DE19904119C2 - Rotationsverdichter für Beatmungssysteme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotationsverdichter für Beatmungssysteme gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Derartige Beatmungssysteme werden vorzugsweise im Bereich der Medizin verwendet, wobei auch Atemkreissysteme mit Rückatmung aus unterschiedlichen Gründen zum Einsatz kommen.

Bekanntes Anwendungsgebiet im Bereich der Medizin ist insbesondere der Bereich der Anästhesie, wo beispielsweise im Falle betäubender Anästhesiemittel die Führung der ausgeatmeten und der neu zugefügten Gase, wie z. B. Sauerstoff, im Kreisbetrieb besonders erwünscht ist. Aus der gattungsgemäßen US 5,875,783 ist ein Rotationsverdichter für Beatmungssysteme bekanntgeworden, der aufgrund seiner Eigenschaften besonders geeignet ist, der Spontanatmung des beatmeten Patienten schnell zu folgen.

Die DE 36 00 124 C2 beschreibt ein Gebläse mit einem Rotationsverdichter zum Umwälzen großer Gasmengen, speziell für Hochleistungs-Laser nach dem Gas­ transport-Prinzip, wobei der Rotationsverdichter mittels eines aerodynamischen Gas-Gleitlagers gelagert ist.

Aus der JP 10184302 A, Patent Abstracts of Japan, geht eine Turbine mit einem Gas-Gleitlager mit radial belasteten Lagerflächen hervor, die mit Rillen versehen sind, und die US 3,951,573 offenbart ebenfalls einen Rotationsverdichter mit einem Gas-Gleitlager.

Schließlich ist aus der US 4,773,829 ein Rotationsverdichter bekannt geworden, bei dem das Verdichterrad durch einen elektronisch kommutierten Gleichstrom­ motor angetrieben wird. Den Rotor des Gleichstrommotors bildet dabei ein mit dem Verdichterrad verbundener Permanentmagnet, jedoch ist weder eine aero­ dynamische Gas-Gleitlagerung vorgesehen noch die Verwendung in Beatmungssystemen angesprochen.

Die bekannten Rotationsverdichter sind bislang nicht sterilisierfähig und damit für den Einsatz als Gasfördereinrichtung in Beatmungssystemen mit Rückatmung im Kreisbetrieb nicht geeignet.

Des weiteren ist bisher die Trennung zwischen den elektrischen Bauteilen und dem Atemgas mit erhöhter Sauerstoffkonzentration nicht ausreichend, so daß der zusätzlich zugefügte Sauerstoff nur im offenen Beatmungs­ system und erst hinter dem Rotationsverdichter zugeführt werden kann und somit dynamisch dosiert werden muß.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen verbesserten Rotationsverdichter für Beatmungssysteme vorzuschlagen, der einerseits wasch- und sterilisierfähig ist und der andererseits eine sichere Trennung des Atemgases von den elektrischen Bauteilen ermöglicht.

Die Lösung der Aufgabe erhält man mit den Merkmalen von Anspruch 1.

Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausbildungen des Erfindungs­ gegenstands nach Anspruch 1 an.

Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt sich durch die Nutzung des Atemgases selbst als Schmierstoff zwischen den gegen­ einander bewegten Gleitflächen, so daß das Gleitlager völlig wartungsfrei ist. Durch die Ausbildung des aerodynamischen Gas-Gleitlagers werden Rotor und Stator vollständig verschleißfrei voneinander getrennt, wobei zusätzlich die Geräuschentwicklung besonders niedrig ist im Vergleich zu konventionellen Rotationsverdichtern, welche aufgrund der relativ hohen Rotationsgeschwindigkeit die üblichen Wälzlager entsprechend beanspruchen.

Darüber hinaus erlaubt die einfache Konstruktion des erfindungsgemäßen Rotationsverdichters, die vom Atemgas durchströmten Bauteile im Feldein­ satz zu demontieren, zu reinigen, zu sterilisieren und wieder zu montieren, so daß ein Einsatz in einem Beatmungssystem mit im Kreisbetrieb transpor­ tierten Atemgasen sicher, hygienisch und bequem möglich wird.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Hilfe der Figuren erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotations­ verdichter, wobei die Spalte zwischen gegeneinander be­ wegten Teilen zur Verdeutlichung übertrieben weit darge­ stellt sind und

Fig. 2 eine dreidimensionale Ansicht eines Verdichterrades von oben (obere Blatthälfte) und von unten (untere Blatthälfte).

