DE2752087C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiges Steuerventil ist aus der US-PS 33 26 517 bekannt. Bei dem bekannten Steuerventil umfassen die mechanischen Verbindungseinrichtungen einen Schwenkhebel, dessen eines Ende sich über einen Kolben an einer Membran abstützt und dessen anderes Ende in direktem Kontakt mit der einen Seite des Verschlußstückes steht, auf dessen andere Seite eine Feder einwirkt, durch die das Verschlußstück in Richtung auf den Ventilsitz vorgespannt wird. Ferner wird das Verschlußstück über eine Ventilstange direkt mit einer Steuerkraft beaufschlagt. Das bekannte Steuerventil arbeitet insofern nicht in allen Fällen befriedigend, als Reibungsverluste der mechanischen Verbindungseinrichtungen die Genauigkeit der Steuerung beeinträchtigen können. Außerdem werden für das unmittelbare Einwirken auf das Verschlußstück relativ hohe Steuerkräfte benötigt.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt die Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Einfluß von Eingangs- und/oder Ausgangsdruck auf die Funktion des Steuerventils auszuschalten bzw. zu reduzieren, wobei gleichzeitig eine hohe Empfindlichkeit gegenüber der Steuergröße angestrebt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Steuerventil gemäß der Erfindung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Das Steuerventil gemäß der Erfindung wird vorzugsweise in einem System zum Abziehen von Gehirnflüssigkeit aus einem Gehirnventrikel eingesetzt, wobei zur Steuerung des Ventils mit einem Steuerdruck gearbeitet wird, der dem unterhalb der harten Hirnhaut gemessenen Gehirninnendruck entspricht.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Wasserkopfableitsystem mit einem Steuerventil gemäß der Erfindung, und zwar am Kopf eines Patienten, wobei der Kopf des Patienten teilweise im Schnitt dargestellt ist;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Steuerventils gemäß der Erfindung und

Fig. 3 und 4 zwei um 90° gegeneinander gedrehte Schnitte durch eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines Steuerventils gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt ein Kammer- bzw. Ventrikelverbindungssystem, bei dem ein Steuerventil gemäß der Erfindung vorgesehen ist. Im einzelnen ist ein Ventrikelkatheder 11 vorgesehen, welches durch eine Bohrung 13 im Schädel 15 eines Patienten und durch das Gehirngewebe 17 in eine Gehirnkammer bzw. ein Hirnventrikel 19 reicht. Das Ventrikelkatheder 11 ist über ein Steuerventil 21 mit einem Drainagekatheder 23 verbunden. Das Drainagekatheder ist üblicherweise mit der rechten Herzvorkammer (rechtes Atrium), der Bauchhöhle oder einem anderen geeigneten Auslaßraum verbunden. Der durch diese Verbindung geschaffene Parallelkanal ermöglicht es, Gehirnflüssigkeit aus dem Hirnventrikel 19 abzuleiten, um so beim Vorliegen eines Wasserkopfes die Symptome zu erleichtern. Gemäß der US-PS 38 86 948 kann die Flüssigkeitsabfuhr aus dem Hirnventrikel 19 nicht völlig frei oder lediglich unter Einhaltung eines vorgegebenen Restdrucks erfolgen. Vielmehr wird der Abfluß aus dem Gehirnventrikel 19 vorzugsweise dynamisch geregelt, und zwar in Abhängigkeit von der Kraft, welche an einem Sensor 25 wirksam ist, der unter die harte Hirnhaut eingepflanzt ist.

Ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Sensors ist in der US-PS 39 58 562 beschrieben. Der dort beschriebene Sensor ist mit einem geeigneten hydraulischen Medium, d. h. einer Flüssigkeit gefüllt und steht mit dem Steuerventil 21 über eine flexible Leitung 27 in Verbindung.

Der von dem Sensor 25 erfaßte Druck wirkt als Steuerdruck zum selektiven Öffnen des Ventils 21, d. h. zum Steuern des Abflusses von Flüssigkeit aus dem Gehirnventrikel 19.

Das Prinzip der Arbeitsweise des Steuerventils gemäß der Erfindung wird nachstehend an Hand der Fig. 2 erläutert. Das Steuerventil ist in Fig. 2 nur schematisch dargestellt und besitzt als Verschlußstück eine einfache runde Kugel 31, die mit einem konischen Ventilsitz 33 zusammenwirkt. Die Kugel 31 ist mit Hilfe einer Feder 35 federnd gegen den Ventilsitz 33 vorgespannt. Das andere Ende der Feder 35 stützt sich an einem Schwenkhebel 37 ab, der um einen Schwenkzapfen 39 schwenkbar ist. Eine Einlaßleitung 41 steht mit einer Einlaßkammer 40 in Verbindung, an die sowohl der Ventilsitz 33 als auch eine Membran 43 angrenzen.

