FR3057661B1 - Debitmetre a oscillation fluidique a dimensionnement specifique pour un dispositif d’observance d’un traitement d’oxygenotherapie - Google Patents
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Abstract
L'invention concerne un débitmètre à oscillation fluidique comprenant un débitmètre à oscillation fluidique comprenant une chambre de stabilisation (1) comprenant un élément stabilisateur de flux (11), un premier orifice d'entrée (12) et un premier orifice de sortie (13), le premier orifice d'entrée (12) et le premier orifice de sortie (13) étant agencés sur le plan de symétrie (P), ledit élément stabilisateur de flux (11) comprenant une face avant (la) située en regard du premier orifice d'entrée (12), une chambre d'oscillation (2) comprenant un élément à reflux (21) comprenant une cavité (21a) ayant une section semi-circulaire de diamètre (D), configurée pour créer au moins un tourbillon gazeux oscillant dans la chambre d'oscillation (2), ladite chambre d'oscillation (2) comprenant un second orifice d'entrée (23) et un second orifice de sortie (26) agencés sur le plan de symétrie (P), un conduit de liaison (3) reliant fluidiquement le premier orifice de sortie (13) de la chambre de stabilisation (1) au second orifice d'entrée (23) de la chambre d'oscillation (2), et un plan de symétrie (P) séparant le conduit de liaison (3), la chambre de stabilisation (1), l'élément stabilisateur de flux (11), la chambre d'oscillation fluidique (2) et l'élément à reflux (21) en deux parties égales et symétriques par rapport audit plan de symétrie (P). Dispositif de suivi ou d'observance d'un traitement d'oxygénothérapie comprenant un tel débitmètre à oscillation fluidique et installation d'oxygénothérapie comprenant une source de gaz respiratoire, une interface de distribution de gaz et un tel dispositif de suivi ou d'observance.
Description
La présente invention concerne un débîtmètre à oscillation fluidique à dimensionnement précis et spécifique utilisable en oxygénothérapie, et un dispositif de suivi ou d’observance d’un traitement d’oxygénothérapie équipé d’un tel débîtmètre à oscillation fluidique, et installation d’oxygénothérapie associée.
Dans le cadre d’un traitement par oxygénothérapie d’un patient à domicile, on utilise habituellement un dispositif de suivi ou d’observance, venant s’insérer entre la source de gaz, typiquement une source d’oxygène, et le patient, de manière à permettre de suivre les consommations d’oxygène par le patient et s’assurer ainsi que celui-ci observe bien son traitement. Un tel dispositif peut être équipé d’un module de communication permettant de transmettre les données à distance, par exemple à un serveur distant.
Ainsi, WO-A-2009/136101 décrit un dispositif de suivi de l’oxygénothérapie chez un patient soigné à son domicile par administration d’oxygène comprenant un boîtier traversé par un conduit, un ou plusieurs capteurs de pression, un microprocesseur, une mémoire, une batterie d’alimentation en courant électrique et une antenne radiofréquence. EP-A-2670463 propose un dispositif analogue incluant en outre un accéléromètre permettant de suivre les besoins variables en oxygène du patient en fonction de son activité physique, en particulier activité normale ou soutenue, faible activité ou repos, ou sommeil par exemple.
Par ailleurs, EP-A-2506766 enseigne un dispositif permettant de suivre la respiration d’un patient comprenant un capteur de pression différentiel agencé sur un conduit de gaz comprenant en outre une configuration interne de type venturi. Ce dispositif est principalement dédié à la détection des apnées ou hypopnées chez un patient traité sous pression positive continue.
En outre, EP-A-2017586 propose un dispositif permettant de suivre la respiration du patient en ventilation normale ou sous pression positive continue. Il comprend un conduit de gaz équipé d’un élément réducteur de diamètre engendrant une perte de charge et un capteur de pression différentielle permettant de déterminer la pression et le débit du gaz.
Or, ces dispositifs connus ne sont pas idéaux car ils sont, selon le cas, encombrants, fortement consommateurs d’énergie, sensibles à la dérive des capteurs, imprécis pour estimer le volume de gaz fourni au patient, notamment pour les débits faibles, ou encore sensibles aux variations de pression de la source...
En particulier, la plage de débits permise par les appareils existants est typiquement limitée à des valeurs comprises entre 0,5 et 5 L/min, et engendre par ailleurs une perte de charge élevée allant de 0,5 cm H2O pour un débit de 0,5 L/min à 27,5 cm H2O pour un débit de 5 L/min.
Or, une plage de débits aussi réduite est incompatible avec un traitement par oxygénothérapie chez nombre de patients. En effet, en oxygénothérapie, les patients sont susceptibles de devoir suivre une prescription d’oxygène supérieure à 5 L/min, typiquement allant jusqu’à 10 L/min.
Par ailleurs, si le patient utilise une source d’oxygène comprenant une “valve à la demande", c'est-à-dire une valve délivrant de l’oxygène uniquement lorsqu’une inspiration est détectée, alors seuls des appareils intégrés dans la canule ou dans la tubulure du patient créant une perte de charge minime sont utilisables, ce qui exclut la plupart des appareils existants.
