FR2811230A1 - Systeme d'assistance respiratoire a compresseur rotatif electrique - Google Patents
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Abstract
Système d'assistance respiratoire équipé d'un compresseur rotatif électrique servant d'unité de transport du gaz.Dans ce compresseur, la roue à aubes (12), en fonctionnement, est montée axialement et radialement au moyen de paliers magnétiques.
Description
! L'invention concerne un système d'assistance respiratoire comprenant un
compresseur rotatif électrique, comme décrit, par exemple,
dans le document US 5,875,783.
Des systèmes d'assistance respiratoire de ce type sont utilisés, en particulier, en médecine et, de préférence dans des appareils d'anesthésie dans lesquels sont employés, en général, des anesthésiques coûteux; en conséquence, il est particulièrement souhaitable de disposer d'un entraînement des gaz expirés et des gaz frais introduits dans le système, suivant un fonctionnement cyclique. L'utilisation de compresseurs rotatifs comme unités de transport de gaz dans les systèmes d'assistance respiratoire est très avantageuse car ce sont les compresseurs rotatifs de dimensions adaptées qui sont particulièrement susceptibles de s'adapter rapidement à la respiration spontanée d'un patient, en modifiant leur
vitesse de rotation.
Les compresseurs rotatifs connus jusqu'à présent, utilisés dans des systèmes d'assistance respiratoire, présentent l'inconvénient qu'ils
possèdent des paliers mécaniques que l'on ne peut pas laver et stériliser.
En outre, il n'est pas possible d'utiliser, au cours de l'indispensable nettoyage, le lubrifiant dont les paliers à roulement ont besoin pour
fonctionner.
Les paliers mécaniques connus jusqu'à présent présentent, en outre, I'inconvénient d'engendrer des émissions sonores, en particulier à
des vitesses de rotation élevées.
De plus, même dans les systèmes d'assistance respiratoire ouverts, sans assistance respiratoire en retour, il est nécessaire de séparer les composants électriques du système d'assistance respiratoire ou de son unité de transport de gaz, du gaz respiratoire car, en général, la concentration en oxygène est plus élevée dans le gaz respiratoire et, par conséquent, il existe un risque d'incendie, s'il n'existe pas de séparation et
que l'isolation est défectueuse.
L'invention a pour but de proposer un système d'assistance respiratoire permettant de disposer de paliers silencieux pour l'unité de transport de gaz utilisée, que l'on puisse nettoyer et stériliser à la fois, et qui garantisse une séparation sûre entre le gaz respiratoire et les
composants électriques.
Ce but est atteint grâce au fait que la roue à aubes du compresseur rotatif, en fonctionnement, est montée axialement et
radialement au moyen de paliers magnétiques.
Un avantage essentiel apporté par la présente invention consiste en ce que le compresseur rotatif qui sert d'unité de transport de gaz est monté suspendu, grâce aux interactions magnétiques, et qu'il est entraîné sans contact, électriquement, ou plus exactement de façon électromagnétique. Du fait que les paliers sont suspendus, leur durée de vie
est pratiquement illimitée.
De plus, la solution proposée par l'invention permet que les composants traversés par le gaz respiratoire soient démontés, nettoyés, stérilisés et remontés, dans le champ magnétique, de sorte que le système d'assistance respiratoire, même en fonctionnement cyclique, est fiable,
silencieux, hygiénique et confortable d'utilisation.
Avantageusement, le compresseur rotatif ne comprend que des
paliers magnétiques actifs équipés de bobines commandées électriquement.
Suivant une possibilité, le compresseur rotatif comprend au moins un palier magnétique actif, équipé de bobines formant paliers et au
moins un palier magnétique passif, équipé d'aimants permanents.
Suivant une autre caractéristique, le compresseur rotatif comprend au moins un palier magnétique actif radial, équipé de bobines formant paliers électriques et au moins un palier magnétique passif radial, équipé seulement de troisièmes aimants permanents, ainsi qu'au moins un palier magnétique axial passif équipé seulement de deuxièmes aimants
permanents.
De préférence, au moyen d'une ou plusieurs unité(s) de commande et d'évaluation on calcule, à partir des vitesses de rotation mesurées du compresseur rotatif et à partir des besoins en courant des différents paliers magnétiques actifs, le balourd du compresseur rotatif, qui est compensé de telle sorte que le compresseur rotatif ne tourne plus autour de son axe géométrique de rotation, mais autour de son axe
principal d'inertie.
Avantageusement, le compresseur rotatif est un compresseur
radial, un compresseur à canal latéral ou un compresseur tourbillonnaire.
De façon avantageuse, le système d'assistance respiratoire se présente sous la forme d'un appareil d'anesthésie équipé d'un dispositif
doseur d'anesthésique.
