专利名称：呼气阀及通过其控制气流的方法
技术领域：
本发明涉及一种呼气阀，尤其是一种用于呼吸机中的呼气阀。
背景技术：
在设计医用排气/辅助呼吸系统中的呼气阀时，其气流通道的低阻抗、无涡流是非常重要的设计参数，另外对于呼气阀受污染部分的清洁要求也很高，再一方面需要考虑的是如何将呼气阀设计得小而轻，使得用于控制呼气阀的致动器也可以做的很小并与气流通道相隔离。目前常见的呼气阀都包含一种圆垫片，该圆垫片抵靠在一条通气管道的末端形成呼气阀的基座。美国专利第5127400号公开了此类阀的一种例子。这种阀的缺点是导致气流通道过于复杂，并因此产生涡流以及清洁方面的问题。另外，由于整个圆垫片被加压控制，气流只能通过其外边缘产生流动，为了满足致动要求，必须采用较为笨重而能提供做够大驱动力的致动器，而通常这样的致动器价格昂贵。因此，现有技术中的阀还有待改进，本发明的目的就是提供一种满足前述诸多设计要点的呼气阀。
发明内容
本发明要解决的主要技术问题是，提供一种轻便并能获得良好气流通道特性的呼气阀。为解决上述技术问题，本发明提供一种呼气阀，该呼气阀包括第一弯折部、阀基体和至少一致动单元。该弯折部具有至少一弯折区域，该阀基体以能使气流在该第一弯折部与该阀基体之间的通道流动的方式设置在该第一弯折部的内部或者外部。该致动单元用于驱动该第一弯折部产生轴向压缩或者拉伸。其中，通过该第一弯折部在呈放射状朝向该阀基体和与该阀基体轴向平行排列之间进行状态转换以控制气流在阀中的流动。本发明的有益效果是通过致动单元控制弯折部产生朝向阀基体的放射状弯曲， 从而弯折部与阀基体相抵接而将原本在两者之间形成的气流通道封闭，由于开启状态下弯折部的内壁与阀基体之间基本相互平行，通道流畅而可避免产生涡流，并且软导管的弯折部只需较小的驱动力即可实现弯曲，因此对应的致动器可做的更为轻便并降低成本，并因此致动器可以与气流通道相互隔离，使得病人呼出气体不会污染到致动器，从而可方便的反复使用，并且受污染的软管等部分也可以拆下消毒后重复使用或者采用一次性的软管寸。另外，本发明还提供一种采用上述呼气阀控制气流的方法。该方法包括轴向压缩或者拉伸一可形变单元产生，使该可形变单元在呈放射状朝向阀基体和与阀基体轴向平行排列之间转换从而控制气流的流通与封闭。本发明控制气流的方法与本发明呼气阀具有类似的有益效果。
图1为本发明一种实施例的呼气阀在开启/关闭状态下的结构示意图；图2为按照本发明原理作为示例的一个阀的软导管沿轴向的剖面示意图。图3为本发明一种实施方式的呼气阀的俯视结构示意图；图4是阀体部分与致动器相连接的示意图；图5是本发明呼气阀的另一种实施方式的结构示意图；图6是本发明呼气阀又一种实施方式的结构示意图；图7是本发明呼气阀再一实施方式的结构示意图；图8是图7所示呼气阀的一变形实施方式的结构示意图；图9是图8所示呼气阀的一变形实施方式的结构示意图；图10是图2所示呼气阀的一变形实施方式的结构示意图；图11是上述呼气阀所有实施方式中软导管弯折部的一种变形实施方式的结构示意图。
具体实施例方式本发明的呼气阀包括第一弯折部、阀基体和至少一个致动单元的阀。该弯折部具有至少一弯折区域，该阀基体以能使气流在该第一弯折部与该阀基体之间的通道流动的方式设置在该第一弯折部的内部或者外部。该致动单元用于轴向压缩或者拉伸该第一弯折部。其中，通过该第一弯折部在呈放射状朝向该阀基体和与该阀基体轴向平行排列之间进行状态转换以控制气流在阀中的流动。当弯折部处于常态位置时阀打开，在弯折部与阀基体之间的通道产生基本无涡流的气流运动。本发明的阀的弯折部包括一个以上的弯折区域，当弯折部受到致动单元轴向压缩或者拉伸驱动时，该弯折区域发生类似于关节弯曲的运动，从而使得该弯折部与阀基体产生放射状的弯曲角度或朝阀基体突出。