EA021720B1

EA021720B1 - Электромагнитный пропорциональный клапан и аппарат искусственной вентиляции легких, содержащий указанный клапан

Info

Publication number: EA021720B1
Application number: EA201291020A
Authority: EA
Inventors: Цзюнь ВАН
Original assignee: Бейджин Аеонмед Ко., Лтд.
Priority date: 2010-12-31
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2015-08-31
Also published as: CN102266633A; WO2012089097A1; BR112012026059A2; EA201291020A1; CN102266633B

Abstract

В изобретении предложен электромагнитный пропорциональный клапан и аппарат искусственной вентиляции легких, содержащий указанный клапан. Электромагнитный пропорциональный клапан содержит корпус (2) с полостью, держатель (11) катушки, герметично установленный в открытом конце полости корпуса (2) клапана, катушку (9), намотанную вокруг указанного держателя (11), якорь (8), закрепленный во внутренней полости держателя (11) катушки, держатель (5) сердечника, одна сторона которого соединена с первой пружиной (3), а другая сторона соединена со второй пружиной (7), и который расположен в подвешенном состоянии в полости корпуса (2) клапана с помощью первой пружины (3) и второй пружины (7), и сердечник (4) клапана, расположенный в держателе (5) сердечника. С помощью предложенного электромагнитного пропорционального клапана может быть эффективно устранена обусловленная силой трения нестабильность регулирования расхода и может быть исключена обусловленная возникновением гистерезиса ошибка регулирования расхода, в результате чего достигается устойчивое регулирование потока с малым расходом и уменьшается сложность изготовления. Аппарат искусственной вентиляции легких в соответствии с данным изобретением содержит указанный электромагнитный пропорциональный клапан.

Description

Данное изобретение относится к области, связанной с регулированием текучей среды, в частности к электромагнитному пропорциональному клапану и аппарату искусственной вентиляции легких, содержащему указанный клапан.

Предпосылки изобретения

При использовании медицинских устройств, таких как аппарат искусственной вентиляции легких и наркозный аппарат, необходимо обеспечить искусственную вентиляцию легких пациента. Что касается пролечиваемого пациента, в частности пациента педиатрического отделения и пациента отделения интенсивной терапии (ОИТ), то весьма важным является регулирование величины скорости вентиляционного потока и общего объема легочной вентиляции. Поскольку ненадлежащий вентиляционный поток создает для пациента дискомфортное и даже опасное состояние, то жизненно важно обеспечивать регулирование вентиляционного потока.

Вспомогательный аппарат искусственной вентиляции легких в целом обеспечивает регулирование скорости вентиляционного потока и общего объема легочной вентиляции путем открытия и закрытия электромагнитного клапана, объединенного с регулятором расхода с ручным управлением. Для достижения улучшенного лечебного воздействия существующий в настоящее время медицинский аппарат искусственной вентиляции легких обычно содержит точный пропорциональный клапан для регулирования как расхода газа, так и общего вентиляционного объема, вводимого пациенту. Существующий в настоящее время типичный пропорциональный клапан имеет конструкцию, показанную на фиг. 1. В частности, в обычном пропорциональном клапане сердечник 4' клапана прочно присоединен к подвижному якорю 13'. Под действием электромагнитной силы катушки 9' сердечник 4' клапана перемещается влево или вправо вдоль уплотнительной части 16', которая действует в качестве направляющей и уплотнения, с достижением регулирования размера канала а' клапана. Разумеется, существует также другой тип аппарата искусственной вентиляции легких, в котором якорь закреплен, а катушка приводит сердечник клапана в действие с обеспечением его перемещения влево и вправо, однако конструкция такого аппарата, по существу, аналогична вышеописанной конструкции. Поскольку в вышерассмотренном пропорциональном клапане имеется относительное перемещение в состоянии контакта, то неизбежно возникает сила трения. Поскольку влияние силы трения покоя приводит к изменению взаимосвязи между расходом газа на выходе и током на входе пропорционального клапана в различные периоды, то оборудование, в котором используется такой пропорциональный клапан (например, аппарат искусственной вентиляции легких с требованием обеспечения точного расхода), нуждается в регулярной калибровке с помощью специального инструмента. Поскольку воздействие силы трения движения ослабляет действие электромагнитной силы, особенно при малом регулирующем токе на входе, то на пропорциональную взаимосвязь между током на входе и действием электромагнитной силы на выходе оказывается весьма значительное влияние, что также является одной из причин того обстоятельства, что выходящий поток существующего пропорционального клапана при малом расходе (например, при расходе < 1 или 0,5 л/мин) не является устойчивым и не может точно регулироваться. Кроме того, сила трения, действующая при открытии пропорционального клапана, и сила трения, действующая при закрытии пропорционального клапана, являются противоположными, что приводит к появлению значительного гистерезиса, создаваемого при открытии и закрытии известного пропорционального клапана. Для обеспечения максимально возможного уменьшения влияния гистерезиса на регулирование расхода необходимо разработать сложный алгоритм регулирования и использовать стандартное оборудование для проведения регулярной калибровки, при этом значительно возрастают затраты.

