飞行器流量调节器及稀释调节方法与流程

本发明涉及一种飞行器流量调节器，以及一种保护飞行器乘员(乘客和/或机组人员)抵御有关于高海拔降压和/或座舱冒烟、冒烟雾的危险的方法。尤其是，本发明涉及对供给到使用者以满足其需求的呼吸气体的调整，该调整利用可呼吸气体源(氧气瓶、化学发生器或者液氧转换器)来供给纯氧，或利用例如机载氧气产生器系统(OBOGS)来供给富氧气体。为确保乘客和/或机组人员在降压和/或飞行器出现冒烟的情况下受到保护，流量调节器应输送呼吸气体，该呼吸气体是由稀释气体(通常为环境空气)和取决于座舱高度的可呼吸气体组成的混合物。在降压之后，座舱高度达到接近飞行器高度的值。座舱的压力值常常被称为座舱高度。座舱高度被定义为对应于座舱中所维持的降压大气。该值不同于实际物理高度的飞行器高度。压力和常规高度按表格相对应。联邦航空条例(FAR)设定了气体中氧气的最低比率，该最低比率是根据应用于民用航空中的座舱高度来设定的。机组人员的呼吸面罩通常包括流量调节器和口鼻面罩片。流量调节器响应呼吸面罩使用者的吸气开始供给呼吸气体，并且在使用者停止吸气时停止供给呼吸气体。

背景技术：
当前，机组人员的呼吸面罩的大多数装配有使用气动技术来满足需求的氧气调节器。这种技术中，环境空气被文丘里管(Venturi)吸进稀释气体供给线路，文丘里管由高速可呼吸气体流提供抽吸。无液压力传感器(也称为高度计)通过调节稀释气体供给线路的截面来调整该测高富氧。这种流量调节器可以从文献US6,994,086、FR1484691或者US6,796,306中获知。由于富氧取决于由无液压力传感器间隙控制的稀释气体供给线路的截面，所以氧气消耗无法针对所有座舱高度范围和/或所有呼吸通气量都是最优的。节约氧气的需要导致了如文献US4,336,590、US6,789,539、US2007/0107729或US2009/0277449中所描述的电-气动调节器的发展。这些文献中所公开的调节器包括由电子电路控制的用于调节呼吸气体中氧气比率的电动阀。这些流量调节器电控相对于座舱压力的呼吸气体的压力和呼吸气体的氧气比率。电子电路或电源供给的可靠性联系着这些流量控制器的可靠性。例如，万一电源供给发生故障，这些流量控制器便无法保护使用者抵御组织缺氧或起火冒烟。在过去，通过向电-机调节器增加气动流量调节器，已完成了一些改良，这种气动流量调节器提供了仅用于失电情况下的后备方案。但是这样就使得系统相较于具有文丘里管和用于稀释控制的无液压力传感器的经典调节器更为复杂并且体积更大。因此，例如从文献US6,789,539所公开的第一实施例中已知的，用于飞行器呼吸装置的流量调节器包括：-呼吸腔室，其被供给有包括可呼吸气体和稀释气体的呼吸气体，-可呼吸气体供给线路，其被连接得到可呼吸气体源并且向呼吸腔室供给可呼吸气体，-稀释气体供给线路，其被连接到稀释气体源并且向呼吸腔室供给稀释气体，-第一调整装置，其调整呼吸腔室中的压力，以及-第二调整装置，其调整被供给到呼吸腔室中的呼吸气体中稀释气体的比率，该第二调整装置包括被置于稀释气体供给线路中的稀释阀，并且稀释阀在拉回位置和伸出位置间可移动。这种流量调节器在常规状态下能满足需要，但是无法在失电的情况下保护使用者。本发明的目的是改良这种流量调节器的可靠性。文献US6,789,539进一步公开了流量调节器的第二实施例，其中第一调整装置是非电动类型的，该流量调节器进一步包括控制可呼吸气体供给线路上游部分中可呼吸气体流速的第三调整装置，并且第二调整装置包括无液压力传感器。这样的流量调节器在失电的情况下能非常满足要求，但是，其较复杂且毕竟很难常置在常规状态下，因为该可呼吸气体的供给是由第一调整装置和第二调整装置两者控制的。

