WO2003045501A1 - Procede et dispositif de protection des passagers d'un aeronef contre l'hypoxie - Google Patents

Procede et dispositif de protection des passagers d'un aeronef contre l'hypoxie Download PDF

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WO2003045501A1
WO2003045501A1 PCT/FR2002/003769 FR0203769W WO03045501A1 WO 2003045501 A1 WO2003045501 A1 WO 2003045501A1 FR 0203769 W FR0203769 W FR 0203769W WO 03045501 A1 WO03045501 A1 WO 03045501A1
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WO
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bag
inhalation
mask
fraction
oxygen
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PCT/FR2002/003769
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English (en)
Inventor
Eric Farin
Michel Bardel
Nicolas Bloch
Original Assignee
Intertechnique
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Publication date
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Priority to CA002468813A priority patent/CA2468813C/fr
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Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A62—LIFE-SAVING; FIRE-FIGHTING
    • A62B—DEVICES, APPARATUS OR METHODS FOR LIFE-SAVING
    • A62B7/00—Respiratory apparatus
    • A62B7/14—Respiratory apparatus for high-altitude aircraft

Definitions

  • the invention relates to systems intended to protect the passengers of an aircraft against the effects of depressurization of the cabin at high altitude by providing them with the oxygen necessary for survival.
  • FIG. 1 The principle used in most current systems is illustrated in FIG. 1.
  • the aircraft carries a source of oxygen (oxygen cylinder or chemical generator, known as a "candle"), or on-board generator of pressurized air very enriched in oxygen. ) which supplies one or more general pipes.
  • a source of oxygen oxygen cylinder or chemical generator, known as a "candle”
  • on-board generator of pressurized air very enriched in oxygen. which supplies one or more general pipes.
  • a source of oxygen oxygen cylinder or chemical generator, known as a "candle”
  • general pipes for each location intended to be occupied by a passenger, at least one oro-nasal mask 10 is provided, connected to the general line 12 by a supply path comprising a non-return inspiration valve 14, a flexible economiser bag. 16, a connection tube 18 provided with a constriction 20 for limiting the flow and a valve, not shown, which opens when the passenger
  • the mask further comprises an exhalation valve 22 and an additional inspiratory valve 24 calibrated to be slightly resistant. This valve 24 allows, if the oxygen flow admitted from the bag is less than the instant inspiratory demand of the wearer of the mask, to inhale an additional amount of outside air.
  • the flexible economiser bag makes it possible to adapt the continuous flow coming from the source to the respiratory cycle of the wearer: this economiser bag 16 stores the oxygen supplied during the expiratory phase of the cycle. It generally has a volume of between 500 ml and 1000 ml when inflated. The volume of oxygen thus stored is available during the next inhalation and completes the quantity of oxygen which continues to be supplied through the constriction 20.
  • the continuous flow rate supplied by the oxygen source is usually expressed in volume reduced to normal conditions of temperature and pressure, called NTPD, per minute.
  • the current FAR 25 1443 c regulation leads to give, to the control center which fixes the flow rate supplied to the mask by adjusting the pressure upstream of the throttle supplying the masks, an operation such as the total oxygen flow rate NTPD supplied to each passenger varies: - from 3.8 to 0.75 liters per minute from 40,000 to 18,500 feet (from approximately 12,200 to 5,600 meters),
  • the present invention aims in particular to provide a method and a device making it possible to considerably increase the part of the oxygen admitted to the mask which is actually used and therefore to correlatively reduce the flow of oxygen to be supplied by the source.
  • the invention aims to make it possible to reduce the mass and the volume of the oxygen sources. If it is an oxygen reserve, the mass of on-board oxygen can be reduced, to a given value of the maximum time the aircraft is held after depressurization at altitudes requiring the supply of oxygen to passengers. If it is an on-board generator of air very enriched in oxygen (usually more than 90%), the oxygen flow capacity and therefore the weight can be reduced. Or, alternatively, we can tolerate longer durations of the airplane in flight at the altitudes for which fuel consumption is reduced, but where oxygen supply is required.
  • each mask of which is provided, in addition to the economizer bag, with a re-inhalation bag (patent FR 83 20941) and the control unit of which reduces the oxygen flow beyond an altitude. determined, typically 12,000 meters.
  • the aim sought by the addition of this flexible re-inhalation or rebreathing bag was to induce the wearer to inhale a mixture having an increased carbon dioxide content which increases pulmonary ventilation, in order to allow the use of the passenger mask at increased cabin altitudes, exceeding 12,700 m, without oxygen pressurization.
  • the additional bag stores exhaled gas rich in carbon dioxide and returns it to the mask during the next inspiration.
  • the economizer bag remains classic in its characteristics and the oxygen flow is unchanged up to 12,000 meters. It has also been found that the levels of CO2 necessary for a sufficient excitation of the respiratory risk cause physiological disorders.
  • the invention provides a method and a device making it possible to recover part of the oxygen rejected during expiration with a view to re-inhaling it on the next inspiration, avoiding increasing by excessively the carbon dioxide content of the inhaled gases, that is to say by limiting hypercapnia to a level which does not cause physiological disturbance even after a significant period. It has been found that, to protect passengers against a major malfunction of the cabin atmosphere conditioning system, leading to rapid depressurization, inspiratory hypercapnia must not exceed 2 kPa on average over all of the volume of gas which participates in the alveolar gas exchanges (alveolar volume).
  • alveolar volume the part of the inspired gas volume which actually arrives at the alveolar gas exchange zones, as opposed to the dead volume which remains in the upper airways and in the gas conduits external to the subject and which, by definition , does not participate in gas exchanges.
