加热式呼吸管 【技术领域】
本发明涉及呼吸加湿器，更特别但不仅仅涉及加热式呼吸加湿管以及用于制造这样的加湿管的方法，其中，加湿管用在呼吸加湿系统的呼吸回路中，用来向需要加湿气体的病人或其他人提供这样的气体。
背景技术
为了向需要气体，例如被加湿的气体的病人或其他人提供这样的气体，从气源到病人(吸气管)和从病人返回气源(呼气管)都已使用了柔性管。当被供应的气体被加湿时，需要将发生在管内壁的冷凝(即“液化)的量减到最小，因为这一冷凝很快地积聚，需定期排干。一些现有的呼吸加湿管装有加热丝来加热管壁，目的是减少冷凝，还帮助控制被送到病人处的被加湿气体的温度。
装有加热丝的呼吸加湿管的一个例子被揭示于我们先前的联合王国专利申请，该申请是于1995年6月7日以GB2284356A公布的。被揭示地加热丝是一个环形加热件，环的两个自由端从管的一端引出以连接到加湿器上一个交流电压源上。加热丝沿管底躺在随便的一条路径上的这种形式的加热管具有如下缺点，即流经管子的气体沿管子宽度不是被均匀加热的。此外，加热丝排布的随机特性使得管壁的局部区域能处于这样一个温度，该温度低到足以使当其它区域被过度加热时，这些区域却能发生冷凝。
一些加湿管具有一个绕在管外的加热丝，目的是均匀地将热供到管壁上(绕管子周围以及沿壁的长度方向)以克服冷凝问题。外绕加热式加湿管的例子可在BOC集团公司提出的US4，686，354号美国专利以及Heinz Eilentropp提出的DE4244493号德国专利申请公布中看到。然而，这两种结构都要求被加热件吸收的电能足够大以能够将热传过管壁然后传到气体中。相应地，象加热丝的温度一样，被加热丝吸收的电能也是过量的。此外，由于来自加热丝的热必须首先通过管壁，加热气体所花的时间也过多，并且管子外表面的温度可能高到足以烫着病人或护理者。
本发明的概述
因此，本发明的一个目的是提供一种加热式气体输送通道，该通道至少在一定程度上克服上面的缺点或至少将为工业提供一个有用的选择。
相应地，在第一方面，本发明包括一种加热式气体输送通道，该通道用于适于在所述气体输送通道中供应气流的通气系统中，其包括：
一个有预定长度的具有一个内表面和一个纵向轴线的管子，
一个有预定长度的适于加热所述气流和／或所述管子的加热装置，其中，所述加热装置被置于所述管子装置和所述气流中，其中，所述加热装置是弹性可弯的并被制成一个预定的形状，该形状限定出一个体积，该体积是所述管子体积的一部分。
在另一方面，本发明包括一种用在产生一个气流的通气系统中的加热式气体输送通道，该通道包含：
一个适于引导所述气流的管子，
一个在通电时适于向所述管子里的所述气流供热的加热装置，其中，所述加热装置设置在所述管子里的所述气流中，这样以使所述气流基本沿所述加热装置的全长被迫重复地通过所述加热装置。
在另一方面，本发明包括一种用于制造用在通气系统中的加热式气体输送通的方法，该方法包含以下步骤：
ⅰ)做出一个通过其可引导气体的管子，
ⅱ)将一段具有预定长度的被绝缘的电阻丝绕成一个具有小于所述管子内径的直径的螺旋体，以及
ⅲ)将这样形成的绕成螺旋状的电阻丝插入所述管子。
本发明的要素是上述结构，本发明还设想了在下面给的仅作为例子的结构。
附图简要说明
图1是一个根据本发明制作的加热式呼吸加湿管的一段的前视图，该图展示了加热丝被遮住的细节。
图2是展示于图1的管子的端部视图。
图3是图1中的管子沿A-A方向剖开的剖视图。
图4是展示于图1的管子的立体图，该图展示了加热丝被遮住的细节。
