DE4447071A1 - Hahn zur Atmungs- und Lungenfunktionsmessung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hahn zum Ab­ sperren eines Einlaßstutzens und zum wahlweisen Durchschalten von dem Einlaßstutzen zu einem von mehreren Auslaßstutzen, insbesondere für Gase, im besonderen zur Atmungs- und Lungenfunktionsmessung, mit einem Gehäuse und einem Küken.

Bei der Atmungs- und Lungenfunktionsmessung werden eine Vielzahl an Hähnen eingesetzt. Ein häufiger Anwendungsfall besteht darin, daß die von der un­ tersuchten Person kommende Atemluft nacheinander an verschiedene Geräte geleitet wird, wobei ein schnelles Umschalten möglich sein muß. Um die Un­ tersuchung für den Patienten möglichst angenehm zu gestalten und um das Untersuchungsergebnis nicht zu beeinflussen, ist einerseits der Strömungsquer­ schnitt möglichst groß, damit kein nennenswerter Strömungswiderstand entsteht, und andererseits der Totraum möglichst gering, damit auch bei geringer Lungenkapazität, zum Beispiel bei Kindern, das ge­ samte Volumen beim Aus- und Einatmen überwunden wird. Die Atemluft enthält zwangsläufig Feuchtig­ keit, Schleim und andere feuchte Inhaltsstoffe, die zum Verkleben der beweglichen Teile führen. Insbe­ sondere nach längeren Standzeiten (übers Wo­ chenende) können die Hähne und Ventile verkleben und nicht mehr funktionsfähig sein. Die bekannten Hähne lassen sich jedoch nur relativ umständlich auseinandernehmen und zusammensetzen, wodurch die Reinigung und die notwendige Desinfektion erheblich erschwert wird.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu­ grunde, einen Hahn anzugeben, der leicht zerlegbar und zusammenfügbar ist und bei dem sich Verklebun­ gen durch das Drehen des Hahns selbständig lösen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Küken im wesentlichen ein Kegelstumpf ist, der von der Grundfläche her eine nicht durchge­ hende, axiale Einlaßbohrung und zumindest eine mit der Einlaßbohrung verbundene, nicht durchgehende, radiale Auslaßbohrung besitzt, das Gehäuse im we­ sentlichen ein Hohlzylinder mit einer rotationssym­ metrischen zur Achse koaxialen Aussparung ist, wo­ bei sich die Aussparung aus einem dem Küken ent­ sprechendem Kegelstumpf und einem an der Grundflä­ che des Kegelstumpfs angesetzten Hohlzylinder zu­ sammensetzt, das Küken in die Aussparung eingesetzt ist, in dem Gehäuse auf Höhe der Auslaßbohrung des eingesetzten Kükens zumindest zwei durchgehende ra­ diale Bohrungen vorhanden sind, die an der äußeren Mantelfläche des Gehäuses jeweils mit einem Auslaß­ stutzen abschließen, der Einlaßstutzen in den zy­ linderförmigen Teil der Aussparung eingesetzt ist, eine durchgehende, im wesentlichen zum Gehäuse ko­ axialen Bohrung aufweist und ansonsten die Ausspa­ rung gasdicht abschließt und zwischen einer zum Ge­ häuse koaxialen Welle und dem stumpfseitigen Ende des Kükens eine magnetische Kupplung vorhanden ist, die aus an der Welle und an dem Stumpf des Kükens befestigten Magneten besteht, deren Magnetisie­ rungsrichtung sich in Umfangsrichtung mindestens einmal umkehrt und die so angebracht sind, daß das magnetische Feld eine axiale Komponente hat.

