Brevet FR2475904A1 — publié le 19810821

La présente invention concerne la commande de l'é- coulement de fluides d'une région de haute pression vers une région de basse pression et elle se rapport plus particulièrement à ltécoulement du gaz ou mélange gazeux provenant de bouteilles ou compresseurs et pénétrant dans le circuit d'un appareil respiratoire à régération et circuit semi-fermé destiné aux plongeurs. Par appareils respiratoires à régénération on entend généralement ceux dans lesquels le gaz respiré par le plongeur est, après expiration, partiellerent reconstitué de façon qu'il soit de nouveau respirable, contrairement à ce qui se passe dans les appareils respiratoires à circuit ouvert, où le gaz une fois respiré est rejeté comme gaz perdu. La reconstitution du gaz respiratoire peut revêtir la forme d'une simple addition d'air frais au mélange existant et du rejet du volume en excès. Un tel système est u utilisé dans les appareils de plongée à casque depuis les tout premiers jours, bien qu'il ne soit généralement pas considéré co;e étant à régénér-tion. Les appareils respiratoires à régénération plus mo- dernes comportent aussi la possibilité d'éliminer le gaz carbonique produit par le métabolisme du plongeur en faisant passer le mélange gazeux expire à travers un filtre contenant un produit chimique qui réagit avec le gaz carbonique et en débarrasse ainsi le mélange gazeux qui peut alors être de nouveau respiré. Ce courant d'air ou de mé- lange gazeux de rFsénération doit être maintenu de façon à remplacer l'oxygène consommé par le plongeur.Si l'on utilise un mélange gazeux dans lequel l'oxygène de remplacement est accompagné d'un gaz qui peut être considéré comme physiologiquement inerte du fait qu'il ne participe pas à l'activité métabolique du plongeur1 par exemple l'azote ou l'hélium, le volume en excès doit alors être reJeté. Le plongeur n'atant pas sensible à un époisement, même dangereux de l'oxygène dans le circuit respiratoire et sa consommation d'oxygène étant variable, la pression partielle de l'oxygene dans le circuit respiratoire doit être comandée afin qu'elle ne tombe pas au-dessous d'un niveau prédéterminé même avec un métabolisse suractivé, ni devienne supérieure à un niveau prédéterminé pour le métabolisme le plus bas possible. Pour la réalisrtion de ces conditions, les appareils actuellement existants peuvent être classés en deux catégories: d'une part, ltéquipement fonctionnant en circuit entièrement fermé, dans lequel le gaz dans le circuit respiratoire est, soit de ltoxygène pur, soit un gaz dans lequel la pression partielle d'oxygène est régulée et maintenue à une valeur prédéterminée, et, d'autre part, ltéqui- pement fonctionnant en circuit semi-fermé, dans lequel la pression partielle d'oxygène varie dans des limites acceptables par suite de l'admission, soit d'un apport continu d'un mélange gazeux, soit d'un apport intermittent de ce mélange, commandé par la fréquence respiratoire du plongeur. Les deux catégories s'appuient sur un agencement similaire d'appareil filtrant pour éliminer lg gaz carbonique du mélange gazeux expiré. Pour ce qui des appareils fonctionnant en circuit semi-fermé, avec admission d'un courant continu de gaz et commande de ce courant, auxquels se rapporte l'invention, la pratique générale a été dans le passé de maintenir des gaz préalablement mélangés, dont l'un est l'oxygEnet comprimés dans des bouteilles pour hautes pressions habituellement portées par le plongeur Le mélange gazeux prove naut de bouteilles, ou d'un compresseur si ce mélange est de l'air, est amené à un détendeur, où sa pression est réduite à une valeur prédéterminée, qui, dans la plupart des équipements, est supérieure au double de la plus forte pression du milieu dans lequel le plongeur doit utiliser l'équipement.Dans certains équipements, cette valeur augmente en même temps que la pression ambiante, laquelle augmente avec la profondeur. Le gaz ainsi détendu arrive à 1' appareil respiratoire à travers une petite ouverture dont les dimensions sont choisies de façon à permettre au gaz propulsé par la pression réduite préréglée de s'écouler en quantité suffisante pour satisfaire l'équation ci-après et maintenir un débit massique constant à toutes les profon- deurs que peut atteindre le plongeur:: NF- C - F- C dans laquelle 0 = proportion en volume (température et pression normales) de l'oxygène dans le circuit respiratoire pour que la pression partielle de l'oxygène reste comprise entre 0,1 et 2,0 atmosphères, M = proportion en