FR3101549A3

FR3101549A3 - Procédé de fabrication d’une micro-soufflante pour appareil d’assistance respiratoire

Info

Publication number: FR3101549A3
Application number: FR1911074A
Authority: FR
Inventors: Romain Davoine; Beryl MEREAUX
Original assignee: Air Liquide Medical Systems SA
Current assignee: Air Liquide Medical Systems SA
Priority date: 2019-10-07
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2021-04-09
Anticipated expiration: 2029-10-07
Also published as: FR3101549B3

Abstract

Titre de l’invention Procédé de fabrication d’une micro-soufflante pour appareil d’assistance respiratoire L’invention concerne un procédé de fabrication d’une micro-soufflante (1) pour un appareil d’assistance respiratoire (100), comprenant un moteur électrique (2) entraînant en rotation un axe rotatif (3) portant une roue à ailettes (4), ladite roue à ailettes (4) étant agencée dans une volute (8) comprenant les étapes d’emmancher la roue à ailettes (4) sur l’axe (3) du moteur ; d’équilibrer la roue à ailettes (4) sur l’axe (3) du moteur de sorte que le battement soit compris entre 0 et 0,1 mm, et le balourd statique soit compris entre 0 et 20 mg.mm ; et de contrôler le jeu entre la roue à ailettes (4) et la volute supérieure (8a) de sorte que ledit jeu soit compris entre 0,1 et 0,5 mm. Figure de l’abrégé : Fig. 1

Description

Procédé de fabrication d’une micro-soufflante pour appareil d’assistance respiratoire

L’invention porte sur un procédé de fabrication d’une micro-soufflante pour appareil d’assistance respiratoire, c'est-à-dire un ventilateur médical, servant à traiter des pathologies respiratoires chez l’être humain, permettant de limiter les bruits et les vibrations générés par la micro-soufflante durant son fonctionnement.

Afin d’assister certains patients dans leur fonction respiratoire, on utilise des appareils d’assistance respiratoire, souvent appelés « ventilateurs médicaux » ou encore « appareils de ventilation », 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 supplémentaire, notamment 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) roue à ailettes agencée sur un arbre ou axe rotatif entraîné en rotation par un moteur électrique, la roue à ailettes étant agencée mobile en rotation dans le compartiment interne d’une volute surmontant le bloc moteur, c'est-à-dire le moteur entouré de son carter périphérique.

Le bruit et les vibrations générés par le ventilateur médical et la micro-soufflante, pendant leur fonctionnement sont des problèmes connus et récurrents pour lesquels des solutions partielles ont déjà été proposées, comme par exemple l’utilisation d’isolants phoniques.

Le but de l’invention est de diminuer encore le bruit et les vibrations générés notamment par la micro-soufflante, pendant son fonctionnement.

La solution de l’invention porte sur un procédé de fabrication d’une micro-soufflante pour appareil d’assistance respiratoire permettant d’obtenir une micro-soufflante générant moins de bruit et de vibrations.

Plus précisément, le procédé de fabrication d’une micro-soufflante pour un appareil d’assistance respiratoire, c'est-à-dire un ventilateur médical, comprenant un moteur électrique entraînant en rotation un axe rotatif portant une roue à ailettes, ladite roue à ailettes étant agencée dans une volute comprenant les étapes de :

emmancher la roue à ailettes sur l’axe du moteur,
équilibrer la roue à ailettes sur l’axe du moteur de sorte que :
1. le battement soit compris entre 0 et 0,1 mm, et
2. le balourd statique soit compris entre 0 et 20 mg.mm, et
contrôler le jeu entre la roue à ailettes et la volute supérieure de sorte que ledit jeu soit compris entre 0,1 et 0,5 mm.