  • the invention therefore proposes a method for protecting the passengers of an aircraft against the effects of depressurization of the cabin at high altitude, according to which, for cabin altitudes above a determined level (for example 3000 meters or 10,000 feet), the respiratory masks are supplied with oxygen with a flow rate which is an increasing function of cabin altitude, through a flow restriction throttle and an economiser bag and a re-inhalation of only a first fraction of the gas exhaled by collecting this first fraction in a flexible re-inhalation bag, the volume of which in the inflated state is at least equal to the dead volume of the whole respiratory tract - mask, in communication with the mask.
  • the re-inhaled gas has an oxygen content which remains much higher than that of the atmosphere.
  • the flow of oxygen supplied by the source is reduced compared to the usual values currently mentioned above, for example by acting on the supply pressure supplied by the source and / or on the straight section of the throttle which constitutes a sonic neck giving the flow rate which passes through it a value which depends only on the passage section and / or on the upstream pressure.
  • the value of 3000 meters is based on the FAR rules on the date of filing of this request but may vary to comply with the regulations.
  • the invention When the invention is implemented in a system supplying highly enriched air and not pure oxygen, the capacity of the saving bag and the optimal volume of the re-inhalation bag are to be reduced and the flow rate which feeds the mask should be increased accordingly.
  • the invention can also be implemented on an aircraft where the oxygen necessary for one or more passengers is supplied by a chemical generator known as a "candle", the law of variation of supply of oxygen flow as a function of time, at from the trigger, is fixed and cannot be modified.
  • the respiratory masks are still supplied with oxygen from the chemical generator through an economizer bag and a first fraction of the exhaled gases is re-inhaled by collecting this first fraction in a flexible re-inhalation bag, the volume in the inflated state is at least equal to the dead volume of the entire respiratory tract - mask, in communication with the mask, the said chemical generator being intended to, from the moment it is put into service, supply a flow which decreases as a function of time according to a law determined as a function of the nominal descent profile of the aircraft from its nominal cruising altitude and which is only a fraction of the flow which would be necessary in the absence of the re-inhalation bag .
  • the flow variation law is for example determined in advance by the choice of the shape of the candle.
  • the invention also provides a device for protecting the passengers of an aircraft against the effects of depressurization of the cabin at high altitude, comprising: - a central supply unit supplying, in operation, a continuous flow rate adjustable to general driving , from a source of pure oxygen or highly enriched air under pressure,
  • the said central unit comprising means for regulating the flow rate (typically by adjusting the pressure) in the pipe as a function of the ambient pressure to which the mask wearers are subjected, in order to limit the flow of additional oxygen supplied masks at only a fraction of the flow that would be required in the absence of re-inhalation; the flow can be increased to allow the inhalation of practically pure oxygen above a determined altitude.
  • FIG. 2 is a curve representing the additional oxygen flow rate to provide to passengers as a function of altitude, in accordance with standards
  • FIG. 3 is a diagram showing the variation as a function of time, of the volume inspired or expired during a typical respiratory cycle.
  • the expiration successively comprises the expulsion of the "dead volume” devoid of CO 2 , of a transient phase, then of a expiration phase of the alveolar volume.
  • the CO 2 concentration can be represented as a function of the evolution of the volume returned during expiration as having a final part, called “pseudo-plato-alveolar", which can be represented by a line with a slightly positive slope.
  • the expired volume per minute is between 6 and 8 liters
  • the ventilatory frequency is approximately 12 per minute
  • the total ventilated volume V ⁇ is 0.5 to 0.7 dm 3
  • the " dead volume "DV is approximately 0.15 to 0.18 dm 3 when the subject wears an oro-nasal mask.
  • the beginning of the alveolar pseudoplate corresponds to a partial CO 2 pressure of 5 kPa and the end to around 6 kPa.
  • the invention uses the existence of the volume VD to allow the reinspiration of a fraction of the expired volume which is not enriched or is only slightly enriched in CO 2 .
  • VD volume of the expired volume which is not enriched or is only slightly enriched in CO 2 .
  • the invention makes use of the fact that hypercapnia corresponding to an average partial pressure of 2 kPa during inspiration is acceptable. It generally has to take into account that the wearer of the mask can be a child, for whom the above values are no longer valid, or an anxious wearer. But a basic principle of the invention remains constituted by the recovery of the first part of the expiration, free of CO 2 or low in CO 2 content.
  • the volume of CO 2 re-inhaled is approximately 14 cm 3 .
  • This volume can be further reduced if measures are taken to readmit gases from the previous expiration only during the last fraction of inspiration, which is precisely the one that will remain in the dead volume.
  • the supply of oxygen necessary for the wearer of the mask can be reduced substantially to 3/8 th of the quantity required in the absence of re-inhalation.
  • the gas with a high oxygen content and a low carbon dioxide content is stored in the re-inhalation bag for a period t3.
  • the duration t3 can be adjusted by various means, such as the choice of the volume of the re-inhalation bag and also by adjusting the resistance to the opening of the exhalation valve towards the atmosphere. Often the setting of these parameters will lead to interrupt the transfer of gas to the re-inhalation bag as soon as the pressure is around 3 hPa. After filling the mask, and for a period t4, the expiration is made towards the atmosphere.
  • the economizer bag 16 and the flexible re-inhalation bag 28 are separated.
  • the economizer bag 16 opens into the mask by means of a non-return valve 14 practically offering no resistance to inspiration.
  • the exhalation valve 22 to the atmosphere is provided with elastic return means intended to delay evacuation to the atmosphere, in order to allow filling of the re-inhalation bag 28, that is to say to delay , until the end of duration t3, the exhaust to the atmosphere.
