Brevet FR2760977A1 — publié le 19980925

La présente invention concerne le domaine de la compression des gaz, en particulier de l'air, ainsi que l'utilisation des gaz ainsi comprimés. Un des problèmes importants qui se posent pour utiliser dans un appareil de laboratoire ou industriel un gaz comprimé consiste à éliminer autant que possible tout corps condensable entraîné dans ce gaz. En effet, toute détente de celui-ci provoque très généralement une condensation effective susceptible de polluer les canalisations ou réservoirs, de boucher des orifices ou de perturber les processus ultérieurs. Il est bien connu, en pratique, de déshydrater le gaz avant compression, par des filtres arrêtant les gouttelettes aspirées, au moyen de composants appelés dévésiculeurs. Un tel dispositif est valable aussi dans le cas particulier de gouttelettes huileuses. De toutes façons, il est amélioré par un refroidissement, par exemple au moyen d'un échangeur à eau froide, pour refroidir autant que possible le gaz aspiré. On emploie aussi des dispositifs à force centrifuge dits "cyclones", agissant par écoulement hélicoïdal du gaz dans une chambre circulaire. Pour agir après compression, on emploie couramment des condenseurs basés sur les mêmes principes, et qui sont généralement mieux adaptés puisque travaillant sur des volumes moindres et avec des pertes de pression relativement moins gênantes. Le recours à un échangeur à eau froide est parfois impossible, en particulier pour les utilisations dans les véhicules et spécialement dans les avions et dans les missiles aériens. La présente invention a pour objet de remédier aux inconvénients présentés par les dispositifs déshydrateurs ou déshuileurs connus, et elle propose à cet effet un dispositif pour déshydrater ou déshuiler un gaz, en particulier un gaz comprimé ou destiné à être comprimé, du type comprenant à l'intérieur d'une enceinte étanche dans laquelle on introduit le dit gaz, un moyen de refroidissement du gaz et un moyen de séparation du gaz refroidi et de l'élément condensable qu'il contient, ce dernier étant évacué par un orifice de purge, et qui se caractérise en ce que le dit moyen de refroidissement du gaz comprend au moins un composant à effet thermoélectrique, dit à effet Peltier, dont la face refroidie est en connection thermique avec le gaz et dont la face échauffée est refroidie extérieurement. Selon une forme d'exécution de l'invention, particulièrement adaptée pour déshydrater un gaz comprimé, la dite enceinte étanche comprend une chambre verticale cylindrique formant système cyclone ménagée à l'intérieur d'un corps, avec un orifice de sortie de gaz à son extrémité supérieure, le dit orifice de purge à son extrémité inférieure, et un orifice tangentiel d'entrée du gaz comprimé, le dit corps présentant extérieurement au moins deux faces planes verticales contre chacune desquelles est appliquée la face refroidie d'un dit composant thermoélectrique plat. A la face échauffée de ce composant est associé un échangeur thermique, avantageusement du genre à ailettes en métal conducteur exposées à l'atmosphère ambiante. Selon une autre forme d'exécution de l'invention, particulièrement conçue pour déshydrater un gaz non comprimé et en particulier de l'air ambiant avant son aspiration dans un compresseur, le dispositif comprend à l'intérieur d'un boîtier étanche deux dits composants thermoélectriques dont les faces réfrigérantes sont disposées en vis-à-vis et peu écartées, du gaz étant introduit pour descendre à grande vitesse entre les dites faces réfrigérantes, l'eau de condensation étant évacuée à la partie inférieure du boîtier alors que le gaz refroidi est évacué par un orifice de sortie, éventuellement en baignant les ailettes d'un échangeur de chaleur associé à la face chaude de chaque composant thermoélectrique. Pour bien faire comprendre l'invention on en décrira ci-après, à titre d'exemple sans caractère limitatif, des formes de réalisation préférées en référence au dessin schématique annexé dans lequel les figures 1 et 2 représentent, respectivement en coupe verticale et en perspective, un premier mode de réalisation préféré d'un dispositif