Selon le mode de réalisation considéré, le procédé de fabrication d’une micro-soufflante selon l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

à l’étape c), on contrôle le jeu de sorte qu’il soit compris entre 0,20 et 0,35 mm.
à l’étape b), on contrôle le battement de sorte qu’il soit compris entre 0.025 et 0,080 mm.
à l’étape b), on contrôle le balourd statique de sorte qu’il soit compris entre 35 et 10 mg.mm.
à l’étape b) et/ou à l’étape c), on opère le ou les contrôles à un régime moteur entre 5000 et 35 000 tr/min.
il comprend une étape supplémentaire de : d) fixer fermement la roue à ailettes à l’axe du moteur après les étapes b) et c).

Par ailleurs, la micro-soufflante fabriquée par le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :

les ailettes sont agencées radialement sur au moins l’une des faces de la roue à ailettes, de préférence sa face supérieure.
les ailettes de la roue à ailettes sont incurvées.
la roue à ailettes comprend un passage central traversant axialement la roue de sorte de joindre la première face de la roue à ailettes à la deuxième face de la roue à ailettes.
le passage central traverse la roue en son centre.
le passage central a un diamètre compris entre 2 et 6 mm, par exemple 3 mm
l’axe or arbre rotatif traverse le passage central.

la roue comprend une protubérance agencée au centre de la première face de la roue, et un passage central traversant axialement la roue et ladite protubérance, l’arbre rotatif du moteur étant logé dans ledit passage central.
les ailettes prennent naissance au centre de la roue, de préférence au niveau de la base de ladite protubérance agencée au centre de la roue.
la protubérance a une forme de « volcan » ou de « cratère », c'est-à-dire qu’elle comprend un sommet s’évasant vers sa base.
les ailettes comprennent des parois incurvées espacées les unes des autres d’une distance comprise entre 2 et 5 mm.
la roue à ailettes comprend de 10 à 30 ailettes ou pales.
la roue à ailettes a un diamètre compris entre 20 et 80 mm, de préférence entre 30 et 60 mm.
la roue à ailettes est entraînée par le moteur à une vitesse allant jusqu’à 70 000 tr/min, typiquement jusqu’à 40 000 tr/min.
la roue à ailettes est formée d’un matériau polymère, de préférence fabriqué par injection thermoplastique ou impression 3D.
la roue a une épaisseur de roue comprise entre 0,5 et 1,5 mm, l’épaisseur étant la distance entre les surfaces des première et deuxième faces de la roue à ailettes.
les ailettes comprennent des structures sensiblement en triangle ou en trapèze, c'est-à-dire que les parois espacées sont configurées de sorte de présenter des portions de forme générale (quasi) triangulaire ou (quasi) trapézoïdale.
le moteur électrique comprend un carter externe, c'est-à-dire une carcasse ou coque rigide entourant le rotor et le stator du moteur.
le moteur électrique comprend des câbles ou fils électriques servant à son raccordement électrique à une source de courant électrique l’alimentant en courant électrique.
la deuxième face, aussi appelée face inférieure, de la roue est dépourvue d’ailettes et est plane.
la deuxième face de la roue est située en regard du moteur.
durant son fonctionnement, le moteur électrique entraîne la roue à ailettes en rotation.
le moteur électrique est de type sans balai (« brushless » en anglais).
elle comprend une volute délimitant un compartiment interne, ladite volute surmontant le moteur électrique et la roue à ailettes étant agencée mobile en rotation au sein du compartiment interne.
la volute comprend un orifice de sortie de gaz et un orifice d’entrée de gaz.
l’orifice de sortie de gaz est porté par un conduit de sortie de gaz en communication fluidique avec le compartiment interne de la volute.
la volute comprend une demi-volute supérieure et une demi-volute inférieure fixée l’une à l’autre, de préférence de manière étanche, par exemple par collage et/ou avec interposition d’un joint d’étanchéité.
la deuxième face de la roue à ailettes fait face à la demi-volute inférieure.
la première face de la roue à ailettes fait face à la demi-volute supérieure.
l’orifice d’entrée de gaz est agencée dans la demi-volute supérieure.