Der im Schnitt (Prinzipdarstellung) gezeigte erfindungsgemäße Rotationsver­ dichter 1 wird mit Hilfe eines bürstenlosen, elektronisch kommutierten Gleich­ strommotors angetrieben. Der Rotor des Gleichstrommotors ist ein diametral magnetisierter Permanentmagnet 2, der Stator 3 besteht aus drei Spulenpaaren, von denen ein Paar im Schnitt dargestellt ist. Die Spulenpaare sind jeweils in einem Winkel von 120 Grad zueinander symmetrisch um die Rotationsachse 4 angeordnet, so daß der Feldvektor des Spulen-Magnetfeldes um die Rotationsachse 4 und damit um den als Permanentmagnet 2 ausgebildeten Rotor gedreht werden kann.

Die Lage des Permanentmagneten 2 wird vorzugsweise über Hall-Sensoren oder während der Rotation durch in den Spulen induzierte Spannungen detektiert. Der als Rotor dienende Permanentmagnet 2 dreht sich dadurch mit dem körper­ lich verbundenen Verdichterrad 5, daß die einzelnen Spulen nacheinander zyklisch mit Strom beaufschlagt werden. Die zyklische Bestromung in Abhängig­ keit von der Rotorlage, also die Kommutierung, erfolgt verschleißfrei über ebenfalls nicht dargestellte Halbleiter-Schaltelemente. Der Rotationsver­ dichter 1 ist im Ausführungsbeispiel ein Radialverdichter, jedoch können auch andere rotierende Verdichter erfindungsgemäß ausgebildet werden, insbe­ sondere Seitenkanalverdichter und Peripheralverdichter.

Das mit dem Permanentmagneten 2 verbundene Verdichterrad 5 rotiert mittels des erläuterten Antriebs im Gehäuse 6 um die Rotationsachse 4. Der mittels des durch die Rotation des Verdichterrads 5 im Saugstutzen 7 erzeugte Unterdruck bewirkt den Transport des Atemgases parallel zur Rotationsachse 4 zum Verdichterrad 5 hin, wie durch die Pfeile dargestellt. Mittels der auch in Fig. 2 dargestellten, gekrümmten Schau­ feln 21 wird das Atemgas verdichtet, verläßt schließlich das Verdichter­ rad 5 senkrecht zur Rotationsachse 4 über den Druckstutzen 8 und strömt zurück in das Beatmungssystem.

Der Kern der Erfindung besteht nun darin, daß eine völlig wartungsfreie und praktisch verschleißfreie Lagerung des elektrisch angetriebenen Verdichterrads 5 zur Verfügung gestellt wird. Hierzu erfüllt das Atemgas selbst die Funktion des Schmierstoffs, das heißt das rotierende Verdichterrad 5 mit dem körperlich verbundenen Permanentmag­ neten 2 wird mittels eines aerodynamischen Gas-Gleitlagers gelagert. Durch die Ausbildung eines Schmierkeils im zwischen Permanent­ magnet 2 (Rotor) und Stator 3 angeordneten Spalttopf 9 werden diese vollständig verschleißfrei voneinander getrennt, zwischen ihnen herrscht nur noch Gasreibung.

Im Prinzip genügt für diese radial belasteten Flächen des als Gas- Gleitlager ausgebildeten Radiallagers der Durchmesserunterschied zwischen Stator 3 und Permanentmagnet 2 (Rotor) zur Ausbildung des Schmierkeils. Jedoch hat sich gezeigt, daß zusätzliche Rillen­ ausbildungen auch im Radiallager die Tragfähigkeit und Stabilität erhöhen. Für die axial belasteten Flächen 10 und 11 (ruhende Gehäusefläche) von Verdichterrad 5 und gegenüberliegender Wand des Gehäuses 6 wurde überraschend gefunden, daß mit einer Ausbildung der axial belasteten Flächen 10 oder 11 in Form von Rillen 22, wie in Fig. 2 für die Unterseite des Verdichterrads (axial belastete Fläche 10) gezeigt, bereits bei geringer Drehzahl ein Aufschwimmen mit guter Tragfähigkeit erfolgt. Für einen kleinen Radialverdichter wurde der Übergang zwischen Mischreibung und reiner Gasreibung bei etwa 190 Umdrehungen pro Minute festgestellt. Der Radialverdichter konnte ohne weiteres oberhalb dieser Drehzahl betrieben werden, so daß der Einsatz praktisch immer im verschleißfreien Bereich der Gasreibung möglich ist.