déshydrateur selon la présente invention ; et la figure 3 est une vue en coupe verticale d'un second mode de réalisation préféré d'un déshydrateur selon l'invention. L'appareil selon l'invention représenté aux figures 1 et 2 est constitué d'un corps 1 comportant une chambre interne 2 cylindrique ou conique, et d'axe vertical, un orifice supérieur coaxial 3, un orifice inférieur coaxial 4 et un orifice de petit diamètre 5 tangentiel à la chambre 2. Le corps 1 comporte extérieurement au moins deux faces planes verticales contre chacune desquelles est appliqué un composant thermoélectrique refroidisseur plat, respectivement 6,7 (figure 1), enserré chacun par un échangeur thermique constitué chacun par un socle 8,9 portant des ailettes 10,11 exposées à l'atmosphère ambiante et fixé au corps 1 par des vis telles que 12, accessibles par des échancrures des ailettes 10,11. Ce serrage par les vis 12 assure un bon contact thermique entre la face échauffée du composant thermoélectrique 6,7 et l'échangeur qui lui est accolé. A titre d'exemple, les ailettes 10,11 sont en métal conducteur et sont ventilées si besoin par des ventilateurs 19. Les composants thermoélectriques refroidisseurs 6,7 utilisés selon la présente invention sont d'un type bien connu, commercialisé par exemple par la firme MELCOR, ou bien par la firme MARLOW INDUSTRIES, INC. de Dallas, Texas (Etats-Unis d'Amérique). Un tel composant thermoélectrique, qui est constitué par un module à effet Peltier, comprend une pluralité de couples de semiconducteurs de type p et de type n qui sont reliés en série et placés en sandwich entre deux plaques de céramique. L'alimentation de ce composant en courant électrique continu provoque un déplacement de chaleur d'une face du composant à l'autre face. Il se crée ainsi sur le composant une face froide qu'on peut relier à un objet à refroidir, et une face chaude qui dissipe la chaleur dans l'environnement. Le fonctionnement du dispositif est le suivant. Le gaz, chargé d'impuretés condensables, est introduit par l'orifice tangentiel 5 où il se détend partiellement en acquérant une vitesse élevée. A l'intérieur de la cavité 2 s'établit alors un écoulement rotatif de type cyclone, le gaz sortant de façon connue par l'orifice supérieur 3, tandis que les particules condensées sont plaquées par la force centrifuge contre la paroi cylindrique de la chambre 2, puis coulent par gravité jusqu'à l'orifice inférieur 4 qui est relié à une purge (non représentée au dessin) du liquide condensé. Comme on l'a vu, les faces planes verticales du corps 1 sont refroidies par les composants thermoélectriques 6,7 dont les faces opposées transférent de la chaleur aux échangeurs 10,11 qui leur sont accolés. La chambre 2, dont la paroi cylindrique est ainsi refroidie extérieurement par la conduction dans le corps 1, réduit par convection à sa paroi la température du gaz en dessous de celle qui résulte de sa détente dans l'orifice 4, en augmentant ainsi beaucoup la condensation de l'impureté et donc le rendement de la condensation dans l'appareil. Pour rendre optimaux les échanges thermiques, le corps 1 de l'appareil selon l'invention est avantageusement réalisé en un métal bon conducteur, à base d'aluminium pouvant résister à la pression interne. Il comporte à sa partie inférieure un bouchon étanche 13 en matériau isolant ; par exemple vissé, qui permet d'éviter des entrées thermiques dues à l'atmosphère ou à l'environnement ambiant. Ce bouchon 13 porte l'orifice 4. Le corps 1 porte aussi à sa partie supérieure un couvercle 14, lui aussi en matériau isolant et fixé de façon étanche, qui porte l'orifice supérieur 3 de sortie. Ce calorifugeage est complété par des cales isolantes 15,15' maintenant les composants 6,7. De cette façon, le refroidissement du corps par les composants 6 et 7 est limité au voisinage de la partie cylindrique active de la chambre 2. De façon similaire, le raccord vers l'extérieur de l'orifice tangentiel 5 est isolé thermiquement de la température du tube d'arrivée du gaz sous pression, car celui-ci est en général chauffé par sa compression. Comme on l'a représenté au dessin (figure 2), l'orifice 5 est