技术实现要素：
本发明的目的是提供一种流量调节器，其可靠、便宜、易于设置，并且提供符合所需最低氧气比率的同时接近于该所需的最低氧气比率。为此目的，根据本发明，第一调整装置是非电动类型的，并且第二调整装置包括传感器和电(电子)控单元，电控单元接收来自传感器的信号，并且该电控单元根据所述信号控制稀释阀来调整呼吸气体中稀释气体的比率。因此，第一调整装置的设置更易于实现，呼吸气体中氧气的比率能由常规状态下(不失电)的第二调整装置来准确调整，并且由于该第一调整装置，在常规状态下和失电情况下，都能很好地满足对呼吸腔室中压力的调节。根据符合本发明的另一特征，优选的，飞行器呼吸装置进一步包括安全装置，其用于在第二调整装置失效的情况下自动增加可呼吸气体的浓度。因此，在失电情况下，供给到使用者的呼吸气体中氧气的比率不能被精确地调节，但其符合最低需要。根据符合本发明的另一特征，优选的，流量调节器具有外壳，该外壳包括由可呼吸气体供给线路的下游部分和稀释气体供给线路的下游部分共享的呼吸气体线路。因此，稀释气体供给线路中摩擦损失的效应降低了，这样当使用者在低座舱高度下深吸气的同时又是非电动地控制主阀时，使得能够以比率更低的可呼吸气体供给呼吸气体。根据符合本发明的另一特征，优选的，当稀释阀处于拉回位置时，整个稀释气体供给线路的界面大于100平方毫米。这一特征也使得能够以比率更低的可呼吸气体(无论使用者的吸入什么，理想为零)供给呼吸气体。根据符合本发明的另一特征，优选的，文丘里管和将可呼吸气体喷射到呼吸腔室中的喷射器从可呼吸气体线路中被卸除。实际上，显然的，文丘里管和喷射器趋于使主阀朝着打开位置移动，并且因此使得对较低水平的可呼吸比率的调整复杂化。本发明的其它特征是从属权利要求的主题。本发明还涉及用于调节供给到使用者的可呼吸气体的稀释方法。根据本发明，稀释调节方法包括：-为呼吸腔室供给包括可呼吸气体和稀释气体的呼吸气体，该可呼吸气体包含高比率的氧气，-电动地调整向呼吸腔室供给的呼吸气体中稀释气体的比率，以及-非电动地调节呼吸腔室中的压力。附图说明参考附图并结合下列详细说明，本发明的其他特征及优势将得以显现，其中：-图1图示出了根据本发明的飞行器呼吸装置的第一实施例，-图2部分示出了根据本发明的飞行器呼吸装置的第二实施例。具体实施方式图1示出了飞行器呼吸装置100，其主要包括增压的可呼吸气体源8、输送管道6、布置在飞行器座舱10中的呼吸面罩。在所示实施例中，增压的可呼吸气体源8是包括增压氧气的气缸。呼吸面罩4包括流量调节器1和固定在调节器1的管状连接部分5上的口鼻面罩片3。当使用者7戴上呼吸面罩4时，口鼻面罩片3被放在使用者7面部的皮肤上并且限定出呼吸腔室9，使用者7在呼吸腔室9中吸气和呼气。流量调节器1具有外壳2，外壳2包括吸气回路和呼气回路。吸气回路包括可呼吸气体供给线路12、13和稀释气体供给线路14、15。可呼吸气体供给线路包括上游部分12和下游部分13，上游部分12由可呼吸气体源8通过输送管道6来供给增压氧气，下游部分13向呼吸腔室9供给可呼吸气体。稀释气体供给线路包括与稀释气体源相连的上游部分14和为呼吸腔室9供给稀释气体的下游部分15。在所示实施例中，稀释气体是空气并且稀释气体源是飞行器的座舱10。可呼吸气体供给线路的下游部分13的一端部与稀释空气供给线路的下游部分15的一端部融合到呼吸气体供给线路16中，呼吸气体供给线路16中流淌着包括混合着可呼吸气体和稀释气体的呼吸气体。