Brevet FR2705899A1 — publié le 19941209

EQUIPEMENT DE PROTECTION PHYSIOLOGIQUE CONTRE LES PRODUITS TOXIQUES COMPRENANT UN SYSTèME DE VENTILATION OPTIMISE. La présente invention a pour objet un équipement de protection physiologique protégeant au moins les voies respiratoires destiné à être utilisé dans les ambiances contaminées. Il existe de nombreux systèmes et équipements permettant de protéger les êtres vivants contre les agents toxiques contenus dans l'atmosphère. Certains systèmes sont dits à circuits fermés. Ils contiennent en eux mêmes les réserves d'oxygène ou d'air pur nécessaires. En général ces systèmes sont lourds et ont une autonomie faible. Les autres systèmes, dits à circuits ouverts utilisent des filtres qui filtrent et/ou traitent chimiquement l'air utilisé pour la respiration et/ou la ventilation. De nombreux systèmes utilisent un ventilateur électrique qui a pour fonction de compenser la plus grande partie de la perte de charge des filtres, des soupapes du masque, et des conduits. Ces systèmes comportent en général une source électrique autonome (piles ou batteries rechargeables) un ventilateur électrique, un ou plusieurs filtres, un tuyau reliant le ventilateur à l'élément de tête, un élément de tête de protection. Pour éviter toute entrée de produit toxique à l'intérieur de 11 élément de tête, une solution consiste à placer un ventilateur puissant couvrant tous les débits inspiratoires. Or ceci est très pénalisant et conduit à une masse très importante de ventilateur et de source électrique autonome. D'autre part, ceci va à l'encontre de la sécurité dans la mesure où le pouvoir filtrant des filtres diminue très vite avec le débit. Il est donc nécessaire pour des raisons de masse et de prix mais aussi pour des raisons de sécurité, d'optimiser au mieux l'ensemble du système. Certains ont proposés l'introduction de volumes tampon, soient dans un sac économiseur placé près du masque soit dans un volume tampon, placé entre le ventilateur et le masque afin d'absorber les pics respiratoires et diminuer ainsi les masses des sources électriques autonomes. Ces systèmes sont lourds, encombrants, chers et fragiles. Le brevet EP 0 413 555 décrit un équipement de protection physiologique comportant un senseur sensible à la pression et fournissant des informations sous forme d'impulsions destinées à maintenir à tout instant une pression sensiblement positive dans le masque. Or compte tenu du grand domaine de respiration existant, compte tenu des performances physiques très différentes de chacun et des différences de situation, concevoir un système maintenant constamment une pression sensiblement positive conduit nécessairement à une masse de batterie importante. Le brevet EP 0 352 938 présente un équipement de protection prenant en compte le colmatage de filtres en augmentant la pression fournie par le ventilateur au fur et à mesure que le filtre se colmate. Le brevet EP 0334 555 décrit un équipement comportant un ventilateur dont l'alimentation est coupée au début de l'expiration et rétablie au début de l'inspiration. Le brevet français 81 09861 décrit un système régulant un débit constant dans une tuyauterie en faisant fonctionner le ventilateur sous deux vitesses. Le brevet français 91 10 495 décrit un système comportant une surtension supérieure à la tension nominale pendant un temps court. Le terme pression relative ou pression différentielle dans le masque est pris ici au sens large. Il correspond à la différence de pression existant en aval du ventilateur et la pression atmosphérique ambiante. Une activité faible correspond à une activité physique d'un homme en repos fournissant un travail mécanique d'environ 15 Watt. Une activité physique forte correspond à une activité physique fournissant un travail mécanique d'environ 160 Watt. Une activité physique extrême correspond à une activité physique fournissant un travail mécanique d'environ 300 Watt. Le terme capteur piezo-électrique ou piezo-résistif est pris ici au sens large et englobe tous les capteurs sensibles à la pression et émettant un signal fonction de cette pression ou fonction de la variation de pression. Un but de l'invention est de concevoir un équipement de tête protégeant un porteur contre les