Brevet FR2709066A1 — publié le 19950224

éQUIPEMENT DE PROTECTION PEYSIOLOGIQUE CONTRE LES PRODUITS TOXIQUES COMPRENANT UN SYSTENE DE VENTILATION RECULE EN PONCTION DU DEBIT ET DE LA PRESSION. La présente invention a pour objet un équipement de protection physiologique protégeant au moins les voies respiratoires destiné a 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. 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, 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 ltélément de tête et un élément de tête de protection comme un masque ou une cagoule. Pour éviter toute entrée de produit toxique à l'intérieur de ltélément 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 autonome élecrique. 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 ltensemble du système. Certains ont proposé l'introduction de volumes tampon, soit 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 aussi les masses des sources électriques autonomes. Ces systèmes sont lourds, encombrants, chers et fragiles. Les brevets EP 0413 555, EP 0352 938, EP 0334 555, ainsi que les brevets français 81 09 861 et 91 10 495 décrivent des systèmes comportant une régulation uniquement fonction d'une valeur de la pression fournie par un capteur placé dans le système, mais ne parlent pas de la nécessité de réguler la puissance électrique fournie au ventilateur également en fonction du débit. Le terme pression relative ou pression différentielle employé par la suite est pris au sens large. Il correspond à la différence de pression entre la pression mesurée et la pression atmosphérique ambiante. Une respiration faible correspond à une activité physique d'un homme au repos fournissant un travail mécanique d'environ 15 watt. Une respiration moyenne correspond à une activité physique d'un homme fournissant un travail mécanique d'environ 90 watt. Une respiration forte correspond à une activité physique d'un homme fournissant un travail mécanique d'environ 160 watt. Une respiration extrème correspond à une activité physique d'un homme fournissant un travail mécanique d'environ 300 watt. Le terme capteur piezo-électrique ou piezoresistif est pris ici au sens large et englobe tous les capteurs sensibles à la pression et émettant un signal électrique fonction de cette pression ou fonction de la variation de pression. Le terme capteur de débit est pris ici au sens large et englobe tous les capteurs sensibles au débit ou à la variation de débit et émettant un signal fonction de ce débit ou de cette variation de débit. Le terme W est usilisé pour définir la quantité d'énergie électrique délivrée au moteur par unité de temps. Cette puissance varie en fonction du temps. PM est la pression relative existant à chaque instant à l'intérieur du masque. PC est la pression relative existant à chaque instant dans le tuyau d'alimentation en amont de la première soupape inspiratoire du masque. PV est la pression relative existant à chaque instant dans le tuyau d'alimentation à la sortie du ventilateur. PE est la perte de charge de la soupape (ou des soupapes) expiratoire(s). PI est la perte de charge de la soupape (ou des soupapes) inspiratoire(s). Les éléments de tête de protection comportent en général au moins une soupape inspiratoire et une soupape expiratoire. Toute soupape, tarée ou non, a une perte de charge qui est en général une fonction continue croissante du débit qui la traverse. Lorsque que lVon désire réguler la pression dans le masque à une valeur donnée quel que soit le débit inspiratoire, il est nécessaire de prélever la pression dans le masque et de réguler la puissance électrique fournie au ventilateur en fonction de la pression relative mesurée par le capteur dans le masque. Si le capteur nVest pas placé à l'intérieur du masque mais en amont de la soupape inspiratoire, la perte de charge de cette soupape conduit à un disfonctionnement du système qui conduit à augmenter la masse des piles ou des batteries. En effet la perte de charge de la soupape inspiratoire est variable en fonction du débit. Ce phénomène est encore amplifié lorsqu'il y a plusieurs soupapes inspiratoires dans le système. Il est donc nécessaire soit de placer le capteur de pression à l'intérieur du masque soit de faire communiquer la cavité du masque au capteur par un tuyau permettant au capteur de mesurer la pression dans le masque. Dans le premier cas, cela nécessite de placer des fils électriques supplémentaires reliant le capteur situé à l'intérieur du masque ce qui est souvent impossible ou, dans le deuxième cas, de faire cheminer un tuyau (qui peut être fin) à travers ou autour de la soupape inspiratoire. Cette dernière solution n'est pas inconcevable lorsque le tuyau liant le masque n'est pas déconnectable. Mais lorsque l'ensemble de ventilation et de filtration est déconnectable du masque alors la présence d'un tuyau supplémentaire rend l'assemblage beaucoup plus compliqué et par la même moins sûr et plus coûteux. 