随着弯折部角度的增加，逐渐的至少有一部分的弯折部会与阀基体相抵接，优选的，接触部分可以设计为该弯折区域，并且优选的在该弯折部或者弯折区域与阀基体相接触的地方产生互相紧固密闭的作用力。优选的，该阀为一个旋转对称体，并且该弯折部与该阀基体同轴设置。文中所称“轴向运动/移动”是指沿气流流动方向或者气流流动方向的逆向，这里气流的流动产生于该弯折部两端开口之间。而“放射状指向的运动”指的是与气流流动方向基本上垂直的移动/运动。在某些实施例中，通过设计使得该阀的弯折部在阀开启时，其靠气流通道的一侧形状是平坦的。这样的设计在阀处于开启状态时获得基本无涡流的气流，从而可减少通过该通道的气流的阻抗。在某些实施例中，该阀包括至少一第二弯折部。此种情况下所述的第一弯折部用于堵塞气流，而该第二弯折部用于产生相对轴向运动。如此便可避免第一弯折部因反复压缩折叠产生的变形和磨损。为了便于在不具有弹性的入口通道与出口通道之间安装该阀，可以增加额外的弯折部用于引导阀的压缩/拉伸运动，以及用于堵塞的弯折部。由此，可以避免对非弹性的入口或出口通道的材料及零件带来不必要的拉拽。在某些实施例中，该阀基体作为设置在该第一弯折部中心的一种旋转对称的圆周壁，比如位于一个杆的外部，或者一根导管的内部或者外部。在某些实施例中，该阀基体的轮廓是一种旋转对称二次曲线体，并沿气流顺流方向设置在该第一弯折部的中心。由于该阀基体的外形轮廓以及所处位置，使得其更容易形成无涡流的气流。本发明的阀也可以具有旋转对称圆周体形状的阀基体，并包括围绕于该第一弯折部的导管的内壁。在另外的实施例中，该弯折部内部的构造材料和该阀基体是高压灭菌的，或者可以是一次性使用的，或者部分材料是高压灭菌而部分材料是一次性使用的。比如使用硅胶、 不锈钢等材料。使用上述类似的材料可以使得本发明的阀能用于医疗仪器中，比如用在呼吸机中，在阀被病人污染后，通过清洁及消毒仍可在不同病人间使用。比如，该阀可以是人工呼吸机中的呼气阀。在某些实施例中，该阀的致动单元包含至少一个压电致动器。在其他一些实施例中，该致动单元也可以包含至少一线圈致动器，或者其他一切可行的致动单元。本发明的另一优点在于致动单元可以与气流通道相互隔离，这样致动单元就不必高压灭菌，从而便于操纵致动单元并增加致动单元的使用寿命。在某些实施例中，可以在阀中整合流量表，比如说沿气流通道安装一对超声波无线电收发器，用于测量通过通道的气流。如此，可以获得较为紧凑的呼气阀。因为流量表与阀之间可以保持较短的距离，该呼气阀可以实现对通道中气流的快速控制，并且可以防止涡流。另一方面，本发明还包括一种控制至少一气流通道中的气流流动的方法。该方法包括轴向压缩或者拉伸阀的至少一弯折部，且该第一弯折部在呈放射状朝向该阀基体和与该阀基体轴向平行排列之间转换从而达到控制气流的目的。该方法中的阀优选采用前述各种实施例中的阀。本发明的控制气流通道中的气流流动的方法与前述的呼气阀具有基本一致的优点。比如通过该方法可以获得基本无涡流的气流，并且能十分方便的控制气流被封堵，通过这样一个结构紧凑的呼气阀可以快速可靠的控制气流的流动，优选的采用压电致动单元可以实现低能耗。按照本发明构思获得的装置可以包含一段两端固定的软导管，软导管的材料可以是硅胶，并且该软导管具有可弯折的部分，比如图1中所示的弯折部10、11。通过一个可活动的环控制该软导管可弯折的部分产生轴向运动。在以下的具体描述中，阀关闭/开启指的是呼气阀的气流通道关闭或者打开。图1就描述了这样的一个例子。如图1所示，是软导管的可弯折部沿轴向的剖面示意图。图1中左右图分别显示了同一个呼气阀在不同状态下的构造。其中左边的图显示了呼气阀在开启状态的情形，而右边的图则显示了呼气阀在关闭状态的情形。如图1中左边的图所示，其中第一弯折部10处于非压缩状态下，而第二弯折部11处于压缩状态。第一弯折部10的圆形突出119作为一个软阀门元件。这种状态下，呼气阀正常开放。