Brevet FR2855417A1 — publié le 20041203

PROCEDE ET DISPOSITIF DE PROTECTION DES PASSAGERS D'UN AERONEF CONTRE L'HYPOXIE L'invention concerne les systèmes destinés à protéger les passagers d'un aéronef contre les effets d'une dépressurisation de la cabine à haute altitude en leur fournissant l'oxygène nécessaire à la survie. Pour fournir cet oxygène, l'aéronef emporte une 10 source d'oxygène (bouteille d'oxygène ou générateur chimique, dit "chandelle", ou générateur embarqué d'air sous pression très enrichi en oxygène) qui alimente une ou des conduites générales. On peut prévoir, pour chaque emplacement destiné à être occupé par un passager, au moins 15 un dispositif d'inhalation, tel qu'un masque oro-nasal et/ou un sac souple destiné à être enfilé sur la tête tandis que l'oxygène ou le gaz enrichi en oxygène est inhalé grâce à un embout buccal. Dans tous les cas, le dispositif d'inhalation est relié à la conduite générale. On connaît déjà, notamment grâce au document FR 83 20941, des masques munis, en plus du sac économiseur, d'un sac de ré-inhalation. Le but recherché par l'addition de ce sac souple de ré-inhalation ou " rebreathing " était d'amener le porteur à inhaler un mélange ayant une teneur 25 accrue en gaz carbonique qui augmente la ventilation pulmonaire, cela afin de permettre d'utiliser le masque passager à des altitudes cabine accrues, dépassant 12 700 m, sans pressurisation de l'oxygène. Le sac de ré-inhalation stocke du gaz expiré riche en gaz carbonique et le restitue 30 au masque lors de l'inspiration suivante. Le sac économiseur reste classique dans ses caractéristiques et le débit d'oxygène est inchangé jusqu'à 12 000 mètres. Il s'est de plus avéré que les taux de C02 nécessaires à une excitation suffisante du rythme respiratoire provoquaient des troubles physiologiques. Un but de l'invention est de fournir un procédé de 5 protection des passagers qui permet de prélever le contenu du sac économiseur avant celui du sac de ré-inhalation et tout en tenant compte du comportement ventilatoire de chaque passager. Pour parvenir au but recherché, l'invention fournit 10 un procédé de protection des passagers d'un aéronef contre les effets d'une dépressurisation de la cabine à haute altitude, suivant lequel, - on fournit à des passagers des dispositifs d'inhalation de gaz respiratoire, adaptés pour que chacun de 15 ces passagers effectue au moins un cycle respiratoire comportant une inspiration et une expiration, - on alimente chaque dispositif d'inhalation en gaz respiratoire à travers un étranglement de limitation de débit et un sac économiseur lié au dispositif d'inhalation 20 de gaz respiratoire par un conduit d'alimentation, - on recueille pendant le début de l'expiration une fraction initiale seulement des gaz expirés, dans un sac de ré-inhalation en communication avec le dispositif d'inhalation de gaz respiratoire, le volume à l'état gonflé 25 du sac de ré-inhalation étant au moins égal au volume mort de l'ensemble dispositif d'inhalation-voies respiratoires d'un passager, - on évacue, hors de chaque sac économiseur et de ré-inhalation, le surplus des gaz expirés, correspondant 30 sensiblement au volume alvéolaire, caractérisé par le fait qu'on provoque la réinhalation, à travers le conduit d'alimentation, du contenu du sac de ré-inhalation seulement après inspiration de sensiblement tout le contenu du sac économiseur. Grâce à l'invention, il est possible de récupérer, dans le sac de réinhalation, une partie de l'oxygène rejeté 5 au cours de l'expiration en vue de le ré-inhaler à l'inspiration suivante, en évitant d'augmenter de façon excessive la teneur des gaz inhalés en dioxyde de carbone, c'est à dire en limitant l'hypercapnie à un taux ne provoquant pas de trouble physiologique même après une durée 10 importante. En effet, il a été constaté que, pour assurer la protection des passagers contre un dysfonctionnement majeur du système de conditionnement de l'atmosphère de la cabine, conduisant à une dépressurisation rapide, l'hypercapnie inspiratoire ne doit pas dépasser 2 kPa en moyenne sur 15 l'ensemble du volume de gaz qui participe aux