JP5074200B2 - 商業航空機の酸素保存システム - Google Patents

Description

本発明は、一般的には、キャビン気圧の低下時に展開するための、商業航空機に極普通に備えられるような緊急酸素供給システムに関する。もっと詳細には、本発明は、供給された酸素が航空機に備えなければならない酸素の全量を減ずるのに使用される、効率を高めることに関する。

約１２０００フィート以上の高度でキャビン気圧が低下したとき、乗客に酸素を供給するために、普通、緊急酸素供給システムが航空機に設置される。このようなシステムは、典型的には、口および鼻の上に合うようになっていて、必要とされたときに頭上収納区画室から解放される顔面マスクを含む。マスクによって供給される補給酸素は、マスクの使用者の血液酸素飽和レベルを、周囲の空気が普通のキャビン気圧高度状態で吸われたならば、経験されるもの以上に高める。それによって提供された酸素の流量は、キャビン気圧が再び確立されるまで、すなわち、より低い安全な高度に到達することができるまで、すべての乗客に酸素を補給するに十分であるように計算される。

このような各顔面マスクにはリザーババッグが取り付けられ、システムの展開時およびプルコードによる個々の顔面マスクの作動時に酸素の一定流量がリザーババッグに差し向けられる。酸素は、最悪ケースのシナリオに順応するように、すなわち、最大の壊滅高度でキャビン気圧が低下したとき平均より早い呼吸速度で呼吸している乗客の要求を平均よりも著しく大きい一回の換気量で満たすように計算される流量で連続的に供給される。マスクと関連した３つの弁の全部は、バッグとマスクとの間、およびマスクと周囲との間の流れを調整するのに役立つ。吸入弁は、乗客が息を吐き出している間並びに呼気後息継ぎ中バッグに流入する酸素をバッグに閉じ込めるのに役立ち、いつでも、マスクからバッグへのいかなる流れをも防止する。乗客が吸入するとき、吸入弁が開いてバッグの中にたまった酸素の吸入に備える。たまった酸素の枯渇時、希釈弁が開いてキャビン空気をマスクに吸引させる。バッグへのおよび開いた希釈弁を通してマスクへの酸素の連続流れは、吸入段階のバランス中吸入されるキャビン空気によって希釈される。呼気中、呼気弁が開いてマスクから周囲への自由な流れを許し、吸入弁はマスクからバッグへの逆流を防止する。３つの弁すべては呼気後息継ぎ中閉じられたままであり、酸素はリザーババッグに流入し続ける。

緊急酸素供給システムの不十分さは、酸素貯蔵手段又は酸素発生器を大きくなるように要求することがあり、したがって必要以上に重くなることがあり、これは、勿論、航空機の搭載能力および燃料消費に悪影響を及ぼす。したがって、酸素の発生、貯蔵、分配又は消費のいずれかに関してこのようなシステムの効率を高めることは減量をもたらすことができる。逆に、同一基準の小型化なしにシステムの効率を高めることはシステムの操作の安全の大きな余裕を与える。したがって、ありうるどんな方法ででも緊急酸素供給システムの効率を高めることが極めて望ましい。

本発明は、キャビン気圧の低下の場合に必要とされる酸素の量を実質的に減少させるために商業航空機に現在使用中である緊急酸素供給システムに固有の欠点を克服する。少ない酸素を機内に持ち込みあるいは発生させる要求により、著しい減量を実現する。変形例として、上述したように、酸素供給源のサイズの減少により、システムを安全の高い余裕で作動させる。

本発明によれば、酸素消費量の減少は、各個々の乗客への酸素の割当てをかかる乗客の実際の要求の関数として調整することによって、事実上、乗客にかかる割当てをもっと効率的に使用させることによって達成される。もっと詳細には、割当て量は各乗客の呼吸速度の関数として調整され、より早い呼吸は、乗客の酸素割当てのより早い供給速度になる。供給された酸素のより効率的な使用は、酸素が肺の最も吸収効率の領域に吸い込まれるように酸素の供給を調時することによって、および供給された酸素の量を、肺のその領域の容積とほぼ一致するように制限することによって引き起こされる。乗客の呼吸量のバランスを満たすためにキャビン空気に頼る。