因此，在所示实施例中，可呼吸气体和稀释气体混合在外壳2的呼吸气体供给线路16中，即在通过管状连接部分5向呼吸腔室9供给之前已混合。任一导致呼吸气体供给线路中压力改变的电动装置都从飞行器呼吸装置100中被卸除，以便于调节可呼吸气体流或其类似。因此，使用时连续地向可呼吸气体供给线路的上游部分12供给可呼吸气体，并且优选的是以大体恒定的压力供给，更优选的是通过插在可呼吸气体源8和可呼吸气体供给线路之间的非电动(气动)压力调节器98来调节。当然，众所周知的，在可呼吸气体源8是OBOGS或其类似的情况下，可以省略压力调节器98。从文献WO2009/007794中可知，当使用者没有戴上呼吸面罩4、但存放在储藏盒中时，阀门可以将可呼吸气体供给线路的上游部分12与可呼吸气体源8分隔开。呼气回路包括先导阀50和排气线路，排气线路包括上游部分52和下游部分54。排气线路的上游部分52穿过管状连接部分5与口鼻面罩片3的呼吸腔室9相连通并且接收使用者呼出的气体。调节器1的管状连接部分5被去除了呼吸气体供给线路16和排气线路的上游部分52之间的间隔。排气线路的下游部分54与座舱10的环境空气连通。先导阀50为柔性密封膜，其将先导舱室58与排气线路的上游部分52和排气线路的下游部分54隔离开，上游部分52和下游部分54都处于膜50的另一侧。因此，先导阀50具有经受排气线路上游部分52中压力的第一表面50a，以及经受先导腔室58中压力的第二表面50b，上游部分52中的压力相似于呼吸腔室9中的压力。调节器1的外壳2进一步包括第一通道64、第二通道66，以及与固定座62相配合的主阀60。主阀60由在关闭位置和打开位置之间可移动的膜形成。在关闭位置上，主阀60承载在固定座62上并且阻碍与呼吸气体供给线路上游部分12和下游部分13之间的连通。在打开位置上，主阀60远离固定座62并且可呼吸气体供给线路的上游部分12与下游部分13相连通。无论主阀60居于何位置，主阀60的膜将处于膜一侧的控制腔室68与可呼吸气体供给线路分隔开，可呼吸气体供给线路的上游部分12和下游部分13都被置于主阀60的另一侧。控制腔室68穿过包括校准缩口65的第一通道64与可呼吸气体供给线路的上游部分12相连通。调节器1的外壳2进一步包括第一座56、第二座72，以及由先导阀50携载的闭塞物70。闭塞物70与第二座72配合。闭塞物70由弹簧74朝着第二座72偏置。当排气线路的上游部分52中的压力等于先导腔室58中的压力时，先导阀50处于静止位置。在静止位置上时，由于弹簧74的偏压力，闭塞物70靠在第二座72上并且关闭第二通道66，因为第二通道66终止于第二座72。因此，控制腔室68与先导腔室58分隔开。另外，在静止位置上时，先导阀50靠在第一座56上，且因此将排气线路的上游部分52与排气线路的下游部分54分隔开。调节器1进一步包括用于调整被供给到呼吸腔室9中的呼吸气体中氧气比率的电动调整装置。电动调整装置主要包括稀释阀24、促动器22、电控单元40和传感器41-49。稀释阀24可从拉回位置向伸出位置移动，如箭头21所示，也可以从伸出位置向拉回位置移动，如箭头23所示。电控单元40控制驱动稀释阀24的促动器22。促动器22优选是成比例的，但可以采用由脉冲宽度调制或占空比技术控制的开/关促动器22。所示稀释阀24处于拉回位置和伸出位置之间的中间位置。通路28被提供在稀释座26和稀释阀24之间。稀释阀24的移动引起对通路截面的修正。优选的，在伸出位置上，稀释阀24靠在稀释座26上并且将稀释气体供给线路的上游部分14与稀释气体供给线路的下游部分15分隔开。有利的，在稀释阀的拉回位置，通路28的截面大于100平方毫米，并且更优选的整个稀释气体供给线路的横截面大于100平方毫米。