IT202000017818A1 - Turbina per spirometro perfezionata - Google Patents

Description

Descrizione di un brevetto d'invenzione

DESCRIZIONE

Forma oggetto del presente trovato una turbina per spirometro, secondo la unita rivendicazione principale.

Come ? noto, uno spirometro ? uno strumento medicale che ? utilizzato per misurare i volumi e i flussi d'aria polmonari e la funzionalit? respiratoria di un soggetto.

Un elemento importante dello spirometro ? costituito dal misuratore di flusso e di volume d'aria che, tra le varie tipologie idonee a svolgere questa funzione, pu? essere una turbina amovibile (anche di tipo "usa e getta") impiegata per l'analisi respiratoria in inspirazione ed espirazione. La turbina comprende usualmente un corpo tubolare principale, che pu? essere trasparente, un rotore avente palette contrapposte, posto centralmente a tale corpo e rotante attorno ad un asse longitudinale del corpo tubolare, e due deflettori, usualmente identici, disposti in corrispondenza o in vicinanza di una apertura di ingresso e di una apertura di uscita del corpo tubolare. Il rotore ? cos? interposto tra i deflettori.

La turbina ? associata ad una sede prevista in un corpo dello spirometro.

Tramite sensori ad infrarosso solidali a tale corpo dello spirometro, viene rilevata in modo in s? noto la rotazione del rotore (o equipaggio mobile dello spirometro) e viene calcolato il flusso d'aria entrante dal deflettore di "ingresso" (ovvero posto in corrispondenza dell'apertura di ingresso del corpo tubolare).

Spesso, a tale apertura ? anche associato un boccaglio.

Con modalit? note, dal flusso d'aria entrante viene rilevata la funzionalit? polmonare del soggetto.

Ogni deflettore comprende usualmente un corpo anulare inserito nel corpo tubolare della turbina e qui bloccato per interferenza; tale corpo anulare ? solidale ad una pluralit? di pale fissate ad un fulcro posto centralmente al corpo anulare e disposto lungo un asse longitudinale del deflettore (ovvero del suo corpo anulare) coincidente con l'asse longitudinale del corpo tubolare della turbina.

Le pale definiscono una pluralit? di settori (o aperture) attraverso i quali passa l'aria inspirata o espirata dal soggetto durante una misura spirometrica.

I deflettori trattengono tra essi il rotore e ne permettono la rotazione sotto l'azione del flusso d'aria generato dal soggetto (in inspirazione o espirazione).

In uno spirometro sono molto importanti due fattori e cio? la resistenza al flusso d'aria o perdita di carico attraverso la turbina e la soglia del flusso minimo d'aria misurabile (che porta poi all'arresto del rotore).

In particolare, la resistenza al flusso d'aria ? quantificata come la differenza di pressione media tra l'ingresso dell'aria nella turbina (o nel boccaglio eventualmente associato ad esso) e l'aria esterna ovvero la pressione ambiente.

Per quanto riguarda la soglia del flusso minimo, esso ? il valore di flusso che determina il tempo di arresto della rotazione del rotore, parametro fondamentale per valutare la capacit? del rotore di continuare il proprio movimento quando il flusso d'aria in ingresso nella turbina ? pari ad un limite inferiore (la soglia di flusso minimo) predefinito.

Tali valori sono normati da standard pubblicati da associazioni pneumologiche e da standard internazionali ISO (International Organization for Standardization) vincolanti per ogni produttore di spirometri. In particolare, secondo gli standard la massima resistenza deve essere inferiore a 1,5 cm H20/L/s su tutto l'intervallo di misura del flusso; per la soglia di flusso minimo, essa ? definita da norme che chiedono che il misuratore di flusso dello spirometro (nel caso, la turbina) sia in grado di misurare un flusso minimo (la "soglia") pari a 25 ml/s.

Nella definizione dei fattori suddetti sono alquanto importanti le caratteristiche dimensionali dei componenti della turbina; in particolare, le caratteristiche che incidono in modo diretto sulle prestazioni di una turbina sono:

- numero di settori del deflettore e luce tra di essi,

- curvatura della superficie,

- geometria con canalizzazione: dimensioni del diametro in ingresso (deflettore) correlate con il diametro centrale in corrispondenza del rotore, - geometria del fulcro,

- dimensioni del rotore.

