用於呼吸迴路的室溫熱交換器的製作方法
2023-06-22 15:49:56
專利名稱：用於呼吸迴路的室溫熱交換器的製作方法
技術領域：
本發明總體上涉及一種呼吸迴路，其具有用於從呼吸迴路的呼吸氣體中去除夾帶的水蒸氣的裝置。更明確地說，本發明涉及一種設置在呼吸迴路中的熱交換器，以減少在呼吸迴路中其它區域中出現冷凝。
背景技術：
機械呼吸機經常用於供應或排出來自病人的呼吸氣體。呼吸機的運行可幫助和/或替代病人的自然呼吸活動，或者單獨的或者伴隨有給病人提供麻醉藥劑。典型的機械呼吸機具有用來為病人提供呼吸氣體的吸氣支路，和接收病人呼吸氣體的呼氣支路。吸氣支路和呼氣支路與Y形連接器的臂相連接。病人支路從Y形連接器的第三支管延伸到受治療者的插管或面罩。
通常類型的機械呼吸機使得病人呼出的呼吸氣體經CO2吸收器回到吸氣支路而重複循環，以便讓受治療者再呼吸。封閉的呼吸迴路防止麻醉藥劑洩漏到周圍空氣中。然而，CO2吸收器在這樣的循環中引起放熱反應，其加熱呼吸氣體並且夾帶附加的水蒸氣進入呼吸氣體。例如，在封閉的呼吸迴路中每一次呼吸附加的15mg水夾帶在循環流經CO2吸收器的呼吸氣體中。
儘管優選的是病人呼吸的呼吸氣體是帶有水分且較暖的(即溼熱的)，但是呼吸迴路中存在的蒸汽仍會帶來一些不利。特別地，當被病人呼出的處於體溫的溼熱的呼吸氣體流經室溫下的呼吸迴路時，呼吸氣體中的水蒸氣在呼吸迴路的部件上冷凝。由於病人持續的呼吸，因此冷凝水聚集，這可能干擾閥門、傳感器或呼吸迴路中的其它部件的運行。另外，離開CO2吸收器的呼吸氣體處於相對於室溫而言的高溫下。由於呼吸氣體在呼吸迴路中進一步移動，因此呼吸氣體被冷卻並且呼吸氣體中夾帶的水蒸氣冷凝並在呼吸迴路中聚集。
已經提出各種解決方案來解決這個問題。集水器可以插入在呼吸迴路的問題區域附近，以有效地聚集水並阻止水到達關鍵部件。這種集水器僅僅對上述問題做出反應，而且必須經常檢查並當集水器變滿時排空。
另一種解決方案是加熱呼吸迴路以阻止水蒸氣冷凝。對呼吸迴路的加熱可以通過電阻加熱器進行，例如纏繞著支管和纏繞著傳感器和閥的電導線。加熱裝置增加了呼吸迴路的複雜性，並且經常不是所希望的。
美國專利No.6,619,289揭示和描述了一種設計成用於從呼吸迴路的呼吸氣體中除去水蒸氣的特定示例，其公開內容在此引入以作參考。在上述』289號專利中，二氧化碳吸收器罐包括整體水槽，所述水槽從呼吸迴路中排水困難的區域收集冷凝水，例如二氧化碳吸收器罐本身。
儘管二氧化碳吸收器罐中的整體水槽是除去一些水蒸氣的有效方法，但仍然非常期望提供一種從呼吸氣體中除去額外的水蒸氣量的方法。特別地，尤其期望提供一種不利用任何額外的運行部件而降低CO2吸收器之後的呼吸氣體溫度的方法。
發明內容
本發明涉及一種用於病人的呼吸迴路，其包括用於除去呼吸迴路中的水蒸氣和熱量的熱交換器。
該呼吸迴路包括為病人提供呼吸氣體的吸氣支路。來自病人的呼吸氣體由呼氣支路接收，其將來自病人的呼吸氣體引導到CO2吸收器中。CO2吸收器設置在呼吸迴路中，以接收來自呼氣支路的呼吸氣體，並且在病人再呼吸之前從呼吸氣體中除去CO2。CO2吸收器藉助放熱反應除去CO2，所述放熱反應向呼吸迴路中的呼吸氣體提供熱量和水蒸氣。
