FR3110644A1 - Organe de compression centrifuge - Google Patents

Abstract

Organe de compression centrifuge La présente invention concerne un organe de compression centrifuge (1) comprenant un disque (2) et un ensemble de pales (5, 6) en saillie d’une surface du disque (2), l’ensemble de pales (5, 6) étant agencé en une alternance de pales principales (5) et de pales secondaires (6) disposées autour de l’orifice (4), chacune des pales (5, 6) s’étendant selon une dimension principale curviligne entre un bord d’attaque (53, 61) et un bord de fuite (54, 62) disposé au niveau d’une périphérie (22) du disque (2), caractérisé en ce que le bord de fuite (62) d’au moins une pale secondaire (6) est plus proche du bord de fuite (54) d’une première pale principale adjacente (51) que du bord de fuite (54) d’une deuxième pale principale adjacente (52). Figure pour l’abrégé : figure 2

Description

Organe de compression centrifuge

Le domaine de la présente invention concerne les dispositifs de ventilation destinés aux dispositifs d’assistance à la respiration, et par exemple pour les dispositifs d’assistance à la respiration destinés à être utilisés de manière invasive, pour des patients sédatés.

Les patients en détresse respiratoire nécessitent une assistance respiratoire afin d’assurer l’oxygénation de leurs tissus. Dans certains cas extrêmes, les patients sont endormis et les dispositifs d’assistance à la respiration mis en œuvre pour leur venir en aide sont appliqués avec des techniques invasives visant à forcer l’inspiration et l’expiration du patient. Dans ce contexte, les dispositifs d’assistance à la respiration actuellement utilisés comprennent classiquement au moins un dispositif de ventilation adapté pour générer un flux d’air qui peut être traité, par exemple par ajout d’oxygène, avant d’être dirigé vers un masque ou une sonde d’intubation du patient, pour ainsi faciliter ou forcer la respiration du patient. Selon la façon dont l’air est administré au patient, le dispositif de ventilation peut être associé à un ensemble de vannes qui permettent, une fois le flux d’air traité, de réguler la quantité d’air envoyée en direction du patient et la fréquence d’envoi de cet air afin de synchroniser l’envoi d’air et les inspirations, naturelles ou forcées, du patient.

Les dispositifs de ventilation comprennent au moins un moteur, par exemple électrique, adapté pour entrainer en rotation un organe de compression d’air, cet organe pouvant notamment consister en une roue logée dans une volute. De tels organes de compression, dits centrifuges, comportent classiquement un disque en saillie duquel est formée une pluralité de pales curvilignes équiréparties sur le disque, c’est-à-dire réparties angulairement régulièrement autour du centre du disque. L’organe de compression centrifuge est notamment configuré pour que l’air pénètre dans le dispositif via une entrée axiale ménagée sensiblement au centre de l’organe de compression et les pales participent à former des conduits de circulation d’air vers la périphérie du disque au voisinage de laquelle est formée une sortie d’air radiale. Dans le cas d’une application à un dispositif d’assistance à la respiration, l’air comprimé par la rotation de l’organe de compression centrifuge est ensuite envoyé vers le patient.

Le moteur est entraîné en rotation à grandes vitesses pour que l’air circule dans les conduits le long des pales, sous effet centrifuge. Quelle que soit le dispositif dans lequel est utilisé cet organe, et quel que soit le fluide circulant dans l’organe, le fonctionnement d’un tel organe de compression centrifuge peut générer l’apparition potentielle d’un phénomène de décrochage, en fonction de la pression souhaitée pour le fluide en sortie de l’organe de compression, et donc de la vitesse de rotation de cet organe de compression centrifuge et/ou du débit de fluide arrivant dans l’organe. Un tel phénomène de décrochage apparaît par exemple lorsque, pour des valeurs données de pression et débit à générer et pour des dimensions définies d’un organe de compression centrifuge, la vitesse de rotation diminue. Le fluide tend en conséquence à s’écarter des faces incurvées des pales, notamment au niveau d’un bord de fuite. Cela entraîne une perte d’homogénéité de la circulation de fluide et une baisse de rendement de l’ensemble de sorte qu’il peut être nécessaire de surdimensionner le moteur pour obtenir une vitesse de rotation supérieure à la vitesse de rotation théorique nécessaire à l’obtention de la pression de fluide souhaitée.

La présente invention s’inscrit dans ce contexte en proposant un organe de compression centrifuge comprenant un disque et un ensemble de pales en saillie d’une surface du disque, l’ensemble de pales étant agencé en une alternance de pales principales et de pales secondaires disposées autour de l’ouverture, chacune des pales s’étendant selon une dimension principale curviligne entre un bord d’attaque et un bord de fuite disposé au niveau d’une périphérie du disque, caractérisé en ce que le bord de fuite d’au moins une pale secondaire est plus proche du bord de fuite d’une première pale principale adjacente que du bord de fuite d’une deuxième pale principale adjacente.

Le disque présente une forme avantageusement circulaire au centre duquel est relié un arbre d’entraînement en rotation. Cet arbre d’entraînement peut notamment traverser un orifice agencé au centre du disque et être fixé au disque par des moyens de serrage appropriés. Le disque est configuré pour être entraîné en rotation, par l’actionnement de cet arbre d’entraînement solidaire d’un moteur. Cette mise en rotation du disque, et des pales associées, permet la mise en compression d’un fluide, par exemple de l’air ou de l’eau, arrivant axialement sensiblement au centre du disque, en regard d’une surface du disque. On entend par arrivée axiale du fluide le fait que le fluide arrive selon une direction sensiblement parallèle à l’axe de rotation du disque. Le fluide est alors comprimé par centrifugation grâce à la mise en rotation à grandes vitesses de l’organe de compression.

Les pales sont préférentiellement toutes situées sur une même surface du disque, c’est-à-dire la surface orientée vers l’arrivée de fluide. L’alternance entre pales principales et pales secondaires est mise en place autour du centre du disque, et le cas échéant autour de l’orifice précédemment évoqué. L’organe de compression centrifuge comporte autant de pales principales que de pales secondaires sur le disque, deux pales principales s’étendant de part et d’autre d’une pale secondaire et deux pales secondaires s’étendant de part et d’autre d’une pale principale. Il en résulte qu’une première pale principale adjacente à une pale secondaire correspond également à une deuxième pale principale adjacente à une autre pale secondaire.

