WO2025021260A1 - Mixing device, respirator or anaesthesia machine comprising a mixing device, and method for producing a mixing device - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a mixing device for a ventilator or anesthesia device, a ventilator or anesthesia device with a mixing device for mixing at least two respiratory gas components and a method for producing the mixing device.
- Ventilating a patient using ventilators or anesthesia machines involves supplying the patient with breathing gas.
- the breathing gas is usually a mixture of two or more breathing gas components.
- the breathing gas components most commonly used in practice are air and oxygen.
- the breathing gas components can be obtained from different sources, for example via a central gas supply to which the ventilator or anesthesia machine is connected at the installation site, via a gas cylinder filled with the respective breathing gas component, and/or via the suction of air from the environment by the ventilator or anesthesia machine itself, the so-called blower technology.
- the supplied breathing gas components are mixed in the ventilator or anesthesia device in order to achieve at least a nearly even distribution of the breathing gas components. This is necessary above all to ensure correct monitoring of the breathing gas afterwards, while it is important for the safety of the patient and for successful therapy that the breathing gas concentration set on the ventilator or anesthesia device is present in the breathing gas flow. Deviations from the set ratio of the breathing gas components arise from tolerances in the concentration when supplying breathing gas components, especially when using a gas cylinder, and from tolerances in valves. regarding the flow rate and the measurements of the sensors.
- the sensors used to monitor the properties of the breathing gas usually only detect local gas properties, such as the concentration of the respective breathing gas component at the respective measuring point. Local concentration differences can therefore lead to incorrect measurements and trigger false alarms if the measured gas concentration is too low, for example.
- a mixed breathing gas is therefore desired in which the concentration differences of the respective breathing gas component are as low as possible.
- mixing devices within a ventilator or anesthesia device that have a hollow body or a volume into which the breathing gas components are fed for mixing.
- the size of such a mixing tank is selected such that the residence time of the breathing gas flow is at least long enough for almost uniform concentrations of the breathing gas components to be established through diffusion.
- the long residence time means that changes in the concentration of a breathing gas component in the ventilator or anesthesia device only occur slowly, since the mixing tank must be filled as an additional volume of breathing gas and flow through it. This limits the dynamic range of a ventilator or anesthesia device with such mixing volumes during ventilation.
- Motor-driven mixers are also known from the state of the art, whereby, for example, the mixing of the breathing gas components is achieved by installing a motor-driven stirrer in the ventilator or anesthesia device and operating it.
- the disadvantage of this solution is the associated high costs for the necessary components as well as their operation and maintenance.
- the invention is based on the object of creating a device which produces a mixed breathing gas consisting of at least two breathing gas components for use in a ventilator or anesthesia device in a simple and reliable manner.
- the dynamic properties of the ventilator or anesthesia device for ventilation should be influenced as little as possible, in particular a change in the concentration of one of the breathing gas components on the ventilator or anesthesia device should be able to be brought about as quickly as possible and with as little pressure drop as possible.
- the above object is achieved by a mixing device with the features of claim 1 and a ventilation or anesthesia device according to claim 10, which has a mixing device. Furthermore, the The object is achieved by a method for producing a mixing device with the features of claim 11. Further details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the device according to the invention are of course also considered to be disclosed in connection with the ventilation or anesthesia device according to the invention, which has such a mixing device, and the method according to the invention, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is always made or can be made to each other.
- the mixing device according to the invention for a ventilation or anesthesia device for mixing at least two respiratory gas components comprises a flow channel which has a first flow channel section with at least two inlets, each of which is suitable for introducing the respiratory gas components, i.e. air and/or gas flows, and a second flow channel section with an outlet for discharging a respiratory gas flow which has the mixed respiratory gas components.
- the mixing device is characterized in that a cross section of the first flow channel section decreases at least in sections downstream in the direction of a transition from the first to the second flow channel section, the first and second flow channel sections are inclined towards one another at least in the region of the transition, and the first flow channel section opens into the second flow channel section in the region of the transition in such a way that a vortex flow of the respiratory gas flow is at least partially formed around a longitudinal center axis of the second flow channel section in the second flow channel section, which vortex flow flows at least in sections in a spiral shape in the direction of the outlet.
- the core of the invention is to mix the at least two respiratory gas components, which are at least part of an air and/or gas flow, so that a respiratory gas flow with almost evenly distributed respiratory gas components is created and thus at least almost no Differences in the concentrations of the individual respiratory gas components exist across the flow cross-section.
- This is achieved by the two sections of the flow channel according to the invention, which are designed and arranged in such a way that a vortex flow with the respiratory gas components forms in the second flow channel section, which spreads out at least in sections in the direction of flow in the form of a flow spiral or flow roller.
- the air, gas and/or gas mixture flowing in the area of the second flow channel section is thus at least partially set in a movement that rotates about a longitudinal center axis of the second flow channel section and is simultaneously directed towards the outlet of the flow channel. This results in effective mixing of the respiratory gas components.
- breathing gas components are air and oxygen.
- gases, gas mixtures or gas-air mixtures that are used for ventilation, for anesthesia and/or at least temporary sedation of a patient in a ventilator and/or anesthesia device are also conceivable.
- a vortex flow sometimes also called a vortex roller, describes a rotating flow movement of a fluid around an axis of rotation, with the fluid moving downstream in the longitudinal direction of the axis of rotation at least almost parallel to or inclined to it. It is created, for example, by a targeted steering of the flow and/or by the application of an external force.
- the diffusive The transport mechanism is comparatively weak and is hampered by long diffusion distances and small transport coefficients. For example, in a mixing tank, diffusive transport predominantly takes place. Therefore, a comparatively long residence time of the breathing gas components in the mixing tank is required in order to achieve the desired mixing of different breathing gas components and leads to the disadvantages described above.
- convective transport is considered to be a very strong transport mechanism. According to the invention, this transport mechanism is used advantageously by deliberately generating a vortex flow to mix different respiratory gas components.
- the various breathing gas components which can be air, a gas or a gas mixture, are introduced into the mixing device via at least two inlets. More than two inlets are conceivable, especially if more than two breathing gas components are to be mixed together.
- the inlets are arranged on the flow channel in such a way that the respiratory gas component flows run spatially next to one another within the first flow channel section and a layered flow of the respiratory gas components is formed.
- the different respiratory gas components are already at least partially mixed by diffusion processes.
- the layered flow of the respiratory gas components flows in the direction of the transition from the first to the second flow channel section.
- the inlets are arranged on the flow channel in such a way that the respiratory gas component flows at least partially intersect within the first flow channel section and/or the individual respiratory gas component flows are diverted.
- the preferably layered flow i.e. the flow in which different respiratory gas component flows are arranged in layers, is accelerated by the decreasing cross-section of the first flow channel section and is guided with a higher flow impulse in the area of the transition, for example tangentially into the second flow channel section.
- Tangential introduction in this case means that the layered flow is only introduced in a partial area of the inner wall of the second flow channel section, i.e. not centrally or across the entire cross-section of the second flow channel section.
- the layered flow After being introduced into the second flow channel section, the layered flow initially flows only along a partial area of the inner wall of the second flow channel section, while other areas of the inner wall have little or no contact with the layered flow immediately or during the formation of the vortex flow.
- the layered flow touches the inner wall of the second flow channel section when flowing in and has an asymmetrical distribution in the second flow channel section in the area of the transition.
- the reduction in the cross-section of the first flow channel section can preferably be achieved by reducing the circumference of the first flow channel section itself or by introducing at least one additional flow-guiding element into the first flow channel section, which deflects part of the layered flow and guides it through a smaller flow channel cross-section than that of the first flow channel section. It is also conceivable that this additional element guides the layered flow into the second flow channel section in such a way that, as described above, a vortex flow is formed.
- the acceleration and the tangential introduction of the layered flow i.e. the directed introduction of the layered flow along a partial area of the inner wall of the second flow channel section, and the inclination between the first and second flow channel sections lead according to the invention to the formation of a Vortex flow within the second flow channel section.
- the inclination of the second flow channel section to the first flow channel section means that their longitudinal center axes are inclined to one another at an angle other than zero.
- the layered flow running along a partial area of the inner wall of the second flow channel section encounters at least one inner wall area of the second flow channel section that is inclined to this partial area, is at least partially deflected, and a vortex flow is formed.
- the layered flow is introduced into the second flow channel section as an alternative or in addition to the preferred tangential introduction in such a way that it initially does not run or only partially runs along a partial area of the inner wall or along several areas of the inner wall. It is essential that the layered flow, as it continues along the second flow channel section, at least partially meets another inner wall area that is at least partially inclined to the direction of flow, is deflected, and at least partially forms a vortex flow. For example, by directing the accelerated, stratified flow centrally at the transition from the first to the second flow channel section and, due to the inclination of the second flow channel section to the first flow channel section, subsequently hitting one of the inner wall regions of the second flow channel section.
- the layered flow of the respiratory gas components of the first flow channel section in the first flow section becomes at least partially a vortex flow in the second flow channel section, whereby several of these layers of the respiratory gas components are placed next to one another by the rotational movement of the vortex flow, thus multiplying the layers of different respiratory gas components arranged next to one another.
- the initially two layers of two different respiratory gas components of the layered flow become four, six or more layers of two respiratory gas components in the cross-section of the vortex flow.
- the respiratory gas components are thus transported by convective transport by means of the Vortex flow is distributed in the second flow channel section and the contact area at which the various respiratory gas component flows adjoin one another is increased, whereby an increased mixing of the respiratory gas components takes place through diffusion.
- the vortex flow flows at least in sections in a spiral shape in the direction of the outlet, at which a mixed respiratory gas flow has been formed by convective transport of the various respiratory gas components in an advantageous manner with a small installation size of the mixing device and little influence on the dynamic properties of a ventilation or anesthesia device.
- Various respiratory gas components can be mixed in an advantageous manner using such a mixing device.
- the required installation space is greatly reduced compared to a conventional mixing tank of a ventilator or anesthesia device, allowing a small installation size and a larger dynamic range of a ventilator or anesthesia device.
- Setting changes on a ventilator or anesthesia device such as a change in the concentration of one of the respiratory gas components, can thus be implemented quickly and with little pressure drop.
- the structure is easy to manufacture compared to a static mixer. In contrast to motor-driven mixers, no active drive and the associated more complex structure and increased energy consumption are required, and the vortex flow is generated solely by the simpler structure of the mixing device according to the invention and the existing flow.
- the mixing device is therefore easy to manufacture and the manufacturing costs are kept within an economically reasonable range.
- the first flow channel section and the second flow channel section are arranged almost perpendicular to each other in the transition region.
- the inclination of the flow channel sections to each other serves to form a vortex flow in the second flow channel section.
- An inclination of the first and second flow channel sections by almost 90° is particularly advantageous for the formation of the vortex flow.
- the longitudinal center axes are almost perpendicular to each other and the layered Due to the inclination, the flow of the first flow channel section hits an edge area of the second flow channel section in the direction of flow, is thereby deflected and a vortex flow is formed.
- the vortex flow is particularly pronounced when the first flow channel section is arranged almost vertically to the second flow channel section, so that the mixing of the various breathing gas components is also improved. Furthermore, a particularly stable vortex flow is formed as the flow continues through the second flow channel section, with the flow direction running around the longitudinal center axis of the second flow channel section, the longitudinal center axis thus essentially forming the center of the vortex flow, and thus flowing in the direction of the outlet in a manner adapted to the geometry of the second flow channel section.
- a further advantage of the almost vertical arrangement of the first and second flow channel sections is a more compact design and thus a space saving when installed in a ventilation or anesthesia device.
- the first flow channel section and/or the second flow channel section have a rectangular cross-section at least in sections. It is conceivable that the cross-section has a rectangular shape or, particularly preferably, a square shape. The advantage of this is the improved use of the installation space when installing the mixing device in a ventilation or anesthesia device.
- An at least partially rectangular cross-section of the second flow channel section is particularly advantageous, with secondary vortices forming due to the vortex flow in the four corners within the second flow channel section, which improve the mixing of the various respiratory gas components.
