BE1030767B1 - Système de respiration aquatique - Google Patents

Abstract

La présente invention a pour objet un système (déclinables dans différentes configurations) permettant à son utilisateur d’utiliser l’eau et l’air mélangé à cette eau pour sa propre respiration. Ce système de respiration subaquatique comprend un masque de plongée et un réservoir ouvert sur l’extérieur au sein du quel des échanges gazeux se produisent entre l’eau et l’air expiré, sans source d’énergie extérieure ni de produits chimiques.

Description

Système de respiration aquatique

La présente invention a pour objet un système et dispositifs (déclinables dans différentes configurations) permettant à son utilisateur d’utiliser l’eau et l’air mélangé à cette eau pour sa propre respiration.

Le système ne nécessite pas de source d'énergie extérieure ni de produits chimiques.

Comme chacun sait, les humains, comme tous les animaux évolués à respiration aérienne, respirent de l'air sous forme gazeuse.

Par contre, les poissons respirent l’air mélangé à l’eau, qui n’est pas sous forme gazeuse.

Les poumons humains ne sont pas adaptés à capturer cet air mélangé à l’eau. Ft cela même si des « techniques » similaires à celles des branchies sont utilisées. À savoir, un gradient de concentration des différents gaz composant l’air et ceux se trouvant dans les veines, mais aussi et surtout des variations de pressions permettant soit d’évacuer des gaz, soit d’en capturer.

A ce propos la loi de Henry est souvent mal interprétée du fait de l’utilisation malheureuse du terme « dissout ».

En effet, il faut faire la distinction entre les différents gaz composants l’atmosphère. Toute personne qui a des notions de chimie, en lisant la loi de Henry, devrait se poser la question de savoir comment l'eau pourrait dissoudre un gaz. Une dissolution implique des liaisons entre les molécules d'eau et les molécules à dissoudre. Les molécules d’eau sont polaires et peuvent donc créer des liaisons avec d’autres molécules polaires. Par exemple, du sel. Ces liaisons ne sont pas brisées par une baisse de pression mais bien par chauffage. Au contraire des molécules composant l’atmosphère, à savoir ©, et Ns. Ces deux se mélangent à l’eau dans une phase intermédiaire entre le gaz et le liquide et s’en libèrent en cas de baisse de pression. Par contre, le CO2 s’hydrate facilement, ces liaisons sont également réversibles, mais pas par baisse de pression, mais bien par chauffage. - C’est cette particularité qui fait que la constante de Henry pour le CO2 est aussi élevée.

Des analyses d’air extrait de l’eau par baisse de pression montre un taux de CO: plus ou moins similaire à celui de l’atmosphère.

- Le système proposé utilise ces particularités afin de « filtrer » l’air expiré afin qu’il puisse être ré-inspiré.

- Il faut également préciser que le réflexe respiratoire n’est pas exclusivement dû à un manque d'oxygène mais à un besoin de rejeter le CO2. En effet, dans l’air expiré, le taux d’oxygène est encore relativement élevé, de l’ordre de 15%, alors que dans l’atmosphère, il est aux alentours de 20%. Un peu moins de 21%

dans l’air sec mais l'air contient généralement une certaine quantité d’eau sous forme gazeuse.

Par contre, dans une expiration, le taux de CO, est de l’ordre de 4-5%, alors que dans l’atmosphère, il est de l’ordre de 0,04%

- Ce gradient de CO2 sera important dans le système.

De même que des variations de pressions qui rendront les échanges rapides.

Certains croient à tort que ces échanges sont lents.

Ce que contredit la simple observation.

Par exemple, dans les alvéoles pulmonaires, le temps de passage du sang dans ces alvéoles est de l’ordre de 0,75 seconde.

En observant un poisson,

ses branchies en particulier, on se rend compte que le temps de passage de l’eau est également très bref.

Pourtant, dans les deux cas, ce temps est suffisant pour permettre l’échange.

Ces sont des variations de pression qui sont responsables de la rapidité des échanges.

De même, dans la circulation sanguine, au niveau des artères, la circulation se fait par des accélérations successives, alors que dans la circulation veineuse, le flux est continu.

