Brevet FR2826297A1 — publié le 20021227

La présente invention concerne un mélange gazeux pour ballons à base d'hélium, d'oxygène et d'azote en proportions contrôlées. II existe différents types de ballons, on nommera ici ballon un objet très léger de forme à peu près sphérique, plutôt ovoïde, gonflé de gaz et utilisé pour décorer ou pour jouer, ainsi que des variantes qui sont, par exemple, les ballons de caoutchouc de formes diverses (coeur, ourson, saucisse, souris etc.), les ballons dits à sculpter de forme très allongée et pouvant être repliés sur eux-mêmes ou noués à plusieurs une fois gonflés pour constituer des figurines naïves d'animaux ou autres, et les ballons constitués d'un film d'aluminium (ou Milar) de formes et de couleurs très variées. Les ballons sphériques sont couramment appelés "ballons de baudruches" ; toutefois, ce qualificatif est impropre dans la mesure ou la baudruche (pellicule fabriquée à partir d'intestin de boeuf ou de mouton) a cédé sa place au caoutchouc coloré et parfois imprimé par tampographie ou par sérigraphie ou à divers films ou membranes synthétiques également décorés. Les ballons de caoutchouc sont généralement gonflés sous des pressions relatives de l'ordre de 0,05 à 0,1 bar. Avec un diamètre moyen de l'ordre de 25 cm à l'état gonflé, ils offrent un volume de l'ordre 10 litres. Les dimensions les plus courantes vont de 20 cm à 30 cm de diamètre. Il en existe bien entendu de plus petits comme de beaucoup plus gros, par exemple jusqu'à 1 mètre de diamètre en fourniture standard dans le commerce. Comme tout objet, le ballon subit de l'air qui l'entoure une poussée dite d'Archimède, verticale et dirigée de bas en haut, égale au poids de l'air qu'il déplace. Si le poids total du ballon (défini comme la somme des poids du ballon lui-même, du gaz qu'il contient et des différents accessoires dont il est équipé) est inférieur au poids de l'air qu'il déplace, le ballon est dit plus léger que l'air. La flottabilité dont il dispose alors est d'autant plus forte que la différence entre son poids total et le poids de l'air déplacé est grande. Le poids de l'air déplacé dépend de l'accélération de la pesanteur au lieu considéré, du volume déplacé, et de la masse volumique de l'air qui est environ de 1,29 g/t dans les conditions normales de température et de pression. Le poids total du ballon dépend évidemment de la masse volumique du gaz qu'il contient. L'utilisation de gaz plus légers que l'air dans les conditions normales de température et de pression, a permis de remplacer ou de compléter le principe des montgolfières dont la flottabilité est assurée par de l'air dilaté par une source de chaleur située en leur partie inférieure. L'air comme tous les gaz a en effet la propriété de se dilater fortement lorsque sa température s'élève (loi de Marotte) et sa masse volumique décroît donc en fonction de la dite température. La flottabilité des ballons permet de réaliser des applications techniques et scientifiques, tels les ballons-sondes destinés à explorer l'atmosphère ou des ballons portant des instruments divers photographiques, scientifiques. Des applications de ballons portant des moyens d'éclairage ou servant d'écran de projection ont également été décrites. Enfin, de nombreuses applications sont de l'ordre du ludique ou de la communication et de la décoration comme les lâchers de ballons avec ou sans message transportés, les bouquets de ballons, les canopées de ballons, les ballons de forme, les objets publicitaires en ballons, les animations avec éclatement de ballons... Ces multiples applications, dont le nombre et la diversité sont en croissance, entraînent une demande sans cesse croissante de gaz plus légers que l'air. Deux gaz peuvent, en théorie, être utilisés pour le gonflage des ballons de baudruche destinés aux enfant, à savoir l'hydrogène et l'hélium. Toutefois, l'hydrogène pur, bien qu'étant le plus léger de ces gaz avec une masse volumique de 0,09 g/t environ, ne convient pas à cette application particulière à cause de sa dangerosité due au caractère explosif des mélanges qu'il forme avec l'air. Par ailleurs, l'hélium, qui n'est ni toxique, ni combustible, présente néanmoins deux inconvénients majeurs, à savoir son prix élevé et surtout son caractère anoxique due à l'absence d'oxygène. L'hélium pur présente aussi l'inconvénient d'être trop léger, à savoir une masse volumique de 