DE69123750T2

DE69123750T2 - Unter umgebungsdruck arbeitender luft-sauerstoffmischer

Info

Publication number: DE69123750T2
Application number: DE69123750T
Authority: DE
Inventors: Douglas Devries
Original assignee: Bird Products Corp
Current assignee: Bird Products Corp
Priority date: 1990-10-15
Filing date: 1991-09-25
Publication date: 1997-07-03
Anticipated expiration: 2011-09-26
Also published as: EP0553128A4; DE69123750D1; WO1992006730A1; US5014694A; EP0553128B1; EP0553128A1

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Atmungshilfe und insbesondere die Pflege von Patienten, die zur richtigen Aufrechterhaltung der Ventilation ein mit Sauerstoff angereichertes Atmungsgas benötigen und von Ventilationsgeräten abhängig sind.
Patienten, die an einer neuromuskulären Krankheit, an Rükkenmarksverletzungen oder an verschiedenen chronischen Atmungskrankheiten leiden, sind oft nicht in der Lage, selbst zu atmen. Typischerweise werden diese Patienten intubiert. Dies macht die Anordnung eines Rohres in der Luftröhre erforderlich, um eine abgedichtete pneumatische Leitung zu der Lunge herzustellen. Gleichzeitig mit der Intubation werden die Patienten typischerweise an ein Ventilationsgerät für einen positiven Druck angeschlossen. Ein typisches Ventilationssystem enthält einen Mischer zum Mischen von ankommender Luft mit Sauerstoff bis zu einer gewünschten Konzentration, ein Steuersystem für den Fluß bei der Einatmung zur Steuerung des Gasflusses zu der Lunge des Patienten und ein Ausatmungssystem zur Steuerung des Gasflusses aus der Lunge.
Ventilationsgeräte zur Krankenpflege sind so entworfen, daß sie komprimierte Luft und Sauerstoff von dem Gas- Versorgungssystem des Krankenhauses erhalten, das diese Gase typischerweise mit einem Druck von etwa 3,52 kg/cm² (50 psig) liefert. Die Systeme zur Gasmischung und zur Flußsteuerung dieser Ventilationsgeräte sind so beschaffen, daß sie mit diesen Druckgasquellen arbeiten.
In der jüngsten Zeit wird eine sich vergrößernde Anzahl von Patienten, die von Ventilationsgeräten abhängig sind, zu Hause gepflegt. Dies macht neue Entwürfe der Ventilationssysteme erforderlich. Komprimierte Luft ist typischerweise zu Hause nicht verfügbar, wie dies in Krankenhäusern der Fall ist. Aus diesem Grunde müssen die Systeme zur Mischung und Flußsteuerung der Ventilationsgeräte für zu Hause so beschaffen sein, daß sie Luft mit dem Umgebungsdruck verarbeiten.
Die Lieferung von mit Sauerstoff angereicherten Gasen für von Ventilationsgeräten abhängigen Patienten wird gegenwärtig in einer oder zwei Weisen ausgeführt. Bei einer ersten Art eines Gasliefersystems wird ein ununterbrochener Fluß von 100% Sauerstoff aus einem unter Druck gesetzten Zylinder durch ein Strömungsventil und eine Flußmeßeinrichtung gemessen. Dieser Fluß wird direkt in den Kreislauf des Patienten injiziert. Die richtige Flußrate wird, um die gewünschten Sauerstoffkonzentration zu erhalten, für jeden Ventilationszustand aus bekannten Gleichungen errechnet.
Da die Berechnung es erforderlich macht, daß das sehr kleine Volumen und die gewünschte Sauerstoffkonzentration bekannt sind, hat dieses Verfahren den Nachteil, daß die sehr kleine Ventilation des Patienten bekannt sein muß. Für Patienten, die spontan atmen, ändert sich die sehr kleine Beatmung in Abhängigkeit von der Atemaktivität des Patienten. Die Sauerstoffkonzentration ändert sich daher mit der sehr kleinen Ventilation. Dieses Verfahren macht es auch erforderlich, daß die richtige Flußrate jedes Mal neu berechnet wird, wenn die Einstellungen des Ventilationsgerätes geändert werden. Auf diese Weise wird die echte Sauerstoffkonzentration niemals angezeigt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß während der Ausatmung der ununterbrochene Fluß des Sauerstoffes den Kreislauf des Patienten füllt. Wenn eine Einatmung erfolgt, empfängt der Patient 100% Sauerstoff während des ersten Bereiches der Atmung, woraufhin nahezu reine Luft während der restlichen Atmung folgt. Als Ergebnis werden sich heftig ändernde Sauerstoffkonzentrationen während einer einzigen Atmung geliefert.
Die zweite Art eines Gasliefersystems verwendet ein Mischgehäuse, das fluiddicht mit dem Eingang des Ventilationsgerätes verbunden ist, wobei ein ununterbrochener Sauerstofffluß in das Gehäuse injiziert wird. Das Heim- Ventilationsgerät zieht gemischte Luft und Sauerstoff aus dem Gehäuse ein, um diese Mischung dem Patienten zuzuführen. Diese Technik beseitigt das Mischproblem, bei dem zuerst nur Sauerstoff und dann nur Luft an den Patienten geliefert wird. Diese Technik weist aber noch die oben beschriebenen Probleme auf, die sich auf die Änderung des Sauerstoffes bei der sehr kleinen Ventilation und die Notwendigkeit der wiederholten Berechnung der Flußrate für jede Änderung der Ventilation beziehen.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem Gasliefersystem für die Ventilation zu Hause, bei dem sich die Sauerstoffkonzentration bei der sehr kleinen Ventilation des Patienten nicht ändert. Es besteht ferner ein Bedürfnis nach einem Gaszuliefersystem, das eine im wesentlichen gleichmäßige Mischung von Gasen liefert. Es besteht ferner ein Bedürfnis die Sauerstoffkonzentration über den Betriebsbereich des Systems visuell und genau anzeigen zu können.
Eine weitere Schwierigkeit bei Heim-Ventilationssystemen besteht in dem breiten Bereich von Betriebsanforderungen, die wünschenswert sind. Gegenwärtige Gasmischungssysteme, die in Krankenhäusern verwendet werden, können nicht direkt zum Gebrauch bei Heim-Ventilationsgeräten angewendet werden, weil die Vorrichtungen so entworfen sind, daß sie über relativ kleine Bereiche der Betriebsanforderungen mit den Druckgasquellen arbeiten. Ein typischer Mischer, der zum Gebrauch in einem Krankenhaus entworfen ist, weist einen Ausgleichsmechanismus, mit dem der Druck der Druckgase im wesentlichen ausgleichbar ist, und einen Proportionierungsmechanismus auf, mit dem vorbestimmte Teile der Gase mischbar bzw. vermengbar sind, nachdem ihre Drücke im wesentlichen ausgeglichen wurden.