Сущность изобретения

Целью данного изобретения является создание электромагнитного пропорционального клапана и аппарата искусственной вентиляции легких, содержащего такой электромагнитный пропорциональный клапан, которые могут эффективно устранить обусловленную силой трения нестабильность регулирования расхода, устранить обусловленную гистерезисом ошибку регулирования расхода, обеспечить устойчивое регулирование потока с малым расходом и уменьшить сложность изготовления.

Для реализации вышеуказанной цели в соответствии с одним аспектом данного изобретения предложен электромагнитный пропорциональный клапан, содержащий корпус с полостью, держатель катушки, герметично установленный у открытого конца указанной полости корпуса клапана, и катушку, намотанную вокруг указанного держателя, имеющего внутреннюю полость. Электромагнитный пропорциональный клапан также содержит якорь, закрепленный во внутренней полости держателя катушки, держатель сердечника клапана, который с одной стороны соединен с первой пружиной, закрепленной на внутренней стенке корпуса клапана, а с другой стороны соединен со второй пружиной, намотанной вокруг якоря, так что держатель сердечника клапана расположен в подвешенном состоянии в полости корпуса клапана с помощью первой пружины и второй пружины. Клапан также содержит сердечник клапана, расположенный в указанном держателе сердечника.

Кроме того, у одного конца держателя сердечника клапана, противоположного сердечнику клапана, расположен постоянный магнит, соединенный со второй пружиной.

Кроме того, держатель сердечника клапана проходит через первую пружину и имеет упорный вы- 1 021720 ступ, предназначенный для задания положения упора для первой пружины.

Кроме того, постоянный магнит проходит через вторую пружину, при этом один конец второй пружины упирается в держатель катушки.

Кроме того, первая пружина является сильной пружиной.

Кроме того, вторая пружина является слабой пружиной.

Кроме того, на поверхности сопряжения между держателем катушки и корпусом клапана расположено уплотнительное кольцо.

Кроме того, на торцевой поверхности якоря, обращенной к указанному постоянному магниту, расположен упор.

Кроме того, слабая пружина является пружиной с переменным коэффициентом упругости, при этом зависимость силы Р упругости от величины поджатия х слабой пружины определяется уравнением Р=кх², где к - константа.

В соответствии с другим аспектом данного изобретения предложен аппарат искусственной вентиляции легких, содержащий вышеописанный электромагнитный пропорциональный клапан.

В соответствии с предложенным в данном изобретении техническим решением, поскольку сердечник клапана расположен в держателе и установлен в подвешенном состоянии в полости корпуса клапана с помощью пружин, присоединенных к двум концам указанного держателя сердечника, обеспечивается свободное от трения перемещение сердечника клапана относительно корпуса клапана, устраняется обусловленная силой трения нестабильность регулирования расхода и соответственно гистерезис, вызываемый изменением величины расхода, что обеспечивает возможность поддержания стабильности расхода, регулируемого пропорциональным клапаном, в течение длительного времени. Поскольку точное совмещение между сердечником клапана и корпусом клапана не должно обязательно приниматься во внимание, то снижаются производственные требования к сердечнику и корпусу клапана и уменьшается сложность изготовления. Поскольку давление, оказываемое пружиной, может быть рассчитано, то сопротивление пружины может быть преодолено путем регулирования величины тока, так что может быть реализовано точное регулирование расхода.