Les pales principales et les pales secondaires présentent toutes une forme courbe qui peut être définie par une dimension principale curviligne, mesurée du bord d’attaque au bord de fuite. La courbure de chacune des pales présente une allure identique ou similaire d’une pale à l’autre, que celles-ci soient des pales principales ou secondaires. Sur la surface du disque, aucune des pales n’est en contact d’une autre pale, et deux pales adjacentes, à savoir une pale principale et une pale secondaire participe à former un conduit de circulation de fluide depuis le centre du disque jusqu’à sa périphérie.

Selon l’invention, le bord de fuite de chaque pale secondaire est décalé de sorte qu’il ne se trouve plus à équidistance du bord de fuite des deux pales adjacentes disposées de part et d’autre de la pale secondaire.

Dans ce contexte, les inventeurs ont par ailleurs tenu compte des règles de construction classiques d’un organe de compression centrifuge. D’une part, ils ont laissé une distance significative entre le bord d’attaque d’une pale secondaire et le bord d’attaque de la première pale principale adjacente, afin que le fluide puisse toujours s’engouffrer entre les deux pales et présenter un débit sensiblement constant de l’entrée à la sortie de l’organe de compression. Et d’autre part ils ont calculé la forme courbe de chacune des pales de sorte que pour un cercle de rayon donné, en chaque point de contact de ce cercle avec une pale, l’angle entre le rayon et la tangente à la surface de la pale est le même pour chaque pale. De la sorte, on s’assure d’une vitesse homogène de fluide quelle que soit la pale le long de laquelle le fluide circule.

La forme curviligne d’une pale s’étend du bord d’attaque jusqu’au bord de fuite. Le bord d’attaque est le bord de chacune des pales le plus proche du centre du disque, c’est-à-dire le bord susceptible d’être en premier en contact avec l’air circulant dans l’organe de compression centrifuge. Le bord de fuite de chacune des pales est situé sur la périphérie du disque. Lorsque le fluide entre au sein de l’organe de compression centrifuge, celui-ci effectue un mouvement le long des pales, au sein d’un conduit délimité notamment par une pale principale, une pale secondaire et le disque, depuis le bord d’attaque jusqu’au bord de fuite des pales.

Notamment, le fluide est entraîné vers la périphérie du disque de manière à longer un extrados de chacune des pales principales et des pales secondaires. Il convient de noter que dans un organe de compression centrifuge, l’extrados est formé par l’intérieur de la forme curviligne des pales ou en d’autres termes la surface concave de ces pales.

Le rôle des pales secondaires est de scinder le conduit de circulation de fluide formé entre deux pales principales, afin de s’assurer que le fluide longe au maximum l’extrados d’une pale, que celle-ci soit une pale principale ou une pale secondaire. La présence des pales secondaires permet d’éviter des phénomènes liés à un éloignement trop important des pales principales l’une par rapport à l’autre et nuisant à l’homogénéité du flux de fluide, par exemple un tourbillonnement de celui-ci, qui peut être notamment dû à un phénomène de décrochage.

Les inventeurs ont pu démontrer que l’apparition du phénomène de décrochage pouvait notamment être due à une équirépartition du bord de fuite des pales l’un par rapport à l’autre.

En rapprochant le bord de fuite de la pale secondaire de la première pale principale adjacente, il convient de noter que l’on éloigne le bord de fuite de la pale secondaire du bord de fuite de la deuxième pale principale adjacente. Néanmoins, les inventeurs ont pu constater par le calcul que l’impact d’un éventuel phénomène de décrochage au niveau de l’extrados de la pale secondaire est minimisé par le fait que la dimension principale curviligne de la pale secondaire est réduite par rapport à la dimension principale curviligne de la pale principale.

Selon une caractéristique de l’invention, les pales secondaires se différencient des pales principales en ce que ces pales secondaires s’étendent selon une dimension principale curviligne moins grande qu’une dimension principale curviligne des pales principales. Chaque pale secondaire présente la même dimension principale curviligne, qui est inférieure à la dimension principale curviligne de chacune des pales principales. Le bord d’attaque d’une pale secondaire est plus éloigné de l’orifice que ne l’est le bord d’attaque d’une pale principale. En d’autres termes, les pales secondaires forment des interpales de dimensions réduites qui permettent d’optimiser le fonctionnement de l’organe de compression centrifuge.

Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, une distance entre le bord de fuite de la pale secondaire et le bord de fuite de la première pale principale adjacente est comprise entre 35% et 45% d’une distance totale entre le bord de fuite de la première pale principale adjacente et le bord de fuite de la deuxième pale principale adjacente. Le ratio entre les distances peut être déterminé indifféremment en considérant des distances calculées à la corde, c’est-à-dire correspondant à un segment de droite s’étendant entre les bords de fuite des deux pales concernées, ou bien en considérant des distances calculées à l’arc de cercle, c’est-à-dire correspondant à la partie périphérique du disque séparant les bords de fuite des deux pales concernées.

Dans ce raisonnement en termes de pourcentage, la distance totale entre les bords de fuite des pales principales adjacentes correspond à une valeur de 100%. A titre d’exemple, une distance, entre le bord de fuite de la pale secondaire et le bord de fuite de la première pale principale adjacente, égale à 50% de la distance totale correspond à une équirépartition, ou répartition angulaire régulière, du bord de fuite de la pale secondaire entre les bords de fuite de chacune des pales principales adjacentes.

Les inventeurs ont pu déterminer par le calcul qu’une distance comprise entre 35% et 45% de la distance totale telle qu’elle vient d’être évoquée constitue un compromis optimal entre d’une part une équirépartition des pales susceptible d’entraîner un phénomène de décrochage au niveau de la première pale adjacente, et d’autre part un rapprochement trop important entre le bord de fuite de la pale secondaire et le bord de fuite de la première pale principale adjacente pouvant créer un phénomène d’embouchure à l’entrée du conduit de circulation de fluide délimitée par la pale secondaire et la première pale adjacente.

Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, la distance entre le bord de fuite de la pale secondaire et le bord de fuite de la première pale principale adjacente est égale à 42% de la distance totale entre le bord de fuite de la première pale principale adjacente et le bord de fuite de la deuxième pale principale adjacente.

Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, une hauteur d’une pale est décroissante du bord d’attaque vers le bord de fuite. Par hauteur, il faut comprendre que cela correspond à une dimension perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire de chaque pale par rapport à la surface du disque. Plus particulièrement, la hauteur de chaque pale, qu’elle soit principale ou secondaire, peut être plus élevée au niveau du bord d’attaque qu’au niveau du bord de fuite. Une hauteur plus élevée des pales au niveau de leur bord d’attaque peut notamment permettre un meilleur guidage radial du fluide pour que celui- s’engage entre les pales dès qu’il parvient au niveau de l’organe de compression centrifuge.

Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’organe de compression comprend un couvercle solidaire de chacune des pales et s’étendant sensiblement parallèlement au disque, le couvercle, le disque et les pales étant configurés pour former une pluralité de conduits débouchant en périphérie entre le couvercle et le disque sur une pluralité d’ouvertures. Le couvercle vient ainsi refermer le disque afin de former un espace partiellement clos à l’exception de l’arrivée axiale de fluide et des ouvertures formées en sortie des conduits assurant la sortie radiale de fluide. Le couvercle comporte un alésage, sensiblement centré sur l’axe de rotation de l’organe de compression, qui est configuré pour mettre en place une arrivée de fluide par exemple.

Une face interne du couvercle, c’est-à-dire la face du couvercle en regard de la surface du disque où sont disposées les pales, présente une forme telle que le couvercle vient épouser la hauteur des pales.

Les conduits formés par le disque, les pales et le couvercle sont les conduits à travers lesquels circule le fluide jusqu’à sortir par les ouvertures situées sur tout le pourtour de l’organe de compression, entre la périphérie du disque et la périphérie du couvercle. Il est à noter que les dimensions de ces ouvertures diffèrent en fonction de la distance entre le bord de fuite d’une pale secondaire et le bord de fuite de la pale principale adjacente participant à former avec ladite pale secondaire le conduit de circulation de fluide. Autrement dit, l’ouverture d’un conduit délimité par une pale principale secondaire et par la première pale adjacente à celle-ci est plus étroite que l’ouverture d’un conduit délimité par cette même pale secondaire et la deuxième pale principale adjacente à celle-ci.

Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’organe de compression centrifuge est configuré pour être entraîné en rotation autour d’un axe de rotation passant par le centre du disque, la rotation s’effectuant selon un sens de rotation relatif à un sens allant du bord de fuite d’une pale secondaire au bord de fuite de la première pale adjacente de ladite pale secondaire.

Selon une caractéristique optionnelle de l’invention, l’organe de compression centrifuge est réalisé par des moyens de fabrication additive. Il s’agit d’une fabrication préférentielle lorsque la demande est élevée par rapport à l’offre. Parmi ces procédés de fabrication additive, on peut par exemple citer les procédés d’impression tridimensionnelle, qui mettent en œuvre des imprimantes 3D de plus en plus accessibles dans le commerce. Avantageusement, de tels procédés de fabrication peuvent être rapidement mis en œuvre car ils ne nécessitent pas d’outillages particuliers autres que la machine de fabrication. Contrairement à une fabrication par injection par exemple, pour laquelle des moules sont nécessaires, il est uniquement nécessaire ici d’être équipé d’un appareil de fabrication additive et du matériau utilisé, par exemple de la poudre de polyamide PA12, ce qui permet de ne pas être tributaire de la disponibilité des moules en cas de besoin de fabrication en urgence. L’utilisation de ce genre de procédé de fabrication permet de réaliser l’intégralité de l’organe de compression centrifuge en une seule étape, ou par exemple en deux parties que l’on vient par la suite fixer entre elles, et de manière préférentielle en réalisant l’ensemble du procédé de fabrication dans un seul et même lieu.

Notamment dans le cas d’application de tels organes de compression centrifuge à des dispositifs d’assistance à la respiration, une telle obtention par fabrication additive permet de produire des dispositifs d’assistance à la respiration en quantité suffisante pour répondre à la demande lorsque celle-ci explose, et que les transports de marchandises sont limités, tel que cela fut le cas pendant la dernière pandémie mondiale.

L’invention couvre tout type de dispositif nécessitant l’intégration d’un organe de compression centrifuge, que ces dispositifs fonctionnent avec de l’air ou de l’eau par exemple. Notamment, il peut être particulièrement avantageux de prévoir des pompes à eau dans lequel un organe de compression centrifuge conforme à ce qui vient d’être décrit est intégré.

L’invention couvre également un dispositif de ventilation comprenant un moteur, une volute et un organe de compression centrifuge tel que décrit précédemment, le moteur entraînant en rotation l’organe de compression centrifuge à l’intérieur de la volute.

Le moteur comporte un arbre d’entraînement en rotation, rendu solidaire, tel qu’évoqué précédemment, du disque de l’organe de compression. Lorsque le moteur est mis en marche, l’arbre d’entraînement en rotation tourne à grandes vitesses et génère la rotation de l’organe de compression.

La volute est fixe par rapport au stator du moteur, et le cas échéant par rapport à un support moteur configuré pour recevoir le moteur. La volute est creuse de manière à comporter un logement de réception de l’organe de compression. Lorsque ce dernier est mis en rotation à grande vitesse, le fluide, ici de l’air, amené à circuler le long des conduits entre les pales sort par les ouvertures évoquées précédemment et se retrouve comprimé par centrifugation contre la volute. Cette dernière comprend une sortie d’air assurant l’évacuation de l’air comprimé afin qu’il puisse circuler en aval de l’organe de compression pour répondre à un besoin quelconque.

Le support moteur peut assurer le maintien mécanique du moteur, de la volute et de l’organe de compression. Tout comme l’organe de compression, la volute ainsi que le support moteur peuvent être réalisés par fabrication additive.

L’invention couvre également un dispositif d’assistance à la respiration comprenant un dispositif de ventilation tel que décrit précédemment. Pour une telle application du dispositif de ventilation, la volute est raccordée fluidiquement de sorte que l’air comprimé issu du dispositif de ventilation peut circuler jusqu’à un dispositif médical remplissant et vidant les poumons d’un patient intubé. Le dispositif d’assistance à la respiration peut par exemple comprendre un tube d’entrée et de sortie comprenant chacun une électrovanne qui s’ouvre et se ferme afin reproduire les conditions d’inspiration et d’expiration d’un patient, afin notamment de maintenir le patient intubé dans un état stable.

