Brevet FR2725904A1 — publié le 19960426

RECUPERATEUR D'ENERGIE A GRADIENT ATHERMIQUE, APPLICABLE AUX SYSTEMES A FAIBLE DEBIT, TYPE EOUIPEMENTS RESPIRATOIRES AUTONOMES La présente invention a pour objet un équipement respiratoire autonome récupérant une partie de l'énergie contenue soit dans les gaz stockés à forte concentration sous forme liquide ou comprimée, soit dans les cartouches filtrantes produisant du 02 ou absorbant le C02. Cette énergie est convertie directement en énergie électrique afin de fournir au porteur une énergie mécanique ou électrique utilisable. II existe de nombreux systèmes et équipements stockant des gaz respirables afin de pouvoir assurer certaines fonctions physiologiques ou bien fonctionnant au moyen de cartouches filtrantes basées sur une réaction chimique fortement exothermique en absorbant le C02 ou en produisant du 02. Dans tous les cas, I'utilisation de ces équipements crée des gradients de températures élevés. Les plongeurs utilisent souvent des réserves de gaz stockés sous pression dans des bouteilles portées sur le dos. Les pompiers utilisent également des systèmes respiratoires utilisant pour la respiration de l'air stockée sous pression. D'autres systèmes existent comme les appareils utilisant une réserve d'air liquide stockée dans une bouteille thermiquement isolée. En général au moins un régulateur - détendeur réduit la pression régnant dans les bouteilles à une pression adaptée à la respiration du sujet Les systèmes utilisant de l'air liquide comportent un échangeur thermique qui réchauffe le gaz respirable liquéfié afin d'élever la température de cet air à une température acceptable pour la respiration. Les systèmes de recyclage du gaz respirable basés sur l'absorption du C02 produit par la respiration se font par réaction chimique avec un hydroxyde (lithium, baryum, calcium,..) et cette réaction est très exothermique. Les systèmes de recyclage du gaz respirable basés sur la production de 02 se font par réaction chimique, très exothermique, avec des suueroxydes. Le brevet français n 9014811 du 27 Novembre 1990 propose de placer un turboventilateur utilisant la variation de pression existant entre la réserve de gaz et le régulateur à la demande pour actionner un ventilateur permettant la ventilation du scaphandre. Ce système est relativement lourd et comporte de nombreuses pièces mobiles. Les fuites sont importantes et on ne peut les réduire sans augmenter les frottements internes ce qui réduit de façon inacceptable le rendement global. La plupart des systèmes respiratoires autonomes ont également besoin d'énergie électrique. Les systèmes électroniques de surveillance ou de visualisation, par exemple, ont besoin d'énergie électrique. Les systèmes de communication ont également besoin d'énergie électrique. En mode autonome, ces systèmes fonctionnent en utilisant l'énergie électrique contenue dans des piles ou des batteries rechargeables. En conditions opérationnelles de sécurité, les piles et les batteries sont des organes qui sont lourds et chers. Leur capacité en énergie est difficile à vérifier. Un but de l'invention est de concevoir un équipement respiratoire autonome protégeant au moins les voies respiratoires d'un porteur du milieu ambiant ou foumissant un mélange respirable et transformant en énergie utilisable une partie de l'énergie contenue dans les gaz stockés ou une partie de l'énergie créée par réaction chimique dans les cartouches filtrantes et comprenant au moins: - une réserve de gaz respirable ou un système de gaz en circuit fermé; - un masque etlou un élément de tête placé sur le porteur. Ces buts sont atteints par le dispositif selon rinvention qui est essentiellement caractérisée par la présence d'un moyen permettant de récupérer une partie de l'énergie contenue dans le gaz stocké ou une partie de rénergie créée par réaction chimique comprenant au moins: - une isolation thermique entre une zone relativement froide et une zone relativement chaude; - un élément thermoélectrique générateur d'électricité relié thermiquement à la zone relativement chaude, d'une part, et d'autre part à la zone relativement froide. De façon préférentielle, la réserve de gaz respirable est stockée sous forme