DE102008028733A1

DE102008028733A1 - Vorrichtung zur Bestimmung eines Strömungszustandes in einem Atemsystem

Info

Publication number: DE102008028733A1
Application number: DE102008028733A
Authority: DE
Inventors: Götz KULLIK; Dieter Settgast; Hans-Ullrich Hansmann
Original assignee: Draeger Medical GmbH
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2008-06-17
Filing date: 2008-06-17
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2028-06-18
Also published as: US20090312661A1; SE0900503L; SE534025C2; DE102008028733B4; US8814806B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung des Strömungszustands in einem Atemsystem, welche die Funktion eines Rückschlagventils mit der Funktion einer Durchflussmessung in einer gemeinsamen Vorrichtung kombiniert. Die Vorrichtung besteht aus einer Ventilanordnung (1), mit einer Ventilscheibe (9) und einem Ventilkörper (8), wobei die Lage einer Ventilscheibe (9) in Bezug auf einen Ventilsitz (11) erfasst wird und aus der Lage der Ventilscheibe (9) ein Maß für eine Strömung und eine Durchströmungsrichtung (5), (6) ermittelt wird. Die Ermittlung der Lage der Ventilscheibe (9) kann dabei induktiv, elektrisch, elektro-mechanisch oder optisch erfolgen. Die ermittelte Strömung und Durchströmungsrichtung (5), (6) kann zur Steuerung der Beatmung in einem Medizingerät verwendet werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung von Anströmungseffekten an passiv wirkenden Rückschlagventilen.
Im Bereich von Anästhesiegeräten für den medizinischen Bereich ist die Bestimmung des Volumenstroms, der in den Patienten hinein gegeben wird und der Menge an Atemgas, die der Patient wieder ausatmet von erheblicher Bedeutung. Daraus lässt sich beispielsweise die absolute Menge eines einem Patienten während einer Narkose zugeführten Anästhetikums ableiten. Die absolute zugeführte Menge eines Anästhetikums wiederum ist bei einer Narkose ein kritischer Parameter, der möglichst genau bekannt sein sollte. Daher ist es gerade in der Medizintechnik wichtig, diese Größe möglichst exakt zu bestimmen. Ebenso entscheidend ist es dafür, die Phasen von Ein- und Ausatmung möglichst präzise unterscheiden zu können.
Zur Vermeidung der Rückatmung des Patienten wird in den Zweig des Beatmungsgerätes, welcher das Atemgas zum Patienten hin fördert, ein Rückschlagventil eingesetzt. Dieser sogenannte Inspirationszweig wird dabei im Rhythmus der Beatmung in der Einatmungsphase von Atemgas durchflossen, wobei das Rückschlagventil während der Einatmung geöffnet ist. In der Ausatmungsphase verschließt das Rückschlagventil den Strömungsweg.
Zur Bestimmung der Volumenströme von Ein- und Ausatmung sind aus dem Stand der Technik beispielsweise Durchflusssensoren in der Form von Hitzdrahtanemometern bekannt, die in der Weise arbeiten, dass der Widerstand eines Hitzdrahtes, der in der Atemgasströmung angeordnet ist, bestimmt wird. Dabei ist der Hitzdraht aus einem Material hergestellt, das einen temperaturabhängigen Widerstand hat. Das Ausmaß, in dem der Hitzdraht durch die Gasströmung gekühlt wird, hängt von dem Volumenstrom und damit von der Strömungsgeschwindigkeit ab, sodass der Widerstand des Hitzdrahtes ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist es jedoch, dass diese Hitzdrahtsensoren eine definierte Strömungssituation erfordern, was eine gewisse Strecke zur Vergleichmäßigung der Strömung und somit eine bestimmte Baulänge bedingt.
Sowohl die Durchflusssensoren wie die Rückschlagventile werden mit weiteren Komponenten wie beispielweise Atemantrieb und Drucksensoren in einem Beatmungsgerät oder Anästhesiegerät in einem Atemsystem zusammengefasst. Dieses Atemsystem ist so gestaltet, dass es vom Anwender zu Reinigungsarbeiten aus dem Anästhesiegerät entnommen werden kann. Durch die serielle Anordnung von Rückschlagventil und Durchflusssensor ergibt sich ein Platzbedarf im Atemsystem, der für das gesamte Atemsystem die Baugröße wesentlich vorgibt. Damit wird die Konstruktion eines kompakten Atemsystems erschwert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Funktionen von Durchflussmessung und des Rückschlagventils in einer kompakten Ausführung zu verbessern. Durch die Kombination von Rückschlagventil und Durchflusssensor ergibt sich der wesentliche Vorteil, dass der Platzbedarf für die Durchflussmessung und das Rückschlagventil verringert werden kann.
Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Reduzierung der Anzahl von Elementen im Atemsystem, was die Fehleranfälligkeit vermindert und die Wartungsfreundlichkeit verbessert.
Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Kombination aus Durchflussmessung und Rückschlagventil ergibt sich aus der Verwendung eines Elementes des Rückschlagventils zur Erkennung des Durchflusses. In einem passiven Rückschlagventil nach dem Stand der Technik ist eine Scheibe auf einer Anzahl Halteelementen oder Stützen gelagert und dichtet bei planarer Auflage im Ventilsitz die Durchflussöffnung ab. Wirkt nun ein Durchfluss von der Seite der Haltelemente gegen die Scheibe, bzw. ist ein Druckgefälle zwischen der Seite der Halteelemente und der gegenüberliegenden Scheibeseite gegeben, so wird die Scheibe bewegt, sodass die Strömung durch das Ventil hindurch gelangen kann. Dies ist die Durchflussrichtung des Rückschlagventils. Wirkt der Durchfluss von der gegenüberliegenden Scheibenseite auf die Scheibe, so verhindern die Halteelemente eine Bewegung der Scheibe, es gelangt keine Strömung durch das Ventil. Dies ist die Sperrrichtung des Rückschlagventils.
Die Bewegung der Scheibe wird in der vorliegenden Erfindung dazu verwendet, die Strömung eines Gases zu erkennen.
In einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist um die Durchlassöffnung des Ventils eine gewickelte Spule als Induktivität angeordnet, welche zusammen mit einer Kapazität einen elektrischen Schwingkreis bildet. Der Schwingkreis hat eine durch Induktivität und Kapazität bestimmte Resonanzfrequenz. Die auf der Durchlassöffnung des Ventils im Ventilsitz aufliegende und durch Auflage dichtende Ventilscheibe aus einem nicht verformbaren Material, beispielsweise Keramik, ist in dieser erfindungsgemäßen ersten Ausführungsform so ausgebildet, dass ein elektrisch leitendes Element mit einer magnetischen Permeabilitätszahl von ungefähr eins als Ventilelement an oder in der Scheibe angeordnet ist. Das elektrisch leitende Element bestimmt durch seine Lage zur Spule eine Beeinflussung des Magnetfeldes, indem in dem elektrisch leitenden Element ein Wirbelstrom induziert wird.
Der Wirbelstrom stellt eine Last für den Schwingkreis dar, welche dem Schwingkreis Energie entzieht. Die Last ist in ihrer Größe abhängig von der Lage der Scheibe zur Spule. Wird die Scheibe durch den Durchfluss und damit auch das elektrisch leitende Element von der Spule entfernt, so werden die Wirbelstromverluste im magnetisch-elektrischen Kreis der Anordnung geringer. Wird der Schwingkreis von außen durch eine elektrische Wechselspannung in der Nähe der Resonanzfrequenz angeregt, so kann die resultierende Schwingkreisamplitude als Maß für die Entfernung des elektrisch leitenden Elementes von der Spule und damit als Maß für Größe der Bewegung der Scheibe durch die Strömung ausgewertet werden. Mit Hilfe einer Kennlinie, die über der Amplitudenänderung pro Durchflussmenge aufgetragen wird, ist damit sowohl eine Unterscheidung von Ein- und Ausatmungsphasen als auch eine quantitative Auswertung der Durchflussrate möglich. Die Auswertung der Lage der Ventilscheibe ermöglicht die Erkennung von Strömung und Strömungsrichtung. Strömung und Strömungsrichtung können zur Beatmungssteuerung in einem Medizingerät, beispielsweise in einem Beatmungsgerät oder in einem Anästhesiegerät. verwendet werden.
Eine alternative Variante der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform unterscheidet sich von dieser, dass die Ventilscheibe so ausgebildet, dass anstatt eines elektrisch leitenden Elementes ein magnetisch leitendes Element mit einer magnetischen Permeabilitätszahl von >> 1 als Ventilelement an oder in der Scheibe angeordnet ist. Damit ergibt sich gleichsam eine Anordnung einer Spule mit einem Metallkern und einem Luftspalt. Die Abmessungen des Luftspalts werden in dieser zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform durch die Bewegung der Ventilscheibe variiert.
