DE10296120B4

DE10296120B4 - Radialverdichter für Beatmungsgeräte

Info

Publication number: DE10296120B4
Application number: DE10296120.4T
Authority: DE
Inventors: Martin Bäcke
Original assignee: TNI MEDICAL AG
Current assignee: TNI MEDICAL AG, DE
Priority date: 2001-12-22
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2015-01-22
Anticipated expiration: 2022-12-21
Also published as: WO2003055551A1; AU2002358449A1; DE10296120D2; DE10163801A1

Abstract

Rotationskolben-Radialverdichter, insbesondere Kompressor für Beatmungsgeräte mit: einem Anströmkanal (16); einem Abströmkanal (11); einem ersten Laufrad (1) mit Schaufeln (9); einem zweiten Laufrad (2) mit Schaufeln (12), welches über eine Antriebswelle (12) angetrieben wird; und einem Gehäuse (6), welches mit Ausnahme von unterschiedlichen Lagerungen der Laufräder (1, 2) symmetrisch zu einer Symmetrieebene (17) ist; wobei die Laufräder im Gehäuse so angeordnet sind, dass die Schaufeln des einen Laufrades in die Hohlräume zwischen den Schaufeln des anderen Laufrades eingreifen und die Laufräder (1, 2) so gelagert sind, dass sich ihre Drehachsen unter einem spitzen Laufradwinkel (18) in der Symmetrieebene (17) schneiden, wobei eine der Schaufeln in einem der Hohlraume beim Drehen der Laufräder mehr oder weniger Volumen verdrängt, so dass Fluid durch den Abströmkanal (11) ausgestoßen bzw. durch den Anströmkanal (16) angesaugt wird dadurch gekennzeichnet, dass in die Schaufeln der Laufräder Magnete so eingelassen sind, dass jede Schaufel eines Laufrades die beiden benachbarten Schaufeln des anderen Laufrades abstößt, so dass das eine Laufrad (1, 2) das andere Laufrad (1, 2) berührungslos antreibt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Radialverdichter, insbesondere einen Kompressor für Beatmungsgeräte, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Laufrad für einen derartigen Radialverdichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7 sowie ein Beatmungsgerät, das mit einem solchen Radialverdichter ausgerüstet ist.
Radialverdichter gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie Laufräder gemäß dem Patentanspruch 7 sind beispielsweise aus „Strömungsmaschinen” von Klaus Menny, 3. Auflage, B. G. Teubner Stuttgart, 2000 bekannt.
Radialverdichter werden unter anderem in Beatmungsgeräten, insbesondere CPAP-Geräten eingesetzt.
Zur Behandlung von Apnoen wurde die CPAP(continuous positive airway pressure)-Therapie entwickelt, die in Chest. Volume No. 110, Seiten 1077–1088, Oktober 1996 und Sleep, Volume No. 19, Seiten 184–188 beschrieben wird. Ein CPAP-Gerät erzeugt vorzugsweise mittels eines hochtourigen, einstufigen Radialverdichters einen positiven Überdruck bis zu etwa 30 mbar und appliziert diesen über einen Schlauch und eine Nasenmaske in den Atemwegen des Patienten. Dieser Überdruck soll gewährleisten, dass die oberen Atemwege während der gesamten Nacht vollständig geöffnet bleiben und somit keine Apnoen auftreten ( DE 198 49 571 A1 ).
Lieferanten für CPAP-Geräte geeignete Verdichter sind beispielsweise AMETEK ROTRON, PAPST, ebm, Micronel, Telemeter Electronic.
Die DE 199 04 119 A1 beschreibt beispielsweise einen Rotationsverdichter für ein Beatmungssystem, welches in einem Kreisbetrieb transportierte Atemgase vorsieht. Dabei weist der Rotationsverdichter ein mittels eines aerodynamischen Gas-Gleitlagers gelagertes, elektrisch angetriebenes Verdichterrad auf. Das Gas-Gleitlager besteht aus radial und axial belasteten Flächen, wobei entweder die axial belastete Fläche des Verdichterrads oder die axial belastete, ruhende Gehäusefläche Rillen aufweist.
