FR3138321A1 - Système respiratoire, notamment pour un aéronef, avec régulation de la proportion d’oxygène - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un système respiratoire (1), notamment pour un aéronef, comprenant un organe de distribution (20, 30), adapté pour délivrer un mélange gazeux à au moins un occupant,une entrée de mélange gazeux (11) reliée à une source (12) de gaz respirable, comprenant une vanne d’admission de mélange gazeux (13), destinée à réguler une proportion de gaz respirable dans le mélange gazeux,une entrée de gaz diluant (31), apte à être reliée à une source de gaz diluant, comprenant une vanne d’entrée de gaz diluant (32), destinée à réguler une proportion de gaz diluant dans le mélange gazeux,au moins un capteur (15, 35), adapté pour mesurer une information représentative d’une proportion de gaz respirable dans le mélange gazeux délivré par l’organe de distribution (20, 30), etun système de contrôle (40), configuré pour réguler la proportion de gaz respirable délivrée en fonction de l’information mesurée et contrôler la vanne d’admission de mélange gazeux (13) et la vanne d’entrée de gaz diluant (32) en fonction de la proportion de gaz respirable délivrée et d’une proportion de gaz respirable désirée. Figure à publier avec l’abrégé : 1
Description
L’invention concerne la régulation de la proportion d’oxygène délivrée par un système respiratoire, notamment pour des occupants d’un aéronef.
Plus spécifiquement, l’invention concerne un système respiratoire, en particulier pour un aéronef, ainsi qu’un procédé de contrôle d’un tel système.
La distribution d’un mélange gazeux contenant de l’oxygène aux occupants d’un aéronef à travers un masque relié à une source de gaz respirable. Une telle source de gaz respirable peut être un mélange gazeux pouvant comprendre de l'oxygène ou de l'air fortement enrichi en oxygène, stocké dans une ou plusieurs bouteilles, ou réserves d’oxygène pressurisé, disposées à bord de l’aéronef.
L'alimentation en oxygène peut être remplacée par un système de génération d'oxygène embarqué, tel qu'un ou plusieurs systèmes générateurs d'oxygène embarqués (également dénommé par l’acronyme OBOGS pour « OnBoard Oxygen Generation System en anglais) alimentés en air issu du compresseur d'un ou plusieurs des moteurs.
Le système générateur d'oxygène embarqué peut également comprendre un système de génération d'oxygène à tamis moléculaire (également dénommé par l’acronyme MSOGS pour « Molecular Sieve Oxygen Generating Systems » en anglais) agencé pour fournir de l'air enrichi en oxygène d'une valeur de concentration en oxygène souhaitée en adsorbant l'azote de l'air alimenté au système.
Une telle distribution a pour but d’assurer la protection des occupants contre l’hypoxie, par exemple en cas de dépressurisation de l’habitacle de l’aéronef, contre la présence de fumées et/ou de vapeurs dans l’habitacle de l’aéronef, en particulier en cas d’accident ou encore contre les effets de l’accélération, dans le cas des aéronefs militaires.
Le mélange gazeux peut également comprendre un gaz diluant, par exemple de l’air ambiant ou de l’air issu d’une source d’air comprimé.
Le contrôle de la proportion d’oxygène dans le mélange gazeux est crucial, pour éviter notamment de délivrer une quantité d’oxygène trop faible pour opérer efficacement. En effet, une sous-consommation d’oxygène pose des problèmes de sécurité car l’occupant n’est pas correctement protégé contre l’hypoxie. Cela est d’autant plus préjudiciable et un risque d’erreur est accru lorsque l’occupant est un pilote d’aéronef puisque l’hypoxie peut conduite à une perte de conscience du pilote.
A l’inverse une surconsommation d’oxygène entame les réserves d’oxygène. Cela réduit l’autonomie en distribution d’oxygène. Cela est d’autant plus préjudiciable et un risque d’erreur est accru lorsque l’occupant est un pilote d’aéronef, notamment d’un aéronef militaire, car la diminution de l’autonomie en distribution d’oxygène peut avoir pour conséquence de devoir écourter un vol.
De plus, une proportion d’oxygène désirée est amenée à varier en fonction des conditions et des occupants, selon la criticité des rôles qu’ils jouent.
Un masque à oxygène peut opérer en dilution à la demande : le gaz diluant et l’oxygène sont injectés lorsque l’occupant, porteur du masque, inspire. L’inspiration est détectée en cas de dépression dans le masque, notamment par un capteur de pression différentielle ou par un capteur de pression relative, pour un contrôle à commande électronique de la proportion d’oxygène, ou par une membrane pour contrôle mécanique de la proportion d’oxygène.
En général, la dilution se fait en continu, le gaz diluant et l’oxygène sont injectés en même temps dans le masque où ils sont consommés.
Pour cela, une solution courante est d’injecter de l’oxygène sous pression par un tube de venturi disposé dans une capsule. Le volume de la capsule peut être en communication avec l’extérieur, si bien qu’une accélération de l’oxygène dans le tube de venturi crée une dépression entrainant une aspiration du gaz diluant, tel que l’air ambiant, avec lequel il se mélange.
Une telle technique est purement mécanique. Ainsi, le niveau de dilution est assuré par la géométrie du tube de venturi, ainsi que par une capsule altimétrique réduisant le passage de gaz diluant avec l’altitude, d’où une proportion en oxygène croissante avec l’altitude.
Dans un tel dispositif, une dilution du mélange oxygène/gaz diluant fournit à l’occupant, porteur du masque, en fonction de l’altitude. Pour ce faire, le gaz diluant est entrainé par effet venturi grâce à un injecteur à section variable, alimenté par le flux d’oxygène provenant de l’ouverture du clapet principal. Le réglage de la dilution en fonction de l’altitude est assuré par une capsule, telle qu’une capsule anéroïde, venant obstruer une entrée de gaz diluant et augmentant ainsi la proportion d’oxygène fourni.
