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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zuführen von
Atemgas zu einem Menschen, die zum Beispiel verwendet wird bei einer Luftwegdauerbehandlung
(Continuous Positive Airway Pressure, CPAP) von obstruktiver Schlafapnoe (Obstructive
Sleep Apnea, OSA) oder anderen Atemkrankheiten und -störungen,
wie zum Beispiel Emphysem, oder bei der Anwendung von Hilfsluftzufuhr. Die
Hintergrundtechnik ist wiedergegeben durch WO 99/13932, auf der
der Oberbegriff von Patentanspruch 1 beruht, und durch WO 00/42324.
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2. Beschreibung der verwandten
Technik
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Die
CPAP Behandlung von OSA, eine Form der nichtinvasivem Überdruckluftzufuhr
(Noninvasive Positive Pressure Ventilation, NIPPV), umfasst die Zufuhr
eines unter Druck stehenden Atemgases, für gewöhnlich Luft, zu den Luftwegen
eines Patienten unter Verwendung einer Leitung und Maske. Die für CPAP angewendeten
Gasdrücke
können
im Bereich von 4 cm H2O bis 28 cm H2O bei Strömungsdurchsätzen von bis zu 180 L/min (gemessen
an der Maske) liegen je nach den Erfordernissen des Patienten. Das Druckgas
wirkt für
den Luftweg des Patienten als pneumatische Schiene und verhindert
das Zusammenfallen des Luftwegs insbesondere während der Einatmungsphase.
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Normalerweise
wird der Druck, bei dem ein Patient während des CPAP ventiliert wird,
gemäß der Phase
des Atmungszyklus' des
Patienten variiert. Die Ventilationsvorrichtung kann zum Beispiel
so eingestellt werden, dass sie zwei Drücke liefert einen Luftwegüberdruck
für das
Einatmen (inspiratory positive airway pressure, IPAP) während der
Einatmungsphase des Atemzyklus' und
einen Luftwegüberdruck
für das
Ausatmen (expiratory positive airway pressure, EPAP) während der
Ausatmungsphase des Atemzyklus'.
Ein ideales System für
CPAP kann schnell, wirksam und ruhig zwischen IPAP- und EPAP-Drücken umschalten,
während
es während
des frühen Teils
der Einatmungsphase für
den Patient eine maximale Druckunterstützung vorsieht.
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Bei
einem herkömmlichen
CPAP-System wird die Luftzufuhr zum Patient durch ein Gebläse mit einem
einzigen Rotor bzw. Schaufelrad unter Druck gesetzt. Der Rotor ist
in einem Spiralgehäuse
oder Gehäuse
eingeschlossen, in dem das eintretende Gas aufgefangen und durch
den rotierenden Rotor unter Druck gesetzt wird. Das unter Druck
gesetzte Gas verlässt
das Spiralgehäuse
allmählich
und bewegt sich zur Maske des Patienten.
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Es
gibt zur Zeit zwei übliche
Arten, in denen das Gebläse
und der Rotor ausgebildet sein können, um
die beiden unterschiedlichen Drücke
IPAP und EPAP zu erzeugen, die in einem idealen CPAP-System benötigt werden.
Ein erstes Verfahren besteht im Einstellen des Motorrotors zur Erzeugung
eines konstanten hohen Drucks und danach im Anwenden einer Nebenschlussventilanordnung,
die den hohen Druck moduliert zur Erzielung der erforderlichen IPAP-
und EPAP-Drücke.
CPAP-Systeme gemäß dem ersten
Verfahren werden Einzeldrehzahl-Doppelniveausysteme mit Nebenschlussventilen
genannt. Ein zweites Verfahren besteht im Beschleunigen des Motors,
der den Rotor antreibt, zum unmittelbaren Erzeugen der IPAP- und
EPAP-Drücke. CPAP-Systeme
gemäß dem zweiten
Verfahren werden Doppelniveausysteme mit veränderlicher Drehzahl genannt.
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Veränderliche
Doppelniveau-CPAP-Systeme mit veränderlicher Drehzahl haben eine
Anzahl von besonderen Nachteilen. Der erste Nachteil besteht darin,
dass zum schnellen Umschalten zwischen IPAP und EPAP der Rotor schnell
beschleunigt und verzögert
werden muss. Dies erzeugt am Rotor, am Motor und an den Lagern eine übermäßige Belastung.
Wenn jedoch der Rotor langsam beschleunigt wird, kann der Druck
nicht ausreichend ansteigen und somit der Patient keine angemessene
Behandlung erhalten.
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Ein
schnelles Beschleunigen und Verzögern von
Motor und Rotor kann auch eine übermäßige Wärme erzeugen
und ein unerwünschtes
akustisches Geräusch
ergeben. "Unerwünschtes
akustisches Geräusch,
wie es hier genannt wird, bezeichnet ein akustisches Geräusch, das übermäßig laut ist,
und auch ein akustisches Geräusch,
das mit einer Frequenz auftritt, die den Benutzer unabhängig von der
Lautstärke
stört.
Zusätzlich
müssen
die Konstrukteure häufig
einen Kompromiss machen auf Kosten von optimalem Druck und von Strömungseigenschaften
zu Gunsten einer Erzielung eines gewünschten Maximaldrucks. Ein
System mit einem Motor in Verbindung mit Rotoren ist zusätzlich offenbart
in WO 98/31937.
