SE535825C2 - Ventil för medicinska ventilatorer, samt förfarande för att styra ventil - Google Patents

Abstract

SAMANDRAG Uppfinningen avser en anordning for att styra ettgasflode, t ex ur ett andningssystem kopplat till enpatient vid utandning. Flodesstyrningen gors genom att ettflexibelt ror med cirkulara flexibla segment komprimeras irorets langdriktning, varpå de flexibla elementen kollapsarmot en cirkular vagg. Anordningen består av autoklaverbaradelar eller engångsdelar som kan skiljas frånandningssystemet utan att utsatta personal, som handharnamnda system, for kontaminerade ytor i andningssystemet vid byte av patient. Att publiceras med Fig. 1

Description

25 30 35 535 825 konstruktionen är liten och lätt och att aktuatorn som styr ventilen kan göras liten och är isolerad från flödeskanalen.

Den vanligaste designen på exspirationsventiler idag består i en cirkulär skiva som ligger mot en ände av ett rör som bildar ett ventilsäte. Exempel på en sàdan design kan läsas i patent US 5,l27,400. Nackdelarna med en sådan design är att flödeskanalen är komplex, vilket ger turbulens och problem med rengörning. Dessutom utsätts hela den cirkulära skivan för ett tryck, medan flödet endast är beroende av skivans ytterkant. Detta leder till att en onödigt stark, tung och dyr aktuator behövs för att styra ut en sàdan ventil.

Syftet med uppfinningen är att göra en ventil som uppfyller tidigare nämnda viktiga designparametrar.

Sammanfattning av uppfinning Dessa syften åstadkommes med hjälp av anordningen enligt de bifogade oberoende kraven, varvid särskilda utföringsformer behandlas i beroende kraven.

Den föreliggande uppfinningen söker således framför allt motverka, förbättra eller eliminera en eller flera av ovan identifierade tillkortakommanden och nackdelar inom konventionell teknik, individuellt eller i någon kombination, och löser åtminstone delvis de ovan nämnda problem genom att erbjuda en utrustning enligt de vidlagda patentkraven.

Uppfinningen kan beskrivas som en ventil som innefattar ett första flexibelt element som har minst en flexibel zon; ett ventilsäte som är placerat antingen utanför eller innanför det flexibla elementet på ett sådant sätt att en fluid kan passera en kanal mellan det första flexibla elementet och ventilsätet; minst en aktuatorenhet som är anordnad att axiellt komprimera eller dekomprimera det första flexibla elementet, varvid det första flexibla elementet vinklas radiellt mot eller rätas upp från ventilsätet och därmed kan fluidens flöde genom ventilen styras. 10 15 20 25 30 35 535 B25 När det flexibla elementet befinner sig i sitt normalläge är ventilen öppen och ett flöde av fluiden, som kan beskrivas som väsentligen turbulensfritt, kan ske i kanalen mellan det flexibla elementet och ventilsätet. Ett flexibelt element består i denna uppfinning av ett eller flera flexibla zoner som fungerar som leder så att det flexibla elementet kan kontrollerat vinklas eller skjutas radiellt i riktning mot ventilsätet när det flexibla elementet utsätts för ett axiell komprimerande eller dekomprimerande rörelse från en aktuatorenhet. Vid ökande vinkling av det flexibla elementet vidrör minst ett område av det flexibla elementet ventilsätet. Företrädelsevis är det vidrörande området den flexibla zonen och företrädelsevis är området eller zonen konstruerad så att en tättslutande effekt uppstår mellan det vinklade flexibla elementet och ventilsätet.

Ventilen är företrädesvis rotationssymmetriskt utformat med en koaxial anordning av ventilsätet och det flexibla elementet.

Med axiell riktad rörelse menas här en riktning som är längsmed eller mot flödesriktningen som sker mellan två öppningar placerade på vardera sidor om det flexibla elementet. Med radiell riktad rörelse menas här en rörelse i riktning väsentligen vertikalt mot flödesriktningen.

I vissa utföringsformer är ventilens flexibla element konstruerade och placerade så att de kan befinna sig i minst ett läge där det uppstår en sida med slät karaktär som befinner sig på kanalens flödessida.

