DE102016009836A1

DE102016009836A1 - Pneumatische Steuervorrichtung

Info

Publication number: DE102016009836A1
Application number: DE102016009836.8A
Authority: DE
Inventors: Hans-Ullrich Hansmann; Karsten Hiltawsky
Original assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Current assignee: Draegerwerk AG and Co KGaA
Priority date: 2016-08-15
Filing date: 2016-08-15
Publication date: 2018-02-15
Also published as: WO2018033225A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine pneumatische Steuervorrichtung (1) umfassend eine Steuerdruckkammer (2), die ein erstes Membranelement (3) aufweist, das mindestens einen Teil einer Wand der Steuerdruckkammer (2) bildet, eine mit der Steuerdruckkammer (2) fluidkommunizierend verbundene Pumpvorrichtung (4) zum Erzeugen eines Steuerdrucks in der Steuerdruckkammer (2), eine erste Druckkammer (5), die eine erste Öffnung (6) umfasst, ein mit der ersten Öffnung fluidkommunizierend verbundenes erstes Anschlussleitungselement (60) und ein mit dem ersten Membranelement (3) verbundenes Verschlusselement (7) zum Öffnen und Verschließen der ersten Öffnung (6) aufweist, wobei das Verschlusselement (7) über das erste Membranelement (3) mittels des Steuerdrucks gesteuert wird, wobei die Pumpvorrichtung (4) eine Hochfrequenzpumpe (40) mit einer Pumpfrequenz von mindestens 600 Hz aufweist. Die Erfindung stellt eine pneumatische Steuervorrichtung bereit, die einfach aufgebaut ist und eine schnelle Steuerung von pneumatischen Steuerungselementen ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft eine pneumatische Steuervorrichtung umfassend eine Steuerdruckkammer, die ein erstes Membranelement aufweist, das mindestens einen Teil einer Wand der Steuerdruckkammer bildet, eine mit der Steuerdruckkammer fluidkommunizierend verbundene Pumpvorrichtung zum Erzeugen eines Steuerdrucks in der Steuerdruckkammer, eine erste Druckkammer, die eine erste Öffnung umfasst, ein mit der ersten Öffnung fluidkommunizierend verbundenes erstes Anschlussleitungselement und ein mit dem ersten Membranelement verbundenes Verschlusselement zum Öffnen und Verschließen der ersten Öffnung aufweist, wobei das Verschlusselement über das erste Membranelement mittels des Steuerdrucks gesteuert wird.
Schnelle Antriebe für pneumatische Komponenten werden benötigt, um Fluidströme schnell zu steuern bzw. zu regeln. Die Steuerung kann dabei beispielsweise mittels eines Ventils, eines Druckwiderstands oder mittels einer anderen pneumatischen Komponente erfolgen. Eine schnelle Ansteuerung dieser pneumatischen Komponenten wurde bisher mittels elektrischer Antriebe oder mittels langsamer Pumpen in Kombination mit Drucktanks bewirkt, die ein schnelles Entlastungsventil aufweisen.
Bekannte elektrische Antriebe für pneumatische Steuervorrichtungen lassen sich sehr schnell mit kurzen Schaltzeiten und Verzögerungen mittels elektromagnetischer Systeme regeln. Nachteilig ist hierbei, dass die Systeme komplex sind und der Übergang der Kraft aus einem elektromagnetischen System über einen Schieber, Kolben oder Stößel punktuell auf ein pneumatisches Schaltelement übertragen werden muss, das zum Beispiel eine Ventilplatte, ein Krater oder ein Konus sein kann. Wenn das pneumatische System einen großen Querschnitt aufweist, werden dementsprechend auch große elektrische Antriebe benötigt, da die benötigte Kraft proportional zum Druck und der Fläche ist.
Bei bekannten pneumatischen Antrieben zur Steuerung pneumatischer Systeme werden Membran- oder Kolbenpumpen mit bis zu 100 Hz genutzt. Um eine Übertragung der Druckstöße der Membran- oder Kolbenpumpen auf die pneumatischen Steuerungselemente zu verhindern, wird mit der Membran- oder Kolbenpumpe zunächst ein Drucktank mit Überdruck beaufschlagt. Der Drucktank ist über eine Leitung mit dem Steuerungselement verbunden. Mittels eines Entlastungsventils am Drucktank kann der Druck in dem System moduliert werden. Auf diese Weise kann das pneumatische Steuerungselement mittels der modulierten Druckstöße gesteuert werden. Der Druckstoß kann dabei flächig auf das Steuerelement abgegeben werden. Nachteilig an diesen Systemen ist die große Compliance, die als das Verhältnis des Gesamtvolumens zu dem veränderten Volumen an dem Steuerungselement definiert ist. Aufgrund der großen Compliance sind zum einen der Schaltgeschwindigkeit Grenzen gesetzt, da sich Druckveränderungen mit Schallgeschwindigkeit durch den Drucktank ausbreiten und dann erst auf das Steuerungselement auswirken können. Zum anderen neigt das große Volumen des Drucktanks zu Schwingungen, die im Bereich der Systemfrequenzen liegen. Dies erschwert die Regelung des pneumatischen Steuerelements.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und eine schnelle Steuerung von pneumatischen Steuerungselementen ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Bei einer pneumatischen Steuervorrichtung umfassend eine Steuerdruckkammer, die ein erstes Membranelement aufweist, das mindestens einen Teil einer Wand der Steuerdruckkammer bildet, eine mit der Steuerdruckkammer fluidkommunizierend verbundene Pumpvorrichtung zum Erzeugen eines Steuerdrucks in der Steuerdruckkammer, eine erste Druckkammer, die eine erste Öffnung umfasst, ein mit der ersten Öffnung fluidkommunizierend verbundenes erstes Anschlussleitungselement und ein mit dem ersten Membranelement verbundenes Verschlusselement zum Öffnen und Verschließen der ersten Öffnung aufweist, wobei das Verschlusselement über das erste Membranelement mittels des Steuerdrucks gesteuert wird, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Pumpvorrichtung eine Hochfrequenzpumpe mit einer Pumpfrequenz von mindestens 600 Hz aufweist.
Die Erfindung hat erkannt, dass bei Nutzung von Pumpvorrichtungen, die mit einer Frequenz über 600 Hz arbeiten, pneumatischen Steuervorrichtungen sehr schnell angesteuert werden können. Dabei kann die Pumpfrequenz der Hochfrequenzpumpen vorzugsweise mindestens 1000 Hz, weiter vorzugsweise mindestens 5000 Hz, weiter vorzugsweise mindestens 10000 Hz, weiter vorzugsweise mindestens 15000 Hz, weiter vorzugsweise mindestens 20000 Hz, weiter vorzugsweise mindestens 22000 Hz, betragen.
Die pneumatische Steuervorrichtung steuert dabei einen Fluidfluss mittels des Steuerdrucks, der das Verschlusselement über das erste Membranelement entweder auf die erste Öffnung drückt und diese dann verschließt oder von der ersten Öffnung wegzieht und die erste Öffnung damit öffnet. Ein Fluidfluss kann damit zwischen der ersten Druckkammer durch die erste Öffnung in das erste Anschlussleitungselement strömen. Dabei ist die erste Öffnung zwischen dem Verschlusselement und dem ersten Anschlussleitungselement angeordnet. Das Verschlusselement blockiert damit nicht die Verbindung zwischen der ersten Öffnung und dem Anschlussleitungselement.
Hochfrequenzpumpen können weiter sehr klein aufgebaut sein, sodass sie nur wenig Volumen mittels eines Pumpstoßes bewegen. Da mittels der pneumatischen Steuerungsvorrichtungen in der Regel lediglich kleine Volumina bewegt werden müssen, kann der Drucktank entfallen, der bei herkömmlichen aus dem Stand der Technik bekannten Pumpvorrichtungen benötigt wird. Dies verringert die Compliance des Systems. Das gesamte System kann damit sehr viel einfacher, kleiner und leichter ausgelegt werden als bisher.
Da das Gesamtvolumen der Pumpvorrichtung sehr viel kleiner als im Stand der Technik ist, weist die Hochfrequenzpumpe eine kleine Compliance auf. Weiter liegen die Pumpfrequenzen der Hochfrequenzpumpen mit mindestens 600 Hz außerhalb der Systemfrequenzen, die zwischen 0,1 Hz und 500 Hz liegen. Dadurch werden keine Schwingungen verstärkt, die auf den Systemfrequenzen basieren.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass die pneumatische Steuervorrichtung einen geringen Energieverbrauch aufweist, da mit der Hochfrequenzpumpe lediglich kleine Volumina bewegt werden.
Vorteilhafterweise ist die Hochfrequenzpumpe als eine Piezo-Pumpe ausgebildet. Piezo-Pumpen haben den Vorteil, dass sie sehr klein sind und mit geringem Energieaufwand betrieben werden können. Weiter sind Piezo-Pumpen in der Lage, sehr hohe Pumpfrequenzen im Bereich von mehreren Kilohertz zu erreichen. Insbesondere können Piezo-Pumpen mit Frequenzen außerhalb der Hörschwelle betrieben werden, sodass der Betrieb der pneumatischen Steuervorrichtung für Menschen nicht hörbar ist.
Weiter ist es zweckmäßig, wenn die Hochfrequenzpumpe als eine Zwei-Wege-Pumpe ausgebildet ist. In einer Zwei-Wege-Pumpe kann die Strömung des zu pumpenden Fluid in zwei Richtungen erfolgen. Zum einen in die Pumprichtung und zum anderen in die entgegengesetzte Richtung. Die Strömungsrichtung in der als Zwei-Wege-Pumpe ausgebildeten Hochfrequenzpumpe wird lediglich durch die Stärke des Pumpvorgangs festgelegt. Sind die Druckverhältnisse an der Zwei-Wege-Pumpe derart, dass der durch die Pumpe bewirkte Druck in Pumprichtung geringer ist als der Druck des Fluides entgegen der Pumprichtung, strömt das Fluid entgegen der Pumprichtung durch die Zwei-Wege-Pumpe. Ist der Druck in Pumprichtung größer als die äußeren Druckverhältnisse, wird eine Strömung in Pumprichtung bewirkt.
Eine Zwei-Wege-Pumpe hat den Vorteil, dass kein Ventil benötigt wird, um den Druck in der Steuerdruckkammer zu verändern. Es reicht aus, die Zwei-Wege-Pumpe so zu steuern, dass das Fluid entweder in die Steuerdruckkammer hinein oder aus der Steuerdruckkammer heraus strömt.
Mit Vorteil ist das erste Membranelement einstückig mit dem Verschlusselement ausgebildet. Das erste Membranelement umfasst in diesem Fall das Verschlusselement. Die erste Öffnung wird damit mittels des ersten Membranelements verschlossen. Dabei lagert sich das erste Membranelement flächig an die erste Öffnung an, sodass die gesamte Querschnittsfläche der ersten Öffnung von dem Membranelement gasdicht abgedeckt wird. Wenn der Steuerdruck in der Steuerdruckkammer derart ausgestaltet ist, dass das erste Membranelement von der ersten Öffnung weggezogen wird, wird die erste Öffnung durch das Wegziehen des ersten Membranelements und des damit einstückig ausgebildeten Verschlusselements durch den Steuerdruck geöffnet. Dies hat den Vorteil, dass Verschließen der ersten Öffnung auf eine einfache Weise bewirkt werden kann. In dieser Ausführungsform werden Bauteile eingespart, wodurch die Kosten gesenkt werden können.
Zweckmäßigerweise ist das erste Membranelement in einer alternativen Ausführungsform über ein Verbindungselement mit dem Verschlusselement verbunden. Das Verbindungselement kann dabei beispielsweise als ein Stab ausgebildet sein, der mit einem Ende mit dem ersten Membranelement verbunden ist. Das andere Ende des Stabs ist dann mit dem Verschlusselement verbunden. Eine Bewegung des ersten Membranelements wird in diesem Fall über das Verbindungselement auf das Verschlusselement übertragen. Mittels des Verbindungselements können Kräfte über weite Entfernungen von dem ersten Membranelement auf das Verschlusselement übertragen werden. Die Steuerdruckkammer und das erste Membranelement können daher an beliebiger Stelle in der pneumatischen Steuervorrichtung angeordnet werden. Dies erhöht die Flexibilität des Aufbaus und begünstigt die Anordnung der Hochfrequenzpumpe an der pneumatischen Steuervorrichtung.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn die Pumpvorrichtung von der Umgebung in die Steuerdruckkammer pumpt. In diesem Fall erzeugt die Pumpvorrichtung in der Steuerdruckkammer einen höheren Druck als in der Umgebung, wenn sie pumpt. Vor allem ist in diesem Fall das Ziel, in Bezug auf das erste Membranelement innerhalb der Steuerdruckkammer einen höheren Druck als außerhalb der Steuerdruckkammer zu erzeugen. Wenn in der Steuerdruckkammer eine Druckerhöhung stattfindet und im Rest der pneumatischen Steuervorrichtung keine Druckänderung stattfindet, wird das erste Membranelement, das zumindest einen Teil einer Wand der Steuerdruckkammer bildet, aus der Steuerdruckkammer heraus gedrückt.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Pumpvorrichtung vorteilhafterweise von der Steuerdruckkammer in die Umgebung pumpen. In diesem Fall wird der Druck in der Steuerdruckkammer relativ zur Umgebung verringert. Wenn sich in der pneumatischen Steuervorrichtung die Druckverhältnisse ansonsten nicht ändern, wird das erste Membranelement durch die Verringerung des Drucks in der Steuerdruckkammer in die Steuerdruckkammer hinein gezogen. Dabei wird das erste Membranelement durch den äußeren Druck, der dann größer als der Druck innerhalb der Steuerdruckkammer ist, in die Steuerdruckkammer hineingedrückt.
