Brevet FR2740687A1 — publié le 19970509

ECHANGEUR ATHERMIQUE A USAGE MEDICAL La présente invention concerne un échangeur thermique à usage médical, destiné au réchauffage de liquides biologiques injectables. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine du chauffage des solutés ou des produits sanguins administrés par voies parentérales. Une grande partie des dispositifs connus, et actuellement employés, utilise le principe de l'échangeur thermique liquide/liquide dont la complexité structurelle est à l'origine de leur coût élevé. L'important encombrement, ainsi que le faible rendement thermique de ces appareils, rendent leur usage particulièrement difficile sur le terrain, c'est-à-dire hors des structures hospitalières spécialisées. On connaît également de l'état de la technique une autre sorte de dispositif de chauffage dans lequel l'échangeur est de type solide/liquide. Schématiquement, cette solution consiste à maintenir, sous faible épaisseur, un sachet souple de grande dimension entre deux plaques rigides thermoconductrices au travers desquelles est transmise la chaleur produite par un système exothermique quelconque. Ce type de réalisation présente toutefois de nombreux inconvénients. La faible turbulence, existant à l'intérieur du sachet et résultant de l'écoulement quasi laminaire du liquide entre les parois, ne permet pas audit liquide d'atteindre une homogénéité thermique suffisante. De plus, la relative épaisseur des parois est à l'origine de la médiocre qualité de l'échange thermique se produisant entre les plaques et le liquide. Une norme résultant de la physiologie humaine impose par ailleurs une température de soluté toujours inférieure ou égale à 42"C pour les administrations parentérales. Elle constitue une exigence difficile à garantir en utilisant ce genre d'échangeur solide/liquide et les risques de surchauffe du sachet ne sont pas nuls. En effet, la faible importance du phénomène de convection existant au sein du liquide circulant rend complexe l'évacuation d'un excédent thermique éventuel en cas d'arrêt brutal du débit. Pour résoudre le problème essentiel de l'homogénéisation du liquide, on peut Imaginer de générer des turbulences à l'intérieur de l'échangeur, par exemple en gaufrant ses parois par calandrage. Ce mode de réalisation impose cependant l'utilisation d'un sachet à parois épaisses et implique, par conséquent, une réduction notable de la qualité de l'échange thermique. Une autre possibilité consisterait à créer des déformations non développables sur toute l'épaisseur du sachet, en thermoformant le film constituant ses parois. Cette solution présente toutefois l'inconvénient de réduire la surface d'échange thermique entre le liquide contenu dans le sachet et les plaques chauffantes. Aussi le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est de proposer un échangeur thermique de type solide/liquide qui permettrait d'éviter les problèmes de l'état de la technique en assurant notamment une homogénéisation forcée du liquide circulant, tout en garantissant un rendement thermique important ainsi qu'un faible écart de température entre le dispositif de chauffage et le liquide en sortie d'échangeur. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en un échangeur thermique à usage médical, constitué par une poche stérilisable destinée à coopérer avec un dispositif de chauffage et comportant au moins un organe d'entrée et au moins un-organe de-sortie d'un liquide circulant, remarquable en ce qu'un obstacle statique est positionné entre -les parois de la poche, de manière à rendre turbulent l'écoulement du liquide à l'intérieur de ladite poche. L'écoulement du liquide entre les parois d'un échangeur solide/liquide classique s'effectue de manière quasi laminaire. La présence de l'obstacle statique, interposé entre les organes d'entrée et de sortie de l'échangeur, permet dans le cas présent de générer des turbulences aptes à modifier le flux du liquide traversant la poche. Selon une particularité de l'invention, L'obstacle statique consiste en un réseau complexe d'écoulement constitué d'une multitude de canaux reliés entre eux. Leurs dimensions peuvent être variables et leur enchevêtrement plus ou moins aléatoire. De manière avantageuse, cette texture perméable permet une agitation maximale du liquide à l'intérieur de l'échangeur et par conséquent une homogénéisation forcée de celui-ci. Positionné de manière indépendante par rapport aux parois de la poche, l'obstacle statique n'est pas intercalé entre le système chauffant et le liquide. Ainsi il ne limite pas la surface d'échange entre les deux milieux et il permet de conserver une épaisseur de paroi minimale, garantissant par conséquent un échange thermique à haut rendement. Selon une autre particularité de l'invention, le volume