DE10205845C1 - Gasmischer mit mehreren Ejektoren für ein medizinisches Beatmungsgerät - Google Patents

Gasmischer mit mehreren Ejektoren für ein medizinisches Beatmungsgerät

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Mischen von mindestens einer ersten Gaskomponente mit einer zweiten Gaskomponente, die zur Gasmischung in einem tragbaren Beatmungsgerät geeignet sind. DOLLAR A Der Gasmischer erlaubt es, bei unterschiedlich starken Volumenströmen des erzeugten Gasgemisches die jeweils erforderliche Konzentration der ersten Gaskomponente herbeizuführen. Er weist mehrere Ejektoren (1, 2) verschiedener Größe auf, die nach dem Prinzip einer Venturi-Düse aufgebaut sind. Die Ejektoren besitzen jeweils Treibgasanschlüsse (3, 9) für die Zuführung der ersten Gaskomponente aus einem Treibgasbehälter (4) und Ansaugkanäle (5, 10) für die Zuführung der zweiten Gaskomponente aus einer Mischkammer (6) sowie Gasauslässe (8, 11) zu einem Beatmungsanschluss (7). Eine Auswerte- und Steuereinheit (17) wertet die Signale von zwei Volumenstromsensoren (15, 16) aus und steuert in den Treibgasanschlüssen (3, 9) für die Zufuhr der ersten Gaskomponente angeordnete Proportionalventile (13, 14) entsprechend an. Für geringe Beatmungsflüsse wird das Proportionalventil (13) im Treibgasanschluss (3) für den kleineren Ejektor (1) von der Auswerte- und Steuereinheit (17) zum Öffnen angesteuert, für mittlere Beatmungsflüsse wird das Proportionalventil (14) im Treibgasanschluss (9) für den größeren Ejektor (2) zum Öffnen angesteuert, und für hohe Beatmungsflüsse werden von der Auswerte- und Steuereinheit (17) beide Proportionalventile (13, 14) zum Öffnen angesteuert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Mischen von mindestens einer ersten Gaskomponente mit einer zweiten Gaskomponente.
Eine derartige Vorrichtung kann insbesondere als Gasmischer in einem tragbaren Beatmungsgerät verwendet werden.
Aus der DE 199 07 362 A1 ist eine Vorrichtung der genannten Art bekannt, bei der mittels einer Venturi-Düse, durch die als erste Gaskomponente ein Treibgas geleitet wird, Umgebungsluft als zweite Gaskomponente über einen Kanal angesaugt wird, wobei über eine zusätzliche Bypassleitung ein Teilstrom der ersten Gaskomponente ebenfalls über diesen Kanal angesaugt wird. Verwendet man reinen Sauerstoff als Treibgas, dann stellt sich am Gasauslass der Venturi- Düse eine sich aus den Teilströmen des reinen Sauerstoffs als erster Gas­ komponente und der Umgebungsluft als zweiter Gaskomponente ergebende mittlere Sauerstoffkonzentration ein. Dadurch, dass der reine Sauerstoff als Treibgas die erste Gaskomponente ist, wird er optimal verwertet, und das Volumen der Druckgasflasche für den Sauerstoff kann kleinstmöglich gehalten werden.
Als Nachteil der bekannten Vorrichtung erweist sich, dass die Sauerstoffkonzentration im Gasgemisch nur beschränkt veränderbar ist. Bei der Beatmung von Kleinkindern oder bei der Beatmung mit hohen Volumenströmen weist das Gasgemisch beispielsweise eine höhere Sauerstoffkonzentration auf als erforderlich, denn nur durch den verstärkten Zustrom von Sauerstoff aus der Druckgasflasche kann der erforderliche hohe Volumenstrom erzeugt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Mischen von mindestens zwei Gaskomponenten anzugeben, so dass bei unterschiedlich starken Volumenströmen des dadurch erzeugten Gasgemisches die jeweils erforderliche Konzentration der ersten Gaskomponente herbeigeführt werden kann.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie ein entsprechendes Verfahren in den Schritten nach Anspruch 5.
