OSA的CPAP疗法是无创伤正压通气疗法(NIPPA)的一种形式，它涉 及到利用管道和面罩把加压的可呼吸性气体(一般情况下是空气)输送到病人 的呼吸道。用于CPAP的气体压力根据病人需要情况能在4cm水柱到28cm水 柱之间的范围内变动，其最高流速可以达到180L/min(在面罩上测得)。对于 病人的呼吸道而言，加压气体可以充当用来防止呼吸道塌陷的气体薄板，特别 是在呼吸过程中的吸气状态时。
典型情况下，在CPAP过程中给病人通气时的压力是根据病人呼吸周期 的状态改变的。例如，这种通气的装置可以是预设为输送两种压力，一种是在 呼吸周期吸气状态过程中的吸入正呼吸道压力(IPAP)，另一种就是在呼吸周期 呼气状态过程中的呼出正呼吸道压力(EPAP)。CPAP的一个理想系统是在吸 气状态前期为病人提供最大压力支持的情况下，能够在IPAP和EPAP压力之 间快速、有效、安静地进行切换。
在一个常规CPAP系统中，提供给病人的气体是通过一个具有单一涡轮 的吹气机加压的。这种涡轮封闭在一个蜗壳或者外壳中，进入其间的气体通过 旋转涡轮加压收集起来。随后加压气体逐渐地离开蜗壳并输送到病人的面罩中。
目前有两种普遍的方法用来配置吹气机和涡轮，使之能够产生理想CPAP 系统所需要的两种不同的压力，IPAP和EPAP。第一种方法是通过调整发动机 /涡轮产生一种连续高压，然后通过采用一个分流阀门来调制高压，从而得到所 需的IPAP和EPAP压力。根据第一种方法制成的CPAP系统称为带分流器的 单速双级系统。第二种方法是通过加速发动机来驱动涡轮，从而直接产生IPAP 和EPAP压力。根据第二种方法制成的CPAP系统称之为变速双级系统。
变速双级CPAP系统有很多特定的缺点。第一个缺点是为了在IPAP和 EPAP之间进行快速切换，涡轮必须快速地加速和减速。这样导致涡轮、发动 机、轴承上应力过大。但是如果慢加速涡轮的话，那么压力的升高速度则会 达不到要求，从而使病人得不到充分的治疗。
发动机和涡轮快速的加速和减速也会导致产生过多的热量和令人不快的 噪声。(这里所说的“令人不快”的噪声指的是在不考虑音量的情况下，产生过度 的导致病人烦躁的频率的声音。)另外，设计者也常常被迫采取折衷方案，不得 不为了得到希望的峰值压力而牺牲最佳的压力和流动特性。

一方面，本发明涉及到具有更快压力上升时间以及更高可靠性和低噪声 的变速吹气机。根据本发明的吹气机包括一个在进气口和出气口之间的气体流 动通路，一个发动机和一套涡轮组件。
优选的是，涡轮组件可以包括一个和发动机相连并使其围绕第一轴线旋 转的轴，还有例如固定在所述轴上的第一和第二涡轮。涡轮放置在气流中，并 通过气体流动通路和另外一个涡轮流体相连，使得所有的涡轮都放置在进气口 和出气口之间从而可以用来协同地对进气口到出气口的气流进行加压。
在一个实施例中，涡轮顺序地放置在进气口和出气口之间。吹气机还可 以包括一个外壳，该外壳部分位于第一和第二涡轮周围。具体地说，这个外壳 可以容纳第一和第二蜗壳，第一蜗壳容纳第一涡轮周围的气流，第二蜗壳容纳 第二涡轮周围的气流。进气口可以放置在第一蜗壳内而出气口则可以放置在第 二蜗壳内。
涡轮可沿着第一轴彼此间隔地垂直放置。具体地说，它们可以分别放置 在吹气机外壳的两个相反端口上。
根据本发明的吹气机可以在结构上有所变化。在一个实施例中，两个涡 轮被设计成沿着同一方向旋转。在另外一个实施例中，两个涡轮被设计成沿着 相反方向旋转。
本发明的另外一个方面涉及到一种用于双头或者单头吹气机的平面过渡 型涡旋形蜗壳。这种平面过渡型涡旋形蜗壳可以逐渐地把加压气体从旋转的涡 轮中引导出来。
本发明的上述内容和其它方面将会在下面对优选的实施例的具体描述中 说明清楚。