- the first flow channel section and/or the second flow channel section is at least partially designed in the form of a cylinder, a truncated cone or a truncated pyramid.
- a substantially circular The cross-section of the first and/or second flow channel section has the advantage that, for example, breathing gas hoses can be attached more easily to the inlets and/or outlet of the mixing device.
- An at least partially circular cross-section of the second flow channel section is particularly advantageous, whereby a particularly stable vortex flow is formed, which flows at least in sections in a spiral shape and guided by the second flow channel section in the direction of the outlet.
- the at least two inlets have an almost circular cross-section. This has the advantage that breathing gas hoses can be attached to the inlets particularly easily.
- the cross section of the first flow channel section is reduced by more than 50% up to the transition to the second flow channel section.
- the cross section is preferably reduced evenly from the area of the inlets to the transition to the second flow channel section. It is also conceivable that the reduction in the cross section only affects a partial area of the first flow channel section. For example, the cross section is reduced by more than 50% from the middle of the first flow channel section to the transition to the second flow channel section. It is also conceivable that the reduction in the cross section is only formed shortly before the transition to the second flow channel section.
- the particular advantage of reducing the cross-section by more than 50% is that the resulting flow impulse of the layered flow is strong enough to promote the formation of the vortex flow in the second flow channel section.
- a vortex flow can thus be advantageously generated.
- the first flow channel section and/or the second flow channel section comprise a mixing element for mixing the respiratory gas components.
- Mixing elements can be, for example, static mixers or similar geometries that are integrated into the first and/or second flow channel section.
- the layered flow of the first flow channel section and/or the vortex flow of the second flow channel section encounters a mixing element and additional mixing of the respiratory gas components takes place.
- improved mixing of the respiratory gas components at the outlet of the mixing device is achieved by a suitable mixing element without enlarging the mixing device and having to provide additional installation space when installing it in a ventilation or anesthesia device.
- the external dimensions of the mixing element should correspond to or be smaller than the internal circumference of the first or second flow channel section.
- the mixing element should have as little flow resistance as possible. It is conceivable to integrate one or more mixing elements into the first and/or second flow channel section. It is also conceivable that the mixing elements within the mixing device have a different structure.
- the at least two inlets are arranged essentially next to one another, resulting in a layered flow of the respiratory gas components in the first flow channel section.
- Such an arrangement of the inlets results in a special layered flow in which the respiratory gas component flows essentially run next to one another and their flow speed remains almost the same, i.e. the flow is not weakened. This advantageously promotes the formation of a vortex roller in the second flow channel section.
- a buffer volume is arranged downstream of the at least two inlets of the first flow channel section and a cross section of the buffer volume is essentially circular.
- the buffer volumes are preferably cylindrical and the respiratory gas component streams preferably flow from the inlets directly into the buffer volumes.
- the cross sections of the buffer volumes preferably correspond to the cross-section of the respective inlet, so that the respective buffer volume can be filled as quickly as possible with the inflowing respiratory gas component.
- the buffer volumes preferably each have a size in the range of 25 to 35 ml, particularly preferably 30 ml.
- the respiratory gas component flows are introduced via the inlets into a buffer volume, which is filled with the corresponding respiratory gas component.
- a layered flow is also formed. This can be achieved, for example, by the arrangement of the outlets of the buffer volumes or by the shape of the first flow channel section. Furthermore, there is fluid communication between the buffer volumes in the form of a flow channel that opens tangentially into the buffer volumes. An exchange of the respective respiratory gas components takes place between the buffer volumes through the flow channel, with a respiratory gas component flow flowing via the flow channel from one buffer volume to the other. It is conceivable to close the flow channel between the buffer volumes if an exchange across it is not necessary.
- the invention further relates to a ventilator or anesthesia device with a mixing device which is designed according to one of the previously described embodiments.
- the respiratory gas components required for ventilation are fed into the ventilator or anesthesia device, for example via a central gas supply, a blower and/or a connected gas bottle, and are prepared according to the needs of a patient.
- This includes setting a certain concentration of oxygen, which is fed into the mixing device with air, for example, so that the previously set oxygen concentration is achieved in the respiratory gas stream finally formed at the outlet of the mixing device.
- the mixing device mixes the respiratory gas components, for example oxygen and air, and enables an accurate determination of the concentration of a respiratory gas component of the respiratory gas stream of the mixing device flowing out via the outlet, since the different respiratory gas components are distributed almost evenly over the flow cross-section.
- the respiratory gas component flows for example air, oxygen and/or an anesthetic gas, are guided into the first flow channel section via the inlets of the mixing device. It is conceivable that the mixing device has more than two inlets and can thus mix more than two respiratory gas components, for example three respiratory gas components or more.
- the respiratory gas component flows in the first flow channel section experience an acceleration on the way to the transition to the second flow channel section, which is achieved by at least partially reducing the cross-section of the first flow channel section.
- the acceleration causes an increase in the flow impulse and, together with a directed introduction of the respiratory gas component flows into the second flow channel section, contributes to the formation of a vortex flow.
- the respiratory gas component flows are preferably guided tangentially into the second flow channel section.
- the second flow channel section is arranged at an angle to the first flow channel section, so that the introduced respiratory gas component flows hit an inner wall area of the second flow channel section that is at least partially opposite the transition from the first to the second flow channel section, i.e. an outlet of the first flow channel section, in the direction of flow.
- the respiratory gas component flows are diverted and set in a rotating movement about a longitudinal center axis of the second flow channel section and a vortex flow is formed.
- the vortex flow flows at least in sections in a spiral shape in the direction of the outlet of the mixing device.
- the advantageously mixed respiratory gas flow leaves the mixing device via the outlet and flows, for example, along an oxygen sensor to determine the oxygen concentration before the mixed respiratory gas flow is supplied to the patient. Due to the particularly good mixing of the respiratory gas components in the respiratory gas flow, false alarms due to concentration gradients present in the respiratory gas flow and local concentration peaks in the respiratory gas flow caused by this can be avoided. Furthermore, a measured respiratory gas concentration without such concentration peaks due to insufficient mixing allows a regulation of the concentration ratio of the respiratory gas components, since the concentration values in this case do not have to be averaged and/or filtered.
- the invention further relates to a method for producing such a mixing device, wherein at least one production step is part of an injection molding process or 3D printing process.
- the injection molding process is advantageous for producing a large number of mixing devices.
- the 3D printing process is advantageous for producing as quickly as possible.
- the mixing device according to the invention is designed in such a way that both production processes can be implemented with little effort.
- Fig. 1 a schematic, transparent representation of a mixing device with streamline representation of the respiratory gas flow
- Fig. 2 a schematic representation of a section of the flow channel sections of a mixing device with streamline representation of the respiratory gas flow
- Fig. 3 a schematic representation of a preferred embodiment of a mixing device with buffer volume
- Fig. 4 a schematic representation of a preferred embodiment of a mixing device with mixing elements.
- a preferred embodiment is shown using a schematic representation of a mixing device 1, wherein the housing of the mixing device 1 is shown transparently and the streamlines 13a, 13b, 13c, 14a, 14b, 14c of the flowing respiratory gases are also shown.
- Three exemplary streamlines 13a, 13b, 13c of a first respiratory gas component stream and three streamlines 14a, 14b, 14c of a second respiratory gas component stream are shown, wherein the streamlines of the two respiratory gas component streams mix to form one respiratory gas stream, as described below.
- the mixing device 1 comprises a first inlet 2 and a second inlet 3 for introducing two respiratory gas components, a first flow channel section 4, a second flow channel section 5 and a transition 6 from the first to the second flow channel section 4, 5. Furthermore, the mixing device 1 has an outlet 7 for discharging the mixed respiratory gas.
- the respiratory gas components air and oxygen are mixed.
- Air is introduced into the first flow channel section 4 through the first inlet 2 and oxygen through the second inlet 3.
- the design of the first inlet 2 and the second inlet 3 means that the respiratory gas component flows of air and oxygen run essentially next to each other in the first flow channel section 4 and a layered flow 11 is formed with an area in which the respiratory gas component flows adjoin one another.
- the cross section of the first flow channel section 4 decreases downstream to the transition 6, whereby the layered flow is accelerated.
- the accelerated, layered flow 11 then flows tangentially into the second flow channel section 5.
- the layered flow is introduced into the second flow channel section 5 by reducing the cross-section of the first flow channel section 4 in such a way that it initially runs mainly along a first inner wall region 9.
- the layered flow 11 then encounters a second inner wall region 10, which is arranged almost perpendicular to the flow direction of the layered flow 11.
- the layered flow 11 is deflected in such a way that a vortex flow 12 is formed, i.e. a flow that runs in a circle around an axis.
- the vortex flow 12 flows spirally around a longitudinal center axis 8 of the second flow channel section 5 in the direction of the outlet 7, with the respiratory gas components air and oxygen mixing within the vortex flow 12.
- Fig. 2 shows a schematic representation of a section of the flow channel sections of the mixing device 1 including a streamline representation of the respiratory gas flow 21, 22.
- a side view of the mixing device is shown, which shows a plan view in the direction of the longitudinal center axis 8 of the second flow channel section 5 according to Fig. 1.
- the respiratory gas components air and oxygen are guided via the first inlet 2 and the second inlet 3 into the first flow channel section 4, in which a first respiratory gas component flow 21 and a second respiratory gas component flow 22 are formed.
- the layered respiratory gas component flows 21, 22, which have a flat contact area, flow in the direction of the arrow to the transition 6 and from the first to the second flow channel section 4, 5, wherein they experience acceleration due to a reduction in the cross section of the first flow channel section 4.
- the respiratory gas component streams 21, 22 receive an increased flow impulse and are guided into the second flow channel section 5, which is inclined to the first flow channel section 4, so that the layered respiratory gas component streams 21, 22 meet an inner wall region of the second flow channel section 5, are deflected and finally a vortex flow 12, which propagates in the direction of the outlet 7, forms.
- the adjacent contact surfaces of the layered respiratory gas component flows 21, 22 multiply, with the various respiratory gas components air and oxygen mixing in a particularly advantageous manner. The reason for this is the convective transport of the respiratory gas components of the respiratory gas component flows 21, 22 caused by the vortex flow 12.
- the respiratory gas components are distributed almost evenly in the second flow channel section 5, whereby the contact area of the respiratory gas component flows 21, 22 is increased and an increased mixing of the respiratory gas components takes place through diffusion.
- Fig. 3 shows a schematic representation of a preferred embodiment of a mixing device 30 according to the invention. For better clarity, part of the mixing device 30 has been hidden so that the internal structure can be seen.
- the mixing device 30 comprises a first inlet 2 and a second inlet 3 for introducing two respiratory gas components, a first flow channel section 4, a second flow channel section 5, a transition 6 from the first to the second flow channel section 4, 5 and an outlet 7 for discharging the mixed respiratory gas.
- the mixing device 30 also comprises a first buffer volume 31, which is connected downstream of the first inlet 2 in the flow direction, and a second buffer volume 32, which is connected downstream of the second inlet in the flow direction and a flow channel 34 between the buffer volumes 31, 32.
- a flow-guiding element 33 is integrated in the first flow channel section 4.
- This flow-guiding element 33 reduces the cross-section of the first flow channel section 4 and changes the direction of the first flow channel section 4 in such a way that respiratory gas component flows from the first flow channel section 4 are guided tangentially into the second flow channel section 5 and a vortex flow is formed in the second flow channel section 5.
- This vortex flow Different breathing gas components mix and a mixed breathing gas stream leaves the mixing device 30 via the outlet 7.
- Fig. 4 shows a schematic representation of another preferred embodiment of a mixing device 40 designed according to the invention, wherein the mixing device 40 is shown transparent for better clarity.
- the mixing device 40 also comprises a first inlet 2 and a second inlet 3 for introducing two respiratory gas components, a first flow channel section 4, a second flow channel section 5, a transition 6 from the first to the second flow channel section 4, 5 and an outlet 7 for discharging the mixed respiratory gas.
- a first mixing element 41 is integrated in the first flow channel section 4 and a second mixing element 42 is integrated in the second flow channel section.
