JP5706554B2 - Cpap装置用の小型で低騒音の効率的な送風機 - Google Patents
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Description
本願は、その全体が本明細書に援用される、2006年5月24日出願の豪州仮特許出願第2006902781号の利益を主張する。
閉塞型睡眠時無呼吸症候群(OSA)の経鼻的な持続的気道陽圧法(CPAP)による治療は、Sullivanによって発明された。特許文献1を参照されたい。OSAを治療する装置は、典型的に、送気導管によって、マスクなどの患者側の接続装置に空気または呼吸に適した気体の供給を与える送風機を備える。典型的に、装置を装着している間、患者は眠るので、静かで快適であるシステムを有することが望ましい。
送風機は、典型的に、遠心式、軸流式または混流式として分類される。一般に、送風機は、回転部品、すなわちインペラおよびシャフトと、典型的には渦形室のようなチャンバである流体流路を画定する固定部品との2つの主な部品を備える。インペラの回転は、空気に運動エネルギーを与える。固定部品は、インペラから放出される空気を、囲まれた出口通路へと向け直す。この向け直す際に、下流の抵抗または下流の圧力源によって発生される圧力のため、流れに対する抵抗が起こる。流れがこの抵抗に対して減速されるにつれ、運動エネルギーの一部が、圧力の形の位置エネルギーに変換される。
既知の送風機構成の別の形態は、その内容が本明細書によって明白に援用される、ResMed社の特許文献2において説明される。この特許出願において説明されるように、渦形室の幾何学形状は概ね軸方向に展開するが、空気は概ね接線方向にこの送風機を出る。
Respironics社の特許文献3は、好ましくは3つの回転式のインペラおよび2つの固定式の固定子を含む送風機組立体を有する医療用人工呼吸器を説明する。この装置では、空気が概ね接線方向に送風機組立体を出るように、従来式の渦形室構成が用いられる。
既知の別の送風機は、CPAP装置のRespironics社のREMstarシリーズに見られる。この装置では、空気は概ね接線方向に送風機を出る。
ResMed社に譲渡された特許文献4は、気体を所望の圧力および流動特性へと協働して加圧する気体流路内の2つのインペラを含む、患者の持続的気道陽圧法(CPAP)の換気用の両端式無段変速送風機について説明する。この特許の内容は、本明細書に明白に援用される。この装置では、空気は概ね接線方向に送風機を出る。
また、本明細書に説明される送風機は、空気以外の流体を送るように構成され得ることが認められる。
本発明の一実施形態による送風機100は、固定部分と、回転部分と、電気モータとを備える遠心式空気ポンプの形態であってよい。
2.1 第1段
送風機の第1段が、ここに説明される。図4a〜4cおよび5a〜5gに最もよく示されるように、空気は、入口130において送風機100に入り、第1回転インペラ150へと通り、そこで空気は、接線方向に加速され、半径方向外側に向けられる。次に空気は、モータ140の側部の回りを通過し、大きい接線方向の速度成分と、また、固定子構成要素180の第1組の静翼185に向かう軸方向の成分とを有して、らせん状に流れる。
本実施形態では、遮蔽の機能はモータのケースによって与えられているので、第1段に遮蔽部は設けられない。第1組の静翼185において、空気は、穴181に向かって半径方向内側に向けられ、その後で第2段へと向けられる。
第2段では、図4a〜4cおよび5a〜5gに示すように、空気は、まず、第2回転インペラ152によって接線方向に加速され、また、半径方向外側に流れる。次に、空気は、大きい接線方向の速度成分と、また円形の円板190の外縁部および固定子構成要素182の内表面によって画定される間隙164を通過する軸方向の成分とを有してらせん状に流れる。次に、空気は、固定子構成要素182内に形成された第2組の静翼187に入り、穴183に向かって半径方向内側に向けられ、その後、第3段へと向けられる。
第3段の流体流路は、第2段の流体流路と同様である。図4a〜4cおよび5a〜5gに示すように、空気は、穴183を介してこの段に入り、第3回転インペラ154によって接線方向に加速され、また、半径方向外側に向けられる。次に、空気は、大きい接線速度の成分と、また円形の円板192の外縁部および筺体174の内縁部によって画定される間隙166を通過する軸方向の成分とを有してらせん状に流れる。次に空気は、筐体174内に形成された静翼184によって、出口120の方へ向けられる。
3.1 全体