Au vu de cela, le problème qui se pose est de proposer un dispositif de détermination du débit de gaz, c'est-à-dire un débîtmètre, permettant d’assurer une détermination du débit du gaz administré à un patient sur une plage de débits large incluant des valeurs supérieures à 5 L/min, typiquement allant jusqu’à environ 10 L/min et ce, sans engendrer une perte de charge importante, et qui, de préférence, engendre une faible consommation électrique, un encombrement réduit, c'est-à-dire qui soit miniaturisé, et peu coûteux, lequel débîtmètre est bien adapté à une utilisation en oxygénothérapie de patients.
La solution de l’invention est alors un débîtmètre à oscillation fluidique utilisable en oxygénothérapie, en particulier destiné à équiper un dispositif d’observance de patient, comprenant : - une chambre de stabilisation comprenant un élément stabilisateur de flux, un premier orifice d’entrée et un premier orifice de sortie, le premier orifice d’entrée et le premier orifice de sortie étant agencés sur le plan de symétrie P, ledit élément stabilisateur de flux comprenant une face avant située en regard du premier orifice d’entrée, - une chambre d’oscillation comprenant un élément à reflux comprenant une cavité ou logement ayant une section semi-circulaire de diamètre, configurée pour créer au moins un tourbillon gazeux oscillant (ou «vortex») dans la chambre d’oscillation, ladite chambre d’oscillation comprenant un second orifice d’entrée et un second orifice de sortie agencés sur le plan de symétrie P, - un conduit de liaison reliant fluidiquement le premier orifice de sortie de la chambre de stabilisation au second orifice d’entrée de la chambre d’oscillation, et - un plan de symétrie P séparant le conduit de liaison, la chambre de stabilisation, l’élément stabilisateur de flux, la chambre d’oscillation fluidique et l’élément à reflux en deux parties égales et symétriques par rapport audit plan de symétrie P, caractérisé en ce que : - le conduit de liaison est de section rectangulaire et a une largeur de conduit l0, une hauteur de conduit ho, et une longueur de conduit Lo telles que : lo> 0,3 mm, ho > 3.lo et Lo > 2.1o, - la longueur totale L entre le premier orifice d’entrée de la chambre de stabilisation et le second orifice de sortie de la chambre d’oscillation est comprise entre 5 et 40 mm, - le diamètre D de la cavité évidée à section semi-circulaire de l’élément à reflux est tel que : 2.10 < D < 8.10, et - la distance A séparant le second orifice d’entrée de la chambre d’oscillation, du fond de la cavité de section semi-circulaire de l’élément à reflux est telle que : 0,8 D < A < 2 D, - la distance B séparant le bord du second orifice d’entrée de la chambre d’oscillation, de la face avant de l’élément à reflux est telle que : 0,4 D < B < 1,5 D, et - la distance C séparant la face avant de l’élément à reflux, de la paroi interne de la chambre à reflux faisant face à ladite face avant est telle que : 0,4 D < C < 1,5 D.
En effet, dans le cadre de la présente invention, plusieurs configurations du débitmètre à oscillation fluidique ont été testées et il a été constaté qu’il est primordial de respecter des dimensions précises pour avoir une plage de mesure de débit plus étendue, c'est-à-dire jusqu’à environ 10 L/min, sans augmenter la perte de charge du débitmètre.
Selon le cas, l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes : -le conduit de liaison a une largeur l0 telle que: 0,3 mm < l0 < 1,4 mm, de préférence 0,4 mm < l0 <1,2 mm. - le conduit de liaison a une hauteur h0 telle que : h0 > 4.10j de préférence h0 > 5.10. - le conduit de liaison a une largeur l0 et de hauteur h0 telles que : h0 > 4.10 , c'est-à-dire que la hauteur h0 est supérieure ou égale à 4 fois la largeur l0 du conduit de liaison, de préférence h0> 5.10. - le conduit de liaison a une longueur Lo telle que : 2.10 < Lo < 15.10 - la longueur totale L entre le premier orifice d’entrée de la chambre de stabilisation et le second orifice de sortie de la chambre d’oscillation est comprise entre 5 et 40 mm, de préférence entre 7 et 30 mm, de préférence encore entre 10 et 25 mm. - la face avant de l’élément stabilisateur de flux comprend une première largeur faisant face au premier orifice d’entrée de la chambre de stabilisation, telle que : D < fi < 10.D, de préférence telle que : h = 4.D. - la face avant située en regard du premier orifice d’entrée est perpendiculaire au plan P, donc à l’axe du conduit de liaison. - la distance I séparant la paroi périphérique de l’élément à reflux de la paroi latérale interne de la chambre d’oscillation fluidique est telle que : 0,2 D < I < 1,5 D.