La forme particulière d'exécution du dispositif d'entraînement, selon l'invention, incorporant le compresseur rotatif monté sur paliers magnétiques, est réalisée au moyen d'un puits à fente et d'un joint fixe monté entre le compresseur rotatif et les composants immobiles des paliers
et du dispositif d'entraînement.
Il faut que ce joint pour la fente du puits puisse être traversé par le courant magnétique, qu'il ne produise que peu de courants parasites, et il est constitué en un matériau (céramique, matière synthétique) qui glisse bien sur la surface du compresseur rotatif afin qu'en cas d'urgence, si le palier magnétique est défectueux, le compresseur rotatif puisse être freiné
sans trop de frottements et de réchauffement.
Le joint s'applique sur un puits à fente peu épais, qui est situé sur la face intérieure du stator, présente une paroi lisse et est, de préférence, de forme cylindrique. Ce puits à fente, que l'on appelle également "joint pour la fente du puits" dans d'autres domaines techniques, est cycliquement traversé par le champ magnétique du système d'entraînement; aucun mouvement relatif n'intervient entre les composants mécaniques. Le joint ne subit aucune usure et sa durée de vie
est donc illimitée.
En principe, il est possible de disposer de différentes combinaisons de paliers magnétiques actifs avec des bobines électriques et des capteurs de position, et de paliers magnétiques passifs avec des aimants permanents. Il convient de noter, ici, qu'il n'est pas possible de maintenir la totalité des six degrés de liberté possibles pour le compresseur rotatif à paliers magnétiques passifs, avec des aimants permanents en suspension. Il faut qu'au moins un degré de liberté soit activement alimenté en courant et que sa position soit réglée, ce qui signifie qu'il existe toujours
au moins un palier magnétique actif à bobines électriques.
La forme d'exécution de palier radial selon laquelle le palier magnétique est activement alimenté en courant et dont la position est réglée, est particulièrement avantageuse, car elle permet que le compresseur rotatif, à des vitesses de rotation élevées, ne tourne pas autour de son axe de rotation géométrique, mais autour de son axe
principal d'inertie; ainsi, aucune vibration due au balourd n'est produite.
Cette compensation du balourd est obtenue en calculant les valeurs de position et de consommation de courant, sur la base desquelles les aimants actifs sont commandés de façon variable dans le temps. Il est ainsi possible d'agir sur la rigidité et l'amortissement du palier magnétique et l'on obtient ce que l'on appelle un fonctionnement soustrait à l'action des forces. Dans ce cas, il peut être nécessaire de modifier de façon adaptative, à l'intérieur d'un champ caractéristique, les paramètres de réglage du circuit de régulation à paliers magnétiques, en
fonction de la vitesse de rotation.
L'amorçage de la partie formant palier magnétique actif intervient avantageusement avant l'entraînement, de sorte que le compresseur rotatif flotte d'abord, en étant immobile, puis tourne à l'état
suspendu.
Lorsque la vitesse de rotation est faible, on règle seulement la position du rotor; lorsque la vitesse de rotation est élevée, on calcule, à partir des besoins en courant des différentes bobines du palier radial, le balourd qui est compensé de telle sorte que le rotor ne tourne plus autour de son axe géométrique de rotation, mais autour de son axe principal d'inertie. Des forces parasites apparaissent dans tous les systèmes rotatifs, du fait de faux-ronds et en raison des tolérances des détecteurs de position et des bobines formant supports. Les paliers magnétiques actifs permettent de faire disparaître de telles forces parasites périodiques. Dans ce cas, il est possible de calculer le balourd, à partir, par exemple, de la consommation en courant mesurée lors d'un fonctionnement o la position a été réglée; ainsi, une composante de phase opposée est introduite, en supplément, dans les courants qui circulent dans les bobines formant paliers. Un rotor ainsi réglé tourne autour de son axe principal d'inertie, en se soustrayant à l'action de forces, toutes les forces qui interviennent sont équilibrées, et
aucune force périodique n'est transmise au boîtier.
Toutes les formes d'exécution n'exigeant pas de contact mécanique entre le stator et le rotor sont adaptées pour servir de dispositif d'entraînement électrique: ainsi conviennent, par exemple, un moteur asynchrone à courant triphasé et rotor présentant un induit à cage d'écureuil ou un moteur à courant continu sans balais, commuté
électroniquement, équipé d'un rotor à aimants permanents.