Chaque accélération du sang entraine une baisse de pression, libérant ainsi une partie de l’air transporté aux différentes cellules. À contrario, dans la circulation veineuse, la pression est constante. Et le sang est en sous saturation de gaz mélangé, ce qui lui permet de se charger à nouveau en gaz, dont le CO2 produit par les cellules. Au niveau de la petite circulation, la pression est très basse, ce qui permet au sang de se libérer des gaz, afin de pouvoir se recharger d’air « frais ». Par contre, dans les branchies des poissons, la totalité des échanges doit se faire au niveau des branchioles, donc sur un temps plus court. Ce qui est rendu possible parce qu’il n’y a pas de changement de phase. Ce sont également des variations de pression qui rendent la chose possible. Dans les branchies de tous les poissons, sans exception, la circulation sanguine dans les branchies se fait dans le sens contraire de celui de la circulation de l’eau. Ce n’est pas par hasard. C’est indispensable. Dans la première partie de la branchiole, il y a un rétrécissement, donc une accélération et une baisse de pression, ce qui libère les gaz mélangés dans une eau qui est en sous-saturation de gaz mélangés vu qu’elle s’est libérée de ses gaz mélangés dans la première partie rencontrée de la branchiole, dans le sang qui, lui, à cet endroit, était en sous-saturation.

Description du système

L'invention concerne un système de respiration subaquatique tirant partie des propriétés des gaz mentionnées ci-dessus. Le système de respiration aquatique ou subaquatique de l’invention comprend : - un masque de plongée, - un réservoir, - au moins un circuit pour l’inspiration relié à la partie haute du dit réservoir et - au moins un circuit pour l'expiration également audit réservoir ;

le réservoir étant ouvert sur l’extérieur dans sa partie basse, et agencé pour permettre l’entrée d’eau sur une hauteur pouvant variant en fonction de la pression appliquée dans les circuits d'inspiration et d’expiration.

Avantageusement, l’air expiré est fractionné en certain nombre de petites bulles. Cela offre le double avantage d'augmenter la surface de contact entre l’air expiré et l’eau ainsi que la pression à l’intérieur de la bulle. (Plus une bulle est petite, plus sa pression interne par rapport à l’eau sera importante).

Ce qui offre l’avantace, selon la loi de Henry, d’augmenter l’échange entre l’air des bulles expirées et l’eau environnante.

Phénomène connu en soit ne nécessitant pas d’explication détaillée.

Un masque de plongée désigne de façon très large tout masque pour aller sous l’eau couvrant de façon étanche au moins la bouche du plongeur comme par exempie un masque ou casque intégral, un masque type masque d’aviation, ne reprenant que le nez et la bouche, ou même un masque à une simple embouchure, style tuba ou embouchure de type matériel de plongée bouteille.

Les circuits d’inspiration et d'expiration sont agencés pour être reliés aux orifices des voies respiratoires, c’est-à-dire bouche et/ou nez de différentes manières, lors de l’utilisation du système.

Ces circuits d’inspiration et d'expiration sont de préférence munis de valves, ou clapet anti-retour de tout type, connus en soi, ne permettant à l'air de passer que dans un seul sens.

C’est-à-dire en maintenant fermé ie circuit d’expiration et en ouvrant la valve du circuit d’inspiration lors de l’inspiration de l’utilisateur. Et inversement lors de l'expiration de l’utilisateur.

Avantageusement, ledit réservoir est semi-ouvert par rapport à l’eau environnante. Cette ouverture sera évidemment dans sa partie basse, pour éviter que l’air expiré ne s’échappe. Cela offre l’avantage de renouveler l’eau à chaque cycle respiratoire. Et donc de garder un gradient de pressions partielles des différents gaz. Lorsque l’air expiré commence à 5 entrer dans ledit réservoir, il va se placer sur la partie haute du dit réservoir, expulsant l’eau vers le bas. Dans le même temps, l’eau va s’évacuer dans le sens contraire de la montée des bulles dans le réservoir, semi-ouvert et immergé, contenant donc de l’eau. Ce qui va créer une sorte de mélange oui va légèrement retarder la montée de ces bulles, Augmentant donc le temps de contact entre l’eau et les bulles, permettant donc plus d’échange entre les deux milieux.

