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CA 02460462 2004-03-11
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PROCEDE ET DISPOSITIF DE REGULATION A DILUTION POUR
APPAREIL RESPIRATOIRE
La présente invention concerne de façon générale les régulateurs à la
demande et à dilution par l'air ambiant destinés à fournir du gaz respiratoire
pour répondre aux besoins d'un porteur équipé d'un masque, en utilisant une
alimentation par une source d'oxygène pur (bouteille d'oxygène, générateur
chimique ou convertisseur d'oxygène liquide) ou de gaz très enrichi en
oxygène, tel qu'un générateur embarqué dit obogs, ainsi que les appareils
respiratoires individuels comportant de tels régulateurs.
Elle concerne particulièrement les procédés et dispositifs de régulation
destinés aux appareils respiratoires destinés aux équipages d'avions civils ou
militaires qui, au-delà d'une altitude cabine déterminée, doivent recevoir du
gaz respiratoire représentant au moins un débit minimum d'oxygène qui est
fonction de l'altitude, ou, à chaque inhalation, une quantité d'oxygène
correspondant à une teneur minimale en oxygène du mélange inhalé. La loi de
débit minimum d'oxygène est fixé par des normes, qui font à l'heure actuelle
l'objet, pour le domaine civil, d'un règlement FAR.
Les régulateurs actuels à la demande peuvent être portés par le
masque ; c'est le cas le plus fréquent dans le domaine civil, contrairement au
cas des avions de combat, où le régulateur est souvent sur le siège du
porteur. Ces régulateurs ont un circuit d'amenée d'oxygène reliant une entrée
d'oxygène sous pression à une admission dans le masque et comportant un
clapet principal, généralement piloté pneumatiquement par un clapet pilote, et
un circuit d'amenée d'air de dilution à partir de l'atmosphère ambiante.
L'ouverture et la fermeture de l'arrivée d'oxygène interviennent en réponse à
l'inspiration et à l'expiration du porteur du masque, à l'altitude de cabine
et
éventuellement à la position de moyens de sélection, actionnables
manuellement, permettant un fonctionnement normal avec dilution, un
fonctionnement avec alimentation sans dilution, et un fonctionnement avec
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surpression. Des régulateurs de ce type sont notamment décrits dans le
document FR-A-2 778 575, auquel on pourra se reporter.
Ces régulateurs connus sont robustes, ont un fonctionnement sûr et
peuvent être réalisés de façon relativement simple même pour des débits
d'inspiration importants. Ils ont l'inconvénient que, pour respecter les
minima
de débit d'oxygène (provenant de l'alimentation en oxygène pur et de l'air de
dilution) dans toutes les situations de fonctionnement, il est nécessaire de
les
constituer de façon telle que, dans la majeure partie du domaine de
fonctionnement, ils appellent un débit d'oxygène pur nettement supérieur à
celui qui serait nécessaire. Cela exige l'emport d'un volume d'oxygène
supérieur aux besoins physiologiques réels ou la présence d'un générateur
embarqué ayant des performances supérieures à celles qui seraient
indispensables.
On a par ailleurs proposé un régulateur à commande électronique
d'alimentation du masque respiratoire pour pilote d'avion de combat (brevets
FR 79 11 072 et US - A - 4 336 590. Ce régulateur utilise des capteurs de
pression et une électronique de commande d'une électrovanne de réglage de
débit d'oxygène amené. L'air de dilution est aspiré par un venturi. Ce
régulateur à commande électronique a l'avantage de permettre une meilleure
adaptation du débit d'oxygène pur fourni aux exigences physiologiques. Mais il
présente un certain nombre de limitations. En particulier la dilution dépend
du
fonctionnement d'un éjecteur. La nature de la commande du débit d'oxygène
pur et du débit d'air de dilution fait que l'oxygène apporté par l'air de
dilution,
dont le débit est fonction du débit d'oxygène et d'autres paramètres d'état
(notamment la demande inspiratoire du porteur) peut difficilement être pris en
compte dans la commande de débit d'oxygène pur. Dans la plupart des cas, la
commande provoquera un débit d'oxygène pur conduisant à un excès
d'oxygène fourni au porteur et il n'est pas prévu d'utiliser la commande
électronique de façon à obtenir un fonctionnement permettant de fournir un
débit d'oxygène qui est dans toutes les conditions au plus près du minimum
prévu par les règlements.