Die Vorrichtung und das Verfahren sind geeignet zum Mischen von mindestens einer ersten Gaskomponente mit einer zweiten Gaskomponente. Die Vorrichtung weist mehrere Ejektoren verschiedener Größe auf, die nach dem Prinzip einer Venturi-Düse aufgebaut sind. Mit einem kleineren Ejektor können ein Treibgasfluss von bis zu 5 Liter pro Minute (l/min) und ein Ansaugfluss von bis zu 30 Liter pro Minute (l/min) erzeugt werden, und mit einem größeren Ejektor können ein Treibgasfluss von bis zu 10 Liter pro Minute (l/min) und ein Ansaugfluss von bis zu 60 Liter pro Minute (l/min) erzeugt werden. Mit der Angabe Liter pro Minute (l/min) ist im Folgenden stets Normliter pro Minute (Nl/min) gemeint, um eine von Druck und Temperatur unabhängige Größe angeben zu können. Die Ejektoren besitzen jeweils Treibgasanschlüsse für die Zuführung der ersten Gaskomponente aus einem Treibgasbehälter und Ansaugkanäle für die Zuführung der zweiten Gaskomponente aus einer Mischkammer sowie Gasauslässe zu einem Beatmungsanschluss. Die Mischkammer ihrerseits wird über einen zentralen Ansaugkanal mit der zweiten Gaskomponente gespeist. In den Treibgasanschlüssen sind Proportionalventile angeordnet, welche die Zufuhr der ersten Gaskomponente über die Treibgasanschlüsse regulieren. Im zentralen Ansaugkanal für die zweite Gaskomponente und unmittelbar vor dem Beatmungsanschluss ist jeweils ein Volumenstromsensor angeordnet. Der erste Volumenstromsensor im zentralen Ansaugkanal misst dabei den Volumenstrom der zweiten Gaskomponente, und der zweite Volumenstromsensor unmittelbar vor dem Beatmungsanschluss misst den Volumenstrom des Gasgemisches aus sämtlichen Gaskomponenten.
Die Volumenstromsensoren und die Proportionalventile sind über Leitungen mit einer Auswerte- und Steuereinheit verbunden, die die Signale zumindest des zweiten Volumenstromsensors auswertet und die Proportionalventile entsprechend ansteuert. Bei einem vom zweiten Volumenstromsensor zu messenden Signal von bis zu etwa 20 Liter pro Minute (l/min) wird von der Auswerte- und Steuereinheit das erste Proportionalventil vor dem kleineren Ejektor zum Öffnen angesteuert. Bei einem zu messenden Signal zwischen etwa 20 Liter pro Minute (l/min) und etwa 45 Liter pro Minute (l/min) wird von der Auswerte- und Steuereinheit das zweite Proportionalventil vor dem größeren Ejektor zum Öffnen angesteuert, und bei einem zu messenden Signal von mehr als etwa 45 Liter pro Minute (l/min) werden beide Proportionalventile zum Öffnen angesteuert.
Damit stets die zweite Gaskomponente über die Ansaugkanäle zu den Ejektoren gelangt, sind in einer bevorzugten Ausführungsform Rückschlagventile in allen Ansaugkanälen angeordnet, die verhindern, dass Gasanteile von einem Ejektor, der wegen des im entsprechenden Treibgasanschluss vorgeschalteten und geschlossenen Proportionalventils nicht in Betrieb ist, über die Mischkammer zum anderen Ejektor oder in den zentralen Ansaugkanal für die zweite Gaskomponente gelangen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Figuren dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Mischen von mindestens zwei Gaskomponenten,
Fig. 2 den gemessenen inspiratorischen Sauerstoffgehalt, aufgetragen in Abhängigkeit vom Volumenstrom am Beatmungsanschluss der Vorrichtung aus Fig. 1 zum Mischen von mindestens zwei Gaskomponenten.
