ГЕНЕРАТОР ПОТОКА ДЫХАТЕЛЬНОЙ СМЕСИ

Полезная модель относится к медицине, а именно к медицинской технике, направленной на поддержку респираторных функций организма пациента, включая доставку дыхательной газовой смеси и содействие дыханию, и может быть использована в анестезиологии, реанимации и интенсивной терапии при замещении временно утраченной организмом функции внешнего дыхания.
Пациенты, испытывающие трудности с дыханием, в большинстве случаев помещаются под аппарат искусственной вентиляции легких (ИВЛ). Такие трудности с дыханием могут быть вызваны различными патологиями или тем фактом, что пациент, в данный момент времени, может быть слишком ослаблен для осуществления самостоятельного дыхания. В некоторых случаях пациент совершает попытки спонтанного вдоха, однако не может выполнить полный респираторный цикл. В такой ситуации, обеспечивают механическую поддержку дыхания. Некоторые устройства вентиляции содержат в своем составе компрессор для создания повышенного давления в смесительной камере, куда дозированно поступают кислород и воздух из внешней среды, и пневматический клапан, регулирующий поступление газовой смеси в дыхательный контур и непосредственно в легкие пациента. Как правило, в качестве устройств для создания повышенного давления используют воздуходувки или турбины, которые обладают значительным временем отклика для обеспечения пациента дыхательной смесью в конкретный момент времени. Запаздывание таких систем компенсируется системой клапанов и созданием дополнительных контуров, что увеличивает сложность самой системы и соответственно способствует увеличению размера аппарата ИВЛ в целом.
Из уровня техники известно устройство, описанное в патенте Российской Федерации на изобретение №2506097 (з-ль (п-ль) ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия», з-ка №2011148198, от 25.11.2011, МПК А61М 16/10). Согласно тексту описания устройство содержит крыльчатку, размещенную в отверстии стенки коллектора, параллельно упомянутой стенке коллектора установлена вспомогательная стенка, которая размещена перпендикулярно оси вращения крыльчатки и на расстоянии от нее, не превышающем половины диаметра крыльчатки, при этом внутренняя полость коллектора соединена с магистралью пациента, а средняя плоскость вращения крыльчатки совпадает с плоскостью отверстия. Устройство такой конструкции, для обеспечения давления без предварительного нагнетания в смесительную камеру, должно быть оснащено мощным высокооборотным электродвигателем, что потребует дополнительных энергетических затрат, а также будет способствовать образованию турбулентных потоков воздуха, способных вызвать значительные акустические шумы.
Известно устройство по авторскому свидетельству СССР на изобретение №858825 «Генератор потока газа - аппарат искусственной вентиляции легких» (авт. Б.В. Смоляров и др., СССР, з. №2842288 от 23.11.1979, МПК А61Н 31/02). Устройство согласно приведенному описанию содержит электродвигатель, меха-сильфоны, нагнетательные клапаны, всасывающие клапаны, неподвижные коллекторы, приводной вал, эксцентрики с шарикоподшипниками, установленными на валу, шатуны и подвески, причем меха-сильфоны соединены между собой попарно и установлены на прямоугольных коллекторах, закрепленных на общем основании и расположенных перпендикулярно валу по обе его стороны, каждая пара мехов-сильфонов соединена посредством подвесок с общим основанием и посредством шарнира с шатунами, установленными на шарикоподшипниках эксцентриков. Изобретение, выполненное в соответствии с указанным описанием, обладает усложненной конструкцией, включающей наличие трех систем перекоса - толкания мехов, требующей использования соответственно трех шатунов, достаточно сложных в изготовлении, и трех подшипников. Системы перекоса - толкания мехов имеют достаточно большую массу, что требует упрочнения конструкции вала. Присутствует мертвый объем, поскольку при такой схеме представляет значительную трудность обеспечить полное сжимание меха. Конструкция устройства содержит дополнительную плиту для соединения коллекторов и крепления двигателя.