liquide. De façon préférentielle, la dite zone froide est située à rintérieur ou proche de la réserve de gaz liquide, et où la dite zone chaude est située dans le milieu ambiant. De façon préférentielle, le dit élément générateur d'électricité comprend en outre au moins: - un capteur de pression partielle d'oxygène placé dans la phase gazeuse de la réserve de gaz respirable; - une batterie; - un tuyau fin reliant la phase liquide à la phase gazeuse; - un élément thermoélectrique générateur d'électricité réchauffant plus ou moins b dit tuyau fin; - un boitier électronique pilotant la charge électrique et la polarité à appliquer sur le dit élément thermoélectrique afin de réguler une concentration prédéterminée d'oxygène de la phase gazeuse de la façon suivante:: a) lorsque la concentration d'oxygène mesurée dans la phase gazeuse est inférieure à une valeur prédéterminée, alors le boîtier électronique prélève de l'énergie électrique dans ia batterie pour chauffer le tube fin et ainsi faire évaporer une grande quantité de gaz liquide riche en oxygène. b) lorsque la concentration d'oxygène mesurée dans la phase gazeuse est supérieure à une valeur prédéterminée alors le boîtier électronique dirige l'énergie électrique produite par le dit élément thermoélectrique vers la batterie pour qu'elle soit rechargée. De façon préférentielle, le dit élément générateur d'électricité comprend en outre au moins: - un senseur de température placé en aval de l'évaporateur; - une batterie rechargeable; - un élément thermoélectrique générateur d'électricité placé entre la réserve de gaz liquide et l'évaporateur; - un boîtier électronique pilotant la charge électrique et la polarité à appliquer sur le dit élément thermoélectrique afin de réguler la température des gaz qui ont traversé l'évaporateur de la façon suivante:: a) lorsque la température du gaz est supérieure à une valeur prédéterminée alors le boiter électronique envoie l'énergie électrique produite par l'élément vers la batterie; b) lorsque la température du gaz est inférieure à une température prédéterminée, alors le boîtier électrique envoie l'énergie électrique provenant de la batterie vers le dit élément afin de réchauffer b partie froide de cet élément et ainsi de réchauffer le gaz respirable. De façon préférentielle, la réserve de gaz respirable est stockée sous forme gazeuse et sous pression. De façon préférentielle, la dite isolation thermique séparant la zone froide de la zone chaude est incluse dans un régulateur-détendeur placé entre la réserve de gaz et le masque et en ce que le dit élément générateur d'électricité est renié thermiquement à la zone froide crune part et à la zone chaude d'autre part De façon préférentielle, la dite isolation thermique est en céramique. De façon préférentielle, le systèmes de recyclage du gaz respirable est basé sur l'absorption du C02 par réaction chimique. De façon préférentielle. la dite isolation thermique séparant la zone froide de la zone chaude est incluse dans une cartouche filtrante et en ce que le dit élément générateur d'électricité est relié thermiquement à la zone froide d'une part et à la zone chaude d'autre part De façon préférentielle, la dite zone froide est située avant la cartouche filtrante, et où la dite zone chaude est située après la cartouche filtrante. De façon préférentielle, le systèmes de recyclage du gaz respirable est basé sur la production de 02 par réaction chimique. De façon préférentielle, la dite isolation thermique séparant la zone froide de la zone chaude est incluse dans une cartouche filtrante et en ce que le dit élément générateur d'électricité est relié thermiquement à la zone froide d'une part et à la zone chaude d'autre part. De façon préférentielle, la dite zone chaude est située avant la cartouche filtrante, et où la dite zone froide est située après la cartouche filtrante. L'invention sera mieux comprise par la lecture de la description détaillée de deux modes de réalisation illustrés sur les dessins annexés qui représentent respectivement - figure 1: un exemple d'équipement de protection physiologique placé sur un porteur; - figure 2: un exemple d'équipement de protection physiologique comprenant une réserve de gaz