FR3110438A1 - Mélangeur air/oxygène d’un respirateur artificiel - Google Patents

Abstract

L’invention se rapporte à un mélangeur (100) d’un respirateur artificiel (1) destiné à assurer le mélange d’un flux d’air et d’un flux d’oxygène. Selon l’invention, le mélangeur comprend une paroi latérale fermée (101) comportant une première ouverture (102) destinée à assurer l’arrivée du flux d’air, une deuxième ouverture (107) destinée à assurer l’arrivée du flux d’oxygène et une troisième ouverture (103) destinée à assurer la sortie du mélange gazeux air/oxygène, ladite paroi (101) s’étendant entre la première ouverture (102) et la troisième ouverture (103), la paroi (101) possédant une rampe (120) interne destinée à dévier le flux d’oxygène pour le placer dans le même sens que le flux d’air au sein du mélangeur (100). Figure pour l’abrégé : Fig. 4

Description

Mélangeur air/oxygène d’un respirateur artificiel

La présente invention concerne un mélangeur air/oxygène d’un respirateur artificiel transportable.

Suite à certaines pathologies ou à des accidents, des personnes peuvent se retrouver en insuffisance respiratoire, avec un risque vital à la clé. Une solution permettant à ces personnes de retrouver une respiration normale, consiste à utiliser des dispositifs de ventilation permettant d’apporter une assistance respiratoire. Ces dispositifs sont également appelés « respirateurs artificiels », dont le principe est d’insuffler de l’air dans les poumons suivant un cycle respiratoire déterminé, cet air pouvant au besoin être enrichi par un apport en oxygène. La circulation de l’air dans le respirateur est provoquée par un moto-ventilateur qui pulse de l’air dans un circuit aéraulique, entre une entrée d’alimentation (ou admission) disposée en amont, et une sortie (ou échappement) disposée en aval conduisant au patient. Le moto-ventilateur est ici constitué d’une roue à pales entrainée en rotation par un moteur électrique, à une vitesse de l’ordre de 40000 tr/min. L’alimentation en oxygène est quant à elle conditionnée par une pression du circuit oxygène (une bouteille ou un conduit d’oxygène pressurisé étant par exemple branché sur le circuit d’air du respirateur).

Au sein de ces respirateurs artificiels, le mélange gazeux s’effectue au niveau d’une pièce appelée « mélangeur », dans laquelle un flux d’oxygène rencontre un flux d’air, les deux flux se mélangeant dans ledit mélangeur avant de ressortir de celui-ci pour être ensuite acheminé vers les poumons d’une personne en insuffisance respiratoire.

Les performances de ces respirateurs artificiels reposant notamment sur la qualité de ce mélange gazeux, il est particulièrement important de réaliser ce mélange dans les meilleures conditions, afin qu’il soit le plus efficace possible vis-à-vis de cette insuffisance respiratoire.

Un mélangeur selon l’invention est configuré pour permettre un mélange optimisé d’un flux d’air et d’un flux d’oxygène au sein d’un respirateur artificiel, afin de rendre ce respirateur performant, de façon sûre et fiable.

L’invention a pour objet un mélangeur d’un respirateur artificiel à assurer le mélange d’un flux d’air et d’un flux d’oxygène.