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3. Zusammenfassung
der Erfindung
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Ziel
der Erfindung ist die Schaffung einer CPAP/NIPPV-Vorrichtung gemäß dem beigefügten Patentanspruch
1, die gegenüber
dem Stand der Technik verbessert ist.
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Die
Rotoranordnung kann vorzugsweise eine Welle enthalten, die mit dem
Motor in Verbindung steht für
eine Drehbewegung um eine erste Achse, wobei erste und zweite Rotoren
mit der Welle verbunden, zum Beispiel daran befestigt, sind. Die Rotoren
stehen durch den Gasstrom in Fluidverbindung miteinander derart,
dass bei beide Rotoren zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass
angeordnet sind, um in Zusammenarbeit Gas unter Druck zu setzen,
das vom Gaseinlass zum Gasauslass strömt.
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Bei
einer Ausführungsform
sind die Rotoren in Reihe zwischen dem Gaseinlass und dem Gasauslass
angeordnet. Die Vorrichtung kann auch ein Gehäuse umfassen, wobei Teile des
Gehäuses
um jeden der ersten und zweiten Rotoren angeordnet sind. Das Gehäuse kann
insbesondere erste und zweite Spiralgehäuse umfassen, wobei das erste
Spiralgehäuse
den Gasstrom um den ersten Rotor enthält, während das zweite Spiralgehäuse den
Gasstrom um den zweiten Rotor enthält. Der Gaseinlass kann im
ersten Spiralgehäuse
angeordnet sein, während der
Gasauslass im zweiten Spiralgehäuse
angeordnet sein kann.
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Die
Rotoren können
derart angeordnet sein, dass sie längs einer ersten Achse senkrecht
voneinander beabstandet sind. Sie können insbesondere an jeweils
entgegengesetzten Enden des Gehäuses angeordnet
sein.
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Eine
Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung
kann unterschiedlichen Aufbau haben. Bei einer Ausführungsform
sind zwei Rotoren so ausgelegt, dass sie in derselben Richtung rotieren.
Bei einer anderen Ausführungsform
können
die beiden Rotoren so ausgelegt sein, dass sie in entgegengesetzten
Richtungen rotieren.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf ein in einer Ebene
liegendes Übergangsspiralgehäuse zur
Verwendung in einem doppeltendigen oder einfachendigen Gebläses. Das
in einer Ebene liegende Übergangsspiralgehäuse leitet
allmählich
Druckluft weg von einem rotierenden Rotor.
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Diese
und weitere Aspekte der vorliegenden Erfindung werden in der vorliegenden
Detailbeschreibung der bevorzugten Ausführungsformen beschrieben oder
gehen daraus hervor.
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4. Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Verschiedene
beispielhafte Ausführungsformen
werden anhand der folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche
Bezugszeichen gleiche Merkmale darstellen. Es zeigen:
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1 eine
Schrägansicht
eines doppeltendigen Gebläses
gemäß einer
ersten Ausführungsform der
Erfindung;
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2 eine
teilweise geschnittene Schrägansicht
des doppeltendigen Gebläses
von 1;
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3 eine
Schrägansicht
eines doppeltendigen Gebläses
gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung;
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4 eine
geschnittene Schrägansicht
des doppeltendigen Gebläses
von 3;
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5 eine
rückseitige
Schrägansicht
des doppeltendigen Gebläses
von 3 mit Darstellung der hindurch verlaufenden Strömung;
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6 eine
Schrägansicht
eines in einer Ebene liegenden Übergangsspiralgehäuses zur
Verwendung in Gebläsen
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 eine
auseinander gezogene Schrägansicht
eines doppeltendigen Gebläses
gemäß einer weiteren
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung;
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8 eine
Schrägansicht
des zusammengebauten doppeltendigen Gebläses von 7 von einer
Seite; und
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9 eine
Schrägansicht
des zusammengebauten doppeltendigen Gebläses von 7 von einer
anderen Seite.
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5. Detailbeschreibung
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Mit
Bezug auf die Figuren ist 1 eine Schrägansicht
eines doppeltendigen Gebläses 100 gemäß einer
ersten Ausführungsform
der vorliegende Erfindung. Das Gebläse 100 hat eine im
Allgemeinen zylindrische Form mit Rotorgehäusen oder Spiralgehäusen 112, 113 an
jedem Ende. Somit nimmt das Gebläse
zwei Rotoren 114, 115 auf, die in der geschnittenen
Schrägansicht
von 2 am Besten zu sehen sind.
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Gemäß 1 und 2 stehen
die beiden Rotoren 114, 115 durch einen Luftweg 116 miteinander
in Fluidverbindung. Der Luftweg 116 des Gebläses 100 besteht
aus einer Rohrleitung, die sich vom ersten Spiralgehäuse 112 zum
zweiten Spiralgehäuse 113 erstreckt.
Die Enden des Luftwegs 116 haben ein rundes Profil und
schmiegen sich in Nähe
der Spiralgehäuse 112, 113 allmählich an
das Gehäuse
des Gebläses 100 an,
um eine einstückige
integrale Struktur zu bilden. Der Luftweg 116 kann aus
einer starren Rohrleitung bestehen, die mit den anderen Komponenten
des Gebläses 100 integral
geformt ist, oder kann aus einer biegsamen Rohrleitung bestehen
(zum Beispiel aus einer biegsamen Rohrleitung aus Metall oder Kunststoff).
