为航空器机组人员和乘客提供氧气的呼吸气体供应系统.pdf

本发明涉及一种用于载乘客和机组人员的航空器上的呼吸气体供应系统(1)，包括可呼吸的气体源(R1，R2)，至少一条连接所述加压气体源的补给线(2)，所述补给线上设置的用于控制可呼吸的气体供应的调节装置(12)，所述补给线上设置的混合装置(9)，所述混合装置进一步包括一周围空气入口(10)，用于混合所述周围空气和所述可呼吸的气体，以便为至少一个乘客或机组人员提供呼吸气体，该呼吸气体相当于所述可呼吸的气体和周围空气的混合物，其中所述调节装置由一个至少动脉血氧饱和度(SaO2)的控制信号(FIO2R)函数驱动，该SaO2测量自所述至少一位乘客或机组人员。

1.  一种用于运载乘客和机组人员(30)的航空器的呼吸气体供应系统(1)，
包括：
一可呼吸的气体源(R1，R2)，
至少一条连接所述源的供给线(2)，
一调节装置(24)，设置于所述补给线上，用于控制可呼吸的气体的供应，
一混合装置(9)，与所述补给线相连接，所述混合装置进一步包括一周围空气入口(10)，用于混合所述周围空气和所述可呼吸的气体，以向至少一位乘客或机组人员提供可吸入的，相当于所述可呼吸的气体和周围空气的混合物的呼吸气体，
其中所述调节装置至少由动脉血氧饱和度(SaO₂)的一控制信号(F_IO₂^R)函数驱动，该SaO₂测量自所述至少一位乘客或机组人员。

2.  根据前项权利要求所述的系统，其中控制信号由电子电路(62)提供。

3.  根据前项权利要求所述的系统，其中电子单元至少基于测量的动脉血氧饱和度限定一可呼吸的气体量设定点(F_IO₂^SP)。

4.  根据前项权利要求所述的系统，其中在混合装置下游设置一第一传感器(155)，以为电子电路提供代表吸入气体中可呼吸的气体量的信号(F_IO₂^M)，以及其中该电子单元将可呼吸的气体量设定点和代表可呼吸的气体量的信号进行比较，以合成控制信号。

5.  根据权利要求3或4任一项所述的系统，其中航空器包括一座舱，并且该电子单元定义一至少基于座舱压力的动脉血氧饱和度设定点(SaO₂^SP)。

6.  根据权利要求5所述的系统，其中在至少一位乘客或机组人员上设置一第二传感器(150)，以为该电子电路提供代表所述乘客或机组人员的动脉血氧饱和度的信号(SaO₂^M)。

7.  根据权利要求5和6所述的系统，其中该电子单元将动脉血氧饱和度设定点和代表动脉血氧饱和度的信号进行比较，以合成可呼吸的气体量设定点。

8.  根据权利要求6和7任一项所述的系统，其中第二传感器为一光电容积描记传感器(150)。

9.  根据权利要求6至8任一项所述的系统，其中在呼吸气体通路的下游设置一呼吸面罩(9)，所述呼吸面罩带有一第二传感器，使得所述第二传感器与乘客或机组人员佩戴所述呼吸面罩的皮肤相接触。

10.  根据权利要求1至3和5至9任一项所述的系统，其中调节装置和混合装置都包含在呼吸面罩的供需调节器内。

11.  根据权利要求9或10所述的系统，其中呼吸面罩设置有带子，用于所述乘客或机组人员佩戴所述呼吸面罩；适于所述带子的传感器与所述乘客或机组人员佩戴该面罩的耳朵相接触。

12.  在运载乘客和机组人员(30)的航空器内供应呼吸气体的方法，所述航空器包括：
一可呼吸的气体源(R1，R2)，
连接所述气体源的至少一条补给线(2)，
一调节装置(24)，设置在所述补给线上，用于控制可呼吸的气体的供应。
一混合装置(9)，与所述补给线相连接，所述混合装置进一步包括一周围空气入口(10)，用于混合所述周围空气和所述可呼吸的气体，以向至少一乘客或机组人员提供可吸入的，相当于所述可呼吸的气体和周围空气的混合物的呼吸气体；
所述方法包括步骤：
测量至少一乘客或机组人员的动脉血氧饱和度(SaO₂)，
提供一控制信号，以驱动所述调节装置，所述控制信号至少基于所述动脉血氧饱和度。