Zwischen der ersten Druckkammer und der Steuerdruckkammer ist mit Vorteil eine zweite Druckkammer angeordnet, wobei ein zweites Membranelement, das mit dem Verschlusselement verbunden ist, eine gemeinsame Wand zwischen der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer bildet, wobei das erste Membranelement die Steuerdruckkammer zur Umgebung abgrenzt. Ausgehend von der Situation, dass die Pumpvorrichtung abgeschaltet ist, wobei zwischen der Steuerdruckkammer und der Umgebung ein Druckausgleich stattfindet, wirkt auf das erste Membranelement demnach keine Kraft. Der Öffnungszustand des Verschlusselements wird in diesem Fall vielmehr zunächst durch den Druckunterschied zwischen der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer definiert, der auf das zweite Membranelement wirkt. Der Öffnungszustand des Verschlusselements kann weiter durch den Steuerdruck verändert werden. Je nachdem, ob die Pumpvorrichtung in die Steuerdruckkammer hinein oder aus der Steuerdruckkammer hinaus pumpt, kann das Verschlusselement mittels des ersten Membranelements bewegt und damit der Öffnungszustand des Verschlusselements geändert werden.
Vorteilhafterweise weist das erste Anschlussleitungselement ein Restriktionselement auf und ist über eine Abzweigleitung mit der zweiten Druckkammer fluidkommunizierend verbunden. Das Restriktionselement ist dabei zwischen der Abzweigleitung und dem ersten Anschlussleitungselement angeordnet. Das Restriktionselement bewirkt eine Drucktrennung zwischen dem ersten Anschlussleitungselement und der Abzweigleitung. Ohne das Restriktionselement würde aufgrund der Abzweigleitung zwischen der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer ein Druckausgleich stattfinden, wenn das Verschlusselement im geöffneten Zustand ist, da das erste Anschlussleitungselement über die erste Öffnung mit der ersten Druckkammer fluidkommunizierend verbunden ist. Das Restriktionselement bewirkt, dass zwischen der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer ein Druckunterschied entsteht, wenn ein Fluid durch das erste Anschlussleitungselement strömt. Wenn ein Fluid von dem ersten Anschlussleitungselement in die erste Druckkammer strömt, wird die Fluidströmung am Restriktionselement gestaut. Auf der Seite des Restriktionselements, die zu der ersten Druckkammer weist, ist der Druck dann niedriger als auf der von der ersten Druckkammer weg weisenden Seite des Restriktionselements. Dadurch herrscht in der Abzweigleitung und damit in der zweiten Druckkammer ein höherer Druck als in dem ersten Anschlussleitungselement und in der ersten Druckkammer. Wenn das Fluid von der ersten Druckkammer aus dem ersten Anschlussleitungselement hinausströmt, wird das Fluid wegen des Restriktionselements in dem ersten Anschlussleitungselement und damit in der ersten Druckkammer gestaut. Dadurch entsteht in diesem Fall bei bestehender Fluidströmung in der ersten Druckkammer ein höherer Druck als in der zweiten Druckkammer. Auf diese Weise kann bei bestehender Fluidströmung und offener erste Öffnung ein „Default”-Druckunterschied zwischen der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer hergestellt werden. Das zweite Membranelement wird auf Grund des Druckunterschieds ausgelenkt und öffnet bzw. schließt die erste Öffnung mittels des Verschlusselements.
Zweckmäßigerweise weist die erste Druckkammer alternativ oder zusätzlich eine zweite Öffnung mit einem zweiten Anschlussleitungselement auf, wobei das zweite Anschlussleitungselement ein Restriktionselement aufweist und über eine Abzweigleitung mit der zweiten Druckkammer fluidkommunizierend verbunden ist. Das Restriktionselement ist dabei zwischen der Abzweigleitung und dem zweiten Anschlussleitungselement angeordnet. Das Restriktionselement bewirkt in diesem Fall einen Druckabfall zwischen der Abzweigleitung und dem zweiten Anschlussleitungselement. Bei bestehender Fluidströmung herrscht damit ein Druckunterschied zwischen der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer. Auch in diesem Fall kann ein „Default”-Druckzustand in der ersten Druckkammer der zweiten Druckkammer hergestellt werden, wenn eine Fluidströmung besteht. Die zweite Öffnung benötigt kein Verschlusselement, sodass die zweite Öffnung immer geöffnet ist. Ein zweites Verschlusselement kann jedoch vorgesehen werden. Durch die zweite Öffnung kann damit ein Fluid ungehindert in die erste Druckkammer hinein oder aus der ersten Druckkammer hinaus strömen, wenn kein Verschlusselement an der zweiten Öffnung vorhanden ist.
Weiter kann mit Vorteil eine Abzweigleitung die erste Öffnung über das erste Anschlussleitungselement fluidkommunizierend mit der Steuerdruckkammer verbinden, wobei die Pumpvorrichtung von der Abzweigleitung in die Steuerdruckkammer pumpt. Bei geöffneter erster Öffnung kann damit über die Abzweigleitung ein Druckausgleich zwischen der ersten Druckkammer und der Steuerdruckkammer stattfinden. Sofern die Pumpvorrichtung von der Abzweigleitung in die Steuerdruckkammer pumpt, wird der Druck in der Steuerdruckkammer erhöht, sodass das erste Membranelement aus der Steuerdruckkammer hinaus gedrückt wird. Damit wird der Zustand des Verschlusselements geändert, wobei die erste Öffnung durch das Verschlusselement verschlossen wird. Auf diese Weise kann der Zustand des Verschlusselements und damit der Öffnungszustand der ersten Öffnung der pneumatischen Steuervorrichtung als Funktion des Druckes in dem ersten Anschlussleitungselement gesteuert werden.
Eine Abzweigleitung kann vorteilhafterweise die erste Druckkammer fluidkommunizierend mit der Steuerdruckkammer verbinden, wobei die Pumpvorrichtung von der Steuerdruckkammer in die Abzweigleitung pumpt. Damit findet ein Druckausgleich zwischen der ersten Druckkammer und der Steuerdruckkammer statt, wenn die Pumpvorrichtung nicht pumpt. Sofern die Pumpvorrichtung von der Steuerdruckkammer in die Abzweigleitung pumpt, wird der Druck in der Steuerdruckkammer verringert, sodass das erste Membranelement in die Steuerdruckkammer hineingedrückt wird. Dadurch wird der Öffnungszustand des Verschlusselements verändert. Der Öffnungszustand des Verschlusselements kann damit als Funktion des Druckes in der ersten Druckkammer gesteuert werden.
Es kann weiter vorteilhafterweise ein Federelement mit dem ersten Membranelement verbunden sein, wobei zumindest eine Federkraftkomponente des Federelements senkrecht zu einer Oberfläche des ersten Membranelements ausgerichtet ist. Auf diese Weise wird die Auslenkung des ersten Membranelements aufgrund des Verhältnisses zwischen der Kraft des Steuerdrucks und der Kraft des Federelements definiert. Da die Auslenkung des Federelements von der Auslenkung des ersten Membranelements abhängt, kann mittels des Steuerdrucks der Öffnungszustand des Verschlusselements in Abhängigkeit von der Auslenkung des ersten Membranelements gesteuert werden.
Die Erfindung betrifft ein Einatem-Ventil umfassend eine pneumatische Steuervorrichtung gemäß der vorangegangenen Beschreibung.
Weiter betrifft die Erfindung ein Ausatem-Ventil umfassend eine pneumatische Steuervorrichtung gemäß der vorangegangenen Beschreibung.
Die Erfindung betrifft weiter ein Proportionalventil umfassend eine pneumatische Steuervorrichtung gemäß der vorangegangenen Beschreibung.
Die Erfindung betrifft weiter einen Druckwiderstand umfassend eine pneumatische Steuervorrichtung gemäß der vorangegangenen Beschreibung.
Die Erfindung betrifft weiter einen Druckminderer umfassend eine pneumatische Steuervorrichtung gemäß der vorangegangenen Beschreibung.
Die Erfindung betrifft weiter ein Beatmungsgerät umfassend eine Patientenschnittstelle, ein Einatem-Ventil gemäß der vorangegangenen Beschreibung, das fluidkommunizierend mit dem Beatmungsgerät und der Patientenschnittstelle verbunden ist, ein Ausatem-Ventil gemäß der vorangegangenen Beschreibung, das fluidkommunizierend mit der Patientenschnittstelle verbunden ist, wobei ein Drucksensor an der Patientenschnittstelle angeordnet ist, der Druckzustandssignale an eine Steuereinheit übermittelt, wobei die Steuereinheit das Ausatem-Ventil steuert.
Vorteilhafterweise umfasst das Beatmungsgerät eine Anästhesieeinheit aufweist, die fluidkommunizierend mit dem Einatem-Ventil verbunden ist.
Weiter betrifft die Erfindung ein Gebläsefiltergerät, das eine Gebläseeinheit, die eine Ansaugöffnung und eine Ausblasöffnung aufweist, eine Filtereinheit, die fluidkommunizierend mit der Ansaugöffnung verbunden ist und einer Nutzerschnittstelle mit einer Einatemöffnung, die fluidkommunizierend mit der Ausblasöffnung verbunden ist, umfasst, wobei das Gebläsefiltergerät zwischen der Ansaugöffnung und Ausatemöffnung eine pneumatische Steuervorrichtung gemäß der vorangegangenen Beschreibung der Erfindung aufweist.
Gegenstand der Erfindung ist weiter eine Gasmischvorrichtung umfassend mindestens zwei Mischgasquellen, eine mit den Mischgasquellen fluidkommunizierend verbundene Mischgasleitung, wobei zwischen mindestens einer Mischgasquelle und der Mischgasleitung ein Proportionalventil gemäß der vorangegangenen Beschreibung des Gegenstands der Erfindung fluidkommunizierend verbunden ist.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Zuhilfenahme der Zeichnung anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
1 eine schematische Darstellung einer pneumatischen Steuervorrichtung;
2a–d eine schematische Schnittdarstellung einer pneumatischen Steuervorrichtung im Überdruckmodus;
3a, b eine schematische Schnittdarstellung Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe;
4a, b eine schematische Schnittdarstellung einer pneumatischen Steuervorrichtung im Unterdruckmodus;
5a, b eine schematische Schnittdarstellung einer pneumatischen Steuervorrichtung im Hinterdruckmodus;
6a, b eine schematische Schnittdarstellung einer pneumatischen Steuervorrichtung im Vordruckmodus;
7 eine schematische Schnittdarstellung einer pneumatischen Steuervorrichtung mit Verbindungselement;
8 eine schematische Schnittdarstellung einer pneumatischen Steuervorrichtung mit Federelement;
9 eine schematische Schnittdarstellung einer pneumatischen Steuervorrichtung mit Federelement und Klappenventil;
10 eine schematische Schnittdarstellung einer pneumatischen Steuervorrichtung mit mehreren Kammern im Vordruckmodus;
11 eine schematische Schnittdarstellung einer pneumatischen Steuervorrichtung mit mehreren Kammern im Hinterdruckmodus;
12a–c schematische Schnittdarstellungen verschiedener Ausführungsformen des Verschlusselements und der ersten Öffnung;
13a–c schematische Darstellungen eines Gebläsefiltergeräts mit Nutzerschnittstelle;
14 eine schematische Darstellung eines Beatmungsgeräts mit Patientenschnittstelle;
15a, b schematische Darstellungen für Anordnungen Ausregeln von statischen (a) und dynamischen (b) Druckwiderständen; und
16a, b schematische Darstellungen einer Gasmischvorrichtung.
In der nachfolgenden Beschreibung wird eine pneumatische Steuervorrichtung mit dem Referenzzeichen 1 bezeichnet. Gemäß 1 umfasst die pneumatische Steuervorrichtung 1 ein Gehäuse 11, eine Pumpvorrichtung 4, ein erstes Anschlussleitungselement 60 sowie ein zweites Anschlussleitungselement 80.
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel saugt die Pumpvorrichtung 4 Luft aus der Umgebung an und pumpt sie in die pneumatische Steuervorrichtung 1 hinein. Das durch die Pumpvorrichtung 4 in die pneumatische Steuervorrichtung 1 hineingepumpte Volumen, kann mittels eines Entlastungsventils 49 aus der pneumatischen Steuervorrichtung 1 abgelassen werden.
Die pneumatische Steuervorrichtung 1 weist dabei als Pumpvorrichtung 4 eine Hochfrequenzpumpe auf, die mit einer Pumpfrequenz von mindestens 600 Hz arbeitet. Dadurch kann das Pumpvolumen der Pumpvorrichtung 4 sehr klein sein, sodass die Compliance des gesamten Systems ebenfalls klein ist. Es wird daher kein Hochpass in Form eines Drucktanks benötigt, der Pumpfrequenzen ausgleicht, die bei den Systemfrequenzen zwischen 0,1 Hz und 500 Hz angesiedelt sind.
