Brevet FR3002459A1 — publié le 20140829

La présente invention concerne un dispositif de respiration en altitude à recyclage d'air. La respiration en altitude, notamment les très hautes altitudes, par exemple supérieures à 6 000 mètres, posent certains problèmes. Ainsi, les gaz inertes dans le mélange d'air respiratoire, comme l'azote, sont absorbés par les tissus de l'organisme durant les phases d'inspiration au sol et en vol. Lorsque la pression ambiante diminue au cours de la montée en altitude, il y a dégagement des gaz en solution dans le sang et la formation de « microbulles » apparait dans celui-ci. Ces bulles peuvent quitter l'organisme sans danger par les poumons si le temps de montée est lent. Si le temps de montée est rapide et la dépressurisation brutale, ces microbulles vont s'agglomérer au risque de boucher les vaisseaux sanguins. Ce phénomène est sensible concernant l'azote qui a la particularité de quitter les tissus plus lentement que les autres gaz contenus dans l'air respiré. Afin de permettre l'élimination de l'azote, la phase de dénitrogénation consiste à faire au préalable respirer de l'oxygène pur à l'utilisateur durant 30 à 120 minutes en fonction de l'altitude à laquelle il sera amené à aller. Durant cette phase de dénitrogénation, l'oxygène se substitue peu à peu à l'azote dissous dans les tissus en évitant l'apparition des microbulles. Cette dénitrogénation est surtout utile si le corps humain est exposé à une altitude supérieure à 6 000 mètres. Dans le cadre de sauts en parachute, notamment en hautes altitudes, les besoins opérationnels, le perfectionnement des parachutes et l'utilisation de nouveaux avions capables d'effectuer des largages de plus en plus hauts permettent des sauts nécessitant jusqu'à 50 à 60 minutes d'autonomie en oxygène avant de toucher le sol. En tenant compte de la phase de montée en altitude, l'autonomie nécessaire en oxygène pour ce type de sauts en haute altitude est donc comprise entre 2 et 3 heures. L'emploi des équipements d'oxygénation actuels permettant la dénitrogénation nécessitent une mise en oeuvre longue pour permettre l'installation des sources d'oxygène à bord des avions: fixation des bouteilles, cheminement des tuyauteries, etc. La dépressurisation de la soute lors de l'ouverture de la soute de l'avion pour permettre le largage, impose aussi à l'équipage la respiration sous oxygène. A cet effet, la soute est équipée d'un ensemble de bouteilles d'oxygène dédiées à l'équipage et aux parachutistes intégrant divers dispositifs de fixation et de surveillance. L'ensemble de cette mise en oeuvre est très consommatrice de temps, de moyens de transport nécessaires à l'acheminement des différents équipements encombrants et à l'approvisionnement de sources d'oxygène haute pression de grandes capacités. De même, pour les alpinistes de très haute montagne, les systèmes d'assistance respiratoire sont encombrants, lourds, et avec une autonomie limitée. La présente invention a pour but de fournir un dispositif de respiration en altitude à recyclage d'air qui ne reproduit pas les inconvénients susmentionnés. La présente invention a aussi pour but de fournir un tel dispositif qui simplifie le processus de dénitrogénation en altitude. La présente invention a également pour but de fournir un dispositif de respiration en altitude à recyclage d'air qui soit simple et peu coûteux à fabriquer, à assembler et à utiliser, et fiable dans son utilisation. La présente invention a donc pour objet un dispositif de respiration en altitude à recyclage d'air, comportant un masque facial couvrant toutes les voies respiratoires de l'utilisateur, une cartouche contenant des moyens de captation du CO2 contenu dans l'air expiré, au moins un réservoir d'air contenant l'air expiré purgé du CO2, et une bouteille d'oxygène pour alimenter de l'oxygène, ledit dispositif fonctionnant en circuit fermé. Avantageusement, ledit masque facial comporte au moins une soupape d'inspiration et/ou d'expiration. Avantageusement, ledit masque facial comporte un tuyau d'arrivée d'air pour l'inhalation et un tuyau de sortie d'air pour l'expiration. Avantageusement, ledit tuyau de sortie d'air est relié à ladite cartouche et ledit tuyau d'arrivée d'air est relié audit réservoir d'air. Avantageusement, ladite bouteille d'oxygène est reliée audit réservoir d'air. Avantageusement, ledit masque facial comporte l'un ou plusieurs des accessoires suivants : dispositif de fixation sur la tête de