Brevet FR2644254A1 — publié le 19900914

Cette invention concerne un procédé et un dispositif destinés à assurer la régulation de la quantité d'air délivrée à un masque respiratoire (masque à gaz) qui comporte un filtre, un ventilateur augmentant le débit d'air traversant le filtre, un moteur entrainant le ventilateur et un circuit électronique comportant des commutateurs de commande de façon à assurer le fonctionnement. Dans la description qui suit le terme masque à gaz désigne non seulement un masque à gaz proprement dit mais également tout appareil respiratoire ainsi que la partie faciale d'un tel appareil. Les demandes de brevets EP 00 94 757 et F 1 852 272 par exemple décrivent des masques à gaz du type mentionné ci-dessus. De tels masques à gaz connus présentent des problèmes de consommation d'énergie en ce qui concerne leurs batteries d'accumulateur ou leurs piles entraînant le moteur, avec un risque d'une forte décharge de ces accumulateurs ce qui réduit la durée de vie de ce type de masques à paz. On a proposé diverses méthodes afin de limiter la consommation d'énergie (voir par exemple EP 00 94 757). La demande de brevet britannique publiée sous le numéro 2 032 284, par exemple, décrit la commande et le contrôl61e de la vitesse de fonctionnement du ventilateur d'un masque a gaz en référence à la différence de pression relevée par un détecteur. Cependant, un tel détecteur de différence de pression est sujet à des interférences et il nécessite des précautions notamment lors du nettoyage du masque. Par ailleurs, les dispositifs connus présentent l'inconvénient selon lequel la quantité d'air délivrée au masque à gaz varie en fonction du degré de colmatage du filtre. Lorsque le filtre est nouveau et propre, il laisse passer davantage d'air que cela est exigé par les normes en la matière, lors de l'utilisation. Ceci provoque deux types de problèmes. D'une part on se heurte à une consommation excessive de l'énergie des accumulateurs et d'autre part un débit excessif d'air peut entrainer des inconvénients physiologiques pour l'utilisateur tels que par exemple un mal de tête et un picotement des yeux. Lorsque le filtre est colmaté on se heurte à un problème additionnel qui résulte du fait que l'on ignore quand le débit d'air délivré au masque à gaz est inférieur à la quantité nécessaire. D'autre part, une quantité excessive d'air entraîne un colmatage plus rapide du filtre. En raison de leur mode de construction, les masques à gaz actuellement connue presentent également l'inconvénient que les systèmes électroniques utilisés pour en contraler le fonctionnement ne sont pas suffisamment protéges des dommages que peut leur causer l'environnement. La présente invention se propose de résoudre les problèmes mentionnés ci- dessus et d'éliminer les inconvénients des masques & gaz selon la technique antérieure. Cette invention est basée sur la découverte selon laquelle le courant du moteur du ventilateur utilisé par exemple dans les masques à gaz fabriqués par la présente titulaire diminue graduellement lorsque le débit d'air est perturbé par obstruction, c'est-à-dire lorsque le filtre est colmaté. Cette caractéristique du ventilateur peut être utilisée comme une sorte de détecteur, lorsque l'on désire maintenir constante la quantité d'air délivré, bien que la résistance du filtre ou que la tension de fonctionnement puisse fortement variée. Sur la figure 1 on a représenté une courbe typique montrant comment le changement de résistance à l'écoulement de l'air affecte l'intensité du courant du moteur. La courbe-montre que plus le filtre est colmaté plus la consommation en courant est faible. Ce phénomène en tant que tel stabilise l'écoulement de l'air étant donné que la résistance ohmique de la bobine du petit moteur à courant continu utilisé dans le ventilateur est relativement importante et, en conséquence la force contre-électromotrice du moteur et donc également sa vitesse augmentent lorsque le courant diminue. Selon la présente invention la quantité d'air délivrée au masque à gaz est maintenue sensiblement constante en assurant une régulation de l'énergie traversant le moteur du ventilateur. Afin d'obtenir ce résultat -le masque à gaz comporte un circuit de régulation électronique qui est conçu de façon à maintenir la quantité d'air délivrée au masque à gaz à une valeur sensiblement constante en régulant la puissance du moteur du ventilateur, cette dernière étant réglée en fonction du courant du moteur et de la tension faisant fonctionner ce dernier. *Lorsque le moteur lui-même est utilisé comme détecteur la construction est simplifiée. Le ventilateur et ses canaux peuvent nettoyer en cas de nécessiter, par exemple par lavage, étant donné qu'ils ne comportent aucun détecteur séparé délicat. Grâce au circuit de régulation, le courant qui est délivré au motour est réduit à un strict minimum, ce qui en augmente la durée