FR3091731A3 - Compresseur de gaz pour ventilateur médical avec fonction de dissipation thermique cinétique - Google Patents

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Abstract

L’invention porte sur une micro-soufflante (1) pour ventilateur médical comprenant un moteur électrique (2) agencé dans un carter (3), ledit moteur électrique (2) comprenant un axe rotatif (4) portant au moins une roue à ailettes (5), le carter (3) comprenant une paroi supérieure (3a) agencée entre le moteur (2) et la roue à ailettes (5) et traversée par l’axe rotatif (4), et la roue à ailettes (5) comprenant une face inférieure (5a) faisant face à la paroi supérieure (3a) du carter (3). Selon l’invention, la face inférieure (5a) de la roue à ailettes (5) et la surface externe de la paroi supérieure (3a) du carter (3) sont conformées pour présenter des structures en saillie (10, 11) complémentaires les unes des autres et s’imbriquant les unes dans les autres en étant espacées les unes des autres. Ventilateur médical comprenant une telle micro-soufflante (1). Figure de l’abrégé : Fig. 4

Description

Compresseur de gaz pour ventilateur médical avec fonction de dissipation thermique cinétique
L’invention concerne une micro-soufflante pour ventilateur médical à structure particulière permettant de mieux dissiper la chaleur produite par le moteur pendant son fonctionnement, ainsi qu’un ventilateur médical équipé d’une telle micro-soufflante.
Afin d’assister certains patients dans leur fonction respiratoire, on utilise habituellement des appareils d’assistance respiratoire, couramment appelés « ventilateurs médicaux », délivrant un gaz respiratoire, tel de l’air, à débit non nul et/ou à une pression supérieure à la pression atmosphérique (> 1 atm). L’air peut être additionné d’oxygène, par exemple lorsque le patient doit recevoir, dans le cadre de son traitement, une proportion d’oxygène supérieure à 21% en volume.
Pour ce faire, certains appareils d’assistance respiratoire mettent en œuvre une micro-soufflante, aussi appelée « compresseur » ou « turbine », servant à aspirer l’air ambiant et à le délivrer à une pression donnée aux patients. L’aspiration de l’air par la micro-soufflante se fait grâce à une ou plusieurs roues à ailettes agencées sur un arbre ou axe rotatif entraîné en rotation par un moteur électrique, la (ou les) roue(s) à ailettes étant mobile(s) en rotation dans le compartiment interne d’une volute.
En général, les ailettes ou pales de la (des) roue à ailette comprennent des structures agencées radialement et espacées les unes des autres, de forme plus ou moins complexe, faisant saillie verticalement sur au moins une surface de la roue, typiquement des petites parois. Typiquement, les ailettes prennent naissance dans la région du centre de la roue traversée par l’axe du moteur et s’étendent jusqu’au bord périphérique de ladite roue, au niveau duquel elles présentent des extrémités libres à rebord droit.
Les documents EP-A-2165078, EP-A-2102504, WO-A-2012/139681, US-A-2008/304986 et WO-A-2013/020167 décrivent des micro-soufflantes de ce type et des appareils d’assistance respiratoire équipés de telles micro-soufflantes.
Toutefois, pendant le fonctionnement du moteur, c'est-à-dire pendant les rotations de la roue à ailettes, de la chaleur est générée par le moteur électrique et il est nécessaire de la dissiper.
Pour ce faire, il a déjà été proposé de modifier le chemin d’air dans le ventilateur de sorte de balayer le carter du moteur par le flux d’air aspiré par la micro-soufflante. Cependant, une telle architecture n’est pas toujours possible compte tenu des contraintes de place dans le ventilateur et, par ailleurs, elle ne permet pas toujours d’évacuer efficacement la chaleur (i.e. calories) générée par le moteur, ce qui peut conduire à une réduction notable de la durée de vie du moteur et de ses roulements, mais aussi à augmenter la température du ventilateur, lors de son fonctionnement.
Au vu de cela, le problème qui se pose est de proposer une micro-soufflante améliorée permettant de dissiper davantage de chaleur sans nécessiter plus de place au sein du ventilateur de manière à améliorer la durée de vie du moteur et de ses roulements.
