Brevet FR2359384A1 — publié le 19780217

La présente invention concerne les conditionneurs et destinée principalement à la protection individuelle de l'homme qui travaille dans les conditions des températures élevées, par exemple, pour la création d'un microclimat dans l'espace à l'ínte- rieur d'un vêtement de protection spécial. I1 est plus avantageux d'appliquer la présente invention pour des ouvriers des mines qui travaillent dans des mines profondes, les ouvriers, qui portent un vêtement de protection dans les conditions des milieux radioactifs et agressifs, les ouvriers des fonderies, les pilotes d'avion, etc. L'invention peut être également réalisée tant selon une variante portative que selon une variante stationnaire qui est montée dans des cabines de moyens de transport et des postes de commande des opérateurs. On connaît des conditionneurs pour la protection de l'organisme de l'homme contre l'action thermique du milieu environnant qui amènent le gaz refroidi sous le vêtement de protection d'un opérateur se trouvant dans des conditions de température élevée ( voir par exemple, les brevets anglais nO 1 063 624 et 1 000 818 ). Ce conditionneur comporte soit une source de gaz comprimé soit une conduite qui lui amène le gaz comprimé, un dispositif de refroidissement et un appareillage de réglage servant à établir un régime thermique requis. En plus, il comporte un échangeur de chaleur réalisant le refroidissement préalable de gaz comprimé arrivant au conditionneur par une source de froid particulière. En tant que source de froid, on utilise, dans les dispositifs mentionnés, un tube de tourbillonnement dont l'action est fondée sur l'effet de la séparation énergétique du courant de gaz introduit tangentiellement à la paroi du tube, en deux composantes, dont la température est au-dessus et au-dessous de la température du gaz qui y arrive. Le dispositif décrit ci-dessusést caractérisé par un nombre d'inconvénients, dont les principaux sont les suivants Le tube de tourbillonnement ne fonctionne d'une manière efficace qu'à une vitesse déterminée du courant tourbillonnaire et, par conséquent, il en découle la nécessisté de prévoir des stabilisateurs de la pression de gaz d'alimentation. En réponse à la variation de la résistance hydraulique de l'appareil consommateur, le régime du tube de tourbillonnement varie également ce qui baisse son rendement. La régulation des paramètres du microclimat dans l'espace intérieur du vêtement devient difficile lors de la variation du régime de fonctionnement du tube de tourbillonnement car lors de la variation du rapport des débits du courant " chaud " et du courant " froid " leur température varie aussi en même temps. L'efficacité du fonctionnement du tube de tourbillonnement dépend essentiellement de la géométrie, des dimensions, de la forme et de la qualité d'usinage des éléments principaux et de sa partie de passage. La complexité des formes géoxnétriques et unequalité élevée-de précision conduisent à un coût élevé du conditionneur tout entier. En outre, il faut prendre en considération que dans ces conditonneurs, on ne prévoit pas la possibilité de régler l'humidité relative et que le refroidissement de gaz jusqu'à la température à laquelle il est fourni à l'homme provoque l'élévation de l'humidité relative de gaz jusqu'à 100% et la précipitation des gouttes d'humidité. De ce fait, l'évaporation de la sueur devient impossible ou en tout état de cause difficile et le pouvoir de réfrigérant du gaz baisse. Le but de la présente invention consite à élever le rendement du conditionneur réalisé selon une conception simple et possédant une haute fiabilité. On s'est posé le problème de mettre au point un dispositif de refroidissement du conditionneur de manière que le refroidissement se fasse sans séparation du courant de gaz en courant froid " et courant " chaud " et que l'on assure ainsi un rendement plus élevé du conditionneur. Le problème posé est résolu dans un conditionneur, comportant un dispositif de refroidissement destiné à relier la source de gaz comprime et la conduite amenant le gaz conditionné vers un poste d'utilisation, caractérisé conformément à l'invention, en We que le dispositif de refroidissement comporte un tube pulsatoire et un commutateur, destiné à relier ce tube tantôt à la source de gaz comprimé tantôt au poste d'utilisation, réalisé sous la forme d'un relais pneumatique à deux membranes comportant une chambre d'admission, reliée à la source de gaz comprimé , une chambre de commande et une chambre d'échappement, reliées à la chambre de commande par l'intermédiaire du tube pulsatoire et à la chambre d'admission