WO2019206963A1 - Appareil respiratoire de plongée sous-marine à recyclage de gaz en circuit semi-fermé - Google Patents

Appareil respiratoire de plongée sous-marine à recyclage de gaz en circuit semi-fermé Download PDF

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WO2019206963A1
WO2019206963A1 PCT/EP2019/060464 EP2019060464W WO2019206963A1 WO 2019206963 A1 WO2019206963 A1 WO 2019206963A1 EP 2019060464 W EP2019060464 W EP 2019060464W WO 2019206963 A1 WO2019206963 A1 WO 2019206963A1
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WO
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gas
flow rate
breathing
nozzle
variable
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/060464
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English (en)
Inventor
Bernard GIAI-CHECA
Nicolas Peyron
Stéphane RAINAUT
Original Assignee
La Spirotechnique Industrielle Et Commerciale
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Publication date
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    • B63C11/22—Air supply carried by diver
    • B63C11/2209—First-stage regulators

Definitions

  • the present invention relates to a breathing apparatus with gas recirculation. It finds at least one particularly advantageous application in the field of underwater diving breathing apparatus with gas recirculation semi-closed circuit.
  • the breathing apparatus with gas recycling or rebreather is mainly used for scuba diving. It allows a substantial saving of gas compared to a breathing apparatus operating in open circuit (usually designated by the acronym OC of the English Open Circuit).
  • a rebreather typically includes a breathing bag in which the diver breathes.
  • the gas composition in the breathing bag is mainly the result of a mixture of fresh gas inputs and recycled gas inputs.
  • the recycled gas is generally obtained by filtration or purification of the gases exhaled by the diver. This filtration is intended in particular to trap all or part of the carbon from the CO 2 contained in the exhaled gas, in order to release molecular oxygen (O 2). After filtration, the gas thus "recycled” can be reinjected into the breathing bag.
  • the fresh gas always contains oxygen (02), a variable part of which is metabolized by the diver according to his physiological needs.
  • the fresh gas may also contain one or more diluents such as nitrogen (N2).
  • the supply of fresh gas can be done in different ways.
  • SCR acronym of "semi-closed rebreather” in English terminology the recyclers operating in closed circuit (CCR acronym for "closed-circuit rebreather” according to the English terminology). Saxon).
  • the present invention relates in particular to recyclers operating in semi-closed circuit (SCR).
  • SCR semi-closed circuit
  • a usually overoxygenated gas is injected into the breathing loop with a constant mass flow rate. This flow rate is calculated to meet, within acceptable physiological limits, all breathing regimes and all the profiles of divers.
  • FIG. 1 shows such a rebreather comprising a breathing bag 3 fed with gas by an on-demand regulator 110 (DD) and by a nozzle 120 delivering a supply of fresh gas with a constant mass flow rate (fixed nozzle).
  • the breathing bag is also fed with recirculated air from a recycling chamber 61.
  • This recycling chamber 61 receives exhaled air from the plunger, traps the carbon dioxide from the exhaled air, typically in a lime cartridge and delivers recycled air.
  • the excess gas taken as being the difference between the quantity of gas injected into the breathing bag 3 and the quantity of gas consumed by the plunger, is evacuated via a pressure relief valve 31.
  • An object of the present invention is to overcome at least some of the disadvantages mentioned above.
  • the invention aims to provide a semi-closed recirculating breathing apparatus having an improved level of safety for the diver and offering a satisfactory diving time.
  • a first aspect of the invention relates to a submarine gas recirculating diving breathing apparatus in a semi-closed circuit intended to be carried by a plunger, comprising a breathing loop intended to be connected to at least one gas reservoir, the breathing loop comprising:
  • At least one nozzle intended for the diver and enabling the diver to breathe in the breathing loop
  • At least one recycling chamber connected to an outlet of the nozzle and intended to recycle at least a portion of an exhaled gas by the plunger so as to supply a recycled gas, said chamber being configured to receive a filtration device of expired gas, and
  • At least one breathing bag having an outlet connected to an inlet of the mouthpiece, an inlet connected to an outlet of the recycling chamber and at least one inlet intended to be connected to at least one outlet of the at least one reservoir gas, the breathing bag being configured to allow the mixture within it recycled gas from the recycling chamber and at least one gas supply, said fresh gas from the at least one gas tank.
  • the respiratory apparatus further comprises a plurality of conduits allowing connections in parallel between at least one inlet of the breathing bag and the at least one gas reservoir, preferably a plurality of outlets of the at least one gas reservoir, at least one first conduit of said plurality of ducts being equipped with a first nozzle called fixed nozzle configured to deliver at a constant volume flow rate and preferably at a constant mass flow rate a first supply of fresh gas to the breathing bag.
  • the respiratory apparatus further comprises: A second conduit of said plurality of conduits.
  • the second duct is equipped with a gas flow regulator.
  • This gas flow regulator is configured to deliver at a variable volume flow rate and preferably at a variable mass flow rate a second supply of fresh gas to the breathing bag.
  • At least one diving condition sensor configured to measure at least one dive condition parameter taken from a physiological parameter of the diver and the pressure of the water surrounding said apparatus.
  • the breathing apparatus is advantageously configured to control the gas flow regulator so as to vary said variable volume flow rate and preferably said variable mass flow rate at least based on data relating to said at least one diving condition parameter.
  • the diving breathing apparatus thus makes it possible to modulate the supply of fresh gas via the nozzle with a variable volume flow rate.
  • This modulation of gas supply depends on a data of the diving condition sensor and advantageously makes it possible to optimize the consumption of gas (fresh air) as a function of a physiological parameter of the plunger or of the surrounding hydrostatic pressure.
  • the waste of fresh air is thus reduced and the duration of the dive lengthened. Diving comfort is also increased.
  • such an apparatus comprising three ducts offers a level of safety greater than or equal to that of a conventional semi-closed apparatus comprising one or two ducts, in the event of damage to one of said ducts. Indeed, a risk analysis envisaging different cases of damage on these ducts makes it possible to show that the probability of occurrence of a critical situation for such an apparatus is reduced with respect to a semi-closed respiratory apparatus. classic. This risk analysis is detailed later.
  • the at least one diving condition sensor is a physiological sensor and preferably a ventilatory frequency sensor.
  • Such a sensor advantageously allows to account for the effort provided by the diver at each moment of the dive.
  • the gas consumption is optimized according to the effort of the diver.
  • the at least one dive condition sensor may further include a depth or pressure sensor configured to measure a dive depth.
  • the breathing apparatus is configured so that the gas pressure at the inlet of the fixed nozzle is constant, for example equal to 15 bars.
  • the breathing apparatus is preferably configured so that the gas pressure at the inlet of the gas flow regulator is constant, for example equal to 15 bar.
  • the density of the gas entering the fixed nozzle and / or the gas flow regulator is constant, and the amount of oxygen contained in this gas is advantageously constant, regardless of the surrounding hydrostatic pressure.
  • the mass flow delivered at the outlet of the fixed nozzle and / or the gas flow regulator is advantageously proportional to the corresponding volume flow rate.
  • the respiratory apparatus further comprises an electronic control module. This electronic module is preferably configured to electronically control the gas flow regulator so as to vary the variable volume flow at least according to said data relating to said dive condition parameter.
  • variable volume flow advantageously makes it possible to avoid the use of mechanical solutions requiring, for example, manipulation on the part of the plunger (change of fast connectors in order to change the type of nozzle, manual adjustment).
  • a second aspect of the invention relates to a kit for equipping a half-closed circuit scuba diving breathing apparatus to be worn by a diver.
  • This kit includes at least:
  • a gas flow regulator configured to deliver at a variable volume flow rate and preferably at a variable mass flow rate a second supply of fresh gas via at least one duct connected to the breathing bag and to the at least one gas reservoir of the apparatus; respiratory,
  • At least one diving condition sensor configured to measure at least one dive condition parameter taken from a physiological parameter of the diver and the pressure of the water surrounding said apparatus, said at least one sensor being configured to be carried by at least one of the apparatus, the kit and the diver,
  • an electronic control module configured to control the gas flow regulator so as to vary said variable volumetric flow rate and preferably said variable mass flow rate at least as a function of a datum relative to said at least one dive condition parameter.
  • Figure 1 shows a conventional mechanical semi-closed rebreather from the prior art
  • Figure 2 shows a semi-closed rebreather according to a non-limiting embodiment of the invention
  • FIG. 3 illustrates a semi-closed rebreather according to one embodiment of the invention carried by a diver.
  • FIG. 4 illustrates an exemplary kit according to the invention.
  • the at least one sensor is a ventilatory frequency sensor.
  • the ventilatory frequency sensor is positioned on a portion of the breathing loop located between the inlet of the mouthpiece and the outlet of the breathing bag. This reduces the humidity to which the sensor is exposed. Indeed, if it was disposed between the tip and the recycling chamber, or in the latter, the sensor would be subjected to a higher humidity. It turned out that the reliability of these sensors is degraded by the presence of too high humidity. This embodiment thus makes it possible to further improve the reliability, and consequently the safety, of the apparatus according to the invention.
  • the at least one dive condition parameter is a physiological parameter of the diver.
  • This physiological parameter may for example be the ventilatory frequency of the plunger and / or its heart rate and / or the saturation / the oxygen level in the blood of the plunger.
  • the at least one dive condition sensor is configured to measure the diver's breath rate and / or heart rate and / or saturation / oxygen level in the diver's blood. This is a direct death. This parameter or data relating to this parameter is then sent to the electronic control module which controls the gas flow regulator.
  • the apparatus further comprises a demand regulator equipping an additional conduit of said plurality of conduits.
  • the on-demand regulator is configured to deliver additional fresh gas input to the breathing bag.
  • a manual injector can replace the demand regulator to deliver to the breathing bag the supply of additional fresh gas from the at least one gas reservoir.
  • the first and second ducts feed two separate inputs of the breathing bag.
  • the first and second conduits supply the same inlet of the breathing bag.
  • a "Y" duct makes it possible to collect fresh gas inputs from the first and second nozzles and to supply a single inlet of the breathing bag.
  • This alternative embodiment makes it possible to reduce the number of entries of the breathing bag and the number of ducts. It simplifies the device and improves its robustness.
  • the first and second ducts are fed by two separate outputs of the breathing bag.
  • the first and second ducts are fed by the same outlet of the breathing bag.
  • a conduit in "Y" allows to feed the first and second.
  • the additional conduit equipped with the optional on-demand keeper when present, may possibly be connected to the same input and / or the same output as at least one of the first and second conduits.
  • the recycling chamber comprises a filtration device such as a soda lime cartridge.
  • the nozzle is configured to cooperate with the mouth of the plunger.
  • the tip is in the form of a face mask taking both the mouth and the nose of the plunger.
  • the apparatus comprises a physiological sensor configured to measure at least one physiological parameter of the plunger and a depth sensor for measuring the pressure of the water surrounding said apparatus, and the apparatus is configured to control the regulator of gas flow so as to vary the variable volume flow at least according to the physiological parameter of the plunger and the pressure.
  • the gas flow regulator comprises a second nozzle having a variable section so as to deliver the second variable volume flow supply.
  • the gas flow regulator comprises an intermittent opening valve and a nozzle having a fixed section, said nozzle being coupled to said valve so as to deliver the second variable volume flow rate delivery. and preferably variable mass flow.
  • the apparatus is configured so that the variable volume flow rate and preferably the variable mass flow rate delivered by the gas flow regulator is respectively less than or equal to the constant volume flow rate and preferably to the constant mass flow rate delivered. by the fixed nozzle.
  • This configuration makes it possible to deliver at least half of the total volume flow rate by the first constant volume flow nozzle, and at most half of the total volume flow rate through the second variable volume flow nozzle.
  • a gas saving of 50% is thus advantageously possible under minimal effort of the plunger (static diving) while keeping an intake of fresh air acceptable for the plunger in case of malfunction of the second nozzle.
  • This solution thus offers an improved level of safety since even in the event of failure of the variable volume flow nozzle, the breathing bag is supplied with sufficient fresh gas so that the diver is not in danger. He can then for example, finishing the dive with a satisfactory level of comfort, or returning to the surface, or heading to other divers.
  • the fixed nozzle is configured to deliver the first fresh gas supply from a first pressurized gas tank and the gas flow controller is configured to deliver the second fresh gas supply from a second gas tank. under pressure.
