DE2134871A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Mischen von Gasen - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Mischen von Gasen

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Description

Verfahren und Vorrichtung zum Mischen von Gasen.
Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der entsprechenden U.S.-Anmeldung Serial No. 54 9 34 vom 15. Juli 197o in Anspruch genommen.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Mischen des von zwei voneinander getrennten, jeweils ein unter Druck stehendes Gas führenden Quellen abgegebenen Gases für die Anwendung in medizinischen Beatmungsgeräten und dgl.
Bei der therapeutischen Behandlung von Herz-Lungen-BeoChwerden oder anderen, physiologisch bedingten Zuständen eines Patienten werden mechanische Beatmungsgeräte zur Beatmung der Lungen und Atemwege eingesetzt. Diese Beamtungsgeräte wurden mit komprimiertem Gas betrieben, wie z.B. Sauerstoff unter einem Druck von 3,5 atü, der im allgemeinen in Krankenhäusern und Kliniken über Installationsleitungen zur Verfügung steht. Andernfalls können auch handelsübliche Sauerstofflaschen unter Zwischenschaltung von Druckreduzier-
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Ventilen verwendet werden, mit denen der Druck auf den für die Beatmungsgeräte erforderlichen Betriebsdruck von 3,5 atü herabgesetzt wird.
Mit der Verbreitung und dem routinemässigen Einsatz von mit Sauerstoff betriebenen medizinischen Beatmungsgeräten haben die Fälle von Sauerstofftoxizität zugenommen, so daß ein dringender Bedarf für ein praktisches, wirksames und sauberes Verfahren und eine dementsprechende Vorrichtung zur genauen Steuerung der Sauerstoffzufuhr zum Patienten entstanden ist, um die Gefahr einer Sauerstoffvergiftung herabzusetzen.
Physiologisch gesehen benötigt der durchschnittliche Patient in der Lungentherapie keine Sauerstoff-Spannungen oder -Drücke, die über dem Wert der Luft von 21% liegen. Es gibt jedoch eine ausreichend große Anzahl von Patienten für medizinische Beatmungsgeräte, die Diffusions- und Profusionabweichungen zeigen, welche erhöhte Sauerstoff-Spannungen in den eingeatmeten Beatmungsgasen angezeigt erscheinen lassen.
Da nunmehr klinische Vorrichtungen zur raschen Analyse von arteriellen Sauerstoff-Spannungen entwickelt worden sind, ist die Frage nach einem Beatmungsgerät, das genau bemessene Sauerstoff-Spannungen liefert, durchaus gerechtfertigt. Der therapeutische Gesamtwirkungsgrad
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läßt sich nämlich durch Beobachtung der arteriellen Sauerstoffwerte eines mit einem mechanischen Atmungsgerät behandelten Patienten bestimmen. Wenn das Atmungsgerät einen Beatmungswert aufrecht erhält, der ausreichend hoch ist, um die normalen Kohlendioxid-Spannungen aufrecht zu erhalten, lassen sich die arteriellen Sauerstoff-Spannungen durch Steigerung oder Verringerung der Sauerstoff-Spannungen theoretisch auf gewünschte Werte einstellen, bei denen eine gewünschte arterielle Titration erzielt wird. Aus diesem Grunde besteht ein Bedarf für ein Verfahren und eine Vorrichtung, vermittels denen sich genaue Sauerstoff-Spannungs-Einstellungen vornehmen lassen.
Bei bekannten medizinischen Beatmungsgeräten wird im allgemeinen ein Venturirohr verwendet, das sowohl zur Verdünnung von Sauerstoff mit Luft als auch als pneumatische Kupplung gegen Atmungswiderstände dient. Vermittels eines Verdünnungs-Venturis in diesen Geräten lassen sich auf mechanische Weise Sauerstoff-Konzentrationen innerhalb eines Bereichs von M-0% bis zu 100% vorwählen. Die mechanischen Einstellungen sind jedoch im Hinblick auf die bei der mechanischen Belüftung der Lunge auftretenden Veränderlichen ungenau. Daher kann ein medizinisches Beatmungsgerät, das auf eine Verdünnung von 40% eingestellt ist, bei voller Einatmung bis zu 100% betragende Sauerstoff-Spannungen liefern. Der ursprüngliche Einstellwert von 40% wird in
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erster Linie durch den Zerstäuberstrom, und in zweiter Linie durch fortschreitendes Zusammenbrechen der Venturimitnehmewirkung bei Druckanstieg an von der Lunge entfernten Stellen gesteigert. Die mittlere Sauerstoffkonzentration hat daher irgendeinen zwischen 40% und 100% betragenden Wert und hängt von den Antriebsdrücken an der Venturidüse, dem Zerstäuberstrom und den Atmungswiderständen ab.
Medizinische Beatmungsgeräte, in denen ein Venturi als pneumatische Kupplung verwendet wird, erzeugen während der Einatmungsphase aufgrund von Veränderlichen wie z.B. elastischen und nichtelastisehen Widerständen innerhalb der Atmungsorgane einen nichtlinearen Lungengesamtwiderstand. Wenn ein Venturi mit konstantem Antriebsdruck gegen einen veränderlichen Lungenwiderstand arbeitet, ergibt sich natürlich ein veränderlicher Durchsatz. Ein Venturi, das als reziproker Durchsatzdruckwandler arbeitet, steigert bei der mechanischen Beatmung der Lunge die Verteilung der eingeatmeten Gase.
