Brevet FR2363336A1 — publié le 19780331

Au cours dtune respiration normale, l'air inhale est réchauffé et humidifié en passant dans:le nez, la-trachée et les bronches. Cette fonction fondamentale du corps protè ge les délicates membranes des poumons mais peut ne pas autre d'une efficacité suffisante en cas de respiration forte ou rapide dtun air sec très froid. Lors de ltexhalation, une certaine quantité de chaleur et humidité est retransmise aux parois des voies respiratoires, mais la plus grande par tie de liénergie calorifique et de l'humidité est perdue dans les gaz exhaiés. Au repos et à une température ambiante agréable, la perte d'énergie est de tordre de 1 kcal/h et est facile -ment compensée par les fonctions normales du corps. Cependant, à titre dtexemplej à une température de -30 C et à une alti tude de 5500 mètres, en présence d'une faible humidité et à un rythme modéré de 60 respirations à la minute, avec une moyenne d'environ 2 litres par respiration, la perte serait d'environ 230 kcal et de 250 g dteau à l'heure.Ceci repré- sente une partie importante de l'énergie fournie par le corps et le fait de porter simplement des vêtements chauds peut ne pas autre suffisant pour retenir une quantité souhaitable de iténergie. Egalement, étant donné qu'un froid extrême suppri- me la soif, la déshydratation pourrait poser un problème. Il a été mis au point diverses techniques pour chauffer et humidifier un gaz à respirer, mais les appareils réalisés sont habituellement complexes et lourds. Des ré chauffeurs thermiques nécessitent des sources d'énergie et leur utilisåtion de l'énergie n'est pas particulièrement-ef- ficace dans une atmosphère sèche, tandis qu'un humidificateur doit contenir une réserve d'eau sous une certaine forme et est donc lourd et encombrant, Pour qutun tel appareil soit commode et fiable, il doit #tre simple, compact- et doit se contenter d'un minimum de milieu stockable générateur dté- anergie Le dispositif-décrit dans le présent mémoire peut s'adapter auxmasqueSrespiratoires-aux embouts et éléments analogues utilisés sous l'eau et dans l'atmosphère. Des ap plications particulières comprennent la plongée avec sca phandre autonome l'ascension de montagnes,des opérations dans l'arctique ou dans des conditions hivernales rigoureuses ou bien en cas de survie dans un climat froid ainsi que dans l'aviation et dans des opérations spatiales.Généralement, les applications comprennent toutes conditions dans lesquel les il faut utiliser l'air ou un gaz à respirer en présence d'un froid extrême et d'une faible humidité L'appareil uti lise une source dthydrogène, de préférence sous forme ga zeuse pour une question de commodité de stockage et dtutili satioki. La quantité utilisée est très faible et un petit cy cylindre sous haute pression contient suffisamment d'hydrogène pour un usage prolongé. Sous la forme la plus simple de l'appareil, l'hydrogène est préalablement mélangé en proportions convenables avec ltair ou gaz à respirer dans un récipient sous pression.Un réchauffeur est installé directement dans la canalisation reliant la source à l'orifice respiratoire tel qu'un embout ou un masque. Le réchauffeur est de préfé renié du type catalytique pour éviter d'avoir recours k une solide dténergie. Des catalyseurs convenables comprennent des métaux ou oxydes métalliques notamment de platine, de palladium, de vanadium, de chrome, de cuivre, de manganèse, de cobalt et de nickel. Ils peuvent autre appliqués à des supports ou supportés par- ceux-ci tels que l'alumine, la ma gnésie, un gel de silice, l'amiante, une terre à diatomées od des fils métalliques, par exemple d'une toile. Lorsque le gaz à respirer contenant lthydrogène passe sur le catalyseur; l'hydrogène eèt brillé et chauffe le gaz. En outre, l'hydrogène se combine avec l'oxygène du gaz à respirer et produit de la vapeur dteau qui humidifie le gaz. Tant que la quantité d'hydrogène est maintenue au-des sous de 3 % de la totalité dû gaz, il n'y a aucun risque d'explosion et la combustio#n est facilement réglée. Cette