DE3614872A1

DE3614872A1 - Einzugseinrichtung

Info

Publication number: DE3614872A1
Application number: DE19863614872
Authority: DE
Inventors: Norman Stewart Leighton Buzzard Bedfordshire Jones
Original assignee: PNEUPAC Ltd LONDON; Pneupac Ltd
Current assignee: Sims Pneupac Ltd London Gb
Priority date: 1985-05-02
Filing date: 1986-05-02
Publication date: 1986-11-13
Anticipated expiration: 2006-05-03
Also published as: GB8511171D0; DE3614872C2

Description

Einzugseinrichtung
Die Erfindung betrifft Gaseinzugseinrichtungen einer solchen Art, wie sie in großem Umfang bei medizinischen Atmungssystemen, so wie etwa Ventilatoren, verwendet werden, um die Verwendung von Sauerstoff zu sparen und eine atembare Gasmischung zu erhalten von geeigneter Zusammenstellung, durch Verdünnung von Sauerstoff, der aus einer Quelle dieses Primärgases strömt.
Bislang ist der Raum, der von solchen Einzugseinrichtungen eingenommen wird, und die Gestalt dieses Raumes, unbedeutend gewesen, da solche Einrichtungen nur in relativ große Einrichtungen eingepaßt worden sind.
Es ist jedoch erwünscht, eine solche Einrichtung in ein socenanntes Patientenventil eines Ventilators einzupassen und dieses ist verbunden mit einer Nasalmaske (cronasal mask) oder einem Luftröhrenschlauch (intratrachea tube), wobei das Gewicht, die Abmessung und die Gestalt dieser Einrichtung eine weit größere Bedeutung hat, was unmittelbar verständlich ist. Darüber ninaus machte bei einer solchen Anwendung das Erfordernis, eine gewählte Ventilations- oder Beatmungsleistung aufrechtzuerhalten ungeachtet einer (Beatmungs-) Elastizitt des Patienten es bedeutsam, daß die Einzugseinrichtung eine maximale Druckwiedergewinnung für eine gegebene Einzugsleistung erreicht.
Eine D=-uckw edergewinnung bei einem Einzugsmischer wird erreicht, indem eschwindigkeitsenergie in Druckenergie gewandelt wird, in dem gemischten Gas, stromabwärts des Punktes, an dem die Gase gemischt werden. Dieser Eneraleaustausch wird erreicht, indem der Strömungsquerschnitt in einem Druckwiedergewinnungsabschnitt entweder plötzlich, zur Erzeugung von stehenden Wirbeln, oder allmählich, wie etwa in einem Diffusor, erweitert wird.
Es ist bekannt, daß bei einem ansteigenden Druckgradient eine Ablösung eines Gasstromes von den Wänden eines sich vergrößernden Leitungsabschnittes leicht hervorgerufen werden kann. In der Praxis ist herausgefunden worden, daß die Strömung unmittelbar stromabwärts einer Einzugseinrichtung stark in ihrer Richtung abweicht, wodurch die erreichbare Druckwiedergewinnung in einem bedeutenden Ausmaß beeinträchtigt wird. Es wird als wahrscheinlich angesehen, daß der Rräfteaustausch, der mit einer Anderung in der Strömungsrichtung nahe dem Ende eines Abschnittes verbunden ist, indem der Druck ansteigt, eine ortliche Grenzschichtablösung bewirkt und einen nachfolgenden Abbruch der Hauptströmung.
Die ideale Gestalt für eine Einzugseinrichtung mit einem Druckwiedergewinnungsabschnitt, ausgelegt für eine maximale Druckwiedergewinnung ist deshalb eine solche, bei der der Strömungsweg im wesentlichen gerade und symmetrisch von dem Punkt ab ist, an dem eine Hinzugebung des Primärgases erfolgt, bis zu einem Punkt in einiger Entfernung, stromabwärts des Druckwiedergewinnungsabschnittes. Leider ist jedoch diese ideale Ausgestaltung sehr raumaufwendig und unvorteilhaft in Bezug auf ein Patientenventil für ein ÄTentilations- oder Beatmungsgerät und es würde vorteilhaft sein in Bezug auf ein Erreichen einer Rompaktheit bei einer solchen Anwendung, wenn der Strömungsweg sehr stark gefaltet sein könnte. Ein Ziel der hier beschriebenen Erfindung ist es, eine Gaseinzugseinrichtung anzugeben, die diese Möglichkeit ergibt, ohne einen bedeutenden Verlust an Druckwiedergewinnungsleistung.
Gemäß der Erfindung ist eine Gaseinzugseinrichtung angegeben, die einen Druckwiedergewinnungsabschnitt aufweist, gekennzeichnet durch zumindest eine scharfeckige Stufe oder Ausnehmung in der Wand des Druckwiedergewinnungsabschnittes, und welche sich quer zu der Strömungsrichtung des Gases erstrecken. Die oder jede Stufe oder Ausnehmung ist vorzugsweise kontinuierlich ausgebildet und rechtwinklig zur Achse des Druckwiedergewinnungsabschnittes. Bei Ausführungsformen, bei welchen der Druckwiedergewinnungsabschnitt im Querschnitt kreisförmig ist, ist die oder jede Stufe oder Ausnehmung vorteilhafterweise als kontinuierliche kreisförmige Stufe oder Ausnehmung ausgebildet, rechtwinklig zur Achse des Druckwiedergewinnungsabschnittes.
