Brevet FR2668069A1 — publié le 19920424

i La présente invention est relative à un dispositif, notamment autonome et portable, pour extraire de la chaleur d'une source chaude. L'invention a été mise au point au cours de recherches destinées à assurer la protection de personnels opérant en scaphandres en ambiance toxique dans des conditions de température très élevées, par exemple lors de la lutte contre les incendies, ou lors d'un travail en milieu pollué Dans ce cas, le personnel est équipé de scaphandres qui le protègent efficacement contre les substances toxiques, contre la chaleur externe, mais la chaleur interne provenant du corps de l'opérateur lui- même ne peut s'évacuer, si bien que la température à l'intérieur du scaphandre peut s'élever à des niveaux qui dépassent les limites acceptables Une liaison continue entre l'intérieur du scaphandre et une source de froid non transportable par le porteur du scaphandre n'est pas envisageable car elle supprime l'autonomie du scaphandre. Un accumulateur de frigories peut constituer une source froide autonome. L'invention est applicable également au scaphandre spatial d'activité extra-véhiculaire o l'évacuation de la chaleur métabolique du spationaute se pose de la même façon. L'invention peut trouver également des applications dans les cas o l'on doit assurer que des équipements ou des objets par exemple des échantillons biologiques doivent avoir une température qui reste dans des limites fixes, même en cas d'interruption momentanée de la communication avec une source d'énergie. Pour résoudre ce problème, il vient tout naturellement à l'esprit d'utiliser des substances connues dans les systèmes réfrigérants, par exemple du dioxyde de carbone ou des composés de la famille des "Fréons". Cependant ces corps usuels absorbent essentiellement de la chaleur par passage de l'état solide ou liquide à l'état gazeux, et ce changement d'état correspond à une variation de volume très importante, et aboutit à des matériels très encombrants ou à la nécessité d'un apport d'énergie mécanique (machines frigorifiques). On pourrait songer à faire échapper la phase gazeuse dans l'atmosphère, en particulier dans le cas du dioxyde de carbone, mais cela peut conduire à une augmentation considérable du prix et de la complexité de l'installation de reconditionnement de l'accumulateur ainsi qu'à l'émission de vapeurs réactives ou toxiques. L'invention fournit en conséquence un dispositif pour extraire de la chaleur d'une source chaude, et la transférer à un accumulateur de frigories autonome, portable, constituant une source froide, ce dispositif ayant pour particularité que ledit accumulateur est constitué par une enceinte contenant de l'ammoniac dans des conditions telles qu'au moins une partie importante de la chaleur transférée vers cet accumulateur fait passer de l'ammoniac de l'état solide à l'état liquide. Une autre partie de la chaleur peut être absorbée en réchauffant l'ammoniac liquide provenant de la fusion de l'ammoniac solide. En pratique, il est avantageux que ladite enceinte soit hermétiquement close, ce qui permet de se prémunir contre des dégagements réactifs et toxiques, et de ne pas provoquer de pollutions indésirables, notamment dans l'espace, dans le cas d'un scaphandre d'activité extra- véhiculaire. L'ammoniac est, sous la pression atmosphérique, à l'état solide à une température de l'ordre de -780 C. Si on place ce NH 3 solide au contact d'une source chaude, il y aura fusion de celui-ci, c'est-à-dire passage de l'état solide à l'état liquide et transfert d'une quantité de chaleur de la source chaude vers l'ammoniac égale au produit de sa masse par la chaleur latente de fusion L = 339 KJ/kg. Lorsque tout l'ammoniac sera fondu, et si le contact avec la source chaude est maintenu, il y aura par la suite réchauffage de l'ammoniac liquide ainsi constitué jusqu'à la température de la source chaude Ta, donc échange d'une quantité de chaleur de la source chaude vers le NH 3 proportionnelle à la chaleur spécifique du NH 3 liquide, à sa masse et à la différence des températures entre les états initial et final du liquide. La mise en oeuvre d'un tel principe pour l'adapter à un système de refroidissement utilisable de façon autonome et sans danger pour l'être humain permet donc: d'assurer le transfert de chaleur de la source chaude (utilisateur) vers le NH 3, de se prémunir des effets toxiques de l'ammoniac. De préférence, le dispositif comporte un circuit chaud, contenant un fluide caloporteur et pouvant relier un échangeur "chaud", au contact de l'ammoniac, à la source chaude. Selon cette modalité, on fait donc appel d'une part à l'ammoniac pour constituer l'accumulateur, et d'autre part à un fluide caloporteur pour le transfert de la chaleur L'ammoniac peut ainsi être isolé de l'utilisateur, ce qui réduit le risque de contact de celui-ci avec ce produit toxique, et le transfert de chaleur peut être assuré par un fluide caloporteur approprié, qui peut être non nocif, les autres conditions qu'il doit remplir étant de ne se solidifer qu'au-dessous de -780 C et de ne pas se volatiliser aux températures les plus élevées d'utilisation. Après que de l'ammoniac solide est passé à l'état liquide, il est préférable de pouvoir l'utiliser à nouveau après l'avoir fait