Inoltre, un ruolo importante nella definizione dei fattori sopra citati viene giocato dalla struttura delle pale del deflettore.

Scopo del presente trovato ? quello di offrire una turbina per spirometro che consenta di ottenere le massime prestazioni dallo strumento medicale a cui ? associata.

In particolare, scopo del trovato ? quello di offrire una turbina del tipo sopra citato che consenta di massimizzare l'indirizzamento del flusso d'aria sul rotore, massimizzando di conseguenza la componente della forza di spinta generata da tale flusso sul rotore.

Un altro scopo ? quello di offrire una turbina del tipo citato in cui sia ottimizzato l'effetto dell'aria sul rotore in condizioni di flusso minimo misurabile.

Un ulteriore scopo ? quello di offrire una turbina del tipo citato che sia comunque di semplice realizzazione e che abbia costi comunque contenuti tali da permetterne un utilizzo usa e getta (o monouso).

Un ulteriore scopo ? quello di offrire una turbina del tipo citato che non sia influenzata dalle condizioni ambientali di temperature, umidit? e pressione e sia conforme ai severi standard di accuratezza prescritti dalle Associazioni pneumologiche di settore ERS/ATS.

Un altro scopo ? quello di offrire una turbina con deflettore che garantisca l'ottenimento della soglia di flusso minimo misurabile (< 25 mL/s) e nel contempo non comporti nessun aumento, ma possibilmente la riduzione, delle resistenze al flusso (gli standard ERS e ATS prescrivono che tale resistenza sia <1,5cmH20/L/s).

Questi ed altri scopi che risulteranno evidenti all'esperto del ramo vengono raggiunti da una turbina secondo le unite rivendicazioni.

Per una maggior comprensione del presente trovato si allegano a titolo puramente esemplificativo, ma non limitativo i seguenti disegni, in cui:

la figura 1 mostra uno spirometro in vista prospettica provvisto di una turbina secondo il trovato;

la figura 2 mostra una vista prospettica della turbina di figura 1 associata ad un boccaglio; la figura 3 mostra una vista prospettica della turbina;

la figura 4 mostra una vista in sezione longitudinale della turbina;

la figura 5 mostra una vista prospettica in esploso della turbina;

la figura 6 mostra una vista della curva rappresentativa dell'andamento di una pala della turbina (o curva generatrice esterna) in corrispondenza della sua parte pi? esterna ovvero l'andamento esterno della pala in corrispondenza del corpo anulare del deflettore proiettato su un piano;

la figura 7 mostra una vista della curva rappresentativa dell'andamento della pala della turbina di figura 6 in corrispondenza del fulcro del deflettore (o curva generatrice interna) ovvero proiettato su tale fulcro;

la figura 8 mostra una vista frontale delle pale di un deflettore della turbina secondo il trovato;

la figura 9 mostra una vista prospettica di una pala del deflettore di figura 8; e

le figure 10 e 11 mostrano l'andamento dei flussi d'aria tra i due deflettori della turbina.

Con riferimento alle citate figure, in figura 1 ? mostrato uno spirometro 1 avente un corpo 2 a cui ? associata, in modo noto qualsiasi ed amovibilmente, una turbina 3. Ad essa ? connesso un boccaglio 4 mediante accoppiamento per interferenza. La turbina 3 comprende un corpo principale 5 che pu? essere trasparente. Il corpo 5 ? sostanzialmente tubolare e presenta un foro passante 6. Tale corpo tubolare 5 comprende un'apertura di ingresso dell'aria 7A ed una apertura d'uscita dell'aria 7B e corrispondenti porzioni di ingresso 8 e di uscita 9. Tra esse ? presente una porzione centrale 10. Le definizioni di ingresso e uscita della turbina sono scambiabili in quanto nella fase espiratoria l'aria transita in un senso mentre nella fase inspiratoria, per ovvi motivi, transita in senso opposto.