Une variante consiste à commander la dilution électroniquement. Ainsi, comme décrit dans les documents EP 2 010 296 et EP 1 765 444, le débit d’air injecté est mesuré à l’aide d’un capteur de pression placé au col du tube de venturi. Une telle mesure, ajoutée à la connaissance de la pression barométrique, permet de calculer un débit d’oxygène nécessaire pour atteindre une proportion d’oxygène désirée. Un tel débit d’oxygène est ensuite obtenu en ajustant, via une vanne pilotée électroniquement, la pression d’oxygène en amont d’un orifice calibré.
Par ailleurs, il est connu de procéder à une injection séparée de l’oxygène et de l’air diluant, développée dans les techniques de dilution par phase. Ainsi, il est procédé à une injection successive d’oxygène pur, puis d’air diluant pour compléter l’inspiration, au cours d’un même cycle inspiratoire.
De plus, il est connu, notamment du document FR 2 334 374, qu’une vanne combinée oxygène/air soit utilisée, pour injecter séparément de l’oxygène et de l’air diluant, en bloquant l’un par rapport à l’autre et vice versa. Une telle technique permet de déporter le régulateur, mais elle nécessite de mesurer la durée d’une inspiration. En effet, la vanne combinée oxygène/air est pilotée à partir d’un temps d’ouverture indexé sur la durée d’une inspiration.
De tels systèmes ne permettent cependant pas d’assurer un contrôle très précis de la proportion d’oxygène dans le mélange gazeux délivré effectivement à un occupant, porteur du masque. L’absence de précision empêche de prendre en compte des dérives du système, qui peuvent entraîner des conséquences graves, notamment quand la quantité d’oxygène délivré est surestimée.
De plus, ces systèmes ne prennent pas en compte la perte d’une part de l’oxygène dans un « volume mort » en fin d’inspiration qui ne pénètre pas dans les poumons et reste dans la trachée, où il n’est pas utilisé par l’organisme.
L’invention vise à remédier aux inconvénients précités, en proposant un système de dilution permettant un contrôle précis et fiable de la proportion d’oxygène délivré à un utilisateur ou occupant.
A cet effet, l’invention a pour objet un système respiratoire, notamment pour un aéronef, comprenant :
- un organe de distribution, adapté pour délivrer un mélange gazeux à au moins un occupant,
- une entrée de mélange gazeux, apte à être reliée à une source de gaz respirable, comprenant une vanne d’admission de mélange gazeux, destinée à réguler une proportion de gaz respirable dans le mélange gazeux,
- une entrée de gaz diluant, apte à être reliée à une source de gaz diluant, comprenant une vanne d’entrée de gaz diluant, destinée à réguler une proportion de gaz diluant dans le mélange gazeux,
- au moins un capteur adapté pour mesurer une information représentative d’une proportion de gaz respirable dans le mélange gazeux délivré par l’organe de distribution, et
- un système de contrôle, configuré pour réguler la proportion de gaz respirable délivrée en fonction de l’information mesurée et contrôler la vanne d’admission de mélange gazeux et la vanne d’entrée de gaz diluant en fonction de la proportion de gaz respirable délivrée et d’une proportion de gaz respirable désirée.
Un tel système permet de mettre en œuvre une boucle de rétroaction pour ajuster la proportion de gaz respirable délivrée au plus proche de la valeur de consigne et de la maintenir malgré une évolution possible des conditions de respiration et/ou du schéma respiratoire de l’occupant.
Le gaz respirable peut, par exemple, être de l’oxygène pressurisé issu d’une bouteille de stockage. Par ailleurs, le gaz diluant peut, par exemple, être de l’air ambiant.
L’organe de distribution peut comprendre notamment un masque, destiné à être porté sur le visage de l’occupant, porteur du masque, et une conduite, apte à permettre une circulation du mélange de gaz et/ou du gaz respirable.
La vanne d’entrée de gaz diluant est notamment une vanne de type « tout ou rien ».
L’information représentative de la proportion de gaz respirable peut être une mesure de fraction volumique et/ou de fraction massique de gaz respirable, un rapport des débits dans la vanne d’admission de mélange gazeux et/ou de la vanne d’entrée de gaz diluant, un taux de gaz respirable sanguin de l’occupant, porteur d’un masque ou autre.
Le capteur peut comprendre un premier débitmètre, adapté pour mesurer un débit de gaz respirable à travers la vanne d’admission de mélange gazeux, et/ou un deuxième débitmètre, adapté pour mesurer un débit de gaz diluant à travers la vanne d’entrée de gaz diluant et/ou un capteur d’oxygène et/ou un capteur physiologique.
Les débitmètres utilisés peuvent être issus de diverses technologies : thermique (de type capteur à fil chaud), sonique (de type à effet Doppler) ou mécanique (de type cantilever, ou à effet Coriolis) ou bien basé sur une mesure de pression (laminaire, orifice mince, venturi, etc…).
Alternativement, au moins un des capteurs peut comprendre un capteur d’oxygène, et/ou un capteur physiologique.
L’organe de distribution peut comprendre un masque et moyen de détection d’une phase inspiratoire, notamment un capteur de pression en particulier adapté pour mesurer une pression dans un espace interne du masque.
Une telle caractéristique permet d’obtenir des informations sur le cycle de respiration de l’occupant, porteur du masque.
Le système de contrôle peut être configuré pour détecter des inspirations de l’occupant et faire varier des débits et/ou des volumes à travers la vanne d’admission de mélange gazeux et/ou la vanne d’entrée de gaz diluant au cours d’un cycle respiratoire.
