WO2023280621A1 - Respirateur compact - Google Patents

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WO2023280621A1
WO2023280621A1 PCT/EP2022/067608 EP2022067608W WO2023280621A1 WO 2023280621 A1 WO2023280621 A1 WO 2023280621A1 EP 2022067608 W EP2022067608 W EP 2022067608W WO 2023280621 A1 WO2023280621 A1 WO 2023280621A1
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WO
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cylinder
piston
respirator
valve
chamber
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/067608
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English (en)
Inventor
Nidhal REZG
Nadia NDHAIEF
Freddy HAGEN
Vincent ZANOGUERA
Chadli DZIRI
Original Assignee
Universite De Lorraine
Tech 3D
Honoris United Universities
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Publication date
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Definitions

  • the invention relates to a compact respirator, which makes it possible to propel pressurized air into the airways of a person in respiratory distress.
  • This respirator can be used in any care structure, such as a hospital for example, or in private homes.
  • It can also be used during an external intervention, by firefighters, the emergency service, the military, or any other person trained in first aid.
  • This respirator is used for ventilation by mask, also called non-invasive ventilation (NIV) in the management of acute respiratory failure. It thus constitutes an alternative solution to intubation or tracheostomy.
  • NMV non-invasive ventilation
  • This respirator is also used in the treatment of sleep apnea, as a continuous positive pressure (CPAP) medical device.
  • CPAP continuous positive pressure
  • Respirators with a piston cylinder are also known. Each movement of the piston delivers a desired pressure and volume of air to a patient.
  • Sealing and noise problems are also due to the seal placed between the piston and the inner wall of the cylinder.
  • the inner wall of the cylinder may have slight dimensional variations as well as surface defects, which must then be compensated for by the gasket. The latter is thus more or less crushed against the inner wall depending on the dimensional variations and surface defects, and more or less ensures its sealing function. It is sized to be permanently in contact with the inner wall, and sometimes induces a resistive torque when the inner dimension is smaller, which generates greater friction and therefore noise. To reduce noise, it is possible to reduce the size of the seal, but at the expense of sealing, since there will be air leaks in areas where the internal dimension of the cylinder is larger.
  • the object of the present invention is to overcome the various drawbacks set out above, by means of a compact respirator with a piston, offering optimum performance in terms of sealing and noise level, and whose structure can be manufactured by printing 3D, and is recyclable.
  • a cylinder defining an internal space in which there is a piston mounted in leaktight sliding, said piston being movable along a central endless screw extending axially in the cylinder, the cylinder comprising an air chamber of variable volume delimited partly by said piston and by an inner wall of the cylinder, the displacement of the piston causing a variation in the volume and the pressure in the said chamber, the chamber having a fresh air inlet and a compressed air outlet;
  • a one-way valve connected to the outlet of the chamber through which the compressed air is expelled under the effect of the movement of the piston, said valve being able to be connected to a mask;
  • control and command unit controlling the displacement of the piston within the cylinder.
  • This respirator is characterized primarily in that the inner section of the cylinder is oval, said piston being oval.
  • the piston thus has a shape corresponding to that of the cylinder.
  • the main idea of this invention consists in modifying the internal shape of the cylinder, so as to dispense with a device for guiding the piston, which posed sealing problems in the prior art.
  • the inner section of the cylinder is no longer circular, but is oval, therefore elongated.
  • the piston which has a corresponding oval shape. This specific shape allows the piston to be locked in rotation within the cylinder.
  • the piston is self-guided in translation in the cylinder by the elongated portions of the oval.
  • oval is meant the shape of a closed and elongated curve.
  • the oblong shape and the ellipse are ovals.
  • oval shape makes it possible to design a cylinder of greater height and shorter length for the same maximum volume of air chamber, and therefore to obtain a more compact cylinder.
  • the reduction in the length of the cylinder leads de facto to a reduction in the stroke of the piston for the same volume of air to be compressed, which makes it possible to limit friction, resulting in a reduction in noise and a reduction in the risk of leakage.
  • the invention also relates to a non-invasive breathing assistance device, comprising a respirator as described above, and comprising a mask connected to said respirator via tubing.
  • the invention relates to a method for manufacturing a respirator as described above, comprising steps of additive manufacturing of the various parts that make it up.
  • the invention relates to a respirator 1 which works with a motor 17 which makes it possible to artificially blow oxygen-laden air into the respiratory tract of a patient, and to eliminate the carbon dioxide exhaled by the patient by ventilation as well created.
  • the respirator 1 according to the invention is adapted to be connected to a mask via tubing.
  • the assembly is called a breathing aid.
  • This respirator 1 is illustrated in and mainly includes:
  • Cylinder 2 conventionally consists of a hollow body 34, in which a piston 3 moves by sliding.
  • the inner wall 20 of cylinder 2 is cylindrical.
  • the inner wall 20 of the cylinder 2 is not cylindrical, but has an oval section.
  • the oval section is constant over the entire length of the cylinder 2.
  • This cylinder 2 consists of the hollow body 34, a cover 7 closing a first end of the hollow body 34, and a cylinder head 8 closing the second end of the hollow body 34.
  • the piston 3 is mounted in leaktight sliding in this internal space.
  • the piston 3 is oval in shape, so as to match the shape of the section of the inner wall 20 of the cylinder 2.
  • the piston 3 is equipped with a peripheral seal 32 in contact with the inner wall 20 of the cylinder 2, to ensure sealing.
  • the piston 3 can slide inside the internal space.
  • Piston 3 is oriented perpendicular to the central axis of cylinder 2.
  • Piston 3 advances and retreats within cylinder 2, along a central worm screw 6 extending axially in the center of cylinder 2. This screw 6 passes through piston 3 at its center.
  • Cover 7 of cylinder 2 has a new air inlet 9 and an air outlet 11.
  • An air chamber 33 is defined between the piston 3, the cover 7, and the inner wall 20 of the cylinder 2. This chamber 33 is supplied with fresh air via the air inlet 9, and the air can escape from this chamber 33 via the air outlet orifice 11, under the effect of the compression produced by the movement of the piston 3.
