Brevet FR2468778A1 — publié le 19810508

Convertisseurs fluidiques continu-alternatif et application à un respirateur L'invention concerne des convertisseurs fluidiques continu-alternatif, agencés pour délivrer un signal fluidique de sortie constitué par au moins une impulsion de pression dont la durée est dépendante d'une pression continue d'entrée, et elle concerne également l'application d'un des modes de réalisation de tels convertisseurs à un respirateur volumétrique à fréquence réglable et rapport temps d'insufflation période d'oscillation également réglable. Le convertisseur fluidique conforme à l'invention se caractérise d'une façon générale en ce qu'il comprend - un élément basculant possédant une entrée, deux sorties indépendantes l'une de l'autre et des moyens sélecteurs susceptibles, sous l'action de deux signaux fluidiques de commande appliqués respectivement et sélectivement à deux entrées de commande, de mettre en communication, respectivement et sélectivement, les deux sorties avec l'entrée, - et des moyens de commande pour engendrer et fournir aux susdits moyens sélecteurs au moins un desdits signaux fluidiques de commande, lesdits moyens de commande comprenant . un organe temporisateur avec au moins une chambre de temporisation présentant une entrée et une sortie et au moins une chambre de commande présentant une entrée et une sortie, lesdites entrées étant munies de moyens d'obturation sensibles à la différence des pressions régnant dans les deux chambres et étant raccordées respectivement aux deux sorties de l'élément basculant, et la sortie de la chambre de commande étant raccordée à une des entrées de commande de l'élément basculant, . et des moyens de temporisation interposés entre la sortie de la chambre de temporisation et la masse fluidique. Ce premier mode de réalisation du convertisseur de l'invention constitue une bascule monostable, dont le déclenchement est obtenu par l'envoi d'un signal fluidique de commande sur la seconde entrée de commande de l'élément basculant et qui est apté à délivrer, pour chaque signal de commande, une impulsion de pression dont la durée est proportionnelle à la pression continue d'entrée. De préférence, les entrées sont munies de moyens d'obturation qui comprennent une membrane imperméable déformable, constituant la paroi de séparation des chambres de commande et de temporisation, et apte à obturer l'une ou l'autre des entrées des chambres selon les valeurs relatives des pressions dans lesdites chambres. Avantageusement, les moyens de temporisation comprennent une capacité et une restriction connectées en série. Selon un second mode de réalisation, aux moyens précédemment mentionnés, on adjoint des seconds moyens de commande raccordés à l'élément bistable en opposition de phase par rapport aux premiers moyens de commande précités aptes à engendrer et à fournir le second signal fluidique de commande aux moyens sélecteurs. Ce second mode de réalisation constitue une bascule bistable apte à engendrer, à partir d'une pression continue d'entrée, des créneaux de pression dont la fréquence est inversement proportionnelle à la pression continue d'entrée. I1 est intéressant que la capacité des moyens de temporisatior. des seconds moyens de commande soit variable, ce gracie à quoi il est possible de modifier et de régler à une valeur prédéterminée les durées respectives des niveaux hauts et bas des impulsions de pression pour une période d'oscillation donnée. Une bascule bistable conforme à l'invention trouve une application particulièrement intéressante dans les respira- teurs, c'est-à-dire les appareils aptes à délivrer à un être vivant (humain ou animal, et ce dans des applications médicales, sportives et aéronautiques en particulier) un fluide (par exemple oxygène ou mélange oxygène-air) sous faible pression pendant des durées déterminées et à intervalles de temps donnés, pour engendrer un phénomène correspondant à l'inspiration et à l'expiration. Le fonctionnement des respirateurs connus à ce jour était basé sur une variation de débit du fluide d'alimentation, cette variation étant obtenue par commande d'un robinet. Outre les difficultés de mise en oeuvre, l'inconvénient essentiel de ces dispositifs était que le fluide d'alimenta tion sur lequel on agissait était déjà détendu, et donc à basse pression. Comme il est difficile d'agir avec des moyens simples et peu onéreux sur le débit d'un fluide sous faible pression, il en résultait, dans ces appareils connus, une grande imprécision sur la fréquence d'oscillation, c'est-à-dire sur les temps respectifs dtinsufflation et de repos, cette imprécision étant d'autant plus importante que la fréquence de fonctionnement était