本発明は、肺のある領域は酸素を血液に移動させることが、他の領域よりももっと効果的であるけれども、効率の最も高い肺の領域が吸入段階中にまず満たされることの事実を利用する。このような領域は、肺の下ローブからなり、典型的な呼吸中に吸入される量のほぼ三分の一を占める。次いで、肺の上ローブが吸入中いっぱいになることであり、典型的な呼吸中に吸入される量のあと三分の一を占め、酸素を血液に移動させることが適度に効果的であるにすぎない。典型的な呼吸中に吸入される量の最後の三分の一は、本質的に酸素移動能力を有しない気管および気管支からなる。吸入される補給酸素の量が吸入段階のスタート時に呼吸管に確実に供給されるようにすることによって、最大き効率を達成することができる。最も効率的な方法で前記補給酸素を供給することは、供給されなければならない量を最小にする。

補給酸素の最小要求量は、以下の一般的な手段によって、所定の分配装置およびキャビン気圧高度のために経験的に決定することができる。

人間主体が高度室内に置かれ、主体には、パルス酸素濃度計又は血液酸素飽和レベルを測定する他の適当な機器が取り付けられる。最初に、呼吸サイクルの最も効率的な点で酸素を分配することから生じる利点を考慮することなく、安全であると知られた流量で選択された分配装置を介して酸素を供給する。次いで、分配流量は、主体の血液酸素飽和に及ぼす変化させた酸素投与量の影響を観察しながら、下方に徐々に調整される。血液酸素飽和が、テスト条件下で安全と考えられる最小値に達したとき、これは、気圧高度および分配装置形態の前記条件にとって最小の投与量と考えられる。テスト主体が引かれる集団に必要な最小投与量を高度の関数として示すのに十分なデータが蓄積されるまで種々のテスト主体を使用して種々の高度でこの実験を繰り返す。

許容的に安全と考えられる最小血液酸素飽和レベルは、求められる安全度および保護を与えられるべき集団の特性のような要因に応じて科学的な判断事項である。民間航空適用の乗客酸素設備を保証するにあたって以前に適用されていた標準のもとでは、テスト主体が１０，０００フィートないし１４，０００フィートの気圧高度で周囲空気を吸っているときに達成される血液酸素飽和と等しい血液酸素飽和は、キャビン加圧低下に続く非常中に遭遇される種類の限られた持続暴露にとって安全であると考えられる。

酸素の割当てが呼吸サイクル毎に吸入に利用できるようにするためには、酸素の供給をトリガーするのに呼吸サイクル中予め選択された事象に頼る。最も好ましい事象は、呼気段階が容易に検出されかつ酸素の割当てを乗客に送る最小の時間をシステムに与えるから呼気段階の始めである。各酸素割当てが乗客毎に同じであるから、乗客の呼吸速度は、割当てが特定の乗客酸素要求を満たし損ねる場合には上昇すると期待される。逆に、乗客の呼吸速度は、万一、酸素割当てがかかる乗客の酸素要求を超えれば、減少すると期待される。所望ならば、酸素マスクの展開は、使用者の最初の吸入に備えて、酸素の初期供給量をリザーバに供給するトリガーとして使用される。

本発明の好ましい実施形態では、緊急酸素供給システムは、圧力センサーが各顔面マスクに取り付けられる程度まで、現在使用されている口鼻マスクとリザーババッグの組み合わせのわずかに変更したものを採用する。圧力センサーは、呼気の際に起こるような、マスク内の圧力上昇を検出するように構成される。加えて、各リザーバへの酸素の流れを制御する流入弁が各リザーバの酸素供給ラインに取り付けられる。本発明のシステム用に実質的に在来の顔面を適合させる能力は、毎回のフライト前にマスクが表明される程度に乗客が馴染んでいる使用者インターフェースが不変のままであるから特に有利である。

本発明の変形実施形態では、圧力センサーは、マスクからある距離に配置され、マスクとセンサーとの間を連絡するチューブ又はダクトが設けられる。マスク内の呼気圧力の存在は、それに対応して、ダクト内に圧力上昇を生じさせ、この圧力は、遠隔に配置された圧力センサーに伝えられて該センサーによって検知される。この実施形態により、センサーを酸素源に近い固定場所に装着され、使用者の顔面と接触するマスクの重量を減じ、かつマスクが経験する機械的な衝撃からセンサーを保護する。