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Das
Gebläse 100 hat
einen einzigen Lufteinlass 118, der so angeordnet ist,
dass Luft oder ein anderes geeignetes Gas unmittelbar in das erste
Spiralgehäuse 112 strömt und durch
den rotierenden Rotor 114 innerhalb des ersten Spiralgehäuses 112 angesaugt
werden kann. Einmal in den Lufteinlass 118 gesaugt, wird
die Luft durch die Bewegung des Rotors 114 umgewälzt und
unter Druck gesetzt, bevor sie allmählich aus dem Spiralgehäuse 112 austritt
und in den Luftweg 116 eintritt. Ist die Luft einmal im
Luftweg 116, so bewegt sie sich zum zweiten Spiralgehäuse 113,
wo sie durch den Rotor 115 des zweiten Spiralgehäuses 113 weiter
umgewälzt
und unter Druck gesetzt wird, bevor sie durch die Ausströmleitung 112 aus
dem Gebläse 100 austritt.
Der Weg der Luft im Gebläse 100 ist
in 1 durch Pfeile angegeben. Wie gezeigt bewegt sich
im Gebläse 100 die
Luft aus dem ersten Spiralgehäuse 112 längs eines
verhältnismäßig geraden
Abschnitts des Luftwegs 116 und tritt dann durch einen
Lufthohlraum unmittelbar über dem
zweiten Spiralgehäuse 113 (in 1 nicht
gezeigt) in das zweite Spiralgehäuse 113 ein.
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Das
Gebläse 100 könnte zwei
Lufteinlässe 118 haben,
und zwar einen für
jedes Spiralgehäuse 112,113,
wenn die Rotoren 114, 115 so ausgefegt sind, dass
sie parallel anstatt in Reihe arbeiten. Dieser Typ von paralleler
Rotoranordnung kann nützlich sein
bei einem Einbau in eine Niederdruck-CPAP-Vorrichtung, die hohe
Strömungsdurchsätze erfordert.
Jedoch sind andere Einrichtungen zum Erzeugen von hohen Strömungsdurchsätzen in einer
Niederdruck-CPAP-Vorrichtung in der Technik nicht bekannt.
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Die
Auslegung des Luftwegs 116 kann die Gesamtleistung des
Gebläse 100 bewirken.
Im Allgemeinen beeinflussen verschiedene Konstruktionsüberlegungen
die Auslegung eines Luftwegs zur Verwendung bei Gebläsen gemäß der vorliegenden
Erfindung. Erstens sind Luftwege für die Verwendung bei Gebläsen gemäß der vorliegenden
Erfindung am Vorteilhaftesten so ausgebildet, dass sie einen geringen
Strömungswiderstand
vorsehen, da ein niedriger Strömungswiderstand
im Luftweg den Druckabfall zwischen den beiden Spiralgehäusen 112, 113 im Gebläse minimiert.
Zweitens sind Luftwege am Besten so ausgebildet, dass die in das
zweite Spiralgehäuse 113 eintretende
Luft aus einer Richtung eintritt, für die die Schaufeln des Rotors 115 ausgelegt
wurden. Wie im Einzelnen unten noch zu beschreiben ist, können die
beiden Rotoren eines Gebläses
gemäß der vorliegenden
Erfindung so ausgelegt sein, dass sie in gleichen oder unterschiedlichen
Richtungen rotieren. Schließlich
sind die Luftwege für
Gebläse
gemäß der vorliegenden
Erfindung am Vorteilhaftesten kompakt konstruiert.
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Die
oben angegebenen Konstruktionsüberlegungen
sind am Besten verwirklicht in einem Luftweg mit langen ausgedehnten
Biegungen, um den Druckabfall um die Biegungen zu minimieren. Es
ist auch nützlich,
nach einer Biegung im Luftweg einen verhältnismäßig geraden Abschnitt zu haben,
da ein verhältnismäßig gerader
Abschnitt nach einer Biegung dem Gasstrom ermöglicht, vor Eintritt in ein
Spiralgehäuse
sich vollständiger
zu entwickeln. Eine geeignete Länge
für einen
geraden Luftwegabschnitt nach einer Biegung beträgt ungefähr das Dreifache des Durchmessers
des Luftwegs. Der verhältnismäßig gerade
Abschnitt gewährleistet
auch, dass die in das zweite Spiralgehäuse 113 eintretende
Strömung
axial ist, nämlich
die Strömungsausrichtung,
für die
viele Rotoren ausgelegt sind. Wenn eine zusätzliche Strömungsformung gewünscht ist,
können
bei Bedarf Statorschaufeln oder andere ähnliche die Strömung ausrichtende
Strukturen dem Gebläse
hinzugeführt werden.
Jedoch können
Statorschaufeln hinsichtlich Strömungswiderstand
und Druckabfall kostspielig sein.
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Im
Hinblick auf die drei oben angegebenen hauptsächlichen Luftweg-Konstruktionsüberlegungen
hat der Luftweg 116 der in 1 dargestellten Ausführungsform
einen langen, verhältnismäßig geraden
Abschnitt, da der verhältnismäßig gerade
Abschnitt einer der kürzest
möglichen
Wege zwischen den beiden Spiralgehäusen 112, 113 ist.
