Brevet FR2796709A1 — publié le 20010126

DISPOSITIF DE SOUFFLAGE D'AIR A TRES BASSE TEMPERATURE L'invention a trait à un dispositif de soufflage de gaz à très basse température, de l'ordre de -60'C et en deçà, à la pression atmosphérique, pour le refroidissement d'objets ou de corps, notamment du corps humain. Le refroidissement rapide de la peau est couramment pratiqué par les kinésithérapeutes pour combattre certaines inflammations des tendons. Habituellement, ce refroidissement est obtenu par détente directe de gaz carbonique liquérié, qui permet d'obtenir en sortie d'une buse un jet de gaz à -78'C. Des dispositifs de ce type sont décrits par exemple dans les documents DE 195 48 652 AI et DE 196 45 299 AI. Cette méthode n'est pas sans inconvénients : les bouteilles de gaz sont coûteuses et doivent être remplacées souvent du fait de leur faible durée d'utilisation. La manutention, le transpoft et le stocka-e des bouteilles nécessitent une logistique importante. Par ailleurs, le gaz carbonique dissipé est susceptible de provoquer des migraines chez le personnel soignant ou le patient. Enfin, le débit de gaz éjecté est fonction du remplissage de la bouteille, d'où des capacités de refroidissement non constantes. L'invention vise donc à proposer un dispositif d*éjection de gaz à très basse lm température, qui ne présente pas les inconvénients ci-dessus mentionnés. Plus précisément, elle vise à proposer un dispositif éjectant de l'air gazeux plutôt que du gaz carbonique. Selon Finvention, cet objectif est atteint grâce à un dispositif de soufflage d'air à très basse température comportant un circuit d'air comprimé ayant un compresseur, un dispositif de traitement de l'air disposé en aval du compresseur, et comportant au moins une unité de dessiccation et un tube à tourbillon, disposé en aval du dispositif de traitement, et doté en outre d'un circuit de fluide frigorigène comportant une portion de circuit haute pression, un détendeur, et une portion de circuit basse pression située en aval du détendeur, et un échangeur then-nique entre la portion de circuit basse pression située en aval du détendeur et une portion du circuit d'air située entre le dispositif de traitement et le tube à tourbillon, permettant un refroidissement de l'air avant son entrée dans le tube à tourbillon. Le principe de fonctionnement des tubes à tourbillons, également connus sous le nom de tubes vortex, est exposé notamment dans le brevet US-A- 1952 28 1. Cette technologie permet d'obtenir, à partir d'un gaz sous pression, un courant de gaz froid et un courant de oaz chaud, ceci sans recourir à des organes mécaniques mobiles. Suivant un exemple de réalisation très simple, un tube à tourbillon comporte une chambre ayant la forme d'un corps de révolution avec deux orifices axiaux opposés, une buse permettant d*injecter le gaz sous pression tangentiellement dans la partie médiane de la chambre de manière à engendrer un mouvement hélicoïdal du gaz le long des parois de la chambre vers l'un des orifices, et un déflecteur empêchant une partie du fluide de s'échapper par 'cet ori ice et engendrant un courant de fluide secondaire hélicoïdal le Ion., de l'interface formé par la surface interne de la première couche de fluide vers l'autre orifice. L'interaction entre les deux couches de fluide provoque une expansion de la couche interne, et une compression de la couche externe, accompagnées d'un échanae de chaleur de la première vers la deuxième. Le courant résiduel débouchant de l'orifice de section réduite est chaud alors que le courant sortant par l'orifice opposé est froid. Le document US-A-3 208 229 décrit une application typique d'un tube à tourbillon pour l'obtention d'air frais. Un générateur d'air frais comportant un tube à tourbillon alimenté par un circuit comportant un compresseur, un moyen de prérefroidissement du gaz et un séparateur d'eau pour éliminer l'eau contenue dans l'air. La sortie froide du tube à tourbillon alimente une installation de distribution d'air frais. Ce type d'utilisation correspond bien aux caractéristiques techniques des tubes à tourbillon, qui présentent une courbe de puissance de refroidissement en cloche : un rendement maximum est obtenu pour un débit d*air froid correspondant à environ 70 à 80 % du débit entrant, pour une baisse de température de l'ordre de 20 à 30'C. Il est possible d'obtenir des baisses de température bien plus importantes, de l'ordre de -50'C, mais le rendement du tube chute alors dans des proportions telles que toute utilisation pratique est exclue. C'est la raison pour laquelle les tubes à tourbillon ne sont habituellement