  • This configuration advantageously makes it possible to separate the sources of gas supply, which reduces the probability of occurrence of a total rupture of gas supply (case of simultaneous failures on each of the first and second nozzles).
  • This embodiment thus makes it possible to further improve the reliability, and consequently the safety, of the apparatus according to the invention.
  • the apparatus comprises the at least one gas reservoir.
  • the gas flow regulator is formed of at least and preferably only of:
  • a fixed nozzle configured to deliver at a constant volume flow rate and preferably at a constant mass flow rate a first supply of fresh gas to the breathing bag
  • a solenoid valve configured to vary in time the flow of said fresh gas supply so as to deliver at variable volume flow rate and preferably variable mass flow rate the second supply of fresh gas to the breathing bag.
  • the solenoid valve and the fixed nozzle of the gas flow regulator are connected in series.
  • the outlet of the nozzle is directly connected to the inlet of the recycling chamber.
  • the outlet of the recycling chamber is directly connected to an inlet of the breathing bag.
  • an outlet of the breathing bag is directly connected to an inlet of the nozzle, with the exception of at least one sensor configured to measure the dive condition parameter used to control the gas flow regulator.
  • a first conduit directly connects a fresh gas reservoir to the breathing bag, with the exception of the fixed nozzle which is disposed on this first conduit.
  • a second conduit directly connects a fresh gas reservoir to the breathing bag with the exception of the gas flow regulator which is disposed on this second conduit.
  • a third conduit which is only optional, directly connects the fresh gas reservoir to the breathing bag, with the exception of the demand regulator which is disposed on this third conduit.
  • the invention according to its second aspect comprises in particular the following optional features that can be used in combination or alternatively:
  • the at least one diving condition sensor is a physiological sensor.
  • the physiological sensor is a ventilatory frequency sensor.
  • the ventilatory frequency sensor is configured to be positioned on the breathing loop between the inlet of the nozzle and the outlet of the breathing bag.
  • the kit further comprises a depth sensor configured to be connected to the electronic control module so as to enable the electronic control module to control said variable volumetric flow rate as a function of at least one datum of said sensor. depth.
  • the sonic nozzle is a calibrated orifice in which the flow velocity of the gas is greater than or equal to the sonic velocity of this gas to the right of the minimum passage section of the orifice (sonic or supersonic flow).
  • this flow rate D v varies as a function of the pressure of the gas upstream of the nozzle and the pressure of the gas downstream of the nozzle.
  • this flow rate D v varies according to the pressure of the gas upstream of the sonic nozzle only.
  • the volume flow D v is expressed in L / min in the following.
  • constant volume flow a gas that flows through a sonic nozzle of fixed section S at sonic velocity presents a constant volume flow rate for a constant gas pressure upstream of the sonic nozzle.
  • a gas that flows through a nozzle of fixed section S at sonic velocity has a constant mass flow rate, if the density of this gas is constant.
  • a gas delivered at constant pressure upstream of the sonic nozzle has such a constant mass flow rate.
  • a constant mass or volume flow is also called sonic flow.
  • Constant flow rate is defined as a flow rate which does not change over time (over an observation period greater than 1 minute, preferably greater than five minutes and preferably from a few minutes to a few tens of minutes) of more or less 10 % and preferably plus or minus 5% and preferably plus or minus 2%.
  • - air equivalent depth the depth indicated on decompression tables relating to breathing gas mixtures containing nitrogen and oxygen in proportions different from those of air, known as nitrox.
  • the fresh gas is a gas containing oxygen and which has not been recycled by trapping the C0 2 exhaled by the user.
  • fresh gas is understood as opposed to the term “recycled” gas, the recycled gas being the gas delivered by a recycling chamber after trapping the C0 2 exhaled by the user.
  • the fresh gas typically comes from a gas cylinder shipped by the diver.
  • the fresh gas may be fresh air, or a mixture comprising proportions of nitrogen and oxygen different from those of air, such as nitrox, or a mixture comprising nitrogen, water, helium and oxygen such as trimix.
  • fresh air and fresh gas are used in synonyms and can also be understood as “nitrox” and “trimix” or other variants of gaseous mixtures of the trimix type, such as heliox, heliair, the triox for example.
  • it may be a superoxygenated gas that is to say a mixture containing a percentage of oxygen greater than 21% by volume, for example equal to 30%, 40%, 50% or 60%.
  • variable nozzle means a device for regulating a gas flow rate.
  • a nozzle having an opening of variable and / or adjustable section forms such a device.
  • a nozzle having a fixed section opening associated with an intermittent valve also forms such a device. This device can be simply called "gas flow regulator”.
  • a first embodiment of the invention is a semi-closed circuit scuba diving breathing apparatus 1 comprising a breathing loop 2, a breathing bag 3.
  • the apparatus is configured to be fluidly connected to at least one gas reservoir 4.
  • the breathing loop 2 comprises a first side said inspiration side 5 and a second side said expiration side 6.
  • the inspiration side 5 comprises a duct extending from an outlet of the breathing bag 3 to an inlet of the nozzle 56 or a mask intended for the plunger 10 and allows the air inspired by the plunger 10 to be conveyed.
  • the tip can be a mouthpiece inserted partly into the mouth of the diver or be integrated into a face mask taking both the mouth and nose of the diver.
  • the expiration side 6 comprises a duct extending from an outlet of the mouthpiece 56 or the mask to a breathing bag inlet 3 and serves to convey the exhaled air by the plunger 10.
  • the expiration side 6 comprises in particular a recycling chamber 61 adapted to receive an expired air filtration device, such as a soda lime cartridge.
  • an expired air filtration device such as a soda lime cartridge.
  • Such a filter device is configured to trap the carbon dioxide present in the exhaled air, and pass a filtered or purified portion of exhaled air. This part, also called recycled air, is then reinjected into the breathing bag 3.
  • the recycling chamber 61 has an inlet coupled to the outlet of the nozzle 56 or mask and an outlet coupled to the inlet of the breathing bag 3.
  • the breathing bag 3 is therefore partly fed by the recycled air.
  • the fresh air supply of the breathing bag 3 is preferably done primarily through a first conduit 12 and a second conduit 13 extending between the at least one gas reservoir 4 and the breathing bag 3.
  • the breathing bag 3 is therefore advantageously powered by a double main injection of gas in order to optimize the gas consumption of the plunger 10 and the safety of the dive.
  • the first conduit 12 may comprise a first nozzle 120 preferably having a fixed section.
  • This first regulator 121 corresponds for example to a "first stage" type regulator that is usually encountered on diving cylinders.
  • This type of expansion valve typically allows to relax a gas of 200 bar at 10 or 15 bar.
  • This type of expansion valve is, however, generally controlled by the hydrostatic pressure of the surrounding medium, so as to deliver a relative pressure, for example 15 bar relative to the surrounding hydrostatic pressure.
  • this first expander 121 is configured to deliver gas at constant pressure, for example 15 bar, at the inlet of the fixed nozzle 120.
  • this first expander 121 is not controlled by the pressure hydrostatic surrounding, so as to deliver an absolute pressure, for example 15 bar regardless of the surrounding hydrostatic pressure. This makes it possible to deliver gas having a constant density to the inlet of the fixed nozzle 120. The quantity of oxygen contained in this gas is therefore constant, whatever the hydrostatic pressure.
  • the fixed nozzle 120 is configured to output the gas at ambient pressure so as to supply the breathing bag 3 with a gas sonic flow with a constant gas volume flow rate D 1 V , and preferably with a constant gas mass flow rate D 1 M.
  • the inlet of the breathing bag 3 fed by the duct 12 carrying the fixed nozzle 120 is referenced 122.
  • the volume flow rate of constant gas D 1 V can be between 0 and 40 liters per minute, preferably between 0 and 30 liters per minute and even more preferably between 0 and 20 liters per minute.
  • the second conduit 13 may comprise a gas flow regulator 130.
  • the gas flow regulator 130 preferably comprises:
  • a second nozzle preferably having a variable section.
  • a fixed nozzle 136 that is to say a nozzle of fixed section, connected to a valve 155 allowing the passage of the gas intermittently. It may for example be a solenoid valve.
  • This second regulator 131 may be a "first stage" type regulator.
  • this second expander 131 is configured to deliver gas at a constant pressure, for example 15 bar, at the inlet of the gas flow regulator 130.
  • the first and second regulators 121, 131 may be one and the same regulator, so as to simplify the system and make it more robust.
  • the connection between this regulator and the first and second conduits 12, 13 may then include a bypass so as to supply each of the two conduits 12, 13.
  • the gas flow regulator 130 is configured to deliver the gas supplying the breathing bag 3 with a volume flow rate of variable gas D 2 v, and preferably with a mass flow rate of gas variable D 2M .
  • the inlet of the breathing bag fed by the duct 13 carrying the gas flow regulator 130 is referenced 132.
  • variable volume flow rate of gas D 2 v is such that D 2min D D 2V D D 2max .
  • variable volumetric flow rate of D 2 V gas can be between 0 and 40 liters per minute, preferably between 0 and 30 liters per minute and even more preferably between 0 and 20 liters per minute.
  • the gas flow regulator 130 continuously feeds the breathing bag 3 at least for D 2 v> D 2 min , without interrupting the supply of fresh gas.
  • the first 12 and second 13 ducts are fed by the same outlet 121 of the gas tank 4, as illustrated in FIG. 4.
  • first 12 and second 13 conduits feed a same inlet 122 of the breathing bag 3, as shown in Figure 4.
  • first 12 and second 13 ducts are connected; for example in "Y" to a common conduit 123.
  • the gas flow regulator 130 may consist of a nozzle of variable section called variable nozzle.
  • the gas flow regulator 130 may be constituted by the combination of a fixed nozzle 136 of constant section and a valve 155 or solenoid valve with intermittent opening, punctually interrupting the supply of fresh gas , so as to vary the volume flow D 2V .
  • the flow rate D 2V takes only the values 0 and D 2max.
  • This second supply of fresh gas can thus be delivered to sonic flow, which advantageously makes it possible to accurately evaluate the quantity of oxygen actually delivered.
  • the average supply of fresh gas from this second intake therefore varies according to a cutoff frequency of the solenoid valve for example. This configuration also reduces the cost of the system.
  • This alternative embodiment is illustrated in FIG.
  • the gas flow regulator 130 comprises a nozzle of variable section. Nevertheless, all the embodiments, features and advantages described below can be combined with the embodiment in which the gas flow controller 130 includes a fixed or variable nozzle 136 connected to an intermittent valve 155 such as a solenoid valve.
  • the reference numeral 130 is therefore used for the gas flow regulator 130, regardless of its embodiment, and the expression “variable nozzle 130” may be replaced by the expression "gas flow regulator 130".
  • the breathing bag 3 can be supplied with fresh air through an additional conduit 1 1 extending between the at least one gas reservoir 4 and the breathing bag 3.
  • This additional conduit 11 can be configured to deliver additional fresh gas supply via a Demand 1 10 demand expansion valve.
  • This demand regulator 1 10 can be controlled manually by the plunger 10 (it can then be called an injector), as needed, and / or can be triggered automatically, for example during a rapid descent, to deliver a supplement of fresh air in the 3.
  • a demand regulator 1 10 is perfectly conventional and widely known in the field of diving. It typically corresponds to a "second stage" type regulator found on open-circuit breathing apparatus (OC), the air suction being connected to the breathing bag in the context of the invention.
  • the supply of additional fresh gas is delivered via a manual injector alone or coupled to an on-demand regulator 1 10.
  • the reference 1 10 corresponds either to a demand regulator or a demand regulator coupled to a manual injector or a manual injector alone.
  • the breathing bag 3 is fed continuously through the fixed nozzle 120, and in a variable manner through the variable nozzle 130.
  • the variation of the flow rate D 2 v of the variable nozzle 130 depends on a physiological need of the plunger 10.
  • the respiratory apparatus 1 comprises an electronic control module 7 and a first sensor 51, referred to as a physiological sensor, configured to measure a physiological parameter of the plunger 10.