repasser à l'état solide On peut prévoir pour cela une installation séparée, mais, selon une modalité préférée, un second échangeur, en contact avec l'ammoniac, peut être connecté à une source froide, par l'intermédiaire d'un circuit froid afin de re- solidifier l'ammoniac fondu, cette opération constituant la recharge en frigories de l'accumulateur. L'enceinte fermée contenant l'ammoniac, l'échangeur chaud et, éventuellement, 1 'échangeur froid, constituent un système transportable et capable de réaliser l'échange de la source chaude à l'accumulateur de façon autonome. On peut aussi envisager avantageusement d'utiliser un même échangeur et un même circuit pour l'utilisation et la régénération: connexion à la course chaude pour l'utilisation, connexion à une source froide pour la régénération Cette solution plus simple impose cependant quelques contraintes supplémentaires au niveau du fluide caloporteur, qui doit être compatible avec toute la gamme de températures utilisées. L'invention va maintenant être exposée plus en détail à l'aide d'un exemple pratique comprenant un scaphandre, illustré à l'aide des dessins parmi lesquels: Figures l A et 1 B sont des schémas de principe de l'installation, respectivement en fonctionnement autonome et en régénération. Figure 2 est une vue en perspective simplifiée du scaphandre et de ses accessoires selon l'invention. L'organe essentiel d'une installation selon l'invention est une enceinte fermée 1, remplie d'ammoniac. L'enceinte est dimensionnée pour tolérer les efforts générés par les changements de phase de l'ammoniac. On a représenté en 2 une vanne de remplissage de l'enceinte. Un premier échangeur 3, dit "échangeur chaud", est contenu à l'intérieur de l'enceinte Il peut être constitué par une série de tubes reliés à une canalisation d'entrée 4 et une canalisation de sortie 5, et plongés dans l'ammoniac à l'intérieur de l'enceinte. On peut aussi utiliser la surface extérieure de l'enceinte comme surface d'échange, le circuit chaud et le fluide caloporteur ne nécessitant alors pas de traversée de la cloison de l'enceinte Une pompe 6 fait circuler le fluide caloporteur, qui est du "COOLANOL 15 " de la société MONSANTO, entre l'échangeur 3 et la source chaude 7 A la place du fluide qu'on vient de citer, on peut aussi utiliser du "FLUORINERT-FC 77 " commercialisé par la Société 3 M-FRANCE, ou tout produit répondant aux exigences suivantes: point de congélation inférieur à -780 C avec une viscosité faible à cette température, pression de saturation à + 500 C (par exemple) inférieure à 105 Pa absolus, pas de dégagement de gaz ou vapeur toxique. On a représenté, sur la figure l A, une conduite de dérivation 8, qui relie les conduites d'arrivée et de sortie 4 et 5 Cette conduite de dérivation est équipée d'une vanne 9, commandée par un capteur 10 sensible à la température du fluide caloporteur dans la conduite de sortie 5, afin de régler la température de sortie. Sur les conduites 4 et 5 sont prévues des connexions démontables et autoobturantes 11 et 12, qui permettent d'isoler l'enceinte et la source chaude 7 l'une de l'autre. Une fois que l'ammoniac contenu dans l'enceinte 1 est passé entièrement de l'état solide à l'état liquide, et que l'ammoniac liquide a été réchauffé, on peut prévoir de mettre au rebut l'enceinte 1, mais, dans la pratique, il est plus avantageux de la régénérer Pour cela, conformément à la figure l B, l'enceinte 1 contient un deuxième échangeur 13, dit "échangeur froid", pourvu également de conduites d'entrée et de sortie 14 et 15, et qui peut être relié, par l'intermédiaire de connexions démontables et auto-obturantes 16 et 17 à une source froide 18 Associée à la source froide est une pompe de circulation 19, qui met en mouvement le fluide caloporteur de ce second circuit Ce second circuit peut être confondu avec le circuit chaud cité précédemment, ce circuit pouvant être alternativement branché à la source chaude au cours de l'utilisation puis à la source froide au cours de la régénération Dans ce cas, le fluide caloporteur utilisé pour la régénération est le même que celui du circuit chaud, c'est-à-dire le COOLANOL 15 Dans le cas o il diffère du circuit chaud, le circuit froid peut être alimenté en azote liquide ou en gaz naturel liquéfié, si bien que le circuit froid, ou circuit de régénération, fonctionnera alors dans un domaine de température englobant les températures de -78 o C et -191 o C (pour l'azote liquide), et donc différent de celui du circuit chaud, qui englobe les températures de -780 C et + 300 C environ En cours de régénération, la pompe 19 est mise en route, jusqu'à ce qu'un capteur 20, placé sur la conduite de sortie de l'échangeur 13, montre que la température de celui-ci est telle que l'ammoniac soit solidifié. L'enceinte 1 est alors prête pour un nouvel usage. Sur les figures l A et 1 B, on a représenté en trait mixte le circuit qui n'est pas en fonctionnement, c'est-à- dire le circuit froid 13, 14, 15 pour la figure l A, et le circuit chaud 3, 4, 5 pour la figure 1 B. La figure 2 montre un scaphandre destiné à l'équipement du personnel qu'on envoie combattre un incendie ou opérer en milieu toxique. Le scaphandre 21 lui-même est de type classique pour ce genre d'opération, c'est-à-dire qu'il est construit en matériau