Краткое описание чертежей

Для лучшего понимания данного изобретения используются чертежи, составляющие часть данного изобретения, а иллюстративный вариант выполнения и его описание служат для объяснения данного изобретения без его неправомерного ограничения, при этом на чертежах:

фиг. 1 изображает принципиальную структурную схему известного электромагнитного пропорционального клапана;

фиг. 2 изображает принципиальную структурную схему электромагнитного пропорционального клапана в соответствии с вариантом выполнения изобретения;

фиг. 3 изображает принципиальную схему, на которой показаны магистральные соединения в соответствии с вариантом выполнения изобретения;

фиг. 4 изображает график монотонной функции зависимости тока от расхода в соответствии с вариантом выполнения изобретения.

Подробное описание вариантов выполнения

Ниже приведено подробное описание данного изобретения применительно к вариантам его выполнения и со ссылкой на чертежи. Следует отметить, что варианты выполнения и их особенности в данном изобретении могут быть объединены друг с другом без возникновения противоречий.

Как показано на фиг. 2, в соответствии с вариантом выполнения изобретения электромагнитный пропорциональный клапан содержит корпус 2, имеющий полость, держатель 11 катушки, герметично установленный у открытого конца полости корпуса 2 клапана, катушку 9, намотанную вокруг держателя 11, якорь 8, закрепленный во внутренней полости держателя 11, держатель 5 сердечника, который с одной стороны соединен с первой пружиной 3, закрепленной на внутренней стенке корпуса 2, а с другой стороны соединен со второй пружиной 7, намотанной вокруг якоря 8, при этом держатель 5 сердечника клапана установлен в полости корпуса 2 в подвешенном состоянии с помощью первой пружины 3 и второй пружины 7. Клапан также содержит сердечник 4 клапана, расположенный в держателе 5. Направление стрелки на чертеже указывает направление прохождения газа.

Основополагающий принцип варианта выполнения изобретения является таким же, что и в известном пропорциональном клапане, в котором величина выходного тока используется для регулирования величины расхода на выходе пропорционального клапана, за исключением того что работа известного пропорционального клапана основана на использовании электромагнитной силы, создаваемой катушкой или якорем, для приведения в действие и перемещения сердечника клапана с обеспечением открытия или закрытия указанного известного пропорционального клапана, тогда как в данном изобретении катушка или якорь не входят в непосредственный контакт с сердечником клапана, при этом используется притягивание или отталкивание между постоянным магнитом и электромагнитом в пределах определенного расстояния для приведения в действие и перемещения сердечника клапана, поддерживаемого сильной пружиной и слабой пружиной, и, таким образом, может быть выполнено открытие или закрытие предложенного пропорционального клапана.

- 2 021720

Корпус 2 является опорной частью электромагнитного пропорционального клапана и имеет впускное отверстие для подачи газа, расположенное у левой стороны пропорционального клапана. В указанном отверстии установлен фильтр 1, обеспечивающий фильтрацию газа, вводимого в указанный клапан, для предотвращения поступления посторонних примесей, так что гарантируется точность регулирования, выполняемого электромагнитным пропорциональным клапаном, и увеличивается срок его службы. Клапанный канал а совмещен с сердечником 4 клапана, то есть перемещение сердечника 4 влево или вправо вызывает закрытие или открытие канала а. На правой стороне держателя 5 сердечника установлен постоянный магнит 6. Левая часть держателя 5 вставлена в первую пружину 3, которая является сильной пружиной, а правая часть держателя 5 соединена со второй пружиной 7, которая является слабой пружиной, так что держатель 5 поддерживается вследствие взаимодействия указанных сильной и слабой пружин с исключением контакта держателя 5 с корпусом 2 клапана. В данном случае один конец сильной пружины расположен на внутренней стенке корпуса 2, а другой конец упирается в упорный выступ 51 держателя 5 сердечника. Постоянный магнит 6 выходит из одного конца держателя 5, который противоположен сердечнику 4, и входит во вторую пружину 7, т.е. в слабую пружину. Один конец слабой пружины упирается во внутреннюю стенку держателя 5 сердечника, а другой конец упирается в держатель 11 катушки. Якорь 8 прочно закреплен в держателе 11 катушки и проходит из него в полость корпуса 2 клапана. Слабая пружина намотана на якорь 8 и поддерживается на нем с обеспечением возможности поддержания магнита 6 слабой пружиной. Торцевая поверхность якоря 8, обращенная к постоянному магниту, снабжена упором 18, который задает положение упора для перемещения постоянного магнита 6 вместе с держателем 5 сердечника, что препятствует износу якоря 8 или изменению его характеристик вследствие контакта магнита 6 с якорем 8. Сила магнитного притяжения и полярность якоря 8 изменяются в зависимости от величины и направления тока, протекающего через катушку 9, соответственно величина и направление тока могут отвечать за регулирование перемещения сердечника электромагнитного пропорционального клапана с обеспечением регулирования величины открытия клапана для получения удовлетворительного расхода текучей среды. Держатель 11 катушки и корпус 2 клапана прочно соединены, а к поверхности сопряжения между держателем 11 и корпусом 2 добавлено уплотнительное кольцо 12, обеспечивающее повышение воздухонепроницаемости электромагнитного пропорционального клапана. Для подачи тока к катушке клеммы 10 могут быть соединены с внешним источником питания, при этом величина указанного тока может регулироваться.