- la largeur F de la face avant de l’élément à reflux bordant la cavité de section hémicirculaire est telle que : 0,2 D < F < 1,5 D - la chambre d’oscillation est délimitée par deux parois parallèles, l’une desdites deux parois parallèles comprend deux orifices de mesure agencés symétriquement par rapport au plan de symétrie P et séparés l’un de l’autre d’une distance d comprise entre 0,5 et 15 mm, de préférence comprise entre 0,5 et 10 mm, de préférence encore entre 1 et 6 mm. - l’élément stabilisateur de flux a une section de forme générale triangulaire ou quasi triangulaire. - l’élément à reflux comprend une partie de section semi-circulaire, i.e. une section hémicirculaire, agencée face au conduit de liaison, formant un demi-cylindre s’étend entre le sol et le plafond de la chambre d’oscillation. - il comprend en outre un ou plusieurs microphones raccordés auxdits deux orifices de mesure de manière à permettre de mesurer indirectement la pression dans la chambre d’oscillation. En effet, le (les) microphone délivre une tension électrique proportionnelle à la pression subie. - alternativement, il comprend en outre un ou plusieurs capteurs de pression raccordés auxdits deux orifices de mesure de manière à permettre de mesurer la pression dans la chambre d’oscillation. - alternativement, il comprend en outre un capteur de différence de pression raccordé auxdits deux orifices de mesure de manière à permettre de mesurer la différence de pression entre les points de mesure dans la chambre d’oscillation. - les deux orifices de mesure sont fermés par une membrane fiuidiquement étanche. - il comprend en outre un boîtier au sein duquel sont agencés le conduit de liaison, la chambre de stabilisation, l’élément stabilisateur de flux, la chambre d’oscillation fluidique, l’élément à reflux et le ou les capteurs de pression ou microphones ou le capteur de différence de pression. - l’élément stabilisateur de flux est espacé de la paroi périphérique de la chambre de stabilisation de sorte de créer des passages pour le gaz autour de l’élément stabilisateur de flux. Le flux de gaz traverse alors la chambre de stabilisation en contournant l’élément stabilisateur de flux, c'est-à-dire en passant de part et d’autre de l’élément stabilisateur de flux. - le gaz est de l’air, de l’oxygène ou un mélange air/oxygène. - la chambre d’oscillation comprend une paroi périphérique reliant les deux parois parallèles, c'est-à-dire les deux parois agencées en vis-à-vis ou face à face dont l’une porte les deux orifices de mesure. En fait, le gaz traversant le débîtmètre est séparé des capteurs par une membrane suffisamment fine qui transmet les variations de pression mais empêche le contact direct du gaz avec les capteurs. - les deux parois parallèles délimitant la chambre d’oscillation forment le plafond et le sol de la chambre d’oscillation, c'est-à-dire que les deux orifices de mesure sont agencés dans le sol ou le plafond. - l’élément stabilisateur de flux est configuré pour permettre de rendre le profil de vitesse du gaz en sortie de cet élément en deux dimensions (2D), donc invariable dans la direction perpendiculaire au plan du débîtmètre, et de plus symétrique par rapport au plan de symétrie du débîtmètre. En effet, le profil de vitesse du gaz arrivant en entrée de cet élément est souvent en 3 dimensions (3D) et dissymétrique. Le fait de changer brutalement la direction de l’écoulement en entrée de cet élément dans une section rectangulaire en plus qui se rétrécit au fur et à mesure qu’on s’approche du conduit de liaison, qui est lui-même de section rectangulaire, permet de transformer l’écoulement 3D en écoulement 2D. D’autre part, la géométrie symétrique par rapport au plan de symétrie de cet élément permet de symétriser aussi le profil de vitesse. - le conduit de liaison convoie le gaz de la chambre de stabilisation à la chambre d’oscillation en accélérant la vitesse du gaz car la section rectangulaire de passage du gaz est inférieure à celle du passage agencé dans l’élément stabilisateur. En effet, il faut une vitesse de gaz supérieure à une valeur minimale en entrée de la chambre d’oscillateur pour déclencher les oscillations car, en l’absence de vitesse minimale, mesurer le débit de gaz n’est pas possible. - les deux orifices de mesure sont fermés, c'est-à-dire recouverts, par une membrane fluidiquement étanche. Cette membrane transmet les variations de pression du côté de la chambre d’oscillation vers l’endroit où se trouvent les capteurs, c'est-à-dire microphones ou capteurs de pression ou de différence de pression. - l’élément à reflux comprend une partie de section semi-cylindrique agencée face au conduit de liaison. - le gaz pénètre dans la chambre de stabilisation par le premier orifice d’entrée et ressort de la chambre de stabilisation par le premier orifice de sortie. - le gaz entre dans la chambre d’oscillation par le second orifice d’entrée et ressort de la chambre d’oscillation par le second orifice de sortie. - le conduit de liaison relie fluidiquement le premier orifice de sortie de la chambre de stabilisation au second orifice d’entrée de la chambre d’oscillation. - il comprend en outre un ou plusieurs microphones raccordés auxdits deux orifices de mesure de manière à permettre de mesurer la pression dans la chambre d’oscillation, de préférence des microphones. - chaque orifice de mesure est relié à un microphone. - un canal d’entrée est relié fluidiquement au premier orifice d’entrée de la chambre de stabilisation. Le canal d’entrée alimente la chambre de stabilisation en gaz. - un conduit d’évacuation de gaz est en communication fluidique avec le second orifice de sortie de gaz de la chambre d’oscillation de manière à récupérer le gaz sortant de la chambre d’oscillation. L’invention concerne un dispositif de suivi ou d’observance d’un traitement d’oxygénothérapie comprenant un débitmètre à oscillation fluidique selon l'invention.
