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WO 2014/199028 1 PCT/FR2014/051047
Equipement de protection respiratoire
La présente invention concerne un équipement de protection respiratoire
couramment appelé cagoule.
L'invention concerne plus particulièrement une cagoule de protection
respiratoire comprenant une enveloppe souple destinée à être enfilée sur la
tête
d'un utilisateur et un réservoir d'oxygène sous pression comprenant un orifice
de
sortie débouchant dans le volume interne de l'enveloppe souple, l'orifice de
sortie
étant obturé par un bouchon amovible ou à rupture aménagée.
Ce type de dispositif, qui doit satisfaire à la norme TSO-C-116a est
classiquement utilisé à bord des avions lorsque l'atmosphère de la cabine est
viciée (dépressurisation, fumée, agents chimiques,...).
Ces cagoules doivent notamment permettre au personnel naviguant de
combattre l'avarie, porter secours aux passagers et gérer une éventuelle
évacuation de l'appareil.
Les spécifications techniques de ces dispositifs sont définies selon des
classes d'utilisation (avarie en vol, protection contre l'hypoxie à haute
altitude,
évacuation d'urgence au sol,...).
Afin de répondre aux exigences d'utilisation, le dispositif doit pouvoir
fournir
suffisamment d'oxygène à l'utilisateur.
La cagoule peut notamment être prévue pour à la fois empêcher une
hypoxie à une altitude de 40000 pieds deux minutes après sa mise en place
puis,
dans les dernières minutes d'utilisation, fournir suffisamment d'oxygène pour
permettre une évacuation.
Les équipements de protection respiratoire connus utilisent principalement
deux types de source d'oxygène :
- un pain chimique (encore appelé chandelle chimique) générant de
l'oxygène par combustion (superoxyde de potassium - K02, Chlorate de sodium -
NaC103,...), ou
- un réservoir d'oxygène comprimé associée à un orifice calibré.
Le premier type permet de fournir un débit d'oxygène qui croit jusqu'à
atteindre un palier relativement constant avant de décroitre rapidement en fin
de
combustion.
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Les générateurs du type à chandelle chimique correctement dimensionnés
peuvent constituer une source d'oxygène permettant de remplir les conditions
recherchées mais cette solution possède un inconvénient majeur : la réaction
de
combustion de la chandelle est fortement exothermique.
De ce fait, la température de surface extérieure du dispositif peut facilement
dépasser les 200 C et enflammer un éventuel matériel combustible en contact
(un
accident mortel s'est déjà produit suite à l'activation accidentelle d'une
telle
chandelle chimique dans un container de transport dans la soute d'un avion).
Ce type de dispositif présente également l'inconvénient de nécessiter un
certain temps pour la montée en débit d'oxygène au démarrage. Ceci peut
nécessiter l'ajout d'une capacité d'oxygène supplémentaire pour le démarrage.
Enfin, ces dispositifs nécessitent des filtres pour retirer les impuretés
générées par
la réaction de production d'oxygène.
Le second type (réservoir d'oxygène sous pression associé à un orifice
calibré) fournit un débit d'oxygène qui décroit de façon exponentielle,
proportionnellement à la pression à l'intérieur de la réserve.
Les cagoules utilisant ce second type contiennent ainsi généralement une
source d'oxygène permettant d'alimenter une personne en oxygène pendant 15
min. Ces équipements possèdent également un moyen de limitation de la pression
à l'intérieur de la cagoule (par exemple une soupape de surpression).
Cette technologie utilisant de l'oxygène comprimé dans une capacité
scellée associée à un orifice calibré est plus sûre. Néanmoins, afin d'être en
mesure de répondre à certain cas d'utilisation (consommation d'oxygène
importante en fin d'utilisation correspondant par exemple à une évacuation
d'urgence de l'appareil), la capacité doit avoir un volume trop important pour
l'encombrement visé. Une autre solution peut être de prévoir une pression
initiale
élevée (supérieure à 250 bar). Ceci génère un débit initial important par
exemple
plus de dix normolitre par minute (NI/min) permettant d'avoir un débit
suffisant en
fin d'utilisation (par exemple plus de 2N1/min à la quinzième minute
d'utilisation de
l'équipement). Un débit d'oxygène excessif, bien qu'avantageux pour assurer la
protection contre l'hypoxie, est cependant problématique en cas d'incendie à
bord
de l'appareil car l'excédent d'oxygène sera évacué de l'équipement au travers
de
sa soupape de surpression et pourrait alimenter des flammes. De plus, cela
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nécessite un surdimensionnement du réservoir d'oxygène ce qui est un
inconvénient majeur en terme de masse, d'encombrement et de coût.