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La présente invention vise notamment à fournir un procédé et un
dispositif de régulation répondant mieux que ceux antérieurement connus aux
exigences de la pratique ; elle vise notamment à fournir un régulateur
permettant de rapprocher le débit d'oxygène exigé de la source de celui qui
est effectivement nécessaire.
Pour cela il est notamment proposé une approche différente de celles
antérieurement adoptées ; elle implique d'estimer ou de mesurer, en temps
réel, les paramètres essentiels déterminant les besoins en oxygène (altitude
cabine, débit inspiratoire volumique instantané ramené aux conditions de la
cabine, pourcentage d'oxygène dans le mélange inhalé tel qu'il est imposé par
les règlements là où ils existent et par la physiologie, ...) et d'en déduire
le
débit instantané d'oxygène pur additionnel à fournir à chaque instant.
Suivant un aspect de l'invention, il est en conséquence proposé un
procédé de régulation du débit d'oxygène additionnel amené depuis une
entrée d'oxygène sous pression, provenant d'une source, à une admission
dans un masque respiratoire muni d'une entrée d'air ambiant de dilution,
suivant lequel :
- on mesure en temps réel le débit inspiratoire volumique instantané inhalé
ramené aux conditions ambiantes (directement ou à partir de la mesure du
débit d'air de dilution inhalé dans le masque, en tenant compte de
l'oxygène additionnel), et la pression ambiante,
- à partir de la pression ambiante on détermine la teneur minimale en
oxygène à réaliser sur l'ensemble de l'inhalation pour respecter la norme
respiratoire, et
- on estime et on commande le débit instantané d'oxygène pur additionnel
de façon à remplir les exigences de la norme avec une marge de sécurité
qui sera généralement de quelques pour cent.
Il peut être prévu une régulation de l'air de dilution par réglage de
section de passage à l'aide d'une capsule altimétrique, sans intervention d'un
venturi; elle peut aussi être effectuée par clapet piloté, de nouveau sans
éjecteur, en associant alors les caractéristiques favorables des régulateurs
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purement pneumatiques à celles d'un régulateur connu à commande
électronique.
Dans un premier mode de réalisation, l'estimation du débit d'oxygène
additionnel se poursuit pendant toute la période d'inhalation. Cela se traduit
dans les faits par un réglage de la totalité du volume d'oxygène additionnel
fourni au cours de l'ensemble de l'inhalation complète. Dans un autre mode de
réalisation, qui en principe permet d'économiser encore davantage l'oxygène,
il est tenu compte du fait que les voies respiratoires comportent un volume
qui
ne participe pas aux échanges gazeux. Plus précisément la fraction du
mélange respiratoire qui est inhalée en dernier n'atteint pas les alvéoles
pulmonaires. Elle pénètre simplement dans les voies aériennes supérieures
d'où elle est rejetée à l'atmosphère lors de l'expiration. Le procédé suivant
l'autre mode de réalisation utilise cette constatation, par exemple en
détectant
l'instant à partir duquel le débit instantané inhalé descend au dessous d'un
seuil prédéterminé comme indiquant le début de la phase finale de
l'inhalation,
au cours de laquelle l'oxygène n'est pas utilisé, et en coupant alors
l'arrivée
d'oxygène additionnel
Dans un autre mode encore de réalisation, qui permet d'utiliser la
constatation ci-dessus que c'est l'oxygène additionnel envoyé au cours d'une
phase initiale du cycle inspiratoire qui est le mieux utilisé,
- il est effectué, à la fin de chaque cycle respiratoire, une estimation de la
quantité totale d'oxygène qui sera requise au cours de l'inhalation suivante
( par exemple par calcul d'une moyenne sur plusieurs cycles précédents) et
- on envoie la totalité de l'oxygène additionnel requis pendant une phase
initiale de l'inhalation.
