涡轮及呼吸机

1.本发明涉及医疗器械技术领域，特别涉及一种涡轮及呼吸机。


背景技术：

2.在现代临床医学中，呼吸机作为一项能够通过外界提供能量代替人自身自主通气的有效手段，遍用于各种原因所致的呼吸衰竭、大手术期间的麻醉呼吸管理、呼吸支持治疗和急救复苏中，在现代医学领域内占有十分重要的位置。
3.呼吸机的关键部位是涡轮，涡轮包括蜗壳和叶轮，所述叶轮由电机轴驱动，气体在叶轮作用下，由进口吸入，经过叶轮做功获得动能和升压，再通过蜗壳的流道进一步转化为所需要的高压气体。现有的呼吸机涡轮由于气体通过叶轮时升压不足，需要在叶轮气体出口与蜗壳气体入口处设置扩压段，用于气体的升压，涡轮设置扩压段存在体积大、噪音高的问题。


技术实现要素：

4.本发明的主要目的是提出一种涡轮，旨在减小涡轮的体积。
5.为实现上述目的，本发明提出的涡轮，所述涡轮包括：
6.蜗壳，所述蜗壳包括螺旋形涡室，所述螺旋形涡室设有环形的气体入口；和
7.叶轮，所述叶轮包括轮盘本体和多个叶片，所述轮盘本体包括底盘和沿所述底盘中心线设置的轴孔，所述底盘的周缘抵接所述气体入口的边缘，多个所述叶片呈放射状分布设于所述底盘，所述叶片包括前缘部和尾缘部，所述前缘部沿所述轴孔的周缘朝向所述底盘的边缘延伸设置，所述尾缘部连接于所述底盘的周缘，所述尾缘部朝向所述气体入口设置，所述尾缘部的高度与所述气体入口的宽度一致。
8.可选地，所述叶片远离所述底盘的一侧表面为叶顶，所述前缘部的轮廓线为直线。
9.可选地，所述尾缘部为平面，所述平面与所述底盘的中心线平行设置。
10.可选地，所述叶片的相对两个表面分别为吸力面和压力面，所述叶轮沿顺时针方向旋转，所述吸力面朝向旋转方向凸起形成曲面，所述压力面朝向旋转方向凹陷形成曲面。
11.可选地，所述螺旋形涡室的横向截面为圆形；
12.和/或，所述螺旋形涡室在逆时针方向上的横截面呈增长趋势。
13.可选地，所述叶片远离所述底盘的一侧表面为叶顶，以所述前缘部的轮廓线与所述叶顶的交点至所述底盘的中心线的距离为半径形成有第一圆，所述第一圆的直径范围为10mm至20mm；
14.和/或，所述叶片靠近所述底盘的一侧表面为叶根，以所述前缘部的轮廓线与所述叶根的交点至所述底盘的中心线的距离为半径形成有第二圆，所述第二圆的直径范围为3mm至5mm。
15.可选地，所述蜗壳还包括扩散管，所述扩散管连接于所述螺旋形涡室的尾部，所述扩散管的横向截面为圆形。
16.可选地，所述扩散管的长度范围为33mm～34mm；
17.和/或，所述扩散管的横截面由连接所述螺旋形涡室尾部的一端至另一端呈增长趋势。
18.可选地，所述蜗壳还包括涡舌，所述涡舌的上边缘和下边缘处于同一竖直曲面上。
19.本发明还提出一种呼吸机，包括如上任一所述的涡轮和电机，所述电机的旋转轴插设于所述轴孔。
20.本发明技术方案通过采用叶轮满足涡轮气体升压的调节，取消了扩压段的设置，使得叶轮的底盘可以直接连接螺旋形涡室，并且叶片的尾缘部高度与气体入口的宽度一致，进而叶轮产生的升压气体可以直接进入涡室中，扩压段的取消减小了涡轮的体积，并且降低了噪音和生产成本。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
22.图1为本发明涡轮一实施例的结构示意图；
23.图2为为本发明涡轮另一视角的结构示意图；
24.图3为图2中a处的局部放大图；
25.图4为本发明涡轮一实施例的俯视图；
26.图5为图1所示涡轮中叶轮的俯视图；
27.图6为图1所示涡轮中叶轮的结构示意图；
28.图7为本发明涡轮中叶轮与气流接触方向的结构示意图；
29.图8为本发明涡轮一实施例的剖视图；
30.图9为本发明涡轮中蜗壳的径向剖分示意图以及在涡舌处的局部放大示意图；
31.图10为本发明涡轮中蜗壳无涡舌时的径向剖分示意图；
32.图11为本发明涡轮中蜗壳涡室的周向剖分示意图；
33.图12为本发明涡轮中蜗壳扩散管的周向剖分示意图。