Dem Fachmann ist ersichtlich, dass der Luftweg 116 nicht
unbedingt gerade sein muss.
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Gebläse gemäß der Erfindung
können
manuell ausgelegt werden unter Verwendung von Prototypen und experimentellen
Messungen von Luftströmungen
und -drücken
in solchen Prototypen zum optimieren der Auslegung des Luftwegs 116 und
anderer Komponenten. Sie können
alternativ entweder insgesamt oder teilweise ausgelegt werden durch Verwenden
von Computersimulationsprogrammen der Fluiddynamik. In der Technik
sind zahlreiche Rechnerprogramme für Fluiddynamik bekannt. Rechnerprogramme
für Fluiddynamik
eignen sich besonders für
die Auslegung von Gebläsen
nach der Erfindung und enthalten FLOWORKS (NIKA GmbH, Sottrum, Germany),
ANSYS/FLOTRAN (Ansys, Inc., Canonsburg, Pennsylvania, USA) und CFX
(AEA Technology Engineering Software, Inc., El Dorado Hills, California,
USA). Derartige Simulationsprogramme geben dem Benutzer die Fähigkeit,
die Wirkungen von Luftwegauslegungsänderungen auf den simulierten
Gasstrom zu erkennen.
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In
einem doppeltendigen Gebläse
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind viele unterschiedliche Auslegungsarten der beiden
Spiralgehäuse 112, 113 und
des Luftwegs 116 möglich.
Im Allgemeinen ist jedes Spiralgehäuse so ausgelegt, dass es das Gas
um den Rotor während
einer kurzen Zeit aufnimmt und einen allmählichen Austritt des Gases
in den Luftweg gestattet. Die genaue Auslegung des Luftwegs Kann
von vielen Faktoren abhängen
einschließlich
der Ausbildung der Spiralgehäuse
und dem "Sinn" oder der Richtung
des Luftstroms um jeden Rotor.
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Die
Auslegung der Spiralgehäuse
ist eine Kunst an sich, da ungeeignet ausgelegte Spiralgehäuse einen
Lärm erzeugen
oder die Erzeugung der gewünschten
Druck- und Strömungseigenschaften stören kann.
Die oben beschriebenen Rechnerprogramme für Fluiddynamik können bei
der Auslegung der Spiralgehäuse
auch von Nutzen sein, obwohl die Anzahl der bei der Spiralgehäuseauslegung
in Frage kommenden Variablen für
gewöhnlich
ausschließt, dass
das Spiralgehäuse
vollständig
durch Rechner ausgelegt wird.
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Ein
bei Spiralgehäusen 112, 113 übliches Problem
besteht darin, dass sie einen zu plötzlichen Übergang in den Luftweg 116 vorsehen.
Ein plötzlicher Übergang
zwischen dem Spiralgehäuse 112, 113 und
dem Luftweg hinterlässt
um die Öffnung
für gewöhnlich eine
gegabelte Bahn oder einen "Rand". Wenn die Rotorschaufeln
diesen Rand passieren, wird ein "Schaufelpassierfrequenz" genanntes Geräusch erzeugt
Doppeltendige Gebläse
gemäß der vorliegenden
Erfindung eignen sich besonders zur Verwendung mit Spiralgehäusen, die
so ausgelegt sind, dass sie das Auftreten der "Schaufelpassierfrequenz" oder eines anderen
Geräuschs
herabsetzen.
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6 ist
eine Schrägansicht
eines in einer Ebene liegenden Übergangsspiralgehäuses 300,
das sich zur Verwendung in einem Gebläse gemäß der vorliegenden Erfindung
eignet. Zusätzlich
kann das Spiralgehäuse 300 in
jeder herkömmlichen
Gebläsevorrichtung
angewendet werden. Im Hinblick auf 6 ist das
Spiralgehäuse 300 mit
seinem eigenen Motor 302 versehen, obwohl es zur Verwendung
in einem doppeltendigen Gebläse
angepasst werden kann, das einen einzigen Motor aufweist, der die
Rotoren in zwei Spiralgehäusen
antreibt. Wie gezeigt besteht das Spiralgehäuse 300 aus zwei Hälften 304, 306,
wobei die beiden Hälften
obere bzw. untere Teile des Spiralgehäuses 300 bilden. Der
Lufteinlass des Spiralgehäuses 308 befindet
sich in der Mitte der oberen Hälfte 304.
Die beiden Hälften 304, 306 bilden
eine Bahn, die sich von der mit dem Rotor rotierenden Luft langsam
ablöst.
In der durch die beiden Hälften
gebildeten Bahn gibt es einen plötzlichen „Rand" oder ein "Abtrennen" wie bei herkömmlichen Spiralgehäusen. Daher
ist die "Schaufelpassierfrequenz" verringert oder
vollständig
beseitigt. Das in 6 gezeigte Spiralgehäuse 300 eignet
sich besonders für
verhältnismäßig kurze
breite Motoren.