Im dargestellten Beispiel hatte das Verdichterrad 5 einen Durchmesser von 50 Millimeter und eine vertikale Rotationsachse 4, so daß das Gewicht durch ein Axiallager aufgenommen werden muß.

Das axiale Gas-Gleitlager ist im Beispiel (siehe auch Fig. 2) ein mittels Spiralrillen ausbildetes Rillenlager mit einem Außendurchmesser von etwa 40 Millimeter und einem Innendurchmesser von etwa 20 Millimeter, wobei etwa 10 bis 15 Rillen 22 vorhanden sind, die eine Tiefe von etwa 25 bis 30 Mikrometer und einen logarithmischen Verlauf aufweisen, das heißt die Rillen 22 bilden logarithmische Spiralen mit einem Winkel von etwa 10 Grad zur Tangente. Die Breite der Rillen 22 beträgt etwa 4 bis 6 Millimeter.

Vorzugsweise weist auch die axiale Gegenlagerfläche 12 des Verdichter­ rades 5 Rillen 22 auf, alternativ oder zusätzlich hierzu weist auch die ruhende Gehäusefläche 13 des axialen Gegenlagers Rillen 22 auf. Damit wird im Falle der dargestellten vertikalen Rotationsachse 4 verhindert, daß das Verdichterrad 5 während der Rotation die ruhende Gehäusefläche 13 durch Reibung mechanisch belastet.

Die radiale Dichtung mit Hilfe des Spalttopfes 9 muß magnetisch durchflutbar und darf nicht elektrisch leitend sein, so daß keine Wirbelströme ent­ stehen. Bevorzugte Materialien sind Keramik und/oder Kunststoff. Mit vorliegender Erfindung wurde ein elektrisch angetriebener Rotations­ verdichter 1 geschaffen, welcher für die Verwendung in Beatmungs­ systemen mit Rückatmung und Führung der Atemgase im Kreisbetrieb besonders geeignet ist, weil keine Verschleißteile verwendet werden, so daß die Lebensdauer praktisch nicht begrenzt ist. Dabei ist ein wesentlicher Vorteil, daß das Antriebselement Verdichterrad 5 ohne weiteres ausgebaut werden kann und damit wasch- und sterilisierfähig ist. Außerdem ist durch die Spaltrohrdichtung mittels des Spalttopfes 9 zwischen Stator 3 und Rotor (Permanentmagnet 2) eine hermetische Trennung zwischen dem transportierten Atemgas mit erhöhter Sauerstoffkonzentration und den stromdurchflossenen und spannungsführenden elektrischen Bau­ elementen des Antriebs gewährleistet.

Claims (5)

1. Rotationsverdichter für Beatmungssysteme, mit einem elektrisch an­ getriebenen Verdichterrad, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb durch einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor erfolgt, dessen Rotor durch einen mit dem Verdichterrad (5) verbundenen Permanentmagneten (2) gebildet ist, wobei der Rotor vom Stator (2) des Gleichstrommotors durch einen Spalttopf (9) hermetisch getrennt ist, und wobei das Verdichterrad (5) mittels eines aerodynamischen Gas-Gleitlagers gelagert ist.

2. Rotationsverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalttopf (9) magnetisch durchflutbar und elektrisch nicht leitend ist, so daß keine Wirbelströme entstehen.

3. Rotationsverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalttopf (9) aus Keramik besteht.

4. Rotationsverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spalttopf (9) aus Kunststoff besteht.

5. Rotationsverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß bei Verwendung eines Rotationsverdichters (1) in einem Beatmungssystem mit Führung von Atemgas im Kreisbetrieb das transportierte Atemgas durch den Spalttopf (9) hermetisch von stromdurchflossenen und spannungsführenden elektrischen Bauelementen des Antriebs getrennt ist, und daß das Verdichterrad (5) zusammen mit dem Permanentmagneten (2) ausbaubar ist.