Известно техническое решение, принятое в качестве ближайшего аналога. Согласно описанию изобретения к авторскому свидетельству №959781 (заявитель Институт медико-биологических проблем, з-ка 3240112, от 15.12.1980, МПК А61Н 31/02), устройство содержит электропривод с электродвигателем, соединенным с приводным валом, на котором закреплена наклонная пластина. Вал установлен в подшипниках в неподвижных основаниях, в каждом из которых имеется входной и выходной коллекторы. Соответствующие коллекторы правого и левого корпусов соединены между собой каналами. Между основаниями имеется шайба, поджатая пружиной к наклонной пластине, причем между пластиной и шайбой в специальных кольцевых канавках установлены шарики. С обеих сторон шайбы между нею и основаниями установлены гофрированные резиновые сильфоны, прикрепленные как к корпусу, так и к шайбе. Емкость каждого из сильфонов соединена с коллекторами и посредством обратных клапанов. Применение в составе узла, обеспечивающего периодические колебания пластины, пружины усложняет конструкцию, добавляя усложнение в сборке. Гофрированные резиновые сильфоны имеют нетехнологичную форму: поперечное сечение в форме усеченного конуса создает серьезные трудности в изготовлении сильфона, выраженную в сложности изготовления пресс-формы для такой детали, в особенности матрицу для оформления наружных поверхностей. Помимо вышеперечисленных недостатков, влияющих на степень технологичности изделия, изобретению присущи и другие недостатки, проявляющиеся при его эксплуатации. В процессе кругового волнообразного колебательного движения прямые стенки гофрированных резиновых сильфонов (ориентированные к центру круга на сечении А-А) будут проминаться неравномерно и создавать шум потока. Техническое решение по указанному патенту обладает значительными габаритами по причине снабжения его наружными пневматическими соединениями.
Техническим результатом, на достижение которого направлена полезная модель, является обеспечение возможности плавного и оперативного регулирования поступления воздушной смеси в дыхательный контур, с сохранением производительности и снижением габаритов устройства. Дополнительным техническим результатом является повышение надежности полезной модели и снижение уровня пневматических шумов в выходном потоке газа.
Решение поставленной задачи достигается тем, что генератор потока дыхательной смеси содержит по меньшей мере пару оснований с коллекторами, связанные с ними каналы, приводной вал, установленный на основаниях, подвижный наклонный нажимной узел, закрепленный на приводном валу, и эластичные сильфоны, установленные между соответствующим основанием и подвижным наклонным нажимным узлом, связанные с коллекторами посредствам клапанов, причем подвижный наклонный нажимной узел содержит втулку с эксцентрично расположенным отверстием, неподвижно закрепленную на приводном валу, подшипник, ступицы и пластину, а внутреннее кольцо подшипника неподвижно закреплено на втулке с эксцентрично расположенным отверстием, в то время как наружное кольцо через ступицы неподвижно соединено с пластиной, на которой установлены эластичные сильфоны.
Сходство предлагаемого генератора потока дыхательной смеси с ближайшим аналогом заключается в том, что он содержит пару оснований с коллекторами, связанные с ними каналы, приводной вал, установленный на основаниях, подвижный наклонный нажимной узел, закрепленный на приводном валу, и эластичные сильфоны, установленные между соответствующим основанием и подвижным наклонным нажимным узлом, связанные с коллекторами посредством клапанов.
В общем случае выполнения, предлагаемый генератор потока дыхательной смеси отличается от ближайшего аналога тем, что подвижный наклонный нажимной узел содержит втулку с эксцентрично расположенным отверстием, неподвижно закрепленную на приводном валу, подшипник, ступицы и пластину. Внутреннее кольцо подшипника неподвижно закреплено на втулке с эксцентрично расположенным отверстием, а наружное кольцо через ступицы неподвижно соединено с пластиной, на которой установлены эластичные сильфоны.
В частном случае выполнения заявленный технический результат дополнительно достигается тем, что между пластиной и каждым основанием установлено по пять эластичных сильфонов.
В частном случае выполнения, целесообразно применение эластичных сильфонов, поперечное сечение которых имеет форму круга.
В частном случае выполнения указанная задача дополнительно решается тем, что каналы снабжены патрубками.
В местах прохождения вала через основания целесообразно устанавливать радиальные подшипники, подшипник подвижного наклонного нажимного узла целесообразно выполнить двухрядным радиально-упорным.
В частном случае выполнения, генератор потока дыхательной смеси дополнительно характеризуется тем, что втулка с эксцентрично расположенным отверстием зафиксирована на валу упорным буртиком и гайкой. Технический результат может дополнительно достигаться тем, что внутренние грани оснований расположены под углом друг к другу.