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Eine
wichtige Konstruktionsüberlegung
für ein
doppeltendiges Gebläse
gemäß der vorliegenden Erfindung
ist der "Sinn" oder die Richtung
des Luftstroms um jeden Rotor. Diese "Sinn" kann
durch die Richtung bestimmt werden, in der sich der Rotor dreht,
oder durch die Ausrichtung und Ausbildung der einzelnen Schaufeln
oder Flügel
des Rotors. Beispielsweise kann ein Rotor so gedreht werden, oder es
können
die Schaufeln so ausgerichtet sind, dass sie die Luft im Gegenuhrzeigersinn
antreiben, was ein "gegensinniges" doppeltendiges Gebläse ergibt. Alternativ
könnten
beide Rotoren in der gleichen Richtung angetrieben werden, was ein "gleichsinniges" doppeltendiges Gebläse ergibt.
Das Gebläse 100 von 1 ist
ein Beispiel für
eine „gegensinnige" Bauart des doppeltendigen
Gebläses.
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Ein „gleichsinniges" Gebläse ist vorteilhaft, da
die beiden Rotoren identisch sein können, was die Anzahl der Teile
und die Kosten des Gebläses
vermindert. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass ein Konstrukteur
eine Konstruktion mit einem „gleichsinnigen" Gebläse wählen kann,
bei dem die beiden Rotoren jeweils für den Luftstrom in ihren jeweiligen
Spiralgehäusen
ausgelegt und optimiert sind.
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Ein "gegensinniges" Gebläse ermöglicht dem
Konstrukteur eine Verringerung der Länge der Welle, auf der die
Rotoren montiert sind. Dies kann die Stabilität der Welle selbst erhöhen, da
es die hiermit verbundenen Probleme verringert, die mit einer Unwucht
auf einer langen freitragenden Welle verbunden sind, die mit hoher
Drehzahl rotiert.
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3 zeigt
ein „gleichsinniges" Gebläse 200 gemäß der vorliegenden
Erfindung. Das Gebläse 200 hat
auch zwei Spiralgehäuse 212, 213,
einen Luftweg 216, einen Lufteinlass 218 und einen
Luftauslass 220. Der Luftweg 216 hat jedoch gemäß 3 die
Form einer Spirale. Das heißt
der Luftweg 216 bewegt sich vom ersten Spiralgehäuse 212 weg und
fällt dann
nach unten ab, wenn er dem Umfang des Gebläses 200 folgt, bevor
er sich biegt und allmählich
mit einem Einlasshohlraum vereinigt, der zwischen dem Motor 150 und
dem gekrümmten Flansch 160 angeordnet
ist, der als Lufteinlass im Gebläse 200 wirkt.
Der Luftstrom durch das Gebläse 200 ist
durch die Pfeile in der Schrägansicht
von 5 dargestellt.
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Der
innere Aufbau des Gebläses 200 ist
in der teilweise geschnittenen Schrägansicht von 4 gezeigt.
Die inneren Anordnungen der Gebläse 100 und 200 sind
im Wesentlichen ähnlich
und sind unten bezüglich
der Komponenten beider Gebläse,
sofern anwendbar, beschrieben. Gemäß 4 ist ein
Elektromotor 150 in der Mitte der Gebläse 200 eingebaut. Verschiedene
Arten von bekannten Haltern und Befestigungen können verwendet werden zum Tragen des
Motors und zu dessen Befestigung am Innenraum des Gebläses 200.
Diese sind aber der Einfachheit wegen nur in 4 gezeigt.
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Der
Motor 150 treibt eine einzige Welle 152 an. Die
Welle 152 durchquert im Wesentlichen die gesamte Länge des
Gebläses 100, 200 längs seiner Mitte
und ist an jedem Ende an einem Rotor 114, 115, 214 befestigt.
Die Welle kann rund, quadratisch, keilförmig oder sonstwie geformt
sein, um Arbeit auf die beiden Rotoren 114, 115, 217 zu übertragen.
Die Verbindung zwischen den Rotoren 114, 115, 214 und
der Welle 152 kann erzeugt werden durch eine Presspassung
zwischen den beiden Teilen, eine Schweißung, einen Klebstoff oder
Befestigungselemente, wie zum Beispiel Gewinde stifte. Bei den Gebläsen 100 und 200 erfolgt
die Verbindung zwischen der Welle 152 und den Rotoren 114, 115, 214 mit
Hilfe eines senkrecht ausgerichteten (das heißt längs der Achse der Welle 152 ausgerichteten)
ringförmigen Flansches,
der in der Mitte der Rotoren 114, 115, 214 ausgebildet
ist. In 3 und 4 ist die
Verbindung zwischen den Rotoren 114, 115, 214 und
der Welle als Presspassung gezeigt.
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Der
Rotor 114, 115, 214 ist im Wesentlichen ringförmig. Der
Mittelabschnitt 156 des Rotors 114, 115, 214 ist
eine dünne
Platte, die sich von der Welle 152 zu den Schaufeln 158 radial
nach außen
erstreckt und hochgezogen ist, wobei sie sich allmählich nach
unten krümmt,
wenn sie sich von der Welle 152 nach außen zu den Schaufeln 158 erstreckt.