In 2 wird eine schematische Schnittdarstellung einer pneumatischen Steuervorrichtung 1 dargestellt, die anstatt eines Entlastungsventils 49 eine Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 in der Pumpvorrichtung 4 aufweist.
Eine Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 weist gemäß 3 dabei eine erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung 53 und eine zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 54 auf, die durch einen Zwei-Wege-Kanal 52 verbunden sind. In dem Zwei-Wege-Kanal 52 ist weiter eine Pumpöffnung 51 angeordnet, die den Zwei-Wege-Kanal 52 mit einer Pumpenkammer 58 verbindet. In der Pumpenkammer 58 ist ein Pumpenmembranelement 63 angeordnet, das mit hoher Frequenz schwingt und dabei Pumpstöße durch die Volumenänderung der Pumpenkammer 58 erzeugt. Die Pumpstöße können durch die Pumpöffnung 51 in den Zwei-Wege-Kanal 52 hinein wirken und bewirken eine Strömung durch die zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 54.
In den Ausführungsbeispielen kann anstatt einer Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 auch eine Hochfrequenzpumpe in Kombination mit einem Entlastungsventil 49 vorgesehen sein, das den Druck zwischen der Verbindungskammer 13 und der Steuerdruckkammer 2 bei ausgeschalteter Hochfrequenzpumpe ausgleicht.
Die Pumpvorrichtung 4 kann mehr als eine Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 aufweisen. Die Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpen 40 können dabei als Stack aus in Reihe geschalteten Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpen 40 ausgebildet sein. Dabei pumpt die erste Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 des Stacks von der Umgebung in die erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung 53 der zweiten Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40. Die zweite Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 pumpt in die erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung 53 der dritten Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40. Die letzte Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 pumpt dann in die Steuerdruckkammer 2. Mittels der Stackbildung können die Pumpendrücke mehrerer Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpen 40 zusammengefasst werden.
Alternativ können mehrere parallel geschaltet Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpen 40 in der Pumpvorrichtung 4 vorhanden sein. Auf diese Weise können durch die parallel geschalteten Hochfrequenzpumpen 40 höhere Drücke als mit einer Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 erreicht werden.
Die Strömung durch die Pumpöffnung 51, die aus der Pumpenkammer 58 hinaus gerichtet ist, ist dabei weiter auf die zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 54 gerichtet. D. h., dass ein Pumpstoß, der durch eine Verkleinerung des Volumens der Pumpenkammer 58 erzeugt wird, durch die Pumpöffnung direkt auf die zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung gerichtet wird. In diesem Fall reißt die Strömung zwischen der Pumpöffnung 51 und der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 54 das Fluid im Zwei-Wege-Kanal 52 mit, sodass eine Strömung von der ersten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 53 zur zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 54 erzeugt wird. Bei einer Vergrößerung des Volumens der Pumpenkammer 58 wird das Fluid von dem Zwei-Wege-Kanal 52 durch die Pumpöffnung 51 in die Pumpenkammer 58 gesogen. In diesem Fall wird Luft aus dem Zwei-Wege-Kanal 52 in die Pumpenkammer 52 gesogen.
Die Pumpöffnung 51 ist dabei so weit von der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 54 entfernt angeordnet, dass nur ein geringer Anteil an Fluid durch die zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung 54 in den Zwei-Wege-Kanal 52 durch die Pumpöffnung 51 in die Pumpenkammer 58 fließt. Der größere Teil des Fluids wird aus der ersten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 53 durch den Zwei-Wege-Kanal 52 und die Pumpöffnung 51 in die Pumpenkammer 58 gesaugt. Wenn die Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 ausgeschaltet ist, ist in dem Zwei-Wege-Kanal 52 keine gerichtete Strömung vorhanden, die durch die Pumpvorrichtung 4 erzeugt wird. Vielmehr besteht zwischen der ersten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 53 und der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 54 ein freier Strömungsweg durch den Zwei-Wege-Kanal 52, der in beide Richtungen gerichtet sein kann. Es kann somit zwischen der ersten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 53 und der zweiten Zwei-Wege-Durchlassöffnung 54 ein Druckausgleich stattfinden. Daher wird ein Entlastungsventil 49 nicht mehr benötigt.
In 2a pumpt die Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 von der Umgebung in eine Steuerdruckkammer 2. Der Pfeil mit dem Bezugszeichen 41 zeigt dabei die Steuerflussrichtung an, mit der eine Fluidströmung aus der Pumpvorrichtung 4 dargestellt wird. In 2a ist damit der Druck in der Steuerdruckkammer 2 mittels der Pumpvorrichtung 4 erhöht.
Ein erstes Membranelement 3 bildet eine Wand der Steuerdruckkammer 2. Das erste Membranelement 3 ist weiter mit einem Verschlusselement 7 verbunden. Das Verschlusselement 7 ist dazu ausgebildet, eine erste Öffnung 6 einer ersten Druckkammer 5 zu verschließen oder zu öffnen. Die erste Öffnung 6 kann dabei einen Durchmesser von 1 mm bis 10 mm haben. Der gewählte Durchmesser der ersten Öffnung 6 hängt von dem Vordruck ab, mit dem die pneumatische Steuervorrichtung 1 arbeitet.
In der Ausführungsform gemäß 2a wird aufgrund des erhöhten Druckes in der Steuerdruckkammer 2 das erste Membranelement 3 aus der Steuerdruckkammer 2 heraus gedrückt, d. h. dass das erste Membranelement 3 dabei ausgelenkt wird, indem sich die Oberfläche des ersten Membranelements 3 ausbeult bzw. wölbt. Dabei wird das Verschlusselement 7 auf die erste Öffnung 6 gedrückt und verschließt die erste Öffnung 6.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß der 2a ist an dem ersten Anschlussleitungselement 60 eine Druckquelle angeschlossen. Dies wird durch den Pfeil 9, der die Pumpenflussrichtung kennzeichnet, dargestellt. Der durch die Druckquelle erzeugte Druck an der ersten Öffnung 6 reicht nicht aus, um den Druck in der Steuerdruckkammer 2 zu kompensieren, der durch die Pumpvorrichtung 4 erzeugt wird. Daher verschließt das Verschlusselement 7 die erste Öffnung 6 so lange, bis die Pumpvorrichtung 4 einen Steuerdruck in der Steuerdruckkammer 2 erzeugt, dessen Kraft auf das erste Membranelement 3 kleiner ist als die Kraft, die durch die Druckquelle an dem ersten Membranelement 3 erzeugt wird.
Die erste Druckkammer 5 weist weiter eine zweite Öffnung 8 auf, die mit einem zweiten Anschlussleitungselement 80 verbunden ist. Das zweite Anschlussleitungselement 80 kann dabei mit weiteren pneumatischen Komponenten verbunden sein oder einen Auslass zur Umgebung bereitstellen. Solange das Verschlusselement 7 die erste Öffnung 6 verschließt, fließt kein Fluid durch die zweite Öffnung 80.
In 2b ist das Ausführungsbeispiel aus 2a dargestellt, wobei die Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 ausgeschaltet ist. D. h., dass die Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 eine offene fluidkommunizierende Verbindung zwischen der Steuerdruckkammer 2 und der Umgebung bildet. D. h., dass zwischen der Steuerdruckkammer 2 und der Umgebung ein Druckausgleich stattfindet, sodass in der Steuerdruckkammer 2 Umgebungsdruck herrscht. Der Druck in dem ersten Anschlussleitungselement 60 ist nun größer als der Druck in der Steuerdruckkammer 2, der auf das Membranelement 7 wirkt. Daher wird das Membranelement 3 mit dem Verschlusselement 7 in die Steuerdruckkammer 2 hineingedrückt, sodass das Verschlusselement 7 die erste Öffnung 6 öffnet.
Über die erste Druckkammer 5 sind die erste Öffnung 6 und die zweite Öffnung 8 in diesem Fall fluidkommunizierend miteinander verbunden, sodass ein Fluid von der ersten Öffnung 6 zu der zweiten Öffnung zu 8 strömen kann. Dies ist durch den Pfeil 10 gekennzeichnet, der die Durchlassflussrichtung darstellt. Die pneumatische Steuervorrichtung 1 ist nun geöffnet.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 2c ist die pneumatische Steuervorrichtung 1 baugleich zu dem Ausführungsbeispiel in 2a. Lediglich die Druckquelle ist in diesem Fall an dem zweiten Anschlussleitungselement 80 fluidkommunizierend verbunden. Dies wird durch den Pfeil 9 angezeigt, der die Pumpenflussrichtung darstellt.
2d zeigt den geöffneten Zustand der pneumatischen Steuervorrichtung 1, in dem die Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 ausgeschaltet ist. Das Verschlusselement 7 ist dabei im Öffnungszustand, sodass die erste Öffnung 6 geöffnet ist. Dabei kann ein Fluid von der zweiten Öffnung 8 durch die erste Druckkammer 5 zu der ersten Öffnung 6 fließen.
Die pneumatische Steuervorrichtung 1 gemäß der 2a–d kann als Proportionalventil 100 ausgebildet sein. Je nachdem wie stark die Pumpvorrichtung 4 pumpt, d. h. wie groß der Druck in der Steuerdruckkammer 2 ist, kann der Abstand zwischen dem Verschlusselement 7 und der ersten Öffnung 6 gesteuert werden. Bei kleinen Abständen kann nur ein geringer Fluidstrom von der ersten Öffnung 6 zu der zweiten Öffnung 8 fließen. Bei großem Abstand, d. h. bei einem kleinen Steuerdruck, kann ein großer Fluidstrom zwischen der ersten Öffnung 6 und der zweiten Öffnung 8 fließen. Mit dem Proportionalventil 100 wird dabei der Druckwiderstand an der ersten Öffnung 6 konstant gehalten.
4a zeigt eine pneumatische Steuervorrichtung 1 mit einem Gehäuse 11, in dem eine Steuerdruckkammer 2 angeordnet ist. Eine Wand der Steuerdruckkammer 2 wird durch ein erstes Membranelement 3 gebildet, das mit einem Verschlusselement 7 verbunden ist. Weiter ist in der Steuerdruckkammer 2 eine Pumpvorrichtung 40 angeordnet, die einen Unterdruck in der Steuerdruckkammer 2 herstellen kann. Die Pumpvorrichtung 40 umfasst dazu eine Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40, die Fluid aus der Steuerdruckkammer 2 ansaugt und in die Umgebung pumpt. Weiter weist die pneumatische Steuervorrichtung 1 eine erste Druckkammer 5 mit einer ersten Öffnung 6 auf. Die erste Öffnung 6 ist durch das Verschlusselement 7 verschließbar. An der ersten Öffnung 6 ist ein erstes Anschlussleitungselement 60 angeordnet.
In der Ausführungsform gemäß 4a ist an dem ersten Anschlussleitungselement 60 eine Unterdruckquelle fluidkommunizierend angeschlossen. Dies wird durch den Pfeil 9 dargestellt, der die Pumpenflussrichtung anzeigt. An der ersten Öffnung 6 herrscht damit bei angeschalteter Unterdruckquelle ein Unterdruck relativ zur Steuerdruckkammer 2. Daher wird das Verschlusselement 7 bei ausgeschalteter Pumpvorrichtung 4 auf die erste Öffnung 6 gedrückt.
In 4b ist die Pumpvorrichtung 4 angeschaltet, was durch den Pfeil 41 dargestellt ist, der die Steuerflussrichtung anzeigt. Dadurch entsteht in der Steuerdruckkammer 2 ein Unterdruck. Der Druck in der Steuerdruckkammer 2 ist damit viel kleiner oder mindestens genauso groß wie der Druck an der ersten Öffnung 6. Da in der ersten Druckkammer 5 ein höherer Druck herrscht als in der Steuerdruckkammer 2, wenn die Pumpvorrichtung 4 einen Unterdruck erzeugt, wird das erste Membranelement 3 in die Steuerdruckkammer 2 hineingedrückt. Da das erste Membranelement 3 mit dem Verschlusselement 7 verbunden ist, wird das Verschlusselement 7 von der ersten Öffnung 6 wegbewegt. Dadurch wird die erste Öffnung 6 geöffnet. Das Verschlusselement 7 ist damit im Öffnungszustand. Weiter ist die zweite Öffnung 8 mit der ersten Öffnung 6 fluidkommunizierend verbunden, sodass ein Fluidstrom von der zweiten Öffnung 8 zu der ersten Öffnung 6 strömen kann. Pfeil 10 stellt dabei die Durchflussrichtung dar.
Das Ausführungsbeispiel der 4a und 4b kann als Druckwiderstand 101 eingesetzt werden. Dabei kann über die Größe des Unterdrucks in der Steuerdruckkammer 2 der Abstand zwischen dem Verschlusselement 7 und der ersten Öffnung 6 gesteuert werden. Je nach Größe dieses Abstands kann ein größerer oder kleinerer Fluidstrom von der zweiten Öffnung 8 zu der ersten Öffnung 6 strömen. Bei einer Benutzung als Druckwiderstand 101, wird auf einen konstanten Strömungswiderstand geregelt. Dieser Strömungswiderstand stellt sich dabei zwischen der ersten Öffnung 6 und dem Verschlusselement 7 ein.