l'utilisateur, dispositif de capture de la parole, dispositif de capture d'humidité, dispositif permettant la réalisation de la manoeuvre de Valsalva. Avantageusement, lesdits moyens de captation de CO2 comprennent de la chaux. Avantageusement, le dispositif comporte une vanne de purge pour éliminer l'azote contenu dans l'air expiré. Avantageusement, ladite vanne de purge est commandée automatiquement et/ou manuellement par l'utilisateur. Avantageusement, ladite bouteille d'oxygène est commandée automatiquement et/ou manuellement par l'utilisateur. Avantageusement, ladite cartouche est montée de manière amovible et jetable dans ledit réservoir d'air. Ces caractéristiques et avantages et d'autres de la présente invention apparaîtront plus clairement à partir de la description détaillée suivante, faite en référence aux dessins joints donnés à titre d'exemples non-limitatifs, sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique d'un dispositif de respiration en altitude à recyclage de gaz selon un mode de réalisation avantageux de la présente invention, et - la figure 2 est un schéma de principe du fonctionnement du dispositif de la figure 1. La présente invention va être décrite en référence à un mode de réalisation avantageux. Il est toutefois entendu que la présente invention n'est pas limitée par le mode de réalisation représenté sur les dessins. En référence aux figures 1 et 2, il est représenté un dispositif selon l'invention, comprenant un masque facial 10 couvrant toutes les voies respiratoires de l'utilisateur, une cartouche 20 contenant des moyens de captation du CO2 contenu dans l'air expiré, un réservoir d'air 30 contenant l'air expiré purgé du CO2, et une bouteille d'oxygène 40 pour alimenter de l'oxygène pur au dispositif, ledit dispositif fonctionnant en circuit fermé. Le masque facial 10 inclut dans un même volume étanche la bouche, le nez et éventuellement aussi les yeux. Il est fixé sur la tête à l'aide d'un harnais 15 qui peut être constitué de plusieurs branches ajustables afin de parfaire l'étanchéité. Des tuyaux d'arrivée d'air 12, pour l'inspiration, et de sortie d'air 13, pour l'expiration sont prévus connectés audit masque facial 10. Ces tuyaux peuvent avoir un diamètre d'environ 20 à 40 mm. Ces tuyaux sont de préférence souples afin d'éviter de trop entraver les mouvements de tête. Le masque facial 10 peut intégrer une ou plusieurs soupape(s) d'inspiration et/ou d'expiration 11. Le tuyau de sortie d'air 13 peut être relié à une première interface de connexion 60 reliée à ladite cartouche 20, cette première interface 60 étant de préférence à démontage rapide. De même, le tuyau d'arrivée d'air 12 peut être relié à une seconde interface de connexion 70 reliée audit réservoir d'air 30, cette seconde interface 70 étant aussi de préférence à démontage rapide. Le masque facial 10 intègre de préférence une ou plusieurs des fonctions suivantes : compatibilité avec l'environnement des parachutistes permettant un port confortable sur plus de 3 heures, conservation des angles de vue optimum, fixation sur un casque déjà utilisé par le parachutiste, les pilotes, les personnels de soute, accroissement du confort et de la sécurité de l'utilisateur en libérant sa bouche d'un embout buccal pénétrant dans la bouche, grâce à un design permettant de couvrir, dans un même volume, le nez et la bouche, possibilité d'être retiré en quelques secondes sans toucher au casque, intégration des soupapes 11 afin de minimiser le volume mort permission des mouvements de tête, notamment vers le bas, intégration d'un dispositif de capture de la parole 16 garantissant les communications, qui peut par exemple être associé à un cordon radio et son interface 19, intégration d'un dispositif de capture d'humidité 17, tel qu'un piège à eau, notamment pour empêcher le givrage des soupapes 11 situées dans le masque inhérents à la basse température ambiante ; le piège pourrait, pour des raisons d'efficacité, être constitué de deux sous-ensembles dissociés (dans le masque 10 et dans les réservoirs d'air 30), intégration d'un dispositif permettant la réalisation de la manoeuvre de Valsalva, par exemple un dispositif pince-nez. La cartouche 20 peut être de formes et de volumes différents. Elle peut être disposée de manière amovible dans un carter 21 pourvu d'un couvercle 22, avantageusement relié à ladite première interface de connexion 60. Ce carter est avantageusement solidaire du réservoir d'air 30. Un orifice d'extraction 23 de