DE29819950U1 - Heated humidifier - Google Patents
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Description
Beheizbarer AtemluftbefeuchterHeated respiratory humidifier
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur gleichbleibenden Energieabgabe für die Wasserverdunstung in einem elektrisch beheizten Atemluftbefeuchter und ist insbesondere bei Verwendung von schlecht Wärme leitenden Gefäßen verwendbar.The invention relates to an arrangement for constant energy output for the water evaporation in an electrically heated respiratory air humidifier and is particularly suitable when using vessels that conduct heat poorly.
In Atemluftbefeuchtern nach dem Verdunstungsprinzip streicht die Atemluft über die Wasseroberfläche in einem Behälter und reichert sich dabei mit Wasserdampf an. Die Verdunstungswärme wird dabei dem Wasser entnommen. Dieses kühlt sich infolgedessen ab. Damit die Atemluft nicht feuchtkalt (klamm) wird, erhalten Atemluftbefeuchter nach dem Verdunstungsprinzip eine elektrische Heizung.In respiratory humidifiers based on the evaporation principle, the breathing air passes over the water surface in a container and is enriched with water vapor. The evaporation heat is taken from the water. This cools it down as a result. To prevent the breathing air from becoming damp and cold (clammy), respiratory humidifiers based on the evaporation principle are equipped with an electric heater.
Allgemein bekannt und verbreitet sind beheizbare Atemluftbefeuchter nach dem Verdunstungsprinzip, bei denen der Wasserbehälter einen Metallboden besitzt und mit diesem Metallboden plan auf einer Wärmplatte aus Metall steht, die von einem elektrisch betriebenen Heizelement beheizt wird. Durch die Metallausführung des Bodens und eine gute Kontaktgabe infolge der plan ausgeführten Berührungsflächen, sowie noch zusätzlich angebrachter Anordnungen zum kraftschlüssigen Zusammendrücken der Metallflächen, wird ein kleiner Wärmewiderstand auf dem Weg zwischen der Wärmplatte und dem Wasser erzielt. Das elektrisch betriebene Heizelement wird ebenfalls so angeordnet, daß die erzeugte Wärme über einen möglichst kleinen Wärmewiderstand in die Wärmplatte fließen kann.Heated respiratory humidifiers based on the evaporation principle are well known and widespread. The water tank has a metal base and this metal base rests flat on a metal heating plate that is heated by an electrically operated heating element. The metal design of the base and good contact due to the flat contact surfaces, as well as additional arrangements for pressing the metal surfaces together, result in a low thermal resistance on the path between the heating plate and the water. The electrically operated heating element is also arranged in such a way that the heat generated can flow into the heating plate via the smallest possible thermal resistance.
Nachteilig ist der hohe Aufwand in der Fertigung durch die Notwendigkeit der Verwendung hochwertiger Materialien und komplizierter Verarbeitung. Außerdem ist die Temperatur der Wärmplatte kein optimaler Parameter zur Erzeugung eines bestimmten Befeuchtungsergebnisses, denn die in das Wasser eingeleitete Heizleistung ist bei geregelter Temperatur der Wärmplatte von der Temperatur des Wassers abhängig.The disadvantage is the high cost of production due to the need to use high-quality materials and complicated processing. In addition, the temperature of the warming plate is not an optimal parameter for producing a specific humidification result, because the heat output introduced into the water depends on the temperature of the water when the temperature of the warming plate is regulated.