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront encore au travers de la description qui suit d’une part, et de plusieurs exemples de réalisation donnés à titre indicatif et non limitatif en référence aux dessins schématiques annexés d’autre part, sur lesquels :

est une vue en perspective d’un organe de compression centrifuge selon l’invention,

est une première vue en coupe de l’organe de compression centrifuge de la figure 1, permettant d’observer un disque et une pluralité de pales participant à former l’organe de compression,

représente un détail de la vue en coupe précédente illustrant une caractéristique de l’invention relative à la disposition des bords de fuite des pales,

représente une deuxième vue en coupe de l’organe de compression centrifuge de la figure 1,

est une représentation schématique d’une simulation de circulation de fluide au sein d’un organe de compression centrifuge comportant une première disposition des pales, non conforme à l’invention,

est une représentation schématique d’une simulation de circulation de fluide au sein d’un organe de compression centrifuge comportant une deuxième disposition des pales, non conforme à l’invention,

est une représentation schématique d’une simulation de circulation de fluide au sein d’un organe de compression centrifuge comportant une troisième disposition des pales, conformément à l’invention,

est une représentation en perspective d’un dispositif de ventilation selon un aspect de l’invention,

est un schéma représentant la circulation de l’air au sein d’un dispositif d’assistance respiratoire comprenant le dispositif de ventilation de la figure 8.

La figure 1 est une représentation d’un organe de compression centrifuge 1 conforme à un aspect de l’invention L’organe de compression centrifuge 1 comprend un disque 2 recouvert par un couvercle 3 et entre lesquels sont agencés des pales 5. Le disque 2 et le couvercle 3 peuvent être deux pièces fabriquées individuellement l’une par rapport à l’autre puis solidarisées entre elles, par exemple par collage. Le disque 2 et le couvercle 3 peuvent également former une seule et même pièce monobloc. Avantageusement, l’organe de compression centrifuge 1 est réalisé par fabrication additive, notamment par impression tridimensionnelle. Un tel procédé de fabrication permet une réalisation de l’organe de compression centrifuge à grande échelle, sans qu’il soit nécessaire de réaliser au préalable des moules, contrairement aux opérations de fabrication par injection.

Le disque 2 et le couvercle 3 présente tous deux une forme circulaire de diamètre identique ou sensiblement identique l’un par rapport à l’autre.

Dans l’exemple illustré, le disque 2 comprend un orifice 4 au centre de sa forme circulaire. L’orifice 4 permet une mise en place d’un arbre d’entraînement en rotation rendu solidaire d’un rotor d’un moteur électrique dont la mise en fonctionnement permet une mise en rotation de l’organe de compression centrifuge 1.

Le couvercle 3 comprend en son centre un collet 9, formant saillie du côté opposé au disque, vers l’extérieur de l’organe de compression 1. Le collet 9 participe à délimiter un alésage permettant d’assurer l’arrivée d’un fluide au sein de l’organe de compression 1. Le fluide peut être par exemple de l’air, de l’eau, ou tout autre fluide liquide ou gazeux répondant à un besoin relatif à la mise en œuvre de l’organe de compression centrifuge 1. Il sera plus particulièrement évoqué par la suite un fluide sous forme d’air, dans le cadre d’une application avantageuse, mais non limitative, de l’organe de compression centrifuge dans un dispositif de ventilation intégré dans un dispositif d’assistance à la respiration.

Le fluide circule à travers l’alésage délimité par le collet 9 et pénètre entre le disque 2 et le couvercle 3. La rotation de l’organe de compression centrifuge 1 permet l’évacuation radiale du fluide par centrifugation. Ce dernier sort via des ouvertures 8 formées sur une périphérie de l’organe de compression, entre le disque 2 et le couvercle 3. L’organe de compression centrifuge 1 peut ainsi être intégré au sein d’un dispositif de ventilation tel que cela sera décrit en détails par la suite.

Les ouvertures 8 sont délimitées par des bords d’extrémité de pales agencée entre le disque et le couvercle, deux de ses pales 5 étant notamment visibles à travers l’alésage délimité par le collet 9.

On va maintenant décrire plus particulièrement la disposition des pales de l’organe de compression centrifuge, en référence à la figure 2, qui est une vue en coupe de l’intérieur de l’organe de compression centrifuge permettant de voir le disque 2 dans son ensemble.

La vue en coupe rend plus particulièrement visible la forme circulaire du disque 2 et la pluralité de pales 5, 6 formant saillie du disque, et plus particulièrement de la surface destinée à être en regard du couvercle, non visible sur la figure 2. Les pales sont agencées autour du centre du disque, et dans le cas présent de l’orifice 4, et elles s’étendent toutes jusqu’à un bord périphérique 22 du disque. Le disque 2 est configuré pour être entraîné en rotation selon un sens de rotation 21.

Le disque comporte aussi bien des pales principales 5, dont deux étaient visibles à travers l’alésage sur la figure 1, que des pales secondaires 6. Les pales principales 5 et les pales secondaires 6 se différencient entre elles par leur dimension principale curviligne, les pales secondaires 6 présentant une dimension principale curviligne plus petite que celle des pales principales 5.

Les pales principales 5 et les pales secondaires 6 sont réparties angulairement de manière alternée. En d’autres termes, chacune des pales principales 5 est disposée entre deux pales secondaires 6, et chaque pale secondaire 6 est disposée entre deux pales principales 5. L’alternance des pales est notamment visible sur le bord périphérique 22, sur lequel débouchent, en considérant le sens de rotation 21 précédemment évoqué, une pale principale et une pale secondaire en alternance. Le disque 2 comporte autant de pales principales 5 que de pales secondaires 6. Dans l’exemple illustré sur la figure 2, quatre pales principales 5 et quatre pales secondaires 6 sont agencées sur le disque 2, sans que ce nombre soit limitatif de l’invention.

