EP0528733B1 - Pollutants breathing protection equipment - Google Patents

Description

Translated fromFrench

La présente invention a pour objet un équipement de protection respiratoire contre les polluants destiné à être utilisé à basse altitude, c'est-à-dire dans une ambiance où la pression est suffisamment élevée pour qu'il suffise de fournir de l'air non enrichi en oxygène aux poumons. Elle trouve une application particulièrement importante dans les équipements de protection dits NBC, destinés à protéger au moins les voies respiratoires (et souvent l'ensemble de la surface cutanée) du porteur contre des polluants dispersés dans l'atmosphère.The subject of the present invention is respiratory protective equipment against pollutants intended to be used at low altitude, that is to say in an environment where the pressure is high enough for it to suffice to supply air not enriched with oxygen to the lungs. It finds a particularly important application in so-called NBC protective equipment, intended to protect at least the respiratory tract (and often the entire skin surface) of the wearer against pollutants dispersed in the atmosphere.

On connaît déjà des équipements de ce genre comprenant un couvre-face (cagoule lorsque l'ensemble de la tête est à protéger, masque couvrant les orifices respiratoires lorsque la protection cutanée n'est pas nécessaire ou est réalisée par d'autres moyens) muni d'une alimentation en air atmosphérique comprenant un filtre, un ventilateur de compensation de la perte de charge due au filtre et un conduit souple, ainsi qu'une source électrique autonome d'alimentation du ventilateur, fournissant une tension nominale V₀.Equipment of this type is already known comprising a face cover (hood when the entire head is to be protected, mask covering the respiratory openings when skin protection is not necessary or is carried out by other means) provided an atmospheric air supply comprising a filter, a fan for compensating the pressure drop due to the filter and a flexible duct, as well as an autonomous electrical source for supplying the fan, supplying a nominal voltage V₀ .

Le débit d'air à fournir au porteur de l'équipement change énormément suivant le degré d'activité. Or c'est en général dans les conditions où la protection est indispensable que le porteur requiert un débit maximum, soit pendant la durée d'une inspiration, soit pendant un laps de temps appréciable. Or un appel d'air par aspiration qui n'est pas immédiatement compensé par un débit d'apport disponible provoque une mise en dépression du couvre-face et un risque d'entrée d'air pollué.The air flow rate to be supplied to the wearer of the equipment changes enormously depending on the level of activity. However, it is generally under the conditions where protection is essential that the wearer requires a maximum flow rate, either during the duration of an inspiration, or for an appreciable period of time. However, a call for air by suction which is not immediately compensated for by an available supply flow rate causes the face cover to become depressed and a risk of polluted air entering.

On peut atténuer le problème en reliant un sac souple économiseur au couvre-face. Mais cette solution, si elle permet d'absorber des pics inspiratoires brefs, ne permet pas de compenser des augmentations de débit moyen. Au surplus, les sacs économiseurs sont encombrants et fragiles.The problem can be mitigated by connecting a flexible economizer bag to the face cover. But this solution, if it can absorb brief inspiratory peaks, does not compensate for increases in average flow. In addition, the saving bags are bulky and fragile.

En conséquence, la solution généralement retenue jusqu'ici a consisté à dimensionner le ventilateur de façon qu'il fournisse en permanence un débit au moins égal aux besoins dans les conditions les plus critiques. Mais cela augmente la consommation électrique, donc oblige à augmenter le poids des batteries pour une autonomie donnée. Le débit important d'air qui traverse en permanence le filtre réduit sans nécessité réelle sa durée de vie, par colmatation.Consequently, the solution generally adopted up to now has consisted in dimensioning the fan so that it continuously provides a flow rate at least equal to the needs under the most critical conditions. But this increases the power consumption, therefore requires increasing the weight of the batteries for a given autonomy. The large flow of air which constantly crosses the filter reduces its lifespan without any real need, by clogging.