produits toxiques contenus dans l'atmosphère en optimisant d'une part la taille des sources électriques autonomes et la sécurité en diminuant au maximum la vitesse et le débit des gaz traversant les filtres tout en optimisant le confort respiratoire, en diminuant les temps de réponses de l'ensemble capteur plus ventilateur et principalement de réaliser un équipement de tête de protection protégeant au moins les voies respiratoires contre les produits toxiques comprenant un masque, ou une cagoule, une alimentation en air purifié, un ventilateur axial ou centrifuge compensant les pertes de charge des filtres et conduits, une source d'alimentation électrique autonome fournissant une tension maximale (T max). Ces buts sont atteints par le procédé selon l'invention qui est essentiellement caractérisée en ce que le moteur du ventilateur est prévu de façon à fournir pour une énergie électrique (El) un débit suffisant pour couvrir les pointes inspiratoires d'un homme au repos et pour imposer une vitesse de rotation minimale du ventilateur (R1) supérieure à environ 500 tours par minute afin que le temps nécessaire pour monter en régime soit petit (inférieur à la seconde) pour pouvoir suivre le cycle respiratoire, en ce que le moteur du ventilateur est prévu de façon à fournir pour une énergie électrique (E2) un débit suffisant pour couvrir les pointes inspiratoires d'un homme ayant une activité physique forte, mais non extrême et imposant une vitesse maximale du ventilateur (R2) inférieure à 14 000 tours par minute, en ce que l'équipement comprend au moins un capteur de pression commandant le niveau d'énergie électrique (E) compris entre (El) et (E2) et une vitesse de rotation (R) comprise entre (R1) et (R2), en fonction de la valeur de la pression différentielle du masque, et en ce que le temps de réponse de l'ensemble capteur plus ventilateur a un temps de réponse inférieur à une seconde. De façon préférentielle le dit capteur (5) commande le niveau d'énergie électrique (E) fournie au ventilateur de la façon suivante - lorsque la valeur de la pression relative dans le masque est inférieure au seuil aP2 (compris entre 0 et 1,5 hecto-Pascal), l'énergie électrique fournie au ventilateur est sensiblement constante et égale à (E2) (valeur comprise entre 4 et 25 Watt), - lorsque la valeur de la pression relative dans le masque est comprise entre AP2 et hP1 (AP2 étant inférieur àP1), l'énergie électrique fournie au ventilateur est une fonction continue et décroissante de la pression relative dans le masque ayant une pente moyenne comprise entre -0,01 hecto-Pascal par Watt et -1 hecto-Pascal par Watt, - lorsque la valeur de la pression relative dans le masque est supérieure à dP1, l'énergie électrique fournie au ventilateur est sensiblement constante et égale à (El) (valeur comprise entre 0,05 et 4 Watt). Suivant une autre façon préférentielle le dit capteur (5) commande le niveau d'énergie électrique (E) fournie au ventilation de la façon suivante - lorsque la valeur de la pression relative dans le masque est inférieure au seuil2 (compris entre 0 et 1,5 hecto-Pascal), l'énergie électrique fournie au ventilateur est sensiblement constante et égale à une valeur maximale E2 (valeur comprise entre 4 et 25 Watt), - lorsque la valeur de la pression relative dans le masque est comprise entre bP2 etbP1 OP2 étant inférieure à # P1), l'énergie électrique fournie au ventilateur est égale à EI (qui est une valeur intermédiaire comprise entre El et E2), - lorsque la valeur de la pression relative dans le masque est supérieure à P1, l'énergie électrique fournie au ventilateur est sensiblement constante et égale à El (valeur comprise entre 0,05 et 4 Watt). La valeur de l'énergie électrique (E) peut avantageusement être sommée au cours du temps pour connaître l'énergie électrique consommée au cours du temps. Il est primordial pour des raisons de confort respiratoire et de sécurité que le ventilateur suive la demande du porteur. Or cette demande peut être très rapide. Si la vitesse du ventilateur part de zéro il est impossible de vaincre les forces d'inertie afin de faire monter le débit suffisamment vite pour suivre le débit inspiratoire. De même si on laisse monter la vitesse de rotation à un niveau trop