Une telle caractéristique permet de mettre en œuvre une dilution par phases et d’ajuster la dilution au rythme de respiration du porteur du masque.
Le système de contrôle peut être configuré pour contrôler la vanne d’admission de mélange gazeux et la vanne d’entrée de gaz diluant pour délivrer,
- au cours d’au moins une phase initiale d’un cycle respiratoire, le mélange gazeux, comprenant par exemple au moins 60% de gaz respirable, en particulier au moins 75% de de gaz respirable et notamment au moins 90% de gaz respirable, et,
- au cours d’au moins une phase finale du cycle respiratoire, le mélange gazeux comprenant par exemple au moins 60% de gaz diluant, en particulier au moins 75% de gaz diluant et notamment au moins 90% de gaz diluant.
La phase initiale s’écoule avant la phase finale au cours d’un même cycle respiratoire.
Une telle caractéristique permet de s’affranchir des pertes de gaz respirable dans le volume mort de la respiration qui n’atteint pas les poumons.
Le système de contrôle peut être configuré pour calculer une proportion de gaz respirable moyenne délivrée pendant le cycle respiratoire et pour ajuster les débits à travers la vanne d’admission de mélange gazeux et la vanne d’entrée de gaz diluant au cours des inspirations suivantes en fonction de la proportion de gaz respirable moyenne.
Une telle caractéristique permet d’ajuster les débits pour rapprocher la proportion de gaz respirable dans le mélange délivré de la proportion de gaz respirable désirée.
Le système de contrôle peut être configuré pour mesurer à plusieurs reprises au cours du cycle respiratoire les débits à travers la vanne d’admission de mélange gazeux et/ou à travers la vanne d’entrée de gaz diluant et contrôler la vanne d’admission de mélange gazeux et la vanne d’entrée de gaz diluant en fonction de la proportion de gaz respirable délivrée et de la proportion de gaz respirable désirée.
Une telle caractéristique permet de faire converger plus rapidement la proportion de gaz respirable délivré vers la proportion désirée.
Le système de contrôle peut être configuré pour contrôler la vanne d’admission de mélange gazeux et/ou la vanne d’entrée de gaz diluant pour délivrer, au cours d’une phase intermédiaire du cycle respiratoire, le mélange gazeux comprenant à la fois du gaz respirable et du gaz diluant, l’une parmi la vanne d’admission de mélange gazeux et/ou la vanne d’entrée de gaz diluant fonctionnant à un débit maximal.
La phase intermédiaire s’écoule temporellement entre la phase initiale et la phase finale au cours d’un même cycle respiratoire.
Une telle caractéristique permet de compenser une éventuelle limite de débit d’une des vannes en introduisant la quantité de gaz manquante au cours de la phase intermédiaire. Il est ainsi possible de lisser la transition entre la phase initiale et la phase finale.
Le système de contrôle peut être configuré pour contrôler la vanne d’admission de mélange gazeux et/ou la vanne d’entrée de gaz diluant pour délivrer, au cours d’une phase de transition du cycle respiratoire, le mélange gazeux comprenant à la fois du gaz respirable et du gaz diluant, le débit de gaz respirable diminuant alors que le débit de gaz diluant augmente.
Le système de contrôle peut être configuré pour mettre en œuvre un calcul de correction de la proportion de gaz respirable dans le mélange gazeux délivré, de type proportionnel ou proportionnel-intégral, à partir de la proportion de gaz respirable délivrée et de la proportion de gaz respirable désirée.
Une telle caractéristique permet de corriger une erreur de type biais constant, qu’un simple correcteur proportionnel ne parviendrait pas à corriger simplement.
L’invention concerne également un procédé de contrôle d’une proportion de gaz respirable dans un mélange gazeux délivré par un système respiratoire tel que définit précédemment, comprenant au moins :
- une étape de distribution, au cours de laquelle un mélange gazeux comprenant une proportion de gaz respirable et une proportion de gaz diluant, est distribué ;
- une étape de mesure, au cours de laquelle au moins un capteur mesure une information représentative d’une proportion de gaz respirable dans le mélange gazeux délivré,
- une étape de calcul, au cours de laquelle un système de contrôle calcule la proportion de gaz respirable délivrée,
- une étape de calcul d’écart, au cours de laquelle système de contrôle calcule un écart entre la proportion de gaz respirable délivrée et une proportion de gaz respirable désirée, et
- une étape de contrôle, au cours de laquelle, le système de contrôle (40) contrôle la vanne d’admission de mélange gazeux et/ou de la vanne d’entrée de gaz diluant pour ajuster un débit à travers la vanne d’admission de mélange gazeux et un débit à travers la vanne d’entrée de gaz diluant en fonction au moins de l’écart calculé.
Un système respiratoire 1, notamment pour un aéronef, est représenté schématiquement sur la . Un tel système respiratoire 1 est destiné à délivrer ou distribuer un mélange gazeux comprenant un gaz respirable, à au moins un des occupants d’un aéronef.
La distribution d’un mélange gazeux peut se faire à partir d’une source de gaz respirable. Une telle source de gaz respirable peut être un mélange gazeux pouvant comprendre de l’oxygène, ou dioxygène, les deux termes étant employés ici de manière indifférenciée, ou de l'air fortement enrichi en oxygène, stocké dans une ou plusieurs bouteilles, ou réserves d’oxygène pressurisé, disposées à bord de l’aéronef.
L'alimentation en oxygène peut être remplacée par un système de génération d'oxygène embarqué, tel qu'un ou plusieurs systèmes générateurs d'oxygène embarqués (également dénommé par l’acronyme OBOGS pour « OnBoard Oxygen Generation System » en anglais) alimentés en air issu du compresseur d'un ou plusieurs des moteurs.
