JPS62500910A

JPS62500910A - 電気制御ガス混合装置

Info

Publication number: JPS62500910A
Application number: JP60504752A
Authority: JP
Inventors: ルイス‐ベラ，アルベルト; ブルツク，モーリス　ジエイ; デブリース，ダグラス　エフ
Original assignee: ベア−　メデイカル　システムズ，インコ−ポレイテツド
Priority date: 1984-11-01
Filing date: 1985-10-16
Publication date: 1987-04-16
Also published as: DE3582242D1; EP0200756A1; CA1244910A; WO1986002565A1; JPH0244552B2; EP0200756B1; US4602653A

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明はガス混合装置の分野に関する。特定すると、本発明は、比例的混合弁が電気的に設定、制御されるガス混合装置に関する。本発明は、医学的分野特にベンチレータおよび麻酔装置に特定の応用を有する。

２種またはそれ以上のガスの精密な混合は、多くの分野、特に患者に対して精密に調整されたガス混合物が投与されねはならない医学の分野に重要である。例えば、ベンチレータやレスピレータにおいては、普通、酸素に富んだ空気の混合物（すなわち２１パ一セント以上の酸素を含む）を給気されつ−ある患者に供給することが望まれる。また、一般的な麻酔下で手術を受けている患者は、麻酔ガスと呼吸ガス（空気、酸素または酸素に富んだ空気）の精密に′＃４ｔｉｔされた混合物が与えられねにならない。いずれの場合にも、ガスの比例的混合が精確に設定され維持されなければならない。

医学用ベンチレータに用いられる代表的な従来の混合装置は、ｍｕｎｓｏｎ　等に賦与された米国特許第４，０７２，１４８号に開示されている。この代表的従来装置においては、２種のガスの所望の比例的混合を達成するために手動的に調節された混合弁に、圧力調節された空気およびガスが別個に供給される。弁自体は、空気入口から混合ガス出口への１つの流路と、ひ素入口から出口への他の１つの流路金偏えている。位置が手動的に調節される弁部材で流路の一方を開けば、他方の流路は比例的に閉じられ、広範囲の比例的な空気／散素混合の選択が可能となる。

この象徴は非常に満足な結果を達成したが、若干の制約があった。例えは、手動的制御装ｆｋｔ−介して操作者によシ設定されるところの混合ガスの公称値からの実際の割合の変化に依って表わされる混合ガスの割合の精度は、制御ダイヤルまたはノブの較正の精度に依存する。

他の制約は、医学用ベンチレータにおいて、広範囲のガス流量に順応する必要性に出来する。特に、固定の総流れ面積の混合弁を使用する混合装置においては、混合精度は、混合弁に入るガスの調節された圧力のバランスを維持することに依存する。これらの圧力の不平衡は、混合装置の精確度に悪影＠を及はず。このような不平衡によシ導入される誤差は、混合弁にか＼る圧力降下が調節されたガス圧力において予期される不平衡範囲よシかなシ大きい高流量では普通認め得る程でない。しかしながら、低流量では、弁の圧力降下は減じ、調節された圧力の不平衡の影響は、対応的に大きくなる。他方、流量が大きすぎると、弁の圧力降下は過大となシ、ベンチレータの空気抵抗に打ち勝つに不十分なガス圧しか残さず、ガスが患者に達し得なくなる。

従って、固定の総流ニオリフイス面ｖＩｔ有するガス混合弁は、比較的狭い範囲の流量においてのみしか適当な精度で動作し得ない。大人容とのベンチレータのピーク流量の範囲は、都合よくは約５！／分（ｌｐｍ　）〜約１５０１ｐｍ　％そして恐らくそれ以上とすべきであることが分った。この範囲は、単一段階混合弁によって取シ扱われるには広すぎる（すなわち、固定面積を有し、それが弁部材によシ比例的に分割された単一の総流量オリフィスを有する弁）。上述の従来技術の装置は、「多段」混合弁を使用することによシこの問題にせまった。この弁にあっては、弁は、容積流量容量が漸進的に増大する特徴を有する２またはそれ以上の弁モジュールに分割される。

流量が増大するにつれ、よシ高流量容伍のモジュールが逐次開かれ、流量が減するにつれそれらが逐次閉じられる。この構造に依ると、弁は、高容量弁モジュール中の低流量で引き起こされるような絶対混合精度の劣化を伴なうことなく、非常に広範囲の流量で動作することが可能となる。

多段混合弁は、ガス混合装置が受け入れる流ｍ範囲全有効に広げることができるが、機械的複雑さの増大という犠牲下でそれがなされる。加えて、多段の弁でさえ、下流の？１４要の変化によシ混合弁の上流で発生される圧力トランジェントの結果として不精確さを伴なりことがある。例えば医学用ベンチレータにおいては、患者のガス需要の瞬間的変化に起因して供給ガス流量に起こる迅速な変化が、圧力調部装置に余シに迅速に伝達されすぎてガス圧力調ｍ器を補償し得ないことがある。之の結果は圧力トランジェントであり、これが調節されたガス圧力に一時的不平衡’ｔＨき起こし、所望のガス混合比からの偏差をともなう。

ガス混合−Ａｆｆｔに高精度を達成するための他の手法は、Ｋｏｎｌ等の米国特許第４．５４５，６１２号に例示されている。

この装置は、各ガス調節器の下流に？！！気制御「絞シ」弁を採用する。それにより、ガスが絞）弁の出口の下流の！ニホルドにおいてガスが混合される前に、混合されるべき各ガスの圧力および流量が別個に制御される。各絞シ弁中の流量が流量センサによシ測定され、該センサによシ、絞ｐ弁を作動する電子回路にフィードバック信号が供給される。

１（Ｏｎ　１等の装置の流量フィードバックの特徴は、制御の程度を増し、他方各ガスに対する別個の電気制御絞シ弁は、装置の有用な流量範囲を広げることに対して代わりの手法（多段混合弁に対して）を提供する。けれども、この装置は、混合されるべき各ガスに対して別個の絞シ弁および流ユ七ンサの必要によフ示されるように機械的に複雑である。

