(57)【要約】  本発明は、ガス流量調整器、例えば健康管理用途の空気／酸素混合器（２）などのガス混合器ユニット、及びそのような流量調整器（２０）での使用に適するバルブ（８）及びバルブピン（２０、１２０）に関する。具体的には、高いターンダウン比を有する１つ以上の流量調整バルブ（８）を組み込むことにより、事前制御の必要性を排除する医療用ガス混合器（２）が提供される。そのような混合器又は他の流量調整器（２）での使用に適するバルブもまた開示される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
医療用ガス混合器であって、
第１ガス供給源に接続するための第１入口と、
第２ガス供給源に接続するための第２入口と、
混合チャンバと、
前記第１入口と前記混合チャンバの間にある、前記混合チャンバへの第１ガス流を制御するための第１流量調整バルブと、
前記第２入口と前記混合チャンバの間にある、前記混合チャンバへの第２ガス流を制御するための第２流量調整バルブと、
出口と、
前記第１流量調整バルブと前記第２流量調整バルブの少なくとも１つの動作を制御するための制御ハードウェアと、
を備え、
前記第１流量調整バルブと前記第２流量調整バルブは１０００：１を超えるターンダウン比を有する、医療用ガス混合器。
【請求項２】
前記制御ハードウェアは、ガス流量を測定する測定ステップと、前記測定されたガス流量を目標流量と比較する比較ステップとを実行するように構成される、請求項１に記載の医療用ガス混合器。
【請求項３】
前記制御ハードウェアは、前記測定ステップの前にガス流量を選択するように構成される、請求項２に記載の医療用ガス混合器。
【請求項４】
前記制御ハードウェアは、追加的に酸素含有量を測定し、かつ前記測定ステップの一部として個々のガス流量を計算するように構成される、請求項２又は請求項３に記載の医療用ガス混合器。
【請求項５】
前記第１流量調整バルブと前記第２流量調整バルブの少なくとも１つは、モータ駆動のバルブ部材を備え、前記制御ハードウェアは前記比較ステップの出力に基づいてモータを複数のステップだけ動かすように構成される、請求項４に記載の医療用ガス混合器。
【請求項６】
前記バルブ部材はバルブピンを備える、請求項５に記載の医療用ガス混合器。
【請求項７】
前記バルブピンは、第１端部と、前記第１端部から遠隔の第２の自由端部とを有する細長い本体と、外側シール面と、前記本体の第２端部に向かってテーパのついたテーパ部とを有し、シール位置が、バルブ本体の前記第１端部に向かって設けられ、かつ前記バルブピンは、前記シール位置の近くでバルブの流路面積を増加させる形状となっている、請求項６に記載の医療用ガス混合器。
【請求項８】
前記本体の前記外側シール面の前記シール位置の近くに、へこみが設けられる、請求項７に記載の医療用ガス混合器。
【請求項９】
前記へこみは細長い溝又はスリットを備え、前記スリットの長さは前記細長い本体の長さに整列する、請求項８に記載の医療用ガス混合器。
【請求項１０】
前記細長いスリットの深さは、前記スリットの長さに沿って変化する、請求項９に記載の医療用ガス混合器。
【請求項１１】
前記外側シール面は実質的に一定の断面を有し、前記本体の前記テーパ部は前記細長いスリットの深さの変化によって与えられる、請求項１０に記載の医療用ガス混合器。
【請求項１２】
前記細長いスリットは、前記本体の自由端部に向かって広がる、請求項１１に記載の医療用ガス混合器。
【請求項１３】
前記スリットは前記本体の前記自由端部に開口端部を備える、請求項１２に記載の医療用ガス混合器。
【請求項１４】
前記本体の前記テーパ部は前記第２端部において前記バルブピンの前記本体が実質的に一定断面の第１部分と自由端部に向かってテーパのついた第２分離部を有するように、前記第２端部において前記外側シール面にテーパを施すことにより提供され、前記シール位置が前記第１部分に提供される、請求項８〜請求項１０のいずれか一項に記載の医療用ガス混合器。
【請求項１５】
第１の細長いスリットと第２の細長いスリットが設けられる、請求項８〜請求項１４のいずれか一項に記載の医療用ガス混合器。
【請求項１６】
前記第１の細長いスリットの長さは、前記第２の細長いスリットの長さより大きい、請求項１５に記載の医療用ガス混合器。
【請求項１７】
バルブ部材は回転ディスクを備える、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の医療用ガス混合器。
【請求項１８】
ガス供給源へ接続するための入口と、
出口と、
ガス供給源から前記出口へのガス流量を制御するための前記入口と前記出口の間の流量調整バルブと、
を備えるガス流量調整器であって、
前記流量調整バルブは、バルブピンと、前記バルブピンを囲むシール要素とを備えて、前記バルブピンのシール位置において前記シール要素と前記バルブピンの間を密閉し、
前記バルブピンと前記シール要素との前記シール位置から離れる相対運動が、前記シール要素と前記バルブピンとの間に可変流路面積を与えて、ある範囲の流速又は圧力を介して前記出口におけるガス流を調整する、ガス流量調整器。
【請求項１９】
前記バルブピンは、前記シール位置の近くでバルブの流路面積を増加させる形状となっている、請求項１８に記載のガス流量調整器。
【請求項２０】
前記バルブピンの外側表面は、前記シール位置の近くで前記流路面積を増加させるためのへこみを備える、請求項１９に記載のガス流コントローラ。
【請求項２１】
前記へこみは細長いスリットを備える、請求項２０に記載のガス流量調整器。
【請求項２２】
前記細長いスリットは前記バルブピンの中心軸を通る平面に整列する、請求項２１に記載のガス流量調整器。
【請求項２３】
前記細長いスリットの深さは、前記スリットの長さに沿って変化する、請求項２１又は請求項２２に記載のガス流量調整器。
【請求項２４】
前記スリットは、前記バルブピンの自由端部と前記シール位置の間に設けられる、請求項２１〜請求項２３のいずれか一項に記載のガス流量調整器。
【請求項２５】
前記細長いスリットの深さは、前記バルブピンの前記自由端部から前記シール位置に向かって減少する、請求項２４に記載のガス流量調整器。
【請求項２６】
前記細長いスリットの幅は、前記スリットの長さに沿って一定である、請求項２１〜請求項２５のいずれか一項に記載のガス流量調整器。
【請求項２７】
前記バルブピンを前記シール要素に対して移動させるための、前記バルブピンに接続されたリニアステップモータを更に備える、請求項１８〜請求項２６のいずれか一項に記載のガス流コントローラ。
【請求項２８】
前記バルブピンは前記バルブピンの自由端部に向かってテーパを有する、請求項１８〜請求項２７のいずれか一項に記載のガス流量調整器。
【請求項２９】
前記バルブピンは、前記バルブピンの自由端部に向かって、テーパのない第２部分と、テーパのある第２部分とを有する、請求項１８〜請求項２８のいずれか一項に記載のガス流量調整器。
【請求項３０】
前記シール位置は、前記バルブピンの第１部分にある、請求項２９に記載のガス流量調整器。
【請求項３１】
前記バルブピンの第１部分は、前記シール位置の近くでバルブの流路面積を増加させる形状となっている、請求項２９又は請求項３０に記載のガス流量調整器。
【請求項３２】
請求項１８〜請求項３１のいずれか一項に記載の医療用ガス流量調整器。
【請求項３３】