Der tatsächliche
Durchmesser jedes Rotors 114, 115, 214 kann
kleiner als derjenige eines herkömmlichen Gebläses mit
einem einzigen Rotor sein. Eine schnelle Druckanstiegszeit in einem
Gebläse
erfordert eine geringe Rotationsträgheit, die mit der vierten
Potenz des Durchmessers variiert. Da die Rotoren 114 und 214 der
Gebläse 100 und 200 einen
kleineren Durchmesser haben, haben sie weniger Rotationsträgheit und
können
daher einen schnelleren Druckanstieg vorsehen. Zusätzlich zum
Durchmesser können
andere Konstruktionsparameter der Rotoren 114, 214 abgeändert werden,
um eine geringere Rotationsträgheit
zu erzielen. Andere Techniken zum Verringern der Rotationsträgheit umfassen
das „Ausschneiden" der Deckbänder zur
Erzeugung eines „seesternförmigen" Rotors unter Verwendung
eines inneren Rotormotors und unter Verwendung von Materialien,
wie Flüssigkristallpolymer,
die in dünnere Wandabschnitte
eingeformt werden können,
so dass die Rotorschaufeln ausgehöhlt und durch Rippen verstärkt werden
können.
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Gemäß 4 und 5,
die das gleichsinnige doppeltendige Gebläse zeigen, ist das Oberteil des
ersten Spiralgehäuse 112 offen
und bildet den Lufteinlass 118. Am Lufteinlass 118 krümmt sich
die Oberseite 120 des Gebläses 100 bogenförmig nach innen
und bildet einen Rand 122 über dem Oberteil des Rotors 214.
Die hochgezogene Form des mittleren Rotorabschnitts 156 und
der Rand 122 der Oberseite 120 begrenzen die Eintrittsluft
zum Gebläsevolumen
innerhalb des ersten Spiralgehäuses 212 und helfen,
einen Luftverlust während
des Betriebs zu vermeiden. Ein gekrümmter Flansch 160 ähnlich der gekrümmten Oberseite 120 erstreckt
sich von der unteren Innenfläche
des Gebläses 200 und
bildet das Oberteil des zweiten Spiralgehäuses 213. Eine konturierte
Bodenplatte 162, 262 bildet den Boden des zweiten
Spiralgehäuses 113, 213 jedes
Gebläses 100, 200.
Die Bodenplatte 162 des Gebläses 100 hat in ihrer
Mitte ein Loch, das ein Eindringen des Luftwegs 116 ermöglicht,
während
die Bodenplatte 262 des Geblä ses 200 kein derartiges
Loch hat. Wie oben beschrieben wirkt der gekrümmte Flansch 116 als Lufteinlass
für das
zweite Spiralgehäuse 213 des
Gebläses 200.
Im Gebläse 200 können Statorschaufeln und
zusätzliche,
die Strömung
formende Bauteile zum Hohlraum zwischen dem Motor und dem gekrümmten Flansch 160 hinzugefügt werden,
um ein Verteilen der eintretenden Luft so zu unterstützen, dass
sie in das zweite Spiralgehäuse 213 von
allen Seiten statt vorzugsweise von einer Seite eintritt.
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Wie
aus 2 und 4 ersichtlich ist, können die
Gebläse
gemäß der vorliegenden
Erfindung viele komplizierte und konturierte Flächen haben. Es werden solche
Konturen verwendet wie im Fall der gekrümmten Oberseite 120 und
des gekrümmten Flansches 160,
um den Gasstrom auszurichten und Gasverluste zu verhindern. Das
Erfordernis für
keine Verluste ist besonders wichtig, wenn das durch das Gebläse 100, 200 strömende Gas
eine hohe Konzentration an Sauerstoffgas hat. Wenn hochkonzentrierter
Sauerstoff verwendet wird, kann ein Gasverlust ein Sicherheitsrisiko
darstellen. Abgesehen von irgendwelchen Sicherheitsüberlegungen
kann austretendes Gas ein unerwünschtes
Geräusch
erzeugen und die Gebläseleistung
herabsetzen.
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Die
Anzahl der verwickelten konturierten Flächen in Gebläsen gemäß der vorliegenden
Erfindung machen ein Fertigungsverfahren, wie das Ausschmelzgießen, besonders
geeignet. Obwohl verhältnismäßig teuer
kann das Ausschmelzgießen
ein einziges Teil mit vielen verborgenen und einspringenden Merkmalen
erzeugen, während
andere Fertigungsverfahren erfordern können, dass die Konstruktion
in viele Teile aufgeteilt wird, um eine gleichwertige Funktion zu
erzielen. Jedoch ist eine große Anzahl
von Teilen im Allgemeinen unerwünscht,
um die möglichen
Gasverluste zu minimieren, wobei die Anzahl der Teile am Besten
auf einem Minimum gehalten und die Anzahl der Verbindungen zwischen den
Teilen auch am Besten auf einem Minimum gehalten werden.
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Es
gibt auch eine Anzahl von Materialüberlegungen für Gebläse gemäß der vorliegenden
Erfindung. Beim Ausschmelzgießen
werden normalerweise Metalle verwendet. Einige Metalle sind jedoch
besonders empfindlich gegen Oxidation. Dies ist ein Gesichtspunkt,
weil medizinisches Sauerstoffgas in Gebläsen gemäß der vorliegenden Erfindung
verwendet werden kann. Ein besonders geeignetes Material für die Gebläse 100, 200 ist
Aluminium, während
Stahl bei hohen Sauerstoffkonzentrationen rosten kann, oxidiert
Aluminium schnell, wobei das Oxid auf dem Metall eine undurchlässige Abdichtung
bildet. Welches Metall oder andere Material auch immer verwendet
wird, ist es auch wich tig, dass das Material eine hohe Wärmeleitfähigkeit
hat und Wärme
vom Luftweg abziehen kann, um jede durch Wärme bedingte Zündung von
Sauerstoff zu verhindern.