utile de vie et diminue les bruits de fonctionnement. La durée de vie en service du filtre est également accrue étant donné que le filtre n'est pas soumis à un soufflage excessif d'air. Une quantité constante d'air est fournie avantageusement en commandant la tension de fonctionnement du moteur et le contrôle de la tension peut être également effectué par modulation de la largeur d'impulsion. Il est possible d'adapter pas-a-pas l'énergie du moteur du ventilateur à l'intensité d'inhalation de l'utilisateur à l'aide d'un circuit d'intégration associé au circuit de régulation. Afin d'améliorer les caractéristiques de fonctionnement du masque à gaz, le système électronique de commande et de contrôle est disposé dans un carter ou un boîtier étanche à la poussière et au liquide, si bien que les commutateurs de fonctionnement du ventilateur et les commutateurs de sélection de la puissance de soufflage peuvent être réalisés sous la forme de relais à lames vibrantes qui sont commandés par l'intermédiaire d'aimants disposés à l'extérieur du carter. Dans ce cas, il n'est pas nécessaire de prévoir des passages dans les parois du carter pour les commutateurs, ce qui évite les difficultés que l'on rencontre habituellement pour assurer l'étanchéité de tels passages. En cas de nécessité le carter peut être réalisé sous une forme étanche aux gaz. Etant donné que l'on utilise des commutateurs à électro-aimants, le circuit électronique n'est pas soumis à des contraintes mécaniques comme c'est le cas des commutateurs mécaniques. En utilisant un détecteur connecté à un circuit électronique de commande, de préférence une diode électroluminescente, on détecte l'espace dans lequel le moteur du ventilateur est incapable de produire la quantité désirée d'air soufflé. Par conséquent on obtient une indication, qui peut être facilement détectée par l'utilisateur, selon laquelle la tension de l'accumulateur est trop faible c'est-à-dire que l'accumulateur s'est déchargé ou que le filtre est colmaté quel que soit le type de filtre. Cette détection peut être d'importance vitale pour l'utilisateur. Afin d'empêcher une forte décharge de la batterie qui alimente le dispositif, le circuit de contrôle de tension qui est incorporé dans le circuit de régulation interrompt l'alimentation en courant du moteur et du dispositif lorsque la tension d'alimentation tombe en dessous d'une valeur de seuil ce qui accroît la durée de vie utile des batteries. Il est donc possible d'utiliser des batteries plus légères et plus petites. Comme on l'a mentionné dans le préambule de la présente description le concept "masque à gaz". à une signification très large. Ainsi la présente invention peut s'appliquer à un masque à gaz intégré, à un masque à gaz comportant des unités d'insufflation et/ou de filtres pouvant être détachées de la partie faciale ainsi qu'à un système respiratoire comprenant par exemple une cagoule ou un système similaire fixé de façon incomplète sur la tête ou la face de l'utilisateur. De même, la présente idée inventive qui consiste & utiliser un moteur en tant qu'organe détecteur peut être appliquée à toute autre utilisation dans laquelle un débit constant doit être obtenu à l'aide d'un moteur. On décrira maintenant de façon détaillée divers modes de réalisation de la présente invention en se référant aux dessins annexés qui illustrent ces modes de réalisation lesquels bien entendu ne présentent aucun caractère limitatif. Sur les dessins: - la figure 1 illustre la dépendance mentionnée ci-dessus de la résistance au courant d'un moteur de ventilateur utilisé dans la technique antérieure. - la figure 2 illustre le principe d'un circuit de régulation selon la présente invention et; la figure 3 représente un exemple de réalisation préférée d'un système électronique de commande et de contrôle d'un masque à gaz. Afin de faciliter la compréhension du fonctionnement du dispositif selon l'invention on examinera ci-après les figures 1 et 2. On a indiqué cidessus que la vitesse de rotation du moteur i et sa tension de fonctionnement Ut étaient l'inverse du courant I. La stabilité du débit d'alimentation d'air du masque à gaz peut être augmentée de façon marquée si un courant constant alimente le moteur. Dans ce cas, la tension terminale du moteur doit augmenter lorsque le filtre est graduellement colmaté étant donné que le courant est constant. En principe, l'amplificateur de fonctionnement OP1 supervise le fonctionnement de la tension aux pôles de la résistance Rll ce qui tend à maintenir cette tension au niveau d'une tension de référence UV. Un tel dispositif est suffisant en pratique. Nais la quantité d'air décroit encore lorsque augmente le taux de colmatage du filtre. Cependant, le circuit peut être amélioré de façon essentielle si la tension de référence UV n'est pas fixe mais augmente lorsque la tension des impulsions du moteur augmente. En rendant la