Αναπνευστηρας HEV

Σκοπός

Στόχος του έργου ήταν η ταχεία ανάπτυξη ενός αξιοποιήσιμου ιατρικού αναπνευστήρα για την αντιμετώπιση της COVID-19, ικανού να παρέχει μακροχρόνια υποστήριξη κυψελιδικού αερισμού τόσο εντός όσο και εκτός μονάδων εντατικής θεραπείας. Ο σχεδιασμός προέβλεπε λειτουργίες pressure-control, pressure-support και CPAP, δυνατότητα ενεργοποίησης από τον ασθενή σε όλες τις λειτουργίες, αρθρωτή (modular) αρχιτεκτονική, χρήση απλών και ευρέως διαθέσιμων εξαρτημάτων και έλεγχο μέσω μικροελεγκτή χαμηλής ισχύος. Με αυτόν τον τρόπο, το σύστημα θα μπορούσε να προσαρμοστεί σε διαφορετικές κλινικές ανάγκες, παραγωγικές δυνατότητες και περιβάλλοντα με περιορισμένους πόρους.

Η συμβολή του MD-Lab επικεντρώθηκε στο υποσύστημα παροχής αέρα. Το εργαστήριο διερεύνησε την αντικατάσταση της αρχικής λύσης με τουρμπίνα, η οποία δεν πέτυχε το επιθυμητό επίπεδο αθόρυβης λειτουργίας, με έναν συμπαγή συμπιεστή scroll. Η νέα λύση σχεδιάστηκε ώστε να προσφέρει πιο ομαλή και πιο αθόρυβη συμπίεση, χωρίς λίπανση και χωρίς επαφή, διατηρώντας παράλληλα την απαιτούμενη πίεση και παροχή.

Στο πλαίσιο αυτό, το MD-Lab κάλυψε:

• Μετατροπή των απαιτήσεων παροχής αέρα του αναπνευστήρα σε προδιαγραφές συμπιεστή για παροχή, πίεση, μεταβλητή ταχύτητα, καθαρότητα, χαμηλό θόρυβο και συνεχή λειτουργία.
• Παραμετρικό σχεδιασμό της γεωμετρίας στάτη-δρομέα με χρήση εξισώσεων εξελιγμένης, καθώς και υπολογισμό του εκτοπίσματος και της αναμενόμενης παροχής αέρα.
• Αριθμητική και CFD διερεύνηση των περιφερειακών και ακτινικών διαρροών, των λειτουργικών διακένων και των θερμικών επιδράσεων, με στόχο τη συμπίεση χωρίς λίπανση και χωρίς επαφή.
• Σχεδιασμό της στήριξης του άξονα, των εδράνων, της στεγανοποίησης, του συστήματος ζυγοστάθμισης, της σύνδεσης με τον κινητήρα, του κελύφους και της διαδρομής του αέρα ψύξης.
• Αξιολόγηση της λύσης scroll ως πιο αθόρυβης και κλινικά καταλληλότερης εναλλακτικής για μακροχρόνια λειτουργία δίπλα στον ασθενή.

Αντίκτυπος

Το έργο HEV ανταποκρίθηκε σε μια κρίσιμη ανάγκη της πανδημίας: την αύξηση της διαθεσιμότητας τεχνολογιών αναπνευστήρων, χωρίς αποκλειστική εξάρτηση από σπάνια και προηγμένα μηχανήματα εντατικής θεραπείας. Πρότεινε έναν ποιοτικό σχεδιασμό αναπνευστήρα, με δυνατότητα παραγωγής σε χαμηλότερο κόστος και χρήσης για τη μεγάλη πλειονότητα των ασθενών με COVID-19, συμβάλλοντας στη διατήρηση των πιο εξελιγμένων συστημάτων για τα βαρύτερα περιστατικά.

Ο ευρύτερος αντίκτυπος του έργου έγκειται στον συνδυασμό ιατρικής καθοδήγησης, αρθρωτής (modular) αρχιτεκτονικής, ευρέως διαθέσιμων εξαρτημάτων και ηλεκτρονικών ελέγχου χαμηλής ισχύος. Ο σχεδιασμός αποσκοπούσε στη διευκόλυνση της αξιοποίησης του HEV σε περιοχές με περιορισμένους πόρους ή ασταθή ηλεκτρική τροφοδοσία, παραμένοντας ταυτόχρονα προσαρμόσιμος σε τοπικές παραγωγικές επιλογές και απαιτήσεις. Διεθνής επιτροπή αξιολόγησης έκρινε τον σχεδιασμό τεχνικά άρτιο και ανέδειξε το υψηλό επίπεδο που επιτεύχθηκε σε σύντομο χρονικό διάστημα.