La solution de l’invention porte alors sur une micro-soufflante pour ventilateur médical comprenant une micro-soufflante pour ventilateur médical comprenant un moteur électrique agencé dans un carter, ledit moteur électrique comprenant un axe rotatif portant au moins une roue à ailettes, le carter comprenant une paroi supérieure agencée entre le moteur et la roue à ailette et traversée par l’axe rotatif, et la roue à ailettes comprenant une face inférieure faisant face à la paroi supérieure du carter, caractérisée en ce que la face inférieure de la roue à ailettes et la surface externe de la paroi supérieure du carter sont conformées pour présenter des structures en saillie complémentaires les unes des autres et s’imbriquant les unes dans les autres en étant espacées les unes des autres.
Selon le mode de réalisation considéré, la micro-soufflante de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • les structures en saillie ont des sections en créneaux.
  • les structures en saillie sont agencées en cercles concentriques sur la face inférieure de la roue à ailettes et sur la paroi supérieure du carter du moteur.
  • les structures en saillie ont des sections en créneaux de forme polygonale, typiquement de forme carrée, rectangulaire ou trapézoïdale.
  • les structures en saillie sont formées d’une seule pièce avec la face inférieure de la roue à ailettes et avec la paroi supérieure du carter du moteur.
  • la roue à ailettes est agencée dans le compartiment interne d’une volute surmontant le carter du moteur.
  • le moteur est de type sans balai (brushless).
  • la face inférieure de la roue à ailettes et la paroi supérieure du carter du moteur comprennent chacune moins de 20 cercles concentriques formant les structures en saillie, typiquement moins de 10 cercles concentriques, de préférence entre 5 et 8.
  • lorsque la roue à ailettes est agencée sur l’axe rotatif, les structures en saillie de la roue à ailettes sont imbriquées dans les structures en saillie du carter du moteur en étant espacées les unes des autres d’une distance de moins de 1 mm, de préférence de moins de 0,5 mm.
  • le carter et/ou la roue sont en aluminium, en matériau plastique ou composite.
L’invention porte par ailleurs sur un ventilateur médical comprenant une micro-soufflante selon l’invention.
Selon le mode de réalisation considéré, le ventilateur médical de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • il comprend des moyens de pilotage, notamment une carte électronique à microcontrôleur, un ou des capteurs de régulation de la ventilation etc…
  • il comprend des moyens d’alimentation électrique, de préférence une batterie rechargeable et/ou un cordon électrique munie d’une prise électrique de raccordement au secteur (110/220 V).
  • il comprend une interface homme-machine (IHM) permettant à un utilisateur d’entrer, de modifier et/ou de valider des informations, des données, des valeurs, des choix, des options etc…
  • l’IHM comprend une ou plusieurs touches, boutons, curseurs ou analogue, ou un clavier numérique.
  • il comprend un écran d’affichage, notamment un écran numérique à sélection et/ou affichage digital(e).
  • il comprend un chemin d’air interne permettant de convoyer de l’air ambiant depuis une entrée d’air jusqu’à une sortie d’air.
  • la micro-soufflante est agencée dans le chemin d’air interne de sorte que l’air circulant dans celui-ci vienne balayer au moins une partie de la surface périphérique externe du carter du moteur, ce qui permet d’améliorer les échanges de calories entre moteur et flux gazeux.
  • il comprend une carcasse externe rigide, par exemple une carcasse en polymère.
  • il comprend des moyens de mémorisation permettant de stocker des informations, des données, des valeurs, par exemple de pression, de débit…., des modes ou des cycles respiratoires, etc….
  • la carcasse externe rigide contient la micro-soufflante, les moyens de pilotage, le chemin d’air et les moyens de mémorisation.
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 :
est une vue latérale en coupe d’une micro-soufflante selon l’invention,
est une vue de dessus de la micro-soufflante de [FIG. 1],
schématise une micro-soufflante selon l’invention insérée dans un ventilateur médical,
schématise le moteur et la roue à ailettes d’une micro-soufflante selon l’invention,
est une vue agrandie de la section des structures en saillies portées par le moteur et la roue à ailettes d’une micro-soufflante selon l’invention, et
et [Fig. 7] représentent la roue à ailettes agencée sur le moteur d’une micro-soufflante selon l’invention, avec ou sans sa volute.
est une vue latérale en coupe d’une micro-soufflante 1 pour ventilateur médical 20 selon l’invention qui comprend, de façon classique, un moteur électrique 2, typiquement sans balai (i.e. dit « brushless ») agencé dans un carter 3 formant une enveloppe ou coque protectrice externe servant à protéger les parties internes du moteur 2. Le moteur 2 est alimenté électriquement par des câbles électriques ou analogues (non montrés).