Das wesentliche an der Erfindung ist, daß sich der Hahn bei Verklebungen zum Beispiel durch Schleim selbständig wieder löst. Erreicht wird dies durch die konische Gestalt des Kükens und die magnetische Kupplung zwischen dem Küken und der Welle. Die ma­ gnetische Kupplung besteht aus jeweils einem Magne­ ten im Bereich der Stirnseite der Welle und am stumpfseitigen Ende des Kükens. Die beiden Magnete berühren sich nicht, wobei zwischen ihnen auch die Wandung des Gehäuses verlaufen kann. Es ist prinzi­ piell möglich, zwischen den Magneten die Wandung auszusparen, bevorzugt ist jedoch ein bodenseitig geschlossenes Gehäuse. Die Magnete haben mindestens zwei Bereiche verschiedener Polarität, die sich in Umfangsrichtung abwechseln. Die Bereiche an der Welle und am Küken entsprechen sich, so daß sich bei stillstehender Welle die Bereiche umgekehrter Polarität gegenüberstehen. Dreht sich die Welle, so wird das Küken durch die magnetische Anziehungs­ kraft mit der gleichen Winkelgeschwindigkeit mitbe­ wegt. Wenn das Küken wegen Verschmutzung oder Ver­ klebung hinter der Welle zurückbleibt, stehen sich Bereiche gleicher Polarität gegenüber, die bei zu­ nehmendem Winkelversatz größer werden. Gleichzeitig nehmen die Bereiche ungleicher Polarität ab, wo­ durch ab einem bestimmten Winkelversatz die absto­ ßenden Kräfte überwiegen und dadurch das Küken in axialer Richtung bewegt wird. Es hebt sich dabei etwas von dem Gehäuse ab, wodurch die Verklebungen gelöst werden. Sobald das Küken wieder frei beweg­ lich ist, eilt es der Welle nach oder bleibt so­ lange zurück, bis die Deckungsgleichheit zwischen den Bereichen ungleicher Polarität wieder erreicht ist. Durch die Anziehungskräfte liegt das Küken wieder luftundurchlässig an der Innenwandung des Gehäuses an. Voraussetzung für dieses Funktions­ prinzip ist die kegelstumpfförmige Gestalt des Kü­ kens und die dem Küken entsprechende Aussparung im Gehäuse. Dadurch ist gewährleistet, daß der Spalt zwischen Küken und Gehäuse bei einer axialen Bewe­ gung des Kükens je nach Bewegungsrichtung größer oder kleiner wird. Die Aussparung ist in axialer Richtung kreiszylinderförmig verlängert und bildet eine Öffnung an der der Kupplung entgegengesetzten Grundfläche. Durch diese Öffnung kann das Küken leicht entnommen und wieder eingesetzt werden. Im Betriebszustand ist diese Öffnung durch den Einlaß­ stutzen randseitig gasdicht abgeschlossen. Die durch den Einlaßstutzen einströmende Luft gelangt in den Zwischenraum zwischen dem Einlaßstutzen und dem Küken. Die Höhe dieses Zwischenraums ist so ge­ wählt, daß einerseits das Küken genügend Spiel für die axiale Auf- und Abbewegung hat und andererseits der Totraum möglichst klein gehalten wird. Die Luft strömt nun von dem Zwischenraum in die Einlaßboh­ rung, die axial im Küken verläuft und gelangt von dort in die radiale Auslaßbohrung, welche je nach Winkelposition des Kükens abgesperrt ist oder an eine der radialen Bohrungen im Gehäuse anschließt, so daß die Luft durch die Gehäusewand hindurch zum Auslaßstutzen gelangen kann. Ein anderer Strömungs­ weg ist nicht möglich, da das Küken im Normalzu­ stand gasdicht an der Gehäuseinnenwand anliegt. Das Umschalten zwischen zwei Auslaßstutzen geschieht dadurch, daß die Welle um einen entsprechenden Win­ kel gedreht wird. Das Küken wird dabei mitgeführt und die Auslaßbohrung des Kükens wird an die ge­ wünschte Bohrung des Gehäuses geschwenkt. Die Funk­ tionsweise ist damit ähnlich der eines Dreiwege­ hahns: Der Einlaßstutzen kann mit einem oder mehre­ ren Auslaßstutzen verbunden werden. Lediglich das Absperren des Einlaßstutzens ist mit dem erfin­ dungsgemäßen Hahn nicht möglich, kann jedoch durch ein zusätzliches Ventil realisiert werden. Selbst­ verständlich ist auch die umgekehrte Strömungsrich­ tung von den Auslaßstutzen zum Einlaßstutzen mög­ lich.