コントローラとして役立つマイクロプロセッサーのような計算装置が、マスクの圧力センサーの各々から入力を受け、かつ各流入弁の開閉のタイミングを決定するためにキャビン内の周囲気圧を測定するセンサーからの追加の入力を受ける。この好ましい実施形態では、各流入弁は、呼気の開始が関連したマスク内で検出されたときに開く。しかるのち短時間流入弁は閉じられる。そのタイミングは検出された周囲気圧の関数であるから、高度を補償することができる。酸素の割当てが乗客の呼気段階中に各乗客のリザーババッグに供給され、割当ての量は高度の関数として調整され、高度が高ければ高いほど割当ては大きくなる。

他の好ましい実施形態では、各マスクと関連した圧力センサーに頼って、乗客の一回換気量を判断するのに必要な情報を提供する。この判断は、呼気弁を通る相対流量を示す呼気圧力の大きさおよび呼気圧力が存在する持続時間を考慮することによってなすことができる。乗客の一回換気量の所望部分と実質的に一致する酸素量をリザーババッグに流入させるように流入弁の閉鎖のタイミングを調整することによって、乗客の酸素要求のタイミングと量の両方を厳密に合致させることができるからより大きな効率を達成することができる。

変形実施形態では、マスクへの酸素の供給のための起動発生は吸入の開始である。その場合には、マスクへの酸素供給量は好ましくは、酸素の所望量が吸入サイクルの好ましい初期部分の間吸入に利用されるのに十分すぐにリザーババッグに確実に分配されるように初期吸入量を上回る。

変形実施形態では、コントローラは所定のマスクからのトリガー信号間の時間を追跡することができる。トリガリング事象のときから経過した時間が所定閾値を超える場合には、流入弁に信号が送られてこれを開き、酸素の増加分を供給する。この増加分は呼吸サイクル内の最適な時間に到達しないけれども、この特徴は、圧力センサーがトリガリング事象を検出し損ねた可能性に対してあるレベルの保護を提供する。

好ましい実施形態では、酸素供給源は、必要とされるときに発生させるのではなく圧力ボンベに収容される。これは、点火システムを不要にし、熱の発生も残留物の発生も伴わないし、下流圧力は容易に調整され、流量は容易に変えられる。加えて、簡単な圧力ゲージにより、システムの備えを絶えず監視し、低圧力ボンベは容易に識別でき、それを容易に交換してシステムを完全な操作可能性に回復させる。

本発明のこれらおよび他の利点は、図面と関連して取られ、発明の原理を例示として示す下記の詳細な説明から明らかになろう。

図は本発明の好ましい実施形態を図示する。緊急酸素供給システムは、キャビン気圧の低下の場合に使用するための、航空機に積まれた酸素の分配および消費の効率を高めるものである。緊急酸素供給システムの展開時、酸素は、各個々の乗客の呼吸速度の関数として個々の乗客に分配される。各乗客への酸素の各割当ての供給は、酸素を血液に移動させるのに最も効率的である肺の領域に酸素を確実に吸い込むように調時され、各割当て量は肺のかかる領域の概算容積と一致するように選択される。

図１は本発明の使用者インターフェース１２の概略図である。口鼻マスク１４は乗客１６の顔面に合うように構成され、かつ頭の背面に延びる弾性バンド１８によって適所に保持される。膨張可能なリザーババッグ２０がマスクに取り付けられ、供給導管２２と流体連通しており、バッグへの酸素の流入は流入弁２４によって制御される。マスクは、バッグに蓄積した酸素が吸入中マスクに吸い込ませるように、かつマスクからバッグへの流入を阻止するように構成された吸入弁２６を含む。マスクは、周りのキャビン空気を、バッグの中が空になった後にのみマスクに吸い込まれるように構成された希釈弁２８をさらに含む。マスクはまた、吐き出された息をキャビンの中へ放出させるように構成された呼気弁３０を含む。マスクに取り付けられた圧力センサー３２は、呼気によって引き起こされるような正圧が検出されたとき信号を発生する。コントローラ３４は圧力センサーから入力を受け、流入弁を開閉するのに役立つ。