Die Membran 43 besitzt einen relativ steifen, scheibenförmigen Mittelteil 45 und einen relativ schlaffen Randbereich 47. Die wirksame Fläche der Membran ist für die nachfolgende Analyse mit A 1 bezeichnet. Es versteht sich, daß der Druck in der Einlaßkammer nicht nur auf die Membran 43, sondern auch auf die Kugel 31 wirkt, daß also ein ansteigender Druck in der Einlaßkammer die Tendenz hat, die Kugel 31 durch Angreifen an deren im Bereich des Ventilsitzes 33 freiliegenden Oberflächenbereich anzuheben und so das Ventil zu öffnen. Die wirksame Fläche der Kugel 31, an der der Einlaßdruck wirksam ist, ist in der nachfolgenden Analyse mit A 2 bezeichnet.

Die Membran 43 ist über ein Verbindungsstück 49 mechanisch mit dem dem Angriffspunkt der Feder 35 gegenüberliegenden Ende des Hebels 37 verbunden. Dieses Ende des Hebels 37 wird durch die Federkraft einer Feder 51 beaufschlagt, welche dem Druck in der Einlaßkammer entgegenwirkt. Für die Gegenkraft K 1, gegen die die Membran 43 arbeitet, gilt die folgende Gleichung: K 1 = K ₅₁ + K 2 · R, wobei mit K 2 und K ₅₁ die Federkräfte der Federn 35 bzw. 51 bezeichnet sind und wobei R für das Verhältnis der Hebelarmlängen des Schwenkhebels 37 steht.

Beim Ausführungsbeispiel muß die Membran beide Federn 35 und 51 zusammendrücken, wenn sie - in Fig. 2 - nach oben ausgelenkt wird. Die Gegenkraft K 1 bestimmt also die Auslenkung der Membran 43 nach oben in Abhängigkeit von einer Zunahme des Drucks in der Einlaßkammer 40. Wenn die Membran 43 aufgrund eines ansteigenden Druckes nach oben ausgelenkt wird, dann führt dies über den Hebel 37 zu einer Änderung der Vorspannung, welche von der Feder 35 auf die Kugel 31 ausgeübt wird.

Wenn die Federkonstanten und die Länge der Hebelarme des Hebels 37 geeignet gewählt werden, dann kann die Nachstellung der Vorspannkraft K 2, welche von der Feder 35 auf die Kugel ausgeübt wird, diejenige Kraft praktisch exakt kompensieren, welche bei einer Änderung des Drucks in der Einlaßkammer 40 an der Unterseite der Kugel 31 an der Fläche A 2 wirksam wird, so daß das Öffnen des Ventils vom Druck in der Einlaßkammer 40 weitgehend unabhängig wird. Das Steuerventil wird auf diese Weise besonders empfindlich für den Steuerparameter allein. Um diesen wünschenswerten Zustand herbeizuführen, sollte folgende Bedingung erfüllt sein:

wobei R das Längenverhältnis der beiden Arme des Hebels 37 ist. Beim betrachteten Ausführungsbeispiel ist dieses Längenverhältnis 1, so daß sich die angegebene Beziehung wie folgt vereinfacht:

Wenn dabei ferner die Federkraft K 2 der Feder 35 klein ist im Vergleich zu der Federkraft K ₅₁ der Feder 51, was in der Praxis im Hinblick auf die Tatsache, daß die wirksame Fläche A 1 der Membran 43 wesentlich größer ist, nämlich etwa 100mal so groß wie die wirksame Fläche A 2 der Kugel 31, dann gilt mit guter Näherung:

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist eine geschlossene Auslaßkammer 42 vorgesehen, welche nicht in Verbindung mit der Rückseite bzw. Oberseite der Membran 43 steht, und die Steuerung des Steuerventils 21 erfolgt durch einen Steuerdruck in einer Steuerkammer 44, welche an die Oberseite der Membran 43 angrenzt, deren Unterseite der Einlaßkammer 40 zugewandt ist, Obwohl also das Abheben der Kugel 31 von ihrem Ventilsitz 33 durch Änderungen des Drucks in der Einlaßkammer nicht beeinflußt wird, führt jede Änderung des Steuerdruckes in der Steuerkammer 44 zu einer Änderung der Betriebsbedingungen, die ein Öffnen oder Schließen des Ventils ermöglichen.