  • the physiological sensor 51 is preferably a respiratory rate sensor. It may be located on the inspiration side 5 of the breathing loop 2, and is preferably configured to minimize the pressure drop in the breathing loop 2. Such a sensor may for example be based on the measurement of a speed of movement of the breathing loop 2. a heated gas bubble. Thus, the sensor directly measures the respiratory rate. This sensor does not depend on a mechanical device that allows or not the gas supply. Thus, the sensor according to the invention is not a demand regulator that allows the gas supply. The accuracy and safety of the device are greatly improved.
  • the physiological parameter measured in this example the measured respiratory rate
  • the electronic control module 7 is configured to adjust the variable flow rate D 2V by means of a microcontroller controlling the variable nozzle 130 according to at least the measured physiological parameter, in this example of the measured respiratory rate.
  • the variable nozzle 130 is controlled by the device 1 and more precisely by a microcontroller.
  • variable nozzle 130 is configured to remain open if it is no longer powered, for example if the electronic module is not activated (button ON / OFF not actuated) or if the battery is discharged, or in case of failure of the electronic control module 7 and / or the microcontroller. This further enhances the safety of the respiratory system.
  • the physiological sensor 51 may be a heart rate sensor. In this case, the sensor is for example fixed on the thorax or the wrist of the plunger.
  • the physiological sensor 51 may be a sensor for oxygen saturation in the blood.
  • the sensor is for example fixed on the thorax or the wrist of the plunger.
  • the respiratory apparatus 1 may comprise a plurality of identical sensors to increase the reliability of the assembly by redundancy.
  • the respiratory apparatus 1 may comprise a plurality of different types of sensors (eg respiratory rate sensor and heart rate sensor). This makes it possible to evaluate more precisely the amount of fresh air to be supplied to the breathing bag. It also helps to further enhance the safety of the respiratory system.
  • the at least one diving condition sensor is configured to measure at least one of the following parameters: the ventilatory frequency of the diver, his heart rate, the saturation / the oxygen level in the diver's blood. This is a direct death. This parameter or data relating to this parameter is then sent to the electronic control module which controls the gas flow regulator.
  • the total flow rate D N of gas therefore depends on the measured respiratory rate, via the variable nozzle 130 delivering D 2 v, and thus meets a need for oxygen on the part of the plunger 10.
  • variable flow D 2 v is preferably zero for a respiratory rate measured below a first RV-i threshold corresponding to a minimum effort of the diver 10.
  • the respiratory rate of a diver is less than 10 breaths per minute. minute in situations of minimal effort, such as a static dive or during a decompression stop.
  • a saving of gas can thus be achieved and the duration of the dive is lengthened.
  • the respiratory comfort of a breathable diver in the apparatus 1 becomes greater than that of a breathing diver in a conventional rebreather comprising a breathing bag fed only steadily, said breathing bag being then supercharged with gas in a such a situation of minimal effort.
  • variable flow D 2 V is preferably maximum for a respiratory rate measured above a second threshold RV 2 corresponding to an intense effort of the plunger 10.
  • the respiratory rate of a plunger is greater than 20 breaths per minute when situations of intense effort, such as diving into the water or working.
  • the breathing comfort of a breathable diver in the apparatus 1 may also be greater than that of a breathable diver in a conventional rebreather comprising a bag respiratory force fed only constantly, said breathing bag being then underfed gas in such a situation of intense effort.
  • variable flow rate D 2 v may be equal to an average flow rate (D 2min + D 2max ) / 2, or may vary continuously as a function of the measured respiratory rate.
  • At least half of the total volume flow D N can be delivered by the first nozzle 120 with a constant volume flow rate D 1V , and at most half of the total volume flow rate D N can be delivered by the second flow nozzle 130 voluminal variable D 2V , so that 0 ⁇
  • a gas saving of 50% is thus advantageously possible in a situation of minimal effort of the plunger 10. This compromise also makes it possible to keep an intake of fresh air acceptable for the plunger 10 in the event of malfunction of the second nozzle 130.
  • This double supply of fresh air of the breathing bag 3 by the fixed nozzle 120 and the variable nozzle 130 thus optimizes the gas consumption by reducing waste and increasing the comfort of the diver 10 during the dive.
  • the apparatus 1 comprises a depth sensor 52 or surrounding pressure connected to the electronic control module 7.
  • the electronic control module 7 can be configured to adjust the volume flow rate D total N as a function of depth measured my P by the depth transducer 52. This D N of adjustment is made by means of the variable nozzle 130 permitting variation of 2V D.
  • the total flow D N can be reduced in a so-called deep diving zone, for a depth greater than a limit depth P Nm, for example equal to 18 m.
  • the partial pressure of oxygen P0 2 in the gas increases with the depth (Dalton's law), so that from the limiting depth P Mm , a decrease of the total flow D N can be realized to compensate for the increase in P0 2 .
  • This decrease in the total flow rate D N as a function of the depth measured, for P mes > P üm also makes it possible to save gas.
  • the electronic control module 7 is preferably configured to limit the decrease in the total flow rate D N so as to maintain an oxygen partial pressure P0 2 greater than 1 bar and / or greater than a partial pressure of oxygen at the equivalent air depth. In this way the plunger 10 always has the possibility of following an air decompression table during a recovery to the surface.
  • the flow D 1V is preferably delivered via mechanical elements only, such as the first constant pressure regulator and the fixed nozzle 120.
  • the flow D 1V is therefore controlled purely mechanically.
  • the flow rate D 2 v is preferably electronically controlled by the electronic control module 7.
  • the double injection of gas into the breathing bag 3 is therefore preferentially done by a so-called mechanical injection and by a so-called electronic injection.
  • the proportion of mechanical injection and electronic injection can be chosen so as to optimize the general operation of the respiratory apparatus 1.
  • This choice may result for example from a risk analysis.
  • the ratio of flow rates L D 2 v / D N can thus be adjusted between 0 and 1 as a function of the proportion of mechanical injection and desired electronic injection.
  • the operation of the apparatus 1 corresponds to that of a conventional semi-closed mechanical recycler whose entire injection is governed by a fixed nozzle.
  • the apparatus 1 then operates in a manner similar to a conventional mechanical semi-closed rebreather.
  • the diver 10 is not in danger and can for example finish his dive, or return to the surface, or go to other divers, minimizing his efforts.
  • the choice of the ratio L can make it possible to favor a gas injection by mechanical injection at the flow rate D 1V , rather than the injection of gas by electronic injection at the flow rate D 2V .
  • L ⁇ 0.5 the diver 10 can continue his dive with a satisfactory level of comfort in this case of damage n ° 2.
  • the choice of the ratio L can make it possible to favor an injection of gas by electronic injection at the flow rate D 2V , rather than the injection of gas by mechanical injection at the flow rate D 1V .
  • L> 0.5 the diver 10 can continue his dive with a satisfactory level of comfort in this case of damage n ° 3.
  • the probability of occurrence of this case of damage n ° 3 is identical to the probability of occurrence of a plugged nozzle on a conventional semi-closed mechanical device.
  • the fixed nozzle 120 is connected to a first gas tank and the variable nozzle 130 is connected to a second gas tank, so that the supply sources of the two nozzles are separated. The probability of occurrence of the damage case # 4 is then reduced.
  • the injection D N can also be supplemented as required by the demand regulator 1 10 on the conduit 1 1 for example.
  • This additional injection via the pipe 1 1 preferably delivers the same gas as the main injection by the nozzles.
  • the triggering of the demand regulator 1 10 can be done manually by the plunger 10, and / or automatically, for example during a rapid descent of the plunger 10. This makes it possible to prevent the breathing bag 3 from retracting under the effect of increasing the ambient hydrostatic pressure, the fixed and variable nozzles delivering too little gas to quickly compensate for the increase in ambient hydrostatic pressure.
  • This regulator on demand 1 10 thus increases the comfort of the diver and allows him to make fast descents but is not necessarily essential.
  • the first conduit 12 allows the passage of gas from the gas reservoir 4 to the breathing bag 3 passing through only the first nozzle 120 constant volume flow.
  • this duct 12 comprises only the first nozzle 120 constant volume flow.
  • this duct 12 does not include an on-demand regulator. The gas passing through the first nozzle 120 with constant volume flow does not pass through a demand regulator before reaching the breathing bag 3. This considerably improves the safety of the device.
  • the breathing bag 3 also preferably comprises a pressure relief valve 31 for eliminating excess gas in the breathing loop 2.
  • a second aspect of the invention relates to a kit 20 adaptable on a conventional semi-closed mechanical rebreather. Typically this kit 20 can be mounted on an apparatus such as that illustrated in FIG.
  • this kit 20 comprises at least one so-called variable nozzle 130 configured to deliver a variable volumetric flow rate of gas D 2 v, a sensor 51, 52 configured to measure a depth or a physiological parameter of the plunger and a module control electronics 7 configured to vary the flow rate D 2 v of the variable nozzle 130 as a function of at least one data of the sensor 51, 52.
  • variable-rate nozzle 130 also designated gas flow regulator 130, may be formed by a solenoid valve 155 associated with a constant-flow nozzle 136. According to one example, such a nozzle 136 is for example similar to a sonic nozzle 120.
  • Variable nozzle 130 may be connected to an auxiliary duct provided separately or included in the kit 20. This auxiliary duct connects the breathing bag 3 and at least one gas reservoir 4 of the conventional semi-closed mechanical rebreather, so as to deliver an auxiliary supply of fresh gas with variable volumic flow rate D 2V .
  • a Y-link 123 at the inlet and / or outlet of the nozzles 120 and 130 or ducts 12, 13 equipped with the nozzles 120, 130 can make it possible to simplify the connections and to improve the robustness of the apparatus. This allows for example to have only one inlet 124 on the breathing bag to collect the contributions of the nozzles 120 and 130. These Y connections can be provided separately or integrated into the kit 20.
  • the conduit 12 allows a supply of the breathing bag 3 by the gas tank 4 by passing only through the first nozzle 120 constant volume flow.
  • the gas from the gas reservoir 4 does not cross another member such as a demand regulator to reach the breathing bag 3 through the conduit 12 and the first nozzles 120 constant volume flow.
  • the physiological sensor 51 is preferably a ventilatory frequency sensor, and can be connected to the breathing loop 2 of the conventional mechanical semi-closed rebreather, between the breathing bag 3 and the nozzle 56 intended for the plunger.
  • the kit 20 comprises a depth sensor 52 and the electronic control module 7 is configured to vary the flow rate D 2V of the variable nozzle 130 as a function of at least depth sensor data 52.
  • the depth sensor 52 is preferably integrated in a sealed enclosure 21. This reduces the size of the kit 20 and improve the handling of the kit 20 by the user.
  • This kit 20 advantageously and at a lower cost of transforming the conventional mechanical semi-closed rebreather into a breathing apparatus according to the first aspect of the invention.
  • the invention provides a breathing apparatus and a robust and particularly reliable breathing apparatus kit. The invention thus greatly improves the safety and comfort of the diver. The invention also makes it possible to extend the duration of the dive with respect to a standard rebreather.

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Abstract

L'invention a pour objet un appareil (1) respiratoire de plongée sous-marine à recyclage de gaz en circuit semi-fermé comprenant une boucle respiratoire (2). La boucle respiratoire (2) comprend un sac respiratoire (3) destiné à être alimenté par au moins un réservoir de gaz (4) et une chambre de recyclage (61). Le réservoir de gaz est connecté à au moins une entrée du sac respiratoire par un premier conduit (11) et un deuxième conduit (12) comprenant respectivement un détendeur à la demande (110) et une buse fixe (120) configurés pour délivrer respectivement un premier apport et un deuxième apport en gaz au sac respiratoire (3). Avantageusement, l'appareil comprend un troisième conduit (13) comprenant un régulateur de débit de gaz (130) configuré pour délivrer à débit massique variable un troisième apport en gaz au sac respiratoire (3), et au moins un capteur de condition de plongée configuré pour mesurer un paramètre physiologique du plongeur ou la profondeur. L'appareil est avantageusement configuré pour faire varier le débit massique variable en fonction d'une donnée du capteur pour optimiser la consommation de gaz.