13.  根据前述权利要求所述的方法，其中控制信号由电子电路(62)提供。

14.  根据前述权利要求所述的方法，进一步包括定义一至少基于所测动脉血氧饱和度的可呼吸的气体量设定点(F_IO₂^SP)的步骤。

15.  根据前述权利要求所述的方法，其中在混合装置的下游设置一第一传感器(155)，所述方法进一步包括步骤：
用所述第一传感器测量一代表呼吸气体中可呼吸的气体量的信号(F_IO₂^M)，
将可呼吸的气体量设定点和代表可呼吸的气体量的信号进行比较。

16.  根据权利要求14或15任一项所述的方法，其中该航空器包括一座舱，所述方法进一步包括定义一至少基于座舱压力的动脉血氧饱和度(SaO₂^SP)的步骤。

17.  根据前面权利要求所述的方法，其中在至少一位乘客或机组人员上设置第二传感器(150)，所述方法进一步包括测量代表所述乘客或机组人员的动脉血氧饱和度的信号(SaO₂^M)的步骤。

18.  根据权利要求16和17所述的方法，进一步包括将动脉血氧饱和度设定点和代表动脉血氧饱和的信号进行比较，以合成可呼吸的气体量设定点的步骤。

19.  根据权利要求17和18所述的方法，其中所述传感器为光电容积描记传感器(150)。

20.  根据权利要求17至19任一项所述的方法，其中在呼吸气体通路的下游设置呼吸面罩(9)，所述呼吸面罩带有第二传感器，使得所述第二传感器与乘客或机组人员戴有所述呼吸面罩的皮肤相接触。

21.  根据权利要求12至14和16至20任一项所述的方法，其中调节装置和混合装置都包含在呼吸面罩的供需调节器内。

22.  根据权利要求20和21所述的方法，其中呼吸面罩设置有带子，用于乘客或机组人员戴上所述呼吸面罩，适于所述带子的传感器与所述乘客或机组人员的戴有该面罩的耳朵相接触。