L'invention concerne une cagoule utilisant un réservoir d'oxygène sous
pression.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des
inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
Un but de l'invention peut notamment être de proposer une cagoule
permettant de fournir une quantité d'oxygène relativement importante en début
d'utilisation (pour empêcher une hypoxie à haute altitude) tout en permettant
la
fourniture d'une quantité d'oxygène suffisante en fin d'utilisation (après dix
ou
quinze minutes) pour permettre une évacuation.
A cette fin, la cagoule selon l'invention, par ailleurs conforme à la
définition
générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisée
en ce que le réservoir d'oxygène sous pression comprend, en amont de
l'orifice,
un passage pour le gaz sous pression et un pointeau mobile selon une direction
de déplacement déterminée dans ledit passage, le pointeau étant soumis à deux
efforts opposés selon la direction de déplacement et générés respectivement
d'une part par la pression du gaz dans le réservoir et, d'autre part, par un
organe
de rappel, le pointeau ayant une section de profil déterminé variable selon la
direction de déplacement pour modifier le degré de fermeture du passage selon
sa
position relativement au passage de façon à réguler le débit de gaz admis à
s'échapper via le passage vers l'orifice en fonction du temps et de la
pression de
gaz dans le réservoir.
Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter
l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
- le pointeau a une section de profil déterminé selon la direction de
déplacement pour contrôler le débit de gaz admis à s'échapper via le passage
vers l'orifice selon une courbe prédéterminée en fonction du temps et de la
pression de gaz initiale dans le réservoir,
- le pointeau a une section de profil déterminé selon la direction de
déplacement pour contrôler le débit de gaz admis à s'échapper via le passage
vers l'orifice en fonction du temps selon une courbe comprenant une première
phase délivrant un premier débit compris entre 3N1/min et 8N1/min lorsque la
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pression dans le réservoir est compris entre 250 bar et 100bar puis une
seconde
phase délivrant un second débit compris entre 2 NI/min et 5N1/min lorsque la
pression dans le réservoir est comprise 100 bar et 30bar,
- le pointeau a une section de profil déterminé selon la direction de
déplacement, pour contrôler le débit de gaz admis à s'échapper du réservoir
via le
passage vers l'orifice en fonction du temps selon une courbe présentant des
paliers successifs sensiblement constants, c'est-à-dire que, pour un gaz
initialement stocké à une pression initiale comprise entre 250 bar et 100 bar
dans
le réservoir, les paliers présentent une diminution de débit inférieure à
1NI/min,
lesdits paliers comprenant un premier palier de débit compris entre 3 et 6 NI
(normolitre) par minute pendant une durée comprise entre une et cinq minutes
après le début de l'ouverture de l'orifice calibré, et un second palier de
débit
compris entre 1,6 et 3 NI par minute pendant une durée comprise entre 5 et 25
minutes après le début de l'ouverture de l'orifice calibré,
- le passage est formé dans une cloison délimitant une chambre
intermédiaire entre l'orifice calibré et le reste du volume intérieur du
réservoir,
ladite chambre intermédiaire étant mise à la pression extérieure via l'orifice
calibré
lors de l'ouverture du bouchon d'obturation,
- le pointeau comprend une extrémité mobile dans la chambre
intermédiaire, l'organe de rappel étant logé dans la chambre intermédiaire et
exerçant son effort sur cette extrémité,
- le pointeau a une section de diamètre croissant,
- le pointeau présente un profil de diamètre croissant et muni d'au moins
un
palier de diamètre constant
- le pointeau comporte une capsule étanche deformable contenant un gaz à
une pression déterminée, notamment une capsule altimétrique, ladite capsule
étant en appui contre au moins une paroi du réservoir et se déformant selon la
pression au sein du réservoir pour provoquer un déplacement déterminé du
pointeau selon une direction de déplacement en fonction de la pression dans le
réservoir,
- l'enveloppe souple est étanche,
- le réservoir d'oxygène est solidaire de la base de l'enveloppe souple,
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- le réservoir d'oxygène a une forme générale tubulaire, notamment en
forme de C, pour permettre sa disposition autour du cou d'un utilisateur,
- la base de l'enveloppe souple forme un diaphragme souple destiné à être
monté autour du cou d'un utilisateur,
- la cagoule comprend un dispositif d'absorption du CO2 qui communique
avec l'intérieur de l'enveloppe,
- l'enveloppe comporte une ouverture en travers de laquelle est disposé le
dispositif d'absorption de 002,
- la capsule est constituée d'au moins l'un des matériaux parmi : un acier,
un alliage de cuivre ou de bronze,
- le pointeau est dimensionné pour que des variations de pression de
350bar dans le réservoir provoquent un déplacement en translation du pointeau
selon la direction sur une distance comprise entre 1 à 10 mm et de préférence
comprise entre 1 à 4 mm.