l'air expiré filtré est prévu dans le carter 21, se connectant audit réservoir d'air 30. Les systèmes d'ouvertures du couvercle 22 de la cartouche peuvent être à vis, colliers, etc. La cartouche 20 peut avoir un dispositif perméable de retenue de la chaux qui peut être constitué de grilles métalliques à mailles plus ou moins fines, de papier, etc. Le cheminement de l'air expiré à travers la cartouche 20 peut être optimisé par l'adjonction de chicanes permettant d'accroitre la surface de contact entre la chaux et les gaz circulant dans la cartouche. La cartouche 20 peut être jetable, et donc facilement remplaçable par démontage dudit couvercle 22. La chaux pourrait être remplacée par d'autres matériaux équivalents. La chaux, pour les équipements les plus performants en autonomie, peut être introduite dans sa cartouche 20 en vrac; elle peut être tassée sommairement par tapotage. La répartition des cristaux de dimensions variables est aléatoire et de la poussière de chaux peut aussi être présente dans la cartouche. La réaction chimique engendrée par la capture du CO2 par la chaux créer une augmentation de la température du mélange en sortie de la cartouche. Cette température peut atteindre 45°C à 50°C environ. La cartouche 20 peut être radiale ou axiale. Pour accroitre l'autonomie et minimiser l'impact de l'humidité sur la chaux, celle-ci pourrait intégrer un piège à eau. Un conditionnement jetable ou reconditionnable, permet un changement aisé et rapide de la chaux. Le réservoir d'air 30 comporte avantageusement un détendeur d'oxygène 31, une buse d'injection d'oxygène 32, un capteur de pression 33 et une soupape de surpression 35 limitant la pression interne au réservoir d'air 30. Le réservoir d'air 30 peut aussi comporter un capteur de mesures physiques 34, qui peut être relié via une liaison électrique 37 à un dispositif sonore et/ou visuel de recopie de mesures physiques 38. Typiquement, un ensemble d'équipements de mesures physiques peut être intégré dans le système pour mesurer par exemple la teneur en 02 et/ou la teneur en CO2. L'affichage de ces mesures peut être analogique, digital ou sensoriel. Le nombre de réservoir d'air 30 est généralement de un mais deux réservoirs peuvent être intégrés au système pour accroitre le confort respiratoire et le brassage du mélange d'air. La capacité de ces réservoirs d'air peut varier, typiquement entre 4 et 10 litres d'air respirable. Les réservoirs sont de préférence positionnés au niveau du torse et des poumons, soit devant, soit sur le dos. Le réservoir 30 peut intégrer un piège à eau ; cette eau peut provenir de légères rentrées d'eau par la bouche et/ou être issue du phénomène d'expiration. La bouteille d'oxygène 40 peut être réalisée en différents alliages compatibles avec l'oxygène. Son volume et sa position dans le système peuvent être adaptés en fonction des besoins. L'injection d'oxygène dans le réservoir d'air 30 peut être réalisée manuellement ou automatiquement. Avantageusement, la bouteille d'oxygène 40 est reliée au réservoir d'air 30 via un détendeur d'oxygène moyenne pression 41, lui-même relié au détendeur d'oxygène 31 via un tube moyenne pression 42. Le détendeur d'oxygène 31 peut comporter un dispositif manuel d'injection d'oxygène 39. Une vanne de purge 50 peut se situer sur la partie inférieure des tuyaux d'arrivée et/ou de sortie d'air de façon à purger ceux-ci partiellement ou en totalité. L'ensemble du dispositif peut être positionné dans : un sac souple et résistant fixé sur le torse de l'utilisateur et maintenu avec un harnais en sangle ; le réservoir d'air lui-même, en fonction du matériau utilisé pour sa fabrication, peut intégrer la cartouche et peut être utilisé comme un sac de conditionnement ; ou une coque rigide Avantageusement, le dispositif comporte en outre une interface pour dispositifs de navigation 80, et une ou plusieurs interfaces de fixation amovibles 90 adaptables à l'équipement de l'utilisateur. Le dispositif peut avoir les caractéristiques suivantes, qui ne sont toutefois pas limitatives : Masse totale 6 à 15 kg Dimension de la bouteille d'oxygène 40 : 1 à 3 litres Absorbeur de CO2 : chaux sodée Dimension de la cartouche 20 à chaux sodée : 1 à 3 kg Autonomie : dépendante des dimensions des différents composants et de l'altitude, mais typiquement au moins 3 heures. Pour des raisons pratiques (encombrement notamment), certains composants décrits ci-dessus peuvent être ne pas être intégrés dans dispositif mais proches de