該呼吸迴路包括設置在CO2吸收器下遊的熱交換器，以接收來自CO2吸收器的呼吸氣體。熱交換器可用於在呼吸氣體輸送到吸氣支路之前降低呼吸氣體的溫度，並且從呼吸氣體中除去水分。熱交換器包括多根流入管，每根流入管接收來自CO2吸收器的呼吸氣體。流入管將呼吸氣體引導到流出管中，所述流出管將呼吸氣體輸送給吸氣支路。當呼吸氣體流過流入管和流出管時，管與周圍環境溫度的空氣接觸，室溫空氣的溫度低於呼吸空氣溫度。熱交換器管允許熱量從呼吸氣體傳遞至周圍空氣，從而降低了呼吸氣體的溫度，並且導致水蒸氣沿著流入管和流出管的內表面冷凝。
每根流入管和流出管與位於熱交換器底端的水槽相通。當呼吸氣體流過熱交換器時，水槽布置成用來收集由呼吸氣體冷凝出來的水。水槽可拆卸地與熱交換器連接，並且包括允許收集的水從水槽中排放的排水裝置。
在呼吸氣體接觸呼吸迴路中位於熱交換器下遊的各種傳感器和部件之前，設置在呼吸迴路中的熱交換器除去水蒸氣，並降低呼吸氣體的溫度。這樣，熱交換器避免了在呼吸迴路不同區域出現不希望的凝結。
了目前設想的執行本發明的最佳模式。其中圖1是示出了熱交換器優選布置的呼吸機呼吸迴路的總體圖；圖2是包括熱交換器的呼吸機的局部側視圖；圖3是圖2描繪的熱交換器的局部分解剖視圖；圖4是沿圖2的4-4線的剖視圖。
具體實施例方式
圖1描述了為病人12機械換氣的呼吸換氣系統10。呼吸換氣系統10包括封閉的呼吸迴路14。封閉的呼吸迴路14包括病人支路16，其從Y形連接器20的第一支腿18向病人12輸送呼吸氣體。
呼吸迴路14包括與Y形連接器20的入口支管24連接的吸氣支路22。吸氣支路22接收經過止回閥26提供給病人12的呼吸氣體流。在本發明描述的實施例中，氧氣傳感器28和流量傳感器30設置在吸氣支路22和止回閥26之間。
封閉的呼吸迴路14包括與Y形連接器20的出口支管34連接的呼氣支路32，其用以接收病人呼出的呼吸氣體。呼出的呼吸氣體經過流量傳感器36和止回閥38。呼氣支路32與二氧化碳(CO2)吸收器42的入口40連接。在傳統的封閉呼吸迴路中，CO2吸收器42的出口44連接到吸氣支路22，以完成封閉的呼吸迴路。在圖1描述的本發明的實施例中，CO2吸收器42的出口44連接到熱交換器48的入口46，其細節將在下面進行詳細的描述。
CO2吸收器42是可以容納鹼石灰或其它合適的CO2吸收劑的常規部件。當病人呼出的呼吸氣體經過CO2吸收器42時，放熱反應發生，這既加熱了呼吸氣體，又帶走呼吸氣體中額外的水分。
如圖1所示，來自熱交換器48出口50的呼吸氣體流過止回閥26，並且最終進入吸氣支路22。麻醉機52可以通過導管54與吸氣支路22連接，以提供並保持麻醉藥劑進入該迴路14中的呼吸氣體。
圖1所示的呼吸迴路14包括用於在整個系統中使得呼吸氣體進行循環的裝置56。本發明描述的實施例中，該裝置56是包括波紋管組件58的呼吸換氣機。波紋管組件58包括通過導管62連接到呼氣支路32上的可伸展且摺疊的波紋管60。導管62包括切換閥64，其允許在波紋管60和手動包66之間選擇對於呼吸氣體的驅動力。
在病人呼氣期間，波紋管組件58的殼體68中的驅動氣體被允許排出，當病人12呼出時，能使波紋管60向上伸展並且接收呼出的氣體。呼出氣體經過呼氣支路32和切換閥64供應給波紋管60。
在病人12下一次呼吸時，波紋管60被殼體68中的驅動氣體壓縮，以便經過過CO2吸收器42、熱交換器48和吸氣支路22向病人提供呼吸氣體。患者先前呼出的呼吸氣體中的的CO2被CO2吸收器42除去。