Une comparaison est effectuée au cours de la phase suivante du cycle
inspiratoire entre le cycle standard évalué ainsi et le déroulement du cycle
réel ; en cas d'écart conduisant à une exigence d'oxygène supérieure à celle
prévue, une quantité d'oxygène complémentaire déterminée en fonction de
l'écart est fournie.
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Dans tous les cas, il y a, à partir de la détermination de la quantité
d'oxygène nécessaire aux besoins physiologiques, calcul de la quantité
d'oxygène pur à ajouter de façon forcée à l'oxygène contenu dans l'air à une
teneur de 21% (ou supérieure dans le cas d'atmosphère conditionnée)inhalé
5 directement depuis l'atmosphère ambiante et dont le débit n'est généralement
pas commandé.
L'invention propose également un dispositif de régulation comportant :
- un circuit d'amenée d'oxygène reliant une entrée d'oxygène sous pression,
provenant d'une source, à une admission dans un masque respiratoire par
l'intermédiaire d'une première vanne de commande directe de débit,
- un circuit de dilution amenant directement au masque de l'air provenant de
l'atmosphère, pouvant être muni d'une soupape à ouverture commandée
par la pression ambiante,
- un circuit d'expiration comportant une soupape anti-retour d'expiration
reliant le masque à l'atmosphère, et
- un circuit électronique de commande d'ouverture de la vanne de
commande directe de débit, en fonction de signaux fournis par au moins un
capteur de la pression atmosphérique ambiante et un capteur du débit d'air
inhalé ou du débit total inhalé.
Le capteur de débit d'air peut avoir diverses constitutions. Par exemple
il est de type déprimogène, disponible dans le commerce. Un tel capteur
détermine la perte de charge au passage d'un étranglement et fournit un
signal représentatif du débit. Il peut également être du type à fil chaud.
Une telle constitution est "hybride" en ce sens qu'elle associe des
caractéristiques de régulateur à commande pneumatique pour ce qui est du
débit d'air à une commande électronique du débit d'oxygène pur additionnel,
permettant une régulation souple.
Le terme "oxygène sous pression" ou oxygène pur doit être
interprété comme couvrant aussi bien le cas d'oxygène pur, fourni par exemple
par une bouteille, que celui d'air très enrichi en oxygène, typiquement au-
delà
de 90%. Dans ce dernier cas la teneur effective en oxygène de l'air enrichi
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constitue un paramètre supplémentaire à prendre en compte et elle doit être
mesurée.
La vanne de commande de débit peut être à ouverture progressive, ou
du type "tout ou rien" ; elle est commandée dans ce dernier cas par un signal
électrique modulé en largeur d'impulsion, avec un rapport cyclique d'ouverture
(duty ratio) réglable et une fréquence d'impulsions supérieure à 10Hz.
La loi de commande mémorisée dans le circuit électronique est telle
que le régulateur fournit, en fonctionnement " normal , un débit d'oxygène
total au moins égal à celui prévu par les règlements pour chaque altitude
cabine, provenant de la source et de l'air de dilution.
En général, les régulateurs sont prévus pour permettre non seulement
le fonctionnement hormal avec dilution, mais aussi un fonctionnement avec
alimentation en oxygène pur détendu (fonctionnement dit 100% ), ou en
oxygène pur présentant une surpression déterminée par rapport à
l'atmosphère ambiante (fonctionnement dit urgence ). Ces derniers modes
de fonctionnement sont notamment nécessaires lorsque le risque de présence
de fumée ou de gaz toxique dans l'environnement est pris en compte. Le
circuit électronique peut être prévu pour provoquer la fermeture de la soupape
de dilution en réponse à une commande manuelle ou automatique. Une
électrovanne supplémentaire à commande manuelle et/ou automatique peut
être prévue pour maintenir une surpression dans le masque en établissant sur
le clapet d'expiration une surpression tendant à le fermer.