élevé, alors l'inertie des parties tournantes ne permettra pas de faire redescendre le régime suffisamment vite pour suivre la variation de débit expiratoire. Ce principe est très important notamment pour les ventilateurs centrifuges qui ont des propriétés débit/ pression très particulières. En effet lorsque l'on opture la sortie d'un ventilateur centrifuge la vitesse de rotation tend à augmenter et l'énergie électrique consommée tend à baisser. Ces phénomènes peuvent être utilisés pour maintenir une vitesse de rotation minimale pour une énergie électrique consommée faible afin de réduire au maximum les temps de réponses de monter en régime pour "coller" au cycle respiratoire. L'utilisation, en toute sécurité de piles nécessite la connaissance de l'énergie électrique contenue dans les piles au cours de l'utilisation, après une durée de stockage donné et en fonction de la température et de l'utilisation. Selon un mode de réalisation préférentiel on somme la quantité d'énergie (E) au cours du temps. Selon un autre mode de réalisation préférentiel suivant l'invention on affiche la valeur sommée au cours du temps de la quantité d'énergie (E) de façon que cette valeur soit visible par le porteur. Selon un autre mode de réalisation préférentiel suivant l'invention la dite valeur de l'énergie électronique (E) sommée au cours du temps est déduite d'une valeur initiale donnée (VI) représentant l'énergie électrique initiale contenue dans la source électrique autonome. Selon un autre mode de réalisation préférentiel suivant l'invention, on affiche le résultat de la différence, (VI-E) de façon que celle-ci soit visible par le porteur. Selon un autre mode de réalisation préférentiel, suivant l'invention, et pour ne pas oublier de remettre à zéro le compteur lorsque l'on met la pile dans son boitier, on place dans le boitier un contacteur de mise à zéro automatique initialisant automatiquement à chaque changement de source électrique autonome la dite valeur initiale (VI) prédéterminée et représentant la quantité minimale d'énergie électrique contenue dans une pile neuve. Selon un autre mode de réalisation préférentiel, suivant l'invention, le dit capteur de pression est composé d'au moins deux membranes identiques et fixées sur la même structure. Bien que ces membranes soient très légères elles ont une masse non nulles et sous l'effet d'un champ d'accélération, ces membranes ont tendance à bouger et à envoyer un signal comme si la pression de la chambre avait évoluée. Ce phénomène introduit des effets parasites incompatibles avec le niveau de précision requis pour ce type d'application. Pour remédier à ce phénomène, on place deux membranes identiques constituant trois volumes V1, V2 et V3. Deux des trois volumes sont reliés par exemple les volumes V1 et V2 comme le montre la figure 2 ou les volumes V1 et V3 comme le montre la figure 3. Le signal pris en . considération est alors la différence algébrique des deux signaux respectifs de chaque membrane afin que les efèts dus aux accélérations s'annulent. Ce mode de réalisation permet également de compenser les variations d'indication dues à la température. En effet les membranes, et surtout les membranes piézo-électrique sont sensibles à la température. En soustrayant les deux signaux I1 et I2 on annule naturellement les effets dus à la température. Ce principe s'applique aussi à une conception mécanique permettant la régulation d'un débit d'air en fonction de la pression différentielle comme le montre la figure 4. L'invention sera mieux comprise par la description détaillée d'un mode de réalisation illustrée sur le dessin annexé qui représente - sur la figure 1 : protection de tête 1 protégeant un porteur 2, un tuyau de laison 3 reliant l'ensemble de protection de tête avec le ventilateur, un capteur de pression 5 placé entre le ventilateur et l'élément de protection de tête, un ensemble de filtres 6, une source électrique autonome 7, un boitier électronique 8, une indication de la quantité électrique disponible 9, un contacteur 10. - sur la figure 2 : un schéma de fonctionnement d'un exemple de capteur de pression à deux membranes identique 11 et 12 délimitant trois volumes V1, V2 et V3, où les deux volumes V1 et V2 communiquent afin que