  • the fresh air inlet 9 includes a non-return valve to prevent the compressed air from the chamber 33 from coming out through this orifice.
  • the volume of the chamber 33 is maximum when the piston 3 is located at the end of its travel, in the vicinity of the cylinder head 8 of the cylinder 2. As the displacement of the piston 3 in the direction of the cover 7 of the cylinder 2, the volume of the chamber 33 decreases and the air is more and more compressed.
  • a one-way valve 5 is mounted on the air outlet orifice 11 of the chamber 33, and allows the compressed air to escape under certain conditions.
  • the volume of chamber 33 is thus variable thanks to the movement of piston 3.
  • the displacement of the piston 3 is operated via the central endless screw 6 driven in rotation by a motor 17 located in the control and command unit 4. Screw 6 is fitted into shaft 35 of motor 17.
  • Piston 3 advances or retreats depending on the direction of rotation of motor shaft 35.
  • the control and command unit 4 consists of a box 4 comprising various elements, such as the motor 17, or even electronic parts 19, a screen 18, sensors, etc.
  • valve 5 It communicates with the valve 5 in closed loop or open loop to authorize or not the escape of the compressed air in the chamber 33.
  • This box is used to adjust the quantity of oxygen to be administered to the patient.
  • it is possible to adjust the actual air flow, the volume of air injected instantaneously over a determined period, and the ejection speed, all this according to the patient's respiratory rate, which is known thanks to to a pressure and/or air flow sensor located at the level of valve 5.
  • the valve 5 consists of a one-way valve 5, of the LSR type.
  • This isolation valve 5 is connected to a tubing connected to a breathing mask.
  • valve has a deformable membrane
  • the motor 17 rotates in a first direction, it advances the piston 3 in the direction of the cover 7, which has the effect of compressing the air and creating an overpressure in the chamber 33.
  • the valve 5 allows the compressed air to pass from the chamber 33 to the mask.
  • valve 5 prohibits transit and the air exhaled by the patient is directly released into the external environment.
  • piston 3 returns to the start of its stroke to increase the volume of chamber 33, creating a depression in chamber 33, which allows fresh air to enter chamber 33.
  • Unit 4 controls valve 5 according to the parameters measured, and controls the rotation of the motor in one direction and in the other.
  • the valve 5 includes a valve allowing the passage of compressed air from the chamber 33 to the mask, and prohibits the passage of air exhaled by the patient to the chamber 33.
  • the air exhaled by the patient can never return to the ventilator.
  • the valve consists of a deformable flexible membrane.
  • the membrane is usually LSR silicone.
  • the membrane has a central slot that can be opened to allow compressed air to pass to the mask, and that can be closed during exhalation to prevent exhaled air from passing through to the respirator.
  • the valve 5 comprises means for evacuating the air exhaled by the patient. These are holes provided in the valve, and being covered by the flexible membrane. During the inspiration phase, the membrane is pressed against the orifices and mouths. During the exhalation phase, the membrane peels off and lets the exhaled air out of valve 5. The exhaled air is then expelled into the external environment.
  • the valve 5 includes a pressure relief valve, for safety, located between the air outlet 11 and the membrane.
  • the valve 5 is obtained by additive manufacturing. More specifically, the valve housing, called the isolation box, is made by 3D printing with a thermoplastic material, of the PETG type. Similarly, the flexible membrane is made by 3D printing with a flexible filament, of the TPU90A type. All the elements of the valve 5 are obtained by additive manufacturing.
  • This isolation box is to be changed or cleaned between two patients.
  • cylinder 2 is obtained by additive manufacturing.
  • it can be made using a 3D printer.
  • the manufactured parts tend to show the print streaks. These streaks are created when the different strata are added at the time of printing.
  • the idea of the present application consists in dividing the body 34 of the cylinder 2 into two half-shells 34a, 34b along a symmetrical longitudinal plane comprising the central axis of the cylinder 2.
  • the different parts of the cylinder 2 are more particularly illustrated in .
  • Each half-shell 34a, 34b is printed separately.
  • the printing streaks are oriented in the direction of operation of the piston 3, and thus generate significantly less friction. This makes it possible to significantly reduce the noise of the displacement of the piston 3 within the cylinder 2. On the other hand, the performance of the respirator 1 is thus significantly improved.
  • the first stratum can constitute a flat outer support wall, from which the other strata will be superimposed.
  • a half-shell 34a, 34b is obtained with a flat surface 12 outside. There is therefore no material waste during the additive manufacturing of these half-shells.
  • the two half-shells 34a, 34b are assembled to each other by slightly tight interlocking.
  • the longitudinal ridges are used to help assembly by interlocking.
  • the cover 7 and the yoke 8 are assembled to the body 34 also by interlocking of corresponding shapes.
  • the cover 7 and the yoke 8 can be assembled to the body 34 by screwing. Indeed, it is possible to provide a sufficient thickness of material in the body 34 so that it can contain threaded holes 13 for example, which accommodate the screws.
  • the case 4 of the control and command unit is fixed on the cylinder head 8 of the cylinder 2.
  • the assembly can be carried out by screwing.
  • the dimension of this box 4 does not exceed the dimension of the cylinder head 8 of the cylinder 2, for the sake of compactness of the whole of the respirator 1.
  • Cylinder head 8 of cylinder 2 has a central hole 16 through which shaft 35 passes.
  • the motor 17 making it possible to rotate the screw 6 is located opposite the central orifice 16 of the cylinder head 8 of the cylinder 2, inside the unit 4 of control and command.
  • the motor shaft 35 passes directly through the cylinder head 8 of the cylinder 2, and is located in the axis of the cylinder 2 and the endless screw 6.
  • the cover 7 of cylinder 2 has a central recess 10, extending towards the outside of cylinder 2.
  • This recess can accommodate the free end of screw 6.
