Una soplante de tipo Roots con emisión de ruido reducida que comprende:

un alojamiento (22) que define una cámara (28) de rotor comprendiendo dicha cámara de rotor una entrada (80) y una salida (82); un primer (24) y segundo (26) rotores montados giratoriamente en dicha cámara (28), definiendo cada rotor una pluralidad de lóbulos (70), cooperando los lóbulos adyacentes de cada rotor con dicho alojamiento para definir una o más cámaras de transporte de gas (103), configurados dichos rotores para mover gas desde dicha entrada (80) a través de dicha cámara de transporte de gas (103) a dicha salida (82); y al menos un canal (90a, 90b) de flujo de gas de salida que se extiende desde dicha salida a lo largo de una superficie interior de dicho alojamiento en dicha cámara de rotor en sentido opuesto a un sentido de rotación de dicho rotor, configurado dicho canal de flujo de gas de salida al menos para permitir que el gas fluya desde dicha salida a una cámara (103) de transporte de gas cuando dichos lóbulos de dicho rotor giran hacia dicha salida, caracterizado por: al menos dicho canal (90a, 90b) de flujo de gas de salida configurado de modo que una presión de dicho gas en dicha cámara (28) cuando dicha cámara se mueve hacía dicha salida cambia a una tasa aproximadamente lineal; o definiendo al menos dicho canal (90a, 90b) de flujo de gas de salida un área de flujo que aumenta generalmente de forma no lineal hacia la dirección de dicha salida

CAMPO DEL INVENTO

El presente invento se refiere a soplantes de tipo Roots y, más particularmente, a un método y aparato para reducir el ruido generado por tal soplante.

REFERENCIA CRUZADA A LA SOLICITUD RELACIONADA

Esta solicitud de patente reivindica el beneficio de la fecha de presentación de la solicitud de patente norteamericana pendiente número de Serie 10/912.747, presentada el 4 de agosto de 2004, que reivindica el beneficio de la solicitud de patente provisional norteamericana nº de serie 60/492.421, presentada el 3 de agosto de 2003.

ANTECEDENTES DEL INVENTO

El documento DE 32 38 015 A1 se ha considerado que constituye la técnica anterior más próxima y describe una soplante del tipo Roots de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1.

El soplante de tipo Roots tiene aplicación potencial en una amplia variedad de entornos. Son relativamente eficientes, y pueden producir un amplio margen de presiones y volúmenes de entrega. Sin embargo, producen un elevado nivel de ruido. El elevado nivel de ruido producido por el soplante ha limitado su uso en ambientes en los que tales niveles de ruido elevados son inaceptables. Uno de tales ambientes es en la proporción de asistencia de respiración a pacientes por medio de un ventilador mecánico.

Por una variedad de razones, hay casos en los que los individuos (pacientes) con enfermedades respiratorias agudas y crónicas no pueden ventilar por sí mismos (es decir respirar). En esas circunstancias, tales pacientes requieren asistencia de respiración para permanecer vivos. Una solución es dotar a esos pacientes con un dispositivo médico llamado un ventilador mecánico, que les ayuda con su respiración.

Un propósito de un ventilador mecánico es reproducir el mecanismo de respiración normal del cuerpo. La mayor parte de los ventiladores mecánicos crean una presión intrapulmonar positiva para ayudar a la respiración. La presión intrapulmonar positiva es creada entregando gas a los pulmones del paciente de modo que se cree una presión positiva dentro de los alvéolos (es decir las ramificaciones finales del árbol respiratorio que actúan como las unidades principales de intercambio de gases del pulmón). Así, un ventilador mecánico es esencialmente un dispositivo que genera un flujo de gas controlado (por ejemplo aire u oxígeno) en las vías aéreas del paciente durante una fase de inhalación, y permite que el gas fluya fuera de los pulmones durante una fase de exhalación.

Los ventiladores mecánicos usan distintos métodos para facilitar la entrega precisa de gas al paciente. Algunos ventiladores usan una fuente externa de gas a presión. Otros ventiladores usan compresores de gas para generar una fuente interna de gas a presión.

