FR2745044A1 - Buse pour regulation fine du debit d'un fluide gazeux - Google Patents

Abstract

La buse (70), dont l'objet est de réguler finement le débit d'un fluide gazeux, est ouverte à ses deux extrémités et possède une extrémité aval destinée à coopérer avec un pointeau. Depuis son extrémité amont vers son extrémité aval, cette buse (70) est divisée en une partie amont (72) sensiblement cylindrique débouchant à son extrémité aval sur une partie de raccordement (74) sensiblement conique, laquelle débouche sur une partie intermédiaire (76) sensiblement cylindrique, laquelle débouche à son tour sur une partie en forme de cavité (80) ouverte vers l'aval, cette cavité (80) étant concave fermée. La complémentarité approximative des formes respectives de la cavité (80) et de la pointe, sensiblement conique, du pointeau coopérant avec celle-ci permet un débit régulier et constant du fluide gazeux. Cette buse (70) peut être avantageusement utilisée pour le réglage du cycle respiratoire d'un appareil respiratoire.

Description

BUSE POUR REGULATION FINE DU DEBIT D'UN FLUIDE GAZEUX
La présente invention est relative à une buse destinée à permettre de régler finement le débit d'un fluide gazeux et de maintenir ce débit constant une fois réglé.

La finesse de cette régulation est particulièrement importante dans les appareils respiratoires, ou respirateurs, pour le réglage des fréquences. Toutefois, même si dans la suite de la description nous nous référerons à un tel type d'appareil, il n'y a pas lieu de limiter le champ d'application de la buse selon l'invention à ce seul secteur, étant entendu que celle-ci peut s'adapter aussi bien aux industries chimiques et de distribution de gaz, entre autres, et à toute autre application où le débit continu ou alternatif d'un fluide gazeux doit être régulé précisément et maintenu constant.

Dans le cadre de la première application citée, un appareil respiratoire a pour objet d'insuffler à une fréquence et à un débit prédéterminés et réglables un gaz, tel que de l'oxygène ou de l'air, dans le système respiratoire d'un patient, la phase d'expiration des gaz viciés étant effectuée par le patient lui-meme pendant les périodes où le gaz frais cesse d'être insufflé.

Dans un tel appareil, la fréquence représente le nombre de cycles respiratoires par minute, c'est-à-dire la succession de période d'insufflation de gaz frais et de ventilation du système respiratoire du patient. A une insufflation artificielle donnée correspond une expiration naturelle d'une durée réglable et proportionnelle à la durée d'insufflation : en agissant sur celle durée, on modifie donc en rapport la fréquence du cycle respiratoire. Pour des raisons de simplification, nous utiliserons par la suite plus simplement le mot cycle pour parler du cycle respiratoire.

On connaît divers procédés pour assurer le réglage de cette fréquence, dont la plupart fonctionnent sur le principe d'une soupape auto-assenrie. Lorsqu'une telle soupape est ouverte, le gaz est envoyé au patient, lequel expire pendant l'intervalle de temps durant laquelle la soupape est fermée.

Structurellement, cette soupape auto-asservie peut comprendre un piston comprimé par un ressort et libre en coulissement dans une première chambre, celleci étant reliée à une seconde chambre communiquant avec le conduit permettant la diffusion de gaz vers le patient. La face opératoire du piston, soit celle qui assure la fermeture ou l'ouverture de la soupape, est soumise à la pression d'entrée du gaz dans le respirateur. II est à noter que le rôle du piston peut tout aussi bien être tenu par une membrane souple.

Les deux chambres ci-dessus désignées sont reliées par un canal dans lequel est introduit un organe d'étranglement, réglable, opérant tel un régulateur de débit. La perte de charge induite par cet organe provoque l'ouverture ou la fermeture de la soupape en fonction des valeurs relatives des pressions dans les deux chambres, sur la face opératoire du piston, et de la force de compression du ressort.

Pour réaliser cette fonction de régulateur de débit, et subséquemment de réglage de la fréquence du cycle, on connait l'utilisation d'une pastille de matériau poreux, tel qu'une mousse de polyuréthanne, dont la compression plus ou moins importante effectuée par l'intermédiaire d'une vis de pression régule le débit de gaz entre les deux chambres.