附图说明
不同示范实施例将结合下面的附图进行描述，其中相同的参考符号代表 相同的特征，其中：
图1是根据本发明第一个实施例的一个双头吹气机的透视图。
图2是图1中的双头吹气机的局部剖面透视图。
图3是根据本发明第二个实施例的一个双头吹气机的透视图。
图4是图3中的双头吹气机的剖面透视图。
图5是图3中的双头吹气机的后部透视图，描述了气体的流向。
图6是适用于本发明吹气机中的平面过渡型涡旋形蜗壳的透视图。
图7是根据本发明的另外一个实施例的一个双头吹气机的分解透视图。
图8是从一个侧面看的图7的双头吹气机的装配透视图；和
图9是从另一个侧面看的图7的双头吹气机的装配透视图。

现在参考附图进行说明，图1是根据本发明第一实施例的一个双头吹气 机100的透视图。吹气机100通常为圆柱形，其两端具有涡轮外壳或者蜗壳112 和113。吹气机可以容纳两个涡轮114和115，这一点可以在图2的剖面透视图 中最佳显示。
参见图1和图2，两个涡轮114和115被放置成通过气体通路116使之气 路相连。吹气机100的气体通路116包括从第一蜗壳112延伸到第二蜗壳113 的管子，气体通路116的终端为环状外形，并且逐渐与接近蜗壳112和113的 吹气机100的主体融合在一起，形成一个独立整体结构。气体通路116可以是 一个和吹气机100的其他部分整体铸模的刚性管道，或者它可以是一个柔性的 管道(例如金属或者塑料的柔性管道)。
吹气机100有一个单独的进气口118，其位置为空气或者其它适合气体可 以通过该进口直接流进到第一蜗壳112中，并被位于第一蜗壳112中的旋转涡 轮114吸入内部。气体一旦被引进到进气口118就会不停地循环，并且在逐渐 离开蜗壳112和进入到气体通路116之前通过涡轮114的运动而得到加压。一 旦进入到气体通路116之内，空气会流动到第二蜗壳113，在蜗壳113中进一步 循环，并且在通过输出管道120离开吹气机100之前通过第二蜗壳113的涡轮 115的运动而得到加压。图1中吹气机100中的空气流动路线通过箭头表示。如 图所示，在吹气机100中的气体沿着气体通路116的一个相对直的部分流通， 并且通过紧挨在第二蜗壳113之上的一个进口腔进入到第二蜗壳113内(图1 中未示出)。
如果涡轮114和115被设计成平行工作而不是连续工作的话，吹气机100 可以有两个进气口118，分别用于蜗壳112和113。如果放置在需要高流速低压 力的CPAP设备中，这种平行的涡轮放置方式是有利的。然而，本领域中还有 一些其它装置可以用在低压力的CPAP设备中产生高流速。
气体通路116的设计会影响到吹气机100的整体性能。总的来说，有几种 设计考虑会影响到根据本发明的吹气机中所使用的气体通路。第一，本发明的 吹气机中所使用的气体通路应最大程度地提供低流阻，因为气体通路中的低流 阻能减少吹气机中两个蜗壳112和113之间的压降。第二，气体通路最好设置 成使得进入第二蜗壳113的气体会从涡轮115的叶片所设计的方向进入。(如下 面将更详细描述的那样，本发明的吹气机的两个涡轮可以设计成以同方向或者 不同方向旋转。)最后，根据本发明的吹气机的气体通路是一种最佳的紧凑设计。
上述设计考虑的最佳实施方式是在空气通路中使用一个长而粗的弯管来 减小拐弯处的压降。在气体通路拐弯之后有一个相对直的部分这一点同样也是 有利的，因为拐弯之后的相对直的部分可以允许气流在进入蜗壳之前充分扩大。 在拐弯之后的直气体通路部分的适合长度是气体通路直径的三倍左右。这个相 对直的部分也保证了进入第二蜗壳113里的气流是轴向的，这正是很多涡轮设 计的气体流向。如果希望得到其它的气流形式，也可以在吹气机中增加定子叶 片或者其它类似的流体导向结构，但是定子叶片在流阻和压降方面的耗费是很 大的。