Dans le cas d'un moteur à courant continu sans balais, commuté électroniquement, le rotor du dispositif d'entraînement est un aimant permanent diamétralement magnétisé; le stator du dispositif d'entraînement est constitué, en particulier, de trois paires de bobines disposées suivant un angle de 120 les unes par rapport aux autres, de telle sorte que le vecteur du champ magnétique des bobines du dispositif d'entraînement puisse être tourné autour de l'axe du rotor. La position de lI'aimant permanent du rotor est détectée soit au moyen de détecteurs à effet Hall, soit, au cours de la rotation, du fait des tensions induites dans les bobines d'entraînement. Les différentes bobines du dispositif d'entraînement sont alors alimentées en courant les unes après les autres, de façon cyclique, de telle sorte que le rotor tourne. Cette alimentation cyclique en courant, en fonction de la position du rotor (commutation), s'effectue sans usure, par l'intermédiaire d'éléments de commutation à semi-conducteurs. Le montage au moyen de paliers magnétiques présente surtout des avantages du point de vue sonore car, dans les appareils actuels d'assistance respiratoire et d'anesthésie, les bruits proviennent principalement des paliers à roulements du dispositif de transport de gaz, et
que ceux-ci disparaissent alors complètement.
En principe, n'importe quel compresseur rotatif peut être utilisé comme dispositif de transport de gaz, en particulier les compresseurs radiaux, mais il est également possible d'employer des compresseurs à
canal latéral ou des compresseurs tourbillonnaires.
La structure simple des composants qui sont traversés par le gaz permet de démonter, nettoyer, stériliser et remonter ceux-ci dans le champ magnétique, ce qui permet de les utiliser dans un système cyclique
d'assistance respiratoire.
Il existe une séparation hermétique entre le gaz respiratoire à concentration en oxygène élevée et les composants électriques, qui
conduisent les tensions et sont traversés par le courant.
L'invention va maintenant être expliquée à l'aide de deux
exemples d'exécution.
La figure 1 est une vue en coupe d'une unité de transport de gaz d'un système d'assistance respiratoire selon l'invention, et la figure 2 est une vue en coupe d'une unité de transport de gaz
d'un deuxième système d'assistance respiratoire selon l'invention.
Dans l'exemple d'exécution selon la figure 1, I'unité de transport du gaz du système d'assistance respiratoire est conformée en compresseur rotatif et, en particulier, en compresseur radial. Le compresseur radial présente un bottier 13 guidant le gaz, comprenant un tuyau d'aspiration 10 et un tuyau soumis à la pression 11, ainsi qu'un corps de base 14 équipé d'éléments fixes formant paliers et d'éléments d'entraînement, un joint pour la fente du puits 15 et une roue à aubes de compresseur 12 équipée d'éléments formant paliers et d'éléments
d'entraînement tournants.
Dans l'exemple d'exécution selon la figure 1, un compresseur radial n'est représenté qu'équipé de paliers magnétiques actifs et d'un entraînement à courant continu dépourvu de balais, commuté électroniquement. Les deux paliers radiaux sont constitués de deux composants de rotor en matériau magnétique doux 21 et 31, de respectivement trois bobines fixes 22, 23, 24 et 32, 33, 34, ainsi que de détecteurs de position qui ne sont pas représentés séparément. Le palier axial est constitué, par exemple, d'un premier aimant permanent 41 rotatif et d'une bobine fixe à noyau en fer 42, ainsi que d'un détecteur de position. Toutes les bobines et les détecteurs de position non représentés sont alimentés et commandés
par une unité d'évaluation et de commande 44 qui leur est commune.
L'élément d'entraînement est constitué d'un aimant permanent de rotor 51 rotatif, diamétralement magnétisé, et de trois paires de bobines d'entraînement fixes 52, 53, 54 qui sont disposées suivant un angle de les unes par rapport aux autres de telle sorte que le vecteur du champ magnétique des bobines d'entraînement puisse être tourné autour de l'axe du rotor. La position de l'aimant permanent de rotor 51 est détectée par des détecteurs à effet Hall ou, au cours de la rotation, par des tensions induites dans les bobines d'entraînement. Les différentes paires de bobines d'entraînement 52, 53, 54 sont alimentées en courant les unes après les autres, de façon cyclique, par un dispositif électronique d'entraînement 55 et, ce, de telle sorte le rotor tourne. L'alimentation cyclique en courant, en fonction de la position du rotor (commutation), s'effectue sans usure, par l'intermédiaire d'éléments de commutation à semi-conducteurs. Tous les éléments de rotor de la roue à aubes 12 sont encapsulés dans une gaine 60 et il est possible de démonter simplement l'ensemble que forme le rotor pour le nettoyer et le stériliser. Le joint pour la fente du puits 15 peut également être démonté et préparé, le corps de base 14, ainsi que les composants traversés par le courant, sont hermétiquement séparés du gaz destiné au patient et du gaz à
concentration élevée en oxygène.