Wenn beispielsweise der Druck der Luft am Eingang 3500 cmH&sub2;O (50 psi) und der Druck des Sauerstoffes am Eingang 2800 cmH&sub2;O (40 psi) betragen, betragen die Drücke von Sauerstoff und Luft, die das Ausgleichssystem verlassen, typischerweise 2801 cmH&sub2;O bzw. 2800 cmH&sub2;O. Es ist von Bedeutung, daß das Ausgleichssystem keine genau ausgeglichenen Drücke hervorbringt. Ein solcher Druckausgleichsmechanismus ist in der US-PS 3,727,627 (Forrest Bird) beschrieben.
Die zwei nahezu ausgeglichenen Gase treten dann in das Untersystem zur Proportionierung ein, dessen Kernstück typischerweise ein doppelendiger Ventilteller ist, der zwischen einem Sauerstoff-Ventilsitz und einem Luft-Ventilsitz wirkt. Der Ventilteller wird zwischen den beiden Ventilsitzen mit der Hilfe eines Knopf-Schrauben-Betätigungsgliedes positioniert, um die gewünschte Sauerstoffkonzentration zu erreichen. Wenn der Fluß eines Gases zunimmt, nimmt der Fluß des anderen Gases ab. Wenn sich der Steuerknopf in der 21%-Position befindet, sitzt der Ventilteller auf dem Sauerstoff-Ventilsitz, so daß nur Luft fließen kann. In der 100%-Position sitzt der Ventilteller auf dem Luft- Ventilsitz, so daß reiner Sauerstoff fließt. Zwischenpositionen des Ventiltellers führen zu Sauerstoffkonzentrationen zwischen 21 und 100%.
Eine typische Spezifikation für eine solche Gasmischeinrichtung für Krankenhäuser liegt bei +/- 3% Genauigkeit über einem Flußbereich von 12 bis 120 Liter pro Minute (1 pm) mit Einlaßdrücken von etwa 3,52 kg/cm² (50 psig). Dies führt zu einem Flußverhältnis von 10:1. Der minimale Fluß durch die Mischeinrichtung wird durch den zulässigen Druckabfall am Proportionierungsventil und durch die Ausgleichsfähigkeiten der Ausgleichsmodule bestimmt. Der Druckabfall am Proportionierungsventil wird durch die folgenden allgemeine Gleichung bestimmt:
Druckabfall = K*A*Q²,
wobei K eine mit dem Gas in Beziehung stehende Konstante, A die Ventilfläche und Q die Gasflußrate bezeichnen.
Infolge der quadratischen Beziehung ergibt sich, daß für ein Verhältnis der Gasflußrate von 10:1 der entsprechende Druckabfall (10)²:1 oder 100:1 ist. Wie dies unten erläutert werden wird, sind diese Arbeitsmöglichkeiten für die Verwendung zu Hause ungeeignet.
Heil-Ventilationsgeräte für zu Hause verwenden typischerweise eines von zwei verfügbaren Antriebssystemen zur Betätigung eines Pumpkolbens, der den Gasdruck zur Überwindung des Lungenwiderstandes und zur Steuerung der Flußrate des Gases in die Lunge liefert. Der erste und einfachste Antrieb weist die Form eines Kurbelwellenmechanismus auf, der demjenigen nicht unähnlich ist, der bei einem typischen Automobilmotor verwendet wird. Der zweite Typ des Antriebs verwendet einen Gleichstrom (DC) Motor, der an den Kolben über eine Kugel-Schrauben-Anordnung gekoppelt ist. Die Eingangsflußprofile dieser Systeme ändern sich in großem Maße in Abhängigkeit von den Einstellungen des Ventilationsgerätes und dem Antriebsprofil, das von den Designern für jede besondere Vorrichtung verwendet wird. Basierend auf selektiven Prüfungen wird angenommen, daß ein Flußbereich von 5 bis 160 lpm benötigt wird, um den Anforderungen der verschiedenen bestehenden Ventilationsgeräte gerecht zu werden, die für eine Verwendung zu Hause entworfen wurden.
Da das Ventilationsgerät die Motorkraft zum Einsaugen der gemischten Gase durch den Mischer liefern muß, muß der Mischer einen kleinen Druckabfall aufweisen, um zu verhindern, daß der Ansaughub des Ventilationsgerätes verlangsamt wird und/oder zu verhindern, daß ein übermäßig großer Energieverbrauch bewirkt wird. Es wird angenommen, daß der Druckabfall 35 cmH&sub2;O über dem speziellen Druckbereich nicht überschreiten soll. Dies beruht auf den empirischen Prüfungen.
Die Ausführungsspezifikationen für einen zu Hause verwendbaren Mischer, der bei dem gegenwärtigen Spektrum von Heim- Ventilationsgeräten verwendet werden kann, umfassen daher einen Flußbereich von 5 bis 160 lpm, einen maximalen Druckabfall von 35 cmH&sub2;O, einen Mischbereich von 21 bis 50% Sauerstoff und eine Genauigkeit von +/- 3%. Während die Luft aus der Atmosphäre bei Umgebungsdruck geliefert wird, muß der Sauerstoff von einer Druckquelle, wie beispielsweise einem Tank oder einem Sauerstoffkonzentrator, kommen. Der unter Druck befindliche Sauerstoff muß auf Umgebungsdruck entspannt werden, wobei ein Druckreduzierventil oder eine Drosselöffnung, die in einen Gummibeutel führt, verwendet werden. In jedem Fall kann ein an der Proportionierungsvorrichtung 12 gemessener Sauerstoffdruck von 0 bis 1 cmH&sub2;O oberhalb der Umgebung erreicht werden.
Um die Genauigkeitsspezifikation von +/- 3% bei der Änderung des Eingangsdruckes des Sauerstoffes von 0 bis 1 cmH&sub2;O von dem Ausgleichsregelglied aufrechtzuerhalten, muß der minimale Druckabfall bei 5 lpm etwa 5 cm cmH&sub2;O betragen. Bei Anwendung einer konventionellen Mischertechnologie, wie sie früher beschrieben wurde, beträgt der zugehörige Druckabfall bei 160 lpm (32)²*5 oder 5.120 cmH&sub2;O.
Wie dies ersichtlich ist, liegen sowohl der Flußbereich, wie auch der Druckbereich, die für den Mischer für die Umgebungsluft gefordert werden, jenseits der Möglichkeiten von konventionellen Sauerstoff-Mischertechnologien. Der Umgebungsdruck muß einen Flußbereich von 5 bis 160 lpm (1:32 Verhältnis) erreichen können, während gegenwärtige Mischer einen Flußbereich von 12 bis 120 lpm (1:10 Verhältnis) besitzen. Außerdem müssen Umgebungsdruck-Mischer einen maximalen Druckabfall von 35 cmH&sub2;O oder ein maximales Druckverhältnis von 7:1 aufrechterhalten, während gegenwärtige Mischer einen maximalen Druckabfall von 3500 cmH&sub2;O oder ein maximales Druckverhältnis von 700:1 besitzen.
Aus der US-A-3 831 595 gehen eine Vorrichtung und ein Verfahren hervor, die die Merkmale der Oberbegriffe der Patentansprüche 1 bzw. 8 aufweisen.
Es besteht daher ein Bedürfnis an einer zu Hause anwendbaren Umgebungsluft-Gas-Mischeinrichtung, die eine größere Betriebskapazität besitzt, als die früher verfügbaren Einrichtungen. Es besteht außerdem ein Bedürfnis, daß ein solches System klein ist, eine einfache Konstruktion besitzt und zuverlässig ist, um seine Verwendung zu Hause zu erleichtern, wo ein geübtes Servicepersonal zur andauernden Überwachung und Überprüfung der Maschine, um sie einzustellen oder zu reparieren, nicht zur Verfügung steht.