La fermeture de la soupape de dilution est avantageusement
commandée à l'aide d'une électrovanne à deux positions qui, dans un état,
provoque la fermeture de la soupape par amenée du siège de soupape contre
un obturateur porté par un élément sensible à la pression de l'atmosphère
ambiante et, dans l'autre position, amène un siège de soupape dans une
position déterminée, permettant le réglage du débit d'air de dilution par
déplacement ou déformation de l'élément.
L'invention est susceptible de nombreux modes de réalisation. En
particulier les différents composants du régulateur peuvent être répartis de
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différentes façons entre un boîtier porté par le masque et une boîte pour
stocker le masque en dehors des périodes d'utilisation ou tout autre boîtier
externe, y compris en ligne, de façon qu'il reste directement accessible par
le
porteur du masque. Par exemple :
- le circuit d'amenée d'oxygène pur peut être en totalité placé dans un
boîtier
fixé à un masque, ou
- une partie de ce circuit, et notamment la première électrovanne, peut être
intégré à une boîte de stockage du masque en position d'attente.
Les caractéristiques ci-dessus, ainsi que d'autres, avantageusement
utilisables en liaison avec les précédentes, mais pouvant l'être
indépendamment, apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de
modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemples non limitatifs.
La
description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels :
- la figure 1 est un schéma pneumatique et électrique montrant les
constituants concernés par l'invention d'un régulateur qu'on peut qualifier
de à actionneur intégré ;
- la figure 2, similaire à la figure 1, montre une variante de réalisation ;
- la figure 3 est un diagramme montrant une courbe type de variation du
débit d'oxygène requis par les règlements en fonction de l'altitude cabine ;
- la figure 4 montre un faisceau de courbes de variation des débits
d'oxygène de l'appel inspiratoire à différentes altitudes cabine.
Le régulateur montré en figure 1 se compose de deux parties, l'une 10
incorporée dans un boîtier porté par un masque non représenté et l'autre 12
portée par une boîte de stockage du masque. Cette boîte peut avoir une
constitution générale classique, comportant un châssis délimitant un volume
de réception, fermé par des portes et dont fait saillir le masque. L'ouverture
des portes par extraction du masque provoque l'ouverture d'un robinet
d'amenée d'oxygène.
La partie portée par le masque est constituée par un boîtier en plusieurs
pièces assemblées, dans lequel sont ménagés des logements et des
passages permettant de définir plusieurs trajets de circulation.
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Un premier trajet de circulation relie une entrée 14 d'oxygène sous
pression à une sortie 16 vers le masque. Un second trajet relie une entrée 20
d'air de dilution à une sortie 22 vers le masque. Le débit d'oxygène dans le
premier trajet est réglé par un robinet à commande électrique. Dans le cas
représenté, ce robinet est une vanne proportionnelle 24, commandée en
tension, qui relie l'entrée 14 et la sortie 16, alimentée par un conducteur
26,
elle relie l'entrée et la sortie. On peut également utiliser une vanne, du
type
"tout ou rien", commandée en largeur d'impulsion, avec un RCO (rapport
cyclique d'ouverture ou duty cycle) variable.