  • the re-inhalation bag 28 opens into the mask 10. In a simple embodiment, it opens directly. It is however preferable to have, between the re-inhalation bag 28 and the mask, means allowing: - to store the first fraction of the expired gas (period t3), which implies not to offer resistance to filling,
  • the means of communication between the bag 28 and the mask can be constituted by a double valve 30 of the kind shown in FIG. 5.
  • the valve comprises an exhalation valve 32 provided with a return spring 34 exerting only '' a very weak force, just sufficient to keep the exhalation valve closed at rest.
  • a valve 36 for inspiration from the bag is urged towards closure by a spring 38 delaying inspiration until the appearance of a depression in the mask.
  • Such a constitution alleviates the problem of the use of the mask by children; due to their low total volume VT, they will essentially inspire oxygen arriving through the economizer bag.
  • the two bags are connected to each other, which, among other advantages, has that of facilitating storage.
  • the two bags are defined in the same inextensible external envelope 40 and by a flexible membrane 42 for separation.
  • the enclosure 40 can be rigid but, for storage needs, it will generally be flexible.
  • the re-inhalation bag can only be filled if the saving bag has been emptied during the previous part of the inhalation.
  • a functionally equivalent arrangement to that of FIG. 7 consists in placing the economiser bag in the re-inhalation bag, the external wall of which then constitutes the equivalent of the enclosure or envelope 40.
  • a yet another arrangement is to place the re-inhalation bag in the economizer bag.
  • the table below shows the oxygen consumption required for different volumes of the re-inhalation bag (the value 0 corresponds to the absence of bag).
  • a 500 cm 3 re-inhalation bag makes it possible to reduce the oxygen flow required to half its current value at most elevations. By increasing the volume of the bag, the required oxygen flow can be further reduced. A volume of 600 cm 3 is still acceptable. Beyond this, there is a risk of instability for poor ventilation, and in particular for children. In addition, a value of 750 cm 3 would also be out of the norm for altitudes below approximately 5 600 m.
  • a passenger transport aircraft is fitted with one installation, or several installations each assigned to a portion of the cabin, having an oxygen source 48 (oxygen cylinder or on-board generators).
  • a distribution center 46 supplies the pipes 50 intended to supply the masks (FIG. 4).
  • the central unit 46 is generally designed to supply the pipes 50 under a variable pressure as a function of the altitude, either in stages, or gradually.
  • the flow rate is adjusted indirectly by controlling the oxygen pressure admitted into the pipes 50.
  • the flow rate is advantageously adjusted so as to provide an additional oxygen flow rate at least equal to that required, as defined in the table above.
  • the central unit 46 is controlled, automatically in response to the detection of depressurization by sensors or, if necessary, manually, so as to supply the pipes. If the aircraft is at an altitude such that it would not be possible to supply the passengers with a sufficient flow of additional oxygen for the entire time necessary to arrive at a diversion airport, the crew gradually reduces the altitude up to a value that is compatible with both the security of passengers and with fuel consumption. The aircraft will often be brought to an altitude less than or equal to 35,000 feet or 11,500 meters, which corresponds to an additional oxygen consumption reduced by 15% compared to around 40,000 feet, according to a descent profile over time. which is assigned to the aircraft.
  • the source of oxygen can be constituted by one or chemical generators each supplying one or a few masks. In this case, the flow of oxygen supplied cannot be controlled at will.
  • the generator Once the generator has been triggered, it provides a flow whose evolution over time has been fixed during manufacture. This evolution is determined to decrease according to a law determined according to the descent profile of the aircraft from its nominal cruising altitude to the altitude at which it is maintained during the diversion.
  • the chemical generators are provided so that the law of variation of the flow rate as a function of time takes account of the savings on the volume of additional oxygen required that allows re-inhalation. It follows that the on-board chemical generators will have a much lower oxygen supply capacity than that required in the absence of re-inhalation.

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Abstract

Pour protéger les passagers d'un aéronef contre les effets d'une dépressurisation de la cabine, on alimente les masques respiratoires en oxygène avec un débit qui est une fonction croissante de l'altitude cabine à travers un étranglement et un sac économiseur et on provoque une ré-inhalation d'une première fraction seulement des gaz expirés en recueillant cette première fraction dans un sac souple de ré-inhalation, dont le volume à l'état gonflé est au moins égal au volume mort de l'ensemble voies respiratoires - masque et qui communique avec le masque. Un dispositif de protection comprend une centrale d'alimentation (46) fournissant un débit réglable aux masques (10) reliés à la conduite générale par l'intermédiaire du sac économiseur (16). Le sac de ré-inhalation (28) retarde la ré-inhalation et ne stocke qu'une fraction initiale des gaz expirés à chaque exhalation. La centrale comporte des moyens de régulation en fonction de la pression ambiante pour limiter le débit d'oxygène additionnel amené aux masques à une fraction seulement du débit qui serait nécessaire en l'absence de ré-inhalation.

Description

PROCEDE ET DISPOSITIF DE PROTECTION DES PASSAGERS D'UN AERONEF CONTRE L'HYPOXIE
L'invention concerne les systèmes destinés à protéger les passagers d'un aéronef contre les effets d'une dépressurisation de la cabine à haute altitude en leur fournissant l'oxygène nécessaire à la survie.
Le principe utilisé dans la plupart des systèmes actuels est illustré en figure 1. L'aéronef emporte une source d'oxygène (bouteille d'oxygène ou générateur chimique, dit "chandelle", ou générateur embarqué d'air sous pression très enrichi en oxygène) qui alimente une ou des conduites générales. Il est prévu, pour chaque emplacement destiné à être occupé par un passager, au moins un masque oro-nasal 10 relié à la conduite générale 12 par un trajet d'alimentation comportant un clapet d'inspiration 14 anti-retour, un sac économiseur souple 16, un tube raccord 18 muni d'un étranglement 20 de limitation de débit et un robinet non représenté qui s'ouvre lorsque le passager tire sur le masque pour l'appliquer contre son visage. Le masque comporte de plus un clapet d'expiration 22 et une soupape inspiratoire additionnelle 24 tarée pour être légèrement résistante. Cette soupape 24 permet, si le débit d'oxygène admis à partir du sac est inférieur à la demande inspiratoire instantanée du porteur du masque, d'inhaler une quantité additionnelle d'air extérieur.