La mayor parte de los sistemas de ventilador que tienen una fuente interna de gas usan o bien compresores de velocidad constante o bien de velocidad variable. Los compresores de velocidad constante son máquinas de base giratoria que usualmente funcionan de modo continuo que generan un caudal de gas casi constante para la entrega última al paciente. Estos sistemas de velocidad constante usan generalmente una válvula de flujo aguas abajo para controlar el flujo de gas al paciente, con una derivación o mecanismo de alivio para desviar el exceso de flujo que en algún momento no es necesario para el paciente (por ejemplo exhalación).

Los compresores de velocidad variable funcionan acelerando rápidamente desde un estado de reposo a la velocidad rotacional necesaria para producir el caudal necesario durante el comienzo de la fase de inhalación, y a continuación decelerando a un estado de reposo o casi de reposo al final de la fase de inhalación para permitir que el paciente exhale.

Dos tipos de sistemas de compresor de velocidad variable son empleados típicamente en la técnica de ventilador mecánico: sistemas a base de pistones y sistemas a base de elementos giratorios. Un ejemplo de un sistema de compresor de velocidad variable de la técnica anterior para usar en un ventilador mecánico está descrito en la patente norteamericana nº 5.888.133 de DeVries y colaboradores. Este sistema usa compresores de arrastre para proporcionar el flujo de gas inspiratorio deseado al paciente.

Los sistemas de compresor giratorio entregan el flujo de gas requerido durante la inhalación acelerando el rotor o rotores del compresor a la velocidad deseada al comienzo de cada fase inspiratoria y decelerando el rotor o rotores de compresor a una velocidad de reposo o casi de reposo al final de cada fase inspiratoria. Así, el compresor giratorio es detenido, o hecho girar a una velocidad rotacional base nominal, antes del comienzo de cada fase de ventilación inspiratoria. Al comienzo de una fase inspiratoria, el compresor giratorio es acelerado a una mayor velocidad rotacional para entregar el flujo de gas inspiratorio deseado al paciente. Al final de la fase inspiratoria, la velocidad rotacional del compresor es decelerada a la velocidad de base, o es detenido, hasta el comienzo de la siguiente fase de ventilación inspiratoria. Los sistemas de la técnica anterior usan típicamente un controlador programable para controlar la temporización y la velocidad rotacional del compresor.

Se han realizado grandes progresos en la reducción del tamaño de los ventiladores mecánicos. Ahora hay disponibles ventiladores que son portátiles, y permiten a los usuarios un grado de movilidad autónoma limitado. Reducir además Los requisitos de tamaño y potencia de los ventiladores mecánicos mantiene el potencial de dar a los pacientes incluso una mayor libertad de movimiento, mejorando su calidad de vida.

Debido a la eficiencia relativa una soplante de Roots puede contribuir potencialmente a la reducción de tamaño y consumo de potencia de los ventiladores mecánicos. Sin embargo, hasta ahora no ha sido posible reducir el ruido creado por una soplante de Roots al nivel que es aceptable para un ventilador mecánico.

Los soplantes de Roots usan un par de rotores interactivos. Cada rotor tiene dos o más lóbulos. Lo rotores son hechos girar dentro de un alojamiento que tiene una entrada y una salida. Lo rotores giran con los lóbulos de un rotor moviéndose hacia dentro y hacia fuera de los espacios existentes entre los lóbulos del otro. El gas es movido a través del soplante en cámaras formadas por lóbulos adyacentes de un rotor y la pared del alojamiento del rotor adyacente. Estas cámaras serán denominadas aquí como “cámaras de transporte de gas”.

El ruido es generado por los soplantes de Roots de varias maneras. Un tipo de ruido es causado por el flujo pulsatorio. Cuando los rotores giran, las cámaras de transporte de gas entre los lóbulos de cada rotor son expuestas secuencialmente a la salida. Cuando cada cámara es expuesta a la salida, un lóbulo del rotor correspondiente gira en la cámara, desplazando el gas de la cámara a la salida, causando un impulso de flujo/presión. En el caso de un par de rotores cada uno con dos lóbulos, durante cada ciclo del soplante, hay cuatro impulsos generados por el desplazamiento de gas por las cámaras de transporte. Estos impulsos generan una cantidad de ruido sustancial.