In der Fig. 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Mischen von mindestens zwei Gaskomponenten dargestellt. Als erste Gaskomponente wird Sauerstoff verwendet, und als zweite Gaskomponente wird Umgebungsluft 21 verwendet. Der Sauerstoff wird einem Treibgasbehälter 4 entnommen. Die Vorrichtung zum Mischen von Sauerstoff und Umgebungsluft 21 besitzt zwei Ejektoren, einen kleineren Ejektor 1 und einen größeren Ejektor 2. Der Sauerstoff strömt aus dem Treibgasbehälter 4 über einen ersten Treibgasanschluss 3 zum kleineren Ejektor 1, der nach dem Prinzip einer Venturi-Düse arbeitet und die Umgebungsluft 21 über einen ersten Ansaugkanal 5 aus einer Mischkammer 6 ansaugt. Über einen zweiten Treibgasanschluss 9 strömt der Sauerstoff aus dem Treibgasbehälter 4 zum größeren Ejektor 2, der in gleicher Weise wie der kleinere Ejektor 1 aufgebaut ist. Der größere Ejektor 2 saugt die Umgebungsluft 21 aus der Mischkammer 6 über einen zweiten Ansaugkanal 10 an. Die Mischkammer 6 wiederum wird mit der Umgebungsluft 21 über einen zentralen Ansaugkanal 12 gespeist. Vom kleineren Ejektor 1 führt ein erster Gasauslass 8 zu einem Beatmungsanschluss 7 für einen daran angeschlossenen Patienten 22, und vom größeren Ejektor 2 führt ein zweiter Gasauslass 11 zu dem Beatmungsanschluss 7. Der kleinere Ejektor 1 hat einen Innendurchmesser zwischen 0,3 und 0,5 Milli­ metern, wodurch ein Treibgasfluss des Sauerstoffs von bis zu 5 Liter pro Minute und ein Ansaugfluss der Umgebungsluft von bis zu 30 Liter pro Minute erzeugt werden. Der größere Ejektor 2 hat einen Innendurchmesser zwischen 0,4 und 0,7 Millimetern, wodurch ein Treibgasfluss des Sauerstoffs von bis zu 10 Liter pro Minute und ein Ansaugfluss der Umgebungsluft von bis zu 60 Liter pro Minute erzeugt werden. Die Zufuhr von Sauerstoff aus dem Treibgasbehälter 4 über den ersten Treibgasanschluss 3 wird über ein darin befindliches erstes Proportionalventil 13 reguliert. Ein entsprechendes zweites Proportionalventil 14 befindet sich im zweiten Treibgasanschluss 9. Ein drittes Proportionalventil 23 ist in einer Verbindungsleitung zwischen dem Treibgasbehälter 4 und der Mischkammer 6 angeordnet. Des Weiteren befindet sich ein viertes Proportionalventil 24 in einer Verbindungsleitung zwischen dem Treibgasbehälter 4 und dem Beatmungsanschluß 7. Ferner befinden sich ein erster Volumenstromsensor 15 im zentralen Ansaugkanal 12 und ein zweiter Volumenstromsensor 16 in dem Beatmungsanschluss 7 zum Patienten 22. Die von den Volumenstromsensoren 15 und 16 gemessenen Signale werden an eine Auswerte- und Steuereinheit 17 weitergeleitet, die ihrerseits das Öffnen und Schließen der Proportionalventile 13 und 14, sowie 23 und 24 steuert. Im ersten Ansaugkanal 5 befindet sich ein erstes Rückschlagventil 18, das einen Gasvolumenstrom vom kleineren Ejektor 1 zur Mischkammer 6 verhindern soll. Entsprechend verhindern ein zweites Rückschlagventil 19 im zweiten Ansaugkanal 10 einen Gasvolumenstrom vom größeren Ejektor 2 zur Mischkammer 6 und ein drittes Rückschlagventil 20 im zentralen Ansaugkanal 12 einen Gasvolumenstrom von der Mischkammer 6 hin zur Umgebungsluft 21. Das dritte Proportionalventil 23 und das vierte Proportionalventil 24 können von der Auswerte- und Steuereinheit 17 zum Öffnen angesteuert werden, wenn weiterer Sauerstoff im Gasvolumenstrom durch den Beatmungsanschluss 7 benötigt wird.