respirable liquéfié comprenant un senseur de concentration d'oxygène; - figure 3: un exemple d'équipement de protection physiologique comprenant une réserve de gaz respirable liquéfié comprenant un senseur de température; - figure 4: un exemple de régulateur-détendeur comprenant une isolation thermique. Sur la figure 1, I'ensemble de protection physiologique est placé sur un porteur 1, la réserve 2 alimente le masque 3 en gaz respirable, un élément 4 permet de récupérer une partie de énergie contenue dans le gaz respirable stocké. Sur la figure 2, rensemble de protection physiologique est placé sur un porteur 1, une réserve de gaz 2 contient le gaz respirable sous forme liquide. Un masque 3 alimente les voies respiratoires en gaz respirable. Un évaporateur 10 réchauffe le gaz pour amener sa température à une valeur acceptable. Un détendeur-régulateur 4 réduit la pression en suivant la demande du porteur. Un capteur de concentration d'oxygène de la phase gazeuse S mesure la concentration d'oxygène de la phase gazeuse et envoie cette information au boitier électronique 8. Des éléments thermoélectriques 7, générateurs d'énergie, sont placés autour d'un tube fin reliant la partie liquide à la phase gazeuse.La polarité et la valeur de la puissance appliquée à ces dits éléments thermoélectriques sont commandés par le boîtier électronique 8. Une batterie 6 stocke énergie électrique produite par les dits éléments thermoélectriques. Sur la figure 3, l'ensemble de protection physiologique est placé sur un porteur 1, une réserve de gaz 2 contient le gaz respirable sous forme liquide. Un masque 3 alimente les voies respiratoires en gaz respirable. Un évaporateur 10 réchauffe le gaz pour amener sa température à une valeur acceptable. Un senseur de température 9 mesure la température des gaz respirables et envoie ces informations au boîtier 11 qui commande la polarité et la valeur de la puissance à appliquer à l'élément thermoélectrique 7. En fonction du mode choisi par le boîtier électronique, la batterie 6 est chargée ou déchargée. Sur la figure 4, un régulateur-détendeur est placé entre la réserve d'air comprimée, stockée sous forme gazeuse, et le masque isolant le porteur du milieu ambiant. Le gaz sous pression est introduit par l'entrée 13. Un soufflet 14 applique une force sur le poussoir qui est fonction de la pression relative des gaz à la sortie 16. Un clapet 17 ouvre et ferme le flux de gaz. Une chambre froide 18 est délimitée par une barrière thermique 19 et 20. Les éléments thermoélectriques 7 générateurs d'électricité sont placés de telle sorte que leur point froid est dans la zone 18 et leur point chaud dans la zone 21 relativement chaude. La description détaillée d'un premier mode préférentiel de réalisation qui suit se réfère à la figure 2. Une réserve de gaz respirable est stockée sous forme liquide dans un vase DEWAR. La concentration de la phase liquide est par exemple 25 pour-cent d'oxygène et 75 pourcent d'azote. La pression dans le réservoir est stabilisée par exemple à 8 bar. Dans ces conditions, la phase gazeuse se stabilise aux environs de la concentration suivante: 10 pour-cent d'oxygène et 90 pour-cent d'azote car l'azote s'évapore avant l'oxygène. Ce mélange ne permettant pas la respiration, on place un tube fin reliant la phase liquide riche en oxygène à la phase gazeuse.Dans les conditions normales d'utilisation, la concentration d'oxygène de la phase gazeuse est en générale supérieure à 15 pour-cent et rarement en dessous de 15 pour-cent Des éléments thermoélectriques 7 générateurs dénergie électrique sont placés autour de ce tube fin. La concentration d'oxygène de la phase gazeuse est mesurée par un capteur 5. Cette information est renvoyé au calculateur 8. En général la concentration d'oxygène de la phase gazeuse est supérieure à 15 pour-cent Dans ce cas le boîtier électronique 8 envoie énergie électrique foumi par des éléments thermoélectriques à la batterie 6 pour la charger.Dans le cas contraire où la concentration d'oxygène dans la phase gazeuse est inférieure par exemple à 15 poutsent alors le boîtier électronique organise la polarité et la puissance électrique à appliquer aux éléments thermoélectriques pour chauffer le