Damit ändert sich durch die durch eine Durchströmung in Durchlassrichtung bewirkte Bewegung der Ventilscheibe die Gesamtinduktivität der Anordnung und damit in Zusammenwirkung mit der Kapazität die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Wird der Schwingkreis von Außen durch eine elektrische Wechselspannung in der Nähe der Resonanzfrequenz angeregt, so ist die resultierende Änderung der Schwingkreisgüte ein Maß für Änderung des Luftspaltes im magnetischen Kreis und damit ein Maß für die Entfernung des magnetisch leitenden Elementes von der Spule und kann schließlich als Maß für Größe der Bewegung der Scheibe durch die Strömung ausgewertet werden.
Die Auslegung des Schwingkreises für die erste Ausführungsform wird bevorzugt so gewählt, dass die Resonanzfrequenz oberhalb des menschlichen Hörbereiches von ca. 20 kHz liegt, als oberer Grenzwert für die Resonanzfrequenz ist ein Wert von 500 kHz geeignet, um eine hinreichende Eindringtiefe des Magnetfeldes zu erreichen und einen ausreichenden Messeffekt zu erzielen.
In einer Variante der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Ventilscheibe durch ein vorgespanntes mechanisches Federelement in einer Ruheposition gehalten. Die Kennlinie der Feder ist so ausgelegt, dass die Ventilscheibe durch die Strömung gegen die Federkraft angehoben wird. In einer solchen Anordnung kann das Ventil in beliebiger Einbaulage verwendet werden, da die Federkennlinie wesentlich den Weg und die Lage der Ventilscheibe in Abhängigkeit von der Strömung bestimmt.
In einer bevorzugten Ausführungsform der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist eine Scheibe aus flexiblen Material im Mittelpunkt der Durchlassöffnung an einer Haltestruktur befestigt. Die Haltestruktur ist bevorzugt sternförmig ausgebildet und am Rand der Durchlassöffnung befestigt. Im Mittelpunkt der Haltestruktur ist die flexible Ventilscheibe befestigt.
Die Funktionsweise ergibt sich durch eine elastische Verformung und Verbiegung der Scheibe im Randbereich, wodurch die Luft aus einer Durchflussrichtung das Ventil passieren kann, ohne Strömung stellt sich die elastische Verformung in den Ursprungszustand zurück und schließt das Ventil wieder. Aus der anderen Durchflussrichtung wird eine Verformung des Ventils vermieden, indem die Auflagefläche der Ventilscheibe im Ventilsitz keinen Spielraum zur Verformung lässt. Diese Anordnung mit einer Ventilscheibe aus flexiblem Material nach dieser bevorzugten Ausführungsform ergibt den Vorteil, dass das Ventil ohne zusätzliches Federelement in beliebiger Einbaulage arbeiten kann, da die auf die Ventilscheibe wirkende Gravitation nicht zur Abdichtung ausgenutzt wird.
In bevorzugter Weise sind die Haltestruktur und die flexible Ventilscheibe so ausgebildet, dass die Ventilscheibe vom Anwender während der Reinigungs- und Wartungsarbeiten ausgetauscht werden kann. Für ein solches Austauschteil stehen als Material für die Ventilscheibe eine Vielzahl von flexiblen Kunststoffen, Elastomeren oder Folien, wie beispielsweise Neopren oder Silikon zur Verfügung, da durch die einmalige Verwendung keine spezifischen Anforderungen an die hygienische Aufbereitung gegeben sind.
In einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird das Schließen des Ventils durch einen Kontakt erfasst. Eine flexible Ventilscheibe wird dabei außermittig mit Hilfe mindestens eines Befestigungspunktes an einer Haltestruktur in der Durchlassöffnung befestigt. An der, – der Befestigungsseite gegenüber liegenden –, Seite ist eine Kontaktpaarung angeordnet, die das Schließen des Ventils erfasst.
In der Außenkontur der Durchflussöffnung ist ein Ventilsitz als dichtende Schließfläche für das Ventil ausgebildet.
In einer bevorzugten Ausführungsform der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Kontaktpaarung als elektrische Schließkontaktpaarung ausgebildet. Dabei ist eine Kontaktbrücke als Kontakt -bildendes Element an oder in der Ventilscheibe angeordnet. In der Schließfläche ist ein mindestens ein Paar von elektrischen Kontaktelementen angeordnet, welches mit elektrischen Zuleitungen versehen ist. Bei geschlossenem Ventil wird das Paar von Kontaktelementen über die Kontaktbrücke elektrisch verbunden und die sich ergebende elektrische Verbindung ist durch eine elektrische Durchgangs- oder Widerstandsmessung erfassbar.