- the first and second mixing elements 41, 42 are designed in the form of static mixers that have no moving parts.
- the first mixing element 41 causes an additional mixing of the various respiratory gas components by diverting the layered flow 11, which contains the respiratory gas component flows 21, 22, as shown in Fig. 2, in different directions, so that the respiratory gas component flows cross and thus a distribution and mixing of the respiratory gas components is already created in the first flow channel section 4.
- an additional mixing of the respiratory gas components within the vortex flow 12 is created by a second mixing element 42 in the second flow channel section 5.
- the vortex flow 12 is guided through a network of several flow channels that run in different directions, whereby the respiratory gas components are also distributed and additional mixing occurs.
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Abstract
Description
Mischvorrichtung, Beatmungs- oder Anästhesiegerät mit einer Mischvorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Mischvorrichtung Mixing device, ventilator or anesthesia device with a mixing device and method for producing a mixing device
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mischvorrichtung für ein Beatmungsoder Anästhesiegerät, ein Beatmungs- oder Anästhesiegerät mit einer Mischvorrichtung zum Vermischen wenigstens zweier Atemgaskomponenten sowie ein Verfahren zur Herstellung der Mischvorrichtung. The present invention relates to a mixing device for a ventilator or anesthesia device, a ventilator or anesthesia device with a mixing device for mixing at least two respiratory gas components and a method for producing the mixing device.
Bei der Beatmung eines Patienten durch Beatmungs- oder Anästhesiegeräte handelt es sich um die Versorgung des Patienten mit Atemgas. Das Atemgas ist dabei üblicherweise eine Mischung aus zwei oder mehr Atemgaskomponenten. Die in der Praxis am häufigsten vorkommenden Atemgaskomponenten sind Luft und Sauerstoff. Die Atemgaskomponenten können aus unterschiedlichen Quellen bezogen werden, zum Beispiel über eine zentrale Gasversorgung, mit der das Beatmungs- oder Anästhesiegerät am Aufstellort verbunden wird, über eine Gasflasche, die mit der jeweiligen Atemgaskomponente gefüllt ist, und/oder über das Ansaugen von Luft aus der Umgebung durch das Beatmungs- oder Anästhesiegerät selbst, die sogenannte Blower-Technologie. Ventilating a patient using ventilators or anesthesia machines involves supplying the patient with breathing gas. The breathing gas is usually a mixture of two or more breathing gas components. The breathing gas components most commonly used in practice are air and oxygen. The breathing gas components can be obtained from different sources, for example via a central gas supply to which the ventilator or anesthesia machine is connected at the installation site, via a gas cylinder filled with the respective breathing gas component, and/or via the suction of air from the environment by the ventilator or anesthesia machine itself, the so-called blower technology.
Die zugeführten Atemgaskomponenten werden im Beatmungs- oder Anästhesiegerät gemischt, um eine zumindest nahezu gleichmäßige Verteilung der Atemgaskomponenten zu erreichen. Dies ist vor allem notwendig, um anschließend eine korrekte Überwachung des Atemgases zu gewährleisten, während es für die Sicherheit des Patienten und für eine erfolgreiche Therapie wichtig ist, dass die am Beatmungs- oder Anästhesiegerät eingestellte Atemgaskonzentration im Atemgasstrom vorliegt. Abweichungen des eingestellten Verhältnisses der Atemgaskomponenten entstehen durch Toleranzen der Konzentration bei der Zufuhr von Atemgaskomponenten, insbesondere bei der Nutzung einer Gasflasche, bei Toleranzen von Ventilen bezüglich der Durchflussmenge sowie der Messungen der Sensoren. Die verwendeten Sensoren zur Überwachung von Eigenschaften des Atemgases detektieren üblicherweise nur lokale Gaseigenschaften, wie etwa die Konzentration der jeweiligen Atemgaskomponente an der jeweiligen Messstelle. Lokale Konzentrationsunterschiede können somit zu Fehlmessungen führen und Fehlalarme auslösen, wenn die gemessene Gaskonzentration beispielsweise zu gering ist. Es ist also ein vermischtes Atemgas gewünscht, bei dem die Konzentrationsunterschiede der jeweiligen Atemgaskomponente möglichst niedrig sind. The supplied breathing gas components are mixed in the ventilator or anesthesia device in order to achieve at least a nearly even distribution of the breathing gas components. This is necessary above all to ensure correct monitoring of the breathing gas afterwards, while it is important for the safety of the patient and for successful therapy that the breathing gas concentration set on the ventilator or anesthesia device is present in the breathing gas flow. Deviations from the set ratio of the breathing gas components arise from tolerances in the concentration when supplying breathing gas components, especially when using a gas cylinder, and from tolerances in valves. regarding the flow rate and the measurements of the sensors. The sensors used to monitor the properties of the breathing gas usually only detect local gas properties, such as the concentration of the respective breathing gas component at the respective measuring point. Local concentration differences can therefore lead to incorrect measurements and trigger false alarms if the measured gas concentration is too low, for example. A mixed breathing gas is therefore desired in which the concentration differences of the respective breathing gas component are as low as possible.
Zur Herstellung eines vermischten Atemgases sind Mischvorrichtungen innerhalb eines Beatmungs- oder Anästhesiegeräts bekannt, die einen Hohlkörper oder ein Volumen aufweisen, in welches die Atemgaskomponenten zu ihrer Vermischung geleitet werden. Die Größe eines solchen Mischtanks ist derart gewählt, dass die Verweildauer des Atemgasstroms zumindest so lang ist, dass sich durch Diffusion nahezu einheitliche Konzentrationen der Atemgaskomponenten einstellen. Die lange Verweildauer bedingt, dass Änderungen der Konzentration einer Atemgaskomponente am Beatmungsoder Anästhesiegerät nur langsam erfolgen, da der Mischtank als zusätzliches Volumen vom Atemgas gefüllt und durchflossen werden muss. Dadurch wird der Dynamikbereich eines Beatmungs- oder Anästhesiegeräts mit derartigen Mischvolumen bei der Beatmung eingeschränkt. To produce a mixed breathing gas, mixing devices within a ventilator or anesthesia device are known that have a hollow body or a volume into which the breathing gas components are fed for mixing. The size of such a mixing tank is selected such that the residence time of the breathing gas flow is at least long enough for almost uniform concentrations of the breathing gas components to be established through diffusion. The long residence time means that changes in the concentration of a breathing gas component in the ventilator or anesthesia device only occur slowly, since the mixing tank must be filled as an additional volume of breathing gas and flow through it. This limits the dynamic range of a ventilator or anesthesia device with such mixing volumes during ventilation.
Weiterhin sind aus dem Stand der Technik motorisch betriebene Mischer bekannt, wobei beispielsweise durch den Einbau eines motorisch betriebenen Quirls in das Beatmungs- oder Anästhesiegerät und dessen Betrieb eine Vermischung der Atemgaskomponenten erreicht wird. Nachteilig an dieser Lösung sind die damit einhergehenden hohen Kosten für die notwendigen Bauteile sowie deren Betrieb und Wartung. Motor-driven mixers are also known from the state of the art, whereby, for example, the mixing of the breathing gas components is achieved by installing a motor-driven stirrer in the ventilator or anesthesia device and operating it. The disadvantage of this solution is the associated high costs for the necessary components as well as their operation and maintenance.
Beide vorherig genannten Lösungen benötigen vergleichsweise viel Platz im Beatmungs- oder Anästhesiegerät. Dadurch vergrößert sich nachteilig die Baugröße eines solchen Geräts. Ferner sind aus dem Stand der Technik statische Strömungsmischer bekannt. Die US 2016082220 A1 zeigt ein System zur Atemtherapie mit einem statischen Durchflussmischer. Der beschriebene statische Durchflussmischer ist so konfiguriert, dass er mehrere Atemgaskomponenten vermischen kann und umfasst einen Einlass und einen Auslass sowie ein erstes Ablenkblech zwischen dem Einlass und dem Auslass. Weiterhin umfasst der statische Strömungsmischer eine Verengung, die zwischen einer stromabwärts gelegenen Kante des ersten Ablenkblechs und einer nächstgelegenen, stromabwärts gelegenen Oberfläche angeordnet ist, wobei eine Länge der Verengung kleiner als eine Höhe des ersten Ablenkblechs ist. Durch diese technische Lösung sollen dem statischen Strömungsmischer zugeleitete Atemgaskomponenten gleichmäßig vermischt werden. Weitere statische Strömungsmischer sind aus der EP 1312409 B1 und EP 1426099 B1 bekannt. Problematisch an diesen statischen Strömungsmischern ist, dass sie einen zusätzlichen Strömungswiderstand in dem Atemgasströmungskanal bilden und dieser die dynamischen Eigenschaften eines Beatmungs- oder Anästhesiegeräts nachteilig beeinflusst. Ferner benötigen diese statischen Strömungsmischer viel Bauraum und weisen eine komplexe Geometrie auf, weshalb deren Herstellung einen hohen Aufwand erzeugt. Both of the above-mentioned solutions require a comparatively large amount of space in the ventilator or anesthesia machine. This disadvantageously increases the size of such a device. Furthermore, static flow mixers are known from the prior art. US 2016082220 A1 shows a system for respiratory therapy with a static flow mixer. The described static flow mixer is configured such that it can mix several respiratory gas components and comprises an inlet and an outlet as well as a first baffle between the inlet and the outlet. Furthermore, the static flow mixer comprises a constriction arranged between a downstream edge of the first baffle and a nearest downstream surface, wherein a length of the constriction is less than a height of the first baffle. This technical solution is intended to evenly mix respiratory gas components fed to the static flow mixer. Other static flow mixers are known from EP 1312409 B1 and EP 1426099 B1. The problem with these static flow mixers is that they create additional flow resistance in the respiratory gas flow channel, which has a negative impact on the dynamic properties of a ventilation or anesthesia device. Furthermore, these static flow mixers require a lot of installation space and have a complex geometry, which is why their manufacture is very complex.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sowie den zuvor geschilderten Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zu schaffen, welche ein vermischtes Atemgas bestehend aus wenigstens zwei Atemgaskomponenten zur Verwendung in einem Beatmungsoder Anästhesiegerät auf einfache und zuverlässige Weise herstellt. Dabei sollten die dynamischen Eigenschaften des Beatmungs- oder Anästhesiegeräts für die Beatmung möglichst wenig beeinflusst werden, insbesondere sollte eine Änderung einer Konzentration einer der Atemgaskomponenten am Beatmungsoder Anästhesiegerät möglichst schnell und bei möglichst geringem Druckabfall herbeizuführen sein. Based on the solutions known from the prior art and the problems described above, the invention is based on the object of creating a device which produces a mixed breathing gas consisting of at least two breathing gas components for use in a ventilator or anesthesia device in a simple and reliable manner. The dynamic properties of the ventilator or anesthesia device for ventilation should be influenced as little as possible, in particular a change in the concentration of one of the breathing gas components on the ventilator or anesthesia device should be able to be brought about as quickly as possible and with as little pressure drop as possible.
Voranstehende Aufgabe wird durch eine Mischvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Beatmungs- oder Anästhesiegerät gemäß Anspruch 10, dass eine Mischvorrichtung aufweist, gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Mischvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Weitere Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Beatmungs- oder Anästhesiegerät, das über eine derartige Mischvorrichtung verfügt, sowie dem erfindungsgemäßen Verfahren als offenbart, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird oder vielmehr genommen werden kann. The above object is achieved by a mixing device with the features of claim 1 and a ventilation or anesthesia device according to claim 10, which has a mixing device. Furthermore, the The object is achieved by a method for producing a mixing device with the features of claim 11. Further details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the device according to the invention are of course also considered to be disclosed in connection with the ventilation or anesthesia device according to the invention, which has such a mixing device, and the method according to the invention, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is always made or can be made to each other.
