CN101437580B - 在飞机中递送氧气的系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种向飞机舱室中的空勤人员递送呼吸气的系统，所述系统包括：至少一个呼吸面罩，用于环境空气进入所述呼吸面罩的环境空气入口，其它气体源，将所述其它气体输送至所述一个呼吸面罩的供给线，设于所述供给线上的混合工具，其将所述其它气体和环境空气混和，用于将对应于所述其它气体和所述环境空气的混合物的呼吸气供料给所述一个呼吸面罩，调节工具，调节至少部分地作为飞机高度变量的所述呼吸气中的其它气体含量。

Description

在飞机中递送氧气的系统

技术领域

本发明涉及在飞机中向乘客或空勤人员递送可呼吸气体或呼吸气的系统，更具体而言，涉及适于减小快速舱室压力损失对其乘坐者的影响的系统。

这种飞机装配有加压舱室。该舱室的压力值通常被称作舱室高度。舱室高度被定义为与舱室内所保持的加压大气相对应的高度。该值与作为实际物理高度的飞机高度不同。所有该舱室高度值对应于常规高度(或“压力高度”)表中定义的数值。

背景技术

航空条例例如联邦航空条例(FAR)间接指出了所有飞机都装配有氧气备用系统以在应急情况下向所有乘客和空勤人员，或呼吸气用户递送可呼吸气体，也被称作呼吸气。在发生舱室减压事件或座舱中出现烟雾的情况下，将供给气体，例如应急氧气或呼吸面罩。

应急系统响应于加压舱室中突然发生的压力跌落。在减压事件中，舱室高度趋于朝飞机高度值收敛。这种情况下，提供应急面罩或呼吸装置以向佩戴者递送富氧的可呼吸气体或100％的氧气。

将通过加压氧气瓶、化学发生器或机载氧气发生系统(OBOGS)递送的其它气体，或更普遍地，将任何氧气源供给呼吸装置。已知的呼吸装置可通常包括面罩和用于调节可呼吸气体供给的调节器。

已知的呼吸装置中，调节器能够根据佩戴者的需求给予所需的呼吸气量。因此该控制是他/她呼吸需求的变量，该呼吸需求可通过对吸入连续的减缓、通过吸入气体的量或流速、通过胸廓体积的改变或任何其它表示佩戴者需求的适当数据来确定。已知的调节器递送呼吸气，该呼吸气中的氧气富集必须总大于取决于飞机舱室高度的受条例限制和生理所需的最小富集，图3示出FAR要求的实例。

对于面临突然减压的氧气用户，快速佩戴面罩是必需的。图1展示了被供给舱室的氧气的突然损失的生理结果。图1给出飞机飞行在39000ft(相当于大气压P_B＝197hPa)且飞机舱室增压至8000ft(P_B＝753hPa，其是巡航飞机通常使用的舱室压力值)的结果。在8000ft，对于正常用户，肺泡中的氧气分压P_AO₂接近96hPa，而静脉血中的氧气分压P_VO₂接近40hPa。肺泡中的二氧化碳分压P_ACO₂接近49hPa。考虑肺泡中的水蒸汽分压P_AH₂O和肺泡中的氮气分压P_AN₂，肺泡中的气体组成如下。

PACO2	49hPa	6.5％
			PAH2O	63hPa	8.4％
PAO2	96hPa	12.7％
			PAN2	545hPa	72.4％
PB	753hPa	100.0％

表1.1：P _B ＝753hPa时，肺泡中的气体组成

结果使得P_AO₂/P_AN₂＝0.176。可见P_AO₂＞P_VO₂，如下文所解释，这是必需的。

假设舱室在2秒内突然减压，压力从753hPa跌落至外部压力197hPa，即1/3.85的比率。除了水蒸气和二氧化碳，每种肺泡气体的分压以相同比率地降低。P_AH₂O是只作为温度(此处是体温37℃)的变量而变化的物理单位，并因此保持在63hPa。对于P_ACO₂，其值通过来自静脉血的二氧化碳量和经呼吸释放的量之间的平衡来确定。其值稳定在约25至30hPa。肺泡中的气体组成变成：