Целесообразно, для достижения технического результата, в частном случае, выполнение впускного и выпускного коллекторов оснований кольцевыми.
В частном случае выполнения, генератор потока дыхательной смеси дополнительно характеризуется тем, что опорные поверхности сильфонов на основаниях расположены под углом, равным предельному углу отклонения пластины, что уменьшает остаточный объем сильфона и повышает общий КПД устройства.
Целесообразно для решения указанной задачи выполнение с двух сторон втулки с эксцентрично расположенным отверстием упорного буртика переменной толщины.
В частном случае выполнения, генератор потока дыхательной смеси отличается тем, что втулка с эксцентрично расположенным отверстием состоит из двух частей.
В частном случае выполнения, генератор потока дыхательной смеси отличается тем, что впускной и выпускной клапаны размещены на индивидуальной для каждого сильфона клапанной плите.
С целью соответствия заявленному техническому результату, устройство должно быть достаточно компактным для обеспечения возможности применения в аппаратах искусственной вентиляции легких, в том числе, в транспортном варианте исполнения, и при этом быть достаточно производительным для подачи в дыхательный контур такого аппарата необходимого объема газовой смеси. Крайне важна и возможность регулирования скорости потока, объема смеси, поступающей в контур в относительно короткие временные интервалы. Применение в настоящем техническом решении пары оснований, расположенных, предпочтительно, параллельно, позволяет сократить габариты устройства и рационально использовать качение подвижного наклонного нажимного узла, в частности, его пластины. Так, при использовании, например, одного основания, нажимной узел будет совершать холостой ход, что снизит количество полезной работы устройства. В некоторых случаях, возможно размещение и более пары оснований, расположенных взаимно параллельно. При такой реализации между каждой парой оснований должно быть размещено по подвижному наклонному нажимному узлу, помещенных на единый вал. Выполнение в основаниях коллекторов позволяет связать поступающую дыхательную газовую смесь в единый контур, равно как и отводимую. Дыхательная смесь поступает в пневматический контур устройства через входной канал, равномерно распределяясь по пространству входного коллектора каждого основания. В свою очередь, газ из выпускного коллектора каждого основания через выходной канал, связывающий выпускные коллекторы оснований, направляется далее к дыхательному контуру пациента. Форма выполнения коллекторов, раскрытая в частном случае, а именно кольцеобразная, позволяет изолировать впускной и выпускной коллекторы, задействовав при этом максимальный объем внутреннего пространства оснований, повысив тем самым производительность устройства.
Приводной вал обеспечивает передачу вращательного момента на наклонный нажимной узел. В общем случае приводной вал проходит через ось симметрии оснований, что, впрочем, зависит от мест расположения отверстий, которые могут располагаться эксцентрично. В частном случае выполнения, в местах прохождения вала через основания размещают радиальные подшипники, обеспечивающие его вращение. Для надежной фиксации на приводном валу втулки с эксцентрично расположенным отверстием, как части подвижного наклонного нажимного узла, целесообразно выполнение на нем буртика и резьбы на расстоянии от буртика, равном длине втулки. После установки подвижного наклонного нажимного узла на вал, втулка фиксируется гайкой.
Рабочим элементом устройства являются эластичные сильфоны, действующие по принципу мехов. При качении наклонного нажимного узла, воздействующего на одно из оснований сильфона, сильфон периодически сжимается и растягивается, перекачивая газ из впускного коллектора основания в выпускной. Скорость периодического сжатия и растяжения (время цикла) зависит от скорости вращения приводного вала. Связь сильфонов с коллекторами осуществляется через обратные клапаны.