faible. Le recours à un convertisseur fluidique bistable conforme à l'invention pour réaliser un respirateur permet d'écarter les inconvénients des appareils antérieurs du fait que la fréquence d'oscillation d'un tel convertisseur bistable est uniquement dépendante de la pression du fluide d'alimentation, et non plus de son débit. Un autre avantage tout aussi important résulte du fait que cette fréquence d'oscillation est inversement proportionnelle à la pression d'entrée : dans ces conditions, plus la fréquence de fonctionnement souhaitée sera faible, plus la pression d'entrée du convertisseur bistable sera élevée donc, la précision de réglage sera grande à faible fréquence d'oscillation, ce qu'il n'était pas possible d'obtenir jusqu1à présent. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de certains de ses modes de réalisation, donnés à titre d'exemples purement illustratifs mais nullement limitatifs. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 représente un premier mode de réalisation d'un convertisseur fluidique continu-alternatif conforme à l'invention et constituant une bascule fluidique monostable - la figure 2 représente un second mode de réalisation d'un convertisseur fluidique continu-alternatif conforme à l'invention et constituant une bascule fluidique bistable - et la figure 3 représente un mode de réalisation préféré d'un respirateur équipé d'un convertisseur bistable conforme à l'invention. Le premier mode de réalisation du convertisseur fluidique continu-alternatif représenté à la figure 1 constitue une bascule monostable 1 comprenant un élément fluidique basculant 2 possédant une entrée E pour le fluide sous pression continue, deux sorties S et S indépendantes l'une de l'autre et aptes à délivrer des signaux fluidiques en opposition de phase l'un par rapport à l'autre, et deux entrées de commande C et C' pour commander sélectivement l'écoulement du fluide respectivement de E vers S ou vers S, par effet Coanda. La bascule monostable 1 comprend également des moyens de commande 3 pour engendrer et fournir à l'entrée de commande C un signal de commande. Les moyens de commande 3 comprennent essentiellement un organe temporisateur 4 constitué par une enceinte qu'une membrane flexible et imperméable 5 sépare en deux chambres contiguës, respectivement une chambre de commande 6 et une chambre de temporisation 7. Les chambres 6. et 7 sont munies d'entrées respectives 8 et 9 susceptibles d'être obturées sélectivement par la membrane 5 et raccordées respectivement aux sorties S et S de l'élément basculant 2. Enfin, les chambres 6 et 7 sont également munies de sorties respectives, la sortie de la chambre de commande 6 étant raccordée à l'entrée de commande C de l'élément basculant 2, et la sortie de la chambre de temporisation 7 étant raccordée à des moyens de temporisation constitués par une capacité 10 et une restriction 11 connectées en série et reliées à la masse fluidique. Le fonctionnement de la bascule monostable 1 est le suivant. Lors de l'admission à l'entrée E d'un fluide sous une pression p, l'une ou l'autre des sorties S ou S est indifféremment alimentée, par exemple S. Sous la pression du fluide parvenant dans la chambre de commande 6, la membrane 5 vient obturer l'entrée 9 de la chambre de temporisation, tandis que le fluide, s'écoulant par la sortie de la chambre 6, parvient à l'entrée de commande C de l'élément basculant 2, provoquant le changement d'état de celui-ci. Le fluide est alors dirigé vers la sortie S et, par l'entrée 9 de la chambre 7, agit sur la membrane 5 qui bascule et obture l'entrée 8 de la chambre 6. Le fluide remplit alors la chambre 7 et s'échappe à travers la capacité 10 et la restriction 11 avec une vitesse d'écoulement qui est dépendante de la pression p et des valeurs c et r de la capacité 10 et de la restriction 11, respectivement. En particulier, on notera que cette vitesse d'écoulement est inversement proportionnelle à la pression p. Le système restera dans cet état tant qu'un signal de commande ne sera pas appliqué à l'entrée de commande C' de l'élément basculant 2. A l'apparition d'un signal de commande en C', la sortie S n'est plus alimentée et le fluide est amené par S jusqu'à l'entrée 8 de la chambre 6. Toutefois, la membrane 5 ne bascule pas immédiatement et l'organe temporisateur demeure dans cet état tant que la pression dans la chambre de temporisation 7 reste supérieure à celle qui règne sur l'autre face de la membrane 5, c'està-dire pendant une durée T = f(p,c,r,) comme indiqué plus haut. Une fois obtenue l'égalité des pressions par suite de l'écoulement du fluide hors de la chambre 7, la membrane 5 bascule sous l'action de la pression du fluide