一种治疗用呼吸机的风机的制作方法

本发明涉及治疗用压力气体供应装置，具体地说是一种治疗用呼吸机的风机。

背景技术：

呼吸机是一种能代替、控制或改变人的正常生理呼吸，增加肺通气量，改善呼吸功能，减轻呼吸消耗，节约心脏储备的装置。

风机作为治疗气体来源，是呼吸机中的核心部件。风机在呼吸机中产生一定压力和流量的气体提供给患者。风机的性能指标直接影响着呼吸机整机的性能，需要在风机的安装、固定、减震、减噪、气道、气流梳理、结构等方面进行相关设计。

cpap(持续正压通气)呼吸机主要用于治疗睡眠呼吸暂停综合症，也就是重度打鼾及伴有的憋气症状，而且它还可以治疗睡眠呼吸暂停综合症的并发症，提高使用者夜间睡眠时的血氧浓度，治疗低氧血症等。睡眠呼吸机主要使用时间为患者睡眠期间，因此对降低噪声有特别高的要求。目前，市面上的呼吸机通常采用通用风机，存在气流紊乱，容易产生紊流或涡流等问题，效率低而且噪音大。通过电机带动叶轮高速旋转，在涡流气路内产生一定流量的气流，同时在涡壳气道内维持气体在一定的压力范围，通过涡壳出风口导流输出到气道正压呼吸机管路系统。此过程会产生较大的噪声，噪声主要来自三个方面，一方面是空气流过高速旋转的叶轮产生的噪声，第二方面是涡壳内高速流动的气体产生空气动力噪声，第三方面是高速旋转的电机产生的振动噪声。

双水平呼吸机是目前无创性鼻(面)罩机械通气应用最多的呼吸机。它广泛应用于各种肺内肺外疾病导致的急慢性呼吸衰竭，如慢阻肺、支气管扩张、肺囊性纤维化、间质性肺病、心衰、神经肌肉疾病、肥胖低通气等，以及各种类型的睡眠呼吸疾病，尤其是伴有中枢性睡眠呼吸暂停或复杂性睡眠呼吸障碍的患者。为了达到呼吸机的治疗效果，需要通过控制系统来检测病人的呼吸，保证呼吸机能够准确跟随病人的呼吸频率进行给气，这就需要风机不断进行加速和减速，从而达到快速响应。风机在急加速、急减速过程中，电机会产生大量的热量，如果这些热量不能够被及时带走会造成电机温度大幅升高，以至影响电气安全及风机寿命。风机的散热问题一直是呼吸机设计过程中重点解决的问题，目前市场上呼吸机所采用的风机主要都是电机处于风机壳体的外部，在风机工作过程中气流并不能流经电机，而需要额外的设计方法来对电机本身散热；额外的散热结构设计不但增加内部空间需求，而且效果并不十分理想。市场上也存在电机处于风机内部气道中的设计形式，但是均为轴向的出气形式，并且结构相对复杂，电机也需要专门定制，不具有通用性。因此提供一种新的风机设计方案来解决以上问题是十分有价值的。

目前，对高压、高流量、响应时间快、可靠性高、噪音小、结构紧凑、经济有效的治疗用呼吸气体压力源(简称风机)设计已经成为一种需求。

技术实现要素：

为了满足呼吸机对风机的使用需求，本发明的目的在于提供一种治疗用呼吸机的风机。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明的风机包括电机、叶轮、下壳体、上壳体及进气结构件，其中下壳体与上壳体相连，在该上、下壳体形成的壳体上设有出风口；所述下壳体的下端为开放端，上端设有环形架，所述电机位于下壳体内侧，输出轴端安装在下壳体上，电机的输出轴连接有叶轮，该叶轮位于所述环形架与上壳体的顶板之间；所述进气结构件安装在下壳体上，远离叶轮的下端为轴向进气端，该进气结构件的上端与环形架之间形成噪声消音腔室，外界冷空气在电机驱动叶轮旋转的作用下通过该进气结构件沿所述壳体的轴向进入到噪声消音腔室，再流经所述电机表面进行热交换，热交换后的空气由所述出风口流出；

其中：所述进气结构件包括平板及进气管，该平板为环形、安装在下壳体上，平板上沿周向开设有多个进气孔b，每个所述进气孔b均连接有进气管，各所述进气管的下端接至进气孔b处，上端与所述环形架之间形成噪声消音腔室；