Le moteur électrique 2 comprend un axe rotatif 4, aussi appelé arbre, portant une roue à ailettes 5 servant à générer un débit de gaz. Elle est agencée dans le compartiment interne 6 d’une volute 7 surmontant le carter 3. La volute 7 comprend une entrée de gaz 12, tel de l’air, aménagée dans son plafond, et une sortie de gaz 13 portée par un conduit 14 d’évacuation de débit gazeux sortant latéralement de la volute 7.
Le carter 3 comprend une paroi supérieure 3a, ou paroi de plafond, agencée entre le moteur 2 et la roue à ailettes 5 et traversée par l’axe rotatif 4. La paroi supérieure 3a comprend donc un orifice central par lequel passe l’axe rotatif 4 portant la roue à ailettes 5. Par ailleurs, la roue à ailettes 5 comprenant, quant à elle, une face inférieure 5a, ou face de dessous, faisant face à la paroi supérieure 3a du carter 5, c'est-à-dire que la paroi supérieure 3a du carter 3 est sensiblement parallèle à la face inférieure 5a de la roue à ailettes 5.
Comme illustré en [Fig. 3], l’air ambiant aspiré par la micro-soufflante 1 pénètre dans le ventilateur 20 par une entrée d’air 22, puis est acheminé par la partie amont du chemin d’air 21 jusqu’à l’orifice d’entrée 12 de la volute 7. Le moteur 2 est agencé dans le chemin d’air 21 de sorte que le flux d’air balaye la surface externe du carter 3 avant d’atteindre l’orifice d’entrée 12 de la volute 7, ce qui permet de réchauffer l’air ambiant par échange thermique au contact du carter 3 du moteur 2. Le flux d’air généré par la micro-soufflante 1 ressort ensuite de la volute 7 via le conduit 14 qui est raccordé à la partie aval du chemin d’air 21 qui permet de convoyer le flux d’air jusqu’à un orifice de sortie 23 du ventilateur 20, lequel peut être porté par un embout de raccordement ou analogue auquel peut venir se raccorder un conduit flexible ou analogue servant à recueillir et véhiculer le flux gazeux vers le patient.
Le moteur 2, en fonctionnement, produit de l’énergie thermique diffusée par son enveloppe, c'est-à-dire le carter 3, vers la roue 5 et la roue 5 en tournant diffuse cette énergie thermique dans le conduit 14 de la volute vers la sortie d’air 13 qui permet de l’évacuer lors du ventilateur 20. L’énergie thermique permet de réchauffer l’air aspiré par la roue à ailettes 5, lequel est plus froid (i.e. à température ambiante), et entrant dans la volute 7 par l’entrée de gaz 12. La roue à ailettes 5 est préférentiellement dotées de 10 à 30 ailettes ou pales, droites ou incurvées, et a avantageusement un diamètre de l’ordre de 30 à 60 mm.
Afin d’améliorer la durée de vie du moteur et de ses roulements, selon la présente invention, il est proposé d’opérer une meilleure évacuation de l’énergie thermique produite par le moteur 2, pendant la ventilation d’un patient, c'est-à-dire pendant le fonctionnement de la micro-soufflante 1 et de son moteur 2.
Pour ce faire, il est proposé que la face inférieure 5a de la roue à ailettes 5 et la surface externe de la paroi supérieure 3a du carter 3, lesquelles se font face l’une à l’autre et sont sensiblement dans des plans parallèles l’un à l’autre, soient conformées pour présenter des structures en saillie 10, 11 complémentaires les unes des autres et s’imbriquant les unes dans les autres en étant espacées les unes des autres. En particulier, ces structures en saillie 10, 11 sont constituées de cercles concentriques 15, comme visible sur [Fig. 4], de préférence moins de 10 cercles concentriques 15, typiquement de 5 à 7 cercles, portés par chacune des faces, c'est-à-dire la face inférieure 5a de la roue à ailettes 5 et la surface externe de la paroi supérieure 3a du carter 3.
Comme illustré en [Fig. 5], ces structures en saillie 10, 11 ont préférentiellement des formes (section) en créneaux formés par lesdits cercles concentriques 15, en particulier des créneaux de forme (ou profil) carrée ou rectangulaire.