Die Vorteile der Erfindung sind vor allen Dingen darin zu sehen, daß Verklebungen im Hahn selbstän­ dig durch das Drehen der Welle gelöst werden und daß der Hahn leicht und einfach zerlegt, gereinigt und wieder zusammengesetzt werden kann, wobei ein falsches Zusammenstecken wegen der konischen Form des Kükens ausgeschlossen ist. Zudem ist ein großer Strömungsdurchmesser im Hahn möglich, der an keiner Stelle verengt werden muß, so daß der Strömungswi­ derstand gering gehalten werden kann. Der Totraum ist vergleichsweise gering und beträgt 30 bis 40 cm³.

Der Hahn besteht vorzugsweise aus Kunststoff, der eine hohe Haltbarkeit aufweist und eine gute und leichte Reinigung und Desinfizierung ermöglicht.

Die Magnete können in radialer und/oder axialer Richtung an der Welle und dem Küken angebracht sein. Bei axialer Anbringung ist es notwendig, daß Küken und Welle ineinandergreifen, so daß sich die axial angebrachten Magnetflächen gegenüberstehen. Die Bereiche verschiedener Polarität sind vorzugs­ weise sektorenförmig abgegrenzt, so daß sich im Um­ fangsbereich die beiden Polaritäten abwechseln. Die radiale Anbringung an der Stirnseite der Welle und am stumpfseitigen Ende des Kükens hat den Vorteil, daß die axial wirkenden Anziehungs- und Abstoßungs­ kräfte relativ stark sind. Demgegenüber sind bei den axial ausgerichteten Magnetflächen die Kräfte tangential zur Rotationsachse relativ stark ausge­ prägt. Sind die Magnete ausschließlich axial ange­ bracht, so muß zur Erreichung einer axialen Kompo­ nente des Magnetfeldes der Magnet an der Welle ge­ genüber dem Magnet am Küken axial versetzt sein.

Vorteilhafterweise weist die magnetische Kupplung mehr als zwei Sektoren, vorzugsweise bis zu sechs Sektoren zur Abgrenzung der Magnetisierungsrichtun­ gen auf, wodurch bei der Drehung der Welle die Überlappungsgebiete gleicher Polarität zwischen den beiden Magneten schnell zunehmen, wenn das Küken hinter der Welle zurückbleibt. Somit wird das Küken bereits bei kleinem Drehwinkel frühzeitig mitbewegt bzw. abgestoßen, so daß das Umschalten bereits nach kurzen Wegen erfolgt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung besitzt das Gehäuse zwei Bohrungen, wobei jede Boh­ rung für sich oder beide Bohrungen zusammen mit dem Einlaßstutzen verbunden werden können. Die Bohrun­ gen im Gehäuse sind dazu so angeordnet, daß sie einen Winkel ungleich 180° einschließen. Der glei­ che Winkel wird durch zwei Auslaßbohrungen des Kü­ kens aufgespannt, so daß die Bohrungen im Gehäuse und die Auslaßbohrungen gleichzeitig in Deckung ge­ bracht werden können. Bei anderen Winkelpositionen des Kükens ist nur jeweils eine oder keine Bohrung des Gehäuses mit dem Einlaßstutzen verbunden.

In einer anderen zweckmäßigen Ausgestaltungsform sind die Auslaßbohrungen des Kükens und die Bohrun­ gen durch das Gehäuse analog einem bekannten Drei­ wegehahn angeordnet, so daß wahlweise alle drei Bohrungen im Gehäuse oder jeweils zwei dieser Boh­ rungen zusammengeschlossen werden können. Damit auch eine einzelne Gehäusebohrung mit dem Einlaß­ ventil verbunden werden kann, weist das Küken noch eine zusätzliche vierte Auslaßbohrung auf, die mit keiner der anderen Auslaßbohrungen einen Winkel von 90° einschließt. Im Ergebnis erhält man bezüglich der drei Auslaßstutzen ein Dreiwegeventil, wobei die Auslaßstutzen zusätzlich mit dem Einlaßstutzen verbunden sind und sich auch nur ein einzelner Ein­ laßstutzen mit dem Auslaßstutzen verbinden läßt.