Une micro-soufflante obtenue par le procédé de fabrication de l’invention peut être utilisée dans un appareil d’assistance respiratoire, c'est-à-dire un ventilateur médical, de type à pression continue (CPAP) ou du type à deux niveaux de pression (BiPAP), lequel est conçu pour délivrer un flux d’air ou d’air enrichi en oxygène.

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 un schéma de la vibro-acoustique d’une micro-soufflante ;

illustre l’intégration de la micro-soufflante de [Fig. 1] au sein d’un ventilateur médical ;

est un schéma représentant le battement de la roue à ailettes de la micro-soufflante de [Fig. 1] ;

est un schéma représentant le balourd de la roue à ailettes de la micro-soufflante de [Fig. 1] ;

est un schéma représentant le jeu de la roue à ailettes de la micro-soufflante de [Fig. 1] ; et

est vue externe d’une micro-soufflante obtenue avec le procédé de fabrication selon l’invention.

est un schéma de la vibro-acoustique d’une micro-soufflante 1 pour un appareil d’assistance respiratoire 100 ou ventilateur médical, comprenant un moteur électrique agencé dans un carter 2 rigide servant à protéger le moteur, c'est-à-dire typiquement le stator et le rotor du moteur. Le carter 2 rigide peut être en acier ou alliage d’aluminium par exemple. Le moteur électrique est préférentiellement sans balai (‘brushless’ en anglais) et/ou est conçu pour atteindre une vitesse de rotation allant jusqu’à 70 000 tr/min, typiquement jusqu’à 40 000 tr/min.

L’alimentation du moteur en courant électrique, pour permettre son fonctionnement, se fait de manière classique au moyen d’une connectique électrique 9 adaptée, par exemple au moyen de connecteurs, de prises, de fils ou de câbles électriques… permettant le raccordement de l’appareil et/ou micro-soufflante 1 au réseau électrique ou à une (ou plusieurs) batteries d’alimentation électrique.

Pendant son fonctionnement, le moteur de la micro-soufflante 1 entraîne en rotation, un arbre 3 rotatif, ainsi appelé ‘axe’, portant une roue à ailettes 4, aussi appelée ‘roue à pales’, ayant une section circulaire de diamètre compris entre 20 et 80 mm, typiquement entre 30 et 60 mm.

La roue à ailettes 4 comporte généralement de 10 à 60 ailettes, typiquement de 10 à 30 ailettes environ, agencées radialement sur l’une des faces de la roue 4, i.e. sa face supérieure qui est en regard de l’entrée 5 de la volute.

La roue à ailettes 4 est agencée de manière à être mobile en rotation au sein du compartiment interne 6 d’une volute 8 surmontant le moteur électrique, de manière à générer un flux d’air à une pression supérieure à la pression atmosphérique (> 1 atm). Préférentiellement, la roue à ailettes 4 et la volute 8 sont en matériau(x) polymère(s), par exemple un plastique de type Acrylonitrile Butadiène Styrène ou ABS, Polycarbonate ou PC ou Polyether Ether Ketone dit PEEK.

La volute 8 est généralement formée de deux demi-volutes 8a, 8b, à savoir une demi-volute supérieure 8a et une demi-volute inférieure 8b assemblées et fixées l’une à l’autre de manière solidaire et étanche, par exemple par collage ou autre. Un joint d’étanchéité peut être interposé entre ces demi-volutes 8a, 8b. La roue 4 est donc prise en sandwich entre les deux demi-volutes 8a, 8b qui définissent entre elles le compartiment interne 6. L’entrée 5 de gaz est aménagée dans la demi-volute supérieure 8a.

La volute 8 a typiquement une section circulaire et comprend en outre un orifice d’entrée de gaz 5 par lequel le gaz, tel de l’air, est aspiré le compartiment interne 6, lors des rotations de la roue 4, et un orifice de sortie de gaz 7 par lequel le flux de gaz généré dans le compartiment interne, lors des rotations de la roue 4, ressort de la micro-soufflante 1 par un conduit de sortie d’air 10 en communication fluidique avec le compartiment interne 6.