porté par une plaque isolante 16 fixée de façon étanche contre le corps 1. Comme on le voit à la figure 1, un tube 17 coxial à la chambre 2 entoure sur une petite distance le gaz issu de l'orifice 5, afin d'éviter qu'une part de ce gaz remonte prématurément dans l'orifice supérieur 3 et échappe ainsi au contact froid de la chambre 2. Cette dernière peut être élargie en diamètre vers le bas pour permettre au liquide condensé de ralentir sa vitesse tangentielle. En bas de la chambre 2 est placé un filtre poreux ou un tamis 18 qui recueille le liquide condensé le long de la paroi de cette chambre tout en l'isolant du mouvement rotatif du gaz dans le cyclone pour éviter sa remise en mouvement qui diminuerait le rendement final de condensation. Un filetage interne de la chambre 2, prolongeant celui qui fixe le bouchon 13, améliore l'adhérence du liquide et son parcours vers le tamis 18. En pratique, les divers contacts thermiques avec les composants 6 et 7 sont améliorés par interposition de mastic thermiquement conducteur tel que de la graisse silicone chargée d'oxydes métalliques, commercialisée sous la dénomination "transistors compound" par la firme C.I.F. à F-94230 Cachan. Sans sortir du cadre de l'invention, on peut utiliser d'autres faces du corps 1 pour porter par exemple trois à six composants thermoélectriques au lieu des deux composants 6,7 décrits ci-avant. Sinon, comme représenté à la figure 2, la face du corps 1 qui est opposée à celle de la plaque 16 est aussi recouverte d'une plaque isolante 20 de sorte que tous les bords de chacun des composants 6,7 sont maintenus par des éléments isolants de la chaleur. en référence maintenant à la figure 3, on a représenté un second mode de réalisation de l'invention, particulièrement conçu pour déshydrater l'air ambiant avant son aspiration dans un compresseur. Dans ce cas, on recherche une perte de pression minime dans le déshydrateur et on peut ne pas employer un système cyclone. Comme on le voit au dessin 1 on utilise, à l'intérieur d'un boîrier étanche 40, deux composants thermoélectriques 31,31' dont les faces réfrigérantes sont peu écartées l'une de l'autre, et disposées en vis-à-vis. L'air introduit par le raccord 32 descend entre ces faces réfrigérantes avec une vitesse importante, qui provoque un bon échange thermique par convection. En bas, l'air et l'eau condensée se ralentissent dans un espace 33 de grande section. L'eau ruisselle et suinte ensuite à travers un élément poreux 34 qui permet d'éviter une reprise même partielle par le courant d'air. Une purge 35 permet d'évacuer l'eau. Les composants 31,31' sont serrés entre des plaques 36,36' qui leur sont appliquées pour être en bon contact thermique avec leurs faces chaudes. Ces plaques 36,36' portent des ailettes 37,37', analogues aux ailettes 10,11 des figures 1 et 2, pour évacuer la chaleur, d'une part vers le boîtier étanche 40 et, d'autre part, dans l'air refroidi qui remonte entre les ailettes 37,37' et le boîtier, avant d'être évacué vers l'orifice 41 relié à l'aspiration du compresseur, comme indiqué par les flèches. Pour améliorer l'action des composants thermoélectriques, on peut prévoir d'adjoindre à chacun un composant de même dimension, dont la face froide est appliquée contre la face chaude du premier, ce qui double la puissance de refroidissement. Le couvercle inférieur 44 du boîtier 40 est de préférence en matériau isolant pour s'opposer à une entrée de chaleur venant de l'atmosphère ambiante. Comme dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, les composants thermoélectriques réfrigérants 31,31' sont maintenus entre des cales isolantes 42,42', le tout étant serré, avant introduction dans le boîtier 40, au moyen de boulons tels que 43, puis calé en position haute par un moyen non figuré. A titre d'exemple, on indiquera que l'écartement entre les faces réfrigérantes des composants 31,31' peut être de 0,5mm pour une vitesse d'air de 20m/s entre elles, pour obtenir un refroidissement d'environ 30W avec une différence de température de 250C. On notera qu ' on peut aussi améliorer l'échange entre l'air humide et les dites faces réfrigérantes en introduisant