PACO2	30hPa	15.2％
			PAH2O	63hPa	32.0％
PAO2	16hPa	8.31％
			PAN2	88hPa	44.7％
PB	197hPa	100.0％

表1.2：P _B ＝197hPa时，肺泡中的气体组成

表1.2示出肺泡中的氧气分压P_AO₂降低6倍，至低于P_VO₂(40hPa)的数值。因为P_AO₂低于P_VO₂，总体氧气未饱和的血液流出肺。图1中只绘制了P_AO₂的变化。随着氧气面罩在减压约5秒内到位，纯氧气被供料给佩戴者，且P_AO₂在直线下落低于P_VO₂后增加至80hPa。同时，N₂被从肺中排出，从15-20秒后少于50％至约1分钟后少于90％。

从图1可以看出，10-15秒内，P_AO₂低于P_VO₂。减压5秒内，O₂不饱和的血液到达脑细胞和中枢神经系统，并且可以造成意识丧失，因为多数氧气敏感的脑细胞停止作用。

如果空勤人员不紧急戴上面罩，他/她面临危险的结果。3分钟没有氧气，那么将对神经系统造成不可逆转的神经损伤，这可以导致死亡。此外，即使预防性地佩戴面罩，从本文上述计算以及图1中可以看出，将面罩设置为供给大致21％含氧量的可呼吸气体(如从图3可见，其舱室高度为8000ft)，佩戴着的血液仍旧变得氧不饱和。

因此非常需要开发飞机氧气递送系统，该系统避免了血液变得氧不饱和的临界时间。该系统将防止任何意识丧失的风险，并允许空勤人员完全意识到以作出反应。

发明内容

因此，本发明提供向飞机的空勤人员递送氧气的系统。本发明还提供向空勤人员递送氧气的方法。

本发明利用申请人这一观察，即飞机超过给定的巡航高度时，向用户供给额外量的氧气-在供给的正常量的上线(基于舱室高度)，将使用户血液中P_AO₂的急剧下降变小。这一额外供给，下文称作预充氧(preoxygenation)，防止P_AO₂变得低于P_VO₂。

供给面罩的可呼吸气体部分取决于减压事件后预期实际舱室压力的飞机高度。预充氧可以被看作如果在飞机巡航高度处发生减压事件时，实际舱室状况(舱室压力)的预期。

附图说明

结合附图考虑，从下文说明中将更显现本发明的其它特征和优点，其中：

图1示出一曲线图，其示出舱室从8000ft减压到39000ft后，乘客血液中的P_AO₂的变化；

图2示出在本发明的第一实施方式中适于递送预充氧的飞机的氧气应急系统的示例性实施方式，和

图3示出用需求调节器供料给呼吸面罩的、作为舱室高度的变量的最小需氧量。

具体实施方式

预充氧可以被定义为对于给定舱室高度，除了由FAR限定的参考和/或最小呼吸气曲线以外，预防性呼吸额外的富氧空气。下面将细述该参考曲线。换言之，如图3所示，被供料给空勤人员的呼吸气的含氧量从最小值(在5000ft至8000ft时，通常是21％)增加。预充氧可以防止在5秒或更短的快速减压后的超急性缺氧。

小于5秒内，快速减压之前的预充氧

以下面的假设和计算确定保证明显足够的最小值P_AO₂的、被供给面罩的最小氧气分数F_IO₂：

-减压期间，肺泡中的水蒸气分压P_AH₂O恒定，并且对应于37℃的水蒸气饱和压力，即63hPa，

-对于35000ft或更高的高度的快速减压，肺泡中二氧化碳的分压P_ACO₂在减压约30hPa的数值后快速稳定，

在减压之前和之后保持恒定。

使用道尔顿定律和P_AO₂/P_AN₂＝常数推导出下述等式，其中(i)和(f)分别对应于减压的初始和最终条件：

$\frac{P_A{O}_2\left(i\right)+P_A{N}_2\left(i\right)+P_A{H}_{2}O+P_A{\mathrm{CO}}_2\left(i\right)}{P_A{O}_2\left(f\right)+P_A{N}_2\left(f\right)+P_A{H}_{2}O+P_A{\mathrm{CO}}_2\left(f\right)}=\frac{P_B\left(i\right)}{P_B\left(f\right)}$