送風機の固定部は、2つの外部筐体部品172、174と、内部流れ案内固定子構成要素180、182、184と、2つの遮蔽部190、192とを含み、寸法的に安定である任意の適切な剛性または半剛性の材料から作製されてよい。一実施形態では、固定子構成要素は、良好な熱伝導性、比較的低いコスト、低い密度、音の緩衝特性、および後の機械加工を減らす成形の容易さのうちの1つまたは複数の特性をもたらす材料から作製されてよい。熱伝導性材料の使用は、また、モータを冷たく保ち、空気を暖めるのを助けることができる。空気を加熱する能力は、NIVV装置に使用される送風機に追加の利点を提供し得る。
空気入口130は、所望の流れの必要条件が確実に満たされる一方で、空気入口130から過剰な騒音が戻って放出されないように、送風機内に十分な空気流を入れるように構成される。また、空気入口130の寸法は、送風機によって必要とされる流れの所望のレベル、および特定の用途に依存する。NIVVの実施形態では、空気入口130は、2mmから100mmの間、たとえば15mmから20mmの間の直径を有してよい。
静翼を含む固定子構成要素は、流れの方向に滑らかな移行部を促進するように構築される。一実施形態では、2つの固定子構成要素180、182は、プラスチックから射出成形される(たとえば図7a〜7dを参照)。第3の固定子構成要素は、底部のケーシング174内に成形される静翼184を含む。別の実施形態では、静翼は金属のような熱伝導性材料を使用して作製されてもよい。
本発明のNIVVの実施形態では、静翼は、概ね半径方向に流れを向ける。羽根は、1mmから100mm、たとえば3mmから5mmの範囲の高さを有する。この構成は、ほぼ直角に流れを持っていき、かなりの軸方向の成分を含む翼または段から段への通路と比較したとき、全体として送風機の小型の構成を維持する助けとなる。
それぞれの段は、空気流を向けるための複数の静翼、たとえば2つから100の静翼を有する。一実施形態では、各段は7つの静翼を有する。それぞれの翼は、実質的に同一であり、空気が激しくなりすぎる前に空気を減速するように、翼の内側端部において翼の外側端部よりも小さい湾曲半径を有する、概ねらせん状の形状を有する。
本発明の代替の実施形態では、翼は、軸に対して垂直である面に流れを向けてよいか、または、少なくとも1セットの静翼が半径方向および軸方向の両方に流れを向けるように、向けられた流れに対する軸方向の成分があってよい。この実施形態では、最終段の静翼は、傾斜面に配置されてよいか、または一定の高さのものではないが、軸方向ならびに半径方向に展開し、それによって空気がより段階的に軸方向に曲げられる。たとえば、図10aおよび10bは、モータシャフト260に取り付けられたインペラ250と、遮蔽部290と、半径方向および軸方向の両方に流れを向けるように構築された静翼285を含む固定子280とを示す。このように、翼は(上記の実施形態で行うように)接線方向に始まるが、最終的には、(上記の実施形態におけるように半径方向よりもむしろ)軸方向に流れを向ける。この構成は、少々より多くの空間を占めるが、圧力の発生を改善することができる。この構成は、空気が直角に通過しないことを意味する。
本発明の別の態様は、静翼とインペラの羽根との間に配置される遮蔽部(たとえば図8a〜8cを参照)に関する。一実施形態では、遮蔽部は射出成形されたプラスチックから形成されるが、他の適切な材料(金属など)が使用されてもよい。図示の実施形態では、遮蔽部は、静翼の外縁部を越えて半径方向に延在する。これは、静翼とインペラの羽根との間に「視線」路がないことを意味し、結果として、静翼に衝突する空気流が、確実に、一様に循環する性質のものとなるように働く。
送風機を出る空気を概ね接線方向に向ける、既知の従来技術の遠心式送風機とは対照的に、本発明の一実施形態による遠心式送風機は、概ね軸方向に空気を向ける。この軸対称性は、インペラおよび羽根が、すべての装置の流速において対称的な流れのパターンに遭遇するため、空気流の乱流を低減させ、羽根通過音を低減させることにおいて有効である。
筐体は、筐体の別々の構成要素をともに取り付けることを助ける外部筐体上の面取り部を備える。この構成のため、全体的により小さいパッケージが可能になる。
4.1 インペラ
NIVVの実施形態では、送風機は、図4aから4cに示すように、複数のインペラ150、152、154を備える。図示の実施形態では、インペラは構成において同一であるので、インペラ150のみを詳述する。図6aから6gを特に参照すると、インペラ150は、一体成形されたプラスチック構造のものであるが、他の適切な材料および製造技術が使用可能である。インペラ150は、一対の円板状の囲い板202、204の間に挟まれた複数の連続的に湾曲された羽根200を備える。小さい方の囲い板202は、モータシャフト160を受けるように構成されたハブまたはブッシュ206を組み込む。囲い板202は、羽根200の内側部分に重なる、すなわち、小さい方の囲い板の外径(OD)は、大きい方の囲い板204のODより実質的に小さい。大きい方の囲い板204は、比較的大きい中央開口部208を備えて形成され、羽根の半径方向外側の先端部まで延在する。小さい方の囲い板202のODを、囲い板204の中央開口部208の直径よりわずかに小さくすることが、インペラを製造するのに用いられる成形工程を容易にする。