résistance R dépendante de la tension on peut encore obtenir une linéarisation. La figure 3 illustre en plus grand détail un circuit électronique de commande mettant en oeuvre les principes selon l'invention. L'alimentation en courant du circuit provient d'un accumulateur ou d'une pile non représente. Bien que le fonctionnement d'une commutation de circuit soit facilement compris par l'homme de l'art en examinant simplement la figure, on décrira malgré tout les points essentiels de ce fonctionnement. La commutation du courant d'alimentation du moteur du ventilateur est obtenue à l'aide d'un relais à lames vibrantes 6A, qui est commandé par un aimant (non représenté) qui fonctionne depuis l'extérieur du carter du dispositif. Le circuit partiel 6 comprend également des composants de contrôle de tension délivrant la tension de référence ref 2 à l'amplificateur de fonctionnement OP2 et la tension d'alimentation P au circuit de grilles 4 et au circuit d'intégration 7. Le circuit de grilles 4 est réalisé sous la forme d'un micro circuit dont les deux grilles 4A, 4B sont commutées en tant qu'oscillateurs. La grille 4C sert de détecteur de valeur de seuil. La grille 4D comprenant les composants K7, R14 et la diode D1 assure la commande du circuit de transistor de guide 5, par l'intermédiaire duquel on assure une commande du moteur, en vue de son démarrage, en lui délivrant un petit courant de démarrage comportant des impulsions étroites. Ainsi le ventilateur est rapidement mis en action malgré l'effet retardateur dû à la masse des pales de ce ventilateur. Le courant pulsé I est amené sur le transistor de guide 5T1, au travers du moteur, la valeur de ce courant étant observée par modification de la tension U2 engendrée par le courant I vers l'entrée positive (la broche 5 sur la figure) de l'amplificateur opérationnel OP1, sur la résistance Rll. La tension U2 est comparée à l'aide de l'amplificateur opérationnel OP1 à la tension de référence UV amenée à son entrée négative (broche 6). La tension UV est produite à partir de la tension U1 fonctionnant sur le moteur (plus précisément à partir de la somme des tensions U1 et U2, dans laquelle les variations de tensions U2 peuvent être laissées de côté) par le circuit de production de tension 3 dans lequel le circuit de linéarisation est formé des résistances R18-R22 et des diodes. Grace au 3re1ais à lames vibrantes 3B prévu dans le circuit 3 on peut sélectionner plusieurs puissances c'est-à-dire plusieurs quantités standards de débits d'air pour le moteur du ventilateur, en agissant sur la tension de reference UV. Le relais 3B, de méme que le commutateur 6A est guidé par des aimints situes à l'ext-rieur du carter (non représentés) . Bien entendu, le relais 3B peut être remplacé par un potentiométre. Dans cet exemple de réalisation la tension de référence ref 1 est au potentiel de la terre ce qui constitue une solution simple. Pour cette raison le circuit ne peut assurer le démarrage du moteur sans le petit courant de démarrage fourni par la grille 4D. Lorsqu'une aspiration est engendrée sur le côté d'évacuation du ventilateur, par exemple lorsque le dispositif est connecté au masque, le courant absorbé par le ventilateur diminue. Si l'aspiration est suffisamment intense, l'admission du courant dans le moteur s'arrête presque instantanément étant donné que le débit d'air est déjà suffisant. Lorsqu'on utilise un masque, un tel comportement n'est pas souhaitable et par conséquent il est nécessaire d'ajouter l'amplificateur OP3 au circuit, dans le circuit d'intégration 7, de façon à amplifier la légère diminution de tension qui apparaît aux pôles du moteur lors de la phase d'inhalation. Après cet amplificateur on trouve le détecteur de valeur supérieure D2. L'émetteur suiveur 7T affecte à la résistance 24 la tension de référence UV et par conséquent la vitesse de rotation du moteur 1. De cette façon, on obtient un circuit qui fonctionne de manière presque idéale étant. donné que le dispositif tient compte de l'intensité d'inhalation, des divers filtres et de leur taux de colmatage ainsi que des variations de la tension de la pile ou de l'accumulateur. Grâce au commutateur 3B on peut choisir un débit d'air d'au moins 120 litres minute par exemple pour des cagoules. La sortie de l'amplificateur opérationnel OP1 affecte la largeur des impulsions fournies par le circuit de grilles 4 au circuit de transistors de guide. Grâce à la modulation de la largeur d'impulsion, on améliore le coefficient de rendement et en modifiant le rapport d'impulsion, on peut affecter la tension Ul de fonctionnement du moteur. En commandant et en contrôlant la tension Ul, et par conséquent également la vitesse de rotation du moteur, qui a une influence directe sur la quantité d'air délivrée, cette quantité d'air est maintenue sensiblement constante en dépit des variations de la tension d'alimentation et/ou du