Brevet FR2544204A1 — publié le 19841019

"APPAREIL DE RESPIRATION A GENERATION CEIMIQUE D'OXYGENE" Invention de Jean MAIAFOSSE, Gérard VARLOT et Michel PIERRE. La présente invention concerne un appareil de respiration à génération chimique d'oxygène, du type cartouche destinée à recevoir une masse absorbante sous forme de pastilles, comme le superoxyde de potassium éventuellement additionné d'un oxyde ou hydroxyde de métal alcalinoterreux ou de potassium, en particulier les cartouches travaillant à un niveau cinétique élevé. Un appareil est généralement conçu pour répondre aux besoins respiratoires d'un homme effectuant un niveau d'effort donné pendant une durée bien déterminée. On est donc conduit, pour chaque appareil, à rechercher le poids minimum de superoxyde correspondant à un taux d'utilisation maximum, ce qui implique de corréler au mieux divers paramètres, tels la réactivité du superoxyde, son comportement à la température, les grosseur et forme des pastilles de superoxyde et notamment la structure de la charge régénératrice. Les appareils de respiration à génération chimique d'oxygène sont parfois soumis à des conditions de régénération intensive quand le niveau respiratoire atteint un débit supérieur à 35 litres par minute (et m 9 me 70 litres/minute, pendant quelques minutes pour des teneurs en anhydride carbonique comprises entre 4 et 5 %). Dans ces conditions, les particules de réactifs solides à base de superoxyde de potassium sont le siège des réactions du superoxyde avec l'anhydride carbonique et avec la vapeur d'eau. Ces réactions qui dégagent de l'oxygène sont très exothermiques, soumettant les particules de réactifs à des températures très élevées pouvant atteindre 200 à 300 'C. On sait que le superoxyde réagit plus rapidement avec l'anhydride carbonique qu'avec la vapeur d'eau, ce qui correspond à une fixation plus accélérée du C 02, alors que le superoxyde de potassium pur génère de l'oxygène à partir de la vapeur d'eau en formant des hydrates de potasse relativement fusibles. Et, quand un lit de particules de régénération des atmosphères respirables est soumis à l'action d'un gaz correspondant à un niveau respiratoire élevé, on constate que la couche de produit de régénération se trouvant au front d'attaque 2 2544204 du gaz à régénérer se carbonate rapidement et que les particules conservent leur forme et leurs propriétés mécaniques, alors qu'en aval de cette couche, les particules de régénération reçoivent une quantité importante d'eau et sont rapidement déformées et rendues déliquescentes. Si on poursuit l'opération, cette dégradation évolue jusqu'à la fusion des particules, entraînant ainsi un effondrement partiel de la charge régénératrice, avec formation d'une part d'une masse fondue compacte offrant au gaz une surface réactive très diminuée et d'autre part, des cavernes vides de réactif qui constituent probablement des canaux préférentiels empruntés par le gaz à régénérer et dans lesquels l'anhydride carbonique est -retenu de manière très imparfaite Bien qu'il reste encore dans le lit de particules régénératrices, une proportion importante de produit réactif, on observe une augmentation rapide de la teneur en anhydride carbonique du gaz effluent correspondant à une forte diminution de la réactivité globale du lit; cette diminution du taux d'épuration du gaz est souvent accompagnée d'une forte augmentation de la perte de charge du lit de particules Il en résulte une mauvaise utilisation du potentiel réactif initialement mis en oeuvre. On a cherché à pallier cet inconvénient en donnant à la cartouche une structure telle que le gaz ne traverse à faible vitesse qu'une faible épaisseur du superoxyde, ou en divisant la charge en petites fractions par de nombreuses cloisons métalliques qui viennent au contact de la paroi; on abqutit ainsi à des structures complexes dans lesquelles le poids de matière non réactive est relativement important; elles sont d'un prix de revient élevé et leur remplissage est assez malaisé et se prête mal à une automatisation. Récemment, on a proposé un moyen permettant de supprimer l'augmentation excessive des pertes de charge du superoxyde de