Bei herkömmlichen Verfahren zur Zufuhr erhöhter Sauerstoff-Spannungen in Einatmungsgasen mit einem mechanischen Atmungsgerät5 das vermittels eines Venturis stabilisiert ist, gibt es auch den Fall, daß das Beatmungsgerät anstelle von Preßluft durch Sauerstoff angelrieben wird« Preßluft kann als primäres Arbeitsgas verwendet werdeng wobei zusätzlicher Sauerstoff in den Atmungskreislauf
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eingeführt wird, um höhere Spannungen zu erhalten. Ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, Sauerstoff und andere Beatmungsgase zunächst miteinander zu vermischen und dann das Gemisch durch das Venturi zuzuführen. Das gleiche Gas muß nach Bedarf zugeführt werden , um die Mitnehmewirkung an dem Venturi zu erzeugen.
Nach einem weiteren bekannten Verfahren werden Sauerstoff und Luft in einer Zumeßvorrichtung miteinander vermischt, in welcher die Gase in einem für jedes Gas gesteuerten Durchsatzverhältnis zusammengeführt werden. Die nach diesem Verfahren verwendete Zumeßvorrichtung weist zwei einstellbare öffnungen auf, die mechanisch miteinander gekoppelt sind, so daß bei Steigerung der Größe der für das eine Gas zur Verfugung stehenden Öffnungsfläche gleichzeitig die Größe der für das andere Gas zur Verfügung stehenden öffnungsfläche verringert wird. Die Größen der Öffnungsflächen v/erden durch Nadelventile gesteuert, die auf voneinander unabhängigen Wellen gelagert sind, welche vermittels einer Zahnradübersetzung mit einer zur prozentualen Sauerstoff eins teilung dienenden Steuerung verbunden sind. Zum Abgleich und zur Steuerung der Drücke in der Weise, daß der Druckabfall an der Zumeßvorrichtung für beide Gase gleich hoch is L, werden zwei getrennte Durchflußsteuervorrichtungen verwendet, die sich auf der Abstromseite der Zumeßvorrichtung befinden und mit Druckbezugswerten der Einlaß- und Auslaßgase arbeiten, um das Durchsatzverhältnis auf
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dem durch die Zumeßvorrichtung ausgewählten Wert zu halten. Der Druckabfall an der Zumeßvorrichtung wird dadurch gleich hoch gemacht, daß die Drücke auf der Abstromseite der Zumeßöffnungen in bezug auf die Einlaß- und Auslaßdrücke verändert v/erden. Dieses Verfahren arbeitet aufgrund bestimmter konstruktiver Beschränkungen und Fehlerquellen in der Durchsatzsteuerung nicht ganz zufriedenstellend. Für den Druck auf der Abstromseite müssen ein Regler und eine Warnvorrichtung verwendet werden, durch welche niedrige Auslaßdrücke angezeigt werden, da das Gerät auch dann noch weiter arbeitet, wenn eine Gaszufuhr ausfällt. Wenn der Druckunterschied in den einlaßseitigen Gasdrücken um mehr als 0,35 at schwankt, entwickelt sich ein Fehler zunehmender Größe. Außerdem müssen konstant insgesamt etwa 9 l/min gas an die freie Atmosphäre abgegeben werden, um eine Genauigkeit von 95% zu erzielen, wobei sich diese Genauigkeit fortschreitend verändert, wenn ein unter 15 l/min liegender konstanter oder intermittierender Durchsatz benötigt wird.
Aus den dargelegten Gründen werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen von Gas benötigt - und darin besteht die Aufgabe der Erfindung - die eine hohe Genauigkeit des Durchsatzes und der Drucksteuerung ermöglichen, und wobei die Vorrichtung kleiner ist, ein geringeres Gewicht aufweist und anpassungsfähiger ist als bekannte Konstruktionen und in der Lage ist, einem Patienten gesteuer-
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te Sauerstoffkonzentrationen vermittels eines Beatmungsgerätes, eines Atmungsgeräts und eines Geräts mit freiem Strömungsdurchgang zuzuführen.
Entsprechend dem Verfahren und der Vorrichtung nach der Erfindung zum gesteuerten Mischen von Gasen, die von voneinander getrennten, jeweils ein unter Druck stehendes Gas führenden Kreisen mit abgeglichenem Druck und in einem vorbestimmten Durchsatζverhältnis in einen Abgabekanal abgegeben werden, wird eine Druckabgleichsvorrichtung als erste Stufe oder stattdessen ein Paar in Reihe geschalteter DruckabgleichsVorrichtungen verwendet, um einen sehr genauen Druckausgleich in den beiden Kreisen herbeizuführen, und das Gas dann einer Differentialgasmischventilanordnung zugeführt, in welcher das Durchsatzverhältnis der beiden Kreise wahlweise gesteuert wird und die Gase in einem Abgabekanal miteinander vermischt werden.
Das zu diesem Zweck vorgeschlagene Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in jedem Kreis durch eine Durchflußsteuervorrichtung hindurch zu einem abstromseitigen Teil des betreffenden Kreises abgegeben wird, wobei in Abhängigkeit von einem höheren Druck auf der Abstromseite der einen Steuervorrichtung in bezug auf den Druck auf der Abstromseite der anderen Steuervorrichtung der Durchfluß an der anderen Steuervorrichtung gesteigert und gleichzeitig der Durchfluß an der einen
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Steuervorrichtung verringert wird und auf beiden Abstromseiten gleiche Drücke eingestellt werden, die Gasdurchsatzgeschwindigkeiten auf den Abstromseiten der beiden Kreise in einem vorbestimmten gegenseitigen Verhältnis zugemessen und die auf beiden Abstromseiten zugemessenen Gase miteinander vermischt und dem Abgabekanal zugeführt werden.