Un segundo tipo de ruido es generado por un fenómeno conocido como “reflujo”. Cuando cada rotor gira, induce gas a baja presión en la entrada. Este gas es generalmente atrapado en las cámaras de transporte de gas cuando el rotor se mueve hacia la salida. Cuando esta bolsa de gas alcanza inicialmente la salida, es expuesta a gas a presión más elevada en la salida. En ese instante, el gas a presión más elevada en la salida fluye hacia atrás a la cámara de transporte de gas que contiene el gas a presión inferior que está siendo entregado desde la entrada.

Este flujo de gas en sentido inverso es muy repentino, su duración y magnitud dependen de un número de factores, incluyendo la velocidad rotacional de los rotores y la diferencia entre la presión del gas en la cámara de transporte de gas (que está típicamente próxima a la presión de entrada) y la presión en la salida. Como resultado de este repentino flujo de gas en sentido inverso, se genera un pico de presión de amplitud sustancial. Este pico de presión es generado múltiples veces por ciclo del soplante, cada vez que una cámara de transporte de gas es expuesta a la salida. Las series resultantes de picos de presión crean ruido continuo a un nivel que es inaceptable para muchas aplicaciones, incluyendo ventiladores mecánicos.

Las figs....

1. Una soplante de tipo Roots con emisión de ruido reducida que comprende: un alojamiento (22) que define una cámara (28) de rotor comprendiendo dicha cámara de rotor una entrada (80) y una salida (82); un primer (24) y segundo (26) rotores montados giratoriamente en dicha cámara (28), definiendo cada rotor una pluralidad de lóbulos (70), cooperando los lóbulos adyacentes de cada rotor con dicho alojamiento para definir una o más cámaras de transporte de gas (103), configurados dichos rotores para mover gas desde dicha entrada (80) a través de dicha cámara de transporte de gas (103) a dicha salida (82); y al menos un canal (90a, 90b) de flujo de gas de salida que se extiende desde dicha salida a lo largo de una superficie interior de dicho alojamiento en dicha cámara de rotor en sentido opuesto a un sentido de rotación de dicho rotor, configurado dicho canal de flujo de gas de salida al menos para permitir que el gas fluya desde dicha salida a una cámara (103) de transporte de gas cuando dichos lóbulos de dicho rotor giran hacia dicha salida, caracterizado por: al menos dicho canal (90a, 90b) de flujo de gas de salida configurado de modo que una presión de dicho gas en dicha cámara (28) cuando dicha cámara se mueve hacía dicha salida cambia a una tasa aproximadamente lineal; o definiendo al menos dicho canal (90a, 90b) de flujo de gas de salida un área de flujo que aumenta generalmente de forma no lineal hacia la dirección de dicha salida.

2. El soplante según la reivindicación 1 que incluye: al menos un canal de flujo de gas de salida (90a, 90b) para cada uno de dicho rotores, teniendo dicho canal de flujo de gas de salida un primer extremo (92) y un segundo extremo (94), dicho segundo extremo situado en dicha salida y dicho primer extremo espaciado del mismo en sentido opuesto a dicho sentido de giro de dicho rotor; o al menos un canal (102a, 102b) de flujo de entrada correspondiente al menos a uno de dicho rotores (24, 26), extendiéndose al menos dicho canal (102a, 102b) de flujo de entrada desde dicha entrada (80) a lo largo de una superficie interior de dicha cámara de rotor en sentido opuesto al sentido de giro de dicho rotor, dicho canal de flujo de entrada configurado para permitir que el gas fluya desde una cámara a dicha entrada.

3. El soplante según la reivindicación 1 en la que: cada canal (90a, 90b) de flujo de gas de salida tiene un área en sección transversal que aumenta moviéndose en la dirección del primer extremo al segundo extremo del mismo; preferiblemente dicho aumento de área está asociado con al menos un momento en una profundidad de dicho canal; o dicho canal (90a, 90b) de flujo de gas de salida tiene un área en sección transversal que aumenta no linealmente moviéndose en la dirección del primer extremo del segundo extremo del mismo.