5 zeigt eine Ausführungsform der pneumatischen Steuervorrichtung 1, die als Funktion des Hinterdrucks gesteuert wird. Dabei ist der Hinterdruck als der Druck definiert, der sich bei dem aus der pneumatischen Steuervorrichtung 1 herausfließenden Fluid einstellt. Dementsprechend ist der Vordruck als der Druck definiert, der sich beim Hineinfließen in die pneumatische Steuervorrichtung 1 einstellt. Wenn wie in 5a dargestellt bei geöffnetem Verschlusselement 7 das Fluid von der zweiten Öffnung 8 zu der ersten Öffnung 6 fließt, herrscht an der zweiten Öffnung 8 und der mit der zweiten Öffnung 8 verbundenen ersten Druckkammer 5 der Vordruckzustand. An der ersten Öffnung 6 und dem damit verbundenen ersten Anschlussleitungselement 60 herrscht entsprechend der Hinterdruck.
Die Ausführungsform gemäß 5a umfasst zunächst die gleichen Elemente wie die Ausführungsform nach 2a. Weiter ist auch eine Druckquelle an dem zweiten Anschlussleitungselement 80 angeschlossen.
Zusätzlich zu der Ausführungsform gemäß 2a umfasst die Ausführungsform nach 5a eine Verbindungskammer 13, aus der die Pumpvorrichtung 4 bei einem Pumpvorgang ein Fluid entnimmt und in die Steuerdruckkammer 2 pumpt. Die Pumpvorrichtung 4 pumpt damit von der Verbindungskammer 13 in die Steuerdruckkammer 2.
Weiter ist die Verbindungskammer 13 über eine Verbindungsöffnung 14 mit einem Abzweigleitungselement 12 verbunden, das eine fluidkommunizierende Verbindung zu dem ersten Anschlussleitungselement 60 aufweist. Über das Abzweigleitungselement 12 kann damit ein Druckausgleich zwischen dem ersten Anschlussleitungselement 60 bzw. der ersten Öffnung 6 und der Verbindungskammer 13 stattfinden. In der Verbindungskammer 13 herrscht damit der Hinterdruck.
Weiter pumpt damit die Pumpvorrichtung 4 von dem Abzweigleitungselement 12 in die Steuerdruckkammer 2. Solange die Pumpvorrichtung 4 eingeschaltet ist, herrscht in der Steuerdruckkammer 2 ein höherer Druck als in der ersten Druckkammer 5 und an der ersten Öffnung 6. Daher wird das erste Membranelement 3 mit dem Verschlusselement 7 auf die erste Öffnung 6 gedrückt und verschließt die erste Öffnung 6.
Sobald die Pumpvorrichtung 4, die eine Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 aufweist, ausgeschaltet ist, wird zwischen der Steuerdruckkammer 2 und der Verbindungskammer 13 eine offene fluidkommunizierende Verbindung hergestellt. Zwischen der Verbindungskammer 13 und der Steuerdruckkammer 2 kann damit ein Druckausgleich stattfinden, sodass sich in der Steuerdruckkammer 2 der Hinterdruck einstellt. Damit herrscht in der Steuerdruckkammer 2 der gleiche Druck wie an der ersten Öffnung 6 bzw. wie an dem ersten Anschlussleitungselement 60.
Da der Vordruck in der ersten Druckkammer 5 auf Grund der Druckquelle, die an dem zweiten Anschlussleitungselement 80 angeschlossen ist, größer ist als der Hinterdruck, wird das erste Membranelement 3 mit dem Verschlusselement 7 in die Steuerdruckkammer 2 hineingedrückt. Das Verschlusselement 7 wird damit in den Öffnungszustand versetzt, sodass die erste Öffnung 6 geöffnet ist. Damit kann zwischen der zweiten Öffnung 8 und der ersten Öffnung 6 ein Fluid strömen.
In 5b ist eine Ausführungsform dargestellt, die die gleichen Elemente wie die Ausführungsform gemäß 5a umfasst. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 5a ist eine Unterdruckquelle an dem ersten Anschlussleitungselement 60 angeschlossen. An dem zweiten Anschlussleitungselement 80 ist keine Druckquelle angeschlossen. Mittels der Unterdruckquelle wird in dem ersten Anschlussleitungselement 60 und damit an der ersten Öffnung 6 ein Unterdruck relativ zu der ersten Druckkammer 5 hergestellt. Da das erste Anschlussleitungselement 60 über das Abzweigleitungselement 12 mit der Verbindungskammer 13 verbunden ist, entsteht bei ausgeschalteter Pumpvorrichtung, d. h. bei ausgeschalteter Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40, ein Druckausgleich zwischen der Steuerdruckkammer 2 und dem ersten Anschlussleitungselement 60. In der Steuerdruckkammer 2 wird damit über die Abzweigleitung 12 ein Unterdruck mittels der Unterdruckquelle hergestellt. Da in der ersten Druckkammer 5 ein höherer Druck als in der Steuerdruckkammer herrscht, wird dann das erste Membranelement 3 mit dem Verschlusselement 7 in die Steuerdruckkammer 2 gedrückt, Damit wird die erste Öffnung 6 geöffnet. Es kann dann von der zweiten Öffnung 8 ein Fluid zu der ersten Öffnung 6 strömen. Das Verschlusselement 7 ist dabei im Öffnungszustand.
Sobald die Pumpvorrichtung 4 anfängt zu pumpen, wird in der Steuerdruckkammer 2 der Druck erhöht. Damit wird das erste Membranelement 3 wieder aus der Steuerdruckkammer 2 heraus gedrückt, sodass sich das Verschlusselement 7 wieder auf die Öffnung 6 legt und diese verschließt. Auch diese Ausführungsform wird mittels einer Funktion des Hinterdrucks angesteuert.
Die 5a und 5b zeigen damit einen hinterdruckgesteuerten Druckwiderstand 102. Dabei wird der Öffnungszustand des Verschlusselementes 7 bzw. der Abstand zwischen dem Verschlusselement 7 und der ersten Öffnung 6 abhängig von dem Hinterdruck gesteuert. Je nach Größe des Hinterdrucks, kann die Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 nur ein bestimmtes Volumen in die Steuerdruckkammer 2 pumpen. Wenn ein geringer Hinterdruck herrscht, wird auch der Steuerdruck in der Steuerdruckkammer 2 geringer ausfallen als wenn ein höherer Hinterdruck herrschen würde. Bei einem geringeren Hinterdruck wird damit der Abstand zwischen dem Verschlusselement 7 und der ersten Öffnung 6 erhöht, da das erste Membranelement 3 durch den geringeren Steuerdruck 2, der aus dem geringeren Hinterdruck resultiert, tiefer in die Steuerdruckkammer 2 hineingedrückt wird als bei einem höheren Hinterdruck.
Die Ausführungsform gemäß 6a umfasst eine pneumatische Steuervorrichtung 1 mit einem Gehäuse 11, in dem eine Steuerdruckkammer 2 und eine erste Druckkammer 5 vorgesehen sind. Eine Wand der Steuerdruckkammer 2 wird durch ein erstes Membranelement 3 gebildet, das in dieser Ausführungsform gleichzeitig eine Wand der ersten Druckkammer 5 ist. Mit dem ersten Membranelement 3 ist ein Verschlusselement 7 verbunden. Das Verschlusselement 7 ist dazu ausgebildet, eine erste Öffnung 6 der ersten Druckkammer 5 zu öffnen und zu verschließen. An der ersten Öffnung 6 ist weiter ein erstes Anschlussleitungselement 60 fluidkommunizierend verbunden. An dem Anschlussleitungselement 60 können weitere pneumatische Komponenten angeschlossen werden. Weiter umfasst die pneumatische Steuervorrichtung 1 eine Pumpvorrichtung 4, die eine Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 aufweist. Die Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 pumpt dabei von der Steuerdruckkammer 2 in eine Verbindungskammer 13. Die Verbindungskammer 13 ist mittels eines Abzweigleitungselement 12, das über eine Verbindungsöffnung 14 mit einer Verbindungkammer 13 verbunden ist, mit einem zweiten Anschlussleitungselement 80 verbunden, wobei das zweite Anschlussleitungselement 80 mit einer zweiten Öffnung 8 der ersten Druckkammer 5 fluidkommunizierend verbunden ist. Zwischen der ersten Druckkammer 5 und der Steuerdruckkammer 2 kann damit bei ausgeschalteter Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 ein Druckausgleich stattfinden.
In dem Ausführungsbeispiel gemäß 6a ist an dem zweiten Anschlussleitungselement 80 eine Druckquelle angeschlossen, wie durch den Pfeil 9, der die Pumpenflussrichtung anzeigt, dargestellt ist. Bei ausgeschalteter Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 stellt sich dabei in der ersten Druckkammer 5 und in der Steuerdruckkammer 2 der gleiche Druck ein. Dieser Druck ist größer als der Druck an der ersten Öffnung 6 bzw. dem ersten Anschlussleitungselement 60. Daher wird das erste Membranelement 3 im Bereich der ersten Öffnung 6 aus der Steuerdruckkammer 2 hinaus gedrückt und damit das Verschlusselement 7 auf die erste Öffnung 6 gedrückt. Damit ist das Verschlusselement 7 im Schließzustand und verschließt die erste Öffnung 6.
Die Ausführungsform gemäß 6b weist die gleichen Elemente wie die Ausführungsform gemäß 6a auf. Im Unterschied dazu ist an dem zweiten Anschlussleitungselement 80 keine Druckquelle vorgesehen. Stattdessen ist an dem ersten Anschlussleitungselement 60 eine Unterdruckquelle vorgesehen, wie durch den Pfeil 9, der die Pumpenflussrichtung anzeigt, dargestellt wird. Bei ausgeschalteter Pumpvorrichtung 4 bzw. Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 wird zwischen der ersten Druckkammer und der Steuerdruckkammer 2 ein Druckausgleich geschehen. Da an der ersten Öffnung 6 aufgrund der Unterdruckquelle ein Unterdruck herrscht, wird das Verschlusselement 7 durch den Druck in der Steuerdruckkammer 2 auf die erste Öffnung 6 gedrückt. Die erste Öffnung 6 ist damit durch das Verschlusselement 7 verschlossen. Wenn die Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 einen Pumpvorgang beginnt, wird der Druck in der Steuerdruckkammer 2 reduziert. Ein Druckausgleich zwischen der Steuerdruckkammer 2 und der ersten Druckkammer 5 findet daher nicht mehr statt. Durch die Reduktion des Druckes in der Steuerdruckkammer 2 wird aufgrund des Druckes in der ersten Druckkammer 5 das erste Membranelement 3 in die Steuerdruckkammer 2 gedrückt. Damit wird auch das Verschlusselement 7 von der ersten Öffnung 6 wegbewegt. Die erste Öffnung 6 ist damit geöffnet. Das Verschlusselement 7 ist dabei im Öffnungszustand.
Die Ausführungsform gemäß 6a und 6b sind als Funktion des Vordruckes gesteuert. Eine Änderung des Vordruckes bewirkt eine Änderung des Steuerdruckes in der Steuerdruckkammer 2, da die Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 bei einem geringen Vordruck gegen einen geringen Druck in der Verbindungskammer 13 pumpen muss und bei einem hohen Vordruck gegen ein hohen Druck in der Verbindungskammer 13 pumpen muss. Bei einem hohen Vordruck wird daher in der Steuerdruckkammer 2 bei gleicher Pumpfrequenz ein höherer Druck herrschen als bei einem niedrigen Vordruck. Der Abstand zwischen dem Verschlusselement 7 und der ersten Öffnung 6 wird daher bei einer Änderung des Vordruckes nur unwesentlich geändert werden, da gleichzeitig bei einer Erhöhung des Vordruckes eine Erhöhung des Steuerdrucks stattfindet. Ebenso wird bei einer Reduzierung des Vordruckes in der ersten Druckkammer 5 eine Reduktion des Steuerdruckes in der Steuerdruckkammer 2 stattfinden.
Die Ausführungsform gemäß 6a und 6b können damit einen Vordruck geregelten Druckwiderstand 103 darstellen.
7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei die pneumatische Steuervorrichtung 1 ein Gehäuse 11 aufweist, in der eine Steuerdruckkammer 2 angeordnet ist. Eine Wand der Steuerdruckkammer 2 wird durch ein erstes Membranelement 3 gebildet. Weiter ist an der Steuerdruckkammer 2 eine Pumpvorrichtung 4 angeordnet, die eine Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 aufweist. Die Pumpvorrichtung 4 pumpt dabei von der Umgebung in die Steuerdruckkammer 2 hinein.
Weiter umfasst die pneumatische Steuervorrichtung 1 eine erste Druckkammer 5, die eine erste Öffnung 6 aufweist. Die erste Öffnung 6 kann durch ein Verschlusselement 7 geöffnet und verschlossen werden. Das Verschlusselement 7 ist dabei mit einem Verbindungselement 15 verbunden. Das Verbindungselement 15 verbindet das Verschlusselement 7 mit dem ersten Membranelement 3. Das Verschlusselement 15 ist in diesem Ausführungsbeispiel als ein Kolben ausgebildet, der mit einem Endstück an dem Verschlusselement 7 befestigt ist und beabstandet von diesem Ende mit dem Membranelement 3 verbunden ist. Dabei kann das gegenüberliegende Endstück des Kolbens mit dem ersten Membranelement 3 verbunden sein oder ein Teilstück des Kolbens, das von diesem gegenüberliegenden Endstück des Kolbens beabstandet ist. Das Verbindungselement 15 wird in einem Führungselement 17 geführt, sodass eine Bewegung des ersten Membranelementes 3 eine geführte Bewegung des Verbindungselementes 15 bewirkt. Das Verbindungselement 15 kann dabei durch mehrere Führungselemente 17 geführt werden, um eine stabilere Führung des Verbindungselementes 15 bereitzustellen.