Le plus important étant l’élimination du CO2. Comme vu plus haut, le taux d’oxygène dans une expiration reste relativement élevé.

De même, il convient de donner une précision. On parle souvent en termes relatifs plutôt qu’en terme absolu, ce qui peut engendrer une certaine confusion quant aux besoins réels en oxygène. Au niveau de la mer, en conditions standards de température et de pression, la pression partielle d’oxygène sera de l’ordre de 200 HPa. Par contre à 3 000 mètres d’altitude, cette pression partielle d'oxygène ne sera plus que de 140 HPa.

Or, il est régulier que des personnes, ne vivant pas habituellement en altitude, y pratique une activité physique, comme la randonnée, le vélo ou le ski, sans que ca ne leur pose de problème particulier.

Avantageusement, ledit réservoir sera équipé d’une ouverture terminée par un tube en son sommet, équipé d’un système de vanne à flotteur, connu en soi, pour permettre de respirer, lors de la nage en surface, comme avec un simple tuba. La vanne à flotteur se fermant automatiquement lors de la plongée, évitant que l’air expiré ne puisse s’échapper du dit réservoir et que l’utilisateur n’aspire d’eau.

Le circuit pour l’inspiration comprend un tube d’inspiration débouchant à l’intérieur du dit réservoir, permettant à l'utilisateur d’inspirer l’air se trouvant sur le dessus du ait réservoir. Cet air ayant traversé de l’eau, il est comme « filtré » par l’eau, comme décrit plus haut. Avantageusement, ce tube est également muni d’une vanne à flotteur pour éviter que l’utilisateur n’aspire de l’eau.

Ce tube d’inspiration peut être divisé en plusieurs tubes séparés ou d’un seul tenant, traversant ledit réservoir et muni de deux vannes à flotteur. Une à l’intérieur du dit réservoir, à son extrémité haute, la seconde, à l'extérieur du dit réservoir. - Le circuit d’expiration est de préférence muni d’au moins une valve afin d’empêcher les entrées d’eau dans ce dit circuit.

Avantageusement, ce circuit est agencé pour faire le tour de la tête de l'utilisateur, afin que l'air expiré se répartisse uniformément dans tout le volume du réservoir, et donc à travers tout le volume d’eau contenue dans le réservoir.

Avantageusement, ce circuit d'expiration sera percé d’un nombre important de petits orifices afin de former un grand nombre de petites bulles. Ces orifices seront munis de valves empêchant également les entrées d’eau. Ces valves peuvent être de tout type. En général connus en soi, mais également d’un type nouveau.

Le réservoir destiné à récupérer l'air expiré peut se trouver à différents endroits. Il peut être solidaire du masque (de tous types comme décrit plus haut) mais pas obligatoirement.

Pour les mêmes raisons évidentes qu’on ne met pas de chlore dans un aquarium ou dans un étang à poisson, le système, dans sa forme la plus simple, n’est pas destiné à une utilisation dans de l’eau désinfectée avec un produit chimique comme, par exemple, du chlore. Il ne pourrait être utilisé dans ces conditions, que s’il est équipé d’un filtre retenant ledit produit chimique.

IL existe dans la nature, au moins un animal, une espèce de lézard, qui utilise une technique un peu similaire pour prolonger son apnée. Il forme une grosse bulle sur le dessus de son crâne, qu’il ré-inspire après quelques secondes. Cette bulle colle littéralement à son crâne.

Le système objet de l’invention se veut plus efficace que les systèmes existants, ou celui utilisé par ces lézards, grâce à la formation d’un grand nombre de petites bulles augmentant les échanges. Il est également à noter que l’hydratation du CO2 se fait rapidement du fait du caractère liquide de l’eau. Les molécules d’eau, polaires, créent des liaisons hydrogène entre elles, ou avec d’autres molécules polaires. Ces liaisons se font, se défont, se refont, … de manière aléatoire, au rythme de S milliards de fois par seconde. D'où une capture rapide des molécules de CO2.