34.附图标号说明：
35.标号名称标号名称1涡轮10蜗壳11螺旋形涡室13气体入口15扩散管17涡舌30叶轮31轮盘本体311底盘313轴孔33叶片331前缘部333尾缘部335吸力面337压力面
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36.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
38.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
39.另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
40.本发明提出一种涡轮1。
41.在本发明实施例中，如图1至图6所示，涡轮1包括蜗壳10和叶轮30；蜗壳10包括螺旋形涡室11，螺旋形涡室11设有环形的气体入口13；叶轮30包括轮盘本体31和多个叶片33，轮盘本体31包括底盘311和沿底盘311中心线设置的轴孔313，底盘311的周缘抵接气体入口13的边缘，多个叶片33呈放射状分布设于底盘311，叶片33包括前缘部331和尾缘部333，前缘部331沿轴孔313的周缘朝向底盘311的边缘延伸设置，尾缘部333连接于底盘311的周缘，尾缘部333朝向气体入口13设置，尾缘部333的高度与气体入口13的宽度一致。
42.微涡轮1的工作方式为：涡轮1与电机连通，电机的旋转轴与轴孔313连接，轴孔313设于叶轮30上，因而旋转轴转动带动叶轮30转动。当外界空气进入涡轮1时，外界空气从垂直于底盘311的方向朝向叶轮30输送，空气输送至叶轮30，首先与前缘部331接触，叶轮30通过电机驱动进行转动，气流沿叶片33流向尾缘部333，尾缘部333对气流做功，因为尾缘部333的气流总压和静压比前缘部331高，从而当气流从前缘部331流向尾缘部333时，叶片33对气流的动能和压力起到提升的作用，进而提高了气体的压力；气流从叶轮30做功升压后流向气体入口13，然后通过螺旋形涡室11，螺旋形涡室11的截面面积逐渐增大，气流经过逐渐增大的螺旋形涡室11，气体速度降低进而压力增加，动能转化为压力能，气体经过双重增压后从蜗壳10的出口流出。
43.底盘311的周缘抵接气体入口13的边缘，尾缘部333连接底盘311的周缘，并且尾缘部333的高度与气体入口13的宽度一致，进而气体能直接从前缘部331流向尾缘部333做功完成升压后进入螺旋形涡室11，满足了气流达到升压的需求，可以取消扩压段的设置，不需要扩压段对气流进一步升压；扩压段的取消，使得底盘311的周缘可以直接与蜗壳10进行抵接，使得螺旋形涡室11的体积得到减小，并且扩压段的取消解决了利用扩压段进行气体升压的步骤，减少了扩压段工作时产生的噪音，减少了噪音。尾缘部333的高度与气体入口13的宽度一致，可以保证气体流经尾缘部333并流出叶轮30时直接进入气体入口13，减少了对于气体的冲击和减缓，提高了气流的流动效果并保持了气体的升压效果。
44.进一步地，如图8所示，据所需要的进口流量和流速，可以调整叶轮30出口宽度b，
即叶片33尾缘部333的高度，在本实施例中，出口宽度b为3mm。气体入口13的宽度b3可以根据公式计算得出，在公式中，b为叶轮30出口宽度，即叶片33尾缘部333的高度，s为叶轮30盖板厚度，c为常数，一般取c＝5～20mm，可选地，c值依据具体情况来选取。比转速小、叶轮30小时，应取小值；否则，取大值，因而在本实施例中，气体入口13的宽度b3为3mm，进而尾缘部333的高度与气体入口13的宽度一致。
45.进一步地，如图5所示，叶片33数量为多个，根据计算，优选地叶轮30的叶片33数量在8～15个。在本实施例中，叶片33的数量为15个，叶片33设置成15个，可以保证叶轮30的旋转时具有足够的叶片33对气流进行做功，满足叶轮30对于气体的升压需求。可以理解的是，叶片33所需的强度、叶轮30的大小和数量影响叶片33的厚度选择，当叶片33的数量为15个时，优选地，叶片33的厚度d为0.5mm～1mm。