quantité est plushue suffisante pour fournir 11 énergie né cessaire dans toutes les conditions raisonnables auxquelles l'appareil est destiné. Dans d'autres formes de réalisation, principalement pour un usage dans l'atmosphère, lthydrogène est stocké dans un récipient et est injecté en quantité déterminée dans le courant du gaz à respirer. Lthydrogène est injecté dans une matière catalytique ou à proximité d'un élément catalyti que ou autre élément de chauffage. Pour plus de commodité, le dispositif de chauffage peut autre incorporé dans le masque respiratoire proprement dit. Le débit est réglé par une soupape qui est sensible à l'état du gaz à respirer telle qutune soupape commandée par la respiration ou par un dispositif détecteur de tempéra#ture qui maintient un état de chauffage stable.Bien que le dispositif de chauffage à catalyse soit le plus simple et le plus commode pour un système portable, il est bien entendu que lto iourrait utiliser un fil métallique chaud, une flamme ou autre dispositif d'allumage lorsque les circonstances le permettent. En conséquence, la présente invention a principalement pour objet un nouveau dispositif perfectionné de chauffage et d'humidification pour un appareil respiratoire, ledit dispositif utilisant la combustion de l'hydrogène dans le gaz à respirer pour engendrer la chaleur et l'humidité. L'hydrogène est réglé pour maintenir le degré voulu de chauffage. Ledit dispositif de chauffage et d'humidification peut autre incorporé dans un masque respiratoire. Il utilise un chauffage catalytique pour éviter d'avoir recours à une source d'énergie. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à-titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels la figure 1 représenté le système sous sa forme la plus simple, des parties du dispositif de chauffage étant en arrachement la figure 2 est une vue de csté avec arrachement partiel d'un masque respiratoire comportant un dispositif de chauffage avec une soupape de commande du débit de l'hydrogène réglée enfonction de la température ; la figure 3 est une vue de c8té d'un masque respiratoire analogue mais avec une soupape de commande du type "'a la demande" dans le dispositif de chauffage la figure 4 est un diag#ramme montrant la relation entre l'adhission d'hydrogène et la température ; et la figure 5 est un diagramme montrant la relation entre l'admission dthydrogène et l'humidité. Dans la forme de réalisation simple représentée sur la figure i, l'hydrogène est préalablement mélangé avec le gaz à respirer et est stocké dans un cylindre ou récipient sous pression 10 comportant un régulateur de débit 12. Un tuyau d'alimentation 14 relie le régulateur 12 à l'entrée 16 diun dispositif de chauffage 18. Un autre tuyau 21 relie la sortie 20 du dispositif de chauffage 18 à un élément respiratoire qui est représenté sous la forme d'un embout 22. Ltembout comporte une soupape 24 du type "b la demande", c'est-a-dire qui laisse passer le gaz à respirer à la demande, lorsque l'utilisateur respire. Le récipient 10, le régulateur 12, l'embout 22 et la soupape 24 sont des éléments classiques utilisés dans un scaphandre autonome. Le dispositif de chauttåge 18 comprend une simple botte, cylindrique 26 ayant des tubes d'entrée et de sortie 16 et 20 destinés à être fixes aux tuyaux dtune façon appro priée. La botte 26 contient une matière catalytique 28 sous la forme de granules ou de pastillas permettant le passage du gaz. Des grilles 30 ou éléments de retenue perforés analogues disposés aux extrémités opposées de la botte empêchent la matiète catalytique 28 de passer par le tube d'entrée ou de sortie. Une matière convenable pour le catalyseur comprend des pastilles d'alumine rev#tues de 0,5 r# de platine, lesdites pastilles ayant un diamètre d'environ 3 mm.D'autres ma tières catalytiques sont énumérées plus haut et il est possible d'utiliser diverses combinaisons. Dans un système particulier, on a utilisé environ 10 à 15 g de pastilles d'alumine rev#tues de platine et il a fallu environ 15 à 20 minutes pour