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 suivant très précisemment le cycle respiratoire sans avoir à placer un capteur de pression directement à l'intérieur du masque et sans avoir à prévoir un tuyau traversant ou contournant la soupape inspiratoire et principalement de réaliser un équipement de tête de protection amélioré protégeant au moins les voies respiratoires contre les produits toxiques comprenant au moins - une alimentation en air purifié fournissant à chaque instant un débit D de gaz respirable sous une pression relative PV, comportant au moins un ventilateur et au moins un filtre, - un masque et/ou une cagoule de protection comportant au moins une soupape expiratoire ayant une perte de charge PE fonction du débit expiratoire DE la traversant (PE = FE (DE)) et comportant également au moins une soupape inspiratoire ayant une perte de charge PI fonction du débit D la traversant (PI = FI (D)), - une source électrique d'alimentation du ventilateur, - un tuyau déconnectable reliant le masque ou la cagoule à l'alimentation en air purifié. Ces buts sont atteints par le procédé selon l'invention qui est essentiellement caractérisé en ce que la puissance électrique W délivrée au ventilateur, à chaque instant, par le boîtier de régulation électronique est une fonction (F) des deux paramètres suivants a) la valeur de la pression PC fournie par au moins un capteur de pression placé entre le ventilateur et la première soupape inspiratoire. b) la valeur du débit D de gaz respirable conduit par le tuyau d'alimentation, mesurée par un capteur de débit. De façon préférentielle la dite fonction (F) est choisie de façon à maintenir à chaque instant dans le masque une pression déterminée PMD, au moins jusqu'à un débit maximum prédéterminé. De façon préférentielle la puissance W fournie à chaque instant au ventilateur peut être rendue égale à la puissance nécessaire pour vaincre à chaque instant l'ensemble des pertes de charge des clapets et conduits et notamment la soupape inspiratoire du masque afin que le débit d'air purifié (D) fourni au masque suive à chaque instant, le plus près possible, tout en restant légèrement excédentaire la demande inspiratoire du sujet et ceci pour des respirations faibles, moyennes ou fortes (mais non extrêmes). De façon préférentielle la puissance W, la pression relative PC, et le débit D sont rendus interdépendants par un asservissement automatique fonctionnant à chaque instant au cours de la respiration, de telle sorte, qu a partir du débit D on calcule la perte de charge PI, qu'à partir de cette valeur calculée PI et de la valeur mesurée PC on calcul la différence PC - PI, que l'on compare cette différence avec une valeur de consigne P CONS, et que si la différence PC PI - P CONS est plus grand que zéro alors on diminue la valeur W de la puissance électrique fourni au ventilateur, et que si la différence PC - PI - P CONS est plus petite que zéro alors on augmente la valeur W de la puissance électrique fournie au ventilateur et ceci à chaque instant. De façon préférentielle la puissance électrique W fournie à chaque instant au ventilateur est fonction d'une seule variable combinant la valeur de la pression relative PC et la valeur fonction du débit D de la façon suivant : W = f (P) où P=PC-PI et PI = FI (D) de telle sorte que la pression relative PC soit légèrement plus grande que PI quelque soit le mode de respiration faible, moyen ou fort (mais non extrème). De façon préférentielle la fonction f définissant la relation liant la puissance électrique W fournie au moteur et la valeur P est une fonction continue et décroissante au moins dans une plage de valeur de P. De façon préférentielle les deux capteurs de pression et de débit sont combinés physiquement en un seul capteur placé en amont de la première soupape inspiratoire et en aval du ventilateur, fournissant directement une valeur de P en fonction de la pression et du débit et tel que P soit égale à la différence de PC et de PI, où PI est égale à la perte de charge de la soupape