为航空器机组人员和乘客提供氧气的呼吸气体供应系统
技术领域
本发明涉及一种呼吸气体供应系统，用于保护航空器上乘客和机组人员，免受与高空降压和/或座舱内发生冒烟相关的威胁。
背景技术
在航空器发生减压事故或冒烟的情况下，为了确保乘客和乘务员的安全，航空条例要求所有客机上都有安全氧气供应系统，能够为每个乘客和乘务员(以下也称作“终端用户”)提供与座舱高度有关的氧气流量。减压事故发生后，座舱高度为接近航空器高度的值。通过座舱高度，人们可以理解该高度与座舱内维持的加压空气相对应。加压舱内的该值不同于飞行高度，该飞行高度为实际物理高度。
在某一客舱高度所需的氧气最小流量通常取决于航空器的性质(即民用或军用航空器)，保护的时间和水平(即紧急下降，喷射，继续飞行)等。
已知的用于载客和/或机组人员的航空器的供应系统通常包括：
-一可呼吸的气体源，如氧气源；
-至少一条与可呼吸的气体源相连接的补给线；
-一调节装置，与补给线相连接，用于控制可呼吸的气体的供应；
-设置在补给线上的混合装置，包括周围空气入口，用于混合周围空气和可呼吸的气体，以便为乘客和/或机组人员提供可吸入的，相当于可呼吸的气体和周围空气的混合物的呼吸气体。
可呼吸的气体的来源可以是加压氧气瓶，化学发生器或机载氧气发生系统(OBOGS)或更普遍的任意氧气来源。呼吸气体通常通过呼吸装置提供给乘客或机组人员，可以是呼吸面罩、插管或其它装置。
航空器上需要节省氧气，导致包括供需调节器(demand regulator)和用周围空气(通过混合装置)稀释氧气的呼吸面罩的发展。该供需调节器可从法国专利FR2,781,381或FR 2,827,179中得知，其中披露了气动供需调节器，也可从W02006/005372中获知，其中披露了电动-气动供需调节器。如果终端用户吸入的流量通常通过反馈环路在该调节器中控制，氧气水平通常通过开放式环路(open loop)调节确定，并考虑美国联邦航空条例(FAR)中确定的最小值。FAR确定的值实际上是保守值，因为此时产生的氧气水平足够高，可确保终端用户的动脉血氧饱和度SaO₂保持足够高。当没有为终端用户供应适当的氧气水平时，SaO₂会显著下降导致他们失去意识。低水平SaO₂维持几分钟后，可能对终端用户的神经系统造成不可逆转的损害，以及导致死亡。
如今，我们仍然需要进一步节约氧气，不管氧气来自发生器还是加压源。机载氧气的质量与预计的机组人员和乘客的需求直接相关。随着他们实际需要供应氧气的任意最佳化，使得氧气源重量更轻，对航空器结构限制减小以及燃料消耗降低。
因此，开发呼吸气体供应系统将是非常可取的，它可以减少机载可呼吸的气体的体积或者延长气瓶重新充气(机载O₂)的周期。此外，开发这种系统的好处是它可以提供适应于乘客或机组人员实际需要的可呼吸的气体流量。
发明内容
因此，本发明提供了如权利要求1所述的一种用于运载乘客和机组人员的航空器上的呼吸气体供应系统，以及如权利要求12所述的将呼吸气体传输至航空器上乘客和/或机组人员的方法。
随着对实际动脉血氧饱和度SaO₂的调控，可呼吸的气体的消耗与终端用户的实际需要相匹配。没有提供过量体积的氧气，减少对机载氧气源的需求。这种改善的调控可在终端用户自身代谢的基础上对可呼吸的气体供应进行控制，因为测定的SaO₂是他/她对氧气的需要的很好的指示。
附图简要说明
通过以下具体实施方式的描述可以更好地理解上述特征，给出的具体实施方式不作为限制性实施例。参考附图进行描述。
图1是对本发明用于运载乘客和机组人员的航空器的呼吸气体供应系统的第一种实施方式的简化视图。
图2说明本发明第一种实施方式中的适用于释放呼吸气体的航空器氧气应急系统的示范性实施方式。
具体实施方式