Par ailleurs, l’invention concerne aussi une installation d’oxygénothérapie comprenant : - une source de gaz respiratoire, par exemple un appareil de distribution de gaz ou une bouteille de gaz, - une interface de distribution de gaz permettant de distribuer le gaz respiratoire à un patient, tel que des canules nasales ou un masque respiratoire, et - un dispositif de suivi ou d’observance à débîtmètre à oscillation fluidique selon l’invention. L’invention va maintenant être mieux comprise grâce à la description détaillée suivante, faite à titre illustratif mais non limitatif, en référence aux Figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 est un schéma du principe de fonctionnement d’un débîtmètre à oscillation fluidique selon l’invention, - la Figure 2 est une représentation tridimensionnelle d’un débîtmètre à oscillation fluidique selon l’invention analogue à celui de la Figure 1, - la Figure 3 est un schéma de principe d’un mode de réalisation d’un dispositif de suivi ou d’observance d’un traitement d’oxygénothérapie comprenant un débîtmètre à oscillation fluidique selon l’invention, - la Figure 4 représente une installation d’oxygénothérapie incluant un dispositif de suivi ou d’observance selon la Figure 3 un débîtmètre à oscillation fluidique selon l’invention, - la Figure 5 schématise le conduit de liaison de section rectangulaire d’un débîtmètre à oscillation fluidique selon l’invention, et - la Figure 6 est une vue en coupe d’un mode de réalisation d’un débîtmètre à oscillation fluidique selon l’invention, faisant apparaître des dimensions importantes à respecter pour obtenir un débîtmètre efficace sur une large plage de débit, typiquement jusqu’à environ 10 L/min.
La Figure 1 est un schéma du principe de fonctionnement d’un débîtmètre à oscillation fluidique (vue de dessus) selon l’invention. Il comprend une chambre de stabilisation 1 dans laquelle est agencé un élément stabilisateur de flux 11, ayant ici une section générale sensiblement triangulaire ou quasi-triangulaire, et une face avant la, et une chambre d’oscillation 2 comprenant un élément à reflux 21 ayant ici une forme de demi-cylindre (i.e. une section hémicirculaire), lequel est configuré en arc de cercle 22 pour créer un tourbillon ou vortex gazeux oscillant. Le tourbillon oscille en fait entre deux zones Zl, Z2 situées schématiquement au niveau des extrémités du demi-cylindre de l’élément à reflux 21. L’élément à reflux 21 est pris en sandwich entre deux parois parallèles 28, 29 délimitant la chambre d’oscillation 2 en haut et en bas respectivement (Figure 2), c'est-à-dire formant le plafond et le sol de la chambre d’oscillation 2.
Un conduit de liaison 3 relie fluidiquement la chambre de stabilisation 1 à la chambre d’oscillation 2 de sorte que le gaz qui entre dans la chambre de stabilisation 1, la traverse et alimente ensuite la chambre d’oscillation 2. Le conduit de liaison 3 y débouche en vis-à-vis, c'est-à-dire en face ou en regard, de l’élément à reflux 21 comprenant une cavité évidée 21a de section semi-circulaire, i.e. préférentiellement hémicirculaire, ce qui engendre une oscillation du flux et une formation de tourbillons dans les deux zones ZI et Z2 suscitées. Par exemple, l’élément à reflux 21 peut avoir une forme générale semi-cylindrique comme sur la Figure 1, ou une forme générale substantiellement ou quasi- semi-cylindrique comme sur la Figure 6 où l’élément à reflux 21 comporte une périphérie externe de forme polygonale.
Comme on le voit, il existe en fait un plan de symétrie P séparant l’ensemble du système, en particulier le conduit de liaison 3, la chambre de stabilisation 1, l’élément stabilisateur de flux 11, la chambre d’oscillation fluidique 2 et l’élément à reflux 21, en deux parties égales et symétriques par rapport à ce plan de symétrie P.
La face avant la de l’élément stabilisateur de flux 11 compris dans la chambre de stabilisation 1 est perpendiculaire au plan de symétrie P, donc perpendiculaire à l’axe du conduit de liaison 3.
Une telle configuration est connue et décrite dans la publication : Yves Le Guer ; Jet confiné, dispersions fluide-particule s et mélange chaotique ; Engineering Sciences ; Université de Pau et des Pays de i ’Adour; 2005, et dans le document WO-A-93/22627.
Toutefois, une telle architecture n’est pas suffisante. Ainsi, si les orifices de mesures 24, 25 de pression (cf. Fig. 1 et 2) sont mal positionnées, un tel débitmètre ne sera pas assez performant.