atteindre une température stable de fonctionnement. Le réchauffage initial peut être accéléré par un chauffage externe, la quantité de chaleur nécessaire étant faible, celle obtenue en tenant la botte sous le bras de l'utilisateur étant suffisante. En mélangeant préalablement l'hydrogène avec le gaz à respirer, l'élévatIon de la température obtenue est prédéterminée mais elle peut Qtre réglée dans une certaine mesure en ajoutant où en enlevant un isolant 32 entourant la bofte 26. La quantité dthy- drogène ajoutée au gaz à respirer est faible et sans effet expiosif, la quantité maximale souhaitée étant d'environ 3 o. Comme indiqué sur le diagramme de la figure 4,1'addition de 0,1 % d'hydrogène au gaz de départ à respirer produit une élévation idéale de la température de 7,8 C ou de 7oC pour une addition de 1 % d'hydrogène. L'élévation réelle de la température dépend de l'efficacité du système et de l'inhibition des pertes de chaleur. D'après le diagramme de la figure 5, on voit que l'addition de 1 # d'hydrogène assure une introduction nominale de 1 % de tapeur d'eau. La variation de la température est constante à toute pression ambiante et est donc essentiellement prévisible à toute altitude au-dessus de la terre ou à toute profondeur dans la mer. Cependant, les variations de l'humidité sont fonction de la température et de la pression selon lté- quation ci-après dans laquelle r est l'humidité relative, Fa est la pression ambiante du gaz à respirer en millimètres de mercure, Pv est la tension de vapeur de l'eau à la température du gaz sortant Au niveau de la mer et à la température ambiante, une augmentation de 0,1 % de la teneur en vapeur d'eau équivaut à une augmentation d'environ 3 % de l'humidité relative. D'après l'équation, ceci correspond à 1,5 ffi à 5000 mètres d'altitude et à environ 6 % à une pression doubleau la pression atmosphérique, par exemple sous l'eau. En utilisant le m#me rapport de lthydrogène au gaz à respirer, un plongeur respirerait ainsi de l'ait plus fortement saturé en humidité que lors de l t ascension d'une montagne. Pour produire la vapeur d'eau, îthydrogène con somme la moitié de sa quantité d'oxygène. Dans l'air ou dans les plages de pressions atmosphériques avec une teneur en oxygène allant jusqu'à 20 % du gaz à respirer, ceci a peu d'importance. Toutefois, lors d'une plongée à une grande pro fondeur où règnent de fortes pressions, la teneur en oxygène du gaz à respirer est très faible, de l'ordre de 1 %.Un plongeur respirant un gaz contenant 0,5 % d'hydrogène devrait ainsi ajouter 0,25 r# d'oxygène au mélange de départ en vue de sa combinaison avec lthydrogèneO A titre d'exemple de l'action du système dans l'air, à une température de -3OQC et à une humidité relative de 10 % avec un rythme de 60. respirations à la minute à une moyenne de 1,5 litre par respiration, la perte est d'environ 190 g d'eau et dé 215 kcal d'énergie à l'heure. Pour élever la température de l'air à respirer de 60OC ou pour la porter à +30OC, il faudrait ajouter 0,77 % d'hydrogène, Ceci aurait également pour conséquence d'ajouter .0,77 % de vapeur d'eau à l'air à respirer ce qui se traduirait par l'addition de 34 g d'eau et de 105 kcal d'énergie calorifique à l'heure. 2 i litre environ d'hydrogène à une pression de 175 kg/cm as- surerait cette augmentation d'énergie pendant environ 10 heu res. On voit qu'une grande partie de la perte dténergie est remplacée et que la perte peut être réduite en ajoutant une quantité supplémentaire d'hydrogène, jusqu'à 3 #, au gaz. à respirer. La limite est déterminée par la température maximale du gaz qui peut Ette supportée agréablement lors de la res piration. Il convient de noter que le dispositif de chauffage pourrait être prolongé et incorporé à une partie d'un vête- ment humide pour tirer profit de la chaleur engendrée afin de chauffer le corps. Lorsqu'un réglage du doit d'hydrogène est néces saire, au lieu de le mélanger préalablement en une quantité déterminée, il est possible d'utiliser la forme de réalisation de-la fig#ure 2. Le dispositif