauteil 6 einen dem Volumenstrom proportionalen Weg vollzieht. Über ein elektrisches Abtastelement 7 kann dieser Weg berührungslos gemessen werden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von bekannten Ventilkonstruktionen aus, wie sie im Kreislauf von Atemschutzgeräten, Beatmungsgeräten oder Geräten zur Messung von Atemströmen eingesetzt werden. In diesen Geräten sind oftmals Steuerventile eingebaut, die ein Zurückfließen des Atemgases - bei willkürlicher Ein- und Ausatmung in das Gerät - in Teilbereiche des Gerätekreislaufs verhindern bzw. zulassen. Diese Steuerventile dürfen den Atemstrom in eine Strömungsrichtung nicht behindern, sie müssen demnach einen sehr kleinen Strömungswiderstand aufweisen. In die entgegengesetzte Strömungsrichtung müssen sie den Atemstrom absperren.

Es sind Ausführungen bekannt, bei denen eine federbelastete Platte oder Ventilscheibe im Ruhezustand den Strömungsquerschnitt einseitig verschließt und bei Anströmung entgegen der Schließrichtung den Strömungsquerschnitt freigibt. Auch sind solche Ausführungen bekannt, bei denen eine zentrisch gelagerte Ventilscheibe aus elastischem Material unter Vorspannung eingebaut ist, so daß eine separate Feder zum Schließen entfallen kann. Ebenfalls bekannt sind unterschiedliche Geometrieformen in der Ausführung der Ventilscheibe, wie zum Beispiel kreisrunde oder ovale Formen, sowie unterschiedliche Befestigungsmöglichkeiten der Ventilscheibe im Strömungsquerschnitt. Alle bekannten Steuerventile, die nach dem geschilderten Prinzip arbeiten, sind dahingehend optimiert, daß sie in Strömungs richtung sehr kleine Strömungswiderstände bei den physiologisch realisierbaren Strömungsmengen haben. Bekannterweise wird dies durch sehr leichgängige Federn bzw. durch sehr weiche, elastische Ventilscheiben und jeweils größtmögliche Ventil querschnitte erreicht.

Nachteilig bei den bekannten Steuerventilen ist, daß die Öffnungswege der Ventilscheibe mehrere Millimeter lang sind und sich die Ventilscheibe, bedingt durch ihre weiche Federvorspannung bzw. ihre eigene Flexibilität, durch die resultierenden Kräfte des entlangströmenden Atemgases beliebig verformt. Dieser, durch das Ziel, den Strömungswiderstand so gering als möglich zu halten, bedingte und gewollte Effekt hat jedoch zur Folge, daß der Öffnungshub der Ventilscheibe bei jeder Anströmung im Betrag, entlang ihrer Oberfläche, variieren kann, auch wenn die Strömungsmenge jeweils konstant gehalten wird. Ein eindeutiger Rückschluß aus dem Öffnungsweg der Ventilscheibe auf die durchströmte Menge ist bei bekannten Ausführungen aufgrund dieser Eigenschaften nicht möglich. Ist die gleichzeitige Ermittlung der durchströmten Atemgasmenge gewollt, müssen zusätzliche Vorrichtungen zur Ermittlung des Volumenstroms in die Strömung eingebracht werden. Nachteilig hieran ist jedoch eine zusätzliche Erhöhung des Gesamtströmungs widerstands. Aus den geschilderten Eigenschaften bekannter Ventilkonstruktionen zur Steuerung von Atemströmen ergibt sich die erfindungsgemäße Aufgabe.

Erfindungsgemäße Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuerventil so auszuführen, daß einerseits die resultierenden Strömungswiderstände so gering als möglich ausfallen und andererseits der Öffnungsweg der Ventilscheibe in einem reproduzierbaren und proportionalen Verhältnis zur durchströmten Atemgasmenge ist, so daß über eine Wegmessung des Öffnungsweges der Ventilscheibe eine Aussage über die durchströmte Menge gemacht werden kann.