potassium au cours de conditions intensives de régénération Selon la demande de brevet d'invention 82 01 844, on incorpore au superoxyde de potassium, avant granulation ou pastillage, une certaine proportion d'oxyde alcalinoterreux à l'état pulvérulent; on ralentit la dégradation des particules causée par la vapeur d'eau L'oxyde de calcium est 3 2544204 particulièrement efficace pour obtenir cet effet Néanmoins, cette addition de chaux a une incidence sur la quantité d'oxygène potentiel générable, celle-ci étant limitée par la dilution du superoxyde. Ce moyen ne donne pas pleinement satisfaction quand on veut réaliser des lits de mélanges réactifs relativement épais, pouvant atteindre une vingtaine de centimètres, qui travaillent à un niveau cinétique élevé, avec *une durée de régénération prolongée et une utilisation pratiquement totale 'du potentiel réactif du solide. On a recherché-des dispositifs permettant le traitement des mélanges gazeux correspondant à des niveaux respiratoires élevés, pendant une durée dite élevée, c'est-à-dire supérieure à minutes, et avec une mise en oeuvre pratiquement complète du potentiel réactif de la charge génératrice. Selon l'invention, il a été trouvé une cartouche métallique pour appareils de respiration à génération chimique d'oxygène, travaillant à des niveaux respiratoires élevés, munie d'aménagements internes qui, en favorisant l'élimination partielle vers l'extérieur de la chaleur dégagée, conduit à une utilisation optimale de lits épais de superoxyde de potassium pur ou de mélanges à base de superoxyde de potassium contenant éventuellement de l'oxyde de calcium. Suivant un des aménagements internes de cet-appareil respiratoire à circulation verticale des gaz constitué par un bottier comportant un fond ouvert et un fond fermé, les embouts coaxiaux d'admission et d'évacuation des gaz sont concentriquement ménagés sur le fond supérieur du bottier, l'embout central d'admission des gaz à épurer étant prolongé en conduit vertical, ouvert à sa base, jusqu'au dégagement du fond du bottier au niveau de la paroi perforée inférieure supportant la charge régénératrice, ce conduit d'admission débouchant au centre de cette paroi perforée à laquelle il est fixé, par soudage, emboutissage Les gaz à épurer circulent de bas en haut dans le conduit d'admission, puis ils se répartissent dans le dégagement du fond -du bottier avant de traverser la paroi perforée 4 2544204 supportant la charge régénératrice et de circuler dans celle-ci de bas en haut, les gaz régénérés traversant la paroi perforée supérieure maintenant la charge régénératrice, puis s'échappant par l'embout d'évacuation. L'aménagement interne constitué par le tube central d'admission des gaz à épurer est avantageusement choisi en matériaux conducteurs de la chaleur, tels les métaux comme le cuivre et le laiton. Suivant un autre aménagement interne d'une cartouche dans laquelle la circulation des gaz à régénérer s'effectue de bas en haut, la partie supérieure du boîtier de la cartouche est garnie d'une série de radiateurs parallèles au sens de circulation des flux gazeux dans la charge régénératrice, fixés aux parois du boîtier et dont la longueur est inférieure à la hauteur de ladite charge. Il a été' constaté que la longueur des radiateurs est avantageusement comprise entre la moitié et le tiers de l'espacement entre les deux parois perforées supportant et maintenant la charge-régénératrice. Ces aménagements internes placés dans la partie haute de la charge régénératrice, du côté de la sortie du gaz à traiter, sont fabriqués en matériaux bons conducteurs de la chaleur, tels que le cuivre et le laiton, par exemple à partir de tôles de 0,5 à 1 mm d'épaisseur. Bien que des solutions simples, économiques et facilement réalisables, tels tubes droits, t 8 les lisses, donnent - d'excellents résultats, on peut aussi utiliser des solutions plus éléborées telles des ailettes, tôles ondulées, etc Dans certains cas, on peut utiliser pour la réalisation de radiateurs des matériaux à transformation endothermique tels des alliages dont les températures de fusion se situent dans la plage de fonctionnement de la charge régénératrice. Quand l'aménagement interne du boîtier de la cartouche est limité aux radiateurs, celle-ci peut comprendre deux fonds ouverts, avec un embout coaxial d'admission ménagé sur le fond inférieur du boîtier et un embout coaxial d'évacuation ménagé sur le fond supérieur du bottier. 