Συμβολή του Εργαστηρίου

Από τις απαιτήσεις του αναπνευστήρα στον σχεδιασμό συμπιεστή

Το MD-Lab συνέβαλε στο HEV μέσω του λεπτομερούς σχεδιασμού του συμπιεστή scroll, ενός κρίσιμου μηχανολογικού υποσυστήματος για την παραγωγή του συμπιεσμένου αέρα που απαιτεί ο αναπνευστήρας. Μετέτρεψε τη γενική ανάγκη παροχής αέρα σε ολοκληρωμένη μηχανολογική λύση, καλύπτοντας τη γεωμετρία των σπειρών, τους υπολογισμούς παροχής, τα έδρανα, τη μετάδοση κίνησης, τη ζυγοστάθμιση, τη στεγανοποίηση, το κέλυφος και τη θερμική διαχείριση.

Η λειτουργία του συμπιεστή βασίστηκε στην αρχή των μηχανών scroll: ο αέρας εγκλωβίζεται ανάμεσα σε δύο σπείρες ίδιας γεωμετρίας, μία σταθερή και μία κινούμενη, και οδηγείται σταδιακά σε ολοένα μικρότερους όγκους, με αποτέλεσμα την αύξηση της πίεσης και της θερμοκρασίας. Αναπτύχθηκε παραμετρικό μοντέλο του ζεύγους στάτη-δρομέα, ώστε η γεωμετρία να μπορεί να τροποποιείται αποτελεσματικά κατά τις διαδοχικές φάσεις σχεδιασμού και να αξιοποιηθεί ξανά σε μελλοντικές εργαστηριακές μελέτες παρόμοιων μηχανών.

Αθόρυβη και καθαρή παροχή αέρα

Καθοριστικός λόγος για την υιοθέτηση του συμπιεστή scroll ήταν η ακουστική του συμπεριφορά. Η αρχική λύση παροχής αέρα του HEV με τουρμπίνα δεν πέτυχε το απαιτούμενο επίπεδο αθόρυβης λειτουργίας, παράμετρο ιδιαίτερα σημαντική σε κλινικό περιβάλλον, όπου ο συνεχής θόρυβος επηρεάζει τόσο την άνεση του ασθενούς όσο και τις συνθήκες εργασίας του προσωπικού. Ο συμπιεστής scroll πραγματοποιεί τη συμπίεση μέσω κλειστής και σταδιακής μείωσης του όγκου, αντί για ροή υψηλής ταχύτητας όπως στην τουρμπίνα. Έτσι προσφέρει πιο ομαλή λειτουργία, χαμηλότερο αεροδυναμικό θόρυβο και λιγότερες πηγές κραδασμών, καθιστώντας τη λύση scroll πιο συμβατή με έναν αναπνευστήρα για μακροχρόνια χρήση δίπλα στον ασθενή.

Κεντρικός σχεδιαστικός στόχος ήταν η επίτευξη καθαρής συμπίεσης, χωρίς λίπανση και χωρίς επαφή, κατάλληλης για ιατρικές εφαρμογές. Κρίσιμες παράμετροι αποτέλεσαν η χρήση ανοξείδωτου χάλυβα για ιατρική συμβατότητα, η απομόνωση του συστήματος scroll και η αποφυγή σύνθετων φίλτρων. CFD προσομοιώσεις χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη των διαρροών μέσα από τα περιφερειακά και ακτινικά διάκενα, υποστηρίζοντας την επιλογή μικρών διακένων και την τελική γεωμετρία του συστήματος συμπίεσης.

Θερμικές προσομοιώσεις και προσομοιώσεις ψύξης

Η θερμική σταθερότητα αξιολογήθηκε μέσω συνδυασμένων προσομοιώσεων ροής αέρα ψύξης και μεταφοράς θερμότητας. Επειδή τα διάκενα του scroll είναι πολύ μικρά, ακόμη και μέτρια θερμική διαστολή μπορεί να μεταβάλει τα ακτινικά και αξονικά διάκενα και να επηρεάσει τη λειτουργία χωρίς επαφή. Το MD-Lab χρησιμοποίησε CFD για να μελετήσει τη διαδρομή του αέρα ψύξης μέσα από το κέλυφος, την αποτελεσματικότητα του ανεμιστήρα γύρω από το σώμα του συμπιεστή και τις περιοχές όπου θα μπορούσε να συσσωρευτεί θερμότητα.

Οι προσομοιώσεις υποστήριξαν την επιλογή του ανεμιστήρα ψύξης, τη θέση των ανοιγμάτων αερισμού και την αξιολόγηση των θερμοκρασιακών πεδίων γύρω από το σύστημα scroll, τις στηρίξεις του άξονα και το κέλυφος. Τα αποτελέσματα βοήθησαν να επιβεβαιωθεί ότι η λύση μπορούσε να διατηρήσει σταθερά λειτουργικά διάκενα σε συνεχή χρήση, διατηρώντας παράλληλα την αθόρυβη, oil-free και contactless αρχιτεκτονική παροχής αέρα που απαιτούσε ο αναπνευστήρας HEV.