Die zur Ausführung des Verfahrens vorgeschlagene Vorrichtung weist eine Druckabgleichsvorrichtung, welche zum Gasdruckabgleich in einem Segment jedes Kreises dient, mit einem in dem einen Kreis befindlichen ersten Steuerventil und einem in dem anderen Kreis befindlichen zweiten Steuerventil, eine zum Öffnen und Schließen des ersten Ventils und damit verbundenen Schließen bzw. Öffnen des zweiten Ventils dienende, auf einen Druckurterschied zwischen den Gasen auf der Abstromseite des ersten und des zweiten Ventils ansprechbare und zur Herstellung gleicher Drücke auf der Abstromseite beider Ventile dienende Ventilstellvorrichtung und ein zum Mischen der Gase beider Kreise auf der Abstromseite der Steuervorrichtungen in den Abgabekanal dienendes Mischventil auf.
Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig, 1 ist ein Aufriß einer bevorzugten Ausführungsform der Gasmischvorrichtung nach der Erfindung
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in Verbindung mit einem mechanischen Beatmungsgerät.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung der
Fig. 1.
Fig. 3 ist ein Aufrißquerschnitt in einem größeren
Maßstab entlang der Linie 3-3 der Fig. 1. Fig. 4 ist ein Aufrißquerschnitt entlang der Linie
4-4 der Fig. 3.
Fig. 5 ist ein Aufrißquerschnitt entlang der Linie
5-5 der Fig. 3.
Fig. 6 ist eine teilweise schematische Darstellung
der erfindungsgemässen Vorrichtung und zeigt
deren Arbeitsweise.
In Fig. 1 der Zeichnungen ist mit dem Bezugszeichen Io ganz allgemein eine Vorrichtung zum gesteuerten Mischen von Gasen entsprechend dem erfindungsgemässen Verfahren dargestellt. Die Vorrichtung Io befindet sich in der Betriebsstellung zum Mischen von Gasen wie z.B. Sauerstoff und Luft und zur Abgabe derselben an ein allgemein mit 11 bezeichnetes Beatmungsgerät. Wenngleich die bevorzugte Ausführungsform hier in Verbindung mit einem Beatmungsgerät zur Beatmung der Lungon eines Patienten dargestellt ist, läßt sich die Erfindung ganz allgemein zum gesteuerten Mischen ungleichförmiger Gase verwenden, die von voneinander getrennten und jeweils ein unter Druck stehendes Gas führenden Quellen abgegeben werden, und einem gemeinsamen Abgabekanal zugeführt
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werden sollen.
Das Beatmungs- oder Atmungsgerät 11 kann in großen Zügen dem Gerät entsprechen, das in der U.S.-Patentschrift 3 331 368 von Bird und anderen vom 18.7.19 67 beschrieben ist. Hier soll lediglich ausgeführt werden, daß ein Beatmungsgerät der in der vorgenannten Patentschrift beschriebenen Ausführung ganz allgemein ein Steuergerät 12 enthält, dem ein unter Druck stehendes Gasgemisch durch den Einlaßstutzen 13 zugeführt wird. Das Steuergerät ist über auslaßseitige Schlauchleitungen IU und 16 mit einem geeigneten Anpaßstück 17 für den Patienten und einem Zerstäuber 18 verbunden. Das Steuergerät 12 weist eine Einatmungs-Durchsatzsteuerung 19, eine Unterdrucksteuerung 21, eine Ausatmungszeitsteuerung (apnea) 22, eine Einatmungsdrucksteuerung 24, eine Empfindlichkeitsdrucksteuerung 26, einen zum Messen des Drucks in der Beatmungskammer dienenden Druckmesser 27 und einen elastischen Beutel oder Prüflunge 28 auf, die über eine Entlüftungsleitung 29 und ein Anschlußstück 31 mit dem Gaseinlaß des Steuergerätes 12 verbunden ist.
Die Gasmischvorrichtung Io ist oberhalb des Beatmungsgerätes 11 angeordnet und weist ein Paar Einlaßstutzen 32, 33 auf, die mit hier nicht dargestellten einlaßseitigen Schlauchleitungen für die von voneinander getrennten Gaskreisen oder unter Druck stehenden Gasquellen zugeführten und miteinander zu vermischenden Gasen verbindbar sind.
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In der bevorzugten Ausführungsform wird unter Druck von z.B. 3,5 atü stehender Sauerstoff durch den Einlaßstutzen 33 in die Vorrichtung Io eingeführt und in dieser mit dem gewünschten therapeutischen, anästhetischen oder Beatmungsgas wie z.B. Luft vermischt, das unter Druck durch den Einlaßstutzen 32 zugeführt wird.