考虑到上述的三个气体通路的主要设计方面，由于相对直的部分是两个 蜗壳112和113之间可能的最短路径之一，因而图1中描述的实施例中的气体 通路116具有一个长且相对直的部分。本领域中的技术人员可以知道气体通路 116没有必更整体都是直的。
根据本发明的吹气机可以手工设计完成，采用原型和这些原型中气流和 压力的试验测量数据来优化气体通路116和其它部分的设计。或者，它们可以 通过流体动力学计算机模拟程序来进行整体设计或者部分设计。在现有技术中 有多种流体动力学计算机模拟程序。特别适合本发明的吹气机设计的流体动力 学计算机模拟程序包括FLOWORKS(NIKA GmbH，Sottrum，Germany)， ANSYS/FLOTRAN(美国宾夕法尼亚州Canonsburg的Ansys公司)和CFX (美国加利福尼亚州的El Dorado Hills的AEA技术工程软件公司)。这些模拟 程序可以使用户在模拟的气流中看到气体通路设计变化的效果。
根据本发明的双头吹气机中的两个蜗壳112、113和气体通路116可以有 许多不同的机构类型。总的来说，每一个蜗壳被设计成可以使气体在涡轮周围 保留一小段时间，并可以允许气体逐渐进入到气体通路中去。这种气体通路的 准确结构可以取决于多种因素，包括蜗壳的结构和旋向性，或每个涡轮周围的 气流方向。
蜗壳的设计本身是一项技术，因为设计不正确的蜗壳会产生噪声或影响 所需压力的产生和气流特性。上述流体动力学计算机模拟程序也会有助于设计 蜗壳，虽然包含在蜗壳设计过程中的变量数目通常会妨碍完全用计算机来设计 蜗壳。
蜗壳112和113的一个普遍的问题是它们和气体通路116相连的过渡部分 过于急剧。在蜗壳112、113和气体通路116之间的急剧过渡常常会在开口处留 下一个叉形通道或者形成“唇状”。当涡轮叶片经过这个唇状时，会产生一种称 之为“桨叶经过频率”的噪音。根据本发明的双头吹气机的蜗壳最好设计成可以 减小“桨叶经过频率”或产生其它噪音。
图6是适合用在根据本发明设计的吹气机中的一个平面过渡型涡旋形蜗 壳300的一个透视图。另外，蜗壳300可用于任何传统吹气机设备中。如图6 所示，蜗壳300有自身的发动机302，虽然它可以适用在一个具有单独发动机以 驱使两个蜗壳中的涡轮的双头吹气机中。如图所示，蜗壳300包括两个半部304 和306，这两个半部分别是蜗壳300的上下部分。蜗壳的进气口308位于上半部 304的中间。这两个半部304和306限定了一个通道，该通道与随涡轮旋转的空 气缓慢“剥离”。在这两个半部界定的通道中，不存在传统涡轮所具有的急剧的 “唇状”或“裂痕”，因而使得“桨叶经过频率”可以被减小或完全消失。图6中描 述的蜗壳300特别适合相对短而宽的发动机。
可选择的是，根据安装在吹气机中发动机的尺寸可以采用任何一种普通 型号的蜗壳。蜗壳的另外一种合适的型号是在2000年7月21日申请的美国专 利(申请号为09/600738)中公开的轴向蜗壳，该专利的内容在这里可以整体作 为参考被引入本申请中。
根据本发明设计的双头吹气机的一个重要的设计考虑是“旋向性”，或在 每一个涡轮周围的气流方向。这种“旋向性”可以由涡轮旋转的方向决定，或者 可以由涡轮单独叶片的取向和结构决定。例如，一个涡轮的旋转或者其上的叶 片的取向为以顺时针方向驱动空气，而另外一个涡轮的旋转或其上的叶片的取 向为以逆时针方向驱动空气，这样就形成了一个“相反旋向”的双头吹气机。可 选的是，这些涡轮都可在同一方向上被驱动，从而构成一个“相同旋向”的双头 吹气机。图1中的吹气机100是相反旋向型的双头吹气机的一个例子。