Sur le trajet d'amenée directe d'air de dilution au masque est interposé
un sous-ensemble qu'on peut qualifier de "demande" assurant les fonctions
d'inspiration d'air ambiant et de détection du débit demandé instantané. Ce
sous-ensemble comporte un capteur 28 de pression dans le masque. Dans le
cas illustré, la section droite de passage du débit d'air de dilution est
délimitée
par une capsule altimétrique 30 dont la longueur augmente lorsque la pression
ambiante diminue et par la tranche terminale d'un piston annulaire 32. Ce
piston est soumis à la différence entre la pression atmosphérique et la
pression qui règne dans une chambre 34. Une électrovanne supplémentaire
36 permet de relier la chambre 34 soit à l'atmosphère, soit à l'alimentation
en
oxygène sous pression. L'électrovanne 36 permet ainsi de passer d'un mode
normal avec dilution à un mode à alimentation en oxygène pur (mode dit
100%). Lorsque la chambre 34 est reliée à l'atmosphère, un ressort 38
maintient le piston dans une position permettant le réglage de la section de
passage par la capsule altimétrique 30. Lorsque la chambre est reliée à
l'alimentation, le piston vient s'appliquer contre la capsule. Le piston 32
peut
également constituer l'organe mobile d'une soupape de régulation asservie.
Le boîtier de la partie 10 délimite également un trajet d'expiration
comportant un clapet d'expiration 40. L'élément obturateur du clapet
représenté est d'un type couramment utilisé à l'heure actuelle pour remplir la
double fonction de clapet de pilotage d'admission et de clapet d'échappement.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, il joue simplement le rôle de
clapet
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d'expiration offrant la possibilité de maintenir l'intérieur du masque en
surpression par rapport à l'atmosphère ambiante par augmentation de la
pression régnant dans une chambre 42, limitée par l'élément 40, au-dessus de
la pression ambiante.
Dans un premier état, une électrovanne 48 relie la chambre 42 à
l'atmosphère et dans ce cas l'expiration s'effectue dès que la pression dans
le
masque dépasse la pression ambiante. Dans un second état, l'électrovanne 48
relie la chambre à l'alimentation en oxygène sous pression, par
l'intermédiaire
d'un étranglement 50 de limitation de débit. Dans ce cas, la pression dans la
chambre 42 s'établit à la valeur fixée par une soupape 46 à ressort taré de
fermeture.
Le boîtier de la partie 10 porte, dans le mode de réalisation illustré, des
moyens permettant de gonfler et de dégonfler un harnais pneumatique de
masque. Ces moyens ont une constitution classique et en conséquence ne
seront pas décrits en détail. Ils comportent un piston 52 qui peut être amené
temporairement, à l'aide d'une oreille 54 actionnée par l'utilisateur du
masque,
de la position où il est représenté et où il fait communiquer le harnais avec
l'atmosphère à une position où il fait communiquer le harnais avec
l'alimentation 14 en oxygène. Toutefois, ces moyens comprennent de plus un
interrupteur 56 commandé par le déplacement de l'oreille 54 à partir de sa
position de repos, et dont le rôle apparaîtra plus loin.
La partie 12 du régulateur, qui est portée par la boîte de stockage du
masque, comporte un sélecteur 58 déplaçable dans le sens des flèches "f' et
pouvant être amené par l'utilisateur dans 3 positions.
Dans la position représentée en figure 1, le sélecteur 58 ferme un
interrupteur 60 de mode normal N. Dans les deux autres positions, il ferme
respectivement des interrupteurs de mode dits 100% et "Urgence" ou E.
Les interrupteurs sont reliés à un circuit électronique 62 qui détermine,
en fonction du mode de fonctionnement choisi, de l'altitude cabine indiquée
par un capteur 64 et du débit de demande instantanée indiqué par le
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capteur 28, le débit d'oxygène à fournir au porteur du masque. La carte
fournit
les signaux électriques appropriés à la première électrovanne 24.
En mode normal, le capteur de pression 28 fournit la pression de
demande instantanée au débouché du circuit d'air de dilution dans le masque.
5 Le circuit porte par une carte électronique, reçoit ce signal ainsi que
l'information sur l'altitude de cabine à prendre en compte provenant du
capteur
64. La carte électronique détermine alors le débit ou la quantité d'oxygène à
fournir, en utilisant une famille de courbes de référence mémorisées tenant
compte du débit de demande instantané et de l'altitude cabine, ou une table à
10 plusieurs entrées ou méme un calcul en temps réel à partir d'un algorithme
mémorisé.