De même, si certains dimensionnements du conduit de liaison 3 et/ou de la chambre d’oscillation 2 ne sont pas choisis avec soin, là encore, le débitmètre ne sera pas assez performant, en particulier il ne permettra pas de mesurer de manière fiable, les débits supérieurs à 5 L/min et engendrera des pertes de charge élevées. Dès lors, pour assurer une mesure efficace de la variation de la pression du gaz, en fonction du temps, au sein de la chambre à reflux 2 dans laquelle oscille le flux gazeux en formant des tourbillons gazeux dans les zones Zl, Z2, il convient de positionner les sites de mesure, c'est-à-dire les orifices de mesure 24, 25, reliés à des microphones ou à des capteurs de pression, de préférence des microphones (non représentés), dans le plafond (ou dans le sol) de la chambre à reflux 2, c'est-à-dire approximativement au-dessus des zones Zl, Z2 où se forment les tourbillons, et surtout symétriquement par rapport au plan de symétrie P du débitmètre en respectant impérativement entre eux, une distance d (mesurée entre les axes ou centres des orifices de mesures comprise entre environ 0,5 et 15 mm (cf. Figure 1), de préférence entre environ 0,5 et 10 mm, par exemple de l’ordre d’environ 1 à 6 mm. Les deux orifices de mesure 24, 25 reliés de préférence à des microphones se situent de façon préférentielle sur un axe perpendiculaire au plan de symétrie P, et de façon préférentielle dans la zone Z3 représentée en pointillés sur la Figure 1. Le positionnement des deux orifices de mesure 24, 25, l’un par rapport à l’autre, ainsi que par rapport à d’autres éléments de la géométrie du système de débitmètre joue un rôle important dans la perception de la fréquence d’oscillation de la pression du tourbillon et par conséquent influence la précision de calcul du débit à partir des valeurs de pression mesurées par les capteurs reliés aux deux orifices de mesure 24, 25.
Mais surtout, il convient de respecter des dimensionnements particuliers de certains éléments particuliers du débitmètre entre eux afin de pouvoir assurer une détermination du débit du gaz administré au patient sur une plage de débits large, typiquement allant jusqu’à environ f0 L/min, sans engendrer une perte de charge importante.
Tout d’abord, les dimensions du canal de liaison 3 qui est de section rectangulaire, à savoir sa largeur lo, sa hauteur ho, et sa longueur Lo qui sont illustrées en Figure 5, doivent être choisies telles que : lo> 0,3 mm ; ho > 3 lo ; et Lo > 2 lo.
Par ailleurs, selon la présente invention, on veille à ce que la longueur totale L entre le premier orifice d’entrée f 2 de la chambre de stabilisation f et le second orifice de sortie 26 de la chambre d’oscillation 2 soit comprise entre environ 5 et 40 mm, de préférence entre 7 et 30 mm, de préférence encore entre f0 et 25 mm, comme illustré en Figure 6.
En outre, le diamètre D (cf. Figure 6) de la section semi-circulaire formant la cavité ou logement 2fa de l’élément à reflux 2f situé dans la chambre d’oscillation fluidique 2, lequel est impacté par le jet de gaz en provenance du canal de liaison 3 est tel que : 2 lo < D < 8 lo (lo étant la largeur du canal de liaison 3).
Enfin, en se basant sur les Figures 1 et 6, il a été mis en évidence que d’autres dimensions, à savoir les distances A, B, C, voire aussi les distances F et/ou I, du débîtmètre doivent être respectées, par rapport au diamètre D de la cavité 21a de section hémicirculaire (i.e. en demi-cercle), par exemple un élément de forme semi-cylindrique 22 (Fig. 1) ou quasi semi-cylindrique (Fig. 6), pour obtenir un débîtmètre efficace, à savoir : - 0,8 D < A < 2 D où A est la distance séparant le second orifice d’entrée 23 de la chambre d’oscillation 2, du fond de la cavité 21a de section semi-circulaire de l’élément à reflux 21, - 0,4 D < B < 1,5 D où B est la distance séparant le bord du second orifice d’entrée 23 de la chambre d’oscillation 2, de la face avant 21a de l’élément à reflux 21, - 0,4 D < C <1,5 D ou C est la distance séparant la face avant 21a de 1 element a reflux 21, de la paroi interne de la chambre à reflux 2 faisant face à ladite face avant 21a, - 0,2 D < F < 1,5 D où F est la largeur de la face avant 21a de l’élément à reflux 21 bordant la cavité 21a de section hémicirculaire ; celle-ci peut être mesurée entre le rebord de la cavité 21a de section hémicirculaire et la partie de paroi périphérique externe 21c de l’élément à reflux 21, - 0,2 D <I<l,5DoùI est la distance séparant la paroi périphérique de l’élément à reflux 21 de la paroi latérale interne de la chambre d’oscillation fluidique 2.
Les distances A, B, C, D sont en effet particulièrement importantes car le débîtmètre ne fonctionnera pas correctement, en particulier sur la plage de débits de 0,5 à 10 L/min désirée, si l’une (ou plusieurs) d’entre elles n’est (ne sont) pas fixée(s) en respectant les conditions précédentes.
Ceci a été mis en évidence en opérant des essais comparatifs avec une configuration de débîtmètre respectant ces dimensionnements (Cas 1) et une configuration de débîtmètre ne respectant pas ces dimensionnements (Cas 2), tel que donné dans le Tableau suivant qui consigne les dimensions des deux configurations de débîtmètre testées.
Tableau
Distance Dimensions Dimensions
Cas 1 (mm) Cas 2 (mm) "K 4 4 "Ü C8 C8 2/5 2/5
Il 1/ 0/ “C fi6 C6 Ί) 2/ 2/ T f/2 C2 1 Ü C2
Comme on le constate, le Cas 1 se différentie du Cas 2 uniquement par la valeur de la distance B (voir Fig. 6). Les résultats obtenus montrent que le débitmètre dimensionné selon l’invention (Cas 1) fonctionne correctement puisque des oscillations de flux ont été détectées, alors que l’autre (Cas 2) ne fonctionne pas puisqu’aucune oscillation de flux n’a été détectée.