volume (temp. et pression normales) de l'oxygène dans le mélange de gaz amené au circuit respiratoire, F = débit volumique du gaz (temp. et pression normales) introduit dans le circuit respiratoire, C = débit volumique de l'oxygène (tend. et pression normales) consommé par le plongeur et supposé habituellement être au minimum de 0,25 litres/minute et au maximum, de façon continue, de 3 litres/minute pour des houes jeunes travaillant en plongée. Le matériel muni des moyens de commande de débit qui viennent d'être décrits présente deux défauts principaux: En premier lieu, comme la pression à laquelle le gaz a été détendu est encore relativement élevée, les orifices que doit traverser le mélange gazeux sont nécessairement petits et, de ce fait, peuvent être facilement obstrués par des particules de poussière ou des accumulations de glace qui se forme à partir de la vapeur d'eau contenue dans le mélange gazeux ou le gaz. En second lieu, la masse de gaz fournie au plongeur est, soit fixe, soit variable, augmentant dans ce cas avec la profondeur. Lorsque la profondeur augmente, il est donc envoyé au plongeur davantage de gaz qu'il ne lui en faut et l'on doit lui envoyer un gaz plus riche en oxygène que cela est nécessaire, pour respecter les impératifs de sécurité tout en restant économique à toutes les profondeurs que peut atteindre le plongeur. D'autre part , si l'on envoie un mélange gazeux riche en oxygène pour obtenir une faible consommation, la profondeur à laquelle le plongeur peut descendre en toute sécurité est limitée à cause de l'augmentation de la pression partielle de l'oxygène dans le circuit respiratoire, cette pression partielle ne devant pas dépasser 2 atmos- pères. La présente invention a donc pour objet de réaliser un appareil respiratoire fonctionnant en circuit semi-fer mé et destiné aux plongeurs, dans lequel la pression partielle de l'oxygene dans le gaz respiré par le plongeur est réglée automatiquement et maintenu entre des limites supérieure et inférieure prédéterminées sur toute la gai- me de profondeurs auxquelles le plongueur doit travailler. A cet effet, l'appareil respiratoire selon l'inven- tion colporte des moyens pour réduire la masse de gaz respirable introduit dans le circuit respiratoire de l'appareil, ces moyens étant sensibles à la pression extérieure à laquelle est soumis le plongeur, de sorte que lorsque la profondeur de plongée augmente et que cette pression extérieure devient par conséquent plus forte, le débit massique du gaz respirable dans le circuit respiratoire diminue, l'appareil fonctionnant suivant l'équation O NF - C D F-C dans laquelle représente la profondeur absolue en atmosphè- res à n'importe quel point de la plongée, de façon à Min- tenir la pression partielle de l'oxygène dans le circuit respiratoire entre o,i6 et 2 atmosphères aux consommations maximales ou minimales d'oxygène. L'invention est basée sur la reconnaissance du fait MF - C que l'expression O = F-C expliquée plus haut doit être modifiée de façon qu'au lieu de fournir des débits prédé- terminés correspondant à une pression partielle qui reste dans la plage de sécurité à une profondeur donnée, ces débits soient constamment adaptés à la profondeur atteinte par le plongeur. Deuxièmement, en raison des très faibles pressions de gaz utilisées, les ouvertures dans tout 1' appareil sont suffisamment grandes pour éviter d'être obs truées par des particules de poussière ou par la glace formée avec la vapeur d'eau contenue dans les gaz du mélange gazeux.Troisièmement, le mécanisme obture seulement le passage du gaz, tandis qu'une pression motrice est maintenue et que le gaz qui exerce cette pression fuit cons tam- ment dans le circuit respiratoire à travers une large ouverture. Une fois que la pression motrice a diminué, la force résiduelle qui résulte de cette pression est appliquée pour ouvrir la soupape qui ferme l'arrivée de gaz, de sorte que l'appareil est fiable. Dans une forme d'exécution de de l'appareil selon l'in- vention, ces principes de fonctionnement sont mis en pratique au moyen d'une soupape montée dans l'arrivée du gaz sous pression au circuit respiratoire, comportant une chambre à laquelle le gaz sous pression est envoyé, des moyens flexibles étant prévus pour fermer la chambre, dont le côté opposé est soumis à la pression qui règne à la profondeur où la soupape est amenée, les dits moyens flexibles étant reliés à une soupape d'entrée de la chambre et ayant un orifice de sortie relié au circuit respiratoire, cet orifice étant muni