In einer alternativen Variante der bevorzugten Ausführungsform ist die Kontaktpaarung als elektromagnetische Kontaktpaarung ausgebildet. Dabei ist ein Element aus magnetischem Material an oder in der Ventilscheibe angeordnet. In der Schließfläche des Ventils ist ein elektromagnetischer Kontakt, bevorzugt in Form eines Hall- Sensors oder eines Reed- Relais angeordnet, welcher mit elektrischen Zuleitungen versehen ist. Bei geschlossenem Ventil wird durch den Magneten in der Ventilscheibe das elektromagnetische Element betätigt, die sich ergebende elektrische Verbindung ist durch eine elektrische Durchgangs- oder Widerstandsmessung messbar.
In einer weiteren Ausführungsvariante wird zur Erfassung der Ventilbewegung die Kontaktpaarung durch eine kontaktlose Kontaktpaarung umgesetzt. Eine kontaktlose Kontaktpaarung kann in Form einer Lichtschranke umgesetzt werden, wobei eine Anordnung aus Lichtquelle und Lichtempfänger an der Schließfläche des Ventils angeordnet ist. Als Lichtquelle kann beispielsweise eine Leuchtdiode verwendet werden, als Lichtempfänger können lichtempfindliche Widerstände, Fototransistoren oder Fotodioden Verwendung finden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird bei geschlossenem Ventil der optische Weg der Lichtschranke durch die Ventilscheibe unterbrochen und das Signal des Lichtempfängers ausgewertet.
Eine bevorzugte Ausgestaltung ist so ausgestaltet, dass die Einbringung der Ventilscheibe in die Haltestruktur über eine Anzahl von mindestens zwei Befestigungspunkten erfolgt, wobei die mindestens zwei Befestigungspunkte unsymmetrisch angeordnet sind und die Formgebung der Ventilscheibe so gewählt ist, dass nur eine eindeutige Befestigungsmöglichkeit der Ventilscheibe in der Haltestruktur möglich ist. Damit ist eine falsche Einbaulage der Ventilscheibe ausgeschlossen.
In einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist eine Kombination der ersten Ausführungsform mit der zweiten Ausführungsform vorgesehen. Eine flexible Ventilscheibe wird dabei außermittig mit Hilfe mindestens eines Befestigungspunktes an einer Haltestruktur in der Durchlassöffnung befestigt. Die Ventilscheibe ist mit einem magnetisch oder elektrisch leitfähigen Material versehen, dessen Annäherung an den Ventilsitz über eine Anordnung in einem Schwingkreis gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel erfassbar ist.
Die Auswertung der Kontaktpaarung dient der Ermittlung einer Ventilbewegung, welches bei Schließen des Kontaktes einen Endzeitpunkt der Einatmungsphase darstellt und eine Erkennung von Atemzyklen erlaubt, die Auswertung der Feldänderung dient einer zusätzlichen quantitativen Bewertung der Durchflussrate über den ermittelten Öffnungsweg des Ventils.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 Eine erste Ventilanordnung mit einer nichtverformbaren Ventilscheibe und einer Spulenanordnung,
2 Die erste Ventilanordnung nach 1 mit Einzeichnung der Magnetfeldlinien im geschlossenen Zustand,
3 Die erste Ventilanordnung nach 1 mit Einzeichnung der Magnetfeldlinien im geöffneten Zustand,
4 Eine Anordnung zur elektrischen Auswertung der Ventilscheibenbewegung für die in den 1, 2, 3 abgebildeten Ventile,
5 Eine zweite Ventilanordnung mit einer elastischen Ventilscheibe und einer Spulenanordnung im geschlossenen Zustand,
6 Die zweite Ventilanordnung nach 5 im geöffneten Zustand,
7 Die zweite Ventilanordnung in einer Einzelteildarstellung der elastischen Ventilscheibe und der Haltestruktur,
8 Eine Seitenansicht der Haltestruktur der zweiten Ventilanordnung nach den 5 bis 7,
9 Eine dritte Ventilanordnung mit einer Ventilscheibe und mit einer Kontaktanordnung im geöffneten Zustand,
10 Die dritte Ventilanordnung gemäß 9 im geschlossenen Zustand,
11 Die dritte Ventilanordnung in einer Einzelteildarstellung der dritten Ventilscheibe und des Ventilkörpers,
12 Eine Variante der ersten Ventilanordnung.
12 Eine Variante der dritten Ventilanordnung.
13 Eine Variante der dritten Ventilanordnung.
In 1 ist ein prinzipieller Aufbau einer erfindungsgemäßen ersten Ventilanordnung 1 im Halbschnitt entlang der horizontalen Achse 25 symmetrisch zur Mittelachse 13 dargestellt, die eine kreisrunde erste Ventilscheibe 9 mit einem ersten Ventilelement 10, ausgeführt als eingebettetes magnetisches Element, mit einer magnetischen Permeabilitätszahl wesentlich größer als eins, einen Ventilsitz und einen zylindrischen Ventilkörper 8 mit einer daran angeordneten Spule 12 beinhaltet.