46.进一步地，底盘311的厚度决定了底盘311的强度，在本实施例中，底盘311的厚度为0.4mm～0.8mm，底盘311厚度位于0.4mm～0.8mm，一方面可以保证底盘311的强度，使其在高强度的工作状态下依然保持良好的形态，提高了涡轮1的使用寿命，另一方面可以避免因厚度过小而造成底盘311强度不足，以及避免因厚度过大而造成叶轮30的体积增大，进而增加涡轮1的体积，实现涡轮1的体积合理分配。
47.本发明技术方案通过采用叶轮30满足涡轮1气体升压的调节，取消了扩压段的设置，使得叶轮30的底盘311可以直接连接螺旋形涡室11，并且叶片33的尾缘部333高度与气体入口13的宽度一致，进而叶轮30产生的升压气体可以直接进入涡室中，扩压段的取消减小了涡轮1的体积，并且降低了噪音和生产成本。
48.在本发明一实施例中，如图1至图7所示，前缘部331的轮廓线为直线。
49.前缘部331的轮廓线为直线，叶片33的前缘部331为叶顶与轴孔313之间的连线处，利用轮廓线为直线的前缘部331可以使通过前缘部331的进口气流更均匀，增加叶轮30的稳定性，提高其稳定裕度，减少前缘部331对气流的冲击，提高了气流的输入叶轮30的稳定性。
50.进一步地，如图5至图7所示，在前缘部331叶根处的进口气流方向与前缘部331叶根圆在前缘叶根处的切线具有夹角β1h，在前缘部331叶顶处的进口气流方向与前缘部331叶顶圆在前缘叶顶处的切线具有夹角β1s，在尾缘部333的出口气流方向与尾缘部333圆在尾缘处的切线的夹角β2。由β1h、β1s、β2可以确定气流的流动方向和叶片33的型线，由于叶片33对气流做功，叶片33收到气流的反作用力，因此叶片33如果过于弯曲，可能会不满足强度要求，可选地，β1h范围不大于50
°
，β2范围不小于75
°
，β1s可以由β1h和β2的具体数值和叶片33前缘的具体形状确定，其中β1h和β2的具体取值在此不再一一列举。
51.在本发明一实施例中，如图6、图7所示，尾缘部333为平面，平面与底盘的中心线平行设置。
52.尾缘部333为平面结构，且平面与底盘311的中心线平行，如此设置可以保证尾缘部333与气体入口13平行，一方面保证尾缘部333不接触气体入口13，保证了叶轮30和蜗壳10工作的稳定性和独立性，另一方面保持尾缘部333与气体入口13的连接性，保证气体能从叶轮30流至气体入口13并进入螺旋形涡室11内，并且尾缘部333的上端部和下端部位于底盘311上的投影不重合，增加了叶片33的转动角度，提高了升压效果。
53.在本发明一实施例中，如图6所示，叶片33的相对两个表面分别为吸力面335和压力面337，叶轮30沿顺时针方向旋转，吸力面335朝向旋转方向凸起形成曲面，压力面337朝
向旋转方向凹陷形成曲面。
54.叶片33的吸力面335和压力面337即为叶顶与叶根之间的两个相对的表面，吸力面335和压力面337沿着叶片33型线的方向与底盘311的上表面相连接，尾缘部333与吸力面335和压力面337的相交线具有倒圆角。可以理解的是，一个叶片33的吸力面335与另一个叶片33的压力面337相对，吸力面335可以用于增加叶片33对于气体的吸力，使得气流可以快速进入叶轮30之中，压力面337则可以用于增加叶片33对于气体的做功，使得气体升压，提高气体的气压。
55.在本发明一实施例中，如图11所示，螺旋形涡室11的横向截面为圆形；
56.和/或，螺旋形涡室11在逆时针方向上的横截面呈增长趋势。
57.螺旋形涡室11的螺旋线是运用以速度为基础的pleiderer理论所形成，螺旋形涡室11的横向截面为圆形，螺旋形涡室11是由螺旋线与在相应位置所形成的圆形以及气体入口13经过扫掠而来。因而，涡室外壁的径向尺寸是沿着涡室内气体流动方向逐渐增大的，增大的比例是运用以速度为基础的pleiderer理论所形成的，由离心压气机的流量以及各截面的比例关系。如此设置，可以满足气流通过螺旋形涡室11时达到升压的效果，满足气体的升压需求。