tube fin et ainsi améliorer révaporation de la phase liquide riche en oxygène. La concentration d'oxygène de la phase gazeuse peut être ainsi maintenue au dessus d'une valeur prédéterminée par exemple 15 pour-cent. La quantité d'énergie électrique récupérable est donnée par la formule: N = 5000 * EU AT où EL = Différence de potentiel(en Volt) ,aT= écart de température en degrés C N = nombres de couples thermoélectriques et G = 10*lL/#T où IL = courant en Ampère Par exemple un élément thermoélectrique de dimension 23 mm * 23 mm * 32 mm comportant 142 couples (N = 142) et ayant un coefficient G égal à 0,078 permettrait avec une différence de température de 90'C d'obtenir:: EL= N *#T/5000 EL= 142 * 90 / 5000 = 2,55 Volts EL = 2,55 Volts et IL=G*AT/10 IL=0,078*90/10 IL=0,702 IL =0,7 Ampères La puissance disponible est égale à 1,79 Watt Pour obtenir une puissance électrique de 17 Watt, il est donc nécessaire de placer une dizaine d'éléments thermoélectriques. La description détaillée d'un deuxième mode préférentiel de réalisation qui suit se réfère à la figure 4. Un régulateur-détendeur 12 est placé entre la réserve d'air comprimé et le masque. Le gaz respirable comprimé entre par rorifice d'entrée 13 à une pression PE, à une température TE et à une vitesse VE. Le gaz détendu ressort par l'orifice de sortie 16 à une pression PS, une température TS et à une vitesse VS. Deux parois thermiquement isolantes 19 et 20 créent un volume 18 où la température est relativement basse du faite de la détente du gaz. La zone froide de l'élément thermoélectrique 7 est placée dans cette cavité alors que la zone chaude de l'élément thermoélectrique 7 est placé à l'extérieure de cette cavité 18. La différence de température créée est transformée en énergie électrique par les éléments thermoélectriques 7. Cette énergie peut être utilisée par exemple pour charger une batterie.La figure 4 représente un régulateur très simple mais le lecteur comprendra que ce principe objet de l'invention peut être étendu à d'autres régulateurs-détendeurs. Ici le soufflet 14 pousse plus ou moins une tige 15 en fonction de la pression relative régnant en sortie 16 et ouvre plus ou moins le clapet 17 représenté ici par une bille, pour réguler la pression de sortie PS. Des ailettes 22 peuvent être placées pour améliorer l'échange de température entre le gaz et les points froids des éléments thermoélectriques. Le calcul suivant présente l'ordre de grandeur de la puissance électrique qu'un tel système peut fournir. avec au = 50 C N = 142 | Pour un élément de G = 0,078 dimension 23 mm *23 mm *3,2 mm Eu = N aT/ 5000 EL= 142*50/5000 lL=G* Au/10 IL=0,078*50/10 EL =1,42 Volts IL =0.39 Ampères En conséquence la puissance disponible par élément thermoélectrique est égale à: W = 0,55 Watt Pour obtenir 11 Watt de puissance électrique, il sera nécessaire de disposer de 20 éléments thermoélectriques de 23 mm *23 mm t 3,2 mm. Bien entendu les deux systèmes présentés ici ne sont que deux exemples permettant de mieux comprendre le concept objet de l'invention. Les exemples choisis ont été également simplifiés pour ne pas surcharger rexposé. Pour être plus complet il faudrait tenir compte de nombreux paramètres secondaires. Les applications de cette invention sont multiples. Elles concement principalement les équipements de protections physiologiques et plus généralement tout système stockant des gaz sous pression ou sous forme liquide et où il est intéressant de récupérer une partie de l'énergie contenu dans ces dits gaz stockés pour la transformer en énergie utilisable. REVENDICATIONS 1) Equipement respiratoire autonome protégeant au moins les voies respiratoires d'un porteur (1), du milieu ambiant, ou foumissant un mélange respirable comprenant au moins: - une réserve de gaz respirable (2) ou un système de gaz en circuit fermé, - un masque (3) etlou un élément de tête placé sur le porteur, caractérisé, en ce qu'un moyen (4) permet de récupérer une partie de l'énergie contenue dans le gaz stocké comprenant au moins: - une isolation thermique entre une zone relativement froide et une zone relativement chaude; - un élément thermoélectrique générateur d'électricité relié thermiquement à la zone relativement chaude, d'une part, et d'autre part à la zone relativement froide. 