调节器1有利地进一步具有以下至少一个调节传感器：座舱压力传感器41，其检测座舱10中的绝对压力、飞行器压力传感器42，其检测对应于飞行器高度的飞行器外侧的绝对压力、饱和度传感器43，其由口鼻面罩片3携载并且检测使用者血液中的血氧饱和度、位置传感器44，其检测稀释阀24的位置、气体传感器45，其被置于呼吸气体供给线路16中并且检测呼吸气体中的氧气比率、呼吸压力传感器46、可呼吸气体流量计47，其被布置在可呼吸气体供给线路12、13中检测可呼吸气体流、稀释气体流量计48，其被布置于稀释气体供给线路14、15中检测稀释气体流，或者呼吸气体流量计49，其被布置于呼吸气体供给线路16中并检测呼吸气体流。调节传感器41-49向电控单元40传送信号(在所示实施例中为电信号，但是作为变形也可以是电磁信号)。电控单元40根据由调节传感器提供的信息(信号)来调节稀释位置。应注意到，气体传感器45优选地检测呼吸气体中氧气的分压力。作为变形，气体传感器45能检测呼吸气体中氧气的浓度(比例)。优选地，气体传感器45为电化学传感器、原电池型氧传感器、顺磁氧传感器、固体电解质气体传感器、光学传感器、超声波气体传感器或荧光氧传感器(光极)。固体电解质气体传感器例如可以是锆气体传感器或者二氧化钛传感器。尤其是，光学传感器可以是红外传感器，其可以包括可调二极管激光器，且其可以检测吸收、反射或传播，或者是吸收、反射和传播的结合。超声波气体传感器优选使用声速和气体温度测量，用于计算出混合物成份。荧光氧传感器优选地具有LED激励源、荧光探测器和对氧气分压力敏感的荧光基材。呼吸压力传感器46检测呼吸腔室9中的压力。在如图1所示的实施例中，呼吸压力传感器46被置于排气线路52的上游部分中，但是作为变形其可以直接被放置在呼吸腔室中或呼吸气体供给线路16中。在呼吸压力传感器46与气体传感器45相结合时尤其有效。呼吸压力传感器46是可选的，因为通常气体传感器45在没有呼吸压力传感器46的情况下就可以使用。但是，在某些实施例中，与气体传感器45相结合的呼吸压力传感器46能够简化对呼吸气体中稀释气体比率的调节，从而简化该流量调节器的设置。调节器1具有调节(常规)模式、纯可呼吸气体模式，以及紧急模式，它们可由使用者通过旋转模式选择按钮38，如环形箭头39所示，选择性地激活。使用者不在口鼻面罩片3中吸气，则控制腔室68经受可呼吸气体供给线路上游部分12中的压力。因而，主阀60被压靠着座62，关闭了主阀60和座62之间的通路，并且将呼吸气体供给线路的上游部分12与下游部分13分隔开。当使用者吸气，排气线路的上游部分52中的压力低于先导腔室58中的压力。如果压差大于所需用于挤压弹簧74的设定的吸气低压，则先导阀50移动(变形)到进气位置，在该进气位置，闭塞物70抵抗弹簧74的偏压力远离第二座72。因此，控制腔室68通过终止于控制腔室68的第二通道66与先导腔室58相连通。因而，控制腔室68中的压力下降，主阀60远离固定座62并且可呼吸气体流过介于主阀60和固定座62之间的通路。吸气结束，先导阀返回静止位置，闭塞物70靠在第二座72上并关闭第二通道66。因此控制腔室68中的压力增加，且主阀60变得压靠着关闭了可呼吸气体流的固定座62。设定的吸气低压和稀释气体供给线路适于提供足够低的摩擦损失，以便在选定调节器的调节模式且稀释阀24在拉回位置时，使先导阀50被维持在静止位置，甚至是使用者在常规状态(没有失电)的低座舱高度(低于10千尺(kft))中吸气以便仅向该使用者提供稀释气体时也是如此。