Comme illustré en , le flux gazeux sortant de la volute 8 est ensuite envoyé vers le patient via un circuit de gaz 104 agencé dans le ventilateur 100, lequel est en communication fluidique avec, d’une part, le conduit de sortie d’air 10 de sorte de convoyer le gaz provenant du conduit de sortie d’air 10 et, d’autre part, avec une conduite flexible (non représentée) ou analogue venant se raccorder au ventilateur 100 et permettant d’acheminer le gaz jusqu’à une interface respiratoire, tel un masque respiratoire ou analogue (non représenté) servant à délivrer le gaz au patient.

L’orifice de sortie de gaz 7 est porté par le conduit de sortie d’air 10 en communication fluidique avec le compartiment interne 6 de la volute 8, alors que l’orifice d’entrée de gaz 5 est quant à lui aménagé dans la demi-volute supérieure 8a. La roue à ailettes 4 porte une pluralité d’ailettes ou pales orientées face l’orifice d’entrée de gaz 5.

Comme illustré en , la micro-soufflante 1 vient s’insérer dans un ventilateur médical 100 de sorte que le carter 2 du moteur électrique soit agencé dans un compartiment-moteur 101 avec sa surface périphérique 2a espacée de la paroi interne 102 du compartiment-moteur 101. En d’autres termes, le compartiment-moteur 102 forme un manchon autour du carter 2 du moteur de la micro-soufflante 1.

L’espacement entre la surface externe 2a du carter 2 et la paroi interne du compartiment-moteur 102 forme alors un passage 103 pour le gaz, notamment de l’air. Préférentiellement, le passage pour le gaz 103 a une forme annulaire, lorsque le carter 2 et le compartiment-moteur 102 ont l’un et l’autre une section circulaire, c'est-à-dire des formes tridimensionnelles cylindriques.

Le gaz aspiré par la roue à ailettes 4, durant ses rotations, circule en étant guidé au sein dudit passage 103 de manière à venir balayer, c'est-à-dire « lécher, la surface externe du carter 2 et à le refroidir en captant une partie des calories générées par le moteur, durant son fonctionnement.

Le passage 103 est en communication fluidique avec l’entrée 5 de la volute 8 de manière à y acheminer le gaz qui est ensuite aspiré dans le compartiment 6 où se trouve la roue 4, avant d’être évacué vers le conduit 10 et le circuit 104 du ventilateur 100.

Comme schématisé sur les et [Fig. 2], durant son fonctionnement, la micro-soufflante 1 génère des perturbations sonores, c'est-à-dire du bruit, et des vibrations.

Le bruit ou puissance acoustique globale Lw_globale, exprimée en dB(A) (Décibel pondéré A), correspond à la somme des différentes puissances acoustiques générées dans la micro-soufflante 1, en particulier par les rotations de la roue 4, notamment la puissance acoustique d’entrée de volute Lw_entrée, puissance acoustique rayonnée par la volute Lw_rayonnéeet la puissance acoustique de sortie de volute Lw_sortie.

Par ailleurs, des forces vibratoires F, exprimées en g RMS, existent principalement au niveau du moteur de la micro-soufflante 1 et du conduit de sortie 10 et/ou du circuit de gaz interne 104 du ventilateur 100.

Afin de limiter ces perturbations, il est proposé un procédé de fabrication de la micro-soufflante 1 à moteur électrique comprenant les étapes de :

emmancher la roue à ailettes 4 sur l’axe 3 du moteur,
équilibrer la roue à ailettes 4 sur l’axe 3 du moteur de sorte que le battement soit compris entre 0 et 0,1 mm, et le balourd statique soit compris entre 0 et 20 mg.mm, et
contrôler le jeu entre la roue à ailettes 4 et la volute supérieure 8a de sorte que ledit jeu soit compris entre 0,1 et 0,5 mm.

Le battement de la roue à ailettes 4 est illustré sur la , alors que le balourd statique de la roue à ailettes 4 est illustré sur la [Fig. 4], et le jeu sur la [Fig. 5].