Le sac économiseur souple permet d'adapter le débit continu provenant de la source au cycle respiratoire du porteur: ce sac économiseur 16 stocke l'oxygène fourni pendant la phase expiratoire du cycle. Il a généralement un volume compris entre 500 ml et 1000 ml lorsqu'il est gonflé. Le volume d'oxygène ainsi stocké est disponible pendant l'inhalation suivante et complète la quantité d'oxygène qui continue à être fournie à travers l'étranglement 20.
Le débit continu fourni par la source d'oxygène est habituellement exprimé en volume ramené aux conditions normales de température et de pression, dites NTPD, par minute. Le règlement FAR 25 1443 c actuel amène à donner, à la centrale de commande qui fixe le débit fourni au masque par réglage de pression en amont de l'étranglement alimentant les masques, un fonctionnement tel que le débit total d'oxygène NTPD fourni à chaque passager varie : - de 3, 8 à 0,75 litres par minute de 40 000 à 18 500 pieds (de 12 2OO à 5600 mètres environ) ,
- de 0,75 litre par minute à 0 de 18 500 à 10 000 pieds (de 5600 à 3050 mètres) .
Ce type de fonctionnement conduit à une loi de variation du débit en fonction de l'altitude qui présente une discontinuité à 18 500 pieds. Cette discontinuité apparaît sur la figure 2 qui montre une courbe type de variation donnant les minima en fonction de l'altitude de vol.
Dans un dispositif classique à sac économiseur, on utilise seulement 0,3-0,6 litre NTPD par minute d'oxygène effectivement pour les besoins du métabolisme du porteur, suivant qu'il est calme ou stressé. La majeure partie de l'oxygène fourni est donc restitué au milieu ambiant avec les gaz expirés. La partie réellement nécessaire de l'oxygène administré est de l'ordre de 15% à haute altitude et de moins de 30% à altitude plus basse.
La présente invention vise notamment à fournir un procédé et un dispositif permettant d'augmenter considérablement la partie de l'oxygène admis au masque qui est effectivement utilisée et donc de diminuer corrélativement le débit d'oxygène à fournir par la source. En corollaire, l'invention vise à permettre de réduire la masse et le volume des sources d'oxygène. S'il s'agit d'une réserve d'oxygène, on peut réduire la masse d'oxygène embarquée, à valeur donnée du temps maximum de maintien de l'avion après dépressurisation à des altitudes exigeant la fourniture d'oxygène aux passagers. S'il s'agit d'un générateur embarqué d'air très enrichi en oxygène (habituellement à plus de 90%), la capacité de débit d'oxygène et donc le poids peuvent être réduits. Ou, alternativement, on pourra tolérer des durées de maintien plus élevées de l'avion en vol aux altitudes pour lesquelles la consommation de carburant est réduite, mais où la fourniture d'oxygène est nécessaire.
On a déjà proposé un système dont chaque masque est muni, en plus du sac économiseur, d'un sac de ré-inhalation (brevet FR 83 20941 ) et dont la centrale de commande réduit le débit d'oxygène au delà d'une altitude déterminée, typiquement 12 000 mètres. Le but recherché par l'addition de ce sac souple de ré-inhalation ou « rebreathing » était d'amener le porteur à inhaler un mélange ayant une teneur accrue en gaz carbonique qui augmente la ventilation pulmonaire, cela afin de permettre d'utiliser le masque passager à des altitudes cabine accrues, dépassant 12 700 m, sans pressurisation de l'oxygène. Le sac supplémentaire stocke du gaz expiré riche en gaz carbonique et le restitue au masque lors de l'inspiration suivante. Le sac économiseur reste classique dans ses caractéristiques et le débit d'oxygène est inchangé jusqu'à 12 000 mètres. Il s'est de plus avéré que les taux de CO2 nécessaires à une excitation suffisante du risque respiratoire provoquaient des troubles physiologiques.
Pour arriver au résultat recherché, l'invention fournit un procédé et un dispositif permettant de récupérer une partie de l'oxygène rejeté au cours de l'expiration en vue de le ré-inhaler à l'inspiration suivante, en évitant d'augmenter de façon excessive la teneur des gaz inhalés en dioxyde de carbone, c'est à dire en limitant l'hypercapnie à un taux ne provoquant pas de trouble physiologique même après une durée importante. Il a été constaté que, pour assurer la protection des passagers contre un dysfonctionnement majeur du système de conditionnement de l'atmosphère de la cabine, conduisant à une dépressurisation rapide, l'hypercapnie inspiratoire ne doit pas dépasser 2 kPa en moyenne sur l'ensemble du volume de gaz qui participe aux échanges gazeux alvéolaires ( volume alvéolaire). On désigne par "volume alvéolaire" la partie du volume de gaz inspiré qui arrive effectivement aux zones d'échanges gazeux alvéolaires, par opposition au volume mort qui reste dans les voies aériennes supérieures et dans les conduits gazeux externes au sujet et qui, par définition, ne participe pas aux échanges gazeux. L'invention propose en conséquence un procédé de protection des passagers d'un aéronef contre les effets d'une dépressurisation de la cabine à haute altitude, suivant lequel, pour les altitudes cabine supérieures à un niveau déterminé ( par exemple 3000 mètres ou 10 000 pieds), on alimente les masques respiratoires en oxygène avec un débit qui est une fonction croissante de l'altitude cabine, à travers un étranglement de limitation de débit et un sac économiseur et on provoque une ré-inhalation d'une première fraction seulement des gaz expirés en recueillant cette première fraction dans un sac souple de ré-inhalation, dont le volume à l'état gonflé est au moins égal au volume mort de l'ensemble voies respiratoires - masque, en communication avec le masque. Le gaz ré-inhalé a une teneur en oxygène qui reste très supérieure à celle de l'atmosphère.
