DE19904119A1 - Rotationsverdichter für Beatmungssysteme - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen verbesserten Rotationsverdichter (1) für Beatmungssysteme mit im Kreisbetrieb transportierten Atemgasen. Dieser wasch- und sterilisierfähige Rotationsverdichter (1) ist gekennzeichnet durch ein mittels eines aerodynamischen Gas-Gleitlagers gelagertes, elektrisch angetriebenes Verdichterrad (5). Das Gas-Gleitlager besteht aus radial und axial belasteten Flächen, wobei entweder die axial belastete Fläche (10) des Verdichterrads (5) oder die axial belastete, ruhende Gehäusefläche (11) Rillen (22) aufweist.
Description
Die Erfindung betrifft einen Rotationsverdichter für Beatmungssysteme.
Derartige Beatmungssysteme werden vorzugsweise im Bereich der
Medizin verwendet, wobei auch Atemkreissysteme mit Rückatmung aus
unterschiedlichen Gründen zum Einsatz kommen.
Bekanntes Anwendungsgebiet im Bereich der Medizin ist insbesondere
der Bereich der Anästhesie, wo beispielsweise im Falle betäubender
Anästhesiemittel die Führung der ausgeatmeten und der neu zugefügten
Gase, wie z. B. Sauerstoff, im Kreisbetrieb besonders erwünscht ist.
Aus der US Ser. No, 08/965,256 ist ein Rotationsverdichter für Beatmungs
systeme bekanntgeworden, der aufgrund seiner Eigenschaften besonders
geeignet ist, der Spontanatmung des beatmeten Patienten schnell zu
folgen. Jedoch sind derartige Rotationsverdichter bislang nicht sterilisier
fähig und damit für den Einsatz als Gasfördereinrichtung in Beatmungs
systemen mit Rückatmung im Kreisbetrieb nicht geeignet.
Des weiteren ist bisher die Trennung zwischen den elektrischen Bauteilen
und dem Atemgas mit erhöhter Sauerstoffkonzentration nicht ausreichend,
so daß der zusätzlich zugefügte Sauerstoff nur im offenen Beatmungs
system und erst hinter dem Rotationsverdichter zugeführt werden kann und
somit dynamisch dosiert werden muß.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten Rotationsverdichter
für Beatmungssysteme vorzuschlagen, der einerseits wasch- und sterilisierfähig
ist und der andererseits eine sichere Trennung des Atemgases von den
elektrischen Bauteilen ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausbildungen des Erfindungs
gegenstands nach Anspruch 1 an.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich durch
die Nutzung des Atemgases selbst als Schmierstoff zwischen den gegen
einander bewegten Gleitflächen, so daß das Gleitlager völlig wartungsfrei ist.
Durch die Ausbildung des aerodynamischen Gas-Gleitlagers werden Rotor und
Stator vollständig verschleißfrei voneinander getrennt, wobei zusätzlich die
Geräuschentwicklung besonders niedrig ist im Vergleich zu konventionellen
Rotationsverdichtern, welche aufgrund der relativ hohen Rotationsgeschwindigkeit
die üblichen Wälzlager entsprechend beanspruchen.
Darüber hinaus erlaubt die einfache Konstruktion des erfindungsgemäßen
Rotationsverdichters, die vom Atemgas durchströmten Bauteile im Feldein
satz zu demontieren, zu reinigen, zu sterilisieren und wieder zu montieren,
so daß ein Einsatz in einem Beatmungssystem mit im Kreisbetrieb transpor
tierten Atemgasen sicher, hygienisch und bequem möglich wird.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Hilfe der
Figuren erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotations
verdichter, wobei die Spalte zwischen gegeneinander be
wegten Teilen zur Verdeutlichung übertrieben weit darge
stellt sind und
Fig. 2 eine dreidimensionale Ansicht eines Verdichterrades von
oben (obere Blatthälfte) und von unten (untere Blatthälfte).
Der im Schnitt (Prinzipdarstellung) gezeigte erfindungsgemäße Rotationsver
dichter 1 wird mit Hilfe eines bürstenlosen, elektronisch kommutierten Gleich
strommotors angetrieben. Der Rotor des Gleichstrommotors ist ein diametral
magnetisierter Permanentmagnet 2, der Stator 3 besteht aus drei Spulenpaaren,
von denen ein Paar im Schnitt dargestellt ist. Die Spulenpaare sind jeweils in
einem Winkel von 120 Grad zueinander symmetrisch um die Rotationsachse 4
angeordnet, so daß der Feldvektor des Spulen-Magnetfeldes um die
Rotationsachse 4 und damit um den als Permanentmagnet 2 ausgebildeten Rotor
gedreht werden kann.