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Während die
Anwendung von Aluminium viele Vorteile hat, hat es die Neigung,
während
des Gebläsebetriebs
zu klingen oder mitzuschwingen. Daher können in einem Aluminiumgebläse dämpfende Materialien
eingebaut werden, um die Intensität des Schwingens der Aluminiumbauteile
zu verringern.
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Bei
den Gebläsen 100 und 200 wird
der Elektromotor 150 mit veränderlichen Drehzahlen angetrieben,
um die gewünschten
IPAP- und EPAP-Drücke
zu erzielen. Die doppeltendige (das heißt zweistufige) Auslegung der
Gebläse
bedeutet, dass der Bereich der durchfahrenen Motordrehzahlen zur
Erzielung der beiden Drücke
verringert ist. Der enge Bereich der Motordrehzahlen ergibt eine
schnellere Druckansprechzeit als bei einem einstufigen Gebläse mit ähnlichen
Motorleistungs- und Antriebseigenschaften. Zusätzlich übt die engere Geschwindigkeitsänderung
weniger Belastung auf die rotierenden Systembauteile auf, was eine
erhöhte
Zuverlässigkeit
mit weniger Geräusch
ergibt.
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Die
Leistung der Gebläse 100 und 200 ist
ungefähr
gleich der kombinierten Leistung der beiden Rotor/Spiralgehäuse-Kombinationen
minus dem Druck/Strömungsverlauf
des Luftwegs 116, 216 zwischen den beiden Spiralgehäusen 112, 113, 212, 213.
Aus einer Anzahl von Gründen,
die in der Technik allgemein bekannt sind, hängt die aktuelle Leistung der
Gebläse 100, 200 vom
augenblicklichen Strömungsdurchsatz
des einzelnen Gebläses 100, 200 und
auch von einer Anzahl von Faktoren ab. Bei höheren Strömungsdurchsätzen ist der Druckabfall im
Luftweg 116, 216 im Allgemeinen ausgeprägter.
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Doppeltendige
Gebläse
gemäß der vorliegenden
Erfindung können
in einer CPAP-Vorrichtung in
derselben Weise wie ein herkömmliches
Gebläse angeordnet
werden. Zum Verringern von Schwingungen ist das Gebläse normalerweise
auf Federn oder einer anderen stoßdämpfenden Struktur montiert.
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Weitere Ausführungsform
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Eine
weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist in 7 gezeigt.
Diese ist eine auseinandergezogene Schrägansicht eines doppeltendigen
Gebläses 400 nach
der vorliegenden Erfindung. Der Motor- und Statorschaufelteil 402 in
der Mitte der auseinandergezogenen Ansicht ist bei dieser Ausführungsform
ein Ausschmelzguss aus Aluminium, obwohl andere Fertigungsverfahren
möglich
und unten beschrieben sind. Das Aluminium als guter Wärmeleiter
erleichtert das Ableiten von Wärme,
die durch das Beschleunigen und Verzögern des Motors erzeugt wird.
In 7 ist jedes Ende der Welle 404 gezeigt,
während
die Motorwicklungen, Lager und Abdeckungen nicht gezeigt sind. Die
Motoranschlussleitung 406 ragt aus dem Motor- und Statorschaufelteil 402 und
tritt durch eine abgedichtete Öffnung 450 aus
dem Gebläse 400 aus.
Der Motor- und Statorschaufelteil 402 enthält oben
einen Bodenteil des Spiralgehäuses 408.
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Als
Abänderung
der in 7 gezeigten Konstruktion kann der Motor- und Statorschaufelteil 402 getrennt
vom Bodenteil des oberen Spiralgehäuses 408 ausgebildet
sein. Wenn die beiden Komponenten getrennt ausgebildet sind, ist
ein Ausschmelzguss nicht erforderlich. Der Motorkörper kann
beispielsweise als Druckguss ausgeführt sein, während der Bodenteil des oberen
Spiralgehäuses 408 als Spritzguss
ausgeführt
sein kann.
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Am
Motor- und Statorschaufelteil 402 ist durch Schrauben oder
andere Befestigungselemente eine kreisförmige Platte 410 befestigt,
in der für
den Durchtritt der Welle 404 ein Loch 412 vorgesehen
ist. Ein Rotor 414 ruht auf der kreisförmigen Platte. Der Rotor 414 ist
auf seinem Umfang ausgeschnitten, um seine Rotationsträgheit zu
verringern, was ihm ein Seesternaussehen gibt.
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Über dem
Rotor 414 ist eine obere Endkappe 416 befestigt
und bildet den oberen Abschnitt des oberen Spiralgehäuses. Die
oberen und unteren Spiralgehäuse
dieser Ausführungsform
sind Versionen des in 6 gezeigten, in einer Ebene
liegenden Übergangsspiralgehäuses 300.
Eine Öffnung 418 in der
Mitte der oberen Endkappe 416 dient als Lufteinlass für das Gebläse 400.