Corrélativement on réduit le débit d'oxygène fourni par la source par rapport aux valeurs habituelles actuellement, mentionnées ci-dessus, par exemple en agissant sur la pression d'alimentation fournie par la source et/ ou sur la section droite de l'étranglement qui constitue un col sonique donnant au débit qui le traverse une valeur qui ne dépend que de la section de passage et/ou de la pression amont.
Pour une utilisation optimale on peut retarder la ré-inhalation à partir du sac jusqu'à absorption de la majeure partie au moins de l'oxygène contenu dans le sac économiseur, par exemple en retardant l'ouverture d'une communication entre le sac de ré-inhalation et le masque au cours de l'inhalation. Ce résultat peut être obtenu en plaçant, entre le sac et le masque, un clapet taré pour ne s'ouvrir que lorsque la dépression créée par l'inspiration dépasse un seuil qui n'est atteint qu'une fois le sac économiseur vidé, mais qui n'est pas encore suffisante pour qu'il y ait aspiration depuis l'atmosphère ambiante.
La valeur de 3000 mètres est fondée sur les règles FAR au jour du dépôt de la présente demande mais est susceptible de varier pour respecter les règlements. Lorsque l'invention est mise en œuvre dans un système fournissant de l'air très enrichi et non pas de l'oxygène pur, la capacité du sac économiseur, et le volume optimal du sac de ré-inhalation sont à réduire et le débit qui alimente le masque doit être accru en conséquence. L'invention peut également être mise en œuvre sur un aéronef où l'oxygène nécessaire à un ou plusieurs passagers est fournie par un générateur chimique dit « chandelle » dont la loi de variation de fourniture de débit d'oxygène en fonction du temps, à partir du déclenchement, est fixée et non modifiable. Dans ce cas on alimente encore les masques respiratoires en oxygène provenant du générateur chimique à travers un sac économiseur et on provoque une ré-inhalation d'une première fraction seulement des gaz expirés en recueillant cette première fraction dans un sac souple de réinhalation, dont le volume à l'état gonflé est au moins égal au volume mort de l'ensemble voies respiratoires - masque, en communication avec le masque, le dit générateur chimique étant prévu pour, à partir de l'instant où il est mis en service, fournir un débit qui décroît en fonction du temps suivant une loi déterminée en fonction du profil de descente nominal de l'aéronef de son altitude de croisière nominale et qui est une fraction seulement du débit qui serait nécessaire en l'absence du sac de ré-inhalation. La loi de variation de débit est par exemple déterminée à l'avance par le choix de la forme de la chandelle.
L'invention propose également un dispositif de protection des passagers d'un aéronef contre les effets d'une dépressurisation de la cabine à haute altitude, comprenant : - une centrale d'alimentation fournissant, en fonctionnement, un débit continu réglable à une conduite générale, à partir d'une source d'oxygène pur ou d'air très enrichi sous pression,
- des masques respiratoires sans régulateur à la demande reliés à la conduite générale, généralement par l'intermédiaire d'un étranglement, et par l'intermédiaire d'un sac économiseur, - et un sac souple de ré-inhalation relié au masque par des moyens établissant une entrée libre des gaz depuis le masque et retardant la réinhalation lors de l'inspiration, de volume tel qu'il ne stocke qu'une fraction initiale des gaz expirés à chaque exhalation, - la dite centrale comportant des moyens de régulation du débit (typiquement par réglage de la pression) dans la conduite en fonction de la pression ambiante à laquelle sont soumis les porteurs de masque, pour limiter le débit d'oxygène additionnel amené aux masques à une fraction seulement du débit qui serait nécessaire en l'absence de ré-inhalation ; le débit peut être augmenté jusqu'à permettre l'inhalation d'oxygène pratiquement pur au-dessus d'une altitude déterminée.
Par "oxygène pratiquement pur" il faut entendre du gaz dont la teneur volumique en oxygène est celle fournie par la source. Pour respecter les règlements FAR, un débit d'oxygène non dilué (sauf par de la vapeur d'eau) correspondant à la totalité des besoins des passagers doit être fourni dès
40 000 pieds, c'est à dire 12 200 mètres.
Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'exécution de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels :
- la figure 1 , déjà mentionnée, est un schéma représentatif des masques respiratoires pour passagers utilisés à l'heure actuelle sur les avions de transport ;
- la figure 2 est une courbe représentant le débit d'oxygène supplémentaire à fournir aux passagers en fonction de l'altitude, conformément aux normes
FAR ;
- la figure 3 est un schéma montrant la variation en fonction du temps, du volume inspiré ou expiré au cours d'un cycle respiratoire type; et
- les figures 4 à 8 montrent des modes particuliers de réalisation. Pour arriver au résultat recherché, l'invention utilise le résultat d'une analyse du cycle respiratoire qui montre que les gaz expirés ont une pression partielle variable en dioxyde de carbone. Pour mieux faire apparaître des éléments essentiels, on donnera maintenant un bref rappel de physiologie respiratoire et une analyse de ses conséquences.