“相同旋向”吹气机的优点在于两个涡轮可以相同，这样就减少了吹气机 的零件数和费用。然而，应当指出的是设计者可以选择设计一个相同旋向的吹 气机，其中在各自的蜗壳中的用于空气流动的两个涡轮可以分别设计和优化。
“相反旋向”的吹气机允许设计者减少安装涡轮的轴的长度。这可以提高 轴自身的稳定性，因为它减少了与高速旋转的长悬臂轴不平衡相关联的问题。
图3示出了根据本发明设计的一个“相同旋向”的吹气机200。吹气机200 同样也有两个蜗壳212、213，一个气体通路216、一个进气口218以及一个出 气口220。然而如图3中所示，气体通路216具有螺旋形状。这就是说，气体通 路216从第一个蜗壳212过渡过来，随着吹气机200的圆周向下倾斜，然后拐 弯并且逐渐和位于发动机150和弓形凸缘160之间的一个进气腔融为一体，这 个进气腔在吹气机200中充当了气体进口。流经吹气机200的气流用图5透视 图中的箭头表示。
图4的局部剖面透视图中示出了吹气机200的内部结构。吹气机100和 200的内部结构非常相似，下面就结合两个吹气机的适用部分进行说明。如图4 所示，电动机150安装在吹气机200的中心。各种已知的支架和装配件都可以 用来支撑发动机，并且保证发动机处于吹气机200的内部，但是为了简单起见 这些部件都没有在图4中示出。
发动机150驱使一个单一轴152。这个轴152沿着吹气机100、200的中 心完全穿过吹气机的整个长度，并且保证涡轮114，115和214位于每个端部。 该轴可以是圆的、方的、楔形的或其它的可以把能量传输到涡轮114，115和214 的形状。在涡轮114，115，214和轴152之间可以通过两部分之间的过盈配合、 焊缝、粘合胶或者紧固件如螺丝连接。在吹气机100和200中，轴152和涡轮 114，115，214之间通过在涡轮114，115，214中间垂直定向(也就是说沿着轴 152的轴向定向的)形成的环形凸缘154进行连接。在图3和图4中，涡轮114， 115，214和轴152之间通过过盈配合进行连接。
涡轮114，115，214在形状上是完全环形的。涡轮114，115，214的中心 部分156是一个从轴152径向向外延伸到叶片158的薄盘，并且当它从轴152 向外朝向叶片158延伸时，它由向上拱起渐渐变为向下弯曲。每一个涡轮114， 115，214的实际直径可以比具有单个涡轮的常规吹气机中的涡轮直径小。在吹 气机中快速升压需要一个低速的旋转惯性，而这种惯性与直径成四次方变化。 因为吹气机100和200的涡轮114和214在直径上比较小，所以它们的旋转惯 性比较小，从而能够提供更快的压力上升时间。除了直径，涡轮114，214的其 他设计参数可以调整，以获得一个较低的旋转惯性。另一个用来降低旋转惯性 的技术包括把罩壳制成“扇形”，以产生一种“海星形”的涡轮，使用内部转动发 动机，并采用能够铸成薄壁部分的材料如液晶聚合物制成中空的涡轮叶片并通 过肋条加固。
参考图4和图5，图中示出了相同旋向的双头吹气机，第一个蜗壳212的 顶部是打开的，从而形成一个进气口118。在进气口118处，吹气机100的顶部 表面120向内弓形弯曲，在涡轮214的顶部上面形成一个唇122。涡轮中心部分 156向上弯曲的形状和顶部表面120的唇122把进入的空气限制在第一蜗壳212 之内的吹气机的容积内，同时还有助于防止操作过程中的气体泄漏。一个类似 于弓形顶表面120的弧形凸缘160从吹气机200的低内表面延伸出来，形成第 二蜗壳213的环形顶表面。异形的底盘162，262形成了吹气机100和吹气机200 的第二蜗壳113，213的底部。吹气机100的底盘162在中心有一个可以允许气 体通路116进入的洞，而吹气机200的底盘262则没有这样的洞。如上所述， 弧形凸缘160充当了吹气机200的第二个蜗壳213的进气口。在吹气机200中， 定子叶片和附加的气流整形部件可以被加在发动机150和弧形凸缘160之间的 腔上，用来辅助分配进入的空气，由此空气可以从所有的侧面进入到第二蜗壳 中而不是优先地从一边流入。