Zusammenfassung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Gasmischer führt zu einem Proportionierungssystem, das eine genaue Mischung der atmosphärischen Luft und eines Druckgases, wie beispielsweise Sauerstoff, über einen weiten Flußbereich aufrechterhält, wobei ein sehr kleiner Druckabfall aufrechterhalten wird.
Vorteilhafterweise weist der erfindungsgemäße Mischer einen Ventilteller und entsprechende Ventilsitze auf, die in Bezug aufeinander so bemessen sind, daß ein konstantes Verhältnis der Gasflüsse durch jede der beiden Ventilteller/Ventilsitz-Kombinationen fließt, wenn die Ventilteller axial bewegt werden. Der Aufbau ist so, daß die Einstellung des Sauerstoff-Ventiltellers relativ zu dem Sauerstoff- Ventilsitz durch einen Knopf die Fläche des Ventiles für Sauerstoff steuert. Dadurch wird der Sauerstoffluß relativ zur Luft gesteuert.
Der Sauerstoff/Luft-Mischer gemäß der vorliegenden Erfindung weist vorteilhafterweise ein doppelendiges Tellerventilteil auf, bei dem die Bewegung der beiden Ventilteller in derselben Richtung gleichzeitig die beiden Ventilsitze öffnet oder schließt. Dies steht im Gegensatz zu herkömmlichen doppelendigen Ventiltelleranordnungen, bei denen die Bewegung der Ventilteller einen Ventilsitz schließt, während der andere Ventilsitz geöffnet wird.
Der Mischer mischt oder vermengt kontinuierlich die Luft und Sauerstoff, wenn sie die Auslaßöffnung verlassen. Dadurch wird die Notwendigkeit beseitigt, daß nur ein Gas in den Fluidverbindungsleitungen zwischen dem Mischer und dem Patienten aufgebaut wird. Da die Ventilteller/Ventilsitz- Anordnung ein konstantes Verhältnis der Gase aufrechterhält, wird eine Einrichtung geschaffen, die ein vorbestimmtes Verhältnis der gemischten Gase über einen großen Bereich der Flußanforderungen liefert. Außerdem ändert sich die gewünschte Sauerstoffkonzentration nicht im Verlaufe der Zuführung während eines Atemvorganges.
Der erfindungsgemäße Gasmischer weist zwei Ventilsitze auf, die so beschaffen sind, daß sie mit den Ventiltellern derart zusammenarbeiten, daß ein maximaler Druckabfall von etwa 35 mmH&sub2;O besteht. Auf diese Weise wird dieser Mischer bei einer größeren Anzahl von Heim-Ventilationsgeräten anwendbar, wie dies früher möglich war. Der niedrige Druckabfall ermöglicht es vorteilhafterweise, daß der Mischer den großen Flußbereich liefert, der für Heim-Ventilationsgeräte für zu Hause gefordert wird, ohne daß der Eingang des Ventilationsgerätes übermäßig belastet wird.
Der erfindungsgemäße Gasmischer wird vorteilhafterweise bei Ventilationsgeräten verwendet, die zur Beatmung und für medizinische Anwendungen verwendet werden, wobei der Gasmischer Umgebungsluft mit einem Druckgas mischt. Ein Druckreduzierglied reduziert den Druck eines ersten Druckgases im wesentlichen auf den Umgebungsdruck. Ein Gas-Ventilsitz ist in der Fluidverbindung mit dem Gas von dem Druckreduzierglied auf im wesentlichen Umgebungsdruck angeordnet. Ein Gas-Ventilteller wirkt mit dem Gas-Ventilsitz zusammen, um den Fluß des ersten Gases durch den Gas-Ventilsitz zu steuern. In einer ähnlichen Weise ist ein Luft-Ventilsitz in der Fluidverbindung mit der Umgebungsluft angeordnet und wirkt ein Luft-Ventilteller mit dem Luft-Ventilsitz zusammen, um den Fluß der Luft durch den Luft-Ventilsitz zu steuern.
Die Bewegung des Luft-Ventiltellers wird relativ zur Bewegung des zweiten Gas-Ventiltellers gesteuert und die beiden Ventilteller sind Teil eines doppelendigen Tellerventilteiles. Der Luft-Ventilsitz und der Gas-Ventilsitz sind relativ zu ihren jeweiligen Ventiltellern konfiguriert, so daß die Bewegung der Ventilteller relativ zu ihren entsprechenden Ventilsitzen ein konstantes Verhältnis von Luft und dem zweiten Gas aufrechterhält, die durch die Öffnungen zwischen den Ventilsitzen und ihren entsprechenden Ventiltellern fließt. Auf diese Weise werden der erste Ventilsitz und der zweite Ventilsitz gleichzeitig geöffnet, wenn sich die Ventilteller in eine erste Richtung entlang der Ventiltellerachse bewegen und werden der erste und zweite Ventilsitz gleichzeitig geschlossen, wenn sich die Ventilteller in der entgegengesetzten Richtung entlang der Ventiltellerachse bewegen.
Auf diese Weise werden eine erste und zweite Ventilsitzeinrichtung geschaffen, die mit dem ersten und zweiten Ventilteller zusammenwirken, um den Fluß eines unterschiedlichen Gases durch jede Einrichtung der ersten und zweiten Ventilsitzeinrichtungen zu steuern, wobei die Ventilsitzeinrichtungen ferner mit dem ersten und zweiten Ventilteller zusammenwirken, um die Flußfläche durch die Ventilsitzeinrichtungen zu steuern, um den Druckabfall zu begrenzen, während ein im wesentlichen konstantes Flußverhältnis für die Gase aufrechterhalten wird.
Vorteilhafterweise ist eine Mischkammer in einer direkten Fluidverbindung mit dem Gas-Ventilsitz und dem Luft- Ventilsitz angeordnet, um die Gase, die durch diese Ventilsitze strömen, zu mischen. Noch vorteilhafter ist einer der Ventilsitze in Bezug auf seinen entsprechenden Ventilteller einstellbar positionierbar, um es zu ermöglichen, daß das Verhältnis der Gase selektiv bestimmt wird. Dieses Gasverhältnis wird aufrechterhalten, wenn sich entsprechend der Anforderung des Benutzers des Ventilationsgerätes der Fluß der Gase vergrößert und abnimmt. Ein von außen zugänglicher Knopf, der mit dem einstellbar positionierbaren Ventilsitz verbunden ist, um den Ventilsitz einstellbar zu positionieren, ermöglicht es dem Benutzer, das Gasverhältnis durch Bezugnahme auf eine Skala zu bestimmen, die die Gasverhältnisse (z.B. in Prozent von Sauerstoff) anzeigt, während er gleichzeitig den einstellbaren Ventilsitz positioniert, um das ausgewählte Verhältnis zu erreichen.
Die Möglichkeit, daß mit dem Gas-Selektorknopf die Sauerstoffkonzentration ausgewählt wird, beseitigt das Erfordernis, die sehr kleine Änderung des Ventilationsgerätes andauernd zu berechnen. Es besteht keine Notwendigkeit externe Diagramme oder Gleichungen zur Hilfe zu nehmen, um die Berechnungen auszuführen. Der Mischer für Luft auf Umgebungsdruck und Sauerstoff verwendet dual änderbare Öffnungssysteme, um eine konstante Sauerstoffkonzentration zum Ventilationsgerät unabhängig von Änderungen des sehr kleinen Volumens des Ventilationsgerätes zu liefern.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist einer der Ventilteller so konfiguriert, daß er in Bezug auf seinen entsprechenden Ventilsitz einstellbar positionierbar ist, um das Anfangsverhältnis der durch die beiden Ventilsitze fließenden Gase zu bestimmen. In einer ähnlichen Weise ist bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung einer der Ventilteller so konfiguriert, daß das gewünschte Flußverhältnis aufrechterhalten wird. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind jedoch die beiden Durchmesser (Dp) der Ventilteller fest, aber unterschiedlich voneinander, und ändern sich die Durchmesser (Ds) der Ventilsitze entlang der axialen Länge der Ventilsitze nach der folgenden Gleichung:

Beschreibung der Zeichnungen

Die vorliegende Erfindung wird aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform die unten im Zusammenhang mit den Figuren erfolgt, in denen gleiche Bezugszeichen oder Bezugszahlen ähnliche Teile bezeichnen, verständlicher. Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch die Erfindung und
Fig. 2 eine bildliche Darstellung des erfindungsgemäßen Gasmischers, der mit einem Ventilationsgerät verbunden ist.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Gemäß Figur 1 enthält ein Mischer 10 einen zylindrischen Hohlraum 11, in dem eine Gas-Proportioniervorrichtung 12 montiert ist. Die Gas-Proportioniervorrichtung 12 umfaßt die Strukturen, die mit dem Hohlraum 11 verbunden sind, die einen ersten Gaseinlaß, wie beispielsweise eine Luft- Einlaßöffnung 14 umfassen, die in einer Fluidverbindung mit einem ersten Gas steht, das in diesem Fall die Umgebungsluft 16 ist. Die Gas-Einlaßöffnung 14 steht weiter in einer Fluidverbindung mit einem ersten Ventilsitz, wie beispielsweise dem Luft-Ventilsitz 18. Der Luft-Einlaß 14 und der Ventilsitz 18 umfassen vorteilhafterweise ein erstes im allgemeinen röhrenförmiges Teil 20, das ein Außengewinde 22 auf einem Bereich aufweist. Das Außengewinde 22 greift in ein entsprechendes Gewinde (nicht dargestellt) im Hohlraum 11 ein, um das röhrenförmige Teil 20 in dem Mischergehäuse 10 zu befestigen. Das Teil 20 ist mit dem Hohlraum 11 gasdicht verbunden, so daß kein Gas an dem Außenumfang des röhrenförmigen Teiles 20 austreten kann.
Der Ventilsitz 18 ist an der Innenseite des röhrenförmigen Teiles 20 ausgebildet. Der Ventilsitz 18 weist einen ersten Eingangsbereich des Ventilsitzes, der als Ventilsitzende 24 bezeichnet ist und ein zweites Ventilsitzende 26 auf. Die beiden Enden 24 und 26 sind im allgemeinen kreisförmig und koaxial, wobei das zweite Ende 26 im allgemeinen größer als das erste Ende 24 ist. Die Form des Ventilsitzes 18 zwischen dem ersten und zweiten Ende 24, 26 wird später erläutert.
Ein zweites im allgemeinen röhrenförmiges Teil 28 ist koaxial zu dem röhrenförmigen Teil 20 ausgerichtet und in dem Hohlraum 11 angeordnet. Ein zweiter Ventilsitz, z.B. ein Sauerstoff-Ventilsitz 30, ist an der Innenseite des Teiles 28 angeordnet. Der Ventilsitz 30 weist ein erstes Ende 32 und ein zweites Ende 34 auf. Die Enden 32, 34 sind im allgemeinen kreisförmig und koaxial und das zweite Ende 34 ist im allgemeinen größer als das erste Ende 32. Die Form des Ventilsitzes 30 zwischen dem ersten und zweiten Ende 32, 34 wird später erläutert. Das Teil 28 besitzt einen Flansch 29, der sich neben dem ersten Ende 32 des Teiles 28 radial nach außen erstreckt.
Das erste Ende 32 des Sauerstoff-Ventilsitzes 30 öffnet sich in eine Kammer 36. Das zweite Ende 26 des Luft- Ventilsitzes 18 öffnet sich in eine Kammer 38. Die Kammern 36, 38 werden durch die Wände des zylindrischen Hohlraumes 11, die Enden der Ventilsitze 18, 30 und eine dazwischenliegende Wand 40 bestimmt. Die Wand 40 ist eine radial ausgerichtete Trennwand, die den Hohlraum 11 zwischen den Ventilsitzen 18 und 30 im wesentlichen unterbricht.
Eine Gas-Auslaßöffnung 42 öffnet sich in die beiden Kammern 36, 38 von der Seite des Hohlraumes 11 her. Ein Rohr oder eine andere Fluid-Durchgangseinrichtung (nicht dargestellt) ist mit der Gas-Auslaßöffnung 42 verbunden, um eine Fluidverbindung von den Kammern 36, 38 zu einem Auslaß 43 eines Benutzers (Figur 2) herzustellen, der wiederum in einer Fluidverbindung mit einem Ventilationsgerät 45 (Figur 2) steht.
Ein drittes im allgemeinen röhrenförmiges Teil 44 ist in dem Hohlraum 11 angeordnet und koaxial zu dem zweiten röhrenförmigen Teil 28 ausgerichtet. Das Teil 44 ist mit dem Hohlraum 11 gasdicht verbunden, so daß kein Gas entlang des äußeren Umfanges des röhrenförmigen Teiles 44 austreten kann. Ein erstes Ende 46 des Teiles 44 überlappt einen Bereich des Teiles 28 und stößt an den radialen Außenflansch 29 am Teil 28 an, um eine axiale Bewegung des Teiles 28 relativ zum Teil 44 in einer axialen Richtung zu verhindern. Ein zweites Ende 48 des Teiles 44 enthält ein Außengewinde 50, das an einem entsprechenden Gewinde (nicht dargestellt) an der Innenseite des Hohlraumes 11 angreift, um das Teil 44 im Mischergehäuse 10 zu befestigen. Das Gewinde 50 weist vorzugsweise ein trapezförmiges Schraubengewinde auf.
Ein Knopf 52 ist mit dem zweiten Ende 48 des Teiles 44 durch eine Mutter 54 verbunden, die an einem Ende eines Bolzens 56 verschraubt ist, der sich durch ein Loch 58 im Knopf 52 erstreckt. Der Knopf 52 weist ein röhrenförmiges zylindrisches Ende 60 auf, das einen Außendurchmesser entsprechend dem Innendurchmesser der Innenseite des im allgemeinen röhrenförmigen Teiles 44 besitzt. Das Innere des röhrenförmigen Endes 60 verjüngt sich entlang der axialen Länge des Endes 60. Der Bolzen 56 besitzt ein Ende 62, das an seiner Außenseite eine axiale Verjüngung in der entgegengesetzten Richtung wie die Verjüngung in dem Ende 60 aufweist. Wenn die Mutter 54 den Bolzen 56 festzieht, verkeilen die beiden entgegengesetzten sich verjüngenden Flächen der Enden 62, 60 das Ende gegen die Innenseite des röhrenförmigen Teiles 44, um eine gasdichte Verbindung mit dem Teil 44 zu bilden. Die Drehung des Knopfes 52 dreht das Teil 44, das wegen des Gewindes 50 bewirkt, daß das Teil 44 sich verschiebt, während es sich dreht.
Das Teil 44 weist einen ringförmigen Durchgang 64 um seine Peripherie herum auf. Eine Mehrzahl von Öffnungen oder Löchern 66 erstrecken sich durch die Wände des röhrenförmigen Teiles 44, um die Fluidverbindung zwischen der Innenseite des röhrenförmigen Teiles 44 und dem Durchgang 64 herzustellen, der in einer Fluidverbindung mit einer Quelle eines zweiten Gases, wie beispielsweise Sauerstoff 68 steht. Die Innenseite des röhrenförmigen Teiles 44 steht in einer Fluidverbindung mit dem Sauerstoff-Ventilsitz 30 über das zweite Ende 34 des Ventilsitzes 30.