所述平板上开设有排水孔；

所述平板上安装有电机支撑环，该电机支撑环与平板共同作为所述电机非输出轴端的支撑；

本发明的风机包括电机、叶轮、下壳体、上壳体及进气吸音棉，其中下壳体与上壳体相连，在该上、下壳体形成的壳体上设有出风口；所述下壳体的下端为开放端、上端设有环形架，所述电机位于下壳体内侧，输出轴端安装在下壳体上，电机的输出轴连接有叶轮，该叶轮位于所述环形架与上壳体的顶板之间；所述下壳体的内表面安装有进气吸音棉，该进气吸音棉与电机的外表面之间形成进气通道，外界冷空气在电机驱动叶轮旋转的作用下通过该进气通道，与所述电机的表面进行热交换，热交换后的空气由所述出风口流出；

其中：所述进气吸音棉的材质为pe或eva开孔发泡；

所述进气吸音棉在频率500～4khz之间的吸音系数为0.8～1；

所述电机转子非转轴部分长度与直径的比为3：1～6：1；

所述电机外壳的材料为热传导材料，以传导来自电机内部的热量；

所述电机套管式电机外壳的材料为铝合金材料；

所述电机的线圈为无槽管状，安装在电机的定子铁芯上，所述定子铁芯采用低损耗冲压硅钢片无槽叠层管形，该定子铁芯安装在所述电机的套管式电机外壳上；

所述电机内部设有温度传感器，该电机的套管式电机外壳、后盖、前盖及印刷电路板将热量从电机其他部分传导至所述温度传感器，用于提供温度信号至控制中心；

所述电机的输出轴端安装有止水堵漏垫圈和/或软垫圈；

所述叶轮由密度小于1g/mm³的材料制成；

所述叶轮的背面设有至少一个提升叶轮结构强度的环形凸起；

所述叶轮与电机的输出轴直连，该电机的输出轴与叶轮连接的接触部呈锯齿形；

所述风机的出风口平面与叶轮的叶片平面错开；

所述下壳体由内至外分别设有环形壁a及外壁，该环形壁a及外壁的下端为开放端、上端设有环形架，所述外壁与上壳体之间的空间与出风口相连通；所述电机位于环形壁a内侧，输出轴端安装在下壳体上；所述进气结构件设置在环形壁a与外壁之间；

所述环形架的内环沿周向有多处向内侧延伸、形成支撑肋，相邻两支撑肋之间形成进气孔a，所述环形壁a的内侧设有电机安装架，该电机安装架与各所述支撑肋相连，所述电机的输出轴端固定在电机安装架上；所述外壁下端外边缘设有作为出风口一半的出风口通道a；

所述上壳体包括环形壁b、出风口通道b及顶板，该环形壁b在与所述下壳体连接后位于外壁的外侧，所述环形壁b的上端设有顶板、下端为开放端，在该环形壁b下端外边缘设有作为出风口一半的出风口通道b；

所述环形壁b与外壁之间的环形气流通道相对轴向有1～2°，通过逐渐增大气流横截面面积以逐渐过渡到出风口管横截面面积。

本发明的优点与积极效果为：

1.本发明的工作噪声小，结构紧凑，高效散热，使电机能够有效地利用冷空气的流动散热，为患者提供了足够的规定治疗压力、流量。

2.本发明的进气结构件与环形架之间形成有噪声消音腔室，有效地降低了进气流动噪声。

3.本发明的上、下壳体连接后，在环形架与顶板之间受压气流将沿壳体中心轴旋转，并向下移动到出风口，可以消除叶片和蜗壳蜗舌之间压力波动形成的音调噪声。

4.本发明的叶轮效率高、惯性低，提供有效的压力、流量、加速和减速能力，使风机能够产生所需的呼吸治疗参数。

5.本发明的电机两端可为“软安装”，可以减少电机转子和叶轮的不平衡振动传播到风机的其他部件上，放大辐射出风机振动噪声，进一步降噪。

6.本发明还可采用下壳体的环形壁a内表面设置进气吸音棉的方式，使电机表面与进气吸音棉之间形成一个进气通道，气体高速流过通道时对电机外壳降温，同时风机内部噪音反向通过进气通道时，进气吸音棉会起到降低噪声的作用。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2a为本发明上壳体与下壳体连接后的内部结构示意图；