Ainsi, dans la configuration du Cas 1, le débitmètre oscille avec une fréquence égale à 125 Hz pour un débit de 0,5 L/min et jusqu’à 2360 Hz pour un débit de 10 L/min, alors que dans la configuration du Cas 2, le débitmètre n’oscille pas dans toute cette gamme de débit, c'est-à-dire entre 0,5 et 10 L/min. Comme déjà mentionné, alors que toutes les autres dimensions sont identiques, la valeur de la distance B (0,8 mm) dans le Cas 2 ne respecte pas la condition B > 0,4.D (=0,96 mm), ce qui empêche l’obtention d’oscillation dans le Cas 2, contrairement au Cas 1.
Si choisir soigneusement les distances A, B, C et D, voire aussi F et I, est primordial dans le cadre de la présente invention, plusieurs autres distances (E, G, H...) peuvent également influencer le fonctionnement correct du débitmètre de l’invention sur la plage souhaitée de 0,5 à 10 L/min et ce, selon la forme de l’élément à reflux 21 et de la chambre d’oscillation fluidique 2, à savoir les distances E, G, H, J, K, M à R suivantes, telles que représentées sur la Figure 6 :
-0,4D<E< 1,5 D -0,8D<G<3 D ; -0,8D<H<3 D ; - 0,2 D < J < 1,5 D (pour un angle entre J et l’horizontale compris entre 30° et 60°) ; - 0,5 D < K < 2 D (pour un angle entre K et l’horizontale compris entre 30° et 60°) ; -0,5D<M<2D ; - 0,2 D < N < 2 D ; - D < O < 5 D (pour un angle entre O et l’horizontale compris entre 30° et 60°) ; -0,6D<P<3 D ; -0,5D<Q<4D; - et/ou 0,2 D < R < 1,5 D.
Par ailleurs, il est aussi préférable de fixer des distances précises pour ce qui est de l’élément stabilisateur 1 de flux, par exemple les distances suivantes représentées sur la Figure 6 : - 0,2 D < S < 1,5 D où S est la distance séparant la face avant la de l’élément stabilisateur 1 de flux de la paroi lui faisant face portant le premier orifice d’entrée 12, - D < fl < 5 D où fl est la largeur la face avant la de l’élément stabilisateur 1 de flux - 0,5 D < U < 4 D où U est la longueur de l’élément stabilisateur 1 de flux dans le sens de circulation du flux gazeux, - 0,2 D < V < D où V est l’espacement entre la paroi périphérique de l’élément stabilisateur 1 de flux et la paroi interne de la chambre 1 de stabilisation, - 0,3 D < W < 2 D où W est la largeur du canal d’admission de gaz situé en amont du premier orifice d’entrée de gaz 12, et - 0,1 D < Y < 0,8 D où Y est l’épaisseur de l’élément stabilisateur 1 de flux mesurée aux extrémités latérales de la face avant la.
Dans tous les cas, il est important de dimensionner de façon particulière non seulement le conduit de liaison 3 qui amène le flux de gaz dans la chambre de reflux 2 où se trouvent les deux orifices de mesure 24, 25 afin de garantir des mesures efficaces dans toute la plage de débit désirée, i.e. typiquement jusqu’à 10 L/min, mais aussi les distances A, B, C et D, voire aussi F et I, ainsi que préférentiellement les autres distances susmentionnées.
Les deux orifices de mesure 24, 25 sont préférentiellement fermés par une membrane fiuidiquement étanche de manière à assurer le bon fonctionnement des microphones. En fait, la pression dans la chambre d’oscillation 2 se transmet aux microphones, via les deux orifices 24, 25, et au travers des membranes qui recouvrent ces deux orifices 24, 25. De préférence, la membrane a une épaisseur très fine au niveau des capteurs 24 et 25, typiquement de l’ordre de 50 à 500 pm environ ; ailleurs, son épaisseur peut être comprise entre 1 et 2 mm, voire plus.
En fait, en fonctionnement, le flux de gaz circule dans le sens des flèches (=>) représentées en Figure 1.
Le flux de gaz, par exemple de l’oxygène ou de l’air enrichi en oxygène, arrive par un canal d’entrée 4 est relié fluidiquement au premier orifice d’entrée 12 de la chambre de stabilisation 1 et pénètre dans ladite chambre de stabilisation 1, via ce premier orifice d’entrée 12. Au sein de la chambre de stabilisation 1, le flux est soumis à une stabilisation par l’élément stabilisateur de flux 11, qui est de section se rapprochant de celle triangulaire avec sa base, c'est-à-dire sa face avant la, orientée en vis-à-vis du débouché du canal d’entrée 4, donc en face du premier orifice d’entrée 12. En fait, la section de l’élément stabilisateur de flux 11 est légèrement concave en se rapprochant de plus en plus de l’entrée 13 du conduit 3.
Le flux gazeux contourne donc l’élément stabilisateur de flux 11 en passant dans des passages 15 aménagés de part et d’autre de celui-ci. Les passages 15 sont en fait délimités par la surface externe de l’élément stabilisateur de flux 11 et par la paroi périphérique interne 14 de la chambre de stabilisation 1. En d’autres termes, l’élément stabilisateur de flux 11 est espacé d’un espacement Ei de la paroi périphérique 14 de la chambre de stabilisation 1 de manière à créer des passages 15 pour le gaz autour dudit élément stabilisateur de flux 11.