de moyens compressibles qui sont aptes à commander le diamètre de l'orifice.Ainsi, la chambrepeut être fermée par un diaphragme souple sur lequel est monté un système d'éléments flexibles et compressibles surmonté par une plaque rigide, laquelle est reliée à la soupape à travers laquelle le gaz ou le mélange gazeux est introduit dans la chambre. En conséquence, lorsque la plaque est déplacée, soit par le diaphragme, soit par les moyens compressibles, soit par l'un et par les autres, la soupape est actionnée pour commander l'écoulement du gaz ou du mE- lange gazeux dans la chambre. L'excès de pression entre la chambre et l'autre côté du diaphragme n'est pas supérieur de plus de 10% à la pression ambiante absolue en n'importe quel point de la plongée. Outre qu'ils servent à ouvrir et fermer la soupape, la plaque, les éléments compressibles et le diaphragme, étant percés d'un trou qui permet au gaz ou au mélange ga zeux de passer de la chambre dans le circuit respiratoire, ils permettent d'agir sur le diamètre de l'orifice en fonction de la pression à laquelle les élément compressi- bles sont soumis, et exercent ainsi une influence supplémentaire sur la masse de gaz qui pénètre dans le circuit respiratoire. Un avantage capital de l'appareil selon l'invention est que le débit du gaz ou mélange gazeux frais peut être régulé automatiquement de façon que la proportion en volume (à la température et sous une pression normales) de 1' oxygène dans le système respiratoire peut. être rendue conforme à l'expression: O = NF - C D F-C expliquée plus haut et qu'on peut obtenir ainsi l'écono- mie maximale de gaz possible sans nuire à la sécurité dans des appareils respiratoires fonctionnant suivant le principe du circuit semi-fermé. Butant donné qu'une pression différentielle très faible est utilisée pour faire passer le gaz à travers l'orifice qui fait cl paniquer la chambre avec le circuit respiratoire, la vitesse du gaz traversant orifice est peu élevée, de sorte que la chute de température du gaz en circulation est suffisant réduite pour éliminer toute tendance de la vapeur d'eau contenue dans le gaz ou mélange ga zeux à se prendre en glace et à obstruer ainsi le passage. Par ailleurs, en raison de cette faible différence de pression, l'ouverture peut être maintenue suffisamment grande pour éliminer la possibilité d'une obstruction des passages par les particules de glace qui pourraient se former ou par les particules de poussière en provenance du sy- tème d'amenée du gaz à haute pression, de sorte que des filtres ne sont pas nécessaires. En outre, la pression partielle de l'oxygène dans le circuit respiratoire peut être maintenue à une valeur inférieure à 2 atmosphères au moyen de la consommation minimale continuelle d'oxygène par le plongeur et, en conséquence, il n'y a pas de limite due au risque d'empoisonnement par l'oxygène à la profondeur à laquelle cet équipement peut être utilisé.De plus, comme l'arrivée de gaz augmente lorsque la profondeur diminue, le plongeur n'a pas à introduire dans le circuit respiratoire un supplément de gaz pour être assuré que la pression partielle d'oxygène restera au-dessus de la valeur maximale de sécurité au cours de la remontée. L'utilisation d'une soupape équilibrée pour commander l'arrivée du gaz à haute pression dans le circuit ne nécessite que des forces d'actionnement réduites et diminue ainsi la grandeur des éléments sensibles pour un degré donné de précision nécessaire. De toute façon, l'invention sera bien comprise à 1' aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant, à titre d'exemple non limitatif, une forme d'exécution de cet appareil: Fig. 1 est une vue en coupe verticale d'un appareil respiratoire a circuit semi-fermó selon l'intention; Fig. 2 est une vue agrandie en coupe d'une partie de l'appareil de fig. 1. Dans les figures, l'appareil respiratoire a régéné- ration et circuit semi-fermé destiné a des plongeurs comporte une chambre 1 fermée par une membrane souple 2, fixée à un joint d'étanchéité annulaire 3 portant contre une saillie 4 de la face interne de la paroi de la cham- brie. La membrane 2 présente un orifice de sortie 5, qui, bien que cela ne soit pas visible, est relié directement au circuit respiratoire pour le plongeur.Sur cette mem- brane 2, entourant l'orifice 5, est montée une bague élastique 6 unie d'une ouverture centrale 7 dans l'aligne ment de l'orifice 5 et entourée d'une autre bague 8 faite d'un matériau aisément compressible, par exemple de la mousse de néoprène, laquelle est