DE19723388C1 - Modulare Piezoventilanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Piezoventilanordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Derartige Ventilanordnungen werden insbesondere in der Medizintechnik für Beatmungsgeräte oder auch für Gasmischer verwendet.

Aus der EP 0109 239 A1 geht eine gattungsgemäße piezoelektrische Ventilanordnung hervor, mit welcher ein Gas- oder Flüssigkeitsstrom eingestellt werden kann, wobei das piezoelektrische Element mit dem Fluidstrom nicht in Berührung kommen soll. In einer Ausführungsform sind mehrere derartige Ventilanordnungen in einer festen Konfiguration dargestellt.

Aus der DE 41 11 890 A1 ist eine modulare Ventilanordnung bekanntgeworden, die eine Anschlußplatte, mehrere Grundplatten und eine Abschlußplatte aufweist. Dabei ist jede Grundplatte mit mehreren elektrisch betätigbaren Einzelventilen bestückt, wobei mindestens eine erste Grundplatte, die ein oder mehrere Stetigventile aufnimmt, mit zumindest einer zweiten Grundplatte, die einen Druckluftanschluß und einen Unterdrucksensor aufweist, regelungstechnisch verbunden ist. Die DE 295 14 495 U1 beschreibt ein Piezoventil, bei dem ein Piezo­ schwingelement auf einer Seite in einem zugehörigen Gehäuse fixiert ist und auf der anderen Seite einen Dichtsitz verschließt bzw. freigibt. Eine modulare Piezoventilanordnung mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 geht aus den genannten Veröffentlichungen nicht hervor.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Ventilanordnung auf Basis piezoelektrischer Elemente bereitzustellen, die eine flexible Anpassung für verschiedene Anwendungszwecke ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes nach Anspruch 1 an.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht im Gegensatz zum veröffentlichten Stand der Technik darin, daß durch den leicht möglichen Zusammenbau der modularen Ventilkomponenten je nach Anwendungszweck sehr verschiedene Gasvolumenströme gesteuert werden können. Die Funktion der Erfindung besteht darin, daß das zu dosierende Gas durch einen separaten, verbundenen Druckgaskanal zu den einzelnen Dosierstellen, d. h. Ventilelementen, geführt wird. Das Gas fließt anschließend durch einen separaten Gasentsorgungskanal ab. Um ein einzelnes Ventilelement zu öffnen, genügt ein kurzer Stromimpuls an das zugeordnete Piezoschwingelement zur Auslenkung mit Freigabe des zugehörigen Dosierkanals, so daß das Druckgas aus dem Druckgaskanal entsprechend dem Vordruck und dem Querschnitt des Dosierkanals in den Gasentsorgungskanal fließen kann. Ein Stromimpuls umgekehrter Polarität veranlaßt das Piezoschwingelement zur Abdichtung des zugehörigen Dosierkanals, wobei der Gasstrom unterbunden wird. Je nach Einsatz der erfindungsgemäßen Anordnung können das oder die Piezoschwingelemente mit einer leichten Vorspannung gegen die Dichtflächen der Dosierkanäle eingebaut werden, die ausreicht, um diese bei gegebenem Gasvordruck abzudichten, oder alternativ kann ein kontrollierter Gasabfluß durch einen vorgegebenen Spalt zwischen Piezoschwingelement und Dosierkanal erreicht werden. In der bevorzugten Verwendung der Erfindung für Beatmungsgeräte wird der Druckgaskanal mit Druckluft alleine oder gemischt mit weiteren Gasen, wie insbesondere Sauerstoff und/oder Edelgasen, beaufschlagt. In diesem Fall wird der Gasentsorgungskanal mit dem an den beatmeten Patienten zu liefernden Atemgas versorgt. Die mit der erfindungsgemäßen modularen Ventilanordnung aufgebauten Ventilbänke sind deutlich kleiner als die derzeit eingesetzten Ventilbänke mit Magnetventilen, die mit zueinander binär gestuften Durchflußwerten parallelgeschaltet sind und somit in binär gestuften digitalen Schritten die Dosierung eines praktisch analogen Gasvolumenstromes auf einfache Weise ermöglichen. Im Gegensatz zu dieser bekannten zeichnet sich die erfindungsgemäße Lösung durch einen einfachen Aufbau der Ventile, den geringen Energiebedarf und die geringe Baugröße aus. Die Mischung verschiedener Gase in der Anordnung kann erfolgen, indem beispielsweise von zwei verschiedenen Seiten der Druckgaskanal versorgt wird und an einer definierten Stelle der Ventilanordnung der Druckgaskanal mit einer Kugel oder einer geeigneten Dichtung zwischen zwei einzelnen Ventilelementen verschlossen wird und alle Ventilelemente auf den gemeinsamen Gasentsorgungskanal wirken. Da lediglich bei der Umschaltung der Ventilelemente Energie benötigt wird, hat die Ansteuerung der Piezoschwingelemente eine nur sehr geringe Leistungsaufnahme zur Folge. Schließlich ist die erfindungsgemäße Anordnung auch sehr kostengünstig und wegen der geringeren Teilezahl auch entsprechend einfach zu montieren und zu warten.