Die pneumatische Steuervorrichtung 1 weist weiter eine zweite Druckkammer 19 auf. Eine Wand der zweiten Druckkammer 19 wird durch das erste Membranelement 3 gebildet. Die zweite Druckkammer 19 und die Steuerdruckkammer 2 sind auf verschiedenen Seiten des ersten Membranelementes 3 angeordnet und sind innerhalb des Gehäuses 11 gasdicht voneinander getrennt.
Weiter ist die zweite Druckkammer 19 fluidkommunizierend mit der ersten Öffnung 6 verbunden. Außerdem umfasst die zweite Druckkammer 19 eine Leckageöffnung 16, mit der bei zu hohen Drücken in der zweiten Druckkammer 19 Überdruckbedingungen vermieden werden, die zu einer Beschädigung der zweiten Druckkammer 19 oder des ersten Membranelementes 3 führen können.
Die Leckageöffnung 16 hat dabei den kleinstmöglichen Durchmesser. Dieser Durchmesser beträgt zwischen 0,5 mm bis 3 mm. In der vorliegenden Ausführungsform beträgt der Durchmesser 2 mm.
Die pneumatische Steuervorrichtung 1 umfasst weiter ein erstes Anschlussleitungselement 60, das fluidkommunizierend mit der ersten Öffnung 6 verbunden ist. Das Anschlussleitungselement 60 ist dabei an einer dritten Öffnung 23 der zweiten Druckkammer 19 angeordnet. Die fluidkommunizierende Verbindung mit der ersten Öffnung 6 wird durch die zweite Druckkammer 19 und die dritte Öffnung 23 gebildet.
Die erste Druckkammer 5 umfasst eine zweite Öffnung 8, die fluidkommunizierend mit einem zweiten Anschlussleitungselement 80 verbunden ist. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 ist an dem zweiten Anschlussleitungselement 80 eine Druckquelle verbunden, die durch den Pfeil 9 repräsentiert wird, der die Pumpenflussrichtung darstellt. Die Druckquelle stellt in der ersten Druckkammer 5 einen Überdruck her.
Solange die Pumpvorrichtung 4 ausgeschaltet ist, kann zwischen der Umgebung und der Steuerdruckkammer 2 ein Druckausgleich stattfinden. Weiter herrscht in der zweiten Druckkammer 19 Umgebungsdruck, solange das Verschlusselement 7 die erste Öffnung 6 verschließt. Da auf beiden Seiten des ersten Membranelementes 3 der gleiche Druck herrscht, wirkt auf das erste Membranelement 3 keine Kraft, die das Membranelement 3 relativ zu der Steuerdruckkammer 2 und der zweiten Druckkammer 19 verschiebt bzw. ausbeult. Da allerdings in der ersten Druckkammer 5 ein Überdruck herrscht, wird das Verschlusselement 7 durch den Überdruck auf die erste Öffnung 6 gedrückt und verschließt die erste Öffnung 6. Das Verschlusselement 7 ist dabei in der ersten Druckkammer 5 angeordnet.
Das Verbindungselement 15 erstreckt sich durch die zweite Druckkammer 19 zum Membranelement 3. Beim Einschalten der Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 wird in der Steuerdruckkammer 2 eine Druckerhöhung bewirkt. Durch die Druckerhöhung wird das erste Membranelement 3 aus der Steuerdruckkammer 2 gedrückt und beult sich aus der Steuerdruckkammer 2 hinaus.
Mittels des Verbindungselements 15 wird die Bewegung des ersten Membranelementes 3 auf das Verschlusselement 7 übertragen. Das Verschlusselement 7 wird dabei von der ersten Öffnung 6 wegbewegt und öffnet die erste Öffnung 6. Sobald die erste Öffnung 6 geöffnet ist, kann durch die zweite Öffnung 8 ein Fluid zu der ersten Öffnung 6 strömen. Von der ersten Öffnung 6 strömt das Fluid durch die zweite Druckkammer 19 zu der dritten Öffnung 23. Damit in der zweiten Druckkammer 19 der Druck nicht zu hoch ansteigt, wird das Fluid zusätzlich über die Leckageöffnung 16 in die Umgebung abgeleitet. Der Großteil des Fluids fließt jedoch durch die dritte Öffnung 23 aus der zweiten Druckkammer 19 hinaus.
Die Anordnung nach 7 kann als Proportionalventil oder Druckminderer 104 ausgebildet sein. Mit dem Proportionalventil oder Druckminderer 104 kann eine einfache Modulation von Beatmungsdrücken an einem Beatmungsgerät vorgenommen werden. Dabei ist die zweite Öffnung 8 möglichst klein aufgebaut. Der Druckabfall an der pneumatischen Steuervorrichtung 1 in dieser Ausführungsform soll höchstens 350 mbar bei 100 l/min betragen.
In 8 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt. Die pneumatische Steuervorrichtung 1 umfasst dabei ein Gehäuse 11, in dem eine Steuerdruckkammer 2 angeordnet ist. Eine Wand der Steuerdruckkammer 2 wird durch ein erstes Membranelement 3 gebildet. Weiter umfasst die pneumatische Steuervorrichtung 1 eine Pumpvorrichtung 4, die eine Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 aufweist. Die Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 pumpt dabei von der Umgebung in die Steuerdruckkammer 2 hinein.
Weiter umfasst die pneumatische Steuervorrichtung 1 eine erste Druckkammer 5, die eine erste Öffnung 6 sowie eine zweite Öffnung 8 aufweist. Die erste Öffnung 6 kann durch ein Verschlusselement 7 geöffnet und verschlossen werden. Das Verschlusselement 7 ist über ein Verbindungselement 15 mit dem ersten Membranelement 3 verbunden. Das Verbindungselement 15 erstreckt sich dabei durch die Steuerdruckkammer 2 hindurch.
Weiter wird das Verbindungselement 15 durch Führungselemente 17 geführt. Das Verbindungselement 15 kann daher lediglich in der von den Führungselementen 17 geführten Bewegung bewegt werden. Die Führung erfolgt dabei so, dass das Verschlusselement 7 von der ersten Öffnung 6 weg bzw. auf die erste Öffnung 6 zu bewegt werden kann.
Zwischen der Steuerdruckkammer 2 und der ersten Druckkammer 5 ist ein Haltestück 24 vorgesehen, dass das Verschlusselement 7 auf die erste Öffnung 6 zentriert. Weiter dient das Haltestück 24 dazu, die erste Druckkammer 5 von der Steuerdruckkammer 2 innerhalb des Gehäuses 11 gasdicht zu trennen. Je ein Teilstück einer einzigen Wand oder verschiedener Wände der Steuerdruckkammer 2 wird damit durch das erste Membranelement 3 und das Haltestück 24 in Verbindung mit dem Verschlusselement 7 gebildet.
Das erste Membranelement 3 ist weiter mit einem Federelement 18 verbunden. Das Federelement 18 ist außerhalb der Steuerdruckkammer 2 angeordnet und stützt sich in dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 an einer Wand des Gehäuses 11 ab. Die Kraft des Federelements 18 ist dabei so gerichtet, dass es über das Membranelement 3 das Verbindungselement 15 entlang der Führungselemente 17 bewegen kann.
Mit der ersten Öffnung 6 ist weiter ein Anschlussleitungselement 60 fluidkommunizierend verbunden. Weiter ist eine Leckageöffnung 16 fluidkommunizierend mit der ersten Öffnung 6 und dem ersten Anschlussleitungselement 60 verbunden. Die Leckageöffnung 16 dient zur Sicherung gegen ein nicht dicht schließendes Verschlusselement 7. Falls an dem Anschlussleitungselement 60 kein Fluss entnommen wird, führte bereits eine kleine Undichtigkeit des Verschlusselements 7 zu einem Druckanstieg in dem Anschlussleitungselement 60 bis zu dem Druck, der an dem zweiten Anschlussleitungselement 80 anliegt. Mit der Leckageöffnung 16 kann daher der Arbeitspunkt der pneumatischen Steuervorrichtung 1 eingestellt werden.
An dem zweiten Anschlussleitungselement 80 ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 eine Druckquelle angeschlossen, wie durch den Pfeil 9, der die Pumpenflussrichtung darstellt, gezeigt wird. Das Verschlusselement 7 ist dabei im Schließzustand und verschließt die erste Öffnung 6. Das Verschlusselement 7 wird dabei über das Verbindungselement 15 und das erste Membranelement 3 von dem Federelement 18 auf die erste Öffnung 6 gedrückt.
Sobald die Pumpvorrichtung 4 zu pumpen anfängt, erhöht sich der Druck in der Steuerdruckkammer 2. Der Druck in der Steuerdruckkammer 2 übt eine Kraft auf das erste Membranelement 3 aus, die der Kraft des Federelementes 18 entgegenwirkt. Dadurch wird das erste Membranelement 3 aus der Steuerdruckkammer 2 herausgedrückt, wobei das Federelement 18 gespannt wird. Über das Verbindungselement 15 wird das Verschlusselement 7 auf Grund der Bewegung des ersten Membranelements 3 von der ersten Öffnung 6 abgehoben, sodass die erste Öffnung 6 geöffnet wird. Es kann nun ein Fluid von der zweiten Öffnung 8 durch die erste Öffnung 6 und durch das erste Anschlussleitungselement 60 fließen. Falls der Druck nach der ersten Öffnung 6 zu groß sein sollte, wird über die Leckageöffnung 16 der Druck reduziert.
Der Abstand des Verschlusselements 7 von der ersten Öffnung 6 kann durch die Pumpstärke der Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 gesteuert werden. Je stärker die Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 pumpt desto weiter kann das Verschlusselement 7 von der ersten Öffnung 6 abgehoben werden. Dementsprechend kann mehr Fluid durch die erste Öffnung 6 strömen. Auf diese Weise kann ein Proportionalventil 105 aufgebaut werden.
Eine weitere Ausführungsform eines Proportionalventils 106 ist in 9 dargestellt. Die pneumatische Steuervorrichtung 1 umfasst dabei ein Gehäuse 11 mit einer Steuerdruckkammer 2. Eine Wand der Steuerdruckkammer 2 wird durch ein erstes Membranelement 3 gebildet. Weiter ist an der pneumatischen Steuervorrichtung 1 eine Pumpvorrichtung 4 mit einer Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 vorhanden. Die Pumpvorrichtung 4 pumpt dabei von der Umgebung in die Steuerdruckkammer 2 hinein.
Die pneumatische Steuervorrichtung 1 weist weiter eine erste Druckkammer 5 auf. Eine Wand der ersten Druckkammer 5 wird dabei durch das erste Membranelement 3 gebildet.
Weiter weist die erste Druckkammer 5 eine erste Öffnung 6 auf. Die erste Öffnung 6 ist durch ein Verschlusselement 7 verschließbar. Das Verschlusselement 7 ist über ein Verbindungselement 15 mit dem ersten Membranelement 3 verbunden. In diesem Ausführungsbeispiel wird das Verschlusselement 7 seitlich auf die erste Öffnung 6 aufgeschoben, um die erste Öffnung 6 zu öffnen oder zu verschließen. Dabei wird eine Bewegung des ersten Membranelements 3 über das Verbindungselement 15 auf das Verschlusselement 7 übertragen.
Dabei ist ein Endstück des Verbindungselements 15 mit dem ersten Membranelement 3 verbunden. Das andere Endstück des Verbindungselements 15 ist mit einem Federelement 18 verbunden, das sich an einer Wand des Gehäuses 11 abstützt.
Das Verbindungsstück 15 wird über Führungselemente 17 geführt. Die Führung des Verbindungselements 15 erfolgt derart, dass das Verschlusselement 7 seitlich von der ersten Öffnung 6 weggeschoben werden kann. D. h., dass sich das Verbindungselement 15 durch die erste Druckkammer 5 erstreckt.
Weiter bedeutet dies, dass das Verbindungselement 15 in einer parallelen Ebene zu der Ebene der ersten Öffnung 6 ausgerichtet ist. Im entspannten Zustand drückt das Federelement 18 das Verschlusselement 7 von der ersten Öffnung 6 weg. Die erste Öffnung 6 ist dann geöffnet. Sobald in der Steuerdruckkammer 2 mittels der Pumpvorrichtung 4 der Druck erhöht wird, wird das erste Membranelement 3 aus der Steuerdruckkammer 2 herausgedrückt. Dabei drückt das erste Membranelement 3 das Federelement 18 zusammen. Das Verschlusselement 7 verschiebt sich dabei so über die Verbindung mit dem Verbindungselement 15, dass es über die erste Öffnung 6 geschoben wird. Die erste Öffnung 6 wird dadurch geschlossen.
Die erste Druckkammer 5 weist weiter eine zweite Öffnung 8 auf, die fluidkommunizierend mit einem zweiten Anschlussleitungselement 80 verbunden ist. An dem zweiten Anschlussleitungselement 80 ist eine Druckquelle angeschlossen, die durch den Pfeil 9, der die Pumpenflussrichtung darstellt, angedeutet ist.