从图1可看出，根据本发明的供应系统包括以下组成部分。一可呼吸的气体源，本文中以一对氧气瓶R1和R2为例加以说明，每个氧气瓶在各自的出口上都包括一减压阀，设置上述氧气瓶是为了通过补给线2将可呼吸的气体传输至航空器上的乘客和机组人员30。其它来源的可呼吸的气体也可用于根据本发明的供应系统。补给线延伸到一呼吸装置，本发明以呼吸面罩9为例加以说明。在呼吸面罩9上设置一周围空气进入口10，以便周围空气在混合装置中与所述面罩9中的可呼吸的气体进行混合(图1未显示)。该混合装置提供被终端用户吸入的呼吸气体，该呼吸气体相当于可呼吸的气体和周围空气的混合物。在图1的示范说明中，吸入的呼吸气体或短期吸入气体，通过面罩9输给机组人员或乘客30。
进一步设置一调节装置24以控制向面罩9供应可呼吸的气体。在根据本发明的第一种实施方式的供应系统中，调节装置24至少由动脉血氧饱和度SaO₂的控制信号FIO₂^R函数来驱动，该动脉血氧饱和度SaO₂测量自乘客或机组人员30，也就是供应系统的终端用户。举例，该调节装置可以是电动阀。
为此，设置电子单元62或CPU以合成(elaborate)发送至调节装置24的控制信号，如图1点划线所示。
SaO₂是血液运输的氧含量与气体运输最大理论含量的比率，它与肺泡中的氧分压PaO₂有关。在正常情况下，人体的SaO₂约为98％。SaO₂可被绘制为PaO₂的函数。由此产生的曲线，即最著名的巴克罗夫特曲线(Barcroft Curve)或血红蛋白的解离曲线，可能有所变化，这取决于几个因素，如血液pH值(pH值降低，饱和度降低)，肺泡中二氧化碳的分压PaCO₂(PaCO₂升高时，SaO₂降低)和温度(当血液温度升高时，SaO₂降低)。PaO₂是不易测量的数据。SaO₂比较容易获得，特别是通过基于稍后所见传感器的脉冲技术获得。因此，根据本发明的系统调节由基于在终端用户所测得的SaO₂的控制信号驱动。
在本发明的范围内，人们可以设想一种基于所测得的SaO₂和一SaO₂设定点的控制信号，该SaO₂设定点取决于例如飞行高度。然而这种调节类型在紧急情况下效率较低，因为身体机能可能变化太慢。
在根据本发明的系统的优选实施方式中，电子单元60定义一用于可呼吸的气体量F_IO₂的设定点F_IO₂^SP以控制调节装置24，该可呼吸的气体量F_IO₂至少基于在终端用户测得的动脉血氧饱和度。事实上，一种更有效的调节是控制供给终端用户的呼吸气体中的可呼吸的气体量F_IO₂。在已知的供需控制器中，可呼吸的气体量用基于座舱高度的带有可呼吸的气体量设定点F_IO₂^SP的开放式环路进行调节。在根据本发明的供应系统中，F_IO₂^SP来源于在机组人员或乘客测得的实际SaO₂。
在根据本发明的控制电路的一种改进实施方式中，传感器155设置在混合装置下游的补给线上，即图1实施例的面罩9内，以便为电子电路提供代表呼吸或吸入气体中可呼吸的气体量F_IO₂的信号F_IO₂^M。传感器155使可呼吸的气体量有一反馈环路以确保在供应系统的终端用户戴上呼吸面罩9时，根据其实际需要来正确供应氧气。
为了产生控制信号，电子单元62将设定点F_IO₂^SP和代表供给乘客或机组人员可呼吸的气体量的信号F_IO₂^M进行比较，以合成控制信号F_IO₂^R。
PID控制模块(比例，积分，微分)可包括在电子单元62中，以便从设定点和所测F_IO₂^M的比较中合成控制信号F_IO₂^R。当没有设置反馈环路时，电子单元62用F_IO₂^SP合成控制信号F_IO₂^R。
不管是否设置吸入气体中可呼吸的气体量F_IO₂的反馈环路，传输给终端用户的可呼吸的气体量都基于他/她的SaO₂，即他/她对可呼吸的气体的实际需要。来自条例(如FAR)的保守F_IO₂值不再是必需的，从而使航空器上氧消耗降低和优化，机载氧源更轻。
设置反馈环路时，传感器155可以是氧传感器探头，用于测定设置在混合装置下游的呼吸气体中的可呼吸的气体量。例如，传感器155可以是电氧(galvanic oxygen)传感器或充氧电池(oxygen cell)。当平均呼吸周期持续约1秒时，优选来自传感器155的响应信号不会大大推迟。因此，优选的实施方式中使用快速传感器，响应时间为5Hz或更高，优选10Hz或更高。这样响应信号延迟不超过100ms。
为了拟定可呼吸的气体量设定点F_IO₂^SP，本发明的优选实施方式中提供了第二种调节。