pas utilisés dans les applications nécessitant un refroidissement de l'air gazeux à très basse température. Selon l'invention, la présence d'un échangeur thermique entre le circuit d'air et un circuit à fluide frigorigène permet un refroidissement important de l'air asséché, CP jusqu'à une température proche du point de rosée obtenu à la sortie du dessiccateur. Préférentiellement, l'échangeur thermique dispose d'une commande de régulation telle que la température de l'air à la sortie de l'échangeur est légèrement plus élevée que le point de rosée de l'air obtenu en sortie du dessiccateur. Préférentiellement, le point de rosée obtenu en sortie du dessiccateur est inférieur à -3)O'C, par exemple, autour de -40'C. Ainsi, il est possible de disposer d'un air proche de cette température, par exemple aux alentours de -38'C, à l'entrée du tube à tourbillon. Le tube à tourbillon permet alors d'obtenir un refroidissement de l'ordre de 20'C, dans sa zone de rendement maximal, et une température d'éjection de l'ordre de -60T. Selon un mode de réalisation, l'échangeur therrnique comporte une enceinte contenant un fluide caloporteur et dans laquelle plonge un serpentin constituant la portion de circuit basse pression du fluide frigorigène, laquelle est située en aval du détendeur, et un deuxième serpentin constituant la portion du circuit d'air située entre le dispositif de traitement et le tube à tourbillon. Pour l'application préférée envisagée, la sortie froide du tube à tourbillon est C munie d'un embout adapté à une application de l'air froid sur le corps humain. Pour toute application au corps humain, il est important que l'air ne soit pas pollué. Avantageusement, le compresseur est un compresseur sans huile, ce qui contribue à la qualité d'air recherchée. Dans certains cas, notamment lorsque la température ambiante est élevée ou lorsque l'air est particulièrement chargé en humidité, mais aussi lorsque l'on souhaite obtenir un débit élevé, il est utile de prévoir que le générateur comporte un circuit auxiliaire de circulation du fluide caloporteur, et un échangeur auxiliaire entre ce circuit auxiliaire et une partie du circuit d'air située en amont de l'unité de dessiccation. L'échangeur thermique auxiliaire comporte avantageusement une enceinte auxiliaire remplie du fluide caloporteur, l'unité de traitement du circuit d'air comportant un serpentin disposé en amont de l'unité de dessiccation, et plongeant dans l'enceinte auxiliaire. Il en résulte une condensation de la plus grande partie de l'eau contenue dans l'air comprimé. Selon un mode de réalisation, le dispositif est muni d'un régulateur du débit d'air entrant dans le tube à tourbillon en fonction de la température mesurée sur la cible sur laquelle est dirigé l'air à très basse température soufflé par le tube à tourbillon. Une mesure de la température de la cible peut être obtenue par l'intermédiaire d'un capteur de température à distance, par exemple à infrarouge, ou par un capteur apposé sur la cible. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif est muni d'un régulateur du débit d'air en fonction de la température de l'embout du tube à tourbillon. Cette variante est particulièrement utile lorsque l'embout est destiné à être apposé directement sur la surface à refroidir. Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci a trait spécifiquement à un dispositif de refroidissement d'une partie du corps humain comportant un dispositif de soufflage d'air à très basse température tel que décrit précédemment. C D'autres avantac-Yes et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre de divers modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés sur lesquels # la rigure 1 représente un schéma du dispositif selon l#invention # la figure 2 représente un tube à tourbillon muni d'une buse d'éjection directionnelle suivant un mode de réalisation de l'invention ; # la ficure ') représente un tube à tourbillon muni d*un embout de contact suivant un autre mode de réalisation de l'invention. En référence à la figure 1, le dispositif de soufflage comporte deux circuits C C principaux, à savoir un circuit de fluide frigorigène 10 et un circuit d'air comprimé 12, ainsi que diverses boucles de commandes. Le circuit de fluide frigorigène 10 est un circuit fermé dans lequel circule un frigorigène, par exemple du R404. Un compresseur hermétique 14 comprime le gaz fiigorigène qui s'échauffe. Le gaz est conduit vers un échangeur de chaleur 16, appelé condenseur, en face duquel tourne un ventilateur 18. En traversant le condenseur 16, le gaz comprimé est refroidi à une température légèrement