Weiter ist ein erstes Anschlussleitungselement 60 fluidkommunizierend mit der ersten Öffnung 6 vorgesehen. Fluidkommunizierend mit dem ersten Anschlussleitungselement 60 ist eine Leckageöffnung 16 vorgesehen. Wenn das Verschlusselement 7 im Öffnungszustand ist, fließt von der zweiten Öffnung 8 ein Fluidstrom zu der ersten Öffnung 6.
In 10 wird ein vordruckgesteuertes Proportionalventil 107 dargestellt. Das vordruckgesteuerte Proportionalventil 107 umfasst eine pneumatische Steuervorrichtung 1 mit einem Gehäuse 11. In dem Gehäuse ist eine Steuerdruckkammer 2 angeordnet. Eine Wand der Steuerdruckkammer 2 wird durch ein erstes Membranelement 3 gebildet. Das erste Membranelement 3 grenzt die Steuerdruckkammer 2 dabei gegen die Umgebung ab. D. h., dass auf der Seite des ersten Membranelementes 3, die außerhalb der Steuerdruckkammer 2 angeordnet ist, Umgebungsdruck herrscht. Für das Bereitstellen des Umgebungsdrucks ist eine. Umgebungsluftöffnung 23 vorgesehen.
An der Steuerdruckkammer 2 ist weiter eine Pumpvorrichtung 4 mit einer Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 angeordnet. Die Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40 pumpt dabei von der Umgebung in die Steuerdruckkammer 2 hinein.
Die pneumatische Steuervorrichtung 1 umfasst weiter eine erste Druckkammer 5 mit einer ersten Öffnung 6 und einer zweiten Öffnung 8. Die erste Öffnung 6 ist mittels eines Verschlusselementes 7 verschließbar. Das Verschlusselement 7 ist über ein Verbindungselement 15 mit dem ersten Membranelement 3 verbunden. Eine Auslenkung des ersten Membranelements 3 aus der Steuerdruckkammer 2 hinaus überführt das Verschlusselement 7 von dem Verschließzustand in den Öffnungszustand. Eine Bewegung des ersten Membranelements 3 in die Steuerdruckkammer 2 hinein, überführt das Verschlusselement in den Schließzustand der ersten Öffnung 6.
Weiter ist das Verschlusselement 7 mit einem zweiten Membranelement 22 verbunden. Das zweite Membranelement 22 bildet dabei zumindest ein Teilstück einer Wand der ersten Druckkammer 5. Zwischen der Steuerdruckkammer 2 und der ersten Druckkammer 5 ist eine zweite Druckkammer 19 angeordnet. Dabei bildet das zweite Membranelement 22 zumindest ein Teilstück einer Wand der zweiten Druckkammer 19. Das zweite Membranelement 22 ist damit zwischen der ersten Druckkammer und der zweiten Druckkammer ausgebildet. Weiter bildet das zweite Membranelement in Kombination mit dem Verschlusselement 7 eine innerhalb des Gehäuses 11 gasdichte Trennung zwischen der ersten Druckkammer 5 und der zweiten Druckkammer 19.
Zwischen der zweiten Druckkammer 19 und der Steuerdruckkammer 2 ist eine weitere Wand mit einem Führungselement 17 für das Verbindungselement 15 vorgesehen. Durch das Führungselement 17 kann kein Gasaustausch zwischen der Steuerdruckkammer 2 und der zweiten Druckkammer 19 stattfinden.
Die zweite Druckkammer 19 ist über eine Abzweigleitung 12 mit der ersten Öffnung 6 verbunden. Dabei ist zwischen der Abzweigleitung 12 und der ersten Öffnung 6 ein Restriktionselement 21 vorgesehen. Weiter umfasst die erste Öffnung 6 eine fluidkommunizierende Verbindung zu dem ersten Anschlussleitungselement 60. Das Abzweigelement 12 zweigt dabei von dem ersten Anschlussleitungselement 60 ab und erstreckt sich fluidkommunizierend zu der zweiten Druckkammer 19.
Gemäß 10 ist an dem ersten Anschlussleitungselement 60 eine Druckquelle angeschlossen, die durch den Pfeil 9 angedeutet wird, der die Pumpenflussrichtung darstellt.
Sofern die Pumpvorrichtung 4 ausgeschaltet ist, kann zwischen der Umgebung und der Steuerdruckkammer 2 ein Druckausgleich stattfinden. In der Steuerdruckkammer 2 ist dann Umgebungsdruck vorhanden, sodass aus der Steuerdruckkammer 2 hinaus keine Kraft auf das erste Membranelement 3 wirkt.
Bei Einschalten der Druckquelle am ersten Anschlussleitungselement 60, bewirkt das Restriktionselement 21, das an der Abzweigleitung 12 und der ersten Öffnung 6 ein Druckunterschied vorhanden ist. Der Fluidstrom, der aus der Druckquelle herauskommt, wird an dem Restriktionselement 21 gestaut. Daher herrscht an der Seite des Restriktionselements 21, die zu der Druckquelle gewandt ist, ein höherer Druck als an der Seite des Restriktionselements 21 das von der Druckquelle abgewandt ist.
Da die zweite Druckkammer 19 über die Abzweigleitung 12 eine fluidkommunizierende Verbindung zu der Seite des Restriktionselements 21 aufweist, die zu der Druckquelle weist, herrscht in der zweiten Druckkammer 19 ein höherer Druck als an der ersten Öffnung 6. Weiter herrscht ebenfalls ein höherer Druck in der zweiten Druckkammer 19 als in der ersten Druckkammer 5. Daher wird das Verschlusselement 7 mittels des zweiten Membranelements 22 auf die erste Öffnung 6 gedrückt und verschließt die erste Öffnung 6.
Beim Einschalten der Pumpvorrichtung 4 wird der Druck in der Steuerdruckkammer gegenüber der Umgebung erhöht. Daher wird das erste Membranelement 3 aus der Steuerdruckkammer 2 gedrückt. Sofern die Kraft, die das erste Membranelement 3 auf das Verschlusselement 7 mittels des Verbindungsstücks 15 überträgt größer ist als die Kraft, die von dem Druck in der zweiten Druckkammer 19 auf das zweite Membranelement 22 ausgeübt wird, wird das Verschlusselement 7 von der ersten Öffnung 6 abgehoben, sodass die erste Öffnung 6 geöffnet ist. Dann kann das Fluid von der ersten Öffnung 6 zu der zweiten Öffnung 8 in das zweite Anschlussleitungselement 80 fließen. Falls der Druck in der ersten Druckkammer zu hoch werden sollte, weist die erste Druckkammer 5 eine Leckageöffnung 16 auf. Durch die Leckageöffnung 16 kann ein Überdruck in der ersten Druckkammer 5 reduziert werden.
Das Ausführungsbeispiel aus 11 zeigt ein hinterdruckgesteuertes Proportionalventil 108. Das hinterdruckgesteuerte Proportionalventil 108 umfasst eine pneumatische Steuervorrichtung 1, die ein Gehäuse 11 aufweist. In dem Gehäuse 11 ist eine Steuerdruckkammer 2 angeordnet. Eine Wand der Steuerdruckkammer 2 wird durch ein erstes Membranelement 3 gebildet. Weiter umfasst die Steuerdruckkammer 2 eine Pumpvorrichtung 4 mit einer Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe 40, die von der Steuerdruckkammer 2 in die Umgebung pumpt. Die Pumpvorrichtung 4 kann daher einen Unterdruck in der Steuerdruckkammer 2 erzeugen.
Weiter weist die pneumatische Steuervorrichtung 1 eine erste Druckkammer 5 auf. Die erste Druckkammer 5 umfasst eine erste Öffnung 6, die mittels eines Verschlusselementes 7 geöffnet oder verschlossen werden kann. Dabei ist das Verschlusselement 7 über ein Verbindungselement 15 mit dem ersten Membranelement 3 verbunden. Eine Bewegung des ersten Membranelements 3 wird mittels des Verbindungselements 15 auf das Verschlusselement 7 übertragen.
Das Verschlusselement 7 wird dabei auf einem Haltestück 24 gelagert, das eine flexible Bewegung des Verschlusselements 7 ermöglicht. Das Haltestück 24 verbindet dabei das Verschlusselement 7 mit dem Gehäuse 11.
Weiter trennt das Haltestück 24 in Verbindung mit dem Verschlusselement 7 die erste Druckkammer 5 von einer zweiten Druckkammer 19 gasdicht innerhalb des Gehäuses ab. Dabei ist die erste Druckkammer 5 über eine zweite Öffnung 8, an der ein zweites Anschlussleitungselement 80 angeordnet ist, über ein Abzweigleitungselement 12 mit der zweiten Druckkammer 19 fluidkommunizierend verbunden. Zwischen dem Abzweigleitungselement 12 und der ersten Öffnung 8 ist dabei ein Restriktionselement 21 angeordnet.
Das zweite Membranelement 22 grenzt weiter die zweite Druckkammer 19 gegen eine dritte Druckkammer 20 gasdicht ab, die durch das erste Membranelement 3 zu der Steuerdruckkammer 2 hin begrenzt wird. Die dritte Druckkammer 20 ist damit zwischen der zweiten Druckkammer 19 und der Steuerdruckkammer 2 angeordnet. Die dritte Druckkammer 20 umfasst eine Umgebungsluftöffnung 23. Daher herrscht in der dritten Druckkammer 20 Umgebungsdruck.
Wenn jetzt an dem zweiten Anschlussleitungselement 80 eine Unterdruckquelle angeschlossen wird, wie durch den Pfeil 9 dargestellt, der die Pumpenflussrichtung darstellt, stellt sich in der zweiten Druckkammer 19 relativ zum Umgebungsdruck ein Unterdruck ein. Dadurch wird das zweite Membranelement 22 in die zweite Druckkammer 19 hineingedrückt.
Das zweite Membranelement 22 ist weiter wie ebenso wie das erste Membranelement 3 über das Verbindungselement 15 mit dem Verschlusselement 7 verbunden. Eine Bewegung des zweiten Membranelements 22 wird dabei auf das Verschlusselement 7 übertragen, sodass das Verschlusselement 7 durch eine Bewegung des ersten Membranelements 3 oder des zweiten Membranelements 22 betätigt werden kann, um die erste Öffnung 6 zu öffnen oder zu schließen.
Um die erste Öffnung 6 zu öffnen, muss das Verschlusselement 7 von der ersten Öffnung 6 wegbewegt werden. Dies kann durch Betätigung der Pumpvorrichtung 4 erfolgen, indem in der Steuerdruckkammer 2 ein Unterdruck hergestellt wird. Da in der dritten Druckkammer 20 Atmosphärendruck herrscht, wird das erste Membranelement 3 in die Steuerdruckkammer 2 gedrückt, sobald die Kraft, die auf das erste Membranelement 3 in die Steuerdruckkammer 2 hinein wirkt größer ist, als die Kraft, die auf, das zweite Membranelement 22 in die zweite Druckkammer 19 hineinwirkt. Sobald diese Kraft größer ist, öffnet sich die erste Öffnung 6, da das Verschlusselement 7 von der ersten Öffnung 6 wegbewegt wird. Dabei wird das Verschlusselement 7 mittels des Verbindungselements 15 an Führungselementen 17 geführt, sodass die Bewegung des Verschlusselements 7 klar definiert ist.
Aufgrund des Restriktionselements 21 wird sich in der ersten Druckkammer 5 auch bei geöffneter erster Öffnung 6 ein höherer Druck als in der zweiten Druckkammer 19 einstellen. Dadurch wird gewährleistet, dass beim Ausschalten der Pumpvorrichtung 4 und einem Druckausgleich der Steuerdruckkammer 2 mit der Umgebung die erste Öffnung 6 durch das Verschlusselement 7 verschlossen wird.
Auf diese Weise wird das Proportionalventil 108 als Funktion des Hinterdrucks gesteuert. Falls durch das erste Anschlussleitungselement 60 weniger Fluid durch die erste Öffnung 6 in die erste Druckkammer 5 strömt, wird sich aufgrund des Restriktionselementes 21 in der zweiten Druckkammer 19 ein größerer Unterdruck aufbauen, sodass das zweite Membranelement 22 weiter in die zweite Druckkammer 19 hineingedrückt wird. Dadurch verringert sich der Abstand zwischen dem Verschlusselement 7 und der ersten Öffnung 6. Dies hat zur Folge, dass weniger Fluid durch die Öffnung 6 strömen kann.
Weiter umfasst die pneumatische Steuervorrichtung 1 eine Leckageöffnung 16 als Sicherung gegen Überdrücke in der ersten Druckkammer 5.
In den 12a bis 12c sind verschiedene Formen von Verschlusselementen und Ausführungsformen von ersten Öffnungen 6 dargestellt.
In 12a umfasst die erste Öffnung 6 einen Ventilkrater 61, auf dem eine Ventilplatte 70 als Verschlusselement 7 aufgesetzt ist. Der Zwischenraum zwischen der Ventilplatte 70 und dem Ventilkrater 61 ist gasdicht verschlossen, wenn die Ventilplatte 70 den Ventilkrater 61 vollständig bedeckt. Aus der Öffnung 6 kann damit kein Fluid hindurchströmen.