In 2 ist die erste Ventilanordnung 1 nach 1 dargestellt, wobei die erste Ventilscheibe 9 mit dem eingebetteten Element 10 auf einem ersten Ventilsitz 11 dichtend aufsitzt. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugsziffern wie in 1 verwendet.
Zusätzlich ist ein erster Magnetfeldlinienverlauf 14 im geschlossenen Zustand der ersten Ventilanordnung 1 eingezeichnet. Die Strömung aus der zweiten Durchströmungsrichtung 6 kann nicht durch das Ventil strömen.
Die 3 zeigt die durch den Durchfluss aus der ersten Durchströmungsrichtung 5 angehobene erste Ventilscheibe 9 und einen zweiten Magnetfeldlinienverlauf 15 im geöffneten Zustand der Ventilanordnung 1 nach 1. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugsziffern wie in 1 verwendet.
Die unterschiedliche Führung der Magnetfeldlinien 14, 15 bei geöffneter und geschlossener Ventilscheibe 9 ist aus den 2 und 3 zu ersehen.
In 4 ist gezeigt, wie die erfindungsgemäße Ventilanordnung 1 gemäß der 1, 2, 3 über ein Anschlusskontaktpaar 31 in eine elektronische Verschaltung eingebunden ist. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugsziffern wie in 1 verwendet. Die erste Ventilscheibe 9 liegt auf einem ersten Ventilsitz 11 auf. In der ersten Ventilscheibe 9 ist ein erstes Ventilelement 10 eingebettet. Eine Betriebselektronik 30 beinhaltet eine Anordnung eines Kondensators 32, welcher zusammen mit der am Ventilkörper 8 befindlichen Spule 12 einen elektrischen Schwingkreis mit einer typischen Resonanzfrequenz bildet. Der Parallelwiderstand 36 ist geeignet ausgebildet, die Bedämpfung des Schwingkreises einzustellen. Über eine Wechselspannungsquelle 34 mit Vorwiderstand 33 wird der Schwingkreis in der Nähe seiner Resonanzfrequenz zur Schwingung angeregt. Das erste Ventilelement 10 bewirkt eine Bedämpfung der Schwingkreisamplitude, die durch einen proportionalen Zusammenhang zum Abstand des ersten Ventilelementes 10 zur Spule 12 gegeben ist. Über ein Spannungsmessgerät 35 kann die Amplitude der Schwingung gemessen werden.
In 5 ist eine zweite Ventilanordnung 2 mit der Besonderheit einer elastischen zweiten Ventilscheibe 16 und einer Haltestruktur 19 zur Befestigung der zweiten Ventilscheibe 16 gezeigt.
Die Darstellung zeigt die zweite Ventilscheibe 16 mit einem zweiten Ventilelement 23, ausgeführt als eingebettetes magnetisches Element mit einer magnetischen Permeabilitätszahl wesentlich größer als eins, einen zweiten Ventilsitz 18 und einen zylindrischen Ventilkörper 8 mit einer daran angeordneten Spule 12.
Die zweite Ventilanordnung 2 ist dabei ist im geschlossenen Zustand abgebildet, wobei die zweite Ventilscheibe 16 mit dem zweiten Ventilelement 23 an der der Haltestruktur 19 befestigt ist und auf dem zweiten Ventilsitz 18 dichtend aufsitzt und auf diese Weise eine Durchströmung gemäß der zweiten Durchströmungsrichtung 6 blockiert ist.
Die 6 zeigt die durch den Durchfluss aus der ersten Durchströmungsrichtung 5 angehobene zweite Ventilscheibe 16 im geöffneten Zustand der zweiten Ventilanordnung 2 nach 5. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugsziffern wie in der 5 verwendet. Die zweite Ventilscheibe 16 wird aufgrund der flexiblen Ausgestaltung durch die Strömung am Rand vom zweiten Ventilsitz 18 angehoben, die Durchflussöffnung 7 (7) wird damit freigegeben und die Luft kann gemäß der ersten Durchströmungsrichtung 5 durch die zweite Ventilanordnung 2 strömen.
Die 7 zeigt eine Darstellung der zweiten Ventilanordnung 2 gemäß den 5 und 6 aus einer zweiten Ventilscheibe 16 und einer Haltestruktur 19 vor der Zusammenfügung in einer Draufsicht. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugsziffern wie in der 5 verwendet. Die Haltestruktur 19 mit einem Befestigungspunkt 20 nimmt das Befestigungsloch 17 der zweiten Ventilscheibe 16 auf. In 7 ist weiterhin dargestellt, dass die Haltestruktur 19 eine Durchflussöffnung 7 frei lässt. Die Haltestruktur 20 ist in diesem Beispiel kreuzförmig aus drei Stützstreben 24 mit zentrischem Befestigungspunkt 20 ausgebildet. Andere Formen der Haltestruktur 19 sind ebenfalls umsetzbar.