かくして、不当な機械的複雑さを伴なわず、同時にガス混合の精確な制？ａを達成するガス混合装！！Ｌを提供することは非常に望ましいことであろう。また、この種の装置においては、例えば患者の需要の変化によシベンチレータによ遵生ずるような下流の動的流れ条件の有害な影４［−和らげる能力を提供することも好都合であろう。

発明の概要概説すると、本発明は、装置の有効流血範囲を広げるとともに弁から下流の動的流れ条件によ多発生される圧力トランジェントの有害な影響を出来る空は小さくするために弁から下流にアキュムレータを備え、マイクロコンピュータによシ制御されるｉ！気的に制御される比例的混合弁を備えるガス混合装置に関する。

弁の制御において、マイクロフンピユータは、選択された比例的ガス混合比を指示する制御ないし基準信号を受信する。マイクロプロセッサは、この信号から、選択された比例的ガス混合比に対応する所望の弁位置全指示する＊ｆｔ導＜。本発明の広い概念において、位置センサは、弁の実際位置を検出し、位置指示信号をマイクロコンピュータに送る。マイクロコンピュータは、位置指示信号を所望の弁位置を指示する計算された値と比較する。

マイクロコンピュータは、この比較から、出力信号を導くが、この値は所望の弁位置および実際の弁位置間の位置的関係に比例する。ついで、出力信号は、弁駆動装置（例えばステップモータ）に供給され、この装［が弁の位置を所望の位置に調節する。

特定の具体例において、弁は、混合されるべき第１のガスに対して？ｎ１の流路中の流量を最小にする第１の移動限界と、第２の流路を介して混合されるべき第２０ガスの流れを最小にする第２の移動限昼間で可動の弁部材を含む。弁部材は、ステップモータにより駆動される回転シャフトによシ両移動限界内の所望の位置に移動される。シャフト上には、第１移動限界にて第１の光ビームを阻止し、第２の移動限界にて第２の光ビーム’１１止する光学的に不透明な部材が支持されている。いずれかの光ビームの阻止は、光検出器の出力信号を変化させ、出力信号の変化がマイクロプロセッサに伝達される。マイクロプロセッサは、弁部材が移動限界の一方に存在することを指示するものとして解釈する。

マイクロコンピュータは、「較正曲線」全記憶するメモリを有する。較正曲線は、実際には、２組の値の表よ構成る。１組の値は、混合されるべき２種のガスの一方のパーセントに対して選択された設定値に対応する。他方の１組の値は、各選択可能な弁部材位置と、弁部材の第１移動限界間の位ｆｉ１ｒ！４係に対応する。２組の値の各位には１：１の対応がある。換言すると、各選択されたガスパーセント設定値に対して、第１移動限界に関して独自の弁部材位置がある。

動作について説明すると、操作者は、混合されるべきガスの一方の所望のパーセント割合を選択する。このパーセントは、マイクロコンピュータに入力信号として伝達され、マイクロコンピュータは２つの動作で応答する。

すなわち、（ａ）信号がステップモータに対する適当な駆動回路に伝達され、それによりモータが、弁部材を第１移動限界に向って駆動せしめる。（ｂｌメモリにアクセスし、選択されたパーセント値に対応する弁部材位置の値を引キ出ス。

マイクロプロセッサが、適当な光検出器から、弁部材が第１移動限界に達したことを指示する信号を受信すると、第１移動限界とメモリの較正曲線から引き出される弁部材位置値開の差に比例する第２の信号が、モータ駆動回路に伝達される。このとき駆動回路は、モータを作動し、弁部材全所望位置に駆動する。この所望位置において、第１ガスの容積流量は、混合されたガスの総容積流量の選択されたパーセントである。

適正な割合（総ガス流量のパーセントとして）の第１のガスを含む混合ガスは、弁の出口からアキュムレータへと流出する。アキュムレー・夕は、単に、入口および出口を有する固定容積の室である。アキエムレータによシ２つの主たる機能が遂行される。アキュムレータは、混合弁よシ下流にある容積の混合ガスを蓄積する手段を提供することによシ、革一段階混合弁によ勺取シ扱われるよシも大きなピーク流量に装置が順応することを可能にする。かくして、装置のピーク流Ｉ容短は、アキュムレータの蓄積ガスが使いつくされるまで、多段混合値に依存せずに相当増大し得る。第２に、蓄積容積の混合ガスを含むアキュムレータは、混合装置から下流で動的流れ条件の結果として起こる瞬間的な流１変化を平滑する空気的「フィルタ」として勧〈。医学用ベンチレータにおいて、との種の動的流れ条件は、患者の流１需要の急激な変化から起こシ得る。アキュムレータ内のガスの蓄積容積の能力がこれらの迅速な流量変化に順応しなかったとしたら、瞬− 」的流量需要変化が混合弁の上流（入口）側に迅速に伝達され、その結果圧力調節装置はｍｉするに十分の時間を有せず、到来ガスの調節圧力に変化を引き起こし、その結果、前述のように混合割合に誤差を生ずる。

上に要約したように、混合装置は「開放ループ」態様で動作し得るが、任意な態様として、「閉鎖ループ」サーボ系として動作するように構成できる。これは数種の方法で遂行し得る。例えば、混合ガスの一方に敏感なガス検出器を混合弁の下流に配置することができる。そのとき、ガス検出器は、感知されたガスの濃度を指示する信号をマイクロプロセッサに伝達し、そしてマイクロコンピュータは、ガス検出信号を所望のガス濃度を指示する操作者入力信号と比較する。比較の結果、誤差信号が発生して、これがモータ駆動回路に入力され、それにより、モータは、誤差信号が最小化されるまで弁部材の位ｌｆ′ｔ−適当に調節するように作動され得る。代わシに、弁部材の動作範囲にわたシ、弁部材の位置の連続検出からフィードバック信号を引き出してもよい。位置指示フィードバック信号の値が、マイクロコンピュータによシ、記憶され九較正曲線から引き出された所望の弁部材位誼値と比較される。この比較によシ、誤差信号が発生され、モータの適当な動作を通じて弁要素の位置を調節する。

本発明は、従来のガス混合装置に優る数個の重要な利点を提供する。例えば、記憶された「較正曲線」を備えるマイクロコンビエータと、弁部材に対する「原」ないし「基準」位置（すなわち第１移動限界）ｔ−検出するための手段との組合せは、「開放ループ」動作においてさえ混合ガス特性の精密な調節および制？ｊＥｔ可能にする。