Die Vorrichtung Io ist nach dem Baukastenprinzip aufgebaut und weist eine erste Druckabgleichstufe 34, eine auf der Abstromseite der ersten Stufe befindliche zweite Druckabgleichstufe 36 und eine Differentialgasmischvorrichtung 37 auf, welche dazu dient, das Durchsatzverhältnis der beiden Gase während des Mischvorgangs und der Abgabe durch den Auslaßstutzen 38 in das Anschlußstück 31 des Beatmungsgeräts zu steuern. Erste und zweite Druckabgleichstufe sind in Reihe geschaltet und dienen zur Herstellung eines äußerst genauen Druckabgleichs zwischen den beiden Einlaßgasen, so daß die Abgabedrücke beider Gase an der Differentialgasmischvorrichtung 37 gleich hoch sind und das gewünschte Gasgemisch aufrecht erhalten wird, da das vorgewählte Durchsatzverhältnis durch die Differentialgasgemischvorrichtung 37 nicht verändert, sondern konstant gehalten wird. Anstelle der hier dargestellten und zur Steigerung der Genauigkeit bei der Steuerung von Druck und Durchsatζverhältnis bevorzugten doppelten Druckabgleichstufe läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auch ver-
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mittels einer einzigen Druckabgleichstufe ausführen und die vorgeschlagene Vorrichtung kann dementsprechend ausgebildet sein.
Die beiden Druckabgleichstufen 34, 36 sind in ihrem Aufbau im wesentlichen einander gleich und bestehen jeweils aus Paaren flacher Blöcke aus einem geeigneten Werkstoff wie z.B. einem Polymerisat. Die Blöcke sind durchbohrt und mit Ausnehmungen versehen, welche verschiedene Hohlräume und Gasdurchlaßkanäle bilden. Die erste Druckabgleichstufe 34 besteht aus zwei aneinander^tossenden Blöcken 39, 41, während die zweite Druckabgleichstufe 36 aus zwei aneinander anstossenden Blöcken 42, 43 besteht. Die vier Blöcke sind vermittels geeigneter Vorrichtungen.wie z.B. nicht dargestellte Bolzen in der dargestellten Weise miteinander verbunden.
Die erste Druckabgleichstufe 3 4 weist ein Paar stumpf kegelig ausgebildeter Durchfluß- oder Durchs at zs treue rventilglieder 44, 46 auf, die zusammen verstellbar und auf einem gemeinsamen Schieberbund 47 gelagert sind, der in Axialrichtung innerhalb der Bohrung 48 angeordnet ist. Die Ventile 44, 46 steuern den Durchsatz jeweils aus der Kammer 52, 53 durch einen sich konisch verjüngenden Ventilsitz 49 bzw. 51, welcher jeweils mit der Bohrung 48 in Verbindung steht. Die Kammer 5 2 steht in Verbindung mit einem Gaskreis wie z.B. der unter Druck stehenden Sauerstoi'fquelJe, und zwar vermittels des Kanals 54 , welcher zu dem Einlaßstutr.en
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33 führt. Die Kammer 5 3 steht vermittels des zum Einlaßstutzen 32 führenden Kanals 56 in Verbindung mit dem anderen Gaskreis wie z.B. der Druckluftquelle.
Das auf Druck ansprechbare Ventilstellglied besteht aus einer biegsamen Membran 57, die zum Verstellen der Steuerventilglieder 44, 46 dient. Die beiden Blöcke 39, 41 weisen an ihren aneinander angrenzenden Flächen jeweils eine Aussparung auf, so daß ein flacher zylindrischer Hohlraum 5 8 gebildet ist, welcher an seinem inneren Umfang mit der Bohrung 48 in Verbindung steht. Die Membran 57 besteht aus einer inneren starren Scheibe 59, die einerseits mit dem Schieberbund 47 und andererseits mit einer biegsamen Ringscheibe 61 aus einem geeigneten elastomeren Werkstoff verbunden ist, welche an ihrem äußeren Umfang in flüssigkeitsdichtem Eingriff zwischen den Blöcken 39 und 41 befestigt ist. Die Membran 57 unterteilt den Hohlraum 58 in zwei Druckkammern, die jeweils mit der Abstromseite eines Ventils 44 bzw. 46 in Verbindung stehen. Bei Ablenkung der Membran unter dem Einfluß eines Druckungleichgewichts in den beiden Kammern des Hohlraums 5 8 wird der Schieberbund 47 in Axialrichtung verschoben und öffnet dabei das eine Steuerventil, während er· gleichzeitig das andere Ventil schließt. Der jeweils unter einem höheren Druck stehende Gaskreis erzeugt eine resultierende Kraft auf die Membran, durch welche diese in einer solchen Richtung gedrückt wird, daß das auf der Hochdruckseite befindliche Ventil geschlossen und gleich-
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zeitig und reziprok dazu das in dem Gaskreis mit Niederdruck befindliche Gas um einen entsprechenden Betrag in die Öffnungsstellung verstellt wird. Der verringerte Gasdurchtritt auf der Hochdruckseite der Membran und der damit verbundene erhöhte Durchsatz auf der Niederdruckseite erreicht dann einen Null- oder Abgleichspunkt, wenn die beiden Gasdrücke auf den Abstromseiten der betreffenden Ventile im Gleichgewicht sind. Die auf gleiche Drücke gebrachten Gase strömen dann in Reihe zur zweiten Druckabgleichstufe 36, in welcher eine noch feinere Abstimmung des Druckabgleichs der beiden Drücke erfolgt. Das durch das Ventil 44 hindurchtretende Gas wie z.B. Sauerstoff tritt somit in den Kanal 62 ein, während das durch das Ventil 46 hindurchtretende Gas wie z.B. Luft in den Kanal 63 eintritt.