supérieure à la température ambiante par l'air ambiant brassé par le 'ventilateur 18. Le gaz, qui a perdu une partie de son enthalpie, se liquéfie et est stocké dans une bouteille 20, dont le prélèvement est fait par le bas. Après avoir traversé une vanne d'isolement 22, le liquide frigorigène traverse un c c dessiccateur 24 destiné à éliminer l'humidité qui aurait pu être introduite au moment du remplissage du circuit, puis un voyant 26 qui permet de vérifier le bon remplissage du circuit. Le liquide traverse ensuite une électrovanne 28, dont le fonctionnement sera expliqué plus loin, puis arrive à une vanne thermostatique ')0 faisant office de détendeur. Le liquide se vaporise au passage de la vanne thermostatique ')0 en pénétrant dans la partie basse pression du circuit de fluide frigorigène. Le premier élément de cette partie basse pression du circuit est constitué par un serpentin 32 immergé dans une enceinte calorifugée 34 remplie d'un fluide caloporteur, en l'occurrence de l'eau glycolée. Le gaz vaporisé parcourant le serpentin 32 absorbe une grande quantité de la chaleur contenue dans l'eau glycolée qui se refroidit. c L'ouverture de la vanne thermostatique 'JO est contrôlée par un bulbe de mesure de température 36 qui permet d'ouvrir ou de fermer automatiquement la vanne M. Un capteur de température 38 envoie une information représentative de la température de l*enceinte à un régulateur 40 qui ouvre ou ferme l'électrovanne 28, permettant ainsi de maintenir la température dans l'enceinte 34 à -40'C environ, suivant la consigne du régulateur 40. Puis le gaz est aspiré par le compresseur 14 à travers la vanne d'isolement 42 et le cycle recommence. Un pressostat 44 permet de contrôler la mise en route et l'arrêt du compresseur 14, assurant ainsi une grande sécurité de fonctionnement, en maintenant le compresseur 14 dans la plage de pression qui lui est fixée par réglage, indépendamment de la charue ou de la température ambiante. Le circuit d'air comprimé 12 est quant à lui un circuit ouvert, alimenté par un compresseur 46 comportant une cuve, un système de contrôle de pression autonome et un système de démarrage électrique. Dans l'exemple de réalisation, la pression de l'air est de 6 bars. Le compresseur 46 est du type sec, c'est-à-diÈe sans huile, garantissant l'absence de pollution de l'air comprimé par des vapeurs d'huile, ce qui est particulièrement recherché dans des applications médicales. L'air sous pression traverse un dispositif 48 destiné essentiellement à en éliminer le plus possible d'humidité afin d'abaisser son point de rosée. Cette élimination de l'eau est effectuée en deux étapes : une première étape de refroidissement suivie d'une étape de dessiccation. L'air est tout d'abord refroidi à une température proche de la température ambiante en passant dans un condensateur constitué par un serpentin 50 situé dans le circuit du ventilateur 18, ce qui favorise la condensation de l'humidité contenue dans l'air comprimé. L'air comprimé passe ensuite à travers un filtre 52 muni d'une garniture de 5 microns d'ouverture, nécessaire au fonctionnement du tube à tourbillon. Ce filtre permet en outre à une partie de l'eau de se condenser par coalescence et sous l'effet de la force centrifuge provoquée par la forme du filtre. L'eau est éliminée par une purge manuelle ou automatique 54. En sortie du filtre, l'air comprimé est débarrassé de la plus grande partie de son humidité. L'eau recueillie à la sortie de la purge 54 est conduite à l'égout par une conduite si l'appareil est en poste fixe ou dans un bac de récupération si l'appareil est mobile. En cas d'utilisation intensive ou si l'air d'alimentation est de température élevée et fortement humide (pays tropicaux), on peut recourir à un refroidissement préalable plus important de l'air pour éliminer la plus grande partie de l'eau condensée avant de rentrer dans le dessiccateur 70 qui serai t sinon vite saturé. Un circuit de refroidissement auxiliaire optionnel 56 permet d'utiliser l'eau glycolée à basse température contenu dans l'enceinte 34 pour effectuer un pré- refroidissement de l'air. Le circuit auxiliaire 56 utilise l'enceinte calorifugée comrne source froide pour alimenter par l'intermédiaire d'un thermosiphon ou d'une pompe électrique 58, un réservoir auxiliaire 60 d'eau glycolée maintenue à +2'C, à travers une électrovanne 62. La température du bac auxiliaire 60 est régulée par'un régulateur 64 muni d'une sonde 66. Un serpentin 68 traverse le bac auxiliaire 60. Ce serpentin 68 vient à la suite ou en remplacement du serpentin 50 de l'appareil de base, et sert à obtenir de l'air