DE10032913C2 - Gasfördereinheit für ein Beatmungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gasfördereinheit für ein Beatmungssystem mit einem elektrisch angetriebenen Rotationsverdichter, wie beispielsweise in der US 5,875,783 beschrieben.

Derartige Gasfördereinheiten werden insbesondere im Bereich der Medizin und vorzugsweise in Anästhesiegeräten eingesetzt, wo in der Regel teure Anästhesiemittel verwendet werden und deshalb die Führung der ausgeatmeten und der neu hinzugefügten Frischgase im Kreisbetrieb besonders erwünscht ist. Der Einsatz von Rotationsverdichtern als Gasfördereinheit in Beatmungssystemen ist sehr vorteilhaft, weil entsprechend bemessene Rotationsverdichter besonders geeignet sind, der Spontanatmung eines Patienten mit einer Drehzahländerung schnell zu folgen.

Ein Nachteil der bisher bekannten Rotationsverdichter in Beatmungssystemen besteht in der mechanischen Lagerung, die nicht wasch- und sterilisierbar ist. Zusätzlich wird der für die mechanischen Wälzlager erforderliche Lager- Schmierstoff bei der erforderlichen Reinigung unbrauchbar.

Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten mechanischen Lagerung ergibt sich durch die entstehenden Geräuschemissionen insbesondere bei hohen Drehzahlen.

Desweiteren ist auch in offenen Atemsystemen ohne Rückatmung eine Trennung zwischen den elektrischen Bauteilen des Beatmungssystems beziehungsweise deren Gasfördereinheit und dem Atemgas erforderlich, weil das Atemgas im allgemeinen eine erhöhte Sauerstoffkonzentration aufweist und deshalb ohne Trennung im Falle eines Isolationsschadens Brandgefahr besteht.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Gasfördereinheit für ein Beatmungssystem vorzuschlagen, die geräuscharm gelagert und zugleich wasch- und sterilisierfähig ist und eine sichere Trennung des Atemgases von den elektrischen Bauteilen sicherstellt.

Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1 oder 2. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung nach Anspruch 1 und 2 an.

Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich dadurch, dass der als Gasfördereinheit wirkende Rotationsverdichter mit Hilfe von magnetischen Wechselwirkungen schwebend gelagert ist und elektrisch, genauer elektromagnetisch berührungslos angetrieben wird. Dank der schwebenden Lagerung gibt es praktisch keine Begrenzung der Lebensdauer.

Darüber hinaus erlaubt die erfindungsgemäße Lösung, dass die vom Atemgas durchströmten Bauteile im Feldeinsatz demontiert, gereinigt, sterilisiert und wieder montiert werden, so dass die Gasfördereinheit für das Beatmungssystem auch im Kreisbetrieb sicher, geräuscharm, hygienisch und bequem eingesetzt werden kann.

Die besondere erfindungsgemäße Ausgestaltung der Gasfördereinheit mittels des magnetisch gelagerten Rotationsverdichters wird mit Hilfe eines Spalttopfes und einer feststehenden Dichtung zwischen dem Rotationsverdichter und den ruhenden Bauteilen von Lagerung und Antrieb realisiert.

Diese Spalttopf-Dichtung muss magnetisch durchflutbar sein, darf nur wenig Wirbelströme erzeugen und ist aus einem Material (Keramik, Kunststoff) gefertigt, welches zusammen mit der Oberfläche des Rotationsverdichters eine gute Gleitpaarung darstellt, um im Notfall des Ausfalls des Magnetlagers ein Abbremsen des Rotationsverdichters ohne viel Reibung und Erwärmung zu ermöglichen.

Die Dichtung besteht aus einem dünnen Spalttopf, welcher sich an der Innenseite des Stators befindet und glattwandig und vorzugsweise zylinderförmig ausgebildet ist. Dieser Spalttopf, in anderen Bereichen der Technik auch als "Spaltrohrdichtung" bezeichnet, wird vom Antriebs- Magnetfeld zyklisch durchflutet, es findet keine Relativbewegung von mechanischen Bauelementen statt. Die Dichtung unterliegt keinerlei Verschleiß und damit auch keiner Lebensdauer-Begrenzung.