Die zweite Druckabgleichstufe 36 ist von ähnlichem Aufbau, arbeitet in gleicher Weise wie die.erste Stufe 34 und besteht aus den beiden Blöcken 42, 43, die jeweils mit Bohrungen und Ausnehmungen versehen sind, durch welche eine in Verbindung mit dem Kanal 62 stehende Kammer 64 und eine in Verbindung mit dem Kanal 63 stehende Kammer 6 6 gebildet wird. Die Kammer 66 ist gegenüber der gegenüberliegenden Kammer 53 der ersten Stufe vermittels einer geeigneten Dichtungsscheibe 6 7 abgedichtet. Geeignete Gasdichtungen wie z.B. O-Ring-Dichtungen 6 8 sind in Nuten in den aneinander anstossenden Grenzflächen der Blöcke
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um jeweils die Kanäle 56, 62, 63 herum eingesetzt und dienen dazu, ein Entweichen der unter Druck stehenden Gase zu verhindern.
Die zweite Stufe 36 weist außerdem ein Paar stumpfkegelig ausgebildeter Durchflußsteuerventilglieder 69, auf, die zur Ausführung einer gemeinsamen Bewegung auf einem innerhalb der Bohrung 7 3 in Axialrichtung angeordneten gemeinsamen Schieberbund 72 befestigt sind. Das Ventilglied 69 ist in bezug auf den sich konisch verjüngenden Ventilsitz 74 verstellbar, um den Gasaustritt aus der Kammer 66 zu steuern, während das Ventilglied 71 in bezug auf den sich konisch verjüngenden Ventilsits 76 zur Steuerung des Gasaustritts aus der Kammer 64 verstellbar ist. Das Ventilstellglied für diese beiden Ventile besteht aus einer biegsamen Membran 77, die innerhalb des Hohlraums 78 befestigt ist und aus einer inneren starren Scheibe 79 besteht, welche einerseits an dem Schieberbund 7 2 und andererseits an einer biegsamen Ringscheibe 81 befestigt ist, welche ihrerseits an ihrem äußeren Rand in flüssigkeitsdichter Abdichtung zwischen den Blöcken 42, 43 eingespannt ist und den Hohlraum 78 in zwei Kammern unterteilt, welche jeweils unter dem Druck auf der Abstromseite des Ventils 69 bzw. 71 stehen und diesen auf die Membran überiragen. Ein Gasdruckunglexchgewxcht auf einer Seite der Membran erzeugt eine resultierende Kraft, durch welche der Schieber-
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bund in einer solchen Richtung erstellt wird, daß das auf der Hochdruckseite befindliche Ventil geschlossen und verbunden damit das auf der Niederdruckseite befindliche Ventil geöffnet wird, bis ein Abgleichspunkt erreicht ist, an dem die abstrcinneitigen Drücke der beiden Gase im Gleichgewicht sind, d.h. einander gleich sind. Das durch das Ventil 6 9 hindurchtretende Gas gelangt in den Auslaßkanal 8 2 „ während das durch das Ventil 71 hindurchtretende Gas in den Auslaß- oder Abgabekanal 83 gelangt, wobei diese beiden Kanäle wiederum in Verbindung mit der Differentialgafunischvorrichtung 37 stehen.
In der erfindungsgemässen Druckabgleichvorrichtung entspricht der Auslaß- oder Abgabedruck stets dem Einlaßdruck desjenigen Gases 5 das untex1 einem niedrigeren Druck zugeführt wird. Wenn beispielsweise der Einlaßdruck des Sauerstoffs 3,5 atü und der der Luft 5,6 atü beträgt, ergibt sich am Auslaß ein Abgabedruck von 3S5 atü. Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß bei Ausfall einer der beiden Gasquellen der Gasdurchtrdtt von der anderen Gasquelle selbsttätig untei/brechen wird. Das ist überaus wichtig, wenn ein Beatmungagas oder ein anästhetisches Geis anstelle von Luft mit Sauerstoff gemischt viird.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Sauerstoffeinlaßdruck von 3,5 atü und ein Lufteinlaßdruck von '1,9 atü verwendet wurde, hat π ich geneigt, daß
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bei Verwendung einer einzigen Stufe für' den uruckabglelch «in l'o.hler von 25 cm Wassersäule auftreten k,-mn. Bei Verwendi.ru.'; der hier dargestellten zv/eio tuJrigeu Vorrichtung Una i:"h· den gleichen Einlaßdruckunterach-Lvj [.'on 1,4 atü wurde eins höhere Druckabglaichsgeriauigke.it erhalten, indem d'-ir Fehlerbereich auf 4 cm Was3;:r.:>äui« "■' ·.-. rringert wurde, was eine Genauigkeit von 9 9,6 % dar-:; teilt. Aurgrund eines Feh Lern von 4 cm Wassersäule beim Druckausgleich ergibt sich ein fehler von - 2% im Prozentsatz des .abgegebenen Sauers toffs.
Die Differentialgasmischvotrichtung 37 weist ein Gehäuse 8H auf, das vermittels hier nicht dargestellter Bolzen unterhalb des Blockpaares H2, 43 befestigt ist und zwei Kanäle 86, 87 aufweist, die mit den entsprechenden Kanälen 82, 83 der Auslässe der zweiten Druckabgleichstufe 3 6 in Verbindung stehen. Geeignete Dichtvorrichtungen wie z.B. O-Ring-Dichtungen 9o sind in Nuten an der Grenzfläche zwischen Gehäuse 84 und der Unterseite der Blöcke 42, 43 angeordnet und verhindern das Entweichen von Gas aus den Kanälen.