à +PC. Le préfiltre 51.1 est au besoin remplacé par un modèle plus important, avec purge 54 automatique. La dessiccation de l'air en sortie du filtre 52 est obtenue dans un dessiccateur 70 par absorption, en mettant l'air au contact d'un produit avide d'eau. On remplace la partie active du dessiccateur à absorption 70 quand celle-ci est saturée d'eau, ce qui est visible à son changement de couleur. Le point de rosée de l'air asséché obtenu est d'environ 4PC. L'air traverse ensuite l'enceinte calorifugée 34 dans un serpentin 72 où il subit une forte baisse de température jusqu'à -38'C, l'enceinte 34 remplie de fluide caloporteur et les deux serpentins 32 et 72 formant un échangeur thermique 74 entre les deux circuits 10 et 12. Le serpentin 72 est relié à un tube à tourbillon 76 par l'interrnédiaire d'une tuyauterie souple 78 soigneusement calorifugée. L'air plus froid que le point de rosée est exclusivement situé au centre du tube, et sort en contact avec la buse qui est à une température très basse. Le tube à tourbillon est décrit en détail sur la figure 2. Il comporte un corps tubulaire 80 comportant dans sa partie médiane une buse d'injection tangentielle 82. Du côté de l'une de ses extrémités axiales, le corps tubulaire est prolongé par un tube principal 84. L'extrémité libre du tube principal 84 est munie d'un pointeau de réglage 86 laissant un orifice annulaire de dimension variable. Adjacent à la buse tangentielle 821 du côté opposé au tube principal 84 est disposé un diaphragme 88 maintenu en position par une bague isolante 90. L'extrémité du corps tubulaire 80 opposée au tube principal 84 est munie d'un support 92 permettant l'articulation d'une buse d'é ection 94. Le réglage de la fraction chaude j ZD du tube à tourbillon est effectué par le pointeau 86, et le jet d'air glacé (-60'C à CD -65'C) sort par la buse 94. Une poignée tubulaire 96 supporte le corps tubulaire 80 et le tube principal 84, ainsi quiune partie de la tuyauterie calorifugée 78 d'alimentation en air comprimé. L'utilisateur dispose en outre d'une manette 98 reliée à un interrupteur électrique lui perrriettant de commander une électrovanne 100 d'ouverture et de ferrneture du circuit d'air. L'air peut alors être dirigé vers son point d'utilisation par l'opérateur qui tient la poignée tubulaire 96 à la façon d'un chalumeau. C Suivant le mode de réalisation le plus simple, représenté en A sur la figure 1, le contrôle du dispositif est purement manuel : le système de base ne comporte pas de moyen de mesure de l'action du jet d'air glacé, et le praticien doit s'aider d'un thermomètre séparé pour s'assurer que son action est optimale. Selon une variante, la durée d'application du jet petit être contrôlée par une minuterie qui démarre dès que l'interrupteur situé sur la poignée de guidage du jet CI est actionné. Toutefois, ces configurations ne sont pas optimales. En effet, si l'exposition au jet d'air à très basse température est trop longue ou mal conduite, il y a risque de geler la peau du patient. Il est donc intéressant de surveiller en permanence la température superficielle de la peau par une mesure infrarouge sans contact, et de maintenir la température de la peau au-dessus de la fempérature dangereuse. C'est l'ob . et du mode de réalisation représenté en B sur la figure 1. Un capteur infrarouge 102 indique en permanence la température de la cible située à l'impact du jet. Le praticien peut choisir de n'utiliser que l'affichage de la température, le contrôle du jet étant maintenu manuel. Il peut également utiliser un contrôle automatique : l'information délivrée par le thermomètre infrarouge 102 est alors envoyée à un régulateur 104 qui commande l'électrovarine 100. L'électrovanne s'ouvre ou se ferme automatiquement et gère l'alimentation en air du tube à tourbillon, ce qui a pour effet de maintenir la température de la peau du patient au- dessus de la zone de dancer. Le seuil de température limite à atteindre sur la peau du patient est réglable, et est entré en consigne dans le régulateur 104. C) Selon une variante de réalisation représentée en C sur la figure 1 ainsi que sur figure 3, la buse d'éjection 94 présente une extrémité en forme de disque, munie de rainures de circulation de l'air sortant du tube à tourbillon. Ce disque supporte une coupelle de contact 106. L'éjection de l'air froid permet le refroidissement de la coupelle 106. Un thermocouple 108 de prise de température de la coupelle 106, muni d'un ressort de rappel 110 et d'un fil électrique 112 de liaison au régulateur 114 permet une régulation de la température de la coupelle. Dès que la température