Le flux gazeux ressort ensuite de la chambre de stabilisation 1 par le premier orifice de sortie 13 et est acheminé par le conduit de liaison 3 qui relie fluidiquement le premier orifice de sortie 13 de la chambre de stabilisation 1 au second orifice d’entrée 23 de la chambre d’oscillation 2.
Les premier et second orifices d’entrée 12, 23 et les premier et second orifices de sortie 13, 26 sont agencés de façon symétrique par rapport au plan de symétrie P, comme visible sur la Figure 1.
Afin de pouvoir assurer des mesures efficaces, il convient de configurer et dimensionner le conduit de liaison 3 de manière particulière, c'est-à-dire qu’on prévoit un conduit 3 de section rectangulaire et de forme générale parallélépipédique, avec une largeur l0 et une hauteur h0 telles que : h0 > 3.10, où la largeur l0 est telle que : lo > 0,3 mm par exemple de 0,3 à 1 mm ; ceci est illustré en Figure 5.
Avantageusement, on choisit h0 et l0, tels que : h0 > 4.10 de préférence encore : h0 > 5.10. En d’autres termes, choisir un conduit de liaison 3 dont la largeur sera faible/petite par rapport à sa hauteur va permettre d’obtenir un profil de vitesse en 2D et à vitesse suffisamment élevée, ce qui va favoriser son oscillation dans la chambre de reflux 2.
Par ailleurs, il convient aussi préférentiellement de veiller à respecter une longueur Lo du conduit de liaison 3 par rapport à sa largeur l0, telle que Lo > 2.1o, de préférence 2.10 < Lo < 10.l0, et préférentiellement encore : 3.10 < Lo < 8.10 D’une façon générale, comme illustré en Figure 1, le flux pénètre alors dans la chambre d’oscillation 2 et vient y impacter l’élément à reflux 21 de forme semi-cylindrique, ce qui crée le tourbillon oscillant entre les deux zones Zl et Z2, comme expliqué ci-avant.
Le gaz continue ensuite sa course dans la chambre d’oscillation 2 avant d’en ressortir par un conduit d’évacuation de gaz 27 qui est en communication fluidique avec le second orifice de sortie 26 de gaz de la chambre d’oscillation 2.
On comprend donc qu’à partir d’un champ de vitesse symétrique en 2 dimensions, on crée un tourbillon dont la localisation (zones Zl et Z2) va osciller avec une fréquence proportionnelle à la valeur du débit du fluide qui y circule. En plaçant des microphones ou des organes/capteurs de mesure de pression en dehors du conduit du fluide, c'est-à-dire au dessus des zones Zl, Z2 où se forment les tourbillons (i.e. les vortex), on peut mesurer la présence ou non d’une dépression du gaz.
Le débitmètre de l’invention permet de déterminer de manière non-intrusive, miniaturisée, peu coûteuse et avec une perte de charge limitée, le débit de gaz qui y circule pour des valeurs de débits situées entre 0,5 et 10 L/min. L’ensemble du système est compris dans un boitier 30 visible en Figure 3, en particulier le conduit de liaison 3, la chambre de stabilisation 1, l’élément stabilisateur de flux 11, la chambre d’oscillation fluidique 2, l’élément à reflux 21 et le ou les capteurs de pression ou microphones ou capteur de différence de pression. Par ailleurs, des moyens de pilotage 35, telle une carte électronique à microprocesseur, par exemple un microcontrôleur, est reliée électriquement aux capteurs de pression ou microphones de manière à recueillir et exploiter les mesures de pression en extrayant leur fréquence d’oscillation et ensuite en déduire un débit de gaz, comme illustré en Figure 3 et expliqué ci-après.
La Figure 2 est une représentation tridimensionnelle du débitmètre de la Figure 1 permettant de visualiser la localisation des orifices de mesure 24, 25 dans le plafond 28 de la chambre de reflux 2.
La Figure 3 est un schéma de principe d’un mode de réalisation d’un dispositif de suivi ou d’observance d’un traitement d’oxygénothérapie comprenant un débitmètre 33 à oscillation fluidique selon l’invention, comprenant un boîtier 30 incorporant un premier capteur de pression absolue 31 pour mesurer la pression ambiante, c'est-à-dire la pression atmosphérique, et un second capteur de pression absolue 32 pour mesurer la pression absolue dans la canule 34, lequel est placé en contact direct avec la canule 34, avant ou après le débitmètre 33 à oscillation fluidique selon l’invention. Le flux de gaz circule dans la canule ou conduit 34, dans le sens des flèches (=>). Un module de pilotage et de traitement 35, telle une carte électronique, est relié électriquement aux capteurs 31, 32 et au débitmètre 33 de manière à récupérer et traiter les mesures opérées par les capteurs 31, 32 et le débitmètre 33. Une source d’énergie, telle une batterie électrique ou une pile, permet d’alimenter le module de pilotage et de traitement 35 en courant électrique.