Obwohl das Ventil gemäß Fig. 2 gegenüber Schwankungen des Druckes in der Einlaßkammer 40 im wesentlichen unempfindlich gemacht werden kann, ist es in gewissem Maße gegenüber Druckschwankungen in der Auslaßkammer 42 empfindlich, da diese Druckschwankungen an einer der Oberseite der Kugel 31 wirksam werden. Eine im wesentlichen vollständige Unempfindlichkeit sowohl gegenüber Druckschwankungen in der Einlaßkammer 40 als auch gegenüber Druckschwankungen in der Auslaßkammer 42 kann erreicht werden, wenn die Rückseite der Membran 43 zusätzlich dem auslaßseitigen Druck ausgesetzt wird. Dies läßt sich besonders einfach erreichen, wenn der Ventilsitz selbst von der Membran 43 getragen wird. Bei einer solchen Anordnung sind die auf den beiden Seiten der Membran wirksamen Drücke per Definition eindeutig mit den Drücken identisch, welche auf beiden Seiten auf die wirksamen Flächen des Ventilelementes bzw. der Kugel 31 einwirken. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Steuerventils dieser Bauart, welches für die Ableitung von Flüssigkeit aus einem Gehirnventrikel besonders günstig ist, wird nachstehend an Hand der Fig. 3 und 4 näher erläutert.

Im einzelnen besitzt das Ventil gemäß Fig. 3 ein flaches, scheibenförmiges Gehäuse 55, welches seitlich mit einem rohrförmigen Einlaßstutzen 57, einem rohrförmigen Auslaßstutzen 59 und einem rohrförmigen Anschlußstutzen 61 zum Zuführen eines hydraulischen Steuerdrucks versehen ist. Das Gehäuse 55 besteht vorzugsweise aus zwei Halbschalen 60, 62 aus einem geeigneten Kunststoff. Das Ventil besitzt ferner eine Membrananordnung mit einer oberen Membran und einer unteren Membran. Die untere Membran entspricht der Membran 43 des Ventils gemäß Fig. 2 und besteht aus einem metallischen, scheibenförmigen Mittelteil 64, welcher von einem schlaffen ringförmigen Randbereich 63, beispielsweise aus Silicongummi, umgeben ist. In dem Mittelteil 64 ist ein Ventilsitz 65 vorgesehen, mit dem ein kugelförmiges Verschlußstück bzw. eine Kugel 67 zusammenwirkt.

Die obere Membran ist im wesentlichen ebenso wie die untere Membran aufgebaut und besteht aus einem starren, scheibenförmigen Mittelteil 69 und einer schlaffen Aufhängung bzw. einem Randbereich 71. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Membranen besteht darin, daß der Mittelteil 69 massiv ist und keinen Ventilsitz enthält. Die beiden Membranen des Ventils gemäß Fig. 3 und 4 sind über einen steigbügelförmigen Bügel 81 derart miteinander verbunden, daß sie sich gemeinsam bewegen. Der breite untere Teil des Bügels 81 übergreift den Ventilsitz 65 und ist mit dem Mittelteil 64 verschweißt, während der schmale obere Teil des Bügels 81 eine Öffnung des Mittelteils 69 der anderen Membran durchgreift, wo er beim endgültigen Zusammenbau einzementiert wird.