Le système générateur d'oxygène embarqué peut également comprendre un système de génération d'oxygène à tamis moléculaire (également dénommé par l’acronyme MSOGS pour « Molecular Sieve Oxygen Generating Systems » en anglais) agencé pour fournir de l'air enrichi en oxygène d'une valeur de concentration en oxygène souhaitée en adsorbant l'azote de l'air alimenté au système.
L’occupant peut être, par exemple, un pilote de l’aéronef, dont la vigilance et les performances sont cruciales à tout moment. Il doit donc recevoir une proportion d’oxygène suffisante et régulée, adaptée à une situation critique à laquelle il fait face.
Le système respiratoire 1 comprend un régulateur 10, propre à délivrer un flux gazeux dans un organe de distribution. L’organe de distribution comprend au moins une conduite 20, apte à permettre une circulation du mélange gazeux comprenant le gaz respirable, et un masque 30, destiné à une diffusion du mélange gazeux comprenant le gaz respirable à l’occupant.
Le système respiratoire 1 comprend également un système de contrôle 40.
Le régulateur 10 comprend une entrée de mélange gazeux 11. L’entrée de mélange gazeux 11 peut être connectée à une source 12 de gaz respirable, notamment une première source de gaz respirable, par exemple de l’oxygène pur issu d’une bouteille pressurisée.
Dans l’exemple particulier de la , le régulateur 10 est un régulateur déporté. Notamment, le régulateur 10 est apte à être fixé à l’aéronef. Le régulateur 10 peut alors être connecté au masque 30 par l’intermédiaire de la conduite 20, apte à permettre une circulation du mélange gazeux comprenant le gaz respirable.
Alternativement, le régulateur 10 peut être porté sur le masque 30 et relié à la source 12 de gaz respirable par la conduite 20, apte à permettre une circulation du mélange gazeux comprenant le gaz respirable et/ou par une conduite secondaire.
L’entrée de mélange gazeux 11 comprend une vanne d’admission de mélange gazeux 13, adaptée pour réguler un débit de mélange gazeux s'écoulant à travers l'entrée de mélange gazeux 11.
La vanne d’admission de mélange gazeux 13 est notamment une vanne électronique comprenant un dispositif de commande 14 adapté pour contrôler un débit de gaz s’écoulant à travers la vanne d’admission de mélange gazeux 13. Par ailleurs, la vanne d’admission de mélange gazeux 13 peut être à actionnement direct ou amplifiée.
Le dispositif de commande 14 est, par exemple, de type piézoélectrique, électromagnétique, électrostatique, pneumatique, ou autre. Il peut s’agir, par exemple, d’un actionneur linéaire ou rotatif.
Le régulateur 10 peut comprendre également un premier capteur 15. Le premier capteur 15, peut être un capteur de débit adapté pour mesurer un débit de mélange gazeux s’écoulant à travers la vanne d’admission de mélange gazeux 13.
Le premier capteur 15 est, par exemple, un capteur thermique, notamment de type capteur à fil chaud, sonique, notamment de type à effet Doppler, mécanique, notamment de type cantilever ou à effet Coriolis, aéraulique, notamment de type à effet Venturi, ou à perte de charge.
Alternativement ou en complément, des capteurs de pression positionnés en fonction de la géométrie de la vanne d’admission de mélange gazeux 13 et de l’organe de distribution comprenant au moins la conduite 20 et le masque 30 permettent également d’obtenir une valeur de débit, selon les lois de Bernoulli ou de Poiseuille.
La conduite 20 est avantageusement souple, ou au moins en partie souple, notamment dans une portion reliée au masque 30. Une première extrémité 21 de la conduite 20 est connectée au régulateur 10. Une deuxième extrémité 22 de la conduite 20 est connectée au masque 30.
La conduite 20 relie fluidiquement la vanne d’admission de mélange gazeux 13 au masque 30, de sorte que le mélange gazeux, ou gaz respirable, s’écoulant à travers la vanne d’admission de mélange gazeux 13 est délivré à l’occupant, porteur du masque 30, par l’intermédiaire d’une valve d’inspiration 23.
Le masque 30 est un masque oro-nasal, apte à être disposé sur le visage de l’occupant, ou porteur, à qui doit être délivré le mélange gazeux comprenant le gaz respirable. Il est préférentiellement agencé de manière étanche sur le visage du porteur du masque 30.
A cet effet, le masque 30 peut être pourvu d’un dispositif de maintien permettant d’assurer le maintien du masque 30 sur le visage de l’occupant. Un tel dispositif de maintien est, par exemple, un harnais élastique, un système de fixation à baïonnette ou un harnais mécanique.
Le masque 30 est généralement de forme concave et définit un espace interne 33. Lorsque le masque 30 est fixé au visage du porteur, la peau du porteur l’espace interne 33 dans lequel le porteur peut inspirer et expirer.
Dans la configuration dans laquelle le régulateur 10 est un régulateur déporté, le masque 30 comporte la valve d’inspiration 23 sur laquelle débouche la conduite 20, propre à permettre l’entrée du mélange gazeux ou de gaz respirable depuis la conduite 20 dans l’espace interne 33.
Alternativement, dans la configuration dans laquelle le régulateur 10 est porté sur le masque 30, il n’y a pas de valve d’inspiration.
De plus, le masque 30 comporte une entrée de gaz diluant 31 comprenant une vanne d’entrée de gaz diluant 32, permettant une entrée de gaz diluant dans l’espace interne 33, notamment depuis l’environnement extérieur.