On connaît également (EP-A-0334 555) un équipement respiratoire ayant un couvre-face complet et un masque intérieur oro-nasal. Des moyens sensibles à la différence de pression à travers le masque oro-nasal coupe l'alimentation d'un ventilateur au début de chaque période d'expiration et alimente le ventilateur dès le début de chaque période d'inhalation. Un tel appareil est complexe. Le ventilateur fonctionne dans des conditions qui peuvent affecter sa durée de vie. L'espace-tampon entre les masques augmente la perte de charge.Also known (EP-A-0334 555) is respiratory equipment having a complete face cover and an internal oro-nasal mask. Means sensitive to the difference in pressure through the oro-nasal mask cut off the supply of a ventilator at the start of each expiration period and supply the ventilator from the start of each inhalation period. Such a device is complex. The fan operates in conditions that can affect its service life. The buffer space between the masks increases the pressure drop.

Un équipement respiratoire décrit dans le document EP-A-0413 555 comporte un masque, un ventilateur alimentant le masque et un bloc sensible à la pression qui règne dans le masque. Ce bloc alimente le moteur du ventilateur en impulsions de courant continu. Ce bloc est prévu pour réguler la pression qui règne dans le masque à une valeur constante, en effectuant une modulation en largeur d'impulsions. Une telle régulation complète est complexe et elle exige un moteur tolérant une alimentation en impulsions.Respiratory equipment described in document EP-A-0413 555 comprises a mask, a ventilator supplying the mask and a block sensitive to the pressure which prevails in the mask. This block supplies the fan motor with direct current pulses. This block is intended to regulate the pressure prevailing in the mask to a constant value, by performing a pulse width modulation. Such complete regulation is complex and requires a motor which tolerates a supply of pulses.

La présente invention vise à fournir un équipement de protection permettant de réduire sensiblement l'encombrement et le poids de l'ensemble constitué par le ventilateur et la source et d'allonger la durée de vie du filtre sans pour autant sacrifier la protection.The present invention aims to provide protective equipment making it possible to substantially reduce the size and weight of the assembly constituted by the fan and the source and to extend the life of the filter without sacrificing protection.

Dans la pratique, on peut ainsi prévoir le ventilateur pour qu'il fournisse un débit, sous sa tension nominale de fonctionnement, de l'ordre de 70 litres par minute en maintenant une surpression de quelques millibars dans le couvre-face et qu'il puisse fournir un débit au moins double par mise en surtension.In practice, it is thus possible to provide the fan so that it provides a flow rate, at its nominal operating voltage, of the order of 70 liters per minute while maintaining an overpressure of a few millibars in the face cover and that it can provide a flow rate at least double by setting overvoltage.

L'invention n'a pu être réalisée que grâce à la constatation de deux faits. Le premier est que les ventilateurs de petite taille qui suffisent à fournir le débit de pointe requis ont une inertie suffisamment faible pour que le passage du débit de repos au débit nécessaire pour satisfaire le métabolisme en cas d'urgence sont largement inférieur à la demi-seconde. Le second fait est qu'un ventilateur classique est capable de fonctionner, au prix d'un simple échauffement progressif, pendant une durée qui peut largement dépasser la minute. Ce délai est suffisant dans de nombreux cas, par exemple dans le cas d'un pilote d'hélicoptère confronté brutalement, mais pendant un bref laps de temps, à une situation critique ou d'un pompier qui doit fournir temporairement un effort musculaire intense.The invention could only be achieved thanks to the observation of two facts. The first is that the small fans which are sufficient to provide the required peak flow have a sufficiently low inertia that the transition from the quiescent flow to the flow required to satisfy the metabolism in an emergency is much less than half a second. The second fact is that a conventional fan is capable of operating, at the cost of a simple progressive heating, for a duration which can greatly exceed one minute. This delay is sufficient in many cases, for example in the case of a helicopter pilot confronted suddenly, but for a short period of time, with a critical situation or a firefighter who must temporarily provide intense muscular effort.