2) Equipement selon les revendications 1 caractérisé en ce que la réserve de gaz respirable est stockée sous forme liquide. 3) Equipement selon la revendication 2 caractérisé en ce que la dite zone froide est située à l'intérieur ou proche de la réserve de gaz liquide, et où la dite zone chaude est située dans le milieu ambiant. 4) Equipement selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dit élément générateur d'électricité comprend en outre au moins: - un capteur de pression partielle d'oxygène (5) placé dans la phase gazeuse de la réserve de gaz respirable, - unebatterie(6), - un tuyau fin reriant b phase liquide à la phase gazeuse, - un élément thermoélectrique générateur d'électricité m réchauffant plus ou moins le dit tuyau fin, - un boîtier électronique (8) pilotant la charge électrique et la polarité à appliquer sur le dit élément thermoélectrique afin de réguler une concentration prédéterminée d'oxygène de la phase gazeuse de la façon suivante:: a) lorsque la concentration d'oxygène mesurée dans la phase gazeuse est inférieure à une valeur prédéterminée, alors le boitier électronique (8) prélève de l'énergie électrique dans la batterie (6) pour chauffer le tube fin et ainsi faire évaporer une grande quantité de gaz liquide riche en oxygène. b) lorsque la concentration d'oxygène mesurée dans la phase gazeuse est supérieure à une valeur prédéterminée alors le boîtier électronique (8) dirige rénergie électrique produite par le dit élément thermoélectrique vers la batterie (6) pour qu'elle soit rechargée. 5) Equipement selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dit élément générateur d'électricité comprend en outre au moins: - un senseur de température (9) placé en aval de l'évaporateur (10). - une batterie rechargeable (6), - un élément thermoélectrique générateur d'électricité (7) placé entre la réserve (2) de gaz liquide et l'évaporateur (10), O), - un boîtier électronique (11) pilotant la charge électrique et la polarité à appliquer sur le dit élément thermoélectrique afin de réguler la température des gaz qui ont traversé l'évaporateur (10) de la façon suivante: a) lorsque la température des gaz est supérieure à une valeur prédéterminée alors le boîtier électronique (11) envoie énergie électrique produite par élément (7) vers la batterie (6). b) lorsque le température des gaz est inférieure à une température prédéterminée, alors le boîtier électrique (1) envoie énergie électrique provenant de la batterie (6) vers le dit élément (7) afin de réchauffer la partie froide de cet élément (7) et ainsi de réchauffer le gaz respirable. 6) Equipement selon la revendication 1 caractérisé en ce que la réserve de gaz respirable est stockée sous forme gazeuse sous pression. 7) Equipement selon la revendication 6 caractérisé en ce que b dite isolation thermique séparant la zone froide de la zone chaude est incluse dans un régulateur détendeur placé entre la réserve de gaz (2) et le masque (3) et en ce que le dit élément générateur d'électricité est relié thermiquement à la zone froide d'une part et à la zone chaude d'autre p & 8) Equipement selon la revendication 7 caractérisé en ce que la dite isolation thermique est en céramique. 9) Equipement selon les revendications 1 caractérisé en ce que le systèmes de recyclage du gaz respirable est basé sur rabsorption du C02 par réaction chimique. 10) Equipement selon la revendication 9 caractérisé en ce que la dite isolation thermique séparant la zone froide de la zone chaude est incluse dans une cartouche filtrante et en ce que le dit élément générateur d'électricité est relie thermiquement à la zone froide d'une part et à la zone chaude d'autre part. 11) Equipement selon les revendications 1 caractérisé en ce que le systèmes de recyclage du gaz respirable est basé sur la production de 02 par réaction chimique. 12) Equipement selon la revendication 11 caractérisé en ce que la dite isolation thermique séparant la zone froide de la zone chaude est incluse dans une cartouche filtrante et en ce que le dit élément générateur d'électricité est relié thermiquement à la zone froide d'une part et à la zone chaude d'autre part.