下流ガス検出器を追加すると、閉鎖ループサーボ動作を通じてさらに高い精度さえ達成できる。アキュムレータを使用すると、単一段階の混合弁のみを使って、装置に対して拡大された流ｆｆｉ範囲が可能となシ、他方混合弁の下流の動的流れ条件の有害な影響を最小化できる。

このように、機械的に簡単であシ、そのため所望のガス混合比を精密に達成し維持する能力の点で高度に信頼性のある表鈑ｔ−使って、従来技術の先に言及された欠点が克服される。

本発明のこれらおよびその他の利点は、後続の記述から一層明らかとなる５゜図面の簡単な説明第１図は本発明の好ましい具体例のガス混合装置の概略図である。

第２図は本発明の好ましい具体例に使用される混合弁、位置感知ｔｉＡ構およびステップモータの理想化された概略線図、第３図は第２図に示される位置感知機構の詳細図、第４図は本発明に使用されるマイクロコンピュータによシ採用される、混合ガスバー七ン）ｔステップモータ位置の関数として示す理想化された「較正曲線」を示すグ本発明に依るガス混合装置の好ましい具体例が、肺ベンチレータにおいて空気および酸素を混合するための利用との関連において開示されている。しかしながら、本装置は、若干変更すれば、他のガスを混合する他の応用に使用できることを最彷に注意しておく。例えば、麻酔装置において、本発明は、麻酔ガスを呼吸ガスと混合するのに使用できる。

第１図を参照すると、本発明の好ましい具体例の主要素が、機能的相互関係を示す概略ブロック図で示されている。装置の心臓部には、ガス混合弁１０（迫って詳細に説明する）が設けられておシ、該弁１０は、空気人口１２、酸素人口１４および混合ガス出口１６を有している。空気および酸素は圧力ｇ１節供給源（図示せず）から供給され、空気および酸素圧力は等しくなるように（実際に得られる許容誤差内において）調節される。空気および酸素は、それらの各供給源から、別個の空気およびｒｍ素の流路２０．２２を有するマニホルドに別個に供給サレル。マニホルド１８において、流路２０．２２は、第１図に略示され参照番号２４によシ指示される熱伝導性部材を介して相互に熱的に通じている。

理想的には、全マニホルド１８は、熱伝導性金属（例えばアル１ニウム）から構成し、両流路間に効率的な熱伝導を可能ならしめるのがよい。熱伝導のため、２種のガスは、弁入口１２および１４に入るとき等しい温度あるいはほとんど等しい温度に等化せしめられ、２つの入力ガス間の熱的勾配に起因する混合誤差全最小にする。

迫って詳細に記述するように、混合弁１０は、空気入口１２から出口１６に至る第１０流路と、酸素人口１４から出口１６に至る第２の流路を有している。単一の弁部材が、一方の流路を開放するとき他方の流路を比例的に閉じる。このように、出口１６中の総ガス流量は実質的に一定のま＼でおるが、入口の一方から入るガスの割合は、総ガス流量の０％から１００％の間で変化し得、他方のガスの割合は相補的態様で変わる。

第１図に例示される好ましい具体例において、弁出口１６から出る混合ガスは、酸素センサ２６中金流れる。

酸素センサ２６は、ガス混合物中における酸素の割合を指示する出力信号を線２８に沿って発生する。

医学用ベンチレータに使用するに適当な酸素センサは、技術的に周知である。例えは、ＭｅＰｈｅｒｍｏｎｓ　Ｓ、　Ｐ、著Ｒ＠５ｐｉｒａｔｏｒｙ　ＴｈｅｒａＰ７　ＥｑｕＩｐｍａｎｔ　（２ｄ　Ｅｄ、）　ｓ　１９８　ｊ年発行、１５３〜１６０頁参照。

混合されたガスは、酸素センサ２６から、入口３２および出口５４全有する固定容積の室よシ成るアキュムレータ３０に入る。混合ガスは、アキュムレータから下流の低流狙需要の条件下で、そこに蓄積し、装置圧力に達し蓄積容積となる。

この蓄積作用は、数種の利点をもたらす。第１に、下流の流量ＷＩ要が高い条件の間、アキュムレータ内に蓄積されたガスがまず！Ｉき出され、混合弁の流量容１１補償ないし増加させる。との流量の増大は、蓄積されたガスが使い尽されるまで、混合弁のピーク流放容ｉｔ増加させる。これによシ、多くの応用において、先述の「多段」弁の代わ少に単一段の弁の使用が可能となる。

アキュムレータ内の蓄積されたガスは、下流の流量需要が混合弁で感ぜられる前に、アキュムレータで感知されるという点で他の利点を生ずる。すなわち、前述のように、需要が弁で感ぜられる前に、アキュムレータ内の気体がまず抽出され、それによシ混合弁および弁から上流の圧力調節装置に課される瞬間的流量需要を減する。

アキュムレータは、実際には、下流の７０−ダイナミックス（例えば患者の需要の変化）によ）発生される瞬間的ないし急激な流盪変化を濾波し最小化する。かくして、圧力調節装置が、変化された流量に瞬間的に順応することができないためにガス混合物に変化が生ずるような場合、このような急激な流蓋変化は圧力調節装置から有効に隔絶される。

！＆後に、アキュムレータは、混合ガスに対して混合室として働き、ガスが患者回路に入る前にガスの「均質化」を行なう。

混合弁１０は、回動駆動シャフト３日を介してステップモータ３６によシ駆動される。以下によシ詳細に示されるように、シャフト５８は位置指示部材４０を備えておシ、その回転位置は、位置検出器４２によ）＠出できる。該検出器４２は、Ｍ４４に沿って位置指示信号を発生する。位置指示部材４０および位置上ンサ４２は、予め選択された基準位置に関するシャ７）＋２）回転位置を連続的に感知する、ことができる装置、または代わ〕に基準位置へのシャフトの回転を検出できる装置ｔ形成する。

本発明の好ましい具体例においては後者の選択が使用される。詳述すると、追って以下に詳しく扱われるように、本発明における優先の位＆感知装置ＩＬ４０．４２は゛、位置指示部材が２つの予め選択された位置のいずれかに達したとき、検出器４２で位置指示部材０位ｇｔを検出するものである。かくして、線４４上の位置指示信号は、シャフトが予め選択された位置のいずれか１つに到達したことを指示する。