Die erfindungsgemäße Mischvorrichtung für ein Beatmungs- oder Anästhesiegerät zum Vermischen wenigstens zweier Atemgaskomponenten umfasst einen Strömungskanal, der über einen ersten Strömungskanalabschnitt mit wenigstens zwei Einlässen, die jeweils zur Einleitung der Atemgaskomponenten, also von Luft und/oder Gasströmungen, geeignet sind, und einen zweiten Strömungskanalabschnitt mit einem Auslass zur Ableitung eines Atemgasstromes, der die vermischten Atemgaskomponenten aufweist, verfügt. Die Mischvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sich ein Querschnitt des ersten Strömungskanalabschnittes stromabwärts in Richtung eines Überganges vom ersten in den zweiten Strömungskanalabschnitt zumindest abschnittsweise verringert, der erste und der zweite Strömungskanalabschnitt zumindest im Bereich des Überganges zueinander geneigt sind und der erste Strömungskanalabschnitt im Bereich des Überganges derart in den zweiten Strömungskanalabschnitt mündet, dass sich wenigstens teilweise eine Wirbelströmung des Atemgasstromes um eine Längsmittenachse des zweiten Strömungskanalabschnittes in dem zweiten Strömungskanalabschnitt ausbildet, die zumindest abschnittsweise spiralförmig in Richtung des Auslasses strömt. The mixing device according to the invention for a ventilation or anesthesia device for mixing at least two respiratory gas components comprises a flow channel which has a first flow channel section with at least two inlets, each of which is suitable for introducing the respiratory gas components, i.e. air and/or gas flows, and a second flow channel section with an outlet for discharging a respiratory gas flow which has the mixed respiratory gas components. The mixing device is characterized in that a cross section of the first flow channel section decreases at least in sections downstream in the direction of a transition from the first to the second flow channel section, the first and second flow channel sections are inclined towards one another at least in the region of the transition, and the first flow channel section opens into the second flow channel section in the region of the transition in such a way that a vortex flow of the respiratory gas flow is at least partially formed around a longitudinal center axis of the second flow channel section in the second flow channel section, which vortex flow flows at least in sections in a spiral shape in the direction of the outlet.
Kem der Erfindung ist es, die wenigstens zwei Atemgaskomponenten, die zumindest ein Teil einer Luft- und/oder Gasströmung sind, zu vermischen, sodass ein Atemgasstrom mit nahezu gleichmäßig verteilten Atemgaskomponenten entsteht und somit zumindest nahezu keine Unterschiede der Konzentrationen der einzelnen Atemgaskomponenten über den Strömungsquerschnitt bestehen. Dies wird durch die zwei Abschnitte des erfindungsgemäßen Strömungskanals realisiert, die derart ausgestaltet und angeordnet sind, dass sich im zweiten Strömungskanalabschnitt eine Wirbelströmung mit den Atemgaskomponenten ausbildet, die sich wenigstens abschnittsweise in Strömungsrichtung in Form einer Strömungsspirale oder Strömungswalze ausbreitet. Der im Bereich des zweiten Strömungskanalabschnitts strömende Luft-, Gas- und/oder Gasgemischstrom wird somit zumindest teilweise in eine um eine Längsmittenachse des zweiten Strömungskanalabschnitts rotierende und gleichzeitig in Richtung des Auslasses des Strömungskanals gerichtete Bewegung versetzt. Dabei findet eine effektive Vermischung der Atemgaskomponenten statt. The core of the invention is to mix the at least two respiratory gas components, which are at least part of an air and/or gas flow, so that a respiratory gas flow with almost evenly distributed respiratory gas components is created and thus at least almost no Differences in the concentrations of the individual respiratory gas components exist across the flow cross-section. This is achieved by the two sections of the flow channel according to the invention, which are designed and arranged in such a way that a vortex flow with the respiratory gas components forms in the second flow channel section, which spreads out at least in sections in the direction of flow in the form of a flow spiral or flow roller. The air, gas and/or gas mixture flowing in the area of the second flow channel section is thus at least partially set in a movement that rotates about a longitudinal center axis of the second flow channel section and is simultaneously directed towards the outlet of the flow channel. This results in effective mixing of the respiratory gas components.
Beispiele für Atemgaskomponenten sind Luft und Sauerstoff. Es sind aber auch weitere Gase, Gasgemische oder Gas-Luft-Gemische die bei der Beatmung, zur Anästhesie und/oder wenigstens zeitweisen Sedierung eines Patienten in einem Beatmungs- und/oder Anästhesiegerät eingesetzt werden, denkbar. Examples of breathing gas components are air and oxygen. However, other gases, gas mixtures or gas-air mixtures that are used for ventilation, for anesthesia and/or at least temporary sedation of a patient in a ventilator and/or anesthesia device are also conceivable.
Eine Wirbelströmung, teilweise auch Wirbelwalze genannt, bezeichnet eine sich drehende Strömungsbewegung eines Fluids um eine Drehachse, wobei sich das Fluid stromabwärts in Längsrichtung der Drehachse zumindest nahezu parallel oder geneigt dazu fortbewegt. Sie entsteht beispielsweise durch eine gezielte Lenkung der Strömung und/oder durch das Aufbringen einer äußeren Kraft. A vortex flow, sometimes also called a vortex roller, describes a rotating flow movement of a fluid around an axis of rotation, with the fluid moving downstream in the longitudinal direction of the axis of rotation at least almost parallel to or inclined to it. It is created, for example, by a targeted steering of the flow and/or by the application of an external force.
Der Transport einer Atemgaskomponente in einem Atemgasstrom kann allgemein durch die folgende Transportgleichung beschrieben werden: The transport of a respiratory gas component in a respiratory gas stream can generally be described by the following transport equation:
Der erste Term — (pY beschreibt die zeitliche Änderung, der zweite Term V ■ (pYjU) den konvektiven Transport, der dritte Term V ■ (pDjjVYj) den diffusiven Transport und der letzte Term Wj Quellen oder Senken. Der diffusive Transportmechanismus ist vergleichsweise schwach und wird durch lange Diffusionsstecken und kleine Transportkoeffizienten gehemmt. Beispielsweise findet in einem Mischtank vorwiegend der diffusive Transport statt. Daher ist eine vergleichsweise lange Verweildauer der Atemgaskomponenten im Mischtank erforderlich, um die gewünschte Vermischung verschiedener Atemgaskomponenten zu erreichen und führt zu den zuvor beschriebenen Nachteilen. The first term — (pY describes the temporal change, the second term V ■ (pYjU) the convective transport, the third term V ■ (pDjjVYj) the diffusive transport and the last term Wj sources or sinks. The diffusive The transport mechanism is comparatively weak and is hampered by long diffusion distances and small transport coefficients. For example, in a mixing tank, diffusive transport predominantly takes place. Therefore, a comparatively long residence time of the breathing gas components in the mixing tank is required in order to achieve the desired mixing of different breathing gas components and leads to the disadvantages described above.
Im Gegensatz zum diffusiven Transportmechanismus gilt der konvektive Transport als sehr starker Transportmechanismus. Erfindungsgemäß wird dieser Transportmechanismus durch gezielte Erzeugung einer Wirbelströmung auf vorteilhafte Weise genutzt, um verschiedene Atemgaskomponenten zu vermischen. In contrast to the diffusive transport mechanism, convective transport is considered to be a very strong transport mechanism. According to the invention, this transport mechanism is used advantageously by deliberately generating a vortex flow to mix different respiratory gas components.
Die Einleitung der verschiedenen Atemgaskomponenten, bei denen es sich jeweils um Luft, ein Gas oder ein Gasgemisch handeln kann, in die Mischvorrichtung erfolgt über die wenigstens zwei Einlässe. Es sind mehr als zwei Einlässe denkbar, insbesondere wenn mehr als zwei Atemgaskomponenten miteinander vermischt werden sollen. The various breathing gas components, which can be air, a gas or a gas mixture, are introduced into the mixing device via at least two inlets. More than two inlets are conceivable, especially if more than two breathing gas components are to be mixed together.
Die Einlässe sind beispielsweise derart am Strömungskanal angeordnet, dass die Atemgaskomponentenströme innerhalb des ersten Strömungskanalabschnittes räumlich nebeneinander verlaufen und sich eine geschichtete Strömung der Atemgaskomponenten ausbildet. In Bereich der Kontaktflächen, in dem die Atemgaskomponentenströme aneinandergrenzen, findet zumindest teilweise bereits eine Vermischung der unterschiedlichen Atemgaskomponenten durch Diffusionsvorgänge statt. Die geschichtete Strömung der Atemgaskomponenten strömt in Richtung des Überganges vom ersten in den zweiten Strömungskanalabschnitt. The inlets are arranged on the flow channel in such a way that the respiratory gas component flows run spatially next to one another within the first flow channel section and a layered flow of the respiratory gas components is formed. In the area of the contact surfaces, where the respiratory gas component flows border one another, the different respiratory gas components are already at least partially mixed by diffusion processes. The layered flow of the respiratory gas components flows in the direction of the transition from the first to the second flow channel section.
Es ist ferner denkbar, dass die Einlässe derart am Strömungskanal angeordnet sind, dass sich die Atemgaskomponentenströme innerhalb des ersten Strömungskanalabschnittes zumindest teilweise kreuzen und/oder die einzelnen Atemgaskomponentenströme umgelenkt werden. Die bevorzugt geschichtete Strömung, also die Strömung, in der unterschiedliche Atemgaskomponentenströme in Schichten angeordnet sind, erfährt durch den sich verringernden Querschnitt des ersten Strömungskanalabschnittes eine Beschleunigung und wird mit einem höheren Strömungsimpuls im Bereich des Überganges beispielsweise tangential in den zweiten Strömungskanalabschnitt geleitet. Tangentiales Einleiten bedeutet in diesem Fall, dass die geschichtete Strömung nur an einem Teilbereich der Innenwandung des zweiten Strömungskanalabschnittes eingeleitet wird, also nicht zentral oder über den kompletten Querschnitt des zweiten Strömungskanalabschnittes. Dabei strömt die geschichtete Strömung nach dem Einleiten in den zweiten Strömungskanalabschnitt zunächst lediglich entlang eines Teilbereiches der Innenwandung des zweiten Strömungskanalabschnittes, während andere Bereiche der Innenwandung unmittelbar oder während der Ausbildung der Wirbelströmung keinen oder kaum Kontakt mit der geschichteten Strömung haben. Im Wesentlichen tangiert die geschichtete Strömung also die Innenwandung des zweiten Strömungskanalabschnittes beim Einströmen und weist im zweiten Strömungskanalabschnitt im Bereich des Überganges eine asymmetrische Verteilung auf. Die Verringerung des Querschnittes des ersten Strömungskanalabschnittes kann vorzugsweise durch die Verkleinerung des Umfanges des ersten Strömungskanalabschnittes selbst realisiert sein oder dadurch, dass in den ersten Strömungskanalabschnitt wenigstens ein zusätzliches, strömungsführendes Element eingebracht ist, welches einen Teil der geschichteten Strömung umlenkt und durch einen kleineren Strömungskanalquerschnitt als den des ersten Strömungskanalabschnittes leitet. Ferner ist denkbar, dass dieses zusätzliche Element die geschichtete Strömung derart in den zweiten Strömungskanalabschnitt leitet, dass sich, wie vorab beschrieben, eine Wirbelströmung ausbildet. It is further conceivable that the inlets are arranged on the flow channel in such a way that the respiratory gas component flows at least partially intersect within the first flow channel section and/or the individual respiratory gas component flows are diverted. The preferably layered flow, i.e. the flow in which different respiratory gas component flows are arranged in layers, is accelerated by the decreasing cross-section of the first flow channel section and is guided with a higher flow impulse in the area of the transition, for example tangentially into the second flow channel section. Tangential introduction in this case means that the layered flow is only introduced in a partial area of the inner wall of the second flow channel section, i.e. not centrally or across the entire cross-section of the second flow channel section. After being introduced into the second flow channel section, the layered flow initially flows only along a partial area of the inner wall of the second flow channel section, while other areas of the inner wall have little or no contact with the layered flow immediately or during the formation of the vortex flow. Essentially, the layered flow touches the inner wall of the second flow channel section when flowing in and has an asymmetrical distribution in the second flow channel section in the area of the transition. The reduction in the cross-section of the first flow channel section can preferably be achieved by reducing the circumference of the first flow channel section itself or by introducing at least one additional flow-guiding element into the first flow channel section, which deflects part of the layered flow and guides it through a smaller flow channel cross-section than that of the first flow channel section. It is also conceivable that this additional element guides the layered flow into the second flow channel section in such a way that, as described above, a vortex flow is formed.