Die 8 zeigt eine Seitenansicht der Haltestruktur 19 und den Befestigungspunkt 20 im Detail. Für die Funktion der zweiten Ventilanordnung 16 sind die Verhältnisse der Abmessungen aus Befestigungspunkt 20 und der zweiten Ventilscheibe 16 entscheidend. Das Befestigungsloch 17 der zweiten Ventilscheibe 16 ist in seinem Durchmesser kleiner als die Kappe 21 des Befestigungspunktes 20 ausgebildet. Der Befestigungsdurchmesser 22 des Befestigungspunktes 20 ist kleiner als der Durchmesser des Befestigungslochs 17 (7) der zweiten Ventilscheibe 16 ausgebildet. Diese Verhältnisse der Abmessungen haben zur Folge, dass die zweite Ventilscheibe 16 aufgrund des elastischen Materials über die Kappe 21 mit dem Befestigungspunkt 20 zusammengefügt werden kann, aber nach der der Zusammenfügung durch die Strömung nicht mehr über die Kappe 21 hinweg vom Befestigungspunkt 20 abgelöst werden kann. Die zweite Ventilscheibe 16 wird mit genügend Toleranz am Befestigungsdurchmesser 22 des Befestigungspunktes 20 gehalten, um der Strömung elastisch folgen zu können. Für die Anwendung bedeutet dies, dass vor Gebrauch der zweiten Ventilanordnung 2 die zweite Ventilscheibe 16 in die Haltestruktur 19 eingesetzt wird und nach der Verwendung leicht wieder entfernt werden kann, sodass eine getrennte Aufbereitung oder Entsorgung der zweiten Ventilscheibe 16 und des Ventilkörpers 8 möglich ist.
Die 9 zeigt eine dritte Ventilanordnung 3 im Halbschnitt entlang der horizontalen Achse 25 symmetrisch zur Mittelachse 15 mit einer dritten Ventilscheibe 28 und mit einer Kontaktanordnung. Die Kontaktanordnung besteht aus elektrischen Kontaktelementen 26, die durch eine elektrische Kontaktbrücke 27 im Ruhezustand elektrisch miteinander verbunden sind. Im gezeigten geöffneten Zustand der dritten Ventilanordnung 3 ist der elektrische Kontakt unterbrochen. Die Luft strömt gemäß der ersten Durchströmungsrichtung 5 durch die dritte Ventilanordnung 3. Die Kontaktunterbrechung kann über die Anschlusskontakte 31 kontaktiert und durch einen nicht gezeigten Auswerteschaltkreis, beispielweise mittels einer Durchgangsprüfung oder Widerstandsmessung erfasst werden. Das dabei erfasste Signal kann als Triggersignal zur Steuerung der Beatmung verwendet werden. Die dritte Ventilscheibe 28 ist dabei durch eine Aufnahme 40 mit dem Ventilkörper 8 verbunden. Befestigungspunkte 20 mit einer Kappe 21 halten die dritte Ventilscheibe 28 seitlich am Ventilkörper 8 fixiert. Die dritte Ventilscheibe 28 ist an der Position der Aufnahme 40 verstärkt ausgeformt. Direkt neben der Aufnahme 40 ist eine Nut 41 in die dritte Ventilscheibe eingebracht, wodurch die dritte Ventilscheibe 28 beweglich elastisch am Ventilkörper 8 gelagert ist und der Strömungsbewegung folgen kann.
In 10 ist die dritte Ventilanordnung 3 nach 9 im geschlossenen Zustand gezeigt. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugsziffern wie in der 9 verwendet. Eine Durchströmung gemäß der zweiten Durchströmungsrichtung 6 ist dabei durch die Lage der dritten Ventilscheibe 28 blockiert. Die Kontaktverbindung kann über die Anschlusskontakte 31 kontaktiert und durch einen nicht gezeigten Auswerteschaltkreis, beispielweise mittels einer Durchgangsprüfung oder Widerstandsmessung erfasst werden. Das dabei erfasste Signal kann als Triggersignal zur Steuerung der Beatmung in einem Beatmungsgerät verwendet werden.