Конструкция подвижного наклонного нажимного узла позволяет эффективно преобразовывать вращательное движение вала, на котором он установлен, в возвратно-поступательное движение пластины как составляющей части наклонного нажимного узла, непосредственно взаимодействующей с эластичными сильфонами. Такой результат достигается размещением на приводном валу втулки с отверстием, расположенным эксцентрично относительно оси симметрии. Эксцентричность проявляется в том, что осевая линия отверстия, выполненного во втулке, образует острый угол с осевой линией самой втулки, то есть отверстие наклонено относительно центральной оси. На поперечном сечении это выражается таким образом, что один из краев втулки расположен выше другого. Для надежной фиксации подшипника на втулке, в частном случае предусмотрено снабжение втулки буртиками переменной толщины, расположенными по ее краям. Возможно выполнение втулки в виде отдельных деталей, каждая из которых имеет эксцентрично расположенное отверстие и один буртик переменной толщины. Подшипник, закрепленный на втулке с эксцентрично расположенным отверстием, обеспечивает восприятие вращательного движения приводного вала и передачу при этом момента для приведения в движение пластины. Учитывая типы нагрузки, которую испытывает указанный элемент, целесообразно, в соответствии с частным случаем, применять в качестве такого элемента двухрядный радиально-упорный подшипник, воспринимающий одновременно радиальные нагрузки от приводного вала, втулки и пластины и осевые нагрузки от пластины с эластичными сильфонами. Количество рядов качения зависит от величины нагрузки и векторов сил, действующих на подшипник. Подшипник установлен в ступицу, для его соединения с пластиной, крепящейся к ступице разъемным соединением, как правило, резьбовым. Количество крепежных деталей, соединяющих ступицу с пластиной, должно быть достаточно для надежной фиксации пластины с учетом нагрузок, которые испытывает соединение. Пластина предназначена для передачи сообщенного момента сильфонам, следовательно, должна обладать достаточной, для целей данной полезной модели, прочностью на изгиб. Форма выполнения пластины обусловлена общими габаритами устройства, и в особенности, формой оснований. Пластина может быть выполнена в виде диска, иметь форму круга, овала, параллелограмма или параллелепипеда, в целом, форма пластины продиктована компоновкой рабочих элементов устройства.
Предусмотренная частным случаем компоновка, согласно которой между каждым основанием и пластиной установлено по пять сильфонов, позволяет обеспечить дозированный непрерывный поток газовой смеси. Вместе с тем, такое количество сильфонов способствует оперативному изменению объема поступающей в дыхательный контур смеси за счет разделения всего объема перекачиваемого газа по десяти (с учетом парности эластичных сильфонов) отдельным емкостям. Принимая за цикл работы устройства сжатие воздуха в сильфоне под действием пластины, поступление смеси из впускного коллектора через клапан, растяжение эластичного сильфона, вызванного поворотом пластины, и выпуск смеси из внутреннего пространства сильфона в выпускной коллектор через клапан, получим, что при работе устройства, таких циклов будет пять, при десяти сильфонах и с учетом зеркальной симметричности работы пластины относительно оси вращения вала. Соответственно, в один временной интервал, равный времени цикла, объем воздуха, поступающий через выпускной коллектор в выходной канал и далее в дыхательный контур, будет не менее двукратного объема эластичного сильфона.
Патрубки, которыми снабжены входной и выходной каналы, соответственно, позволяют встраивать устройство в систему аппарата ИВЛ. Конструкция каналов такова, что они не выходят за габариты устройства, ограниченные основаниями и эластичными сильфонами, за исключением патрубков. Размещение впускного и выпускного клапанов на индивидуальной для каждого сильфона клапанной плите способствует повышению герметизации сильфона.
В целом цилиндрическая форма эластичного сильфона, приведенная в частном случае, способствует равномерному сжатию стенок сильфона, снижая шум потока газовой смеси. Вместе с тем, технологичность изготовления детали такой формы, выраженная, в том числе, в простоте изготовления пресс-формы и матрицы для оформления наружной поверхности, достаточно высока.
Ориентированность части оснований под углом друг к другу таким образом, что опорные поверхности сильфонов (места их установки на основания) расположены под углом, равным максимальному углу отклонения пластины подвижного наклонного нажимного узла, приводит к увеличению полезного, рабочего объема.
Втулка с эксцентрично расположенным отверстием может быть составлена из пары идентичных деталей, таким образом, что на поперечном сечении детали будут расположены зеркально симметрично относительно вертикальной и горизонтальной осей, соответственно. В соответствии с частным случаем выполнения, втулка может быть снабжена буртиками переменной толщины для фиксации установленного на ней подшипника.
Устройство проиллюстрировано следующими чертежами:
На Фиг. 1 показан разрез генератора потока дыхательной смеси.
На Фиг. 2 показан разрез генератора потока дыхательной смеси плоскостью А-А.