  • Screw 6 runs the full length of cylinder 2.
  • the piston 3 has a central orifice 14 provided with a helical groove capable of cooperating with the geometry of the endless screw 6, so as to be able to slide in one direction and in the other depending on the direction of rotation of the endless screw. end 6.
  • the piston 3 comprises a central sleeve 15 in which said helical groove is formed, so as to have sufficient length, and therefore material in contact with the endless screw 6.
  • the piston 3 has a biconical periphery which eliminates the noise linked to the vibration generated by the intermittent contact of the edges against the cylinder 2 during its movement.
  • the cover 7 of the cylinder 2 has a first orifice corresponding to the fresh air inlet 9 in the chamber 33, and has a second orifice corresponding to the compressed air outlet 11 of the air chamber 33.
  • the piston 3 and the screw 6 are also obtained by additive manufacturing.
  • the housing 4 of the control and command unit as well as the valve 5 are also obtained by additive manufacturing.
  • Cylinder 2, piston 3, screw 6 and housing 4 are preferably made of thermoplastic material, of the PETG type.
  • the seal 32 is also obtained by additive manufacturing.
  • the seal 32 has a particular geometry, and the groove 22 in which it is housed also has a particular geometry. These groove and gasket geometries are shown in Figures 3 and 4.
  • This seal 32 is located in a groove 22 provided for this purpose on the peripheral periphery of the piston 3.
  • Said groove 22 has a V-section, with a first inclined wall 23 and a second inclined wall 24.
  • the groove 22 has a right angle of 90°, between the two inclined walls 23, 24.
  • the bottom 30 of the groove 22 is angular, and not rounded.
  • the double lip seal 32 has two branches forming a V, the free end of each branch corresponding to a lip 25, 26.
  • Each branch has an inclined outer wall 27, 28, the angle formed between the two outer walls 27, 28 being less than the angle of the groove 22.
  • the difference ⁇ (illustrated in ) between these two angles is of the order of 1° to 2°.
  • the seal 32 is mounted free to tilt in the groove 22.
  • the seal 32 has a rounded base 29 connecting the two outer walls 27, 28 and bearing tangentially against the two inclined walls 24, 23 of the groove 22.
  • the double-lip seal 32 is thus in cylindrical support and can tilt in the groove 22 of the piston 3, which makes it possible to alternately bring its lips 25, 26 into contact with the cylinder 2.
  • it will be one lip 25 rather than the other 26 in contact with the inner wall 20 of the cylinder 2.
  • the tilting takes place each time the direction of movement of the piston 3 changes.
  • This tilting also makes it possible to have an operating clearance in the event of disparities or defects on the inner surface 20 of the cylinder 2.
  • This particular geometry between the seal 32 and the groove 22 allows a natural adjustment of the pressure of the seal 32 on the inner wall 20 of the cylinder 2 to obtain the best ratio between the resistant torque, sealing and noise.
  • the material selected for the manufacture of the seal 32 makes it possible to absorb the surface defects linked to the layer printing of the cylinder 2.
  • the piston 3 has a peripheral skirt 21 in which the groove 22 housing the said gasket 32 is made.
  • the motor 17 of the respirator 1 is mounted on a system of the silent block type 31.
  • This system allows it to be granted freedom of movement in order to absorb any deformations linked to the manufacturing process and/or to temperature variations.
  • feet made of flexible material are arranged on the respirator 1 to limit the transmission of vibrations to the surface on which the respirator 1 is placed.

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Abstract

L'invention propose un respirateur (1) comprenant: - un cylindre (2) définissant un espace interne dans lequel se trouve un piston (3) monté en coulissement étanche, ledit piston (3) étant déplaçable le long d'une vis sans fin (6) centrale s'étendant axialement dans le cylindre (2), le cylindre (2) comprenant une chambre à air (33) de volume variable, le déplacement du piston (3) engendrant une variation du volume et de la pression dans ladite chambre; - une valve (5) unidirectionnelle raccordée à la sortie de la chambre par laquelle l'air comprimé est expulsé sous l'effet du déplacement du piston (3), ladite valve (5) étant apte à être raccordée à un masque; - une unité (4) de contrôle et de commande commandant le déplacement du piston (3) au sein du cylindre (2). Ce respirateur se caractérise en ce que la section intérieure du cylindre (2) est ovale, ledit piston (3) étant ovale.

Description

Respirateur compact Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un respirateur compact, qui permet de propulser de l’air sous pression dans les voies respiratoires d’une personne en détresse respiratoire.
Ce respirateur peut être utilisé dans toute structure de soin, comme un hôpital par exemple, ou chez des particuliers.
Il peut également être utilisé lors d’une intervention extérieure, par des pompiers, le service des urgences, des militaires, ou toute autre personne initiée aux soins de premier secours.
Ce respirateur est utilisé pour la ventilation par masque, encore appelée ventilation non-invasive (VNI) dans la prise en charge des insuffisances respiratoires aiguës. Elle constitue ainsi une solution alternative à l’intubation ou la trachéotomie.
Ce respirateur est également utilisé dans le traitement des apnées du sommeil, comme dispositif médical à pression positive continue (PPC).
Arrière-plan technique
On connait les respirateurs munis d’un ballon autoremplisseur à valve unidirectionnelle, appelé encore insufflateur manuel, pour suppléer à la respiration d'un patient en arrêt respiratoire. Le ballon est conçu de manière à ce qu'il tende à reprendre sa forme (à se regonfler) et le système à valve unidirectionnelle permet de fournir une ventilation sans apport de gaz comprimé.
L’inconvénient avec cet instrument médical est qu’il faut qu’une personne presse le ballon de façon rythmée pour envoyer l’air.
Pour surmonter cet inconvénient, il est possible de prévoir un système de presse qui vient presser le ballon à la place du soignant, mais ce système est encombrant.
On connaît également les respirateurs munis d’un cylindre à piston. Chaque déplacement du piston permet de délivrer une pression et un volume d’air souhaité à un patient.