à son tour entourée d' une troisième bague 2, également faite d'un matériau élastiquement déformable. Sur leurs faces opposées & celles par lesquelles elles sont appliquées et fixées sur la membrane 2, les bagues 6 et 8 sont fixées à la face inférieure d'une plaque rigide 10 munie d'un trou central Il si tué en regard de 1 'ouverture 7.A cette plaque 10 est fixé un raccord 12 lié à un organe de fixation 13 sur un obturateur de soupape 14, muni d'une face de contact étanche 15, apte à coopérer avec la face en bout à une extrémité ouverte d'un cylindre 16, l'obturateur 14 étant guidé dans son mouvement d'ouverture et de fermeture par un piston li formé sur lui, qui coulisse dans l'autre extrémité ouverte du cylindre. Celui-ci est relié à une source de gaz sous pression par un tuyau i8 qui traverse de façon étanche la paroi périphérique de la chambre 1. En conséquence, lorsque le gaz sous pression est tout d'abord admis dans la chambre 1 en passant par le tuyau 18 et le cylindre 16, il n'y a aucune différence de pression de part et d'autre de la membrane 2 et, en l'ab sente de toute déformation de celle-ci, la face li de 1' obturateur 14 reste écartée de l'extrémité ouverte du cylindre 16. Toute pression exercée par le gaz qui arrive agit sur le piston li et sur la face de contact étanche li avec la même pression statique diminuée de la charge due à la vitesse ou pression dynamique du gaz qui s'écou- le hors du cylindre 16 dans la chambre.Il existe alors une résultante de forces qui tend à appliquer la face li contre le cylindre 16 et le degré d'ouverture de la sou- pape 14 15 16 diminuera jusqu'à ce que les forces agissant sur le piston 17 et sur la face de contact étanche li soit égales. Au fur et à mesure que le gaz continue de s'écouler dans la chambre 1, la pression qui règne dans cette dernière devient de plus en plus supérieure à celle qui règne à l'extérieur de la chambre et agit sur l'autre face de la membrane 2, de sorte qu'il se produit un courant de gaz qui traverse l'orifice de sortie 5 dans la membrane et pénètre dans le circuit respiratoire. En raison de la différence de pression entre la chambre 1 et la face opposée de la membrane 2, celle-ci s'infléchit vers l'extérieur de la chambre 1 et ce mouvement tend à rapprocher la face li du cylindre 16, réduisant ou interrompant l'écoulement du gaz dans la chambre 1.En outre et à cause de la structure mousse de la bague 8, dont les cellules fermées sont à une pression d'environ i atmosphère, toute pression su- périeure à i atmosphère dans la chambre 1 a pour effet de comprimer cette bague 8. Par suite de la contrainte imposée à cette dernière par sa fixation sur la membrane 2 et à la plaque 10, la compression de la bague 8 a lieu de préférence dans une direction normale au plan de la plaque et de la membrane. Rn dépit de la compression du gaz occlus dans les cellules, il se peut que les deux faces de révolution, intérieure et extérieure, de la bague 8 bombent, car la charge totale exercée sur les faces soumises aux contraintes de la bague 8 est supérieure à la charge totale sur les faces de révolution, non soumises aux contraintes, produisant une pression hydrostatique interne qui est supérieure à la pression dans la chambre. Cet excès de pression est compensé par la contrainte élastique introduite dans le bombement de la matière élastique de la bague 8. Sous l'action des forces exercées par la pression qui, dans la chambre, agit sur la bague 8 et transmise à la plaque 10 et à lp membrane 2, la bague 6 est également comprimée et sa déformation sous forme de bombement modifie efficacement le diamètre de l'ouverture . Ainsi, l'effet net des caractéristiques qui viennent d'être décrites et dont l'action est combinée, permet d'agir sur le débit du gaz pénétrant dans le circuit respiratoire en provenance du tuyau d'amenée, cette action ne dépendant que de la pression ambiante et non de celle du gaz lui-même à son arrivée. La bague 9 sert d'élément de butée; lorsque la plaque 10 se rapproche de la membrane 2 par suite de la compression des bagues 6 et 8, elle limite ce rapprochement aux grandes profondeurs de plongée, participant ainsi à la commande du débit du gaz à son entrée dans le circuit respiratoire et coopérant avec les autres éléments pour que ce débit soit conforme à l'expression O NF - C D F - C On reconnaitra aussi qu'outre le fait de fournir une commande automatique de 1 'écoulement du gaz dans le circuit respiratoire en fonction de la profondeur at- teinte par le plongeur, l'invention permet