représenté est destiné à Autre utilisé à l'air et comporte un récipient 10 équipé d'un régulateur 12 et d'un tuyau d'alimentation 14. Dans ce cas, le récipient ne contient que de l'hydrogène et peut Autre très petit pour faciliter son transport. Le dispositif de chauffage 34 est fixé directement b-un appareil respiratoire représenté sous la forme d'un masque 36 comportant des sangles de fixation 38. Le masque est équipé d'une soupape de sortie à diaphragme 40 d'un type classique pour dégager ltair exhalé. D'autres types de. soupapes de décharge peuvent également convenir selon la conception du masque et son application. Le dispositif de chauffage 34 comporte une botte 42 ayant à l'extrémité fermée 46 une soupape d'admission 44 du type à diaphragme ou un clapet de retenue analogue. L'autre extrémité ou extrémité de sortie 48 est ouverte et sta- juste dans le masque 36. Une plaque formant chicane 50 est inséée par l'extrémité ouverte 48 et présente des perforations 52 pour laisser passer le gaz à respirer. La chambre fermée délimitée par l'extrémité fermée 46 et la chicane 50 contient des pastilles d'une mati-ère catalytique 54. Le tuyau 14 est relié à l'entrée 56 de lihydrogène dans une soupape58 fixée à la botte 42 ou incorporée à cette dernière et entourant un orifice 59 d'admission de l'hydrogène dans la bot- te, en regard de l'entrée 56.Un tube collecteur 60 se prolonge de l'entrée 59 à l'intérieur de la botte et présente des perforations 62 destinées à répartir l'hydrogène sur toute la largeur de la botte. Un bras de manoeuvre 64 s'articule sur une console 66 dans la soupape 58. Des clapets 68 et 70 sont montés dos à dos à une extrémité du bras 64, le clapet 68 étant positionné de façon à fermer l'entrée 56 et le clapet 70 étant placé de façon à fermer l'ouverture du tube collecteur 60. L'autre extrémité du bras 64 est reliée par une biellette 72 à un élément 74 sensible à la température qui est monté sur la chicane 50 ou sur un autre su#pport convenable à l'intérieur de la botte. Ltélément sensible à la température est de pré- férence du type mécanique tel qutune bande ou un enroulement à bilame qui transmet un mouvement à la biellette 72 en cas de variation de la température, ce#tte disposition étant bien connue. Le débit de l'hydrogène diadmission est faible et la pression, qui est réglée par le régulateur 12, est normalement très faible, de sorte que l'étanchéité de la soupape ne pose pas de problème. La biellette 72 traverse un joint 76 qui empoche l'hydrogène de passer directement dans le masque.L'élément 74 est réglé de façon à obliger le clapet 70 à fermer le-tube collecteur 60 lorsque la température du gaz à respi rer dépasse une valeur agréable prédéterminée. La commande sensible à la température constitué donc un élément de sécurité pendant le fonctionnement de l'appareil. A une basse température prédéterminée, le clapet 68 ferme l'entrée 56 pour interrompre le débit d'hydrogène et éviter une défaillance du catalyseur. Etant donne de cela signifie la fermeture de l'entrée d'hydrogène lorsque l'appareil ést froid, il est prévu un bouton de démarrage 78 qui permet d'ouvrir lten- trée et d'amorcer le débit d'hydrogène.Le bouton 78 entre en contact avec le bras 64 de façon à pouvoir surmonter la force de maintien de l'élément 74 afin d t ouvrir le clapet 68. La tette 80 du bouton 78 agit comme une butée contre la soupape 58 de manière à limiter le mouvement du bras 64 pour que lé clapet 70 ne soit pas Beime par inadvertance lors du démarrage et que les deux entrées 56 et 59 soient ouvertes simultanément. Un petit manchon d'étanchéité 82 recouvrant le bouton 78 empoche une fuite dbfiyrogéne. La configuration et le fonctionnement de la soupape représentée sont donnés à titre illustratif et il est possible d'utiliser d'autres dispositions pour obtenir une action équivalente. En fonctionnement, chaque respiration aspire l'air par l'intermédiaire de la soupape d'admission 44 et à travers la boMbe 42. Lthydrogène éjecté par le tube collecteur 60 réagit dans la matière catalytique 