Selon l’invention, le mélangeur comprend une paroi latérale fermée comportant une première ouverture destinée à assurer l’arrivée du flux d’air, une deuxième ouverture destinée à assurer l’arrivée du flux d’oxygène et une troisième ouverture destinée à assurer la sortie du mélange gazeux air/oxygène, ladite paroi s’étendant entre la première ouverture et la troisième ouverture et possédant une rampe interne destinée à dévier le flux d’oxygène pour le placer dans le même sens que le flux d’air au sein du mélangeur. Un tel mélangeur est destiné à être placé dans un respirateur artificiel sur un circuit de circulation d’oxygène et sur un circuit de circulation d’air afin de réaliser un mélange de ces deux gaz. Un tel mélangeur présente la particularité de posséder une rampe interne destinée à dévier le flux d’oxygène au sein dudit mélangeur afin qu’il se retrouve dans le même sens que le flux d’air. Il en résulte une diminution importante, voire une élimination, des turbulences à l’intérieur du mélangeur, favorisant le mélange entre l’air et l’oxygène. Cette rampe, qui peut être assimilée à un déflecteur, réoriente le flux d’oxygène dans le mélangeur afin de faciliter un mélange naturel entre l’air et ledit oxygène. Avantageusement, cette rampe est constituée par une pièce solide placée à l’intérieur de la paroi latérale. Le mélangeur, qui va se retrouver à la croisée de différents circuits de gaz pour constituer le siège du mélange gazeux entre l’oxygène et l’air, est une pièce relais, préférentiellement de petite taille. Avantageusement, ce mélangeur est en matière plastique. En effet, puisque cette pièce est peu sollicitée en température et/ou en pression, elle présente une faible épaisseur et est réalisée dans un matériau léger ayant une bonne tenue mécanique.

Selon une caractéristique possible de l’invention, la première ouverture et la troisième ouverture sont alignées le long d’un axe longitudinal du mélangeur, la deuxième ouverture étant placée dans une position latérale sur la paroi du mélangeur. Autrement dit, la normale à la deuxième ouverture s’étend préférentiellement suivant un axe qui est perpendiculaire à un axe longitudinal du mélangeur. De cette manière, le mélangeur est une pièce ayant une géométrie simple, et dans laquelle sont pratiquées les ouvertures idoines pour connecter les différents circuits gazeux.

Selon une caractéristique possible de l’invention, la rampe est constituée par une cloison plane prenant naissance sur la paroi latérale entre la première ouverture et la deuxième ouverture et s’étendant vers la troisième ouverture, cette cloison étant configurée pour créer une zone amont incluant la deuxième ouverture et présentant deux compartiments séparés par ladite cloison, l’un réservé à la circulation d’oxygène et l’autre à la circulation d’air, et une zone aval de mélange débouchant sur la troisième sortie. Autrement dit, la cloison va dévier le flux d’oxygène pénétrant dans le mélangeur et issu de la deuxième ouverture. La cloison ne s’étend donc que partiellement le long du mélangeur et va contribuer à créer une zone amont de circulation de l’oxygène et de l’air dans deux compartiments séparés et sensiblement parallèles, et une zone aval de mélange de ces deux flux gazeux sensiblement parallèles. Les termes « amont » et « aval » doivent être interprétés par rapport au sens de propagation du flux gazeux dans le mélangeur.

Selon une caractéristique possible de l’invention, la paroi latérale comprend un tronçon cylindrique délimitant la zone amont, et un tronçon tronconique prolongeant le tronçon cylindrique et délimitant la zone aval, la cloison s’étendant jusqu’à un plan de jonction entre le tronçon cylindrique et le tronçon tronconique. De cette manière, la cloison ne s’étend que dans le tronçon cylindrique du mélangeur pour créer deux compartiments, le tronçon tronconique délimitant un espace libre de mélange des deux flux de gaz issus des deux compartiments.

Selon une caractéristique possible de l’invention, la cloison est inclinée par rapport à l’axe de révolution du tronçon cylindrique, de sorte que la section transversale du compartiment réservé à la circulation d’oxygène dans ledit mélangeur croît régulièrement jusqu’au plan de jonction entre le tronçon cylindrique et le tronçon tronconique alors que dans le même temps la section transversale de l’autre compartiment diminue. De cette manière, le flux d’oxygène débouchant dans le mélangeur par la deuxième ouverture ne va pas impacter la cloison en étant perpendiculaire à celle-ci, ce qui risquerait de créer des turbulences. Au contraire, cette légère inclinaison de la cloison, va accompagner en douceur le flux d’oxygène vers la zone aval de mélange sans créer une cassure dudit flux.