$\frac{P_A{N}_2\left(i\right)}{P_A{O}_2\left(i\right)}=\frac{P_A{N}_2\left(f\right)}{P_A{O}_2\left(f\right)}=\frac{P_A{N}_2}{P_A{O}_2}$

推导出：

$P_A{O}_2\left(i\right)=\frac{\frac{P_B\left(i\right)}{P_B\left(f\right)}\left[P_A{O}_2\left(f\right)(1+\frac{P_A{N}_2}{P_A{O}_2}+93)\right]-63-P_A{\mathrm{CO}}_2\left(i\right)}{1+\frac{P_A{N}_2}{P_A{O}_2}}$

P_ACO₂(f)和P_AH₂O被其各自数值30和63hPa所代替。

用下述补充数据：

a)在减压最后的P_AO₂的最小值。若干假设是可能的：

-P_AO₂保持大于静脉血的氧气分压P_VO₂(对于5000和8000ft之间的舱室高度，如在前可见是40hPa)，防止意识丧失，

-P_AO₂保持大于P₅₀，其是对应于S_aO₂在50％的氧气分压，即36hPa，S_aO₂是动脉血氧饱和。几秒时间，即使S_aO₂可能不能快速降低，该P_AO₂数值是可容许的，

-影响P_AO₂最小值的主要因素实际上是佩戴应急面罩的时间延迟。假设在5秒(根据FAR的最大许可时间)内安装应急面罩，本文上述的P_AO₂值可以降低甚至更多达30hPa，其对应于S_aO₂在40-45％的数值，即中度意识丧失的阈值。

下文的计算将基于P_AO₂在30或40hPa的目标值。根据所选P_AO₂的阈值，可想到其它目标值。

b)

在舱室减压下保持恒定。

按下述进行计算：

1)设定P_AO₂的目标值，

2)使用P_AN₂＝P_B-P_AO₂-P_AH₂O-P_ACO₂，减压后计算PAN2，

3)计算

4)减压前，计算P_AN₂+P_AO₂，以及P_AO₂得到

5)然后将P_AO₂转换成F_IO₂值，其在与加压舱室高度(5000至8000ft)处所需的最小含氧量(即21％)相比时，给出额外氧气的百分数，如图3可见的这一舱室高度范围。

计算示出舱室压力对额外氧气的百分数没有影响，尤其是在5000-8000ft之间。因此，下表2可被确定，其中，在减压后P_AO₂＝40hPa这一保守假设下，给出作为飞机高度的变量的额外氧气的百分数。

表2还考虑超过给定高度(例如对于小飞机为35000ft或对于大飞机为41000ft)，空勤人员佩戴呼吸面罩作为预防措施，且在减压后该面罩递送正压PPB的事实。超过第二给定高度，例如39000ft，在减压的情况下，用过压PPB，或正压供料氧气变成强制性的以保证适当且有效的呼吸。

表2：在5s或更短的减压情况下，作为飞机高度变量的预充氧

表2的数值应按下述理解被读取：

供料给空勤人员的总氧气百分数＝舱室高度处所需的百分数(通常21％)+额外O₂的百分数(x％)                                (1)

例如，在45000ft，总的氧气百分数是21+46＝67％。5秒或更短的减压数字组成参考情况，或者最不适宜的减压方案。对于短的减压时间(5s或更短)，没有预充氧，而且考虑应急呼吸面罩有名无实的使用(用PPB)，P_AO₂达到显著的最小值。用表2的预充氧图，即作为FREF(Z_飞机)的变量，其中Z_飞机表示飞机高度，P_AO₂减小至40hPa，从而避免了不饱和血液离开肺。