de la coupelle 106 descend en dessous du point de consigne, l'électrovanne 100 se ferme, interrompant le jet d'air. La température de la coupelle reste donc sous contrôle précis et ne dépend que des réglages du régulateur 104. c C 0 On est donc sûr que la température de la peau ne peut pas descendre plus bas que le point de consigne qui a été fixé pour la coupelle. Cette coupelle peut être de forme et de dimensions variables, en fonction des besoins du praticien. Une mousse 116 de diffusion de l'air et d'atténuation du bruit de sortie de l'air complète le dispositif. Le refroidissement de la peau du patient est obtenu en la mettant au contact de la coupelle. Les coupelles et buses de soufflage sont interchangeables et leur forme peut être t> c réalisée sur mesure en fonction des besoins des utilisateurs. La description précédente est donnée à titre non limitatif et diverses variations sont possibles. En particulier, le compresseur peut être à poste fixe à l'extérieur du bâtiment ou dans le même coffret que le système de refroidissement de l'air. Le dessiccateur 70 peut être doublé afin d'assurer sa maintenance sans arrêter l'utilisation du dispositif. On peut par ailleurs envisager d'autres utilisations du dispositif d'éjection d'air. REVENDICATIONS 1. Dispositif de soufflage d'air à très basse température comportant 0 un circuit d'air comprimé (12) muni # d'un compresseur (46), # d'un dispositif de traitement de l*air, disposé en aval du compresseur et comportant au moins un dessiccateur (70) et # d'un tube à tourbillon (76), disposé en aval du dispositif de traitement, caractérisé en ce qu#iI comporte en outre # un circuit de fluide frigorigène (10) comportant une portion de circuit haute pression, un détendeur (30), et une portion de circuit basse pression (32) située en aval du détendeur, et # un échangeur thermique (74) entre la portion de circuit basse pression (32) située en aval du détendeur (')0) et une portion du circuit d'air située entre le dispositif de traitement et le tube à tourbillon (76), permettant un refroidissement de l'air avant son entrée dans le tube à tourbillon (76). 2. Dispositif de soufflage d'air à très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur thermique (74) dispose d'une commande de régulation (40) telle que la température de l'air à la sortie de l'échangeur (74) est légèrement plus élevée que le point derosée de l'air obtenu erf sortie du dessiccateur (70). 3. Dispositif de soufflage d'air à très basse température selon la revendication 2, caractérisé en ce que le point de rosée obtenu en sortie du dessiccateur (70) est inférieur à -3 )O'C. 4. Dispositif de soufflage d'air à très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur thermique (74) comporte une enceinte (34) contenant un fluide caloporteur et dans laquelle plonge un serpentin (32) constituant la portion de circuit basse pression située en a-,,,,al du détendeur, et un deuxième serpentin (72) constituant la portion du circuit d'air située entre le dispositif de traitement et le tube à tourbillon (76). 5. Dispositif de soufflage d'air à très basse température selon la revendication c 1, caractérisé en ce que la sortie froide du tube à tourbillon (76) est muni d'un embout (94, 106) adapté à une application de l'air froid sur le corps humain. 6. Dispositif de soufflage d'air à très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compresseur (46) est un compresseur sans huile. 7. Dispositif de soufflage d'air à très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit auxiliaire (56) de circulation du fluide caloporteur, et un échangeur auxiliaire (60) entre ce circuit auxiliaire (56) et une partie du circuit d'air située en amont du dessiccateur (70). 8. Dispositif de soufflage d'air à très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de traitement de l'air comporte en outre un condenseur (50) disposé en amont du dessiccateur (70). 9. Dispositif de soufflage d'air à très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est muni d'un régulateur (104) du débit d'air entrant dans le tube à tourbillon en fonction de la température mesurée sur la cible sur laquelle est dirigé l'air à très basse température soufflé par le tube à tourbillon. 10. Dispositif de soufflage d'air à très basse température selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est muni d'un régulateur (1 14) du débit d'air en fonction de la température de l'embout. Il. Dispositif de refroidissement d'une partie du corps humain comportant un dispositif de soufflage d'air à très basse température selon l'une quelconque CD des revendications précédentes.