Le masque 30 comprend également avantageusement une valve d’expiration, non représentée. La valve d’expiration est apte à permettre une éjection des gaz expirés par le porteur.
La vanne d’entrée de gaz diluant 32 peut être une vanne électronique comprenant un dispositif de commande 34 adapté pour contrôler un débit de gaz s’écoulant à travers la vanne d’entrée de gaz diluant 32.
La vanne d’entrée de gaz diluant 32 peut également comprendre un deuxième capteur 35. Le deuxième capteur 35 peut être un capteur de débit adapté pour mesurer un débit de gaz s’écoulant à travers la deuxième vanne 32.
Le deuxième capteur 35 est, par exemple, un capteur thermique, notamment de type capteur à fil chaud, sonique, notamment de type à effet Doppler, mécanique, notamment de type cantilever ou à effet Coriolis, aéraulique, notamment de type à effet Venturi, ou à perte de charge.
Par ailleurs, le masque 30 comprend, en outre, un capteur de pression 36, adapté pour mesurer une pression dans l’espace interne 33.
Le système de contrôle 40 est, par exemple, connecté au dispositif de commande 14 de la vanne d’admission de mélange gazeux 13, au dispositif de commande 34 de la vanne d’entrée de gaz diluant 32, au premier capteur 15 du régulateur 10 et au deuxième capteur 35 de l’entrée de gaz diluant 31. De plus, le système de contrôle 40 peut aussi être connecté au capteur de pression 36.
Le système de contrôle 40 est, par exemple, une carte électronique, comprenant au moins un processeur adapté pour exécuter des programmes et au moins une mémoire sur laquelle sont stockées des instructions pour l’exécution de ces programmes.
Selon un autre mode de relation, le système de contrôle 40 peut aussi être totalement analogique. Le système de contrôle 40 peut également comprendre une logique de commande ou électronique de pilotage et une électronique de puissance permettant de commander la vanne d’admission de mélange gazeux 13.
Le système de contrôle 40 est notamment configuré pour mesurer les débits dans la vanne d’admission de mélange gazeux 13 et dans la vanne d’entrée de gaz diluant 32 en mettant en œuvre le premier capteur 15 du régulateur 10 et/ou le deuxième capteur 35 de l’entrée de gaz diluant 31. Le système de contrôle 40 est apte à calculer une proportion d’oxygène dans le mélange gazeux délivré au porteur à partir des débits dans la vanne d’admission de mélange gazeux 13 et dans la vanne d’entrée de gaz diluant 32. De plus, le système de contrôle 40 est apte à ajuster les commandes de la vanne d’admission de mélange gazeux 13 et dans la vanne d’entrée de gaz diluant 32 à partir de la proportion d’oxygène dans le mélange gazeux mesurée et d’une proportion d’oxygène dans le mélange gazeux désirée.
La proportion d’oxygène dans le mélange gazeux désirée est, par exemple, stockée dans une mémoire. Alternativement, la proportion d’oxygène dans le mélange gazeux désirée peut être calculée à partir d’informations intrinsèques au système respiratoire 1 et de données stockées dans la mémoire. Si le système respiratoire 1 est propre à être installé sur un aéronef, les d’informations intrinsèques sont notamment les données de vol.
Un procédé de contrôle de la proportion d’oxygène dans le mélange gazeux délivré suit une boucle de contrôle mise en œuvre par le système respiratoire 1. Tel que présenté sur la , le procédé de contrôle de la proportion d’oxygène dans le mélange gazeux délivré suit une boucle de rétroaction.
Le procédé de contrôle prévoit une première étape d’actionnement 101 au cours de laquelle le dispositif de commande 14 de la vanne d’admission de mélange gazeux 13 est actionné par le système de contrôle 40 et une deuxième étape d’actionnement 102 au cours de laquelle le dispositif de commande 34 de la deuxième vanne 32 est actionné par le système de contrôle 40, par exemple, à partir de valeurs de débit initiales D0stockées dans une mémoire. La première étape d’actionnement 101 du dispositif de commande 14 de la vanne d’admission de mélange gazeux 13 et la deuxième étape d’actionnement 102 du dispositif de commande 34 de la deuxième vanne 32 peuvent se dérouler temporellement successivement ou en simultanément.
A l’issue de la première étape d’actionnement 101 et la deuxième étape d’actionnement 102, le procédé de contrôle prévoit une étape de distribution 103 au cours de laquelle un mélange gazeux est distribué au porteur. A l’étape de distribution 103, le mélange gazeux comprend une proportion d’oxygène initiale.
Par suite, le procédé de contrôle prévoit une étape de mesure 104 au cours de laquelle les débits à travers la vanne d’admission de mélange gazeux 13 et la vanne d’entrée de gaz diluant 32 sont mesurés respectivement par le premier capteur 15 et le deuxième capteur 35 contrôlés par le système de contrôle 40.
Le rapport des débits à travers la vanne d’admission de mélange gazeux 13 et la vanne d’entrée de gaz diluant 32 constitue une information représentative de la proportion d’oxygène dans le mélange gazeux délivré.
A cet effet, le procédé de contrôle prévoit une étape de calcul 105 au cours de laquelle la proportion d’oxygène dans le mélange gazeux est calculée dans le système de contrôle 40. Enfin, le procédé de contrôle prévoit une étape de calcul d’écart 106 au cours de laquelle un écart entre la proportion d’oxygène dans le mélange gazeux délivré et une proportion d’oxygène dans le mélange gazeux désirée FO2est calculé.
Le calcul de l’écart peut comprendre une composante intégrale, ou pseudo intégrale avec une fréquence de coupure adaptée pour fournir un résultat similaire autour d’une fréquence de respiration entre 0,1 Hz et 1 Hz, en particulier entre 0.1 Hz et 0.75 Hz et plus spécifiquement entre 0,16 Hz et 0.75 Hz et notamment entre 0.16 Hz et 0.5 Hz.