位置指示信号は、Ｍ４４によ）信号処理回路４６に供給される。技術上周知の従来設計のこの回路は、位置指示信号の増幅、アナログ−ディジタル変換、そしておそらく直線化のための回路を含む。同様の信号処理回路４８が、線２８から受信される酸素センサ出力信号を処理する。

酸素センサ２６および位置検出器４２からの増幅されたディジタル出力信号は、こ−で線５０および５２ｔ−介してマイクロコンピュータ５４に入力される二マイクロコンピュータ５４は、マイクロプロセッサ、入力／出力インターフェースおよび内部メモリヲ備える代表的設計より成る。メモリとしては、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）５６および読出し／書込みメモ’Ｊ５８ｆ：含む。

ＲＯＭ５６は、マイクロコンピュータ５４に対する動作ソフトウェア２ならびに恒久的に記憶されねばならぬデータを含む。読取）／書込みメモリ５８は、他にもあるが、操作者入力制御信号および中間計算段階の結果を記憶するのに使用できる。

ＲＯＭ５６に記憶されるデータの中には、「較正曲線」と称され得るものがある。実際には、較正曲線は、２組の値を有する表よ構成る。１組の値は、混合されるべき２種のガスの一方のパーセントに対する選択可能な設定値に対応する。他の１組の値は、選択可能な弁部材位置と、予め選択された基準位置の一方との間の位置的ＩＶＪ係に対応する（駆動シャフト３８の回転の度に依る）。弁１０ｔ −駆動するのに使用されるモータがステップモータである本発明の好ましい実施例において、位置関係は、予め選択された基準位置と選択可能な弁部材位置間のモータステップの数で表わされる。この関係は第４図に示されるようにグラフで示すことができる。第４図は例示的「較正曲線」を示すものであシ、酸素パーセントがモータステップの関数として表わされている。第４図から、各選択可能なガスパーセント設定値と関連して独自の「位置関係」値（モータステップ数として表わされる）があることが分る。（酸素パーセント値は２１％の最小＆ｉを有しておシ、これは通常の大気コ２気に赴ける酸素の割合を表わしている。）マイクロコンピュータ５４はまた、ガスパーセント選択制御′ｙｉ甑６２から、線占０に沿って制御信号を受信する。上述の特定の具体例において、選択制１ａＪＡｌｉ６２は、混ｆガス内の酸素の所望のパーセントに操作者によシ設定される。操作者設定装置は、所望の酸素パーセント設定値を指示する制御信号をマイクロプロセッサに入力せしめる。マイクロコンピュータは、較正曲線から、基準位置から選択された酸素パーセント設定値に対応する位ｔ１ｔまでのモータのステップの数を計算する。マイクロコンピュータは、位置検出器４２から構成される装置指示信号の値から、予め選択された基準に対する弁部材の実際の位置関係（モータのステップ数に依る）ｔ−決定し得る。弁部材の実際の位ｍｃを所望位置（較正曲線よ）導かれる）と比較することによ）、マイクロプロセッサは、選択されたバー七ン）（Ｄ酸素がガス混合物中に混合される位置に弁部材を動かすよりにモータ３６が駆動されるべきステップ数を指示する値を有する出力信号を発生し得る。この出力信号は、７ｇ６４ｆ介して、技術的に周知の、増幅回路を含む適当な駆動回路６６に供給される。

駆動回路６６は、線６８上に駆動信号を発生し、該信号はモータ３６に供給され、その結果、モータはマイクロコンピュータの命令にしたがって駆動され、弁部材位置間シャ７）３８を介してその選択位置に動かす。

前述のように、マイクロコンピュータは、酸素センサ２６によ〕測定される混合されたガス混合物中における酸素のパーセントを指示する入力信号を線５０から受け取る。この測定酸素パーセント信号の値は、酸素パーセント遺沢制御装ｆ６２から受信される制御信号の値とコンピュータによシ比較される。この比較の結果は、誤差信号であシ、これは、義６４、駆動回路６６および線６８を介してモータ３６に供給される。モータは、誤差信号によ）作動されて、閉鎖ループサーボ系の態様で、測定された酸素のパーセントおよび選択された酸素のパーセント間に存することがある変動ｔｅ小にするように弁部材の位置を調節する。しかしながら、閉鎖ループサーボ動作は極度の高精度が所望される場合のみ必要とされることに注目されたい。ｆｆ吸ベンチレータにおいて酸素および空気を混合する本発明の利用を含む多くの応用において、「オープンループ」で、すなわち酸素センサによ）提供されるフィードバック信号なしで十分の精度が達成される。このように、酸素およびその関連する閉鎖ループサーボ機能は、任意的なものと考えるべきである。

本発明の一役的原理を説明したので、次に本発明の特定の好ましい実施例について説明する。

第２図は、本発明において有利に使用できる混合弁１０を例示している。弁は、空気式ロア２、酸素式ロア４および混合ガス出口アロを有する本体７０を備える。

空気および酸素は、別個の弁座（図面においてそれぞれ７８および８０が付される）を介して、出口アロに通ずる総流路８２に流入する。

球状弁部材８４は、シャフト８６によシ弁座７８および８０間で前後に動く。シャフトは、回転するにつれ、本体７０内で軸線方向に運動するように本体７０内にねじ込まれている。ばね９０によシ偏奇された軸線方向ピン８８が、ねじ付きシャフト８６と直径を挾んで相対する側において弁部材８４と係合している。ばね負荷ビン８８は、弁部材８４が、ねじ付きシャフト８６の軸線方向位置を正確に追跡するように、弁部材８４とねじ付きシャット８６間の確実な係合？保証する。

空気式ロア２および関連する弁座７８は、総流路８２への空気流路を形成し、他方酸素式ロア４および関連する弁座８０は、酸素流路を形成する。弁部材８４が弁座７８および８０間で移動するとき、弁座の一方の有効流れ面積は増し、他方の流れ面積は比例的に減する。かくして、空気流路の流量容量は増し、酸素流路の流量容量は比例的に減じ、逆の場合は逆となる。しかしながら、流路８２から出口アロへの流ユは、弁部材位置に拘らず一定のま−である。このようにして、混合ガスの総身出口流量における酸素のパーセントは、最小の２１％（弁座７８は全体的に開き、弁座８０は全体的に閏じる）から、最大の１００％（弁座７８は全体的に閉じ、弁座８０は全体的に開く）の間で変えることができる。