在该软导管的弯折部的内部中心位置设有一旋转对称的硬基体13，该硬基体13 基于气动力学设计以使得呼气阀中的气流阻抗最低。该硬基体13作为一个阀基体，而该第一弯折部10朝向该硬基体13动作。该硬基体13通过支撑元件(图中未示)固定于固定环15、16，而固定环15、16分别固定在弯折部的两端，这里的弯折部是指由第一弯折部10和第二弯折部11组成的一个整体完整部。当呼气阀开放时，如图1左图所示，软导管的弯折部内部实质上是平稳的，并且由于中心基体13的设计，使得该呼气阀具有很低的气流阻抗。通过一活动环12沿轴向并朝该固定环16运动距离113，迫使该软导管的弯折部 110与该基体13相抵接。而此时软导管的弯折部111则被拉伸。处于此种状态下的气流路径不再是最优的(阻抗较大)，但是这一点并不造成什么不良影响，因为此时的阀处于关闭状态，并没有气流在阀中流动。当然活动环112也可以处于开启与关闭之间的某个位置，此时该呼气阀作为一种调节均衡气流的阀。导管弯折部110与导管弯折部111的形状略有不同，比如导管弯折部110的三角形状的顶点部分被去掉，从而减轻导管弯折部的重量以获提高系统的共振频率。当然导管弯折部111也可以做与此相似的设计。活动环12的截面可以设计成U形、T形等类似形状，以进一步减轻其重量。与导管弯折部110不同，该导管弯折部111在阀打开的时候形成倒圆锥体状的内轮廓。这样设计的好处在于可以获得更好的气流路径，该导管弯折部111可以吸收更少的动力从而此部分可以设计得更小更轻，这样一来有助于增加系统的共振频率，提高系统调控的性能。图2是按照本发明原理作为示例的一个阀的软导管沿轴向的剖面示意图。图2中所示的呼气阀可以优选应用于人工呼吸机，该阀可以安装到呼吸机上也可以从呼吸机的底盘上取下，并且不用打开病人的呼气管道系统，从而底盘不会被污染，而管道系统可以稍后被移走并进行清洁、销毁或者回收再利用。当图2中的呼气阀从呼吸机上取下时，只有图中所示的27、28、200以及201仍然留在底盘上。上述这些留在底盘上的元件，可以作为组成该呼气阀的致动单元的各部分，而其他部分可以作为组成该阀主体的部件。当阀主体部分被移除后，病人呼吸管道可以从端部20、21移除。阀主体部分可以包括可相互分离并且经高压灭菌的三部分，如下文所述。该阀的第一部分包括一硬质材料的第一端部，硬质材料可以是塑料。这一部分形成呼气阀的入口，并包含了图中所示的同样作为入口的该端部20。该第一部分还包括紧固元件202、支撑元件203。其中该支撑元件用于支撑该中心基体26。该阀的第二部分包括一软导管，比如硅胶制成的导管。该软导管包含两个弯折部 23及24，以及两个末端转接部22、25。一硬质材料制成的引导环四安装在该阀的软导管外部，引导环的材料可选为塑料。引导环四的作用是在关闭阀的时候，将致动单元的的轴向压缩动力传递给该第一弯折部23，迫使该第一弯折部产生弯曲而放射状的与该中心基体 26相抵接。该阀的第三部分包括一硬质材料的第二端部，硬质材料可以是塑料。这一部分形成呼气阀的出口，并包含了图中所示的同样作为出口的该端部21。
致动部分包括一弹性衬垫200和一支撑元件201，该衬垫200该支撑元件201在阀关闭的时候沿图2中箭头所示方向运动。之后，该支撑元件201与一驱动器相连接，该驱动器可以是电磁、热能、化学、磁致伸缩或者压电驱动装置。请参看图3，是一种实施方式的阀的结构示意图，其观察方向为阀上方。图中显示了入口部30、含有软质部分的导管32以及引导环112、紧固环33以及出口部31。撑托部 34、35固定于底盘。引导环112用于关闭或者开启该呼气阀。通过回复对导管32产生的弹力，可以打开该阀。图4是阀体与致动器相连接的示意图。从图中可以看到，一杠杆48通过应力放大器405、连轴404、杠杆403的低端将致动器406的动力通过转动关节400传递到可移动的圆环43，并通过中枢点401和连轴47进行传递控制，从而使得摩擦力较低。