Die 11 zeigt eine Darstellung der dritten Ventilanordnung 3 aus einer dritten Ventilscheibe 29 und einen zylindrischen, zur Mittelachse symmetrischen Ventilkörper gemäß den 10 und 11 vor der Zusammenfügung in einer dreidimensionalen Ansicht. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugsziffern wie in den 10 und 11 verwendet. Die Befestigungspunkte 26 in der Aufnahme 40 am Ventilkörper nehmen die Befestigungslöcher 17 der Ventilscheibe 28 auf.
Für die Funktion der dritten Ventilanordnung 3 sind die Verhältnisse der Abmessungen aus den Befestigungspunkten 20 und der dritten Ventilscheibe 28 entscheidend. Die Befestigungslöcher 17 der dritten Ventilscheibe 28 sind in ihrem Durchmesser kleiner als die Kappen 21 der Befestigungspunkte 20 ausgebildet. Die Befestigungsdurchmesser 22 der Befestigungspunkte 20 sind kleiner als die Durchmesser der Befestigungslöcher 17 der dritten Ventilscheibe 28 ausgebildet. Diese Verhältnisse der Abmessungen haben zur Folge, dass die dritte Ventilscheibe 28 aufgrund des elastischen Materials über die Kappen 21 mit den Befestigungspunkten 20 zusammengefügt werden kann, aber nach der Zusammenfügung durch die Strömung nicht mehr über die Kappe 21 hinweg von den Befestigungspunkten abgelöst werden kann. Die dritte Ventilscheibe 28 wird mit genügend Toleranz an den Befestigungsdurchmessern 22 der Befestigungspunkte 20 gehalten, um der Strömung elastisch folgen zu können. Für die Verwendung in der Anwendung bedeutet dies, dass vor Gebrauch der dritten Ventilanordnung 3 die dritte Ventilscheibe 28 in den Ventilkörper 8 eingesetzt wird und nach der Verwendung leicht wieder entfernt werden kann, sodass eine getrennte Aufbereitung oder Entsorgung der dritten Ventilscheibe 28 und des Ventilkörpers 8 möglich ist.
Die Einbringung der dritten Ventilscheibe 28 in die Aufnahme 40 erfolgt über zwei Befestigungspunkte 20, wobei die Befestigungspunkte 20 unsymmetrisch auf zwei senkrecht versetzten Befestigungsachsen 29 im Ventilkörper 8 angeordnet sind und die Formgebung der dritten Ventilscheibe 28 so gewählt ist, dass nur eine eindeutige Befestigungsmöglichkeit der Ventilscheibe 28 am Ventilkörper 8 möglich ist. Damit ist ein falscher Zusammenbau ausgeschlossen.
Die Eindeutigkeit ist zusätzlich durch die Asymmetrie der Befestigungspunkte 20, in Verbindung mit der Aufnahme 40, in Kombination mit der einseitig halbrunden und viereckigen Form der Ventilscheibe 28 vorgegeben.
In 12 ist die erste Ventilanordnung 1 nach 1 aus Ventilscheibe 9 mit eingebettetem Ventilelement 10 und einer Spule 12 mit einem zusätzlich am Ventilkörper 8 angebrachten Metallelement gezeigt. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugsziffern wie in der 1 verwendet. Das Metallelement 39 bewirkt eine Führung der magnetischen Feldlinien und verstärkt damit den Messeffekt, der durch die Bewegung der ersten Ventilscheibe 9 verursacht wird.
In 13 ist eine Variante der dritten Anordnung nach 9 abgebildet. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugsziffern wie in 9 und 1 verwendet.
In dieser Variante ist eine Spule 12 und ein Ventilelement 10 mit einer Kontaktanordnung, besteht aus elektrischen Kontaktelementen 26 und einer elektrische Kontaktbrücke 27 am Ventilkörper 8 angeordnet. In dieser Variante kann eine Auswertung der Kontaktverbindung zur Erkennung der Atemphase, beispielsweise zur Triggerung eines Beatmungsgerätes verwendet werden.
Die Lage des Ventilelementes 10 in oder an der dritten Ventilscheibe 28 in Bezug auf die die um den Spulenkörper 8 angeordnete Spule beeinflusst die Eigenschaften des Magnetfeldes.
Die Auswertung der Änderung der magnetischen Feldeigenschaften erfolgt mit Hilfe einer Betriebselektronik (4) und ergibt als zusätzliche Messgröße neben der Atemphasenerkennung ein quantitatives Maß für die Strömung.