对应于40hPa的最小P_AO₂的5秒或更短的减压数字不考虑飞机的物理特征。飞机制造商可保证更长达的减压时间，从而降低预充氧的需求。事实上，在减压事件后的不太剧烈的飞机压降，需要更少的预充氧以保证最小P_AO₂为40hPa。减压时间越快，对事件预期的需求越大，即预充氧。

对于具有得到保证的长减压时间的飞机，例如大于20秒，因为P_AO₂没达到早前提及的显著水平，所以不需要预充氧。这对应于最适的减压方案。

任何减压方案将导致预充氧(飞机高度的变量)，该预充氧包括在“非预充氧”和表2的保守预充氧图之间。换言之，根据下述等式定义预充氧变量：

F_IO₂＝21％+FPREOX(Z_飞机)

其中

F_IO₂＝由根据本发明的系统供给的呼吸气的总氧气百分数，

FPREOX(Z_飞机)≤FREF(Z_飞机)，FPREOX(Z_飞机)是飞机高度变量的百分数，

Z_飞机是飞机高度，

FPREOX(Z_飞机)＝0是由飞机制造商提供的可能性保证高的足够减压时间。

这些计算允许限定预充氧图，根据本发明的系统按照该图向呼吸气的用户供料额外氧气。

向飞机的用户递送呼吸气的该系统通常包括氧气源、将氧气传输至乘客和空勤人员的供给线，例如传输至舱室或呼吸面罩，例如用于乘客的应急面罩或空勤人员面罩。该系统还包括设置在供给线上的混合装置，以向空勤人员面罩供给对应于环境空气和其它气体的混合物的呼吸气。根据本发明的系统中，调节工具还适于向面罩递送至少部分地作为飞机高度变量的其它气体。

调节工具还适于调节由混合装置供给的至少部分地作为舱室高度变量的呼吸气体中的其它气体含量。从现有的用于空勤人员的呼吸面罩中已知这一功能，因为其允许在基于FAR的减压之后使得呼吸气的含氧量适合。这一调节对应于图3。由于该调节基于舱室高度，没有提供预期。当飞机制造商保证更长的减压时间后，这一调节实际上是足够的。

根据本发明的系统中，调节工具适于增加由混合工具提供的呼吸气中的其它气体含量，该含量作为本文前述等式(2)所限定的舱室高度的变量。

根据本发明的系统的优选实施方式中，调节工具还适于调节作为由飞机制造商保证的减压时间的变量的其它气体含量。

根据本发明系统的其它实施方式中，由于飞机制造商保证的减压时间可根据飞机类型而变化，调节工具被构造为保证与减压方案对应的任何预充氧变量，其包括了最适方案(没有预充氧或“预充氧压制的”)和最不适宜的方案(根据表2的预充氧)。

因此，调节工具适于调节在等式(2)中限定的呼吸气中的其它气体含量。

图2示出根据本发明的系统的示例性实施方式，更具体地，带有其调节工具的需求调节器，如从WO2006/005372中可知般。

调节器包括两部分，插入外壳的一个部分10由面罩携带(未示出)而另一部分12由用于存储面罩的盒携带。该盒可能是常规的普通结构，由门所关闭并且面罩从那里突出。通过抽出面罩而打开门造成氧气供给旋塞被打开。

由面罩携带的部分由外壳组成，该外壳包括多个组装在一起的部件，该部件具有凹部和在其中形成的通道以限定多个流动路径。

第一流动路径将用于氧气的入口14与导向至面罩的出口16相连。第二路径将用于稀释空气的入口20与导向面罩的出口22相连。氧气沿第一路径的流速由电控旋塞所控制。示出的实例中，该旋塞是在电源控制下的成比例的阀24，其将入口14与出口16相连并且由导线26供电。还可能使用开/关型螺线管阀，其使用脉冲宽度调节器以变化的占空比控制。