taux de colmatage du filtre. L'amplificateur opérationnel OP2 compare le niveau de sortie de l'amplificateur opérationnel OP1 à la tension de référence ref 2. Lorsque l'on dépasse le seuil déterminé, la diode électroluminescente LED s'allume, l'utilisateur du masque recevant alors une indication concernant une décharge de l'accumulateur et/ou un colmatage du filtre. Cette indication lui précise que le ventilateur est incapable de produire la quantité d'air nécessaire. Afin d'éviter que le dispositif soit utilisé par erreur avec une batterie défectueuse, le circuit de contrôl61e de tension 6 de la batterie empêche cette dernière d'être trop déchargée en interrompant l'alimentation en courant du dispositif et du moteur lorsque la tension de la batterie tombe en dessous d'une tension limite minimale (par exemple 4 volts). Le procédé et le circuit de régulation décrits ci-dessus peuvent être appliqués à divers appareils respiratoires. Gr&ce au ventilateur on peut obtenir une surpression ainsi que le débit d'air désiré lorsqu'on utilise un masque fermé. Lorsqu'on utilise des masques ouverts et des cagoules dans des systèmes respiratoires, dans lesquels on n'engendre pas de différence de pression, la quantité d'air peut cependant être contrôlée et commandée de façon efficace. Il demeure bien entendu que la présente invention n'est nullement limitée aux exemples de réalisation et d'application décrits et mentionnés ici mais qu'elle en englobe toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé de régulation de la quantité d'air délivrée à la partie faciale d'un masque- à gaz ou de tout autre appareil respiratoire couvrant la face, le masque à gaz comprenant un filtre, un ventilateur augmentant le débit de l'alimentation en air au travers dudit filtre, un moteur (1) entraînant le ventilateur ainsi qu'un circuit électronique commandant le fonctionnement et comportant des commutateurs de commande (6A, 3B), caractérisé en ce que le moteur du ventilateur (1) avec les pales du ventilateur et l'enceinte les entourant constituent un détecteur de façon que le courant (I) circulant au travers du moteur (1) et la tension (U1) de fonctionnement du moteur détectent les variations de l'écoulement de l'air, l'énergie délivrée du moteur du ventilateur (1) étant ensuite régulée sur la base dudit courant et de ladite tension. 2. Masque à gaz ou autre partie faciale similaire d'un appareil respiratoire recouvrant la face qui comprend un filtre, un ventilateur augmentant le débit de l'alimentation en air au travers de ce filtre, un moteur (1) entraînant le ventilateur et un circuit électronique commandant le fonctionnement et comportant les commutateurs de commande (6A, 3B), caractérisé en ce que le circuit de régulation électronique (R11, 3, OP1, 4, 5) est conçu de façon à maintenir la quantité d'air délivrée au masque à gaz à une valeur essentiellement constante en régulant la puissance du moteur (1) du ventilateur, en ce que le moteur (1), avec les pales du ventilateur et l'enceinte les entourant constituent un détecteur et en ce que la puissance du moteur est réglée en fonction du courant (I) du moteur et de la tension (U1) le faisant fonctionner. 3. Masque à gaz selon la revendication 2, caractérisé en ce que la quantité constante d'air est obtenue par un contrôle de la tension (Ul) de fonctionnement du moteur. 4. Masque à gaz selon la revendication 3, caractérisé en ce que la- commande de la tension est effectuée par modulation de la largeur d'impulsions. 5. Masque à gaz selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que la puissance du moteur (1) du ventilateur est adaptée pas-à-pas à l'intensité d'inhalation de l'utilisateur du masque à l'aide du circuit de régulation connecté au circuit d'intégration (7). 6. Xasque à gaz selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les systèmes électroniques de commande sont disposés dans une enceinte étanche à la poussière et aux fluides. 7. Masque à gaz selon la revendication 6, caractérisé en ce que le commutateur de commande (6A) du fonctionnement du ventilateur et le commutateur (3B) sélectionnant la puissance de soufflage sont actionnes par des relais à lames vibrantes (6A, 3B) qui sont guidés par les aimants disposés à l'extérieur de l'enceinte. 8. Masque à gaz selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que l'on détecte l'espace dans lequel le moteur du ventilateur est incapable de produire la quantité désirée et sélectionnée d'air insufflé, cette détection étant réalisée par un détecteur (LED), de préférence une diode électroluminescente qui est connectée au circuit électronique de commande. 9. Masque à gaz selon l'une quelconque des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'un circuit de supervision de tension (6) coupe l'alimentation en courant du moteur (1) lorsque la tension (SJ) délivrée tombe en-dessous d'une valeur limite de consigne.