Les courbes de référence sont établies à partir des règlements qui
fixent la concentration de mélange respiratoire requise pour le pilote en
fonction de l'altitude cabine.
Sur la figure 3, la courbe en trait plein montre la valeur minimale de la
teneur en oxygène requise en fonction de l'altitude. La courbe en tirets donne
la valeur maximale. Les courbes de référence seront choisies de façon à n'être
jamais au-dessous de la courbe de minimum. Mais, grâce à la souplesse
offerte par la commande électronique, il sera possible d'en être très proche.
La figure 4 montre, à titre d'exemple, deux courbes représentant
respectivement la variation du débit d'oxygène et du débit d'air de dilution
commandés par l'électrovanne 24 et la soupape à ouverture commandée en
fonction de l'altitude, à valeur donnée du signal fourni par le capteur 28.
En mode 100%, c'est-à-dire lorsque le porteur du masque amène le
sélecteur d'un cran vers la droite à partir de la position montrée en figure
1, la
carte 62 envoie une consigne électrique à l'électrovanne 36. Celle-ci provoque
la mise en pression de la chambre 34, applique le piston 32 contre la capsule
aitimétrique 30 et ferme l'arrivée d'air de dilution. Le capteur de pression
28
détecte la dépression dans le circuit d'entrée d'air ambiant et fournit à la
carte
62 une information correspondante. La carte détermine alors le débit
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d'oxygène à fournir. La première électrovanne 24 fournit alors au porteur du
masque la quantité d'oxygène calculée.
Lorsque le porteur sélectionne le mode "urgence" en déplaçant le
sélecteur 28 davantage vers la droite, la carte 62 émet une consigne
électrique vers la vanne 48. L'électrovanne admet alors, dans la chambre 42,
une pression qui est limitée par le clapet 46. Habituellement, la surpression
établie est de l'ordre de 5 mbar. En même temps, l'arrivée d'air de dilution
est
coupée comme dans le cas précédent. Le capteur de pression 28 envoie
encore un signal à la carte 62 qui détermine la quantité d'oxygène à fournir
pour ramener la pression dans le circuit d'entrée d'air à une valeur égale au
tarage du clapet 46.
Dans la variante de réalisation montrée en figure 2, où les organes
correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes numéros de
référence, la première vanne 24 a est placée dans le boîtier de la boîte de
stockage du masque. Le régulateur peut alors être regardé comme
comprenant une partie de commande, entièrement portée par la boîte 12 et
qui autorise la sélection du mode de fonctionnement. Une partie "demande",
placée dans le boîtier monté sur le masque et qui assure les fonctions
d'inspiration d'air ambiant et de détection de la pression d'appel. La
troisième
partie, qui fournit le complément de l'oxygène requis en fonction de
l'altitude et
de la demande inspiratoire du pilote, se trouve cette fois dans le boîtier de
la
boîte de stockage du masque.
Dans le dispositif montré en figure 2, la commande de fourniture du
complément d'oxygène par la vanne 24 a est complétée par un robinet
pneumatique piloté 68 de constitution connue, placé en aval de la vanne 24 a.
De façon classique, le robinet pneumatique piloté 68 est commandé par la
pression qui règne dans une chambre de pilotage 70. La membrane 40, qui
joue cette fois le double rôle de clapet pilote et de clapet d'expiration,
commande la pression dans la chambre de pilotage 70.
La présence du robinet piloté dans le mode de réalisation de la figure 2
permet de prévoir une vanne à commande mécanique 72 commandée par le
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sélecteur 58 pour relier l'amont à l'aval de l'électrovanne 24(a). Ainsi, en
cas
de panne d'alimentation électrique, le porteur du masque peut immédiatement
passer d'un mode régulé à économie d'oxygène à un mode classique à
fonctionnement purement pneumatique.
