Brevet FR2573659A1 — publié le 19860530

La présente invention concerne les appareils respiratoires à oxygène lié, et a notamment pour objet un dispositif d'échange de chaleur et d'humidité pour appareil respiratoire à oxygène lié. La présente invention est applicable à des masques autosauveteurs de mine utilisés dans l'industrie minière, pour la protection des organes respiratoires dans des conditions défavorables, dans l'industrie chimique et dans d'autres secteurs industriels o il y a nécessité de protéger pendant de courtes durées les organes respiratoires de l'homme. On connaît un dispositif d'échange de chaleur et d'humidité pour appareil respiratoire (conditionneur de flux de gaz respiratoire) (voir, par exemple, le brevet USA n 3747598, Cl. Int. A 62B 7/06, 1970), comportant des éléments hydrophobes, à savoir dix toiles en fil de cuivre d'une haute conductibilité calorifique, entre lesquelles sont disposés des éléments hydrophiles qui sont des moyens hygroscopiques sous forme de tamis moléculaires activés. Dans ledit dispositif d'échange de chaleur et d'humidité, l'air expiré traverse un en- semble multicouche d'éléments hydrophobes et hydrophiles (lesdites toiles et les tamis moléculaires) alternés. L'air expiré est séché par adsorption des vapeurs d'eau par la structure poreuse des éléments hydrophiles (tamis moléculaires). En passant par une cartouche de régéné- ration faisant partie de l'appareil respiratoire, l'air inspiré chaud traverse l'ensemble multicouche d'éléments hydrophobes et hydrophiles et se refroidit du fait qu'une partie de la chaleur est transmise aux éléments hydro- phobes (toiles de cuivre) et dissipée lors de l'évaporation de l'humidité, adsorbée par les éléments hydrophiles (tamis moléculaires), cette évaporation contribuant à l'humidification de l'air inspiré. Ledit dispositif d'échange de chaleur et d'humidité pour appareil respiratoire est peu efficace, car à la fin du fonctionnement de l'appareil respira- toire, en raison de l'accroissement de la température des éléments hydrophiles adsorbant l'humidité (tamis moléculaires), le pouvoir d'adsorption physique de ces éléments hydrophiles diminue et il se produit une répartition du flux d'air, la saturation en humidité de la matière adsorbante des éléments hydrophiles devenant irrégulière. On connaît aussi largement un dispositif d'échange de chaleur et d'humidité pour appareil respi- ratoire (voir, par exemple, le brevet japonais n 56-53381, Cl. Int. A 61M 16/00, A 62B 7/00, 1977), comportant, dans un corps se présentant sous forme d'un élément tubulaire, un ensemble multicouche d'éléments alternés hydrophobes (éléments métalliques conducteurs de chaleur) et hydrophiles (éléments calorifuges) adsorbant l'humidité. Les éléments hydrophobes et hydrophiles de ce dispositif sont réalisés sous forme de rondelles. Les éléments hydrophobes sont réalisés en toiles métalliques maillées. Ce dispositif d'échange de chaleur et d'humidité pour appareil respiratoire se caractérise par une faible efficacité par suite des conditions défavorables d'écou- lement de l'air inspiré et expiré sur les éléments hydrophobes: les fibres métalliques conducteurs de chaleur. Cela s'explique par le fait que l'échauffement et le refroidissement des éléments hydrophobes prend relativement beaucoup de temps, alors que le temps réel d'échange thermique entre l'air inspiré et expiré et les éléments hydrophobes lors de l'inspiration et l'expiration est très court (0,3 à 0,5 s). Etant donné qu'à la fin de la période d'action protectrice de l'appareil respira- toire les éléments conducteurs de chaleur sont chauffés 3 2573659 au maximum et que leur température est proche de la température de l'air qui arrive du sac respiratoire, le temps indiqué s'évère tout à fait insuffisant pour le refroidissement efficace de l'air inspiré. On constate également une altération des condi- tions d'écoulement du flux d'air inspiré et expiré sur les fibres calorifuges faisant partie des éléments hydrophiles imprégnés par un adsorbant à adsorption chimique et dont l'augmentation de la température n'influe pas sur leur pouvoir d'adsorption de l'humidité. Parmi ces adsorbants on peut citer les sels hygrosco- piques du type CaCl2, LiCl, ZnCl2 déposés sur un substrat (rondelles en matériau fibreux) qui, en adsorbant l'humidité, forment des hydrates cristallins. Sur la surface des éléments hydrophiles se forme une couche de solution de substance hygroscopique qui ferme les pores des éléments hydrophiles ainsi que des éléments hydrophobes voisins. Le colmatage des pores dans les éléments hydrophobes et hydrophiles par une solution de substance hygroscopique conduit à une redistribution du flux