Ce type de respirateur a tendance à présenter des problèmes d’étanchéité.
En l’espèce, pour que le piston circulaire ne tourne pas dans le cylindre, des guides sont mis en place dans le cylindre pour guider le piston en translation sans rotation axiale. Or ces guides induisent des fuites d’air dans leur voisinage, et donc une perte de pression qui engendre une diminution de la performance du respirateur. Ainsi, pour offrir une pression et un volume d’air suffisant, le cylindre est relativement volumineux et encombrant. De façon pratique, il remplit un grand sac à dos. De plus, ces guides augmentent également le niveau sonore du respirateur à cause des frottements entre le piston et les guides, ce qui est gênant pour le patient, notamment lorsqu’il essaye de dormir.
Les problèmes d’étanchéité et de bruit sont également dus au joint disposé entre le piston et la paroi intérieure du cylindre. En effet, la paroi intérieure du cylindre peut présenter de légères variations dimensionnelles ainsi que des défauts de surface, qui doivent alors être compensés par le joint. Ce dernier est ainsi plus ou moins écrasé contre la paroi intérieure en fonction des variations dimensionnelles et des défauts de surface, et assure plus ou moins sa fonction d’étanchéité. Il est dimensionné pour être en permanence au contact de la paroi intérieure, et induit parfois un couple résistant lorsque la dimension intérieure est plus faible, ce qui génère des frottements plus importants et donc du bruit. Pour diminuer le bruit, il est possible de réduire la taille du joint, mais au détriment de l’étanchéité, car il y aura des fuites d’air dans les zones où la dimension intérieure du cylindre est plus grande.
La présente invention a pour objectif de pallier les différents inconvénients énoncés ci-dessus, au moyen d’un respirateur compact à piston, offrant des performances optimales en termes d’étanchéité et de niveau de bruit, et dont la structure peut être fabriquée en impression 3D, et est recyclable.
Ce but est atteint grâce à un respirateur comprenant, de façon classique :
- un cylindre définissant un espace interne dans lequel se trouve un piston monté en coulissement étanche, ledit piston étant déplaçable le long d’une vis sans fin centrale s’étendant axialement dans le cylindre, le cylindre comprenant une chambre à air de volume variable délimitée en partie par ledit piston et par une paroi intérieure du cylindre, le déplacement du piston engendrant une variation du volume et de la pression dans ladite chambre, la chambre présentant une entrée d’air neuf et une sortie d’air comprimé ;
- une valve unidirectionnelle raccordée à la sortie de la chambre par laquelle l’air comprimé est expulsé sous l’effet du déplacement du piston, ladite valve étant apte à être raccordée à un masque ;
- une unité de contrôle et de commande commandant le déplacement du piston au sein du cylindre.
Ce respirateur se caractérise à titre principal en ce que la section intérieure du cylindre est ovale, ledit piston étant ovale.
Le piston a ainsi une forme correspondante à celle du cylindre.
L’idée principale de cette invention consiste à modifier la forme intérieure du cylindre, de manière à s’affranchir d’un dispositif de guidage du piston, qui posait des problèmes d’étanchéité dans l’art antérieur.
En l’espèce, la section intérieure du cylindre n’est plus circulaire, mais est ovale, donc allongée. Il en est de même pour le piston qui présente une forme ovale correspondante. Cette forme spécifique permet un blocage en rotation du piston au sein du cylindre. Ainsi, lors du déplacement axial du piston au sein du cylindre, le piston est autoguidé en translation dans le cylindre par les portions allongées de l’ovale.
Par le terme ovale, on entend la forme d'une courbe fermée et allongée.
Par exemple, la forme oblongue et l'ellipse sont des ovales.
L’absence de système de guidage spécifique au sein du cylindre permet :
  • d’améliorer l’étanchéité de la chambre à air : pour un même volume maximal de chambre, la quantité d’air comprimée expulsée est augmentée d’environ 5%.
  • de diminuer les frottements du piston lors de ses courses, et donc de diminuer le bruit généré par le déplacement du piston.
De plus, la forme ovale permet de concevoir un cylindre de plus grande hauteur et de plus faible longueur pour un même volume maximal de chambre à air, et donc d’obtenir un cylindre plus compact. La diminution de la longueur du cylindre entraîne de facto une diminution de la course du piston pour un même volume d’air à comprimer, ce qui permet de limiter les frottements, avec comme résultante une diminution du bruit et une diminution des risques de fuite.
Selon les différents modes de réalisation de l’invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément :
  • la section intérieure du cylindre est constante sur toute la longueur du cylindre.
  • le cylindre, le piston, la vis et la valve sont obtenus par fabrication additive.
  • la paroi intérieure du cylindre présente des stries de fabrication s’étendant selon la direction d’extension du cylindre.
  • le cylindre comprend deux demi-coques assemblées par emboitement.
  • chaque demi-coque présente une surface support plate.
  • le cylindre comporte un couvercle solidarisé aux deux demi-coques, ledit couvercle présentant ledit orifice de sortie raccordé à ladite valve.
  • l’unité de contrôle et de commande comporte un moteur faisant tourner ladite vis, cette dernière traversant le piston en son centre en étant en liaison hélicoïdale et permettant de faire coulisser le piston au sein du cylindre en bidirectionnel selon le sens de rotation du moteur.
  • le cylindre comporte une culasse solidarisée aux deux demi-coques et présentant un orifice central traversé par un arbre du moteur sur lequel est montée la vis, l’unité de contrôle et de commande étant assemblée à ladite culasse.
  • l’entrée d’air neuf de la chambre comporte un clapet anti-retour.
  • ladite valve est en liaison fluidique avec le masque.
  • ladite valve comporte un clapet autorisant le passage de l’air inspiré depuis le piston vers le masque, et interdisant le passage de l’air expiré depuis le masque vers le piston.
  • le clapet est du type membrane souple.
  • ladite valve comprend des moyens d’évacuation de l’air expiré par le patient.