“需求”子组件被插入直接路径以允许稀释空气流入面罩，所述子组件作用于引导环境空气并作用于测量瞬间所需的流速或任何其他类型的远程控制的制动器。

示出的实例中，稀释空气流动路径的正确截面由外壳的内表面33，以及滑动连接在外壳中的活塞末端边缘32所限定。活塞受到环境压力和腔室34内部存在的压力之间的压差。其它电控制阀36(尤其是螺线管阀)用于将腔室34连接到大气或者连接到加压的氧气供料。电控制阀36因此用于从用稀释的正常模式切换到供给纯氧的模式(所谓的“100％”模式)。当腔室34与大气连接，当使用者吸入在空气与氧气混合的混合腔室35中的进气时，弹簧38将活塞32夹持在座39上但允许活塞32离开座39，以便让空气流经空气流动路径。当腔室34连接到氧气供给，活塞32压靠座39，从而防止空气通过。活塞32还可以被用作从动控制调节器阀的移动元件。总的来讲，设计调节器以使得可以不仅用稀释执行正常操作，还由于选择器58而执行应急状态。

空气流动路径在活塞32和部分10的外壳之间包括文氏管缩窄41。例如，该文氏管缩窄41具有截面为0.57mm²。该截面根据特定面罩模型被确定并且对于其它面罩模型可以改变。具有进气口45的毛细管管道43和文氏管缩窄41相连而出气口47与压力传感器49相连。压力传感器49通过毛细管管道43测量文氏管缩窄41中的空气压力。来自压力传感器49的信号被传输至电子电路62。

部分10的外壳还限定包括呼出阀40的呼出路径。示出的阀40的闸门元件是目前广泛用于执行双功能(作用为导引进入的阀和作用为排出阀)的类型。示出的实施方式中，其仅作用为呼出阀而通过将由阀40限定的腔室42中存在的压力增加至高于环境大气的压力，使得面罩的内部可以被保持在高于环境大气压的压力。

第一状态中，电控制阀48(尤其是螺线管阀)将腔室42连接到大气中，这种情况下，只要面罩中的压力超过环境压力就发生呼吸。第二状态下，阀48通过流速限制缩窄50将腔室42连接到加压氧气供料。这种情况下，腔室42内的压力采用由具有闭合弹簧速率的溢流阀46所确定的数值。

用于部分10的外壳还可携带允许面罩的气动装具(harness)被充气和放气的工具。这些工具是常规结构并且因此没有示出及描述它们。

图3所示的位置中，选择器58关闭正常模式开关60。在其两个位置任一个中，其关闭用于100％O₂模式和用于应急模式(具有过压的O₂)的各自开关。

该开关连接到电子电路62，该电路作为所选操作模式的变量来操作，以应答由传感器64指示的舱室高度，应答飞机高度和应答由压力传感器49指示的所需瞬间流速以确定在哪种速度向面罩佩戴者供给氧气。电路卡向第一电控制阀24提供适当的电信号。

正常模式下，压力传感器49将瞬间需求压力从空气流动路径供给到出口22，经过滤器61过滤，进入面罩(参见图2的连续线)。电子电路62接收到信号以及涉及需要被考虑且从传感器64发出的舱室高度的信息。电子电路还接受对应于飞机高度的信号(例如，取自飞机总线系统的信号)。

电子电路62然后根据之前定义的等式(2)确定待供给的氧气或呼吸气体的量或流速。

由于根据舱室高度的调节一定程度上立即作用于舱室压力的跌落，在预期任何突然的舱室压力跌落下，使用根据飞机高度的调节。

根据FAR的最小参考曲线的实例如图3所示。根据舱室高度的调节可按照该曲线(如在已知的调节器中)。

在指定飞行员所需的作为舱室高度的变量的呼吸混合物浓度的规则的基础上，绘制已知的参考曲线。

在诸如8000ft的加压舱室，已知的需求调节器递送呼吸气，该呼吸气包括最小值为21％的氧气，其对应于等式(2)的F_IO₂。已知需求调节器的电子卡将目标值定义为舱室压力(或舱室高度)和所选参考曲线的变量。在突发减压事件时，舱室压力突然下降到等于或接近于飞机高度的值。已知的调节器中，根据所选的参考曲线来改变呼吸气中的含氧量。