呼吸迴路可以包括各種傳感器，例如流量傳感器30、36，諸如氧氣傳感器28的定性氣體傳感器，以及監測呼吸迴路14運行的各種壓力傳感器。病人支路16通常包括用於傳感器的呼吸氣體採樣管、細菌過濾器和其它元件，由附圖標記70總體表示。
如圖1所示，呼吸迴路14包括設置在呼吸迴路14中的熱交換器48，其位於CO2吸收器42的下遊和吸氣支路22的上遊。如在先描述的那樣，熱交換器48包括接收溼熱的呼出氣體的入口46，所述呼出氣體已被CO2吸收器42洗滌清除過CO2。在代表性的實施例中，離開CO2吸收器出口44的呼吸氣體在37℃的溫度範圍內。由於通常的室溫大約是21℃，因此當在CO2吸收器的出口44測量時，呼吸迴路14中的呼吸氣體和房間的溫差大約是16℃。
在不包括熱交換器48的封閉呼吸迴路中，來自CO2吸收器42的溼熱的呼吸氣體經過各種傳感器和包括在吸氣支路22和病人支路16中的管子的相對較冷的室溫表面，所述室溫表面使得呼吸氣體被冷卻，並導致呼吸氣體中的水分冷凝並聚集在傳感設備上。熱交換器48設置在CO2吸收器42和吸氣支路22之間，以降低呼吸氣體的溫度和從水蒸氣中除去水分。
圖2示出了一種集成的呼吸換氣和麻醉機72。該麻醉機72包括多個能使麻醉機72易於搬運的輪76的底座74。麻醉機72包括如上所述的用於從呼吸氣體中除去CO2的CO2罐78。如圖所示，麻醉機包括設置於CO2吸收器42下遊的熱交換器48，用以從呼吸氣體中除去水分，並在將呼吸氣體供給到吸氣支路之前降低該呼吸氣體的溫度。
現在參見圖3，其顯示了熱交換器48的細節。熱交換器48包括帶有柔性密封的接口法蘭80，以形成與CO2吸收器出口和呼吸迴路的吸氣支路二者的氣密密封。接口法蘭80形成為頂蓋84的一部分，其包括與熱交換器的入口46流體相通的內部通道。頂蓋84接納多根流入管88的位於上部的第一端部86。每根流入管88從第一端部86延伸到第二端部90。儘管不同數目的流入管88被認為是在本發明描述的實施例範圍內，但是在本發明描述的實施例中，熱交換器48包括六根流入管。
每根流入管88的第二端部90被接納在熱交換器的下部底座92中。下部底座92包括環繞下部壁96的柔性密封環94，下部壁96帶有與一系列流入管88尺寸一致的開口98。
熱交換器48的頂蓋84還包括熱交換出口50，以使流體與多根流出管102中每根的第二端部100相連。在本發明圖3描述的實施例中，熱交換器48包括設置有與六根流入管88直接相鄰的六根流出管102。流入管與流出管88、102的定位和數目可以根據熱交換器48的具體需要而變化。
每根流出管102的第一端部104被接納在下部底座92中，並且與包括在下部壁96中的其中一個開口98對準。如圖3清楚地所示，密封環94完全包圍形成在下部壁96中的每個開口98。
在如圖3和圖4所描述的本發明實施例中，每根流入管88和流出管102由外壁106形成，所述外壁限定出暢通的內部108。在本發明描述的實施例中，六根管88、102截面流通面積的總和是471mm2。所述截面面積使表面積最大化，並使穿過每根管88、102的呼吸氣體的流動阻力最小化。
穩定狀態的熱流動通過傅立葉方程表示Q=kATd]]>Q＝熱流率k＝導熱率
A＝接觸面積ΔT＝溫差d＝熱流路程如上述公式指出的，熱流率Q由接觸面積A和熱流路程d決定。因而，長度、管的數量和每根管的尺寸影響熱交換器48中的熱流率。在本發明描述的實施例中，每根管88、102具有大約270mm的長度和78.5mm2的橫截面積。