La Figure 4 schématise une installation d’oxygénothérapie selon l’invention comprenant une source de gaz respiratoire 41, qui est ici une bouteille de gaz, et une interface de distribution de gaz 42 permettant de distribuer le gaz respiratoire à un patient, tel qu’ici des canules nasales, et un dispositif 30 de suivi ou d’observance à débitmètre à oscillation fluidique selon l’invention, tel celui schématisé en Figure 3.
Le débitmètre à oscillation fluidique de l’invention est particulièrement bien adapté à une utilisation au sein d’un dispositif de suivi ou d’observance d’un traitement d’oxygénothérapie d’un patient à domicile, ledit dispositif de suivi ou d’observance étant relié, d’une part, à une source de gaz respiratoire et, d’autre part, à une interface de distribution de gaz, tel un masque respiratoire, une canule nasale ou analogue, servant à fournir du gaz respiratoire, typiquement de l’oxygène gazeux, au patient.
Claims (10)
- Revendications1. Débitmètre à oscillation fluidique comprenant : - une chambre de stabilisation (1) comprenant un élément stabilisateur de flux (11), un premier orifice d’entrée (12) et un premier orifice de sortie (13), le premier orifice d’entrée (12) et le premier orifice de sortie (13) étant agencés sur un plan de symétrie (P), ledit élément stabilisateur de flux (11) comprenant une face avant (la) située en regard du premier orifice d’entrée (12), - une chambre d’oscillation (2) comprenant un élément à reflux (21) comprenant une cavité (21a) ayant une section semi-circulaire de diamètre (D), configurée pour créer au moins un tourbillon gazeux oscillant dans la chambre d’oscillation (2), ladite chambre d’oscillation (2) comprenant un second orifice d’entrée (23) et un second orifice de sortie (26) agencés sur le plan de symétrie (P), - un conduit de liaison (3) reliant fluidiquement le premier orifice de sortie (13) de la chambre de stabilisation (1) au second orifice d’entrée (23) de la chambre d’oscillation (2), et - un plan de symétrie (P) séparant le conduit de liaison (3), la chambre de stabilisation (1), l’élément stabilisateur de flux (11), la chambre d’oscillation fluidique (2) et l’élément à reflux (21 ) en deux parties égales et symétriques par rapport audit plan de symétrie (P), et dans lequel : - le conduit de liaison (3) est de section rectangulaire et a une largeur de conduit (l0), une hauteur de conduit ho, et une longueur de conduit Lo telles que : lo> 0,3 mm et ho > 3.1o, - le diamètre (D) de la cavité évidée (21a) à section semi-circulaire de l’élément à reflux (21) est tel que : 2,l0 < D < 8.U, - la distance A séparant le second orifice d’entrée (23) de la chambre d’oscillation (2), du fond de la cavité (21a) de section semi-circulaire de l’élément à reflux (21) est telle que : 0,8 D < A < 2 D, - la distance B séparant le bord du second orifice d’entrée (23) de la chambre d’oscillation (2), de la face avant (21a) de l’élément à reflux (21) est telle que : 0,4 D < B < 1,5 D, et - la distance C séparant la face avant (21a) de l’élément à reflux (21), de la paroi interne de la chambre à reflux (2) faisant face à ladite face avant (21a) est telle que : 0,4 D < C < 1,5 D, caractérisé en ce que : - la longueur totale (L) entre le premier orifice d’entrée (12) de la chambre de stabilisation (1) et le second orifice de sortie (26) de la chambre d’oscillation (2) est comprise entre 5 et 40 mm, et - le conduit de liaison (3) a une largeur de conduit (l0) et une longueur de conduit (Lo) telles que : 0,3 mm < l0 < 1,4 mm et Lo > 2.1o,
- 2. Débitmètre seion la revendication précédente, caractérisé en ce que le conduit de liaison (3) a une hauteur h0 telle que : h0 > 4.10.
- 3. Débitmètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face avant (la) de l’élément stabilisateur de flux (11) comprend une première largeur (h) faisant face au premier orifice d’entrée (12) de la chambre de stabilisation (1), telle que : D < h < 10.D.
- 4 Débitmètre selon la revendication 3, caractérisé en ce que la première largeur (h) de la face avant (la) de l’élément stabilisateur de flux (11) est telle que : h = 4.D.
- 5. Débitmètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance I séparant la paroi périphérique de l’élément à reflux (21) de la paroi latérale interne de la chambre d’oscillation fluidique (2) est telle que : 0,2 D < I < 1,5 D.
- 6. Débitmètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la largeur F de la face avant (21a) de l’élément à reflux (21) bordant la cavité (21a) de section hémieirculaire est telle que : 0,2 D < F < 1,5 D
- 7. Débitmètre selon Tune des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit de liaison (3) a une largeur (L) telle que: 0,4 mm < l0 < 1,2 mm.
- 8. Débitmètre selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le conduit de liaison (3) a une hauteur h0 telle que : h0 > 5.L.
- 9. Dispositif de suivi ou d’observance d’un traitement d’oxygénothérapie comprenant un débîtmètre à oscillation fluidique seion l'une des revendications précédentes.
- 10. Installation d’oxygénothérapie comprenant : une source de gaz respiratoire, une interface de distribution de gaz permettant de distribuer le gaz respiratoire à un patient, et un dispositif de suivi ou d’observance à débîtmètre à oscillation fluidique selon la revendication 9.
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