Die Arbeitsweise der Vorrichtung aus Fig. 1 wird anhand der Fig. 2 erläutert. In Fig. 2 ist der gemessene inspiratorische Sauerstoffgehalt dargestellt, aufgetragen in Abhängigkeit vom Volumenstrom am Beatmungsanschluss 7 der Vorrichtung aus Fig. 1 zum Mischen von mindestens zwei Gaskomponenten. Der inspiratorische Sauerstoffgehalt ist auf der Ordinate in Volumenprozent (Vol.%) aufgetragen. Er wird ermittelt, indem man zunächst die Differenz des vom ersten Volumenstromsensor 15 ermittelten Signals und des vom zweiten Volumenstromsensor 16 ermittelten Signals bildet. Der erste Volumenstromsensor 15 misst den Volumenstrom der Umgebungsluft 21 durch den zentralen Ansaugkanal 12, und der zweite Volumenstromsensor 16 misst den durch die Mischung aus Sauerstoff aus dem Treibgasbehälter 4 und der Umgebungsluft 21 erzeugten Volumenstrom. Mit der Differenz der Signale der Volumenstromsensoren 15 und 16 ermittelt man auf indirektem Weg den Volumenstrom des Sauerstoffs aus dem Treibgasbehälter 4, der durch den Beatmungsanschluss 7 zum Patienten gelangt. Um daraus den inspiratorischen Sauerstoffgehalt des Gasvolumenstroms durch den Beatmungsanschluss 7 zum Patienten 22 zu erlangen, muss zusätzlich der natürliche Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft 21 berücksichtigt werden. Beide Anteile, sowohl der Sauerstoff aus dem Treibgasbehälter 4 als auch der Sauerstoff der Umgebungsluft 21, ergeben zusammen den inspiratorischen Sauerstoffgehalt am Beatmungsanschluss 7. Der Volumenstrom durch den Beatmungsanschluss 7 ist in Liter pro Minute (I/min) aufgetragen und in drei Abschnitte DI, DII und DIII untergliedert, die durch vertikal gestrichelte Linien voneinander abgeteilt sind. Der Abschnitt DI umfasst Volumenströme zwischen 5 und 20 I/min und gibt den Dosierbereich für Kleinkinder an. Der Abschnitt DII umfasst den Bereich von 20 bis 45 l/min und gilt als Normalfall. Der Abschnitt DIII betrifft Volumenströme von mehr als 45 l/min, die als Spitzenwerte bei extremer Spontanatmung auftreten. In dem am häufigsten zur Anwendung gelangenden Bereich DII gelingt es durch die in Fig. 1 beschriebene Auslegung des größeren Ejektors 2, den inspiratorischen Sauerstoffgehalt auf gewünschte 40 Vol.% zu bringen. Der Bereich DI kann durch die ebenfalls in Fig. 1 beschriebene Auslegung des kleineren Ejektors 1 abgedeckt werden, und die gleichzeitige Betätigung beider Ejektoren 1 und 2 ermöglicht die Erzeugung sehr großer Volumenströme im Bereich DIII. Ein vom zweiten Volumenstromsensor 16 zu messendes Signal von bis zu 20 l/min im Bereich DI wird von der Auswerte- und Steuereinheit 17 in der Weise ausgewertet, dass in diesem Fall das erste Proportionalventil 13 zum Öffnen angesteuert wird und das zweite Proportionalventil 14 geschlossen bleibt. Bei einem vom zweiten Volumenstromsensor 16 zu messenden Signal zwischen 20 l/min und 45 l/min im Bereich DII wird von der Auswerte- und Steuereinheit 17 das zweite Proportionalventil 14 zum Öffnen angesteuert, und das erste Proportionalventil 13 bleibt geschlossen. Bei einem vom zweiten Volumenstromsensor 16 zu messenden Signal von mehr als 45 l/min im Bereich DIII werden von der Auswerte- und Steuereinheit 17 beide Proportionalventile 13 und 14 zum Öffnen angesteuert.