В предложенном пропорциональном клапане только держатель 5 сердечника является подвижным. Действующая на держатель 5 сила тяжести, величина которой является постоянной, преодолевается в результате взаимодействия первой пружины 3 и второй пружины 7, и, таким образом, ею можно пренебречь, при этом держатель 5 сохраняет равновесное положение при совместном воздействии давления подачи газа, первой пружины 3, второй пружины 7 и якоря 8. Если давление подачи газа поддерживается неизменным, а через катушку 9 не проходит ток, то есть отсутствует взаимодействие между постоянным магнитом 6 и якорем 8, то длины первой пружины 3 и второй пружины 7 определены так, что взаимодействие первой пружины 3 и второй пружины 7 создает возможность перемещения сердечника 4 клапана к самому левому концу с обеспечением совмещения сердечника 4 с каналом а клапана, так что впускное отверстие для подачи газа оказывается закрыто. В данном случае, если ток проходит через катушку 9 и при этом постепенно возрастает, то магнетизм якоря 8 постепенно увеличивается и якорь 8 притягивает постоянный магнит 6 с обеспечением его перемещения вправо. Для исключения изменения общего взаимодействия, создаваемого изменением положения магнита 6 относительно якоря 8, вторая пружина 7 выполнена в виде пружины с переменным коэффициентом упругости, то есть зависимость силы Р упругости от величины поджатия х второй пружины 7 (т.е. величины изменения длины второй пружины) определяется уравнением Р=кх², где к - константа. Постоянный магнит 6 вызывает перемещение держателя 5 сердечника вправо, что приводит к постепенному открытию отверстия канала а клапана. При повышении взаимодействия якоря 8 и постоянного магнита 6, который может преодолевать большую силу, вызванную деформацией пружины, держатель 5 сердечника непрерывно перемещается вправо до тех пор, пока магнит 6 не войдет в контакт с упором 18, то есть будет достигнуто максимально открытое положение пропорционального клапана.

Электромагнитный пропорциональный клапан в соответствии с вариантом выполнения изобретения может использоваться в медицинском аппарате искусственной вентиляции в качестве механизма, предназначенного для создания инспираторного потока и обеспечивающего точное регулирование дыхательного объема при вдохе в каждом дыхательном цикле пациента или текущего вдыхаемого потока. При проверке на практике электромагнитный пропорциональный клапан обеспечивает достижение стабильного регулирования расхода, не требует проведения частой калибровки и обеспечивает устойчивый регулируемый расход величиной 0,5 л/мин, необходимый для работы потокового триггера (системы регистрации попытки вдоха) в аппарате искусственной вентиляции, в результате чего устраняется проблема неточного регулирования давления, вызванного гистерезисом в регулировании расхода, который легко возникает при непрерывном изменении расхода в режиме нагнетания.