Die Differentialgdsmischvorrichtung "57 './eist außeruem ein spielfreies Zumeßventil zum Einstellen υ Ines vorbestimmten Durchsatzverhriltniijries der zu mischenden Gase auf. In dem Gehäuse 84 befindet ;ich tune Bohrung BO, in lie ein "cli i ebe: bund 89 e ing'-.r;e tvs t J μ t".. An duia Schieberbund
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09 befinden sich gegenüberliegende stumpfkegelige Ventilenden 923 93 mit gleichen Kegelwinkeln und Durchmessern, und diese Enden sind in bezug auf die Öffnungen 91I, 95 verstellbar, welche in den Buchsen 9 6 und 9 7 ausgebildet sind und gleiche Durchmesser aufweisen, Die Buchsen sind in die Bohrung 8 8 eingeschraubt. Eine an dem einen Ende des Schieberbundes befestigte Stellwelle 9 8 ist mit einem Außengewinde 99 versehen, das in ein Innengewinde der Buchse 96 eingeschraubt ist. Eine Welle loo an dem anderen Ende des Schieberbundes hat den gleichen Durchmesser wie die Welle 98, ist durch eine Öffnung 95 durchgeführt und in einem Lager lol gelagert, Das aus dem Gehäuse herausstehende Ende der Welle 9 8 ist vermittels einer Feststellschraube mit einem Stellknopf lol1 für die prozentuale Sauerstoffeinstellung verbindbar. Zwischen der inneren Ausnehmung des Knopfes lol' und einer an der Buchse 9 6 befindlichen Haltemutter Io3 ist eine Druckfeder Io2 eingesetzt und beaufschlagt die Welle des Schieberbundes in Axialrichtung nach außen, wodurch Gewindespiel ausgeschaltet wird. Der Stellknopf ist mit entsprechenden Einstellungsmarkierungen versehen, welche den gewünschten Sauerstoffmischbereich anzeigen, der bei der hier dargestellten Ausführungsform von 21% bis 100% reicht. Durch Verstellen des Stellknopfs lol' von Hand wird der Schieberbund 39 verstellt, so daß die Durchtrittsflächen an den Öffnungen 9h, 95 durch die Translationsbewegung der sich verjüngenden Enden 92s 93 reziprok geöffnet und ge-
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schlossen v/erden. Die durch die beiden Öffnungen durchtretenden Gase treten in das mittige Segment der Bohrung 88 ein, das als zentrale Mischkammer dient. Die Mischkammer führt die vermischten Gase der Bohrung lo'i und durch diese dein Auslaßstutzen 38 zu. Da die Gasdrücke vor der Differentialgasmischvorrichtung 37 mit hoher Genauigkeit abgeglichen und die Drücke auf den Abstromseiten der Öffnungen in der Mischkammer gleich hoch sind, tritt an beiden Öffnungen j
der1 gleiche Druckabfall für die beiden Gase auf. Infolgedessen wird das zum Mischen vorgewählte Gar-durchsatzverhältnis unabhängig von Unterschieden der Einlaßdrücke und Durchsatzmengen auf einem konstanten Wert gehalten. Somit bewirkt die erfindungsgemässe Vorrichtung einen selbsttätigen Ausgleich für Einlaßdruckunterschiede.
In Fig. 6 sind die Verwendung und die Arbeitsweise der erfindungsgemässen Vorrichtung schematisch dargestellt. Das durch die Einlaßkanäle 54, 56 der beiden Gnskreise i
zugeführte Gas wie z.B. Sauerstoff und Luft: strömt entsprechend der ,schemata βchen Darstellung von der ersten Druckabgleichstufe 3Ί in die zweite Druckabjn;] eichstufe 36 und wird von dieser im genauen Druckgleichgc/lebt der Differentialgasmischvorrichtung 37 zugeführt. Die Gasmischvorrichtung 3 7 ist hier in etwas abgeänderter Ausführung dargestellt und besteht aus einem Ventilglied 1o6, das auf einer Gasdichtung Io8 innerhalb der Bohrung Io7 gleiten
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- 2ο -
verschiebbar ist. Das Gas wird nach außen durch die sich konisch verjüngenden Ventilenden Io9, 111 in die Öffnungen 112 bzw. 113 zugemessen und gelangt durch die Zweigkanäle 114 bzw. 116 zur Auslaßbohrung 117, die als Mischkammer dient.
Verschiedene Funktionen der Vorrichtung können aus konstruktiven Gründen abgeändert werden. Der maximale Gasdurchsatz in den Druckabgleichstufen ist durch die Größe der Öffnungen für die Steuerventilglieder 44, 46 und 69, 71 bestimmt. Je höher die Gasabgleichdrücke sind, desto kleiner können für einen vorgegebenen Durchsatz und einen bestimmten Genauigkeitsbereich die Membranen und die Ventilfläche ausgebildet sein. Außerdem ist das Ansprechvermögen gegenüber Durchsatz- und Druckschwankungen umso größer, je niedriger der Härtegrad der biegsamen Membranringscheibe ist, wobei für eine vorgegebene Membranfläche gleichzeitig die Genauigkeit zunimmt.