Je nach Anwendung und Spezifikation kann ein einzelnes Ventilelement mit einem oder auch mit mehreren Piezoschwingelementen ausgestattet sein. Wenn zwei oder mehr Piezoschwingelemente pro Ventilelement vorgesehen sind, sind diese vorzugsweise parallelgeschaltet und körperlich verbunden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Ventilelementes für eine modulare Piezoventilanordnung,

Fig. 2 eine Schnittansicht der eingekreisten Einzelheit der Fig. 1 und

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer modularen Piezoventilanordnung mit drei einzelnen Ventilelementen nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist ein Ventilelement für eine modulare Ventilanordnung gemäß vorliegender Erfindung dargestellt. Die wesentlichen Bauteile sind ein Gehäuse 1 als Grundkörper, das entweder als Kunststoff-Spritzgußteil oder als Abschnitt eines Metall-Strangpreßprofils gefertigt ist. Es weist je einen Druckgaskanal 2 sowie einen Gasentsorgungskanal 3 auf. Die Bohrungen 4 dienen zur mechanischen Anreihung, die Aussparung 5 zur Aufnahme von elektrischen Kontaktierungsmitteln und zum Schutz des freien Endes des Piezoschwingelementes 6. Vorzugsweise können spezielle Steckverbinder für die Aufnahme der elektrischen Kontaktierungsmittel der Ventilelemente vorgesehen werden, die ebenfalls modular in jede Aussparung 5 eines Ventilelementes passen und beispielsweise durch Schnappeinrichtungen lösbar befestigt werden können. Durch derartige Steckverbinder wird die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Ventilelementen und von der gemeinsamen zentralen Steuer- oder Meß- und Regeleinheit sichergestellt. Von einer Seite ist ein Einschnitt 7 in dem Gehäuse 1 zur Aufnahme des Piezoschwingelementes 6 so vorgesehen, daß das Piezoschwingelement 6 spielfrei in diesem Einschnitt 7 gehalten wird. Die Halterung im Einschnitt 7 wird vorzugsweise durch eine gasdichte Verklebung oder mit geeigneten Dichtmitteln vorgenommen. Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, liegt die Dichtung 8 aus einem aufgeklebten Elastomer, beispielsweise auf Butyl-Basis, mit O-Ring- Kontur kraftfrei auf der Dichtfläche 9 auf. Die Dichtung 8 kann alternativ entweder am freien Ende des Piezoschwingelementes 6 oder auf der Dichtfläche 9 befestigt sein. Diese zweite Alternative ergibt geringere bewegte Massen und somit kürzere Schaltzeiten und geringere Belastung des Piezoschwingelementes 6. Durch Verwendung von Dichtmasse oder Kleber zur Montage des Piezoschwingelementes 6 wird einerseits Gasdichtigkeit gegenüber der Umgebung sowie Bündigkeit bezüglich der Anreihfläche 10 des Gehäuses 1 des Ventilelementes erreicht. In die Dichtfläche 9 mündet ein Dosierkanal 11, durch den Gas vom Druckgaskanal 2 zum Gasentsorgungskanal 3 strömen kann. Der exakte Gasdurchfluß wird mit einer Dosierschraube 12 eingestellt, in welcher sich eine Präzisionsbohrung, beispielsweise ein Uhrenstein, befindet. Damit der Dosierkanal 11 und die Dosierschraube 12 fertigbar und montierbar sind, kann eine nicht dargestellte Montagebohrung im unteren Teil des Gehäuses 1 in den Druckgaskanal 2 vorgesehen sein, welche nach erfolgter Montage mit einer Verschlußkugel oder einem Dichtmaterial verschlossen wird. Um eine erfindungsgemäße modulare Piezoventilanordnung, also eine Ventilbank, aufzubauen, ist in Fig. 3 dargestellt, wie mehrere, nämlich beispielsweise drei, einzelne Ventilelemente über ihre Bohrungen 4 beispielsweise auf Stehbolzen aufgefädelt werden können. Dabei entsteht jeweils ein über die Breite der ganzen Ventilanordnung verlaufender Druckgaskanal 2 und ein Gasentsorgungskanal 3. Vor das erste Ventilelement ist eine Anschlußplatte 13 mit Druckgasanschluß 14 und Gasentsorgungsanschluß 15 zur Verbindung mit dem Druckgaskanal 2 und dem Gasentsorgungskanal 3 montiert. Hinter das letzte Ventilelement ist eine Abschlußplatte 16 zum Verschluß der Längskanäle montiert. Da die aufeinanderliegenden Anreihflächen 10 der einzelnen Ventilelemente planparallel sind, genügt zur Dichtung die Verwendung von lösbaren Dichtmassen, wie beispielsweise Hylomar, Silikon oder anderen geeigneten Materialien. Je nach Anwendung kann auch an beiden Seiten eine gleiche Abschlußplatte 16 vorgesehen werden und an einer Stelle zwischen zwei einzelnen Ventilelementen ein Ver- und Entsorgungsmodul. Zur Kontaktierung der Piezoschwingelemente 6 werden bei Verwendung eines Gehäuses 1 aus Metall die beiden Außenelektroden der Piezoschwingelemente praktischerweise direkt mit dem Gehäuse 1 und dieses dann mit der Gerätemasse verbunden. Als Ansteuerleitung muß nun pro Ventilelement jeweils nur die Mittelelektrode kontaktiert werden. Bei Verwendung eines Gehäuses 1 aus Kunststoff müssen auch die beiden Außenelektroden kontaktiert werden, vorzugsweise mit dem gleichen Potential. Die Kontaktierung kann, wie dem Fachmann bekannt ist, entweder durch Anlöten, durch Aufstecken mit Federclip oder durch spezielle Steckverbinder erfolgen, die genau in die Aussparung 5 der Ventilelemente passen.