Grundsätzlich sind verschiedene Kombinationen von aktiven Magnetlagern mit elektrisch angesteuerten Spulen mit Lagesensoren und von passiven Magnetlagern mit Permanentmagneten möglich. Dabei ist zu bemerken, dass nicht alle sechs möglichen Freiheitsgrade des Rotationsverdichters mit passiven Magnetlagern mit Permanentmagneten in der Schwebe gehalten werden können. Mindestens ein Freiheitsgrad muss aktiv bestromt und lagegeregelt betrieben werden, das heißt es gibt immer mindestens ein aktives Magnetlager mit elektrisch angesteuerten Spulen.

Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Radiallager als aktiv bestromte und lagegeregelte Magnetlager, weil es dadurch möglich ist, den Rotationsverdichter bei hohen Drehzahlen nicht um seine geometrische Drehachse, sondern um seine Hauptträgheitsachse rotieren zu lassen und damit keinerlei durch Unwucht erzeugten Vibrationen zu erzeugen.

Diese Unwuchtkompensation wird durch Verrechnung von Lage- und Strom-Messwerten erreicht und mit Hilfe der Messwerte wird die zeitlich veränderliche Ansteuerung der aktiven Elektromagneten durchgeführt.

Auf diese Art und Weise können die Steifigkeit und die Dämpfung des Magnetlagers beeinflusst werden, so dass ein sogenannter kräftefreier Lauf erreicht wird. Dabei kann es erforderlich sein, die Regelparameter des Magnetlager-Regelkreises in Abhängigkeit von der Drehzahl adaptiv in einem Kennfeld zu verändern.

Die Ansteuerung des aktiven Magnetlager-Teils wird günstigerweise vor dem Antrieb eingeschaltet und betrieben, so dass der Rotationsverdichter erst im Stillstand schwebt und sich dann schwebend dreht.

Bei geringen Drehzahlen wird nur die Lage des Rotors geregelt, bei höheren Drehzahlen wird aus dem Strombedarf der einzelnen Radiallager-Spulen der Unwuchtzustand berechnet und so kompensiert, dass sich der Rotor nicht mehr um seine geometrische Drehachse, sondern um seine Hautträgheitsachse dreht. Störkräfte entstehen bei allen rotierenden Systemen durch Abweichungen beim Rundlauf und durch Toleranzen der Lagesensoren und Lagerspulen. Aktive Magnetlager ermöglichen es, solche periodischen Störkräfte zum Verschwinden zu bringen. Dabei werden die Unwuchtkräfte zum Beispiel aus den Strom-Messwerten im lagegeregelten Betrieb errechnet und damit den Lager-Spulen-Strömen ein gegenphasiger Anteil zusätzlich aufgeschaltet. Ein auf diese Art und Weise geregelter Rotor dreht kräftefrei um seine Hauptträgheitsachse, alle angreifenden Kräfte sind im Gleichgewicht und es wird keine periodische Kraft auf das Gehäuse übertragen.

Als elektrischer Antrieb eignen sich alle Bauformen, die keinen mechanischen Kontakt zwischen Stator und Rotor erfordern, also zum Beispiel der Drehstrom- Asynchronmotor mit Käfigläufer-Rotor oder der bürstenlose, elektronisch kommutierte Gleichstrommotor mit Permanentmagnet-Rotor.

Beim bürstenlosen, elektronisch kommutierten Gleichstrommotor ist der Rotor des Antriebes ein diametral magnetisierter Permanentmagnet, der Antriebs-Stator besteht insbesondere aus drei Antriebs-Spulenpaaren, welche in einem Winkel von 120° zueinander so angeordnet sind, dass der Feldvektor des Antriebs-Spulen-Magnetfeldes um die Achse des Rotors gedreht werden kann. Die Lage des Rotor-Permanentmagneten wird entweder über Hall- Sensoren oder, während der Drehung, durch in den Antriebs-Spulen induzierte Spannungen erkannt. Die einzelnen Antriebs-Spulen werden dann nacheinander zyklisch so bestromt, dass der Rotor sich dreht. Diese zyklische Bestromung in Abhängigkeit von der Rotorlage (Kommutierung) erfolgt verschleißfrei über Halbleiter-Schaltelemente.

Vorteilhaft ist die Magnet-Lagerung besonders im Hinblick auf die Geräusche, die bei gegenwärtigen Beatmungs- und Narkosegeräten in hohem Maß von den Wälzlagern der Gasfördereinrichtung stammen und dann vollständig verschwinden.