intérieur de la poche présente une forme plus ou moins complexe déterminée par la présence, entre les parois internes de ladite poche, de liaisons locales dont une quelconque disposition adéquate permet de définir un parcours d'écoulement pour le liquide circulant. La forme de l'obstacle statique utilisé est bien évidemment adaptée audit parcours d'écoulement. La liaison peut être réalisée soit directement entre les parois de la poche, soit en interposant un matériau qui peut, par exemple, être identique à celui constituant l'obstacle statique. Le nombre et le positionnement relatif des organes d'entrée et de sortie du liquide circulant sont fonctions essentiellement de la forme et de la complexité du parcours d'écoulement considéré. De manière particulièrement avantageuse, lesdits organes sont positionnés aux extrémités dudit parcours qui, de préférence, ne comporte pas de bras mort. Selon une autre particularité de l'invention, l'obstacle statique occupe sur au moins une section du parcours d'écoulement la totalité du volume disponible à l'intérieur de la poche, garantissant ainsi l'agitation de tout le liquide transitant par celle-ci. Les portions du parcours d'écoulement non occupées par l'obstacle statique constituent des espaces libres dont la présence permet de maîtriser les pertes de charge et les problèmes de répartition du liquide, notamment au niveau des zones d'entrée et sortie de l'échangeur. Ces pertes de charge, résultant essentiellement de la présence de l'obstacle statique entre les parois, peuvent également être optimisée par une forme adéquate dudit obstacle.Leur existence permet cependant de créer une pression suffisante à l'intérieur de la poche pour plaquer de manière uniforme le film souple constituant les parois sur les surfaces actives des éléments chauffants. L'invention telle qu'ainsi définie, combinée à l'utilisation d'un dispositif de chauffage bénéficiant d'une distribution surfacique appropriée du flux thermique, permet de limiter l'écart de température existant entre les éléments solides transmettant la chaleur et le liquide en sortie d'échangeur. Une différence de seulement 2 à 4"C peut être obtenu pour des débits allant de 1 à 100 ml/mn, ce qui constitue une performance difficilement accessible avec les échangeurs thermiques de même surface de l'art antérieur. L'invention permet également un fonctionnement omnidirectionnel. Selon une autre particularité de l'invention, I'obstacle statique est constitué par un matériau alvéolaire ou poreux, c'est-à-dire un matériau présentant une multitude de petits trous de fermes et de dimensions variables, qui communiquent entre eux afin de réaliser là encore un réseau complexe d'écoulement pour le liquide traversant la poche. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut être réalisée. La figure- 1 représente une vue de plan en coupe partielle d'un échangeur thermique selon un mode de réalisation préféré de l'invention. La figure 2 est une vue en coupe transversale d'une partie d'un échangeur selon un mode particulier de réalisation. Pour des raisons de clarté, les mêmes éléments ont été désignés par les mêmes références. De même, seuls les éléments essentiels pour la compréhension de l'invention ont été représentés. Ils l'on été sans respect de l'échelle et de manière schématique. Ainsi qu'on peut le voir sur la figure 1, I'échangeur thermique objet de l'invention est constitué par une poche 1 composée de deux films souples assemblés par soudure ou collage de leurs zones périphériques respectives. Le pourtour 2 ainsi constitué délimite les parois 3,4 de la poche 1. Le film souple utilisé doit être le plus mince possible et être réalisé dans un matériau à faible résistance thermique, de manière à faciliter l'échange de chaleur entre le dispositif de chauffage et le liquide circulant à l'intérieur de la poche. En raison de son utilisation dans le domaine médical, le matériau employé doit également être conforme à la pharmacopée. Les parois 3, 4 sont par ailleurs reliées par une liaison 5 interne dont une extrémité se confond avec le pourtour 2, de sorte que le volume inténeur 20 de la poche 1 présente une forme de U. Le parcours d'écoulement ainsi défini se compose donc de deux compartiments 11, 12 principaux dans lesquels prennent place deux tronçons 10a, 10b d'obstacle statique. L'espace reliant lesdits compartiments 11, 12 constitue une zone libre 13 facilitant le transfert du liquide. Des organes d'entrée 6 et de sortie 7 du liquide circulant, constitués par des tubulures en polymère, sont positionnés aux extrémités du parcours d'écoulement. Ces tubulures 6, 7 comportent transversalement une pluralité de conduites 8, 9 parallèles et régulièrement espacées, qui communiquent avec le volume intérieur 20 de la poche 1. Afin d'optimiser les