par l'intermédiaire d'une tige creuse obturée lorsque la pression dans la chambre de commande est voisine de la pression dans la chambre d'admission, et à la sortie de la chambre d'échappement est monté un volet qui s'ouvre lors de la fermeture de la tige creuse dans le but de la mettre en communication avec la conduite amenant le gaz refroidi vers le poste d'utilisation. La conception proposée permet, grâce à la combinaison du tube pulsatoire et du commutateur-sous la forme d'un relais à deux membranes, de supprimer la formation de la composante "chaude" ce qui permet , d'élever le rendement du conditionneur. En plus, il faut prendre en considération que le rendement du conditonneur s'élève davantage grâce au fait que le commutateur supprime le mélange des courants de gaz refroidi et de gaz d'alimentation. Encore un autre avantage consiste en que qu'on n'a plus besoin de stabiliser la pression de gaz comprimé amené au conditionneur. I1 est avantageux d'utiliser le commutateur, dont la tige creuse possède une extrémité ouverte logée dans la chambre d'échappement à une distance du volet, correspondant à la course de la tige lors de la variation de la pression dans la chambre de commande de manière que, dans la chambre d'admission, la face d'ex trémité s' appuie contre le volet en l'ouvrant et en assurant la liaison entre la chambre d'échappement et la conduite amenant le gaz refroidi au poste d'utilisation et en coupant la liaison entre la chambre d'admission et la chambre d'échappement. Cette réalisation du commutateur permet de supprimer l'utilisation de pièces mobiles rodées et de commandes spéciales pour sa mise en action. L'amélioration ultérieure des paramètres du gaz qui arrive au poste d'utilisation peut être obtenue au moyen de la réduction de l'humidité relative du gaz. A cet effet, on place à la sortie de la chambre d'échappement un séparateur d'eau séparé de ladite chambre par le volet précité. Selon l'une des variantes de réalisation de l'invention, le séparateur d'eau est relié au poste d'utilisation par deux conduites parallèles pourvues chacune de soupapes de riblages et reliées aux chambres étanches à 'calorifuges. , dont l'une abrite un tube pulsatoire réalise sous la forme d'un échangeur de chaleur tandis que l'autre chambre renferme un échangeur de chaleur régénérateur relié à la Source de gaz comprimé et à la chambre d'admission du relais pneumatique, les sorties des chambres étanches etant alors reliées par une conduite commune mise en communication avec le poste d'utilisation. Cette réalisation du conditionneur assure la possibilité de régler les paramètres thermiques du gaz conditionné. Enfin, dans le but d'améliorer les conditions du travail, il est avantageux que dans le dispositif proposé , la partie qui se réchauffe du tube pulsatoire soit disposée en face de l'un des parois du séparateur d'eau et possède les plaques de radiateur sépares par des joints calorifuges et dont le pas diminue progressivement dans la direction du mouvement du gaz entrant dans le tube et de placer dans l'une desdites parois du séparateur d'eau des buses orientées vers les plaques de radiateur pour éjecter, sur celles-ci, le liquide condensé dans le séparateur d'eau. D'autres caractéristiques et avantages seront mieux compris à la lecture de la description d'une variante concrète de réalisation du conditionneur, conforme à l'invention, en se référant aux dessins annexés sur lesquels la Fig.l représente un conditonneur conforme à l'invention la Fig. 2 montre un conditionneur analogue dans son principe au conditionneur représenté sur la Fig.l mais dont le tube pulsatoire fonctionne dans des conditions améliorées Le conditionneur comporte un corps 1, réalisé à partir d'un matériau calorifuge et séparé par des cloisons 2 et 3 en trois chambres étanches 4,5,6. La chambre 4 abrite un échangeur de chaleur régénérateur 7 représenté d'une manière conventionnelle par un serpentin .On a nommé cet échangeur de chaleur régénérateur puisque le gaz arrivant au conditionneur depuis la source de gaz comprimé est. refroidi par le froid produit par le conditionneur lui-même. Ceci va être l'exposé en détails ci-dessous. La chambre 5 renferme un commutateur 8, un séparateur d'eau 9 et des soupapes ou vannes de réglage 10. La chambre 6 abrite un tube pulsatoire II réalisé sous la forme d'un échangeur de chaleur, représenté sur le dessin par un serpentin et doté d'un étranglement 12. Le commutateur 8 est réalisé sous la forme d'un relais pneumatique à deux membranes. I1 comporte des membranes 13 et 14 dont les bords extérieurs sont fixés dans le corps du relais pneumatique tandis que