Description

'Appareil respiratoire de plongée sous-marine à recyclage de gaz en circuit semi-fermé'
DOMAINE TECHNOLOGIQUE
La présente invention est relative à un appareil respiratoire à recyclage de gaz. Elle trouve au moins une application particulièrement avantageuse dans le domaine des appareils respiratoires de plongée sous-marine à recyclage de gaz en circuit semi-fermé.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE
L’appareil respiratoire à recyclage de gaz ou recycleur est utilisé principalement dans le cadre de la plongée sous-marine. Il permet une économie substantielle de gaz comparé à un appareil respiratoire fonctionnant en circuit ouvert (habituellement désigné par l’acronyme OC du vocable anglais Open Circuit).
Un recycleur comprend généralement un sac respiratoire dans lequel le plongeur respire. La composition en gaz dans le sac respiratoire est principalement le résultat du mélange entre les apports en gaz frais et les apports en gaz recyclé.
Le gaz recyclé est généralement obtenu par filtration ou purification des gaz expirés par le plongeur. Cette filtration vise en particulier à piéger tout ou partie du carbone provenant du C02 contenu dans le gaz expiré, afin de libérer de l’oxygène moléculaire (02). Après filtration, le gaz ainsi « recyclé » peut être réinjecté dans le sac respiratoire. Le gaz frais contient toujours de l’oxygène (02), dont une partie variable est métabolisée par le plongeur suivant ses besoins physiologiques. Le gaz frais peut aussi contenir un ou des diluants tels que l’azote (N2).
L’apport en gaz frais peut s’effectuer de différentes manières. On distingue notamment les recycleurs fonctionnant en circuit semi-fermé (SCR acronyme de « semi-closed rebreather » selon la terminologie anglo-saxonne) et les recycleurs fonctionnant en circuit fermé (CCR acronyme de « closed-circuit rebreather » selon la terminologie anglo-saxonne).
La présente invention concerne en particulier les recycleurs fonctionnant en circuit semi- fermé (SCR).
Dans le cas d’un recycleur SCR, un gaz habituellement suroxygéné est injecté dans la boucle respiratoire avec un débit massique constant. Ce débit est calculé pour répondre, dans des limites physiologiques acceptables, à tous les régimes ventilatoires et à tous les profils de plongeurs.
La figure 1 présente un tel recycleur comprenant un sac respiratoire 3 alimenté en gaz par un détendeur à la demande 110 (DD) et par une buse 120 délivrant un apport en gaz frais à débit massique constant (buse fixe). Le sac respiratoire est également alimenté en air recyclé provenant d’une chambre de recyclage 61. Cette chambre de recyclage 61 reçoit l’air expiré par le plongeur, piège le dioxyde de carbone de l’air expiré, typiquement dans une cartouche de chaux et délivre un air recyclé.
Lors de la plongée, le surplus de gaz, pris comme étant la différence entre la quantité de gaz injectée dans le sac respiratoire 3 et la quantité de gaz consommée par le plongeur, est évacué par l’intermédiaire d’une soupape de surpression 31.
Un inconvénient d’une telle solution est le gaspillage de ce gaz en surplus non consommé.
Afin d’optimiser l’apport en gaz frais et de limiter le gaspillage, le document US 6408847 B1 divulgue par exemple un recycleur SCR dont une partie de l’apport en gaz frais varie en fonction de l’intensité d’inspiration du plongeur. Une telle solution comprend une valve montée sur le détendeur à la demande, et commandée mécaniquement par une valve sensible à la pression située côté inspiration de la boucle respiratoire. Si le plongeur inspire profondément (de sorte à créer une dépression suffisante), la valve sensible à la pression actionne, par un système mécanique, la valve montée sur le détendeur à la demande. En réponse, celle-ci s’ouvre et libère un apport en gaz frais supplémentaire.
En pratique, il s’avère que si la valve est défaillante, l’approvisionnement en oxygène devient insuffisant, conduisant à une mise en danger du plongeur. Cette solution n’est donc pas suffisamment fiable en termes de sécurité.
Plusieurs accidents ont été constatés avec ce type de solution. Du fait de ces problèmes de sécurité, l’utilisation et le développement de cette solution sont restés extrêmement limités.
Pour pallier cet inconvénient, d’autres solutions prévoient un capteur visant à évaluer la teneur en oxygène dans le sac respiratoire. En fonction de la teneur mesurée en oxygène, le système injecte du gaz pur (02) dans le sac respiratoire de manière à conserver une pression en oxygène sensiblement constante, à une valeur de consigne fixée. En pratique, cette solution s’avère également problématique en termes de sécurité puisque une défaillance du capteur d’oxygène met immédiatement en danger le plongeur.
La majorité des solutions proposées pour augmenter la fiabilité de ces recycleurs consistent à multiplier le nombre de capteurs et à mutualiser leurs mesures. Cela permet de réduire les risques qu’une défaillance de l’un des capteurs interrompe l’approvisionnement en oxygène ou au contraire gaspille une grande quantité d'oxygène. Ces solutions présentent pour inconvénient principal d’augmenter la complexité du système, ce qui conduit à alourdir son coût de revient et à rendre plus délicate sa maintenance.
Un objet de la présente invention est de pallier au moins en partie certains des inconvénients mentionnés ci-dessus.
Plus particulièrement, l’invention vise à proposer un appareil respiratoire à recyclage semi-fermé présentant un niveau de sécurité amélioré pour le plongeur et offrant une durée de plongée satisfaisante.
RESUME
Un premier aspect de l’invention concerne un appareil respiratoire de plongée sous- marine à recyclage de gaz en circuit semi-fermé destiné à être porté par un plongeur, comprenant une boucle respiratoire destinée à être connectée à au moins un réservoir de gaz, la boucle respiratoire comprenant :
- au moins un embout destiné au plongeur et permettant au plongeur de respirer dans la boucle respiratoire,
- au moins une chambre de recyclage connectée à une sortie de l’embout et destinée à recycler au moins une partie d’un gaz expiré par le plongeur de sorte à fournir un gaz recyclé, ladite chambre étant configurée pour recevoir un dispositif de filtration du gaz expiré, et
- au moins un sac respiratoire présentant une sortie connectée à une entrée de l’embout, une entrée connectée à une sortie de la chambre de recyclage et au moins une entrée destinée à être connectée à au moins une sortie de l’au moins un réservoir de gaz, le sac respiratoire étant configuré pour permettre le mélange en son sein du gaz recyclé issu de la chambre de recyclage et d’au moins un apport en gaz, dit gaz frais, issu de l’au moins un réservoir de gaz.
L’appareil respiratoire comprend en outre une pluralité de conduit permettant des connexions en parallèle entre au moins une entrée du sac respiratoire et l’au moins un réservoir de gaz, de préférence une pluralité de sorties de l’au moins un réservoir de gaz, au moins un premier conduit de ladite pluralité de conduits étant équipé d’une première buse dite buse fixe configurée pour délivrer à débit volumique constant et de préférence à débit massique constant un premier apport en gaz frais au sac respiratoire.
Avantageusement l’appareil respiratoire comprend en outre : - Un deuxième conduit de ladite pluralité de conduits. Le deuxième conduit est équipé d’un régulateur de débit de gaz. Ce régulateur de débit de gaz est configuré pour délivrer à débit volumique variable et de préférence à débit massique variable un deuxième apport en gaz frais au sac respiratoire.
- au moins un capteur de condition de plongée, configuré pour mesurer au moins un paramètre de condition de plongée pris parmi un paramètre physiologique du plongeur et la pression de l’eau entourant ledit appareil.
L’appareil respiratoire est avantageusement configuré pour commander le régulateur de débit de gaz de sorte à faire varier ledit débit volumique variable et de préférence ledit débit massique variable au moins en fonction d’une donnée relative audit au moins un paramètre de condition de plongée.
L’appareil respiratoire de plongée selon l’invention permet ainsi de moduler l’apport en gaz frais par l’intermédiaire de la buse à débit volumique variable. Cette modulation d’apport en gaz dépend d’une donnée du capteur de condition de plongée et permet avantageusement d’optimiser la consommation de gaz (air frais) en fonction d’un paramètre physiologique du plongeur ou de la pression hydrostatique environnante. Le gaspillage d’air frais est ainsi réduit et la durée de la plongée allongée. Le confort de plongée est également augmenté. En outre, un tel appareil comprenant trois conduits offre un niveau de sécurité supérieur ou égal à celui d’un appareil semi-fermé classique comprenant un ou deux conduits, en cas d’avarie sur l’un desdits conduits. En effet, une analyse de risque envisageant différents cas d’avaries sur ces conduits permet de montrer que la probabilité d’occurrence d’une situation critique pour un tel appareil se trouve réduite vis-à-vis d’un appareil respiratoire semi-fermé classique. Cette analyse de risque est détaillée par la suite.
Selon une possibilité avantageuse et préférée, l’au moins un capteur de condition de plongée est un capteur physiologique et de préférence un capteur de fréquence ventilatoire.
Un tel capteur permet avantageusement de rendre compte de l’effort fourni par le plongeur à chaque moment de la plongée. Ainsi, la consommation de gaz est optimisée en fonction de l’effort du plongeur.
L’au moins un capteur de condition de plongée peut en outre comprendre un capteur de profondeur ou de pression configuré pour mesurer une profondeur de plongée.
Selon un mode de réalisation préféré, l’appareil respiratoire est configuré de sorte que la pression de gaz en entrée de la buse fixe soit constante, par exemple égale à 15 bars. L’appareil respiratoire est de préférence configuré de sorte que la pression de gaz en entrée du régulateur de débit de gaz soit constante, par exemple égale à 15 bars.
Selon ce mode de réalisation, la densité du gaz entrant dans la buse fixe et/ou dans le régulateur de débit de gaz est constante, et la quantité d’oxygène contenue dans ce gaz est avantageusement constante, quelle que soit la pression hydrostatique environnante. Dans ce cas, le débit massique délivré en sortie de la buse fixe et/ou du régulateur de débit de gaz est avantageusement proportionnel au débit volumique correspondant. Selon une possibilité particulièrement avantageuse, l’appareil respiratoire comprend en outre un module électronique de contrôle. Ce module électronique est de préférence configuré pour commander électroniquement le régulateur de débit de gaz de sorte à faire varier le débit volumique variable au moins en fonction de ladite donnée relative audit paramètre de condition de plongée.
Ce contrôle électronique du débit volumique variable permet avantageusement d’éviter un recours à des solutions mécaniques nécessitant par exemple une manipulation de la part du plongeur (changement de connecteurs rapides dans le but de changer de type de buse, réglage manuel).
Un deuxième aspect de l’invention concerne un kit destiné à équiper un appareil respiratoire de plongée sous-marine à recyclage de gaz en circuit semi-fermé destiné à être porté par un plongeur.
Ce kit comprend au moins :
- un régulateur de débit de gaz configuré pour délivrer à débit volumique variable et de préférence à débit massique variable un deuxième apport en gaz frais par au moins un conduit connecté au sac respiratoire et à l’au moins un réservoir de gaz de l’appareil respiratoire,
- au moins un capteur de condition de plongée, configuré pour mesurer au moins un paramètre de condition de plongée pris parmi un paramètre physiologique du plongeur et la pression de l’eau entourant ledit appareil, ledit au moins un capteur étant configuré pour être porté par au moins l’un parmi l’appareil, le kit et le plongeur,
- un module électronique de contrôle configuré pour commander le régulateur de débit de gaz de sorte à faire varier ledit débit volumique variable et de préférence ledit débit massique variable au moins en fonction d’une donnée relative audit au moins un paramètre de condition de plongée.
BREVE INTRODUCTION DES FIGURES
D’autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :
la figure 1 montre un recycleur semi-fermé mécanique classique issu de l’art antérieur ; la figure 2 montre un recycleur semi-fermé selon un mode de réalisation non limitatif de l’invention ;
la figure 3 illustre un recycleur semi-fermé selon un mode de réalisation de l’invention porté par un plongeur.
la figure 4 illustre un exemple de kit selon l’invention.
DESCRIPTION DETAILLEE L’invention selon son premier aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci- après pouvant être utilisées en association ou alternativement :
Selon un mode de réalisation, l’au moins un capteur est un capteur de fréquence ventilatoire.
Selon un mode de réalisation, le capteur de fréquence ventilatoire est positionné sur une partie de la boucle respiratoire située entre l’entrée de l’embout et la sortie du sac respiratoire. Cela permet de réduire l’humidité à laquelle le capteur est exposé. En effet, s’il était disposé entre l’embout et la chambre de recyclage, ou dans cette dernière, le capteur serait soumis à une humidité plus forte. Il s’est avéré que la fiabilité de ces capteurs se dégrade par la présence d’une trop forte humidité. Ce mode de réalisation permet ainsi d’améliorer encore la fiabilité, et par voie de conséquence la sécurité, de l’appareil selon l’invention.