L'inconvénient de ce procédé est qu'à l'usure la structure du matériau constituant la pastille se modifie, phénomène notamment dû au fait que celleci est alternativement comprimée puis relâchée : il se produit alors dans le temps un tassement inteme, ce qui rend difficile le réglage précis de la fréquence, l'indexation du bouton de commande exteme de la vis de pression correspondant n'étant alors plus valable du fait de la nécessité d'une course plus importante de la vis.

On connaît également un dispositif comprenant un organe d'étranglement percé de part en part selon un orifice cylindrique coopérant avec une aiguille à pointe conique, la pointe de cette aiguille entrant plus ou moins en contact avec les flancs de l'orifice à une des ses extrémités, laissant ainsi passer un filet de gaz plus ou moins important. L'aiguille est elle même reliée à un bouton de commande exteme rotatif.

Avec ce dispositif, il s'avère très difficile d'atteindre un niveau précis de réglage des fréquences, notamment pour des fréquences basses, de l'ordre de 10 cycles/minute, et hautes, de l'ordre de 40 cyclesiminute. Dans ces gammes de fréquence, le débit de gaz par le régulateur de débit ainsi constitué est très irrégulier et aléatoire ; ce phénomène est certainement dû au fait que le contact entre la pointe de l'aiguille et l'orifice cylindrique se fait selon une arête vive, créant ainsi des turbulences dans la dynamique du fluide gazeux.

Le but de la présente invention est de remédier aux problèmes cités en proposant une buse pour le réglage fin du débit d'un fluide gazeux, cette buse devant permettre de régler aisément le débit quelle que soit I'importance de celui-ci, de le maintenir constant une fois le réglage désiré obtenu, et d'éviter que ces caractéristiques ne s'altèrent à l'usure.

Ces buts sont atteints grâce à une buse pour régulation du débit d'un fluide gazeux dont l'extrémité aval est destinée à coopérer avec un pointeau, cette buse, ouverte à ses deux extrémités, étant divisée successivement depuis son extrémité amont vers son extrémité aval en une partie amont sensiblement cylindrique débouchant à son extrémité aval sur une partie de raccordement sensiblement conique, laquelle débouche sur une partie intermédiaire sensiblement cylindrique, laquelle débouche à son tour sur une partie en forme de cavité ouverte vers l'aval, cette cavité étant concave fermée. Utilement, le déplacement du pointeau est commandé par un bouton de réglage annexe.

On entend par aval le côté de la buse sur lequel agit le pointeau, donc indirectement ce bouton de réglage, et par amont le côté opposé de cette même buse.

De préférence, les tolérances des valeurs numériques des diamètres de toutes les parties de la buse sont (0; +4%).

Selon un mode de réalisation préférentiel, pour une valeur du diamètre de référence de la partie amont fixée à l'unité, soit la valeur du diamètre de cette partie amont prise au niveau du raccordement entre celleì et la partie sensiblement conique, les valeurs numériques des diamètres de la cavité sont dans un rapport de 0,64 (0; +4%) en son bord aval et se répartissent longitudinalement en direction de l'amont par pas de valeur numérique 0,1 (O ; +4%) avec les rapports suivants 0,63 (O ; +4%), 0,61 ; +4%), 0,6 (O ; +4%), 0,58 (O ; +4%), 0,55 (O ; +4%), 0,52 (O ; +4%) et 0,5 (O ; +4%), la valeur numérique de ce demier diamètre correspondant à celle du raccordement avec la partie intermédiaire.

Avantageusement, I'écart de concentncité maximum entre les différentes parties de la cavité est de +2%.

De préférence, le pointeau destiné à coopérer avec la buse est constitué d'une extrémité coopérant avec la cavité et d'une partie sensiblement cylindrique, la valeur numérique du diamètre de sa partie sensiblement cylindrique étant dans le rapport 0,8 (0; +4%) par rapport à la valeur numérique du diamètre de référence de la partie amont, son extrémité étant définie par une pointe conique.

Avantageusement, I'inclinaison du cône de son extrémité coopérant avec la cavité est de 11 degrés +4%.

Avantageusement, I'écart de concentncité maximum entre son extrémité et la cavité est de +2%.

Préférentiellement, un régulateur de débit d'un fluide gazeux, celui pouvant être régulé dans ses deux sens de circulation, comprend une buse et un pointeau tels que d-dessus énoncés.