Enfin, le procédé de contrôle prévoit une étape de contrôle 107 au cours de laquelle de nouvelles valeurs de commande pour la vanne d’admission de mélange gazeux 13 et pour la vanne d’entrée de gaz diluant 32 sont alors déterminées, afin d’ajuster la proportion d’oxygène dans le mélange gazeux délivré.
Le procédé de contrôle est itéré pour améliorer la précision de la proportion d’oxygène dans le mélange gazeux délivré au porteur par rapport à une valeur de consigne.
Selon une méthode particulière de dilution, la distribution du mélange gazeux comprenant une proportion d’oxygène peut se faire par dilution continue.
Avantageusement, la dilution est faite suivant une méthode de dilution à la demande, dont le principe est schématisé aux figures 3 et 4 qui sont des représentations graphiques respectivement des gaz délivrés au cours d’un cycle de respiration, et au cours d’un cycle de respiration lorsque le débit maximal de la vanne d’admission de mélange gazeux 13 et/ou de la vanne d’entrée de gaz diluant 32 devient limitant.
Ainsi, la est une représentation graphique de l’évolution d’un débit D de distribution du mélange gazeux en fonction du temps t au cours d’une inspiration du porteur du masque 30.
Le début de l’inspiration du porteur du masque 30 est détecté par l’intermédiaire du capteur de pression 36, adapté pour mesurer une pression dans l’espace interne 33 et piloté par le système de contrôle 40. L’apparition d’une dépression dans l’espace interne 33 correspond au début d’une inspiration et déclenche la distribution du mélange gazeux.
Au cours d’une phase initiale Pi, la vanne d’admission de mélange gazeux 13 est ouverte et la vanne d’entrée de gaz diluant 32 est fermée, de sorte que le mélange gazeux comprend majoritairement du gaz respirable, notamment à plus de 90% en débit du gaz respirable, et avantageusement uniquement du gaz respirable.
La durée de la phase initiale Pidépend du débit D du mélange gazeux, de la proportion d’oxygène dans le mélange gazeux désirée et d’une estimation d’un volume d’inspiration du porteur, de sorte qu’un volume total d’oxygène dans le mélange gazeux délivré pendant la phase initiale Picorresponde au produit de la fraction d’oxygène dans le mélange gazeux désirée par le volume d’inspiration du porteur. Le volume d’oxygène dans le mélange gazeux délivré correspond à l’aire sous la courbe de débit D pendant la phase initiale Pi.
A l’issue de la phase initiale Pi, au cours d’une phase finale Pf, la vanne d’admission de mélange gazeux 13 est alors fermée et la vanne d’entrée de gaz diluant 32 est ouverte. Au cours de la phase finale Pf, le mélange gazeux comprend majoritairement du gaz diluant, notamment plus de 90% en débit, et avantageusement uniquement du gaz diluant.
La phase finale Pfdure jusqu’à la fin de l’inspiration du porteur, qui est associée à la disparition de la dépression mesurée dans l’espace interne 33 et, selon les cas, à l’apparition d’une surpression dans l’espace interne 33. Le volume de gaz diluant délivré durant la phase finale Pfcorrespond à l’aire sous la courbe de débit D pendant la phase finale Pf.
La somme des volumes d’oxygène et de gaz diluant est enregistrée par le système de contrôle 40 comme valeur actualisée du volume d’inspiration. La proportion d’oxygène effectivement délivrée au cours de l’inspiration est calculée pour mettre en œuvre la boucle de contrôle décrite préalablement.
Une telle méthode permet d’adapter la rétroaction à des variations de rythme de respiration et de volume d’inspiration du porteur du masque 30, en particulier lorsque les conditions extérieures évoluent, notamment lors de phases de stress.
De plus, la délivrance de l’oxygène au cours de la phase initiale Pipermet de pallier les pertes d’oxygène dans un volume mort d’inspiration comprenant uniquement du gaz diluant.
Un facteur limitant du procédé de contrôle, et donc de la dilution par phase, est l’existence d’un débit maximum Dmax respectif de la vanne d’admission de mélange gazeux 13 et de la vanne d’entrée de gaz diluant 32. Un tel débit maximum Dmax empêche de délivrer suffisamment d’oxygène ou de gaz diluant pour satisfaire le débit d’inspiration pendant une partie de l’inspiration.
Cela apparaît notamment lorsque l’inspiration est courte et présente un pic de débit élevé, par exemple au cours d’une phase de stress. Cela apparait également lorsque la respiration est rapide et provoque une gêne à l’inspiration.
Pour pallier un tel problème, comme représenté sur la qui est une représentation graphique des gaz délivrés au cours d’un cycle de respiration lorsque le débit maximal d’une des vannes devient limitant, le système de contrôle 40 déclenche une phase intermédiaire Pr, au cours de laquelle la vanne limitée en débit délivre son débit maximum. Dans une telle configuration, l’autre vanne délivre le complément de débit pour satisfaire le débit d’inspiration.
Dans l’exemple présenté en , la vanne d’admission de mélange gazeux 13 est limitée en débit et délivre son débit maximum Dmax. Ainsi, la vanne d’entrée de gaz diluant 32 est ouverte afin de délivrer le complément de débit, représenté par l’aire située au-dessus de la ligne discontinue correspondant à la valeur Dmax, délimitant le débit maximum de la vanne d’admission de mélange gazeux 13, et la courbe continue représentant le débit D en fonction du temps t.