Ces différents facteurs physiques influencent la vibro-acoustique de la micro-soufflante 1, c'est-à-dire du compresseur intégré dans un ventilateur 100.

Ainsi, la puissance acoustique (PA), exprimée en dB(A), est donnée par la formule suivante : PA = k1 – k2 x jeu + k3 x battement + k4 x balourd statique

où : ki est un facteur statistiquement défini par l’expérience suivant un plan de recherche de facteurs (avec i= 1, 2 ou 3). Les facteurs sont indicés suivant leur niveau d’influence, c'est-à-dire du plus grand au plus petit.

Ces contrôles se font préférentiellement à un régime de rotation du moteur électrique de la micro-soufflante 1 compris entre 5 000 et 35 000 tr/min, typiquement de l’ordre de 20 000 tr/min.

Par exemple, on peut équilibrer la roue à ailettes 4 sur l’axe 3 de sorte d’avoir un battement de l’ordre de 0,05 mm, et un balourd statique de l’ordre de 5 mg.mm, et par ailleurs contrôler le jeu entre la roue à ailettes 4 et la volute supérieure 8a, c'est-à-dire le jeu entre les surfaces des pales et la surface de la volute supérieure 8a, pour qu’il soit de l’ordre de 0,3 mm.

En fait, contrôler la position mécanique, i.e. le jeu, entre roue 4 et volute supérieure 8a permet d’assurer une performance, d’une part, pneumatique et, d’autre part, aéro-acoustique, c'est-à-dire des perturbations transmises dans l’air, engendrant du bruit en entrée et sortie de la micro-soufflante 1 (Lw entrée / sortie).

Par ailleurs, le battement mécanique de la roue 4 emmanchée sur l’axe du moteur rend compte de la différence de position d’une surface de pale à une autre, autour de l’axe de rotation moteur. Ce défaut engendre des harmoniques (H1, H2, H3, …) multiples et fréquentielles qui entrent dans la composition de la puissance acoustique globale. Le battement comprend plusieurs facteurs dimensionnels, comme la position en hauteur des pales et entre-elles, le défaut géométrique général de la roue (i.e. forme et planéité), l’état de surface de la roue et le défaut d’alignement roue/axe-moteur.

En outre, le niveau d’équilibrage mécanique, c’est-à-dire le balourd statique, correspond au niveau de déséquilibre de la roue à un régime en rotation donné. Ce défaut engendre des vibrations, donc une force qui peut être transmise dans la structure d’accueil de la micro-soufflante 1, c'est-à-dire le ventilateur 100 et son chemin d’air. Cette force peut se transformer en source de bruit aérienne.

Claims

Procédé de fabrication d’une micro-soufflante (1) pour un appareil d’assistance respiratoire (100), comprenant un moteur électrique (2) entraînant en rotation un axe rotatif (3) portant une roue à ailettes (4), ladite roue à ailettes (4) étant agencée dans une volute (8) comprenant les étapes de :
emmancher la roue à ailettes (4) sur l’axe (3) du moteur,

équilibrer la roue à ailettes (4) sur l’axe (3) du moteur de sorte que :

le battement soit compris entre 0 et 0,1 mm, et

le balourd statique soit compris entre 0 et 20 mg.mm, et

contrôler le jeu entre la roue à ailettes (4) et la volute supérieure (8a) de sorte que ledit jeu soit compris entre 0,1 et 0,5 mm.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’à l’étape c), on contrôle le jeu de sorte qu’il soit compris entre 0,20 et 0,35 mm.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’à l’étape b), on contrôle le battement de sorte qu’il soit compris entre 0.025 et 0,080 mm.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’à l’étape b) et/ou à l’étape c), on opère le ou les contrôles à un régime moteur entre 5000 et 35 000 tr/min.
Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend une étape supplémentaire de :
fixer fermement la roue à ailettes (4) à l’axe (3) du moteur après les étapes b) et c).