aussi d'obtenir une compensation automatique des baisses de pression éventuelles du gaz qui arrive à la chambre. Si, comme cela se fait habituellement, le gaz provient de bouteilles portées par le plongeur, l'épuisement de la réserve de gaz et la baisse de pression qui en résulte n'empêchent pas l'appareil de fonctionner de façon satisfaisante tant qu'il y reste du gaz, car, comme il a été expliqué plus haut, la sécurité de fonctionnement de l'appareil selon l'invention ne dépend pas de la pression du gaz à son arrivée. - REVENDICATIONS 1. - Appareil respiratoire à circuit semi-fermé pour plongeurs, comportant des moyens pour réduire la masse de gaz respirable introduit dans le circuit respiratoire dont il est muni, caractérisé en ce que ces moyens sont sensibles à la pression extérieure à laquelle est soumis le plongeur, de façon que lorsque la profondeur de plongée augmente et que cette pression extérieure devient donc plus forte, le débit massique du gaz respirable dans le circuit respiratoire diminue, l'appareil fonctionnant ainsi en conformité avec l'expression O MF - C D F F-C dans laquelle 0 = proportion en volume les) de l'oxygène dans le circuit respiratoire pour que la pression partielle de l'oxygène reste comprise entre 0,16 et 2 atmosphères, M = proportion en volume (à température et pression norma- les) de l'oxygène dans le mélange gazeux amené au cir cuit respiratoire, F = débit volumique du gaz males) introduit dans le circuit respiratoire, C = débit volumique (à température et pression normales) de l'oxygène consommé par le plongeur et tuellement être au minimum de 0,25 litre/minute température et pression normales) et au maximum, de façon continue, de 3 litres/minute température et pression normales pour des houes jeunes travaillant en plongée, D = profondeur absolue en atmosphères à n'importe quel point de la plongée, de façon à maintenir la pression partielle de l'oxygène dans le circuit respiratoire entre 0,16 et 2 atmosphères aux consommations maximales ou minimales d'oxygène. 2. - Appareil selon la revendication 1, caractérise en ce que tous ses orifices traversés par le gaz sont suffisamment grands pour éviter qu'ils soient obstrués par des particules de poussière ou par de la glace formée par la vapeur d'eau contenue dans les gaz du mélange. 3.Appareil selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce qu'il se produit une réduction dans le passage du gaz vers l'appareil, tandis qu'une pression motrice est maintenue, le gaz qui exerce cette pression fuyant constamment dans le circuit respiratoire, les moyens pour réduire la masse de gaz respirable stou- vrant lorsque la pression motrice diminue, de sorte que l'appareil présente une totale sécurité de fonctionuement. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il est prévu une soupape (14, 15, 16) montée dans la conduite d'arrivée (18) du gaz sons pression au circuit respiratoire, à travers laquelle le dit gaz pénètre dans une chambre (1), et en ce qu'il est prévu dans la chambre des moyens (2,6,8,9,10) reliés à la soupape et aptes a l'ouvrir ou la fermer en fonction de la pression ambiante à l'intérieur de la chambre. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la chambre (i) est fermée par des moyens flexibles (2) dont le côté tourné vers l'extérieur de la chambre est soumis à la pression qui règne à la profondeur à laquelle se trouve l'appareil, les dits moyens flexibles étant reliés à la soupape d'entrée cl unique avec le circuit respiratoire, et des moyens (6,8,9) aptes à régler le diamètre de l'orifice de sortie étant associés a ce dernier. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens flexibles sont constitués par une mem- brane souple (2), sur laquelle est monté un système d' éléments souples et compressibles (6,8t9) surmonté d'une plaque rigide (10), laquelle est reliée à la soupape (14, 15,16) par laquelle le gaz ou le mélange gazeux pénètre dans la chambre. 7. Appareil selon la revendication 5 ou la reven dilation 6, caractérisé en ce qu'un élément relativement rigide est monté sur la membrane souple pour limiter le déplacement relatif de la plaque rigide (10) en direction de la membrane lors de la compression du système d'élé- mente souples et compressibles (6,8). 8.- Appareil selon l'une quelconque dos revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le système d'éléments souples et compressibles (6,8) et la plaque rigide (10) sont munis d'ouvertures (7,11) qui coopèrent avec l'orifi- ce de sortie (5) à travers le membrane.