Die Wand 40 enthält eine Öffnung oder ein Loch 70 in ihrer Mitte entlang der Mittelachse der Teile 20, 28. Eine röhrenförmige Hülse oder Buchse 72 verläuft durch das Loch 70 und weist ein erstes Ende 74, das dem zweiten Ende 26 des Luft-Ventilsitzes 18 zugewandt ist, und ein zweites Ende 76 auf, das dem ersten Ende 32 des Sauerstoff-Ventilsitzes 30 zugewandt ist.
Eine Ventiltellerwelle 78 erstreckt sich gleitbar durch das Loch in der röhrenförmigen Hülse 72. Ein erster Ventilteller, wie beispielsweise ein Luft-Ventilteller 80, ist mit einem Ende der Welle 78 verbunden, wobei ein zweiter Ventilteller, beispielsweise ein Sauerstoff-Ventilteller 82, mit dem entgegengesetzten Ende der Welle 70 verbunden ist. Der Luft-Ventilteller 80 wirkt mit dem Luft-Ventilsitz 18 zusammen, um die Menge der Luft zu steuern, die durch den Luft-Ventilsitz 18 in die Kammer 38 fließt. Der Sauerstoff- Ventilteller 82 wirkt mit dem Sauerstoff-Ventilsitz 30 zusammen, um die Menge des Sauerstoffes zu steuern, die durch den Sauerstoff-Ventilsitz 30 in die Kammer 36 fließt.
Eine federnde Einrichtung, wie beispielsweise eine Druckfeder 84 erstreckt sich zwischen dem Luft-Ventilteller 80 und der Wand 40, um den Luft-Ventilteller 80 in Richtung auf den Luft-Ventilsitz 18 zu drücken, um den Luftfluß durch den Luft-Ventilsitz 18 zu blockieren bzw. zu unterbrechen. Vorteilhafterweise paßt die Schraubenfeder 84 über das erste Ende 74 der Hülse 72 und über einen Bereich des Ventiltellers 80, so daß die Feder 84 unverlierbar festgehalten wird und verhindert wird, daß sie in die Kammer 38 fällt.
Eine federnde Einrichtung, wie beispielsweise eine Druckfeder 86 erstreckt sich entlang der Innenwände des Hohlraumes 11 zwischen der Wand 40 und dem Luft-Ventilsitz 18, um den Ventilsitz 18 gegen das Gewinde 22 zu drücken, das den Ventilsitz 18 in einer axialen Position hält. Auf diese Weise wird das Spiel des Gewindes kompensiert. Vorteilhafterweise verläuft ein vertiefter Bereich 85 um den Umfang des zweiten Endes 26 des Ventilsitzes 18 herum, um das Ende der Feder 86 unverlierbar zu halten. Eine federnde Einrichtung, beispielsweise eine Druckfeder 88, erstreckt sich entlang der Innenwände des Hohlraumes 11 zwischen der Wand 40 und dem Ende des dritten Teiles 44, um das röhrenförmige Teil 44 und den Sauerstoff-Ventilsitz 30 gegen das Gewinde 50 zu drücken, das das Teil 44 und den Ventilsitz in einer axialen Position hält und auch um das Spiel des Gewindes zu kompensieren. Vorteilhafterweise besteht ein axialer Raum 87 zwischen dem ersten Ende 46 des Teiles 44 und dem radialen Umfang des Flansches 29, in dem das Ende der Feder 88 unverlierbar gehalten wird. Die Federn 84, 86 und 88 bilden federnde Einrichtungen, um die Ventilsitze und die Ventilteller entlang der axialen Richtung vorzuspannen, um die Positionierunggenauigkeit dieser Elemente zu vergrößern.
Sauerstoff 68 wird vorteilhafterweise entweder von einer Druckflasche oder einem Sauerstoffkonzentrator geliefert. Der Sauerstoffluß wird vorteilhafterweise durch eine allgemein verfügbar Flußmesser/Ventil-Kombination auf einen Pegel eingestellt, der größer ist als der maximale Durchschnittsverbrauch von Sauerstoff im Ventilationsgerät. Im allgemeinen entspricht dies einem kleinen Fluß in dem Bereich von 1 bis 4 lpm. Alternativ kann der Sauerstoffluß durch eine Reihe von festen Öffnungen am Sauerstoffeinlaß reguliert werden. In jedem Falle wird der Druck des Sauerstoffgases durch eine bekannte Druck-Reduziereinrichtung reduziert, bevor der Sauerstoff die Proportioniervorrichtung 12 erreicht.
Auf diese Weise wird Sauerstoff 68 mit im wesentlichen Umgebungsdruck an den Mischer 10 durch die Sauerstoff- Einlaßöffnung 90 an die Löcher 66 in dem kreisförmigen, ringförmigen Durchgang 64 geliefert. Eine Befestigungsöffnung 94 für einen Beutel steht in einer Fluidverbindung mit der Sauerstoff-Einlaßöffnung 90. Die Öffnung 94 ermöglicht es, daß ein herkömmlicher Akkumulator, der teilweise als Beutel 96 gezeigt ist, an der Öffnung 94 befestigt wird und den Fluß und den Druck des Sauerstoffes regelt. Da sich der Beutel 96 bei überschüssigem Sauerstoff aufbläst, steigt der Druck an. Bei einem vorbestimmten Grenzdruck wird der Sauerstoff über ein Überdruckventil 98 entlüftet, dessen eines Ende in einer Fluidverbindung mit dem Akkumulator- Beutel 94 steht und dessen anderes Ende in einer Fluidverbindung mit der Atmosphäre steht.
Unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2, hauptsächlich jedoch auf die Figur 1, wird die Arbeitsweise des Gasmischers 10 erläutert. Der Fluß durch den Mischer 10 beginnt, wenn der Kolben in dem Ventilationsgerät 45 den Ansaughub beginnt. Dadurch wird ein Unteratmosphärendruck am Benutzer- Ausgang 43 (Figur 2) und an der Gas-Auslaßöffnung 42 erzeugt. Umgebungsluft 16, die durch die Luft-Einlaßöffnung 14 hindurchtritt wird so bemessen, daß sie der gewünschten Flußrate durch den Luft-Ventilteller 80 und den Luft- Ventilsitz 18 entspricht. Parallel dazu wird Sauerstoff 68 mit annähernd Umgebungsdruck von der Sauerstoff- Einlaßöffnung 90 durch die Löcher 66 eingezogen und so bemessen, daß die gewünschte Flußrate durch den Sauerstoff- Ventilteller 82 und den Sauerstoff-Ventilsitz 30 erreicht wird. Die Luft 16 und der Sauerstoff 68 verbinden sich, wenn sie aus den jeweiligen Kammern 38, 36 durch die Auslaßöffnung 42 gezogen werden, um die gewünschte Sauerstoffkonzentration zu bilden. Das gemischte Gas fließt durch den Benutzerausgang 43 (Figur 2) zum Ventilationsgerät 45.