Die US 2,654,322 A beschreibt allgemein Rotationsverdichter, bei denen jeweils Paare von Laufrädern winkelig zueinander in einem Gehäuse angeordnet sind und die Laufräder so angeordnet sind, dass Schaufeln eines Laufrad in Hohlräume zwischen den Schaufeln des jeweils anderen Laufrads eingreifen.
Grenzen für den Einsatz von Verdichtern sind in erster Linie die Baugröße, das Gewicht und die Geräuschentwicklung. Die Baugröße und das Gewicht liegt bei tragbaren CPAP-Geräten zurzeit um 5,5 Liter bzw. 2,5 kg. Die Geräuschentwicklung soll 30 dB nicht überschreiten, da die Patienten neben den Geräten erholsam schlafen sollen. Eine weitere Reduzierung der Baugröße und des Gewichts z. B. durch den Einsatz kleinerer Verdichter wäre wünschenswert.
Für CPAP-Geräte wird eine maximale Luftmenge von 200 l/min, ein maximal erreichbarer Druck in der Gesichtsmaske von mindestens 25 mbar (2500 Pa) gefordert. Bei Drücken um 15 mbar müssen noch mindestens 150 l/min gefördert werden können. Diese Anforderungen gelten für konventionelle Beatmungsschläuche mit Innendurchmessern um 20 mm.
Vorteilhaft wäre, dünnere Schläuche einsetzen zu können, da sie leichter zu handhaben sind. Dazu müssen aber die Kompressoren in der Lage sein, die erforderliche Luftmenge durch einen dünneren Schlauch hindurch zu pressen, um den Therapiedruck in der Maske aufrecht zu erhalten. Dabei ist problematisch, dass ein Druck benötigt wird, den einstufige Kleinturbinen kaum noch liefern können. Ferner muss der Luftstrom pulsationsfrei und gut regelbar sein. Zudem wird Laufruhe, also eine geringe Geräuschentwicklung gefordert. Klassische Kolbenkompressoren scheiden wegen ihres pulsförmigen Luftausstoßes und der damit verbundenen Lärmentwicklung aus. Die bisher vorwiegend verwendeten Radialverdichter müssen bei sehr hoher Drehzahl betrieben werden, was zu störenden Pfeifgeräuschen führt.
Alternativ könnten zweistufige Radialverdichter eingesetzt werden. Hierbei steigt jedoch die Baugröße, um den erforderlichen Luftdurchsatz zu erreichen. Geht man von den erhöhten Anforderungen aus, die sich beim Einsatz dünnerer Schläuche ergeben, so findet sich kein handelsüblicher Verdichter, der die Kriterien: Druck, Volumenstrom, Baugröße, Lärmemission in summa zufriedenstellend erfüllt.
Ferner ist eine Beschreibung für Drehkolbenmaschinen unter http://www.megasat.ch/wolfhart/pumpen.htm abrufbar. Diese Internetseite beschreibt Drehkolbenmaschinen nach dem sogenannten ”Wolfhart-Prinzip” mit einer massekräftefreien Hubbewegung und einem lagerfreien Kolbenantrieb. Ein Kolbenrotor und ein Zylinderrotor drehen sich miteinander um leicht, d. h. um ca. 5° geneigte Achsen. Der Kolbenrotor weist typischerweise drei bis fünf Zylinderbohrungen auf, die im Betrieb auf einer Kreisbahn rotieren. Der Zylinderrotor weist eine entsprechende Zahl von Zylindern auf. Im Betrieb bewegen sich die Zylinder in den Kolbenbohrungen aufgrund des Winkels zwischen den Drehachschen des Kolbenrotors und des Zylinderrotors auf und ab. Ein Steuerspiegel besitzt übliche Kanäle zur Steuerung, die zu einem Ein- bzw. Auslass führen. Solche Drehkolbenmaschinen können als Wasser- oder Ölpumpen bis etwa 100 bar eingesetzt werden.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Radialverdichter, ein Laufrad und ein Beatmungsgerät anzugeben, die in der Lage sind, einen höheren Druck als bei bisher in CPAP-Geräten verwendeten Radialverdichtern zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird durch die Lehre der Ansprüche 1, 7 und 9 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteilhaft am erfindungsgemäßen Radialverdichter ist, dass er eine zweistufige Verdichtung realisiert. Er verbindet die Vorteile eines Radialverdichters, nämlich pulsationsfreie laufruhige Förderung großer Volumenströme, mit denen einer Kolbenverdichtung, nämlich hohem Druckaufbau und Rückströmungsfreiheit.
