DE19907362A1 - Vorrichtung zum Mischen von zumindestens zwei Gaskomponenten - Google Patents

Vorrichtung zum Mischen von zumindestens zwei Gaskomponenten

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Abstract

Eine Vorrichtung zum Mischen von zumindest einer ersten und einer zweiten Gaskomponente mittels einer Venturi-Düse (7), welche einen Treibgasanschluß (6) für Antriebsgas, einen Ansaugkanal (11) und einen Gasauslaß (8) aufweist, soll derart verbessert werden, daß das Verhältnis der zu mischenden Gaskomponenten zueinander in einem großen Bereich verändert werden kann. Zur Lösung der Aufgabe ist vorgesehen, daß zwischen dem Treibgasanschluß (6) und dem Ansaugkanal (11) eine einen ersten Teilstrom der ersten Gaskomponente zum Ansaugkanal (11) umlenkende erste Bypassleitung (14) mit einer ersten Drosselstelle (15) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Aus der US 2,379,551 ist eine Vorrichtung der genannten Art bekannt, bei der dem durch eine Venturi-Düse strömenden Antriebsgas über eine Vakuumkammer ein bestimmter Teilstrom Umgebungsluft zugemischt wird. Die Vakuumkammer besitzt hierzu einen Ansaugkanal, über den die dem Antriebsgas zuzumischende Gaskomponente zur Venturi-Düse gelangt. Wird als Antriebsgas reiner Sauerstoff verwendet und über den Ansaug­ kanal Umgebungsluft angesaugt, dann stellt sich am Gasauslaß der Venturi-Düse eine sich aus den Teilströmen der Gaskomponenten er­ gebende mittlere Sauerstoffkonzentration ein. Mit der bekannten Gas­ mischvorrichtung lassen sich bei bestimmten Notfall-Beatmungsgeräten auf einfache Weise Sauerstoff-Luft-Gasgemische herstellen. Da das Antriebsgas auch als Atemgaskomponente verwendet wird, ist der Sauerstoffverbrauch während des Geräteeinsatzes minimiert, so daß das Volumen der mitzuführenden Sauerstoffflasche auf die kleinstmögliche Größe beschränkt werden kann.
Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung ist, daß sich die Sauerstoffkon­ zentration im Gasgemisch nur sehr eingeschränkt verändern läßt, so daß sich im praktischen Betrieb nur einfache maschinelle Beatmungs­ formen oder eine partielle Unterstützung der Spontanatmung realisieren lassen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der genannten Art derart zu verbessern, daß das Verhältnis der Gaskomponenten zueinander in einem großen Bereich verändert werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Der Vorteil der Erfindung besteht im wesentlichen darin, daß durch eine Bypassleitung mit einer Drosselstelle zwischen dem Treibgasanschluß und dem Ansaugkanal, ein Teilstrom des Treibgases zum Ansaugkanal umgelenkt wird, wo dieser zusammen mit der dem Antriebsgas zuzumischenden Gaskomponente angesaugt wird. Durch Veränderung des Durchströmungsquerschnittes der Drosselstelle und damit des Teilstromes in der Bypassleitung, läßt sich eine für praktische Anwendungen in der Beatmung ausreichende Variationsbreite des Verhältnisses der zu mischenden Gaskomponenten zueinander realisieren. Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Mischen von Sauerstoff mit Umgebungsluft eingesetzt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Besonders vorteilhaft ist es, mittels einer zweiten Bypassleitung zwischen dem Treibgasanschluß und dem Gasauslaß der Venturi-Düse einen zweiten Teilstrom der ersten Gaskomponente zum Gasauslaß der Venturi-Düse umzulenken. In der zweiten Bypassleitung befindet sich ebenfalls eine Drosselstelle, mit der die Höhe des zweiten Teilstromes verändert werden kann.
Besonders vorteilhaft ist es, im Leitungszug des Ansaugkanals eine Misch­ kammer vorzusehen, welche an die erste Bypassleitung angeschlossen ist. Innerhalb der Mischkammer befindet sich ein großflächiger, poröser, gas­ durchströmbarer Zylinder, der in Form einer Trennwand zwischen einem mit der ersten Bypassleitung in Verbindung stehenden Außenraum und einem Innenraum angeordnet ist. Der Innenraum ist dabei ein Abschnitt des Ansaug­ kanals. Der poröse Zylinder bewirkt eine laminare, großflächige Einströmung des aus der ersten Bypassleitung ausströmenden Gases in den Innenraum der Mischkammer, wodurch eine gute Durchmischung der Gaskomponenten innerhalb des Innenraums erreicht wird.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Figur dargestellt und im folgenden näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 schematisch den Aufbau eines Gasmischers mit einer Venturi-Düse,
Fig. 2 ein Kennlinienfeld für den Gasmischer nach der Fig. 1,