à haute performances d'isolation thermique et d'étanchéité A l'intérieur du scaphandre, l'opérateur porte un vêtement réfrigérant 22, c'est-à-dire un vêtement dont le tissu comporte un certain nombre de petits tubes 23, régulièrement répartis, et qui sont parcourus par le fluide caloporteur Le scaphandrier porte sur le dos un bloc de réfrigération 24, protégé par un capuchon isolant non représenté Le bloc de réfrigération 24 contient non seulement l'enceinte 1, mais également des batteries rechargeables, non représentées, destinées à alimenter la pompe 6, le capteur 10 et la vanne thermostatée 9, non visibles sur la figure 2 et placés à l'intérieur du scaphandre Un conduit électrique 25 relie les batteries rechargeables à la pompe, cependant que des conduits souples 26, 27, qui font partie des conduites 4 et 5, sont reliés aux connexions auto-obturables 11 et 12. Dans la pratique, pour des raisons de rapidité de changement, et donc de sécurité, une connexion multiple regroupe les connexions 11, 12 et 27 On a représenté sur le boîtier du bloc 24 les connexions auto-obturantes 16 et 17 qui permettent de relier l'enceinte 1 à la source froide pour la régénération On se rappellera que l'ensemble constitué par le boîtier 24 et les diverses connexions est protégé par un capuchon ou une enceinte isolante de la chaleur ambiante, tout en étant indépendant de l'intérieur du scaphandre Ainsi, une avarie à l'enceinte 1 ne saurait avoir pour conséquence l'entrée d'ammoniac à l'intérieur du scaphandre lui-même. L'ensemble d'une installation de lutte contre l'incendie ou d'opération en milieu toxique comprend un certain nombre de scaphandres et un nombre au moins égal, et de préférence largement supérieur, de boîtiers 24, ainsi qu'une installation de régénération, qui peut être, selon le cas, alimentée en azote liquide, en gaz naturel liquéfié, ou tout autre moyen de réfrigération susceptible de fournir des températures inférieures à celles de la solidification de l'ammoniac. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif est spécialement étudié pour le contrôle de l'environnement d'équipements ou d'objets, tels que des échantillons biologiques, dont la température doit rester dans des limites précises même lors d'un transport ou d'une interruption de liaison avec une source d'énergie. REVENDICATIONS 1 Dispositif pour extraire de la chaleur d'une source chaude ( 3), et la transférer à un accumulateur de frigories autonome, portable, constituant une source froide, caractérisé en ce que ledit accumulateur est constitué par une enceinte ( 1) contenant de l'ammoniac dans des conditions telles qu'au moins une partie importante de la chaleur transférée vers cet accumulateur fait passer de l'ammoniac de l'état solide à l'état liquide. 2 Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une autre partie de la chaleur transférée à l'accumulateur est absorbée en réchaffant l'ammoniac liquide provenant de la fusion de l'ammoniac solide. 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite enceinte ( 1) est hermétiquement close. 4 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit chaud, contenant un fluide caloporteur et pouvant relier un échangeur "chaud" ( 3), au contact de l'ammoniac, à la source chaude. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'ammoniac est au contact d'un second échangeur, ou échangeur "froid" ( 13) pouvant être connecté, par l'intermédiaire d'un circuit froid d'un fluide caloporteur, à une source froide afin de resolidifier l'ammoniac fondu, cette opération constituant la recharge en frigories de l'accumulateur. 6 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'échangeur chaud ( 3) peut être déconnecté de la source chaude, et être connecté à une source froide afin de re- solidifier l'ammoniac fondu, cette opération constituant la recharge en frigories de l'accumulateur.35 7 Dispositif selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce que le circuit chaud comprend une régulation de température ( 8, 9, 10) et une pompe de circulation ( 6). 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que le circuit chaud est connecté à un vêtement réfrigérant ( 22) comportant une série de tubes ( 23) et porté par un opérateur dans le but d'assurer son confort ou sa survie en ambiance chaude. 9 Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le système transportable est prévu pour être porté par l'opérateur à l'extérieur d'un scaphandre ( 21), des conduites munies de connexions auto- obturantes traversant la paroi du scaphandre pour relier le vêtement réfrigérant audit système transportable. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, caractérisé en ce qu'il fait partie d'une unité autonome comprenant, en plus, des piles ou des batteries alimentant la pompe de circulation du fluide du vêtement caloporteur, l'échange des piles ou la recharge des -batteries pouvant se faire lors de la recharge en frigories de l'accumulateur. 11 Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il est spécialement étudié pour le contrôle de l'environnement d'équipements ou d'objets, tels que des échantillons biologiques, dont la température doit rester dans des limites précises même lors d'un transport ou d'une interruption de liaison avec une source d'énergie.