d'air et à l'utilisation irrégulière de l'-adsor- bant des éléments hydrophiles. La présente invention vise donc à créer un dispositif d'échange de chaleur et d'humidité pour appareil respiratoire à oxygène lié, dont la conception des éléments permettrait d'augmenter l'efficacité de son action grâce à l'amélioration des conditions d'écou- lement du flux d'air sur les fibres des rondelles hydrophobes et hydrophiles. Le problème ainsi posé est résolu du fait que le dispositif d'échange de chaleur et d'humidité pour appareil respiratoire à oxygène lié, comportant un corps avec des tubulures dont l'une se raccorde à l'ensembile facial de l'appareil respiratoire, et l'autre, à- une cartouche de régénération de l'appareil respiratoire, et 4 2573659 un ensemble multicouche composé de rondelles alternées hydrophobes et hydrophiles et disposé dans ledit corps coaxialement à ce dernier, est caractérisé selon l'invention, en ce que les rondelles hydrophiles de l'ensemble multicouche sont constitués de toiles en matière fibreuse imprégnées d'une substance hygrosco- pique, les rondelles hydrophobes de l'ensemble multicouche sont en un matériau non tissé volumineux, ayant une densité Li.néaire moins élevée que la densité linéaire du matéria*u des rondelles hydrophiles, et qu'il est prévu en utre deux grilles de compression distributrices d'air dispsCes sur les faces en bout opposées de l'ensemble multicouche et se trouvant en contact avec les rondelles hydrophobes. Il est avantageux, en vue d'obtenir une utilisa- tion régulière des éléments hydrophiles, résultant d'une redistribution du flux d'air, qu'au moins l'une des grilles de distribution d'air comporte des orifices dont la section va en croissant de l'axe vers la périphérie. Ce mode de réalisation du dispositif d'échange de chaleur et d'humidité pour appareil respiratoire à oxygène lié augmente l'efficacité de son action grâce à l'amélioration des conditions d'écoulement du flux d'air sur les fibres des rondelles hydrophobes et hydrophiles, leurs pores n'étant pas colmatés par une solution sous forme d'hydrate cristallin se formant à la suite de l'adsorption de l'humidité par les rondelles hydrophiles. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, détails et avantages de celle-ci apparaîtront mieux à la lumière de la description explicative qui va suivre de différents modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs, avec références aux dessins non limitatifs annexés dans lesquels: - la figure 1 représente un schéma de principe d'un appareil respiratoire à oxygène chimiquement lié 25736,59 et à circulation pendulaire de l'air, selon l'invention; - la figure 2 représente une coupe longitudinale d'un dispositif d'échange de chaleur et d'humidité pour appareil respiratoire à oxygène chimiquement lié, selon l'invention; - la figure 3 représente une vue en plan d'une grille de compression distributrice d'air, selon l'invention. Un appareil respiratoire à oxygène chimiquement lié, à circulation alternative de l'air, comporte en Brie un ensemble facial 1 (figure 1) adapté pour être fixé sur le visage en recouvrant les organes respira- toires et composé d'un embout buccal 2 avec un pince-nez 3, un dispositif d'échange de chaleur et d'humidité 4, une cartouche de régénération 5 avec une substance oxygénée telle que, par exemple, letétroxyde de potassium (K02), et une poche respiratoire 6 reliée à ladite cartouche de régénération 5. L'ensemble facial 1 de l'appareil respiratoire est relié au dispositif d'échange de chaleur et d'humidité 4 à l'aide d'un tuyau élastique 7. Un tuyau élastique 8 réunit la cartouche de régéné- ration 5 au dispositif d'échange de chaleur et d'humidité 4. Le dispositif d'échange de chaleur et d'humidité 4 comporte un corps cylindrique 9 (figure 2) qui a des tubulures 10 et 11. La tubulure 10 est reliée à l'en- semble facial 1 de l'appareil respiratoire et sert à amener l'air expiré humide. La tubulure 11 est reliée à la cartouche de régénération 5 (figure 1) et sert à amener l'air régénéré chaud et sec. Dans le corps 9 (figure 2), coaxialement à celui-ci, est disposé un ensemble multicouche 12 de rondelles hydrophiles 13 et hydrophobes 14 alternées. L'ensemble multicouche 12 est mis en place dans le corps 9 entre deux grilles de distribution d'air 15 qui compriment l'ensemble 12 et se trouvent en contact avec les rondelles hydrophobes 14 extrêmes. Les rondelles hydrophiles 13 et les rondelles hydrophobes 14 sont réalisées en matières fibreuses polymères possédant une très faible conductibilité thermique. Les rondelles hydrophiles 13 sont réalisées en toiles maillées en fibres de coton, c'es-à-dire en une sorte de gaze, et sont imprégnées