請求項３２に記載の医療用ガス流量調整器を備え、さらに混合チャンバを備える医療用ガス混合器であって、前記流量調整バルブが入口と前記混合チャンバの間にあって、前記混合チャンバへの前記ガス流を制御する、医療用ガス混合器。
【請求項３４】
２つの流量調整バルブが設けられ、各流量調整バルブは入口と前記混合チャンバの間に配置され、各流量調整バルブはバルブピンと、前記バルブピンを囲むシール要素とを備え、前記バルブピン上のシール位置において前記シール要素と前記バルブピンとの間を密閉し、前記バルブピンと前記シール要素との前記シール位置から離れる相対運動は、ある範囲の流速又は圧力を介して前記ガス流を調節する、請求項３３に記載の医療用ガス混合器。
【請求項３５】
酸素センサを更に備える、請求項３３又は請求項３４に記載の医療用ガス混合器。
【請求項３６】
制御ハードウェアを更に備える、請求項３３〜請求項３５のいずれか一項に記載の医療用ガス混合器。
【請求項３７】
前記制御ハードウェアはフィードバックループを備える、請求項３６に記載の医療用ガス混合器。
【請求項３８】
医療用ガス流量調整器に使用するバルブであって、
外側シール面と本体の自由端部に向かってテーパのついたテーパ部を有する細長い本体を有するバルブピンと、
前記バルブピンを囲み、所定のシール位置において前記外側シール面とのシールを提供するシール要素と、
を備え、
前記バルブピンと前記シール要素との前記シール位置から離れる相対運動が、前記シール要素と前記バルブピンとの間に可変流路面積を与え、
前記バルブピンは、前記シール位置の近くで前記バルブの流路面積を増加させる形状となっている、バルブ。
【請求項３９】
前記本体の前記外側シール面の前記シール位置の近くに、へこみが設けられる、請求項３８に記載のバルブ。
【請求項４０】
前記へこみは細長い溝又はスリットを備え、前記スリットの長さは前記細長い本体の長さに整列する、請求項３９に記載のバルブ。
【請求項４１】
前記細長いスリットの深さは、前記スリットの長さに沿って変化する、請求項４０に記載のバルブ。
【請求項４２】
前記細長いスリットの深さは、前記本体の前記自由端部から前記シール位置に向かって減少する、請求項４１に記載のバルブ。
【請求項４３】
前記バルブピンの前記細長い本体は、実質的に一定断面の第１部分と、前記自由端部に向かってテーパのついた第２の分離した部分とを有し、前記シール位置は前記第１部分に設けられ、前記細長いスリットは、前記細長い本体の前記第１部分と第２部分の間に延在する、請求項４０〜請求項４２のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項４４】
前記スリットが、前記本体の自由端部によって画定される、前記バルブピンの端面に設けられる、請求項４３に記載のバルブ。
【請求項４５】
前記外側シール面は実質的に一定断面を有し、かつ前記細長いスリットの深さ変化が前記バルブのテーパ部を提供する、請求項４０〜請求項４２のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項４６】
前記細長いスリットは、前記本体の前記自由端部に向かって広がる、請求項４５に記載のバルブ。
【請求項４７】
前記スリットは前記本体の前記自由端部に開口端部を備える、請求項４５又は請求項４６に記載のバルブ。
【請求項４８】
前記細長いスリットの幅は、前記スリットの長さに沿って一定である、請求項４０〜請求項４７のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項４９】
前記細長いスリットの幅は、前記本体の前記自由端部から前記シール位置に向かって減少する、請求項４０〜請求項４７のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項５０】
２つ以上のへこみを備える、請求項３９〜請求項４９のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項５１】
第１の細長いスリットと第２の細長いスリットを備える、請求項４０〜請求項４９のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項５２】
前記第１の細長いスリットの長さは、前記第２の細長いスリットの長さより大きい、請求項５１に記載のバルブ。
【請求項５３】
請求項３８〜請求項５２のいずれか一項に記載のバルブを備える、請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の医療用ガス混合器。
【請求項５４】
請求項１〜請求項１７又は請求項５３のいずれか一項に記載の医療用ガス混合器を備える、呼吸回路。
【請求項５５】
請求項１８〜請求項３２のいずれか一項に記載のガス流量調整器を備える、呼吸回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス混合器、例えば健康管理に使用する空気／酸素混合器などのガス流量調整器、及びそのような流量調整器に使用するバルブ及びバルブピン関する。
【背景技術】
【０００２】
空気／酸素混合器は、患者へガスを送達する信頼性の高い正確な方法を提供するために、様々な健康管理用途で使用されることが知られている。病院の壁の固定配管は、通常２バールから６バールの間の高圧でガスを提供し、これらのガスを所望の割合で混合して、特定の圧力及び／又は流量で患者へ送達する必要がある。
【０００３】
高圧の空気及び酸素で駆動される医療用ガス機器は通常次の２つのカテゴリに分類される。
１．医療用ベンチレータ。これは圧力レギュレータを用いて入力範囲や圧力を信頼性のある所定の値に下げて、バルブ位置の変化への正確な応答を計算して、流れの迅速かつ予測可能な変更を可能とする。
２．医療用流量計。これは開口部に精密加工されたピンを使用して流れを制御する。ピン及びバルブがピンを前後に動かす精密ねじを用いて非常に厳密な寸法で制御される。
【０００４】
正確に混合された空気と酸素を、安全、簡単かつ制御して提供できることは、特に、過少又は過多の酸素に係わる深刻な結果がある、未熟児の救命救急診療及び治療診療においてますます重要になってきている。したがって、既知のガス混合器システムは、混合及び送達機能を遂行する前に壁からのガス圧力を加減するレギュレータを有する、機械式のベンチレータを基に開発されることが普通である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
機械式ベンチレータシステムの精度は、ガス混合器としての使用への改造に特に適している。ただし、機械式ベンチレータは改造又は単純化した後でも、不必要な複雑さが残ることが多く、また最終的な流量制御の前に入力圧力を下げるための第１段の圧力レギュレータが必要である。このことが、ベンチレータ装置が設計対象としているミリ秒の応答時間を必要としない最終ガス混合器に、不必要なコストと複雑さをもたらす。
【０００６】