les pressions régnant dans les volumes V1 et V2 soient, sensiblement égales. Dans ce cas la pression différentielle existant entre les volumes Vl et V3 ou V2 et V3 est égale à la différence algébrique de l'indication donnée par les deux membranes ( I = I - It) - sur la figure 3 : un schéma de fonctionnement d'un exemple de capteur de pression à deux membranes identiques délim; ant trois volumes V1, V2, V3 où les deux volumes V1 et V3 communiquent afin que les pression régnant dans les volumes V1 et V3 soient sensiblement égales. Dans ce cas la pression différentielle existant entre les volumes V2 et V3 (ou V1 et V2) est égale à la différence algébrique de 1'indication donnée par les deux membranes I = -It + I) - sur la figure 4 : un schéma présentent les deux membranes 11 et 12 délimittant un volume V1, V2 et V3. Ici les deux volumes V1 et V3 communiquent. Un ressort 13 montrent les deux membranes écartées. Les deux membranes sont relié par une pièce 14 et 15 respectivement à une chappe 16 et un levier 17 pouvant tourner l'une par rapport à l'autre autour d'un axe 18. Un tuyau flexible 19 conduit le débit à réguler. Lorsque la pression diminue dans le volume V1 alors le ressort 13 écarte les deux membranes 11 et 12 qui par 1'intermédiaire des deux pièces 14 et 15, ouvre le clapet 20 et permet l'introduction dans la chambre du fluide sous pression conduit par le tuyau flexible 19 La description détaillée d'un mode préférentiel de réalisation qui suit se réfère à la figure 1. Un masque facial 1 protégé la face du porteur 2 des produits toxiques contenus dans l'atmosphère. Un tuyau 3 relie le masque 1 au ventilateur 4. Un capteur de pression situé entre le masque et le ventilateur mesure la pression relative qui règne entre le masque et la pression atmosphérique. Les valeurs de pression sont envoyées à un calculateur électronique 8. Ce capteur est avantageusement un capteur piezo électrique donnant un signal fonction de la pression relative régnant dans le masque. La partie utile du capteur se situe entre 0 et 4 millibar le calculateur 8 maintient un seuil minimal d'énergie électrique El fournie au ventilateur quelque soit la valeur donnée par le capteur et supérieure au-dessus d'une certaine valeur, par exemple à 1,5 millibar. De même le calculateur 8 maintient un seuil maximal d'énergie électrique E2 fournie au ventilateur quelque soit la valeur donnée par le capteur de pression inférieure par exemple à 0,1 millibar. Entre ces deux valeurs de pression, le calculateur fait correspondre à chaque valeur de pression une énergie électrique fournie au ventilateur à chaque instant. Une source électrique autonome 7 constituée par un ensemble de piles ou batteries fournit l'énergie électrique nécessaire. Le calculateur somme et intègre l'énergie fournie au ventilateur en fonction du temps. Un affichage 9 permet de connaitre l'énergie disponible en présentant la valeur de la différence entre une énergie donnée (EI) et la valeur de l'énergie consommée (E). Un contact 10 permet d'initialiser le compteur en présentant sur l'affichage 9 la valeur EI lorsque l'on place les piles en début de mission, sachant que l'on ne place dans le boitier que des piles neuves. La valeur affichée en 9 peut représenter des énergies en joule par exemple ou des autonomies en heures restant et correspondant à un fonctionnement moyen. Les applications de cette invention sont multiples. Elles concernent les équipements de protections physiologiques et plus généralement tout système devant utiliser un ventilateur comportant une source électrique autonome dans des conditions optimales de sécurité et de fonctionnement. REVENDICATIONS 1) équipement de tête de protection protégeant au moins les voies respiratoires contre les produits toxiques comprenant un masque et/ou une cagoule, une alimentation en air purifié (6), un ventilateur axial ou centrifuge (4) compensant en grande partie les pertes de charges des filtres et conduits, une source d'alimentation électrique autonome (7) fournissant une tension maximale (T max), caractérisé en ce que le moteur du ventilateur est prévu de façon à fournir pour une énergie électrique (El) un débit suffisant pour couvrir les pointes inspiratoires d'un homme au repos et pour