L'augmentation temporaire de tension en réponse à un signal fourni par le capteur sera généralement commandée par un circuit électronique. Ce circuit peut par exemple être prévu pour, en cas de diminution de la surpression au-dessous du seuil, provoquer une augmentation de la tension appliquée jusqu'à une valeur élevée V₁ (de façon à provoquer une accélération rapide du ventilateur) puis maintenir une tension intermédiaire pendant une durée déterminée, par exemple de 2 secondes, ce délai étant reconductible ou prolongé aussi longtemps que la surpression ne reste pas supérieure à une autre valeur de seuil pendant un délai déterminé.The temporary increase in voltage in response to a signal from the sensor will generally be controlled by an electronic circuit. This circuit can, for example, be provided to, in the event of a reduction in the overpressure below the threshold, cause an increase in the applied voltage up to a high value V₁ (so as to cause rapid acceleration of the fan) and then maintain an intermediate voltage for a determined duration, for example of 2 seconds, this delay being renewable or prolonged as long as the overpressure does not remain greater than another threshold value during a determined delay.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels :

• les figures 1 et 2 sont des schémas de principe montrant deux équipements suivant l'invention comportant l'un une cagoule, l'autre un masque respiratoire ;
• la figure 3, donne à titre d'exemple, une courbe représentive de la variation du débit en fonction de la tension appliquée, à différence de pression constante ;
• la figure 4 est un diagramme montrant une loi possible de commande du ventilateur.

The invention will be better understood on reading the following description of particular embodiments of the invention, given by way of non-limiting examples. The description refers to the accompanying drawings, in which:

• Figures 1 and 2 are block diagrams showing two pieces of equipment according to the invention, one including a hood, the other a breathing mask;
• FIG. 3, gives by way of example, a curve representative of the variation of the flow rate as a function of the applied voltage, at constant pressure difference;
• FIG. 4 is a diagram showing a possible law for controlling the fan.

L'équipement montré schématiquement en figure 1 comporte un couvre-face constitué par une cagoule 10 reliée par un conduit souple 12 à un bloc 14 d'alimentation de la cagoule en air atmosphèrique. La cagoule représentée comporte une visière transparente 16 et une soupape d'expiration 18. Elle peut comporter de plus un clapet 20 anti-suffocation qui s'ouvre en cas de panne du bloc d'alimentation 14. L'air est généralement admis dans la cagoule, au moins partiellement, par un diffuseur de désembuage de la visière.The equipment shown schematically in Figure 1 comprises a face cover constituted by ahood 10 connected by aflexible conduit 12 to ablock 14 for supplying the hood with atmospheric air. The hood shown has atransparent visor 16 and anexhalation valve 18. It may further include anon-suffocation valve 20 which opens in the event of failure of thepower supply unit 14. Air is generally admitted into the hood, at least partially, by a diffuser for defogging the visor.

Le bloc d'alimentation peut être regardé comme comprenant un filtre 22 de nature appropriée à la protection recherchée, pouvant contenir plusieurs éléments filtrants disposés en cascade, et un ventilateur 24. Dans le mode de réalisation illustré, le ventilateur est porté directement par un boîtier 26 qui contient une batterie d'accumulateur rendant l'équipement autonome. Dans le cas d'un équipement destiné à être utilisé sur un aéronef, le boîtier 26 est également muni d'un cordon 28 d'alimentation électrique à partir du réseau de bord, généralement sous une tension de 28 Volts, dans ce cas, comme on le verra plus loin, un circuit réducteur de tension (non représenté) est prévu dans le boîtier 26.The power supply unit can be viewed as comprising afilter 22 of a type suitable for the protection sought, which may contain several filter elements arranged in cascade, and afan 24. In the illustrated embodiment, the fan is carried directly by a housing. 26 which contains a storage battery making the equipment autonomous. In the case of equipment intended to be used on an aircraft, thebox 26 is also provided with acord 28 of electrical supply from the on-board network, generally under a voltage of 28 Volts, in this case, as as will be seen later, a voltage reducing circuit (not shown) is provided in thehousing 26.

Ce dernier comporte encore les élements de commande et/ou de contrôle habituels, tels qu'un interrupteur de mise en marche et d'arrêt 30.The latter also includes the usual command and / or control elements, such as an on and offswitch 30.