在如圖3和圖4描述的本發明實施例中，每根管88、102由聚酯材料形成，例如從Smooth-Bor可獲得的hytrel。用於形成每根熱交換器管88、102的聚酯材料提供了管內包含的呼吸氣體和周圍空氣之間的高效熱傳遞。儘管聚酯被描述為優選的實施例，但是根據本發明也可以使用其它材料。此外，儘管每根流入管88和流出管102示為具有光滑的外壁，但是也可以構想到每根管可以包括褶皺部分以增加管的表面積，從而提高從呼吸氣體到大氣的熱流率。
退回到參考圖3，熱交換器48包括在頂蓋84和下部底座92之間延伸的外殼110，以便為熱交換器48提供視覺上吸引人的外觀。
如圖3所示，熱交換器48設置有水槽112，其被設置成用以收集和保存當呼吸氣體流過流入管88和流出管102時從呼吸氣體中冷凝出的水分。水槽112包括在頂部法蘭116下面延伸的下部容器114。頂部法蘭116收納於形成在下部底座92中的外邊緣118中。形成為形成密封環94一部分的密封使得開口與下部容器114接合，以提供水槽112和熱交換器48之間的流體密封和氣體密封。水槽112包括能與軟管或盤連接的排水口120，以便用於排空容器114。排水口按鈕122屬於容器114的一部分，並且能被按壓，以允許水通過排水口120流出。優選的是，形成容器114的外壁由透明的塑料材料形成，以使操作人員能確定何時水已經充滿容器114。
在熱交換器48的工作過程中，來自CO2吸收器42的呼吸氣體經過入口46流入熱交換器。呼吸氣體流過頂蓋84並進入多根流入管88的每個流入管的第一端部86。當呼吸氣體向下流過流入管88時，每根流入管88的外表面與周圍的室溫空氣接觸。由於離開CO2吸收器的呼吸氣體在36℃-38℃的溫度範圍內，並且室溫通常是21℃，那麼可以從流入管88中的呼吸氣體流動中除去熱量。如圖4所示，由於呼吸氣體的溫度降低，那麼呼吸氣體中的水蒸氣從呼吸氣體中冷凝出來，並且沿著流入管88的內表面124聚集。
如圖3所示，由於每根流入管88在垂直方向延伸，容納在每根流入管88內表面上的冷凝水向下流向第二端部90，並且最終收集在水槽112的容器114中。
在呼吸氣體離開流入管88之後，呼吸氣體進入水槽112，並流進多根流出管102中的每個流出管的第一端部104。然後，呼吸氣體朝著每根流出管102的第二端部100沿向上方向運動。當呼吸氣體在該向上方向流動時，從呼吸氣體中進一步除去熱量，額外的水蒸氣沿著每根流出管102的內表面124冷凝。同樣，流出管102的垂直定位導致水氣向下流動，並聚集到水槽112中。
現在參見圖4，外殼110限定了暢通的內部126，其包圍每根流入管88和流出管102。在本發明描述的實施例中，暢通的內部126接納周圍室溫空氣流動，以幫助從呼吸氣體中除去熱量。作為替換的是，暢通的內部126能接納低於室溫的空氣的流動，以便進一步幫助從呼吸氣體中除去熱量和水分。
除了降低呼吸氣體的溫度並從呼吸氣體中除去水分，熱交換器48也充當在呼吸迴路呼出過程中來自麻醉機52的新鮮空氣的保存區。特別地，在呼出過程中，來自麻醉機52的新鮮空氣沿著最小阻力路徑導出，並向著波紋管組件58流動。在不包括熱交換器48的封閉呼吸迴路中，來自麻醉機的新鮮空氣回流到CO2吸收器42中。由於麻醉機52的輸出氣體通常非常乾燥，並且可能包括麻醉藥劑，因此進入CO2吸收器42的這些氣體的回流會造成不希望有的問題。