Genom denna konstruktion kan man få ett väsentligen turbulensfritt flöde i öppet läge, vilket minskar flödesmotståndet för fluiden genom flödeskanalen.

I vissa utföringsformer innefattar ventilen minst ett andra flexibelt element och det första flexibla elementet är anordnat till att strypa flödet medan minst ett andra flexibelt element är placerat så att den relativa axiella 10 15 20 25 30 35 535 B25 rörelsen kan utföras. Således undviker man en deformation eller slitage av det första flexibla elementet vid upprepade vikningar.

För att underlätta placeringen av en ventil mellan två icke flexibla in- och utflödeskanaler kan ytterligare flexibla element utnyttjas så att den axiella komprimerande eller dekomprimerande rörelsen på det, ventilen, för Detta medför att det inte blir några belastningar på materialet eller på infästningarna mot de icke flexibla in- och utflödeskanalerna. slutande flexibla elementet kan utföras.

I vissa utförande utgörs ventilsätet av en rotationssymetrisk cirkulär vägg placerat i centrum av det första flexibla elementet, såsom utsidan på en stav, insidan eller utsidan på ett rör.

I vissa utförande har ventilsätet en rotationssymetrisk konisk profil och är placerat i centrum av det första flexibla elementet nedströms. Denna konstruktion och placering av ventilsätet underlättar skapandet av ett väsentligen turbulensfritt flöde.

Ventil kan också konstrueras så att ventilsätet utgörs av en rotationssymmetrisk cirkulär vägg som kan innefatta insidan på ett rör, placerat runtom det första flexibla elementet.

I ett annat utförande är ventilens konstruktionsmaterial för det flexibla elementet och ventilsätet autoklaverbara och/eller konstruktionsmaterialet för det flexibla elementet och ventilsätet är engångsmaterial, eller konstruktionen innefattar delar av autoklaverbara material i kombination med delar av engàngsmaterial. Exempel för sådana material rostfritt stål, Valen av dessa material möjliggör att ventilen kan är silikongummi, etc. användas till Medicintekniskutrustning såsom en andningsapparat. Av patienten kontaminerade ventiler kan 10 15 20 25 30 35 535 825 således säkert rengöras och desinficeras mellan olika patienter.

Ventilen är exempelvis en exspirationsventil i en andningsapparat.

I vissa utförande utgörs ventilens aktuatorenhet av minst en piezoelektrisk aktuator. I andra utföranden kan även akturatorenheten utgöras av minst en talspole- aktuator. Även andra typer av aktuatorenheter kan vara lämpliga.

En annan fördel med konstruktionen är att ventilens aktuatorenhet kan anordnas utan att ha kontakt med flödeskanalen, vilket medför att aktuatorenheten inte behöver vara autoklaverbar. Detta förenklar hanteringen och ökar aktuatorenhetens livslängd.

I vissa utföranden har ventilen en integrerad flödesmätare. I synnerhet är minst två ultraljudstrancievers placerade längs flödeskanalen för att mäta flödet genom kanalen. En kompakt enhet kan således tillhandahållas. Enheten ger en fördelaktig snabb styrning av flödet genom ventilen då avståndet mellan flödesmätaren och ventilen kan hållas kort och turbulens undvikas.

I en andra aspekt innefattar uppfinningen ett förfarande för att styra ett flöde genom minst en fluidpassage, varvid förfarandet innefattar att axiellt komprimera eller dekomprimera minst ett flexibelt element hos en ventil varvid det minst ena flexibla elementet vinklas radiellt mot eller rätas upp från ett korresponderande ventilsäte. Företrädesvis är ventilen utformat enligt ovan.

Fördelarna med denna metod är som för ovan beskrivna utrustning. Ett väsentligen turbulensfritt flöde av en eller flera fluider kan skapas genom en flödeskanal och på ett enkelt sätt strypa flödet vid behov. Flödeskontrollen sker snabbt och tillförlitligt med en kompakt enhet.