図２は、本発明の緊急酸素供給システム３６の概略図である。圧縮酸素の１つ以上のボンベ３８が酸素の所要供給を蓄えるのに役立つ。調整器４０が、導管４２のネットワークを介して個々の使用者のインターフェース１２に分配される酸素の圧力を減じ、各個々のリザーババッグ２０への酸素の流量はそれぞれの流入弁２４によって制御される。コントローラ３４は各個々の圧力センサー３２並びにホストコンピュータ４４から入力を受け、ホストコンピュータは、キャビン内の周囲気圧を監視する圧力センサー４６からの入力並びにバス４８を介してコントローラおよびフライトデッキからの入力を受ける。

使用中、酸素供給の備えは、ボンベ３８の内圧を監視することによって容易に確かめられる。万一標準以下の圧力が検出されたならば、酸素ボンベを交換するか酸素を補給するかのいずれかである。キャビン気圧の低下が起こるとき、すべての乗客インターフェース１２が頭上収納区画室から解放され、酸素の圧力調整された供給が分配ネットワーク４２の中へ解放される。個々の乗客インターフェースの作動は、顔面マスク１４を選択しかつマスクの中へ吸い込むことによって行われる。呼気はセンサー３２によって検出され、コントローラ３４は顔面マスクと関連した流入弁２４を開かせ、関連したリザーババッグ２０に酸素を流入させる。コントローラは、周囲のキャビン気圧に照らして必要とされる酸素の量を計算して適正な時間後流入弁を閉じる。システムの酸素圧力は、好ましくは、酸素の所望量が呼気に要する時間内にリザーババッグに供給できるようなレベルに調整される。乗客の呼気後息継ぎ中、供給された酸素はリザーババッグの中に保持される。吸入時、図１に示す吸入弁２６により、リザーババッグ内の酸素のすべてが吸入されて乗客の肺下ローブを満たし、ここで最も効率的な酸素移動が起こる。リザーババッグの中が空になったとき、さらなる吸入によりマスクの希釈弁が開いて、乗客の呼吸の要求は周囲のキャビン空気によって満たされる。呼気により、シーケンスが繰り返される。

システムの形態により、各リザーババッグが充填される頻度を乗客の呼吸の呼吸速度に合致させる。万一特定の乗客によって受け入れられる酸素の量がその特定の乗客の酸素要求を満たし損ねるならば、呼吸速度が増するように期待され、それによって酸素の割当てを乗客に供給する頻度を増す。反対に、万一各呼吸サイクル中特定の乗客によって受け入れられる酸素の量がかかる乗客の酸素要求を超えるならば、乗客の呼吸速度が減少するように期待され、それによって、乗客への酸素の正味流量を減らす。

本発明の範囲内で、所望ならば、安全率を与えるために、供給される量を必要とされる絶対最小量以上に選択的に増加させてもよい。

全体の酸素割当てが吸入段階の開始時直ちに吸入に利用できるように各乗客への酸素の供給を調時することによって、供給された補給酸素は、酸素を血液に移動させるのに最も効率的である肺の領域に吸入される。補給酸素が最も効率的な方法で供給されるので、所定の所望程度の血液酸素添加を達成するのに必要な補給酸素の量を最小にする。

化学的な酸素発生器よりはむしろ圧縮空気の信頼性により、分配ネットワーク全体の酸素の正味流量を、圧力又は熱の増大に順応させなくても、酸素の正味要求量に合致させる。圧縮酸素供給、すなわちボンベ圧力の備えも、固体化学および点火方式の備えよりももっと容易に確かめられる。それによって、沢山の酸素発生器を周期的に交換する、コスト高で時間浪費の要求を完全に除去する。

酸素の供給を乗客の要求に実質的に合致させることによって、緊急酸素供給システムの効率を最大にし、酸素の消費を最小にする。このような効率の増大により、酸素供給のサイズを、現在使用中であるような効率の悪いシステムと比較したとき、減少させ、それによって、実質的な重量の減少を実現する。重量減少は、航空機の燃料消費の減少およびまたは搭載能力の増加に転換される。

本発明の特定な形態を説明しかつ図示したけれども、発明の精神と呼び範囲から逸脱することなく種々の変更をすることができることは当業者にとって明らかであろう。したがって、発明は添付の特許請求の範囲による以外限定されるべきではない。