Die Sauerstoffkonzentration wird durch die Bewegung des sich verjüngenden bzw. konisch zulaufenden Sauerstoff- Ventilsitzes 30 relativ zu dem Sauerstoff-Ventilteller 82 gesteuert. Dadurch wird die effektive Flußfläche des Ventils verändert. Die Position des Sauerstoff-Ventilsitzes 30 wird dadurch gesteuert, daß der Sauerstoff-Einstellknopf 52 (Figuren 1 und 2) gedreht wird. Die kreisförmige Bewegung des Knopfes 52 wird in eine lineare Bewegung durch die Verwendung des Trapez-Schraubengewindes 50 erreicht. Der Knopf 52 enthält eine Indexmarke (nicht dargestellt) die relativ zu der gewünschten Einstellung der Sauerstoffkonzentration an einer kreisförmigen Skala (nicht dargestellt) positioniert werden kann, die auf das Mischergehäuse 10 aufgedruckt ist. Vorteilhafterweise zeigt diese Skala die Zusammensetzung der Gasmischung als eine Prozentzahl von Sauerstoff an. Wenn das Sauerstoff-Ventil 30 und der Sauerstoff- Ventilteller 82 auf eine Einstellung von 21% positioniert sind, beträgt die effektive Flußfläche durch den Sauerstoff-Ventilsitz und den Ventilteller nahezu 0. Bei der Position 50% ist die Sauerstoff-Flußfläche gleich 0,37 mal der Luft-Flußfläche, wobei die Flußfläche als die Fläche zwischen dem jeweiligen Ventilsitz und dem Ventilteller definiert wird.
Der Steuerbereich der Proportionierungsvorrichtung 12 wird durch die Beschaffenheit bzw. Konfiguration und die Anordnung des Ventiltellers und des Ventilsitzes gebildet. Dieses Proportionierungssystem vergrößert gleichzeitig die Flußflächen beider Ventile in Antwort auf die Anforderung nach einem hohen Fluß, um den Druckabfall zu begrenzen, während ein konstantes Sauerstoff/Luft-Ventilflächenverhältnis aufrechterhalten wird. Beispielsweise betragen bei einer Sauerstoffeinstellung von 50% die Luft-Ventilfläche am Anfang 0,045 cm² (0,007 sq in) und die Sauerstoff- Ventilfläche 0,017 cm² (0,0026 sq in), was zu einem Sauerstoff-Luftflächenverhältnis von 0,37 führt. Bei 160 lpm, bewegen sich der Luft-Ventilteller und der Sauerstoff- Ventilteller zusammen, um Flußflächen von 0,452 (0,07) und 0,168 cm² (0,026 in sq) jeweils zu bilden. Es wird ein konstantes Flächenverhältnis von 0,37 aufrechterhalten.
Die beiden Ventilteller 80, 82 sind durch eine gemeinsame Welle 78 miteinander verbunden. Dadurch wird ein doppelendiger Ventilteller gebildet, der durch die Feder 84 in Richtung auf die Position der minimalen Flußfläche vorgespannt wird. Die beiden Ventilteller 80, 82 weisen unterschiedliche Durchmesser auf, wobei der Luft-Ventilteller 80 mit 1,27 cm (0,05 inch Durchmesser) einen größeren Durchmesser besitzt als der Sauerstoff-Ventilteller 82 mit 0,64 cm (0,25 inch Durchmesser). Wenn ein Unterumgebungsdruck an der Auslaßöffnung 42 des Mischers vorliegt, ist das Druckdifferenzial über den beiden Ventiltellern 80, 82 gleich, die Nettokräfte sind jedoch wegen der Differenz der Ventiltellerdurchmesser ungleich. Für einen vorgegebenen Druck wird eine größere Kraft auf den größeren Luft-Ventilteller 80 ausgeübt, weil er in Bezug auf den kleineren Sauerstoff- Ventilteller 42 eine größere Oberfläche besitzt. Dieses Kraftungleichgewicht bewirkt, daß sich die Ventilteller 80, 82 von den Ventilsitzen 18, 30 wegbewegen. Auf diese Weise wird eine größere Flußfläche in Antwort auf die Flußanforderung geschaffen. Es wird auf diese Weise eine doppelendige Ventiltellereinrichtung mit unterschiedlichen Ventiltellerdurchmessern zur Veränderung der Flußfläche durch die Ventilsitze 80, 82 in Antwort auf eine sich ändernde Flußanforderung geschaffen.
Wenn der Patient ausatmet, wird keine aus Sauerstoff und Luft bestehende Mischung an den Patienten oder an das Ventilationsgerät 54 (Figur 2) durch die Öffnung 42 geliefert. Weil der an den Mischer 10 gelieferte Sauerstoff einen konstanten Druck aufweist, wird jeder übermäßige Sauerstoffluß in dem flexiblen Akkumalatorbeutel 96 gespeichert, der an der Beutelöffnung 94 befestigt ist. Wenn der Beutel 96 völlig aufgeblasen ist, wird der überschüssige Sauerstoff durch das Überdruckventil 98 an die Umgebungsluft abgegeben. Vorteilhafterweise wirkt das Überdruckventil 98 mit dem Beutel 96 zusammen, um den Druck in dem Beutel 96 auf etwa 1 cmH&sub2;O aufrechtzuerhalten. Während der Ansaugphase des Ventilationsgerätes können hohe Sauerstofflüsse aus dem Akkumulatorbeutel 96 entnommen bzw. abgesaugt werden.
Wie dies voranstehend bereits angedeutet wurde, sind der Ventilteller und der Ventilsitz in einer speziellen Weise so konstruiert, daß sie gleichzeitig die Flußbereiche bzw. Flußflächen der beiden Ventile in Antwort auf eine hohe Flußanforderung vergrößern, um den Druckabfall zu begrenzen, während sie ein konstantes Sauerstoff/Luft- Ventilflächenverhältnis aufrechterhalten. Um dies zu erreichen, muß eine axiale Veränderung der Position jedes Ventiltellers 80, 82 die Flußflächen linear proportional zu den Flächen vergrößern oder verkleinern, die unmittelbar vor der Änderung der Position vorlagen. Wenn beispielsweise die Flußfläche des Luftventiles zwischen dem Luft- Ventilteller 80 und dem Luft-Ventilsitz 18 sich um 10% vergrößert, muß die Flußfläche des Sauerstoffventiles zwischen dem Sauerstoff-Ventil 82 und dem Sauerstoff-Ventilsitz 30 ebenfalls um 10% vergrößert werden, unabhängig von der Flußfläche zur Zeit der Änderung.
Mathematisch kann dies folgendermaßen ausgedrückt werden. Die erste Ableitung der Funktion (dA/dx) der Ventilfläche muß linear proportional zur Fläche an irgendeiner x Ventiltellerposition sein. Per Definition ist der einzige mathematische Ausdruck, der linear proportional zu seiner eigenen ersten Ableitung ist, die Exponentialfunktion (e). Aus diesem Grunde muß die Flußfläche die Gleichung 1 erfüllen.
A = keCx (1)
Dabei sind C und k Konstante, die die Steigung und die Anfangsfläche der Profile der Ventilsitze 18, 30 darstellen.
Die Form der Flußfläche zwischen den Ventiltellern 80, 82 und ihren jeweiligen Ventilsitzen 18, 30 sollte ein Stumpf sein. Die Formel für die Fläche des Stumpfes ist durch die Gleichung 2 gegeben.
A = (Pi/s) S (Dp + Ds) (2)
Dabei bezeichnen: Dp den Ventiltellerdurchmesser, Ds den Sitzdurchmesser und S = (Ds - Dp))/2 cosθ).
Durch Verbinden der beiden Gleichungen 1 und 2 ergibt sich:
Da sowohl Ds wie auch Theta zu diesem Punkt unbekannt sind, muß eine nummerische Lösung versucht werden, um das gewünschte Profil des Sitzes zu erhalten. Die beiden Punkte X1 und X2 wurden entlang des axialen Bewegungsweges der Ventilteller 80, 82 ausgewählt. Wenn X2 - X1 annähernd 0 wird, kann die Form des benachbarten Bereiches der Ventilsitze 80, 82 als eine gerade Linie angenommen werden. Unter Verwendung dieser Voraussetzung und einer einfachen Trigonometrie wurde eine unabhängige Gleichung entwickelt, die Ds1 und Ds2 in Beziehung setzt:
Ds1 = + 2(X2 - X1)sinθcosθ = Ds2 (4)
Wenn (X2 - X1) = I ist und die Gleichung (3) für Ds1 und Ds2 in die Gleichung 4 eingesetzt wird ergibt sich:
Durch eine nummerische Iteration unter Verwendung der Gleichung (5) kann der Wert Theta für jede Ventiltellerposition X1 bestimmt werden. Durch Einsetzen dieses bekannten Wertes von Theta in der Gleichung (3) ergibt sich der Durchmesser der Ventilsitze 18, 30 für jede X Position. Das Profil der Ventilsitze 18, 30 kann dann durch Aufzeichnen von Ds1 gegenüber X entwickelt werden.
Unter Verwendung der obigen Gleichungen und nummerischer Analysetechniken kann eine Lösung für beide Profile der Luft- und Sauerstoffsitze erhalten werden.
Wie dies aus der Figur 1 ersichtlich ist, weist der Luft- Ventilsitz 18 eine mit einer Kontur versehenen Form auf, in der ein erstes Ende 24 im allgemeinen kleiner ist als das zweite Ende 26, so daß sich das breitere Ende in die Kammer 38 öffnet. Der Sauerstoff-Ventilsitz 30 weist eine mit einer Kontur versehene Form auf, bei der das erste Ende 32 kleiner ist als das zweite Ende 34, wobei das kleinere Ende 32 sich in die Kammer 36 öffnet. Beide Ventilsitze 18, 30 sind so ausgerichtet, daß sich ihre größeren Enden 26, 34 in dieselbe Richtung öffnen. Auf diese Weise wird vorteilhafterweise eine doppelseitige Ventiltellereinrichtung geschaffen, durch die bei einer Bewegung der Ventilteller 80, 82 in derselben Richtung gleichzeitig die beiden Ventilsitze 18, 30 geöffnet oder geschlossen werden. Dies steht im Gegensatz zu bekannten doppelseitigen Ventiltelleranordnungen, bei denen bei der Bewegung der Ventilteller ein Ventilsitz geschlossen wird, während der andere Ventilsitz geöffnet wird.
Während voranstehend der Mischer 10 so beschrieben wurde, daß die Ventilsitze 18, 30 so konfiguriert sind, daß das gewünschte Flußverhältnis erhalten wird, ist es auch möglich, die Tellerventile 80, 82 speziell zu konfigurieren, wobei dann die Ventilsitze 18, 30 einen normalen Aufbau besitzen. In einem ähnlichen Sinne ist es auch möglich, sowohl die Ventilteller 80, 82, wie auch die Ventilsitze 18, 30 zu konfigurieren, so daß sie die gewünschte Flußfläche zwischen den Ventiltellern und ihren entsprechenden Ventilsitzen bestimmen, wenn sich die Ventilteller axial bewegen. Während der Sauerstoff-Ventilsitz 30 so dargestellt ist, daß er einstellbar positioniert wird, um das Verhältnis der Gase zu ändern, ist es auch möglich, die Position des Luft- Ventilsitzes 18 zu ändern oder daß einer der Ventilteller 80, 82 über ein Gewinde an der Welle 78 angreift, so daß ein oder beide Ventilteller 80, 82 einstellbar positioniert werden können, um das Verhältnis der Gase zu ändern.
Während die Ventilsitze 18, 30 in einer besonderen Orientierung oder Anordnung gezeigt wurden, ist es auch möglich, die Orientierung der Ventilsitze und der entsprechenden Ventilteller zu ändern, wobei noch die Möglichkeit bestehen bleibt, konstante Verhältnisse der Flüsse durch die Ventilsitze aufrechtzuerhalten. Eine solche Änderung der Ausrichtung oder Anordnung kann jedoch zusätzliche Verbindungsteile erfordern, um richtige Relativbewegungen der Ventilteller und der Ventilsitze aufrechtzuerhalten, oder zusätzliche Fluidverbindungsdurchgänge erfordern, um den Fluß der Gase durch die Ventilsitze richtig zu orientieren.
Der Mischer 10 der vorliegenden Erfindung weist vorteilhafterweise den Ventilteller und die entsprechenden Ventilsitze auf, die relativ zueinander konfiguriert sind, so daß ein konstantes Verhältnis der Gasflüsse durch jede der beiden Ventilteller/Ventilsitz-Kombinationen erhalten wird, wenn die Ventilteller 80, 82 axial bewegt werden. Die Einstellung des Sauerstoff-Ventiltellers 82 relativ zum Sauerstoff-Ventilsitz 30 durch den Knopf 52 ermöglicht es, daß das Verhältnis von Luft zu Sauerstoff voreingestellt wird. Wenn diese Voreinstellung einmal vorgenommen wurde, hält das Ventilteller/Ventilsitzdesign dieses Verhältnis aufrecht.
Der Mischer 10 mischt oder vermengt die Luft und Sauerstoff, wenn sie die Auslaßöffnung 42 verlassen. Dadurch wird der Aufbau von nur einem Gas in den Fluidverbindungsleitungen vom Mischer 10 zu dem Patienten verhindert. Da das Ventilteller/Ventilsitzdesign ein konstantes Verhältnis der Gase aufrechterhält, wird eine Einrichtung zur Herstellung eines vorbestimmten Verhältnisses von gemischten Gasen über einen breiten Bereich von Flußanforderungen geschaffen. Außerdem ändert sich die gewünschte Sauerstoffkonzentration nicht im Verlauf einer Atemabgabe.
Durch die Möglichkeit, mit dem Gas-Selektorknopf 52 die Sauerstoffkonzentration auszuwählen, wird die Notwendigkeit eliminiert, die sehr kleine Ventilationsgerätänderung fortlaufend zu berechnen und es ist nicht nötig externe Diagramme oder Gleichungen zur Ausführung der Berechnungen heranzuziehen.
Der Mischer für Luft-Sauerstoff auf Umgebungsdruck verwendet das zweiseitige variable Öffnungssystem zur Erzeugung einer konstanten Sauerstoffkonzentration zum Ventilationsgerät 45 (Figur 2) unabhängig von Änderungen des sehr kleinen Volumen des Ventilationsgerätes.
Der Mischer 10 der vorliegenden Erfindung weist Ventilsitze 18, 30 auf, die so beschaffen sind, daß sie mit den Ventiltellern 80, 82 derart zusammenwirken, daß ein maximaler Druckabfall von 35 mmH&sub2;O über der Proportionierungsvorrichtung 12 entsteht. Auf diese Weise wird der Mischer 10 im Zusammenhang mit einer größeren Vielzahl von Heimbeatmungs- bzw. Ventilationsgeräten anwendbar, als dies vorher möglich war. Der kleine Druckabfall ermöglicht es vorteilhafterweise, daß der Mischer 10 den großen Flußbereich liefert, der für Ventilationsgeräte zur Heimpflege gefordert wird, ohne daß der Eingang des Ventilationsgerätes übermäßig belastet wird.