2544204 Une réalisation avantageuse consiste en deux aménagements internes de la cartouche, à savoir le conduit central vertical d'introduction des gaz à épurer débouchant dans le dégagement du fond du bottier et la disposition d'une série de radiateurs parallèles au sens de circulation des flux gazeux dans la charge régénératrice, fixés aux parois du bottier et dont la longueur est inférieure à la hauteur de celle-ci, de préférence comprise entre la moitié et le tiers de l'espacement entre les deux parois perforées délimitant la hauteur de la charge régénératrice Dans ce type de dispositif, le bottier de la cartouche comporte un fond supérieur ouvert dans lequel est aménagé les embouts coaxiaux d'admission et d'évacuation des gaz. L'invention sera illustrée à l'aide des figures et d'exemples décrits ci-après. La figure I représente un dispositif à fonds ouverts sans aménagement interne selon une vue en coupe. La figure II représente une vue en coupe d'un appareil de régénération avec tube central d'admission des gaz à épurer, et fond supérieur ouvert. Les figures III et III' montrent des vues en coupe d'un bottier de cartouche à fonds ouverts, aménagé avec des radiateurs. Les figures IV et IV' sont des vues en coupe de l'association des deux aménagements internes; tube central d'admission et radiateurs; et la figure V est une vue en perspective cavalière dans le cas o les radiateurs sont des ailettes. La figure I montre -un corps de bottier métallique ( 1) sur lequel est soudé, à son extrémité supérieure, un fond ( 2) avec une perforation centrale ( 2 ') Sur lui est soudé, du côté extérieur et en son centre, un embout percé ( 3) pouvant se raccorder à une tubulure -des gaz régénérés, non représentée A l'extrémité inférieure du bottier, est soudé le fond ( 4) avec une perforation central ( 4 ') Sur lui, est soudé du coté extérieur et en son centre, un embout d'admission percé ( 5) ou tubulure d'entrée du gaz à régénérer. 6 2544204 A l'intérieur du corps de boîtier se trouve la cartouche de régénération ( 6) qui présente une paroi latérale perforée inférieure ( 7), et une paroi latérale perforée supérieure ( 8), entre lesquelles est logée la charge régénératrice Entre le fond inférieur ( 4) et la paroi perforée ( 7) se situe un dégagement du fond du bottier ( 9). Dans cet appareil de régénération, le gaz à régénérer est introduit par la tubulure inférieure, traverse de bas en haut la charge régénératrice et après régénération est évacué par la tubulure supérieure. La-figure Il montre un corps de bottier ( 1) auquel sont soudés, à son extrémité supérieure, un fond ( 2) avec une perforation centrale ( 2 ') et à son extrémité inférieure un fond fermé ( 4). Sur le fond ( 2) sont soudés les embouts coaxiaux d'admission de gaz à épurer ( 5) et d'évacuation de gaz régénéré ( 3); l'embout central ouvert se prolonge en un conduit d'admission ( 5 ') débouchant au centre de la paroi inférieure perforée ( 7). Comme précédemment, à l'intérieur du corps de bottier, se trouve la cartouche de régénération ( 6) avec les deux parois ( 7) et ( 8) et se situe un fond inférieur de dégagement ( 9). Dans ce dispositif de régénération, les gaz à épurer sont introduits à la partie supérieure par l'embout d'admission ( 5) et circulent verticalement de haut en bas dans le conduit d'admission ( 5 '), se répartissent dans le dégagement du fond de bottier ( 9) et attaquent le lit de superoxyde de potassium de bas en haut, s'échappent par la paroi perforée supérieure ( 8), circulent dans le fond supérieur de dégagement ( 10) puis l'embout coaxial d'évacuation ( 3) en direction de la tubulure de gaz régénérés, non représentée. Les figures III et III' montrent un bottier du type de la figure I, comportant comme aménagement interne une série de radiateurs parallèles ( 11) fixés par les soudures ( 12) sur les parois latérales du bottier La