L'équipement suivant l'invention contient, généralement dans le boîtier 26, un circuit 32 dont le rôle est d'appliquer au moteur 34 du ventilateur 24 une tension qui dépend des besoins respiratoires du porteur de la cagoule 10. Etant donné qu'il est toujours plus facile de réduire la tension fournie par une source que de l'augmenter, on utilisera généralement un moteur 34 destiné à fonctionner en régime permanent sous une tension V₀ nettement inférieure à la tension maximale que peut fournir la batterie contenue dans le boîtier 26 et à la tension du réseau de bord. A titre d'exemple, on peut utiliser un micro-ventilateur capable de fournir un débit d'environ 50 litres par minute pour une tension d'alimentation V₀ = 8 Volts. Cette tension V₀ est créée, à partir de la tension du réseau d'alimentation (lorsque le cordon 28 est raccordé) ou à partir de la tension de la batterie d'accumulateur, par le circuit 32.The equipment according to the invention contains, generally in thehousing 26, acircuit 32 whose role is to apply to themotor 34 of the fan 24 a voltage which depends on the respiratory needs of the wearer of thehood 10. Since it It is always easier to reduce the voltage supplied by a source than to increase it, we will generally use amotor 34 intended to operate in steady state at a voltage V₀ much lower than the maximum voltage that can be supplied by the battery contained in the housing. 26 and the on-board network voltage. For example, one can use a micro-fan capable of providing a flow rate of about 50 liters per minute for a supply voltage V₀ = 8 Volts. This voltage V₀ is created, from the voltage of the supply network (when thecord 28 is connected) or from the voltage of the storage battery, by thecircuit 32.

L'équipement suivant l'invention comporte également un capteur de la différence de pression entre le circuit respiratoire et l'atmosphère ambiante. Dans le cas illustré sur la figure 1, ce capteur est placé sur le conduit 12, immédiatement en amont de l'entrée dans la cagoule 10. Le capteur, ou le circuit 32 auquel il est raccordé, est prévu de façon à fournir un signal de commande lorsque la surpression Δp devient inférieure à une valeur prédéterminée, qui sera généralement comprise entre - 1 et + 2 millibars.The equipment according to the invention also includes a sensor of the pressure difference between the respiratory circuit and the ambient atmosphere. In the case illustrated in FIG. 1, this sensor is placed on theduct 12, immediately upstream of the entry into thehood 10. The sensor, or thecircuit 32 to which it is connected, is provided so as to provide a signal when the overpressure Δp becomes less than a predetermined value, which will generally be between - 1 and + 2 millibars.

Le circuit électronique 32 est prévu pour appliquer temporairement, au moteur 34, une tension plus élevée lorsque la surpression Δp devient inférieure au seuil.Theelectronic circuit 32 is provided for temporarily applying, to themotor 34, a higher voltage when the overpressure Δp becomes less than the threshold.

Comme le montre la figure 3, une augmentation de la tension appliquée à un ventilateur, à perte de charge donnée, se traduit par une augmentation de débit. Du fait que la perte de charge augmente, notamment à la traversée du filtre, en cas d'augmentation de débit, l'accroissement de ce dernier en fonction de la tension est un peu plus lent que ne le montre la figure 3. Mais il apparaît qu'un simple doublement de la tension appliquée, que la plupart des ventilateurs existants peuvent tolérer pendant une durée dépassant très largement la minute, sans autre inconvénient qu'un échauffement progressif, permet d'augmenter considérablement le débit. Dans la pratique, on peut sans difficulté, pendant un intervalle de temps relativement court, multiplier par trois la tension appliquée.As shown in Figure 3, an increase in the voltage applied to a fan, at a given pressure drop, results in an increase in flow rate. Because the pressure drop increases, in particular on passing through the filter, in the event of an increase in flow rate, the increase in the latter as a function of the voltage is a little slower than that shown in FIG. 3. It appears that a simple doubling of the applied voltage, which most of the existing ventilators can tolerate for a time exceeding very much the minute, without any other disadvantage than a progressive heating, makes it possible to considerably increase the flow rate. In practice, it is possible without difficulty, for a relatively short time interval, to multiply by three the applied voltage.