本発明の緊急酸素供給システムの概略図である。 本発明の緊急酸素供給システムの概略図である。

Claims (21)

1. キャビン気圧の低下の場合に航空機内の乗客に酸素を供給するための酸素供給システムであって、
   酸素源と、
   前記酸素源から流れる酸素の量を蓄積するためのリザーババッグと、
   顔面マスクであって、前記乗客に各呼吸サイクル中キャビン空気を吸入させる前に、前記マスクを着用している乗客に前記リザーババッグから前記蓄積した量の酸素を吸入させるように構成された前記顔面マスクと、
   個々の乗客の酸素要求のタイミングに合わせて、呼吸サイクル中、前記リザーババッグへの酸素の流れを、リザーババッグに蓄積される酸素の予め選択された量を供給する時間に制限するための流入弁と、を含む、酸素供給システム。
2. 酸素の予め選択された量は、普通のキャビン気圧で乗客に予め選択された酸素飽和を維持するのに十分な酸素の量からなる、請求項１に記載の酸素供給システム。
3. 前記流入弁は、個々の乗客の吸入段階中閉鎖されたままである、請求項１に記載の酸素供給システム。
4. 前記流入弁は、個々の乗客の呼気段階中開かれる、請求項３に記載の酸素供給システム。
5. 前記顔面マスク内の正圧を検出するように構成された圧力センサーをさらに含む、請求項１に記載の酸素供給システム。
6. 前記流入弁は、前記圧力センサーによる前記顔面マスク内の正圧の検出時直ちに開かれる、請求項５に記載の酸素供給システム。
7. 酸素の前記選択された量は、前記乗客による吸入前に前記リザーババッグに供給される、請求項６に記載の酸素供給システム。
8. 酸素の前記選択された量は、前記乗客の呼気段階の完了前に前記リザーババッグに供給される、請求項７に記載の酸素供給システム。
9. 前記圧力センサーに応答しかつ前記流入弁を開閉するように作動するコントローラをさらに含む、請求項５に記載の酸素供給システム。
10. 前記コントローラは、前記酸素の量をキャビン気圧の関数として選択する、請求項９に記載の酸素供給システム。
11. 前記酸素源は圧縮酸素ガスの容器からなる、請求項１に記載の酸素供給システム。
12. キャビン気圧の低下の場合に航空機内の乗客に酸素を供給するための酸素供給システムであって、
    酸素源と、
    前記酸素源から酸素の流れを受けるための各乗客用のリザーババッグと、
    顔面マスクであって、乗客の一回換気量のバランスを満たすために、前記マスクを着用している乗客に、キャビン空気を吸入する前に前記リザーババッグ内に蓄積された酸素を吸入させるように構成された前記顔面マスクと
    個々の乗客の酸素要求のタイミングに合わせて、呼気段階中、酸素の予め選択された量を供給し、個々の乗客の吸入段階中、前記リザーババッグへの酸素の流れを阻止するための流入弁と、を含む、酸素供給システム。
13. 前記流入弁は、個々の乗客の呼気段階中開かれる、請求項１２に記載の酸素供給システム。
14. 前記流入弁は、平均的な乗客の一回換気量よりも少ない酸素の量を前記リザーババッグ内に蓄積させるに十分な時間開かれる、請求項１２に記載の酸素供給システム。
15. 酸素の前記蓄積した量は、平均的な乗客の一回換気量のほぼ三分の一に符合する、請求項１４に記載の酸素供給システム。
16. 前記顔面マスク内の正圧を検出するための圧力センサーをさらに含む請求項１２に記載の酸素供給システム。
17. 前記流入弁は、前記圧力センサーによる前記顔面マスク内の正圧の検出時直ちに開かれる、請求項１６に記載の酸素供給システム。
18. 前記酸素は、前記乗客の呼気段階の完了前に前記リザーババッグに供給される、請求項１７に記載の酸素供給システム。
19. 前記圧力センサーに応答しかつ前記流入弁を開閉するように作動するコントローラをさらに含む、請求項１２に記載の酸素供給システム。
20. 前記コントローラは、周囲のキャビン気圧の関数として前記流入弁の閉鎖を遅らせる、請求項１９に記載の酸素供給システム。
21. 前記酸素源は圧縮酸素ガスの容器からなる、請求項１２に記載の酸素供給システム。

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