In 12b ist eine weitere Ausführungsform eines Verschlusselementes 7 dargestellt. Anstatt einer Ventilplatte 70 umfasst das Verschlusselement 7 ein Klappenelement 72, das an einem Scharnierelement 73 angeordnet und mit ihm verbunden ist. Das Klappenelement 72 ist dabei drehbar um das Scharnierelement 73 gelagert. Weiter liegt das Klappenelement 72 auf einem Ventilkrater 61 an der ersten Öffnung 6 auf. Das Verschlusselement 7 dichtet die Öffnung 6 gasdicht ab.
12c zeigt eine weitere Ausführungsform der ersten Öffnung 6 und des Verschlusselements 7. Die erste Öffnung 6 ist dabei als Trichterelement 62 ausgebildet. Weiter ist das Verschlusselement 7 als Konuselement 71 ausgebildet. Das Konuselement 71 wird dabei zum Verschließen der ersten Öffnung 6 in das Trichterelement 62 hineingeschoben. Während des Einschiebens des Konuselementes 71 in das Trichterelement 62 wird die lichte Weite der ersten Öffnung 6 immer weiter verkleinert. Dadurch kann immer weniger Fluid durch die erste Öffnung 6 strömen bis das Konuselement 71 das Trichterelement 62 berührt und die lichte Weite der ersten Öffnung 6 komplett verschließt. In diesem Fall kann kein Fluid mehr durch die erste Öffnung 6 hinausströmen.
13a zeigt ein Beatmungsgerät 109. Das Beatmungsgerät umfasst ein Gebläsefiltergerät 33. Das Gebläsefiltergerät 33 weist dabei eine Eingangsöffnung 66 und eine Ausgangsöffnung 65 auf. Über der Eingangsöffnung 66 ist eine Gebläseeinheit 35 angeordnet, die aus der Umgebungsluft in die Eingangsöffnung 66 hineinbläst. Zwischen der Umgebungsluft und der Gebläseeinheit 35 ist eine Filtereinheit 34 zwischengeschaltet. Dadurch wird gewährleistet, dass die Gebläseeinheit 35 lediglich gefilterte Luft durch das Gebläsefiltergerät 33 zu der Ausgangsöffnung 65 bläst.
Die Ausgangsöffnung 65 ist über einen Schlauch 32 mit einer Gesichtsmaske 31 fluidkommunizierend verbunden. Mittels eines Druckwiderstands 101, der eine pneumatische Steuervorrichtung 1 aufweist, kann der Gasstrom von der Gebläseeinheit 35 zur Gesichtsmaske 31 gesteuert werden.
Die Steuerung erfolgt dabei mittels einer Steuereinheit 26. Die Steuereinheit 26 ist dabei über eine Steuersignalleitung 29 mit der Pumpvorrichtung 4 der pneumatischen Steuervorrichtung 1 des Druckwiderstands 101 verbunden. Die Steuereinheit 26 steuert, wie stark die Pumpvorrichtung 4 pumpt.
Die Steuereinheit 26 steuert dabei wie viel Luft in die Gesichtsmaske 31 hineinströmt. Die eingeströmte Luft kann durch einen Nutzer der Gesichtsmaske 31 eingeatmet werden. Zum Ausatmen umfasst die Gesichtsmaske 31 eine Ausatemöffnung 48, durch die die ausgeatmete Luft des Nutzers strömt.
Weiter ist an der Gesichtsmaske 31 ein Drucksensor 28 angeordnet, der den Druck innerhalb der Gesichtsmaske 31 bzw. in dem Volumen zwischen der Gesichtsmaske 31 und dem Gesicht des Nutzers erfasst, wobei die Gesichtsmaske 31 dieses Volumen nach außen hin gasdicht abdichtet. Mittels des erfassten Drucks kann die Steuereinheit 26 den Druckwiderstand 101 entsprechend einstellen, sodass ein für den Nutzer angenehmer Gasfluss in die Gesichtsmaske 31 strömt.
13b zeigt eine alternative Ausführungsform des Beatmungsgeräts 109. Der Schlauch 32 geht dabei von einem Gasentnahmeanschluss 74 aus, der an einem Wandelement 69 angeschlossen ist. Der Gasentnahmeanschluss 74 stellt Druckgas breit, dass dem Träger der Gesichtsmaske 31 bereitgestellt wird.
Anstatt einer Aus Atemöffnung 48 ist ein Proportionalventil 100 vorgesehen, dass mittels einer Steuer-Signalleitung 29 mit der Steuereinheit 26 verbunden ist.
Weiter ist ein Flusssensor 75 zwischen dem Schlauch 32 und der Gesichtsmaske 31 im inspiratorischen Abschnitt angeordnet. Der Flusssensor 75 ermittelt den Gasfluss von dem Schlauch 32 zur Gesichtsmaske 31.
Das Proportionalventil 100 wird dabei durch die Steuereinheit 26 gemäß dem mittels dem Flusssensor 75 ermittelten Einatem- und dem Ausatem-Zyklus des Nutzers aktiv gesteuert. Das Proportionalventil 100 dient dabei dazu, das Ausatmen der Luft aus der Gesichtsmaske 31 heraus, angenehmer zu gestalten.
In 13c ist eine weitere alternative Ausführungsform des Beatmungsgeräts 109 dargestellt. Im Unterschied zu 13a umfasst dieser Ausführungsform anstatt eines Gebläsefiltergeräts 33 eine Druckgasquelle 36, die in Form einer Gasflasche ausgestaltet sein kann und mit dem Schlauch 32 verbunden ist. Der Träger der Gesichtsmaske 31 erhält damit aus der Druckgasquelle 36 seine Atemluft.
Weiter umfasst die Ausführungsform gemäß 13c kein Proportionalventil bzw. Druckminderer 104. Das Atemgas kann damit von der Druckgasquelle 36 ungehindert in die Gesichtsmaske 31 strömen.
Zwischen dem Schlauch 32 und der Gesichtsmaske 31 ist ein Flusssensor 75 angeschlossen, der weiter mit einem Proportionalventil 100, das als Ausatemventil dient, fluidkommunizierend gekoppelt ist. Der Flusssensor 75 erfasst in dieser Ausführungsform den Gasfluss zwischen der Druckgasquelle 36 und Gesichtsmaske 31 sowie den Gasfluss zwischen der Gesichtsmaske 31 und dem Proportionalventil 100. Der Flusssensor 75 ist damit sowohl im inspiratorischen als auch im exspiratorischen Abschnitt angeordnet. Dadurch wird der Komfort der Beatmung weiter erhöht.
Das Proportionalventil 100 ist weiter mit einer Steuersignalleitung 29 mit der Steuereinheit 6 und 20 verbunden und wird anhand der mit dem Flusssensor 75 aufgenommenen Daten durch die Steuereinheit 26 gesteuert.
14 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Beatmungsgerätes 109. Das Beatmungsgerät 109 umfasst eine Gebläseeinheit 35, die über einen Schlauch 32 fluidkommunizierend mit einer Patientenschnittstelle 25 verbunden ist. Die Gebläseeinheit 35 bläst dabei durch den Schlauch 32 Atemluft in eine Patientenschnittstelle 25. Die Patientenschnittstelle 25 kann dabei eine Nasenmaske sein. Zwischen dem Gesicht des Patienten und der Patientenschnittstelle 25 wird ein Volumen eingeschlossen. Die Kontaktstelle zwischen der Patientenschnittstelle 25 und dem Gesicht des Patienten ist dabei gasdicht, so dass an der Kontaktstelle kein Gas aus dem Volumen entweichen kann.
In dem Volumen zwischen der Patientenschnittstelle 25 und dem Gesicht des Patienten wird durch das Beatmungsgerät 109 ein Überdruck von 10 mbar gehalten.
Weiter kann die Gebläseeinheit 35 eine Anästhesieeinheit 110 aufweisen, die die von der Gebläseeinheit 35 bereitgestellte Atemluft mit einem Anästhesiemittel versetzt. Alternativ ist es möglich, andere Druckgasquellen zu nutzen, wie sie zum Beispiel in den 13a bis 13c dargestellt sind.
In dieser Ausführungsform ist zwischen der Gebläseeinheit 35 und der Patientenschnittstelle 25 ein Ventil in Form eines Proportionalventils oder Druckminderers 104 mit einer pneumatischen Steuervorrichtung 1 angeordnet. Mittels des Proportionalventils oder Druckminderers 104 kann der Gasstrom von der Gebläseeinheit 35 zu der Patientenschnittstelle 25 gesteuert werden. In einer alternativen Ausführungsform kann das Proportionalventil bzw. der Druckminderer 104 weggelassen werden. Das Atemgas strömt dann ungehindert durch den Schlauch 32 von der Gebläseeinheit 35 in die Patientenschnittstelle 25. An der Patientenschnittstelle 25 ist weiter ein Ausatemventil in Form eines Druckminderers 100' angeordnet. Der Druckminderer 100' ist dabei wie das Proportionalventil 100 aufgebaut. Lediglich die Ansteuerung erfolgt mit konstant gehaltenem Hinterdruck. Die Ansteuerung erfolgt mittels einer Steuereinheit 26, die über eine Steuersignalleitung 29 mit dem Druckminderer 100' verbunden ist. Mit dem Druckminderer 100' kann auf eine passive Ausatemöffnung verzichtet werden, so dass beim Einatmen kein Gas aus eine passiven Ausatemöffnung entweichen kann. Dies hat zur Folge, dass das Beatmungsgerät 109 effizienter arbeitet und keine passive Ausatemöffnung beim Einatemvorgang gespült werden muss, um eine Anreicherung mit CO2 zu vermeiden.
Weiter umfasst die Patientenschnittstelle 25 einen Drucksensor 28, der den Druck zwischen der Patientenschnittstelle 25 und dem Gesicht des beatmeten Patienten misst. Der Drucksensor 28 ist über eine Messsignalleitung 30 mit der Steuereinheit 26 verbunden. Die Steuereinheit 26 wird durch eine Energiequelle 27 mit Energie versorgt. Die Energiequelle 27 kann dabei eine Batterie oder ein Netzstromanschluss sein.
Das Beatmungsgerät 109 gemäß 14 kann ebenso wie die Ausführungsformen in den 13b und 13c einen Flusssensor 75 aufweisen (in 14 nicht dargestellt). Die Daten des Flussensors 75 werden zur aktiven Steuerung des Druckminderers 100' genutzt.
Da das Ausatemventil aktiv gesteuert bzw. geregelt werden kann, ist es möglich, bestimmte Kenngrößen wie die Atemfrequenz, die Atemkontinuität und die Regleraussteuerung zu erfassen und auf dieser Basis Kennwerte oder Warnungen zu generieren. Weiter ist es möglich, den Volumenstrom über die Zeit abzuschätzen und damit auch Beatmungsparameter wie Tidalvolumen, Flussspitzen sowie das Inspirations-Exspirations-Verhältnis zu erfassen. Damit können weite der Atemwiderstand und die Compliance des Patienten abgeschätzt werden.
15a zeigt ein Pumpensystem 112, bei dem der Gesamtflusswiderstand auf einen konstanten Wert geregelt wird. Damit wird ein konstanter mittelfristiger Arbeitspunkt für eine Hauptpumpe 42 bereitgestellt. Die Hauptpumpe 42 ist dabei fluidkommunizierend mit pneumatischen Elementen 46 sowie Volumeneinheiten 44 verbunden. Weiter ist eine Flussmesseinrichtung 45 vorgesehen, die den Fluss in der fluidkommunizierenden Verbindung erfasst. Der Eingang in das System wird durch eine Filtereinrichtung 47 gebildet. Die Hauptpumpe 42 saugt dabei Luft durch die Filtereinrichtung 47 an. Dies wird durch den Pfeil 9, der die Pumpenflussrichtung darstellt, kenntlich gemacht. Zwischen der Filtereinrichtung 47 und der Hauptpumpe 42 ist weiter ein Druckwiderstand 101 mit einer pneumatischen Steuervorrichtung 1 vorgesehen. Der Druckwiderstand 101 wird durch eine Regeleinheit 43 geregelt. Dazu weist die Regeleinheit 43 einen Drucksensor 28 auf, der den Druck in der fluidkommunizierenden Verbindung zwischen der Filtereinrichtung 47 und der Hauptpumpe 42 erfasst.
Auf diese Weise kann mittels des Druckwiderstands 101 eine dynamische Veränderung des Gesamtflusswiderstands des Pumpensystems 112 ausgeregelt werden, sodass ein konstanter Gesamtflusswiderstand erzielt wird.
In 15b wird im Unterschied zu 15a ein Druckwiderstand 101 vor der Filtereinrichtung 47 dargestellt. Die Filtereinrichtung 47 ist damit zwischen dem Druckwiderstand 101 und der Hauptpumpe 42 angeordnet. Ansonsten wird auf die Ausführungsform in 15a verwiesen.
Mit der Ausregelung des Gesamtflusswiderstandes wird ein konstanter mittelfristiger Arbeitspunkt für die Hauptpumpe 42 auf einen konstanten Wert erzielt. Die Frequenz der Hauptpumpe 42 bleibt dabei weitgehend stabil.
Je nach Betriebsmodus können mehrere verschiedene Gesamtflusswiderstände eingestellt werden. Weiter können die Betriebsmodi verschiedene Flowbereiche sein. Alternativ können weiter auch nur bestimmte Frequenzbereiche vermieden werden, indem der einstellbare Druckwiderstand 101 einen zusätzlichen Spielraum zu dem realen Druckwiderstand addiert.