bau/
Der kastenförmige Aufbau der Differentialgasmisch-
vorrichtung 37 ermöglicht eine hohe Anpassungsfähigkeit und den Austausch von Differentialgasmischvorrichtungen von unterschiedlicher geometrischer Ventilausbildung mit den Druckabgleichstufen. Die Durchsatzgrenzwerte werden durch die Geometrie des Ventilelements, d.h. des Schieberbundes 89 in der Differentialgasmischvorrichtung gesteuert. So wird durch Verringerung des bei einer vollen Umdrehung
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zurückgelegten Abstandes zwischen den öffnungen die Eichskala eines vorbestimmten Maßstabs zusammengedrückt, und bei Vergrößerung dieses Abstandes gedehnt. Außerdem läßt sich durch geeignete geometrische Formgebung des Schieberbundes 8 9 die Eichskala des zur Gemischregelung zweier Gase unterschiedlicher Viskositäten und Dichten dienenden Stellknopfes lol1 linear machen. Das wird dadurch erhalten, daß der Durchmesser des in der öffnung befindlichen Ventilgliedes für den Durchtritt eines Gases geringerer Dichte vergrößert und für den Durchtritt eines Gases höherer Dichte verringert wird. Die Eichteilung auf dem Stellknopf läßt sich außerdem dadurch dehnen oder zusammenziehen, daß die Gewindesteigung der Ventilstellwelle 98 verändert wird. Eine Feingewindesteigung führt zu einer langsamen Verschiebung und zur Ausdehnung der Eichskala, während eine Grobgewindesteigung eine schnellere Verschiebung und Zusammenziehung der Skala zur Folge hat. Weiterhin läßt sich der Halbmesser des Stellknopfes lol' vergrößern, wodurch eine Eichskala ebenfalls gedehnt wird. Aufgrund der Austauschbarkeit von Mischvorrichtungen 37 unterschiedlicher Konstruktionsmerkmale läßt sich eine gemeinsame Druckabgleichsvorrichtung zur Zufuhr einer Anzahl von Beatmungsgasen und anästhetischen Gasen zu ausgewählten Mischvorrichtungen verwenden, die jeweils für das Mischen bestimmter Gase geeicht sind.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlich geworden sein dürfte, sind durch die Erfindung ein neuartiges und verbessertes Verfahren und eine dementsprechende Vorrichtung zum Mischen von Gasen geschaffen worden, die viele vorteilhafte Merkmale aufweisen.
- Patentansprüche 109884/1319

Claims (14)

  1. - .23 -
    Patentansprüche
    ..!Verfahren zum Mischen von Gasen, die von voneinander getrennten, jeweils ein unter Druck stehendes Gas führenden Kreisen mit abgeglichenem Druck und in einem vorbestimmten Durchsatzverhältnis in einen Abgabekanal abgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in jedem Kreis (54, 56) durch eine Durchsatzsteuervorrichtung (44, 46) hindurch zu einem abstromseitigen Teil des betreffenden Kreises (62, 63) abgegeben wird, wobei in Abhängigkeit von einem höheren Druck auf der Abstromseite der einen Steuervorrichtung in bezug auf den Druck auf der Abstromseite der anderen Steuervorrichtung der Durchsatz an der anderen Steuervorrichtung gesteigert und gleichzeitig der Durchsatz an der einen Steuervorrichtung verringert wird und auf beiden Abstromseiten gleiche Drücke eingestellt werden, die Gasdurchsatzgeschwindigkeiten auf den Abstromseiten der beiden Kreise in einem vorbestimmten gegenseitigen Verhältnis zugemessen und die auf beiden Abstromseiten zugemessenen Gase miteinander vermischt und dem Abgabekanal (Io4, 117) zugeführt werden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, unter Verwendung eines Differentialgasmischventils zur Einstellung eines zum Mischen bestimmten ausgewählten Durchsatzverhältnisses, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasdurchtritt in jedem
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    Kreis (54, 56) jeweils an einer zur Durchflußsteuerung dienenden Stelle (41I, 46) gesteuert, der Gasdruck in jedem Kreis jeweils auf der AbStromseite der Steuerstelle abgetastet, ein Ungleichgewicht zwischen den abstromseitigen Drücken der beiden Kreise ermittelet und der Gasdurchtritt durch die Steuerstelle, auf deren Abstromseite ein niedrigerer Druck herrscht,gesteigert und dabei der fc Gasdurchtritt durch die Steuerstelle, auf deren Abstromseite ein höherer Druck herrscht, verringert wird, und auf diese Weise die abstromseitigen Drücke ins Gleichgewicht gebracht und die Gase dem Differentialgasmischventil (37) zugeführt werden.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gase auf der Abstromseite jedes Kreises jeweils durch eine zweite Durchsatzsteuervorrichtung (69, 71) hindurchgeführt, der Gasdruck in jedem Kreis auf der Ab- ψ Stromseite (81, 83) jeweils der zweiten Durchsatzsteuervorrichtung abgetastet, ein Gleichgewicht zwischen den Drücken auf den Abstromseiten der zweiten Steuervorrichtungen ermittelt, der Gasdurchtritt durch die zweite Steuervorrichtung, auf deren Abstromseite ein niedrigerer Druck herrscht, gesteigert und dabei der Gasdurchtritt durch die zweite Steuervorrichtung, auf deren Abstromseite ein höherer Druck herrscht, verringert wird, und auf diese
    ■» Weise die abstromseitigen Drücke ins Gleichgewicht gebracht
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    und die Gase dem Differentxalgasmischventil (37) zugeführt werden.
  4. 4. Vorrichtung zum gesteuerten Mischen von Gasen, die von voneinander getrennten, jeweils ein unter Druck stehendes Gas führenden Kreisen in einen gemeinsamen Abgabekanal abgegeben werden, zur Ausführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Druckabgleichsvorrichtung (34-, 36), welche zum Gasdruckabgleich in einem Segment jedes Kreises dient, mit einem in dem einen Kreis befindlichen ersten Steuerventil (4M·) und einem in dem anderen Kreis befindlichen zweiten Steuerventil (46), eine zum öffnen und Schließen des ersten Ventils und damit verbundenen Schließen bzw. Öffnen des zweiten Ventils dienende, auf einen Druckunterschied zwischen den Gasen auf der AbStromseite des ersten und des zweiten Ventils ansprechbare und zur Herstellung gleicher Drücke auf der Abstromseite beider Ventile dienende Ventilstellvorrichtung (57) und ein zum Mischen der Gase beider Kreise auf der Abstromseite der Steuervorrichtungen in den Abgabekanal dienendes Mischventil (37).