Erfindungsgemäß ist das Eingreifen eines Laufrades in die Hohlräume des anderen Laufrades vorgesehen, so dass ein Laufrad das andere durch Formschluss antreiben kann.
Vorteilhaft am möglichst vollständigen Ausfüllen eines Hohlraumes eines Laufrades durch die entsprechende Schaufel des anderen Laufrades in einer Position der größten Verdichtung ist, dass dies einen hohen Druckaufbau ermöglicht.
Vorteilhaft am Ausstatten eines Laufrades mit einer hohlen Achse und die Verwendung dieser Achse als Anströmkanal ist, dass die Zentrifugalkraft mit zur Verdichtung des Fluids beiträgt. Vorteilhaft an der Verwendung eines Dichtelements ist, dass in die Hohlräume eindringende Schaufeln das Fluid nicht wieder in den Innenraum drücken können.
Vorteilhaft an der Verwendung eines Anströmkanals am Außenumfang der Laufräder ist, dass keines der beiden Laufräder eine hohle Achse aufweisen muss und somit leichter hergestellt und montiert werden kann. Ferner gibt es keine Probleme bei der Anbringung eines Dichtelements, da ein Laufrad so beschaffen sein kann, dass es seine Hohlräume nach innen hin selbst abdichtet. Anders ausgedrückt, kann das Dichtelement in ein Laufrad integriert werden.
Der Antrieb eines Laufrads durch Formschluss mit dem anderen Laufrad erübrigt weitere Antriebselemente für das erste Laufrad und führt somit zu einem vereinfachten Aufbau.
Das erfindungsgemäße Einlagern von Magneten in die Schaufeln der Laufräder, so dass die Schaufeln des einen Laufrads die Schaufeln des anderen Laufrads abstoßen, ermöglicht, dass das eine Laufrad berührungslos durch das andere Laufrad angetrieben wird und führt somit zu einer Geräuschreduzierung. Ferner ermöglichen die Magnete, dass sehr geringe Abstände zwischen den Schaufeln der beiden Laufräder berührungsfrei eingehalten werden.
Eine Fertigung der Laufräder aus Kunststoff ermöglicht die Herstellung leichter Laufräder, die ein geringes Trägheitsmoment aufweisen. Dies wiederum ermöglicht ein schnelles Anfahren und Abstoppen des Radialverdichters, womit CPAP-Geräte mit einer schnellen Druckregelung realisiert werden können.
Im Folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen ersten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Radialverdichter und
2 einen zweiten Schnitt durch den erfindungsgemäßen Radialverdichter.
Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung stellt einen Rotationskolben-Radialverdichter dar. Der Verdichter besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 6 und zwei Laufrädern 1 und 2. Das Gehäuse ist im Wesentlichen spiegelsymmetrisch, wobei die Symmetrie vor allem durch die unterschiedliche Lagerung der Laufräder 1 und 2 gebrochen wird. Das Laufrad 1 weist nämlich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine hohle Achse auf, die einen Einströmkanal 16 bildet. Im Gegensatz dazu wird das Laufrad 2 durch eine Antriebswelle 12 angetrieben.