coupe selon la ligne AB montre sur la figure III' la disposition des radiateurs et leurs points 7 2544204 d'insertion sur les parois du boîtier ( 12) et de contact entre-eux ( 13), notamment pour des radiateurs en forme d'ailettes. La figure IV montre un bottier du type de la figure II comportant, en plus, le second aménagement interne constitué par une série de radiateurs parallèles ( 11) fixés comme précédemment. Et, sur la figure IV', selon la coupe AB, on peut voir la distribution des radiateurs, leurs points de fixation sur les parois du bottier ( 12) et de contact entre-eux ( 13), ainsi que leurs points de fixation ( 14) sur le conduit central d'admission des gaz à épurer ( 5 '). La figure V montre une vue-en perspective cavalière du bottier, avec la figuration des sens des gaz à épurer et après régnération, dans le cas de l'association du conduit central d'admission et des radiateurs à ailettes, avec sortie du gaz à la partie supérieure de la cartouche placée dans le bottier. Pour évaluer l'amélioration des performances des appareils de respiration à génération -chimique d'oxygène, on utilise le dispositif expérimental succinctement décrit ci-dessous Il comprend un générateur de gaz pulsé à vingt pulsations par minute et à un débit moyen de 35 litres par minute à 20 C Ce générateur reçoit à chaque pulsation un volume constant d'anhydride carbonique correspondant à un débit moyen de 1,57 litre/minute ( 4,5 % de 35 1/mn) Ce gaz porté à 370 C, saturé d'eau à cette température est envoyé sur un lit de superoxyde de potassium, puis recueilli dans un sac respiratoire et aspiré dans le générateur o il est remis au titre en anhydride carbonique et vapeur d'eau L'ensemble fonctionne ainsi en circuit semi-fermé, le générateur de gaz rejette à l'atmosphère un volume de gaz épuré équivalent au volume d'anhydride carbonique introduit; une soupape tarée sur le sac respiratoire élimine l'excès d'oxygène éventuellement fourni par la charge respiratoire de superoxyde de potassium Des analyseurs d'oxygène et d'anhydride carbonique donnent en continu la composition du gaz épuré; on mesure aussi la variation de perte de charge de l'ensemble: lit de superoxyde-sac respiratoire, à l'expiration et à l'inspiration. 8 2544204 On appelle autonomie de la cartouche le temps au bout duquel l'une des limites suivantes est atteinte, à savoir: la teneur en CO 2 du gaz épuré est supérieure à 1,5 %; l'augmentation de la perte de charge à l'expiration est supérieure à 5 millibars (ceci mesure l'augmentation de perte de charge du lit de superoxyde,due à un colmatage partiel); la variation de perte de charge à l'inspiration augmente brutalement et le sac respiratoire est plat (ceci traduit une génération d'oxygène nulle ou fortement diminuée qui ne compense plus le 1 o besoin respiratoire). * Dans les conditions expérimentales ci-dessus décrites, on trouve, ci-dessous, la description de quelques uns des essais réalisés. EXEMPLES 1 A 4. On utilise un lit de superoxyde de potassium à section rectangulaire de 162 cm 2, traversé de bas en haut à l'expiration par le gaz à épurer La charge utilisée,z d'un poids de 1 600 g, est constituée de pastilles biconcaves de 9 mm de diamètre et 4,5 mm d'épaisseur fabriquées à partir d'un mélange à base de superoxyde contenant 70 % de KO 2, 10 % de Ca O, 15 % KOH et 0,135 % Cu+ sous forme d'oxychlorure. Avec le dispositif de la figure I, sans aménagement interne, la teneur en CO 2 du gaz épuré dépasse 1,5 % après 78 minutes de fonctionnement. Avec celui de la figure II à tube central d'admission, cette limite est atteinte en 88 minutes. Avec les radiateurs schématisés sur -la figure III, cette teneur en CO 2 de l'effluent n'est atteinte qu'après 97 minutes de fonctionnement. Avec le dispositif, selon la figure IV, combinant le tube central d'admission et les radiateurs, l'autonomie mesurée vis-à-vis du C 02 est alors de 102 minutes. Dans tous les cas, l'augmentation de perte de charge reste très en-dessous de la limite fixée. 