Le calcul de la proportion d’oxygène délivrée est fait géométriquement en additionnant les aires correspondant à l’oxygène dans la courbe de débit D au cours de la phase initiale Piet de la phase intermédiaire Pr, afin de mettre en œuvre la rétroaction comme décrit précédemment.
Dans l’exemple décrit, l’information relative à la proportion de gaz respirable est un rapport des volumes passant par la vanne d’admission de mélange gazeux 13 et la vanne d’entrée de gaz diluant 32.
D’autres types d’informations peuvent être obtenus en mettant en œuvre des capteurs, différents. Par exemple, il est possible de mesurer directement la fraction d’oxygène dans le mélange gazeux délivré en utilisant un capteur d’oxygène monté sur le masque 30. Alternativement, le capteur d’oxygène put être positionné de façon à mesurer la proportion d’oxygène dans les gaz expirés par le porteur. L’information peut alors être avantageusement complétée par une mesure de la proportion de CO2dans les gaz expirés, obtenue avec un capteur de CO2.
Par ailleurs, au cours d’un même cycle respiratoire, il peut être envisagé qu’une pluralité de phases initiales Piet une pluralité de phases finales Pfse produisent, notamment en alternance les unes avec les autres.
Les figures 5a et 5b présentent deux représentations graphiques des gaz délivrés au cours d’un cycle de respiration comportant une pluralité d’alternances de distribution d’un mélange gazeux et d’un gaz diluant.
Ainsi, selon le nombre d’alternances et/ou en fonction d’une durée du cycle de respiration, notamment d’une inspiration de l’occupant, porteur du masque 30, le cycle respiratoire est susceptible de se terminer par :
- une phase finale Pfmde distribution de gaz diluant, telle que présenté par la
ou
- une phase initiale Pim+1, de distribution du mélange gazeux comprend majoritairement du gaz respirable, telle que présenté par la
Une telle alternance permet de fournir de l’oxygène pur en début de respiration tout en permettant de reboucler plusieurs fois par cycle inspiratoire sur la qualité du mélange air/oxygène fourni. Il est ainsi possible de réagir plus rapidement en cas de variations rapides d’un schéma inspiratoire, tant en fréquence qu’en amplitude.
De façon analogue, le volume d’oxygène dans le mélange gazeux délivré durant le cycle respiratoire correspond à la somme des aires sous la courbe de débit D pendant les diverses phases initiales Pi1, Pi2, … Pim, Pim+1. De même, le volume de gaz diluant délivré durant le cycle respiratoire correspond à la somme des aires sous la courbe de débit D pendant les diverses phases finales Pf1, Pf2, … Pfm. La somme des volumes d’oxygène et de gaz diluant est enregistrée par le système de contrôle 40.
Par ailleurs, afin de préserver le confort de l’occupant, porteur du masque 30, il peut être envisagé de prévoir une phase transitoire Ptentre la phase initiale Piet la phase finale Pf.
Au cours de phase transitoire Pt, la distribution de mélange gazeux est progressivement réduite pendant que et la distribution de gaz diluant est progressivement augmentée, générant une transition de distribution.
La transition de distribution est représentée par la courbe en trait mixte sur la qui est une représentation graphique des gaz délivrés au cours d’un cycle de respiration comportant une telle phase de transition Pt.
La durée de phase de transition Ptest réglable. Notamment, la phase de transition Ptpeut s’étendre jusqu’à la fin du cycle respiratoire.
La phase de transition Ptpermet d’éviter tout risque lié à une absence potentielle de distribution de mélange gazeux et/ou de gaz diluant lors d’un basculement de la phase initiale à la phase finale.
En effet, le basculement de la phase initiale à la phase finale entraîne la fermeture instantanée de la vanne d’admission de mélange gazeux 13 couplée à l’ouverture instantanée de la vanne d’entrée de gaz diluant 32.
Ainsi, du fait d’un possible délai ou d’une hystérésis mécanique, une période temporelle, même minimale, au cours de laquelle aucune distribution de mélange gazeux et/ou de gaz diluant n’est opérée, peut être perceptible. Cela peut être ressenti par l’occupant, porteur du masque 30, et conduire à le distraire, voire à le gêner. Cela est d’autant plus préjudiciable si l’occupant, porteur du masque 30, est un pilote d’un aéronef.
Tous types de capteurs physiologiques sont envisageables permettant de connaitre l’état physiologique de l’occupant, porteur du masque 30, notamment un niveau d’oxygénation du sang de l’occupant porteur du masque. Il est aussi possible de mesurer la composition du sang de l’occupant, porteur du masque, via une mesure d’une saturation artérielle de l’hémoglobine SaO2 ou une saturation pulsée de l’hémoglobine SpO2 en oxygène. Ces données seraient mesurées par un saturomètre (SaO2) ou un oxymètre de pouls (SpO2), et utilisées pour mettre en œuvre la boucle de rétroaction.
Par ailleurs, il est également envisageable de connaitre l’état physiologique de l’occupant, porteur du masque, notamment par une analyse des gaz expirés, une mesure de l’activité cérébrale et/ou une mesure du débit sanguin de l’occupant, porteur du masque.
Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association.
Claims (11)
- Système respiratoire (1), notamment pour un aéronef, comprenant :
- un organe de distribution (20, 30), adapté pour délivrer un mélange gazeux à au moins un occupant,
- une entrée de mélange gazeux (11), apte à être reliée à une source (12) de gaz respirable, comprenant une vanne d’admission de mélange gazeux (13), destinée à réguler une proportion de gaz respirable dans le mélange gazeux,
- une entrée de gaz diluant (31), apte à être reliée à une source de gaz diluant, comprenant une vanne d’entrée de gaz diluant (32), destinée à réguler une proportion de gaz diluant dans le mélange gazeux,
- au moins un capteur (15, 35), adapté pour mesurer une information représentative d’une proportion de gaz respirable dans le mélange gazeux délivré par l’organe de distribution (20, 30), et
- un système de contrôle (40), configuré pour réguler la proportion de gaz respirable délivrée en fonction de l’information mesurée et contrôler la vanne d’admission de mélange gazeux (13) et la vanne d’entrée de gaz diluant (32) en fonction de la proportion de gaz respirable délivrée et d’une proportion de gaz respirable désirée.