Генератор потока дыхательной смеси содержит приводной вал 1, на котором закреплен подвижный наклонный нажимной узел. Вал установлен в подшипниках в основаниях 2 и 3, в каждом из которых имеется по одному впускному 4 и выпускному 5 кольцевых коллекторов. Соответствующие коллекторы оснований соединены между собой входным 6 и выходным 7 каналами. Каждый канал имеет выход с патрубком 8 для включения устройства в пневматическую систему. Между основаниями на приводном валу 1 размещена втулка с эксцентрично расположенным отверстием 9, закрепленная между упорным буртиком приводного вала и гайкой. На втулке закреплен двухрядный радиально-упорный подшипник 10, внешнее кольцо которого через ступицы 11 соединено с пластиной 12. С обеих сторон пластины 12, между нею и основаниями 2 и 3 установлены эластичные сильфоны 13, прикрепленные как к пластине, посредством кольцевых прижимов 14, так и к соответствующему основанию, на его опорную поверхность. Эластичные сильфоны установлены по кольцу, ближе к внешней границе пластины и имеют в сечении форму круга. Внутреннее пространство каждого сильфона, ограниченное пластиной, опорными поверхностями основания (частью основания) и стенками, сообщается с впускным и выпускным коллекторами соответствующих оснований посредством клапанов 15. Совместно, втулка с эксцентричным отверстием, двухрядный радиально-упорный подшипник, ступицы и пластина образуют подвижный наклонный нажимной узел.
Устройство работает следующим образом.
Газ, смесь газов или аэрозоль поступает через патрубок во входной канал 6. Вращением ротора электродвигателя (не показан) передается крутящий момент на вал 1. Вращение вала через передачу усилия на втулку с эксцентрично расположенным отверстием 9, неподвижно закрепленной на валу, через радиально-упорный подшипник 10 приводит к качению пластины 12, толкающей эластичные сильфоны 13, которые создают давление во внутреннем пространстве (камере). Затем, под воздействием давления в камере, открывается клапан впускного коллектора 14, а при дальнейшем изменении угла качения пластины 12, открывается клапан выпускного коллектора, смесь газов через выходной канал 7 поступает в дыхательный контур пациента.
В частном случае данное устройство, предназначенное для создания требуемого объема дыхательной смеси в 250 мл за один оборот вала, реализовано следующим образом:
На приводной вал 1 (Фиг. 1), выполненный из стали 40Х, имеющий габаритные размеры d12×64, устанавливаются втулка 9 размерами d16,6×10,5 с эксцентрично расположенным отверстием d8,2 под углом 9° с упором на буртик на валу, радиально-упорный подшипник 10 (3201 A-2RS1, SKF, d12×32) внутренним кольцом ставится на эту втулку, вторая втулка 9 одевается одновременно на вал и подшипник 10 и прижимается гайкой М8×1 через резьбу на валу. Затем на внешнее кольцо подшипника 10 устанавливаются ступицы 11 с двух сторон, между ними зажимается пластина 12 посредством винтов М3 через резьбу в одной из ступиц. После к пластине 12 крепятся эластичные сильфоны из силиконовой смеси 13 (диаметром 53 мм и высотой от 13 мм в сжатом состоянии до 45 мм в расправленном), через самонарезаемые винты и расположенные внутри сильфонов цилиндрические плоские пластины с крепежными бобышками, изготовленные на 3D-принтере методом FDM из ABS-пластика.
Затем собранный подвижный наклонный нажимной узел устанавливается через подшипники 627-2Z,SKF на основания 2 и 3, выполненные из полистирола методом аддитивной SLS технологии, причем со стороны двигателя посадка подшипника, скользящая по внутреннему кольцу, а с противоположной стороны посадка подшипника, фиксированная по обоим кольцам. После сильфоны крепятся к основаниям через пластины для прохождения дыхательной смеси с уже установленными на них обратными клапанами зонтичного типа и прижимаются винтами М3 через кольцевые прижимы. Вентильный бесколлекторный двигатель крепится на одно из оснований, и вращение на вал передается через переходную муфту.
Разумеется, возможные исполнения предложенного генератора потока дыхательной смеси не исчерпываются представленными примерами.
Устройство может быть изготовлено из известных материалов, на известном оборудовании при применении традиционных способов производства, типично применяемых для изготовления конструкций из соответствующих материалов.
Предложенные варианты выполнения устройства не являются исчерпывающими, объем правовой охранный технического решения ограничен исключительно формулой полезной модели.