In einer praktischen Anwendung bei einem typischen Vordruck im Druckgaskanal 2 von etwa 2 bar (beziehungsweise 1 bis 3 bar) ergibt sich durch überkritische Dosierung, also solange der absolute Hinterdruck im Gasentsorgungskanal 3 nicht größer als die Hälfte des absoluten Vordruckes im Druckgaskanal 2 ist, ein vom Hinterdruck des Ventilelements unabhängiger Volumenstrom.

In einer aktuellen Anwendung in der Beatmung liegt der Volumenstrom der Atemluft im Bereich von einigen Millilitern pro Minute bis zu 100 Litern pro Minute, insbesondere zwischen etwa 0,03 Litern pro Minute und 60 Litern pro Minute.

Bei binärer Stufung der einzelnen Ventilelemente sind hierfür pro Gasart 10 bis 12 Ventilelemente erforderlich.

Claims (5)

1. Modulare Piezoventilanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einer Anschlußplatte (13) mit einem Druckgasanschluß (14) und einem Gasentsorgungsanschluß (15) und einer Abschlußplatte (16) mindestens ein einzelnes Ventilelement angeordnet ist, welches in seinem Gehäuse (1) einen Druckgaskanal (2) und einen Gasentsorgungskanal (3) aufweist, wobei die Gasströmungsrichtung in jedem Ventilelement vom Druckgaskanal (2) über eine Dosierschraube (12), einen Dosierkanal (11) und ein einseitig freischwingend gehaltenes Piezoschwingelement (6) zum Gasentsorgungskanal (3) erfolgt.

2. Modulare Piezoventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes einzelne Ventilelement ein oder mehrere parallelgeschaltete, körperlich verbundene Piezoschwingelemente (6) aufweist, deren eine Seite im Gehäuse (1) gasdicht eingeklebt ist und deren entgegengesetzte Seite im elektrisch nicht angesteuerten Ruhezustand entweder verschließend auf der Dichtfläche (9) ruht oder eine definierte Öffnung bildet.

3. Modulare Piezoventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die ansonsten gleichen Ventilelemente durch die jeweils zugehörige Dosierschraube (12) für unterschiedliche Gasvolumenströme eingestellt sind und jedes Piezoschwingelement (6) entsprechend dem eingestellten Gasvolumenstrom angesteuert wird.

4. Modulare Piezoventilanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußplatte (13) als Abschlußplatte (16) ausgebildet ist und daß zwischen mindestens zwei Ventilelementen mindestens ein Ver- und Entsorgungsmodul vorgesehen ist für die Zuführung verschiedener Gase zum Druckgaskanal (2) und zur Abführung des Gasgemisches aus dem Gasentsorgungskanal (3).

5. Modulare Piezoventilanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschlußplatte (16) als Anschlußplatte (13) ausgebildet ist mit mindestens je einem Druckgasanschluß (14) und einem Gasentsorgungsanschluß (15) und daß an einer Stelle der Piezoventilanordnung der Druckgaskanal (2) mit einer Dichtung zwischen zwei einzelnen Ventilelementen verschlossen ist und alle Ventilelemente auf den gemeinsamen Gasentsorgungskanal (3) wirken.