Pour que l'appareil fonctionne, on actionne tout d'abord les paliers magnétiques actifs, de sorte que le rotor et/ou la roue à aubes 12 flotte(nt), sans tourner, puis le dispositif d'entraînement est activé. Lorsque la vitesse de rotation est faible, on règle seulement la position du rotor; lorsque la vitesse de rotation est élevée, on calcule, à partir des besoins en courant des différentes bobines du palier radial, le balourd qui est compensé de telle sorte que le rotor ne tourne plus autour de son axe géométrique de rotation, mais autour de son axe principal d'inertie. Les rotors minces tournent autour de leur plus petit axe principal d'inertie. Etant donné que la rotation autour du plus petit axe principal d'inertie, en cas de dissipation d'énergie par frottement, n'est pas stable, la compensation a un grand rôle à jouer. Lorsque le balourd n'est pas compensé, des vibrations en nutation apparaissent, et celles-ci sont activement amorties par la compensation. Dans ce cas, le dispositif d'entraînement fonctionne
indépendamment du dispositif de support.
La figure 2 représente, à titre d'exemple, un compresseur radial équipé d'une combinaison de paliers magnétiques actifs et passifs. Dans ce cas, un premier palier radial actif équipé d'un premier aimant de palier radial associé est actionné, les bobines de palier 101 associées se trouvent alors dans le dispositif d'entraînement et utilisent l'empilage de tôles central comme reflux magnétique. Cette combinaison est appelée "moteur
sans palier" et permet d'obtenir une forme de réalisation très économique.
Le deuxième palier radial, passif, équipé de troisièmes aimants permanents 311, 312 repose sur le principe de la répulsion et est monté avec un écart important par rapport au premier palier radial actif. L'effet déstabilisant de ce deuxième palier radial, que l'on constate toujours avec 8 les paliers passifs, est compensé par un palier axial passif puissant équipé de deuxièmes aimants permanents 211, 212. L'effet déstabilisant de ce palier axial est compensé, dans le "moteur sans palier", par le premier palier radial actif. Dans ce mode d'exécution donné à titre d'exemple, on5 minimise la quantité de matériau et de dispositifs électroniques utilisés, mais aucune compensation de balourd ne peut être réalisée, car aucun
détecteur de position n'est présent dans le "moteur sans palier". Les mêmes références qu'à la figure 1 désignent les mêmes composants.
Claims (8)
1. Système d'assistance respiratoire équipé d'un compresseur rotatif électrique servant d'unité de transport du gaz, caractérisé en ce que la roue à aubes (12) du compresseur rotatif, en fonctionnement, est montée axialement et radialement au moyen de paliers magnétiques.
2. Système d'assistance respiratoire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compresseur rotatif ne comprend que des paliers magnétiques actifs équipés de bobines (22, 23, 24; 32, 33, 34; 42)
commandées électriquement.
3. Système d'assistance respiratoire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compresseur rotatif comprend au moins un palier magnétique actif, équipé de bobines formant paliers (101) électriques et au moins un palier magnétique passif, équipé d'aimants permanents (211, 212
311, 312).
4. Système d'assistance respiratoire selon la revendication 1 ou 3, caractérisé en ce que le compresseur rotatif comprend au moins un palier magnétique actif radial, équipé de bobines formant paliers (101) électriques et au moins un palier magnétique passif radial, équipé seulement de troisièmes aimants permanents (311, 312), ainsi qu'au moins un palier magnétique axial passif équipé seulement de deuxièmes aimants
permanents (211, 212).
5. Système d'assistance respiratoire selon au moins l'une des
revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'au moyen d'une ou plusieurs
unité(s) de commande et d'évaluation (44, 55) on calcule, à partir des vitesses de rotation mesurées du compresseur rotatif et à partir des besoins en courant des différents paliers magnétiques actifs, le balourd du compresseur rotatif, qui est compensé de telle sorte que le compresseur rotatif ne tourne plus autour de son axe géométrique de rotation, mais
autour de son axe principal d'inertie.
6. Système d'assistance respiratoire selon au moins l'une des
revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le compresseur rotatif est un
compresseur radial, un compresseur à canal latéral ou un compresseur tourbillonnaire.
7. Système d'assistance respiratoire selon au moins l'une des
revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le système d'assistance
respiratoire se présente sous la forme d'un appareil d'anesthésie équipé
d'un dispositif doseur d'anesthésique.
8. Système d'assistance respiratoire selon au moins l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'un joint pour la fente du puits
(15) cylindrique, à parois lisses, est monté entre la roue à aubes (12) et les composants immobiles des paliers magnétiques et du dispositif d'entraînement.
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