Claims

1. Gasmischer (10) für einen Ventilator (45) zur Beatmung und für medizinische Anwendungen, der Umgebungsluft mit einem Gas von einer unter Druck stehenden Quelle mischt und eine bewegbare Vorrichtung (78) aufweist, die das von einer ersten Ventilöffnung (18), die in einer Fluidverbindung mit der Umgebungsluft steht, und einer zweiten Ventilöffnung (30), die in einer Fluidverbindung mit dem auf im wesentlichen den Umgebungsdruck reduzierten Gas steht, geforderte Verhältnis von Luft zu Gas einstellt, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Ventilöffnung die Form von Ventilsitzen (18, 30) aufweisen und daß die bewegbare Vorrichtung ein doppelendiges Tellerventilteil (78) mit einem ersten und einem zweiten Ventilteller (80, 82) aufweist, die jeweils mit dem ersten bzw. zweiten Ventilsitz zusammenwirken, und daß der erste und zweite Ventilsitz relativ zu ihren entsprechenden Ventiltellern so beschaffen sind, daß die Öffnungs- oder Schließbewegung des Tellerventilteiles relativ zu den Ventilsitzen gleichzeitig die Flüsse der Luft und des Gases zur Aufrechterhaltung eines konstanten Verhältnisses der Flüsse durch die entsprechenden Öffnungen zwischen den Ventilsitzen und ihren zugeordneten Ventiltellern verändert.

2. Gasmischer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer der Ventilsitze (18, 30) in Bezug auf seinen zugeordneten Ventilteller zur Veränderung des konstanten Verhältnisses der Flüsse von Luft und Gas einstellbar positionierbar ist.

3. Gasmischer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Ventilteller (80, 82) so beschaffen ist, daß er in Bezug auf seinen zugeordneten Ventilsitz einstellbar positionierbar ist.

4. Gasmischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Ventilteller (80, 82) und ihre zugeordneten Ventilsitze (18, 30) in Bezug aufeinander so beschaffen sind, daß sie entsprechende Durchflußquerschnitte zur Erzeugung gleicher Prozentzunahmen oder -abnahmen der Flüsse der Luft und des Gases erzeugen, um das konstante Verhältnis der Flüsse in Antwort auf eine Änderung der Flußanforderung aufrechtzuerhalten.

5. Gasmischer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchmesser der Ventilteller (80, 82) konstant sind und daß jeder Ventilsitz (18, 30) so beschaffen ist, daß er einen Durchflußquerschnitt zwischen sich und seinem zugeordneten Ventilteller in der Form eines Stumpfes bildet, um gleiche Prozentzunahmen oder -abnahmen der Flüsse der Luft und des Gases zu erzeugen, um das konstante Verhältnis der Flüsse in Antwort auf eine Änderung der Flußanforderung aufrechtzuerhalten.

6. Gasmischer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußquerschnitt zwischen jedem Ventilsitz und seinem zugeordneten Tellerteil die folgende Gleichung erfüllt:

A = kecx,

wobei A den Durchflußquerschnitt, x die Position des Ventiltellers, e die Exponentialfunktion und k und c Konstanten bezeichnen.

7. Gasmischer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelendige Tellerventilteil (78) durch eine federnde Einrichtung (84) in Richtung auf eine minimale Flüsse durch die entsprechenden Ventilsitze (18, 30) erzeugende Position gedrückt wird.

8. Verfahren zum Mischen von Umgebungsluft mit einem unter Druck stehenden Gas in einem Ventilator (45) zur Beatmung und für medizinische Anwendungen, bei dem der Druck des Gases auf im wesentlichen den Umgebungsdruck reduziert und das Verhältnis von Luft zu Gas durch eine bewegbare Vorrichtung (78) eingestellt wird, die die Flüsse der Luft und des Gases von entsprechenden Ventilöffnungen (18, 30) steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegbare Vorrichtung in der Form eines doppelendigen Tellerventilteiles vorgesehen wird, daß jeder Ventilteller (80, 82) in eine Zusammenwirkung mit entsprechenden Ventilsitzen (18, 30) gebracht wird, die die Luft- und Gas-Ventilöffnungen bestimmen, und daß die Bewegung des Luft-Ventiltellers (80) mit der Bewegung des Gas- Ventiltellers (82) koordiniert wird, um gleichzeitig die Flüsse der Luft und des Gases zu variieren, um ein konstantes Verhältnis dieser Flüsse aufrechtzuerhalten.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ferner ein Schritt ausgeführt wird, bei dem die Luft und das Gas in eine direkte Fluidverbindung mit einer Mischkammer (42) gebracht werden, um die Luft und das Gas zu mischen, die durch die entsprechenden Ventilsitze (18, 30) strömen.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung der beiden Ventilteller (80, 82) mechanisch und direkt koordiniert wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem weiteren Schritt einer der Ventilsitze (30) relativ zu seinem entsprechenden Ventilteller (82) einstellbar positioniert wird, um ein Anfangsverhältnis der durch die beiden Ventilsitze (18, 30) strömenden Gase zu bestimmen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem weiteren Schritt die Ventilteller (80, 82) in Bezug aufeinander und in Bezug auf ihre jeweiligen Ventilsitze (18, 30) einstellbar positioniert werden, um ein Anfangsverhältnis der Luft- und Gasflüsse zu bestimmen.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, gekennzeichnet durch den Koordinierungsschritt, bei dem die Bewegung der Ventilteller (80, 82) so koordiniert wird, daß sich diese in derselben Richtung bewegen.