4. El soplante según la reivindicación 1 en la que: dicha soplante de tipo Roots comprende parte de un ventilador mecánico; o dicha tasa de cambio de presión de dicho gas varía con relación a la linealidad en no más de aproximadamente un 10%; o dicha tasa de cambio de presión de dicho gas varía con relación a la linealidad en no más de aproximadamente un 5%.

5. El soplante según la reivindicación 1 en la que al menos dicho canal (90a, 90b) de flujo de gas de salida define un área de flujo que aumenta generalmente de forma no lineal hacia la dirección de dicha salida y una anchura de al menos dicho canal de flujo de gas de salida es generalmente constante y una profundidad de al menos dicho canal aumenta de forma no lineal hacia la dirección de dicha salida.

6. El soplante según la reivindicación 1 en la que: al menos un canal (90a, 90b) de flujo de gas de salida correspondiente a dicho segundo rotor (26), extendiéndose al menos dicho canal (90a, 90b) de flujo de gas de salida desde dicha salida (82) a lo largo de una superficie interior de dicho alojamiento en sentido opuesto a un sentido de giro de dicho segundo rotor, al menos dichos canal de flujo de gas de salida configurado para permitir que el gas fluya desde dicha salida a una cámara de transporte de gas entre dos lóbulos de dicho segundo rotor cuando dichos lóbulos de dicho segundo rotor giran hacia dicha salida; y correspondiendo al menos un canal (90a, 90b) de flujo de gas de entrada a dicho primer rotor (24), extendiéndose al menos dicho canal de flujo de gas de entrada desde dicha entrada a lo largo de una superficie interior de dicho alojamiento en dicha cámara de rotor en un sentido de giro de dicho primer rotor, al menos dicho canal de flujo de gas de entrada (102a, 102b) configurado para permitir que el gas fluya de dicha cámara de transporte de gas entre dos lóbulos (70) de dicho primer rotor (24) de nuevo a dicha entrada cuando dichos lóbulos de dicho primer rotor giran hacia dicha salida, y al menos un canal (102a, 102b) de flujo de gas de entrada correspondiente a dicho segundo rotor (26), extendiéndose al menos dicho canal de flujo de entrada desde dicha entrada a lo largo de una superficie interior de dicho alojamiento en dicha cámara (28) de rotor en sentido de giro de dicho segundo rotor, al menos dicho canal de flujo de gas de entrada configurado para permitir que el gas fluya desde dicha cámara de transporte de gas entre dos lóbulos (70) de dicho segundo rotor (26) de nuevo a dicha entrada cuando dichos lóbulos de dicho segundo rotor giran hacia dicha salida.

7. El soplante según la reivindicación 6 en la que: dichos canales (90a,b; 102a,b) de flujo de gas de entrada y de salida correspondientes a dichos primer y segundo rotores (24, 26) están configurados de tal modo que un caudal neto de gas a dichas cámaras de transporte de gas sea aproximadamente constante; o dichos canales de flujo de gas de entrada y de salida correspondientes a dicho primer y segundo rotores están configurados para provocar una tasa de cambio de presión aproximadamente lineal dentro de dichas cámaras de transporte de gas; o dichos canales de flujo de gas de salida correspondientes a dichos primer y segundo rotores tienen un área en sección trasversal que aumenta generalmente de modo no lineal moviéndose en la dirección de dicha salida;

o dicho soplante del tipo Roots comprende parte de un ventilador mecánico.

8. El soplante según la reivindicación 6 en la que dichos canales (90a, 90b) de flujo de gas de salida correspondientes a dichos primer y segundo rotores (24, 26) tienen un área en sección trasversal que aumenta generalmente de modo no lineal moviéndose en la dirección de dicha salida y dichos canales de flujo de gas de salida correspondientes a dichos primer y segundo rotores tienen un área en sección transversal que aumenta continuamente moviéndose en la dirección de dicha salida.