Avantageusement, ce régulateur de débit peut être utilisé pour le réglage des fréquences du cyde d'un appareil respiratoire, ou respirateur.

L'invention sera mieux comprise à l'étude d'un mode de réalisation, en l'occurrence appliqué à un appareil respiratoire, ou respirateur, illustré dans les figures suivantes, ce mode de réalisation et cette application étant pris à titres nullement limitatifs. Dans ces figures,
- la figure 1 est une vue du schéma de principe pneumatique de la soupape auto-asservie pilotant les fréquences du cyde de l'appareil respiratoire dans laquelle vient agir la buse selon l'invention,
- la figure 2 est une vue de face de l'élément dans lequel est ménagée la buse selon l'invention,
- la figure 3 est une vue agrandie du détail A de la figure 2,
- la figure 4 illustre les valeurs numériques des dimensions des diverses parties de la buse de la figure 3, et
- la figure 5 est une vue de face du pointeau coopérant avec la buse selon l'invention.

Tel qu'illustré sur la figure 1, la soupape auto-assenrie permettant d'assurer le pilotage des fréquences du cyde d'un appareil respiratoire comprend une chambre d'entrée du gaz 10, une cuvette 35, séparées par une membrane ou piston 25. Par la suite, nous considérerons cette soupape comme utilisant une membrane 25. Nous entendrons par face opératoire de la membrane 25 la face orientée vers la chambre 10, la face inteme étant celle orientée vers la chambre 35.

Contre la face inteme de la membrane 25 agit un moyen de compression, tel qu'un ressort 32; une vis de pression 34 permet d'augmenter ou de réduire la compression du ressort 32.

Autour de la membrane 25 est ménagée une chambre annulaire 20 reliée d'une part à un conduit d'évacuation du gaz 50 et d'autre part à un canal de liaison 30 entre cette chambre et la cuvette 35.

Sur ce canal de liaison 30 est disposé un organe réglable d'étranglement 40, faisant office de régulateur de débit, la commande de cet organe d'étranglement étant assurée par le bouton de réglage 42.

Tel qu'illustré, le principe de fonctionnement de cette soupape auto asservie est le suivant.

Le gaz à diffuser au système pulmonaire du patient est injecté sous pression en E dans la soupape auto-assenrie, pénètre dans le conduit d'entrée 1, puis sa pression est diminuée après passage dans le détendeur 5. Ce gaz détendu vient remplir la surface S1 de la chambre d'entrée 10. Il régne alors une pression PI dans cette chambre.

Sous l'action de P1, la membrane 25 se comprime et laisse passer le gaz qui vient remplir la chambre annulaire 20 et pénètre alors d'une part dans le conduit d'évacuation 50 en direction du système pulmonaire du patient, et d'autre part dans le canal de liaison 30 en direction de la cuvette 35. Cette arrivée de gaz dans la cuvette vient faire augmenter la pression P2 y régnant, et lorsque les forces imprimées en conjugaison par la pression P2 et le ressort 32 sur la face inteme de la membrane 25 deviennent plus importantes que les forces imprimées par la pression P1 sur la face opératoire de cette même membrane, celleci ferme alors la soupape et empêche au gaz d'être insufflé dans le système pulmonaire du patient. C'est là qu'a lieu la phase d'expiration du patient.

La chambre annulaire 20 n'étant plus alimentée en gaz, la pression devient nulle dans celleci, et il s'établit alors dans le canal de liaison 30 un courant de fluide dans le sens inverse, de la cuvette 35 vers la chambre annulaire 20.

Lorsque raction de la pression P1 sur la face opératoire de la membrane 25 devient à nouveau prépondérante par rapport aux actions conjuguées de la pression P2 et du ressort 32 sur sa face inteme, la membrane se comprime et le gaz remplit à nouveau la chambre annulaire 20 pour un nouveau cycle. La fréquence de l'appareil respiratoire est déterminée par le nombre de cycles par minute.