从图2和图4中可以明显看出，根据本发明设计的吹气机可以有很多复 杂的异形表面。在弧形顶面120和弧形凸缘160中采用的那些异形面可以用来 引导气流和防止气流泄漏。当流经吹气机100，200的气流中氧气含量比较高时， 防止泄漏就非常重要。如果采用高含氧量的气体，气体的泄漏会造成危险。即 使不考虑任何安全问题，空气泄漏也会产生令人不快的噪声，同时还会减小吹 气机的性能。
根据本发明设计的吹气机中存在着的复杂异形表面的数量特别适合于如 熔模铸造法等生产方法。虽然相对比较贵，但是熔模铸造可以产生出一个带有 多个隐蔽和凹入特征的部件，而其它生产方法则要设计成多个部件才能实现相 同的功能。然而为了尽量降低气体泄漏的可能性，部件数量过多通常是不适合 的，部件的数目最好应该保持在一个最小值，而部件之间连接的数目也可以最 好保持在一最小值。
对于本发明设计的吹气机还有很多材料上的考虑。熔模铸造中最典型的 是采用金属，但是有些金属对氧化降别敏感，这是一个需要关心的问题，因为 医用氧气会用于本发明的吹气机上。吹气机100，200特别适用的一种材料是铝。 但是，钢铁暴露在高浓度氧气中会生锈，铝则迅速氧化，其氧化物在金属上形 成一种不渗透的密封。不管使用哪种金属或别的材料，材料的高热传导性也是 非常重要的，它可以把热量从气体通路中带出，从而可以避免因受热而使氧气 点燃。
尽管使用铝有很多优点，但它在吹气机操作时有“鸣响”或称共鸣的趋势。 因此可以在铝吹气机里安装阻尼材料，以减少铝制部件振动的强度。
在吹气机100和200中，以不同的速度驱动电机150，从而得到希望的 IPAP和EPAP压力。吹气机的这种双头(也就是说两个阶段)设计意味着为了 获得这两种压力，发动机的速度变化范围被缩小了。发动机速度的较小变化范 围导致其压力响应时间比具有同样发动机能量和驱动特性的单一阶段吹气机所 提供的压力响应时间更短。另外，速度上较小的变化可以使旋转系统部分承受 比较小的应力，从而可以提高稳定性和降低噪声。
吹气机100和200的性能大约和两个涡轮/蜗壳联合的结合性能减去两个 蜗壳112，113，212，213之间通气通道116，216的压力/流动曲线后的值相当。 由于本领域中熟知的各种原因，吹气机100，200的实际性能将会依赖于特定吹 气机100，200的瞬间气流速度和许多因素。在高流速情况下，在气体通路116， 216里的压降通常是相当明显的。
根据本发明的双头吹气机可以使用和常规吹气机同样的方式放置在 CPAP装置中。该吹气机典型的是放置在弹簧或其它减震结构上以减少振动。 进一步的实施例
图7示出了本发明的另一个实施例，该图为根据本发明的双头吹气机400 的一个分解透视图。在这个实施例中，位于分解图中心的发动机和定子叶片部 分402是由铝熔模铸造出来的，但也可以使用下面将要描述的其它工艺方法。 铝作为一种良好的热导体，可以促进消散加速或减速的发动机所产生的热量。 图7中示出了轴404的每一端，但是发动机线圈、轴承和外罩都没有在图中示 出。发动机的电源线406从发动机和定子叶片部分402中伸出，并且通过密封 口450退出吹气机400。发动机和定子叶片402的顶部包含了上蜗壳408的底部。
作为图7所示设计的一个变化，发动机和定子叶片部分402可以从上蜗 壳408的底部单独做成。如果这两个部分是单独做的话，就不需要熔模铸造了。 例如，发动机主体可以是模压铸件，而上蜗壳408的底部则可以是注模的。