医療用流量計には通常、初期の流圧を下げる圧力レギュレータはないが、それでも高駆動圧力での低流量、及び低駆動圧力での高流量の両方が必要とされる場合には、十分な制御が可能なことが必要とされる。これは微細なねじ山によって実現される。つまり、高流量／低駆動圧力の末端で運転する場合には、流れにわずかな動き又は変化を生じさせるためにねじの多数回転が要求される。これはバルブの応答性を低減し、流量計が、供給圧力の急激な変動に応答することも、例えばガス混合器に必要とされ得る出力流量を迅速に調節することも阻害する。病院における壁からのガス供給はＩＳＯ標準で規制されていて、供給は一般に２バールから６バールの間であるが、壁からの供給には圧力変動が含まれる場合もある。したがって、ある範囲の流量に亘って応答性のある流量コントロールの利点を保持する、より簡単でより費用効果のあるガス混合器に対する要望がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この要望によって、医療用ガス混合器の設計プロセスを完全に見直した。高いターンダウン比（ｔｕｒｎｄｏｗｎ  ｒａｔｉｏ）を有する改良された流量調整バルブを含むことにより、上で特定した問題を克服ないしは低減可能なシステムが提供され得ることが確認された。
【０００８】
全てのバルブは、最大流量と最小流量の比として定義される、特定の「ターンダウン比」を有する。殆どの場合、機械式ベンチレータ及びそれに類似のものに使用されるバルブは、通常最大又は約１００：１のターンダウン比を有する。すなわち、バルブは、例えば１リットル／分と１００リットル／分の間の正確な出力流量を提供する。固定された駆動圧力では、これはある範囲、例えば０．５リットル／分から５０リットル／分の範囲にわたって適切な精度での制御を可能とする。もし駆動圧力が、２バールから６バールへ変化すれば、前段の制御がなければ、この制御は不可能であろう。かなり高いターンダウン比のバルブを使用すれば、ガス混合器の他の態様は大幅に単純化可能である。提案する設計は１０００：１を超える比を提供し、混合ステップの上流に流れ圧力の第１段の制御を必要性とせずに、ガスの「能動的な」制御と同時計測の両方が可能な、簡単なガス混合器を提供可能とする。
【０００９】
本発明の開発は、ガス流量調整器、特にガス混合器などの医療用途の調整器の設計に対する従来手法が根本的に欠陥を有するという認識から始まった。これまでに受け入れられていた開発プロセスから離れることによって、さもなくば考慮しなかったような設計の選択肢の考察が可能となった。
【００１０】
本発明によれば、添付の請求項１に規定するような医療用ガス混合器が提供される。更なる選択可能な特徴は、関連する従属請求項に列挙されている。
【００１１】
ガス混合器が、第１ガス供給源に接続するための第１入口と、第２ガス供給源に接続するための第２入口と、混合チャンバと、第１入口と混合チャンバの間にある、混合チャンバへの第１ガス流を制御するための第１流量調整バルブと、第２入口と混合チャンバの間にある、混合チャンバへの第２ガス流を制御するための第２流量調整バルブと、出口と、第１と第２の流量調整バルブの少なくとも１つの動作を制御するための制御ハードウェアと、を備える。ここで、第１と第２の流量調整バルブは１０００：１を超えるターンダウン比を有する。ガス混合器はさらに酸素センサを含んでもよい。
【００１２】
制御ハードウェアは、ガス流量を測定する測定ステップと、測定ガス流量を目標流量と比較する比較ステップとを実行するように構成されてよい。
【００１３】
制御ハードウェアは、測定ステップの前にガス流量を選択するように構成されてよい。
【００１４】
制御ハードウェアは、追加的に酸素含有量を測定し、かつ測定ステップの一部として個々のガス流量を計算するように構成されてよい。
【００１５】
第１と第２の流量調整バルブの少なくとも１つは、モータ駆動のバルブ部材を備えてもよい。そして制御ハードウェアは比較ステップの出力に基づいてモータを複数のステップだけ動かすように構成されてもよい。
【００１６】
バルブ部材はバルブピンを含んでもよいし、あるいは回転ディスクを含んでもよい。
【００１７】
バルブピンは、第１端部と、第１端部から遠隔の第２の自由端部とを有する細長い本体と、外側シール面と、本体の第２端部に向かってテーパのついたテーパ部とを有してもよい。ここで、シール位置（その地点でバルブピンが、ｏリング等のシール部材と完全な気密シールを形成し得る）は、バルブ本体の第１端部に向かって設けられる。バルブピンは、シール位置の近くでバルブの流路面積を増加させる形状であってよい。
【００１８】
例えば、本体の外側シール面のシール位置の近くに、へこみが設けられてもよい。
【００１９】
へこみは細長い溝又はスリットを備え、スリットの長さは細長い本体の長さに整列していてもよい。
【００２０】
細長いスリットの深さは、スリットの長さに沿って変化してもよい。
【００２１】
外側シール面は実質的に一定の断面を有し、本体のテーパ部は細長いスリットの深さの変化によって与えられてもよい。
【００２２】
細長いスリットは本体の自由端部に向かって幅及び／又は深さが広がってもよい。
【００２３】
スリットは本体の自由端部に開口端部を備えてもよい。
【００２４】
本体のテーパ部は、バルブピンの本体が実質的に一定断面の第１部分と自由端部に向かってテーパのついた第２分離部を有するように、第２端部において外側シール面にテーパ備え、シール位置が第１部分に設けられてもよい。
【００２５】
１つ以上のへこみ、例えば第１と第２の細長いスリットが設けられてもよい。第１と第２の細長いスリットは同様であってもよいし、あるいは第１の細長いスリットの長さが第２の細長いスリットの長さよりも長くてもよい。
【００２６】
また、添付の請求項１８で規定されるようなガス流量調整器が備えられる。更なる選択可能な特徴は、関連する従属請求項に列挙されている。
【００２７】
ガス流量調整器は既述のガス混合器よりも簡単な構造である。そして、バルブピンと、バルブピンを囲むシール要素を含み、バルブピンのシール位置においてシール要素とバルブピンの間を密閉する流量調整バルブを備える。バルブピンとシール要素のシール位置から離れる相対運動は、ある範囲の流量及び／又は圧力を介してガス流を調節する。
【００２８】
典型的な機械式ベンチレータは、ガス組成と流量並びにその他の機能を管理するための調整バルブと関連する制御方式とを含み、患者の変化に対してベンチレータの迅速な調節を可能とする。
【００２９】
機械式ベンチレータによる正確な流量制御は、ガス混合器の用途において明らかに有益であるが、典型的なベンチレータによって同時に提供されているより複雑な制御機能のいくつかは不要である。ガス混合器を製造するときに冗長又は不必要な制御システム又は機能のいくつかを除去又は禁止することは可能であるが、それでも得られるシステムは複雑すぎて、したがってコスト高となる傾向がある。例えば、比例電磁バルブにより提供される迅速応答やそれに類似のものは、通常の定常流ガス混合器の用途には不要である。
【００３０】
結果として適切なバルブピンの開発により、ガス混合器が、簡単な構成ユニットで必要な精度の流量制御を提供する。圧力レギュレータを装置の上流に設けることも装置に組み込むことも必要とせずに、それでも非常に制御された酸素濃度を混合ガス中に送達して、広い圧力範囲に亘って動作可能である。
【００３１】
バルブピンは、例えば断面を成形して、バルブの断面積、すなわちバルブを通る流路面積を、シール位置付近で増加させてもよい。断面積を増加させることはシール位置近くにおいて、すなわちバルブピン表面のシール位置がＯリングなどのシール要素に近いときに、バルブを通過する流れの制御に役立つ。
【００３２】
バルブピンの外側シール面は、細長いスリット又は溝などのへこみを備えて、断面積を増加させ、及び／又はシール位置近辺でバルブを通過する流路の流路面積を増加させてもよい。２つ以上のへこみを設けてもよい。
【００３３】