Cette fréquence est modifiable dans la soupape auto-asservie décrite ci- dessus par le réglage de l'organe d'étranglement 40 situé sur le canal de liaison 30 et agissant tel un régulateur de débit. En effet, cet organe d'étranglement, commandé par un bouton de réglage 42, autorise plus ou moins facilement le passage du gaz, et permet ainsi de réguler la vitesse à laquelle le gaz circule de manière bidirectionnelle entre la chambre annulaire 20 et la cuvette 35, donc de réguler le déplacement de la membrane 25.

La vis de réglage 34 agissant sur le ressort 32 permet de déterminer le rapport UE correspondant aux durées relatives d'insufflation et d'expiration. Plus le ressort est comprimé, plus le rapport 11E est élevé; à l'inverse, ce rapport sera plus faible lorsque ce ressort sera moins comprimé. En règle générale, ce rapport est préréglé à 11E = 1h, soit une seconde d'insufflation pour deux secondes d'expiration par cycle.

L'organe réglable d'étranglement 40 illustré sur la figure 1 comprend un élément 60 tel que décrit sur la figure 2.

Cet élément 60, de préférence réalisé en laiton ou autre matériau tendre aisément usinable, comprend une première extrémité cylindrique filetée 62, raccordée à une section cylindrique 61, et un profil en forme de tête hexagonale 64, lui-même raccordé à la section cylindrique 61 et à l'autre extrémité par des chanfreins d'un angle sensiblement égal à 45 degrés. Cet élément 60 est traversé longitudinalement par un alésage, formant une buse 70, buse dans laquelle circule le gaz alternativement dans les deux sens.

Par la suite, comme nous l'avons déjà mentionné et afin de simplifier, nous entendrons par aval le côté de la buse sur lequel agit indirectement le bouton de réglage 42, soit le côté de la buse le plus proche de la tete hexagonale 64, et par amont le côté opposé de cette même buse, soit le côté de la buse le plus proche de la partie filetée 62.

Cette buse 70 se décompose de son extrémité amont à son extrémité aval selon les parties suivantes : un cylindre 72 de diamètre D1, un cône de raccordement 74, assurant la liaison entre le cylindre 72 et un cylindre intermédiaire 76 de diamètre D2, la buse 70 débouchant à l'extrémité aval selon une cavité 80 ouverte vers l'aval de forme concave fermée, de diamètre amont D2 et de diamètre aval D3.

Plus précisément, et comme illustré sur les figures 3 et 4, pour une valeur du diamètre de référence Dréf du cylindre 72, soit la valeur de D1 prise au niveau du raccordement du cylindre 72 avec le cone 74, égale à l'unité, la valeur numérique du diamètre D2 est dans un rapport 0,5 (0; +4%), et celle du diamètre
D3 est dans un rapport 0,64 (0 ; +4%). La répartition d'amont en aval à partir du diamètre D2 des rapports des valeurs numériques des diamètres de la cavité 80 par rapport à la valeur du diamètre de référence par pas de valeur numérique 0,1(0; +4%) se définit comme suit: 0,52 (0; +4%), 0,55 (0; +4%), 0,58 (0; +4%), 0,6 (0; +4%), 0,61(0; +4%), 0,63 (0; +4%). Les tolérances inscrites ci-dessus entre parenthèses à la suite des valeurs numériques, sont exprimées sur la figure 4 sous la forme:
+4%
o
La forme de cette buse 70, et particulièrement de la cavité 80, résulte d'une série d'expériences successives qui ont permis de manière empirique d'arriver au résultat escompté. II n'a pas été possible d'en tirer une formulation mathématique ; sa description est donc nécessairement fate en relation avec les dimensions précises de ses différentes parties.

L'organe réglable d'étranglement 40 comprend également un pointeau 100, illustré sur la figure 5, et coopérant avec la cavité 80.

Sur la base des valeurs numériques évoquées précédemment, ce pointeau 100, de préférence en matière métallique, se présente sous la forme d'une aiguille constituée d'une partie cylindrique 90 de diamètre D4 dont la valeur numérique est dans le rapport 0,8 (0 ; +4%) par rapport au diamètre de référence
Dréf du cylindre 72, et d'une pointe 95 conique selon un angle B constant et égal à 11 degrés + 4 %.