9. El soplante según la reivindicación 6 en la que dichos canales (90a,b; 102a,b) de flujo de gas de entrada y salida correspondientes a dichos primer y segundo rotores (24, 26) están configurados de tal modo que un caudal neto de gas fluya a dichas cámaras de transporte de gas sea aproximadamente constante y: dicho caudal de gas cambia en no más de aproximadamente un 10%; o dicho caudal de gas cambia en no más de aproximadamente un 5%; o dicha tasa de cambio de presión varía con relación a la linealidad y cambia en no más de aproximadamente un 5%.

10. El soplante según la reivindicación 6 en la que dichos canales (90a,b; 102a,b) de flujo de gas de entrada y de salida correspondientes a dichos primer y segundo rotores (24, 26) están configurados para causar una tasa de cambio de presión aproximadamente lineal dentro de dichas cámaras de transporte de gas y dicha tasa de cambio de presión de dicho gas varía con relación a la linealidad en no más de aproximadamente un 10%.

11. Un método para configurar un trayecto de flujo de gas para proporcionar un flujo de gas entre un puerto u orificio de una soplante de tipo Roots y una cámara de transporte de gas formada entre lóbulos de al menos un rotor de dicha soplante, que comprende las operaciones de: seleccionar una longitud de dicho trayecto de flujo; seleccionar una función deseada de la cámara de transporte de gas que define valores deseados de una característica del gas en dicha cámara de transporte de gas como una función de la posición del rotor; seleccionar un área que define un área en sección transversal de dicho trayecto de flujo a lo largo de dicha longitud de dicho trayecto de flujo; calcular valores estimados de dicha característica de dicho gas en dicha cámara de transporte de gas correspondientes a dicha función de área; comparar dichos valores estimados a dichos valores deseados; repetir dichas operaciones de seleccionar una función de alea, calcular valores estimados, y comparar dichos valores estimados a dichos valores deseados hasta que dichos valores estimados sean aproximadamente iguales a dichos valores deseados, y en el que al menos un canal (90a, 90b) de flujo de gas de salida que se extiende desde la salida de una cámara (28) de rotor del soplante está configurado de modo que una presión de dicho gas en dicha cámara (28) cambió a una tasa aproximadamente lineal cuando dicha cámara se mueve hacia dicha salida; o al menos dicho canal (90a, 90b) de flujo de gas de salida define un área de flujo que aumenta generalmente de modo no lineal hacia la dirección de dicha salida.

12. El método según la reivindicación 11 en el que dicha longitud de dicho trayecto de flujo comprende un ángulo de conicidad; preferiblemente dicha posición de rotor está representada por un tiempo de estrechamiento progresivo.

13. El método según la reivindicación 11 en el que dicha característica de dicho gas en dicha cámara de transporte de gas comprende una presión de dicho gas; preferiblemente dicha función deseada de cámara de transporte de gas comprende una tasa de cambio de presión aproximadamente lineal en dicha cámara de transporte de gas.

14. El método según la reivindicación 11 en el que dicha característica de dicho gas en dicha cámara de transporte de gas comprende un caudal de gas a dicha cámara de transporte de gas, preferiblemente dicha función deseada de cámara de transporte de gas comprende un caudal neto de gas aproximadamente constante a dicha cámara de transporte de gas.

15. El método según la reivindicación 11 en el que dicha función de área comprende un componente constante y un componente variable; preferiblemente: dicho componente constante comprende un área de fuga; o dicho componente variable comprende un polinomio.

16. El método según la reivindicación 15 en el que dicho componente constante comprende un área de fuga y dicho componente variable comprende un polinomio, donde dicho polinomio comprende un polinomio de la forma Et4 + Ft7 + Gt12 donde “E”, “F” y “G” son constantes y en el que “t” es un tiempo de estrechamiento progresivo normalizado.

17. El método según la reivindicación 16 en el que E es igual aproximadamente: a 0,044 cm2, F es igual aproximadamente a 0,126 cm2 y G es igual a aproximadamente 0,044 cm2; o 0,006 cm2, F es igual a cero, y G es igual aproximadamente a 0,006 cm2.