Zweckmäßigerweise schließt die vierte, zusätzliche Auslaßbohrung mit einer anderen Bohrung einen Win­ kel von 45° ein, womit ein maximaler Abstand zwi­ schen den Auslaßbohrungen und somit eine optimale Gasdichtigkeit erreicht ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschrei­ bungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläu­ tert wird.

Die Zeichnung zeigt einen erfindungsgemäßen Hahn im Längsschnitt. Ein im wesentlichen kegelstumpfförmi­ ges Küken (1) weist eine zur Kegelachse koaxiale Einlaßbohrung (2) und eine mit der Einlaßbohrung (2) verbundene, radiale Auslaßbohrung (3) auf. Am stumpfseitigen Ende besitzt das Küken (1) eine zur Kegelachse koaxiale kreiszylinderförmige Ausspa­ rung, deren Rand von einem Magneten (4) gebildet wird. Die Mantelfläche des Kükens (1) liegt dicht an einem rotationssymmetrischen Gehäuse (5) an, das auch das stumpfseitige Ende des Kükens (1) umgibt, wobei die Aussparung des Kükens (1) nachvollzogen wird, so daß das Gehäuse (5) eine analoge Ausspa­ rung aufweist. In die Aussparung des Gehäuses (5) ist eine Welle (6) geführt, deren Stirnseite sowie das obere Mantelende von einem Magneten (7) über­ deckt wird, so daß sich der Magnet (4) am Küken (1) und der Magnet (7) an der Welle (6) ungefähr im konstanten Abstand gegenüberstehen, wobei der Ma­ gnet (7) an der Welle (6) axial etwas nach unten versetzt ist. Beide Magnete (4, 7) sind in Sektoren verschiedener Polarität unterteilt. Im Ruhezustand stehen sich diese Bereiche verschiedener Polarität der beiden Magnete (4, 7) gegenüber. Wenn sich die Welle (6) dreht, wird, wegen der magnetischen An­ ziehungskraft, das Küken (1) mitgenommen. Ist das Küken (1), zum Beispiel durch Verklebung blockiert, so überlappen sich während der Drehung der Welle (6) mehr und mehr Bereiche gleicher Polarität, bis die Abstoßung überwiegt und das Küken (1) dadurch nach oben bewegt wird. Folglich vergrößert sich der Spalt zwischen dem Gehäuse (5) und dem Küken (1) und die Verklebung wird gelöst. Schließlich eilt das Küken (1) bis zur Deckungsgleichheit der un­ gleich polarisierten Bereiche nach und wird dadurch wieder vom Magneten (7) der Welle (6) angezogen, wodurch sich der Spalt zwischen Küken (1) und Ge­ häuse (5) wieder schließt. Oberhalb des Kükens (1) setzt sich die Aussparung des Gehäuses (5) kreiszy­ linderförmig fort und bildet eine Öffnung in dem Gehäuse (5), welche durch einen Einlaßstutzen (8) abgedichtet wird. Dieser Einlaßstutzen (8) besitzt eine zum Gehäuse (5) und Küken (1) konzentrische Bohrung (9), die in dem Zwischenraum zwischen dem Einlaßstutzen (8) und dem Küken (1) mündet. Das Ge­ häuse (5) weist ferner zwei radiale Bohrungen (10) auf, die einen Winkel von 180° einschließen, wobei eine Bohrung (10) die in der gezeichneten Drehwin­ kelposition des Kükens (1) die Fortsetzung der Aus­ laßbohrung (3) bildet. Soll die Auslaßbohrung (3) mit der anderen radialen Bohrung (10) im Gehäuse (5) verbunden werden, so wird die Welle (6) um einen entsprechenden Drehwinkel gedreht, wobei das Küken (1) mitgenommen wird.