Nelle porzioni di ingresso ed uscita 8 e 9 sono posti corrispondenti deflettori 11, di conformazione identica tra essi, mentre nella porzione centrale 10, ? presente un usuale rotore 12 atto a ruotare attorno ad un asse longitudinale K del corpo tubolare 5. All'uopo, tale rotore ha una nota conformazione a palette contrapposte 14 e 15, sporgenti ortogonalmente da un mozzo 16 avente aggetti contrapposti 17 e 18 disposti lungo l'asse K ed atti a ruotare in sedi 20 di corrispondenti fulcri 21 dei deflettori 11.

Ognuno di questi ultimi, inseriti per interferenza nella rispettiva porzione di ingresso o di uscita 8, 9 del corpo tubolare 5, comprende pale 22 aggettantisi dal fulcro 21 suddetto il quale ? posto lungo un asse longitudinale del deflettore 11 coincidente con l'asse longitudinale K del corpo tubolare 5. Le pale terminano in e sono fissate ad un corpo anulare cilindrico 25 del deflettore (con parete 26 giacente parallelamente all'asse K) atto a cooperare direttamente con la parete interna 27 della corrispondente porzione di ingresso o di uscita 8, 9 del corpo tubolare 5.

Le pale 22 sono tra loro identiche ed hanno la medesima forma; ci? al fine di evitare irregolarit? nel flusso d'aria tra settori 30 presenti tra dette pale (i "vuoti" presenti tra le pale) con conseguente irregolare spinta dell'aria sul rotore, spinta che al contrario, per quanto possibile, in ogni determinato istante di utilizzo della turbina deve risultare omogenea.

Dal punto di vista della circolazione dell'aria attraverso i deflettori 11, ognuno di questi ultimi presenta una superficie passiva ed una superficie attiva. Per superficie passiva si intende la superficie che si oppone all'ingresso dell'aria nel deflettore; essa ? praticamente pari alla somma di tutte le superfici che non contribuiscono al movimento dell'aria entro i settori 30 e che pertanto non contribuiscono alla rotazione dell'aria che passa nel deflettore e che garantisce il movimento del rotore 12 (e in ultima analisi il funzionamento della turbina ed il corretto uso dello spirometro 1). Tale superficie passiva, quindi, ? rappresentata dallo spessore di porzioni estremali di ingresso (con riferimento al flusso dell?aria) 35 delle pale 22 e dallo spessore del corpo 25.

Conseguentemente, la superficie attiva del deflettore ? data dalla somma di tutte le superfici delle pale 22, poste tra una corrispondente porzione estremale di ingresso 35 ed una porzione estremale di uscita 36 di dette pale, che investite dall'aria, generano un suo movimento rotatorio che contribuisce alla rotazione del rotore 12. Si noti che le porzioni estremali 35 delle pale 22 sono all'interno del corpo anulare 25 del deflettore 11, mentre le porzioni estremali di uscita 36 sporgono su tale corpo.

E' pertanto di fondamentale importanza la corretta progettazione della superficie attiva ovvero della superficie presentata da ogni pala al flusso d'aria o investita dal flusso d'aria in ingresso nella turbina. A questo proposito si prevede che ogni pala colpita dall'aria inspirata da un soggetto o espirata da quest'ultimo abbia una conformazione variabile passando dalla porzione estremale di ingresso 35 alla porzione estremale di uscita 36; il flusso d'aria lambisce superficialmente la pala e ne segue la configurazione, quindi secondo un percorso corrispondente alla curva riportata in figura 6..

Pi? in particolare, ogni pala comprende, partendo dalla porzione estremale di ingresso 35 (vedasi figure 6, 7 e 9,10), un primo "tratto di superficie" (ovvero una prima porzione della sua superficie) 42, piano e rettilineo in sezione come schematizzato in figura 6, ma inclinato rispetto alla parete (cilindrica) 26 del corpo anulare 25 (avente generatrici con giacitura spaziale parallela all'asse longitudinale K del corpo tubolare 5).