Selon une caractéristique possible de l’invention, le tronçon tronconique est convergent de sorte que sa section transversale décroit progressivement depuis une extrémité amont en contact avec le tronçon cylindrique jusqu’à une extrémité aval comportant la troisième ouverture. Cette zone convergente va faciliter le mélange de l’air et de l’oxygène en provenance des compartiments de la zone amont, de manière à expulser par la troisième ouverture un mélange gazeux homogène.

Selon une caractéristique possible de l’invention, l’extrémité aval est prolongée par un segment d’extrémité cylindrique dont le diamètre est inférieur à celui du tronçon cylindrique. Ce segment d’extrémité cylindrique va faciliter un emmanchement à force d’un tuyau en plastique autour de celui-ci pour constituer un circuit de sortie du mélange gazeux. Avantageusement, ce segment d’extrémité est parallèle au tronçon cylindrique.

Selon une caractéristique possible de l’invention, le mélangeur comprend un embout cylindrique extérieur au tronçon cylindrique et débouchant dans la deuxième ouverture. Cet embout cylindrique va faciliter un emmanchement à force d’un tuyau en plastique autour de celui-ci, pour définir un circuit d’arrivée de l’oxygène.

Selon une caractéristique possible de l’invention, l’embout est rigide et est venu de matière avec la paroi latérale délimitant le tronçon cylindrique et le tronçon tronconique. En d’autres termes, cet embout rigide fait partie intégrante de la paroi latérale du mélangeur et constitue une extension de celle-ci. Cet embout peut être positionné suivant plusieurs directions, en étant par exemple perpendiculaire à la paroi délimitant le tronçon cylindrique, ou en étant incliné de 45° par rapport à ladite paroi.

L’invention a également pour objet un respirateur artificiel comprenant un circuit aéraulique principal dans lequel de l’air est ventilé via un moto-ventilateur entre une entrée d’alimentation en air en amont et une sortie d’échappement en aval, le respirateur comprenant un circuit secondaire dans lequel de l’oxygène est acheminé jusqu’au circuit aéraulique principal, la jonction entre les deux circuits étant réalisé par un mélangeur ayant tout ou partie des caractéristiques précédentes.

L’invention a pour autre objet un procédé de réalisation d’un mélangeur selon l’invention.

Selon l’invention, le procédé comprend une étape de fabrication dudit mélangeur au moyen d’une imprimante 3D. La géométrie et les dimensions d’un tel mélangeur sont tout à fait compatibles avec une fabrication au moyen d’une imprimante 3D.

Selon un autre aspect de l’invention, le procédé comprend une étape de fabrication du mélangeur par injection

Un mélangeur selon l’invention présente l’avantage de permettre un mélange gazeux d’une qualité optimisée entre de l’oxygène et de l’air au sein d’un respirateur artificiel, tout en étant aussi peu encombrant et aussi léger que les mélangeurs existants. En effet, cette optimisation est réalisée grâce à un réaménagement judicieux de l’intérieur du mélangeur, ne nécessitant ni un encombrement supplémentaire, ni un surplus de masse. Il a de plus l’avantage de pouvoir être fabriqué facilement et rapidement, notamment au moyen d’une imprimante 3D. De plus les pentes et sections sont définies de façon à minimiser les pertes de charges dans le circuit de circulation en air et dans le circuit de circulation du mélange gazeux air/oxygène.

On donne ci-après une description détaillée d’un mode de réalisation préféré d’un mélangeur selon l’invention en se référant aux figures suivantes :

représente une vue de côté d’un respirateur artificiel montrant l’emplacement d’un mélangeur,

représente une vue en perspective d’un premier mode de réalisation d’un mélangeur selon l’invention,

représente une vue en perspective d’un deuxième mode de réalisation d’un mélangeur selon l’invention,

représente une vue en perspective partielle du premier mode de réalisation d’un mélangeur selon l’invention,

représente une vue en perspective sous un autre angle du mélangeur de la , montrant par transparence l’intérieur dudit mélangeur.

représente une vue en perspective d’une autre variante de réalisation du mélangeur selon l’invention, réalisé par injection.