Selon un exemple, l’au moins un paramètre de condition de plongée est un paramètre physiologique du plongeur. Ce paramètre physiologique peut être par exemple être la fréquence ventilatoire du plongeur et/ou sa fréquence cardiaque et/ou la saturation / le taux d’oxygène dans le sang du plongeur. Ainsi, l’au moins un capteur de condition de plongée est configuré pour mesurer la fréquence ventilatoire du plongeur et/ou sa fréquence cardiaque et/ou la saturation / le taux d’oxygène dans le sang du plongeur. Il s’agit d’une meure directe. Ce paramètre ou une donnée relative à ce paramètre est ensuite envoyé au module électronique de contrôle qui commande le régulateur de débit de gaz.
Selon un mode de réalisation, l’appareil comprend en outre un détendeur à la demande équipant un conduit supplémentaire parmi ladite pluralité de conduits. Ledit détendeur à la demande est configuré pour délivrer un apport en gaz frais supplémentaire au sac respiratoire.
Selon un mode de réalisation, un injecteur manuel peut se substituer au détendeur à la demande pour délivrer au sac respiratoire l’apport en gaz frais supplémentaire provenant de l’au moins un réservoir de gaz.
Selon un mode de réalisation, le premier et le deuxième conduits alimentent deux entrées distinctes du sac respiratoire. Selon un mode de réalisation alternatif, le premier et le deuxième conduits alimentent une même entrée du sac respiratoire. Par exemple un conduit en « Y » permet de collecter les apports en gaz frais des première et deuxième buses et d’alimenter une seule entrée du sac respiratoire. Ce mode de réalisation alternatif permet de réduire le nombre d’entrées du sac respiratoire et le nombre de conduits. Il simplifie ainsi l’appareil et améliore sa robustesse.
Selon un mode de réalisation, le premier et le deuxième conduits sont alimentés par deux sorties distinctes du sac respiratoire. Selon un mode de réalisation alternatif, le premier et le deuxième conduits sont alimentés par une même sortie du sac respiratoire. Par exemple un conduit en « Y » permet d’alimenter les premier et deuxième. Ce mode de réalisation alternatif permet de réduire le nombre de sorties du réservoir et le nombre de conduits. Il simplifie ainsi l’appareil et améliore sa robustesse.
De même le conduit supplémentaire équipé du détenteur à la demande optionnel, lorsqu’il est présent, peut éventuellement être connecté sur la même entrée et/ou la même sortie qu’au moins l’un parmi le premier et le deuxième conduit.
Selon un mode de réalisation, la chambre de recyclage comprend un dispositif de filtration tel qu’une cartouche de chaux sodée.
Selon un mode de réalisation l’embout est configuré pour coopérer avec la bouche du plongeur.
Selon un mode de réalisation l’embout se présente sous forme d’un masque facial prenant à la fois la bouche et le nez du plongeur.
Selon un mode de réalisation, l’appareil comprend un capteur physiologique configuré pour mesurer au moins un paramètre physiologique du plongeur et un capteur de profondeur pour mesurer la pression de l’eau entourant ledit appareil, et l’appareil est configuré pour commander le régulateur de débit de gaz de sorte à faire varier le débit volumique variable au moins en fonction du paramètre physiologique du plongeur et de la pression.
Selon un mode de réalisation, le régulateur de débit de gaz comprend une deuxième buse présentant une section variable de manière à délivrer le deuxième apport à débit volumique variable.
Selon un mode de réalisation alternatif au précédent mode de réalisation, le régulateur de débit de gaz comprend une vanne à ouverture intermittente et une buse présentant une section fixe, ladite buse étant couplée à ladite vanne de manière à délivrer le deuxième apport à débit volumique variable et de préférence à débit massique variable.
Selon un mode de réalisation, l’appareil est configuré de sorte que le débit volumique variable et de préférence le débit massique variable délivré par le régulateur de débit de gaz soit respectivement inférieur ou égal au débit volumique constant et de préférence au débit massique constant délivré par la buse fixe.
Cette configuration permet de délivrer au moins la moitié du débit volumique total par la première buse à débit volumique constant, et au plus la moitié du débit volumique total par la deuxième buse à débit volumique variable. Une économie de gaz de 50% est ainsi avantageusement possible en situation d’effort minimal du plongeur (plongée statique) tout en gardant un apport en air frais acceptable pour le plongeur en cas de dysfonctionnement de la deuxième buse. Cette solution offre ainsi un niveau de sécurité amélioré puisque même en cas de défaillance de la buse à débit volumique variable, le sac respiratoire est approvisionné avec suffisamment de gaz frais pour que le plongeur ne soit pas en situation de danger. Il peut alors par exemple terminer sa plongée avec un niveau de confort satisfaisant, ou regagner la surface, ou encore se diriger vers d’autres plongeurs.
Selon un mode de réalisation, l’appareil est configuré de sorte que le débit volumique constant D1V délivré par la buse fixe et le débit volumique variable D2v délivré par le régulateur de débit de gaz soient tels que k1 *(D1v+D2v)£D2v£k2*(D1v+D2v), avec k-i=0.1 et k2=0.9, de préférence avec k-i=0.2 et k2=0.8, et de préférence avec k-i=0.3 et k2=0.7.
Selon un mode de réalisation, la buse fixe est configurée pour délivrer le premier apport en gaz frais depuis un premier réservoir de gaz sous pression et le régulateur de débit de gaz est configuré pour délivrer le deuxième apport en gaz frais depuis un deuxième réservoir de gaz sous pression.
Cette configuration permet avantageusement de séparer les sources d’approvisionnement en gaz, ce qui réduit la probabilité d’occurrence d’une rupture totale d’approvisionnement en gaz (cas de pannes simultanées sur chacune des première et deuxième buses). Ce mode de réalisation permet ainsi d’améliorer encore la fiabilité, et par voie de conséquence la sécurité, de l’appareil selon l’invention.
Selon un mode de réalisation, l’appareil comprend l’au moins un réservoir de gaz. Selon un mode de réalisation, le régulateur de débit de gaz est formé d’au moins et de préférence uniquement de :
- une buse fixe configurée pour délivrer à débit volumique constant et de préférence à débit massique constant un premier apport en gaz frais au sac respiratoire,
- une électrovanne configurée pour faire varier dans le temps le débit dudit apport en gaz frais de sorte à délivrer à débit volumique variable et de préférence à débit massique variable le deuxième apport en gaz frais au sac respiratoire.
Selon un mode de réalisation, l’électrovanne et la buse fixe du régulateur de débit de gaz sont connectées en série.
Dans la suite de la description lorsqu’on indique qu’un organe A est directement connecté à un organe B, cela signifie qu’il n’y a pas d’autres organes entre A et B, sauf indication contraire.
Selon un mode de réalisation, la sortie de l’embout est directement connectée à l’entrée de la chambre de recyclage.
Selon un mode de réalisation, la sortie de la chambre de recyclage est directement connectée à une entrée du sac respiratoire.
Selon un mode de réalisation, une sortie du sac respiratoire est directement connectée à une entrée de l’embout, à l’exception d’au moins un capteur configuré pour mesurer le paramètre de condition de plongée utilisé pour commander le régulateur de débit de gaz.
Selon un mode de réalisation, un premier conduit connecte directement un réservoir de gaz frais au sac respiratoire, à l’exception de la buse fixe qui est disposée sur ce premier conduit. Selon un mode de réalisation, un deuxième conduit connecte directement un réservoir de gaz frais au sac respiratoire à l’exception du régulateur de débit de gaz qui est disposé sur ce deuxième conduit.
Selon un mode de réalisation, un troisième conduit, qui n’est qu’optionnel, connecte directement le réservoir de gaz frais au sac respiratoire, à l’exception du détendeur à la demande qui est disposé sur ce troisième conduit.
L’invention selon son deuxième aspect comprend notamment les caractéristiques optionnelles ci-après pouvant être utilisées en association ou alternativement :
Selon un mode de réalisation, l’au moins un capteur de condition de plongée est un capteur physiologique.
Selon un mode de réalisation, le capteur physiologique est un capteur de fréquence ventilatoire.
Selon un mode de réalisation, le capteur de fréquence ventilatoire est configuré pour être positionné sur la boucle respiratoire entre l’entrée de l’embout et la sortie du sac respiratoire.
Selon un mode de réalisation, le kit comprend en outre un capteur de profondeur configuré pour être connecté au module électronique de contrôle de sorte à permettre au module électronique de contrôle de contrôler ledit débit volumique variable en fonction d’au moins une donnée dudit capteur de profondeur.
Dans la suite de la description et des revendications, on entend par :
- buse sonique : la buse sonique est un orifice calibré dans lequel la vitesse d’écoulement du gaz est supérieure ou égale à la vitesse sonique de ce gaz au droit de la section de passage minimale de l’orifice (écoulement sonique ou supersonique).
- débit volumique : le débit volumique Dv d’un gaz passant par un orifice ou une buse de section S à une vitesse v vaut : Dv = v. S. Dans le cas d’un écoulement subsonique, ce débit Dv varie en fonction de la pression du gaz en amont de la buse et de la pression du gaz en aval de la buse. Dans le cas d’un écoulement supersonique, ce débit Dv varie en fonction uniquement de la pression du gaz en amont de la buse sonique. Le débit volumique Dv est exprimé en L/min dans la suite.
- débit volumique constant : un gaz débitant à travers une buse sonique de section fixe S à la vitesse sonique présente un débit volumique constant pour une pression du gaz constante en amont de la buse sonique.
- débit massique : le débit massique DM d’un gaz passant par un orifice ou une buse de section S à une vitesse v vaut : DM = p. v. S, où p est la densité du gaz.
- débit massique constant : un gaz débitant à travers une buse de section fixe S à la vitesse sonique présente un débit massique constant, si la densité de ce gaz est constante. En particulier, un gaz délivré à pression constante en amont de la buse sonique présente un tel débit massique constant.
Dans la suite, un débit massique ou volumique constant est également appelé flux sonique.
On qualifie de débit constant un débit qui ne varie pas dans le temps (sur une période d’observation supérieure à 1 minute, de préférence supérieure à cinq minutes et de préférence comprise entre quelques minutes et quelques dizaines de minutes) de plus ou moins 10% et de préférence de plus ou moins 5% et de préférence de plus ou moins 2%.
- profondeur équivalente air : profondeur indiquée sur des tables de décompression relatives à des mélanges de gaz respiratoires contenant de l'azote et de l'oxygène dans des proportions différentes de celles de l'air, connus sous le nom de nitrox.
Dans la suite, les termes « orifice » et « buse » sont employés en synonymes. Les termes « débit » et « flux » sont également employés en synonymes.
Les termes « appareil respiratoire à recyclage de gaz » et « recycleur » sont employés en synonymes.
Dans la suite, le gaz frais est un gaz contenant de l’oxygène et qui n’a pas été recyclé par piégeage du C02 expiré par l’utilisateur. Ainsi le terme gaz « frais » s’entend par opposition au terme gaz « recyclé », le gaz recyclé étant le gaz délivré par une chambre de recyclage après piégeage du C02 expiré par l’utilisateur. Le gaz frais provient typiquement d’une bouteille de gaz embarqué par le plongeur. Le gaz frais peut être de l’air frais, ou un mélange comprenant des proportions d’azote et d’oxygène différentes de celles de l’air, tel que le nitrox, ou encore un mélange comprenant de l’azote, de l’hélium et de l’oxygène tel que le trimix.
En particulier, « air frais » et « gaz frais » sont employés en synonymes et peuvent également s’entendre de « nitrox » et « trimix » ou d’autres variantes de mélanges gazeux de type trimix, telles que l’heliox, l’heliair, le triox par exemple. Typiquement, il peut s’agir d’un gaz suroxygéné c’est-à-dire d’un mélange contenant un pourcentage d’oxygène supérieur à 21 % en volume, par exemple égal à 30%, à 40%, à 50% ou à 60 %.