Piezoaktuatorer kan användas vilket ger en låg energiàtgång. 10 15 20 25 30 35 535 825 Översiktlig beskrivning av ritningarna Dessa och andra aspekter, särdrag och fördelar som uppfinningen åtminstone partiellt innehar blir tydligare och specificerade genom följande beskrivning av utförandeformer av föreliggande uppfinning, görs till de vidliggande figurerna, där referens i vilka Figur l är en schematisk tvärsnittsvy som visar ett utförandeexempel i axiella tvärsnitt av ett flexibelt rörsegment; Figur 2 är en schematisk tvärsnittsvy som visar ett utförandeexempel i ett axiellt tvärsnitt längs en ventil med axeln av ett flexibelt rörsegment; Figur 3 är en schematisk vy som visar ett utförandeexempel på en ventilkonfiguration; Figurer 4-9 är schematiska vyer som visar olika utföringsexempel lâgtrycksventiler; Figur 10 är en schematisk tvärsnittsvy över ett utförandeexempel på en lågtrycksventil med integrerat flödesmätare i form av ultraljudstranceiverelement: och Figur ll är en schematisk planvy som visar hur spår i de flexibla segmenten tillförts för att minska segmentens axiella kompressionsmotkraft.

Beskrivning av utföranden En anordning i enlighet med uppfinningen erhålles genom att ett mjukt rör, tillverkat exempelvis av silikongummi, med flexibla segment lO, ll enligt figur 1 via en rörlig ring utsätter det flexibla röret för en axiell rörelse mellan ändarna så att de flexibla elementen påverkas. fixerat i ändarna, I figur l illustreras ett sådant exempel. Figur l visar i en schematisk vy ett utförandeexempel axiella tvärsnittet av ett flexibelt rörsegment.

Figur l visar en och samma ventilanordning i två olika tillstånd. Vänstra bilden visar ventilanordningen i öppet tillstånd, och höger bild i stängt tillstànd. 10 15 20 25 30 35 535 825 På vänster bild visas ett första flexibelt element 10 i okomprimerad form, medan ett andra flexibelt element 11 är i komprimerad form. Den cirkulära utbuktning 119 hos det första flexibla elementet 10 fungerar som ett mjukt ventilelement. I denna form är ventilanordningen normalt öppen.

Centrerat inne i det flexibla röret finns en rotationssymmetrisk hård kropp 13, denna har utformats på ett aerodynamiskt fördelaktigt sätt för att minimera flödesmotstàndet i ventilanordningen. Kroppen 13 är ett ventilsäte 19 mot vilken det första flexibla elementet 10 arbetar. Kroppen 13 är via stag, som inte visas i figuren, fixerad till fixeringsringarna 15 och 16. Fixeringsringarna 15, 16 är anordnade på respektive ände av det flexibla elementet som innefattar i ett integralt stycke det första och andra flexibla elementen 10, 11.

Då ventilanordningen är i öppet tillstànd enligt vänstra bilden, Fig. 1, är innersidan på det flexibla röret så gott som helt slät. Detta i kombination med mittkroppens 13 utformning blir flödesmotståndet mycket lågt i en sådan här ventilanordning.

Ventilanordningen bringas i stängt läge genom att ringen 12 förflyttas axiellt sträckan 113 i riktning mot fixeringsringen 16 så att det flexibla rörsegmentet 110 pressas mot kroppen 13. Samtidigt kommer rörsegmentet 111 att sträckas. I detta läge är strömningsprofilen inte längre optimerad, men detta är utan betydelse eftersom inget flöde går igenom ventilanordningen i stängt läge.

Ringen 112 kan även bringas i ett läge mellan stängt och öppet läge. I detta fall fungerar ventilanordningen som en proportionalventil. Rörsegmentet 110 har en lite annorlunda profil jämfört med rörsegmentet lll, de trekantsformade sektionerna är avskalade i toppen för att reducera segmentets massa och på så sätt höja systemets resonansfrekvens. Segmentet lll kan också lättas på liknande sätt. Även ringen 12 kan göras extra lätt t.ex. 10 15 20 25 30 35 535 825 genom att ge dess tvärsnittsprofil en U-form, T-form eller liknande.

Till skillnad från rörsegmentet llO är rörsegmentets lll innerprofil koniskt formad på insidan då ventilanordningen är i öppet tillstånd. Fördelen med denna utformning är att strömningsprofilen blir mer gynnsam samtidigt som att en mindre rörelse behöver tas upp av detta segment, vilket innebär att det kan göras mindre och lättare, vilket bidrar till en ökad resonansfrekvens i systemet, som i sin tur ger bättre regleregenskaper.