Die untere Membran ist gegenüber dem Druck auf der Einlaßseite durch zwei Blattfedern 72, 74 vorgespannt. Diese Federn entsprechen in ihrer Funktion der Feder 51 des Ventils gemäß Fig. 2. Die Kugel 67 ist mit Hilfe einer weiteren Blattfeder 77 gegen den Ventilsitz 65 vorgespannt, wobei die Blattfeder 77 in ihrer Funktion der Feder 35 des Ventils gemäß Fig. 2 entspricht. Die äußeren Enden der Blattfedern sind mit einem Metallring 78 verbunden, der zwischen den beiden Halbschalen 60 und 62 festgeklemmt ist, wie dies Fig. 4 zeigt.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 beeinflußt eine Bewegung der unteren Membran bzw. des Mittelteils 64 derselben die an der Kugel 67 wirksame Vorspannung, da die gesamte Ventilanordnung gegenüber der Blattfeder 67 bewegt wird und nicht nur eine Veränderung der Federspannung, wie bei dem zuvor betrachteten Ausführungsbeispiel erfolgt. Die Wirkung ist jedoch die gleiche. Durch geeignete Wahl der Federkonstanten der Blattfedern 72 und 74 bezüglich der Federkonstante der Blattfeder 77 kann man folglich erreichen, daß das Ventil gemäß Fig. 3 und 4 im wesentlichen unabhängig vom einlaßseitigen Druck arbeitet. Da ferner der ausgangsseitige Druck an der gegenüberliegenden Seite der Membran 64, 63 und an der Rückseite der Kugel 67 wirksam ist, wird deutlich, daß das Ventil auch im wesentlichen unabhängig vom ausgangsseitigen Druck arbeitet. Beim betrachteten Ausführungsbeispiel gilt naturgemäß R = 1, da die Bewegung des Mittelstücks 64 der Membran unmittelbar zu einer Verlagerung der Kugel 67 gegenüber ihrer zugeordneten Blattfeder 77 führt. Beim Ausführungsbeispiel ist die Bedeutung der Größe K 1 hinsichtlich der Frage, ob sie Komponenten nur eines oder beider Federsätze umfaßt, natürlich davon abhängig, ob die wirksame Fläche der Membran die Fläche des Ventilsitzes umfaßt. Unabhängig von der Art der Analyse ist die Arbeitsweise tatsächlich so, daß sich eine parallele Auslenkung der Membran und des Ventilelements ergibt, so daß ein ansteigender einlaßseitiger Druck keine Tendenz hat, das Ventilelement von seinem Sitz abzuheben. Dieses Gleichgewicht wird jedoch durch eine Steuerkraft leicht überwunden, so daß die tatsächliche Öffnung des Ventils in Abhängigkeit von dem Steuerdruck mit sehr hoher Empfindlichkeit erfolgt.

Bei dem Ventil gemäß Fig. 3 und 4 bewirkt ein an der Oberseite der Membran 69, 71 ausgeübter Druck eine nach unten gerichtete Kraft, die über den Bügel 81 am Mittelteil 64 der unteren Membran wirksam wird und somit das oben beschriebene Gleichgewicht beeinflußt. Das Ventil arbeitet folglich in Abhängigkeit vom Steuerdruck.

Claims (5)

1. Steuerventil mit einer Einlaß- und einer Auslaßkammer, mit einem in einer Trennwand zwischen Einlaß- und Auslaßkammer angeordneten Ventilsitz und einem von einer Steuerkraft beaufschlagbaren Verschlußstück, mit einer ersten Federeinrichtung, durch die das Verschlußstück in Richtung auf den Ventilsitz vorspannbar ist, mit einer Membrananordnung, deren eine Seite mit dem Eingangsdruck beaufschlagbar ist, und mit einer mechanischen Verbindungseinrichtung durch die die Membrananordnung und das Verschlußstück derart miteinander verbunden sind, daß das Verschlußstück von Eingangsdruck entlastet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Federeinrichtung (51; 72, 74) vorgesehen ist, durch die auf die Membrananordnung (43; 63, 64, 69, 71) eine dem Eingangsdruck entgegenwirkende Kraft ausübbar ist, wobei die erste Federeinrichtung (35; 77) Teil der mechanischen Verbindungseinrichtung (35, 37, 49; 77, 78) ist, und daß eine Steuerkammer (44) vorgesehen ist, mit deren Steuerdruck die von der Einlaßkammer (40) abgewandte Seite der Membrananordnung (43; 63, 64, 69, 71) beaufschlagbar ist.

2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Verbindungseinrichtungen einen Schwenkhebel (37) umfassen, durch den die Membrananordnung (43) mit der ersten Federeinrichtung (35) gekoppelt ist.

3. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (65) in der Membrananordnung (63, 64, 69, 71) selbst vorgesehen ist.

4. Steuerventil nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrananordnung (63, 64, 69, 71) zwei koaxial zueinander angeordnete Membranen (63, 64, 69, 71) umfaßt, von denen die zweite Membran 69, 71) auf ihrer einen Seite mit dem Steuerdruck und auf ihrer gegenüberliegenden Seite mit dem Ausgangsdruck beaufschlagt und mit der ersten Membran (63, 64) formschlüssig verbunden ist, deren der zweite Membran (69, 71) zugewandte Seite ebenfalls mit dem Ausgangsdruck beaufschlagt ist.

5. Verwendung eines Steuerventils nach einem der Ansprüche 1-4, in einem System zum Abziehen von Gehirnflüssigkeit aus einem Gehirnventrikel, wobei der Steuerdruck dem unterhalb der harten Hirnhaut gemessenen Gehirninnendruck entspricht.