細長いスリットが、バルブピンの自由端部とシール位置の間に設けられてもよい。例えば、スリットは、バルブピンの自由端部及び／又はシール位置に隣接して、終端してもよい。
【００３４】
細長いスリットのバルブピンへの深さは、スリットの長さに沿って変化してもよい。例えば、細長いスリットの深さは、バルブピンの自由端部からシール位置に向かって減少してもよい。あるいは、特定の用途に対して必要な断面の調節を与える場合には、深さは長さ方向に変動してもよい。
【００３５】
細長いスリットの幅は、スリットの長さに沿って一定であってもよい。あるいは、必要であればスリットの幅が変動して、バルブの断面積に追加的な調節を提供する場合もある。
【００３６】
へこみはスリットの形態である必要はなく、代わりに別の形状であってもよい。複数のへこみが設けられる場合、それらは全て一定の形状、寸法、長さなどである必要はない。例えば、１つのピンに２つ以上の長さの異なるスリットがあり、場合によっては更なる、ほぼ丸いへこみがあってもよい。あるいは、又はその上、複数のスリットがあって、そのそれぞれが異なる幅及び／又は異なる内部形状（減少する／変動する／一定の、深さや幅など）であってもよい。
【００３７】
または、ある種のテキスチャや微小な表面修飾、例えば小さな突起や隆起、がシール位置近傍に設けられてもよい。テキスチャ加工により、バルブピン表面に窪んだ経路を提供してもよい。あるいは盛り上がった形状が、Ｏリングや類似のシール要素を部分的に変形させてバルブピンのシール面から離して持ち上げ、バルブピンとシール要素の間の流路面積を増大させてもよい。
【００３８】
ガス流量調整器は、バルブピンをシール要素に対して移動させるための、バルブピンに接続されたリニアステップモータを更に備えてもよい。ステップモータは、バルブピンの自由端部とは反対の端部に接続されてもよい。
【００３９】
バルブピンは実質的に円形断面であってもよい。へこみ又はテキスチャ／突起の代わりに、又はそれに加えて、平坦部分を設けて、バルブピンとシール要素の間に流路面積を与えるか増大させてもよい。
【００４０】
バルブピンは自由端部に向かってテーパを形成してもよい。バルブピンはその全長に亘ってテーパがついていてもよいし、あるいは、第１の、テーパなしあるいは実質的に一定断面の部分と、第２の、自由端部に向かってテーパのついた部分とを有して「弾丸」形状となってもよい。バルブピンの断面は、この目的のために、スリット／へこみや突起を除外して考えることができる。
【００４１】
シール位置は、バルブピンの第１部分にあってもよい。
【００４２】
細長いスリットは、バルブピンの、例えば実質的に円形の、断面の軸を通る面に整列してもよい。
【００４３】
ガス流量調整器は、医療用のガス流量調整器、すなわち病院やその他の医療環境で使用するための調整器であってよい。
【００４４】
例えば、ガス流量調整器は簡単な医療用流量計であってもよいし、あるいは、混合チャンバと、ガス供給源から混合チャンバへのガス流を制御するための流量調整バルブとを備える空気／酸素混合器などの医療用ガス混合器であってもよい。
【００４５】
ガス混合器には２つの流量調整バルブがあり、それぞれの流量調整バルブはバルブピンと、バルブピンを囲むシール要素を備えて、バルブピン上のシール位置においてシール要素とバルブピンの間を密閉する。そしてバルブピンとシール要素とのシール位置から離れる相対運動が、ある範囲の流速を介して前記ガス流を調節する。2つのバルブピンは上記の１つ以上の特徴を備え、両者ともにステップモータで作動可能である。
【００４６】
２つのバルブピンは互いに独立して作動し、混合チャンバへの２つのガス流を独立して調節可能であってよい。
【００４７】
ガス流量調整器はさらに酸素センサを含んでもよい。
【００４８】
ガス流量調整器は、バルブピンとシール要素との相対運動を制御するために、例えば電子調整器などの制御ハードウェアをさらに備えてもよい。制御ハードウェアにはフィードバックループが含まれてもよい。
【００４９】
本発明はまた、添付の請求項３８で規定するような、医療用ガス流量調整器に使用するためのバルブを提供する。更なる選択可能な特徴は、関連する従属請求項に列挙されている。
【００５０】
前に述べたように、ガス混合器は、流量計とベンチレータの２つのカテゴリの間のどこかに適合すると考えられるが、恐らくは流量計よりも単純化されたベンチレータによく似ている。
【００５１】
本発明の開発において、バルブは、ターンダウン比が大きくて、これらの駆動圧力範囲にわたって作動するときにより実際的なバルブとなるように開発された。
【００５２】
既に述べたように、ベンチレータ及び類似の流量調整器に使用されるバルブは、一般的に約１００：１のターンダウン比を有する。いくつかの実施形態において、本発明のバルブでは、テーパ付きピン形状と、閉鎖／シール位置近くでの大きなバルブ断面積／流路面積との２つ流量調整機構を１つに組み合わせることにより、ターンダウン比を約１５００：１に増加させて、例えば０．０８リットル／分から１２０リットル／分の間で本質的に精度が得られることが分かった。他の実施形態では、本発明のバルブは、ターンダウン比を約５０００：１にまで増加させて、例えば０．０２５リットル／分から１２５リットル／分の間で本質的に精度が得られることが分かった。ここでも、これは閉鎖／シール位置の近くでのバルブ断面積／流路面積の増加とバルブピンのテーパのついた断面、並びにバルブの自由端部における開放／広がりを提供することにより達成される。
【００５３】
すべての適切な適用において、改良されたバルブピンは、圧力レギュレータを含まないで可能な限り大きなターンダウン比を提供するという目的に対処する。
【００５４】
流量計では、バルブは低い壁の圧力で高流量を送達可能とする必要があり（すなわち全開放）、同時に特に壁圧力が高いが設定流量が小さい場合（すなわちバルブがその閉鎖位置に近い状態で）いかなる圧力変動も管理し、均一化する必要がある（この場合、流量の小さい正確な変化を必要とする）。
【００５５】
上記のように、病院環境の壁供給源には圧力変動のある状況がある。従来の流量計では、医師が選択する圧力設定は静的であって、手動で変更する以外はこの圧力変動に対応できない。本発明のバルブ構成及びバルブピンは、異なる壁圧力に対応可能であるばかりでなく、変動を均一化し選択した流量での供給を維持することができる迅速な応答も提供する。
【００５６】
微細制御は、特定の既存のシステム及び既知のバルブ構成で既に提供されているとしても、本発明のバルブピン及びバルブは、圧力変化に対してはるかに迅速な反応を可能としつつ、代替する解決策を提供する。後で述べるように、従来のバルブは、開かれるとその直後に流量が急激に増加する傾向がある。この領域において必要な制御をするために、微細なねじ山が一般的に提供されてバルブピンの微小な動きを可能とする。ただしこれはバルブ全体としての応答性を下げる。改良されたバルブピンの設計では、低流量においてよりゆっくりした応答がなされ、この領域での相応の流量調整をするために動きをあまり正確に制御することは必要でない。これによりバルブのより速い動きが可能となり、したがってその動作範囲全体に亘ってより速い応答が可能となる。
【００５７】
さらに、下端での精度と制御を確保するために、従来の流量計では、バルブ部品に対して非常に厳しい公差を必要とした。本発明のバルブピンはそのような厳しい公差の必要性を避ける。したがって、製造がより安価でより容易であり、汚染をより受けにくく、機械的な故障もしにくい解決策が提供される。