Dans la suite de la description et des revendications, on entend par « buse variable » un dispositif de régulation d’un débit de gaz. Par exemple, une buse présentant une ouverture de section variable et/ou réglable forme un tel dispositif. Une buse présentant une ouverture de section fixe associée à une vanne intermittente forme également un tel dispositif. Ce dispositif peut être simplement dénommé « régulateur de débit de gaz ».
Nous allons à présent décrire la présente invention au travers d’un mode de réalisation préféré mais non limitatif.
En référence aux figures 2 et 3, un premier mode de réalisation de l’invention est un appareil 1 respiratoire de plongée sous-marine à recyclage de gaz en circuit semi-fermé comprenant une boucle respiratoire 2, un sac respiratoire 3. L’appareil est configuré pour être fluidiquement connecté à au moins un réservoir de gaz 4.
La boucle respiratoire 2 comprend un premier côté dit côté inspiration 5 et un deuxième côté dit côté expiration 6.
Le côté inspiration 5 comprend un conduit s’étendant depuis une sortie du sac respiratoire 3 jusqu’à une entrée de l’embout 56 ou d’un masque destiné au plongeur 10 et permet de véhiculer l’air inspiré par le plongeur 10. L’embout peut être un embout buccal s’insérant en partie dans la bouche du plongeur ou être intégré à un masque facial prenant à la fois la bouche et le nez du plongeur.
Le côté expiration 6 comprend un conduit s’étendant depuis une sortie de l’embout 56 ou du masque jusqu’au à une entrée sac respiratoire 3 et permet de véhiculer l’air expiré par le plongeur 10.
Le côté expiration 6 comprend notamment une chambre de recyclage 61 apte à recevoir un dispositif de filtration de l’air expiré, tel qu’une cartouche de chaux sodée. Un tel dispositif de filtration est configuré pour piéger le dioxyde de carbone présent dans l’air expiré, et laisser passer une partie filtrée ou purifiée de l’air expiré. Cette partie, également dénommée air recyclé, est ensuite réinjectée dans le sac respiratoire 3. La chambre de recyclage 61 présente une entrée couplée à la sortie de l’embout 56 ou du masque et une sortie couplée à l’entrée du sac respiratoire 3.
Le sac respiratoire 3 est donc en partie alimenté par l’air recyclé.
L’alimentation en air frais du sac respiratoire 3 se fait de préférence principalement par le biais d’un premier conduit 12 et d’un deuxième conduit 13 s’étendant entre l’au moins un réservoir de gaz 4 et le sac respiratoire 3.
Le sac respiratoire 3 est donc avantageusement alimenté par une double injection principale de gaz afin d’optimiser la consommation de gaz du plongeur 10 et la sécurité de la plongée. Ces avantages sont explicités dans la suite.
Le premier conduit 12 peut comprendre une première buse 120 présentant de préférence une section fixe. Un premier détendeur 121 au niveau d’une sortie de l’au moins un réservoir de gaz 4, relié à ce premier conduit 12 en amont de la première buse, dite buse fixe 120, est configuré pour délivrer du gaz en entrée de cette buse fixe 120. Ce premier détendeur 121 correspond par exemple à un détendeur de type « premier étage » que l’on rencontre habituellement sur les bouteilles de plongée. Ce type de détendeur permet typiquement de détendre un gaz de 200 bars à 10 ou 15 bars. Ce type de détendeur est cependant généralement asservi à la pression hydrostatique du milieu environnant, de sorte à délivrer une pression relative, par exemple 15 bars relativement à la pression hydrostatique environnante. Selon un mode de réalisation préféré, ce premier détendeur 121 est configuré pour délivrer du gaz à pression constante, par exemple 15 bars, en entrée de la buse fixe 120. Dans ce cas, ce premier détendeur 121 n’est pas asservi à la pression hydrostatique environnante, de sorte à délivrer une pression absolue, par exemple 15 bars quelle que soit la pression hydrostatique environnante. Cela permet de délivrer du gaz ayant une densité constante à l’entrée de la buse fixe 120. La quantité d’oxygène contenue dans ce gaz est donc constante, quelle que soit la pression hydrostatique.
La buse fixe 120 est configurée pour délivrer en sortie le gaz à une pression ambiante de sorte à alimenter le sac respiratoire 3 par un flux sonique de gaz, à débit volumique de gaz constant D1V, et de préférence à débit massique de gaz constant D1 M. Sur l’exemple non limitatif illustré en figure 2, l’entrée du sac respiratoire 3 alimenté par le conduit 12 portant la buse fixe 120 est référencée 122.
Le débit volumique de gaz constant D1V peut être compris entre 0 et 40 litres par minute, de préférence entre 0 et 30 litres par minute et encore plus préférentiellement entre 0 et 20 litres par minute.
Le deuxième conduit 13 peut comprendre un régulateur de débit de gaz 130. Le régulateur de débit de gaz 130 comprend de préférence :
Soit une deuxième buse présentant de préférence une section variable.
Soit une buse fixe 136, c’est-à-dire une buse de section fixe, connectée à une vanne 155 autorisant le passage du gaz de manière intermittente. Il peut par exemple s’agir d’une électrovanne.
Soit une combinaison d’une électrovanne et d’une vanne 155 autorisant le passage du gaz de manière intermittente.
Un deuxième détendeur 131 au niveau de l’au moins un réservoir de gaz 4, relié à ce deuxième conduit 13 en amont du régulateur de débit de gaz 130, est configuré pour délivrer du gaz en entrée de ce régulateur de débit de gaz 130. Ce deuxième détendeur 131 peut être un détendeur de type « premier étage ». Avantageusement et de façon similaire au fonctionnement du premier détendeur 121 détaillé ci-dessus, ce deuxième détendeur 131 est configuré pour délivrer du gaz à pression constante, par exemple 15 bars, en entrée du régulateur de débit de gaz 130.
Selon un mode de réalisation, les premier et deuxième détendeurs 121 , 131 peuvent être un seul et même détendeur, de sorte à simplifier le système et à le rendre plus robuste. La connectique entre ce détendeur et les premier et deuxième conduits 12, 13 peut alors comprendre une dérivation de sorte à alimenter chacun des deux conduits 12, 13.
Le régulateur de débit de gaz 130 est configuré pour délivrer en sortie le gaz alimentant le sac respiratoire 3 à débit volumique de gaz variable D2v, et de préférence à débit massique de gaz variable D2M. Sur l’exemple non limitatif illustré en figure 2, l’entrée du sac respiratoire alimenté par le conduit 13 portant le régulateur de débit de gaz 130 est référencée 132.
Le débit volumique variable de gaz D2v est tel que D2min £ D2V £ D2max.
Par exemple, le débit volumique variable de gaz D2V peut être compris entre 0 et 40 litres par minute, de préférence entre 0 et 30 litres par minute et encore plus préférentiellement entre 0 et 20 litres par minute.
Selon cet exemple de réalisation, le régulateur de débit de gaz 130 alimente en continu le sac respiratoire 3 au moins pour D2v>D2min, sans interrompre l’apport en gaz frais.
Selon un mode de réalisation alternatif, les premier 12 et deuxième 13 conduits sont alimentés par une même sortie 121 du réservoir de gaz 4, comme illustré en figure 4.
Selon un mode de réalisation alternatif, les premier 12 et deuxième 13 conduits alimentent une même entrée 122 du sac respiratoire 3, comme illustré en figure 4. Pour cela les premier 12 et deuxième 13 conduits sont connectés; par exemple en « Y » à un conduit commun 123.
Ces modes de réalisation permettent de simplifier et d’améliorer la robustesse de l’appareil.
Selon un mode de réalisation, le régulateur de débit de gaz 130 peut être constitué d’une buse de section variable dite buse variable.
Selon un autre mode de réalisation, le régulateur de débit de gaz 130 peut être constitué par l’association d’une buse fixe 136 de section constante et d’une vanne 155 ou électrovanne à ouverture intermittente, interrompant ponctuellement l’apport en gaz frais, de sorte à faire varier le débit volumique D2V. Dans cette configuration, le débit D2V prend uniquement les valeurs 0 et D2max- Ce deuxième apport en gaz frais peut ainsi être débité à flux sonique, ce qui permet avantageusement d’évaluer de façon précise la quantité d’oxygène réellement délivrée. L’apport moyen en gaz frais issu de ce deuxième apport varie donc en fonction d’une fréquence de coupure de l’électrovanne par exemple. Cette configuration permet également de réduire le coût du système. Ce mode de réalisation alternatif est illustré en figure 4.
La suite de la description fait référence au mode de réalisation dans lequel le régulateur de débit de gaz 130 comprend une buse de section variable. Néanmoins, tous les modes de réalisation, toutes les caractéristiques et avantages décrits ci-dessous peuvent être combinés avec le mode de réalisation dans lequel le régulateur de débit de gaz 130 comprend une buse 136 fixe ou variable connectée à une vanne 155 intermittente telle qu’une électrovanne. La référence numérique 130 est donc utilisée pour le régulateur de débit de gaz 130, quel que soit son mode de réalisation et l’expression « buse variable 130 » pourra être remplacée par l’expression « régulateur de débit de gaz 130 ».
Selon un mode de réalisation optionnel, le sac respiratoire 3 peut être alimenté en air frais par le biais d’un conduit supplémentaire 1 1 s’étendant entre l’au moins un réservoir de gaz 4 et le sac respiratoire 3. Ce conduit supplémentaire 11 peut être configuré pour délivrer un apport en gaz frais supplémentaire via un détendeur à la demande 1 10. Ce détendeur à la demande 1 10 peut être contrôlé manuellement par le plongeur 10 (il peut alors être qualifié d’injecteur), selon le besoin, et/ou peut se déclencher automatiquement, par exemple lors d’une descente rapide, afin de délivrer un complément en air frais dans le sac respiratoire 3. Un tel détendeur à la demande 1 10 est parfaitement classique et largement connu dans le domaine de la plongée. Il correspond typiquement à un détendeur de type « deuxième étage » que l'on retrouve sur les appareils respiratoires à circuit ouvert (OC), l’aspiration d’air étant connecté au sac respiratoire dans le cadre de l’invention. Selon un mode de réalisation alternatif, l’apport en gaz frais supplémentaire est délivré via un injecteur manuel seul ou couplé à un détendeur à la demande 1 10.
La référence 1 10 correspond soit à un détendeur à la demande, soit à un détendeur à la demande couplé à un injecteur manuel soit à un injecteur manuel seul.
Avantageusement, le sac respiratoire 3 est alimenté en continu par le biais de la buse fixe 120, et de façon variable par le biais de la buse variable 130. Le débit volumique total DN de gaz délivré au sac respiratoire 3 s’écrit DN = D1V + D2V.
Avantageusement, la variation du débit D2v de la buse variable 130 dépend d’un besoin physiologique du plongeur 10.
Selon un mode de réalisation préféré, l’appareil 1 respiratoire comprend un module électronique de contrôle 7 et un premier capteur 51 dit capteur physiologique, configuré pour mesurer un paramètre physiologique du plongeur 10.
Le capteur physiologique 51 est de préférence un capteur de fréquence respiratoire. Il peut être situé sur le côté inspiration 5 de la boucle respiratoire 2, et est de préférence configuré pour minimiser la perte de charge dans la boucle respiratoire 2. Un tel capteur peut par exemple se baser sur la mesure d’une vitesse de déplacement d’une bulle de gaz chauffée. Ainsi, le capteur mesure directement la fréquence respiratoire. Ce capteur ne dépend pas d’un dispositif mécanique qui autorise ou non l’apport en gaz. Ainsi, le capteur selon l’invention n’est pas un détendeur à la demande qui autorise l’apport en gaz. La précision et la sécurité de l’appareil en sont grandement améliorées.
Le paramètre physiologique mesuré, dans cet exemple la fréquence respiratoire mesurée, peut alors être transmis au module électronique de contrôle 7 en temps réel. Le module électronique de contrôle 7 est configuré pour ajuster le débit variable D2V par le biais d’un microcontrôleur commandant la buse variable 130 en fonction au moins du paramètre physiologique mesuré, dans cet exemple de la fréquence respiratoire mesurée. Ainsi, la buse variable 130 est pilotée par l’appareil 1 et plus précisément par un microcontrôleur.