échanges gazeux alvéolaires (volume alvéolaire). On désigne par "volume alvéolaire" la partie du volume de gaz inspiré qui arrive effectivement aux zones d'échanges gazeux alvéolaires, par opposition au volume mort qui reste dans 20 les voies aériennes supérieures et dans les conduits gazeux externes au sujet et qui par définition, ne participe pas aux échanges gazeux. L'invention permet ainsi de réduire le débit d'oxygène fourni par la source par rapport aux valeurs 25 habituelles, par exemple en agissant sur la pression d'alimentation fournie par la source et/ou sur la section droite de l'étranglement qui constitue un col sonique donnant au débit qui le traverse une valeur qui ne dépend que de la section de passage et/ou de la pression amont. En outre, on retarde la ré-inhalation à partir du sac de ré-inhalation jusqu'à absorption de la quasi-totalité du contenu du sac économiseur, en retardant l'ouverture d'une communication entre le sac de ré-inhalation et le conduit d'alimentation. Ce résultat peut être obtenu en plaçant, entre le sac de ré-inhalation et le conduit d'alimentation, un clapet taré pour ne s'ouvrir que lorsque 5 la dépression créée par l'inspiration dépasse un seuil qui n'est atteint qu'une fois le sac économiseur vidé, mais qui n'est pas encore suffisante pour qu'il y ait aspiration depuis l'atmosphère ambiante. Cette disposition qui permet de ne prélever le 10 contenu du sac de réinhalation que si le sac économiseur est vidé, est particulièrement adaptée pour les faibles ventilations, pour lesquelles un résidu dans le sac économiseur, après inspiration, neutralise automatiquement le fonctionnement du sac de ré-inhalation. Cette disposition 15 permet de tenir compte du comportement ventilatoire de chaque passager et des enfants en particulier, qui ont un faible volume respiratoire. Le procédé selon l'invention peut comporter l'une et/ou l'autre des dispositions suivantes: - on alimente les dispositifs d'inhalation en oxygène, avec un débit qui est une fonction croissante de l'altitude cabine; et - l'oxygène provient d'un générateur chimique prévu pour, à partir de l'instant o il est mis en service, 25 fournir un débit décroissant en fonction du temps suivant une loi déterminée en fonction du profil de descente nominal de l'aéronef à partir de son altitude de croisière nominale et qui est une fraction seulement du débit qui serait nécessaire en l'absence du sac de ré-inhalation. Lorsque l'invention est mise en oeuvre dans un système fournissant de l'air très enrichi en oxygène et non pas de l'oxygène pratiquement pur, la capacité du sac économiseur, et le volume optimal du sac de ré-inhalation sont à réduire et le débit qui alimente le dispositif d'inhalation doit être accru en conséquence. Par "oxygène pratiquement pur" il faut entendre du 5 gaz dont la teneur volumique en oxygène est celle fournie par la source. Pour respecter les règlements FAR, un débit d'oxygène non dilué (sauf par de la vapeur d'eau) correspondant à la totalité des besoins des passagers doit être fourni dès 40 000 pieds, c'est à dire 12 200 mètres. Selon un autre aspect, l'invention concerne une installation de protection des passagers d'un aéronef contre les effets d'une dépressurisation de la cabine à haute altitude, comprenant: - une centrale d'alimentation fournissant, en 15 fonctionnement, un débit continu réglable à une conduite générale, à partir d'une source d'oxygène pur ou d'air très enrichi sous pression, - des dispositifs d'inhalation, - des sacs économiseurs, chacun de ces sacs 20 économiseurs étant relié d'une part à la conduite générale et d'autre part à un dispositif d'inhalation via un conduit d'alimentation, - des sacs de ré-inhalation, chaque sac de réinhalation communiquant avec un dispositif d'inhalation et 25 ayant un volume tel qu'il ne stocke qu'une fraction initiale des gaz expirés à chaque exhalation dans le dispositif d'inhalation, et - des moyens de clapet permettant une entrée libre, dans les sacs de ré- inhalation, de la fraction initiale des 30 gaz expirés, caractérisé par le fait que chaque sac de ré-inhalation communique avec le conduit