Das Beschleunigen sowie die tangentiale Einleitung der geschichteten Strömung, also die gerichtete Einleitung der geschichteten Strömung entlang eines Teilbereiches der Innenwandung des zweiten Strömungskanalabschnittes, und die Neigung zwischen dem ersten und zweiten Strömungskanalabschnitt führen erfindungsgemäß zur Ausbildung einer Wirbelströmung innerhalb des zweiten Strömungskanalabschnittes. Die Neigung des zweiten Strömungskanalabschnittes zum ersten Strömungskanalabschnitt bedeutet, dass deren Längsmittenachsen in einem Winkel ungleich Null zueinander geneigt sind. Dadurch trifft die an einem Teilbereich der Innenwandung des zweiten Strömungskanalabschnittes verlaufende geschichtete Strömung auf zumindest einen zu diesem Teilbereich geneigten Innenwandungsbereich des zweiten Strömungskanalabschnittes, erfährt zumindest teilweise eine Umlenkung und es bildest sich eine Wirbelströmung aus. Es ist ferner denkbar, dass die geschichtete Strömung alternativ oder in Ergänzung zu der bevorzugten tangentialen Einleitung derart in den zweiten Strömungskanalabschnitt eingeleitet wird, dass diese zunächst nicht oder nur teilweise an einem Teilbereich der Innenwandung oder entlang mehrerer Bereiche der Innenwandung verläuft. Wesentlich ist, dass die geschichtete Strömung im weiteren Verlauf des zweiten Strömungskanalabschnittes zumindest teilweise frontal auf einen weiteren, zur Strömungsrichtung zumindest teilweise geneigten Innenwandbereich trifft, dabei umgelenkt wird und sich wenigstens teilweise eine Wirbelströmung ausbildet. Beispielsweise indem die beschleunigte, geschichtete Strömung zentral des Überganges vom ersten in den zweiten Strömungskanalabschnitt geleitet wird und aufgrund der Neigung des zweiten Strömungskanalabschnittes zum ersten Strömungskanalabschnitt im weiteren Verlauf auf einen der Innenwandbereich des zweiten Strömungskanalabschnittes trifft. The acceleration and the tangential introduction of the layered flow, i.e. the directed introduction of the layered flow along a partial area of the inner wall of the second flow channel section, and the inclination between the first and second flow channel sections lead according to the invention to the formation of a Vortex flow within the second flow channel section. The inclination of the second flow channel section to the first flow channel section means that their longitudinal center axes are inclined to one another at an angle other than zero. As a result, the layered flow running along a partial area of the inner wall of the second flow channel section encounters at least one inner wall area of the second flow channel section that is inclined to this partial area, is at least partially deflected, and a vortex flow is formed. It is also conceivable that the layered flow is introduced into the second flow channel section as an alternative or in addition to the preferred tangential introduction in such a way that it initially does not run or only partially runs along a partial area of the inner wall or along several areas of the inner wall. It is essential that the layered flow, as it continues along the second flow channel section, at least partially meets another inner wall area that is at least partially inclined to the direction of flow, is deflected, and at least partially forms a vortex flow. For example, by directing the accelerated, stratified flow centrally at the transition from the first to the second flow channel section and, due to the inclination of the second flow channel section to the first flow channel section, subsequently hitting one of the inner wall regions of the second flow channel section.
Die im ersten Strömungsabschnitt verlaufende geschichtete Strömung der Atemgaskomponenten des ersten Strömungskanalabschnittes wird erfindungsgemäß im zweiten Strömungskanalabschnitt zumindest teilweise zu einer Wirbelströmung, wobei mehrere dieser Schichtungen der Atemgaskomponenten durch die Drehbewegung der Wirbelströmung aneinandergelegt werden, sich nebeneinander angeordneten Schichten unterschiedlicher Atemgaskomponenten also vervielfachen. Beispielsweise entstehen aus den zunächst zwei Schichten zweier unterschiedlicher Atemgaskomponenten der geschichteten Strömung vier, sechs oder mehr Schichten zweier Atemgaskomponenten im Querschnitt der Wirbelströmung. Die Atemgaskomponenten werden also durch konvektiven Transport mittels der Wirbelströmung im zweiten Strömungskanalabschnitt verteilt und es vergrößert sich die Kontaktfläche, an der die verschiedenen Atemgaskomponentenströme aneinandergrenzen, wodurch eine verstärkte Vermischung der Atemgaskomponenten durch Diffusion stattfindet. Die Wirbelströmung strömt zumindest abschnittsweise spiralförmig in Richtung des Auslasses, an dem sich durch konvektiven Transport der unterschiedlichen Atemgaskomponenten auf vorteilhafte Weise mit einer geringen Baugröße der Mischvorrichtung und geringem Einfluss auf die dynamischen Eigenschaften eines Beatmungs- oder Anästhesiegeräts ein vermischter Atemgasstrom ausgebildet hat. According to the invention, the layered flow of the respiratory gas components of the first flow channel section in the first flow section becomes at least partially a vortex flow in the second flow channel section, whereby several of these layers of the respiratory gas components are placed next to one another by the rotational movement of the vortex flow, thus multiplying the layers of different respiratory gas components arranged next to one another. For example, the initially two layers of two different respiratory gas components of the layered flow become four, six or more layers of two respiratory gas components in the cross-section of the vortex flow. The respiratory gas components are thus transported by convective transport by means of the Vortex flow is distributed in the second flow channel section and the contact area at which the various respiratory gas component flows adjoin one another is increased, whereby an increased mixing of the respiratory gas components takes place through diffusion. The vortex flow flows at least in sections in a spiral shape in the direction of the outlet, at which a mixed respiratory gas flow has been formed by convective transport of the various respiratory gas components in an advantageous manner with a small installation size of the mixing device and little influence on the dynamic properties of a ventilation or anesthesia device.
Auf vorteilhafte Weise sind verschiedene Atemgaskomponenten mit einer solchen Mischvorrichtung mischbar. Dabei ist der benötigte Bauraum im Vergleich zu einem herkömmlichen Mischtank eines Beatmungs- oder Anästhesiegeräts stark reduziert und ermöglicht eine geringe Baugröße sowie einen größeren Dynamikbereich eines Beatmungs- oder Anästhesiegeräts. Einstellungsänderungen an einem Beatmungs- oder Anästhesiegeräts, wie etwa eine Änderung einer Konzentration einer der Atemgaskomponenten, sind somit schnell und bei geringem Druckabfall umsetzbar. Ferner ist der Aufbau im Vergleich zu einem statischen Mischer einfach herzustellen. Im Gegensatz zu motorisch betriebenen Mischern ist kein aktiver Antrieb und der damit komplexere Aufbau sowie erhöhter Energieverbrauch erforderlich und die Wirbelströmung wird allein durch den einfacheren Aufbau der erfindungsgemäßen Mischvorrichtung und der vorhandenen Strömung erzeugt. Somit ist die Mischvorrichtung auf einfache Weise herstellbar und die Herstellkosten werden in einem ökonomisch sinnvollen Rahmen gehalten. Various respiratory gas components can be mixed in an advantageous manner using such a mixing device. The required installation space is greatly reduced compared to a conventional mixing tank of a ventilator or anesthesia device, allowing a small installation size and a larger dynamic range of a ventilator or anesthesia device. Setting changes on a ventilator or anesthesia device, such as a change in the concentration of one of the respiratory gas components, can thus be implemented quickly and with little pressure drop. Furthermore, the structure is easy to manufacture compared to a static mixer. In contrast to motor-driven mixers, no active drive and the associated more complex structure and increased energy consumption are required, and the vortex flow is generated solely by the simpler structure of the mixing device according to the invention and the existing flow. The mixing device is therefore easy to manufacture and the manufacturing costs are kept within an economically reasonable range.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Strömungskanalabschnitt und der zweite Strömungskanalabschnitt im Bereich des Überganges nahezu senkrecht zueinander angeordnet. Die Neigung der Strömungskanalabschnitte zueinander dient der Ausbildung einer Wirbelströmung im zweiten Strömungskanalabschnitt. Besonders vorteilhaft für die Ausbildung der Wirbelströmung ist eine Neigung des ersten und zweiten Strömungskanalabschnittes um nahezu 90°. Dabei liegen die Längsmittenachsen nahezu senkrecht zueinander und die geschichtete Strömung des ersten Strömungskanalabschnittes trifft in Strömungsrichtung aufgrund der Neigung auf einen Randbereich des zweiten Strömungskanalabschnittes, wird dadurch umgelenkt und es bildet sich eine Wirbelströmung aus. Die Ausprägung der Wirbelströmung ist bei der nahezu senkrechten Anordnung des ersten zum zweiten Strömungskanalabschnitt besonders stark ausgeprägt, so dass auch die Vermischung der verschiedenen Atemgaskomponenten verbessert ist. Ferner bildet sich eine besonders stabile Wirbelströmung beim weiteren Durchströmen des zweiten Strömungskanalabschnittes aus, wobei die Strömungsrichtung um die Längsmittenachse des zweiten Strömungskanalabschnittes herum verläuft, die Längsmittenachse also im Wesentlichen das Zentrum der Wirbelströmung bildet, und somit angepasst an die Geometrie des zweiten Strömungskanalabschnittes in Richtung Auslass strömt. In a preferred embodiment, the first flow channel section and the second flow channel section are arranged almost perpendicular to each other in the transition region. The inclination of the flow channel sections to each other serves to form a vortex flow in the second flow channel section. An inclination of the first and second flow channel sections by almost 90° is particularly advantageous for the formation of the vortex flow. The longitudinal center axes are almost perpendicular to each other and the layered Due to the inclination, the flow of the first flow channel section hits an edge area of the second flow channel section in the direction of flow, is thereby deflected and a vortex flow is formed. The vortex flow is particularly pronounced when the first flow channel section is arranged almost vertically to the second flow channel section, so that the mixing of the various breathing gas components is also improved. Furthermore, a particularly stable vortex flow is formed as the flow continues through the second flow channel section, with the flow direction running around the longitudinal center axis of the second flow channel section, the longitudinal center axis thus essentially forming the center of the vortex flow, and thus flowing in the direction of the outlet in a manner adapted to the geometry of the second flow channel section.