Chacune des pales principales 5 ou secondaires 6 présente une structure semblable aux autres pales. Notamment, chaque pale se caractérise par une forme incurvée avec un squelette dont la dimension principale curviligne, correspondant à la dimension principale curviligne précédemment évoquée de la pale, s’étend d’un bord d’attaque 53, 61 proche du centre du disque à un bord de fuite 54, 62 agencé au niveau du bord périphérique 22 du disque 2. Chacun des bords de fuite est au niveau du bord périphérique 22 du disque 2, que ce soient les bords de fuite 54 des pales principales 5 ou bien les bords de fuite 62 des pales secondaires 6. En revanche, du fait de la dimension principale curviligne plus petite des pales secondaires tel que précédemment évoqué, les bords d’attaque 61 des pales secondaires 6 sont plus éloignés du centre du disque que ne le sont les bords d’attaque 53 des pales principales 5.

Par ailleurs, chaque squelette d’une pale est délimité, perpendiculairement à la dimension principale curviligne des pales, par une face formant intrados et une face formant extrados. Chaque pale principale 5 comprend un intrados 55 et un extrados 56, et chaque pale secondaire 6 comprend un intrados 63 et un extrados 64. Tel que cela est visible sur la figure 2, l’organe de compression centrifuge est configuré de sorte que l’intrados de chacune des pales correspond à l’extérieur de la forme incurvée de celles-ci, c’est-à-dire à la face convexe des pales, tandis que l’extrados de chacune des pales correspond à l’intérieur de la forme incurvée de celles-ci, c’est-à-dire à la face concave des pales.

Lorsque le fluide entre au sein de l’organe de compression centrifuge entre le disque 2 et le couvercle 3, celui-ci circule le long de conduits 10 respectivement formés entre une pale principale et une pale secondaire jusqu’à sortir de l’organe de compression centrifuge par l’une des ouvertures 8 observables sur la figure 1. Plus particulièrement, le fluide est apte à circuler dans des premiers conduits 10a, délimités par l’extrados d’une pale principale et l’intrados de la pale secondaire en regard, ou dans des deuxièmes conduits 10b, délimités par l’intrados d’une pale principale et l’extrados de la pale secondaire en regard. Dans chacun de ces conduits 10a, 10b, le fluide tend à circuler préférentiellement en longeant l’extrados de la pale correspondante. La forme curviligne des pales est configurée de sorte que, lors de la rotation du disque 2 selon le sens de rotation 21, le bord d’attaque soit le premier au contact du fluide et que le fluide soit au contact du bord de fuite juste avant de quitter l’organe de compression.

On va maintenant décrire plus précisément la répartition des pales, et plus particulièrement des bords de fuite, sur le bord périphérique 22 du disque, notamment en référence aux figures 2 et 3. Pour une pale secondaire 6 encadrée par une première pale principale adjacente 51 et une deuxième pale principale adjacente 52, la particularité de l’agencement des pales selon l’invention est que le bord de fuite 62 de ladite pale secondaire 6 est plus proche du bord de fuite 54 de la première pale principale adjacente 51 que du bord de fuite 54 de la deuxième pale principale adjacente 52. En d’autres termes, et tel que cela est visible sur la figure 2 par exemple, le bord de fuite 62 de la pale secondaire 6 n’est pas équidistant des bords de fuite 54 des deux pales principales adjacentes 51, 52.

La pale principale dont la pale secondaire est la plus proche est choisie en fonction du sens de rotation et de l’orientation de la courbure des pales. Il est notable que les pales principales et secondaires sont configurées sur le disque de telle sorte que le bord de fuite 62 de la pale secondaire 6 est plus proche du bord de fuite 54 de la pale principale 5 qui suit la pale secondaire 6 par rapport au sens de rotation 21 du disque 2. Et il est par ailleurs notable que les pales principales et secondaires sont configurées sur le disque de telle sorte que le bord de fuite 62 de la pale secondaire 6 est plus proche du bord de fuite 54 de la pale principale 5 qui participe à former avec la pale secondaire un premier conduit 10a, c’est-à-dire un conduit délimité par l’extrados de la pale principale et l’intrados de la pale secondaire. En d’autres termes, chaque pale secondaire présente un bord de fuite qui est plus proche du bord de fuite de la pale principale adjacente dont l’extrados est tourné vers ladite pale secondaire que du bord de fuite de la pale principale adjacente dont l’intrados est tourné vers ladite pale secondaire.

En opérant un tel rapprochement, la dimension du premier conduit 10a est diminuée entre les deux pales qui participent à le délimiter, et le fluide est ainsi forcé à longer l’extrados 56 de la première pale principale adjacente 51. On évite ainsi l’apparition d’un phénomène de décrochage au niveau du bord de fuite de l’extrados et l’on éviter ainsi la formation d’un tourbillonnement du fluide ou tout autre effet nuisant à l’homogénéité de la circulation de fluide en sortie de l’organe de compression centrifuge.

Le deuxième conduit 10b présente ainsi une dimension entre les pales qui est plus grande que celle du premier conduit 10a. La dimension principale curviligne de la pale secondaire par rapport à celle de la pale principale fait que l’impact d’un phénomène de décrochage au niveau de la pale secondaire 6 est minime comparé à un phénomène de décrochage au niveau de la pale principale 5.

Ces différents impacts, et l’intérêt de la répartition non régulière des bords de fuite sur le bord périphérique du disque, ont pu être considérés par des calculs réalisés par les inventeurs et qui seront décrits ci-après.

Il convient de noter que la modification de la position du bord de fuite 62 de la pale secondaire 6 est faite en modifiant un degré de courbure de la dimension principale de la pale secondaire 6 et non en modifiant la position entière de la pale secondaire 6. Tel que cela est visible sur la figure 2, le bord d’attaque 61 de chaque pale secondaire 6 est en effet maintenu sensiblement équidistant des pales principales adjacentes 51, 52 disposées de part et d’autre de la pale secondaire 6. Cela permet de former un premier conduit 10a et un deuxième conduit 10b, de part et d’autre de la pale secondaire, qui présente une section de passage en entrée sensiblement égale d’un conduit à l’autre, ce qui assure un débit constant de fluide circulant dans chacun de ces conduits, sans créer de bouchon à l’entrée notamment du premier conduit 10a.