Typiquement, les cercles concentriques 15 portés par une même face/surface sont espacés les uns des autres d’une distance de l’ordre de 0,5 à 2 mm, préférentiellement de l’ordre de 1 mm. La hauteur de chaque cercle ou créneau est quant à elle de l’ordre de 1 à 2,5 mm, préférentiellement de l’ordre de 1,5 mm. Ces structures en saillie 10, 11 en cercles concentriques 15 constituent des structures de refroidissement circulaires servant à opérer une dissipation de l’énergie thermique, i.e. de chaleur (calories), générée par le moteur 2. Les cercles concentriques 15 formant les structures en saillie 10, 11 créent une lame d’air très fine (par exemple J1 et J2 de 0,2 à 0,4 mm sur [FIG. 5]) entre le carter 3 et la roue à ailettes 4 qui garantit la transmission de l’énergie thermique du moteur 2 vers la roue 4, par l’air, puis de la roue 4 vers le chemin de gaz ou conduit 14.
De préférence, le carter 3 et la roue 4 sont en aluminium, en matériau plastique ou composite possédant une bonne propriété de conductivité thermique.
Afin d’augmenter la conduction d’énergie thermique vers la zone roue, le moteur 2 peut être lui aussi équipé d’ailettes radiales 17 agencées sur sa paroi périphérique 16, comme illustré en [Fig. 4], [Fig. 6] et [Fig. 7].
La volute 7 peut être formée, selon la configuration du ventilateur 20, et de son chemin de gaz 21 soit dans un matériau isolant (pour canaliser le flux d’air chaud), soit dans un matériau conducteur (pour diffuser dans une partie du chemin d’air). Elle peut aussi être équipé d’ailettes additionnelles suivant son intégration dans le ventilateur.

Claims (9)

  1. Micro-soufflante (1) pour ventilateur médical comprenant un moteur électrique (2) agencé dans un carter (3), ledit moteur électrique (2) comprenant un axe rotatif (4) portant au moins une roue à ailettes (5), le carter (3) comprenant une paroi supérieure (3a) agencée entre le moteur (2) et la roue à ailettes (5) et traversée par l’axe rotatif (4), et la roue à ailettes (5) comprenant une face inférieure (5a) faisant face à la paroi supérieure (3a) du carter (3), caractérisée en ce que la face inférieure (5a) de la roue à ailettes (5) et la surface externe de la paroi supérieure (3a) du carter (3) sont conformées pour présenter des structures en saillie (10, 11) complémentaires les unes des autres et s’imbriquant les unes dans les autres en étant espacées les unes des autres.
  2. Micro-soufflante (1) selon la revendication 1, caractérisée en ce que les structures en saillie (10, 11) sont agencées en cercles concentriques (15) sur la face inférieure (5a) de la roue à ailettes (5) et sur la paroi supérieure (3a) du carter (3) du moteur (2).
  3. Micro-soufflante (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les structures en saillie (10, 11) ont des sections en créneaux.
  4. Micro-soufflante (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que les structures en saillie (10, 11) sont formées d’une seule pièce avec la face inférieure (5a) de la roue à ailettes (5) et avec la paroi supérieure (3a) du carter (3) du moteur (2).
  5. Micro-soufflante (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la roue à ailettes (5) est agencée dans le compartiment interne (6) d’une volute (7) surmontant le carter (3) du moteur (2).
  6. Micro-soufflante (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la face inférieure (5a) de la roue à ailettes (5) et la paroi supérieure (3a) du carter (3) du moteur (2) comprennent chacune moins de 20 cercles concentriques (15) formant les structures en saillie (10, 11), de préférence moins de 10 cercles concentriques (15).
  7. Micro-soufflante (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que, lorsque la roue à ailettes (5) est agencée sur l’axe rotatif (4), les structures en saillie (11) de la roue à ailettes (5) sont imbriquées dans les structures en saillie (10) du carter (3) du moteur (2) en étant espacées les unes des autres d’une distance de moins de 1 mm, de préférence de moins de 0,5 mm.
  8. Micro-soufflante (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le moteur (2) est de type sans balai.
  9. Ventilateur médical (20) comprenant une micro-soufflante (1) selon l'une des revendications précédentes.
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