【００５８】
ガス混合器の場合には、高価な圧力レギュレータを含む必要なしに、装置の正確な動作範囲を拡張する。患者に対して、医療用ガス混合器から正確かつ精密に制御された酸素濃度を送達することの重要性は既に議論した。
【００５９】
流量メータの場合、これはすでに必要な精度を持っている可能性があるが、その課題に対して、ユーザがより使いやすく、及び／又は費用効果のある解決策をバルブが提供する。
【００６０】
バルブは、外側シール面と、本体の自由端部に向かってテーパのついたテーパ部とを有する細長い本体を有するバルブピンを備える。シール要素がバルブピンを囲んで、所定のシール位置において外側シール面とのシールを提供する。バルブピンとシール要素とのシール位置から離れる相対運動が、シール要素とバルブピンとの間に可変の流路面積を与える。バルブピンは、シール位置の近くでバルブの流路面積を増加させる形状となっている。
【００６１】
バルブピンの細長い本体は、実質的に一定断面の第１部分、すなわちテーパのない部分と、自由端部に向かってテーパのついた第２の分離部分とを有してもよい。バルブピンのシール位置は第１部分に設けられてもよい。
【００６２】
へこみは、シール位置近くの本体外側シール面に設けられてもよい。へこみには細長いスリット又は溝があり、その長さは、細長い本体の、例えばその本体の第１と第２部分の間の長さに整列してもよい。
【００６３】
細長い本体の中への細長いスリットの深さは、スリットの長さに沿って変化してもよい。例えば、細長いスリットの深さは、本体の自由端部から第２の端部に向かって変動又は減少してもよい。スリットの深さはバルブの自由端部に向かって広がってもよい。スリットは、本体の自由端部が画定するバルブピンの端面まで延在してもよい。
【００６４】
細長いスリットの幅は、スリットの長さに沿って一定であってもよいし、変化してもよい。スリットの幅は本体の自由端部からシール位置に向かって減少してもよいし、また本体の自由端部に向かって広がってもよい。スリットは本体の自由端部に開口端部を備えてもよい。
【００６５】
外側シール面は実質的に一定断面を有し、かつ細長いスリットの深さ変化によりバルブのテーパ部が提供される。
【００６６】
２つ以上スリット又は代替のへこみを設けてもよい。１つのバルブピン上の複数のへこみの形状は一貫している必要はない。例えば、第１と第２の細長いスリットが設けられてもよい。第１の細長いスリットの長さは、第２の細長いスリットの長さより大きくてもよい。
【００６７】
本発明は、ガス混合器などの流量調整器に使用するバルブピンもまた提供する。バルブピンは、外側シール面と本体の自由端部に向かうテーパ部を有する細長い本体を有し、細長い本体の自由端部と第２端部の間の本体の外側シール面に細長いスリットが設けられ、その細長いスリットの長さは細長い本体の長さに整列している。
【００６８】
医療用ガス混合器などの流量調整器は、上記のようにバルブピンを含んで提供可能なことが理解されるであろう。したがって、本発明の更なる態様はガス混合流量調整器を提供する。これは、ガス供給源に接続するための入口と、出口と、入口と出口の間の流量調整バルブと、を備え、流量調整バルブは、外側シール面と本体の自由端部に向かうテーパ部を有する細長い本体を有するバルブピンを備え、細長い本体の自由端部と第２の端部の間の本体の外側シール面に、細長いスリット又は溝が設けられ、細長いスリットの長さは、細長い本体の長さに整列している。
【００６９】
本発明はまた、ガス流量調整器のためのバルブピンを提供することができる。バルブピンの外側表面は、バルブピンのシール位置の近くにへこみを備える。シール位置の近くに１つ以上のへこみを設けることで、１つ以上の流れ溝がバルブピンに沿って形成可能となる。これが、特に、例えば単純なテーパをしたバルブピンに比べたとき、低流量バルブ位置（すなわちバルブのシール位置に近い位置）での流量調整の改善を可能とする。へこみは異なる形状をとることが可能であり、前述したように複数のへこみを設けることもできる。本発明はまた、ガス供給源へ接続するための入口と、出口と、ガス供給源から出口へのガス流量を制御するための入口と出口の間の流量調整バルブと、を備えるガス流量調整器を提供することができる。ここで流量調整バルブは上記のバルブピンを備える。
【００７０】
ガス流量調整器／混合器のバルブピンは、上で述べたような１つ以上の追加的な特徴を備えてもよく、及び／又はガス混合器がさらにバルブピンを動かすためのリニアステップモータを備えてもよい。ステップモータを用いることで、特定の利点、例えば電力消費に関する利点が提供される。ただし必要があればピンの移動には、サーボモータ又は実際に他の任意のデジタル又はアナログモータを代替して使用することも可能である。
【００７１】
流量調整器又はガス混合器は、例えば病院環境において特に呼吸回路に使用可能である。したがって、本発明は既に説明した医療用ガス混合器又はガス流量調整器を備える呼吸回路も提供する。
【００７２】
既に述べたガス流量調整器及びガス混合器は、病院の壁のガス圧力から直接運用するように設計されており、したがって、事前の圧力調整も圧力生成も必要ではない。これによりこのデバイスの費用効果が非常に高くなる。
【００７３】
本発明のいずれか１つの態様に関して定義される任意の必須又は好適な特徴は、実施可能であるならば、任意の更なる態様に適用され得る。したがって、本発明は上で定義した特徴の様々な代替構成を備え得る。
【００７４】
本発明の実行可能な実施形態を次に添付の図面を参照して説明する。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第１の実施形態によるガス流量調整器の概略図である。
【図１Ａ】流量調整器のバルブと筐体を分離して示す概略図である。
【図２】図１のガス流量調整器のバルブピンの側面図である。
【図３】図２のバルブピンの端面図である。
【図３Ａ】図２及び図３のバルブピンの断面図である。
【図４】設定供給圧力における、３つの異なるバルブピンの性能比較を示すグラフである。
【図５】図１〜図３Ａのバルブピンの異なる供給圧力における性能を示すグラフである。
【図６】代替バルブピンの第１斜視図である。
【図７】代替バルブピンの第２斜視図である。
【図８】図６及び図７のバルブピンの正面図である。
【図８Ｂ】図８の線Ｂ−Ｂでの断面図である。
【図９】図６及び図７のバルブピンの側面図である。
【図９Ｂ】図９の線Ｂ−Ｂでの断面図である。
【図１０】図６〜図９Ｂのバルブピンの異なる供給圧力における性能を示すグラフである。
【図１１】ガス流量調整器によって実装されるデュアルガス制御ループを示すフローチャートである。
【図１２】ガス流量調整器によって実装されるシングルガス制御ループを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００７６】
ある種のガス流量調整器、特に医療用ガス混合器２の概略を図１に示す。ガス混合器２は簡単にはベース筐体４を含み、その中にガス混合器２の様々な構成要素が収納されている。病院等におけるガス供給源に接続するために１対の入口継手６が筐体４の外部に設けられている。１つの入口継手６が使用時に、純酸素又は９３％酸素供給源などの酸素供給源に接続され、もう一方の入口継手６が圧縮空気に接続される。接続は、病院の壁によく備えられている、供給圧力へ接続された個別のチューブ又は配管を用いてなされる。