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Auf
dem unteren Ende des Gebläses 400 bildet
eine profilierte Platte 420 das Oberteil des unteren Spiralgehäuses. Das
Oberteil der profilierten Platte 420 ist erhaben und krümmt sich
nach unten zu einem Loch 422. Wie oben erläutert unterstützt die profilierte
Platte 420 das Formen des Luftstroms und gewährleistet,
dass dieser in den Rotorhohlraum von allen Seiten eintritt statt
vorzugsweise aus einer einzigen Richtung. Unter der profilierten
Platte 420 rotiert ein unterer Rotor 414 angrenzend
an die untere Endkappe 428. Die beiden Endkappen 416, 428 können als
Druckguss (zum Beispiel aus einer A luminium- oder Magnesiumlegierung)
gebildet sein oder können
aus einem geeigneten Metall durch Spritzguss gebildet sein.
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Der
Luftweg 154 zwischen den oberen und unteren Spiralgehäusen ist
ein integraler Teil der linken 424 und rechten 426 Seitengehäuse, an
denen die anderen Komponenten befestigt sind. Das linke Gehäuse 424 bildet
auch den Luftauslass 442 für das Gebläse 400. Die linken 424 und
rechten 426 Seitengehäuse
sind mit Schrauben oder anderen lösbaren Befestigungselementen
aneinander befestigt. Auf der Oberseite der Seitengehäuse 424, 426 befinden sich
quadratische Flansche 430, 432 mit Vorsprüngen 434, 436,
die eine Montage des Gebläses 400 auf
Federn innerhalb einer CPAP-Vorrichtung ermöglichen. In 7 sind
die Vorsprünge 434, 436 mit
unterschiedlichen Größen und
Formen gezeigt, während
in 8 und 9 die Vorsprünge 434 mit gleicher
Form gezeigt sind. Es ist ersichtlich, dass die Vorsprünge 434, 436 entweder
die dargestellten Formen oder irgendeine andere Form annehmen können je
nach den Eigenschaften und der Anordnung der Federn, an denen das
Gebläse 400 montiert
ist.
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Das
doppeltendige Gebläse 400 enthält auch
zwei dämpfende
Hülsen 438, 440.
Die dämpfenden
Hülsen 438, 440 sind
aus Gummi oder Schaumgummikomponenten, die in Spritzguss ausgebildet
sind, um sich an die inneren Konturen der linken 424 bzw.
rechten 426 Seitengehäuse
anzupassen. Bei einer Ausführungsform
bestehen die dämpfenden
Hülsen 438, 440 aus
Polyurethan mit einer Shore-Härte
A von 40 gebildet aus einer Schnellprototyp-Silikonform. Die dämpfenden
Hülsen 438, 440 könnten alternativ
aus Silikon oder einem anderen Elastomer bestehen, das bei den durch
den Motor erzeugten hohen Temperaturen stabil ist.
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Die
dämpfenden
Hülsen 438, 440 dienen
im Gebläse 400 drei
Hauptzwecken: Sie bilden den tatsächlichen Luftweg 454,
sie schaffen eine Fuge zwischen den äußeren Komponenten und sie dämpfen die
Schwingungen der anderen Teile. Das Gummi- oder Schaumgummimaterial
der dämpfenden
Hülsen 438, 440 eignet
sich besonders für
den Luftweg 454, da es einspringende, das heißt hinterschnittene,
Formen ermöglicht.
Die dämpfenden
Eigenschaften der dämpfenden
Hülsen 438, 440 verringern
das "Klingen" der Aluminiumkomponenten,
das sonst auftreten würde. 8 zeigt
eine Schrägansicht
des zusammengebauten Gebläses 400 von
einer Seite. Der zusammengebaute Luftauslass 442 ist in 8 gezeigt
und auch die Fuge 444 zwischen den linken 424 und
rechten 426 Seitengehäusen.
Wein 8 und bei der gedrehten Schrägansicht von 9 ragen Flansche 446, 448 seitlich
aus dem Rand jedes Seitengehäuses 424, 426 und stoßen zusammen
zur Bildung der Fuge 444. Die beiden Seitengehäuse 424, 426 sind
durch Schrauben 452 aneinander befestigt, die durch den
Flansch 446 im rechten Seitengehäuse 426 hindurchtreten
und in Gewindebohrungen im Flansch 448 des linken Seitengehäuses 424 eindringen.
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Das
Gebläse 400 hat
verschiedene Vorteile. Erstens ist das Ausschmelzgießen zur
Herstellung des Gebläses 400 nicht
erforderlich, was die Kosten des Gebläses verringert. Weil die Komponenten
des Gebläses 400 weniger
verborgene und verwickelte Teile haben, können die Gussteile leicht geprüft und gereinigt
werden. Schließlich
ist das Gebläse 400 leichter
zusammenzubauen als die anderen Ausführungsformen, da die Komponenten
unter Verwendung der beiden Seitengehäuse 424, 426 zusammengeklemmt
werden können,
was mit einfachen Befestigungselementen erfolgen kann.
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Wenn
auch die Erfindung hier mit Bezug auf spezielle Ausführungsformen
beschrieben ist, ist ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die
offenbarten Einzelheiten beschränkt
ist. Die Erfindung erstreckt sich auf alle geeigneten äquivalenten
Strukturen, Anwendungen und Mechanismen.