Es können verschiedene solcher Stufen oder Ausnehmungen an unterschiedlichen Stellen angeordnet sein, verteilt in der Wand des Druckwiedergewinnungsabschnittes, in Richtung der Gasströmung durch diesen. Vorzugsweise ist zumindest eine Stufe oder Ausnehmung unmittelbar angrenzend an das stromaufwärtige Ende des Druckwiedergewinnungsabschnittes angeordnet, aber es können auch eine oder mehrere Stufen oder Ausnehmungen näher an dem stromabwärtigen Ende des Druckwiedergewinnungsabschnittes angeordnet sein und desgleichen kann bspw.
eine fortwährende Serie von Stufen oder Ausnehmungen über Länge des Druckwiedergewinnungsabschnittes vorhanden sein, wobei dieser einen sich im wesentlichen erweiternden Strömungsquerschnitt aufweist, gebildet durch eine Serie von Stufen oder benachbarten Ausnehmungen.
Es wird angenommen, daß die Stufen oder Ausnehmungen stehende Wirbel erzeugen und dadurch eine kontrollierte Turbulenz in der oder den Ecken des Gasstromes, durch den Druckwiedergewinnungsabschnitt hindurch, eine Energieversorgung und wiederholte Energieversorgung der Randschicht, um so das Wachstum und die Ablösung dieser zu begrenzen und ein stabiles Anliegen der Hauptströmung an den Wänden des Druckwiedergewinnungsabschnittes zu unterstützen. Dies ist jedoch lediglich eine Theorie, an welche die Anmelderin nicht gebunden sein möchte, der Weise, in welcher die Stufen oder Ausnehmungen zu dem beobachteten beträchtlichen Anstieg in der Druckwiedergewinnung bei Einzugseinrichtungen beitragen, die Druckwiedergewinnungsabschnitte aufweisen, die mit solchen Stufen oder Ausnehmungen versehen sind und bei denen sich Strömungswegabschnitte anschließen, die in ihrer Richtung stark abgelenkt sind, im Vergleich mit gleichen Anordnungen, die nicht solche gestuften oder mit Ausnehmungen versehenen Druckwiedergewinnungsabschnitte aufweisen.
Nachstehend wird die Erfindung weiter mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung erläutert, auf welcher zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer idealisierten Gaseinzugseinrichtung mit einem Druckwiedergewinnungsdiffusor, an den sich ein koaxialer, rechtwinkliger Strömungswegabschnitt konstanten Querschnittes anschließt; Fig. 2(a) und 2(b) verdeutlichen die Effekte einer plötzlichen Ablenkung des Strömungsweges, stromabwärts zu dem Diffusor, einer Einrichtung wie sie in Fig. 1 dargestellt ist; und Fig. 3 eine schematische Darstellung des Druckwiedergewinnungsabschnittes und des sich anschließenden Strömungsabschnittes einer Gaseinzugseinrichtung gemäß der Erfindung.
Mit Bezug zu der Zeichnung stellt Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt einer Gaseinzugseinrichtung dar, welche einen Düsenabschnitt a aufweist, durch welchen ein Primärgas oder Einzugsgas beschleunigt wird, um durch eine Einzugskammer zu strömen, die seitliche Einzugsgasöffnungen b aufweist, wobei sich ein Druckwiedergewinnungsabschnitt in Form eines Diffusors c anschließt, mit allmählich sich erweiterndem Querschnitt, der in den koaxialen Strömungsweg d konstanten Querschnittes übergeht. Die Strömungslinien, die in Fig. 1 dargestellt sind, stellen Strömungswege des Gases in der Einrichtung dar und es ist zu erkennen, daß das Einzugsgas, das in den Düsenabschnitt a eintritt, beschleunigt wird und in die Einzugskammer als ein Strahl eintritt, der durch Kräftetausch mit dem Einzugsgas, das durch die oeffnungen b eintritt dieses Einzugsgas beschleunigt, zur Bildung einer gemischten Strömung, die in den Diffusor c eintritt, an dessen Eintritt e. Bei der Strömung durch den Diffusor c erweitert sich der gemischte Gasstrom im Querschnitt und wird dadurch verlangsamt, wobei kinetische Energie in Druckenergie ausgetauscht wird, so daß der gemischte Gasstrom in den Abschnitt d mit parallelen Strömungswegen mit einem höheren Druck aber einer geringeren Geschwindigkeit eintritt, relativ zu den Bedingungen am Diffusoreintritt e.