當熱交換器42設置在封閉的呼吸迴路14中，在病人呼氣時，來自麻醉機52的輸出氣體首先被導入熱交換器48的流出管和流入管88。熱交換器48中的流入管和流出管的組合容積足夠接收和儲存在呼吸迴路呼出過程中來自麻醉機52的氣體量。該熱交換器避免了來自麻醉機52的氣體進入CO2吸收器42。因此，在呼吸迴路的呼出過程中，熱交換器48作為麻醉機52和CO2吸收器42之間的緩衝器。
如圖3所知，可選擇地，水槽112能夠從熱交換器48的其餘部分中取出，以用於清理或其它目的。另外，具有更大容器114的水槽112可用來收集來自熱交換器48的更多水量，這將使得可以更低頻率地倒空水槽112。
不同的替代方案和實施例被認為是在下面的權利要求的保護範圍之內，所述權利要求特別地指出了本發明的主題並且清楚地要求保護本發明的主題。
部件表
權利要求
1.一種用於病人的呼吸迴路(14)，該呼吸迴路包括提供供應給病人的呼吸氣體的吸氣支路(22)；接收來自病人的呼吸氣體的呼氣支路(32)；用於使得呼吸氣體在呼吸迴路中循環以便向病人提供呼吸氣體並且接收來自病人的呼吸氣體的裝置(56)；設置在呼吸迴路的吸氣支路和呼氣支路之間的CO2吸收器(42)，其用以從病人呼出的呼吸氣體中除去CO2；設置在CO2吸收器(42)下遊的熱交換器(48)，該熱交換器用以降低呼吸氣體的溫度，並在該呼吸氣體經過CO2吸收器後且在將該呼吸氣體輸送給該吸氣支路之前除去該呼吸氣體中的水分；其中，該熱交換器包括多根管(88、102)，以便接收來自CO2吸收器的呼吸氣體，並將呼吸氣體引導至吸氣支路，夾帶在該呼吸氣體中的水蒸氣在該熱交換器的所述多根管中冷凝。
2.如權利要求1的呼吸迴路，其特徵在於，多根管(88、102)均是由聚酯形成的。
3.如權利要求1的呼吸迴路，其特徵在於，還包括與熱交換器整體形成的水槽(112)，所述水槽定位成用來收集當呼吸氣體流過熱交換器時從呼吸氣體中冷凝出的水分。
4.如權利要求3的呼吸迴路，其特徵在於，該熱交換器中的多根管包括多根流入管(88)，每根流入管均具有與CO2吸收器流體相通的第一端部(86)和與水槽流體相通的第二端部(90)；以及多根流出管(102)，每根流出管均具有與水槽流體相通的第一端部(104)和與吸氣支路流體相通的第二端部(100)。
5.如權利要求4的呼吸迴路，其特徵在於，呼吸氣體從該流入管的第二端部流入水槽，並從該水槽流入該流出管的第一端部。
6.如權利要求3的呼吸迴路，其特徵在於，該水槽可拆卸地連接在熱交換器上。
7.如權利要求6的呼吸迴路，其特徵在於，該水槽包括排水閥(120)。
8.如權利要求4的呼吸迴路，其特徵在於，該流入管和該流出管沿相反的方向延伸。
9.如權利要求4的呼吸迴路，其特徵在於，還包括定位成與呼吸迴路的吸氣支路相通的麻醉機(72)，其中每根流出管的第二端部與麻醉機流體相通。
10.如權利要求9的呼吸迴路，其特徵在於，在患者呼吸時，來自麻醉機(72)的氣體被熱交換器的流出管和流入管接收。
全文摘要
一種用於需進行呼吸換氣的病人的呼吸迴路(14)，其包括從呼吸氣體中除去水氣以防止水氣在呼吸迴路中冷凝的熱交換器(48)。該熱交換器設置在CO
文檔編號A61M16/22GK1958087SQ200610144489
公開日2007年5月9日 申請日期2006年9月6日 優先權日2005年9月6日
發明者J·N·馬沙克, S·A·因曼, D·L·佩爾內蒂, R·Q·塔姆 申請人:通用電氣公司