为此，在航空器座舱设置压力传感器140，以便为CPU 62提供代表机舱压力的压力信号。压力传感器140测量客舱压力(例如以hPa计)，相当于机舱高度(通常以英尺计)的数据如之前所定义。设定点SaO₂^sp是由电子单元62基于最低规定的SaO₂拟定，以避免任何缺氧危险(组织中氧气下降低于正常水平)。明显地，该最低规定的SaO₂为座舱高度或压力的函数。
压力传感器140可以是航空器上可用的压力传感器之一，与航空器总线相连实现其价值。为确保独立于航空器总线系统的压力读数可靠，根据本发明的系统可设置其自身的压力传感器，即为电子单元62设置专用传感器140。
在终端用户设置有SaO₂传感器150，以便为电子单元62提供代表他/她动脉血氧饱和度的信号SaO₂^M。在图1实施例中，该传感器设置于终端用户的鼻子上。
第二传感器150是用于测量乘客或机组人员的动脉血氧饱和度的传感器探头。例如，传感器150可以是光电容积描记传感器或者脉搏血氧饱和度仪(使用脉冲技术)。这些传感器通过皮肤发射红外(IR)信号起作用。人体薄薄的部分是必需的，要足够薄使IR信号可在一侧发射，传输后在另一侧读取。还可利用IR发射信号的反射，以便传感器恰好压在皮肤某个部分，例如，该部分可以是鼻子、手指或耳朵。传感器上的检测单元能读取信号，该信号透过身体部分或被身体部分反射，更具体地是指所述身体部分的血管。SaO₂容易受到影响，因为IR吸收率与SaO₂相关。
第二传感器150可连接到呼吸装置9，该呼吸装置9可以在图1中的装置9中，也可以在接到终端用户头部的装置上设置的带的周围。在第一种情况下，在戴上呼吸装置9时，传感器150与终端用户的鼻子接触，使得光源朝向鼻子或鼻子周围的皮肤。在第二种情况下，身体部分可以是耳朵的任意部分，如耳垂(ear lob)。另一种可能性是手指，但较少受关注，因为需要主动在手指戴上传感器150，在遇到紧急情况时这是不切合实际的。
在根据本发明的系统中，电子单元62将动脉血氧饱和度设定点SaO₂^SP和测得的SaO₂^M进行比较，以合成可呼吸的气体量设定点F_I0₂^SP。例如，当突发失压事故后SaO₂迅速下降，测得的SaO₂与飞行高度的SaO₂设定点相背离(发生失压事故时，座舱高度往往等于飞行高度)。由于需要更多的氧气，CPU 62通过比较SaO₂^M和SaO₂^SP限定出更高的F_IO₂^SP。对可呼吸的气体量的调节最终使传输给终端用户的F_IO₂更高，以便应对终端用户机体内氧气的缺乏。该可呼吸的气体量的水平与终端用户的真实需要相适应。
在该解释说明中，调节装置24促使向面罩9供应可呼吸的气体。本领域技术人员很容易将本发明教导的内容转换为调节向一组呼吸装置9供应可呼吸的气体的调节装置，这归功于对应于平均SaO₂的控制信号，该平均SaO₂通过设置在每个呼吸装置9的各个传感器150测得。
图2说明根据本发明的系统的示范性实施方式，由W02006/005372可知，更具体地是包括调节装置的一供需调节器，供机组人员使用。该系统对应于对可呼吸的气体量没有反馈环路的系统。
该调节器包括两部分，纳入外壳的一个部分10由面罩携带(未显示)，另一部分12由用于存储面罩的存储箱携带。该箱体可以是常规的一般结构，用门封闭，面罩由此处伸出。通过抽取面罩将门打开，导致氧气供应阀打开。
由面罩携带的部分10由外壳组成，该外壳包括多个具有凹槽和通道的装配在一起的部件，用以限定出多个流动路径(flow paths)。
第一流动路径连接氧气的入口14和通向面罩的出口16。第二路径或空气流动路径连接稀释空气的入口20和通向面罩的出口22。氧气沿第一路径的流量(flowrate)由调节装置24控制，此处为电动控制阀。图2实施例中，此阀为电压控制下的定量阀(proportional valve)24，连接入口14和出口16，由导体26产生动力。还有可能使用开/关型的电磁阀，采用脉冲宽度调制，以变化的复合比进行控制。
一“供需”组件置于空气流动路径上，用于使稀释空气流入面罩。所述组件用作引导周围空气，并测量瞬时所需流量或作为任何其它类型的远程控制的致动器。