前述のように、弁部材は、回転駆動シャフト３８を介して作用するステップモータ３６によシ動かされる。駆動シャフト３８は、可撓性のカップリング（図示せず）によシねじ付き弁シヤフト８６に接続されている。駆動シャフト上に支持された位ｉ指示ａ４０は、第２図および第５図に示されるように、半径方向に延びる不透明なブレード９２の型を取る。

第３図を参照すると、好ましい具体例の位置検出器４２は、＠１および第２の光ビーム源９４＆および９４ｂ（発光ダイオードが都合がよい）、および光ビーム源９４ｍおよび９４ｂによシ発生される光ビームを受け取る第１および第２の光検出器９６ｍおよび９６ｂｆ備える。光検出器は、例えば光ダイオード、光抵抗または光トランジスタのような技術的に周知の適当な形式としうる。いずれにしても、光検出器９６ｍおよび９６ｂは、関連するビーム源から光ビームが受光されるとき第１の値を有する信号を発生し、ビーム源から光ビームが受光されないとき第２の値を有する信号を発生する。光検出器９６ａおよび９６ｂから発生される信号が、線４４ｍおよび４４ｂを介して前述のような信号処理回路４６に、続いてマイクロコンピュータ５４に伝達される。

２つの光源／光検出器対９４　ａ　／　９６　ｍ　、　９４ｂ／９６ｂは、駆動シャフト３８の両側に配置されておシ、ブレード９２が、第１の回転基準位置で光源９４１からの光ビーム１−［止し、第２回転基準位置にて光源９４ｂから光ビームラ阻止する。かくして、光検出器９６ａおよび９６ｂからの信号は、回転基準位置のいずれかへのブレード９２の刺着を指示する。好ましい実施例において、回転基準位置は、駆動シャフト位置の第１および第２限界であるのが都合がよい。これは、それぞれ弁部材８４の軸線方向移動の；ｎｌおよび第２限界に対応する。

次に第１図を参照して、第２図および第５図に例示される特定の好ましい具体例の動作態様について簡単に説明する。

操作者が酵素パーセント選択制御装置６２を所望のα素パーセントに設定すると、マイクロコンピュータ５４は、「原位置」信号を駆動回路６６を介してモータ３６に供給する。この原位置信号によ）、モータ３６は、駆動シャフト３８を、弁部材８４が酸素流路弁座に当たる位置に対応する第１移動限界に回転し、それによシ酸素流路を閉成し、混合弁からの総流ｆｆ１ｌ−空気（２１％酵素）から構成せしめる。シャフトが＠１移動限界にあると（こ−では予め選択された基準位置と考えることができる）、位１指示器４０（実際にはブレード９２）は、光源９４ｍからの光ビームを阻止する。かくして、関連する光検出器９６ｔｈからの信号は値を変じ、弁部材が第１移動限界（「第１位置」）に達したことをコンピュータに指示する。

次に、マイクロコンピュータは、記憶された較正曲線から、選択された酸素パーセント位置に対応するステップモータ位飄（第１移動限界「基準位置」に関して）を引き出す。ついで、第１移動限界および較正曲線から導かれた位置間のモータステップ数に対応する値を有する適当な駆動信号がモータに伝達される。モータはそれに応答して、駆動シャ７ｌ−３８ｔ−適当なステップ数回転し、それによシ、弁部材８４は、酸素流路弁座８０がら空気流路弁座７８に向って軸線方向において移動し、所望の酸素割合に対応する位置に達するに到る。操作者が選択された酸素パーセントを変えると、次の原位置信号が発生され、そして上述のプロセスが反復され、弁部材を新しく選択された酸素パーセントに対応する新しい位置に移動する。

前述のように、駆動シャフトの第２の移動限界にて、ブレード９２は、第２光源９４ｂからの光ビームを阻止し、第２光検出器９６ｂからの出力信号の値を変化させる。ついで、この信号はマイクロコンピュータに伝送され、マイクロコンピュータは、それに応答して、モータがストップすることを命令する出力信号を発生し、それによシ、モータが弁部材をその第２の移動限界を越えて駆動しようとするのを阻止する。モータはまた、方向を逆転するように命令されてもよい。これは、特に「自動確認」モードが使用される場合に有利であろう。このモードにおいては、モータは、マイクロコンピュータによシ、第１移動限界に戻る前に＠２移動限界にまず回転することにより＆素パーセントの設定値の変化に応答せしめられる。ついでマイクロコンピュータは、２つの移動限界間のモータステップの数を計算し、次いで計算された数を予め選択された基準数と比較し得る。これらの２つの散開に変化があると、マイクロコンピュータは、装置の精度ｆ：損なう何かが起った（例えば弁部材またはモータの故ｇｔ）と解し、適当なアラームが作動される。

もちろん、前述のように、閉鎖ループサーボ制御を行なうため、上述の態様で酸素センサ２６を装置に任意加えることができる。

以上好ましい実施例として特定の実施例につい′て説明したが、当技術に精通したものであれば、本発明の技術思想の範囲内において種々の変更が自ら明らかであると思われる。例えば、弁部材の位鈑金直接または間接的に検出するために（好ましい具体例において、駆動シャフトの回転位ｇｔｔ検出することによシなされるように）、種々の手段を使用し得る。例えば、位置検出器４２は、弁部材位置または駆動シャフト回転位置の関数として変わる磁界または電界に応答し得る。この形式の位置検出器は、技術的に周知である。例えば、Ａｌｂａｒｄａ等の米国特許第４．２０４．５５６号参照。また、位り感知装置は、連続的位置指示信号を提供するように変更できる。すなわち、全移動範囲にわたシ弁部材位ｉを（直接的または間接的に）指示するように変更できる。本明細書に記述される具体例のこの種の変更は、例えば、軸線方向に配向された光ビームに関する回転位置の既知の関数とじて変わる光ｆｆｌ’ｅ伝達する部材￥ｉ−ミー駆動シャフト使用することになろう。このような連続的位置検出器を使用すると、位置検出器それ自体が閉山ループサーボ動作のためのフィードバック信号を発生することが可能とな夛、同じ機能のために要する酸素センサの必要を恐らく排除し得る。