图5是温度与沿传统的现有技术的管子宽度方向的距离的关系曲线图。
图6是温度与沿示于图1的管子宽度方向的距离的关系曲线图。
图7是示于图3的管子的一段的放大图。
图8是图3中的在管子内壁和绕成螺旋状的加热丝之间有一个内鞘的管子的放大剖视图。
图9是图8中的具有一个绕在管子周围的外鞘的管子的放大的剖视图。
图10是图3中的具有一个绕在管子周围的外鞘的管子的放大的剖视图，以及
图11是包含示于图1的管子的呼吸加湿系统的分解图。
图12是根据本发明第二个优选实施例制作的加热式呼吸管的一部分的剖视图，该图展示了绕成双螺旋体的加热丝。
图13是图12中的具有一个附加的非必须的直环部分的加热丝的前视图。
图14是一种替代的优选的呼吸加湿系统的部分分解图，该系统尤其适于用作一个插管式CPAP装置，该装置当和图13中的加热丝一起用时，可被容易地改装成图11中的加湿系统。
图15是替代示于图12的绕制的加热丝结构的前视图，以及
图16是温度与沿管子长度方向的距离的关系曲线图，该图展示了传统的加热丝与图15中的加热丝的比较。
实施本发明的最佳方式
参看图11，展示的是一个呼吸加湿系统，其中，送风器1通过出气口2向加湿室3供气(例如氧气或麻醉气)，加湿室由呼吸加湿器5的加热板4来加热。加湿室3里的水被加热，产生水蒸汽对加湿室里的气体加湿，加湿室里的气体然后通过出口6出来，进入一个加热式气体输送通道或吸气的呼吸管7。一个传统的“Y形件”8接收来自管7的气体并使气体能通过出口9至病人处。病人呼出的气体然后通过“Y形件”8被传回到另外的一个加热气体输送通道或呼气管10，然后回到送风器1。
加湿器5装有一个控制器11，比如微处理器，其接收来自可调式用户调控盘(例如温度设置盘12)以及来自温度传感器(如传感器13和14以及可能还包括的环境温度传感器15)的输入信号，根据控制系统或指令组，如软件程序，合适地控制加热板14的供能，认所需的温度和／或相对湿度向病人供应被加湿的气体。可以估计到，离开加湿室3的出口6的气体将具有约100％的相对湿度，并且，当气体沿管7流动时，水蒸汽有可能冷凝在管壁上，使气体中的含水量不利的降低。供给病人的被加湿气体的含水量最好是尽可能地高。
为了将管7还有管10内发生的冷凝减小到最低限度，可以在每一根管子内装加热丝。加热丝最好是绕在绝缘芯周围的被绝缘的“镍铬”(镍／铬合金)电阻丝。每单位长度的加热丝的电阻比现有技术中的要小得多，然而，由于本发明在管内使用的丝的长度更长，其总电阻与现有技术中的加热丝不相上下。电能通过插入插口的接头16和17从加湿器5供到加热丝，其中，插口是位于每根管子一端的套中。加热丝周围的绝缘外皮最好是热塑性材料，该材料在加热到预定温度时，进入这样一种状态，其形状可改变，并且在冷却时，新形状可牢固地有弹性地保持下来。
参看图1到4，管7(或10)的优选形式的一段被详细地展示出来。管子例如由弹胶性材料，如聚乙烯／EVA混合物或硅橡胶，塑造而成。管子最好具有一个“有肋的”或“有波纹的”结构以能够弯曲(肋的标号为21)，这可以通过下述方法来完成，即吹制融化的胶性材料以形成一个环形圆柱，该圆柱向外压并贴在转模的内表面上，转模将肋压在管子上。在管7(或10)里面，有一根绕成螺旋状的加热丝20。加热丝20最好如图2中能看到的那样，沿管子的长度方向贴或靠在其内壁上，或用另一种方法，加热丝可具有一个小于管子内径的直径，在这种情况下，绕成螺旋状的加热丝将落在管子里面。