Fig. 3 die Venturi-Düse nach der Fig. 1 mit vorge­ schalteter Mischkammer.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Gasmischers 1 zum Mischen einer ersten Gaskomponente aus einer ersten Gasquelle 2 mit einer zweiten Gaskomponente aus einer zweiten Gasquelle 3. Die erste Gasquelle 2 bein­ haltet eine in der Fig. 1 nicht dargestellte, mit Sauerstoff gefüllte Gasflasche und als zweite Gasquelle dient Umgebungsluft. Die erste Gasquelle 2 ist über einen Druckminderer 4, der den Sauerstoff auf einen Druck von etwa 2 bar entspannt, und ein erstes Dosierventil 5 mit einem Treibgasanschluß 6 einer Venturi-Düse 7 verbunden. Abströmseitig eines Gasauslasses 8 der Venturi-Düse 7 befinden sich eine erste Flußmeßeinrichtung 9 und ein Ver­ braucher 10. Über einen Ansaugkanal 11 der Venturi-Düse 7 wird Luft aus der Umgebung durch den von der Venturi-Düse 7 erzeugten Unterdruck an­ gesaugt. Im Ansaugkanal 11 befinden sich eine Mischkammer 13, ein Rückschlagventil 12 und eine zweite Flußmeßeinrichtung 21. Abströmseitig des Druckminderers 4 zweigt von einem Verteiler 16 eine erste Bypassleitung 14 mit einem zweiten Dosierventil 15 ab, die innerhalb der Mischkammer 13 in den Ansaugkanal 11 mündet. Über die erste Bypassleitung 14 kann mittels des zweiten Dosierventils 15 ein erster Teilstrom aus der ersten Gasquelle 2 der angesaugten Umgebungsluft zugemischt werden. Durch das Rückschlagventil 12 wird verhindert, daß Gas aus dem Ansaugkanal 11 in die Umgebung abströmt. Im vorliegenden Fall vermindert sich das Volumen der angesaugten Umgebungsluft um das Volumen des zudosierten Sauerstoffs.
Aus der ersten Gasquelle 2 wird am Verteiler 16 ein zweiter Teilstrom ent­ nommen, der über eine zweite Bypassleitung 17 und ein drittes Dosierventil 18 zum Gasauslaß 8 der Venturi-Düse umgelenkt wird. Hierdurch kann das am Gasauslaß 8 austretende Mischgas mit der ersten Gaskomponente angereichert werden, wodurch sich einerseits der dosierte Gesamtgasfluß als auch die Sauerstoffkonzentration verändern lassen.
Die Dosierventile 5, 15, 18 sind als elektrisch ansteuerbare Ventile ausgeführt und über Signalleitungen 19 mit einer zentralen Auswerte- und Steuereinheit 20 verbunden. Als Dosierventile 5, 15, 18 sind besonders gut elektrisch ansteuerbare Proportionalventile geeignet. An die Steuereinheit 20 sind ebenfalls die Flußmeßeinrichtungen 9, 21 angeschlossen. Die Flußmeßeinrichtungen 9, 21 dienen einerseits zur Messung des an den Verbraucher 10 abgegebenen Gesamtgasflusses V, der mit der ersten Flußmeßeinrichtung 9 bestimmt wird, und andererseits zur Lieferung von Meßgrößen, aus denen die Sauerstoffkonzentration berechnet werden kann.
Die am Verbraucher 10 vorliegende Sauerstoffkonzentration FiO2 resultiert aus dem Gesamtgasfluß V und aus dem über den Ansaugkanal 11 angesaugten Umgebungsluft-Gasfluß VL, der mit der zweiten Flußmeßein­ richtung 21 bestimmt wird. Die Sauerstoffkonzentration wird in der Steuer­ einheit 20 aus der formelmäßigen Beziehung
FiO2 = 1-0,79 × VL/V
errechnet.
Die Arbeitsweise des erfindungsgemäßen Gasmischers soll anhand des in der Fig. 2 veranschaulichten Diagramms erläutert werden.
In der Fig. 2 ist die sich am Verbraucher 10 einstellende Sauerstoffkonzen­ tration (FiO2) in Abhängigkeit des dem Verbraucher 10 zugeführten Gesamt­ gasflusses V für verschiedene Öffnungsstellungen des ersten Dosierventils 5, des zweiten Dosierventils 15 und des dritten Dosierventils 18 veranschaulicht. Zunächst sei der Fall betrachtet, daß das erste Dosierventil 5 geöffnet ist und die Dosierventile 15, 18 geschlossen sind. In Abhängigkeit des Öffnungsgrades des ersten Dosierventils 5 verändert sich lediglich der Gesamtgasfluß V, während die Sauerstoffkonzentration nahezu unverändert bleibt.
Aufgrund der überkritischen Strömungsverhältnisse innerhalb der Venturi-Düse 7 läßt sich allein mit dem ersten Dosierventil 5 nur ein maximaler Gasfluß V von etwa 40 Liter pro Minute realisieren. Über den Ansaugkanal 11 wird, entsprechend des mit dem ersten Dosierventil 5 eingestellten Sauerstoff- Gasflusses, ein entsprechendes Umgebungsluftvolumen angesaugt. Soll im Bereich I bis zu einem Gesamtgasfluß V von 40 Liter pro Minute eine Sauer­ stoffkonzentration oberhalb von 40 Vol. % eingestellt werden, so geschieht dieses durch Öffnen des zweiten Dosierventils 15, wodurch ein Teil des an­ gesaugten Umgebungsluftvolumens durch Sauerstoff ersetzt wird. Dieses führt zu einem Abfall des mit der zweiten Flußmeßeinrichtung 21 gemessenen Umgebungsluftvolumens und damit eines Anstiegs der Sauerstoffkonzentration. Gesamtgasflüsse V oberhalb von 40 Liter pro Minute können im Bereich II durch Öffnen des dritten Dosierventils 18 eingestellt werden. Mittels der Dosierventile 15, 18 lassen sich sowohl der Gesamtgasfluß als auch die sich in dem Gasgemisch einstellende Sauerstoffkonzentration verändern.
Gasgemische mit veränderbarer Sauerstoffkonzentration sind bis zu einem Gesamtgasfluß V von etwa 80 Liter pro Minute einstellbar.
Fig. 3 zeigt schematisch den Aufbau der Venturi-Düse 7 mit vorgeschal­ teter Mischkammer 13. Die Mischkammer 13 befindet sich im Leitungszug des Ansaugkanals 11. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern der Fig. 1 bezeichnet. Die Mischkammer 13 ist durch einen porösen Zylinder 22 in einen Innenraum 23 und einen Außenraum 24 unterteilt. Der Innenraum 23 ist Teil des Ansaugkanals 11, wobei sich das Rückschlagventil 12 am unteren Ende des Innenraums 23 befindet. Der Außenraum 24 ist mit der ersten Bypassleitung 14 verbunden. Der in die Mischkammer 13 einströmende Sauerstoff verteilt sich zunächst im Außenraum 24 gleichmäßig über die Außenfläche des porösen Zylinders 22 und gelangt durch dessen, in der Fig. 3 nicht dargestellten, Poren in den Innenraum 23, wo er sich mit der über das Rückschlag­ ventil 12 einströmenden Umgebungsluft vermischt. Der poröse Zylinder 22 wirkt hierbei als Laminator für die Sauerstoffeinströmung in den Innen­ raum 23 und bewirkt dort eine besonders gute Durchmischung der Gas­ komponenten.