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckabgleichsvorrichtung (34, 36) ein in dem einen Kreis liegendes drittes Steuerventil (69) und ein in dem anderen Kreis liegendes viertes Steuerventil (71), die jeweils auf der Abstromseite der vorgenannten
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    Ventilstellvorrichtung angeordnet sind, und eine zum Öffnen und Schließen des dritten Steuerventils dienende, auf einen Druckunterschied zwischen den Gasen auf der Abstromseite des dritten und des vierten Steuerventils ansprechbare und zur Herstellung gleicher Drücke auf der Abstromseite von drittem bzw. viertem Steuerventil dienende zweite Ventilstellvorrichtung (77) aufweist.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilstellvorrichtung aus einem die Gaskreise auf der Abstromseite der Steuerventile voneinander trennenden beweglichen Wandelement (57) und einer das bewegliche Wandelement in Betriebsverbindung mit dem ersten und dem zweiten Ventil zur Ausführung einer gemeinsamen Verstellung derselben in Abhängigkeit von einem Gasdruck-ungleichgewicht auf entgegengesetzten Seiten des Wandelements lagernden Vorrichtung (47) besteht.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegliche Wandelement aus einer biegsamen Membran (57), und die Lagervorrichtung aus einem Ventilschaft (47) besteht, der zusammen mit der Membran und dem ersten und dem zweiten Ventil (44, 46), die jeweils an den Enden des Ventilschafts ausgebildet sind, verstellbar ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Ventil jeweils aus einer
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    Öffnung (49, 51) in einem Gaskreis und einem Ventilglied (44, 46) bestehen, das unter der Einwirkung der Ventilstellvorrichtung in der Weise verstellbar ist, daß jeweils eine öffnung geöffnet und die andere öffnung geschlossen wird.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (49, 51) in einem gegenseitigen Abstand voneinander angeordnet sind und sich gegenüberliegende Ventilsitze mit an diesen befindlichen, abstromseitigen Kanälen (62, 63) begrenzen, und daß die Ventilglieder (44, 46) in der Weise an den abstromseitigen Kanälen verstellbar gelagert sind, daß sie die Durchtrittsflächen durch die öffnungen reziprok öffnen und schließen.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die abstromseitigen Kanäle (62, 63) einen Hohlraum (58) bilden und die Ventilstellvorrichtung aus einem biegsamen Wandelement (58), durch welches der Hohlraum in voneinander getrennte Kammern unterteilt ist, welche jeweils in Verbindung mit einem abstromseitigen Kanal stehen, und einer zur Lagerung der Ventilglieder zur gemeinsamen Verstellung derselben zusammen mit dem Wandelement dienenden Vorrichtung (47) besteht.
  11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Mischventil (37) aus einem ersten und einem zweiten Zumeßventil (92, 93; Io9, 111) besteht, das jeweils
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    zur Steuerung des Gasdurchsatzes in einem Kreis auf der Abstromseite der Druckabgleichsvorrichtung dient, die Zumeßventile gemeinsam verstellbar gelagert sind und zur reziproken Steigerung und Verringerung des Durchsatzes durch den ihm zugeordneten Kreis und zur Herstellung eines ausgewählten Durchsatzverhältnisses zwischen den beiden Kreisen dienen, und eine Vorrichtung (Io4, 117) zum Zusammenfassen der Gase auf der Abstromseite der Zumeßventile und zum gemeinsamen Zuführen derselben zu dem gemeinsamen Abgabekanal vorgesehen ist.
  12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite Zumeßventil jeweils aus einer Öffnung (94, 95; 112., 113) in einem Gaskreis (86, 87) auf der Abstromseite des dem jeweiligen Kreis zugeordneten ersten bzw. zweiten Steuerventils, einem zur Steuerung des Durchsatzes durch die öffnung verstellbaren Ventilglied und einer zum wahlweisen Verstellen des Ventilgliedes jedes Zumeßventils in einer gemeinsamen Einstellbewegung dienenden Vorrichtung (lol') besteht, wobei der Gasdurchsatz durch die eine öffnung steigerungsfähig und gleichzeitig der Gasdurchsatz durch die andere öffnung verringerbar und ein vorbestimmtes Durchsatζverhältnis zwischen den beiden Gasen einstellbar ist.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnungen (94, 95; 112, 113) in einem
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    gegenseitigen Abstand voneinander angeordnet sind und sich gegenüberliegende Ventilsitze bilden, die Ventilglieder (92, 93; Io9, 111) in einem gegenseitigen Abstand angeordnet und zwischen den Ventilsitzen verstellbar gelagert sind und daß eine zum wahlweisen Einstellen der Lage der Ventilglieder zwischen den Ventilsitzen und zur Herstellung eines vorbestimmten Durchsatzverhältnisses dienende Vorrichtung (lolT) vorgesehen ist.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas in dem einen Kreis aus Sauerstoff, und das Gas in dem anderen Kreis aus einem Beatmungsgas oder einem anästhetischen oder therapeutischen Gas besteht.
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