Dal primo tratto di superficie 42 (vedasi figure 8 e 9) si diparte un secondo tratto di superficie della pala 43 che ? curvilineo (ovvero definito da una superficie curvilinea) che termina in un terzo tratto di superficie della pala 44 che ? ancora piano (superficie piana), ma maggiormente inclinato rispetto alla parete 26 del corpo anulare 25 rispetto al primo tratto di pala 42. Il terzo tratto di superficie termina in un quarto tratto di superficie della pala 45 anch'esso piano (ovvero una superficie piana), rettilineo in ogni sua sezione trasversale (come sostanzialmente schematizzato in figura 6) ed avente una disposizione tale da deviare il flusso d'aria che transita su di esso in una direzione che ? ortogonale ad un piano che contiene l'asse longitudinale K del corpo tubolare 5. In tal modo, quando una paletta 14 e 15 del rotore si trova in corrispondenza del quarto tratto 45 di una pala 22 del deflettore 11 riceve una spinta dall'aria in direzione ortogonale alla paletta del rotore 14 o 15. Tale quarto tratto, denominato "minigonna" ha lo scopo di massimizzare la spinta sul rotore del flusso d'aria in transito.

Il quarto tratto o minigonna 45 ha preferibilmente una limitata estensione lungo la porzione estremale di uscita 36 della pala del rotore 22 e termina lungo tale porzione 36 senza raggiungere il fulcro 21 per non creare eccessiva resistenza al passaggio del flusso d'aria entro il deflettore.

L'andamento del quarto tratto della superficie della pala ha cos? un effetto diretto sulla soglia di flusso minimo misurabile: tutti i quarti tratti 45 determinano un indirizzamento del flusso sul rotore pi? efficace, massimizzando la componente normale responsabile della spinta sulla paletta 14 o 15 del rotore 11 presente di fronte ad essi; ne consegue quindi una maggiore spinta sul rotore a parit? di portata d'aria transitante nel deflettore. L'effetto tende ovviamente a ridursi fino ad esaurirsi quando ci si avvicina alla soglia di flusso minimo misurabile.

L'utilizzo del quarto tratto o "minigonna" 45 in corrispondenza della porzione di uscita 36 dei deflettori ha permesso di ottenere un vantaggio significativo sulle prestazioni della turbina 3. In particolare si ? osservato come, a parit? di resistenza offerta al passaggio del flusso d'aria da ogni pala, si ottiene un aumento della componente normale della velocit? del flusso ortogonale al rotore; ci? determina una migliore spinta a parit? di costo energetico.

Quindi, la minigonna influisce sull'aria in transito nella turbina 3 creando ? a parit? di costo energetico ? una componente normale della velocit? tangenziale di quest'aria che massimizza la spinta in direzione incidente su ogni paletta 14 o 15 del rotore. Ci? determina la riduzione della soglia del flusso minimo misurabile che ? uno dei due obiettivi cardine per una turbina destinata alla misura della spirometria. Il risultato ? un aumento delle prestazioni che ? per ogni valore della portata ? sono direttamente proporzionali alla velocit? tangenziale massima possibile nel piano medio del rotore.

Il quarto tratto o la minigonna 45 si estende lungo una parte della porzione di uscita 36 della pala, del corpo anulare 25 verso il 21 cos? da non determinare un aumento significativo della resistenza, mentre consente di aumentare la velocit? tangenziale del flusso mantenendo bassa la resistenza.

L'effetto migliorativo determinato da questa configurazione del quarto tratto o minigonna rappresenta un elemento innovativo che va oltre ad un pregiudizio tecnico secondo il quale un piano posto perpendicolarmente al flusso di aria che transita nel deflettore dalla porzione di ingresso 35 a quella di uscita 36 determina prevalentemente un costo energetico. La soluzione del trovato, relativa al fatto che il piano ortogonale al flusso non corre per tutta la lunghezza del bordo della porzione di uscita del deflettore ma solo in corrispondenza di una parte di tale porzione 36, ha permesso invece di ottenere un indirizzamento del flusso ottimale evitando il costo energetico aggiuntivo.

Il tratto o minigonna 45 ? preferibilmente ortogonale al piano Z contenente l'asse longitudinale K del deflettore cos? da deviare il flusso d'aria in modo ortogonale a tale asse K ed alle pale 14 e 15. Tale tratto 45, tuttavia pu? essere inclinato (e preferibilmente lo ?, di un angolo compreso tra 20?, preferibilmente pari a 10 e vantaggiosamente 5) rispetto a tale piano Z, ma in ogni caso devia il flusso in modo sempre ortogonale al piano stesso (piano che in sostanza contiene le palette 14 e 15 del rotore).