arrivant par l'entrée 8 et elle vient obturer l'entrée 9 de la chambre. Simultanément, le fluide, traversant la chambre 6, s'écoule jusqu'à l'entrée de commande C de l'élément basculant 2, arrêtant l'écoulement du fluide vers S et le dirigeant vers S. Le système est alors pret à recommencer un cycle à l'apparition d'un signal de commande en C'. Le convertisseur fluidique monostable 1 permet donc d'engendrer, à partir d'une pression continue p d'entrée, des impulsions de pression déclenchée dont la durée T est proportionnelle à ladite pression p. La précision du fonctionnement ne dépend que du basculement de la membrane 5, lequel basculement est d'autant plus précis que les pressions sont plus élevées. De ce fait, la précision du convertisseur monostable de l'invention est d'autant meilleure que sa fréquence de fonctionnement est plus basse. A la figure 2 est représenté un convertisseur fluidique bistable 12 dont le schéma se déduit de celui du convertisseur monostable 1 de la figure 1 par l'adjonction de seconds moyens de commande 3' identiques aux moyens de commande 3 et aptes à délivrer des signaux de commande à l'entrée de commande C' de l'élément basculant 2. De ce fait, les éléments de la figure 2 identiques à ceux de la figure 1 sont,désignés par les mêmes références numériques, et les éléments des moyens de commande 3 sont désignés par les références des éléments correspondants des moyens de commande 3, mais affectés d'un prime. Dans le convertisseur bistable de la figure 2, les entrées 8' et 9' de l'organe temporisateur 4' sont connectées respectivement aux entrées 9 et 8 de l'organe temporisateur 4 et sont donc alimentées en opposition de phase par rapport à ces dernières. Par ailleurs, la capacité 10' est une capacité variable. Le fonctionnement des moyens de commande 3' est donc identique à celui des moyens de commande 3, à ceci près que les moyens 3 et 3' fonctionnent en opposition de phase. De ce fait, les entrées de commande C et C' de l'élé- ment basculant reçoivent alternativement des signaux de commande qui obligent donc le fluide à s'écouler alternativement vers S et S. Pour les mêmes raisons que celles exposées plus haut, la fréquence d'oscillation du signal S ou S est inversement proportionnelle à la pression p. La figure 3 représente un mode de réalisation préféré d'un respirateur faisant appel à un convertisseur fluidique continu-alternatif conforme à l'invention. Dans le respirateur de la figure 3, un détendeur régulateur 13, alimenté en fluide sous pression élevée en 14 (par exemple oxygène en bouteille sous 3 bars), abaisse la pression du fluide et autorise un réglage de celle-ci dans une plage prédéterminée. Le fluide ainsi détendu sous une pression réglable est envoyé à l'entrée d'un convertisseur fluidique continualternatif 15 conforme à l'invention et délivrant en sortie un signal fluidique alternatif de fréquence inversement proportionnel à la pression d'entrée. Le signal alternatif est envoyé sur l'entrée de commande 16 d'un robinet 17 fonctionnant en tout-ou-rien, lequel reçoit à son entrée principale 18 le fluide sous pression élevée provenant de 14. En sortie, le robinet 17 délivre du fluide sous pression élevée modulée par le signal alternatif de commande appliqué à l'entrée 16. Le débit de ce fluide est réglé à l'aide d'un robinet 19 avant de traverser un dispositif mélangeur à Venturi 20 muni d'une entrée auxiliaire 21 réglable par laquelle un second fluide (notamment de l'air) peut être mélangé au fluide principal en proportion réglable. A la sortie du dispositif mélangeur 20 est raccordé un masque 22. Dans le respirateur qui vient d'être décrit, le convertisseur fluidique continu-alternatif bistable 15 est d'un agencement identique à celui du convertisseur bistable 12 de la figure 2 ; toutefois, les organes temporisateurs 23, 23' dont il est équipé diffèrent sensiblement de ceux 4,41 du convertisseur 12. L'organe temporisateur 23 est muni d'une paroi intérieure fixe 24 délimitant deux enceintes 25 et 26. L'enceinte 25 est munie d'une entrée 27, obturable par une première membrane élastique imperméable 28, laquelle divise l'enceinte 25 en deux chambres 29 (munie de l'entrée 27) et 30. La paroi intérieure 24 est percée d'un passage 31 faisant communiquer les enceintes 25 et 26, et obturable par une seconde membrane élastique imperméable 32 disposée dans 11 enceinte 26, laquelle se trouve ainsi divisée en deux chambres 33 et 34. La chambre 34 est munie d'une deuxième entrée connectée à l'entrée 27 susmentionnée, ces deux entrées étant reliées à une sortie de l'élément basculant. La chambre 33 est munie d'une troisième entrée raccordée à la seconde sortie de l'élément basculant. La chambre 