les bords intérieurs sont raccordés à la tige 15 de ce relais pneumatique. La surface effective de la membrane est quelque peu supérieure à celle de la membrane 14. Les membranes 13 et 14 divisent le volume du commutateur 8 en trois chambres ; chambre de commande 16, chambre d'admission 17 et chambre d'échappement 18 . La tige 15 est creuse et percée d'orifices 19 qui relient son enceinte avec la chambre d'admission 17. Un orifice 20 est pratiqué à son extrémité logée dans la chambre d'échappement 18. La chambre de commande 16 abrite un ressort 21 créant un effort transmis à la tige 15 . Ce ressort est réalisé de manière que la pression du gaz comprimé dans la chambre d'admission 17, en agissant sur la membrane 13, peut déplacer la tige 15 en comprimant le ressort 21. La sortie du relais pneumatique est formé par une buse 22 fermée par un volet 23 qui est appliqué contre le siège 22 par un ressort 24. Ce ressort est exécuté de manière que la pression de gaz comprimé dans la chambre d'échappement 18 ne puisse pas écarter le volet 23 dans la buse 22. Le volet 23 est écarté de la buse 22 sous l'action de la tige qui agit sur lui. Alors, le volet 23 ferme l'orifice 20 de la tige 15. La buse 22 du relais pneumatique est reliée par un canal 25 à l'entrée du séparateur d'eau 9 réalisé selon n'importe quelle conception. La sortie du séparateur d'eau 9 est mise en communication par l'intermédiaire des soupapes ou vannes de réglage 10 montées dans les conduites 10, reliées parallèlement aux chambres étanches 4 et 6 du corps 1 du conditionneur. L'échangeur de chaleur-régénérateur 7 est relié par une conduite 26 à la source de gaz comprimé et par une conduite 27 à la source d'admission 17 du relais pneumatique. La conduite- 28 met en communication l'étranglement 12, monté à une extrémité du tube pulsatoire II avec la chambre de commande16. La deuxième extrémité du tube pulsatoire II est reliée par une conduite 29 à la chambre d'échappement. Les chambres étanches 4 et 6 sont reliées parallèlement au poste d'utilisation par une conduite 30 . Le conditionneur décrit ci-dessus peut être logé dans un corps canon représenté) que l'opérateur peut porter sur lui. Le condionneur fonctionne de la manière suivante Le gaz comprimé amené d'une canalisation (non représentée) d'un compresseur particulier ou d'un ballon (non représenté) se dirige par la conduite 26 vers l'échangeur de chaleur régénérateur 7, circule par cette conduite et la conduite 27 et remplit la chambre d'admission 17 du commutateur 8. A ce moment , la pression dans la chambre d'admission 17 s'élève. Du fait que la surface effective de la membrane 13 est supérieure à celle de la membrane 14, la force résultante agissant sur la tige 15 du côté des membranres 13 et 14 fait déplacer la tige 15 vers la chambre de commande 16. Le ressort 21 se cooerime .L'orifice 20 dans la face d'extrémité de la tige s'éloigne du volet 23 et le gaz comprimé passe de la chambre d'admission 17 à travers les orifices 19 et 20 ménagés dans la tige creuse 15 et remplit la chambre d'échappement 18 . La pression de gaz comprimé augmente dans la chambre d'échappement 18 et commence à solliciter la membrane 14 en faisant se déplacer encore la tige 15 vers la chambre de commande 16. Le gaz comprimé, ayant passé par la conduite 29, remplit le tube pulsatoire II et commence à arriver à travers l'étranglement 12 et la conduite 28 à la chambre de commande 16.Lorsque la pression du gaz comprimé dans la chambre de commande 16 a atteint une certaine valeur, la force agissant sur la tige 15 du côte de la membrane 13 devient inférieure à la force agissant du côté du ressort comprimé 21.Sous l'action du ressort 21, la tige 15 commence à se déplacer vers la chambre d'échappement 18 et son extrémité comportant l'orifice 20 appuie sur le volet 23. A ce moment, l'orifice 20 est fermé, et, en conséquence, la liaison entre la chambre d'admission 17 et la chambre d'échappement 18 se trouve interrompue. La pression dans la chambre de commande 16 continue à augmenter à la suite de l'arrivée de gaz depuis le tube pulsatoire II. La tige 15 continue à agir sur le volet 23 avec une force croissant de plus en plus et lorsque la pression dans la chambre de commande 16 a atteint une valeur voisine de la pression daws la chambre d'admission 17 elle l'écarte de la buse 22. Au moment de l'ouverture du volet 23 la pression dans la chambre d'échappement 18 decroît. Une force coeenoe à agir sur la tige 15 du côté de la membrane 14 dans la direction de la chambre d'échappement 18. En agissant sur le volet 23, la tige 15 le fait s'écarter davantage de la buse 22. En conséquence, la