Ein weiterer Vorteil der nahezu senkrechten Anordnung des ersten und zweiten Strömungskanalabschnittes ist eine kompaktere Bauform und somit eine Platzersparnis beim Einbau in ein Beatmungs- oder Anästhesiegerät. A further advantage of the almost vertical arrangement of the first and second flow channel sections is a more compact design and thus a space saving when installed in a ventilation or anesthesia device.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Mischvorrichtung weisen der erste Strömungskanalabschnitt und/oder der zweite Strömungskanalabschnitt zumindest abschnittsweise einen rechteckigen Querschnitt auf. Dabei ist denkbar, dass der Querschnitt eine Rechteckform oder besonders bevorzugt eine quadratische Form aufweist. Vorteilhaft daran ist die verbesserte Ausnutzung des Bauraumes beim Einbau der Mischvorrichtung in ein Beatmungs- oder Anästhesiegerät. Besonders von Vorteil ist ein zumindest teilweise rechteckiger Querschnitt des zweiten Strömungskanalabschnittes, wobei sich durch die Wirbelströmung in den vier Ecken innerhalb des zweiten Strömungskanalabschnittes Sekundärwirbel ausbilden, die das Vermischen der verschiedenen Atemgaskomponenten verbessern. According to a particularly preferred embodiment of the mixing device, the first flow channel section and/or the second flow channel section have a rectangular cross-section at least in sections. It is conceivable that the cross-section has a rectangular shape or, particularly preferably, a square shape. The advantage of this is the improved use of the installation space when installing the mixing device in a ventilation or anesthesia device. An at least partially rectangular cross-section of the second flow channel section is particularly advantageous, with secondary vortices forming due to the vortex flow in the four corners within the second flow channel section, which improve the mixing of the various respiratory gas components.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Mischvorrichtung ist der erste Strömungskanalabschnitt und/oder der zweite Strömungskanalabschnitt zumindest abschnittsweise in Form eines Zylinders, eines Kegelstumpfes oder eines Pyramidenstumpfes ausgebildet. Ein im Wesentlichen kreisförmiger Querschnitt des ersten und/oder zweiten Strömungskanalabschnittes hat den Vorteil, dass beispielsweise Atemgasschläuche einfacher an den Einlässen und/oder am Auslass der Mischvorrichtung anzubringen sind. Besonders von Vorteil ist ein zumindest teilweise kreisförmiger Querschnitt des zweiten Strömungskanalabschnittes, wobei sich eine besonders stabile Wirbelströmung ausbildet, die zumindest abschnittsweise spiralförmig und vom zweiten Strömungskanalabschnitt geführt in Richtung des Auslasses strömt. In a preferred embodiment of the mixing device, the first flow channel section and/or the second flow channel section is at least partially designed in the form of a cylinder, a truncated cone or a truncated pyramid. A substantially circular The cross-section of the first and/or second flow channel section has the advantage that, for example, breathing gas hoses can be attached more easily to the inlets and/or outlet of the mixing device. An at least partially circular cross-section of the second flow channel section is particularly advantageous, whereby a particularly stable vortex flow is formed, which flows at least in sections in a spiral shape and guided by the second flow channel section in the direction of the outlet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Mischvorrichtung weisen die wenigstens zwei Einlässe einen nahezu kreisförmigen Querschnitt auf. Dies hat den Vorteil, dass Atemgasschläuche besonders einfach an die Einlässe anzubringen sind. According to a preferred embodiment of the mixing device, the at least two inlets have an almost circular cross-section. This has the advantage that breathing gas hoses can be attached to the inlets particularly easily.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Mischvorrichtung verringert sich der Querschnitt des ersten Strömungskanalabschnittes bis zu dem Übergang zu dem zweiten Strömungskanalabschnitt um mehr als 50%. Vorzugsweise verringert sich der Querschnitt gleichmäßig vom Bereich der Einlässe bis zum Übergang zu dem zweiten Strömungskanalabschnitt. Ferner ist denkbar, dass die Verringerung des Querschnittes nur einen Teilberiech des ersten Strömungskanalabschnittes betrifft. Beispielsweise verringert sich der Querschnitt von der Mitte des ersten Strömungskanalabschnittes bis zum Übergang zu dem zweiten Strömungskanalabschnitt um mehr als 50%. Denkbar ist auch, dass die Verringerung des Querschnittes erst kurz vor dem Übergang zu dem zweiten Strömungskanalabschnitt ausgebildet ist. In a preferred embodiment of the mixing device, the cross section of the first flow channel section is reduced by more than 50% up to the transition to the second flow channel section. The cross section is preferably reduced evenly from the area of the inlets to the transition to the second flow channel section. It is also conceivable that the reduction in the cross section only affects a partial area of the first flow channel section. For example, the cross section is reduced by more than 50% from the middle of the first flow channel section to the transition to the second flow channel section. It is also conceivable that the reduction in the cross section is only formed shortly before the transition to the second flow channel section.
Der besondere Vorteil der Verringerung des Querschnittes um mehr als 50% ist, dass der daraus resultierende Strömungsimpuls der geschichteten Strömung stark genug ist, um eine Ausbildung der Wirbelströmung im zweiten Strömungskanalabschnitt zu fördern. Insbesondere für typische Volumenströme eines Beatmungs- oder Anästhesiegeräts im Bereich von 1 l/min bis 180 l/min kann somit vorteilhaft eine Wirbelströmung erzeugt werden. The particular advantage of reducing the cross-section by more than 50% is that the resulting flow impulse of the layered flow is strong enough to promote the formation of the vortex flow in the second flow channel section. In particular for typical volume flows of a ventilation or anesthesia device in the range of 1 l/min to 180 l/min, a vortex flow can thus be advantageously generated.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Mischvorrichtung umfassen der erste Strömungskanalabschnitt und/oder der zweite Strömungskanalabschnitt ein Mischelement zum Durchmischen der Atemgaskomponenten. Mischelemente können beispielsweise statische Mischer sein oder ähnliche Geometrien, die in den ersten und/oder zweiten Strömungskanalabschnitt integriert sind. Dabei trifft die geschichtete Strömung des ersten Strömungskanalabschnittes und/oder die Wirbelströmung des zweiten Strömungskanalabschnittes auf ein Mischelement und es findet eine zusätzliche Durchmischung der Atemgaskomponenten statt. Auf vorteilhafte Weise wird eine verbesserte Vermischung der Atemgaskomponenten am Auslass der Mischvorrichtung durch ein geeignetes Mischelement erreicht, ohne die Mischvorrichtung zu vergrößern und zusätzlichen Bauraum beim Einbau in ein Beatmungs- oder Anästhesiegerät vorsehen zu müssen. Dabei sollten die Außenabmessungen des Mischelementes dem Innenumfang des ersten oder zweiten Strömungskanalabschnittes entsprechen oder kleiner sein. Ferner sollte das Mischelement einen möglichst geringen Strömungswiderstand aufweisen. Es ist denkbar ein oder mehrere Mischelemente in den ersten und/oder zweiten Strömungskanalabschnitt zu integrieren. Ferner ist denkbar, dass die Mischelemente innerhalb der Mischvorrichtung einen unterschiedlichen Aufbau haben. According to a preferred embodiment of the mixing device, the first flow channel section and/or the second flow channel section comprise a mixing element for mixing the respiratory gas components. Mixing elements can be, for example, static mixers or similar geometries that are integrated into the first and/or second flow channel section. The layered flow of the first flow channel section and/or the vortex flow of the second flow channel section encounters a mixing element and additional mixing of the respiratory gas components takes place. In an advantageous manner, improved mixing of the respiratory gas components at the outlet of the mixing device is achieved by a suitable mixing element without enlarging the mixing device and having to provide additional installation space when installing it in a ventilation or anesthesia device. The external dimensions of the mixing element should correspond to or be smaller than the internal circumference of the first or second flow channel section. Furthermore, the mixing element should have as little flow resistance as possible. It is conceivable to integrate one or more mixing elements into the first and/or second flow channel section. It is also conceivable that the mixing elements within the mixing device have a different structure.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Mischvorrichtung sind die wenigstens zwei Einlässe im Wesentlichen nebeneinander angeordnet, woraus sich eine geschichtete Strömung der Atemgaskomponenten im ersten Strömungskanalabschnitt ergibt. Durch eine solche Anordnung der Einlässe ergibt sich eine besondere geschichtete Strömung, bei der die Atemgaskomponentenströme im Wesentlichen nebeneinander verlaufen und deren Strömungsgeschwindigkeit nahezu gleich bleibt, die Strömung also nicht abgeschwächt wird. Dies fördert vorteilhaft die Ausbildung einer Wirbelwalze im zweiten Strömungskanalabschnitt. In a preferred embodiment of the mixing device, the at least two inlets are arranged essentially next to one another, resulting in a layered flow of the respiratory gas components in the first flow channel section. Such an arrangement of the inlets results in a special layered flow in which the respiratory gas component flows essentially run next to one another and their flow speed remains almost the same, i.e. the flow is not weakened. This advantageously promotes the formation of a vortex roller in the second flow channel section.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Mischvorrichtung ist den wenigstens zwei Einlässen des ersten Strömungskanalabschnittes jeweils ein Puffervolumen nachgelagert und ein Querschnitt der Puffervolumen im Wesentlichen kreisförmig. Vorzugsweise sind die Puffervolumen zylinderförmig und die Atemgaskomponentenströme strömen bevorzugt von den Einlässen unmittelbar in die Puffervolumen. Die Querschnitte der Puffervolumen entsprechen bevorzugt dem Querschnitt des jeweiligen Einlasses, so dass das jeweilige Puffervolumen möglichst schnell mit der einströmenden Atemgaskomponente auffüllbar ist. Dabei weisen die Puffervolumen vorzugsweise jeweils eine Größe im Bereich von 25 bis 35 ml, besonders bevorzugt 30 ml auf. Die Atemgaskomponentenströme werden über die Einlässe in jeweils ein Puffervolumen eingeleitet, welches sich mit der entsprechenden Atemgaskomponente füllt. Beim Austritt der Atemgaskomponentenströme aus den Puffervolumen innerhalb des ersten Strömungskanalabschnittes bildet sich ebenfalls eine geschichtete Strömung aus. Dies kann beispielsweise durch die Anordnung der Austritte der Puffervolumen oder durch die Form des ersten Strömungskanalabschnittes realisiert sein. Ferner besteht zwischen den Puffervolumen eine Fluidkommunikation in Form eines Strömungskanals, der tangential in die Puffervolumen mündet. Durch den Strömungskanal findet zwischen den Puffervolumen ein Austausch der jeweiligen Atemgaskomponenten statt, wobei eine Atemgaskomponentenströmung über den Strömungskanal vom einen zum anderen Puffervolumen strömt. Es ist denkbar den Strömungskanal zwischen den Puffervolumen zu verschließen, sofern ein Austausch darüber nicht notwendig ist. According to a preferred embodiment of the mixing device, a buffer volume is arranged downstream of the at least two inlets of the first flow channel section and a cross section of the buffer volume is essentially circular. The buffer volumes are preferably cylindrical and the respiratory gas component streams preferably flow from the inlets directly into the buffer volumes. The cross sections of the buffer volumes preferably correspond to the cross-section of the respective inlet, so that the respective buffer volume can be filled as quickly as possible with the inflowing respiratory gas component. The buffer volumes preferably each have a size in the range of 25 to 35 ml, particularly preferably 30 ml. The respiratory gas component flows are introduced via the inlets into a buffer volume, which is filled with the corresponding respiratory gas component. When the respiratory gas component flows exit the buffer volumes within the first flow channel section, a layered flow is also formed. This can be achieved, for example, by the arrangement of the outlets of the buffer volumes or by the shape of the first flow channel section. Furthermore, there is fluid communication between the buffer volumes in the form of a flow channel that opens tangentially into the buffer volumes. An exchange of the respective respiratory gas components takes place between the buffer volumes through the flow channel, with a respiratory gas component flow flowing via the flow channel from one buffer volume to the other. It is conceivable to close the flow channel between the buffer volumes if an exchange across it is not necessary.