celui-ci. Le dispositif de l'invention peut être utilisé pour alimenter en air respirable notamment les parachutistes haute altitude, les personnels de soute d'aéronef lors de largage d'hommes ou de matériel, les membres d'équipage assurant la conduite de l'aéronef, les utilisateurs d'aviation légère du type planeur où le poids et l'encombrement sont primordiaux, les alpinistes de haute montagne, etc. Les recycleurs d'air fonctionnent en circuits fermé ; cela signifie que le mélange expiré par l'utilisateur qui utilise un recycleur n'est pas rejeté à l'extérieur du système (comme c'est le cas lorsque nous respirons sans masque) mais est réinjecté dans ce dernier afin d'être à nouveau utilisable. La réutilisation du mélange vicié est possible si celui-ci est dépourvu de CO2. La cartouche de chaux a pour rôle de capturer le CO2. Le mélange d'air expiré dépourvu de CO2 après avoir traversé la cartouche 20 est stocké dans le réservoir d'air 30 qui constitue une réserve de gaz respirable disponible sans effort lors de l'inspiration La bouteille d'oxygène 40 fournit le complément d'oxygène, notamment pour compenser l'oxygène consommé par l'utilisateur. Avec l'invention, l'équipement étant portatif et individuel, les opérations d'installation à bord sont extrêmement réduites. Les départs en opération peuvent donc être quasi immédiats et la logistique devient elle aussi très réduite. Le poids total du dispositif de l'invention peut être estimé entre 6 et kg. Le reconditionnement des équipements peut être réalisé par l'utilisateur lui-même et est très réduit. Le dispositif de l'invention peut être modulable, et peut être décliné 15 sous divers spécifications permettant de customiser son utilisation en fonction des besoins : volume et position de la bouteille d'oxygène, dispositifs de fixation, volume et position de la cartouche de chaux, adjonction de dispositif de contrôle, etc. Le fonctionnement du dispositif de l'invention est le suivant. Pour rappel, l'air contient globalement 79% d'azote et 21% d'oxygène; ces quantités varient légèrement lors de l'expiration. Le CO2 expiré représente de l'ordre de 4% du mélange d'air expiré. La pression partielle d'oxygène est le critère permettant de définir la quantité minimal d'oxygène dans le sang pour conserver toutes ses facultés mentales et physiques. Lors de l'expiration, l'air expiré traverse le tuyau de sortie 13 d'expiration et arrive dans la cartouche de chaux 20 positionnée à l'intérieur du réservoir d'air 30 étanche. Le gaz expiré, contenant principalement de l'oxygène, du CO2 et de l'azote, traverse la chaux suivant un parcours plus ou moins défini ; en fonction de la géométrie de la cartouche, de l'humidité, de la densité de la chaux, de la forme et des dimensions des parois retenant la chaux dans la cartouche. La gaz sortant de la cartouche 20 est quasiment dépourvu de CO2 et est stocké dans le réservoir d'air 30. Grace au dispositif d'injection d'oxygène 31, de préférence directement dans le réservoir d'air 30, le volume de celui-ci peut être complété par de l'oxygène pur. L'utilisateur inspire avec un effort limité le mélange contenu dans le réservoir d'air ; cet effort limité est un avantage important car une résistance à l'inspiration se traduit par un effort thoracique qui augmente la fatigue de l'utilisateur. Au début de l'utilisation d'un tel dispositif, le mélange d'air expiré contenu dans les poumons contient de l'azote précédemment dissous dans les tissus. Cet azote ne peut être capturé par la chaux et va donc rester en permanence dans le circuit ; à chaque expiration, la quantité d'azote va donc augmenter et se substituer progressivement à l'oxygène. La teneur en oxygène dans le mélange diminuant, la pression partielle d'oxygène va diminuer et risque de tomber en dessous du seuil physiologiquement acceptable. Des troubles peuvent alors apparaitre très rapidement et le sujet risque de perdre ses facultés en quelques minutes Pour éviter l'accumulation d'azote dans le système, l'utilisateur, lors des premiers cycles inspiration/expiration, va expirer en positionnant la vanne de purge 50 de manière à ce que l'air expiré ne parvienne plus dans la cartouche 20 mais soit expulsé à l'extérieur du système. A la fin de l'expiration, l'utilisateur repositionne la vanne de purge 50 dans son état initial fermé. En variante, la vanne de purge 50 pourrait fonctionner automatiquement, par exemple au moyens de capteurs d'azote appropriés. Durant l'inspiration