Figur 2 visar i en schematisk vy ett utförandeexempel i axiellt tvärsnitt längs axeln av ett flexibelt rörsegment, enligt en princip av uppfinningen. Ett sådant fördelaktigt utförande av uppfinningen som illustreras i figur 2 är en anordning som lätt kan lyftas ur chassiet i den apparat som den är avsedd att sitta i, t.ex. en respirator, utan att patientens slangsystem för utandningen öppnas, och att chassiet därmed hålls okontaminerat.

Slangsystemet kan därefter förflyttas till rengörning, destruering eller återvinning.

Då anordningen enligt figur 2 lyfts bort blir endast delarna 27, 28, 200 och 201 kvar i chassidelen. tillhör en del av anordningen, delarna tillhör ventildelen.

Dessa delar aktuatordelen. De övriga Efter att ventildelen lyfts ur kan patientslangarna avlägsnas från ändstyckena 20 och 21, ventildelen av anordningen innehåller tre delar som kan separeras och autoklaveras.

Första delen av ventildelen består av ett första ändstycke i hårt material, t.ex. plast. Denna del utgör inloppet för exspirationsventilen, och består av ändstycket 20 som också är inlopp, fästklackarna 202 och stagen 203 som håller mittkroppen 26.

Andra delen av ventildelen består av ett mjukt rör av exempelvis silikongummi, med två flexibla sektioner 23 och 24, samt ändpassningarna 22 och 25. Även en styrring 29 i hårt material, t.ex. plast är trädd över ventildelens mjuka 10 15 20 25 30 35 535 825 slang enligt figur. Ringens 29 uppgift är att förmedla rörelse från aktuatordelen till en axiell kompression av det första flexibla segmentet 23 så att det radiellt tvingas mot mittkroppen 26 då ventilen skall bringas i stängt läge.

Tredje delen av ventildelen består av ett andra ändstycke i hårt material, t.ex. plast. Denna del utgör utloppet för exspirationsventilen, och består av ändstycket 21.

Aktuatordelen består av en flexibel folie 200 som vid applicering av ventildelen i chassiet hakar i styrringen 29 samt ett stag 201 som vid ventilstängning förflyttas i pilens riktning enligt figur 2.

Staget 201 är vidare kopplat till en aktuator, kan vara elektromagnetisk, som termisk, kemisk, magnetostriktiv eller piezoelektrisk.

Figur 3 visar i schematisk vy ett utförandeexempel på en ventilkonfiguration. Vyn visad i figur 3 av ventildelen är sedd uppifrån. Här kan urskiljas inloppsstycket 30, den mjuka sektionerade slangen 32 med styrring 112, fixeringsring 33 och utloppsstycket 31. Hållarna 34 och 35 är förankrade i chassiet. Ringen 112 manövreras för att stänga och/eller öppna ventilen. Öppningen av ventilen kan ske genom återställande elasticitet i slangen 32.

Figur 4 visar ett exempel på hur en aktuator kan kopplas ihop med ventildelen. Här kan man se hur en hävarm 48, som exempelvis kan vara U eller Y formad, rörelsen från aktuatorn 406 via en mekanisk rörelseförstärkare 405, förmedlar axeln 404 och nederdelen av hävarmen 403 till den rörliga cirkulära ringen 43 via en led 400, styrd via svängningspunkt 401, exempelvis ett gångjärn eller en flexande vridningspunkt, samt en led 47.

Friktionen hålls således lågt. En justeringsanordning 409 möjliggör trimning av aktuatorn. Vidare finns en temperaturkompenseringsenhet 407. Hållare eller guidar 45, 46 sitter fast i chassiet för ett snäppfàste av ventilkroppen. En fixeringsring 44 håller det mjuka gummit 10 15 20 25 30 35 535 825 10 på plats och följer med ventilenheten när den lyftas.

Inloppet 40 och utloppet 41 är anslutningar till ventilenheten, exempelvis för 22mm slangar.