L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif
comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la
description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
- la figure 1 représente une vue de face et schématique illustrant un
exemple de cagoule selon l'invention,
- la figure 2 illustre en coupe d'un détail de la cagoule de la figure 1
illustrant un premier mode de réalisation du réservoir d'oxygène sous
pression,
- les figures 3 et 4 représentent des vues en coupe agrandies d'un détail
de
réservoir de la figure 2 selon respectivement deux configurations de
fonctionnement,
- la figure 5 illustre un exemple de courbes de débit d'oxygène pouvant
être
fourni par un réservoir selon la figure 2,
- la figure 6 représente une vue en coupe d'un détail de la cagoule de la
figure 1 illustrant un second mode de réalisation du réservoir d'oxygène sous
pression, les deux moitiés de la coupe correspondant respectivement à deux
configurations de fonctionnement,
- les figures 7 à 9 représentent des vues partielle set schématique de
trois
variantes de réalisation d'un pointeau utilisable dans un réservoir selon
l'invention.
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La cagoule illustrée à la figure 1 comprend classiquement une enveloppe 2
souple (de préférence étanche) destinée à être enfilée sur la tête d'un
utilisateur.
Une visière 13 transparente est prévue sur la face avant de l'enveloppe 2. La
cagoule 1 comprend également un réservoir 3 d'oxygène sous pression, disposé
par exemple au niveau de la base de l'enveloppe 2.
Classiquement, la base de l'enveloppe 2 souple peut comporter ou former
un diaphragme souple destiné à être monté autour du cou d'un utilisateur afin
d'assurer l'étanchéité.
Classiquement également, la cagoule 1 peut comporter un dispositif
d'absorption du CO2 (non représenté) qui communique avec l'intérieur de
l'enveloppe 2, pour retirer le CO2 de l'air expiré par l'utilisateur. Par
exemple,
l'enveloppe 2 peut comporter une ouverture en travers de laquelle est disposé
le
dispositif d'absorption de CO2. De même, une autre ouverture peut être prévue
pour une soupape 14 de sécurité prévue pour éviter une surpression dans
l'enveloppe 2.
Comme illustré à la figure 1, le réservoir 3 d'oxygène peut avoir une forme
générale tubulaire, notamment en forme de C, pour permettre sa disposition
autour du cou d'un utilisateur.
Comme illustré à la figure 2, le réservoir 3 comprend un orifice 4 de sortie
débouchant dans le volume interne de l'enveloppe 2 souple, pour délivrer de
l'oxygène gazeux pur ou un gaz enrichi en oxygène à l'utilisateur. Le
réservoir 3
comprend également au moins un orifice de remplissage (non représenté par
soucis de simplification).
L'orifice 4 de sortie est normalement obturé par un bouchon 5 amovible ou
à rupture aménagée et qui ne sera ouvert qu'en cas d'utilisation.
Par exemple lorsque le bouchon 5 est brisé/retiré, l'orifice 4 fait
communiquer l'extérieur avec le volume interne du réservoir 3.
Selon une caractéristique avantageuse, le réservoir 3 d'oxygène sous
pression (pur ou majoritaire) comprend, en amont du bouchon 5, un passage 6
pour le gaz sous pression et un pointeau 7 mobile selon une direction A de
déplacement déterminée dans ledit passage 6. De préférence, le pointeau 7 est
mobile en translation selon la direction A de déplacement.