d'une substance hygroscopique telle que, par exemple, le chlorure de calcium. La densité linéaire de la matière utilisée pour la fabrication des rondelles hydrophiles 13 varie de 19 à 35 tex. Les rondelles hydrophobes i4 sont réalisées en un non-tissé volumineux de fibres synthé- tiques connues sous la dénomination commerciale "Lavsan". Le matériau employé pour les rondelles hydrophobes 14 a une densité linéaire de 0,7 à 2 tex, ce qui signifie qutil est plus poreux que le matériau des rondelles hydrophiles 13. L'utilisation des rondelles hydrophobes 14 en non-tissé volumineux constitué d'une matière polymère fibreuse, assure un bon échange thermique entre-l'air qui passe pendant des fractions de seconde et les fibres des rondelles hydrophobes 14 ayant une surface développée. Du fait que la conductibilité thermique de la matière adoptée pour les rondelles hydrophobes 14 est faible, le réchauffement et le refroidissement des fibres se fait sans inertie. Le fait que les fibres des rondelles hydrophobes 14 n'atteignent jamais la température à laquelle prend fin la condensation de l'humidité, contri- bue au refroidissement de l'air grâce à l'utilisation de sa chaleur pour l'évaporation de cette humidité. L'ensemble multicouche 12 est constitué de rondelles hydrophiles 13 et de rondelles hydrophobes 14 alternées de telle façon que des rondelles hydrophoes 14 se trouvent aux extrémités de l'ensemble 12 et soient en contact avec les grilles 15 de distribution d'air servant également à la compression de l'ensemble muIti- couche 12. Les grilles 15 de distribution d'air sont 7 2573659 réalisées en toile maillée dont les fils sont en matière résistante à la corrosion, par exemple en acier inoxydable. Il est fort avantageux qu'au moins l'une des grilles de compression 15 distributrices d'air soit réalisée sous forme d'un disque (figure 3) ayant des perforations (des orifices 16) dont les dimensions vont en augmentant de l'axe du disque vers sa périphérie. Grâce à cela, la résistance aérodynamique desdits orifices va en diminuant de l'axe vers la périphérie du disque. La variante la plus optimale est celle dans laquelle la loi de variation de la résistance aérodynamique de la grille 15 dans le sens allant de l'axe de celle-ci à sa périphérie a le caractère d'une loi parabolique de variation des vitesses d'un flux d'air. Alors il devient possible de répartir de façon régulière le flux d'air dans toutes les zones de l'en- semble multicouche 12 et d'améliorer par conséquent les conditions d'écoulement du flux d'air sur les fibres des rondelles hydrophiles 13 et hydrophobes 14, en rendant ainsi plus efficace l'échange thermique. Exemple Dans un appareil respiratoire prévu pour une action protectrice d'une durée de 90 minutes et dont la cartouche de régénération est équipée d'une matière oxygénée (KO02) ayant une masse de 2,1 kg, le dispositif d'échange de chaleur et d'humidité comporte neuf rondelles de 58 mm de diamètre, dont quatre rondelles hydrophiles 13 de 0,4 g et cinq rondelles hydrophobes 14 de 0,2 g. La hauteur de l'ensemble multicou;che 12 atteint 12 à 13 mm. La résistance aérodynamique de l'ensemble multicouche 12 à un flux d'air de 60 1/min n'excède pas 9,807 Pa. L'une des grilles de distribution d'air 15 est réalisée en toile de fils métalliques et a des orifices dont les dimensions sont de 3 x 3 mm. La seconde grille de distribution d'air 15 est réalisée 8 2573659 sous forme d'un disque avec des orifices 16 dont le diamètre croît de 1,5 mm dans la partie centrale jusqu'à 6 mm à la périphérie de la pièce. Le fonctionnement du dispositif d'échange de chaleur et d'humidité pour appareil respiratoire à oxygène lié s'effectue de la façon suivante. Lors de l'expiration, l'air passe par le tuyau 7 (figure 1) pour arrêter le dispositif d'échange de chaleur et d'humidité 4, et ensuite, par le tuyau 8, passe dans la cartouche de régénération 5 o se fait l'adsorption dugaz carbonique, après quoi l'air pénètre dans le sac respiratoire 6. Lors de l'inspiration, l'air se trouvant dans le sac respiratoire 6 traverse la cartouche de régénération 5, le tuyau 8, le dispositif d'échange de chaleur et d'humidité 4 et le tuyau 7 qui est relié à l'ensemble facial 1 de l'appareil respiratoire. L'air expiré contient du gaz carbonique, son humidité relative est de 94 à 98 % et sa température atteint 36,0 à 37,0 C. L'air en provenance de l'ensemble facial 1 de l'appareil respiratoire passe par la tubulure et traverse l'ensemble multicouche 12 (figure 2) et est séché grâce à la sorption de l'humidité par la substance hygroscopique que contiennent les rondelles hydrophiles 13. Lors de la sorption de l'humidité, les substances hygroscopiques