La figure 3 représente une portion agrandie de la figure 2 et montre uniquement l’une des pales secondaires 6 encadré par ses deux pales principales adjacentes 51, 52. Il est à noter qu’au vu de l’alternance entre les pales principales 5 et les pales secondaires 6 sur le disque, une première pale principale adjacente 51 d’une pale secondaire 6 est nécessairement une deuxième pale principale adjacente 52 d’une autre pale secondaire 6. Ainsi, par souci de clarté, seules une pale secondaire 6 et ses deux pales principales adjacentes 51, 52 sont représentées.

Cette représentation permet de mieux observer la distance entre les bords de fuite de chaque pale et la caractéristique de l’invention selon laquelle le bord de fuite de la pale secondaire 6 est plus proche du bord de fuite de la première pale adjacente 51 qu’il ne l’est du bord de fuite de la deuxième pale adjacente 52.

Dans ce qui suit, les distances d’un bord de fuite à l’autre sont considérées à la corde, c’est-à-dire en considérant le segment de droite tiré entre les deux bords de fuite. Il convient de noter que d’autres façons de mesurer les distances pourraient être mises en œuvre dès lors qu’elles sont effectuées de façon uniforme pour pouvoir exprimer un ratio entre les distances qui soit fiable.

Les bords de fuite 54 des pales principales 5 sont séparés l’un par rapport à l’autre d’une distance totale 500. Le bord de fuite 62 de la pale secondaire 6 est quant à lui situé à une distance 600 du bord de fuite 54 de la première pale principale adjacente 51 et à une distance additionnelle 601 du bord de fuite 54 de la deuxième pale principale adjacente 52.

Tel que cela a été précisé, le bord de fuite 62 de la pale secondaire 6 est selon l’invention plus proche du bord de fuite de la première pale adjacente que du bord de fuite de la deuxième pale adjacente. En d’autres termes, la distance 600 précédemment évoquée est plus petite que la distance additionnelle 601.

La position optimale du bord de fuite 62 de la pale secondaire est définie par un ratio entre d’une part la distance 600 entre le bord de fuite 62 de la pale secondaire 6 et le bord de fuite 54 de la première pale principale adjacente 51 et d’autre part la distance totale 500 entre les bords de fuite des deux pales principales adjacentes 51, 52. Si l’on considère la distance totale 500 comme représentant une valeur relative de 100%, des pales équiréparties impliqueraient une distance 600 et une distance additionnelle 601 de l’ordre de 50% de cette distance totale 500.

Selon l’invention, la distance 600 est strictement inférieure à 50% de la distance totale et la distance additionnelle 601 est, de façon complémentaire, strictement supérieure à 50%, la somme des deux distances 600, 601 étant égale à 100%.

Les inventeurs ont pu déterminer, tel que cela sera illustré par la suite, que de manière avantageuse, la distance 600 est optimale lorsqu’elle présente une valeur comprise entre 35% et 45% de la distance totale, la distance additionnelle 601 présentant de manière correspondante une valeur comprise entre 55% et 65% de la distance totale. De telles valeurs permettent de limiter le phénomène de décrochage pouvant survenir au niveau de l’extrados de la première pale principale adjacente 51 dans le premier conduit 10a, en rapprochant la pale secondaire de la première pale principale adjacente 51, mais sans pour autant provoquer un phénomène de décrochage trop important au niveau de l’extrados de la pale secondaire 6, qui tend à s’éloigner de la deuxième pale principale adjacente.

En référence à la figure 2, l’ensemble des pales secondaires 6 est agencé entre les pales principales de sorte que les bords de fuite 62 des pales secondaires 6 de l’organe de compression centrifuge sont tous situés à la même distance 600 de leur première pale principale adjacente 51 respective.

La figure 4 présente une deuxième coupe de l’organe de compression centrifuge 1, cette fois effectuée de manière perpendiculaire à un plan principale d’allongement du disque 2. La coupe de la figure 4 permet notamment de constater que la hauteur de chacune des pales est décroissante à partir de son bord d’attaque jusqu’à son bord de fuite. Par hauteur des pales, il faut comprendre que cela correspond à une dimension des pales perpendiculaire ou sensiblement perpendiculaire à la surface du disque 2. Dans ce contexte, le couvercle 3 ne s’étend pas de manière strictement parallèle à la dimension principale du disque 2, le couvercle 3 étant configuré pour être au contact des pales de manière à former des conduits 10a, 10b étanches pour la circulation du fluide de manière centrifuge depuis le centre du disque jusqu’à son bord périphérique.

On va maintenant faire référence à des représentations schématiques de simulations aérauliques d’organes de compression centrifuge, pour justifier des valeurs optimales trouvées par les inventeurs pour positionner le bord de fuite des pales secondaires par rapport aux bords de fuite des pales principales.

La figure 5 correspond à un organe de compression centrifuge dans lequel un bord de fuite 62 de la pale secondaire 6 est prévu équidistant des bords de fuite 54 des pales principales adjacentes 51 et 52, la distance entre un bord de fuite de la pale secondaire et le bord de fuite de la première pale principale adjacente correspondant donc à une valeur de 50% de la distance totale entre les bords de fuite des pales principales. La figure 6 correspond à un organe de compression centrifuge dans lequel un bord de fuite 62 de la pale secondaire 6 est positionné à une distance du bord de fuite 54 de la première pale principale adjacente 51 correspondant à une valeur relative de 32% de la distance totale entre les bords de fuite des pales principales. La figure 7 correspond à un organe de compression centrifuge dans lequel un bord de fuite 62 de la pale secondaire 6 est positionné à une distance du bord de fuite 54 de la première pale principale adjacente 51 correspondant à une valeur relative de 42% de la distance totale entre les bords de fuite des pales principales.

Chacune des figures illustre le déplacement d’un fluide dans un dispositif de ventilation équipé d’un organe de compression centrifuge, tel qu’il sera décrit ci-après par exemple en référence à la figure 8, pour une vitesse de rotation donnée et un débit de fluide donné. Plus particulièrement, ces figures rendent compte de la vitesse relative du fluide dans l’organe de compression centrifuge, entre les pales mobiles, et la vitesse absolue du fluide dans une volute 12 fixe entourant l’organe de compression. Les figures ne permettent donc pas de rendre compte de la continuité des vecteurs vitesse du fluide, au niveau du bord périphérique 22, au passage dans la volute, qui ne tourne pas et dans laquelle le repère est fixe.