  • ladite valve comporte une soupape de surpression, par sécurité.
  • ladite valve est obtenue par fabrication additive.
  • le respirateur comporte des moyens d’étanchéité agencés entre le piston et la paroi intérieure du cylindre.
  • lesdits moyens d’étanchéité consistent en un joint.
  • ledit joint est obtenu par fabrication additive.
  • le piston présente une jupe périphérique dans laquelle est pratiquée une rainure logeant ledit joint.
  • ladite rainure est en forme de V, avec une première paroi inclinée et une seconde paroi inclinée.
  • la rainure présente un angle de 90°.
  • ledit joint est du type à double lèvres.
  • le joint présente deux branches formant un V, l’extrémité libre de chaque branche correspondant à une lèvre.
  • chaque branche présente une paroi extérieure inclinée, l’angle formé entre les deux parois extérieures étant inférieur à l’angle de la rainure.
  • le joint présente une base arrondie reliant les deux parois extérieures et venant en appui contre les deux parois inclinées de la rainure.
  • le joint est monté libre en basculement dans la rainure.
  • les lèvres du joint dépassent de la jupe du piston de manière à ce qu’au moins l’une d’elles s’écrase contre la paroi intérieure du cylindre, quelle que soit la position et le sens d’avancement du cylindre.
L’invention concerne également un dispositif d’aide à la respiration non invasif, comprenant un respirateur tel que décrit ci-dessus, et comprenant un masque relié audit respirateur via des tubulures.
Et enfin, l’invention concerne un procédé de fabrication d’un respirateur tel que décrit précédemment, comprenant des étapes de fabrication additive des différentes pièces le composant.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront au cours de la lecture de la description détaillée qui va suivre pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
la est une vue en coupe du respirateur selon l’invention;
la est une vue éclatée en perspective du cylindre ;
la est une vue en coupe et en perspective de la zone de jonction entre le joint du piston et le cylindre ;
la est une vue en coupe transversale du piston avec son joint.
 Description détaillée de l'invention
L’invention concerne un respirateur 1 qui fonctionne avec un moteur 17 qui permet de souffler artificiellement de l’air chargé en oxygène dans les voies respiratoires d’un patient, et d’éliminer le dioxyde de carbone expiré par le patient par la ventilation ainsi créée.
Le respirateur 1 selon l’invention est adapté pour être raccordé à un masque via des tubulures. L’ensemble se nomme dispositif d’aide à la respiration.
Ce respirateur 1 est illustré en et comporte principalement :
  • un cylindre 2 muni d’un piston 3 se déplaçant le long d’une vis sans fin 6 ;
  • une valve 5 unidirectionnelle ;
  • une unité 4 de contrôle et de commande.
Le cylindre 2 consiste classiquement en un corps 34 creux, dans lequel se déplace en coulissement un piston 3. Traditionnellement, la paroi intérieure 20 du cylindre 2 est cylindrique.
Dans le cadre de la présente invention, la paroi intérieure 20 du cylindre 2 n’est pas cylindrique, mais présente une section ovale.
De préférence, la section ovale est constante sur toute la longueur du cylindre 2.
Ce cylindre 2 se compose du corps 34 creux, d’un couvercle 7 venant fermer une première extrémité du corps 34 creux, et d’une culasse 8 venant fermer la seconde extrémité du corps 34 creux.
Le corps 34 creux, le couvercle 7, et le culasse 8, délimitent un volume appelé « espace interne ». Le piston 3 est monté en coulissement étanche dans cet espace interne.
Le piston 3 est de forme ovale, de manière à épouser la forme de la section de la paroi intérieure 20 du cylindre 2. Le piston 3 est équipé d’un joint 32 périphérique en contact avec la paroi intérieure 20 du cylindre 2, pour assurer l’étanchéité.
Ainsi, le piston 3 peut coulisser à l’intérieur de l’espace interne.
Le piston 3 est orienté perpendiculairement à l’axe central du cylindre 2.
Le piston 3 avance et recule au sein du cylindre 2, le long d’une vis sans fin 6 centrale s’étendant axialement au centre du cylindre 2. Cette vis 6 traverse le piston 3 au niveau de son centre.
De par sa forme ovale et de par sa proximité avec la paroi intérieure 20 du cylindre 2, le piston 3 ne peut pas tourner autour de la vis 6. Ainsi, il n’est pas nécessaire de prévoir un système de guidage du piston 3 en coulissement. L’absence de ce système de guidage permet de faciliter le montage du respirateur, de diminuer les nuisances sonores du respirateur 1, et d’améliorer l’étanchéité au sein du cylindre 2.
Grâce à cette forme ovale, on augmente la hauteur du cylindre 2 et on diminue la longueur du cylindre 2 tout en conservant le même volume intérieur qu’un cylindre 2 classique. Avec cette nouvelle géométrie, on gagne en compacité.
Le couvercle 7 du cylindre 2 présente un orifice d’entrée 9 d’air neuf ainsi qu’un orifice de sortie 11 d’air.
Une chambre à air 33 est définie entre le piston 3, le couvercle 7, et la paroi intérieure 20 du cylindre 2. Cette chambre 33 est alimentée en air neuf via l’orifice d’entrée 9 d’air, et l’air peut s’échapper de cette chambre 33 via l’orifice de sortie 11 d’air, sous l’effet de la compression réalisée par le déplacement du piston 3.
L’entrée 9 d’air neuf comporte un clapet anti-retour pour éviter que l’air comprimé de la chambre 33 ne ressorte par cet orifice.
Le volume de la chambre 33 est maximal lorsque le piston 3 est situé en bout de course, au voisinage de la culasse 8 du cylindre 2. Au fur et à mesure du déplacement du piston 3 en direction du couvercle 7 du cylindre 2, le volume de la chambre 33 diminue et l’air est de plus en plus comprimé.
Une valve 5 unidirectionnelle est montée sur l’orifice de sortie 11 d’air de la chambre 33, et permet à l’air comprimé de s’échapper sous certaines conditions.