因此，调节器1可以在0％到100％的范围内调节呼吸气体中可呼吸气体的浓度。当使用者呼气时，排气线路的上游部分52中的压力增加，并且因此先导阀50在排气位置远离第一座62。因而，呼出气体被排气线路的下游部分54排出。模式选择按钮38具有第一凸轮34和第二凸轮36。当使用者通过旋转模式选择按钮38选择调节器1的纯可呼吸气体模式时，如箭头19所示，凸轮34将第一闭阀18移至关闭位置，在该关闭位置上闭阀18关闭稀释气体供给线路14、15的进口，由此防止稀释气体进入稀释气体供给线路14、15中。因此，调节器1将未稀释的可呼吸气体通过呼吸腔室9输送给使用者7。调节器1进一步包括具有缩口75的第三通道76、第三座78、具有通孔81的紧急模式阀80、第一出口通道82、第一杆84、第二闭阀86、第一安全阀88、第二杆90、无液压力传感器92、第二出口通道94，以及第二安全阀96。第三通道76在可呼吸气体供给线路的上游部分12和先导腔室58之间延伸。在常规模式和纯可呼吸气体模式中，紧急模式阀80靠着第三座78并关闭第三通道76。处于低座舱高度的先导腔室58穿过第一出口通道82与座舱10的环境空气相连通。处于高座舱高度(大约40千尺)时，飞行规章及标准要求向使用者提供呼吸未稀释气体的正压。这一功能通过无液压力传感器92和移动紧急模式阀80的第二杆90来实施，这样使得处于高座舱高度的紧急模式阀80远离第三座78。先导腔室58因此通过具有缩口75的第三通道76被供以增压可呼吸气体。此外，支撑着第二闭阀86的第一杆84被偏置，以便在紧急模式阀80远离第三座78时，第二闭阀86移动(如箭头85所示)并关闭第一出口通道82。先导腔室58中的压力由第二出口通道94中的第二安全阀96限定，其确保先导腔室58中的超压力不超过预定值。先导阀50控制主阀60用于把呼吸腔室中的压力调节到先导腔室58中的压力。在座舱冒烟或起火的情况下，使用者7通常是机组人员应该通过旋转模式选择按钮38进入紧急模式。当模式选择按钮38被放置在紧急模式中时，第一凸轮34把第一闭阀18移动到关闭位置来防止稀释气体进入稀释气体供给线路14、15。此外，第二凸轮36移动第一杆84，使得第二闭阀86关闭第一出口通道82并且紧急模式阀80远离第三座78。先导腔室58因此穿过具有缩口75的第三通道76被供以增压可呼吸气体。先导腔室58中的压力通过第一安全阀88来得到控制。先导阀50控制主阀60用于把呼吸腔室中的压力调节到先导腔室58中的压力。如图1所示的调节器1进一步包括机械安全装置，该机械安全装置包括复位弹簧30和限定两个可选安全装置的电安全装置32。促动器22是线性的，在失电的情况下，复位弹簧30将稀释阀24移动到伸出位置。电安全装置32包括后备电系统33，该后备电系统33由电池31供能并且布置在促动器22和电控单元40之间。该后备电系统33适于检测电控的单元40的失效并且适于控制促动器22把稀释阀24移动到伸出位置。调节器1进一步包括警报装置99，该警报装置99通知使用者失电、或更通常的电动调整装置22、24、40、41-49的失效。该警报装置99提供光警报、声警报、信息警报或其类似。据此，如果使用者7害怕或担心安全装置不工作，则他能够手动选择纯可呼吸气体模式或紧急模式。如果这种安全装置从调节器1被卸除，则使用者7必须在失电的情况下手动地选择纯可呼吸气体模式或紧急模式。应该注意到，由于气体供给线路16具有较大截面，并且此外可呼吸气体供给线路16和排气线路的上游部分52之间的间隙从调节器1的管状连接部分5被去除，文丘里管和喷射器优选地从调节器1被卸除，尤其是文丘里管和将可呼吸气体排放呼吸腔室的喷射器从其中被卸除。