Brevet FR2605895A1 — publié le 19880506

APPAREIL PARCOURU PAR UN FLUIDE, NOTAMMENT APPAREIL D'ELABORATION DE DIALYSAT MUNI D'UN SYSTEME DE COMMANDE DU CHAUFFAGE D'UN LIQUIDE TRAVERSANT UNE CHAMBRE, ET SON PROCEDE D'UTILISATION La présente invention se rapporte, d'une manière géné- rale,à la commande d'un radiateur électrique logé dans une chambre parcourue par un fluide. Du liquide s'écoulant à travers une chambre peut être chauffé en utilisant un radiateur électrique à immersion, qui est alternativement mis en fonction et hors fonction. Detels radiateurs sont employés dans des appareils élabo- rateurs de dialysat, afin de chauffer l'eau utilisée pour préparer ce dialysat; une sonde thermométrique détecte la température en aval du radiateur, puis la valeur de cette température détectée est utilisée pour commander l'enclen- chement et le déclenchement du radiateur. La demanderesse a établi qu'un radiateur, destiné à un liquide s'écoulant par une chambre, peut être ajusté ra- pidement et efficacement en réaction à des variations inter- venant dans la température d'entrée, de façon à éviter d'importantes variations de la température de sortie, en détectant la température d'entrée du liquide et en utili- sant cette température détectée pour régler un cycle opéra- toire du radiateur. Dans des formes de réalisation préférentielles, l'on a également prévu une sonde thermométrique qui détecte la température de sortie; le cycle opératoire est déterminé en multipliant une constante du radiateur par la différence entre une température de sortie de consigne et la tempéra- ture d'entrée; la constante du radiateur est fonction de la différence entre la température de sortie de consigne et la température de sortie détectée; et un détecteur de tempé- rature finale, implanté en aval d'une chambre de mélange 2 2605895 destinée à mélanger un second liquide au liquide chauffé, est utilisé pour contrebalancer des variations-de température en aval du radiateur. L'invention va à présent être décrite plus en détail à titre d'exemple nullement limitatif, en regard du dessin annexé dont la figure unique est une représentation schéma- tique d'une partie d'un appareil élaborateur de dialysat. Le dessin illustre un appareil 10-désaérateur d'eau, utilisé dans un appareil d'élaboration et de délivrance de dialysat du type représenté dans le brevet US-4 371 385 (Johnson). Cet appareil 10 comprend une admission 12 pour re- cevoir de l'eau de ville; un régulateur 14 de la pression d'entrée (réglé pour présenter une pression de sortie d'envi- ron 20,6. 103 Pa lorsque sa sortie n'est pas raccordée à un réducteur de pression supplémentaire); une valve 16 à solé- noïde à deux positions (du type ouvert/fermé); un échangeur thermique 18 (efficacement conçu pour fournir 80 % de la chaleur nécessaire pour chauffer l'eau affluant dans des conditions de fonctionnement); un détecteur 19 de la tempé- rature d'entrée; un radiateur/désaérateur 20; une pompe de désaération 22; une pompe de dépression/évacuation 24; et une unité de commande électronique 26. Les pompes 22 et 24 sont des pompes volumétriques à engrenages. En aval de la pompe de désaération 22, se trouvent des chambres de mélange (dans lesquelles du dialysat concentré est mélangé à de l'eau), des détecteurs de conductivité (utilisés pour commander l'adjonction de concentrat), ainsi que des chambres d'équilibrage (pour établir un équilibre entre les flux respectifs d'arrivée et de sortie du dialy- seur, de manière à commander l'ultrafiltration), tous ces éléments étant repérés, sur le dessin, par un groupe 29 de mélange et d'équilibrage. Un détecteur 31 de température fi- nale, branché en aval de ces éléments constitutifs, détecte la température du flux combiné d'eau et de concentrat juste avant sa pénétration dans le dialyseur. Une admission 27 de l'échangeur thermique 18 est raccordée de manière à recevoir du dialysat déjà utilisé (qualifié ci-après de "dialysat 3 2605895 altéré"), provenant des chambres d'équilibrage en aval du dialyseur (non représenté). Le radiateur/désaérateur 20 présente un boîtier, muni d'une chambre tubulaire de