Le volume de la chambre 33 est ainsi variable grâce au déplacement du piston 3.
Le déplacement du piston 3 est opéré via la vis sans fin 6 centrale entraînée en rotation par un moteur 17 situé dans l’unité 4 de contrôle et de commande. La vis 6 est emboîtée dans l’arbre 35 du moteur 17.
Le piston 3 avance ou recule en fonction du sens de rotation de l’arbre 35 moteur.
L’unité 4 de contrôle et de commande consiste en un boîtier 4 comprenant différents éléments, comme le moteur 17, ou encore des pièces électroniques 19, un écran 18, des capteurs, etc.
Il communique avec la valve 5 en boucle fermée ou boucle ouverte pour autoriser ou non l’échappement de l’air comprimé dans la chambre 33.
Ce boîtier permet de régler la quantité d’oxygène à administrer au patient. En particulier, il est possible de régler le débit réel d’air, le volume d’air injecté en instantané sur une durée déterminée, et la vitesse d’éjection, tout cela en fonction de la fréquence respiratoire du patient, qui est connue grâce à un capteur de pression et/ou de débit d’air localisé au niveau de la valve 5.
Le fonctionnement de cette unité 4 de contrôle et de commande ne sera pas détaillé dans la présente invention, car il ne fait pas l’objet de l’invention.
La valve 5 consiste en une valve 5 unidirectionnelle, du type LSR.
Elle a pour rôle essentiel de permettre une séparation de l’air expiré (dioxygène CO2) et de l’air inspiré (oxygène O2).
Cette valve 5 d’isolement est connectée à une tubulure reliée à un masque de respiration.
Ce type de valve est connu. La valve comporte une membrane déformable
Lorsque le moteur 17 tourne dans un premier sens, il fait avancer le piston 3 en direction du couvercle 7, ce qui a pour effet de comprimer l’air et de créer une surpression dans la chambre 33. Lorsque le patient inspire de l’air, la valve 5 autorise l’air comprimé à transiter depuis la chambre 33 jusqu’au masque.
Lorsque le patient expire de l’air, la valve 5 interdit le transit et l’air expiré par le patient est directement rejeté dans l’environnement extérieur. Pendant l’expiration, le piston 3 revient en début de course pour augmenter le volume de la chambre 33, créant une dépression dans la chambre 33, ce qui permet à de l’air neuf de pénétrer dans la chambre 33.
Puis lors de l’inspiration, le piston 3 coulisse à nouveau en direction du couvercle 7 pour comprimer l’air et l’envoyer vers le patient.
L’unité 4 commande la valve 5 en fonction des paramètres mesurés, et commande la rotation du moteur dans un sens et dans l’autre.
Par exemple, la valve 5 comporte un clapet permettant d’autoriser le passage de l’air comprimé depuis la chambre 33 vers le masque, et interdit le passage de l’air expiré par le patient vers la chambre 33. Ainsi, l’air expiré par le patient ne peut jamais retourner dans le respirateur.
De préférence, le clapet consiste en une membrane souple déformable. La membrane est habituellement en silicone LSR.
La membrane est dotée d’une fente centrale apte à être ouverte pour laisser passer l’air comprimé vers le masque, et apte à se refermer lors de l’expiration pour empêcher l’air expiré de transiter vers le respirateur.
La valve 5 comprend des moyens d’évacuation de l’air expiré par le patient. Il s’agit d’orifices prévus dans la valve, et étant recouverts par la membrane souple. Lors de la phase d’inspiration, la membrane est plaquée contre les orifices et les bouche. Lors de la phase d’expiration, la membrane se décolle et laisse sortir l’air expiré vers l’extérieur de la valve 5. L’air expiré se retrouve alors expulsé dans l’environnement extérieur.
De préférence, la valve 5 comporte une soupape de surpression, par sécurité, localisée entre la sortie d’air 11 et la membrane.
Selon l’invention, la valve 5 est obtenue par fabrication additive. Plus précisément, le boîtier de la valve, appelé boitier d’isolement, est fabriqué en impression 3D avec un matériau thermoplastique, du type PETG. De même, la membrane souple est fabriquée en impression 3D avec un filament souple, du typeTPU90A. Tous les éléments de la valve 5 sont obtenus par fabrication additive.
Ce boîtier d’isolement est à changer ou à nettoyer entre deux patients.
De façon avantageuse, le cylindre 2 est obtenu par fabrication additive. Par exemple, il peut être fabriqué à l’aide d’une imprimante 3D.
Avec cette technologie de fabrication additive, les pièces fabriquées ont tendance à présenter les stries d’impression. Ces stries sont créées lors de l’addition des différentes strates au moment de l’impression.
Pour créer le corps 34 du cylindre 2, on a tendance à imprimer plusieurs strates d’une section transversale du corps 34. Ainsi, en fin d’impression, on obtient des successions de stries transversales le long de la paroi intérieure 20 du corps 34.
Ces stries transversales ont tendance à générer des frottements importants entre le joint 32 du piston 3 et la paroi intérieure 20 du corps 34.
Ces frottements génèrent du bruit lors du coulissement du piston 3, ce qui n’est pas agréable à entendre pour le patient.
De plus, suite à ces frottements, le joint 32 a tendance à s’user prématurément lors des courses bidirectionnelles brèves et à répétition du piston 3.
Et enfin, l’effort pour faire coulisser le piston 3 est plus important à cause de ces frottements. Le rendement du respirateur 1 n’est donc pas optimal.
L’idée de la présente demande consiste diviser le corps 34 du cylindre 2 en deux demi-coques 34a, 34b selon un plan longitudinal symétrique comprenant l’axe central du cylindre 2. Les différentes parties du cylindre 2 sont plus particulièrement illustrées en .
Chaque demi coque 34a, 34b est imprimée séparément.