La buse variable 130 est configurée pour rester ouverte si elle n’est plus alimentée en énergie, par exemple si le module électronique n’est pas activé (bouton ON/OFF non actionné) ou si la batterie est déchargée, ou encore en cas de défaillance du module électronique de contrôle 7 et/ou du microcontrôleur. Cela permet de renforcer encore la sécurité de l’appareil respiratoire. Selon une possibilité alternative, le capteur physiologique 51 peut être un capteur de rythme cardiaque. Dans ce cas, le capteur est par exemple fixé sur le thorax ou sur le poignet du plongeur.
Selon une possibilité alternative, le capteur physiologique 51 peut être un capteur de saturation d’oxygène dans le sang. Dans ce cas, le capteur est par exemple fixé sur le thorax ou sur le poignet du plongeur.
Selon une autre possibilité, l’appareil 1 respiratoire peut comprendre plusieurs capteurs identiques pour augmenter par redondance la fiabilité de l’ensemble.
Selon une autre possibilité, l’appareil 1 respiratoire peut comprendre plusieurs capteurs de types différents (par exemple capteur de fréquence respiratoire et capteur de rythme cardiaque). Cela permet d’évaluer plus précisément la quantité d’air frais à fournir au sac respiratoire. Cela permet également de renforcer encore la sécurité de l’appareil respiratoire. Ainsi, l’au moins un capteur de condition de plongée est configuré pour mesurer au moins l’un parmi les paramètres suivants : la fréquence ventilatoire du plongeur, sa fréquence cardiaque, la saturation / le taux d’oxygène dans le sang du plongeur. Il s’agit d’une meure directe. Ce paramètre ou une donnée relative à ce paramètre est ensuite envoyé au module électronique de contrôle qui commande le régulateur de débit de gaz.
Selon un mode de réalisation, le débit total DN de gaz dépend donc de la fréquence respiratoire mesurée, par l’intermédiaire de la buse variable 130 délivrant D2v, et répond ainsi à un besoin en oxygène de la part du plongeur 10.
Le débit variable D2v est de préférence nul pour une fréquence respiratoire mesurée en- dessous d’un premier seuil RV-i correspondant à un effort minimal du plongeur 10. Statistiquement, la fréquence respiratoire d’un plongeur est inférieure à 10 respirations par minute lors de situations d’effort minimal, telles qu’une plongée statique ou durant un palier de décompression.
Avantageusement, pour une fréquence respiratoire mesurée inférieure à RV-i avec par exemple RV-i = 10 respirations par minute, le débit variable D2V peut être ajusté électroniquement de sorte que D2V = 0 L/min. Dans ce cas, seule la première buse 120 à débit volumique constant alimente le sac respiratoire 3 en gaz (DN = D1V). Une économie de gaz peut ainsi être réalisée et la durée de la plongée en est rallongée. Par ailleurs, le confort respiratoire d’un plongeur 10 respirant dans l’appareil 1 devient supérieur à celui d’un plongeur respirant dans un recycleur classique comprenant un sac respiratoire alimenté de façon constante uniquement, ledit sac respiratoire étant alors suralimenté en gaz dans une telle situation d’effort minimal.
Le débit variable D2V est de préférence maximal pour une fréquence respiratoire mesurée au- dessus d’un deuxième seuil RV2 correspondant à un effort intense du plongeur 10. Statistiquement, la fréquence respiratoire d’un plongeur est supérieure à 20 respirations par minute lors de situations d’effort intense, telles qu’une plongée dans le courant ou en travaillant. Le confort respiratoire d’un plongeur 10 respirant dans l’appareil 1 peut également être supérieur à celui d’un plongeur respirant dans un recycleur classique comprenant un sac respiratoire alimenté de façon constante uniquement, ledit sac respiratoire étant alors sous- alimenté en gaz dans une telle situation d’effort intense.
Pour une fréquence respiratoire mesurée comprise entre RV-i et RV2, le débit variable D2v peut être égal à un débit moyen (D2min + D2max)/2, ou peut varier continûment en fonction de la fréquence respiratoire mesurée.
Selon une possibilité, au moins la moitié du débit volumique total DN peut être délivré par la première buse 120 à débit volumique constant D1V, et au plus la moitié du débit volumique total DN peut être délivré par la deuxième buse 130 à débit volumique variable D2V, de sorte que 0 <
D2V £ D-iv et D2max = D-iv-
Une économie de gaz de 50% est ainsi avantageusement possible en situation d’effort minimal du plongeur 10. Ce compromis permet également de garder un apport en air frais acceptable pour le plongeur 10 en cas de dysfonctionnement de la deuxième buse 130.
Cette double alimentation en air frais du sac respiratoire 3 par la buse fixe 120 et par la buse variable 130 permet ainsi d’optimiser la consommation de gaz en réduisant le gaspillage et en augmentant le confort du plongeur 10 durant la plongée.
Un autre avantage est la réduction de la quantité de gaz rejetée par la soupape de surpression 31 du sac respiratoire 3, ce qui augmente la discrétion visuelle et acoustique lors de la plongée. Selon une possibilité avantageuse, de manière additionnelle ou alternative au capteur physiologique, l’appareil 1 comprend un capteur de profondeur 52 ou de pression environnante relié au module électronique de contrôle 7. Le module électronique de contrôle 7 peut être configuré pour ajuster le débit volumique total DN en fonction de la profondeur mesurée Pmes par le capteur de profondeur 52. Cet ajustement de DN se fait par l’intermédiaire de la buse variable 130 permettant une variation de D2V.
En particulier, le débit total DN peut être réduit dans une zone de plongée dite profonde, pour une profondeur supérieure à une profondeur limite PNm par exemple égale à 18 m. La pression partielle d’oxygène P02 dans le gaz augmente avec la profondeur (loi de Dalton), de sorte qu’à partir de la profondeur limite PMm, une diminution du débit total DN peut être réalisée pour compenser l’augmentation de P02. Cette diminution du débit total DN en fonction de la profondeur mesurée, pour Pmes > Püm, permet également d’économiser du gaz.
Cette diminution du débit total DN entraînant une diminution de P02 permet en outre de limiter le risque de crise hyperoxique, qui devient important pour une P02 > 1 ,6 bar.
Par sécurité, le module électronique de contrôle 7 est de préférence configuré pour limiter la diminution du débit total DN de manière à conserver une pression partielle d’oxygène P02 supérieure à 1 bar et/ou supérieure à une pression partielle d’oxygène à la profondeur équivalente air. De cette manière le plongeur 10 a toujours la possibilité de suivre une table de décompression Air lors d’une remontée en surface.
Le débit D1V est de préférence délivré par l’intermédiaire d’éléments mécaniques uniquement, tels que le premier détendeur à pression constante et la buse fixe 120. Le débit D1V est donc contrôlé de façon purement mécanique. Le débit D2v est de préférence contrôlé électroniquement par le module électronique de contrôle 7.
La double injection de gaz dans le sac respiratoire 3 se fait donc préférentiellement par une injection dite mécanique et par une injection dite électronique.
Selon une possibilité, la proportion d’injection mécanique et d’injection électronique peut être choisie de façon à optimiser le fonctionnement général de l’appareil 1 respiratoire.
Ce choix peut résulter par exemple d’une analyse de risques.
Le rapport de débits L=D2v/DN peut ainsi être ajusté entre 0 et 1 en fonction de la proportion d’injection mécanique et d’injection électronique souhaitée.
Pour L=0, le fonctionnement de l’appareil 1 correspond à celui d’un recycleur mécanique semi- fermé classique dont toute l’injection est régie par une buse fixe.
Pour L=1 , le fonctionnement de l’appareil 1 correspond à un recycleur dont tout le débit est piloté électroniquement.
L’analyse de risques relative à un dysfonctionnement de l’appareil 1 en cas d’avarie au niveau des débits D1V et/ou D2V montre que :
Dans le cas où la buse fixe 120 fonctionne normalement et la buse variable 130 ne fonctionne pas et reste ouverte (cas d’avarie n°1 ), l’injection est constante et présente un débit total maximal DN = D1V + D2max,
L’appareil 1 fonctionne alors de manière similaire à un recycleur semi-fermé mécanique classique.
Dans le cas où la buse fixe 120 fonctionne normalement et la buse variable 130 ne fonctionne pas et reste fermée (cas d’avarie n°2), l’injection est constante et présente un débit total minimal DN = D1V. Le plongeur 10 n’est pas en situation de danger et peut par exemple terminer sa plongée, ou regagner la surface, ou encore se diriger vers d’autres plongeurs, en minimisant ses efforts.
Le choix du rapport L peut permettre de privilégier un apport en gaz par injection mécanique au débit D1V, plutôt que l’apport en gaz par injection électronique au débit D2V. Pour L<0,5 le plongeur 10 peut continuer sa plongée avec un niveau de confort satisfaisant dans ce cas d’avarie n°2.
Dans le cas où la buse fixe 120 ne fonctionne pas et la buse variable 130 fonctionne normalement (cas d’avarie n°3), l’injection est variable et présente un débit total DN = D2V.
Le choix du rapport L peut permettre de privilégier un apport en gaz par injection électronique au débit D2V, plutôt que l’apport en gaz par injection mécanique au débit D1V. Pour L>0,5 le plongeur 10 peut continuer sa plongée avec un niveau de confort satisfaisant dans ce cas d’avarie n°3. La probabilité d’occurrence de ce cas d’avarie n°3 est identique à la probabilité d’occurrence d’une buse bouchée sur un appareil semi-fermé mécanique classique.
Dans le cas où la buse fixe 120 ne fonctionne pas et la buse variable 130 ne fonctionne pas et reste fermée (cas d’avarie n°4), il n’y a plus d’injection principale et DN = 0.
Ce cas d’avarie n°4 doit être géré par le plongeur 10 de la même manière qu’avec un recycleur semi-fermé mécanique classique.
Selon une possibilité avantageuse, la buse fixe 120 est reliée à un premier réservoir de gaz et la buse variable 130 est reliée à un deuxième réservoir de gaz, de sorte que les sources d’alimentation des deux buses sont séparées. La probabilité d’occurrence du cas d’avarie n°4 est alors réduite.
La probabilité d’occurrence d’une situation critique pour un tel appareil 1 se trouve ainsi réduite vis-à-vis d’un appareil semi-fermé classique. Cette solution offre donc un niveau de sécurité amélioré.
L’injection DN peut en outre être complétée selon le besoin grâce au détendeur à la demande 1 10 sur le conduit 1 1 par exemple.
Cette injection complémentaire par le conduit 1 1 délivre de préférence le même gaz que l’injection principale par les buses. Le déclenchement du détendeur à la demande 1 10 peut se faire manuellement par le plongeur 10, et/ou de façon automatique par exemple lors d’une descente rapide du plongeur 10. Cela permet d’éviter que le sac respiratoire 3 ne se rétracte sous l’effet de l’augmentation de la pression hydrostatique ambiante, les buses fixe et variable délivrant une quantité de gaz trop peu importante pour compenser rapidement l’augmentation de la pression hydrostatique ambiante.
Ce détendeur à la demande 1 10 augmente donc le confort du plongeur et lui permet d’effectuer des descentes rapides mais n’est pas pour autant indispensable.
Comme illustré sur la figure 2, on notera que le premier conduit 12 permet le passage du gaz depuis le réservoir de gaz 4 jusqu’au sac respiratoire 3 en passant uniquement au travers de la première buse 120 à débit volumique constant. De préférence, ce conduit 12 ne comporte que la première buse 120 à débit volumique constant. En particulier ce conduit 12 ne comporte pas de détendeur à la demande. Le gaz passant au travers de la première buse 120 à débit volumique constant ne passe pas à travers un détendeur à la demande avant de parvenir au sac respiratoire 3. Cela permet de considérablement améliorer la sécurité de l’appareil.
Le sac respiratoire 3 comprend également de préférence une soupape de surpression 31 permettant d’éliminer l’excédent de gaz dans la boucle respiratoire 2. Un deuxième aspect de l’invention concerne un kit 20 adaptable sur un recycleur semi-fermé mécanique classique. Typiquement ce kit 20 peut être monté sur un appareil tel que celui illustré en figure 1.