Zwei Laufräder 1 und 2 sind leicht winklig zueinander angeordnet. Ihre Achsen schneiden sich in der Symmetrieebene des Gehäuses 6 und schließen den Laufradwinkel 18 ein. Sie sind beispielsweise in Wälzlagern 14 bzw. 13 drehbar gelagert. Sie weisen an den einander zugewandten Seiten kegelzahnartige Schaufeln 9 und 15 auf. Im Verdichtungsbereich 3 greifen diese Schaufeln so ineinander, dass die Räume zwischen den Schaufeln 9 des Laufrades 1 durch die Schaufeln 15 des Laufrades 2 ausgefüllt werden.
Beginnend bei der größten Verdichtung in Position 4 wird der Weg einer Schaufel 9 verfolgt: In 2 im Uhrzeigersinn drehend entfernen sich die Schaufeln 9 des Laufrades 1 langsam aus den Hohlräumen zwischen den Schaufeln 15 des Laufrades 2 und umgekehrt. In die so frei werdenden Hohlräume strömt Luft aus dem Innenraum 5. An der Außenseite werden die Hohlräume durch das Gehäuse 6 abgedichtet. Bis zur größten Öffnung in Position 7 vergrößert sich das nicht durch Schaufeln des anderen Laufrades ausgefüllte Volumen zwischen den Schaufeln 9. Je nach Winkel, den die Achsen der Laufräder einschließen und den Abmessungen der Laufräder sowie der Schaufeln kann sich sogar ein zusätzliches Volumen 8 bilden. Das zusätzliche Volumen ist dadurch definiert, dass sich durch diesen Raum nicht die Schaufeln der beiden Laufräder bewegen, und dass es innerhalb des Gehäuses 6 liegt.
Ab Position 7 beginnt die Verdichtung. Tatsächlich kann hier noch Luft aus dem Innenraum 5 angesaugt werden, weil die zwischen den Schaufeln 9 und im Volumen 8 befindliche Luft durch die Radialbeschleunigung komprimiert wird. Außerdem nimmt das Füllen der Hohlräume mit Luft aufgrund von Luftwiderständen eine gewisse Zeit in Anspruch. Insbesondere bei hoher Drehzahl der Laufräder wird der Unterdruck in einem Hohlraum gegenüber dem Innenraum 5 nicht in der Position der größten Öffnung 7 zu 0 sondern erst etwas später. Nach der Position der größten Öffnung 7 wird der Unterdruck im Hohlraum sowohl durch nachfließende Luft als auch durch die beginnende Verdichtung reduziert. Bis hierher entspricht die Funktion im Wesentlichen einem Radialverdichter.
Mit Eintritt in den eigentlichen Verdichtungsbereich tritt die Kolbenverdichterfunktion in den Vordergrund. Zum Innenraum 5 hin dichtet jetzt ein Dichtelement 10 ab. Das Dichtelement beginnt in Bewegungsrichtung der Laufräder gesehen nicht an der Position der größten Verdichtung sondern etwas später. Idealerweise beginnt das Dichtelement an der Position, an der der Luftstrom in dem Hohlraum gerade 0 wird. Wie oben ausgeführt ist diese Position drehzahlabhängig. Vorzugsweise wird der Beginn des Dichtelements für die höchste im Betrieb vorkommende Drehzahl optimiert. Er kann aber auch auf die häufigste Drehzahl ausgelegt werden. Das Dichtelement 10 wird in der bevorzugten Ausführungsform an einem Halter befestigt, der durch den Anströmkanal 16 hindurch reicht und an der Außenseite des Gehäuses 6 befestigt wird.
Die Schaufeln 9 und 15 der Laufräder 1 und 2 verengen die Hohlräume im jeweils anderen Laufrad, indem sie in die gegenüberliegenden Hohlräume eindringen und die Luft nach außen in den Abströmkanal 11 pressen, durch den die Luft den Verdichter verlässt. Mit Überschreiten von Position der größten Verdichtung 4 hört die Kompression auf und der Saugvorgang wird erneut eingeleitet.