NIVVの実施形態では、インペラ150は、20mmから200mmの範囲の直径を有してよい。一実施形態では、インペラ150は、40mmから50mmの範囲、たとえば42mmの直径を有してよい。この範囲の直径を備えたインペラは、送風機の全体的な寸法、回転の慣性、および乱流のレベルの間に、良好な妥協点をもたらし得る。
NIVVの実施形態では、インペラは、4つから100(たとえば11)の一次羽根200を有する。インペラは、二次羽根および三次羽根を含んでもよく、異なる羽根通過断面(図示せず)のものであってもよい。
一実施形態では、インペラの羽根200は、半径方向に連続的に湾曲され、また、半径方向外側の部分において幅にテーパが付けられてもよい。羽根の先端部の狭くされた幅は、乱流を低減させることができる(たとえば、レイノルズ数は、(順に)3つのインペラ、2つのインペラ、1つのインペラを備えた送風機においてより少なくなる)。一実施形態では、羽根の最も外側の横方向の縁部は、羽根の先端部における乱流騒音を低減させるのを助けるように、羽根のそれぞれの横方向の幅に沿って段(図示せず)が付けられてもよい。別の実施形態では、羽根200の最も外側の横方向の縁部は平坦である。一実施形態では、羽根200は、1mmから40mm、たとえば3mmから6mmの範囲の出口高さを有する。一形態では、羽根200は、出口高さと同じである入口高さを有するが、他の形態では、入口および出口の高さは、異なってもよい。
一実施形態では、シャフト160と遮蔽部190、192との間に間隙がある。この間隙は、シャフトが遮蔽部内で回転できるようにするのに十分であるが、インペラ152、154と内部流れ案内構成要素182、184との間におけるかなりの漏れを防ぐように十分小さい。NIVV装置用の送風機では、間隙は10mm未満、たとえば2mm未満であってよい。
本発明の一実施形態による送風機は、静翼を使用する、軸方向に対称形の渦形室を備える。空気流は、実質的に軸方向に、送風機内の各段に入り、各段を出る。結果として、空気は、一方の端部において軸方向に送風機に入り、他方において軸方向に送風機を出る。
空気流路は、送風機全体において実質的に軸方向に対称的であり、インペラを介しておよび渦形室内において、一定の供給パターンを維持する。対称形の送風機は、バランスを与え、それが、羽根の通過音のレベルを下げ、乱流の騒音のレベルを下げることにつながる。インペラと静翼との間に配置される遮蔽部は、翼の前縁にインペラの羽根先端部からの障壁をもたらし、こうして、羽根の通過音を低減させる。
図示の実施形態では、送風機は、3つの対応するインペラを備えた3つの段を含む。この実施形態では、1つのインペラがモータの一方の側に配置され、2つのインペラがモータの他方の側に配置される。
以下は、本発明の代替の実施形態による送風機を示す。それぞれの実施形態では、空気は、一方の端部において軸方向に送風機に入り、他方の端部において軸方向に送風機を出る。
図11〜16は、本発明の別の実施形態による送風機400を示す。図示のように、送風機400は、2つの対応するインペラ450、452を備えた2つの段を含む。この実施形態では、2つのインペラは、磁石462および固定子組立体465の同じ側に配置されるが、軸受444はインペラ450、452の間に配置される。
送風機400は、より小型またはミニサイズの送風機をもたらす比較的小さいサイズを有する。たとえば、図14に示すように、送風機400は、約50から60mm、たとえば53mmの全径d、および約40〜50mm、たとえば44mmの全長lを有してよい。しかしながら、他の適切なサイズが可能である。
送風機400の固定部分は、第1および第2の筐体部品472、474を備えた筐体470と、静翼485を含む固定子構成要素480と、第1および第2の遮蔽部490、492とを含む。送風機400の回転部分は、モータ440によって駆動されるように構成された第1および第2のインペラ450、452を含む。モータは、シャフト460の回転する動きを起こすようにシャフト460および固定子組立体465に設けられた磁石462を含む。一実施形態では、モータは、(小型のサイズのために)2つの極を含み、センサなし、および/または(低騒音のために)溝なしであってよい。