En se référant à la , un respirateur artificiel 1 comprend schématiquement un circuit de circulation d’air 2, un circuit de circulation d’oxygène 3 et un circuit de circulation d’un mélange 4 gazeux air/oxygène.

Un mélangeur 10 est une pièce solide se trouvant au carrefour de ces trois circuits 2, 3 et 4, de manière à ce que le circuit de circulation d’air 2 et le circuit de circulation d’oxygène 3 débouchent dans le mélangeur 10, et de manière à ce que le circuit de circulation du mélange gazeux 4 air/oxygène sorte dudit mélangeur 10 afin d’être acheminé vers un patient en insuffisance respiratoire. Ce mélangeur 10, comme son nom l’indique, est conçu pour assurer un mélange homogène entre l’oxygène et l’air avant d’être acheminé vers le patient.

En se référant aux figures 2 et 3, un mélangeur 100 selon l’invention est constituée par une paroi latérale fermée 101, s’étendant entre une première ouverture 102 et une troisième ouverture 103 et présentant un tronçon cylindrique 104 creux et un tronçon tronconique 105 creux, lesdits deux tronçons 104, 105 étant dans la continuité l’un de l’autre. Le tronçon cylindrique 104 présente deux extrémités considérées le long de son axe de révolution, dont une première extrémité est constituée par la première ouverture 102 et dont une deuxième extrémité 106 est en contact avec le tronçon tronconique 105. Le tronçon tronconique 105 présente deux extrémités considérées le long de son axe de révolution, dont une première extrémité 108 est en contact avec la deuxième extrémité 106 du tronçon cylindrique 104 et dont une deuxième extrémité 109 comprend la troisième ouverture 103. Ce tronçon tronconique 105 est convergent de sorte que sa section transversale décroit régulièrement depuis sa première extrémité 108 jusqu’à sa deuxième extrémité 109. Cette deuxième extrémité 109 dudit tronçon tronconique 105 est prolongée par un segment cylindrique 110 d’extrémité, qui est parallèle au tronçon cylindrique 104 et dont le diamètre est inférieur à celui dudit tronçon cylindrique 104.

Un angle compris entre 5 et 10 degrés est prévu entre la paroi latérale du tronçon tronconique 105 et l’axe longitudinal, cet angle étant idéalement de l’ordre de 7 degrés comme dans l’exemple illustré.
En se référant à la , une deuxième ouverture 107 est pratiquée dans la paroi 101 du mélangeur 100 délimitant le tronçon cylindrique 104. La normale à cette deuxième ouverture 107 s’étend perpendiculairement à l’axe de révolution du tronçon cylindrique 104. Le mélangeur 100 est placé dans le respirateur artificiel 1 de sorte que :
-le circuit de circulation d’air 2 débouche dans la première ouverture 102 du mélangeur 100,
-le circuit de circulation d’oxygène 3 débouche dans la deuxième ouverture 107,
-le circuit de circulation du mélange gazeux 4 air/oxygène débouche dans la troisième ouverture 103.

Avantageusement, le circuit de circulation d’air 2 est destiné à venir s’emmancher à force autour de la paroi 101 du mélangeur 10 délimitant la première ouverture 102 et le circuit de circulation du mélange gazeux 4 est destiné à venir s’emmancher à force autour du segment d’extrémité 110. Afin de permettre au circuit de circulation d’oxygène 3 de venir se fixer au mélangeur 100, ledit mélangeur 100 comprend un embout 111 rectiligne creux débouchant dans la deuxième ouverture 107. Cet embout 111 est rigide et est extérieur au mélangeur 100, et permet ainsi au circuit de circulation 3 d’oxygène de venir s’emmancher à force autour dudit embout 111.

En se référant aux figures 2, 4 et 5, selon un premier mode de réalisation d’un mélangeur 100 selon l’invention, l’embout 111 débouchant dans la deuxième ouverture 107 est incliné d’un angle de 45° par rapport à l’axe de révolution du tronçon cylindrique 104.

