DE19643750C2 - Ventil zum Einstellen des Durchflusses eines Strömungsmediums - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Ein Ventil der genannten Art ist aus der DE 41 17 445 A1 bekanntgeworden. Das bekannte Ventil besteht aus einem Ventilgehäuse mit einem Durchtrittskanal für das Strömungsmedium, in welches ein Zylinderkörper mit einer vom Strömungsmedium durchflossenen Blendenöffnung drehbeweglich eingesetzt ist. Der Durchtrittsquerschnitt der Blendenöffnung ist in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Zylinderkörpers derart bemessen, daß eine lineare Beziehung zwischen der Drehbewegung des Zylinderkörpers und dem Durchfluß des Strömungsmediums gegeben ist. Das bekannte Ventil ist zur Abgabe des Strömungsmediums an einen stationär arbeitenden Verbraucher konzipiert.

Aus der DE-AS 16 00 914 ist zudem ein Ventil für Beatmungsgeräte bekanntgeworden, welches drei nach außen führende Kanäle aufweist. Dieses Ventil ist dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilverschlußteil als einstückige und ungelochte Scheibe und im Durchmesser größer als der erste und der zweite Ventilsitz ausgebildet ist und an seinem Umfang nur durch in Richtung seiner Hubbewegung verlaufende, zwischen sich Durchflußkanäle freilassende Führungsstege an der Kammerwand lose geführt, ansonsten aber zwischen den Ventilsitzen frei beweglich ist.

Bei bestimmten Anwendungsfällen, z. B. in der Beatmungstechnik, treten während des Betriebes Druckschwankungen auf der Abströmseite des Ventiles auf, die durch Einatemphasen und Ausatemphasen hervorgerufen werden. So wird während der Spitzen der Einatemphasen ein praktisch ungedrosselter Gasfluß benötigt, um den für die Beatmung notwendigen Einatemdruck zu erzeugen, während beim Übergang in die Ausatemphase der Druck möglichst schnell abgebaut werden soll, bei gleichzeitiger Drosselung des zugeführten Atemgases.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art an solche Verbraucher anzupassen, welche das Strömungsmedium auf unterschiedlichen, oszillierenden Druckniveaus benötigen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß eine vom Durchtrittskanal abzweigende Abströmöffnung mit einer eine schmetterlingsförmige Spaltgeometrie aufweisenden Blendenöffnung vorgesehen ist, welche im Schwenkbereich des Ventilelementes derart angeordnet ist, daß die Abströmöffnung in einer der Endlagen im wesentlichen verschlossen und der Durchtrittskanal dabei im wesentlichen in Durchlaßrichtung geschaltet ist.

Der Vorteil der Erfindung besteht im wesentlichen darin, die Druckniveaus durch Drosselung des Strömungsmediums im Durchtrittskanal bei gleichzeitiger Druckentlastung des Durchtrittskanals abströmseitig der Drosselstelle über eine Abströmöffnung zu erzeugen, wodurch eine besonders schnelle und reproduzierbare Druckvariation möglich ist. Die Druckoszillation wird mittels eines im Ventilgehäuse des Ventils drehbeweglich angeordneten Ventilelementes erzeugt, welches zwischen zwei Anschlägen, d. h. Endlagen, verschwenkt werden kann. In einer der Endlagen des Ventilelementes ist der Durchtrittskanal in Durchlaßrichtung geschaltet ohne Drosselwirkung durch das Ventilelement, und die Abströmöffnung mit der Blendenöffnung ist verschlossen, so daß in dieser Position des Ventilelementes ein oberer Druckwert aufgebaut werden kann, während in entgegengesetzter Endlage der Durchtrittskanal durch das Ventilelement verschlossen ist und das abströmseitig des Ventilelementes befindliche Strömungsmedium über die Blendenöffnung in die Abströmöffnung entweichen kann. In dieser Stellung des Ventilelementes kann der Druck des Strömungsmediums fast vollständig abgebaut werden. Im Betrieb werden diese Grenzlagen des Ventilelementes nur selten benötigt, sondern es werden Zwischenstellungen eingestellt, bei denen immer noch ein Gasfluß im Durchtrittskanal vorhanden ist und gleichzeitig eine gewisse Menge des Gases über die Abströmöffnung entweichen kann. Je nach Stellung des Ventilelementes wird der Durchtrittskanal einmal mehr gedrosselt und dafür die Blendenöffnung in der Abströmöffnung weiter geöffnet, so daß hier über die Abströmöffnung das Strömungsmedium entweichen kann. Im anderen Fall, wenn das Ventilelement weitestgehend aus dem Durchtrittskanal herausgeschwenkt ist, kann das Strömungsmedium fast ungehindert durch den Durchtrittskanal hindurchfließen und die Blendenöffnung ist durch das Ventilelement abgedeckt.

Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Ventil bei Beatmungsvorrichtungen einsetzbar, bei welchen während der Einatemphase und der Ausatemphase unterschiedliche Druckniveaus eingestellt werden müssen. Bei Beatmungsvorrichtungen ist es wichtig, daß der Einatemdruck möglichst kurzzeitig in voller Höhe zur Verfügung steht, und daß auf der anderen Seite während der Ausatemphase eine schnelle Druckentlastung möglich ist.

Die Blendenöffnung in der Abströmöffnung ist schmetterlingsförmig in der Weise ausgeführt, daß die größten Durchströmungsquerschnitte im Bereich der äußeren Wandungen der Abströmöffnung und der kleinste Querschnitt im Bereich der Mitte der Abströmöffnung vorliegt. Es ergibt sich in vorteilhafter Weise ein proportional mit dem Drehwinkel des Ventilelementes sich ändernder Druck abströmseitig der Austrittsöffnung in einer zu einem Patienten führenden Atemgasleitung.

Durch die Proportionalität zwischen Drehwinkel und Druck läßt sich eine Voreinstellung des Druckes schon allein über den Drehwinkel des Ventilelementes vornehmen.

Das Ventilelement besitzt einen Verstellwinkel von etwa 90 Grad.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: ein Ventil gemäß der Erfindung im Längsschnitt,

Fig. 2: das Ventil nach der Fig. 1 in Ansicht "A",

Fig. 3: ein Beatmungssystem mit dem Ventil nach der Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein Ventil 1 im Längsschnitt längs einer Schnittlinie B-B, Fig. 2. In einem Ventilgehäuse 2 befinden sich ein Durchtrittskanal 3 mit einer Eintrittsöffnung 4 und einer Austrittsöffnung 5 und eine senkrecht vom Durchtrittskanal 3 abzweigende Abströmöffnung 6 mit einer Blende 7. Ein innerhalb des Ventilgehäuses 2 angeordnetes, um eine Antriebsachse 8 schwenkbares, zungenartiges Ventilelement 9 ist mittels eines elektromotorischen Antriebes 10, Fig. 2, längs des Pfeils 101 zwischen den Anschlägen 11, 12 verschwenkbar. Das Ventilelement 9 ist dabei so ausgeführt, daß es je nach Positionierung innerhalb des Ventilgehäuses 2 die gesamte Querschnittsfläche der Eintrittsöffnung 4 oder die Fläche der Blende 7 bedeckt. In der in der Fig. 1 gezeigten Position des Ventilelementes 9 ist die Eintrittsöffnung 4 verschlossen und die Blende 7 ist vollständig geöffnet. Wird nun das Ventilelement 9 mittels des motorischen Antriebes 10 in Richtung des Anschlages 11 verstellt, öffnet sich die Eintrittsöffnung 4 und die Blende 7 wird in gleichem Maße verschlossen. Bei vollständig geöffneter Eintrittsöffnung 4 kann das Strömungsmedium praktisch ungehindert durch den Durchtrittskanal 3 von der Eintrittsöffnung 4 zur Austrittsöffnung 5 gelangen. Je nach Winkelstellung des Ventilelementes 9 zwischen den Anschlägen 11, 12 kann ein mehr oder weniger großer Fluß des Strömungsmediums über die Blende 7 in die Abströmöffnung 6 entweichen.

Fig. 2 zeigt das Ventil 1 in der Ansicht "A" nach der Fig. 1. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern der Fig. 1 bezeichnet. Die Blende 7 innerhalb der Abströmöffnung 6 ist schmetterlingsförmig ausgeführt, mit den größten Durchströmungsquerschnitten an den Wandungen der Abströmöffnung 6, während der kleinste Querschnitt in der Mitte der Abströmöffnung 6 vorliegt.