Les voies respiratoires de l'être humain comportent des alvéoles pulmonaires, les conduits alvéolaires, les bronches, la trachée artère et les voies aériennes supérieures. Seules les alvéoles et la partie terminale des conduits alvéolaires participent aux échanges gazeux. La partie du volume inspiré qui, en fin d'aspiration, reste dans les autres parties des voies respiratoires, est simplement rejetée à l'extérieur sans modification de sa composition, au début de l'expiration suivante. Toute cette partie qui ne participe pas aux échanges gazeux est dénommée "volume mort" VD. On désigne par volume alvéolaire VA le volume de gaz qui participe à ces échanges. Le volume total inspiré VT = VD + VA.
Avec une approximation qui est suffisante pour exposer les mécanismes mis en œuvre par l'invention, on peut considérer que l'expiration comporte successivement l'expulsion du "volume mort" dépourvu de CO2, d'une phase transitoire, puis d'une phase d'expiration du volume alvéolaire. On peut représenter la concentration en CO2 en fonction de l'évolution du volume restitué lors de l'expiration comme ayant une partie finale, dite "pseudo-plato- alvéolaire" représentable par une droite de pente légèrement positive. Pour un sujet adulte au repos, le volume expiré par minute est compris entre 6 et 8 litres, la fréquence ventilatoire est d'environ 12 par minute, le volume total ventilé Vγ est de 0,5 à 0,7 dm3 et le "volume mort" VD est d'environ 0,15 à 0,18 dm3 lorsque le sujet porte un masque oro-nasal. Le début du pseudo- plateau alvéolaire correspond à une pression partielle de CO2 de 5 kPa et la fin à environ 6 kPa.
L'invention utilise l'existence du volume VD pour permettre la réinspiration d'une fraction du volume expiré qui n'est pas enrichie ou n'est que faiblement enrichie en CO2. Lorsqu'on souhaite ne pas dépasser une pression partielle de 2 kPa dans les gaz admis dans les alvéoles pulmonaires, l'hypercapnie reste légère. La fréquence de ventilation est simplement légèrement augmentée par l'excitation provoquée par le gaz carbonique. On arrive, en l'absence d'hypoxie, à Ve = 10 à 12 dm3, à f = 15 / min et à Vt = 0,8 dm3. S'il existe un faible degré d'hypoxie, Vγ n'est pratiquement pas modifié tandis que VE et f sont légèrement augmentés. Comme il a déjà été indiqué, l'invention utilise le fait qu'une hypercapnie correspondant à une pression partielle de moyenne de 2 kPa au cours de l'inspiration est acceptable. Elle a en général à tenir compte du fait que le porteur du masque peut être un enfant, pour lesquels les valeurs ci-dessus ne sont plus valables, ou un porteur anxieux. Mais un principe de base de l'invention reste constitué par la récupération de la première partie de l'expiration, exempte de CO2 ou à faible teneur en CO2.
Il résulte des travaux effectués que la quantité de CO2 rejetée à chaque cycle ventilatoire est comprise entre 13 et 21 cm3 pour un sujet adulte au repos. On en déduit que la quantité maximale de CO2 ré-inhalée, en respectant une pression partielle maximale de CO2 de 2 kPa, est de 16 à 20 cm3.
Si les 400 premiers cm3 d'un cycle respiratoire sont ré-inhalés au cours de l'inspiration suivante, le volume de CO2 ré-inhalé est d'environ 14 cm3. Ce volume peut être encore réduit si des mesures sont prises pour ne réadmettre les gaz provenant de l'expiration précédente qu'au cours de la dernière fraction de l'inspiration, qui est justement celle qui va rester dans le volume mort. On peut dans ce cas envisager de porter le volume ré-inhalé jusqu'à 500 cm3 sans dépasser la pression partielle maximale de 2 kPa dans le volume alvéolaire. Et, dans ce cas, l'apport d'oxygène nécessaire au porteur du masque peut être réduit sensiblement au 3/8e de la quantité nécessaire en l'absence de réinhalation.
D'autres travaux ont permis de déterminer les conditions à remplir dans le cas d'un sujet fortement anxieux ou d'un enfant ; dans ce dernier cas, la valeur Vγ du cycle respiratoire est nettement inférieure à 400 cm3. Cette contrainte est cependant atténuée si des moyens sont prévus pour retarder la ré-inhalation jusqu'à épuisement du contenu du sac économiseur. On peut notamment rechercher un fonctionnement du genre illustré en figure 3. Au cours de la première phase inspiratoire, pendant la durée t1, le porteur du masque inspire l'oxygène provenant du sac économiseur et l'oxygène frais qui continue à arriver. La durée t1 s'achève lorsque la pression dans le masque retombe pratiquement à la pression ambiante. A partir de ce moment, et pendant une durée t2, l'inspiration se fait à partir du sac de réinhalation.
Au début de l'expiration, le gaz à forte teneur en oxygène et à faible teneur en gaz carbonique est stocké dans le sac de ré-inhalation pendant une durée t3. La durée t3 peut être ajustée par différents moyens, comme le choix du volume du sac de ré-inhalation et également par ajustement de la résistance à l'ouverture du clapet d'expiration vers l'atmosphère. Souvent le réglage de ces paramètres conduira à interrompre le transfert de gaz vers le sac de ré-inhalation dès que la pression est d'environ 3 hPa. Après remplissage du masque, et pendant une durée t4, l'expiration se fait vers l'atmosphère.
On décrira maintenant, à titre d'exemples non limitatifs, divers modes de réalisation de l'invention.
Dans le cas illustré en figure 4, le sac économiseur 16 et le sac souple de ré-inhalation 28 sont séparés. Le sac économiseur 16 débouche dans le masque par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour 14 n'opposant pratiquement pas de résistance à l'inspiration. La soupape 22 d'expiration vers l'atmosphère est munie de moyens de rappel élastiques destinés à retarder l'évacuation vers l'atmosphère, afin de permettre le remplissage du sac de ré-inhalation 28, c'est-à-dire à retarder, jusqu'à la fin de la durée t3, l'échappement à l'atmosphère.