为了将加热丝20做成优先选用的螺旋形，在插入管子里以前，首先将其在模子周围绕(最好要紧)成螺旋体。然后加热丝20，当其还绕在其模上时，被加热到预定温度，这将使丝的绝缘外皮软化，这样，在冷却后，加热丝将会保持其新的、螺旋形的形状。前面提到的加热可用下面的方法完成，将已经加热到适当温度的绕制丝和模子在烘烤装置中放置一段预定的时间，或用另一种方法，将绕成螺旋状的丝的端部连接到电源和外加电压上，这样，就产生一个大于额定电流的电流，该电流在丝上流过一段预定的时间。选择电压和时间以使绝缘外皮获得所需的软化(但不得融化)。模子可以是一其外径比管7内径小的管或圆筒。
加热丝螺旋体的螺距在弯制阶段可以调节，这样，整个加热管就能制造得适应特定加湿系统工作时所处的不同环境条件的需要。即，如果环境温度可能非常低，那么，螺旋体的螺距可以绕得小些(相邻圈靠得更近)，这样，当通电时，管壁上两个相邻圈之间的中点就不会下降到一个可能发生冷凝的温度。反过来，如果温度可能相当高，那么，就可以增加螺距，这样，管内的丝的总长度就可减少，从而降低生产成本。可以理解，绕成螺旋状的加热丝有效地限定出一个充满气体的圆柱形体积，使得在向气流提供加热的大而有效的表面积、提高热传递的同时，能让被加湿气体自由地流过管子而基本上不会对气流产生阻碍。
应该注意到，在发生在管子里的冷凝的量(较多的丝会减少冷凝)、加热丝供应的热量(较多的丝会增加供热)和加热丝对气流产生的阻力(更多的丝会增加流动阻力)之间有一个折衷。通过试验，我们已发现当螺距在每50mm的管子约1圈和约20圈之间，螺径在约8mm和约20mm之间时，制造的加热丝具有良好的加热特性，并且在前面提到的相矛盾的要求之间具有良好的折衷。
一旦加热丝螺旋体被做成形，就可将模子和贴在上面的加热丝插入管子，或用另一种方法，首先将螺旋体从模子上取下。一旦到了管子里面，就将模子取走，加热丝固有的弹性将会使螺径扩大，从而会使加热丝螺旋体压在管子的内壁上。用另一种方法，如已经提到的，加热丝螺旋体可以具有比管子内径小的直径，在这种情况下，加热丝螺旋体将躺在管子内壁的一边。然后，加热丝的一端被终接在插口18或19中，其中，插口位于管子一端的套中，而加热丝的另一端在管子的另一端被连接到一个电流回路上，该回路可具有一个沿着管子外部的低阻“地”线。当包含一个作为回路的低阻丝时，连接点处的电压基本为零状，这在一些医疗环境中是有利的，在这些环境中，灵敏的监测装置被置于连接点(靠近病人头部)附近。用另外一种方法，在一个展示于图12的更为优先选用的实施例中，加热丝可被绕成双螺旋体，这样，加热丝的两端都位于管子的一端(或者双螺旋体可由在一端连接到低阻回流丝上的加热丝制成)。回流丝的自由端也被终接到管子套里的插口18或19中。电接头16和17被分别插入插口18和19，以使管子里面的加热丝的电流在控制器11的控制之下，这样，根据温度读数，加热丝可被可控地通电以减少发生在管子里的冷凝。
在绕成双螺旋状的加热丝(如图12所示)的情形中，如果加热丝只在管子的一端(加热丝的端部被终接在插口18或19中的那一管端)被固定，那么，加热丝将会因弹性回复到其密绕状态，只沿管子伸出一部分。为避免这一问题，双螺旋体上的距丝的被终接端最远的那端应被固定在一个位置，该位置位于或靠近管子上的距插口18和19最远的那端。这可以用几种已知的方法来完成，例如将一个环形箍(未示出)在靠近加热丝的“双尽头”端处连接到加热丝上，然后将箍固定到管子的内部。环形箍最好是很好地嵌在管子的内圆柱形沟26当中的一个里面(圆柱形沟里面的箍可以比作装在轮胎里面的内胎)。在管子端部里面的箍的定位还可被用来控制绕成螺旋状的加热丝的螺距以克服可能发生在丝的相邻圈之间的冷凝。