在该实施例中显示，稀释空气流动路径的右边部分由外壳的内表面33和滑动安装于外壳中的活塞32的末端边缘来限定。活塞受到大气压和腔室34内部之间的压力差。一个附加的电动控制阀36(具体是电磁阀)作用是在比大气层更高的压力水平上，连接腔室34和大气或其它氧气源。由此，该电动控制阀36用作从正常稀释模式向提供纯氧的模式(所谓的“100％”模式)的开关。当腔室34与大气层相连时，弹簧38将活塞32保持在位子39，但当戴上面罩吸入呼吸气体量时，活塞32可以与位子39分开，使得空气从流动路径流向混合装置，此处为混合腔室35，在此空气与从第一路径进入的氧气相混合。当腔室34与氧气供应相连时，活塞32压迫位子39，从而阻止空气通过。活塞32还可用作伺服控制调节阀的移动组件。一般来说，设计的调节器不仅可以执行带有稀释的正常操作，而且由于选择器58的存在还可用于紧急情况。
空气流动路径包括一文丘里缩喉41(Venturi constriction)，位于活塞32和部分10的外壳之间，更具体地为活塞32和混合腔室35之间。文丘里缩喉41具有一个0.57mm²的截面。该截面已经根据特定的面罩模型加以确定，且可以改变用于其它面罩模型。毛细胆管43具有一个与文丘里缩喉41相连的进气口45，一个与压力传感器49相连的出气口47。压力传感器49通过毛细胆管43在文丘里缩喉41中测量空气压力。来自压力传感器49的信号传输到电子单元，此处为电子电路卡62。
部分10的外壳还限定一个包含呼气阀或呼出阀40的呼出路径(breathe-outpath)。显示的阀40的百叶窗组成部分目前被广泛使用，它可以执行两种功能：用于导向进气阀(valve for piloting admission)和用作排气阀。该实施方式显示，当通过增大存在于由阀40限定的腔室42内的压力至高于周围压力，而使面罩内压力被维持在高于周围空气压力时，它只发挥呼出阀的作用。
在第一种情况，电动控制阀48(具体是电磁阀)连接腔室42和大气，此时只要面罩内压力超过周围压力时就会产生呼吸。在第二种情况，该阀48连接腔室42与经过流量限制缩喉50输入的氧气。在这种情况下，腔室42内的压力达到由带有速率关闭弹簧(rate closure spring)的安全阀46所确定的某个值。
部分10外壳可进一步携带某些装置，使面罩能够充气和放气而产生气动。这些装置都为常规结构，因此未显示，也未进行描述。
如图2所说明，选择器58可设置于靠近正常模式开关60。选择器58允许选择不同的操作模式：带稀释的正常模式，100％ O₂模式或紧急模式(O₂超压)。
该开关连接电子电路62，作为所选操作模式的函数，电子电路62的操作响应传感器140指示的座舱高度(图2实施例中设置在存储箱12中)，响应压力传感器49指示的飞行高度和所需瞬时流速，以确定向面罩佩戴者提供氧气的速率。
根据本发明的系统，电子电路进一步考虑信号SaO₂^M，该信号SaO₂^M代表动脉血氧饱和度，由位于混合腔室35下游的传感器150提供。
电子电路卡62为下述第一电动控制阀24提供合适的电子信号，即控制信号。在正常模式下，压力传感器49在空气流动路径的出口22提供瞬时需求压力，经过滤器61过滤，进入面罩(参见图2实线)。电子电路62接收该信号以及关于座舱高度的信息，这些信息来自传感器140，需要加以考虑。该电子电路进一步接收对应飞行高度的信号(即来自航空器总线系统的信号)。
然后电子电路62至少基于传感器140所测座舱压力确定了SaO₂设定点SaO₂^SP。如前所述，电子电路62然后比较设定点和氧气传感器150测得的实际SaO₂，产生一个可呼吸的气体量设定点F_IO₂^SP。然后电子电路62合成控制信号F_IO₂^R以驱动电动控制阀24，将合适水平的氧气传送至吸入气体中。
当完成反馈环F_IO₂时，就不需要供需组件。压力传感器149只用于检测吸入/呼出周期，因为终端用户只有在吸气时才需要氧气。由此电子电路62可驱动阀24的开和关，以及开/关速度。