例如，促动器22能够是电磁的、压电的、静电的、气动的类型或其类似。此外，促动器22为线性促动器，但是在一种变形中所用的可以是旋转促动器。如图1所示的稀释阀24是锥形的，但是球形舌阀、剪切阀、平阀也是适用的。此外，稀释座26能够相对于稀释气体供给线路的轴线成一定角度。电控单元40能够直接调节呼吸气体中氧气的比率或者通过调节呼吸气体中可呼吸气体的比率来调节呼吸气体中氧气的比率。尤其是，由于气体传感器45，电控单元40能够直接调节直接供给使用者的呼吸气体中氧气的比率，或者间接的使用座舱压力传感器41以及优选的是飞行器高度传感器42、位置传感器44、稀释气体流量计47、可呼吸气体流量计48或者呼吸气体流量计49中的至少一种提供的信息来调节。另外，电控单元40能够使用开环控制或闭环控制来调节供给使用者的呼吸气体中氧气的浓度。尤其是，当使用从座舱压力传感器41和饱和度传感器43中获得的信息时，电控单元40能够使用开环控制来调节呼吸气体中氧气的浓度。图2部分地示出了根据第二实施例的飞行器呼吸装置200。飞行器呼吸装置200中的一些和飞行器装置100中的相同的元件并未示出，因为它们并非是用以理解的必要要素。调节器101的元件和调节器1的元件等同或者能够等同，相同的附图标记不再另作描述。飞行器呼吸装置200包括呼吸面罩104，其包括调节器101和口鼻面罩片3。调节器1是先导阀调节器类型的，然而调节器101是方向阀(directvalve)调节器类型的。调节器101与调节器1的主要不同在于主阀160和先导阀50和主阀160之间的连接。主阀160优选是刚性的且滑动安装在调节器101的外壳102上。主阀160在关闭位置和打开位置之间可移动。在关闭位置上，主阀160被压靠着座162并把可呼吸气体供给线路的上游部分12和可呼吸气体供给线路的下游部分13分隔开。座162优选的是例如橡胶或弹性体材料这样的柔性材料制成的密封件。主阀160在打开位置时，可呼吸气体供给线路的上游部分12通过介于主阀160和座162之间的通路与可呼吸气体供给线路的下游部分13相连通。弹簧161将主阀160朝着关闭位置偏置。如上所描述的，先导阀50的第一表面50a经受呼吸腔室9中的压力，并且其可根据先导腔室58和呼吸腔室9中的压差在静止位置(如其所示)和进气位置之间移动。为了使主阀160的移动与先导阀50的移动机械相连并且放大先导阀50的移动，调节器101进一步包括第一杠杆163和第二杠杆167，第一杠杆163和第二杠杆167都可旋转地安装在外壳102上。在可选的实施例中，可以省略第一杠杆163和第二杆杠167其中的至少一个，假如第一杠杆163和第二杠杆167都被省略了，则主阀160的茎部直接与先导阀50的刚性部分相连接。因此，当先导阀50在静止位置时，主阀160处于关闭位置，以及当先导阀50在进气位置时，先导阀50处于打开位置。关于方向阀调节器的更多细节可以在例如文献FR1484691和FR1427955中找到。当然，本发明并不局限于上述用作说明的非限制性实施例。例如，呼出的气体可以被不同于先导阀50的排气阀排出。电控单元40和座舱传感器41能够由调节器1、101的外壳2、102携载，储藏盒用于接收不使用或者被放置在飞行器座舱内的呼吸面罩。另外，在一种变形中，通路28的截面可以根据促动器22和无液压力传感器改变。促动器22和无液压力传感器可以被面对面地布置成如文献US6,789,539中所公开的那样，促动器22和无液压力传感器直接固定到外壳2、102上，或者优选的无液压力传感器能够被插在促动器22和外壳2、102之间。