其中该杠杆48 可呈U形或者Y形，该中枢点401可以是一个铰链或者可转动的支轴。该致动器406可以通过调节装置409进行微调，还可以进一步包括一温度补偿但愿407。引导或者支撑元件 45、46被紧固在底盘上，以套在阀基体上。紧固环44夹住该软导管并可随着阀一并被拉起。 入口 40和出口 41可以作为各种类型呼吸管道与阀单元连接的接口，呼吸管道常见的可以选择22毫米规格的。软管末端的转接部42与图2中转接部25性质类似，用于与呼吸管道连接的转接部。本实施方式的呼气阀还包括一收容部，用于收纳致动器406。图5是低压呼气阀的一种实施方式的示意图。低压呼气阀包括旋转对称基体以及围绕于该旋转对称基体周围的软导管。图5中上图的观察视角是从上方向下看，而下图观察视角是从侧面。在阀的此种变形实施方式中，施加于软导管的外部动力是通过两个致动器来控制的。图中即显示了这样一种双致动器的设计。该呼气阀包含两个压电致动器50、 51，以及与之相连并固定在呼气阀底座上的两个连接元件52、53。致动器50、51所产生的驱动力通过连接元件52、53传递到可移动圆环M。该呼气阀可以从属于底座的部分取下，从而进行高压灭菌等处理。另外一承载元件阳紧固在底座上。图6是低压呼气阀另一实施方式的示意图。与图5所示实施方式区别在于，本实施方式中的用于控制阀的致动器不是压电致动器，而是电磁线圈致动器60。在本实施方式中，该线圈61直接作用于可移动圆盘62。图7是低压呼气阀又一实施方式的示意图。在该实施方式中，采用了与前述所有实施方式不太一样的结构，主要在于采用软导管嵌套在硬导管内部的结构，与之前实施方式中软导管包围硬基体的方式相比，构成气流通道的可形变部与非形变部的相互位置关系进行了置换。在之前的实施方式中，软导管弯折部受到外力作用向内放射状弯曲而与硬基体相抵接而将气流通道封闭，而本实施方式中当软导管弯折部受到驱动时向外放射状弯曲与硬导管抵接而将气流通道封闭。如图所示，软导管71收容在硬导管70内部，并通过支撑元件75固定悬于硬导管。当呼气阀运动到关闭的状态时，圆盘78被杠杆76带动着运动了距离79。在本实施方中没有采用外部软导管内部硬基体的结构，而是采用外部围绕硬导管， 内部设置软导管的结构。在本实施方式中，图中箭头方向79的作用力通过具有关节的杠杆 76和密封单元77传递到连轴74，并进一步传递到移动圆盘78，移动圆盘78受到作用力迫使活动部73变形而朝硬导管70内表面突出，由此将气流通道封闭而使得呼气阀处于关闭状态。呼气阀还包括一固定连接在硬导管内部的空心基体72，用于收容连轴74、杠杆76组成的致动部分。图8是低压呼气阀又一实施方式的示意图，其与图7所对应实施方式的低压呼气阀结构基本相同，区别在于杠杆由一压电致动器80所代替，该压电致动器80收纳在气流通道中，并在其周围包覆一空心基体85。致动器80的驱动力通过应力放大器81放大后，再通过连轴86传递到圆盘87，圆盘87进而推动软导管弯折部朝硬导管内壁曲张而将阀内气流通道关闭。另外通过褶皱管84包覆住连轴而将其与致动器80—并与气流通道隔离开。本实施方式中还可以包括一温度补偿元件82，以及一微调元件83。图9是低压呼气阀又一实施方式的示意图，其与图8所对应实施方式的低压呼气阀结构基本相同，区别在于该阀在硬导管90外部设置了一个凹陷的收容腔91，而另一个固定在呼吸机底盘上的收容腔92则嵌套在该收容腔91内。致动单元93则设置在所形成的收容腔内。本实施方式中，收容在导管90内的装置可以与致动部相互分离。通过一个弹性元件94及一个支撑元件95，可以实现将致动部产生的动力传递到呼气阀，控制阀通道的开启及关闭。图10是又一种低压呼气阀的实施方式的示意图，其与图6中所展示的阀具有基本类似的结构，区别在于本实施方式中增加了一对超声无线电收发器190、191，用于检测气流。