inspiratoire pour chaque valeur de débit D. Suivant une autre façon préférentielle le capteur de pression est placé plus près du ventilateur. Dans ce cas il est nécessaire de tenir compte de la perte de charge de la soupape inspiratoire mais également de la perte de charge du tuyau conduisant l'air purifié du ventilateur au masque. Dans ce cas les relations définies précédemment restent valables. Il suffit de remplacer PC par PV et PI par PI1 qui est la perte de charge de l'ensemble soupape inspiratoire et tuyau, perte de charge qui est une fonction FIl du débit D, et/ou de remplacer P par Pl qui est égale à la différence PV moins PII. L'invention sera mieux comprise par la description détaillée d'un mode de réalisation illustrée sur les dessins annexés qui représentent - sur la figure 1 : l'ensemble de l'équipement de protection protégeant un porteur 1, - sur la figure 2 ; une courbe représentant un exemple d'évolution de la valeur de la perte de charge PI de la soupape inspiratoire en fonction du débit D la traversant, - sur la figure 3 ; une courbe représentant un exemple d'évolution de la puissance électrique W fournie au moteur en fonction de P, - sur la figure 4 ; un exemple de réalisation d'un capteur combinant un capteur sensible à la pression et un capteur sensible au débit. Sur la figure 1, l'ensemble de protection comprend un masque 2, une soupape expiratoire 3, une soupape inspiratoire 4, une déconnection 7, un tuyau 8, un ventilateur 9, un filtre 10, un boitier de commande électronique 11, une source électrique 12, un capteur de pression 6 et un capteur de débit 5. Les flèches montrent le sens de déplacement des molécules dv air purifiées. La pression PM est la pression régnant à l'intérieur du masque. La pression PC est celle reignant en amont de la soupape inspiratoire. La pression PV est la pression règnant à la sortie du ventilateur. La description détaillée d'un mode préférentiel de réalisation qui suit se réfère à la figure 4. Le masque facial 2 protége la face du porteur 1 des produits toxiques contenus dans l'atmosphère. Ce masque facial comporte une soupape expiratoire 3 et une soupape inspiratoire 4. Un tuyau 8 déconnectable en 7 relie le masque au ventilateur 9. L'air aspiré par le ventilateur est filtré et purifié par un filtre 10. Un capteur de pression 14 mesure la pression existant dans le tuyau d'alimentation en air respirable a un endroit situé entre la sortie du ventilateur 9 et la première soupape inspiratoire 4. Un embout profilé 13 ayant sa sortie en aval du courant permet de modifier l'information de pression transmise au capteur 14 en fonction du débit D. En effet lorsque le débit D augmente une légère dépression se forme à l'orifice de l'embout 13. La géométrie de l'embout est étudiée pour recréer une variation de pression due au débit D sensiblement égale à la perte de charge de la soupape inspiratoire et de la partie de tuyau existant entre le capteur 13 et la soupape inspiratoire 4. Ainsi pour une plage étendue de respiration il est possible de réguler une pression sensiblement constante dans le masque en faisant évoluer la puissance électrique fournie au ventilateur en fonction dtune pression prélevée en amont de la soupape inspiratoire dans la mesure où cette valeur est corrigée par une valeur fonction du débit. A titre d'exemple non limitatif la description qui suit présente un système comportant des valeurs réalistes choisies parmi des valeurs plausibles La pression PI est égale à PI = FI (D) = D + D 10 800 180 D : Débit en litres par minute, PI : perte de charge en hecto Pascal Pour cet exemple non limitatif, la respiration est choisie de type sinusoïdale égale à D = 180 sin wt (si sin wt > 0) D = 0 (si sin wt D : débit en litres par minute w : en radian par secondes = 3,14 (pour une respiration de 30 coups par minute) t : temps en secondes On peut choisir la fonction f égal à X = f (PC, D) = 20 - 9 {PC-(D/10800 + D/180)} W = 16,4 watt si PC - (Dt/l0800 + D/180) est inférieure à 0,4 hecto Pascal W = 2 watt si PC - (D.0800 + D/180} est supérieure à 2 hecto Pascal. Lorsque t = 22,4 secondes par exemple alors D = 180 sin wt = 180 x 0,951 = 171,19 litres/minute Alors W = 20 - 9 PC - (D /10800 + D/180)) W = 20 - 9 {PC - 1,76} Si la pression PC mesurée est égale à 3 hecto Pascal la puissance fournie W sera donc égale à W = 20 - 9 {3 - 1,76} = 8,84 W = 8,84 watt. Bien entendu ceci n'est qu'un exemple permettant de mieux comprendre le système. Pour être plus complet il faudrait également