La vitesse relative correspond à la vitesse du fluide par rapport à la pale, dans un repère relatif qui tourne donc avec l’organe de compression centrifuge. La vitesse relative est illustrée sur les figures avec une teinte d’autant plus sombre qu’elle est basse.

Sur chacune des figures, au moins une zone sombre 700 est entourée en pointillés. Cette zone sombre 700 correspond à une zone où la vitesse relative du fluide est faible, voire inexistante. Autrement dit, c’est au niveau de cette zone sombre 700 qu’il y a un phénomène de décrochage du fluide de l’extrados de la pale concernée.

Sur la figure 5, avec des bords de fuite équirépartis, il est possible de constater deux zones sombres 700 localisées à proximité du bord de fuite 54 et au niveau de l’extrados de chacune des pales principales 5. Un phénomène de décrochage peut ainsi se produire au bord de fuite des pales principales 5 dès lors que l’on atteint un certain seuil de pression et/ou de débit du fluide. Dans ce contexte, les inventeurs ont cherché à trouver un autre agencement des pales, qui diffère de la répartition angulaire régulière de la figure 5.

Sur la figure 6, la distance entre le bord de fuite 62 de la pale secondaire 6 et le bord de fuite 54 de la première pale principale adjacente 51 présente une valeur de 32% de la distance totale entre les bords de fuite des pales principales. On a donc une distance additionnelle, entre le bord de fuite 62 de la pale secondaire 6 et le bord de fuite 54 de la deuxième pale principale adjacente 52, d’une valeur de 71% de la distance totale entre les bords de fuite des pales principales. Plus aucune zone sombre 700 n’est visible au niveau de l’extrados des pales principales 5 et l’on peut en déduire que le risque de décrochage au niveau des pales principales est limité dans cette configuration. En revanche, il convient de noter dans le deuxième conduit 10b deux phénomènes pénalisant le bon fonctionnement de l’organe de compression centrifuge. Tout d’abord une zone sombre 700 est visible au niveau de l’extrados de la pale secondaire 6. Bien qu’un phénomène de décrochage au niveau de la pale secondaire 6 soit de moindre amplitude qu’un phénomène de décrochage survenant au niveau des pales principales 5, le phénomène de décrochage sur la figure 6 apparaît toutefois trop marqué pour être ignoré au vu de la superficie de la zone sombre 700. Par ailleurs, on peut constater une plus grande dispersion dans la direction des vecteurs vitesses dans le deuxième conduit 10b, particulièrement élargi dans cette configuration, de sorte que la continuité d’écoulement du fluide au passage dans la volute peut être perturbée. Les inventeurs ont pu en déduire que le bord de fuite 62 de la pale secondaire 6 est ici trop proche du bord de fuite 54 de la première pale principale adjacente 51.

Sur la figure 7, la distance entre le bord de fuite 62 de la pale secondaire 6 et le bord de fuite 54 de la première pale principale adjacente 51 présente une valeur de 42% de la distance totale entre les bords de fuite des pales principales. Des zones sombres 700 sont toujours présentes mais elles présentent ici l’avantage d’être réparties équitablement sur chaque pale, aussi bien les pales principales que les pales secondaires, et surtout de s’étendre respectivement sur une superficie minime, en comparaison avec les représentations précédentes. Les inventeurs ont pu ainsi constater qu’une valeur de 42% constitue un bon compromis en termes de distance entre le bord de fuite 62 de la pale secondaire 6 et le bord de fuite 54 de la première pale principale adjacente 51, et ce afin de minimiser les phénomènes de décrochage qui sont toujours présents au niveau des pales principales 5 et des pales secondaires 6 mais de manière moindre et plus homogène. Il a été déterminé qu’une valeur de 42% est une valeur optimale.

Par d’autres sessions de calcul, ici non représentées, les inventeurs ont pu ainsi déterminer une plage de valeurs de distance entre le bord de fuite de la pale secondaire et le bord de fuite de la première pale principale adjacente, comprise entre 35% et 45%, qui permet d’obtenir des résultats satisfaisants.

La figure 8 représente un dispositif de ventilation 11 au sein duquel est intégré l’organe de compression centrifuge décrit précédemment. Le dispositif de ventilation 11 comporte au moins une volute 12 et un moteur 13, ainsi que l’organe de compression centrifuge, non visible sur la figure 8 car disposé au sein d’un volume interne de la volute.

La volute 12 est une structure fixe qui comprend une entrée de fluide 121 et une sortie de fluide 122. L’entrée de fluide 121 est disposée en regard du collet délimitant l’alésage du couvercle de l’organe de compression centrifuge visible sur les figures 1 et 4. Il est ainsi possible de brancher un tuyau sur cette entrée d’air 121 afin de faire circuler le fluide jusqu’à l’intérieur de la volute 12 et au sein de l’organe de compression centrifuge. Lorsque ce dernier est mis en rotation, le fluide est évacué de l’organe de compression centrifuge par centrifugation tel que cela a été décrit précédemment et se retrouve au niveau d’une périphérie du volume interne de la volute 12. Cette dernière présente une forme en spirale de laquelle débouche la sortie d’air 122, de sorte que le fluide, entraîné par la rotation de l’organe de compression centrifuge, s’échappe de ce dernier et poursuive ledit mouvement de rotation jusqu’à sortir de la volute par la sortie d’air 122. Cette dernière peut également être raccordée à un tuyau afin que le fluide comprimé puisse circuler vers un élément nécessitant un apport en fluide comprimé.

Le moteur 13 est disposé à l’opposé de l’entrée d’air 121 par rapport à la volute 12, et le dispositif de ventilation 11 peut comporter un support moteur 14 apte à assurer la position du moteur 13 par rapport à la volute et l’organe de compression centrifuge. Le moteur 13 a pour fonction d’entraîner en rotation l’organe de compression centrifuge au sein de la volute 12, via un arbre d’entraînement solidaire en rotation du rotor du moteur. L’alimentation du moteur 13 est pilotée de manière à fournir à l’organe de compression centrifuge 1 une vitesse de rotation appropriées pour mettre le fluide à une pression souhaitée en sortie du dispositif de ventilation.

