Die Erfindung betrifft ein Beatmungssystem mit einem elektrisch angetriebenen
Rotationsverdichter, wie beispielsweise in der US 5,875,783 beschrieben.
Derartige Beatmungssysteme werden insbesondere im Bereich der Medizin
und vorzugsweise in Anästhesiegeräten eingesetzt, wo in der Regel teure
Anästhesiemittel verwendet werden und deshalb die Führung der
ausgeatmeten und der neu hinzugefügten Frischgase im Kreisbetrieb
besonders erwünscht ist. Der Einsatz von Rotationsverdichtern als
Gasfördereinheit in Beatmungssystemen ist sehr vorteilhaft, weil entsprechend
bemessene Rotationsverdichter besonders geeignet sind, der Spontanatmung
eines Patienten mit einer Drehzahländerung schnell zu folgen.
Ein Nachteil der bisher bekannten Rotationsverdichter in Beatmungssystemen
besteht in der mechanischen Lagerung, die nicht wasch- und sterilisierbar ist.
Zusätzlich wird der für die mechanischen Wälzlager erforderliche Lager-
Schmierstoff bei der erforderlichen Reinigung unbrauchbar.
Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten mechanischen Lagerung ergibt
sich durch die entstehenden Geräuschemissionen insbesondere bei hohen
Drehzahlen.
Desweiteren ist auch in offenen Atemsystemen ohne Rückatmung eine
Trennung zwischen den elektrischen Bauteilen des Beatmungssystems
beziehungsweise deren Gasfördereinheit und dem Atemgas erforderlich,
weil das Atemgas im allgemeinen eine erhöhte Sauerstoffkonzentration
aufweist und deshalb ohne Trennung im Falle eines Isolationsschadens
Brandgefahr besteht.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Beatmungssystem vorzuschlagen,
das eine geräuscharme Lagerung der verwendeten Gasfördereinheit
ermöglicht, die zugleich wasch- und sterilisierfähig ist und eine sichere
Trennung des Atemgases von den elektrischen Bauteilen sicherstellt.
Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung nach
Anspruch 1 an.
Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich dadurch,
dass der als Gasfördereinheit wirkende Rotationsverdichter mit Hilfe von
magnetischen Wechselwirkungen schwebend gelagert ist und elektrisch,
genauer elektromagnetisch berührungslos angetrieben wird. Dank der
schwebenden Lagerung gibt es praktisch keine Begrenzung der Lebensdauer.
Darüber hinaus erlaubt die erfindungsgemäße Lösung, dass die vom
Atemgas durchströmten Bauteile im Feldeinsatz demontiert, gereinigt,
sterilisiert und wieder montiert werden, so dass das Beatmungssystem
auch im Kreisbetrieb sicher, geräuscharm, hygienisch und bequem
eingesetzt werden kann.
Die besondere erfindungsgemäße Ausgestaltung des Antriebs mittels
des magnetisch gelagerten Rotationsverdichters wird mit Hilfe eines Spalttopfes
und einer feststehenden Dichtung zwischen dem Rotationsverdichter und
den ruhenden Bauteilen von Lagerung und Antrieb realisiert.
Diese Spalttopf-Dichtung muss magnetisch durchflutbar sein, darf nur
wenig Wirbelströme erzeugen und ist aus einem Material (Keramik, Kunststoff)
gefertigt, welches zusammen mit der Oberfläche des Rotationsverdichters
eine gute Gleitpaarung darstellt, um im Notfall des Ausfalls des Magnetlagers
ein Abbremsen des Rotationsverdichters ohne viel Reibung und Erwärmung
zu ermöglichen.
Die Dichtung besteht aus einem dünnen Spalttopf, welcher sich an der
Innenseite des Stators befindet und glattwandig und vorzugsweise
zylinderförmig ausgebildet ist. Dieser Spalttopf, in anderen Bereichen
der Technik auch als "Spaltrohrdichtung" bezeichnet, wird vom Antriebs-
Magnetfeld zyklisch durchflutet, es findet keine Relativbewegung von
mechanischen Bauelementen statt. Die Dichtung unterliegt keinerlei
Verschleiß und damit auch keiner Lebensdauer-Begrenzung.
Grundsätzlich sind verschiedene Kombinationen von aktiven Magnetlagern
mit elektrisch angesteuerten Spulen mit Lagesensoren und von passiven
Magnetlagern mit Permanentmagneten möglich. Dabei ist zu bemerken,
dass nicht alle sechs möglichen Freiheitsgrade des Rotationsverdichters
mit passiven Magnetlagern mit Permanentmagneten in der Schwebe gehalten
werden können. Mindestens ein Freiheitsgrad muss aktiv bestromt und
lagegeregelt betrieben werden, das heißt es gibt immer mindestens ein
aktives Magnetlager mit elektrisch angesteuerten Spulen.
Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Radiallager als aktiv
bestromte und lagegeregelte Magnetlager, weil es dadurch möglich ist,
den Rotationsverdichter bei hohen Drehzahlen nicht um seine geometrische
Drehachse, sondern um seine Hauptträgheitsachse rotieren zu lassen und
damit keinerlei durch Unwucht erzeugten Vibrationen zu erzeugen.
Diese Unwuchtkompensation wird durch Verrechnung von Lage- und
Strom-Messwerten erreicht und mit Hilfe der Messwerte wird die zeitlich
veränderliche Ansteuerung der aktiven Elektromagneten durchgeführt.
Auf diese Art und Weise können die Steifigkeit und die Dämpfung des
Magnetlagers beeinflusst werden, so dass ein sogenannter kräftefreier
Lauf erreicht wird. Dabei kann es erforderlich sein, die Regelparameter
des Magnetlager-Regelkreises in Abhängigkeit von der Drehzahl adaptiv
in einem Kennfeld zu verändern.
Die Ansteuerung des aktiven Magnetlager-Teils wird günstigerweise vor
dem Antrieb eingeschaltet und betrieben, so dass der Rotationsverdichter
erst im Stillstand schwebt und sich dann schwebend dreht.
Bei geringen Drehzahlen wird nur die Lage des Rotors geregelt, bei höheren
Drehzahlen wird aus dem Strombedarf der einzelnen Radiallager-Spulen der
Unwuchtzustand berechnet und so kompensiert, dass sich der Rotor nicht mehr
um seine geometrische Drehachse, sondern um seine Hautträgheitsachse
dreht. Störkräfte entstehen bei allen rotierenden Systemen durch
Abweichungen beim Rundlauf und durch Toleranzen der Lagesensoren und
Lagerspulen. Aktive Magnetlager ermöglichen es, solche periodischen
Störkräfte zum Verschwinden zu bringen. Dabei werden die Unwuchtkräfte zum
Beispiel aus den Strom-Messwerten im lagegeregelten Betrieb errechnet und
damit den Lager-Spulen-Strömen ein gegenphasiger Anteil zusätzlich
aufgeschaltet. Ein auf diese Art und Weise geregelter Rotor dreht kräftefrei um
seine Hauptträgheitsachse, alle angreifenden Kräfte sind im Gleichgewicht und
es wird keine periodische Kraft auf das Gehäuse übertragen.
Als elektrischer Antrieb eignen sich alle Bauformen, die keinen mechanischen
Kontakt zwischen Stator und Rotor erfordern, also zum Beispiel der Drehstrom-
Asynchronmotor mit Käfigläufer-Rotor oder der bürstenlose, elektronisch
kommutierte Gleichstrommotor mit Permanentmagnet-Rotor.
Beim bürstenlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrommotor ist der
Rotor des Antriebes ein diametral magnetisierter Permanentmagnet, der
Antriebs-Stator besteht insbesondere aus drei Antriebs-Spulenpaaren, welche
in einem Winkel von 120° zueinander so angeordnet sind, dass der Feldvektor
des Antriebs-Spulen-Magnetfeldes um die Achse des Rotors gedreht werden
kann. Die Lage des Rotor-Permanentmagneten wird entweder über Hall-
Sensoren oder, während der Drehung, durch in den Antriebs-Spulen induzierte
Spannungen erkannt. Die einzelnen Antriebs-Spulen werden dann
nacheinander zyklisch so bestromt, dass der Rotor sich dreht. Diese
zyklische Bestromung in Abhängigkeit von der Rotorlage (Kommutierung)
erfolgt verschleißfrei über Halbleiter-Schaltelemente.
Vorteilhaft ist die Magnet-Lagerung besonders im Hinblick auf die Geräusche,
die bei gegenwärtigen Beatmungs- und Narkosegeräten in hohem Maß
von den Wälzlagern der Gasfördereinrichtung stammen und dann vollständig
verschwinden.
Als Gasfördereinrichtung kann grundsätzlich jeder rotierende Verdichter
zum Einsatz kommen, insbesondere Radialverdichter, aber auch
Seitenkanalverdichter oder Peripheralverdichter.
Die einfache Konstruktion der vom Gas durchströmten Bauteile erlaubt es,
diese Teile im Feld zu demontieren, zu reinigen, zu sterilisieren und wieder
zu montieren, so dass ein Einsatz in einem Atemkreissystem möglich ist.
Es besteht eine hermetische Trennung zwischen dem Atemgas mit erhöhter
Sauerstoffkonzentration und den spannungsführenden und
stromdurchflossenen elektrischen Bauelementen.
Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe zweier Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 Einen Schnitt durch eine Gasfördereinheit eines
erfindungsgemäßen Beatmungssystems und
Fig. 2 Einen Schnitt durch eine Gasfördereinheit eines zweiten
erfindungsgemäßen Beatmungssystems.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Gasfördereinheit des
Beatmungssystems als Rotationsverdichter und insbesondere als
Radialverdichter ausgebildet. Der Radialverdichter weist ein gasführendes
Gehäuse 13 mit einem Saugstutzen 10 und einem Druckstutzen 11 auf
sowie einen Grundkörper 14 mit feststehenden Lager- und Antriebselementen,
eine Spalttopf-Dichtung 15 und ein Verdichterrad 12 mit sich drehenden
Lager- und Antriebselementen.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein Rotationsverdichter nur mit
aktiven Magnetlagern und bürstenlosen, elektronisch kommutiertem
Gleichstromantrieb dargestellt:
Die beiden Radiallager bestehen aus zwei weichmagnetischen
Rotorkomponenten 21 und 31, je drei feststehenden Spulen 22, 23, 24
und 32, 33, 34, sowie Lagesensoren, welche nicht separat dargestellt sind.
Das Axiallager besteht beispielhaft aus einem rotierendem ersten
Permanentmagneten 41 und einer feststehenden Spule mit Eisenkern 42
sowie einem Lagesensor. Alle Spulen und die nicht dargestellten Lagesensoren
werden von einer gemeinsamen Auswerte- und Steuereinheit 44 versorgt
und angesteuert.
Der Antrieb besteht aus einem rotierenden, diametral magnetisierten Rotor-
Permanentmagneten 51 und drei feststehenden Antriebs-Spulenpaaren 52,
53, 54, welche in einem Winkel von 120° zueinander so angeordnet sind,
dass der Feldvektor des Antriebs-Spulen-Magnetfeldes um die Achse des
Rotors gedreht werden kann. Die Lage des Rotor-Permanentmagneten 51
wird entweder über Hall-Sensoren oder, während der Drehung, durch in den
Antriebs-Spulen induzierte Spannungen erkannt. Die einzelnen Antriebs-
Spulenpaare 52, 53, 54 werden von einer Antriebselektronik 55 nacheinander
zyklisch so bestromt, dass der Rotor sich dreht. Diese zyklische Bestromung
in Abhängigkeit von der Rotorlage (Kommutierung) erfolgt verschleißfrei über
Halbleiter-Schaltelemente.
Alle Rotorelemente des Verdichterrades 12 sind in einem Hüllrohr 60
gekapselt, und der gesamte Rotor kann zu Reinigung und Sterilisation
einfach entnommen werden. Die Spalttopf-Dichtung 15 kann ebenfalls
entnommen und aufbereitet werden, der Grundkörper 14 mit den vom
Strom durchflossenen Bauteilen ist vom Patientengas und vom Gas mit
erhöhter Sauerstoffkonzentration hermetisch getrennt.
Zum Betrieb werden zuerst die aktiven Magnetlager betätigt, so dass
der Rotor bzw. das Verdichterrad 12 schwebt, ohne sich zu drehen, danach
wird der Antrieb aktiviert. Bei geringen Drehzahlen wird nur die Lage des
Rotors geregelt, bei höheren Drehzahlen wird aus dem Strombedarf
der einzelnen Radiallager-Spulen der Unwuchtzustand berechnet und
so kompensiert, dass sich der Rotor nicht mehr um seine geometrische
Drehachse, sondern um seine Hauptträgheitsachse dreht.
Schlanke Rotoren drehen sich um ihre kleinste Hauptträgeheitsachse.
Da die Rotation um die kleinste Hauptträgheitsachse bei Energiedissipation
durch Reibung nicht stabil ist, kommt der Kompensation große Bedeutung zu.
Ohne Unwuchtkompensation kommt es zu Nutationsschwingungen, diese
werden durch die Kompensation aktiv bedämpft.
Der Antrieb arbeitet dabei unabhängig von der Lagerung
In Fig. 2 ist beispielhaft ein Rotationsverdichter mit einer Kombination
aus aktiven und passiven Magnetlagern dargestellt. Dabei wird ein erstes,
aktives Radiallager mit einem zugehörigen ersten Radiallager-Magneten 100
aktiv betrieben, die zugehörigen Lagerspulen 101 befinden sich dabei im
Antrieb und nutzen das zentrale Blechpaket als magnetischen Rückschluß.
Diese Kombination wird als "lagerloser Motor" bezeichnet
und ermöglicht eine sehr kostengünstige Ausführung.
Das zweite, passive Radiallager mit dritten Permanentmagneten 311, 312
beruht auf Abstoßung und wird mit großem Abstand zum ersten, aktiven
Radiallager angeordnet. Die bei Passivlagern stets vorhandene
destabilisierende Wirkung dieses zweiten Radiallagers wird durch ein kräftiges
passives Axiallager mit zweiten Permanentmagneten 211, 212 ausgeglichen.
Die destabilisierende Wirkung dieses Axiallagers wird durch das aktive erste
Radiallager im "lagerlosen Motor" ausgeglichen. Bei dieser beispielhaften
Ausführung ist der Material- und Elektronikaufwand minimiert, aber es ist keine
Unwuchtkompensation möglich, da nur im "lagerlosen Motor" Lagesensoren
vorhanden sind.
Gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 beziehen sich auf gleiche Bauelemente.