En se référant à la , selon un deuxième mode de réalisation d’un mélangeur 100 selon l’invention, l’embout 111 débouchant dans la deuxième ouverture 107 est incliné d’un angle de 90° par rapport à l’axe de révolution du tronçon cylindrique 104.

Il est à noter que les deux modes de réalisation ci-avant mentionnés, sont équivalents vis-à-vis de l’efficacité du mélangeur 100.

En se référant aux figures 4 et 5, un mélangeur 100 selon l’invention présente la particularité de comprendre une rampe interne 120 sous la forme d’une cloison plane, destinée à réorienter le flux d’oxygène dans le mélangeur 10. Cette cloison 120 prend naissance sur la paroi 101 du mélangeur 10 délimitant le tronçon cylindrique 104, en un point 121 qui est situé entre la première ouverture 102 et la deuxième ouverture 107 et s’étend vers un plan de jonction 130 entre le tronçon cylindrique 104 et le tronçon tronconique 105. Cette cloison 120 divise le tronçon cylindrique 104 en deux compartiments 122, 123 dont un premier compartiment 122 permet la circulation de l’oxygène en provenance de la deuxième ouverture 107, et dont un deuxième compartiment 123 permet la circulation de l’air en provenance de la première ouverture 102. Cette cloison 120 est inclinée par rapport à l’axe de révolution du tronçon cylindrique 104, de sorte que la section transversale du premier compartiment 122 croit régulièrement depuis son point 121 de départ jusqu’au plan de jonction 130, alors que dans le même temps celle du deuxième compartiment 123 décroit. L’angle formé entre la cloison 120 et l’axe longitudinal du mélangeur 100 est typiquement compris entre 5 et 10 degrés, cet angle étant idéalement de l’ordre de 7 degrés comme représenté sur les illustrations. Cette cloison 120 permet de réorienter le flux d’oxygène dans le mélangeur 10 afin qu’il s’écoule dans le même sens que celui du flux d’air en provenance de la première ouverture 102. Le fait que la cloison 120 soit légèrement inclinée par rapport à l’axe de révolution du tronçon cylindrique 104, empêche que le flux d’oxygène en provenance de la deuxième ouverture 107 impacte ladite cloison 120 en étant perpendiculaire à celle-ci, ce qui aurait pour effet de créer des turbulences. La cloison 120 dévie ainsi en douceur le flux d’oxygène dans le tronçon cylindrique 104.

Le mélangeur présente ainsi une zone amont délimitée par le tronçon cylindrique 104 et qui permet de placer le flux d’oxygène dans des conditions optimisées par rapport au flux d’air, et une zone aval de mélange délimitée par le tronçon tronconique 105. En schématisant la situation, la zone amont est une zone de mise en condition des flux d’oxygène et d’air, et la zone aval est une zone de mélange de ces deux gaz.

Selon un aspect remarquable de l’invention, les pentes et sections sont calculées de manière à réduire significativement les pertes de charges dans les circuits de circulation d’air 2 et de circulation de mélange gazeux 4 air/oxygène. Les angles de la paroi 101 et de la cloison 120 sont relativement faibles par rapport à l’axe longitudinal de révolution du mélangeur 100. Par ailleurs, les sections des compartiments 122 et 123, à la jonction 130 avec le volume 105 sont calculées de manière à ce que, dans les cas des débits maximums, les vitesses soient identiques.

Le mélangeur 100 comprenant la paroi latérale 101, la rampe ou cloison 120 et l’embout creux 111 constitue une seule et même pièce venue de matière, et est typiquement fabriquée au moyen d’une imprimante 3D.

En se référant à la , dans une variante de réalisation, le mélangeur 100 peut être fabriqué par injection plastique, de manière à réduire le coût. Ce dernier 100 peut alors être réalisé en deux parties distinctes, l’une matérialisant la partie cylindrique 104 et l’autre la partie tronconique 105, qui sont ensuite assemblées l’une à l’autre de façon étanche.