d'alimentation, et que des moyens de contrôle permettent au contenu de chaque sac de réinhalation d'être aspiré via le conduit d'alimentation et le dispositif d'inhalation, sans autoriser le passage du contenu du sac économiseur vers le sac de ré-inhalation. Dans cette installation, la centrale d'alimentation comporte éventuellement des moyens de régulation en fonction de la pression ambiante à laquelle sont soumis les porteurs d'un dispositif d'inhalation, pour limiter le débit d'oxygène additionnel amené aux dispositifs d'inhalation à 10 une fraction seulement du débit qui serait nécessaire en l'absence de ré-inhalation. Selon encore un autre aspect, l'invention concerne un dispositif de protection pour passagers d'un aéronef contre les effets d'une dépressurisation de la cabine à 15 haute altitude, comprenant: - un dispositif d'inhalation, - un sac économiseur relié au dispositif d'inhalation via un conduit d'alimentation, - et un sac de ré-inhalation communiquant avec le 20 dispositif d'inhalation et ayant un volume tel qu'il ne stocke qu'une fraction initiale des gaz expirés à chaque exhalation dans le dispositif d'inhalation, caractérisé par le fait que le sac de ré-inhalation communique avec le conduit d'alimentation, et que des moyens 25 de contrôle permettent au contenu de chaque sac de réinhalation d'être aspiré via le conduit d'alimentation et le dispositif d'inhalation, sans autoriser le passage du contenu du sac économiseur vers le sac de réinhalation. Ce dispositif peut comporter l'une et/ou l'autre des 30 dispositions suivantes: - le dispositif d'inhalation est un masque respiratoire oro-nasal ou un embout buccal; - le sac économiseur et le sac de ré-inhalation sont définis, dans une même enveloppe externe inextensible, par une membrane souple de séparation; - les moyens de contrôle sont constitués d'une 5 soupape adaptée pour permettre au contenu de chaque sac de ré-inhalation d'être aspiré via le conduit d'alimentation et le dispositif d'inhalation, sans autoriser le passage du contenu du sac économiseur vers le sac de ré-inhalation et dans lequel le sac de ré-inhalation communique avec le 10 dispositif d'inhalation via un clapet anti-retour distinct de ladite soupape et adapté pour permettre le passage sans résistance de la fraction initiale dans le sac de réinhalation; et le sac économiseur débouche dans le dispositif 15 d'inhalation par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour et en ce qu'il comporte une soupape d'expiration vers l'atmosphère munie de moyens de rappel élastiques adaptés pour retarder l'évacuation vers l'atmosphère. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres 20 apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit de modes particuliers d'exécution de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 représente schématiquement une 25 installation conforme à la présente invention; - la figure 2 représente schématiquement en coupe un premier exemple de mode de réalisation d'un dispositif de protection conforme à l'invention; et - la figure 3 montre un deuxième exemple de mode de 30 réalisation d'un dispositif de protection conforme à l'invention. Pour arriver au résultat recherché, l'invention utilise le résultat d'une analyse du cycle respiratoire qui montre que les gaz expirés ont une pression partielle variable en dioxyde de carbone. Pour mieux faire apparaître des éléments essentiels, on donnera maintenant un bref 5 rappel de physiologie respiratoire et une analyse de ses conséquences. Les voies respiratoires de l'être humain comportent des alvéoles pulmonaires, les conduits alvéolaires, les bronches, la trachée artère et les voies aériennes 10 supérieures. Seules les alvéoles et la partie terminale des conduits alvéolaires participent aux échanges gazeux. La partie du volume inspiré qui, en fin d'aspiration, reste dans les autres parties des voies respiratoires, est simplement rejetée à l'extérieur sans modification de sa 15 composition, au début de l'expiration suivante. Toute cette partie qui ne participe pas aux échanges gazeux est dénommée "volume mort" VD. On désigne par volume alvéolaire