54 et chauffe l'air tout en se combinant avec l'oxygène de l'air pour fournir de l'humidité. Le dégagement de chaleur qui se produit lors de chaque aspiration est modéré par la capacité de dissipation de chaleur de la matière catalytique et le dégagement est sensiblement constant. Si la température devient trop élevée, l'élément 74 provoque la fermeture du clapet 70 et interrompt l'admission de l'hydrogène de façon qutil ne se forme pas de mélange explosif.La chaleur restant dans la masse de matière catalytique réchauffe l'air d'admission jusqu'à ce que la température baisse à un ni#veau de fonctionnement n'offrant aucun risque. Bien que l'appareil soit représenté pour son utilisation dans l'air qui est aspiré directement par la soupape d'admission 44, il convient de noter que toute source convenable de gaz à respirer peut être reliée à ltentrée de la botte si cela stavère nécessaire, Dans une variante représentée sur la figure 3, le débit d'hydrogène est réglé par un dispositif du type "à la demande" commandé par la respiration. Le masque 36 est analogue à celui décrit plus haut et l'hydrogène est admis par l'intermédiaire d'un tuyau 14 comme on le voit sur la figure 2. Dans cette forme de réalisation, le dispositif de chauffage 84 comporte une botte 86 présentant une entrée d'air 88 à l'extrémité externe ët une soupape d'admission 90 à ltextrémité ouverte 92 qui s'ajuste dans le masque 36. L'air provenant de l'entrée 88 passe par un tube venturi 94 présentant un étranglement 96 pour produire une chute de/pression dans le courant d'air. L'étranglement 96 comporte un diaphragme flexible 98 qui est tiré dans l'étranglement par la chute de pression se produisant lors de chaque aspiration. Une soupape 100 à laquelle est relié un tuyau t4 est assujettie à la botte 86 en travers de laquelle est disposé un tube collecteur 102 partant de la soupape. Le débit dthydrogène dans le tube collecteur est déterminé par un poin teau 104 monté sur une extrémité d'un bras 106 et s'appuyant dans l'orifice 107 d'entrée de lthydrogene. L'autre extrémité du bras 106 est reliée par une biellette 108 au diaphragme 98. Le bras traverse une paroi élastique 110 qui lui sert également de pivot, mais il est également possible d'utiliser tout autre support de pivotement convenable. Chaque respiration provoque la traction du dia phragme 96 vers l'intérieur et et l'ouverture du pointeau 104, ce qui permet à l'hydrogène de passer dans le tube collecteur 102. A proximitésse ce dernier se trouve un élément catalytique 112 représenté sous la forme d'une toile métallique, qui est rev8tu d'une matière catalyt#ique. Il est possible dtuti- liser d'autres types de catalyseurs ou d'éléments dtinflam- mation pour amorcer la combustion de lthydrogène. L"hydro- gène est ainsi distribué à la demande par le mouvement respiratoire et sa quantité peut être réglée par un alibrage du pointeau.Etant donné que la teneur en hydrogène est réglée précisément en fonction du mouvement respiratoire, la température peut Etre correctement équilibrée et aucune dissipation de chaleur n'est nécessaire pour égaliser le chauffage. Il est bien entendu qu'un dispositif de sécurité sensible à la température, comme celui représenté sur la figure 2, peut autre utilisé avec la soupape de la figure 3 commandée par pression. Comme représenté, l'hydrogène est stocké dans un cylindre sous pression, mais pourrait provenir d'autres sources par exemple des hydrures métallipues ou de diverses réactions chimiques lorsque les circonstances le permettent. Dans certains cas, il serait possible utiliser des hydrocarbures légers. Les hydrocarbures les plus légers tels que le méthane et l'éthane dégagent de l'eau et de l'anhydride carbonique lorsqu'ils brillent à l'air et produisent suffisamment de chaleur à de faibles concentrations pour que la quantité d'anhydride carbonique ajouté à l'air à respirer ne soit pas gênante en présence de faibles pressions atmosphériques. Bien entendu, le dispositif de combustion de l'hy- drogène qui est commandé peut Autre incorporé