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Comme visible dans l'exemple des figures 2 à 4, le passage 6 peut être
formé dans une cloison 16 délimitant une chambre 31 intermédiaire entre
l'orifice
4 de sortie et le reste du volume intérieur du réservoir 3. Cette cloison 16
séparatrice peut être solidaire d'un boîtier inséré au niveau d'une extrémité
du
réservoir 3. Ce boîtier peut intégrer le bouchon 5 frangible. Le volume de la
chambre 31 intermédiaire correspond par exemple à un 10è" à 50è" du volume
total du réservoir 3.
Le pointeau 7 peut coopérer avec un joint 9 disposé au niveau du
passage 6.
Le pointeau 7 est soumis à deux efforts de déplacement opposés selon la
direction A et générés respectivement d'une part par la pression du gaz dans
le
réservoir 3 et, d'autre part, par un organe 8 de rappel.
Par exemple, la pression de gaz dans le réservoir 3 pousse le pointeau 7
en direction de l'orifice 4 de sortie tandis que l'organe 8 de rappel (par
exemple un
ressort de compression) repousse le pointeau 7 dans le sens opposé. Le
pointeau
7 peut ainsi comprendre une extrémité 17 mobile dans la chambre 31
intermédiaire sur laquelle le ressort 8 exerce son effort.
Le pointeau 7 présente une section de profil 10 déterminé variable selon la
direction A de déplacement pour modifier le degré de fermeture du passage
selon
sa position relativement au passage 6. Ce profil 10, qui peut comporter des
rainures longitudinale selon la direction A de déplacement, est conformé pour
réguler le débit de gaz admis à s'échapper via le passage 6 vers l'orifice 4
de
sortie ouvert lorsque le bouchon 5 est retiré.
De cette façon, le pointeau 7 a une section de profil déterminé selon la
direction A de déplacement pour contrôler le débit de gaz admis à s'échapper
via
le passage 6 vers l'orifice 4 calibré selon une courbe prédéterminée en
fonction du
temps et de la pression initiale dans le réservoir 3.
Par exemple, le pointeau 7 a une section de profil 10 déterminé selon la
direction A de déplacement pour contrôler le débit de gaz admis à s'échapper
selon une courbe comprenant une première phase délivrant un premier débit
compris entre 3 NI/min et 8 NI/min (NI=normolitre) lorsque la pression dans le
réservoir est compris entre 250 bar et 100 bar puis une seconde phase
délivrant
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un second débit compris entre 2 NI/min et 5 NI/min lorsque la pression dans le
réservoir 3 est comprise 100 bar et 30 bar.
Lorsque le bouchon 5 est en place, le réservoir 3 contient du gaz sous
pression y compris dans la chambre 31 intermédiaire (cf. figure 3).
Lorsque le bouchon 5 est brisé, l'orifice 4 met en relation fluidique la
chambre 31 intermédiaire avec l'extérieur. La chambre 31 intermédiaire et donc
le
ressort 8 se retrouvent alors à la pression extérieure. Du gaz s'échappe avec
un
débit contrôlé par le passage ménagé entre le profil 10 du pointeau 7 et la
bordure
du passage 6. Le pointeau 7 est déplacé par la pression dans le réservoir (cet
effort prend le dessus sur l'effort du ressort 8 qui se trouve comprimé cf.
figure 4).
A mesure que la pression de gaz diminue dans le réservoir 3, le ressort 8
déplace à nouveau le pointeau 7 à l'encontre de la pression de gaz (vers la
gauche sur la figure 4). Selon le profil 10 d'usinage choisi pour le pointeau
7, le
débit libéré peut suivre différentes évolutions prédéterminées.
Un tel exemple de variation de débit de gaz fourni (en normolitre NI c'est-à-
dire en litre de gaz dans des conditions de température T=0 C et de pression
P=latm déterminées) en fonction du temps (en seconde) est représenté par une
première courbe munie de croix à la figure 5.
Cette première courbe est obtenue via un pointeau 7 ayant une section de
profil déterminé selon la direction A de déplacement. Cette courbe ménage des
paliers successifs sensiblement constants, c'est-à-dire que, pour un gaz
initialement stocké à une pression initiale déterminée dans le réservoir 3, le
débit
admis à s'échapper par l'orifice 4 de sortie est d'abord sensiblement constant
autour d'une première valeur déterminée (par exemple 3,2 NI par minute pendant
6 minutes environ). Puis ce débit décroît ensuite pour atteindre un second
palier
sensiblement constant à une valeur déterminée autour de 2N1/minute (pendant 25
minutes environ).