Die Fig. 2(a) und 2(b) verdeutlichen den Effekt eines Ersatzes des koaxialen Strömungsweges d gemäß Fig. 1 durch einen Strömungsquerschnitt f dessen Achse rechtwinklig zu dem Diffusor c ist. In Fig. 2(a) zeigen die Strömungslinien wie, bei einem Richtungswechsel, nachteilige Druck- und Kräfteeffekte eine Ablösung der Strömung von der Wand des Strömungsweges hervorrufen, an der Innenseite der Krümmung. Wenn eine Ablösung eingetreten ist, als Ergebnis dieser nachteiligen Be-Bedingungen und evtl. hervorgerufen durch eine Strömungsstörung, ergibt sich ein Strömungsbild, wie es durch die Strömungslinien in Fig. 2(b) dargestellt ist. Es ist zu erkennen, daß unter diesen Bedingungen eine wesentlich geringere Expansion des gemischten Gasstroms und folglich eine geringere Druckwiedergewinnung in dem Diffusor c auftritt, als wenn die Strömung anliegend an den Diffusorwänden geblieben ware, über die gesamte Länge dessen und an allen Punkten in dessen Umfang.
Fig. 3 verdeutlicht den Druckwiedergewinnungsabschnitt, der wie in den Fig. 1 und 2 aufgebaut ist durch einen im wesentlichen allmählich sich erweiternden Diffusor, einer Gaseinzugseinrichtung, bei der die Erfindung verwirklicht ist. In dieser Figur ist der Diffusor durch das Bezugszeichen c dargestellt und führt zu einem Parallelströmungsabschnitt f rechtwinklig zu der Achse des Diffusors, wie in Fig. 2 gezeigt. Jedoch ist der Diffusor c gemäß der Erfindung mit drei kreisförmigen, scharfeckigen Stufen oder Ausnehmungen g in seiner Wand, angrenzend zu dem Diffusoreintritt e, versehen und mit einer weiteren scharfeckigen kreisförmigen Stufe oder Ausnehmung h nahe dem stromabwärtigen Ende des Diffusors c. Es ist zu erkennen, daß die Strömungslinien der Wand des Diffusors c folgen und der Strömungsweg 8 keine Ablösung aufweist, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist.
Es ist beobachtet worden, daß ein Diffusor, der Stufen oder Ausnehmungen aufweist, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind, eine wesentlich verbesserte Druckwiedergewinnung ergibt, im Vergleich mit einem vergleichbaren, jedoch nicht mit Ausnehmungen versehenen Diffusor, wegen wesentlicher Ablenkungen der Strömung unmittelbar stromabwärts des Diffusors, und daß ein relativ hoher Prozentsatz der Druckwiedergewinnung, der mit der idealen geradlinigen Anordnung möglich ist (Fig. 1), erreicht werden kann bei der Verwendung von gestuften oder mit Ausnehmungen versehenen Diffusoren.
Wie erläutert, sind die Zeichnungen schematisch und nur dazu gedacht, das Prinzip der Erfindung zu verdeutlichen. Bei praktischen Ausführungsformen wird die Einrichtung größenmäßig und gestaltmäßic so ausgelegt, daß sie in Bezug auf die Gasströmung und die Einzugsrate, die gefordert werden bei der Anwendung, geeignet ist und daß das Druckverhältnis und der Primärgasdruck an der Düse sowie die Gesamtkonstruktion der Einrichtung mit gewünschten Werten dieser Parameter übereinstimmt, welche im wesentlichen in Übereinstimmung sind mit den herkömmlich praktizierten im Stand der Technik.
Bei einer typischen Ausführungsform, mit der Sauerstoff mit Luft gemischt werden soll, um eine sauerstoffangereicherte Beatmungsgasmischung für eine Beatmungs-/Wiederbelebungseinrichtung zu ergeben, empfängt die Einzugseinrichtung Sauerstoffimpulse als Primärgas bei einem Druck von 2,5 bar und dieses soll vermischt werden, durch Einzug von Luft, um ein Gas zu erzeugen, das einen Sauerstoffgehalt von 45% hat, wobei die Düse der Einzungseinrichtung einen Durchmesser von etwa 0,65 mm aufweist und zu einer Einzugskammer oder einem Aufnahmeraum führt, der einen Durchmesser von etwa 2,6 mm besitzt, weiterführend zu einem Druckwiedergewinnungsabschnitt, der bspw. eine konstante freie Bohrung mit einem Durchmesser von etwa 4 mm ist und vier geneigte Ausnehmungen oder Einschnitte aufweist, die eine Tiefe von etwa 4,5 mm besitzen, bei einer axialen Beabstandung von etwa 2,2 mm.
Bezugszeichenliste a Düsenabschnit b Einzugsgasöffnungen c Diffusor d Strömungsweg e Eintritt f Strömungswegabschnitt g Stufe oder Ausnehmung h Stufe oder Ausnehmung - Leerseite -