circulation 28 qui entoure un radiateur 30 (radiateur électrique à immersion d'une puis- sance de 800 watts) et se prolonge par un canal 32, du côté gauche d'une chicane 34 intercalée entre la zone de chauffage, dans la chambre 28, et une chambre de désaération 36. Un détecteur 37 de la température de sortie est installé au fond du canal 32. La chambre de désaération 36 renferme des particules de polypropylene (sphères et cylindres d'un dia- mètre d'approximativement 2,3 mm), qui sont empêchées de franchir des tamis 38 implantés au-dessous d'un détecteur de niveaux 40. Une valve de détente 42, montée au sommet de la chambre de désaération 36, bloque l'écoulement de liquide par une sortie 44 des gaz,raccordée à la pompe de dépression/ évacuation 24. L'unité de commande électronique 26 est connectée de manière à recevoir des signaux indicatifs de températures, qui lui sont appliqués par les détecteurs 19, 31, 37, et de manière à utiliser ces signaux pour commander le cycle opé- ratoire du radiateur 30. Ladite unité est également connectée de façon à recevoir des signaux émanant du détecteur de niveaux 40, et de façon à commander la valve 16 et à piloter d'autres éléments constitutifs (non illustrés) de l'appareil élaborateur de dialysat. De l'eau affluant depuis l'admission 12 traverse le ré- gulateur de pression 14 qui confère une protection empêchant de grandes variations de la pression de service, ainsi que la valve 16 à soléno&de qui est alternativement ouverte et fermée et possède une période de 6 secondes. Le cycle opé- ratoire de cette- valve 16 est maîtrisé, par l'unité de com- mande 26, de telle sorte que cette valve soit ouverte pendant une partie de la période de 6 secondes, en fonction du niveau du liquide indiqué par la tension de sortie du détecteur de niveaux 40. De l'eau circule à travers l'échangeur thermique 18 en 4 2605895 recevant de la chaleur cédée par le dialysat altéré, puis elle pénètre dans la chambre de chauffage 28, circule de bas en haut dans cette dernière, se répand dans le canal 32, puis afflue dans la chambre de désaêration 36, au-dessous de la chicane 34. Le liquide renfermé par le radiateur/désaérateur est soumis à une pression négative par la pompe de désaé- ration 22 et par la pompe de dépression 24. Le radiateur 30 est alternativement enclenché et déclen- ché un certain nombre de fois pendant chaque période de 256 cycles de service, c'est-à-dire environ toutes les 4,27 se- condes en présence d'un courant alternatif de 60 Hz. Le cycle opératoire D est déterminé par l'équation suivante: D = KH X (Tc- To) dans laquelle: T est la température de consigne, To est la température d'entrée repérée par le détecteur 19, et KH est la constante du radiateur, donnée par l'équation suivante: KH: [Kp (Tc - T1) + Kiw/toti (Te T1) + Kd d(T -T1) /dt] KH = Kp c 1 ito (Tc- Tl) + Kt 2 X Q/LV, dans laquelle: Tl est la température de sortie repérée par le détec- teur 37, Kp Ki et Kd sont les valeurs obtenues pour les termes proportionnel, intégral et dérivé d'un algorithme de commande à triple action (PID), utilisé pour rectifier l'erreur affectant la température de sortie effective, selon des procédés bien connus dans l'art antérieur, tels qu'exposés par exemple dans Kuo, Digital Control Systems, Holt, Rinehart & Winston, Inc., 1980, pp. 509-514, cité à titre de référence dans le présent mé- moire; Kp et Ki sont déterminés empiriquement et Kd est ajusté égal à zéro dans la forme de réalisation pré- férentielle; LV est la tension de service du radiateur et Q est le débit de l'eau traversant le radiateur, qui peuvent être réglés à des valeurs différentes par l'opérateur. 