已发现，根据本发明构造的加热式绕成螺旋状的加湿管具有如下好处，即提高了从加热丝向管内气流传递的能量。这是由于气流沿丝的全长(该长度比管子长度大得多)流过丝表面的大部分这一事实，也由于加热丝与气流沿管子宽度方向相互作用这一事实。相应地，在管子整个周边周围的气流会被加热丝加热。这一事实被图示于图6，图中只图示了一根单螺旋体，并且，在图中可以看到，由于加热丝的布置，沿管子宽度方向的温度分布比现有技术系统中见到的分布更均匀，在现有技术系统中，加热丝纵向地躺在管子里面(见图5)。双螺旋体使得两个端部能被终接在同一套中而无需回流丝的同时，提供了比单螺旋体更好的加热性能。从图5中可看到，现有技术的管子里的温度在靠近丝的地方最高，但在加热丝对面的管壁的温度大大下降，这样一来，这一位置就可能发生冷凝而且管子里的气体不会被均匀加热。
相应地，由于向气体传递能量的效率提高，与现有技术相比，加热丝的温度可被降低，减少了管子融化的危险。加热丝绕在管子外面的现有技术的加热管需要将能量传过管子以加热气体。本发明提高了能量效率(因为被加湿气体沿管子的横向和纵向被均匀加热)，从而，加湿系统所需的总能量使得被加热丝吸收的电能降低(即使加热丝的总电阻通常与现有技术中的基本相等)。
参看图7，可以看到肋管或波纹管里的气流23在内管壁的凹处里产生小的涡流22。这一现象有害地增加了从气体到管壁然后向外到周围环境的热能传递，因为涡流中的被加热气体在每个涡流发生处连续地将通过的热量环流到管壁上。在努力减少这一问题并进一步提高能量效率的过程中，可以在由加热丝20做成的螺旋体和内管壁之间的空间将一个例如由薄的塑性材料制成的内鞘24插入管子中。这一步可在将丝插入管子中之前进行，或用另一种方法，内鞘可与管子一起挤压成形。然后，鞘的端部被粘合或封接到管子上。来自加湿室的气体供应于是被迫只能从内鞘24中流过加热丝，在内鞘24和管7之间形成的滞留空气绝缘层26进一步减少了向周围环境的热传递，并减少环境温度的温度变化对气体温度的影响，并且还在保持肋管供应的同时消除了涡流。为更进一步提高加热管的能量效率，可将整个的管／加热丝／内鞘结构插入如图9所示的外鞘25中，同时，外鞘的端部粘合或封接到管端。于是，另外的滞留空气层27被加到加热管“三文治”上以减少向周围环境的能量传递。如果外鞘的直径是紧配合在管子周围，那么，在管子和外鞘之间将形成一系列绝缘的圆筒形的滞留空气罩，而非一连续的圆筒，进一步将管子从环境条件的变化中隔绝开来。用另一种方法，如图10所示，可以使用外鞘而不必也要加上内鞘。
参看图13，展示了根据本发明制造的加热丝的一个另外的非必须的特点。在这个实施例中，弯绕加热丝以得到两个不同的部分，一个绕成双螺旋状的部分31和一个单圈部分30。为保证加热丝沿管子均匀布置，可在管端或其附近用一个箍(未示出)固定加热丝的端部32(如前面已经描述的那样)，或者可在绕成螺旋状的部分31和单圈部分30之间的位置用一个箍固定加热丝。加入单圈部分30的好处可参照展示于图14的呼吸加湿装置来解释。
图14展示出加湿系统可怎样装出以获得“插管式CPAP”(连续的正的气路压力)。这一构造与展示于图11的相同，除了图11中的呼气管10已被一个较短的管32代替，该管具有一个连接于其自由端的CPAP阀33以在病人处产生恒定的压力。图11中的呼气管10可由两个连在一起的管32和另一个管(未示出)组成。然后，图13的加热丝可以插入呼吸回路(件30置于管32中，件31置于第二短管(未示出)中)的呼气支路中。然后，为产生图14的结构，只需将第二短管和加热丝20取下并加上CPAP阀33。当重新配置图14的系统以重新产生图11的系统时，直件32的好处很明显。在这一重新配置中，因为加热线的单圈部分30将从第二短管中伸出，所以可以容易地将其放回管32中，然而螺旋状的管子就不能够被使用者容易地插入。