chambre d'échappement 18 est reliée à la conduite 25 et, par l'intermédiaire de celle-ci, au séparateur d'eau 9. La pression dans le tube pulsatoire II croît brusquement et le gaz comprimé commence à s'écouler depuis la chambre de commande 16 par la conduite 28 et l'étranglement 12 dans le tube pulsatoire Il et, par la conduite 29, arrive dans la chambre d'échappement 18. Ensuite, le processus se déroule de la manière précédemment décrite et le relais à deux membranes fonctionne en régime automatique d'oscillations en reliant le tube pulsatoire II tantôt à la source de gaz comprimé tantôt au poste de consommation. Le tube pulsatoire II se remplit, se vide périodiquement. La température du gaz lors du remplissage et de la vidange du tube pulsatoire II varie conformément à la loi de Joule. Lors du remplissage du tube pulsatoire II, la température du gaz comprimé s'élever Une grande surface du tube pulsatoire II réalisé sous forme d'un échangeur de chaleur permet d'évacuer une partie de chaleur, se degageant lors de la compression du gaz, vers l'espace de la chambre étanche 6. En conséquence, la température finale du gaz comprimé dans le tube pulsatoire II décroît quelque peu. Lors de l'expansion ou de la détente du gaz s'échappant du tube pulsatoire II, sa température diminue et se trouve au-dessous de la température du gaz arrivant depuis la source de gaz comprimé. Lors du refroidissement du gaz les vapeurs d'eau se condensent, les gouttes d'humidité sont captées dans le séparateur d'eau 9 et, au fur et à mesure qu'elles s'accumulent, le liquide est évacué à l'extérieur du conditionneur par les orifices ménagés (non représentés ) dans le séparateur d'eau 9 et dans le corps 1. Le gaz refroidi et déshydraté passe par la chambre étanche 6 et est chauffé par la chaleur cédée par le tube pulsatoire II, son humidité relative décroît alors. Dans la chambre étanche 4, il se produit également une élévation de la température du gaz s'échappant du séparateur d'eau 9 à la suite de la transmission de la chaleur du gaz circulant dans l'échangeur de chaleur régénérateur 7 depuis la source de gaz comprimé. A ce moment, le gaz comprimé arrivant à la chambre d'admission 17 est refroidi quelque peu ce-qui aboutit à l'élévation du rendement de l'installation. En règlant le rapport des courants de gaz circulant à travers les chambres 4 et 6 à l'aide des vannes ou soupapes de réglage 10, il est possible d'obtenir les caractéristiques requises du gaz arrivant par la conduite 30 au poste d'utilisation. On peut régler le débit du gaz refroidi et, par conséquent la puissance frigorifique du conditionneur en variant la fréquence de commutation du relais pneumatique 8 à l'aide de l'étranglement 12. La Fig. 2 représente l'une des variantes de la ruali- sation constructive du conditionneur dans laquelle le liquide, condensé dans le séparateur d'eau, est utilisé pour le refroidissement auxiliaire de la partie qui se réchauffe du tube pulsatoire. On sait qu'à la suite de la compression et de détente successives du gaz dans le tube pulsatoire, sa température se répartit d'une manière irrégulière suivant la longueur du tube et augmente dans la direction du mouvement du gaz entrant dans le tube pulsatoire. En conséquence d'une haute conductibilité thermique du matériau du tube pulsatoire, il se produit une égalisation de la température du gaz à l'intérieur du tube pulsatoire ce qui abaisse le rendement du conditionneur . La realisatioons.tructive du conditionneur conformément à la variante représentée sur la figure 2 donne la possibilité de refroidir la partie qu se réchauffe du tube pulsatoire à la suite de l'évaporation dans celui-ci de l'humidité con densée, obtenir une évacuation régulière de la chaleur depuis la partie chauffée du tube pulsatoire, supprimer l'é-galisation de la température du gaz à l'intérieur du tube pulsatoire, ce qui conduit en définitive à l'augmentation du rendement du conditionneur. Cette variante de la conception du conditionneur est analogue, en général, à la variante de réalisation représentée sur la figure 1 et, pour cette raison, les éléments analogues sont désignés par les mêmes repères que sur la figure 1. La différence consiste en ce que la partie du tube pulsatoire II désignée sur la figure 2 par le repère 31 et montrée à plus grande échelle, est déplacée dans la chambre 5 du conditionneur et pourvue d'une rangée de plaques de radiateur 32 séparées l'une de l'autre par des joints calorifuges 33. Les plaques de radiateur sont disposées suivant un pas qui diminue progessivement dans la~direction du mouvement du gaz entrant dans le tube pulsatoire II. L'une des parois