L’avantage de cette technique d’impression est qu’il est possible d’imprimer chaque demi-coque 34a, 34b selon des strates orientées dans un plan perpendiculaire aux strates de l’art antérieur. Ainsi, on obtient des stries orientées longitudinalement donc parallèlement à l’axe du cylindre 2.
Ainsi, les stries d’impression sont orientées dans le sens de fonctionnement du piston 3, et génèrent ainsi nettement moins de frottements. Cela permet de diminuer nettement le bruit du déplacement du piston 3 au sein du cylindre 2. D’autre part, le rendement du respirateur 1 est ainsi nettement amélioré.
Les « escaliers » générés par les stries dans l’arrondi sont compensés par le matériau de fabrication du joint 32. Ainsi, on obtient un contact étanche entre le joint 32 et la paroi intérieure 20 du cylindre 2.
Pour faciliter l’impression, la première strate peut constituer une paroi extérieure support, plate, à partir de laquelle les autres strates vont se superposer. Ainsi, on obtient une demi-coque 34a, 34b avec un méplat 12 extérieur. Il n’y a donc aucun déchet de matière lors de la fabrication additive de ces demi-coques.
De préférence, les deux demi-coques 34a, 34b sont assemblées l’une à l’autre par emboîtement légèrement serré. Les stries longitudinales permettent d’aider à l’assemblage par emboîtement.
Si nécessaire, il est possible d’ajouter de la colle utilisée spécifiquement dans le domaine médical.
De préférence, le couvercle 7 et la culasse 8 sont assemblés au corps 34 également par emboîtement de formes correspondantes.
De façon alternative ou cumulative, le couvercle 7 et la culasse 8 peuvent être assemblés au corps 34 par vissage. En effet, il est possible de prévoir une épaisseur de matière suffisante dans le corps 34 pour qu’il puisse contenir des orifices 13 taraudés par exemple, qui accueillent les vis.
De préférence, le boîtier 4 de l’unité de contrôle et de commande est fixé sur la culasse 8 du cylindre 2. L’assemblage peut être réalisé par vissage. La dimension de ce boîtier 4 n’excède pas la dimension de la culasse 8 du cylindre 2, dans un souci de compacité de l’ensemble du respirateur 1.
La culasse 8 du cylindre 2 est dotée d’un orifice central 16 par lequel passe l’arbre 35.
Par souci de simplification du respirateur 1, le moteur 17 permettant de faire tourner la vis 6 est localisé en vis-à-vis de l’orifice central 16 de la culasse 8 du cylindre 2, à l’intérieur de l’unité 4 de contrôle et de commande. L’arbre moteur 35 traverse directement la culasse 8 du cylindre 2, et se trouve dans l’axe du cylindre 2 et de la vis sans fin 6.
Le couvercle 7 du cylindre 2 présente un renfoncement 10 central, s’étendant vers l’extérieur du cylindre 2.
Ce renfoncement peut permettre d’accueillir l’extrémité libre de la vis 6.
La vis 6 s’étend sur toute la longueur du cylindre 2.
Le piston 3 présente un orifice central 14 doté d’une rainure hélicoïdale apte à coopérer avec la géométrie de la vis sans fin 6, de manière à pouvoir coulisser dans un sens et dans l’autre en fonction du sens de rotation de la vis sans fin 6.
De préférence, le piston 3 comprend une douille 15 centrale dans laquelle est pratiquée ladite rainure hélicoïdale, de manière à avoir suffisamment de longueur, donc de matière en contact avec la vis sans fin 6.
De façon avantageuse, le piston 3 possède une périphérie biconique qui élimine le bruit lié à la vibration générée par le contact intermittent des arêtes contre le cylindre 2 lors de son déplacement.
Le couvercle 7 du cylindre 2 présente un premier orifice correspondant à l’entrée d’air neuf 9 dans la chambre 33, et présente un second orifice correspondant à la sortie d’air comprimé 11 de la chambre à air 33.
De préférence, le piston 3 et la vis 6 sont également obtenus par fabrication additive.
De préférence, le boîtier 4 de l’unité de contrôle et de commande ainsi que la valve 5 sont également obtenus par fabrication additive.
Le cylindre 2, le piston 3, la vis 6 et le boîtier 4 sont de préférence conçus en matériau thermoplastique, du type PETG.
De préférence, le joint 32 est également obtenu par fabrication additive.
Toutes les pièces du respirateur 1, hormis les éléments compris à l’intérieur du boîtier 4, sont fabriquées en impression 3D.
Cela permet de fabriquer un respirateur 1 à un prix de revient faible par rapport à d’autres respirateurs du commerce.
Cela permet également de continuer à fabriquer des respirateurs en cas de pénurie de certaines pièces.
Toutes les pièces obtenues par fabrication additive sont recyclables et facilement nettoyables.
Toujours dans l’optique de diminuer les nuisances sonores du respirateur 1, d’améliorer l’étanchéité de la chambre à air 33, et de diminuer le couple résistant entre le piston 3 et la paroi intérieure 20 du cylindre 2, le joint 32 présente une géométrie particulière, et la rainure 22 dans laquelle il est logé présente également une géométrie particulière. Ces géométries de la rainure et du joint sont illustrées aux figures 3 et 4.
En l’espèce, il s’agit de préférence d’un joint 32 à doubles lèvres.
Ce joint 32 est localisé dans une rainure 22 prévue à cet effet sur le pourtour périphérique du piston 3.
Ladite rainure 22 présente une section en V, avec une première paroi inclinée 23 et une seconde paroi inclinée 24.
De préférence, la rainure 22 présente un angle droit de 90°, entre les deux parois inclinées 23, 24. Le fond 30 de la rainure 22 est angulaire, et non pas arrondi.
Le joint 32 à doubles lèvres présente deux branches formant un V, l’extrémité libre de chaque branche correspondant à une lèvre 25, 26.
Chaque branche présente une paroi extérieure inclinée 27, 28, l’angle formé entre les deux parois extérieures 27, 28 étant inférieur à l’angle de la rainure 22. De préférence, la différence α (illustrée en ) entre ces deux angles est de l’ordre de 1° à 2°.