30 est munie d'une sortie raccordée aux moyens de temporisation, tandis que la chambre 19 est munie d'une sortie raccordée à l'entrée de commande correspondante de l'élément basculant. Le fonctionnement du convertisseur fluidique continualternatif 15 reste analogue à celui, décrit plus haut, du convertisseur 12 de la figure 2. En ayant recours au convertisseur fluidique continualternatif 15, la fréquence de fonctionnement du respirateur, ordinairement de l'ordre de 20 Hz, est beaucoup plus stable que dans les appareils antérieurs, et cette stabilité est d'autant plus grande que la fréquence est faible. De plus, cette fréquence peut être modifiée très facilement, aussi bien dans le sens d'un accroissement que d'une diminution, par l'intermédiaire du détendeur-régulateur dont l'organe de réglage peut etre gradué directement en Hertz. Grâce à ces dispositions, il est possible d'assurer une bonne stabilité d'oscillation pour des fréquences de quelques Hertz, voire de l'ordre de 1 Hz, qui peuvent être utilisées dans le domaine vétérinaire. En outre, du fait de la présence de la capacité réglable, il est possible de faire varier le rapport Temps d'insufflation Période d'oscillation dans des proportions importantes, par exemple entre 1/3 et 1/1. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés ; elle en embrasse, au contraire, toutes les variantes. REVENDICATIONS 1 - Convertisseur fluidique continu-alternatif, agencé pour délivrer un signal fluidique de sortie cons-titué par au moins une impulsion de pression dont la durée est dépendante d'une pression continue d'entrée, caractérisé en ce qu'il comprend - un élément basculant possédant une entrée, deux sorties indépendantes l'une de l'autre et des moyens sélecteurs susceptibles, sous l'action de deux signaux fluidiques de commande appliqués respectivement et sélectivement à deux entrées de commande, de mettre en communication, respectivement et sélectivement, les deux sorties avec l'entrée, - et des moyens de commande pour engendrer et fournir aux susdits moyens sélecteurs au moins un desdits signaux fluidiques de commande, lesdits moyens de commande comprenant . un organe temporisateur avec au moins une chambre de temporisation présentant une entrée et une sortie et au moins une chambre de commande présentant une entrée et une sortie, lesdites entrées étant munies de moyens d'obturation sensibles à la différence des pressions régnant dans les deux chambres et étant raccordées respectivement aux deux sorties de l'élément basculant, et la sortie de la chambre de commande étant raccordée à une des entrées de commande de l'é- lément basculant, . et des moyens de temporisation interposés entre la sortie de la chambre de temporisation et la masse fluidique. 2 - Convertisseur fluidique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'obturation comprennent une membrane imperméable déformable constituant la paroi de séparation des chambres de commande et de temporisation, et apte à obturer l'une ou l'autre des entrées des chambres selon les valeurs relatives des pressions dans lesdites chambres. 3 - Convertisseur fluidique selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens de temporisation comprennent une capacité et une restriction connectées en série. 4 - Convertisseur fluidique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des seconds moyens de commande raccordés à l'élément bistable en opposition de phase par rapport aux premiers moyens de commande précités et aptes à engendrer et à fournir le second signal fluidique de commande aux moyens sélecteurs. 5 - Convertisseur fluidique selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que la capacité des moyens de temporisation des seconds moyens de commande est variable. 6 - Respirateur volumétrique à fréquence réglable, caractérisé en ce qu'il comporte un convertisseur fluidique continu-alternatif selon la revendication 5, la fréquence de fonctionnement étant réglable par modification de la pression continue du fluide d'alimentation, et la capacité va riable précitée autorisant un réglage d rapport temps d' insufflation période d'oscillation 7 - Respirateur selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un obturateur fluidique toutou-rien, alimenté sous pression continue élevée et commandé par le signal de sortie du convertisseur fluidique continualternatif pour délivrer des impulsions de pression de grande amplitude. 8 - Respirateur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comprend également, disposé en aval de l'obturateur tout-ou-rien, un dispositif mélangeur de fluides, notamment un dispositif à Venturi, pour mélanger un second fluide au fluide délivré par l'obturateur tout-ou-rien.