Die Lage des Permanentmagneten 2 wird vorzugsweise über Hall-Sensoren
oder während der Rotation durch in den Spulen induzierte Spannungen detektiert.
Der als Rotor dienende Permanentmagnet 2 dreht sich dadurch mit dem körper
lich verbundenen Verdichterrad 5, daß die einzelnen Spulen nacheinander
zyklisch mit Strom beaufschlagt werden. Die zyklische Bestromung in Abhängig
keit von der Rotorlage, also die Kommutierung, erfolgt verschleißfrei über
ebenfalls nicht dargestellte Halbleiter-Schaltelemente. Der Rotationsver
dichter 1 ist im Ausführungsbeispiel ein Radialverdichter, jedoch können auch
andere rotierende Verdichter erfindungsgemäß ausgebildet werden, insbe
sondere Seitenkanalverdichter und Peripheralverdichter.
Das mit dem Permanentmagneten 2 verbundene Verdichterrad 5 rotiert
mittels des erläuterten Antriebs im Gehäuse 6 um die Rotationsachse 4.
Der mittels des durch die Rotation des Verdichterrads 5 im Saugstutzen 7
i erzeugte Unterdruck bewirkt den Transport des Atemgases parallel
zur Rotationsachse 4 zum Verdichterrad 5 hin, wie durch die Pfeile
dargestellt. Mittels der auch in Fig. 2 dargestellten, gekrümmten Schau
feln 21 wird das Atemgas verdichtet, verläßt schließlich das Verdichter
rad 5 senkrecht zur Rotationsachse 4 über den Druckstutzen 8 und strömt
1 zurück in das Beatmungssystem.
Der Kern der Erfindung besteht nun darin, daß eine völlig wartungsfreie
und praktisch verschleißfreie Lagerung des elektrisch angetriebenen
Verdichterrads 5 zur Verfügung gestellt wird. Hierzu erfüllt das Atemgas
selbst die Funktion des Schmierstoffs, das heißt das rotierende
Verdichterrad 5 mit dem körperlich verbundenen Permanentmag
neten 2 wird mittels eines aerodynamischen Gas-Gleitlagers gelagert.
Durch die Ausbildung eines Schmierkeils im zwischen Permanent
magnet 2 (Rotor) und Stator 3 angeordneten Spalttopf 9 werden diese
vollständig verschleißfrei voneinander getrennt, zwischen ihnen herrscht
nur noch Gasreibung.
Im Prinzip genügt für diese radial belasteten Flächen des als Gas-
Gleitlager ausgebildeten Radiallagers der Durchmesserunterschied
zwischen Stator 3 und Permanentmagnet 2 (Rotor) zur Ausbildung
des Schmierkeils. Jedoch hat sich gezeigt, daß zusätzliche Rillen
ausbildungen auch im Radiallager die Tragfähigkeit und Stabilität erhöhen.
Für die axial belasteten Flächen 10 und 11 (ruhende Gehäusefläche)
von Verdichterrad 5 und gegenüberliegender Wand des Gehäuses 6 wurde
überraschend gefunden, daß mit einer Ausbildung der axial belasteten Flächen 10
oder 11 in Form von Rillen 22, wie in Fig. 2 für die Unterseite des Verdichterrads
(axial belastete Fläche 10) gezeigt, bereits bei geringer Drehzahl ein
Aufschwimmen mit guter Tragfähigkeit erfolgt. Für einen kleinen Radialverdichter
wurde der Übergang zwischen Mischreibung und reiner Gasreibung bei etwa 190
Umdrehungen pro Minute festgestellt. Der Radialverdichter konnte ohne weiteres
oberhalb dieser Drehzahl betrieben werden, so daß der Einsatz praktisch immer
im verschleißfreien Bereich der Gasreibung möglich ist.
Im dargestellten Beispiel hatte das Verdichterrad 5 einen Durchmesser
von 50 Millimeter und eine vertikale Rotationsachse 4, so daß das
Gewicht durch ein Axiallager aufgenommen werden muß.