Vorteil der Erfindung

Das erfindungsgemäße Steuerventil zur Messung von Atemströmen mit den kennzeichnenden Merkmalen gemäß Anspruch 1 hat den Vorteil, daß es durch seine Ausführung sowohl einen geringen Strömungswiderstand besitzt, als auch in Teilbereichen der Ventilscheibe reproduzierbare Öffnungswege vollzieht. Dadurch kann das Steuerventil zur Messung von Atemströmen mit einem Meßsystem kombiniert werden, das den Weg der Ventilplatte bei Durchströmung berührungslos aufnimmt und damit einen Rückschluß auf die durchströmte Menge gestattet. Weiterführende Vorteile des Steuerventils zur Messung von Atemströmen ergeben sich aus der Beschreibung und den Unteransprüchen.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Einen möglichen Aufbau des Steuerventils zur Messung von Atemströmen zeigt Fig. 1 im Längsschnitt. Das Steuerventil zur Messung von Atemströmen hat ein Gehäuse 1, dessen Strömungsquerschnitt so groß ausgelegt ist, das bei physiologisch realisierbaren Atemstrommengen ein vernachlässigbarer Eigenwiderstand gegeben ist. In einen abgesetzten Querschnitt des Gehäuses 1 ist ein weichelastisches Dichtelement 3 eingefügt, auf das eins federelastische Ventilscheibe 2 aufgelegt wird, die über ein Befestigungselement 5 einseitig, verdrehgesichert befestigt wird. Über eine federelastische Scheibe 4, die zwischen Befestigungselement 5 und federelastischer Ventilscheibe 2 - ebenfalls verdrehgesichert - montiert ist und diese nur teilweise überdeckt, läßt sich die Gesamtfederkennlinie der Ventilscheibe 2 so beeinflussen, daß die dem Befestigungselement 5 gegenüberliegende Seite bei Anströmung in Durchlassrichtung sehr leichtgängig mit großen Stellwegen öffnet. Damit sind sehr geringe Strömungswiderstände realisierbar und gewährleistet. Entgegen der Durchlassrichtung sperrt das Ventil durch die Dichtwirkung zwischen federelastischer Ventilscheibe 2 und weichelastischem Dichtelement 3 ab. Durch die teilweise Versteifung der Ventilscheibe 2 mit der zusätzlichen, federelastischen Scheibe 4 in Richtung des Befestigungselementes 5 nimmt der Öffnungsweg der Ventilscheibe 2 in Richtung des Befestigungselementes 5 immer weiter ab. Gleichzeitig wird dadurch erreicht, das sich die Öffnungswege, die die Ventilscheibe 2 vollzieht, in Richtung des Befestigungselementes 5 zunehmend reproduzierbarer proportional zur durchströmten Menge einstellen. Über ein auf der Ventilscheibe 2 montiertes, magnetisches Bauelement 6 und ein darüberliegendes, elektrisches Abtastelement 7 kann dadurch derjenige Bereich der Ventilscheibe berührungslos abgetastet werden, in dem ein der durchströmten Menge proportionaler Öffnungsweg vorliegt. Hierfür wird entweder die betragsmäßig absolute Änderung des magnetischen Feldes oder aber dessen Richtungsänderung als Meßgröße ausgewertet. Die Anordnung des elektrischen Abtastelementes 7 und des magnetischen Bauelementes 6 kann hierbei so gewählt werden, daß keine Beeinflussung des Strömungswiderstandes erfolgt, gleichzeitig das elektrische Abtastelement hermetisch gekapselt ist und somit keinen direkten Kontakt zum durchströmenden Medium hat.