du séparateur dèau 9 comporte des buses 34 orientées vers les plaques de radiateur 32.Dans la paroi de la chambre 5 du conditionneur, on a prévu une rangée d'orifices 35 reliant ladite chambre 5 à l'atmosphère. Pendant le fonctionnement du conditonneur, qu'on vient d'exposer, le liquide condensé dans le séparateur d'eau 9 est éjecté à travers les buses 34 sous une certaine pression excédentaire du gaz détendu et refroidi, vers les plaques de radiateur 32 de la partie se réchauffant du tube pulsatoire II et s'évapore à partir de celles-ci. Le mélange vapeur-gaz accumulé dans la chambre 5 est évacué à l'atmosphère ( dans un milieu environnant ) par les orifices 35. Les joints calorifuges 33 empêchent la propagation de la chaleur depuis des plaques de radiateur plus chaudes vers celles qui sont moins chaudes. Quant aux autres particularités, le conditionneur représenté sur la figure 2 fonctionne de la manière analogue au conditionneur montré sur la Fig.l. Le conditionneur proposé assure de bonnes caractéristiques au gaz conditionné en particulier une basse humidité relative de ce gaz, et la possibilité de régler les paramètres du gaz conditionné. La conception du conditionneur pposé est simple et fiable. I1 peut fonctionner dans une large plage de températures de gaz comprimé. REVENDICATIONS 1 - Conditionneur , comportant un dispositif de refroidissement destiné à être relié à une source de gaz comprimé et à une conduite amenant le gaz conditionné à un poste d'utilisation, caractérisé en ce que le dispositif de refroidissement possède un tube pulsatoire et un commutateur destiné à relier ce tube tantôt à la source de gaz comprimé, tantôt au poste d'utilisation, réalisé sous la forme d'un relais pneumatique à deux membranes comportant une chambre d'admission, reliée à la source de gaz comprimé, une chambre de commande et une chambre d'échappement, reliée à la chambre de commande par l'intermédiaire du tube pulsatoire et à la chambre d'admission l'intermédiaire d'une tige creuse obturée lorsque la pression dans la chambre de commande est voisine de la pression dans la chambre d'admission, et à la sortie de la chambre d'échappement est monté un volet qui s'ouvre lors de la fermeture de la tige creuse, dans le but de la mettre en communication avec la conduite amenant le gaz refroidi de la chambre d'échappement au poste d'utilisation. 2 - Conditionneur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre de commande est mise en communication avec le tube pulsatoire par l'intermédiaire d'un étranglement. 3 - Conditionneur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que la tige creuse possède une face d'extrémité ouverte disposée dans la chambre d'échappement à une distance du volet correspondant à la course de la tige lors de la variation de la pression dans la chambre de commande, de manière que lorsque la pression dans la chambre de commande est voisine de la pression dans la chambre d'admission, la face d'extrémité de la tige s'appuie contre le volet en l'ouvrant et en assurant la liaison entre la chambre d'échappement et la conduite amenant le gaz refroidi au poste d'utilisation, et en interrompant la liaison entre la chambre d'admission et la chambre d'échappement. 4 - Conditionneur suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'à la sortie de la chambre d'échappement est monté un séparateur d'eau (9) séparé de cette chambre par ledit volet. 5 - Conditionneur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que que le séparateur d'eau est relié au poste d'utilisation à travers deux conduites parallèles pourvues chacune de vannes ou soupapes de réglage et mises en communication avec des chambres étanches calorifuges, dont l'une abrite un tube pulsatoire réalisé sous la forme d'un échangeur de chaleur tandis que l'autre renferme un échangeur de chaleur régénérateur mis en communication avec la source de gaz comprimé et avec la chambre d'échappement du relais pneumatique, les sorties des chambres étanches étant reliées par une conduite commune mise en communication avec le poste d'utilisation. 6 - Conditionneur suivant la revendication l, caractérisé en ce que la partie qui se réchauffe du tube pulsatoire est disposée en face de l'une des parois du séparateur d'eau et comporte des plaques de radiateur disposées avec un pas qui diminue progressivement dans la direction du mouvement du gaz entrant dans le tube et séparées l'une-de l'autre par des joints calorifuges, des buses orientées vers les plaques de radiateur et destinées à éjecter le liquide condensé dans le séparateur d'eau sur celles-ci, étant montées dans l'une des parois du séparateur d'eau.