dans divers appareils respiratoires pour assurer tout degré voulu de chauffage ainsi que l'avantage supplémentaire dtune humidification du mélange à respirer. Le dispositif peut stadapter à de nombreux systèmes et appareillages existants et est simple à faire fonctionner et à entretenir. Il va de soi que le dispositif et le procédé décrits peuvent subir diverses modifications sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif de chauffage et d'humidification destiné à àjouter de la chaleur et de l'humidité en une quantité déterminée à un gaz à respirer tel que l'air à utiliser dans un appareil respiratoire pour êtres humains, dispositif caractérisé en ce qu'il comporte un élément destiné à assurer une alimentation en gaz à respirer cotitenant de l'hydrogène et de l'oxygène, la proportion de l'hydrogène étant inférieure à 3 % du mélange, un élément de chauffage comportant une entrée destinée à etre reliée à la source de gaz et une sortie destinée à castre reliée à un appareil respiratoire, une soupape reliée à liélément de chauffage pour régler le débit de l'hy- drogène et du gaz à respirer, et un catalyseur# dans l'élément de chauffage pour assurer la combustion de l'hydrogène du gaz à respirer de façon à ajouter de la chaleur et de l'humidité à ce dernier qui passe par l'appareil respiratoire. 2. Dispositif selon la revendication i, caractérisé en ce que l'élément de chauffage comporte une boîte, le catalyseur étant une matière catalytique capable d'amorcer la combustion de l'hydrogène. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la soupape comporte un clapet de réglage du débit d'hydrogène monté sur 1élément de chauffage et un organe de manoeuvre sensible à la chaleur dans l'élément de chauffage qui est relié au clapet de réglage du débit d'hydrogène pour interrompre l'admission de Ilhydrogène à des températures extrimes prédéterminées. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la soupape comporte un clapet de réglage du débit d'hydrogène monté sur l'élément de chauffage dans lequel est monté un organe de manoeuvre sensible à la pression qui est exposé au courant du gaz à respirer, ledit organe de manoeuvre étant relié au clapet de réglage pour permettre à l'hydrogène de passer lors de chaque changement de pression provoqué par le mouvement respiratoire. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de chauffage comprend une boite ayant une entrée du gaz à respirer dans une extrémité fermée et une extrémité de sortie ouverte destinée à être fixée à un masque respiratoire, ladite entrée comportant un orifice d'admission de l'hydrogène dans la boîte et la soupape comportant un clapet fixé à la boite pour fermer l'orifice d'admission de l'hydrogène, ledit clapet comportant un orifice d'entrée relié à la source d'hydrogène. 6. Dispositif selon la revendication 5,caractérisé en ce que la soupape comporte un clapet monté mobile pour ouvrir et fermer sélectivement orifice d'admission de l'hydrogène et un organe de manoeuvre dans la boite qui est sensible à l'état du gaz à respirer qui s'y trouve, ledit organe de manoeuvre étant relié audit clapet. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'organe de manoeuvre comporte un élément sensible à la. température réagissant à la température du gaz à respirer et monté entre la matière catalytique et 11 extrémité ouverte. 8. Procédé de chauffage et d'humidification d'un gaz à respirer dans un appareil respiratoire, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire de lthydrogène dans le courant d'un gaz à respirer pendant l'utilisation de 11 appareil et à allumer l'hydrogène pour chauffer le gaz à respirer et le combiner avec ltoxygène de ce dernier pour produire de la vapeur d'eau. 9o Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il consiste à régler le débit de l'hydrogène en fonction de l'état du gaz à respirer pour maintenir un chauffage stable. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que la quantité d'hydrogène est inférieure à 3 % du mélange résultant avec le gaz à respirer.