図15および16に最もよく示されるように、固定子構成要素480は、遮蔽部490を適所に固定するように、遮蔽部490に設けられた対応する開口部491内に係合(たとえば圧入)する円柱形のハブ486を含む。さらに、ハブ486は、回転可能にシャフト460を支持する軸受444を保持または収容する凹部488を備える。図示のように、軸受444は、インペラ450から空気が送られる面に沿って配置されるように、固定子構成要素480の中に納められる。軸受444がモータ構成要素(すなわち固定子組立体および磁石)を囲む筐体の外に配置されるので、この構成は軸方向の空間を節約する。
図示の実施形態では、それぞれのインペラ450、452は、一対の円板状の囲い板455、456の間に挟まれた連続的に湾曲されたまたは直線状の複数の羽根454を含む。下側の囲い板456は、シャフト460を受けるように構成されたハブまたはブッシュを組み込む。また、それぞれのインペラ450、452は、羽根454が外縁部に向かってテーパになるテーパ付きの構成を含む。インペラのさらなる詳細は、その全体が本明細書に援用される、特許文献5に開示される。このような構成は、たとえば、比較的低い慣性のインペラのために、比較的速い圧力の応答をもたらすことができる。
第1段において、空気または気体は、入口430において送風機400に入り、第1インペラ450内へと通り、そこで空気は接線方向に加速されて、半径方向外側に向けられる。次に空気は、大きい接線方向の速度成分と、また、遮蔽部490の外縁部と筐体部品472の内面とによって画定された間隙464を通過する軸方向の成分とを有して、らせん状に流れる。空気は、次に、固定子構成要素480内に形成された静翼485に入り、半径方向内側に穴483の方へ向けられ、その後、第2段へ向けられる。
図17に示すように、送風機400は、支持システムによって、(たとえばPAP装置のようなNIVV装置の一部を形成する)外部ケーシング415内に支持されてよい。外部ケーシング415は、ベース部416と、ベース部416に設けられたカバー418とを含む。支持システムは、送風機400を支持する側部支持部424、頂部支持部425、または底部支持部426、あるいはこれらの組み合わせを含む。支持システムは、また、送風機400の入口側と出口側との間の封止部もたらすように構成されてもよい。
図18は、本発明の別の実施形態による2段式の送風機500を示す。2段式の送風機500は、上述の送風機400と同様である。対照的に、第2筐体部品574および第2遮蔽部592が、モータ構成要素を支持する異なる構造体をもたらす。
また、固定子組立体からの熱は、別個の加熱器の必要なく、患者のための気体を加熱するように使用可能である。
図19は、本発明の別の実施形態による3段式の送風機600を示す。上述の3段式送風機100と同様に、送風機600は、モータ640の一方の側に配置された1つのインペラ650と、モータ640の他方の側に配置された2つのインペラ652、654とを備えた3つの段を含む。
本発明は遠心式ポンプについて概ね説明されてきたが、本発明はこの形態に限定されず、また、混合流タイプの形態をとってもよい。
20 出口
30 入口
40 電気モータ
50 インペラ
60 シャフト
100 送風機
120 出口
130 入口
140 電気モータ
150 インペラ
152 インペラ
154 インペラ
160 シャフト
164 間隙
166 間隙
170 外部筐体
172 外部筐体部品
174 外部筐体部品
180 固定子構成要素
181 穴
182 固定子構成要素
183 穴
184 固定子構成要素
185 静翼
187 静翼
190 遮蔽部(円板)
192 遮蔽部
200 羽根
202 囲い板
204 囲い板
206 ハブ
208 中央開口部
250 インペラ
260 モータシャフト
280 固定子
285 静翼
290 遮蔽部
350 インペラ
352 囲い板
354 囲い板
355 羽根
360 モータシャフト
380 固定子
385 静翼
400 送風機
415 外部ケーシング
416 ベース部
418 カバー
420 出口
424 側部支持部
425 頂部支持部
426 底部支持部
427 偏向部材
428 伝導部材
430 入口
440 モータ
444 軸受
446 軸受
450 インペラ
452 インペラ
454 羽根
455 囲い板
456 囲い板
460 シャフト
462 磁石
464 間隙
465 固定子組立体
466 間隙
470 筐体
472 筐体部品
474 筐体部品
475 ハブ
476 内側環状フランジ
478 外側環状フランジ
480 固定子構成要素
483 穴
485 静翼
486 ハブ
487 静翼
488 凹部
490 遮蔽部