transferts de liquide entre lesdits organes 6, 7 et ledit volume intérieur 20, deux zones libres 14, 15 sont prévues aux extrémités des compartiments 11, 12. Dans ce mode de réalisation préféré de l'invention, les tubulures 6, 7, les conduites 8, 9 et les obstacles statiques 10a, lOb sont solidaires. L'ensemble est réalisé de manière particulièrement avantageuse par moulage d'une pièce unique. Le raccordement des différents éléments qui ne sont pas en contact direct, c'est-à-dire ceux disposés de part et d'autre des zones libres 13, 14, 15, s'effectue au moyen de liaisons s'détendant le long des contours desdites zones libres 13, 14, 15. Un tel échangeur est de réalisation particulièrement économique, ce qui constitue un avantage décisif dans l'optique d'un produit jetable. n est également facilement stérilisable. La figure 2 montre plus particulièrement la coopération entre la poche 1 et un dispositif de chauffage. Cette coupe transversale met en évidence la texture perméable de obstacle statique 10c qui est ici constitué par un tissu monofilament composé de fils de trame 17a, 17b, 1 7c enchevêtrés avec des fils de chaîne 16a, 16b. Le tissu 10c prend place dans le volume intérieur 20, délimité par les parois 3, 4 qui coopèrent quant à elles au niveau de leurs surfaces extérieures avec des plaques 18, 19 rigides et thermoconductrices, chargées de transmettre à la poche 1 la chaleur produite par une source thermique quelconque. La différence de pression de liquide, existant entre les tubulures 6, 7 et correspondant au phénomène de perte de charge précédemment décrit, permet de garantir une continuité de contact entre les parois 3, 4 de la poche 1 et les éléments chauffants 18, 19, et ainsi un fonctionnement omnidirectionnel de la poche 1. Naturellement, et comme il résulte déjà amplement de ce qui précède, l'obstacle statique 10a, 10b, 10c peut être constitué d'un organe de nature et de conformation quelconque, dans la mesure où celui-ci présente une structure perméable apte à briser l'écoulement du liquide à l'intérieur de l'échangeur. Le réseau complexe d'écoulement peut prendre n'impolte quelle forme étant entendu que le nombre et les dimensions des canaux peuvent être variables, leur agencement et leur jonction plus ou moins aléatoires. Ainsi l'obstacle statique 10a, 10b, 10c peut également être constitué par une mousse ouverte, un feutre, un tissu multifilament, un assemblage de billes, etc... La possibilité d'utiliser une pièce moulée élargit encore considérablement le choix de la structure interne de l'obstacle statique. REVENDICATIONS 1. Echangeur thermique à usage médical, constitué par une poche stérilisable (1) destinée à coopérer avec un dispositif de chauffage et comportant au moins un organe d'entrée (6) et au moins un organe de sortie (7) d'un liquide circulant, caractérisé en ce qu'un obstacle statique (lova, i Ob, 10c) est positionné entre les parois (3, 4) de la poche (l), , de manière à rendre turbulent l'écoulement du liquide à l'intérieur de ladite poche (1). 2. Echangeur thermique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'obstacle statique (1Oa, lOb, 10c) présente une texture pennéable constituée par un ensemble de canaux reliés entre eux pour fonner un réseau complexe d'écoulement. 3. Echangeur thermique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'obstacle statique (lOa, lOb, lOc) est positionné librement par rapport aux parois (3, 4) délimitant le volume intérieur (20) de la poche (1). 4. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que d'une part, les parois (3, 4) internes de la poche (1) sont reliées localement de manière à définir, à l'intérieur de ladite poche (1), un parcours d'écoulement pour le liquide circulant, et en ce que d'autre part, l'obstacle statique (lOa, 10b, 10c) présente une forme adaptée audit parcours d'écoulement. 5. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'obstacle statique (lOa, lOb, lOc) occupe la totalité du volume intérieur (20) disponible de la poche (1), sur au moins une section du parcours d'écoulement. 6. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la présence de l'obstacle statique (lova, lOb, 1 Oc) entre les parois (3, 4) de la poche (1) génère une surpression interne apte à assurer l'intimité du contact entre lesdites parois (3, 4) et des éléments chauffants (18, 19) extérieurs avec lesquels elles sont destinées à coopérer. 7. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'obstacle statique (1Oa, lOb, 10c) est constitué par un matériau alvéolaire. 8. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'obstacle passif (lOa, lOb, lOc) est constitué par une pièce moulée. 9. Echangeur thermique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'obstacle statique (lOa, lOb, lOc) est constitué par un tissu monofilament.