Claims (12)

1. Mélangeur (10, 100) d’un respirateur artificiel (1) destiné à assurer le mélange d’un flux d’air et d’un flux d’oxygène, caractérisé en ce qu’il comprend une paroi latérale fermée (101) comportant une première ouverture (102) destinée à assurer l’arrivée du flux d’air, une deuxième ouverture (107) destinée à assurer l’arrivée du flux d’oxygène et une troisième ouverture (103) destinée à assurer la sortie du mélange gazeux air/oxygène, ladite paroi (101) s’étendant entre la première ouverture (102) et la troisième ouverture (103), et en ce que la paroi (101) possède une rampe (120) interne destinée à dévier le flux d’oxygène pour le placer dans le même sens que le flux d’air au sein du mélangeur (100).
2. Mélangeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première ouverture (102) et la troisième ouverture (103) sont alignées le long d’un axe longitudinal du mélangeur (100), et en ce que la deuxième ouverture (107) est placée dans une position latérale sur la paroi (101) du mélangeur (100).
3. Mélangeur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la rampe (120) est constituée par une cloison plane prenant naissance sur la paroi latérale (101) entre la première ouverture (102) et la deuxième ouverture (107) et s’étendant vers la troisième ouverture (103), et en ce que cette cloison (120) est configurée pour créer une zone amont incluant la deuxième ouverture (107) et présentant deux compartiments (122, 123) séparés par ladite cloison (120), l’un (122) étant réservé à la circulation d’oxygène et l’autre (123) à la circulation d’air, et une zone aval de mélange débouchant sur la troisième sortie (103).
4. Mélangeur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la paroi latérale (101) comprend un tronçon cylindrique (104) délimitant la zone amont, et un tronçon tronconique (105) prolongeant le tronçon cylindrique (104) et délimitant la zone aval, et en ce que la cloison (120) s’étend jusqu’à un plan de jonction (130) entre le tronçon cylindrique (104) et le tronçon tronconique (105).
5. Mélangeur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la cloison (120) est inclinée par rapport à l’axe de révolution du tronçon cylindrique (104), de sorte que la section transversale du compartiment (122) réservé à la circulation d’oxygène dans ledit mélangeur (100) croît régulièrement jusqu’au plan de jonction (130) entre le tronçon cylindrique (104) et le tronçon tronconique (105), alors que dans le même temps la section transversale de l’autre compartiment (123) diminue.
6. Mélangeur selon l’une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le tronçon tronconique (105) est convergent de sorte que sa section transversale décroit progressivement depuis une extrémité amont (108) en contact avec le tronçon cylindrique (104) jusqu’à une extrémité aval (109) comportant la troisième ouverture (103).
7. Mélangeur selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’extrémité aval (109) est prolongée par un segment d’extrémité cylindrique (110) dont le diamètre est inférieur à celui du tronçon cylindrique (104).
8. Mélangeur selon l’une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend un embout cylindrique (111) extérieur au tronçon cylindrique (104) et débouchant dans la deuxième ouverture (107).
9. Mélangeur selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’embout (111) est rigide et est venu de matière avec la paroi latérale (101) délimitant le tronçon cylindrique (104) et le tronçon tronconique (105).
10. Respirateur artificiel comprenant un circuit aéraulique principal dans lequel de l’air est ventilé via un moto-ventilateur entre une entrée d’alimentation en air en amont et une sortie d’échappement en aval, le respirateur comprenant un circuit secondaire dans lequel de l’oxygène est acheminé jusqu’au circuit aéraulique principal, la jonction entre les deux circuits étant réalisé par un mélangeur selon l’une quelconque des revendications précédentes.
11. Procédé de réalisation d’un mélangeur (100) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de fabrication dudit mélangeur (100) au moyen d’une imprimante 3D.
12. Procédé de réalisation d’un mélangeur selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu’il comprend une étape de fabrication du mélangeur par injection.