Claims (5)

1. Vorrichtung zum Mischen von mindestens einer ersten Gaskomponente mit einer zweiten Gaskomponente
  • a) mit mehreren Ejektoren (1, 2), wobei ein kleinerer Ejektor (1) mit einem Treibgasfluss von bis zu 5 Liter pro Minute und einem Ansaugfluss von bis zu 30 Liter pro Minute einen ersten Treibgasanschluss (3) für die Zuführung der ersten Gaskomponente aus einem Treibgasbehälter (4), einen ersten Ansaugkanal (5) für die Zuführung der zweiten Gaskomponente aus einer Mischkammer (6) und einen zu einem Beatmungsanschluss (7) führenden ersten Gasauslass (8) aufweist, und wobei ein größerer Ejektor (2) mit einem Treibgasfluss von bis zu 10 Liter pro Minute und einem Ansaugfluss von bis zu 60 Liter pro Minute einen zweiten Treibgasanschluss (9) für die Zuführung der ersten Gaskomponente aus dem Treibgasbehälter (4), einen zweiten Ansaugkanal (10) für die Zuführung der zweiten Gaskomponente aus der Mischkammer (6) und einen zu dem Beatmungsanschluss (7) führenden zweiten Gasauslass (11) aufweist,
  • b) mit einem zentralen Ansaugkanal (12) für die Zuführung der zweiten Gaskomponente zur Mischkammer (6),
  • c) mit einem ersten Proportionalventil (13) und einem zweiten Proportionalventil (14), welche jeweils die Zufuhr über die Treibgasanschlüsse (3, 9) regeln,
  • d) mit einem ersten Volumenstromsensor (15), welcher in dem zentralen Ansaugkanal (12) angeordnet ist, und mit einem zweiten Volumenstromsensor (16), welcher unmittelbar vor dem Beatmungsanschluss (7) angeordnet ist,
  • e) mit einer Auswerte- und Steuereinheit (17), welche bei einem vom zweiten Volumenstromsensor (16) zu messenden Signal von bis zu etwa 20 Liter pro Minute das erste Proportionalventil (13) zum Öffnen ansteuert, bei einem zu messenden Signal zwischen etwa 20 Liter pro Minute und etwa 45 Liter pro Minute das zweite Proportionalventil (14) zum Öffnen ansteuert und bei einem zu messenden Signal von mehr als etwa 45 Liter pro Minute beide Proportionalventile (13, 14) zum Öffnen . ansteuert.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Ansaugkanal (5) ein erstes Rückschlagventil (18), im zweiten Ansaugkanal (10) ein zweites Rückschlagventil (19) und im zentralen Ansaugkanal (12) ein drittes Rückschlagventil (20) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein drittes Proportionalventil (23) in einer Verbindungsleitung zwischen dem Treibgasbehälter (4) und der Mischkammer (6) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein viertes Proportionalventil (24) in einer Verbindungsleitung zwischen dem Treibgasbehälter (4) und dem Beatmungsanschluss (7) angeordnet ist.
5. Verfahren zum Mischen von mindestens einer ersten Gaskomponente mit einer zweiten Gaskomponente
  • a) wobei von einer Auswerte- und Steuereinheit (17) ein erstes Proportionalventil (13) in einem ersten Treibgasanschluss (3) zum Öffnen angesteuert wird, so dass die erste Gaskomponente aus einem Treibgasbehälter (4) über den ersten Treibgasanschluss (3) durch einen kleineren Ejektor (1) mit einem Treibgasfluss von bis zu 5 Liter pro Minute und einem Ansaugfluss von bis zu 30 Liter pro Minute geführt wird und die zweite Gaskomponente aus einer Mischkammer (6) über einen ersten Ansaugkanal (5) vom kleineren Ejektor (1) angesaugt wird und beide Gaskomponenten vom kleineren Ejektor (1) über einen ersten Gasauslass (8) zu einem Beatmungsanschluss (7) geführt werden, wenn ein unmittelbar vor dem Beatmungsanschluss (7) angeordneter Volumenstromsensor (16) einen Volumenstrom von bis zu etwa 20 Liter pro Minute messen soll,
  • b) oder von der Auswerte- und Steuereinheit (17) ein zweites Proportionalventil (14) in einem zweiten Treibgasanschluss (9) zum Öffnen angesteuert wird, so dass die erste Gaskomponente aus dem Treibgasbehälter (4) über den zweiten Treibgasanschluss (9) durch einen größeren Ejektor (2) mit einem Treibgasfluss von bis zu 10 Liter pro Minute und einem Ansaugfluss von bis zu 60 Liter pro Minute geführt wird und die zweite Gaskomponente aus der Mischkammer (6) über einen zweiten Ansaugkanal (10) vom größeren Ejektor (2) angesaugt wird und beide Gaskomponenten vom größeren Ejektor (2) über einen zweiten Gasauslass (11) zum Beatmungsanschluss (7) geführt werden, wenn der Volumenstromsensor (16) einen Volumenstrom zwischen etwa 20 Liter pro Minute und etwa 45 Liter pro Minute messen soll,
  • c) oder von der Auswerte- und Steuereinheit (17) beide Proportionalventile (13, 14) zum Öffnen angesteuert werden, wenn der Volumenstromsensor (16) einen Volumenstrom von mehr als etwa 45 Liter pro Minute messen soll.
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