Als Gasfördereinrichtung kann grundsätzlich jeder rotierende Verdichter zum Einsatz kommen, insbesondere Radialverdichter, aber auch Seitenkanalverdichter oder Peripheralverdichter.

Die einfache Konstruktion der vom Gas durchströmten Bauteile erlaubt es, diese Teile im Feld zu demontieren, zu reinigen, zu sterilisieren und wieder zu montieren, so dass ein Einsatz in einem Atemkreissystem möglich ist.

Es besteht eine hermetische Trennung zwischen dem Atemgas mit erhöhter Sauerstoffkonzentration und den spannungsführenden und stromdurchflossenen elektrischen Bauelementen.

Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe zweier Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 Einen Schnitt durch eine Gasfördereinheit eines erfindungsgemäßen Beatmungssystems und

Fig. 2 Einen Schnitt durch eine Gasfördereinheit eines zweiten erfindungsgemäßen Beatmungssystems.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Gasfördereinheit des Beatmungssystems als Rotationsverdichter und insbesondere als Radialverdichter ausgebildet. Der Radialverdichter weist ein gasführendes Gehäuse 13 mit einem Saugstutzen 10 und einem Druckstutzen 11 auf sowie einen Grundkörper 14 mit feststehenden Lager- und Antriebselementen, eine Spalttopf-Dichtung 15 und ein Verdichterrad 12 mit sich drehenden Lager- und Antriebselementen.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist ein Rotationsverdichter nur mit aktiven Magnetlagern und bürstenlosen, elektronisch kommutiertem Gleichstromantrieb dargestellt:
Die beiden Radiallager bestehen aus zwei weichmagnetischen Rotorkomponenten 21 und 31, je drei feststehenden Spulen 22, 23, 24 und 32, 33, 34, sowie Lagesensoren, welche nicht separat dargestellt sind. Das Axiallager besteht beispielhaft aus einem rotierendem ersten Permanentmagneten 41 und einer feststehenden Spule mit Eisenkern 42 sowie einem Lagesensor. Alle Spulen und die nicht dargestellten Lagesensoren werden von einer gemeinsamen Auswerte- und Steuereinheit 44 versorgt und angesteuert.

Der Antrieb besteht aus einem rotierenden, diametral magnetisierten Rotor- Permanentmagneten 51 und drei feststehenden Antriebs-Spulenpaaren 52, 53, 54, welche in einem Winkel von 120° zueinander so angeordnet sind, dass der Feldvektor des Antriebs-Spulen-Magnetfeldes um die Achse des Rotors gedreht werden kann. Die Lage des Rotor-Permanentmagneten 51 wird entweder über Hall-Sensoren oder, während der Drehung, durch in den Antriebs-Spulen induzierte Spannungen erkannt. Die einzelnen Antriebs- Spulenpaare 52, 53, 54 werden von einer Antriebselektronik 55 nacheinander zyklisch so bestromt, dass der Rotor sich dreht. Diese zyklische Bestromung in Abhängigkeit von der Rotorlage (Kommutierung) erfolgt verschleißfrei über Halbleiter-Schaltelemente.

Alle Rotorelemente des Verdichterrades 12 sind in einem Hüllrohr 60 gekapselt, und der gesamte Rotor kann zu Reinigung und Sterilisation einfach entnommen werden. Die Spalttopf-Dichtung 15 kann ebenfalls entnommen und aufbereitet werden, der Grundkörper 14 mit den vom Strom durchflossenen Bauteilen ist vom Patientengas und vom Gas mit erhöhter Sauerstoffkonzentration hermetisch getrennt.

Zum Betrieb werden zuerst die aktiven Magnetlager betätigt, so dass der Rotor bzw. das Verdichterrad 12 schwebt, ohne sich zu drehen, danach wird der Antrieb aktiviert. Bei geringen Drehzahlen wird nur die Lage des Rotors geregelt, bei höheren Drehzahlen wird aus dem Strombedarf der einzelnen Radiallager-Spulen der Unwuchtzustand berechnet und so kompensiert, dass sich der Rotor nicht mehr um seine geometrische Drehachse, sondern um seine Hauptträgheitsachse dreht.