Pi? in particolare, il primo tratto di superficie 42 pu? formare un angolo ? compreso tra 0,3? e 1,2?, preferibilmente e vantaggiosamente tra 0,5? e 0,7?, con la parete 26 del corpo anulare schematizzata in figura 7. Il tratto di superficie piano (o terzo tratto, rettilineo) 44 forma un angolo ? rispetto ad un piano P, che contiene il quarto tratto 45, compreso tra 37? e 41?, preferibilmente tra 39? e 40? (che corrisponde ad un angolo sostanziale compreso tra 53? e 49? e 50? e 51? rispettivamente tra il prolungamento di tale tratto 44 e la parete 27 del corpo anulare 25).

Grazie alla conformazione di ogni pala 22 (rappresentata dalle curve generatrici delle figure 6 e 7) si ha un'efficace ingresso (o uscita) dell'aria da ogni deflettore 11. Infatti, partendo dalla porzione estremale di ingresso 35 e terminando in quella d?uscita 36, ogni pala ? definita da una successione di tratti di superficie connessi con continuit? tra loro che incanalano e accelerano opportunamente l'aria in ingresso in ogni settore 30 del deflettore 11: il primo tratto di superficie o tratto piano 42 ha la funzione di incanalare l'aria che ? accelerata grazie alla combinazione tra detto primo tratto di superficie e il secondo tratto di superficie 43. I restanti tratti di superfici 44 e 45 fanno confluire l'aria direzionandola direttamente verso il rotore (sostanzialmente seguendo l'andamento della curva 6 scorrendo su ciascuna pala 22).

Si noti che il tratto di superficie finale o quarto tratto di pala 45 ha lo scopo di massimizzare la spinta del flusso d'aria in transito verso il rotore 12 dirigendo il flusso d'aria in modo ortogonale alla paletta che in un predefinito istante ? presente in corrispondenza della relativa pala 22 del deflettore.

Grazie alla conformazione di ogni pala 22 si ottiene un effetto diretto sulla riduzione della soglia di flusso minimo misurabile: i vari tratti di pala 42-45 determinano un indirizzamento del flusso d'aria sul rotore che ? pi? efficace di quanto ottenibile con le soluzioni dello stato della tecnica che prevedono pale con superficie con una curvatura continua, massimizzando la componente normale responsabile della spinta sul rotore. Ne consegue una maggior spinta a parit? di portata.

Nelle condizioni di flusso d'aria minimo in ingresso, l'uso del quarto tratto di superficie della pala 45 comporta la possibilit? di esercitare una spinta efficace sul rotore 12, con il risultato di abbassare la soglia minima di flusso misurabile (come indicato dalle frecce F delle figure 9 10 e 11).

Si noti che l'andamento della superficie ha un effetto diretto sulla soglia di flusso minimo misurabile: le superfici determinano un indirizzamento del flusso sul rotore pi? efficace, massimizzando la componente normale responsabile della spinta. Ne consegue quindi una maggior spinta a parit? di portata. L'effetto tende a ridursi fino ad esaurirsi quando ci si avvicina alla soglia di flusso minimo misurabile.

La superficie complessiva di ogni singola pala 22 pu? essere descritta tramite equazione matematica, pur essendo suddivisa in quattro tratti di superficie di cui tre piani ed uno curvilineo.

In particolare:

a) il primo tratto di superficie 42, il secondo tratto 43 ed il terzo tratto 44 si possono generalizzare tramite una funzione non lineare del terzo ordine della coordinata z in funzione delle coordinate x e y:

f(x,y) = cost+ax+by+cx<2>+dy<2>+exy+fx<3>+gy<3>+hx<2>+y+ixy<2 >I parametri che descrivono questa formula, nel sistema di riferimento del dispositivo come da figura sono:

b) il quarto tratto 45 di superficie ? definito da una funzione lineare del primo ordine,

f(x,y) = cost+ax+by

dove:

Ovviamente i dati tabellati sono preferiti, tra quelli che permettono alle quattro superfici di svilupparsi e di essere interconnesse, ma sono dati a titolo indicativo. Piccoli scostamenti da questi valori sono comunque accettabili.