Die historische Art der Wassererwärmung, indem ein einfaches Gefäß, vorzugsweise ein Glasgefäß, auf eine elektrisch beheizte Wärmplatte gestellt wird, wäre am kostengünstigsten. Das Befeuchtungsergebnis hängt dann jedoch von schwer zu steuernden Parametern ab, beispielsweise von einer unterschiedlichen Wölbung des Glasbodens und von der Standfestigkeit des Behälters und ist bei dieser Anordnung in der Regel schlecht.The historical method of heating water by placing a simple vessel, preferably a glass vessel, on an electrically heated hot plate would be the most cost-effective. However, the humidification result then depends on parameters that are difficult to control, such as the varying curvature of the glass bottom and the stability of the vessel, and is generally poor with this arrangement.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur gleichmäßigen Wärmeenergieabgabe für die Wasserverdunstung in einem elektrisch beheizbaren Atemluftbefeuchter nach dem Verdunstungsprinzip zu schaffen, bei dem ein Heizelement eine Wärmplatte heizt und seine Heizleistung an einen einfach darauf gestellten Wasserbehälter in historischer Art mit dem darin befindlichen zu verdunstenden Wasser abgibt und darüber hinaus bei geringem Aufwand an Material und Herstellungskosten gute Verdunstungsergebnisse ermöglicht.The invention is based on the object of creating an arrangement for the uniform release of heat energy for water evaporation in an electrically heatable respiratory air humidifier based on the evaporation principle, in which a heating element heats a heating plate and transfers its heating power to a water container simply placed on top of it in a historical manner with the water to be evaporated therein and, in addition, enables good evaporation results with little expenditure on materials and manufacturing costs.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Leistungssteiler mit einem, vorzugsweise in der Einheit WATT skalierten, Einstellelement für die manuelle Vorgabe einer Leistung verbunden ist und die eingestellte Leistung permanent als elektrische Leistung aus einer elektrischen Energiequelle entnommen und über ein Stellglied einem Heizelement eingeprägt, dabei in eine gleich große Heizleistung umgewandelt und an die thermisch gekoppelte Wämnplatte abgegeben wird.This object is achieved according to the invention in that a power divider is connected to a setting element, preferably scaled in the unit WATT, for the manual specification of a power and the set power is permanently taken as electrical power from an electrical energy source and impressed onto a heating element via an actuator, thereby being converted into a heating power of the same magnitude and delivered to the thermally coupled heating plate.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt ein Meßglied die Höhe der Spannung der elektrischen Energiequelle fest und erzeugt daraus ein Signal, das an einemAccording to a preferred embodiment of the invention, a measuring element determines the level of the voltage of the electrical energy source and generates a signal therefrom which is applied to a
zusätzlichen Steuereingang des Leistungsstellers eine Korrektur des Wirkungsbereiches des Einstellelementes derart bewirkt, daß die mit dem Einstellelement eingestellte Heizleistung bei unterschiedlichen Spannungshöhen der elektrischen Energiequelle gleich ist.additional control input of the power controller causes a correction of the effective range of the adjustment element in such a way that the heating power set with the adjustment element is the same at different voltage levels of the electrical energy source.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Stellglied ein durch Impulse steuerbarer Leistungsschalter und der Leistungssteiler ein Generator, der ein in der Pulslänge variierbares vorzugsweise frequenzkonstantes Impulssignal erzeugt, wodurch das Heizelement für die Zeitdauer eines Impulses mit der elektrischen Energiequelle verbunden und für die Zeitdauer einer Impulspause wieder getrennt wird.According to a further preferred embodiment, the actuator is a power switch that can be controlled by pulses and the power divider is a generator that generates a pulse signal that can be varied in pulse length and is preferably of constant frequency, whereby the heating element is connected to the electrical energy source for the duration of a pulse and disconnected again for the duration of a pulse pause.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung, die sich insbesondere für die Verbesserung des Befeuchtungsergebnisses in nach historischer Beheizungsart aufgebauten Befeuchterheizungen eignet, die aus einem Wasserbehälter, einem elektrischen Heizelement, einer Wärmplatte und einem Temperaturregler für das Heizelement bestehen, ist dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Heizelement und der Wärmplatte ein zusätzlicher Wärmewiderstand angeordnet ist, der so groß ist, daß er die durchfließende Heizleistung maßgeblich bestimmt und dadurch Änderungen der Wärmewiderstände zwischen der Wärmplatte und dem Wasser von untergeordnetem Einfluß auf das Befeuchtungsergebnis sind. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Einstellskala des Temperaturreglers in der Maßeinheit WATT unterteilt.Another embodiment of the invention, which is particularly suitable for improving the humidification result in humidifier heaters constructed according to historical heating methods, which consist of a water tank, an electric heating element, a heating plate and a temperature controller for the heating element, is characterized in that an additional thermal resistance is arranged between the heating element and the heating plate, which is so large that it significantly determines the heat output flowing through and thus changes in the thermal resistance between the heating plate and the water have a minor influence on the humidification result. According to a preferred embodiment, the setting scale of the temperature controller is divided into the unit of measurement WATT.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Temperaturfühler mit der Wärmplatte thermisch gekoppelt und mit einem Temperaturbegrenzer verbunden, der mit Hilfe einer Schaltlogik oder eines beliebigen Kontaktes die Zuführung elektrischer Energie an das Heizelement unterbindet, wenn durch irregulären Betrieb die maximal zulässige Temperatur der Wärmplatte erreicht oder überschritten ist.According to a preferred embodiment of the invention, a temperature sensor is thermally coupled to the heating plate and connected to a temperature limiter which, with the aid of a switching logic or any contact, prevents the supply of electrical energy to the heating element if the maximum permissible temperature of the heating plate is reached or exceeded due to irregular operation.