Figur 5 visar i schematisk vy ett utförandeexempel på en lågtrycksventil med ett flexibelt rör omslutande en rotationssymmetrisk kropp. Övre delen av Fig. 5 är en vy ovanifrân medan den nedre delen av Fig. 5 är en sidovy. I denna variant av Ventilanordningen styrs utrörelsen mot det flexibla röret med hjälp av två aktuatorer. I figur 5 visas ett sådan utförande, här sitter tvâ piezoaktuatorenheter 50 och 51 med flexibla länkarmar 52 och 53 förankrade i ventilanordningens chassi. Ventilanordningen kan lyftas ur de chassiet tillhörande delarna, och därefter exempelvis autoklaveras. Ett bärelement 55 är förankrat i chassiet.

Figur 6 visar i schematisk vy ett utförandeexempel på en variant av làgtrycksventilen. Istället för piezoaktuatorer som i figur 5 kan ventilanordningen styras av en elektromagnetisk talspoleaktuator 60 enligt figur 6.

Här verkar själva talspolen 61 direkt mot den rörliga skivan 62.

Figur 7 visar i schematisk vy ett utförandeexempel på en lågtrycksventil med ett hårt rör 70 omslutande en flexibelt rör 71. Skivan 78 förflyttas med hjälp av hävarmen 76 sträckan 79 när Ventilanordningen bringas i stängt läge. Som ett alternativ till en slang omslutande en kropp kan Ventilanordningen realiseras med ett hårt omslutande rör och en flexibel innerslang enligt figur 7.

Här förmedlas en rörelse 79 via en hävstàng 76 genom en led samt tätning 77 till axeln 74 och vidare till den rörliga skivan 78 som deformerar det rörliga segmentet 73 utåt mot innersidan av kroppen 70.

Figur 8 visar i schematisk vy ett utförandeexempel på en lågtrycksventil med samma geometri som i figur 7, men där hävarmen blivit ersatt av en piezoaktuator 80 som sitter inkapslat i själva flödeskanalen. Ringen 87 förflyttas med hjälp av den mekaniska förstärkaren 81 när 10 15 20 25 535 825 ll ventilanordningen bringas i stängt läge. Bälgen 84 isolerar aktuatorns 80 miljö från gaskanalens.

Figur 9 visar i schematisk vy ett utförandeexempel på en lågtrycksventil med liknande geometri som i figur 8, men där en kavitet 91 gjorts i höljet 90. Denna kavitet omsluter ett hölje 92 som är förankrat i ventilatorns chassi. Aktuatorelementet 93 befinner sig i detta utrymme.

I detta utförande av uppfinningen kan anordningen innesluten med röret 90 lyftas ur aktuatordelen. Ett fjädrande element 94 i kombination med ett stag 95 säkerställer att aktuatorns rörelse förmedlas till ventilanordningen, och att dockning av enheterna är möjligt.

Figur 10 och Figur 11 visar i schematisk vy ett utförandeexempel på en lågtrycksventil med samma grundutförande som i figur 6, men ultraljudstrancieverelementen 190 och 191 har tillförts.

Ultraljudstrancieverelementet 190 sitter i ventilanordningens inlopp förankrat med stagen 192.