图2b为本发明实施例一的内部结构示意图；

图3a为本发明实施例一的爆炸图之一；

图3b为本发明实施例一的爆炸图之二；

图4为本发明下壳体的内部结构示意图；

图5为本发明上壳体的内部结构示意图；

图6为本发明电机的内部结构示意图；

图7为本发明电机转子的结构示意图；

图8a为本发明叶轮的立体结构示意图之一；

图8b为本发明叶轮的立体结构示意图之二；

图8c为本发明叶轮的立体结构示意图之三；

图9a为本发明实施例一中进气结构件的立体结构示意图之一；

图9b为本发明实施例一中进气结构件的立体结构示意图之二；

图10为本发明实施例一拿掉叶轮后的内部结构示意图；

图11为本发明电机与下壳体安装后的一种内部结构示意图；

图12为本发明实施例二电机与下壳体安装后的另一种内部结构示意图；

其中：1为风机，

2为电机，201为套管式电机外壳，202为定子铁芯，203为线圈，204为后盖，205为前盖，206为输出轴，207为永磁体，208为平衡环，209为印刷电路板，210为轴承，211为温度传感器，212为引线固定件，213为导线，214为y型连接线圈端子线，215为轴承预紧弹簧；

3为叶轮，301为主叶片，302为分流叶片，303为轮毂，304为通孔，305为背板，306为环形凸起；

4为下壳体，401为环形壁a，402为外壁，403为出风口通道a，404为环形架，405为支撑肋，406为进气孔a，407为电机安装架；

5为上壳体，501为环形壁b，502为出风口通道b，503为连接耳，504为顶板；

6为进气结构件，601为平板，602为进气管，603为排水孔，604为进气孔b；

7为电机支撑环，8为噪声消音腔室，9为止水堵漏垫圈，10为软垫圈，11为进气吸音棉，12为进气通道，13为出风口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

实施例一

如图1～11所示，本实施例的风机1包括电机2、叶轮3、下壳体4、上壳体5、进气结构件6及电机支撑环7，其中下壳体4与上壳体5可拆卸地相连，共同形成风机1的壳体；在该上、下壳体5、4形成的壳体上形成出风口13，出风口13的出风方向与壳体的外表面相切。

下壳体4由内至外分别设有环形壁a401及外壁402，该环形壁a401及外壁402的下端为开放端、上端设有环形架404，外壁402与环形壁a401同轴设置；环形架404的内环沿周向有多处向内侧延伸、形成支撑肋405，相邻两支撑肋405之间形成进气孔a406，环形壁a401的内侧设有电机安装架407，该电机安装架407与各支撑肋405相连，电机2的输出轴端固定在电机安装架407上。在外壁402下端外边缘设有作为出风口13一半的出风口通道a403，外壁402与上壳体5之间的空间与出风口13相连通。电机2位于环形壁a401内侧，输出轴端固定在电机安装架407上。

上壳体5包括环形壁b501、出风口通道b502、连接耳503及顶板504，该环形壁b501在与下壳体4连接后位于外壁402的外侧，并与外壁402、环形壁a401同轴设置；环形壁b501的上端设有顶板504、下端为开放端，在该环形壁b501的外表面沿圆周方向均布有多个用于连接的连接耳503，环形壁b501下端外边缘设有作为出风口13一半的出风口通道b502，上壳体5上的出风口通道b502与下壳体4上的出风口通道a403上下扣合，形成出风口13。

本实施例的叶轮3是直接安装到电机2的输出轴206上的，以减轻转动惯量，区别于现有铜套安装方法。电机2的输出轴206与叶轮3安装接触部呈锯齿形，增加安装接触面积，承担电机2加减速应力。叶轮3位于环形架404与上壳体5的顶板504之间。叶轮3包括主叶片301、分流叶片302、轮毂303及背板305，该轮毂303上开设有通孔304，轮毂303的一端与电机2的输出轴206相连，另一端与背板305一面的中间位置固接，在轮毂303外围的背板305上，沿圆周方向均匀分布有多个主叶片301及多个分流叶片302，主叶片301与分流叶片302交替设置。主叶片301的一端位于背板305的外边缘，另一端与轮毂303连接；分流叶片302的一端位于背板305的外边缘，另一端与轮毂303之间留有间隙。本实施例的背板305厚度限制在0.8mm以内，总叶片数限制在17以下(本实施例为16)，主叶片301达到轮毂303，分流叶片302的长度为主叶片301长度的2/3，分流叶片302的厚度限制在0.8mm以内。本实施例的叶轮3采用最轻的工程塑料(密度小于等于1g/mm³，如聚丙烯、ldpe、hdpe、tpv等)制成，且能够满足叶轮在高压、高频加减速下工作时的应力要求，叶轮3的直径限制在50mm以内。为防止由低密度塑料制造的叶轮3在长期应力作用下的变形，提高叶轮3的结构强度，在背板305的另一面设有至少一个环形凸起306；本实施例的环形凸起306为三个，同心开设，截面呈倒置的三角形。