Bestandteile der Erfindung, insbesondere der Leistungssteiler mit dem verbundenen Einstellelement, das Meßglied und die Temperaturbegrenzung können auch als Softwarefunktionen in einem Rechnerprogramm ausgeführt sein.Components of the invention, in particular the power divider with the connected setting element, the measuring element and the temperature limiter can also be implemented as software functions in a computer program.
Die Erfindung eignet sich damit insbesondere für den Einsatz in der Medizintechnik und vorzugsweise für die Ausstattung von Beatmungsgeräten mit preiswerten Atemluftbefeuchtem im Home-Care-Bereich. Darüber hinaus ist für die Erfindung ein vorteilhafter Einsatz außerhalb der Medizintechnik denkbar.The invention is therefore particularly suitable for use in medical technology and preferably for equipping ventilators with inexpensive respiratory air humidifiers in the home care sector. In addition, an advantageous use of the invention outside medical technology is conceivable.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der zugehörigen Zeichnung dargestellt und soll nachstehend näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:An embodiment of the invention is shown in the accompanying drawing and will be explained in more detail below. The drawing shows:
Fig. 1 Ersatzschaltbild des WärmestromkreisesFig. 1 Equivalent circuit of the heat flow circuit
Fig. 2 Funktionsschema der ErfindungFig. 2 Functional diagram of the invention
Fig. 3 Impulsdiagramm der Ausgangsspannung des LeistungsstellersFig. 3 Pulse diagram of the output voltage of the power controller
Fig. 4 Anordnung der Bestandteile des WärmestromkreisesFig. 4 Arrangement of the components of the heat flow circuit
Fig. 5 Ein anderes Funktionsschema der ErfindungFig. 5 Another functional diagram of the invention
Fig. 6 Ausführungsform mit der Anordnung eines zusätzlichen WärmewiderstandesFig. 6 Embodiment with the arrangement of an additional thermal resistance
Fig. 1 zeigt in einem thermischen Ersatzschaltplan die Wirkungsweise der Erfindung. Die konstante Heizleistung P eines Heizelementes 6 fließt durch die Reihenschaltung der Wärmewiderstände R1, R2, und R3, wobei R1 der Wärmewiderstand vom Heizelement 6 in eine Wärmplatte 11 und R2 der Wärmewiderstand von der Wärmplatte 11 in das Wasser 13 ist.Fig. 1 shows the operation of the invention in a thermal equivalent circuit diagram. The constant heating power P of a heating element 6 flows through the series connection of the thermal resistors R1, R2, and R3, where R1 is the thermal resistance of the heating element 6 into a heating plate 11 and R2 is the thermal resistance of the heating plate 11 into the water 13.
Der Wärmewiderstand R3 kennzeichnet symbolisch die Last, die durch Entzug des Wärmestromes durch Kühlung infolge der Verdunstung entsteht. Die Wärmekapazität C1^ ist dem Heizelement 6, die Wärmekapazität CWB der Wärmplatte 11 und die Wärmekapazität Cw dem Wasser 13 zugeordnet. Alle Wärmekapazitäten verzögern eine Erwärmung zeitlich, begrenzen diese jedoch theoretisch nicht. Praktisch treten Wirkungsgradverluste auf, die im bevorzugten Temperaturbereich der Erfindung von geringwertiger Bedeutung bleiben.The thermal resistance R3 symbolically indicates the load that arises from the withdrawal of the heat flow through cooling as a result of evaporation. The heat capacity C 1 ^ is assigned to the heating element 6, the heat capacity C WB to the heating plate 11 and the heat capacity C w to the water 13. All heat capacities delay heating in time, but do not theoretically limit it. In practice, efficiency losses occur which remain of minor importance in the preferred temperature range of the invention.
Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung an Hand eines Funktionsschemas, auf das sich das in der Fig. 3 dargestellte Impulsdiagramm bezieht. Mit einem Einstellelement 1, dessen Stellbereich in der Einheit WATT skaliert sein kann, wird das Tastverhältnis K der periodischen Ausgangsspannung U1 eines Leistungsstellers 2 verändert. Der Leistungssteller 2 schaltet ein Relais 4 mit einem Kontakt 5, wobei das Relais vorzugsweise ein Festkörperrelais oder ein Thyristor ist und das Heizelement 6 innerhalb einer Schaltperiode T für die Impulsdauer t mit einer elektrischen Energiequelle 7 verbunden ist.Fig. 2 shows an embodiment of the invention using a functional diagram to which the pulse diagram shown in Fig. 3 refers. The duty cycle K of the periodic output voltage U1 of a power controller 2 is changed using an adjustment element 1, the adjustment range of which can be scaled in the unit WATT. The power controller 2 switches a relay 4 with a contact 5, the relay preferably being a solid-state relay or a thyristor and the heating element 6 being connected to an electrical energy source 7 within a switching period T for the pulse duration t.
Im Ergebnis wird durch das Heizelement 6 eine konstante Heizleistung erzeugt, die sich aus dem Produkt der maximal möglichen Heizleistung, wenn der Kontakt 5 immer geschlossen wäre und dem Tastverhältnis K der Spannung U1 ergibt.As a result, the heating element 6 generates a constant heating power, which results from the product of the maximum possible heating power if the contact 5 were always closed and the duty cycle K of the voltage U1.
Die konstante Heizleistung führt permanent zum Anstieg der Temperatur des Heizelementes und einer damit gekoppelten Wärmplatte 11, bis die Temperaturdifferenz zwischen Wärmplatte 11 mit dem darauf stehenden Wasserbehälter 12 so groß wird, daß ein vollständiger Durchgang der erzeugten Herzleistung P, abzüglich eventueller Wirkungsgradverluste, in das Wasser 13 erfolgt. Die Temperaturerhöhung des Wassers 13 ist letztlich erst dann beendet, wenn der Wärmestrom, die Heizleistung P, in das Wasser und der Kältestrom infolge der Verdunstung sich gegenseitig kompensieren.The constant heating power leads to a permanent increase in the temperature of the heating element and a heating plate 11 coupled to it, until the temperature difference between the heating plate 11 and the water container 12 standing on it becomes so great that the generated cardiac output P, minus any possible efficiency losses, passes completely into the water 13. The increase in temperature of the water 13 is ultimately only completed when the heat flow, the heating power P, into the water and the cold flow as a result of the evaporation compensate each other.
Die in das Wasser durchtretende Heizleistung P ist unabhängig von der Temperatur des Wassers 13, dem aktuellen Wasservorrat und allen jeweils vorhandenen Wärmewiderständen auf dem Weg zwischen Heizelement 6 und Wasser 13. Sollte sich im Laufe der Anwendung eine dieser Einflußgrößen ändern, dann stellen sich die Temperaturdifferenzen und Temperaturen an den betreffenden Übergängen neu ein, bis die erzeugte Heizleistung wieder fließen kann.The heating power P passing through the water is independent of the temperature of the water 13, the current water supply and all the thermal resistances present on the path between the heating element 6 and the water 13. If one of these influencing factors changes during use, the temperature differences and temperatures at the relevant transitions are readjusted until the generated heating power can flow again.
Damit ein Betrieb an verschiedenen Netzspannungen möglich ist, beispielsweise sowohl am europäischen Netz von 230 V als auch am amerikanischen Netz von 115 V, wird durch ein Meßglied 10 die Höhe der Spannung der elektrischen Energiequelle 7 festgestellt und daraus ein Signal generiert, das an einem zusätzlichen Steuereingang des Leistungsstellers 2 eine Korrektur des mit dem Einstellelement 1 veränderbaren Bereiches des Tastverhältnisses K derart vornimmt, daß die eingestellte Heizleistung auch bei unterschiedlichen Höhen der Spannung der elektrischen Energiequelle 7 erzeugt wird.In order to enable operation at different mains voltages, for example both the European mains of 230 V and the American mains of 115 V, the level of the voltage of the electrical energy source 7 is determined by a measuring element 10 and a signal is generated from this, which carries out a correction of the range of the duty cycle K that can be changed with the setting element 1 at an additional control input of the power controller 2 in such a way that the set heating power is also generated at different levels of the voltage of the electrical energy source 7.