根据本发明的系统中，超过给定的飞机高度，和在预期减压事件下，电子卡还调节由本文上述需求调节器根据飞机实际高度供给的含氧量。更准确地，电子卡遵照等式(2)。

本文前述系统是为说明带有需求调节器的呼吸面罩。可以设想到将本发明的教导应用于飞机的舱室，提供额外氧气作为飞机高度的变量，以便对于没有佩戴呼吸面罩的空勤人员和乘客在飞行期间可获得预充氧。

Claims (9)

1.一种向飞机舱室中的空勤人员递送呼吸气的系统，所述系统包括：

-用于在舱室高度给舱室加压的装置，

-舱室内的呼吸面罩，

-环境空气入口，用于环境空气进入所述系统，

-其它气体源，

-供给线，将所述其它气体输送至所述呼吸面罩，

-设于所述供给线上的混合工具，用于将对应于所述其它气体和所述环境空气的混合物的所述呼吸气供料给所述呼吸面罩，

-调节工具，调节至少部分地作为飞机高度的应变量的所述呼吸气中的其它气体含量使得供给所述呼吸面罩的呼吸气部分地取决于减压事件后预期实际舱室压力的飞机高度。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述调节工具还适于调节由混合工具供给的至少部分地作为舱室高度的应变量的所述呼吸气中的其它气体含量。

3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述飞机的特征在于面对减压事件时的减压时间，所述调节工具还适于增加作为所述减压时间的应变量的所述呼吸气中的其它气体含量。

4.根据权利要求1至3中任一个所述的系统，其中所述调节工具适于增加作为根据下述等式的飞机高度的应变量的所述呼吸气中的其它气体含量：

F_IO₂＝21％+FPREOX(Z_飞机)

其中：

F_IO₂＝所述呼吸气中其它气体总的百分数，

Z_飞机＝飞机高度，和

FPREOX(Z_飞机)≤FREF(Z_飞机)，FPREOX(Z_飞机)是Z_飞机变量的百分数，

FREF(Z_飞机)是Z_飞机变量的百分数，且由下表给出：

5.根据权利要求1所述的系统，还包括设于呼吸面罩上游的需求调节器，所述需求调节器包括所述调节工具和所述环境空气入口，所述需求调节器将呼吸气提供给所述呼吸面罩。

6.一种向飞机舱室中的空勤人员递送呼吸气的方法，所述飞机包括：

-舱室内的呼吸面罩，

-环境空气入口，用于环境空气进入所述系统，

-其它气体源，

-供给线，将所述其它气体输送至所述呼吸面罩，

-设于所述供给线上的混合工具，用于将对应于所述其它气体和所述环境空气的混合物的所述呼吸气供料给所述呼吸面罩，

所述方法包括：

-在高于飞机高度的舱室高度给舱室加压，

-给空勤人员佩戴所述呼吸面罩，以及

将至少作为飞机高度的应变量的所述其它气体递送至所述呼吸面罩使得供给所述呼吸面罩的呼吸气部分地取决于减压事件后预期实际舱室压力的飞机高度。

7.根据权利要求6所述的方法，还包括：

将部分作为舱室高度的应变量的所述其它气体递送至所述呼吸面罩。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述飞机的特征在于面对减压事件时的减压时间，递送至所述呼吸面罩的所述其它气体还是所述减压时间的应变量。

9.根据权利要求6至8中任一个所述的方法，其中所述步骤a)包括根据下述等式递送其它气体的步骤：

F_IO₂＝21％+FPREOX(Z_飞机)

其中：

F_IO₂＝所述呼吸气中其它气体总的百分数，

Z_飞机＝飞机高度，和

FPREOX(Z_飞机)≤FREF(Z_飞机)，FPREOX(Z_飞机)是Z_飞机变量的百分数，

FREF(Z_飞机)是Z_飞机变量的百分数，且由下表给出：

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