Es ist auch zu beachten, dass der Arbeitspunkt der Hauptpumpe 42 dynamisch durch den Druck des geförderten Fluids an der absaugenden Seite, d. h. auf der Seite der Filtereinrichtung 47 beeinflusst wird. Gegebenenfalls kommen auch sporadisch auftretende Tröpfchen innerhalb der absaugenden Leitung hinzu. Durch diese Tröpfchen entstehen durch das Ausgasen erhöhte Drücke, die zu Druck und Flowspitzen führen können. Die Tröpfchen entstehen dabei entweder durch angesaugte Flüssigkeit oder durch Kondensation in der Leitung.
Solche dynamischen Änderungen können durch die Arbeitspunkte der Hauptpumpe nicht ausgeregelt werden. Sie sind für die pneumatischen Zeitkonstanten des Systems zu schnell. Ein Ausregeln würde zu verschiedenen Druck- und Flowspitzen an verschiedenen Stellen des pneumatischen Systems führen. Die geschickte Anordnung des einstellbaren Druckwiderstandes 101 reduziert den dynamischen Anteil oder regelt ihn sogar aus, wobei gleichzeitig Druck- und Flowspitzen vermieden werden.
In 16a wird eine Gasmischvorrichtung 111 dargestellt. Die Gasmischvorrichtung 111 umfasst Druckgasquellen 36, die unterschiedliche Gase umfassen können. Die Druckgasquellen 36 sind fluidkommunizierend mit einem Drucktank 53 verbunden. Zwischen dem Drucktank 53 und den Druckgasquellen 36 sind Drucksensoren 28, Druckminderer 37, die auch als einstellbare Druckminderer 104 ausgebildet sein können, sowie Proportionalventile 105 zwischengeschaltet.
Das Druckgas aus einer Druckgasquelle 36 wird über den Drucksensor 28 zunächst zu dem Druckminderer 37 geführt. Mittels des Drucksensors 28 kann der Druck an der Druckgasquelle 36 ermittelt werden.
Nach Passieren des Druckminderers 37 weist das Druckgas einen geringeren Druck als an der Druckgasquelle 36 auf. Mittels des Proportionalventils 105 kann ein bestimmter Gasfluss hergestellt werden. Dieser Gasfluss wird in den Drucktank 53 eingeleitet. Mittels des Proportionalventils 105 kann damit ein kontinuierlicher Gasstrom hergestellt werden.
Im Stand der Technik werden dazu digital geschaltete Ventile genutzt, die entweder einen Ein- oder einen Aus-Zustand haben. Über die Länge der Ein- und Aus-Zustände, die mithilfe einer Pulsweitenmodulation hergestellt wird, kann die Menge des in den Drucktank 53 eingeleiteten Gases eingestellt werden. Der Drucktank 53 dient dabei dazu, die Ein- und Ausschaltstöße pneumatisch herauszufiltern.
Die verschiedenen Gase werden mit entsprechenden Mengen in den Drucktank 53 eingeleitet und dort miteinander vermischt. Eine Mischgasleitung 52 führt aus dem Drucktank 53 hinaus. In der Mischgasleitung 53 wird das Mischgas zum Beispiel zu einem Beatmungsgerät zugeführt. Dabei sind die bekannten pneumatischen Steuerelemente wie zum Beispiel weitere Drucksensoren 28, die an Druckwiderständen 38 geschaltet sind sowie zum Beispiel Ausgangsventile 39 vorgesehen.
16b zeigt eine Ausführungsform der Gasmischvorrichtung 111, die ohne Drucktank 53 auskommt. In dieser alternativen Ausführungsform der Gasmischvorrichtung wird eine tanklose Gasmischvorrichtung 111' dargestellt.
Aus den Proportionalventilen 105 wird ein kontinuierlicher Gasstrom bereitgestellt, der lediglich in der Stärke des Gasflusses variiert. Dadurch müssen keine Druckstöße von digital geschalteten Ventilen aufgefangen werden. Das Gas kann damit direkt in die Mischgasleitung 52 geleitet und dort mit den anderen Druckgasen vermischt werden. Der Aufbau der tanklosen Gasmischvorrichtung 111' ist damit einfacher als im Stand der Technik und kann weiter ohne großen Aufwand geregelt werden. Dazu müssen lediglich die Öffnungen der Proportionalventil 105 verstellt werden, um das Mischgasverhältnis zu ändern.
Die erste Druckkammer 5 kann als Vordruckkammer ausgebildet sein. Dabei fließt der Fluidstrom durch die zweite Öffnung in die erste Druckkammer hinein und kann dann beim Öffnen der ersten Öffnung 6 aus der ersten Druckkammer hinaus fließen.
Alternativ kann die erste Druckkammer als Hinterdruckkammer ausgebildet sein. Dabei fließt der Fluidstrom bei geöffneter erster Öffnung 6 durch die erste Öffnung 6 in die erste Druckkammer 5 hinein und aus der zweiten Öffnung 8 aus der ersten Druckkammer hinaus.
Bezugszeichenliste

1: Pneumatische Steuervorrichtung
2: Steuerdruckkammer
3: erstes Membranelement
4: Pumpvorrichtung
5: erste Druckkammer
6: erste Öffnung
7: Verschlusselement
8: zweite Öffnung
9: Pumpenflussrichtung
10: Durchlassflussrichtung
11: Gehäuse
12: Abzweigleitungselement
13: Verbindungskammer
14: Verbindungsöffnung
15: Verbindungselement
16: Leckageöffnung
17: Führungselement
18: Federelement
19: Zweite Druckkammer
20: Dritte Druckkammer
21: Restriktionselement
22: Zweites Membranelement
23: Umgebungsluftöffnung
24: Haltestück
25: Patientenschnittstelle
26: Steuereinheit
27: Energiequelle
28: Drucksensor
29: Steuer-Signalleitung
30: Mess-Signalleitung
31: Gesichtsmaske
32: Schlauch
33: Gebläsefiltergerät
34: Filtereinheit
35: Gebläseeinheit
36: Druckgasquelle
37: Druckminderer
38: Mess-Druckwiderstand
39: Ausgangsventil
40: Zwei-Wege-Hochfrequenzpumpe
41: Steuerflussrichtung
42: Hauptpumpenelement
43: Regeleinheit
44: Volumeneinheit
45: Flussmesseinrichtung
46: pneumatische Elemente
47: Filtereinrichtung
48: Ausatemöffnung
49: Entlastungsventil
50: Piezo-Kristall
51: Pumpöffnung
52: Zwei-Wege-Kanal
53: erste Zwei-Wege-Durchlassöffnung
54: zweite Zwei-Wege-Durchlassöffnung
55: Gehäuse
56: Frequenzgenerator
57: Signalleitung
58: Pumpenkammerwandelement
59: Abdeckplatte
60: erstes Anschlussleitungselement
61: Kraterelement
62: Trichterelement
63: Pumpenmembranelement
64: Kopplungselement
65: Eingangsöffnung
66: Ausgangsöffnung
67: Mischgasleitungselement
68: Drucktank
69: Wandelement
70: Ventilplattenelement
71: Konuselement
72: Klappenelement
73: Scharnierelement
74: Gasentnahmeanschluss
75: Fluss-Sensor
80: zweites Anschlussleitungselement
100: Ventil
101: Druckwiderstand
102: Hinterdruck geregelter Druckwiderstand
103: Vordruck geregelter Druckwiderstand
104: Proportionalventil/Druckminderer
105: Proportionalventil
106: Proportionalventil
107: Vordruck gesteuertes Proportionalventil
108: Hinterdruck gesteuertes Proportionalventil
109: Beatmungsgerät
110: Anästhesieeinheit
111: Gasmischvorrichtung
112: Pumpensystem

Claims

Pneumatische Steuervorrichtung umfassend eine Steuerdruckkammer (2), die ein erstes Membranelement (3) aufweist, das mindestens einen Teil einer Wand der Steuerdruckkammer (2) bildet, eine mit der Steuerdruckkammer (2) fluidkommunizierend verbundene Pumpvorrichtung (4) zum Erzeugen eines Steuerdrucks in der Steuerdruckkammer (2), eine erste Druckkammer (5), die eine erste Öffnung (6) umfasst, ein mit der ersten Öffnung fluidkommunizierend verbundenes erstes Anschlussleitungselement (60) und ein mit dem ersten Membranelement (3) verbundenes Verschlusselement (7) zum Öffnen und Verschließen der ersten Öffnung (6) aufweist, wobei das Verschlusselement (7) über das erste Membranelement (3) mittels des Steuerdrucks gesteuert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpvorrichtung (4) eine Hochfrequenzpumpe (40) mit einer Pumpfrequenz von mindestens 600 Hz aufweist.
Pneumatische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzpumpe (40) als eine Piezo-Pumpe ausgebildet ist.
Pneumatische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochfrequenzpumpe (40) als eine Zwei-Wege-Pumpe ausgebildet ist.
Pneumatische Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Membranelement (3) einstückig mit dem Verschlusselement (7) ausgebildet ist.
Pneumatische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Membranelement (3) über ein Verbindungselement (15) mit dem Verschlusselement (7) verbunden ist.
Pneumatische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpvorrichtung (4) von der Steuerdruckkammer (2) in die Umgebung pumpt.
Pneumatische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpvorrichtung (4) von der Umgebung in die Steuerdruckkammer (2) pumpt.
Pneumatische Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Druckkammer (5) und der Steuerdruckkammer (2) eine zweite Druckkammer (19) angeordnet ist, wobei ein zweites mit dem Verschlusselement (7) verbundenes Membranelement (22) eine gemeinsame Wand zwischen der ersten Druckkammer (5) und der zweiten Druckkammer (19) bildet, wobei das erste Membranelement (3) die Steuerdruckkammer (2) zur Umgebung abgrenzt.
Pneumatische Steuervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Anschlussleitungselement (60) ein Restriktionselement (21) aufweist und über eine Abzweigleitung (12) mit der zweiten Druckkammer (19) fluidkommunizierend verbunden ist, wobei das Restriktionselement (21) zwischen der Abzweigleitung (12) und dem ersten Anschlussleitungselement (60) angeordnet ist.
Pneumatische Steuervorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Druckkammer (5) eine zweite Öffnung (8) mit einem zweiten Anschlussleitungselement (80) aufweist, wobei das zweite Anschlussleitungselement (60) ein Restriktionselement (21) aufweist und über eine Abzweigleitung (12) mit der zweiten Druckkammer (19) fluidkommunizierend verbunden ist, wobei das Restriktionselement (21) zwischen der Abzweigleitung (12) und dem zweiten Anschlussleitungselement (80) angeordnet ist.
Pneumatische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abzweigleitung (12) die erste Öffnung (6) über das erste Anschlussleitungselement (60) fluidkommunizierend mit der Steuerdruckkammer (2) verbindet, wobei die Pumpvorrichtung (4) von der Abzweigleitung (12) in die Steuerdruckkammer (2) pumpt.
Pneumatische Steuervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abzweigleitung (12) die erste Druckkammer (5) fluidkommunizierend mit der Steuerdruckkammer (2) verbindet, wobei die Pumpvorrichtung (4) von der Steuerdruckkammer (2) in die Abzweigleitung (12) pumpt.
Pneumatische Steuervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Federelement (18) mit dem ersten Membranelement (3) verbunden ist, wobei zumindest eine Federkraftkomponente des Federelements (18) senkrecht zu einer Oberfläche des ersten Membranelements (3) ausgerichtet ist.
Einatem-Ventil umfassend eine pneumatische Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Ausatem-Ventil umfassend eine pneumatische Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Proportionalventil umfassend eine pneumatische Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Druckwiderstand umfassend eine pneumatische Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Druckminderer umfassend eine pneumatische Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Beatmungsgerät umfassend eine Patientenschnittstelle (25), ein Einatem-Ventil (100') nach Anspruch 14, das fluidkommunizierend mit dem Beatmungsgerät (109) und der Patientenschnittstelle (25) verbunden ist, ein Ausatem-Ventil (100'') nach Anspruch 15, das fluidkommunizierend mit der Patientenschnittstelle (25) verbunden ist, wobei ein Drucksensor (28) an der Patientenschnittstelle (25) angeordnet ist, der Druckzustandssignale an eine Steuereinheit (26) übermittelt, wobei die Steuereinheit (26) das Ausatem-Ventil (100'') steuert.
Beatmungsgerät nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Beatmungsgerät (109) eine Anästhesieeinheit (110) aufweist, die fluidkommunizierend mit dem Einatem-Ventil (100') verbunden ist.
Gebläsefiltergerät umfassend eine Gebläseeinheit (35), die eine Ansaugöffnung und eine Ausblasöffnung aufweist, eine Filtereinheit (34), die fluidkommunizierend mit der Ansaugöffnung verbunden ist und einer Nutzerschnittstelle (31) mit einer Ausatemöffnung (48), die fluidkommunizierend mit der Ausblasöffnung verbunden ist, wobei das Gebläsefiltergerät (33) zwischen der Ansaugöffnung und Ausatemöffnung eine pneumatische Steuervorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13 aufweist.
Gasmischvorrichtung umfassend zwei Mischgasquellen (36) und eine mit den Mischgasquellen (36) fluidkommunizierend verbundene Mischgasleitung (42), wobei zwischen mindestens einer Mischgasquelle (36) und der Mischgasleitung (42) ein Proportionalventil (104, 105, 106) nach Anspruch 16 fluidkommunizierend verbunden ist.