Die Luftzufuhr kann wie in 1 dargestellt durch die den Einströmkanal 16 bildende hohle Achse des Laufrads 1 erfolgen.
In einer anderen Ausführungsform kann die Luftzuführung aber auch durch das zusätzliche Volumen 8 erfolgen. Bei dieser Ausführungsform sind die Laufräder in einem besonders großen Laufradwinkel 18 zueinander angeordnet, so dass die Schaufeln der beiden Laufräder eine direkte Verbindung zwischen dem zusätzlichen Volumen 8 und dem Innenraum 5 freigeben. Durch diese direkte Verbindung bewegt sich keine Schaufel beim Drehen der Laufräder. Hier kann ein Halter für das Dichtelement 10 integriert werden. So können die Laufräder ohne Hohlwelle, d. h. gleich gestaltet werden.
In einer dritten Ausführungsform kann das Gehäuse in Drehrichtung der Laufräder gesehen ab einem ersten Winkel nach der Position der größten Verdichtung 4 bis zu einem zweiten Winkel nach Position der größten Öffnung am Außenumfang der Laufräder einen Anströmkanal bilden. Dieser Anströmkanal ermöglicht, dass die Hohlräume zwischen den Schaufeln eines Laufrads mit Luft gefüllt werden, während sich die Schaufeln des anderen Laufrads aus diesen Hohlräumen bewegen. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass das schwierig zu montierende Dichtelement sozusagen in ein Laufrad integriert werden kann. Ferner ist bei dieser Ausführungsform kein Laufrad mit einer hohlen Achse erforderlich. Die Integration des Dichtelements in ein Laufrad kann dadurch erfolgen, dass die Hohlräume dieses Laufrads zwischen seinen Schaufeln nach innen zur Achse des Laufrads hin durch Wände verschlossen sind.
Am Laufrad 2 ist die Antriebswelle 12 angebracht. Beide Laufräder 1 und 2 sind vorzugsweise in Wälzlagern 14 bzw. 13 gelagert. Laufrad 2 übernimmt den Antrieb von Laufrad 1, im einfachsten Fall durch einfachen Formschluss. Die Laufräder bestehen vorzugsweise aus Kunststoff.
Günstig ist es, wenn die Laufräder 1 und 2 in den Schaufeln 9 und 15 magnetisierte Bestandteile enthalten, die so magnetisiert sind, dass sich die Schaufeln 9 des Laufrades 1 von den Schaufeln 15 des Laufrads 2 gegenseitig abstoßen. Die magnetischen Dipolmomente sind von einer Schaufel in einen benachbarten Hohlraum oder entgegengesetzt ausgerichtet. Damit lassen sich sehr enge Abstandstoleranzen reibungsfrei einhalten, was für einen geräuscharmen Lauf wichtig ist.
Die Schaufeln 9 und 15 können auch aus magnetisierten Kunststoffen bestehen. Dies sind Kunststoffe, in die kleine magnetisierte Eisenteile, so genannte Mikroferrite, eingebracht sind, wobei die Ferrite beim Erstarren des Kunststoffs beispielsweise durch ein äußeres Magnetfeld in der gewünschten Art und Weise ausgerichtet wurden.
Oben wurde ein Radialverdichter insbesondere zum Einsatz in CPAP-Geräten beschrieben. Deshalb wurde auch als zu förderndes Medium immer Luft erwähnt. Für Fachleute ist es jedoch offensichtlich, dass der obige Radialverdichter auch zum Fördern anderer Medien, wie beispielsweise Wasser, verwendet werden kann. Deshalb wird in den Ansprüchen als Oberbegriff für Gase und Flüssigkeiten der Ausdruck Fluid verwendet. Dem Fachmann ist ferner klar, dass Flüssigkeiten eine um etwa drei Größenordnungen höhere Dichte aufweisen. Dies führt einerseits dazu, dass bei der gleichen Drehzahl allein durch die Fliehkraft ein sehr viel größerer Druck aufgebaut werden kann. Andererseits steigen die Kräfte bei sonst gleichen Bedingungen auch um drei Größenordnungen. Der Fachmann wird deshalb bei Radialverdichtern für Flüssigkeiten die Schaufeln nicht aus Kunststoff sondern vorzugsweise aus stabilerem Metall fertigen.