Claims (9)

1. Vorrichtung zum Mischen von zumindestens einer ersten Gas­ komponente mit einer zweiten Gaskomponente mittels einer Venturi-Düse (7), welche einen Treibgasanschluß (6) für Antriebsgas, einen Ansaugkanal (11) und einen Gasauslaß (8) aufweist, wobei die erste Gaskomponente dem Treibgasanschluß (6) und die zweite Gaskomponente dem Ansaugkanal (11) zugeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Treibgasanschluß (6) und dem Ansaugkanal (11) eine einen ersten Teilstrom der ersten Gaskomponente zum Ansaugkanal (11) umlenkende erste Bypass­ leitung (14) mit einer Drosselstelle (15) vorgesehen ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Treibgasanschluß (6) und dem Gasauslaß (8) eine einen zweiten Teilstrom der ersten Gaskomponente zum Gas­ auslaß (8) leitende zweite Bypassleitung (17) mit einer Drosselstelle (18) vorhanden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß anströmseitig des Treibgasanschlusses (6) ein erstes Dosierventil (5) zur Einstellung des Flusses des Antriebsgases vorgesehen ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Drosselstellen (15, 18) elektrisch ansteuerbare Dosierventile (15, 18) vorhanden sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Ansaugkanal (11) eine erste Flußmeßeinrichtung (21) zur Messung des Gasflusses der zweiten Gaskomponente vorgesehen ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß abströmseitig der Venturi-Düse (7) eine zweite Flußmeßeinrichtung (9) zur Bestimmung eines aus Teilgasströmen der ersten Gaskomponente und der zweiten Gaskomponente resultierenden Gesamtgasflusses V vorhanden ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Leitungszug des Ansaugkanals (11) eine mit der ersten Bypass­ leitung (14) verbundene Mischkammer (13) vorgesehen ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Mischkammer (13) ein poröser, gasdurchströmbarer Zylinder (22) vor­ handen ist, durch welchen die Mischkammer (13) in einen mit der Bypassleitung (14) in Verbindung stehenden Außenraum (24) und einen Teilabschnitt des Ansaugkanals (11) bildenden Innenraum (23) unterteilt ist.
9. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 als Gasmischer in einem tragbaren Beatmungsgerät.
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