En référence à la figure 4, ce kit 20 comprend au moins une buse 130 dite variable configurée pour délivrer un débit volumique variable de gaz D2v, un capteur 51 , 52 configuré pour mesurer une profondeur ou un paramètre physiologique du plongeur et un module électronique de contrôle 7 configuré pour faire varier le débit D2v de la buse variable 130 en fonction d’au moins une donnée du capteur 51 , 52.
La buse à débit variable 130, également désigné régulateur de débit de gaz 130, peut être formée par une électrovanne 155 associée à une buse à débit constant 136. Selon un exemple une telle buse 136 est par exemple similaire à une buse sonique 120. La buse variable 130 peut être connectée sur un conduit auxiliaire fourni séparément ou compris dans le kit 20. Ce conduit auxiliaire relie le sac respiratoire 3 et au moins un réservoir de gaz 4 du recycleur semi- fermé mécanique classique, de manière à délivrer un apport auxiliaire de gaz frais à débit volumique variable D2V.
Une liaison 123 en Y en entrée et/ou en sortie des buses 120 et 130 ou des conduits 12, 13 équipés des buses 120, 130 peut permettre de simplifier la connectique et d'améliorer la robustesse de l'appareil. Cela permet par exemple de n’avoir qu’une seule entrée 124 sur le sac respiratoire pour collecter les apports des buses 120 et 130. Ces liaisons en Y peuvent être fournies séparément ou intégrées dans le kit 20.
De préférence, on remarquera que dans cet exemple également, le conduit 12 autorise une alimentation du sac respiratoire 3 par le réservoir de gaz 4 en passant uniquement à travers la première buse 120 à débit volumique constant. En particulier, le gaz issu du réservoir de gaz 4 ne traverse pas un autre organe tel qu’un détendeur à la demande pour parvenir au sac respiratoire 3 en passant par le conduit 12 et la premières buses 120 à débit volumique constant.
Le capteur physiologique 51 est de préférence un capteur de fréquence ventilatoire, et peut être connecté sur la boucle respiratoire 2 du recycleur semi-fermé mécanique classique, entre le sac respiratoire 3 et l’embout 56 destiné au plongeur.
En plus du capteur physiologique 51 ou en alternative au capteur physiologique 51 , le kit 20 comprend un capteur de profondeur 52 et le module électronique de contrôle 7 est configuré pour faire varier le débit D2V de la buse variable 130 en fonction d’au moins une donnée du capteur de profondeur 52.
Le capteur de profondeur 52 est de préférence intégré dans une enceinte étanche 21. Cela permet de réduire l'encombrement du kit 20 et d’améliorer la manipulation de ce kit 20 par l'utilisateur.
Ce kit 20 permet avantageusement et à moindre coût de transformer le recycleur semi-fermé mécanique classique en un appareil 1 respiratoire selon le premier aspect de l’invention. Comme cela ressort clairement de la description détaillée ci-dessus, l’invention propose un appareil respiratoire et un kit 20 pour appareil respiratoire robuste et particulièrement fiable. L’invention permet ainsi d’améliorer considérablement la sécurité et le confort du plongeur. L’invention permet en outre d’allonger la durée de la plongée par rapport à un recycleur standard.
L’invention n’est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits mais s’étend à tous modes de réalisation entrant dans la portée des revendications.

Claims

REVENDICATIONS
1. Appareil (1 ) respiratoire de plongée sous-marine à recyclage de gaz en circuit semi- fermé destiné à être porté par un plongeur (10), comprenant une boucle respiratoire (2) destinée à être connectée à au moins un réservoir de gaz (4), la boucle respiratoire (2) comprenant :
au moins un embout (56) destiné au plongeur (10) et permettant au plongeur (10) de respirer dans la boucle respiratoire (2),
au moins une chambre de recyclage (61 ) connectée à une sortie de l’embout (56) et destinée à recycler au moins une partie d’un gaz expiré par le plongeur (10) de sorte à fournir un gaz recyclé, ladite chambre (61 ) étant configurée pour recevoir un dispositif de filtration du gaz expiré, et
au moins un sac respiratoire (3) présentant une sortie connectée à une entrée de l’embout (56), une entrée connectée à une sortie de la chambre de recyclage (61 ) et au moins une entrée destinée à être connectée à au moins une sortie de l’au moins un réservoir de gaz (4), le sac respiratoire (3) étant configuré pour permettre le mélange en son sein du gaz recyclé issu de la chambre de recyclage (61 ) et d’au moins un apport en gaz, dit gaz frais, issu de l’au moins un réservoir de gaz (4), l’appareil (1 ) comprenant une pluralité de conduits permettant des connexions en parallèle entre au moins une entrée du sac respiratoire (3) et au moins un réservoir de gaz (4), l’appareil (1 ) comprenant:
un premier conduit (12) de ladite pluralité de conduits, équipé d’une première buse (120) dite buse fixe configurée pour délivrer à débit volumique constant et de préférence à débit massique constant un premier apport en gaz frais au sac respiratoire (3),
un conduit supplémentaire (1 1 ) de ladite pluralité de conduits, équipé d’un détendeur à la demande (1 10) configuré pour délivrer un apport en gaz frais supplémentaire au sac respiratoire (3),
ledit appareil (1 ) étant caractérisé en ce qu’il comprend en outre au niveau dudit au moins un conduit :
un deuxième conduit (13) de ladite pluralité de conduits, équipé d’un régulateur de débit de gaz (130) configuré pour délivrer à débit volumique variable et de préférence à débit massique variable un deuxième apport en gaz frais au sac respiratoire (3),
en ce que ledit appareil (1 ) comprend également au moins un capteur (51 ) de condition de plongée, configuré pour mesurer au moins un paramètre de condition de plongée pris parmi un paramètre physiologique du plongeur (10) et la pression de l’eau entourant ledit appareil (1 ), et en ce que,
ledit appareil (1 ) est configuré pour commander le régulateur de débit de gaz (130) de sorte à faire varier ledit débit volumique variable et de préférence ledit débit massique variable au moins en fonction d’une donnée relative audit au moins un paramètre de condition de plongée.
2. Appareil (1 ) selon la revendication précédente dans lequel l’au moins un capteur est un capteur physiologique (51 ).
3. Appareil (1 ) selon la revendication précédente dans lequel l’au moins un capteur est un capteur de fréquence ventilatoire.
4. Appareil (1 ) selon la revendication précédente dans lequel le capteur de fréquence ventilatoire est positionné sur une partie (5) de la boucle respiratoire (2) située entre l’entrée de l’embout (56) et la sortie du sac respiratoire (3).
5. Appareil (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel l’au moins un capteur comprend un capteur de profondeur.
6. Appareil (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant en outre un module électronique de contrôle (7) configuré pour commander électroniquement le régulateur de débit de gaz (130) de sorte à faire varier le débit volumique variable et de préférence le débit massique variable au moins en fonction de ladite donnée relative audit paramètre de condition de plongée.
7. Appareil (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes comprenant au moins un capteur (51 ) physiologique configuré pour mesurer au moins un paramètre physiologique du plongeur (10) et un capteur de profondeur pour mesurer la pression de l’eau entourant ledit appareil (1 ), et dans lequel ledit appareil (1 ) est configuré pour commander le régulateur de débit de gaz (130) de sorte à faire varier ledit débit volumique variable et de préférence ledit débit massique variable au moins en fonction du paramètre physiologique du plongeur (10) et de la pression.
8. Appareil (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel le régulateur de débit de gaz (130) comprend une deuxième buse présentant une section variable de manière à délivrer le deuxième apport à débit volumique variable et de préférence à débit massique variable.
9. Appareil (1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7 dans lequel le régulateur de débit de gaz (130) comprend vanne (155) à ouverture intermittente et une buse (136) présentant une section fixe, ladite buse (136) étant couplée à ladite vanne (155) de manière à délivrer le deuxième apport à débit volumique variable et de préférence à débit massique variable.
10. Appareil (1 ) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le régulateur de débit de gaz (130) est formé d’au moins et de préférence uniquement de :
une buse fixe (136) configurée pour délivrer à débit volumique constant et de préférence à débit massique constant un apport en gaz frais au sac respiratoire (3), - une électrovanne (155) configurée pour faire varier dans le temps le débit dudit apport en gaz frais de sorte à délivrer à débit volumique variable et de préférence à débit massique variable le deuxième apport en gaz frais au sac respiratoire (3), l’électrovanne (155) et la buse fixe (136) du régulateur de débit de gaz (130) étant connectées en série.
11. Appareil (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes configuré de sorte que le débit volumique variable et de préférence le débit massique variable délivré par le régulateur de débit de gaz (130) soit respectivement inférieur ou égal au débit volumique constant et de préférence au débit massique constant délivré par la buse fixe (120).
12. Appareil (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes configuré de sorte que le débit volumique constant D1V délivré par la buse fixe (120) et le débit volumique variable D2v délivré par le régulateur de débit de gaz (130) soient tels que k1 *(D1v+D2v)£D2v£k2*(D1v+D2v), avec k-i=0.1 et k2=0.9, de préférence avec k-i=0.2 et k2=0.8, et de préférence avec k-i=0.3 et k2=0.7.
13. Appareil (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes dans lequel la buse fixe (120) est configurée pour délivrer le premier apport en gaz frais depuis un premier réservoir de gaz sous pression et le régulateur de débit de gaz (130) est configuré pour délivrer le deuxième apport en gaz frais depuis un deuxième réservoir de gaz sous pression.
14. Kit (20) destiné à équiper un appareil respiratoire de plongée sous-marine à recyclage de gaz en circuit semi-fermé destiné à être porté par un plongeur (10), l’appareil comprenant une boucle respiratoire (2) destinée à être connectée à au moins un réservoir de gaz (4), la boucle respiratoire (2) comprenant au moins un sac respiratoire (3) présentant : une sortie connectée à une entrée d’un embout (56) permettant au plongeur (10) de respirer dans la boucle respiratoire (2), une entrée connectée à une sortie d’une chambre de recyclage (61 ) d’un gaz expiré par le plongeur et au moins une entrée destinée à être connectée à au moins une sortie de l’au moins un réservoir de gaz (4), le sac respiratoire (3) étant configuré pour permettre le mélange en son sein du gaz recyclé issu de la chambre de recyclage (61 ) et d’au moins un apport en gaz, dit gaz frais, issu de l’au moins un réservoir de gaz (4),
ledit au moins un réservoir de gaz (4) étant connecté à au moins une entrée du sac respiratoire (3) par au moins un conduit comprenant : une première buse (120) dite buse fixe configurée pour délivrer à débit volumique constant et de préférence à débit massique constant un premier apport en gaz frais au sac respiratoire (3),
un détendeur à la demande (110) configuré pour délivrer un apport en gaz frais supplémentaire au sac respiratoire (3),
le kit (20) comprenant au moins :
un régulateur de débit de gaz (130) configuré pour délivrer à débit volumique variable et de préférence à débit massique variable un deuxième apport en gaz frais par ledit au moins un conduit connecté au sac respiratoire (3) et à l’au moins un réservoir de gaz (4),
au moins un capteur (51 ) de condition de plongée, configuré pour mesurer au moins un paramètre de condition de plongée pris parmi un paramètre physiologique du plongeur (10) et la pression de l’eau entourant ledit appareil (1 ), ledit au moins un capteur étant configuré pour être porté par au moins l’un parmi l’appareil (1 ), le kit (20) et le plongeur (10),
un module électronique de contrôle (7) configuré pour commander le régulateur de débit de gaz (130) de sorte à faire varier ledit débit volumique variable et de préférence ledit débit massique variable au moins en fonction d’une donnée relative audit au moins un paramètre de condition de plongée.
15. Kit (20) selon la revendication précédente dans lequel l’au moins un capteur de condition de plongée est un capteur physiologique.
16. Kit (20) selon la revendication précédente dans lequel le capteur physiologique est un capteur de fréquence ventilatoire.
17. Kit (20) selon la revendication précédente dans lequel le capteur de fréquence ventilatoire est configuré pour être positionné sur la boucle respiratoire entre l’entrée de l’embout et la sortie du sac respiratoire.
18. Kit (20) selon l’une quelconque des revendications 14 à 16 comprenant en outre un capteur de profondeur configuré pour être connecté au module électronique de contrôle de sorte à permettre au module électronique de contrôle de contrôler ledit débit volumique variable et de préférence ledit débit massique variable en fonction d’au moins une donnée dudit capteur de profondeur.
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