2605895 Ce calcul est exécuté après chaque sondage et la valeur du cycle opératoire est un certain nombre des 256 cycles de service dans chaque période divisée par 256. Par l'expres- sion "période du cycle opératoire", il faut entendre la pé- riode de 4,27 secondes dans le présent mémoire. Le cycle opératoire est réparti sur toute la période de 4,27 secondes; par exemple, un cycle opératoire de 50 % aura pour effet un enclenchement du radiateur un cycle sur deux (parmi les 256 cycles de la période); un cycle opéra- toire de 25 % aura pour effet un enclenchement du radiateur un cycle sur quatre; et un cycle opératoire situé entre ces deux cycles se traduirait par un enclenchement du radiateur, en plus d'.un cycle sur quatre, pendant le nombre approprié de cycles supplémentaires répartis sur toute la période de 4,27 secondes. Des'variations intervenant dans le cycle opé- ratoire sont immédiatement prises en compte dans la commande du radiateur. La part intégrée du calcul est rapportée à la moyenne à long terme, et sa part proportionnelle est rapportée à l'erreur de température, effective. L'utilisation de la part intégrée évite une oscillation différée qui, sinon, pourrait résulter d'une utilisation de la seule part proportionnelle du calcul. Les termes LV et Q ajustent le terme de la constan- te du radiateur (KH), en réaction aux effets respectifs de la tension de service et du débit. Lors de la mise en marche de l'appareil à dialysat, le terme intégral de l'algorithme PID est préchargé afin d'obtenir une constante souhaitée du radiateur. La pompe 22 est actionnée sous une tension fixe pour pomper à un taux constant (dont la valeur peut être réglée par l'opérateur), et la pompe 24 est actionnée pour aspirer l'air situé dans la chambre 36, de façon à augmenter jusqu'à un maximum la dépression régnant dans cette chambre 36, sans surmonter l'action de la pompe 22. La pression négative et la température accrue provoquent une vaporisation des gaz dis- sous à partir du liquide. Les particules de matière plastique intercalées entre les tamis 38 constituent des sites de nu- 6 2605895 cléation, auxquels des bulles d'air se forment. Des gaz s'accumulant audessus de la surface du liquide traversent la valve 42 et la pompe 24, tandis qu'un niveau de liquide moyen est maintenu constant par le détecteur de niveaux 40. De l'eau désaérée, délivrée par la pompe 22 au reste du circuit hydraulique de l'appareil d'élaboration de dialy- sat, est mélangée à du dialysat concentré et acheminée vers le côté dialysat d'un dialyseur. Périodiquement au cours d'une séance de dialyse, la température finale repérée par le dé- tecteur 31 est utilisée pour ajuster la température de consi- gne (Tc), si nécessaire, pour tenir compte de variations de température en aval provoquées, par exemple, par l'adjonc- tion de concentra-t. Du dialysat altéré retourne, du dialyseur, à l'admis- sion 27 de l'échangeur thermique 18 pour être ensuite évacué par l'intermédiaire de la pompe de dépression/évacuation 24. Du fait que l'échangeur 18 fournit 80 % de la chaleur néces- saire pour chauffer l'eau affluant dans des conditions de fonctionnement normal, il se produit un accroissement très notable de la température d'entrée (To) lorsque le dialysat altéré chauffé traverse initialement le côté refroidissement de l'échangeur 18, après avoir parcouru le reste du système. Cette variation substantielle intervenant dans le chauffage préalable réduit considérablement la chaleur devant être fournie par le radiateur 30. L'utilisation de la température d'entrée détectée permet à l'unité de commande 26 d'ajuster très rapidement le cycle opératoire, pour ajouter la quantité de chaleur nécessaire afin d'amener l'eau préchauffée au niveau de consigne souhaité, et évite le dépassement (et une oscillation supplémentaire autour du niveau de consigne) qui résulterait de l'utilisation de la seule température de sortie. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées à l'appareil décrit et représenté, sans sor- tir du cadre de l'invention. 7 2605895 REVENDICATIONS 1. Appareil parcouru par un fluide, caractérisé par le fait qu'il comprend un boitier délimitant une chambre (28) et présentant une admission (14) et une sortie, pour du li- quide pénétrant dans ladite chambre et en sortant; un ra- diateur électrique (30) logé dans ladite chambre; un pre- mier détecteur de température (19) installé pour détecter la température du liquide avant sa pénétration dans ladite chambre (28), ce premier détecteur délivrant des signaux de température d'entrée indicatifs d'une température d'entrée (To); et une unité de commande (26), connectée électrique- ment pour recevoir lesdits signaux de température d'entrée provenant dudit premier détecteur de température (19), et pour commander un cycle opératoire (D) dudit radiateur (30) en réaction auxdits signaux de température d'entrée. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il présente en outre un deuxième détecteur de tem- pérature (37) installé pour détecter la température du li- quide après qu'il a quitté la chambre (28), ce deuxième dé- tecteur (37) délivrant des signaux de température de sortie indicatifs d'une température de sortie (T1); et par le fait que l'unité de commande (26) est connectée électriquement pour recevoir lesdits signaux de température de sortie pro- venant dudit deuxième détecteur de température. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'unité de commande (26) détermine le cycle opé- ratoire (D) en multipliant une constante du radiateur (KH) par la différence entre une température de consigne (Tc) et la température d'entrée (To). 4. Appareil selon la revendication 2, caractérisé par le fait que l'unité de commande (26) détermine le cycle opé- ratoire (D) en multipliant une constante du radiateur (KH) par la différence entre une température de consigne (Tc) et la température d'entrée (To). 5. Appareil selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'unité de commande (26) calcule un cycle opé- ratoire souhaité (D) de multiples fois durant chaque période 8 2605895 du cycle opératoire. 6. Appareil selon la revendication 5, caractérisé par le fait que le radiateur (30) est enclenché et déclenché de multiples fois durant chaque période, les conditions d'en- clenchement et de déclenchement étant réparties sur toute ladite période. 7. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait que la constante du radiateur (KH) est fonction de la différence entre la température de consigne (Tc) et la température de sortie (T1). 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé par le fait que l'unité de commande (26) calcule l'intégrale de la différence précitée en ajustant le cycle opératoire (D). 9. Appareil selon la revendication 8, caractérisé par le fait que l'unité de commande (26) calcule la somme d'une constante multipliée par la différence précitée, et d'une constante multipliée par l'intégrale précitée. 10. Appareil selon la revendication 4, caractérisé par le fait qu'il présente en outre un détecteur (31) de tempé- rature finale, implanté en aval d'une chambre de mélange destinée à mélanger un second liquide au liquide provenant de la sortie; et par le fait que l'unité de commande (26) reçoit des signaux de température finale, et ajuste la tem- pérature de consigne (Tc) sur la base de ces signaux. c 11. Appareil d'élaboration de dialysat, caractérisé par le fait qu'il comprend un boîtier délimitant une chambre (28) et présentant une admission (14) et une sortie, pour du liqui- de pénétrant dans ladite chambre et en sortant; un radiateur électrique (30) logé dans ladite chambre; un premier détec- teur de température (19) installé pour détecter la tempéra- ture du liquide avant sa pénétration dans ladite chambre (28), ce premier détecteur délivrant des signaux de température d'entrée indicatifs d'une température d'entrée (To); et une unité de commande (26), connectée électriquement pour rece- voir lesdits signaux de température d'entrée provenant dudit premier détecteur de température (19), et pour commander un cycle opératoire (D) dudit radiateur (30) en réaction auxdits 9 2605895 signaux de température d'entrée. 12. Appareil selon la revendication 11, caractérisé par le fait qu'il présente en outre un détecteur (31) de tempé- rature finale, implanté en aval d'une chambre de mélange destinée à mélanger un second liquide au liquide provenant de la sortie; et par le fait que l'unité de commande (26) reçoit des signaux de température finale, et ajuste la tem- pérature de consigne (Tc) sur la base de ces signaux. 13. Procédé d'utilisation de l'appareil selon la re- vendication 1. 14. Procédé d'utilisation de l'appareil selon la re- vendication 11.