Ferner betrifft die Erfindung ein Beatmungs- oder Anästhesiegerät mit einer Mischvorrichtung, die gemäß einer der zuvor beschriebenen Ausführungsformen gestaltet ist. Die bei der Beatmung notwendigen Atemgaskomponenten werden beispielsweise über eine zentrale Gasversorgung, ein Gebläse und/oder eine angeschlossene Gasflasche in das Beatmungs- oder Anästhesiegerät geleitet und entsprechend den Bedürfnissen eines Patienten aufbereitet. Dazu gehört etwa das Einstellen einer bestimmten Konzentration von Sauerstoff, welcher zum Beispiel mit Luft in die Mischvorrichtung geleitet wird, so dass in dem schließlich am Auslass der Mischvorrichtung gebildeten Atemgasstrom die vorher eingestellte Sauerstoffkonzentration erreicht wird. Die Mischvorrichtung vermischt die Atemgaskomponenten, beispielsweise Sauerstoff und Luft, und ermöglicht eine genaue Bestimmung der Konzentration einer Atemgaskomponente des über den Auslass ausströmenden Atemgasstroms der Mischvorrichtung, da die unterschiedlichen Atemgaskomponenten nahezu gleichmäßig über den Strömungsquerschnitt verteilt sind. Dabei werden die Atemgaskomponentenströme, beispielsweise Luft, Sauerstoff und/oder ein Anästhesiegas, über die Einlässe der Mischvorrichtung in den ersten Strömungskanalabschnitt geleitet. Denkbar ist, dass die Mischvorrichtung mehr als zwei Einlässe aufweist und somit mehr als zwei Atemgaskomponenten vermischen kann, beispielsweise drei Atemgaskomponenten oder mehr. Die Atemgaskomponentenströme im ersten Strömungskanalabschnitt erfahren auf dem Weg zum Übergang zum zweiten Strömungskanalabschnitt eine Beschleunigung, die durch eine zumindest abschnittsweise Verringerung des Querschnittes des ersten Strömungskanalabschnittes erreicht wird. Die Beschleunigung bewirkt einen Anstieg des Strömungsimpulses und trägt gemeinsam mit einer gerichteten Einleitung der Atemgaskomponentenströme in den zweiten Strömungskanalabschnitt zu einer Ausbildung einer Wirbelströmung bei. Dabei werden die Atemgaskomponentenströme bevorzugt tangential in den zweiten Strömungskanalabschnitt geleitet. Der zweite Strömungskanalabschnitt ist gegenüber dem ersten Strömungskanalabschnitt geneigt angeordnet, sodass die eingeleiteten Atemgaskomponentenströme auf einen dem Übergang vom ersten in den zweiten Strömungskanalabschnitt, also einem Auslass des ersten Strömungskanalabschnittes, in Strömungsrichtung zumindest teilweise gegenüberliegenden Innenwandbereich des zweiten Strömungskanalabschnittes treffen. Dadurch werden die Atemgaskomponentenströme umgelenkt sowie in eine rotierende Bewegung um eine Längsmittenachse des zweiten Strömungskanalabschnittes versetzt und es bildet sich eine Wirbelströmung aus. Die Wirbelströmung strömt zumindest abschnittsweise spiralförmig in Richtung des Auslasses der Mischvorrichtung. Der auf vorteilhafte Weise vermischte Atemgasstrom verlässt die Mischvorrichtung über den Auslass und strömt beispielsweise entlang eines Sauerstoffsensors zur Bestimmung der Sauerstoffkonzentration, bevor der vermischte Atemgasstrom dem Patienten zugeführt wird. Durch die besonders gute Vermischung der Atemgaskomponenten im Atemgasstrom können beispielsweise Fehlalarme aufgrund von im Atemgasstrom vorhandene Konzentrationsgradienten und dadurch verursachte lokale Konzentrationsspitzen im Atemgasstrom vermieden werden. Ferner vereinfacht eine gemessene Atemgaskonzentration ohne solche Konzentrationsspitzen durch ungenügende Vermischung eine Regelung des Konzentrationsverhältnisses der Atemgaskomponenten, da die Konzentrationswerte in diesem Fall nicht gemittelt und/oder gefiltert werden müssen. The invention further relates to a ventilator or anesthesia device with a mixing device which is designed according to one of the previously described embodiments. The respiratory gas components required for ventilation are fed into the ventilator or anesthesia device, for example via a central gas supply, a blower and/or a connected gas bottle, and are prepared according to the needs of a patient. This includes setting a certain concentration of oxygen, which is fed into the mixing device with air, for example, so that the previously set oxygen concentration is achieved in the respiratory gas stream finally formed at the outlet of the mixing device. The mixing device mixes the respiratory gas components, for example oxygen and air, and enables an accurate determination of the concentration of a respiratory gas component of the respiratory gas stream of the mixing device flowing out via the outlet, since the different respiratory gas components are distributed almost evenly over the flow cross-section. The respiratory gas component flows, for example air, oxygen and/or an anesthetic gas, are guided into the first flow channel section via the inlets of the mixing device. It is conceivable that the mixing device has more than two inlets and can thus mix more than two respiratory gas components, for example three respiratory gas components or more. The respiratory gas component flows in the first flow channel section experience an acceleration on the way to the transition to the second flow channel section, which is achieved by at least partially reducing the cross-section of the first flow channel section. The acceleration causes an increase in the flow impulse and, together with a directed introduction of the respiratory gas component flows into the second flow channel section, contributes to the formation of a vortex flow. The respiratory gas component flows are preferably guided tangentially into the second flow channel section. The second flow channel section is arranged at an angle to the first flow channel section, so that the introduced respiratory gas component flows hit an inner wall area of the second flow channel section that is at least partially opposite the transition from the first to the second flow channel section, i.e. an outlet of the first flow channel section, in the direction of flow. As a result, the respiratory gas component flows are diverted and set in a rotating movement about a longitudinal center axis of the second flow channel section and a vortex flow is formed. The vortex flow flows at least in sections in a spiral shape in the direction of the outlet of the mixing device. The advantageously mixed respiratory gas flow leaves the mixing device via the outlet and flows, for example, along an oxygen sensor to determine the oxygen concentration before the mixed respiratory gas flow is supplied to the patient. Due to the particularly good mixing of the respiratory gas components in the respiratory gas flow, false alarms due to concentration gradients present in the respiratory gas flow and local concentration peaks in the respiratory gas flow caused by this can be avoided. Furthermore, a measured respiratory gas concentration without such concentration peaks due to insufficient mixing allows a regulation of the concentration ratio of the respiratory gas components, since the concentration values in this case do not have to be averaged and/or filtered.
Im Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Mischvorrichtung, wobei zumindest ein Herstellungsschritt Teil eines Spritzguss-Verfahrens oder 3D-Druck-Verfahrens ist. Das Spritzguss-Verfahren bietet sich vorteilhaft bei der Herstellung einer großen Anzahl von Mischvorrichtungen an. Das 3D-Druck-Verfahren ist für eine möglichst schnelle Herstellung von Vorteil. Die erfindungsmäße Mischvorrichtung ist so ausgestaltet, dass beide Herstellverfahren mit wenig Aufwand umgesetzt werden können. The invention further relates to a method for producing such a mixing device, wherein at least one production step is part of an injection molding process or 3D printing process. The injection molding process is advantageous for producing a large number of mixing devices. The 3D printing process is advantageous for producing as quickly as possible. The mixing device according to the invention is designed in such a way that both production processes can be implemented with little effort.
Weitere Merkmale, Aufgaben und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren. Es werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, ohne den allgemeinen Erfindungsgedanken zu beschränken. Further features, objects and effects of the invention emerge from the description and the accompanying figures. Embodiments of the invention are described without restricting the general inventive concept.
In den Figuren zeigt: In the figures shows:
Fig. 1 : eine schematische, transparente Darstellung einer Mischvorrichtung mit Stromliniendarstellung der Atemgasströmung, Fig. 1 : a schematic, transparent representation of a mixing device with streamline representation of the respiratory gas flow,
Fig. 2: eine schematische Darstellung eines Schnittes der Strömungskanalabschnitte einer Mischvorrichtung mit Stromliniendarstellung der Atemgasströmung, Fig. 2: a schematic representation of a section of the flow channel sections of a mixing device with streamline representation of the respiratory gas flow,
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Mischvorrichtung mit Puffervolumen, und Fig. 4: eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer Mischvorrichtung mit Mischelementen. Fig. 3: a schematic representation of a preferred embodiment of a mixing device with buffer volume, and Fig. 4: a schematic representation of a preferred embodiment of a mixing device with mixing elements.
Nachstehend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren im Einzelnen beschrieben. Dabei sind gleichartige Bauteile in mehreren Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Embodiments of the invention are described in detail below with reference to the accompanying figures. Similar components in several figures are each provided with the same reference numerals.
In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand einer schematischen Darstellung einer Mischvorrichtung 1 abgebildet, wobei das Gehäuse der Mischvorrichtung 1 transparent dargestellt ist und zusätzlich die Stromlinien 13a, 13b, 13c, 14a, 14b, 14c der strömenden Atemgase gezeigt sind. Dabei sind exemplarische drei Stromlinien 13a, 13b, 13c eines ersten Atemgaskomponentenstroms sowie drei Stromlinien 14a, 14b, 14c eines zweiten Atemgaskomponentenstroms gezeigt, wobei sich die Stromlinien der beiden Atemgaskomponentenströme zu einem Atemgasstrom vermischen, wie nachfolgend beschrieben. Die Mischvorrichtung 1 umfasst einen ersten Einlass 2 und einen zweiten Einlass 3 zur Einleitung zweier Atemgaskomponenten, einen ersten Strömungskanalabschnitt 4, einen zweiten Strömungskanalabschnitt 5 sowie einen Übergang 6 vom ersten in den zweiten Strömungskanalabschnitt 4, 5. Ferner weist die Mischvorrichtung 1 einen Auslass 7 zur Ableitung des vermischten Atemgases auf. In Fig. 1, a preferred embodiment is shown using a schematic representation of a mixing device 1, wherein the housing of the mixing device 1 is shown transparently and the streamlines 13a, 13b, 13c, 14a, 14b, 14c of the flowing respiratory gases are also shown. Three exemplary streamlines 13a, 13b, 13c of a first respiratory gas component stream and three streamlines 14a, 14b, 14c of a second respiratory gas component stream are shown, wherein the streamlines of the two respiratory gas component streams mix to form one respiratory gas stream, as described below. The mixing device 1 comprises a first inlet 2 and a second inlet 3 for introducing two respiratory gas components, a first flow channel section 4, a second flow channel section 5 and a transition 6 from the first to the second flow channel section 4, 5. Furthermore, the mixing device 1 has an outlet 7 for discharging the mixed respiratory gas.
In dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 werden die Atemgaskomponenten Luft und Sauerstoff vermischt. Dabei wird Luft durch den ersten Einlass 2 und Sauerstoff durch den zweiten Einlass 3 in den ersten Strömungskanalabschnitt 4 eingeleitet. Die Ausgestaltung des ersten Einlasses 2 und des zweiten Einlasses 3 bewirkt, dass die Atemgaskomponentenströme von Luft und Sauerstoff im ersten Strömungskanalabschnitt 4 im Wesentlichen nebeneinander verlaufen und sich eine geschichtete Strömung 11 mit einem Bereich ausbildet, in dem die Atemgaskomponentenströme aneinandergrenzen. Der Querschnitt des ersten Strömungskanalabschnittes 4 verringert sich stromabwärts bis zum Übergang 6, wodurch die geschichtete Strömung beschleunigt wird. Die beschleunigte, geschichtete Strömung 11 strömt anschließend tangential in den zweiten Strömungskanalabschnitt 5. Dabei wird die geschichtete Strömung durch die Verringerung des Querschnittes des ersten Strömungskanalabschnittes 4 derart in den zweiten Strömungskanalabschnitt 5 eingeleitet, dass sie zunächst hauptsächlich entlang eines ersten Innenwandbereiches 9 verläuft. Anschließend trifft die geschichtete Strömung 11 auf einen zweiten Innenwandbereich 10, der nahezu senkrecht zur Strömungsrichtung der geschichteten Strömung 11 angeordnet ist. Dadurch wird die geschichtete Strömung 11 derart umgelenkt, dass sich eine Wirbelströmung 12 ausbildet, also eine Strömung, die kreisförmig um eine Achse verläuft. Die Wirbelströmung 12 strömt spiralförmig um eine Längsmittenachse 8 des zweiten Strömungskanalabschnittes 5 in Richtung des Auslasses 7, wobei sich die Atemgaskomponenten Luft und Sauerstoff innerhalb der Wirbelströmung 12 vermischen. In the embodiment in Fig. 1, the respiratory gas components air and oxygen are mixed. Air is introduced into the first flow channel section 4 through the first inlet 2 and oxygen through the second inlet 3. The design of the first inlet 2 and the second inlet 3 means that the respiratory gas component flows of air and oxygen run essentially next to each other in the first flow channel section 4 and a layered flow 11 is formed with an area in which the respiratory gas component flows adjoin one another. The cross section of the first flow channel section 4 decreases downstream to the transition 6, whereby the layered flow is accelerated. The accelerated, layered flow 11 then flows tangentially into the second flow channel section 5. the layered flow is introduced into the second flow channel section 5 by reducing the cross-section of the first flow channel section 4 in such a way that it initially runs mainly along a first inner wall region 9. The layered flow 11 then encounters a second inner wall region 10, which is arranged almost perpendicular to the flow direction of the layered flow 11. As a result, the layered flow 11 is deflected in such a way that a vortex flow 12 is formed, i.e. a flow that runs in a circle around an axis. The vortex flow 12 flows spirally around a longitudinal center axis 8 of the second flow channel section 5 in the direction of the outlet 7, with the respiratory gas components air and oxygen mixing within the vortex flow 12.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Schnittes der Strömungskanalabschnitte der Mischvorrichtung 1 inklusive einer Stromliniendarstellung der Atemgasströmung 21 , 22. Dabei ist eine seitliche Ansicht der Mischvorrichtung dargestellt, die eine Draufsicht in Richtung des Verlaufs der Längsmittenachse 8 des zweiten Strömungskanalabschnittes 5 gemäß Fig. 1 zeigt. Die Atemgaskomponenten Luft und Sauerstoff werden über den ersten Einlass 2 und den zweiten Einlass 3 in den ersten Strömungskanalabschnitt 4 geleitet, in dem sich eine erste Atemgaskomponentenströmung 21 und eine zweite Atemgaskomponentenströmung 22 ausbilden. Die geschichteten Atemgaskomponentenströme 21 , 22, die einen flächigen Kontaktbereich aufweisen, strömen in Pfeilrichtung zum Übergang 6 und vom ersten in den zweiten Strömungskanalabschnitt 4, 5, wobei sie durch eine Verringerung des Querschnittes des ersten Strömungskanalabschnittes 4 eine Beschleunigung erfahren. Durch diese Beschleunigung erhalten die Atemgaskomponentenströme 21 , 22 einen erhöhten Strömungsimpuls und werden in den zum ersten Strömungskanalabschnitt 4 geneigten zweiten Strömungskanalabschnitt 5 geleitet, sodass die geschichteten Atemgaskomponentenströme 21 , 22 auf einen Innenwandbereich des zweiten Strömungskanalabschnittes 5 treffen, umgelenkt werden und sich schließlich eine Wirbelströmung 12, die sich in Richtung des Auslasses 7 fortpflanzt, ausbildet. Innerhalb der Wirbelströmung 12 vervielfachen sich die angrenzenden Berührungsflächen der geschichteten Atemgaskomponentenströme 21 , 22, wobei sich die verschiedenen Atemgaskomponenten Luft und Sauerstoff auf besonders vorteilhafte Weise vermischen. Ursächlich dafür ist der durch die Wirbelströmung 12 entstehende konvektiven Transport der Atemgaskomponenten der Atemgaskomponentenströme 21 , 22. Durch diesen konvektiven Transport, als besonders starken Transportmechanismus, verteilen sich die Atemgaskomponenten nahezu gleichmäßig im zweiten Strömungskanalabschnitt 5, wodurch sich der Kontaktbereich der Atemgaskomponentenströme 21 , 22 vergrößert und eine verstärkte Vermischung der Atemgaskomponenten durch Diffusion stattfindet. Fig. 2 shows a schematic representation of a section of the flow channel sections of the mixing device 1 including a streamline representation of the respiratory gas flow 21, 22. A side view of the mixing device is shown, which shows a plan view in the direction of the longitudinal center axis 8 of the second flow channel section 5 according to Fig. 1. The respiratory gas components air and oxygen are guided via the first inlet 2 and the second inlet 3 into the first flow channel section 4, in which a first respiratory gas component flow 21 and a second respiratory gas component flow 22 are formed. The layered respiratory gas component flows 21, 22, which have a flat contact area, flow in the direction of the arrow to the transition 6 and from the first to the second flow channel section 4, 5, wherein they experience acceleration due to a reduction in the cross section of the first flow channel section 4. Due to this acceleration, the respiratory gas component streams 21, 22 receive an increased flow impulse and are guided into the second flow channel section 5, which is inclined to the first flow channel section 4, so that the layered respiratory gas component streams 21, 22 meet an inner wall region of the second flow channel section 5, are deflected and finally a vortex flow 12, which propagates in the direction of the outlet 7, forms. Within the vortex flow 12, the adjacent contact surfaces of the layered respiratory gas component flows 21, 22 multiply, with the various respiratory gas components air and oxygen mixing in a particularly advantageous manner. The reason for this is the convective transport of the respiratory gas components of the respiratory gas component flows 21, 22 caused by the vortex flow 12. As a result of this convective transport, as a particularly strong transport mechanism, the respiratory gas components are distributed almost evenly in the second flow channel section 5, whereby the contact area of the respiratory gas component flows 21, 22 is increased and an increased mixing of the respiratory gas components takes place through diffusion.
In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Mischvorrichtung 30 abgebildet. Zur besseren Verdeutlichung ist ein Teil der Mischvorrichtung 30 ausgeblendet, so dass der innere Aufbau erkennbar ist. Die Mischvorrichtung 30 umfasst einen ersten Einlass 2 und einen zweiten Einlass 3 zur Einleitung zweier Atemgaskomponenten, einen ersten Strömungskanalabschnitt 4, einen zweiten Strömungskanalabschnitt 5, einen Übergang 6 vom ersten in den zweiten Strömungskanalabschnitt 4, 5 sowie einen Auslass 7 zur Ableitung des vermischten Atemgases. Ferner umfasst die Mischvorrichtung 30 ein erstes Puffervolumen 31 , welches dem ersten Einlass 2 in Strömungsrichtung nachgeschaltet ist und ein zweites Puffervolumen 32, welches dem zweiten Einlass in Strömungsrichtung nachgeschaltet ist sowie einen Strömungskanal 34 zwischen den Puffervolumen 31 , 32. Zusätzlich ist ein strömungsführendes Element 33 im ersten Strömungskanalabschnitt 4 integriert. Dieses strömungsführende Element 33 verringert den Querschnitt des ersten Strömungskanalabschnittes 4 und ändert die Verlaufsrichtung des ersten Strömungskanalabschnittes 4 derart, dass Atemgaskomponentenströmungen aus dem ersten Strömungskanalabschnitt 4 tangential in den zweiten Strömungskanalabschnitt 5 geleitet werden und sich eine Wirbelströmung im zweiten Strömungskanalabschnitt 5 ausbildet. In dieser Wirbelströmung vermischen sich verschiedenen Atemgaskomponenten und ein vermischter Atemgasstrom verlässt die Mischvorrichtung 30 über den Auslass 7. Fig. 3 shows a schematic representation of a preferred embodiment of a mixing device 30 according to the invention. For better clarity, part of the mixing device 30 has been hidden so that the internal structure can be seen. The mixing device 30 comprises a first inlet 2 and a second inlet 3 for introducing two respiratory gas components, a first flow channel section 4, a second flow channel section 5, a transition 6 from the first to the second flow channel section 4, 5 and an outlet 7 for discharging the mixed respiratory gas. The mixing device 30 also comprises a first buffer volume 31, which is connected downstream of the first inlet 2 in the flow direction, and a second buffer volume 32, which is connected downstream of the second inlet in the flow direction and a flow channel 34 between the buffer volumes 31, 32. In addition, a flow-guiding element 33 is integrated in the first flow channel section 4. This flow-guiding element 33 reduces the cross-section of the first flow channel section 4 and changes the direction of the first flow channel section 4 in such a way that respiratory gas component flows from the first flow channel section 4 are guided tangentially into the second flow channel section 5 and a vortex flow is formed in the second flow channel section 5. In this vortex flow Different breathing gas components mix and a mixed breathing gas stream leaves the mixing device 30 via the outlet 7.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäß ausgeführten Mischvorrichtung 40, wobei die Mischvorrichtung 40 zur besseren Verdeutlichung transparent dargestellt ist. Die Mischvorrichtung 40 umfasst ebenfalls einen ersten Einlass 2 und einen zweiten Einlass 3 zur Einleitung zweier Atemgaskomponenten, einen ersten Strömungskanalabschnitt 4, einen zweiten Strömungskanalabschnitt 5, einen Übergang 6 vom ersten in den zweiten Strömungskanalabschnitt 4, 5 sowie einen Auslass 7 zur Ableitung des vermischten Atemgases. In diesem Ausführungsbeispiel sind ein erstes Mischelement 41 im ersten Strömungskanalabschnitt 4 und ein zweites Mischelement 42 im zweiten Strömungskanalabschnitt integriert. Das erste und das zweite Mischelement 41 , 42 sind in Form statischer Mischer, die keine bewegbaren Teile aufweisen, ausgeführt. Das erste Mischelemente 41 bewirkt eine zusätzliche Vermischung der verschiedenen Atemgaskomponenten, indem sie die geschichtete Strömung 11 , welche die Atemgaskomponentenströme 21 , 22 beinhaltet, wie in Fig. 2 dargestellt, in verschiedene Richtungen umlenkt, so dass sich die Atemgaskomponentenströme kreuzen und somit bereits im ersten Strömungskanalabschnitt 4 eine Verteilung und Vermischung der Atemgaskomponenten geschaffen wird. In ähnlicher Weise entsteht eine zusätzliche Vermischung der Atemgaskomponenten innerhalb der Wirbelströmung 12, wie sie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt ist, durch ein zweites Mischelement 42 im zweiten Strömungskanalabschnitt 5. Dort wird die Wirbelströmung 12 durch ein Geflecht aus mehreren Strömungskanälen, die in unterschiedliche Richtungen verlaufen geleitet, wodurch die Atemgaskomponenten ebenfalls verteilt werden und sich eine zusätzliche Vermischung ergibt. Fig. 4 shows a schematic representation of another preferred embodiment of a mixing device 40 designed according to the invention, wherein the mixing device 40 is shown transparent for better clarity. The mixing device 40 also comprises a first inlet 2 and a second inlet 3 for introducing two respiratory gas components, a first flow channel section 4, a second flow channel section 5, a transition 6 from the first to the second flow channel section 4, 5 and an outlet 7 for discharging the mixed respiratory gas. In this embodiment, a first mixing element 41 is integrated in the first flow channel section 4 and a second mixing element 42 is integrated in the second flow channel section. The first and second mixing elements 41, 42 are designed in the form of static mixers that have no moving parts. The first mixing element 41 causes an additional mixing of the various respiratory gas components by diverting the layered flow 11, which contains the respiratory gas component flows 21, 22, as shown in Fig. 2, in different directions, so that the respiratory gas component flows cross and thus a distribution and mixing of the respiratory gas components is already created in the first flow channel section 4. In a similar way, an additional mixing of the respiratory gas components within the vortex flow 12, as shown for example in Fig. 1, is created by a second mixing element 42 in the second flow channel section 5. There, the vortex flow 12 is guided through a network of several flow channels that run in different directions, whereby the respiratory gas components are also distributed and additional mixing occurs.
1 Mischvorrichtung 1 mixing device
2 erster Einlass 2 first entry
3 zweiter Einlass 3 second inlet
4 erster Strömungskanalabschnitt 4 first flow channel section
5 zweiter Strömungskanalabschnitt 5 second flow channel section
6 Übergang 6 transition
7 Auslass 7 outlet
8 Längsmittenachse 8 longitudinal center axis
9 erster Innenwandbereich 9 first interior wall area
10 zweiter Innenwandbereich 10 second interior wall area
11 geschichtete Strömung 11 stratified flow
12 Wirbelwalze 12 vortex roller
13a, 13b, 13c Stromlinien einer ersten Atemgaskomponentenströmung13a, 13b, 13c Streamlines of a first respiratory gas component flow
14a, 14b, 14c Stromlinien einer zweiten Atemgaskomponentenströmung14a, 14b, 14c Streamlines of a second respiratory gas component flow
21 erste Atemgaskomponentenströmung 21 first respiratory gas component flow
22 zweite Atemgaskomponentenströmung 22 second respiratory gas component flow
30 bevorzugte Ausführungsform einer Mischvorrichtung30 preferred embodiment of a mixing device
31 erstes Puffervolumen 31 first buffer volume
32 zweites Puffervolumen 32 second buffer volume
33 strömungsführendes Element 33 flow-guiding element
34 Strömungskanal zwischen den Puffervolumen 34 Flow channel between the buffer volumes
40 weitere bevorzugte Ausführungsform einer Mischvorrichtung 40 further preferred embodiment of a mixing device
41 erstes Mischelement 41 first mixing element
42 zweites Mischelement 42 second mixing element
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