Tel qu'illustré, en particulier sur la figure 1, L'organe réglable d'étranglement 40 assure sa fonction de limitation de débit par la coopération entre la cavité 80 de la buse 70 et le pointeau 100. Plus précisément, l'extrémité 95 du pointeau vient plus ou moins en contact avec la cavité 80, laissant ainsi passer de manière bi-directionnelle un filet gazeux plus ou moins important. La partie cylindrique 90 du pointeau 100 est reliée au bouton de réglage 42 et le déplacement du pointeau est assuré par un mouvement hélicoïdal induit par la rotation du bouton de réglage.

Dans cet organe réglable d'étranglement 40 ainsi constitué, la complémentarité approximative et non exacte de la cavité 80 et de l'extrémité 95 du pointeau 100 permet d'obtenir une circulation régulière du fluide gazeux quelle que soit la position du pointeau, c'est-à < lire quelle que soit la gamme de fréquences considérée. En outre, le phénomène d'usure lié à l'altération des matériaux constituant cet organe 40 est négligeable, ce qui permet d'assurer pour un même réglage de débit un débit effectif constant dans le temps.

II est évident que cette buse, précédemment décrite au sein d'un appareil respiratoire à des fins d'illustration, peut très bien trouver d'autres champs d'application dans les secteurs où il est nécessaire de pouvoir contrôler de manière précise et fiable le débit d'un fluide gazeux.

De nombreuses améliorations peuvent etre apportées à cette buse dans le cadre des revendications.

Claims (10)

1. REVENDICATIONS

   1. Buse (70) pour régulation du débit d'un fluide gazeux dont l'extrémité aval est destinée à coopérer avec un pointeau, cette buse (70), ouverte à ses deux extrémités, étant divisée successivement depuis son extrémité amont vers son extrémité aval en une partie amont (72) sensiblement cylindrique débouchant à son extrémité aval sur une partie de raccordement (74) sensiblement conique, laquelle débouche sur une partie intermédiaire (76) sensiblement cylindrique, laquelle débouche à son tour sur une partie en forme de cavité (80) ouverte vers raval, caractérisée en ce que la cavité (80) est concave fermée.
2. 2. Buse (70) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les tolérances des valeurs numériques des diamètres de toutes ses parties sont (0; +4%).
3. 3. Buse (70) selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que pour une valeur du diamètre de référence (Dréf) de la partie amont (72) fixée à l'unité, les valeurs numériques des diamètres de la cavité (80) sont dans un rapport de 0,64 (0 ; +4%) en son bord aval et se répartissent longitudinalement en direction de l'amont par pas de valeur numérique 0,1 ; +4%) avec les rapports suivants 0,63 (0 ; +4%), 0,61 ; +4%), 0,6 (0 ; +4%), 0,58 (0 ; +4%), 0,55 (0 ; +4%), 0,52 (0 ; +4%) et 0,5 (O ; +4%), la valeur numérique de ce demier diamètre correspondant à celle du raccordement avec la partie intermédiaire (76).
4. 4. Buse (70) selon la revendication 3, caractérisée en ce que récart de concentccité maximum entre les différents diamètres de la cavité (80) est de +2%.
5. 5. Pointeau (100) destiné à coopérer avec la buse (70) selon l'une des revendications 1 à 4, constitué d'une extrémité (95) coopérant avec la cavité (80) et d'une partie (90) sensiblement cylindrique, caractérisé en ce que la valeur numérique du diamètre (D4) de sa partie (90) est dans le rapport 0,8 (0 ; +4%) par rapport à la valeur numérique du diamètre de référence (Dréf) de la partie amont (72), et en ce que son extrémité (95) est définie par une pointe conique.
6. 6. Pointeau (100) selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'inclinaison du cône de son extrémité (95) coopérant avec la cavité (80) est de Il degrés ~4%.
7. 7. Pointeau (100) selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'entre son extrémité (95) et la cavité (80), l'écart de concentricité est au maximum de ~2%.
8. 8. Régulateur de débit d'un fluide gazeux, caractérisé en ce qu'il comprend une buse (70) selon les revendications 1 à 4 et un pointeau (100) selon les revendications 5 à 7.
9. 9. Régulateur de débit selon la revendication 8, caractérisé en ce que le débit du fluide gazeux est régulé dans les deux sens de circulation du fluide.
10. 10. Utilisation d'un régulateur de débit selon les revendications 8 et 9 pour le réglage des fréquences du cycle d'un respirateur.