491 開口部
492 遮蔽部
500 送風機
520 出口
546 軸受
560 シャフト
562 磁石
565 固定子組立体
574 第2筐体部品
575 ハブ
576 フランジ
587 静翼
592 第2遮蔽部
593 突出部
595 管部分
598 釣合いリング
600 送風機
615 外部ケーシング
617 出口
620 出口
624 側部支持部
626 底部支持部
635 釘
640 モータ
642 筐体
644 軸受
646 軸受
650 インペラ
652 インペラ
653 羽根
654 インペラ
655 囲い板
656 囲い板
657 壁
659 壁
660 シャフト
670 筐体
672 筐体部品
673 壁
680 固定子構成要素
682 固定子構成要素
692 遮蔽部
693 中央部分
696 空隙
Claims (16)
- 送風機であって、
モータ外部壁と、軸心を形成するシャフトと、を含む電気モータと、
筐体入口および筐体出口を有している筐体であって、前記筐体入口と前記筐体出口の間には気体のための流路が形成され、前記筐体出口が前記送風機を出た気体を概ね前記シャフトの軸に平行な第1方向に向けるように構成された筐体と、
第1の側部上のシャフトに取り付けられ、気体を接線方向に加速するため及び半径方向外側に向けるために採用された第1インペラと、
固定部分と、
を備える送風機であって、
前記固定部分は、前記モータ外部壁と前記固定部分の壁との間に画定された環状の気体流路を含み、前記環状の気体流路は、余分な圧力降下を導入することなしにそこを通じて気体の流れを可能にするのに十分な幅があり、前記環状の気体流路は、気体を概ね軸方向に前記モータの第1の側部から前記モータの第2の側部まで流すように導き、
前記固定部分は、第1静翼構造体をさらに含み、前記第1静翼構造体は、複数の静翼の前縁を有し、前記第1静翼構造体は内側端部を有し、前記第1静翼構造体は、前記モータの前記第2の側部上に位置し、かつ、湾曲した経路に沿って気体流れを滑らかに導くように構成され、前記湾曲した経路は、前記第1静翼構造体の前記内側端部で概ね半径方向内側に向けて気体流れを導き、
当該送風機は、前記モータの筐体が、インペラの羽根の圧力のパルスから前記静翼の前縁を遮蔽する機能をもたらすように構成され配置されることを特徴とする、送風機。 - 前記環状の気体流路が、0.1mm〜100mmの間であることを特徴とする請求項1に記載の送風機。
- 前記環状の気体流路が、約4mmであることを特徴とする請求項2に記載の送風機。
- 前記モータの第2の側部上の前記第1静翼構造体の軸方向下に第2インペラをさらに備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の送風機。
- 前記第2インペラが、前記2インペラから軸方向に離間されて配置された第2静翼構造体と関連することを特徴とする請求項4に記載の送風機。
- 前記第1及び第2インペラは、複数のインペラの羽根を含むことを特徴とする請求項4または5に記載の送風機。
- 前記第1及び第2インペラはそれぞれ、4〜100の間のインペラの羽根を含むことを特徴とする請求項4または5に記載の送風機。
- 前記第1及び第2インペラはそれぞれ、11のインペラの羽根を含むことを特徴とする請求項7に記載の送風機。
- 前記第1及び第2インペラは同一設計であることを特徴とする請求項4〜8のいずれか一項に記載の送風機。
- 前記第2静翼構造体の軸方向下に位置する第3インペラをさらに備え、前記第3インペラが複数のインペラの羽根を含むことを特徴とする請求項5〜9のいずれか一項に記載の送風機。
- 前記インペラの羽根は、連続して湾曲した形状を有することを特徴とする請求項6〜10のいずれか一項に記載の送風機。
- 前記第1インペラ、前記第2インペラ、及び前記第3インペラの少なくとも1つが、一体成形されたプラスチック構造のものであることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の送風機。
- 前記インペラの羽根は、半径方向外側の部分において幅にテーパが付けられていることを特徴とする請求項6〜12のいずれか一項に記載の送風機。
- 前記複数のインペラの羽根は、0°〜90°の間の接線に対する入口角度を有することを特徴とする請求項6〜13のいずれか一項に記載の送風機。
- 前記複数のインペラの羽根は、70°〜110°の間の接線に対する出口角度を有することを特徴とする請求項6〜14のいずれか一項に記載の送風機。
- 請求項1〜15のいずれか一項に記載の送風機を備える非侵襲的換気装置。
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