L’invention sera mieux comprise à l’aide de la description d’un mode de réalisation détaillé ci-dessous, en référence à la figure 1 qui est une vue en perspective d’un système selon l’invention et la figure 2 qui illustre un circuit d’expiration possible.

En référence à la figure 1, un système de respiration subaquatique 1 comprend un masque 2 de plongée, ici un masque recouvrant tout le visage, avec un pourtour 3 le long duquel est agencé un joint pour assurer l’étanchéité une fois placée sur le visage. Ce masque est ici prolongé en haut par une protubérance 4 allongée vers l’arrière de la tête qui comprend une vanne à flotteur extérieur 5 et une vanne à flotteur intérieur 6. Un réservoir 7 s’étend de la protubérance 1 vers le bas du masque, sur le côté. Le réservoir 7 recouvre ici le pourtour gauche du masque (gauche pour le plongeur qui l’utilise). Un circuit 8 pour l’expiration part du centre du masque, au niveau de la bouche et s’étend dans le pourtour gauche du masque. Des microperforations 9 assurent une connexion fluidique entre le circuit d'expiration et le réservoir 9, et de préférence pas dans l’autre sens. Un circuit d’inspiration (non représenté, s’étend dans le pourtour droit du masque, du haut du masque vers la bouche. Des vannes sont prévues pour réguler la circulation de l’air dans les circuits d'inspiration et d’expiration.

Une ouverture 10 est ménagée dans le réservoir, dans sa partie basse (basse en position verticale ainsi que basse en position allongée de plongée), pour permettre l’entrée d’eau sur une hauteur pouvant varier en fonction de la pression appliquée dans les circuits d’inspiration et d’expiration.

Lors de l’utilisation du masque, le plongeur s’immerge et le réservoir se remplit partiellement d’eau via l’ouverture 10. De l’air reste présent dans la partie haute du réservoir. Il inspire de l’air, causant une montée du niveau d’eau dans le réservoir.

Il expire ensuite de l'air, qui passe dans le circuit d’expiration 9. L’air expiré, enrichi en CO:, s’échappe vers le réservoir via les microperforations, formant ainsi une multitude de bulles au niveau desquelles un échange entre le CO, des bulles et de l’oxygène de l’eau se produit. L’air se réenrichit en © et converge vers le haut du réservoir, causant une baisse du niveau d’eau dans le réservoir. Le plongeur peut inspirer à nouveau.

La figure 1 n’est qu’une illustration de l’agencement des éléments les uns par rapport aux autres. Il existe de multiples designs possibles pour assurer les mêmes fonctions.

La figure 2 illustre un circuit d’expiration 28, qui peut être agencé sur le pourtour d’un masque tel qu’illustré sur la figure 1. L’air expiré pénètre dans le circuit au niveau de la bouche 21. Une série de microperforations 22 est agencée le long des deux circuits. Ces microperforations sont destinées à déboucher dans un réservoir pour y filtrer l’air expiré avant réinspiration.

Claims (5)

Revendications

1. Système de respiration subaguatique comprenant : - un masque de plongée ; - un réservoir ; - au moins un circuit pour l’inspiration relié à la partie haute du dit réservoir et - au moins un circuit pour l’expiration également relié audit réservoir ; et dont une section perforée passe dans la partie immergée du réservoir le réservoir étant ouvert sur l’extérieur dans sa partie basse, et agencé pour permettre l’entrée d’eau sur une hauteur pouvant varier en fonction de la pression appliquée dans les circuits d'inspiration et d’expiration.

2. système selon la revendication 1, dans lequel au moins une section du circuit pour l’expiration passe dans la partie du réservoir destinée à être immergée, cette section comprenant des microperforations pour former des bulles d’air expiré.

3. Système selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel le réservoir est configuré pour recevoir le volume d’air expiré.

4. Système selon l’une des revendications 1 à 3, dont le réservoir est extensible

5. Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le circuit d’expiration est relié audit réservoir par le bas pour faire déboucher l’air expiré dans l’eau.