VA le volume de gaz qui participe à ces échanges. Le volume total inspiré VT = VD + VA. Avec une approximation qui est suffisante pour exposer les mécanismes mis en oeuvre par l'invention, on peut considérer que l'expiration comporte successivement l'expulsion du "volume mort" dépourvu de CO2, une phase transitoire, puis une phase d'expiration du volume 25 alvéolaire. L'invention utilise l'existence du volume VD pour permettre la réinhalation d'une fraction du volume expiré qui n'est pas enrichie ou n'est que faiblement enrichie en CO2. Lorsqu'on souhaite ne pas dépasser une pression 30 partielle de 2 kPa dans les gaz admis dans les alvéoles pulmonaires, l'hypercapnie reste légère et est acceptable. Il peut être montré que grâce à l'invention, l'apport d'oxygène nécessaire au porteur d'un dispositif d'inhalation conforme à l'invention peut être réduit sensiblement au 3/8e de la quantité nécessaire en l'absence de ré-inhalation. L'invention tient également compte du fait que le porteur du dispositif d'inhalation peut être un enfant ou un porteur anxieux. Aussi, d'autres travaux ont permis de déterminer les conditions à remplir dans le cas d'un sujet fortement anxieux ou d'un enfant; dans ce dernier cas, la 10 valeur VT du cycle respiratoire est nettement inférieure à celle du sujet adulte normal (400 cm3). Cette contrainte est cependant atténuée si des moyens sont prévus pour retarder la ré-inhalation jusqu'à épuisement du contenu du sac économiseur. A titre d'exemple non limitatif, un mode de réalisation d'une installation de protection conforme à l'invention est décrit ci-dessous. L'exemple de mode de réalisation d'une installation 1 conforme à l'invention est illustré sur la figure 1. Selon 20 ce mode de réalisation, l'installation 1 comporte une centrale d'alimentation 2 fournissant, en fonctionnement, un débit continu réglable à une conduite générale 3, à partir d'une source 4 d'oxygène pur ou d'air très enrichi sous pression. L'installation 1 comporte également des dispositifs d'inhalation, dans cet exemple des masques respiratoires 5. Ces masque respiratoires 5 sont connectés d'une part à la conduite générale 3 via des sacs économiseurs 6 et d'autre part à des sacs de réinhalation 7. Le schéma des échanges gazeux au niveau de chaque masque respiratoire 5 est illustré par la figure 2. Selon le mode de réalisation illustré par la figure 2, les deux sacs, économiseur 6 et de ré-inhalation 7 sont reliés l'un à l'autre, ce qui, entre autres avantages, a celui de faciliter le stockage. Par exemple, les deux sacs 6 et 7 sont définis dans 5 une même enveloppe 8 externe inextensible et par une membrane souple 9 de séparation. L'enveloppe 8 peut être rigide mais, pour des besoins de stockage, elle sera généralement souple. Ainsi, les deux sacs 6 et 7 sont fonctionnellement et structurellement liés. Le sac économiseur 6 débouche dans le masque respiratoire 5 par l'intermédiaire d'un conduit d'alimentation 10 muni d'un clapet antiretour 11 n'opposant pratiquement pas de résistance à l'inspiration. Le masque respiratoire 5 comporte une soupape 15 d'inspiration 12a qui est adaptée pour permettre, si le volume du sac économiseur 6 et du sac de ré-inhalation 7 est inférieur à la demande inspiratoire instantanée du sujet, d'inhaler une quantité additionnelle d'air extérieur et d'éviter ainsi une suffocation. Le masque respiratoire 5 comporte en outre une soupape 12 d'expiration vers l'atmosphère munie de moyens de rappel élastiques destinés à retarder l'évacuation vers l'atmosphère, afin de permettre le remplissage du sac de réinhalation 7, avant échappement sur surplus expiré, 25 correspondant essentiellement au volume alvéolaire VA, à l'atmosphère. Le sac de ré-inhalation 7 communique avec le masque respiratoire 5, d'une part au niveau clapet 13 permettant une entrée libre, dans le sac de réinhalation 7, de la 30 fraction initiale des gaz expirés, correspondant essentiellement au volume mort VD, et d'autre part, via le conduit d'alimentation 10. il Entre le sac de ré-inhalation 7 et le conduit d'alimentation 10, des moyens de contrôle 14 permettent au contenu du sac