【００７７】
各入口継手６はバルブ筐体８の下端に接続される。２つのバルブ筐体８は混合チャンバ１４へも接続され、これが筐体２の前方に設けられた出口ポート１６に接続される。使用時にガス流１８は、入口継手６から入ってバルブ筐体８と混合チャンバ１４を連続して通過し、出口ポート１６からガス混合器２を出る。様々な接続点においてはＯリングが使用されて、気密流路が提供される。
【００７８】
出口ポート１６からの流れはその後標準的なチューブ又は配管を介して患者へ向けられる。必要な場合には、呼吸回路のその他の既知の構成要素が出口ポート１６と患者の間に接続可能である。
【００７９】
それぞれの入口６から各バルブ筐体８に入る流れは、密閉用Ｏリング２２に係合するバルブピン２０によって制御される。各バルブ筐体８の上端にはリニアステップモータ２４が取り付けられている。リニアステップモータ２４は独立して制御されてバルブピン２０を密閉用Ｏリング２２に近づけたり遠ざけたりして、各流路の断面積を変更できる。そうして開位置と閉位置の間で流れを制御する。したがって、バルブ筐体８と混合チャンバ１４は、バルブピン２０及びそれぞれのモータ２４を含めて、バルブアセンブリ又は流量調整器と考えることができる。
【００８０】
酸素センサアセンブリ２６が設置されて、混合チャンバ１４内での、及び／又は出口ポート１６へ流れる、酸素濃度レベルを測定する。この情報を、恐らくは患者からの酸素飽和度（ＳｐＯ２）の値と共に使用して、適切なアルゴリズム及び必要な場合にはフィードバック制御を使用して、患者へ送達すべき必要な酸素濃度を自動計算する。ガス混合器２はこれに自動的に応答して、各モータ２４の位置、したがってその関連するバルブピン２０を独立して調節して、酸素と空気の両方の流れを所望の流量及び酸素濃度へ調節することができる。こうして必要とされる混合ガスが所望の流量及び酸素濃度で出口ポート１６から流出する。また、混合チャンバ１４の下流には流量センサアセンブリ２８も設けられる。
【００８１】
代替又は追加として、筐体４に備えられたＬＣＤスクリーン又は類似のディスプレイ上に表示される酸素センサ２６からの値に基づいて、医師が手動で酸素濃度及び流れを調節することができる。
【００８２】
バルブピン２０の動作にステップモータ２４を使用すれば使用時の電力消費の最小化に役立つ。バルブの調節が必要な時にだけモータ２４を作動させればよく、したがって定常流状態の間は電力消費がない。このことは、電力供給が遮断されたとしても混合器２は、は定常状態で機能し続けることができることを意味する。電池を備えて、停電時にユニットの様々な部分への電力を維持し、ガス流の変更が必要な場合にはステップモータ２４を動かしてもよい。
【００８３】
２つのステップ間のマイクロステッピング又はスローパルス幅（０．５−５秒）モジュレーションによって、ステップモータ２４のステップ間を変調することにより更なる制御精度と精密さを提供することも可能である。マイクロステッピングには、ステップモータの固定されたステップ間の切り替え命令をモータが応答できるよりも早く送信することが含まれ、これによりモータを固定されたステップポイントの間の位置に「ホバリング（ｈｏｖｅｒｉｎｇ）」させる。モータに、１つのステップで０．５秒、次のステップで０．５秒を費やすように反復指示してスローモジュレーションとし、実効的に２つのステップの中間位置を生成させれば、同様の結果を実現可能である。
【００８４】
いずれの場合にも適切な制御により、ステップモータ２４により規定されるステップの間に追加的なバルブの停止位置を実効的に設けることができ、そうして精度を向上させることができる。これは、例えばステップモータ２４が１．４％刻みを実行するようにしか設計されていない場合に、約０．５％−１％の所要濃度変化を出力するのに有益となり得る。このレベルの精度が実際に必要とされることは稀であるが、この同じ理論を利用すれば、必要とされるステップモータの精度よりも低いものを使用でき、コスト削減を図ることが可能である。
【００８５】
図１Ａは、図１のバルブアセンブリを切り離して概略表示する。バルブは、バルブピン２０がシール位置まで進んで、そこでバルブピン２０の外側表面２１が密閉Ｏリング２２とシールを形成する閉鎖構成で示されている。図１Ａに示すバルブ構成、すなわち、バルブ筐体８、ステップモータ２４、バルブピン２０及びシール要素２２は、所望であれば流量計などの代替の流量調整器に容易に組み込むことが可能である。
【００８６】
図２は、図１のガス混合器２のバルブピン２０の側面図である。バルブピン２０は概略「弾丸形状」であって、一般的に一定直径のステム部４４と、第１端部に非線形テーパポイント４６とを有する。バルブピン２０の、テーパのついた第１端部４６の反対の第２端部には、リニアモータ２４へ取り付けるためのより大きな直径のベース４８が設けられている。
【００８７】
図示した実施例では、ステム部４４は、大径のベース４８からの短い遷移部の端から、約６ｍｍの長さＬ１であり、外径Ｄ１が５．３５ｍｍである。ベース４８に隣接するステム部４４にはシール位置が含まれ、そこでバルブピンが、ｏリング又は類似品などの外部シール要素に対して完全気密シールを形成し得る。テーパポイント４６は、ほぼ一定直径のステム部４４の他端から、２．３ｍｍの端部直径Ｄ２まで、非線形のテーパを有する。大径のベース４８からテーパポイント４６の端部までのバルブピン２０の全長Ｌは、遷移部の１ｍｍの長さＬ２を含めて約１８ｍｍであり、ベース４８の厚さＴは約１．５ｍｍである。
【００８８】
ガス混合器でバルブピン２０を使用することで、比例電磁バルブ等を使用する場合に比べ、より簡単で費用効果のより高いバルブアセンブリが得られる。そして、制御にステップモータの使用が可能となる。これにより上で概略を述べたように更なる利点が得られる。ただし、より複雑なベンチレータをベースとするシステムで提供される、所要精度及び精密さを維持しようする場合、特に比較的高い入口圧力と低い流量で動作する場合には、問題を生じた。
【００８９】
弾丸形状をしたピン２０はバルブの応答を線形化するのに役立つが、高圧で動作する場合にまだ問題が生じる。具体的には、ピン２０がＯリング２２に近いときにモータ位置が少し変化すると、バルブの断面積が大きく変化することがあり、それが制御不能をもたらす。
【００９０】
テ−パ付きのバルブピンとリニアモータは、低圧ＬＰＧシステムのバルブ開閉に最も一般的に使用される。テーパ付きのピンは低圧での通常の使用時に適切な流量調整を提供する傾向を有する。ただし、図１のガス混合器のような医療用ガス流量調整器では、少なくとも６バール（８７ｐｓｉ、６００ｋＰａ）までの全ての動作圧力における正確な流量調整をすることが要請され、試験結果では標準的なテーパ付きバルブピンでの試験時に所望の精度／微細制御が得られなかった。この問題は、調整バルブの上流にレギュレータを含むことで対処可能であるが、これはシステムの複雑さを増し、好ましくない。
【００９１】
図３は、テーパポイント４６の端部から見たバルブピン２０の端面図である。上に述べた問題を克服するために、バルブピン２０側にスリット５２又は溝が設けられる。スリット５２には、バルブピン２０内に湾曲した床部５４があり、ほぼ平行に離間した両側面により０．８ｍｍの幅Ｗとなっている。
【００９２】