Das axiale Gas-Gleitlager ist im Beispiel (siehe auch Fig. 2) ein mittels Spiralrillen
ausgebildetes Rillenlager mit einem Außendurchmesser von etwa 40 Millimeter und
einem Innendurchmesser von etwa 20 Millimeter, wobei etwa 10 bis 15 Rillen 22
vorhanden sind, die eine Tiefe von etwa 25 bis 30 Mikrometer und einen
logarithmischen Verlauf aufweisen, das heißt die Rillen 22 bilden logarithmische
Spiralen mit einem Winkel von etwa 10 Grad zur Tangente. Die Breite der Rillen
22 beträgt etwa 4 bis 6 Millimeter.
Vorzugsweise weist auch die axiale Gegenlagerfläche 12 des Verdichter
rades 5 Rillen 22 auf, alternativ oder zusätzlich hierzu weist auch die ruhende
Gehäusefläche 13 des axialen Gegenlagers Rillen 22 auf. Damit wird im
Falle der dargestellten vertikalen Rotationsachse 4 verhindert, daß das
Verdichterrad 5 während der Rotation die ruhende Gehäusefläche 13 durch
Reibung mechanisch belastet.
Die radiale Dichtung mit Hilfe des Spalttopfes 9 muß magnetisch durchflutbar
und darf nicht elektrisch leitend sein, so daß keine Wirbelströme ent
stehen. Bevorzugte Materialien sind Keramik und/oder Kunststoff.
Mit vorliegender Erfindung wurde ein elektrisch angetriebener Rotations
verdichter 1 geschaffen, welcher für die Verwendung in Beatmungs
systemen mit Rückatmung und Führung der Atemgase im Kreisbetrieb
besonders geeignet ist, weil keine Verschleißteile verwendet werden,
so daß die Lebensdauer praktisch nicht begrenzt ist. Dabei ist ein
wesentlicher Vorteil, daß das Antriebselement Verdichterrad 5 ohne
weiteres ausgebaut werden kann und damit wasch- und sterilisierfähig
ist. Außerdem ist durch die Spaltrohrdichtung mittels des Spalttopfes 9 zwischen
Stator 3 und Rotor (Permanentmagnet 2) eine hermetische Trennung zwischen
dem transportierten Atemgas mit erhöhter Sauerstoffkonzentration und den
stromdurchflossenen und spannungsführenden elektrischen Bau
elementen des Antriebs gewährleistet.
Claims (11)
1. Rotationsverdichter für Beatmungssysteme, dadurch gekennzeichnet,
daß das elektrisch angetriebene Verdichterrad (5) mittels eines aero
dynamischen Gas-Gleitlagers gelagert ist.
2. Rotationsverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Gas-Gleitlager aus axial und radial belasteten Flächen besteht
und daß die axial belastete Fläche (10) des Verdichterrads (5) Rillen (22)
aufweist.
3. Rotationsverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die axial belastete, ruhende Gehäusefläche (11) Rillen (22) aufweist.
4. Rotationsverdichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß auch die axiale Gegenlagerfläche (12) des Verdichterrades (5)
Rillen (22) aufweist.
5. Rotationsverdichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,
daß auch die ruhende Gehäusefläche (13) des axialen Gegenlagers
Rillen (22) aufweist.
6. Rotationsverdichter nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die radial belastete Fläche des Ver
dichterrads (5) und/oder die radial belastete Fläche des Gegenlagers des
Verdichterrads (5) Rillen (22) aufweist.
7. Rotationsverdichter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (22) in Form von loga
rithmischen Spiralen ausgebildet sind.
8. Rotationsverdichter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rotation des Verdichterrads (5)
mittels des Zusammenwirkens eines mit dem Verdichterrad (5) auf
der Rotationsachse (4) körperlich verbundenen Permanentmagne
ten (2) und eines durch Spulen im radialen Gegenlager erzeugten, um
die Rotationsachse (4) drehenden Magnetfeldes bewirkt wird.
9. Rotationsverdichter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Gas parallel zur
Rotationsachse (4) des Verdichterrads (5) zugeführt wird und senk
recht zur Rotationsachse (4) das Verdichterrad (5) verläßt.
10. Rotationsverdichter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9,
gekennzeichnet durch die Ausbildung als Radialverdichter oder
Seitenkanalverdichter.
11. Verwendung eines Rotationsverdichters nach mindestens einem
der Ansprüche 1 bis 9 als Antrieb für im Kreisbetrieb transportierte
Atemgase in einem Beatmungssystem.
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