de ré-inhalation 7 d'être aspiré via le conduit d'alimentation 10, sans autoriser le passage du 5 contenu du sac économiseur 6 vers du sac de ré-inhalation 7. Ces dispositions permettent: - de stocker la fraction initiale du gaz expiré, ce qui implique de ne pas opposer de résistance au remplissage, de retarder le transfert au masque 5 du gaz stocké 10 dans le sac de réinhalation 7 jusqu'après inhalation de la totalité du sac économiseur 6. Ainsi, le sac de ré-inhalation 7 ne peut se remplir que si le sac économiseur 6 a été vidé au cours de la partie précédente de l'inhalation. Cette disposition, utilisée 15 permet d'adapter de façon inhérente le fonctionnement aux volumes ventilés faibles, et notamment au cas de la protection des enfants. En effet, du fait de leur faible volume total VT, ils inspireront essentiellement de l'oxygène arrivant par le sac économiseur 6. Des études complémentaires ont permis de déterminer des valeurs proches de l'optimum du point de vue de la consommation d'oxygène, mais tenant compte de la nécessité de ne pas dépasser une pression partielle de CO2 d'environ 2 kPa. Dans la pratique, on sera amené à utiliser un volume de sac de réinhalation 7, à l'état rempli, compris entre 400 et 600 cm3. Corrélativement, le volume du sac économiseur 6 sera réduit. En général, on adoptera un sac économiseur 6 et un sac de ré-inhalation 7 tels que la somme 30 de leurs volumes, à l'état gonflé, soit du même ordre de grandeur que le double du volume du sac économiseur actuel, c'est-à-dire de 1 000 à 1 600 cm3. Selon le mode de réalisation illustré par la figure 3, les dispositifs d'inhalation sont des embouts buccaux 15. Chaque embout buccal 15 remplace le masque 5 dans le mode de réalisation du dispositif de protection décrit en relation 5 avec la figure 2. Chaque embout buccal 15 est connecté au conduit d'alimentation 10. Des soupapes d'expiration 12a et d'inspiration 12b peuvent être montées au niveau du conduit d'alimentation 10 et/ou au niveau de l'embout buccal 15. Chaque embout buccal 15 est éventuellement muni d'un pince 10 nez 16 et/ou d'une cagoule 17 de protection en matière plastique transparente. REVENDICATIONS 1. Procédé de protection des passagers d'un aéronef contre les effets d'une dépressurisation de la cabine à haute altitude, suivant lequel, - on fournit à des passagers des dispositifs d'inhalation de gaz respiratoire (5,15), adaptés pour que chacun de ces passagers effectue au moins un cycle respiratoire comportant une inspiration et une expiration, - on alimente chaque dispositif d'inhalation en gaz respiratoire (5,15) à travers un étranglement de limitation de débit et un sac économiseur (6) lié au dispositif d'inhalation de gaz respiratoire (5,15), par un conduit d'alimentation (10), - on recueille pendant le début de l'expiration une fraction initiale seulement des gaz expirés, dans un sac de ré-inhalation (7) en communication avec le dispositif d'inhalation de gaz respiratoire (5,15), le volume à l'état gonflé du sac de ré-inhalation (7) étant au moins égal au 20 volume mort de l'ensemble dispositif d'inhalation (5,15)voies respiratoires d'un passager, - on évacue, hors de chaque sac économiseur (6) et de ré-inhalation (7), le surplus des gaz expirés, correspondant sensiblement au volume alvéolaire, caractérisé par le fait qu'on provoque la réinhalation, à travers le conduit d'alimentation (10), du contenu du sac de ré- inhalation (7) seulement après inspiration de sensiblement tout le contenu du sac économiseur. 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel on alimente les dispositifs d'inhalation (5,15) en oxygène, avec un débit qui est une fonction croissante de l'altitude cabine. 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le gaz respiratoire est de l'oxygène qui provient d'un générateur chimique prévu pour, à partir de l'instant o il 5 est mis en service, fournir un débit décroissant en fonction du temps suivant une loi déterminée en fonction du profil de descente nominal de l'aéronef à partir de son altitude de croisière nominale et qui est une fraction seulement du débit qui serait nécessaire en l'absence du sac de ré10 inhalation (7). 