Figur ll visar i schematisk vy ett utförandeexempel där väsentligen longitudinella spår 210, 211 i de flexibla segmentens utsida har tillförts för att minska segmentens axiella kompressionsmotkraft.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 l. 535 825 IQ, PATENTKRAV Ventil för medicinska ventilatorer som innefattar - ett första flexibelt element (10) som uppvisar minst en flexibel zon vilken är en led; ~ minst ett andra flexibelt element (ll) som uppvisar minst en flexibel zon vilken är en led; - ett ventilsäte (19) placerat antingen utanför eller innanför det första flexibla elementet (10): - en kanal mellan det första flexibla elementet (10) och ventilsätet (19) för passage av en fluid; ~ minst en aktuatorenhet (406, 50, 51, 60) som är anordnad att axiellt komprimera eller dekomprimera det första flexibla elementet (10) för styrning av ett flöde av fluiden genom kanalen genom att det första flexibla elementet (10) medelst akturatorenhetens (406, 50, 51, 60) rörelse vinklas radiellt mot eller rätas upp från ventilsätet (19) och där det minst andra flexibla elementet (ll), kopplat till det första flexibla elementet (10), är anordnad för att samtidigt rätas upp mot kanalen eller vinklas bort från kanalen. Ventilen enligt krav 1, där minst den ena flexibla zonen fungerar som en led som är anordnad att de flexibla elementen (10, ll) kan vinklas radiellt. ventilen enligt krav 1 eller 2, där ett område av det första flexibla elementet (10) har ett vidrörande område som är anordnat att, efter att det första flexibla elementet (10) vinklats radiellt en relativ stäcka, vidröra ventilsätet (19) med det vidrörande området. 10 15 20 25 30 35 4. 535 825 B Ventilen enligt krav 3, där det vidrörande området innefattar den flexibla zonen. 5. Ventilen enligt något av kraven 1-4, där det första flexibla elementet (10) har en zon konstruerad så att en tättslutande effekt uppstår när det vidrör ventilsätet (19). 6. Ventilen enligt något av kraven 1-5, där de flexibla elementen (10, 11) och ventilsätet (19) är konstruerade och placerade relativt varandra så att de flexibla elementen (10, 11) befinner sig i minst en position som ger ett väsentligen turbulensfritt flöde genom ventilens flödeskanal. 7. Ventilen enligt något av kraven 1-6, där de 8. flexibla elementen (10, 11) är konstruerade så att det i minst ett läge uppstår en sida med slät karaktär befinnandes på kanalens flödessida. Ventilen enligt något av kraven 1-7, där det första och andra flexibla elementet (10, 11) är ett integralt stycke. 9. Ventilen enligt kraven 1-8, där den axiella rörelsen är längs med eller mot flödesriktningen. 10. Ventilen enligt något av kraven 1-9, där den radiella rörelsen sker väsentligen vertikalt relativt flödesriktningen. 11. Ventilen enligt något av kraven 1-10, där ventilsätet (19) utgörs av en rotationssymetrisk cirkulär vägg placerat i centrum av det första flexibla elementet (10), såsom utsidan på en stav, insidan eller utsidan på ett rör. 10 15 20 25 30 35 12. 13. 14. 535 825 Vr Ventilen enligt något av kraven 1-11, där ventilsätet (19) har en rotationssymetrisk konisk profil och är placerat i centrum av det första flexibla elementet (10) nedströms. Ventilen enligt något av kraven 1-10, där ventilsätet (19) utgörs av en rotationssymmetrisk cirkulär vägg som kan innefatta insidan på ett rör (70), placerat runtom det första flexibla elementet (10). Ventilen enligt något av kraven 1-13, där konstruktionsmaterialet för de flexibla elementen (10, 11) och ventilsätet (19) är autoklaverbart och eller där konstruktionsmaterialet för de flexibla elementen (10, 11) och ventilsätet (19) är engångsmaterial eller där konstruktionen innefattar delar av autoklaverbara material i kombination med delar av engångsmaterial. 15. Ventilen enligt något av kraven 1-14, där 16. 17. 18. aktuatorenheten (406, 50, 51, 60) utgörs av minst en piezoelektrisk aktuator. Ventilen enligt något av kraven 1-15, där aktuatorenheten (406, 50, 51, 60) är anordnat utan kontakt med flödeskanalen. Ventilen enligt något av kraven 1-16, där minst två ultraljudstranceivers (190, 191) är placerade längs flödeskanalen för att mäta flödet genom kanalen. Ventilen enligt något av kraven 1-16, där väsentligen longitudinella spår (210, 211) är anordnade i de flexibla elementens (10, 11) utsida. 10 15 535 825 15 19. Förfarande för att styra ett flöde genom minst en fluidpassage, varvid förfarandet innefattar att axiellt komprimera eller dekomprimera minst två flexibla element (10, ll) hos en ventil varvid minst ett första flexibelt element (10) vinklas radiellt mot eller rätas upp från ett korresponderande ventilsäte (19) för att styra nämnda flöde varvid minst ett andra flexibelt element (ll) placeras så att den relativa axiella rörelsen kan utföras genom att det andra flexibla elementet (ll) antingen rätas upp eller vinklas bort från fluidpassagen.