imposer une vitesse de rotation minimale du ventilateur (R1) supérieure à environ 500 tours par minute, en ce que le moteur du ventilateur est prévu de façon à fournir pour une énergie électrique (E2) un débit suffisant pour couvrir les pointes inspiratoires d'un homme ayant une activité physique forte mais non extrême et imposant une vitesse maximale du ventilateur (R2) ne dépassant pas 14 000 tours par minutes environ, en ce que l'équipement comprend au moins un capteur de pression (5) commandant le niveau d'énergie électrique (E) compris entre (El) et (E2) et la vitesse de rotation du ventilateur (R) comprise entre (R1) et (R2) en fonction de la valeur de la pression différentielle du masque et en ce que le temps de réponse de l'ensemble capteur plus ventilateur est inférieur à une seconde. 2) Equipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dit capteur de pression (5) commande le niveau d'énergie électrique (E) fournie au ventilateur de la façon suivante - lorsque la valeur de la pression relative dans le masque est inférieure au seuil bP2 (compris entre 0 et 1,5 hecto-Pascal), l'énergie électrique fournie au ventilateur est sensiblement constante et égale à (E2) (valeur comprise entre 4 et 25 Watt), - lorsque la valeur de la pression relative dans le masque est comprise entre aP2 et bP1 (P2 étant inférieure à a P1), l'énergie électrique fournie au ventilateur est une fonction continue et décroissante de la pression relative dans le masque ayant une pente moyenne comprise entre -0,01 hecto-Pascal par Watt et -1 hecto-Pascal par Watt, - lorsque la valeur de la pression relative dans le masque est supérieure à bop1, l'énergie électrique fournie au ventilateur est sensiblement constante et égale à El (valeur comprise entre 0,05 et 4 Watt). 3) Equipement selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dit capteur de pression (5) commande le niveau d'énergie électrique (E) fournie au ventilateur de la façon suivante - lorsque la valeur de la pression relative dans le masque est inférieure au seuil bP2 (compris entre 0 et 1,5 hecto-Pascal), l'énergie électrique fournie au ventilateur est sensiblement constante et égale à une valeur maximale E2 (valeur comprise entre 4 et 25 Watt), - lorsque la valeur de la pression relative dans le masque est comprise entre AP2 et hP1 (dP2 étant inférieure à EP1), l'énergie électrique fournie au ventilateur est égale à EI (qui est une valeur intermédaire comprise entre El et E2), - lorsque la valeur de la pression relative dans le masque est supérieure bP1, l'énergie électrique fournie au ventilateur est sensiblement constante et égale à El (valeur comprise entre 0,05 et 4 Watt) 4) Equipement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la valeur de l'énergie électrique (E) est sommée au cours du temps. 5) Equipement selon la revendication 4, caractérisé en ce que la dite valeur de l'énergie électrique (E) sommée au cours du temps est affichée sur un afficheur (9) de façon a être visible par le porteur. 6) Equipement selon les revendications 4 ou 5 caractérisé en ce que la dite valeur de l'énergie électrique (E) sommée au cours du temps est déduite d'une valeur initiale donnée (El) représentant l'énergie électrique initiale contenue dans la source électrique autonome. 7) Equipement selon la revendication 6, caractérisé en ce que le résultat de la dite déduction (EI-E) est affichée sur un afficheur (9) de façon à être visible par le porteur. 8) Equipement selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le boitier de la source électrique autonome comporte un contact (10) de mise à zéro initialisant automatiquement, à chaque changement de source électrique autonome, la dite valeur initiale (EI) prédéterminée. 9) Equipement selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que le capteur de pression commandant le niveau d'énergie électrique E est un capteur double comportant deux membranes identiques fixées sur la même structure, le signal de sortie SS du capteur étant alors la différence algébrique des deux signaux S1 et S2 fournis par les deux membranes (11) et (12). 10) Equipement selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que le capteur de pression comporte au moins une membrane piezo-résistive.