4.Installation de protection des passagers d'un aéronef contre les effets d'une dépressurisation de la cabine à haute altitude, comprenant: - une centrale d'alimentation (2) fournissant, en fonctionnement, un débit continu réglable à une conduite générale (3), à partir d'une source d'oxygène pur (4) ou d'air très enrichi sous pression, - des dispositifs d'inhalation (5,15), - des sacs économiseurs (6), chacun de ces sacs 20 économiseurs (6) étant relié d'une part à la conduite générale (3) et d'autre part à un dispositif d'inhalation (5,15) via un conduit d'alimentation (10), - des sacs de ré-inhalation (7), chaque sac de réinhalation (7) communiquant avec un dispositif d'inhalation 25 (5,15) et ayant un volume tel qu'il ne stocke qu'une fraction initiale des gaz expirés à chaque exhalation dans le dispositif d'inhalation (7), et - des moyens de clapet (13) permettant une entrée libre, dans les sacs de ré-inhalation (7), de la fraction 30 initiale des gaz expirés, caractérisé par le fait que chaque sac de ré-inhalation (7) communique avec le conduit d'alimentation (10), et que des moyens de contrôle (14) permettent au contenu de chaque sac de ré-inhalation (7) d'être aspiré via le conduit d'alimentation (10) et le dispositif d'inhalation (5,15), sans autoriser le passage du contenu du sac économiseur (6) vers le sac de ré-inhalation (7). 5. Installation selon la revendication 4, dans lequel la centrale d'alimentation (2) comporte des moyens de régulation en fonction de la pression ambiante à laquelle sont soumis les porteurs de dispositif d'inhalation (5,15), 10 pour limiter le débit d'oxygène additionnel amené aux dispositifs d'inhalation (5,15) à une fraction seulement du débit qui serait nécessaire en l'absence de ré-inhalation. 6. Dispositif de protection pour passagers d'un aéronef contre les effets d'une dépressurisation de la 15 cabine à haute altitude, comprenant: - un dispositif d'inhalation (5,15), - un sac économiseur (6) relié au dispositif d'inhalation (5,15) via un conduit d'alimentation (10), - et un sac de ré-inhalation (7) communiquant avec 20 le dispositif d'inhalation (5,15) et ayant un volume tel qu'il ne stocke qu'une fraction initiale des gaz expirés à chaque exhalation dans le dispositif d'inhalation (5,15), caractérisé par le fait que le sac de ré-inhalation (7) communique avec le conduit d'alimentation (10), et que 25 des moyens de contrôle (14) permettent au contenu de chaque sac de ré-inhalation (7) d'être aspiré via le conduit d'alimentation (10) et le dispositif d'inhalation (5,15), sans autoriser le passage du contenu du sac économiseur (6) vers le sac de ré-inhalation (7). 7. Dispositif suivant la revendication 6, dans lequel le dispositif d'inhalation est un masque respiratoire oronasal (5). 8.Dispositif suivant la revendication 6, dans lequel le dispositif d'inhalation est un embout buccal (15). 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel le sac économiseur (6) et le sac de ré5 inhalation (7) sont définis, dans une même enveloppe externe (8) inextensible, par une membrane (9) souple de séparation. 10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, dans lequel les moyens de contrôle (14) sont constitués d'une soupape adaptée pour permettre au contenu de chaque 10 sac de ré-inhalation (7) d'être aspiré via le conduit d'alimentation (10) et le dispositif d'inhalation (5,15), sans autoriser le passage du contenu du sac économiseur (6) vers le sac de ré-inhalation (7) et dans lequel le sac de ré-inhalation (7) communique avec le dispositif d'inhalation 15 (5,15) via un clapet anti- retour (13) distinct de ladite soupape et adapté pour permettre le passage sans résistance de la fraction initiale dans le sac de ré- inhalation (7). 11. Dispositif suivant l'une des revendications 6 à 10, dans lequel le sac économiseur (6) débouche dans le 20 dispositif d'inhalation (5,15) par l'intermédiaire d'un clapet anti-retour (11) et en ce qu'il comporte une soupape d'expiration (12b) vers l'atmosphère munie de moyens de rappel élastiques adaptés pour retarder l'évacuation vers l'atmosphère.