forment des hydrates cristallins. Au fur et à mesure que les vapeurs d'eau sont absorbées, la quantité de solution de substance hygroscopique sur - les rondelles hydrophiles 13 croît et la solution de substance hygroscopique passe sur les fibres des rondelles hydrophobes 14 voisines. Une partie de l'humidité de l'air expiré se condense sur les fibres des rondelles hydrophiles 14. Dans la cartouche de régénération 5 (figure 1) qui reçoit l'air expiré en provenance du dispositif d'échange de chaleur et d'humidité 4, ont lieu, sous 9 2573659 l'action du gaz carbonique et de l'humidité résiduelle, des réactions exothermiques qui se font avec absorption du gaz carbonique et dégagement d'oxygène chaud. Lors de l'inspiration, l'air en provenance de la cartouche de régénération 5 passe par la tubulure il et arrive dans le dispositif 4 d'échange de chaleur et d'humidité. Cet air est sec et est réchauffé jusqu'à 70 à 90 C. En traversant l'ensemble multicouche 12 (figure 2) en sens inverse, l'air inspiré subit une humidification et se refroidit grâce à une certaine quantité de chaleur qui est utilisée pour l'évaporation de l'humidité se trouvant sur les rondelles hydrophiles 13 et les rondelles hydrophobes 14. Une partie de la chaleur de l'air sortant de la cartouche de régénération 5 (figure 1) vient réchauffer l'ensemble multicouche 12 (figure 2) et le corps 9 du dispositif d'échange de chaleur et d'humidité 4 qui évacue la chaleur dans le milieu environnant. Le fait que les rondelles hydrophiles 13 et les rondelles hydrophobes 14 de l'ensemble multicouche 12 se trouvent en contact étroit les unes avec les autres et avec les grilles 15 de distribution d'air, assure le passage de la solution sous forme d'hydrates cristallins sur les fibres des rondelles voisines indépendamment de la position (horizontale, verticale, inclinée) du dispositif d'échange de bhaleur et d'humidité 4 lors de l'utilisation de l'appareil respiratoire. De ce fait, l'efficacité d'action du dispositif d'échange de chaleur et d'humidité 4 ne dépend pas de la position qu'il peut prendre en fonctionnement. L'indice significatif d'un fonctionnement efficace du dispositif d'échange de chaleur et d'humidité 4 applicable à des appareils respiratoires à oxygène chimiquement lié est la faible température de l'air inspiré et l'absence d'une sensation de sécheresse dans la gorge. Dans l'appareil respiratoire décrit, le dispo- - 2573659 sitif d'échange de chaleur et d'humidité 4 assure à l'air inspiré une température qui varie de 30 C au début de la durée de protection à 45 C à la fin de la durée de protection. Ainsi, l'utilisateur inspire un air moins chauffé que l'air expiré, et au moment o la capacité protectrice de l'appareil respiratoire arrive à son terme, il inspire un air légèrement chauffé. Le dispositif d'échange de chaleur et d'humidité pour appareil respiratoire à oxygène chimiquement lié est de conception simple et de fabrication peu coûteuse. Ledit dispositif se distingue par une haute efficacité d'action et assure des conditions plus confortables pour la respiration. Les conditions de respiration étant améliorées, l'utilisateur ne se fatigue pas vite et peut donc quitter très rapidement les zones à risque élevé. R E V E N D I C A T I 0 N S 1.- Dispositif d'échange de chaleur et d'humidité (4) pour appareil respiratoire à oxygène lié, du type comportant un corps (9)'muni de tubulures (10, 11) dont l'une est reliée à la partie faciale (1) de l'appareil respiratoire, l'autre tubulure étant reliée à la cartouche de régénération (5) de l'appareil respiratoire, et un ensemble multicouche (12) de rondelles hydrophiles (13) et hydrophobes (14) alternées-, disposé dans le corps (9) coaxialement à ce dernier, caractérisé en ce que les rondelles hydrophiles (13) de l'ensemble multicouche (12) sont réalisées sous forme de toiles en matière fibreuse imprégnées d'une substance hygroscopique, les rondelles hydrophobes (14) de l'ensemble multicouche (12) étant constituées d'un non-tissé volumineux ayant une densité linéaire moins élevée que la densité linéaire de la matière constituant les rondelles hydrophiles (13), et en ce qu'il est prévu deux grilles (15) de compression desdites rondelles et de distribution d'air qui sont disposées aux extrémités de l'ensemble multicouche (12) et qui sont en contact avec les rondelles hydrophobes (14) extrêmes. 2.- Dispositif d'échange de chaleur et d'humidité selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'au moins l'une des grilles de distribution d'air (15) est pourvue d'orifices (16) dont l'air de section va en augmentant au fur et à mesure qu'on s'éloigne de ladite grille et qu'on se rapproche de sa périphérie.