一个更进一步的替代的优先选用的绕制的加热丝结构实施例被展示于图15。图15的绕制的加热丝由与前面优先选用的实施例中的相同的被绝缘的电阻丝制成，并且可在加或不加内／外鞘(预计对该实施例，内／外鞘将不是必需的)的情况下使用。可以看到，加热丝已被弯绕成一个双螺旋体，其螺距沿着丝是变化的。最好，螺距在一端最小并且向着另一端而增大。但是，与所展示的不同的变螺距结构可能最好是依使用环境而定的。
示于图15的螺距结构的一个好处是可将绕制丝插入管子，这样，密绕端(螺距最小)可被置于呼吸管7的距加湿器5最近的那端。由于被加湿气体以最高的相对湿度离开出口6，冷凝通常更有可能发生，因此，应在该位置提供更高的加热量。从而，加热丝20的密绕端就在管子里所需的地方提供一个增加了的加热度。已经发现，图15的绕成双螺旋状的变螺距加热丝在沿整个管子保持气体温度的同时，使冷凝减少，尤其是在加湿器出口处。
类似的绕制加热丝可用于呼气管10中，然而，密绕端应被置于管子的距病人头部最近的那端，因为这儿是被呼出气体将具有最高相对湿度的地方，从而这儿是最有可能发生冷凝的地方。这一加热丝结构的好处表示在图16中，在图中可看到现有技术的加热管(线35)里的温度沿管子逐渐增加到端部附近的最大值，与之相比，有了根据本发明(线34)构造的加热丝，连接到加湿器上的管子的端部附近的气体温度接近最大值。
当将丝安装在管子里时，加热丝的螺距最好在每50mm的管子约1圈(大螺距)到约20圈(小螺距)之间的范围内。
为了制出图15的绕成双螺旋状的变螺距加热丝，像参照前面的实施例描述的那样进行相似的过程。电阻丝最好是紧绕到一个旋转模上，首先在模上朝一个方向绕以制成一个第一层，然后朝相反方向在这一层的上面绕回起始位置。然而，在这一实施例中，为了制出变螺距，模子是锥形棒(或截头锥形棒)。为了制出示于图15的加热丝，锥形棒最好具有一个约为3mm的小端直径和一个约为18mm的大端直径。在弯绕和加热(如前面所描述的)后，将丝从其模上取下并使其能够有弹性地呈现出一个具有约4mm到约20mm直径的新形状。在纵向拉伸时，依靠热塑性外皮的性质和所用的模子的形状，绕制加热丝可以符合直径沿其长度基本不变，且具有所需的变螺距。用另一种方法，被拉伸的制成形的丝可以符合变螺距和／或变直径的加热丝。被拉伸的加热丝的小螺距／小直径区域形成于锥形模棒的窄端，而大螺距／大直径区域形成于模棒的大端。其原因可通过类比弹簧而理解得更好，即密绕弹簧(小螺距)的伸张不像绕得较疏(大螺距)的弹簧那样容易。然后，变螺距绕制加热丝的端部可为连接而终接于管端套中的插口18或19中，而绕成螺旋状的丝的在对面的“双尽头”端可用，例如，象前面所描述的那样的环形箍在管内固定就位。
于是，至少在优先选用的形式中，本发明提供了一种加热式加湿管，其中，气体和管子被更加均匀地加热，减少了发生冷凝的危险。本发明还使得管内气体的热分布能够更均匀，这是由于如下事实，一段比管子长度大得多的加热丝在沿管宽和管长的位置上排布在管内，这最有利地减少了冷凝。这一结构还提高了呼吸加湿系统的总的能量效率，并减少了环境条件变化对气体温度的影响。