58.在本发明一实施例中，如图1至图8所示，叶片33远离底盘311的一侧表面为叶顶，以前缘部331的轮廓线与叶顶的交点至底盘311的中心线的距离为半径形成有第一圆，第一圆的直径范围为10mm至20mm；
59.和/或，叶片33靠近底盘311的一侧表面为叶根，以前缘部331的轮廓线至与叶根的交点至底盘311的中心线的距离为半径形成有第二圆，第二圆的直径范围为3mm至5mm。
60.如图8所示，根据所需要的进口流量和流速，并且为了满足符合便携性体积小的要求，以前缘部331的轮廓线与叶顶的交点至底盘311的中心线的距离为半径形成有第一圆，第一圆的直径为d1，优选地，d1的范围为10mm～20mm；以前缘部331的轮廓线至与叶根的交点至底盘311的中心线的距离为半径形成有第二圆，第二圆的直径为d0，优选地，d0的范围为3mm～5mm，如此设置，可以满足所需要的进口流量和流速，满足进口气流的需求。
61.进一步地，如图8所示，在以尾缘部333至底盘311的中心线的距离为半径形成的圆，圆的直径为d2，d2的范围为24mm～50mm，d2决定离心叶轮30径向尺寸。
62.在本发明一实施例中，如图12所示，扩散管15连接于螺旋形涡室11的尾部，扩散管15的横向截面为圆形。
63.排出口当量直径dd，就是螺旋形涡室11的出口直径，排出口当量直径可以根据叶轮30的设计进行选取。在本发明的实施例中，排出口当量直径dd范围为14mm～16mm，dd的具体取值在此不再一一列举。
64.在本发明一实施例中，如图10所示，扩散管15的长度范围为33mm～34mm；
65.和/或，扩散管15的横截面由连接螺旋形涡室11尾部的一端至另一端呈增长趋势。
66.扩散管15高度l，在保证扩散角和安装要求的条件下，应尽量取小值，以减小压气机的尺寸，扩散管15高度l范围为33mm～34mm，l的具体取值在此不再一一列举。
67.进一步地，扩散管15的的横向截面为圆形，可以满足气流通过螺旋形涡室11时达到升压的效果，满足气体的升压需求。
68.在本发明一实施例中，如图1至图4所示，蜗壳10还包括涡舌17，涡舌17的上边缘和
下边缘处于同一竖直曲面上。
69.涡舌17的上边缘和下边缘处于同一竖直曲面上，即涡舌17的径向偏移为0，根据实验数据，涡舌17的径向偏移越小，微涡轮1的效率越高，当径向偏移为0时，效率最高。并且径向偏移为0时，涡舌17的偏离减少以使对于气流通道的阻挡减小，进而使得气流对于涡舌17的冲击较小，从而能够减小脉动，提高微涡轮1寿命。
70.进一步地，如图10所示，涡舌17螺旋角α0，是在涡室螺旋线的起始点，螺旋线的切线与基圆切线之间的夹角。为了使气体无冲击地从叶轮30进入涡室，可选地，一般选取α0等于叶轮30出口稍后的绝对速度的液流角，在本发明的示意图中涡舌17螺旋角α0为3.14
°
。
71.进一步地，如图9所示，涡室涡舌17安放角φ0，理论上涡舌17应该在涡室螺旋线起始点的基圆d3上，但是这样会使得涡舌17和叶轮30之间的间隙过小，容易产生振动和噪声，并且涡舌17也太薄，所以一般都将涡舌17沿着涡室螺旋线移动φ0角。可选地，涡舌17安放角按照比转速来进行选取。所示涡舌17半径r3由涡舌17旋转角φ0和涡室涡舌17安放角φ0以及扩散管15的相关参数来决定,在本发明的示意图中涡室涡舌17安放角φ0为32.9
°
。
72.本发明还提出一种呼吸机，该呼吸机包括涡轮1和电机，电机的旋转轴插设于轴孔313，该涡轮1的具体结构参照上述实施例，由于本呼吸机采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
73.以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。