Claims (8)

1. Hahn zum Absperren eines Einlaßstutzens (8) und zum wahlweisen Durchschalten von dem Einlaßstutzen (8) zu einem von mehreren Auslaßstutzen, insbeson­ dere für Gase, im besonderen zur Atmungs- und Lun­ genfunktionsmessung, mit einem Gehäuse (5) und ei­ nem Küken (1), dadurch gekennzeichnet, daß

• - das Küken (1) im wesentlichen ein Kegelstumpf ist, der von der Grundfläche her eine nicht durch­ gehende, axiale Einlaßbohrung (2) und zumindest eine mit der Einlaßbohrung (2) verbundene, nicht durchgehende, radiale Auslaßbohrung (3) besitzt,
• - das Gehäuse (5) im wesentlichen ein Hohlzylinder mit einer rotationssymmetrischen zur Achse koaxia­ len Aussparung ist, wobei sich die Aussparung aus einem dem Küken (1) entsprechendem Kegelstumpf und einem an der Grundfläche des Kegelstumpfs angesetz­ ten Zylinder zusammensetzt,
• - das Küken (1) in die Aussparung eingesetzt ist,
• - in dem Gehäuse (5) auf Höhe der Auslaßbohrung (3) des eingesetzten Kükens (1) zumindest zwei durchge­ hende radiale Bohrungen (10) vorhanden sind, die an der äußeren Mantelfläche des Gehäuses (5) jeweils mit einem Auslaßstutzen abschließen,
• - der Einlaßstutzen (8) in den zylinderförmigen Teil der Aussparung eingesetzt ist, eine durchge­ hende, im wesentlichen zum Gehäuse (5) koaxialen Bohrung (9) aufweist und ansonsten die Aussparung gasdicht abschließt,
• - zwischen einer zum Gehäuse (5) koaxialen Welle (6) und dem stumpfseitigen Ende des Kükens (1) eine magnetische Kupplung vorhanden ist, die aus an der Welle (6) und an dem Stumpf des Kükens (1) befe­ stigten Magneten (4, 7) besteht, deren Magnetisie­ rungsrichtung sich in Umfangsrichtung mindestens einmal umkehrt und die so angebracht sind, daß das magnetische Feld eine axiale Komponente hat.

2. Hahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hahn aus Kunststoff besteht.

3. Hahn nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Teilflächen der Magnete (4, 7) radial ausgerichtet sind und daß auf diesen Teilflächen die beiden verschiedenen Ma­ gnetisierungsrichtungen sektorenförmig abgegrenzt sind.

4. Hahn nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß entweder das Küken (1) in axialer Richtung in die Welle (6) oder die Welle (6) in axialer Richtung in das Küken (1) eingreift und daß sich zumindest Teilflächen der Magnete (4, 7) axial ausgerichtet sind und sich im Eingreifbe­ reich befinden, wobei die beiden Magnetisierungs­ richtungen sektorenförmig abgegrenzt sind.

5. Hahn nach einem der Ansprüche 3 oder 4, gekenn­ zeichnet durch mindestens drei und höchstens sechs Sektoren zur Abgrenzung der Magnetisierungsrichtun­ gen.

6. Hahn nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) zwei radiale Bohrungen (10) aufweist, die einen Winkel ungleich 180° einschließen und daß das Küken (1) zwei Auslaßbohrungen (3) aufweist, die den selben Winkel wie die beiden Bohrungen (10) des Gehäuses (5) einschließen.

7. Hahn nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (5) drei radiale Bohrungen (10) aufweist, wobei zwei Bohrungen (10) einen Winkel von 180° einschließen und die dritte Bohrung (10) mit den anderen beiden jeweils einen Winkel von 90° einschließt und daß das Küken (1) vier Auslaßbohrungen (3) aufweist, wobei zwei Aus­ laßbohrungen (3) einen Winkel von 180° einschlie­ ßen, die dritte Auslaßbohrung (3) mit den ersten beiden jeweils einen Winkel von 90° einschließt und die vierte Auslaßbohrung (3) zu jeder der anderen Auslaßbohrungen (3) einen Winkel einschließt, der ungleich 90° ist.

8. Hahn nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die vierte Auslaßbohrung (3) zu einer der ande­ ren Auslaßbohrungen (3) einen Winkel von 45° ein­ schließt.