На фиг. 3 проиллюстрировано подсоединение электромагнитного пропорционального клапана в аппарате искусственной вентиляции. Газ, получаемый из источника газа, регулируют с получением соот- 3 021720 ветствующего давления при помощи клапана сброса давления, вводят во впускное отверстие электромагнитного пропорционального клапана согласно варианту выполнения и подвергают регулированию расхода с помощью корпуса 2 клапана и сердечника 4 клапана. Расход на выходе и время открытия указанного клапана регулируют с помощью величины тока, поступающего с печатной платы (ПП) к клеммам 10. Во время испытания аппарата искусственной вентиляции с помощью стандартного оборудования может быть получен график, показывающий взаимосвязь расхода на выходе и регулирующего тока пропорционального клапана и изображенный на фиг. 4. Поскольку в электромагнитном пропорциональном клапане в соответствии с вариантом выполнения данного изобретения отсутствуют потери на трение, электромагнитная сила полностью используется для преодоления силы, возникающей вследствие деформации первой пружины 3 и второй пружины 7, дополнительно регулирует поджатие сердечника 4 клапана и тем самым изменяет величину открытия канала а клапана, так что газовый поток выпускается на выходе пропорционального клапана и вводится в модуль расходомера, после чего он готов к введению в дыхательный контур пациента.

Из вышеприведенного описания можно видеть, что вариант выполнения данного изобретения обеспечивает следующие технические результаты. Поскольку сердечник клапана расположен в держателе и установлен в подвешенном состоянии в полости корпуса клапана с помощью пружин, присоединенных к двум концам указанного держателя сердечника, обеспечивается свободное от трения перемещение сердечника клапана относительно корпуса клапана, устраняется обусловленная силой трения нестабильность регулирования расхода и соответственно гистерезис, вызываемый изменением величины расхода, что обеспечивает возможность поддержания стабильности расхода, регулируемого пропорциональным клапаном, в течение длительного времени. Поскольку точное совмещение между сердечником клапана и корпусом клапана не должно обязательно приниматься во внимание, то снижаются производственные требования к сердечнику и корпусу клапана и уменьшается сложность изготовления. Поскольку давление, оказываемое пружиной, может быть рассчитано, то сопротивление пружины может быть преодолено путем регулирования величины тока, так что может быть реализовано точное регулирование расхода.

Вышеприведенное описание относится только к предпочтительным вариантам выполнения данного изобретения, которые не должны считаться ограничивающими данное изобретение. Специалистом могут быть выполнены различные изменения и вариации в данном изобретении. Любые модификации, эквиваленты и усовершенствования данного изобретения находятся в рамках объема изобретения без отклонения от принципа изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Электромагнитный пропорциональный клапан, содержащий корпус (2), имеющий полость;

держатель (11) катушки, герметично установленный у открытого конца полости корпуса (2) клапана;

катушку (9), намотанную вокруг указанного держателя (11), который имеет внутреннюю полость, отличающийся тем, что он дополнительно содержит якорь (8), закрепленный в указанной внутренней полости, держатель (5) сердечника клапана, который с одной стороны соединен с первой пружиной (3), закрепленной на внутренней стенке корпуса (2) клапана, а с другой стороны соединен со второй пружиной (7), намотанной вокруг якоря (8), так, что держатель (5) сердечника клапана расположен в подвешенном состоянии в полости корпуса (2) клапана с помощью первой пружины (3) и второй пружины (7);

сердечник (4) клапана, расположенный в держателе (5) сердечника клапана.
2. Клапан по п.1, в котором у одного конца держателя (5) сердечника клапана, противоположного сердечнику (4) клапана, расположен постоянный магнит (6), соединенный со второй пружиной (7).
3. Клапан по п.2, в котором держатель (5) сердечника клапана проходит через первую пружину (3) и имеет упорный выступ (51), предназначенный для задания положения упора для первой пружины (3).
4. Клапан по п.3, в котором постоянный магнит (6) проходит через вторую пружину (7), при этом один конец второй пружины (7) упирается в держатель (11) катушки.
5. Клапан по п.4, в котором первая пружина (3) является сильной пружиной.
6. Клапан по п.4, в котором вторая пружина (7) является слабой пружиной.
7. Клапан по любому из пп.1-6, в котором на поверхности сопряжения между держателем (11) катушки и корпусом (2) клапана расположено уплотнительное кольцо (12).
8. Клапан по любому из пп.1-6, в котором на торцевой поверхности якоря (8), обращенной к постоянному магниту (6), расположен упор (18).
9. Клапан по п.6, в котором слабая пружина является пружиной с переменным коэффициентом упругости, при этом зависимость силы Р упругости от величины поджатия х слабой пружины определяется уравнением Р=кх², где к - константа.
10. Аппарат искусственной вентиляции легких, содержащий электромагнитный пропорциональный клапан по любому из пп.1-9.