矢印Ａ−Ａで示される、スリット５２を貫通するバルブピン２０の断面を図３Ａに示す。このスリット５２はバルブピン２０の長さに沿って深さが変化するように見える。テーパポイント４６の端部において、スリット５２の湾曲した床部５４は、これは約０．２ｍｍの高さＨであるが、バルブピン２０の中心軸５６をちょうど超えて延在する。図に示すように、スリット５２の深さはベース４８に向かうバルブピン２０の長さに沿って直線的に減少し、一定直径のステム部４４に沿った途中の、ベース４８から約２．４ｍｍの距離Ｌ３で終わる。図３にはバルブピン２０をモータ２４に取り付けるための中央穴５８もまたベース部４８に示されている。
【００９３】
バルブピン２０の側面にスリット５２があり、かつそれがピン２０の長さに沿って深さが変わることで、高い動作圧力でのより大きな制御を可能とする。スリット５２はシール位置近辺においてバルブを貫通する流路を与え、それがない場合に比べると、ピン２０がＯリング２２に近いときに、より大きな断面積を与える。低圧及び／又は高流量において、バルブがより開く時には、バルブの断面積はすでに十分大きいので、ピン２０におけるスリット５２の効果は小さい。
【００９４】
図４は、モータ位置に対するバルブを通過する流量を、３つの異なるバルブピンに関して示すグラフである。３つの内の真ん中のプロット６０は、上で述べた溝付きのバルブピン２０を使用した場合の流量を示す。右側のグラフは、スリットなしの同様のピンを有するバルブを通る流量のプロット６２を示す。また左端のプロット６４は、より短いバルブピン、特に一定直径のステム部分４４が短くてスリットなしのピンの性能を示す。バルブピンの弾丸形状がプロット６２と６４、及びプロット６０の高流量側で見られる線形応答を示す。
【００９５】
約４０リットル／分超の、より高い流量において、３つのバルブピンは全て非常に似た性能／応答、具体的には約１６．４ｄｌ／ステップを与える。実際に、図に示すように、右側のプロット６２はスロット付きのバルブピン２０のプロット６０と重なることを避けるためにＹ軸からずらした。ただし、４０リットル／分より下では、３つのプロット６０、６２、６４は顕著に異なっている。
【００９６】
スリットなしの、同じ弾丸形状のバルブピンとして、プロット６２を考察すると、プロットの水平部分は、弾丸の大部分の長さがゼロ流量を与えることを示す。次に弾丸のテーパ部に達すると、プロットは突然に急峻となり、モータ位置の小さい変化が、直ちにガス流量の大きな変化をもたらす（約１６．４ｄｌ／ステップ）。その結果として、モータの大部分の範囲が実質的に無駄であり、かつその後の急激な変化が正確な低流量の選択を不可能とする。
【００９７】
弾丸の長さを短くすることで、この問題の第１が対処される。それはプロット６４からわかるように、弾丸形状を狭めることで開放位置がより低くなり、ゼロ流量を与えるモータ範囲がはるかに小さくなるからである。ただし、弾丸のテーパ部により生じる流量の急激な変化は、低流量の正確な制御をしようとする場合にいまだ同じ困難を与える。
【００９８】
この問題は、プロット６０に示すように、バルブピン２０にスリット５２を設けることによって対処される。プロット６０の下側の部分６６はスリット５２が作用している部分を示す。他方、上側のより急峻な部分は、弾丸形状がそれを凌駕した場合である。他のプロット６２、６４とは違って、スリット５２は約４０リットル／分まで、流量の比較的なだらかな増加を与え、これより上では同様のより速い応答が与えられる。これは、低流量が必要とされるときに、より高い精度を可能とする（流量の小さい変化に対してモータの動きがより大きい）が、他方で、大きな流量に対してはいまだにより低い精度となっている。この差は、プロットの２つの部分に関する勾配を比較することによって定量化可能である。上側部分に関する約１６．４ｄｌ／ステップに対比して、下側部分６６は約２．４ｄｌ／ステップの勾配を有する。これは、同じ流量変化をもたらすために、低流量（＜４０リットル／分）ではモータが、高流量よりも約７倍（１６．４／２．４）移動しなければならず、この領域においてより正確な制御を可能とする。
【００９９】
スリット５２によって提供される別の利点は、バルブピン２０が、ケースと針／弾丸の間の物理的なシール方法にあまり依存しなくなることである。この物理的シールは典型的には実際の開放点をあまり信頼できなくする。そのことが一般的に低流量におけるバルブピンの精度をさらに低減する。
【０１００】
図４のプロット６０、６２、６４の全ては、約４バールの供給圧力を仮定する。ただし流量は圧力に対してほぼ直線的に減少する。したがって、異なる供給圧力にしても上に示した関係は大きくは変化しない。
【０１０１】
一例として、図５はバルブピン２０に対する、モータ位置と流量の関係を３つの異なる供給圧力で重ねてプロットしたものである。プロット６８と７０は、それぞれ３．５バールと２．５バールの供給圧力に関し、両者ともに図４に見られるものと同様の、（スリット５２と弾丸形状によって支配される）グラフの両方の領域において予測可能な線形性能を示す。第３のプロット７２は、１．５バールの低い供給圧力に関するものである。これはガス混合器に要求される通常の動作圧力範囲（典型的には２−６バール、定格は故障なしで最大１０バールで動作）より低いが、それでもまだ、図示した範囲の大部分において同様の性能の傾向を示す。実際に、テスト結果では、０．５バール程までの供給圧力に対して改善が見られた。
【０１０２】
広範囲の圧力にわたって微細な制御をするバルブピン２０の提供により、上述のガス混合器はもはや複雑で高価な流量レギュレータを含むことを必要としない。得られるデバイスはこのようにより簡単でありかつより費用効果がすぐれている。
【０１０３】
説明した実施形態はスリット５２が１つだけのピン２０を提供するが、ピンにはこれに代わって、可能性として様々な深さと形状の、複数のスリットが設けられてもよい。また、ピン断面を制御又は変更する代替的な手段も提供され得ることを理解されたい。
【０１０４】
上記のように、弾丸形状のバルブピン２０はバルブ応答の線形化に有益であるが、スリット５２が代替的なバルブピン形状に適用される場合には、これによる追加的な制御もまた有益であろう。
【０１０５】
バルブピン１２０の代替設計を図６〜図９Ｂに示す。既に述べたバルブピン２０とは違って、代替バルブピンは本体部の外側にテーパ４６を含まない。その代わり、ステム部１４４に、第１と第２のスリット又は溝１５２Ａ、１５２Ｂで与えられる開口端部分１４６を備える。これは大径のベース１４８から延びるにつれて広く、深くなり、バルブステム１４４にテーパのついた中央部１４５をもたらす。これにより、図６と図７からわかるように、「ダックビル」の外観をした代替バルブピン１２０が提供される。
【０１０６】
代替バルブピン１２０の正面図を図８に示す。ステム部１４４端部の見かけ上のテーパは、バルブステム１４４の両側での拡大及び深化１５２Ａ、１５２Ｂの結果である。開口端１４６は、図８の線Ｂ−Ｂでの断面図である図８Ｂではっきり見える。バルブピン２０をモータ２４に取り付けるためにベース部１４８に設けられた中央穴１５８と同様に、ダックビル形状をしたピン１２０もはっきりわかる。
【０１０７】