本発明は、従来技術の分配装置に優る数種の利点をもたらすことが分る。詳しく述べると、アキュムレータの使用は、混合ガスの混合によシ機械的複錐さ全停なわずにピーク流量容量を拡大でき、かつ圧力トランジェントの最小化により選択された混合割合の安定化をもたらす。

さらに、制御バクメータとして指示信号を用いて混合弁のマイクロコンピュータ制御を行なうことによル、閉鎖ループサーボ制御装置を用いても用いなくても高度の精度と安定性が得られる。さらに、マイクロコンピュータ制御によシ、必要または所望の場合、最小の追加の八−ドウエアで閉鎖ループサーボ動作に必要とされる変力性が得られる。

ＴＯＡＣＣＬＩＭＬＩＬＡＴＯＲＴＯＭＩＣＲＯＣＯＭＰＵＴＥＲＴＥＰＳ国際調査報告ｍｌａｍｓｌｌ・−＾−”−”’　ＰＣＴ／ＵＳ　ａｓ１０１９９８−九７：ご１：：：二〈二：０＝コミ：ＸＺ＝＝１ヒよさＩＡ二ｒ：ｃＮＡＬＳＥＡＲＣＨＲコＨｐＯＨ７ＯＮ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）第１のガスに対する第１の入口と、第２のガスに対する第２の入口と、出口と、前記第１人口から該出口への第１流路と、前記第２入口から前記出口への流路を備える弁本体と、弁本体内で可動の弁部材であつて、前記出口中の総ガス流量が当該弁部材の位置に実質的に無関係であるように、第１流路および第２流路の一方を比例的に開き、同時に第１流路および第２の流路の他方を比例的に閉鎖し、かつ前記第１流路中に最小の選択可能な流量を設定する第１の移動限界および前記第２流路中に最小の選択可能な流量を設定する第２の移動限界を有する弁部材と、選択されたガス混合物に対応する前記弁部材の所望位置を選択し、該所望位置を指示する第１の信号を発生する第１の手段と、前記弁部材の実際位置を検出し、該実際位置を指示する第２の信号を発生する第２の手段と、前記第１および第２信号に応答して、前記所望位置と前記実際位置間の位置関係を計算する第３の手段と、前記第３信号に応答して、前記弁部材を、その検出された実際位置から前記所望位置へ駆動する第４の手段とを備える少なくとも２種の異なるガスを比例的に混合する装置。
（２）前記出口と流体により連通しており、前記出口から流出する前記ガス混合物中の選択された一種のガスの濃度を測定し、この選択されたガスの測定された濃度を指示する値を有する第４の信号を発生する第５の手段と、前記の選択されたガスの所望濃度を指示する値を有する基準信号を発生する第６の手段と、前記第４信号および前記基準信号に応答して、前記の測定された濃度の前記所望濃度からの偏差を指示する誤差信号を発生する第７の手段と、前記誤差信号を前記第４手段に供給し、前記誤差信号の値に比例して前記弁部材の位置を調節する第８の手段を備える請求の範囲第１項記載の混合装置。
（３）前記第１信号に応答して、前記弁部材の前記所望位置を指示する値を有する基準信号を発生する基準手段と、記記第２信号と前記基準信号に応答して、前記弁部材の前記実際位置と前記所望位置間の偏差を指示する値を有する誤差信号を発生する誤差信号発生手段と、前記誤差信号を前記第４手段に供給して、該誤差信号の値に応答して前記弁部材の位置を調節する手段を備える請求の範囲第１項記載の混合装置。
（４）前お出口から下流に配置され、（ａ）該出口から流出するガス混合物の選択された体積のガスを累積し、（ｂ）下流の需要に応答してこの累積されたガスの少なくとも若干部分を放出するアキユムレータ手段を備える請求の範囲第１項記載の混合装置。
（５）前記第４手段が、回転駆動部材により前記弁部材に動作上接続されており、前記第２手段が、前記駆動部材上にあつて、予め選択された基準位置に関する前記駆動部材の回転位置を指示する位置指示手段と、該位置指示手段の回転位置に応答して、前記第２信号を発生する検出手段を備える請求の範囲第１項記載の混合装置。
（６）前記位置指示手段が、前記駆動部材上に配置された不透明な半径方向に延びるブレードを備え、前記検出手段が光検出器と光源を備えており、前記駆動部材が前記基準位置に回転されるとき、前記ブレードが前記光源から前記光検出器に至る光路を阻止する請求の範囲第５項記載の混合装置。
（７）前記第１手段が、開記混合物中の前記第１ガスの所望の割合を選択し、この所望割合を指示する値を有する割合信号を発生する混合選択手段と、前記第１ガスの前記割合に対する所定数の選択された値の各々に対して、前記第１移動限界に関する独自の弁部材位置を指示する位値より成る予め計算された計算曲線を記憶する記憶手段と、前記割合信号に応答して、（ａ）該割合信号の値から前記弁部材の前記所望位置を、前記較正曲線から対応する位置指示値を計算し、（ｂ）前記所望位置を指示する前記第１信号を供給する計算手段を備える請求の範囲第１項記載の混合装置。
（８）前記計算手段が、前記割合信号の値の変化に応答して原位置信号を発生し、前記第４手段が前記原位置信号に応答して、前記弁部材を前記第１移動限界に駆動し、前記第２手段が、前記弁部材の的証第１移動限界への到達を検出し、前記第２信号が、前記第１移動限界における前記弁部材の存在を指示し、前記第３手段が、前記第１移動限界における前記弁部材の存在を指示する前記第２信号の値に応答して、前記所望位置と前記第１移動限界間の位置関係を計算し、それにより前記第４手段が、前記第３手段に応答して、前記弁部材を前記第１移動限界から前記所望位置に駆動するように構成された請求の範囲第７項記載の混合装置。
（９）前記第４手段が、前記原位置信号に応答して、前記弁部材をまず前記第２移動限界に駆動し、ついで前記第１移動限界に駆動し、前記第２手段が、前記第１および第２移動限界への前記弁部材の到達を検出し、前記第２および第１移動限界における前記弁部材の存在を指示する値を有する前記第２信号を発生し、前記第３手段が、前記第１および第２移動限界における前記弁部材の存在を指示する前記第２信号の値に応答して、（ａ）前記第１および第２移動限界間の実際の位置関係を計算し、（ｂ）前記移動限界間の前記の実際の位置関係を、該位置関係に対する予め選択された基準値と比較する請求の範囲第８項記載の混合装置。