Um eine Überhitzung bei leer gewordenem oder entferntem Wasserbehälter 12 oder bei aussetzendem kühlendem Atemstrom zu vermeiden, mißt ein Temperaturbegrenzer 9 mit seinem Temperaturfühler 8 ständig die an der Wärmplatte 11 herrschende Temperatur und unterbricht bei deren Überschreitung mit Hilfe einer Schaltlogik 3 die Zuführung elektrischer Energie 7 an das Heizelement 6.In order to avoid overheating when the water container 12 has become empty or has been removed or when the cooling air flow stops, a temperature limiter 9 with its temperature sensor 8 constantly measures the temperature prevailing on the heating plate 11 and, if this temperature is exceeded, interrupts the supply of electrical energy 7 to the heating element 6 with the aid of a switching logic 3.
Fig. 4 zeigt eine historische Anordnung von Heizelement 6, Wärmplatte 11, Wasserbehälter und Wasser 13, sowie eine Stelle zur Anbringung von Temperaturfühler 8, die durch Benutzung der Erfindung gute Verdunstungsergebnisse liefert.Fig. 4 shows a historical arrangement of heating element 6, heating plate 11, water tank and water 13, as well as a location for attaching temperature sensor 8, which provides good evaporation results by using the invention.
Fig. 5 zeigt eine andere mögliche Ausführungsform der Erfindung in einem symbolischen Schema. Mit Hilfe eines Thermostaten 14, wird die Zufuhr von elektrischer Energie aus einer Energiequelle 7 an ein Heizelement 6 derart geregelt, daß am Heizelement 6 eine mit einem Einstellelement 1 einstellbare Temperatur &udigr; konstant erzeugt wird. Die somit entstandene Temperaturquelle treibt eine Heizleistung der Größe P = tf/(Rz + R2) durch die in Reihe geschalteten Wärmewiderstände 15 und R2, wobei 15 ein zusätzlich zwischen Heizelement 6 und Wärmplatte 11 geschalteter Wärmewiderstand und R2 der Wärmewiderstand zwischen Wärmplatte 11 und Wasser 13 ist. Der zusätzliche Wärmewiderstand 15 ist viel größer als die mögliche Änderung des Wärmewiderstandes R2, damit Änderungen des Wärmewiderstandes R2 infolge mehr oder weniger gut aufstehender Wasserbehälter 12 den vom Heizelement ausgehenden Wärmestrom P möglichst wenig beeinflussen. Damit beispielsweise bei abgenommenem Wasserbehälter oder bei längeren Beatmungsunterbrechungen keine Überhitzung der Wärmplatte 11 auftritt, wird eine Temperaturbegrenzung angewendet, die beispielsweise wie in Fig 2 dargestellt funktionieren kann.Fig. 5 shows another possible embodiment of the invention in a symbolic diagram. With the aid of a thermostat 14, the supply of electrical energy from an energy source 7 to a heating element 6 is regulated in such a way that a temperature &udigr; adjustable with an adjustment element 1 is constantly generated on the heating element 6. The temperature source thus created drives a heating output of the size P = tf/(Rz + R2) through the series-connected thermal resistors 15 and R2, where 15 is an additional thermal resistor connected between the heating element 6 and the heating plate 11 and R2 is the thermal resistor between the heating plate 11 and the water 13. The additional thermal resistor 15 is much larger than the possible change in the thermal resistor R2, so that changes in the thermal resistor R2 due to more or less well-standing water containers 12 have as little effect as possible on the heat flow P emanating from the heating element. To prevent overheating of the heating plate 11, for example when the water tank is removed or during longer ventilation interruptions, a temperature limitation is applied, which can function, for example, as shown in Fig. 2.
Das Einstellelement 1 kann eine Skalierung in der Einheit WATT erhalten, da sekundär damit ein Wärmestrom eingestellt wird.The setting element 1 can be scaled in WATT units, since it is used secondarily to set a heat flow.
In Fig. 6 ist gezeigt, wie der zusätzliche Wärmewiderstand 15 in einer Anordnung eingebracht werden kann.Fig. 6 shows how the additional thermal resistance 15 can be incorporated into an arrangement.
Claims (7)
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Legal Events
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