La figure 5 représente en trait continu une autre courbe de débit plus
théorique pouvant être approchée par un dispositif selon l'invention. Cette
courbe
comprend un premier palier court (1 à 2 minute environ) à un débit
relativement
élevé (environ 5,2 NI par minute par exemple) puis une décroissance du débit
jusqu'à un second palier (par exemple à environ 1,8 NI par minute pendant 35
minutes environ) avant de décroître.
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Ainsi, en choisissant le profil de la section du pointeau 7 il est possible de
déterminer la forme générale de la courbe de débit de gaz par le réservoir 3.
Ceci
permet de configurer la vidange du réservoir 2 de gaz aux besoins de
l'utilisateur
selon le cas ou la classe d'utilisation de la cagoule 1 (fort débit initial
pour une
intervention d'urgence, puis stabilisation du débit pendant l'atterrissage
d'urgence
et débit élevé durant la phase d'évacuation de l'appareil).
Comme illustré à la figure 6, le pointeau 7 peut comporter une capsule 27
étanche deformable contenant un gaz à une pression déterminée, notamment une
capsule altimétrique. La capsule 27 altimétrique (également appelée capsule
anémométrique) peut être réalisée en inox, en acier ou tout autre matériau
approprié. Cette capsule 27 constitue un volume étanche contenant un gaz à
pression constante (généralement à une pression compris proche du vide, par
exemple entre 0.1 bar et 1 bar) pendant toute sa durée de vie. Le gaz contenu
dans la capsule 27 est par exemple de l'air.
Lorsque la pression dans le réservoir 3 est importante (150bar par
exemple), la capsule 27 est comprimée (cf. la partie haute de la figure 6). En
revanche, à mesure que la pression à l'intérieur du réservoir 3 diminue, le
volume
de la capacité augmente. Cette augmentation de volume de la capsule déplace
par réaction le pointeau 7 vers une position d'ouverture plus grande (cf.
partie
basse de la figure 6 (et inversement).
En effet, la variation de volume de la capsule 27 déplace le pointeau 7 par
rapport au corps du réservoir 1 et fait varier la distance entre le pointeau 7
et le
passage 6 selon la direction A de déplacement. Le débit est donc modifié par
la
modification de la section ouverte au niveau du passage.
De tels mécanismes sont utilisés dans les régulateurs d'oxygène
pneumatico-mécaniques pour assurer la fonction de surpression altimétrique.
Ils
sont également utilisés dans l'automobile pour réduire l'admission lors des
phases
de freinage.
Selon le profil du pointeau 7, différents types de profils de débit peuvent
être obtenu.
La figure 7 illustre schématiquement un pointeau 7 dont la section est
variable et présente plusieurs paliers 77 de diamètre constant différents. Un
tel
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profil permet d'obtenir des variations de sections au niveau du passage entre
trois
sections de passage constantes.
La figure 8 illustre un profil de pointeau 7 ayant une section de diamètre
croissant linéairement. Ceci peut permettre d'obtenir une section de passage
variable selon la position par rapport au passage 6.
La figure 9 illustre un profile de pointeau 7 comprenant un diamètre
croissant jusqu'à un palier de diamètre constant. Un tel profil permet
d'obtenir une
section de passage variable en fonction de la position selon la direction A de
déplacement puis une section de passage constante.
Bien entendu, d'autres profils peuvent être envisagés (section de diamètre
variable non linéairement...).
Les modes de réalisation des figures 2 et 6 peuvent comporter un seul
orifice de remplissage (de préférence distinct et opposé à l'orifice 4 calibré
de
sortie).
Ces modes de réalisation donnés à titre d'exemple permettent un contrôle
du débit fourni à l'enveloppe 2 de la cagoule avec une grande liberté de
dimensionnement.
De plus, le pointeau 7 mobile ne nécessite pas de course importante selon
la direction A de déplacement, quelques millimètres (1 à 4mm par exemple)
peuvent suffire pour contrôler des débits sur une durée de 15 à 30 minutes par
exemple pour toutes les classes (1 à 4) d'utilisations de la cagoule 1.