（１０）前記第４手段が、第１および第２の予め選択された回転位置間に既知のステツプ数を有するステツプモータと、該第１および第２の予め選択された回転位置間において前記ステツプモータにより駆動される回転駆動シヤフトと、前記駆動シヤフトを前記弁部材に動作上接続し、前記駆動シヤフトが前記第１の予め選択された回転位置にあるときの前記第１移動限界と、前記駆動シヤフトが前記第２の予め選択された回転位置にあるときの前記第２移動限界の間で前記弁部材を駆動する手段を備える請求の範囲第７項記載の混合装置。
（１１）前記較正曲線が、前記の選択可能な割合指示値の各々に対して前記の第１の予め選択された回転位置からの独自のステツプ数を指示する価より成り、前記計算手段が、前記割合信号の値および前記較正曲線から得られる対応するステツプ値から、前記の第１の予め選択された回転位置に関する所望の回転位置を計算し、それにより前記第１信号が前記所望の回転位置を指示する値を有するようにし、前記第２手段が、前記第１の予め選択された回転位置に関する前記駆動シヤフトの実際の回転位置を検出し、前記の実際の回転位置を指示する値を有する前記第２信号を発生する請求の範囲第１０項記載の混合装置。
（１２）第１ガスに対する第１の入口と、第２ガスに対する第２人口と、出口と、前記第１入口から前記出口への第１流路と、前記第２入口から前記出口への第２流路とを有する弁本体と、前記弁才体内で可動の弁部材であつて、前記出口中の織ガス流量が前記弁部材の位置に実質的に無関係であるように、前記第１および第２流路の一方を比例的に開放し、同時に他方の流路を比例的に閉鎖し、かつ前記第１流路中に最小の選択可能な流量を設定する第１移動限界および前記第２流路中に最小の選択可能な流量を設定する第２移動限界を有する弁部材と、前記混合物における前記第１ガスの所望の割合を選択し、前記所望離合を指示する値を有する割合信号を発生する第１の手段と、前記割合信号に対する所定数の選択可能な値の各々に対して前記第１移動限界に関する独自の弁部材位置を指示する値より成る予め計算された較正曲線を電子的に記憶する第２の手段と、前記第１移動限界における記記弁部材の存在を検出し、前記第１移動限界における前記弁部材の存在を指示する位置信号を発生する第３の手段と、前記第２手段、前記割合信号および前記位置信号に応答して、（ａ）前記割合信号の値に対応する弁部材位置値を前記較正曲線から誘導し、（ｂ）前記割合信号の値の変化に応答して原位置信号を発生し、（ｃ）前記較正曲線から誘導される弁部材位置値を指示する値を有する駆動信号を発生する第４の手段と、前記原位置信号および前記駆動信号に応答して、（ａ）前記原位置信号に応答して前記弁部材を前記第１移動限界に駆動し、（ｂ）前記駆動信号に応答して、前記弁部材を、前記第１移動限界から前記の誘導された弁部材位置値に対応する位置に駆動する第５の手段と、を備え、前記の誘導された弁部材位置値に対応する前記弁部材の前記位置で、前記混合物中に実質的に前記所望割合の前記第１ガスを生ずることを特徴とする少なくとも２種の異なるガスを比例的に混合する装置。
（１３）前記弁出口と流体により連通しておまり、前記弁出口から流出するガス混合物の選択された容積のガスを累積するアキユムレータ手段を備えており、該アキユムレータ手段が、（ａ）前記弁出口から前記ガス混合物流を受け入れる手段と、（ｂ）下流の需要に応答して前記の地蓄積されたガス混合物の全部または一部を放出する手段を備える請求の範囲第１２項記載の混合装置。
（１４）前記第１ガスを第１ガス源から前記第１入口に導く第１の導管と、前記第２ガスを第２のガス源から前記第２人口に導く第２の導管と、前記第１および第２導管と動作上関連して設けられ、前記第１および第２ガスがそれぞれ前記第１および第２導管中を流れるとき前記第１および第２ガス間で受動的な熱伝達を許容する温度等化手段を備える請求の範囲第１２項記載の混合装置。
（１５）前記出口と流体により連通しており、前記出口から流出する前記ガス混合物内の線択された一方のガスの割合を測定し、前記の選択されたガスの測定された割合を指示する値を有するフイードバツク信号を発生する第６の手段と、前記フイードバツク信号および前記割合信号に応答して、前記の測定された割合の前記所望割合からの偏差を指示する誤差信号を発生する第７の手段と、核誤差信号を前記第５手段に供給して、該誤差信号の値に比例して前記弁部材の位置を調節する第８の手段を備える請求の範囲第１３項記載の混合装置。
（１６）前記弁部材が、前記第５手段により駆動される回転駆動シヤフトにより前記第１および第２移動限界間で移動され、前記第３手段が、動作上前記駆動シヤフトと関連して設けられ、前記弁部材の前記第１移動限界に対応する予め選択された回転基準位置における前記駆動シヤフトの存在を検出する位置検出手段を備える請求の範囲第１２項記載の混合装置。
（１７）前記位置検出手段が、光ピーム源と、該光ピームを受光するように配置された光検出器と、前記駆動シヤフトが前記の予め選択された回転基準位置に回転されるとき、前記光ピームを阻止するように前記駆動シヤフト上に配置された不透明部材を備えており、前記光ピームが阻止されるとき、前記光検出器が前記位置信号を発生するように構成されている請求の範囲第１６項記載の混合装置。
（１８）前記第５手段が、第１および第２の予め選択された回転基準位置間に既知のステツプ数を有するステツプモータであり、前記駆動シヤフトが、前記モータの前記第１および第２回転基準位置および前記弁部材の前記第１および第２の移動限界に対応する第１および第２の回転基準位置を有する請求の範囲第１７項記載の混合装置。