Le sac de ré-inhalation 28 débouche dans le masque 10. Dans une réalisation simple, il débouche directement. Il est cependant préférable de disposer, entre le sac de ré-inhalation 28 et le masque, des moyens permettant : - de stocker la première fraction du gaz expiré (période t3), ce qui implique de ne pas opposer de résistance au remplissage,
- de retarder le transfert au masque de gaz stocké dans le sac de réinhalation jusqu'à la période finale de l'inspiration (période t2). Pour cela, les moyens de communication entre le sac 28 et le masque peuvent être constitués par une soupape double 30 du genre représenté en figure 5. La soupape comprend un clapet d'expiration 32 muni d'un ressort de rappel 34 n'exerçant qu'une force très faible, juste suffisante pour maintenir le clapet d'expiration fermée au repos. Ainsi l'expiration vers le sac 28, suivant le trajet indiqué par la flèche f s'effectue dès le début de l'expiration. Un clapet 36 d'inspiration à partir du sac est au contraire sollicité vers la fermeture par un ressort 38 retardant l'inspiration jusqu'à l'apparition d'une dépression dans le masque.
Une telle constitution atténue le problème de l'utilisation du masque par des enfants ; du fait de leur faible volume total VT, ils inspireront essentiellement de l'oxygène arrivant par le sac économiseur.
Dans la variante de réalisation montrée schématiquement en figure 6, les deux sacs sont reliés l'un à l'autre, ce qui, entre autres avantages, a celui de faciliter le stockage. Dans le cas illustré sur la figure 7, les deux sacs sont définis dans une même enveloppe externe inextensible 40 et par une membrane souple 42 de séparation. L'enceinte 40 peut être rigide mais, pour des besoins de stockage, elle sera généralement souple. Dans le cas de la figure 7, le sac ré-inhalation ne peut se remplir que si le sac économiseur a été vidé au cours de la partie précédente de l'inhalation. Cette disposition, utilisée seule ou avec un des moyens du genre illustré en figure 5, permet d'adapter de façon inhérente le fonctionnement aux volumes ventilés faibles, et notamment au cas de la protection des enfants.
Une disposition fonctionnellement équivalente à celle de la figure 7 consiste à placer le sac économiseur dans le sac de ré-inhalation, dont la paroi externe constitue alors l'équivalent de l'enceinte ou enveloppe 40. Une autre disposition encore consiste à disposer le sac de ré-inhalation dans le sac économiseur.
Enfin, un autre cas encore consiste à lier fonctionnellement et structurellement les sacs 16 et 28, comme schématisé sur la figure 8. Cette solution est toutefois moins avantageuse, du point de vue de la ré-inhalation de gaz chargé en CO2, que les précédentes. En effet, c'est d'abord le contenu du sac de ré-inhalation qui est inspiré. Mais cet inconvénient n'existe que lorsque le volume ventilé est le volume nominal, du fait que le sac de réinhalation ne peut se vider que lorsque le sac économiseur a été vidé. La figure 8 montre schématiquement une telle réalisation. Un clapet anti-retour 44 est interposé entre le sac économiseur 16 et le sac de ré-inhalation 28.
Des études complémentaires ont permis de déterminer des valeurs proches de l'optimum du point de vue de la consommation d'oxygène, mais tenant compte de la nécessité de ne pas dépasser une pression partielle de C02 d'environ 2 hPa.
Le tableau ci-après montre la consommation d'oxygène requise pour différents volumes du sac de ré-inhalation (la valeur 0 correspondant à l'absence de sac).
Figure imgf000013_0001
On constate qu'un sac de ré-inhalation de 500 cm3 permet d'abaisser le débit d'oxygène requis à la moitié de sa valeur actuelle à la plupart des altitudes. En augmentant le volume du sac, on peut encore réduire le débit d'oxygène requis. Un volume de 600 cm3 est encore acceptable. Au-delà, il existe un risque d'instabilité pour les ventilations faibles, et notamment pour les enfants. Au surplus, une valeur de 750 cm3 serait de plus hors normes pour les altitudes inférieures à 5 600 m environ.
Dans la pratique, on sera amené à utiliser un volume de sac de réinhalation, à l'état rempli, compris entre 400 et 600 cm3. Corrélativement, le volume du sac économiseur sera réduit. En général, on adoptera un sac économiseur et un sac de ré-inhalation tels que la somme de leurs volumes, à l'état gonflé, soit du même ordre de grandeur que le double du volume du sac économiseur actuel, c'est-à-dire de 1 000 à 1 600 cm3 .
En général un avion de transport de passagers est équipé d'une installation, ou de plusieurs installations affectées chacune à une portion de la cabine, ayant une source d'oxygène 48 (bouteille d'oxygène ou générateurs embarqués). Une centrale de distribution 46 alimente les canalisations 50 destinées à alimenter les masques (figure 4). La centrale 46 est généralement prévue pour alimenter les canalisations 50 sous une pression variable en fonction de l'altitude, soit par paliers, soit de façon progressive. Le réglage de débit s'effectue indirectement par contrôle de la pression d'oxygène admis dans les canalisations 50. Le débit est avantageusement réglé de façon à fournir un débit d'oxygène additionnel au moins égal à celui nécessaire, tel que défini dans le tableau ci-dessus.