Le support de moteur 14 permet de maintenir le moteur 13 contre la volute 12. Le support de moteur 14 comprend également une pluralité de moyens de fixations permettant le maintien mécanique du dispositif de ventilation 11 dans son intégralité.

Tout comme l’organe de compression centrifuge, la volute 12 et le support de moteur 14 peuvent être conçus par fabrication additive. Ces trois éléments étant fabriqués de manière simple et rapide, il ne reste plus qu’à intégrer le moteur 13 et à mettre en œuvre toutes les fixations mécaniques afin d’obtenir le dispositif de ventilation 11 sous sa forme entièrement montée.

Le dispositif de ventilation 11 tel qu’il vient d’être évoqué est destiné à être utilisé dans un dispositif d’assistance à la respiration 100, illustré schématiquement à la figure 9. Ce dispositif d’assistance à la respiration 100 comporte un boîtier 15 à l’intérieur duquel sont agencés plusieurs composants parmi lesquels le dispositif de ventilation 11. Le boîtier 2 présente sur une face avant une interface homme-machine 16, permettant de paramétrer le fonctionnement du dispositif d’assistance à la respiration 100 en fonction de l’état du patient et du type de détresse respiratoire qui le concerne, et deux embouts de raccordement 70, l’un étant raccordé à un tuyau d’admission d’air 71 et l’autre étant raccordé à un tuyau d’évacuation 72, ces deux tuyaux permettant l’intubation du patient pour forcer alternativement l’inspiration et l’expiration de celui-ci. Le boîtier 2 loge, outre le dispositif de ventilation 11, des conduits de circulation de fluide et des vannes permettant de bloquer ou autoriser le passage de fluide en direction du patient ou depuis le patient. Plus particulièrement, la sortie d’air 122 du dispositif de ventilation 11 est raccordée à un conduit d’alimentation 73 sur lequel est disposée une première vanne 75, par exemple une électrovanne, qui bloque ou autorise le passage d’air en direction du tuyau d’admission d’air 71. Un conduit d’arrivée d’oxygène 74 peut également être présent de manière à être raccordé au conduit d’alimentation 73 en amont de cette première vanne 75. Un conduit de retour de dioxyde de carbone 77 est disposé dans le boîtier 2, dans le prolongement du tuyau d’évacuation 72, et une deuxième vanne 76, par exemple une électrovanne, est configurée pour bloquer ou autoriser l’expiration du patient.

La fixation du dispositif de ventilation 11 dans le dispositif d’assistance à la respiration 100 peut par exemple être effectuée par l’intermédiaire des conduits respectivement fixés à l’entrée d’air 121 et la sortie d’air 122.

L’invention, telle qu’elle vient d’être décrite, atteint bien le but qu’elle s’était fixée, à savoir permettre l’obtention d’un compresseur centrifuge de taille et/ou de vitesse de rotation réduites en minimisant le décrochage des pales. Des variantes non décrites ici pourraient être mises en œuvre sans sortir du contexte de l’invention, dès lors qu’elles comprennent un organe de compression centrifuge conforme à l’invention, comportant des pales secondaires non équiréparties.

Claims (10)

1. Organe de compression centrifuge (1) comprenant un disque (2) et un ensemble de pales (5, 6) en saillie d’une surface du disque (2), l’ensemble de pales (5, 6) étant agencé en une alternance de pales principales (5) et de pales secondaires (6) disposées autour de l’orifice (4), chacune des pales (5, 6) s’étendant selon une dimension principale curviligne entre un bord d’attaque (53, 61) et un bord de fuite (54, 62) disposé au niveau d’une périphérie (22) du disque (2), caractérisé en ce que le bord de fuite (62) d’au moins une pale secondaire (6) est plus proche du bord de fuite (54) d’une première pale principale adjacente (51) que du bord de fuite (54) d’une deuxième pale principale adjacente (52).
2. Organe de compression centrifuge (1) selon la revendication 1, dans lequel une distance (600) entre le bord de fuite (62) de la pale secondaire (6) et le bord de fuite (54) de la première pale principale adjacente (51) est comprise entre 35% et 45% d’une distance totale (500) entre le bord de fuite (54) de la première pale principale adjacente (51) et le bord de fuite (54) de la deuxième pale principale adjacente (52).
3. Organe de compression (1) selon la revendication précédente, dans lequel la distance (600) entre le bord de fuite (62) de la pale secondaire (6) et le bord de fuite (54) de la première pale principale adjacente (51) est de l’ordre de 42% de la distance totale (500) entre le bord de fuite (54) de la première pale principale adjacente (51) et le bord de fuite (54) de la deuxième pale principale adjacente (52).
4. Organe de compression (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les pales secondaires (6) se différencient des pales principales (5) en ce que ces pales secondaires s’étendent selon une dimension principale curviligne moins grande qu’une dimension principale curviligne des pales principales.
5. Organe de compression (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une hauteur d’une pale (5, 6) est décroissante du bord d’attaque (53, 61) vers le bord de fuite (54, 62).
6. Organe de compression (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un couvercle (3) solidaire de chacune des pales (5,6) et s’étendant sensiblement parallèlement au disque (2), le couvercle (3), le disque (2) et les pales (5, 6) étant configurés pour former une pluralité de conduits (10) débouchant en périphérie entre le couvercle et le disque sur une pluralité d’ouvertures (8).
7. Organe de compression (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, configuré pour être entraîné en rotation autour d’un axe de rotation passant par le centre du disque, la rotation s’effectuant selon un sens de rotation (21) relatif à un sens allant du bord de fuite (62) d’une pale secondaire (6) au bord de fuite (54) de la première pale adjacente (51) de ladite pale secondaire (6).
8. Organe de compression (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il est réalisé par des moyens de fabrication additive.
9. Dispositif de ventilation (11) comprenant un moteur (13), un support moteur (14), une volute (12) et un organe de compression centrifuge (1) selon l’une quelconque des revendications précédentes, le moteur (13) entraînant en rotation l’organe de compression centrifuge (1) à l’intérieur de la volute (12).
10. Dispositif d’assistance à la respiration (100) comprenant un dispositif de ventilation (11) selon la revendication précédente.