（１９）前記弁部材位置値の各々が、前記の選択可能な割合信号値の各々に対して、前記第１の予め選択された基準位置からの独自のステツプ数に対応する請求の範囲第１８項記載の混合装置。
（２０）前記第５手段が、前記原位置信号に応答して、前記弁部材をまず前記第２移動限界に、ついで前記第１移動限界に駆動し、前記第３手段が、前記第２および第１移動限界への前記弁部材の到達を検出し、前記第２および第１移動限界における前記弁部材の存在を指示する値を有する前記位置信号を発生し、前記第４手段が、前記移動限界における前記弁部材の存在を指示する前記位置信号の値に応答して、（ａ）前記第１および第２移動限界間の実際の位置関係を計算し、（ｂ）前記移動限界間の前記の実際の位置関係を、該位置関係に対する予め選択された基準値と比較する請求の範囲第１２項に記載の混合装置。
（２１）第１のガスに対する第１の入口と、第２のガスに対する第２の入口と、出口と、前記第１人口から前記出口への第１の流路と、前記第２入口から前記出口への第２流路とを有する弁本体と、前記弁才体内において可動の弁部材であつて、前記出口中における総ガス流量が前記弁部材の位置に実質的に無関係であるように、前記第１および第２流路の一方を比例的に開放し、同時に他方の流路を比例的に閉鎖し、かつ前記第１流路中に最小の選択可能な流量を設定する第１の移動限界および前記第２流路中に最小の選択可能な流量を設定する第２の移動限界を有する弁部材と、前記混合物内における前記第１ガスの所望の割合を選択し、該所望割合を指示する値を有する割合信号を発生する第１の手段と、該割合信号に対する所定数の選択された値の各々に対して、前記第１移動限界に関する独自の弁部材位置を指示する値より成る予め計算された較正曲線を電子的に記憶する第２の手段と、的記第１移動限界に関する前記弁部材の位値を検出し、前記第１移動限界に関する前記弁部材の実際位置を指示する値を有する位置信号を発生する第３の手段と、前記第２手段、前記割合信号および記基位置信号に応答して、（ａ）前記割合信号の値に対応する弁部材位置値を前記較正曲線から誘導し、（ｂ）この誘導された弁部材位置値を前記位置信号の値と比較し、（ｃ）この比較の結果の関数として駆動信号を発生する第４の手段と、前記駆動信号に応答して、前記弁部材を、前記較正曲線から誘導される弁部材位置値に対応する位置に駆動する第５の手段と、前記弁出口と流体により連通しており、前記弁出口から流出するガス混合物の選択された体積のガスを累積する第６の手段とを備えており、該第６手段が、（ａ）前記弁出口から前記ガス混合物流を受け入れる手段と、（ｂ）下流の需要に応答して前記の累積されたガス混合物の全部または一部を放出する手段を備えることを特徴とする少なくとも２種の異なるガスを比例的に混合する装置。
（２２）前記第３手段が、前記第１移動限界における前記弁部材の存在を検出して、前記第１移動限界における前記弁部材の存在を指示する位置信号を発生し、前記第４手段が、前記割合信号の値の変化に応答して原信号を発生し、前記駆動信号が、前記較正曲線から誘導される弁部材位置値を指示する値を有し、前記第５手段が、前記原位置信号および前記枢動信号に応答して、（ａ）前記原位置信号に応答して前記弁部材を前記第１移動限界に駆動し、（ｂ）前記駆動信号に応答して、前記弁部材を前記第１移動限界から前記の誘導された弁部材位置値に対応する位置に駆動する請求の範囲第２１項記載の混合装置。
（２３）前記弁出口と流体により連通しており、前記出口から流出する前記ガス混合物内の選択された一方のガスの割合を測定し、この選択されたガスの測定された割合を指示する値を有するフイードバツク信号を発生する第７の手段と、前記フイードバツク信号および前記割合信号に応答して、前記所要割合からの前記の測定された割合の偏差を指示する誤差信号を発生する第８の手段と、前記誤差信号を前記第５手段に供給して、該誤差信号の値に比例して前記弁部材の位置を調節する第９の手段を備える請求の範囲第２１項記載の混合装置。
（２４）前記弁部材が、前記第５手段により駆動される回転駆動シヤフトにより前記第１および第２移動限界内で移動され、前記第３手段が、前記駆動シヤフトと動作上関連して設けられていて、前記弁部材の前記第１移動限界に対応する予め選択された回転基準位置における前記駆動シヤフトの存在を検出する位置検出手段を備えている請求の範囲第２２項記載の混合装置。
（２５）前記位置手段が、光ピーム源と、該光ピームを受光する：クに配置された光検出器と、前記駆動シヤフトが前記の予め選尿毒れた同属基準位置に回転されるとき前記光ピームを阻止するように、前記駆動シヤフト上に配置された不透明部材を備えており、前記光ピームが阻止されるとき前記光検出器が前記位置信号を発生するように構成された請求の範囲第２４項記載の混合装置。
（２６）前記第５手段が、第１および第２の予め選択された回転基準位値間に既知のステツプ数を有するステツプモータであり、前記駆動シヤフトが、前記モータの前記第１および第２回転基準位置および前記弁部材の前記第１および第２移動限界に対応する第１および第２の回転基準位置を有している請求の範囲第２５項記載の混合装置。
（２７）前記較正曲線における前記弁部材位置の値の各々が、前記の選択可能な割合信号値の各々に対する、前記の第１の予め選択された基準からの独自のステツプ数に対応する請求の範囲第２６項記載の混合装置。
（２８）前記第５手段が、前記原位置信号に応答して、前記弁部材をまず前記第２移動限界に、ついで前記第１移動限界に駆動し、前記第３手段が、前記第２および第１移動限界への前記弁部材の到達を検出し、前記第２および第１移動限界における前記弁部材の存在を支持する値を有する前記位置信号を発生し、前記第４手段が、前記移動限界における前記弁部材の存在を指示する前記位置信号の値に応等して、（ａ）前記第１および第２移動限界間の実際の位置関係を計算し、（ｂ）前記の移動限界間の実際の位置関係を、該位置関係に対する予め選択された基準値と比較する請求の範囲第２２項記載の混合装置。