3 R EXEMPLE 5. On place dans une cartouche de 162 cm 2 de section, représentée sur la figure 1, 1 800 g de superoxyde de potassium à 9 2544204 73,3 % KO 2, 8 % Ca O et 10 ppm Cu On opère dans les mêmes conditions expérimentales que pour les exemples précédents, mais en outre, la cartouche est placée dans un boîtier analogue à celui utilisé dans l'appareil respiratoire type commercial. On constate que la perte de charge à l'expiration reste pratiquement constante, après stabilisation en quelques minutes au début de l'opération La teneur en anhydride carbonique du gaz effluent passe par un maximum de 0,8 % à la 72 ème minute, puis décroît rapidement est n'est que de 0,2 % à la 97 ème minute. La génération d'oxygène s'arrête après 97 minutes de fonctionnement, le sac respiratoire est alors plat est la perte de charge à l'inspiration augmente brutalement. 2544204 REVENDICATIONS 1 Appareil de respiration à génération chimique d'oxygène et circulation verticale de bas en haut des gaz à régénérer, du type cartouche destinée à recevoir une charge régénératrice absorbante sous forme de pastilles, constitué par un boîtier ( 1) comportant un fond ouvert ( 2) et un fond fermé ( 4), caractérisé en ce que les embouts coaxiaux d'admission ( 5) et d'évacuation des gaz ( 3) sont concentriquement ménagés sur le fond supérieur du boîtier ( 2), l'embout central d'admission ( 5) étant prolongé verticalement en conduit d'admission ( 5 ') jusqu'au dégagement du fond du boîtier ( 9) au niveau de la paroi perforée inférieure ( 7) supportant la charge régénératrice, ce conduit d'admission ( 5 ') débouchant au centre de cette paroi perforée ( 7) à laquelle il est fixé. 2 Appareil de respiration à génération chimique d'oxygène, et circulation verticale des gaz, du type cartouche selon la revendication 1, caractérisé en ce que le tube central d'admission des gaz à épurer ( 5 et 5 ') est en matériau conducteur de la chaleur. 3 Appareil de respiration à génération chimique d'oxygène, et circulation verticale de bas en haut des gaz à régénérer, du type cartouche destinée à recevoir une charge régénératrice absorbante sous forme de pastilles, caractérisé en ce que la partie supérieure du boîtier de la cartouche ( 6) du côté de la sortie des gaz à traiter est garnie d'une série de radiateurs ( 11) parallèles au sens de circulation des flux gazeux sous la charge régénératrice, fixés aux parois du boîtier ( 12) et dont la longueur est inférieure à la hauteur de la charge. 4 Appareil de respiration à génération chimique d'oxygène, et circulation verticale de bas en haut des gaz à régénérer, selon la revendication 3, caractérisé en ce que la longueur des radiateurs ( 11) est comprise entre le tiers et la moitié de l'espacement entre les deux parois perforées ( 7 et 8) supportant et maintenant la charge régénératrice ( 6). Appareil de respiration selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les radiateurs ( 11) sont en matériau bon conducteur de la chaleur. hl 2544204 6 Appareil de respiration selon une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les radiateurs sont en forme d'ailettes. 7 Appareil de respiration à génération chimique d'oxygène, et circulation verticale de bas en haut des gaz à régénérer, du type cartouche destinée à recevoir une charge régénératrice absorbante sous forme de pastilles, caractérisé en ce que la cartouche est munie de l'association des deux aménagements internes principaux, selon les revendications l et 3, tel un embout central d'admission ( 5) des gaz à épurer, prolongé verticalement en conduit d'admission ( 5 ') jusqu'au dégagement du fond du bottier ( 9) au niveau de la paroi inférieure perforée ( 7) supportant la charge régénératrice, ce conduit d'admission ( 5 ') débouchant au centre du cette paroi perforée ( 7) à laquelle il est fixé; la partie supérieure du boîtier de la cartouche ( 6), du c 8 té de la sortie des gaz à traiter, est garnie d'une série de radiateurs (Il) parallèles au sens de circulation des flux gazeux dans la charge régénératrice, fixés aux parois du bottier ( 12) et dont la longueur est inférieure à l'espacement entre les deux parois perforées ( 7) et ( 8). 1 8 Appareil de respiration selon une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que les radiateurs contiennent un matériau à transformation endothermique.