EP1579890A1

EP1579890A1 - Procédé et dispositif de régulation pour appareil respiratoire

Info

Publication number: EP1579890A1
Application number: EP05014132A
Authority: EP
Inventors: Patrice Martinez
Original assignee: Intertechnique SA
Current assignee: Safran Aerosystems SAS
Priority date: 2001-11-08
Filing date: 2002-10-29
Publication date: 2005-09-28
Also published as: DE60205033T2; DE60205033D1; EP1441812A1; FR2831825A1; EP1441812B1; FR2831825B1; CA2460462C; WO2003039679A1; CA2460462A1; US6789539B2; US20030084901A1

Abstract

L'invention concerne un dispositif de régulation d'oxygène pour un porteur dans un avion civil ou militaire, et comprenant un circuit d'amenée d'oxygène reliant une entrée d'oxygène sous pression provenant d'une source, à une admission d'un masque respiratoire par l'intermédiaire d'une vanne de commande directe de débit (24, 24a), et un circuit électronique de commande (62) apte à envoyer une consigne électrique à ladite vanne de commande. <IMAGE>

Description

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 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.

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 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.

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 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. II 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 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 normal 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 différentes façons entre un boítier porté par le masque et une boíte pour stocker le masque en dehors des périodes d'utilisation ou tout autre boítier 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 boítier fixé à un masque, ou
une partie de ce circuit, et notamment la première électrovanne, peut être intégré à une boíte 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, apparaítront 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'attitude 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 boítier porté par un masque non représenté et l'autre 12 portée par une boíte de stockage du masque. Cette boíte 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 boítier en plusieurs pièces assemblées, dans lequel sont ménagés des logements et des passages permettant de définir plusieurs trajets de circulation.

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 boítier 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 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 boítier 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 apparaítra plus loin.

La partie 12 du régulateur, qui est portée par la boíte 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 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. 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 plusieurs entrées ou même 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 altimétrique 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 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 boítier de la boíte de stockage du masque. Le régulateur peut alors être regardé comme comprenant une partie de commande, entièrement portée par la boíte 12 et qui autorise la sélection du mode de fonctionnement. Une partie "demande", placée dans le boítier 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 boítier de la boíte 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 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.

Claims

Dispositif de régulation d'oxygène pour un porteur dans un avion civil ou militaire, et comprenant :

un circuit d'amenée d'oxygène reliant une entrée d'oxygène sous pression provenant d'une source, à une admission d'un masque respiratoire par l'intermédiaire d'une vanne de commande directe de débit (24, 24a),

un circuit électronique de commande (62) apte à envoyer une consigne électrique à ladite vanne de commande.
Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la consigne électrique est fonction notamment de l'altitude cabine ou de la pression ambiante.
Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant une vanne de commande (72) pour relier l'amont à l'aval de la vanne de commande.
Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit d'amenée d'oxygène comprend une bouteille d'oxygène.