Bezugszeichenliste

1: Laufrad
2: Laufrad
3: Verdichtungsbereich
4: Position der größten Verdichtung
5: Innenraum
6: Gehäuse
7: Position der größten Öffnung
8: zusätzliches Volumen
9: Schaufel
10: Dichtelement
11: Abströmkanal
12: Antriebswelle
13: Lager
14: Lager
15: Schaufel
16: Anströmkanal
17: Symmetrieebene
18: Laufradwinkel

Claims

Rotationskolben-Radialverdichter, insbesondere Kompressor für Beatmungsgeräte mit: einem Anströmkanal (16); einem Abströmkanal (11); einem ersten Laufrad (1) mit Schaufeln (9); einem zweiten Laufrad (2) mit Schaufeln (12), welches über eine Antriebswelle (12) angetrieben wird; und einem Gehäuse (6), welches mit Ausnahme von unterschiedlichen Lagerungen der Laufräder (1, 2) symmetrisch zu einer Symmetrieebene (17) ist; wobei die Laufräder im Gehäuse so angeordnet sind, dass die Schaufeln des einen Laufrades in die Hohlräume zwischen den Schaufeln des anderen Laufrades eingreifen und die Laufräder (1, 2) so gelagert sind, dass sich ihre Drehachsen unter einem spitzen Laufradwinkel (18) in der Symmetrieebene (17) schneiden, wobei eine der Schaufeln in einem der Hohlraume beim Drehen der Laufräder mehr oder weniger Volumen verdrängt, so dass Fluid durch den Abströmkanal (11) ausgestoßen bzw. durch den Anströmkanal (16) angesaugt wird dadurch gekennzeichnet, dass in die Schaufeln der Laufräder Magnete so eingelassen sind, dass jede Schaufel eines Laufrades die beiden benachbarten Schaufeln des anderen Laufrades abstößt, so dass das eine Laufrad (1, 2) das andere Laufrad (1, 2) berührungslos antreibt.
Rotationskolben-Radialverdichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaufeln so geformt sind, dass eine Schaufel eines Laufrades in einer Position der größten Verdichtung (4) den entsprechenden Hohlraum des anderen Laufrades ausfüllt.
Rotationskolben-Radialverdichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Laufrad eine hohle Achse aufweist, die einen Anströmkanal (16) bildet.
Rotationskolben-Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (1) in Drehrichtung der Laufräder gesehen ab einem ersten Winkel nach der Position der größten Verdichtung (4) bis zu einem zweiten Winkel nach der Position der größten Öffnung am Außenumfang der Laufräder einen Anströmkanal bildet.
Rotationskolben-Radialverdichter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtelement vorgesehen ist, das die Schaufeln der Laufräder zu ihren Drehachsen hin um den ganzen Umfang herum abdichtet.
Rotationskolben-Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufräder aus Kunststoff gefertigt sind.
Laufrad für Rotationskolben-Radialverdichter nach Anspruch 1 mit: Schaufeln (9, 12), wobei die Schaufeln so ausgebildet sind, dass im Verdichtungsbereich des Rotationskolben-Radialverdichter die Schaufeln zweier Laufräder so ineinander greifen, dass die Räume zwischen den Schaufeln eines ersten Laufrads durch die Schaufeln eines anderen Laufrades ausgefüllt werden, dadurch gekennzeichnet, dass in die Schaufeln der Laufräder Magnete eingelagert sind, so dass die Schaufeln des einen Laufrads die Schaufeln des anderen Laufrads abstoßen.
Laufrad nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad aus Kunststoff gefertigt ist.
Beatmungsgerät mit einem Rotationskolben-Radialverdichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6.