E' stata descritta una forma preferita del trovato. Altre ancora sono tuttavia possibili e ricadono nell'ambito dell'invenzione come definita dalle rivendicazioni che seguono.

Claims (10)

RIVENDICAZIONI

1. Turbina (3) per spirometro (1) comprendente un corpo tubolare (5) cavo contenente un rotore (12) mobile attorno ad un asse longitudinale (K) di tale corpo tubolare (5) e due deflettori (11) posti in corrispondenza di un'apertura di ingresso (7A) e di una apertura di uscita (7B) di detto corpo (5), il rotore (12) comprendendo palette (14, 15) contrapposte ed essendo disposto tra detti deflettori (11), questi ultimi comprendendo un corpo anulare (25) ed un fulcro (21) disposto lungo un asse longitudinale di tale corpo anulare (25) coincidente con l'asse longitudinale (K) del corpo tubolare (5), tra detto fulcro (21) e detto corpo anulare (25) essendo prevista una pluralit? di pale (22) solidali al fulcro stesso ed al corpo anulare, dette pale (22) delimitando una pluralit? di settori (30) per il passaggio di aria diretta verso il rotore e presentando una porzione estremale di ingresso dell'aria (35) ed una porzione estremale di uscita (36) dell'aria, caratterizzata dal fatto che ogni pala (22) ha un andamento superficiale continuo definito da una pluralit? di tratti di superfici differenti, aventi una conformazione ricurva e piana , e tra loro interconnessi, detta pala presentando sulla porzione estremale di uscita dell'aria (36) un tratto di superficie terminale (45) piano atto a dirigere l'aria in uscita dal deflettore (11) ortogonalmente ad un piano (Z) contenente l'asse longitudinale (K) del corpo tubolare, detto tratto di superficie terminale (45) determinando l'indirizzamento del flusso d'aria sul rotore (12) massimizzandone la spinta sul rotore stesso.

2. Turbina di cui alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che comprende un solo tratto di superficie curvilineo (3).

3. Turbina di cui alla rivendicazione 1, caratterizzata dal fatto che i tratti di superficie differenti sono in numero di quattro (42-45).

4. Turbina di cui alla rivendicazione 3, caratterizzata dal fatto che, partendo dalla porzione estremale di ingresso (35) della pala (22) e sino alla porzione estremale di uscita (36) della pala (22), la pala comprende un primo tratto di superficie (42) piano, un secondo tratto di superficie (43) curvilineo, un terzo tratto di superficie (44) piano ed un quarto tratto di superficie (45) piano, il quarto tratto di superficie (44) essendo inclinato rispetto al terzo tratto di superficie (44).

5. Turbina di cui alla rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che il primo tratto di superficie (42) forma un angolo (?) con una parete (26) del corpo anulare (25) compreso tra 0,3? e 0,9?, preferibilmente compreso tra 0,5? e 0,7?.

6. Turbina di cui alla rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che il terzo tratto di superficie (44) forma un angolo (?) rispetto ad un piano (P) che contiene il quarto tratto di superficie (45) compreso tra 37? e 41?, preferibilmente tra 39? e 40?.

7. Turbina di cui alla rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che il quarto tratto di superficie occupa una parte della porzione estremale di uscita dell'aria (36) di ogni pala (22).

8. Turbina di cui alla rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che il quarto tratto di superficie (45) ? ortogonale al piano (Z) contenente l'asse longitudinale (K) del corpo tubolare (5).

9. Turbina di cui alla rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che il quarto tratto di superficie (45) ? inclinato rispetto al piano (Z) contenente l'asse longitudinale (K) del corpo tubolare (5).

10. Turbina di cui alla rivendicazione 4, caratterizzata dal fatto che

a) il primo tratto di superficie (42), il secondo tratto di superficie (43) ed il terzo tratto di superficie (44) si possono definire tramite una funzione non lineare del terzo ordine della coordinata z in funzione delle coordinate x e y: f(x,y) = cost+ax+by+cx<2>+dy<2>+exy+fx<3>+gy<3>+hx<2>y+ixy<2 >b) il quarto tratto di superficie (45) ? definito da una funzione lineare del primo ordine,

f(x,y)= cost+ax+by

Riferimento archivio del mandatario A28814