环形壁a401与外壁402之间设有安装在下壳体4上的进气结构件6，该进气结构件6与电机2同轴设置，并与环形架404之间形成噪声消音腔室8，以降低风机1的进气气流辐射噪声。进气结构件6包括平板601及进气管602，该平板601为环形、可采用超声或摩擦焊接等方式连接在下壳体4的下端，平板601的内环与电机支撑环7插接，该电机支撑环7与平板601共同作为电机2非输出轴端的支撑；本实施例的电机支撑环7由柔性软生物医用柔性硅制成，并进行包胶注塑实现。平板601上沿圆周方向均匀开设有多个进气孔b604，每个进气孔b604均连接有进气管602，各进气管602插设于下壳体4的环形壁a401与外壁402之间，该进气管602的下端接至进气孔b604处，上端与环形架404之间形成噪声消音腔室8。在平板601上还开设有多个排水孔603。

在电机2的输出轴端(即与叶轮3连接的一侧)可以改用柔性固定方式，本实施例是电机2通过软垫圈10安装到电机安装架407上，软垫圈10可以用柔性材料制成(如硅胶)。这样，电机2的两端均“软”安装在壳体上，可以减少转子和叶轮3的不平衡振动传播到风机1的其他部件上，放大辐射出风机振动噪声，并进一步降噪。

电机2的输出轴端还可以安装一个止水堵漏垫圈9，该止水堵漏垫圈9呈圆环状，内环沿轴向向外延伸；该止水堵漏垫圈9将减少水泄漏到电机2内部的轴承210部分的机会，也可作为电机2的安装垫圈。

电机2的输出轴端位于内壳体4的电机安装架407上。如图6、图7所示，电机2包括转子(包括两极管式的永磁体207、不锈钢材料的输出轴206及平衡环208)、管状无齿槽的定子铁芯202、管状的线圈203、套管式电机外壳201、轴承210、铝合金材料的前盖205、铝合金材料的后盖204、引线固定件212、印刷电路板209、导线213、轴承预紧弹簧215及温度传感器211，定子铁芯202压入套管式电机外壳201内，并用高导热环氧树脂胶合。线圈203为管状三相二极无齿结构。定子铁芯202采用低损耗冲压硅钢片无槽叠层管形，且具有低热阻。电机2为无刷直流电动机(bldc)。线圈203安装在定子铁芯202内，并用高导热环氧树脂胶粘剂粘贴到定子铁芯202上，形成低热阻系统，能有效为线圈203和定子铁芯202散热。转子具有超低的转动惯量/功率比值，转子非转轴部分长度和直径的比值为3:1～6:1。

转子由两个安装在前盖205和后盖204之间的轴承210辅助，通过轴承预紧弹簧215用预紧力以提高旋转精度,精确的轴定位,消除或减少轴承210球打滑,提供更好的控制和在负载作用下减少轴向和径向位移,高速高频加减速电机驱动鼓风机的减振降噪和轴承210间的负荷对风机的性能和使用寿命至关重要。

导线213端接在印刷电路板209上，印刷电路板209由高导热率的塑料材料制成的引线固定件212支撑，引线固定件212与套管式电机外壳201配合，用导热胶固定。三根y型连接线圈端子线214通过印刷电路板209布线连接到导线213，通过导线213进行外部驱动连接。导线213是多股柔性耐温硅胶绝缘电线，具有噪音低、寿命长和生物相容性。

温度传感器211安装在印刷电路板209上，高导热率的电机套管式电机外壳201能够将热量从电机2其他部分传导到温度传感器211，所以温度传感器211可以准确地间接感知整个电机2温度提供给控制中心(如处理器等)一个信号。印刷电路板209的基材为高导热材料(如铝基板或fr4)，也连接到导线213上，用于电机2温度监测和安全保护。上述的电机2结构在热源(如定子铁芯202、线圈203)、转子和套管式电机外壳201、温度传感器211之间提供低热阻。这有两个好处，一是从电机2热源到套管式电机外壳201快速散热，使之有效冷却；第二是更精确的内部温度传感，监测电机寿命和不安全事件，保护患者。出现温升情况时，内置的温度传感器211将提供一个高可靠性的确定信号给控制中心，用于当电机2温度高于设定值时，控制中心控制电机2停止工作，以防轴承210损坏，润滑油干掉，电机2寿命结束，或其他故障事件带来的安全隐患。