suivante, la quantité globale de gaz répartie dans le système étant moindre (du fait de l'expulsion du mélange à l'extérieur lors de l'inspiration précédente), le dispositif d'injection d'oxygène 31 va alors introduire dans le système une quantité d'oxygène pur se substituant au volume précédemment expiré ; le volume d'oxygène injecté est défini automatiquement ou manuellement, par exemple en fonction de l'habitude de l'utilisateur. Au fur et à mesure des premiers cycles inspiration, le mélange va donc s'appauvrir en azote ce qui va permettre de ne conserver dans le système que de l'oxygène et du CO2 (qui sera piégé dans la cartouche 20). Une fois passés les premiers cycles inspiration/expiration très chargés en azote, le mélange devenu respirable en circuit fermé va progressivement se recharger en azote principalement durant la phase de dénitrogénation ; l'utilisateur devra donc veiller à purger régulièrement, avec la vanne de purge 50, par exemple toutes les 5 à 10 expirations environ, en fonction de l'expérience, des conditions ambiantes et physiques de l'utilisateur, etc. Il faut noter que l'injection d'oxygène est souhaitable après chaque utilisation de la vanne de purge 50 mais aussi pour compenser les fuites éventuelles du système et bien entendu pour aussi compenser la consommation naturelle d'oxygène par le corps de l'utilisateur. Le dispositif de l'invention satisfait et/ou résiste avantageusement à au moins certaines des conditions suivantes : Basse pression de fonctionnement Outre la conformité aux normes applicables aux équipements de protection physiologique en altitude, le dispositif devra garantir une tenue du masque lors du phénomène dit de « windblast » inhérent à la sortie de l'aéronef. Une possibilité de retrait du masque 10 (et de remise en place) en quelques secondes est souhaitable pour permettre l'emploi d'un masque de secours en cas de nécessité. Divers accessoires sont envisageables : intégration d'un ensemble de navigation optionnel constitué de compas, GPS, altimètres, etc. un ensemble de dispositifs de fixation spécifiques en fonction des équipements embarqués par l'utilisateur Bien entendu, l'invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation représenté sur les dessins, et la portée de l'invention est au contraire définie par les revendications annexées. REVENDICATIONS1.- Dispositif de respiration en altitude à recyclage d'air, caractérisé en ce qu'il comporte un masque facial (10) couvrant toutes les voies respiratoires de l'utilisateur, une cartouche (20) contenant des moyens de captation du CO2 contenu dans l'air expiré, au moins un réservoir d'air (30) contenant l'air expiré purgé du CO2, et une bouteille d'oxygène (40) pour alimenter de l'oxygène, ledit dispositif fonctionnant en circuit fermé. 2.- Dispositif selon la revendication 1, dans lequel ledit masque facial (10) comporte au moins une soupape d'inspiration et/ou d'expiration (11). 3.- Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel ledit masque facial (10) comporte un tuyau d'arrivée d'air (12) pour l'inhalation et un tuyau de sortie d'air (13) pour l'expiration. 4.- Dispositif selon la revendication 3, dans lequel ledit tuyau de sortie d'air (13) est relié à ladite cartouche (20) et ledit tuyau d'arrivée d'air (12) est relié audit réservoir d'air (30). 5.- Dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans lequel ladite bouteille d'oxygène (40) est reliée audit réservoir d'air (30). 6.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit masque facial (10) comporte l'un ou plusieurs des accessoires suivants : dispositif de fixation (15) sur la tête de l'utilisateur, dispositif de capture de la parole (16), dispositif de capture d'humidité (17), dispositif permettant la réalisation de la manoeuvre de Valsalva.30 7.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits moyens de captation de CO2 comprennent de la chaux. 8.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une vanne de purge (50) pour éliminer l'azote contenu dans l'air expiré. 9.- Dispositif selon la revendication 8, dans lequel ladite vanne de purge (50) est commandée automatiquement et/ou manuellement par l'utilisateur. 10.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite bouteille d'oxygène (40) est commandée automatiquement et/ou manuellement par l'utilisateur. 11.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite cartouche (20) est montée de manière amovible et jetable dans ledit réservoir d'air (30).20