図９は代替バルブピン１２０の側面図であり、バルブステム１４４のほぼ直線的な側面と、第１の溝１５２Ａのすそ広がり形状とが見える。代替バルブピン１２０は、少なくとも部分的には、前に述べた弾丸形状のバルブピン２０と外部Ｏリングシールの間の物理的なシール方法に関する問題に対処するために開発された。弾丸形状のバルブピン２０は、ある範囲の流量／圧力にわたって望ましい線形応答を実現するが、ピンがｏリングから離れるか又は移動した点において、依然としていくつかの問題を生じた。代替ピン１２０のほぼ一定の外径は、ステム１４４がｏリング又は類似のシールと一定の接触を保つことを助ける。実際に、代替ピン１２０の外表面の大部分は、完全に外れる点のすぐ直近まではｏリングとの接触を保つ。外側のテーパよりもむしろ、スリット１５２Ａ、１５２Ｂの広がりによって可変流路面積が提供される。図９は、図９Ｂに示す断面図の位置も示す。
【０１０８】
バルブステム１４４の中央部１４５のテーパのついた形状が図９Ｂからわかる。図に示す実施例の湾曲したテーパは、第１と第２の溝１５２Ａ、１５２Ｂが、バルブピン１２０端部に向かって深くなるにしたがって広がることにより提供される。第１と第２の溝１５２Ａ、１５２Ｂが図のように広がっていない場合には、直線的テーパなどの、これに代わるテーパを設けることが可能なことに留意されたい。第１と第２の溝１５２Ａ、１５２Ｂの位置と寸法は実質的に同一であってよい。ただし、図に示す実施例では、第１の溝１５２Ａの全長Ｌ４は、第２の溝１５２Ｂの全長Ｌ５よりも大きい。つまり、第１の溝１５２Ｂは第２の溝１５２Ｂよりもベース部１４８に近い部分から始まる。その結果、バルブピン１２０が使用時にシール位置（ベース部に隣接して位置する）から段階的に移動して離れるとき、流れは初めは第１の溝１５２Ａのみで許され、次いで第１と第２の溝１５２Ａ、１５２Ｂの両方から流れ、そして最終的にはバルブピン１２０の開口端部分１４６から流れる。したがって、様々な流路が、シール位置近くを含む代替バルブピン１２０を貫通し、前に説明したバルブピン２０のように、このことが、より高い動作圧力及び／又は低流量においてより高い制御及びより線形性の高い応答を提供する。第１と第２の溝１５２Ａ、１５２Ｂの広がりと、最終的には開口端部分１４６が、低圧及び／又は高流量においてより開放された輪郭をバルブに与える。代替バルブピン１２０はそのほぼ一定の外径のためにｏリング／シールから突然に外れるが、広がった溝１５２Ａ、１５２Ｂと開口端部分１４６によって、外れた時点においてバルブは殆ど開放されていることを意味する。したがって、突然外れることの影響は最小であり、これは弾丸形状のバルブピン２０において、前に説明したようにバルブが開くほどスリット５２の影響が小さいこととほぼ同じである。
【０１０９】
代替バルブピン１２０の寸法は、通常、前述のバルブ２０と同様である。例えば、大径のベース１４８から開口端部１４６の端までの長さは恐らく約１８ｍｍである。ただし、全体寸法を縮小するか又は開口端部１４６を図に示すよりも実効的に短く切断することによって、相当する寸法が約１４ｍｍの、より短いバルブピンを提供することも可能である。
【０１１０】
図１０は３つの異なる供給圧力に対する、代替バルブピン１２０のモータ位置と流量の関係を３つ重ねたプロットである。プロット１６８は供給圧力６バール、プロット１７０は供給圧力４バール、プロット１７２は供給圧力２バールに関するものである。３つのプロット１６０、１７０、１７２は全て比較性能を示し、標準的な動作圧力範囲である２−６バールにわたる代替バルブピン１２０の予測可能性と適合性を示す。
【０１１１】
バルブピン２０、１２０はリニアステップモータを用いて動作可能である。これにより、モータはバルブピン２０、１２０の移動が必要な時だけ動作させればよいので、システムの電力消費が最小化される。ユニットへの電力が遮断された場合にはバルブはその位置に留まって所望の流量を維持することを意味する。
【０１１２】
新バルブピン２０、１２０を組み込む全体システムは、専用システムに必要なレベルの精度を提供し、多くのベンチレータに見られる不必要な複雑さが回避され、かつレギュレータの必要性が排除される。本明細書に記載のバルブピンは、１５００：１及び５０００：１のターンダウン比を提供し、その一方で製造も比較的簡単でもある。ただし、適切な高いターンダウン比を有する代替バルブ構成も同様の利点を提供し、また本発明の流量調整とガス混合の態様の実装も可能とする。
【０１１３】
例えば、約１０、０００：１のターンダウン比を提供することを主張する精密製造されたベル型のバルブが入手可能である。更なる代替として、適切な形状の開口を有する、２つの精密製造された回転ディスクが、本発明の実施に必要なターンダウン比を、適切な厳しい公差で提供可能である。回転ディスクは、既に説明したバルブピン２０、１２０と同じようにしてステップモータで駆動可能である。
【０１１４】
図１１と図１２は、本発明の様々な態様に適用可能な、制御戦略の要素を説明するフローチャートである。ここに示す制御戦略は閉ループで反復される。
【０１１５】
図１１は、本発明によるガス混合器に関する適切な制御戦略２００を示す。
【０１１６】
既述の例えばモータ駆動のバルブピン２０、１２０を用いるガス流量調整は、ソフトウェアで制御されたステップモータを用いて閉ループで実施される。出力流量を目標流量２３０と比較し、その差を使用してピン２４０の位置を修正して、出力流量を変更する。
【０１１７】
使用時には、ガス混合器が２つのガスを独立して調整して、各ガスをそのガスの目標流量に対して交互にチェックしながら、選択された流量と酸素濃度を実現する。したがって調整方法２００は、まず測定２１０のためのガスを選択してから、分析２２０と比較２３０のステップを実行し、その比較に基づいてモータを制御２４０する。
【０１１８】
開発の間、特定の医療用ガス混合器に使用される流量センサの速度に合わせるために、制御ループを２００ｍｓごとに実行することが適切であることを見いだした。ただし、特定の流量センサ及び／又は特定の流量調整デバイスの必要に応じて、異なる反復速度／頻度を使用し得ることを理解されたい。
【０１１９】
同様の調整方法は、例えば図１２に示すような医療用流量計／レギュレータにおいて、単一ガス流の測定及び調整にも使用可能である。図１２のフローチャートは、ガス流の測定ステップ３２０及び目標値との比較ステップ３３０を含む、単純化した方法３００を示す。図１０の調整方法２００のように、比較３４０に基づいてその次にモータが数ステップ動かされる。ここでも、これは２００ｍｓごと、あるいは特定の適用が必要とする場合には異なる頻度で、実行される。
【０１２０】
比例−積分−微分（ＰＩＤ）型調整器を組み込むように示されているが、図１１と図１２の調整戦略２００、３００は、比例要素だけが使用される場合でも機能する。モータを動かさなければならないステップ２４０、３４０の数は、実験的に決定される「比例定数」（Ｋｐ）を掛け算した流量誤差の混合から計算される。この定数は、入力ガスから、モータ駆動されるピン開口を通して、装置から出るまでの機械的拡大縮小を実効的に較正する。これも実験的に計算される「積分定数」（Ｋｉ）を追加することが、目標流量への動きの加速に役立つ。
【０１２１】
更に単純化した形の制御ループ／方法３００も提供可能である。ステップ３４０において誤差に比例するステップの数だけモータを動かす代わりに、モータを１ステップだけ動かして再測定し、誤差がまだ修正されなければさらに１ステップ動かすことも可能である。この単純化は応答時間が遅くなるという犠牲を伴う。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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