Le joint 32 est monté libre en basculement dans la rainure 22.
Le joint 32 présente une base 29 arrondie reliant les deux parois extérieures 27, 28 et venant en appui tangentiellement contre les deux parois inclinées 24, 23 de la rainure 22.
Le joint 32 à doubles lèvres est ainsi en appui cylindrique et peut basculer dans la rainure 22 du piston 3, ce qui permet d’amener alternativement ses lèvres 25, 26 au contact du cylindre 2. Ainsi, en fonction du sens de déplacement du piston 3, ce sera une lèvre 25 plutôt que l’autre 26 en contact avec la paroi intérieure 20 du cylindre 2. Le basculement a lieu à chaque changement de sens de déplacement du piston 3.
Ce basculement permet également d’avoir un jeu de fonctionnement en cas de disparités ou de défauts sur la surface intérieure 20 du cylindre 2.
Cette géométrie particulière entre le joint 32 et la rainure 22 permet un ajustement naturel de la pression du joint 32 sur la paroi intérieure 20 du cylindre 2 pour obtenir le meilleur rapport entre le couple résistant, l’étanchéité et le bruit.
De préférence, le matériau sélectionné pour la fabrication du joint 32 permet d’absorber les défauts de surface liée à l’impression en couche du cylindre 2.
En l’espèce, c’est un filament souple, du typeTPU90A qui est utilisé pour la fabrication du joint 32 par impression 3D.
Les lèvres 25, 26 du joint 32 dépassent de la jupe 21 du piston 3 de manière à ce qu’au moins l’une d’elles s’écrase contre la paroi intérieure 20 du cylindre 2, quelle que soit la position et le sens d’avancement du piston 3.
De façon avantageuse, le piston 3 présente une jupe 21 périphérique dans laquelle est pratiquée la rainure 22 logeant ledit joint 32.
De préférence, le moteur 17 du respirateur 1 est monté sur un système du type silent block 31. Ce système permet de lui accorder une liberté de mouvement afin d’absorber les éventuelles déformations liées au processus de fabrication et/ou aux variations de température.
De préférence des pieds en matière souple sont disposés sur le respirateur 1 pour limiter la transmission des vibrations à la surface sur laquelle est posé le respirateur 1.
L’ensemble des améliorations présentées ci-dessus qui permet une meilleure étanchéité, une diminution du bruit, et une diminution des frottements, entraîne une amélioration du rendement global du respirateur 1, ce qui permet de diminuer le volume de la chambre 33, donc de gagner en compacité, et ce qui permet également de choisir un moteur 17 avec un couple moins important, donc moins coûteux.
Les configurations montrées aux figures citées ne sont que des exemples possibles, nullement limitatifs, de l’invention qui englobe au contraire les variantes de formes et de conceptions à la portée de l’homme de l’art.

Claims (11)

  1. Respirateur (1) comprenant :
    - un cylindre (2) définissant un espace interne dans lequel se trouve un piston (3) monté en coulissement étanche, ledit piston (3) étant déplaçable le long d’une vis sans fin (6) centrale s’étendant axialement dans le cylindre (2), le cylindre (2) comprenant une chambre (33) à air de volume variable délimité en partie par ledit piston (3) et une paroi intérieure (20) du cylindre (2), le déplacement du piston (3) engendrant une variation du volume et de la pression dans ladite chambre (33), la chambre (33) présentant une entrée d’air neuf et une sortie d’air comprimé ;
    - une valve (5) unidirectionnelle raccordée à la sortie de la chambre (33) par laquelle l’air comprimé est expulsé sous l’effet du déplacement du piston (3), ladite valve (5) étant apte à être raccordée à un masque ;
    - une unité (4) de contrôle et de commande commandant le déplacement du piston (3) au sein du cylindre (2),
    caractérisé en ce que la section intérieure du cylindre (2) est ovale, ledit piston (3) étant ovale.
  2. Respirateur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le cylindre (2) comprend deux demi-coques (34a, 34b) assemblées par emboitement.
  3. Respirateur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la paroi intérieure (20) du cylindre (2) présente des stries de fabrication s’étendant selon la direction d’extension du cylindre (2).
  4. Respirateur (1) selon l’une des revendications 2 à 3, caractérisé en ce que chaque demi-coque (34a, 34b) présente une surface support plate.
  5. Respirateur (1) selon l’une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le cylindre (2) comporte un couvercle (7) solidarisé aux deux demi-coques (34a, 34b), ledit couvercle (7) présentant ledit orifice de sortie (11) raccordé à ladite valve (5).
  6. Respirateur (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’unité (4) de contrôle et de commande comporte un moteur (17) faisant tourner ladite vis (6), cette dernière traversant le piston (3) en son centre en étant en liaison hélicoïdale et permettant de faire coulisser le piston (3) au sein du cylindre (2) en bidirectionnel selon le sens de rotation du moteur (17).
  7. Respirateur (1) selon la revendication précédente lorsqu’elle dépend de la revendication 2, caractérisé en ce que le cylindre (2) comporte une culasse (8) solidarisé aux deux demi-coques (34a, 34b) et présentant un orifice central (16) traversé par un arbre (35) du moteur (17) sur lequel est montée la vis (6), l’unité (4) de contrôle et de commande étant assemblée à ladite culasse (8).
  8. Respirateur (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comporte des moyens d’étanchéité agencés entre le piston (3) et la paroi intérieure (20) du cylindre (2).
  9. Respirateur (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits moyens d’étanchéité consistent en un joint (32).
  10. Dispositif d’aide à la respiration non invasif, comprenant un respirateur (1) tel que décrit selon l’une des revendications précédentes, et comprenant un masque relié audit respirateur (1) via des tubulures.
  11. Procédé de fabrication d’un respirateur (1) tel que décrit selon l’une des revendications 1 à 9, comprenant des étapes de fabrication additive du cylindre (2), du piston (3), de la vis (6), et de la valve (5).
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