1: erste Ventilanordnung
2: zweite Ventilanordnung
3: dritte Ventilanordnung
4: vierte Ventilanordnung
5: erste Durchströmungsrichtung
6: zweite Durchströmungsrichtung
7: Durchflussöffnung
8: Ventilkörper
9: erste Ventilscheibe
10: erstes Ventilelement
11: erster Ventilsitz
12: Spule
13: Mittelqchse
14: erster Magnet-Feldlinienverlauf
15: zweiter Magnet-Feldlinienverlauf
16: zweite Ventilscheibe
17: Befestigungsloch
18: zweiter Ventilsitz
19: Haltestruktur
20: Befestigungspunkt
21: Kappe
22: Befestigungsdurchmesser
23: zweites Ventilelement
24: Stützstreben
25: horizontale Achse
26: Kontaktelemente
27: Kontaktbrücke
28: dritte Ventilscheibe
29: Befestigungsachse
30: Betriebselektronik
31: Anschlusskontaktpaar
32: Kondensator
33: Vorwiderstand
34: Wechselspannungsquelle
35: Spannungsmessgerät
36: Parallelwiderstand
39: Metallelement
40: Aufnahme
41: Nut

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung eines Strömungszustandes in einem Atemsystem, bestehend aus einer Ventilanordnung (1), (2), (3) mit einer Ventilscheibe (9), (16), (23) und einem Ventilkörper (8), wobei die Lage einer Ventilscheibe (9), (16), (23) in Bezug auf einen Ventilsitz (11), (18) erfasst wird und aus der Lage der Ventilscheibe (9), (16), (28) gegenüber dem Ventilsitz (11), (18) ein Maß für eine Strömung und eine Durchströmungsrichtung (5), (6) ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei in oder an der Ventilscheibe (9), (16), (28) ein Ventilelement (10), (23) angeordnet ist, dessen Lage in Bezug auf den Ventilsitz (11), (18) durch eine am Ventilkörper (8) angeordnete Spule (12) induktiv erfasst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Ventilelement (10), (23) elektrisch leitfähig ausgebildet ist und die Lage der Ventilscheibe (9), (16), durch eine Erfassung einer Wirbelstromveränderung im magnetisch-elektrischen Kreis ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Ventilelement (10), (23) magnetisch leitfähig ausgebildet ist und die Lage der Ventilscheibe (9), (16) durch eine Erfassung einer Luftspaltveränderung im magnetischen Kreis ermittelt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3 mit einen elektrisch angeregten Schwingkreis für die Erfassung der Wirbelstromveränderung.
Vorrichtung nach Anspruch 4 mit einen elektrisch angeregten Schwingkreis für die Erfassung der Luftspaltveränderung.
Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Anordnung aus Kontaktelementen (26) und Kontaktgeber (27) für die elektrische Erfassung der Lage einer Ventilscheibe (28) in Bezug auf den Ventilsitz (11), (18).
Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Lichtschranke für die optische Erfassung der Lage einer Ventilscheibe (28) in Bezug auf den Ventilsitz.
Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einem magnetischen Ventilelement (23) in Kombination mit einem Reed-Relais oder Hall-Sensor für die elektromagnetische Erfassung der Lage einer Ventilscheibe (28) in Bezug auf den Ventilsitz (11), (18).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem magnetischen Ventilelement (23) in Kombination mit einem Reed-Relais oder Hall-Sensor für die elektromagnetische Erfassung der Lage einer Ventilscheibe (28) in Bezug auf den Ventilsitz (11), (18) und mit einer Anordnung aus Kontaktelementen (26) und Kontaktgeber (27) für die elektrische Erfassung der Lage einer Ventilscheibe (28) in Bezug auf den Ventilsitz (11), (18).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem magnetischen Ventilelement (23) in Kombination mit einem Reed-Relais oder Hall-Sensor für die elektromagnetische Erfassung der Lage einer Ventilscheibe (28) in Bezug auf den Ventilsitz (11), (18) und mit einer Lichtschranke für die optische Erfassung der Lage einer Ventilscheibe (28) in Bezug auf den Ventilsitz (11), (18).
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventilscheibe (9) aus einem nicht verformbaren Material ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventilscheibe (16), (28) aus flexiblen Material ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine vorgespannte mechanische Feder die Ventilscheibe (9) in einer Ruheposition hält.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventilscheibe (16), (28) trennbar mit dem Ventilkörper (8) über Befestigungspunkte (20) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mindestens zwei in den Befestigungsachsen (29) zueinander verschobene Befestigungspunkte (20) und eine Aufnahme (40) im Ventilkörper (8) die. Verbindung der Ventilscheibe (28) mit dem Ventilkörper (8) eindeutig festlegen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ventilscheibe (28) zur Erhöhung der Beweglichkeit mit einer Nut (41) versehen ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Strömung und Durchströmungsrichtung (5), (6) zur Steuerung der Beatmung in einem Medizingerät verwendet werden.