收发器之一的190通过支撑元件192固定在呼气阀的入口处，而另外一个收发器191 则固定在中心基体。图11是本发明另外一种变形实施方式的示意图，主要变化在于上述任意实施方式中的软导管弯折部在其外表面可以设置基本纵向延伸的凹槽210、211，目的在于减少轴向压缩的阻力。以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种呼气阀，包括一第一弯折部、一阀基体以及至少一致动单元，该第一弯折部包含至少一弯折区域，该致动单元用于驱动该第一弯折部产生轴向压缩或者拉伸，其特征在于 该阀基体以能使气流在该第一弯折部与该阀基体之间的通道流动的方式设置在该第一弯折部的内部或者外部，通过该第一弯折部在呈放射状朝向该阀基体和与该阀基体轴向平行排列之间进行状态转换以控制气流在阀中的流动。
2.如权利要求1所述的呼气阀，其特征在于所述弯折区域具有可转动的关节使得所述弯折部产生放射状的弯曲。
3.如权利要求2所述的呼气阀，其特征在于当所述第一弯折部产生一相对放射角度运动时，其与所述阀基体产生部分相互抵接的区域。
4.如权利要求3所述的呼气阀，其特征在于所述相互抵接的区域为该弯折区域。
5.如权利要求4所述的呼气阀，其特征在于所述第一弯折部具有一密封部，该密封部在与阀基体相抵接时封闭气流通道。
6.如权利要求1所述的呼气阀，其特征在于所述第一弯折部在阀开启时其靠气流通道的内侧表面平坦。
7.如权利要求1或2所述的呼气阀，其特征在于该阀进一步包括一第二弯折部，该第二弯折部与该第一弯折部相配合，其中第一弯折部用于控制气流而第二弯折部用于产生所述轴向运动。
8.如权利要求1所述的呼气阀，其特征在于所述轴向运动与气流运动方向一致。
9.如权利要求1所述的呼气阀，其特征在于所述放射状运动与所述气流运动方向基本垂直。
10.如权利要求1-6任意一项所述的呼气阀，其特征在于所述阀基体是一旋转对称圆周体，并设置于该第一弯折部的中心。
11.如权利要求1-6任意一项所述的呼气阀，其特征在于所述阀基体是一旋转对称圆锥体，并沿该气流的顺流方向设置于该第一弯折部的中心。
12.如权利要求1-6任意一项所述的呼气阀，其特征在于所述阀基体位于一呼吸管道的内部，且该呼吸管道包覆该第一弯折部。
13.如权利要求1所述的呼气阀，其特征在于所述第一弯折部及阀基体的材料是高压灭菌或者一次性使用材料，或者是两者结合的材料。
14.如权利要求1所述的呼气阀，其特征在于所述致动单元包括至少一压电致动器。
15.如权利要求1-14任意一项所述的呼气阀，其特征在于所述致动单元与气流通道相互隔离。
16.如权利要求1-14任意一项所述的呼气阀，其特征在于所述阀进一步包括一对超声无线收发器，该超声无线收发器安装在沿气流通道路径，用于检测通道中的气流。
17.如权利要求7所述的呼气阀，其特征在于所述第一弯折部和/或第二弯折部外表面具有纵向的凹槽。
18.—种控制管道中气流的方法，其特征在于轴向压缩或者拉伸一可形变单元产生， 使该可形变单元在呈放射状朝向阀基体和与阀基体轴向平行排列之间转换从而控制气流的流通与封闭。
全文摘要
本发明公开了一种控制气流的阀门及一种控制气流的方法，尤其是一种用于呼吸机的呼气阀。该阀门包括可褶皱压缩的圆形软导管，当该软导管被压缩时，其朝向阀的基座产生相互碰触并密封抵接而将气流通道关闭。本发明的阀包含可与呼吸机系统分离的高野灭菌或者一次性使用部件，并且在转换到其他病人使用时不会将呼吸系统的控制部件暴露而与受污染的表面相接触。
文档编号A61M16/00GK102247645SQ20111012619
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月16日 优先权日2010年5月17日
发明者戈兰·西维斯 申请人:迈瑞医疗(瑞典)公司