L'échelonnement des étapes lors de la mise en œuvre en cas de dépressurisation doit respecter les règlements. En cas de début de dépressurisation, la centrale 46 est commandée, automatiquement en réponse à la détection de la dépressurisation par des capteurs ou si nécessaire manuellement, de façon à alimenter les canalisations. Si l'avion est à une altitude telle qu'il ne serait pas possible d'alimenter les passagers avec un débit suffisant d'oxygène additionnel pendant tout le temps nécessaire pour arriver à un aéroport de déroutement, l'équipage réduit progressivement l'altitude jusqu'à une valeur qui est compatible à la fois avec la sécurité des passagers et avec la consommation de carburant. L'avion sera souvent amené à une altitude inférieure ou égale à 35 000 pieds ou 11 500 mètres, qui correspond à une consommation d'oxygène additionnelle réduite de 15% par rapport à 40 000 pieds environ, selon un profil de descente dans le temps qui est affectée à l'avion.
Sur certains avions, utilisés sur des routes où la durée maximale de séjour à une altitude exigeant la fourniture d'oxygène lors du déroutement vers un aéroport de secours ne dépasse pas une trentaine de minutes, la source d'oxygène peut être constituée par un ou des générateurs chimiques alimentant chacune un ou quelques masques. Dans ce cas on ne peut pas contrôler à volonté le débit d'oxygène fourni. Une fois le générateur déclenché, il fournit un débit dont l'évolution dans le temps a été fixé à la fabrication. Cette évolution est déterminée pour décroître suivant une loi déterminée en fonction du profil de descente de l'avion de son altitude nominale de croisière à l'altitude à laquelle il est maintenu lors du déroutement. En cas de mise en œuvre de l'invention, les générateurs chimiques sont prévus de façon que la loi de variation du débit en fonction du temps tienne compte de l'économie sur le volume d'oxygène additionnel requis que permet la ré-inhalation. Il s'en suit que les générateurs chimiques embarqués présenteront une capacité de fourniture d'oxygène nettement inférieure à celle requise en l'absence de réinhalation.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de protection des passagers d'un aéronef contre les effets d'une dépressurisation de la cabine à haute altitude, suivant lequel, au moins pour les altitudes cabine supérieures à 4570 mètres , on alimente les masques respiratoires en oxygène avec un débit qui est une fonction croissante de l'altitude cabine à travers un étranglement de limitation de débit et un sac économiseur et on provoque une ré-inhalation d'une première fraction seulement des gaz expirés en recueillant cette première fraction dans un sac souple de ré-inhalation, dont le volume à l'état gonflé est au moins égal au volume mort de l'ensemble voies respiratoires - masque, en communication avec le masque.
2. Procédé de protection des passagers d'un aéronef contre les effets d'une dépressurisation de la cabine à haute altitude, suivant lequel on alimente les masques respiratoires en oxygène provenant d'un générateur chimique à travers un sac économiseur et on provoque une ré-inhalation d'une première fraction seulement des gaz expirés en recueillant cette première fraction dans un sac souple de ré-inhalation, dont le volume à l'état gonflé est au moins égal au volume mort de l'ensemble voies respiratoires - masque, en communication avec le masque, le dit générateur chimique étant prévu pour, à partir de l'instant où il est mis en service, fournir un débit décroissant en fonction du temps suivant une loi déterminée en fonction du profil de descente nominal de l'aéronef de son altitude de croisière nominale et qui est une fraction seulement du débit qui serait nécessaire en l'absence du sac de ré- inhalation.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on retarde l'ouverture d'une communication entre le sac de ré-inhalation (28) et le masque (10).
4. Dispositif de protection des passagers d'un aéronef contre les effets d'une dépressurisation de la cabine à haute altitude, comprenant : - une centrale d'alimentation (46) fournissant, en fonctionnement, un débit continu réglable à une conduite générale (12), à partir d'une source d'oxygène pur ou d'air très enrichi sous pression,
- des masques respiratoires (10) sans régulateur à la demande reliés à la conduite générale par l'intermédiaire d'un sac économiseur souple (16),
- et un sac souple de ré-inhalation (28) relié au masque par des moyens permettant une entrée libre des gaz depuis le masque (10) et retardant la ré-inhalation lors de l'inspiration, de volume tel qu'il ne stocke qu'une fraction initiale des gaz expirés à chaque exhalation, la dite centrale comportant des moyens de régulation en fonction de la pression ambiante à laquelle sont soumis les porteurs de masque, pour limiter le débit d'oxygène additionnel amené aux masques à une fraction seulement du débit qui serait nécessaire en l'absence de ré-inhalation.
5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la dite centrale comporte des moyens de régulation du débit par commande de la pression dans la conduite, chaque masque étant relié à la conduite par l'intermédiaire d'un étranglement.
6. Dispositif suivant la revendication 4 ou 5, caractérisé en ce que le volume du sac de ré-inhalation est compris entre 400 et 600 cm3"
7. Dispositif suivant la revendication 6, caractérisé en ce que le volume total des sacs (16,28) est compris entre 1000 et 1600 ml.
8. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le sac économiseur (16) débouche dans le masque par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour (14) et en ce que la soupape (22) d'expiration vers l'atmosphère est munie de moyens de rappel élastiques retardant l'évacuation vers l'atmosphère.
9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 à 8, caractérisé en ce que le sac économiseur (16) et le sac souple de ré-inhalation (28) sont séparés et reliés indépendamment au masque.
10. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que des moyens de communication entre le sac de ré- inhalation (28) et le masque comprennent une soupape double (30) ayant un clapet d'expiration (32) muni d'un ressort de maintien du clapet d'expiration fermé au repos et un clapet (36) d'inspiration à partir du sac de ré-inhalation sollicité à la fermeture par un ressort retardant l'inspiration jusqu'à apparition d'une dépression donnée dans le masque.
11. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que les deux sacs sont définis, dans une même enveloppe externe inextensible (40), par une membrane souple (42) de séparation.
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