本实施例的风机1的出风口13平面与叶轮3的叶片平面错开，以消除叶轮叶片和蜗壳蜗舌之间压力波动形成的音调噪声。环形壁b501与外壁402之间的环形气流通道相对轴向有1～2°，通过逐渐增大气流横截面面积以逐渐过渡到出风口13横截面面积。

本实施例的工作原理为：

本实施例的风机1具有内置降噪功能的高性能单级轴向进风/切向出风口13。风机1用于作为用于治疗copd或严重osa的双水平呼吸治疗设备的压力和流量发生器、高流量治疗设备、cpap设备或任何其他呼吸设备。

电机2工作，驱动叶轮3旋转，外界冷空气在电机2驱动叶轮3旋转的作用下通过进气结构件6中的各个进气管602沿壳体的轴向进入到噪声消音腔室8，再流经电机2表面进行热交换。在下壳体4的外壁402与上壳体5的环形壁b501之间形成弯曲通道(如图2a中的环形箭头)，用于接收和减缓来自叶轮3的气流，以产生压力。本实施例叶轮3的气流输出不同于现有风机的流量那样立即流向出风口13，而是受压气流将沿壳体的中心轴旋转，经环形架404与顶板504之间后，再向下经下壳体4的外壁402与上壳体5的环形壁b501之间，最后再由出风口13流出；通过这种布置方式，可以消除叶轮3上的叶片和蜗壳蜗舌之间压力波动形成的音调噪声。本实施例叶轮3的结构可以使转动惯量最小化，以提高双水平呼吸机所需的系统响应速度。

进气孔a406形成了风机1的主要噪声产生和外向传递来源之一。叶轮3的气流路径设计成尽量减小由于潜在的非均匀流场、湍流以及湍流与刚性结构沿风机流动方向的相互作用而产生的噪声和阻力。噪声的重要来源之一是突然改变流量轮廓(形状或速度),为减小此噪声,来自进气气流路径顺利将沿着缓慢变化曲线(如图8c中的箭头)，然后进入压力形成区。

本实施例取代了现有风机的单大口径进风窗。空气通过多个进气管602进入噪音消音腔室8，环形壁a401与外壁402之间的空间与进气管602形成了气流整流器和噪声捕集器，有效地降低了进气流动噪声。为优化降噪效果与进气阻力指标，将所有进气管602的总气流截面面积定义为风机排气管(即出风口13)截面面积的等效面积。

从噪声捕集区出来的入口气流沿电机2的表面流动，为电机2提供有效的强制风冷(如图2b中的箭头所示)。电机2的表面可以选择性地制成翅片，以进一步提高热交换效率。叶轮3的空气运动负荷越大，电机2产生的热量越大，但同时增加的热量会被增加的冷空气流量带走。因此，这种方式将保持电机2在所有运行条件下冷却效果。

本实施例的平板601上开设的排水孔603，为当水意外地从加湿器倒灌回风机1时提供一排水方法。如果有倒灌的水的话，首先要填满环形壁a401与外壁402之间形成的空间储存和缓冲设定数量的水，如果倒灌的水量超过了额定容积,额外的水会沿着图10中的箭头流动填满风机之间的空隙的和从排水孔603缓慢排水。

实施例二

如图12所示，本实施例与实施例一的区别在于：本实施例取消了进气结构件6，在下壳体4上的环形壁a401的内表面安装了进气吸音棉11，该进气吸音棉11与电机2的外表面之间形成进气通道12，外界气体由下壳体4的下端进入，流过进气通道12时与电机2的表面进行热交换，对电机2的表面降温；同时风机1内部噪音反向通过进气通道12时，进气吸音棉11会起到降低噪声的作用。本实施例进气吸音棉11的材质为pe或者eva开孔发泡，进气吸音棉11在频率500～4khz之间的吸音系数为0.8～1。其余均与实施例一相同。

本发明的风机能够应用于响应时间快、易于驱动和控制、输出压力大、流量大、安全和可靠性高、噪音低、体积小、成本低的应用领域，如应用在双水平呼吸机中。