- Système respiratoire (1) selon la revendication précédente, dans lequel le capteur (15, 35) peut comprendre un premier débitmètre (15), adapté pour mesurer un débit de gaz respirable à travers la vanne d’admission de mélange gazeux, (13) et/ou un deuxième débitmètre (35), adapté pour mesurer un débit de gaz diluant à travers la vanne d’entrée de gaz diluant (32) et/ou un capteur d’oxygène et/ou un capteur physiologique.
- Système respiratoire (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel l’organe de distribution (30) comprend un masque (30) et un moyen de détection d’une phase inspiratoire (36), notamment un capteur de pression (36) en particulier adapté pour mesurer une pression dans un espace interne (33) du masque (30).
- Système respiratoire (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le système de contrôle (40) est configuré pour détecter des inspirations de l’occupant et faire varier des débits et/ou des volumes à travers la vanne d’admission de mélange gazeux (13) et/ou à travers la vanne d’entrée de gaz diluant (32) au cours d’un cycle respiratoire.
- Système respiratoire (1) selon la revendication précédente, dans lequel le système de contrôle (40) est configuré pour contrôler la vanne d’admission de mélange gazeux (13) et la vanne d’entrée de gaz diluant (32) pour délivrer,
- au cours d’au moins une phase initiale (Pi) d’un cycle respiratoire, le mélange gazeux, comprenant par exemple au moins 60% de gaz respirable, en particulier au moins 75% de de gaz respirable et notamment au moins 90% de gaz respirable, et,
- au cours d’au moins une phase finale (Pf) du cycle respiratoire, le mélange gazeux, comprenant par exemple au moins 60% de gaz diluant, en particulier au moins 75% de gaz diluant et notamment au moins 90% de gaz diluant.
- Système respiratoire (1) selon la revendication 4 ou 5, dans lequel le système de contrôle (40) est configuré pour calculer une proportion de gaz respirable moyenne délivrée pendant le cycle respiratoire et pour ajuster les débits à travers la vanne d’admission de mélange gazeux (13) et la vanne d’entrée de gaz diluant (32) au cours des inspirations suivantes en fonction de la proportion de gaz respirable moyenne.
- Système respiratoire (1) selon l’une des revendications 4 à 6, dans lequel le système de contrôle (40) est configuré pour mesurer à plusieurs reprises au cours du cycle respiratoire les débits à travers la vanne d’admission de mélange gazeux (13) et/ou à travers la vanne d’entrée de gaz diluant (32) et contrôler la vanne d’admission de mélange gazeux (13) et la vanne d’entrée de gaz diluant (32) en fonction de la proportion de gaz respirable délivrée et de la proportion de gaz respirable désirée.
- Système respiratoire (1) selon la revendication précédente, dans lequel le système de contrôle (40) est configuré pour contrôler la vanne d’admission de mélange gazeux (13) et/ou la vanne d’entrée de gaz diluant (32) pour délivrer, au cours d’une phase intermédiaire (Pr) du cycle respiratoire, le mélange gazeux comprenant à la fois du gaz respirable et du gaz diluant, la vanne d’admission de mélange gazeux (13) et/ou la vanne d’entrée de gaz diluant (32) fonctionnant à un débit maximal (Dmax).
- Système respiratoire (1) selon la revendication précédente, dans lequel le système de contrôle (40) est configuré pour contrôler la vanne d’admission de mélange gazeux (13) et/ou la vanne d’entrée de gaz diluant (32) pour délivrer, au cours d’une phase de transition (Pt) du cycle respiratoire, le mélange gazeux comprenant à la fois du gaz respirable et du gaz diluant, le débit de gaz respirable diminuant alors que le débit de gaz diluant augmente.
- Système respiratoire (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le système de contrôle (40) est configuré pour mettre en œuvre un calcul de correction de la proportion de gaz respirable dans le mélange gazeux délivré, de type proportionnel ou proportionnel-intégral, à partir de la proportion de gaz respirable délivrée et de la proportion de gaz respirable désirée.
- Procédé de contrôle d’une proportion de gaz respirable dans un mélange gazeux délivré par un système respiratoire (1) selon l’une des revendications précédentes, comprenant au moins :
- une étape de distribution (103), au cours de laquelle un mélange gazeux, comprenant une proportion de gaz respirable et une proportion de gaz diluant, est distribué ;
- une étape de mesure (104), au cours de laquelle au moins un capteur (15, 35) mesure une information représentative d’une proportion de gaz respirable dans le mélange gazeux délivré,
- une étape de calcul (105), au cours de laquelle un système de contrôle (40) calcule la proportion de gaz respirable délivrée,
- une étape de calcul d’écart (106), au cours de laquelle le système de contrôle (40) calcule un écart entre la proportion de gaz respirable délivrée et une proportion de gaz respirable désirée, et
- une étape de contrôle (107), au cours de laquelle, le système de contrôle (40) contrôle la vanne d’admission de mélange gazeux (13) et/ou la vanne d’entrée de gaz diluant (32) pour ajuster un débit à travers la vanne d’admission de mélange gazeux (13) et/ou un débit à travers la vanne d’entrée de gaz diluant (32) en fonction au moins de l’écart calculé.
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Effective date: 20240202 |