Claims

Ansprüche 1. Gaseinzugseinrichtung mit einem Druckwiedergewinnungsabschnitt, gekennzeichnet durch zumindest eine scharfeckige Stufe oder Ausnehmung (g, h) in der Wand des Drckedergewinnuncsabschnittes (c), welche sich quer zu der Richtung der Gasströmung erstrecken.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die oder jede Stufe oder Ausnehmung (g, h) kontinuierlich ist und rechtwinklig zur Achse des Druckwiedergewinnungsabschnittes (c).
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckwiedergewinnungsabschnitt (c) im Querschnitt kreisförmig ist und die oder jede Stufe oder Ausnehmung (g, h) eine kontinuierliche kreisförmige Stufe oder Ausnehmung ist, rechtwinklig zur Achse des Druckwiedergewinnungsabschnittes (c).
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Stufe oder Ausnehmung (g, h) unmittelbar angrenzend an das stromaufwärtige Ende des Druckwiedergewinnungsabschnittes (c) angeordnet ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckwiedergewinnungsabschnitt (c) einen sich im wesentlichen erweiternden Strömungsquerschnitt aufweist, gebildet durch eine Reihe von Stufen oder zusammenhängenden Ausnehmungen (g, h).
6. Gaseinzugseinrichtung mit einem Druckwiedergewinnungsabschnitt, im wesentlichen wie beschrieben mit Bezug zu Fig. 3 dnr beigefügten Zeichnung.