Claims

1. Steuerventil zur Messung von Atemströmen, bestehend aus einem Gehäuse 1, in dem in einem abgesetzten Querschnitt ein weichelastisches Dichtelement 3 eingefügt ist, über das eine federelastische Ventilscheibe 2 aufgelegt und mit einem Befestigungselement 5 befestigt wird, so daß bei Anströmung in einer Richtung eine Dichtwirkung und bei Anströmung in der entgegengesetzten Richtung eine Durchlaßwirkung erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilscheibe 2 über das Befestigungselement 5 einseitig und verdrehgesichert befestigt wird, gleichzeitig eine zwischen Befestigungselement 5 und Ventilscheibe 2 - ebenfalls verdrehgesichert - montierte federelastische Scheibe 4, die die Ventilscheibe 2 nur teilweise überdeckt, die Gesamtfederkennlinie der Ventilscheibe 2 derart beeinflußt wird, daß die dem Befestigungselement 5 entgegengesetzte Seite der Ventilscheibe 2 durch einen in Durchlaßrichtung anliegenden Volumenstrom sehr leichgängig und mit großen Öffnungswegen beliebig öffnet, der Öffnungsweg der Ventilscheibe 2 in Richtung des Befestigungselementes 5 durch die zunehmende Federsteifigkeit immer weiter abnimmt, so daß sich ein geometrischer Bereich auf der Ventilscheibe 2 ergibt, in dem eine dem Volumenstrom proportionale und reproduzierbare Wegänderung entsteht, die über ein auf der Ventilscheibe montiertes magnetisches Bauteil 6 und ein in unmittelbarer Umgebung plaziertes elektrisches Abtastelement 7 gemessen werden kann.

2. Steuerventil zur Messung von Atemströmen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilscheibe 2 selbst aus weichelastischem Material besteht, das beim Absperren eine ausreichende Dichtwirkung zwischen sich selbst und dem Gehäuse 1 entstehen läßt und damit ein weichelastisches Dichtelement 3 entfallen kann.

3. Steuerventil zur Messung von Atemströmen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilscheibe 2 und die federelastische Scheibe 4 aus gleichem Material bestehen und fertigungstechnisch so zusammengefügt werden, daß ein homogenes Bauteil entsteht, dessen Federkennlinie sich einzig durch die Querschnittsänderungen in Richtung des Befestigungselementes 5 ergibt.

4. Steuerventil zur Messung von Atemströmen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Bauelement 6 derart in die Ventilscheibe 2 eingebaut wird, daß kein direkter Kontakt zum durchströmenden Medium besteht.

5. Steuerventil zur Messung von Atemströmen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Weges der Ventilscheibe 2 die betragsmäßig absolute Änderung des magnetischen Feldes ermittelt wird, die sich aus der Bewegung des magnetischen Bauelementes 6 gegenüber dem feststehenden elektrischen Abtastelement 7 ergibt.

6. Steuerventil zur Messung von Atemströmen nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung des Weges der Ventilscheibe 2 die Richtungsänderung des magnetischen Feldes ermittelt wird, die sich aus der Bewegung des magnetischen Bauelementes 6 gegenüber dem feststehenden elektrischen Abtastelement 7 ergibt.

7. Steuerventil zur Messung von Atemströmen nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß über das elektrische Abtastelement 7 selbst ein magnetisches Feld erzeugt wird, dessen betragsmäßig absolute oder richtungsmäßige Eigenschaften durch ein magnetisches Bauelement 6 beeinflußt werden, so daß hierüber eine Messung des Weges der Ventilscheibe ermöglicht wird.

8. Steuerventil zur Messung von Atemströmen nach einem der zuvor genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die federelastische Scheibe 4 selbst magnetische Eigenschaften hat, die zur Messung des Weges über das elektrische Abtastelement 7 ausreichen.

9. Steuerventil zur Messung von Atemströmen nach einem der zuvor genannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Bauelement 6 statt auf der Ventilscheibe 2 auf der federelastischen Scheibe 4 montiert wird.

10. Steuerventil zur Messung von Atemströmen nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Abtastelement 7 derart in das Ventilgehäuse 1 eingebaut ist, daß es hermetisch gekapselt ist und somit keinen direkten Kontakt zum durchströmenden Medium hat.

11. Steuerventil zur Messung von Atemströmen nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Anordnung des magnetischen Bauelementes 6 und des elektrischen Abtastelementes 7 vertauscht werden, so daß das elektrische Abtastelement als bewegtes Teil auf der Ventilscheibe 2 oder der federelastischen Scheibe 4 montiert wird und das magnetische Bauelement 6 ortsfest darüber positioniert wird.