tenir compte du débit d'air non respiré et passant à travers le masque directement de la soupape inspiratoire à la soupape expiratoire, des fuites, etc. Les applications de cette invention sont multiples. Elles concernent les équipements de protection physiologiques et plus généralement tout système devant utiliser un ventilateur à puissance d'alimentation électrique variable dans des conditions optimales de sécurité et de fonctionnement, sans prélever la pression directement dans le volume dont on veut réguler la pression. REVENDICATIONS 1) Equipement de protection protégeant au moins les voies respiratoires d'un porteur (1) contre les produits toxiques comprenant au moins - une alimentation en air purifié fournissant à chaque instant un débit D de gaz respirable sous une pression relative PV, comportant au moins un ventilateur (9) et au moins un filtre (10), - un masque (2) et/ou une cagoule de protection comportant au moins une soupape expiratoire (3) ayant une perte de charge PE fonction du débit expiratoire DE la traversant (PE = FE (DE)) et comportant au moins une soupape inspiratoire (4) ayant une perte de charge PI fonction du débit D la traversant (PI = FI - une source électrique d'alimentation du ventilateur (12), - un tuyau (8) déconnectable en (7) reliant le masque ou la cagoule à l'alimentation en air purifié, caractérisé en ce que la puissance électrique W délivrée au ventilateur (9) à chaque instant par le boitier de régulation électronique (11) est une fonction (f) des deux paramètres suivants a) la valeur de la pression PC fournie par au moins un capteur de pression (6) placé entre le ventilateur (9) et la première soupape inspiratoire (4), b) la valeur du débit D de gaz respirable conduit par le tuyau d'alimentation (8) mesurée par un capteur de débit (5) de telle sorte que W = f (PC, D) 2) Equipement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la dite fonction f est choisie de façon à maintenir à chaque instant dans le masque une pression relative déterminée PMD, au moins jusqu'à un débit maximum de respiration prédéterminé. 3) Equipement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la dite puissance électrique W fournie à chaque instant au ventilateur peut être rendue égale à la puissance nécessaire pour vaincre à chaque instant l'ensemble des pertes de charge des clapets et conduits et notamment la soupape inspiratoire du masque afin que le débit d'air purifié (D) fourni au masque suive à chaque instant, le plus près possible, tout en restant légèrement excédentaire la demande inspiratoire du sujet et ceci pour des respirations faible, moyennes ou fortes (mais non extrêmes). 4) Equipement selon la revendication 1 caractérisée en ce que la puissance électrique W, la pression relative PC, et le débit D sont rendus interdépendants par un asservissement automatique fonctionnant à chaque instant au cours de la respiration, de telle sorte, qu a partir du débit D on calcule la perte de charge PI, qu'à partir de cette valeur calculée PI et de la valeur mesurée PC on calcule la différence PC - PI, que l'on compare cette différence avec une valeur de consigne P CONS, et que si la différence PC PI - P CONS est plus grand que zéro alors on diminue la valeur W de la puissance électrique fournie au ventilateur, et que si la différence PC - PI - P CONS est plus petite que zéro alors on augmente la valeur W de la puissance électrique fournie au ventilateur et ceci à chaque instant. 5) Equipement selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3 ou 4 caractérisé en ce que la puissance électrique W fournie à chaque instant au ventilateur est fonction d'une seule variable combinant la valeur de la pression PC et la valeur fonction du débit D de la façon suivante W = f(P) ou P=PC -PI et PI = FI (D) 6) Equipement selon l'une quelconque des revendications 1, 2, 3, 4 ou 5 caractérisé en ce que la fonction f définissant la relation liant la puissance électrique W fournie au moteur et la valeur de la pression P est une fonction continue et décroissante au moins dans une plage de valeur de P. 7) Equipement selon l'une quelconque des renvendications 5 ou 6 caractérisé en ce que les deux capteurs de débit et de pression sont combinés physiquement en un seul capteur mesurant directement une valeur de P en fonction de la pression et du débit et tel que P soit sensiblement égale à la différence de PC et de PI, où PI est égale à la perte de charge à la soupape inspiratoire pour chaque valeur de débit D.