Fig. 3 veranschaulicht die Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils 1 in einer Beatmungsvorrichtung 20. Gleiche Komponenten sind mit gleichen Bezugsziffern der Fig. 1 und 2 bezeichnet. Mittels eines Gebläses 21 wird Luft über ein Filter 22 angesaugt und über das Ventil 1 in eine Atemgasleitung 23 gefördert, an deren Ende sich eine Atemmaske 24 für einen in der Figur nicht dargestellten Patienten befindet. Zwischen der Atemmaske 24 und der Atemgasleitung 23 befindet sich eine Meßblende 25, die über Druckmeßleitungen 26, welche den Druckabfall über der Meßblende 25 erfassen, an ein Druckmeßgerät 27 angeschlossen ist. Das Druckmeßgerät 27 besitzt einen ersten Meßausgang 28, über den ein dem Gasfluß V in der Atemgasleitung 23 proportionaler Meßwert ausgegeben wird und einen zweiten Meßausgang 29, der einen dem Druck p in der Atemgasleitung 23 proportionalen Meßwert liefert. Beide Meßausgänge 28, 29 sind mit einer Steuereinheit 30 verbunden, in der alle für die Beatmung notwendigen Rechenoperationen und Steuerungen durchgeführt werden. Die Steuereinheit 30 enthält als Unterbaugruppen ein Subtraktionselement 31 und einen Verknüpfungsgenerator 32. Das Subtraktionselement 31 ist mit dem zweiten Meßausgang 29 und einem Druck-Sollwertsteller 33 verbunden, wobei der Druck-Sollwertsteller 33 in zeitlichem Wechsel eine obere Druckgrenze p_so für eine Inspirationsphase und eine untere Druckgrenze p_su für eine Exspirationsphase liefert. Durch Differenzbildung von p_so und p_su mit dem vom Druckmeßgerät 27 gemessenen Druck p entsteht an einem Ausgang 34 des Subtraktionselementes 31 ein Differenzsignal, dessen Signalpegel mittels eines Verstärkers 35 in eine Stellgröße für den elektromotorischen Antrieb 10 umgeformt wird. Bei Vorliegen der oberen Druckgrenze p_so, d. h. der Inspirationsphase, ist die Abströmöffnung 6, abhängig vom Inspirationsbedarf, weitestgehend verschlossen und die vom Gebläse 21 geförderte Luft gelangt über die Öffnungen 4, 5 des Ventils 1 praktisch ungedrosselt zur Atemmaske 24. Bei Vorliegen der unteren Druckgrenze p_su, d. h. der Exspirationsphase, ist die Abströmöffnung 6 geöffnet und das in der Atemgasleitung 23 befindliche Gas, bzw. das vom Patienten über die Atemmaske 24 exspirierte Gas, kann über die Blende 7, Fig. 2, in die Umgebung entweichen. Im Verlauf der Atemgasleitung 23 ist noch eine Entlüftungsöffnung 36 angebracht, über die zur CO₂-Ausspülung der Atemgasleitung 23 zusätzlich Gas in die Umgebung abfließen kann.

Das die Luft ansaugende Gebläse 21 wird von einem Motor 37 angetrieben, der sein Steuersignal über einen Verstärker 38 von dem Verknüpfungsgenerator 32 erhält. Der Verknüpfungsgenerator 32 ist mit einem Fördervolumen-Sollwertsteller 39 für das Fördervolumen V_s, dem ersten Meßausgang 28 sowie dem Ausgang 34 des Subtraktionselementes 31 verbunden. Über den ersten Meßausgang 28 erhält der Verknüpfungsgenerator 32 eine Information über den Istwert des Gasflusses V, und vergleicht diesen mit dem Fördervolumen-Sollwert V_s. Gleichzeitig erhält der Verknüpfungsgenerator 32 über das am Ausgang 34 anliegende Meßsignal eine Information, in welchem Maß während des Zeitraums, an dem die obere Druckgrenze eingestellt ist, Gas über die Abströmöffnung 6 entweicht. Sofern Gas während des Zeitraums, in dem die obere Druckgrenze eingestellt ist, über die Abströmöffnung entweicht, wird die Drehzahl des Motors 37 reduziert.

Im normalen Beatmungsbetrieb läuft der Motor 37 mit einer im wesentlichen konstanten Drehzahl, und die für die Beatmung notwendigen Druckgrenzen p_so und p_su werden mit dem Ventil 1 eingestellt, indem das Ventilelement 9 zwischen den Anschlägen 12, 11 bewegt wird. Durch die Schmetterlingsgeometrie der Blende 7 wird bei einer Verstellung des Drehwinkels des Ventilelementes 9 eine proportionale Veränderung des Druckes p innerhalb der Atemgasleitung 23 erreicht.

Claims (3)

1. Ventil zum Einstellen des Durchflusses eines Strömungsmediums, welches einen Durchtrittskanal (3) mit einer Eintrittsöffnung (4) und einer Austrittsöffnung (5) für das Strömungsmedium aufweist und mit einem im Durchtrittskanal (3) angeordneten Ventilelement (9), welches mit einer Betätigungsvorrichtung (10) drehbeweglich zwischen zwei Endlagen (11, 12) verstellbar ist, wodurch der Durchfluß in Abhängigkeit vom Drehwinkel des Ventilelementes (9) beeinflußt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine vom Durchtrittskanal (3) abzweigende Abströmöffnung (6) mit einer eine schmetterlingsförmige Spaltgeometrie aufweisenden Blendenöffnung (7) vorgesehen ist, welche im Schwenkbereich des Ventilelementes (9) derart angeordnet ist, daß die Abströmöffnung (6) in einer der Endlagen im wesentlichen verschlossen und der Durchtrittskanal (3) dabei im wesentlichen in Durchlaßrichtung geschaltet ist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß strömungsabwärts der Austrittsöffnung (5) ein Druck- und/oder Flußmeßgerät (27) vorgesehen ist, welches ein dem Druck und/oder Fluß proportionales Meßsignal liefert, und daß in einem Subtraktionselement (31) aus dem Meßsignal und einem Sollwert für den Druck (p_s) oder Fluß (V_s) eine Stellgröße für die Betätigungsvorrichtung (10) gebildet ist.

3. Verwendung eines Ventils nach einem der Ansprüche 1 und 2 zum Einstellen des Atemgasflusses oder Atemgasdruckes in einer zu einem Patienten führenden Atemgasleitung (23).