Suivant l'application envisagée, diverses séquences de fonctionnement en réponse à une diminution de la surpression au-dessous du seuil peuvent être prévues. La séquence ou les séquences peuvent être programmées dans le circuit 32. On peut par exemple adopter une loi de variation du genre montré en figure 4 : à l'instant T₀ où la surpression Δp devient inférieure au seuil, la tension d'alimentation est portée de V₀ à V₁, valeur maximale que peuvent fournir l'alimentation électrique et/ou la batterie d'accumulateur (par exemple 28 Volts au lieu de 8 Volts). Sous cette tension accrue, un micro-ventilateur peut atteindre un nouveau débit permanent, double ou triple du débit d'origine, en un intervalle de temps δt de l'ordre de 0,2 seconde. La tension V₁ peut être maintenue pendant un intervalle de temps déterminé, par exemple une seconde, puis ramenée à une valeur intermédiaire V₂, fournissant un débit environ double du débit sous la tension V₀. Enfin la tension est ramenée à la valeur V₀ au bout d'un temps déterminé (par exemple 2 secondes) et/ou si la surpression Δp est restée supérieure à un autre seuil, plus élevé que le seuil d'origine, pendant plus d'un délai déterminé, 1 seconde par exemple.Depending on the application envisaged, various operating sequences in response to a reduction in the overpressure below the threshold can be provided. The sequence or sequences can be programmed in thecircuit 32. We can for example adopt a law of variation of the kind shown in FIG. 4: at time T₀ where the overpressure Δp becomes less than the threshold, the supply voltage is increased from V₀ to V₁ , maximum value that can be supplied by the power supply and / or the storage battery (for example 28 Volts instead of 8 Volts). Under this increased voltage, a micro-fan can reach a new permanent flow, double or triple the original flow, in a time interval δt of the order of 0.2 seconds. The voltage V₁ can be maintained for a determined time interval, for example one second, then reduced to an intermediate value V₂ , providing a flow rate approximately twice the flow rate under the voltage V₀ . Finally, the voltage is brought back to the value V₀ after a determined time (for example 2 seconds) and / or if the overpressure Δp has remained greater than another threshold, higher than the original threshold, for more d '' a specific delay, 1 second for example.

Le cycle montré en figure 4 peut être répété à chaque inspiration qui se traduit par un appel d'air. Le circuit 32 peut même être programmé de façon à répéter plusieurs fois le cycle de la figure 4 après le dernier cas où ce cycle a été commandé par une diminution de la pression Δp.The cycle shown in Figure 4 can be repeated with each inspiration which results in a call for air. Thecircuit 32 can even be programmed so as to repeat the cycle of FIG. 4 several times after the last case where this cycle has been controlled by a reduction in the pressure Δp.

Le cycle montré en figure 4 n'est pas le seul possible. Une solution plus simple consiste à augmenter la tension appliquée d'une valeur V₀ à une valeur V₂ et de la maintenir appliquée aussi longtemps que la surpression n'est pas restée en permanence supérieure à un seuil déterminé pendant un laps de temps mémorisé, généralement de quelques secondes.The cycle shown in Figure 4 is not the only possible one. A simpler solution consists in increasing the applied voltage from a value V₀ to a value V₂ and keeping it applied as long as the overpressure has not remained permanently above a determined threshold for a memorized period of time, usually a few seconds.

Enfin le boîtier 26 porte avantageusement un commutateur supplémentaire (non représenté) permettant au porteur de mettre temporairement le moteur du ventilateur en surtension lorsqu'il l'estime nécessaire.Finally, thehousing 26 advantageously carries an additional switch (not shown) allowing the wearer to temporarily put the fan motor on overvoltage when he deems it necessary.

La variante de réalisation montrée en figure 2 (où les éléments correspondant à ceux de la figure 1 sont désignés par le même numéro de référence) comporte un couvre-face constitué par un masque 10a fixé à un casque 38. La protection peut être complétée par des lunettes ou le masque peut couvrir l'ensemble de la face.The variant embodiment shown in FIG. 2 (where the elements corresponding to those of FIG. 1 are designated by the same reference number) comprises a face cover constituted by amask 10a fixed to ahelmet 38. The protection can be supplemented by glasses or the mask can cover the entire face.