通过螺钉或其它紧固件将一个圆盘410固定在发动机和定子叶片部分402 上，圆盘中间有个作为轴404通道的洞412。涡轮414靠在圆盘顶部。涡轮414 沿着它的圆周成扇形，以减小其旋转惯性，使它看起来象“海星”状。
一个上端盖416紧固在涡轮414的上面，同时还提供了上蜗壳的顶部。 在这个实施例中，上下蜗壳都是图6所示的平面过渡型涡旋形蜗壳300的一个 变化形式。在上端盖416中间的一个孔418作为吹气机400的进气口。
在吹气机400的下端，一个异型盘420形成下蜗壳的上面部分。异型盘 420的顶部升起，同时曲线弓形向下通向洞422。如上所述，异形盘可以有助于 对气流进行调节，并且保证气流可以从所有方向流入到涡轮腔中，而不是优选 地从一个方向流入。在异型盘420的下面，下涡轮414在接近下端盖428的地 方旋转。两个端盖416，428可以是模压铸件(如铝或者镁合金制成的)，或可 以由一种合适的金属注模而成。
在上下蜗壳之间的气体通路454是左侧罩424和右侧罩426构成的一个 整体部分，而右侧罩上面紧固了其它部件。左侧罩424还提供了吹气机400的 气体出口442。通过螺钉或者其它可以拆去的紧固件把左右侧罩424和426紧固 在一起。在左右侧罩424，426的上表面上的是具有突起434，436的方形凸缘 430，432，这些突起可以使吹气机400能够安装在CPAP器械里面的弹簧上。 图7中所示的突起434，436可以具有不同的尺寸和形状，但是在图8和图9中 的突起434具有相同的形状。可以理解，根据安装吹气机400的弹簧的特性和 安装方式，可以使突起434，436采用任何描述的形状或其它形状。
双头吹气机400还包括两个阻尼套筒438，440。阻尼套筒438，440是注 模的橡胶或泡沫橡胶部件，可以分别和左右侧罩424，426的内轮廓匹配。在一 种实施方案中，阻尼套管438，440是由一个快速原型硅树脂模压形成的40肖 氏A级硬度的聚氨酯。作为选择，阻尼套管438，440可以是硅树脂或其它一些 在发动机产生的高温下能稳定的弹性体。
阻尼套筒438，440在吹气机400中有三个主要作用：形成实际的空气通 道454，在其它部件之间提供密封环境，降低其它部分的振动。橡胶或泡沫橡胶 材料的阻尼套筒438，440对气体通路454而言特别合适，因为它允许凹模(即 凹进)。阻尼套筒438，440的阻尼特性减少了铝部件或多或少会存在的鸣响。
图8为吹气机400一侧的装配透视图。图中示出了装配的出气口442和 左右侧罩424，426之间的缝444。如图8和图9中旋转的透视图所示，凸缘446， 448从每一个侧罩424，426的边缘的横向突出，之后邻接地形成缝444。这两 个侧罩424，426通过螺钉452紧固一起，而这个螺钉经过右侧罩426的凸缘446 进入到左侧罩424的凸缘448上的螺纹孔。
吹气机400有几个优点。第一，生产吹气机400不需要熔模铸造，这样 的话可以降低吹气机的成本。另外，由于吹气机400的部件很少有隐藏和复杂 的部分，因此铸件容易检查和清洗。最后，吹气机400比其它的实施例更容易 装配，因为可以通过两个侧罩424，426用一些简单的紧固件就可以把部件夹紧。
虽然通过实施例对该发明进行了描述，但可以理解的是这里的描述并不 是对发明进行限定。在不偏离本发明范围和精神的前提下，可以在比较大的方 面进行一些改动。虽然这里描述的发明参考了特定实施例，但可以理解的是本 发明并不受限于公开的细节。本发明可以延伸到所有适用的类似的结构、用途 和机械装置。
本发明为中国专利申请号为02154289.9、发明名称为双头吹气机及其蜗 壳、申请日为2002年12月10日的分案申请。