entre celles-ci un radiateur constitué de tubes longitudinaux en cuivre, accolés et brasés entre eux, dont la section de passage soit la même que la précédente. On comprendra que la description ci-dessus a été donnée à simple titre d'exemple, sans caractère limitatif, et que des adjonctions ou des modifications contructives pourraient y être apportées sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour déshydrater ou déshuiler un gaz, en particulier un gaz comprimé ou destiné à être comprimé, comprenant, à l'intérieur d'une enceinte étanche (1,40) dans laquelle on introduit le dit gaz, un moyen de refroidissement du gaz et un moyen de séparation du gaz refroidi et de l'élément condensable qu'il contient, ce dernier étant évacué par un orifice de purge (4,35), caractérisé en ce que le dit moyen de refroidissement du gaz comprend au moins un composant à effet thermoélectrique (6,7 - 31,31'), dit à effet Peltier, dont la face refroidie est en connexion thermique avec le gaz et dont la face échauffée coopère avec des moyens d'évacuation de la chaleur. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la dite enceinte étanche comprend une chambre verticale cylindrique et/ou conique (2) ménagée à l'intérieur d'un corps (1), avec un orifice (3) de sortie de gaz à son extrémité supérieure, le dit orifice de purge (4) à son extrémité inférieure et un orifice tangentiel (5) d'entrée de gaz comprimé, le corps (1) présentant extérieurement au moins deux faces planes verticales contre chacune desquelles est appliquée la face refroidie d'un dit composant thermoélectrique plat (6,7). 3. Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que, sur la face réchauffée du composant thermoélectrique associé à la face plane verticale du corps (1) est appliqué un échangeur thermique pouvant comporter des ailettes (10,11) en métal conducteur de la chaleur. 4. Dispositif selon la revendication 2 ou la revendication 3, caractérisé en ce que le dit corps (1) est calorifugé par un bouchon inférieur étanche (13) en matériau isolant qui porte l'orifice de purge (4) et par un couvercle étanche (14) en matériau isolant qui porte l'orifice de sortie (3). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que l'orifice tangentiel (5) d'arrivée du gaz comprimé est porté par une plaque isolante (16) fixée au dit corps (1). 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'un filtre poreux (18) ou un tamis est disposé à la partie inférieure de la dite chambre cylindrique (2) pour recueillir le liquide condensé le long de la paroi de cette chambre tout en l'isolant du mouvement rotatif du gaz dans la chambre. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé par un tube (17), coaxial à la chambre verticale cylindrique (2), qui fait écran sur une petite distance au gaz provenant de l'orifice tangentiel (5), de façon à éviter qu'une part de ce gaz remonte prématurément dans l'orifice supérieur (3). 8. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comprend, à l'intérieur d'un boîtier étanche (40), deux dits composants thermoélectriques (31,31') dont les faces réfrigérantes sont peu écartées et en vis-à-vis, le gaz non comprimé étant introduit par un orifice supérieur (32) pour descendre à grande vitesse entre les dites faces réfrigérantes, l'eau de condensation étant évacuée à la partie inférieure du boltier (4) et le gaz refroidi étant évacué par un orifice de sortie (41) en haut du boîter et pouvant être relié à l'aspiration d'un compresseur. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'un échangeur thermique, comportant des ailettes métalliques (37,37'), est appliqué sur la face chaude de chaque composant thermoélectrique (31,31'), le dit gaz refroidi remontant autour des dites ailettes (37,37') avant d'être évacué par le dit orifice de sortie (41). 10. Dispositif selon la revendication 8 ou la revendication 9, caractérisé par un élément poreux (34) disposé à la partie inférieure de l'espace intérieur du boîtier (40), le dit élément poreux (34) laissant passer l'eau de condensation vers l'orifice de purge (35) à l'écart de l'écoulement et évitant toute reprise de cette eau par le gaz refroidi.