Schlanke Rotoren drehen sich um ihre kleinste Hauptträgeheitsachse. Da die Rotation um die kleinste Hauptträgheitsachse bei Energiedissipation durch Reibung nicht stabil ist, kommt der Kompensation große Bedeutung zu. Ohne Unwuchtkompensation kommt es zu Nutationsschwingungen, diese werden durch die Kompensation aktiv bedämpft.

Der Antrieb arbeitet dabei unabhängig von der Lagerung

In Fig. 2 ist beispielhaft ein Rotationsverdichter mit einer Kombination aus aktiven und passiven Magnetlagern dargestellt. Dabei wird ein erstes, aktives Radiallager mit einem zugehörigen ersten Radiallager-Magneten 100 aktiv betrieben, die zugehörigen Lagerspulen 101 befinden sich dabei im Antrieb und nutzen das zentrale Blechpaket als magnetischen Rückschluß. Diese Kombination wird als "lagerloser Motor" bezeichnet und ermöglicht eine sehr kostengünstige Ausführung.

Das zweite, passive Radiallager mit dritten Permanentmagneten 311, 312 beruht auf Abstoßung und wird mit großem Abstand zum ersten, aktiven Radiallager angeordnet. Die bei Passivlagern stets vorhandene destabilisierende Wirkung dieses zweiten Radiallagers wird durch ein kräftiges passives Axiallager mit zweiten Permanentmagneten 211, 212 ausgeglichen. Die destabilisierende Wirkung dieses Axiallagers wird durch das aktive erste Radiallager im "lagerlosen Motor" ausgeglichen. Bei dieser beispielhaften Ausführung ist der Material- und Elektronikaufwand minimiert, aber es ist keine Unwuchtkompensation möglich, da nur im "lagerlosen Motor" Lagesensoren vorhanden sind.

Gleiche Bezugszeichen wie in Fig. 1 beziehen sich auf gleiche Bauelemente.

Claims (7)

1. Gasfördereinheit für ein Beatmungssystem mit einem elektrisch angetriebenen Rotationsverdichter mit folgenden Merkmalen:

• a) Das Verdichterrad (12) des Rotationsverdichters ist im Betrieb axial und radial mittels Magnetlagern gelagert und
• b) der Rotationsverdichter weist mindestens ein aktives Magnetlager mit elektrisch angesteuerten Lagerspulen (101) und mindestens ein passives Magnetlager mit Permanent­ magneten (211, 212; 311, 312) auf.

2. Gasfördereinheit für ein Beatmungssystem mit einem elektrisch angetriebenen Rotationsverdichter mit folgenden Merkmalen:

• a) Das Verdichterrad (12) des Rotationsverdichters ist im Betrieb axial und radial mittels Magnetlagern gelagert und
• b) der Rotationsverdichter weist nur aktive Magnetlager mit elektrisch angesteuerten Spulen (22, 23, 24; 32, 33, 34; 42) auf.

3. Gasfördereinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationsverdichter mindestens ein aktives radiales Magnetlager mit elektrisch angesteuerten Lagerspulen (101) und mindestens ein passives radiales Magnetlager nur mit dritten Permanentmagneten (311, 312) sowie mindestens ein passives axiales Magnetlager nur mit zweiten Permanentmagneten (211, 212) aufweist.

4. Gasfördereinheit nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer oder mehrerer Steuer- und Auswerteeinheiten (44, 55) aus den gemessenen Drehzahlen des Rotationsverdichters und dem erforderlichen Strombedarf der einzelnen aktiven Magnetlager der Unwuchtzustand des Rotationsverdichters berechnet und so kompensiert wird, dass sich der Rotationsverdichter nicht mehr um seine geometrische Drehachse, sondern um seine Hauptträgheitsachse dreht.

5. Gasfördereinheit nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotationsverdichter ein Radialverdichter, ein Seitenkanalverdichter oder ein Peripheralverdichter ist.

6. Gasfördereinheit nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es in Form eines Anästhesiegerätes mit einer Anästhesiemittel-Dosierung ausgebildet ist.

7. Gasfördereinheit nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine glattwandige, zylinderförmige Spalttopf- Dichtung (15) zwischen dem Verdichterrad (12) und den ruhenden Bauteilen von Magnetlagern und Antrieb angeordnet ist.