L'invention est susceptible de nombreuses autres variantes de réalisation encore. La pression peut être mesurée par exemple directement à la sortie du ventilateur. Certains composants peuvent être dupliqués de façon à obtenir un fonctionnement sûr. Le ventilateur peut également alimenter une rampe de désembuage dans le cas d'une cagoule.The invention is susceptible of numerous other alternative embodiments. The pressure can be measured, for example directly at the fan outlet. Some components can be duplicated to achieve safe operation. The fan can also supply a demister ramp in the case of a hood.

Il est inutile de décrire ici le circuit de commande 32 : il existe en effet dans le commerce de nombreux circuits de ce type permettant de fournir, à partir d'une tension V₂, une ou plusieurs tensions inférieures. Dans le cas d'une alimentation par une batterie d'accumulateur un tel circuit peut opérer simplement par commutation donnant plusieurs groupements différents aux éléments de la batterie. Dans le cas d'une alimentation électrique sous tension fixe, par exemple à V₂ = 28 Volts, il peut s'agir d'un circuit utilisant des transistors de coupure et un circuit de filtrage. L'unité 14 peut comporter de plus des éléments de charge permettant de maintenir la batterie à sa tension maximale aussi longtemps que le ventilateur est alimenté depuis un réseau de bord.There is no need to describe thecontrol circuit 32 here: there are indeed many circuits of this type on the market, making it possible to supply, from a voltage V₂ , one or more lower voltages. In the case of a supply by an accumulator battery, such a circuit can operate simply by switching giving several different groupings to the elements of the battery. In the case of a power supply under fixed voltage, for example at V₂ = 28 Volts, it may be a circuit using cut-off transistors and a filtering circuit. Theunit 14 may further comprise charging elements making it possible to maintain the battery at its maximum voltage as long as the ventilator is supplied from an on-board network.

Claims (9)

1. Equipment for respiratory protection against pollutants, for use at low attitude, comprising a face cover (10, 10a) provided with an atmospheric air supply comprising:

   - a filter (22),

   - a blower (24) for compensating the head loss due to the filter, drawn by a motor (36) operating under a set value V₀ and arranged to deliver, when receiving the set voltage V₀, an airflow which is higher than the average flow necessary for the wearer when at rest and much lower than the flow rate which is required under conditions of abnormal activity,

   - an autonomous electric power source for energizing the motor of the power, capable to deliver the set value V₀ and an increased value, and

   - a pressure sensor (36) which, each time the overpressure with respect to the ambient atmosphere which prevails downstream of a blower becomes lower than a determined threshold, causes the energizing voltage applied to the motor (34) of the blower to increase from the constant set value V₀ to the increased voltage.
2. Equipment according to claim 1, characterized in that the increased voltage is such that it doubles the blower air flow at least.
3. Equipment according to claim 1 or 2, wherein said determined threshold is comprised between -1 and +2 millibars.
4. Equipment according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the increased voltage is maintained during a determined value, of some sequence.
5. Equipment according to claim 1, 2 or 3, characterized by an electronic circuit arranged for, of increase of the overpressure under the threshold, cause an increase of the applied voltage up to a predetermined increased value V₁ higher than the said value V₀, then maintained the increased value during a first duration, then to maintain an intermediate voltage during another determined duration.
6. Equipment according to claim 5, characterized in that said other duration is renewed or extended as long as the overpressure does not remain higher than another threshold, higher than the first threshold, for a predetermined period.
7. Equipment according to any one of the preceding claims, characterized in that the motor is energized by an energizing unit comprising the filter (22), which may have a plurality of filtering elements, the blower (24) and an electrical accumulator battery capable to deliver the increased voltage V_1.
8. Equipment according to claim 7, characterized in that the unit is further provided with a cord (28) for electrical supply from an on-board electrical network and with a voltage reducing circuit.
9. Equipment according to claim 7 or 8, characterized in that the battery is associated with a supply circuit (32) capable to deliver a plurality of different voltages by switching battery elements.

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