18. El método según la reivindicación 11 en el que: dicho orificio comprende un orificio de salida de dicha soplante; o dicho orificio comprende un orificio de entrada de dicha soplante; o dicha soplante de tipo Roots comprende parte de un ventilador mecánico.

19. El método según la reivindicación 11 que comprende además la operación de configurar un canal de flujo de gas que corresponde a dicha función de área; preferiblemente dicho canal de flujo de gas comprende una anchura generalmente constante; más preferiblemente una profundidad de dicho canal de flujo de gas aumenta a lo largo de su longitud de una manera generalmente no lineal.

20. El método según la reivindicación 19 que comprende además la operación de configurar un canal de flujo de gas que corresponde a dicha función de área en el que: dicho canal de flujo de gas comprende un canal de flujo de salida; o dicho canal de flujo de gas comprende un canal de flujo de entrada.

21. Un método para configurar un trayecto de flujo de gas para proporcionar un flujo de gas entre un orificio de una soplante de tipo Roots y una cámara de transporte de gas formada entre lóbulos de al menos un rotor de dicha soplante, que comprende las operaciones de: seleccionar una longitud para dicho trayecto de flujo; seleccionar una función deseada de cámara de transporte de gas que define valores deseados de una característica de edad en dicha cámara de transporte de gas como una función de posición del rotor; seleccionar una posición de rotor incremental inicial; calcular un área de flujo en sección transversal deseada inicial correspondiente a dicha función de cámara de transporte de gas en dicha posición de rotor incremental inicial; seleccionar una función de rotor incremental sucesivas; calcular un área de flujo en sección trasversal deseada sucesiva correspondiente a dicha función de cámara de transporte de gas en dicha posición de rotor incremental sucesiva; repetir dichas operaciones de seleccionar una posición de rotor incremental sucesiva y calcular un área de flujo en sección transversal deseada sucesivas para posiciones de rotor que atraviesan dicha longitud de dicho trayecto de flujo, en el que al menos un canal (90a, 90b) de flujo de gas de salida que se extiende desde la salida de una cámara (28) de rotor de soplante está configurado de modo que una presión de dicho gas en dicha cámara (28) cambia a una tasa aproximadamente lineal cuando dicha cámara se mueve hacia dicha salida; o al menos dicho canal (90a, 90b) de flujo de gas de salida define un área de flujo que aumenta generalmente de forma no lineal hacia la dirección de dicha salida.

22. El método según la reivindicación 21 en el que dicha longitud de dicho trayecto de flujo comprende un ángulo de conicidad; preferiblemente dicha posición de rotor está representada por un tiempo de estrechamiento progresivo.

23. El método según la reivindicación 21 en el que dicha característica de dicho gas en dicha cámara de transporte de gas comprende una presión de dicho gas; preferiblemente dicha función de cámara de transporte de gas deseada comprende una tasa aproximadamente lineal de cambio de presión de gas en dicha cámara de transporte de gas.

24. El método según la reivindicación 21 en el que dicha característica de dicho gas en dicha cámara de transporte de gas comprende un caudal de gas a dicha cámara de transporte de gas; preferiblemente dicha función deseada de cámara de transporte de gas comprende un caudal de gas aproximadamente constante a dicha cámara de transporte de gas.

25. El método según la reivindicación 21 en el que: dicho orificio comprende un 5 orificio de salida de dicha soplante; o dicho orificio comprende un orificio de entrada de dicha soplante.

26. El método según la reivindicación 21 que comprende además la operación de configurar un canal de flujo de gas que corresponde a dichas áreas de flujo en sección 10 transversal deseadas.

27. El método según la reivindicación 26 en el que: dicho canal de flujo de gas comprende una anchura generalmente constante; o dicho canal de flujo de gas comprende una anchura generalmente constante y una profundidad de dicho canal de flujo de gas aumenta a lo largo de su longitud de una manera generalmente no lineal; o dicho canal de flujo de gas comprende un canal de flujo de salida; o dicho canal de flujo de gas comprende un canal de flujo de entrada.

28. El método según la reivindicación 21 en el que dicha soplante de tipo Roots 20 comprende parte de un ventilador mecánico.