0,169 g/l à 15 C, ce qui oblige à lester les ballons pour éviter que les enfants ne les perdent trop facilement. Enfin, il est extrêmement fuyard et les ballons se dégonflent rapidement, puisque ce gaz tend à diffuser facilement à travers l'enveloppe qui constitue la paroi externe du ballon, laquelle est généralement formée d'une feuille ou d'une membrane en un matériau plus ou moins poreux, tel que le latex. Une solution économique connue consiste à remplir les ballons de baudruche avec un mélange d'hélium et d'air. L'hélium est apporté pur en bouteille et l'air est pompé localement à l'atmosphère, avant d'être mélangé à l'hélium pour le diluer. Cette solution conduit à véhiculer l'hélium pur donc non respirable et même si le mélange était réalisé préalablement à la mise en oeuvre, la teneur en air admissible pour que le mélange reste convenablement plus léger que l'air, ne conduit pas à une composition respirable, c'est-à-dire sans risque d'anoxie pour une personne qui en respirerait. Par exemple, un ballon de 10 1 pesant 4 g à vide doit présenter une différence entre son poids plein et la poussée d'Archimède qu'il reçoit de l'air de l'ordre de 5 g minimum pour commencer à"voler". La poussée d'Archimède est de 12,9 g, la masse du gaz doit donc être inférieure à 7,9 g, soit une masse volumique de 0,79 g/l et en tenant compte d'une pression relative de gonflage de 0,05 bar, une masse volumique normale de l'ordre de 0,75, ce qui conduit à une teneur maximum en air de l'ordre de 52%, soit une teneur en oxygène inférieure à 11%, donc nettement insuffisante pour être respirée sans danger. Une solution pour rendre le gaz de remplissage respirable est de constituer un mélange d'hélium et d'oxygène. De tels mélanges sont employés dans le domaine médical pour des déficiences respiratoires et en plongée sous marine pour les grandes profondeurs. Or, le caractère respirable d'un mélange ayant une teneur en oxygène égale à celle de l'air est bon mais il ne faut pas exclure le risque d'enrichissement de ce mélange en oxygène dans le temps s'il est conservé dans des emballages mettant en oeuvre des matières micro poreuses, telles que membranes ou joints élastomères par exemple. Dans ce cas, l'hélium dont la molécule est beaucoup plus petite que celle de l'oxygène, diffuse plus rapidement et sa teneur s'abaisse. Un mélange contenant une teneur en oxygène supérieure à la teneur de l'air devient alors potentiellement dangereux, dans la mesure où il accélère les combustions et peut rendre combustible ou explosives des matières qui ne le sont pas naturellement dans l'air. De plus, les ballons sont souvent remplis par des personnes ne disposant pas toujours d'une qualification particulière dans la manipulation des gaz, ce qui accroît aussi le risque potentiel des mélanges précités. Par ailleurs, il est également apparu depuis quelques années une pratique dangereuse qui consiste à inhaler, par amusement, de l'hélium pour modifier sa voix. Or, cette pratique apparemment anodine peut conduire à des situations d'anoxie éminemment périlleuses pour la personne qui inhale le mélange à base d'hélium et ce, d'autant plus que la teneur en hélium est élevée. L'engouement croissant pour les ballons plus légers que l'air a conduit à l'apparition sur le marché de petits récipients d'hélium contenant entre 100 et 500 1 d'hélium que tout un chacun peut acquérir sans recevoir d'information ou de mise en garde particulière sur les dangers potentiels inhérents à l'emploi de ce gaz. Le but de la présente invention est alors de proposer un mélange gazeux pour remplir des ballons plus légers que l'air, notamment les ballons de baudruche par exemple, offrant une parfaite sécurité d'emploi, un coût raisonnable et permettant d'obtenir une élévation correcte du ballon dans les airs. La solution proposée par l'invention est alors de réaliser un ou des mélanges à base d'hélium, enrichis en oxygène pour être respirables et dilué avec de l'air ou un fluide à base d'azote pour diminuer son coût. La solution de l'invention est alors un mélange gazeux ayant une densité inférieure à la densité de l'air atmosphérique et contenant de : - 70 à 80 % en volume d'hélium, - 18 à 24 % en volume d'oxygène, et - 1 à 7 % d'azote, la somme des proportions volumiques en hélium, oxygène et azote dans ledit mélange gazeux étant supérieure ou égale à 95% du volume total du mélange gazeux. Selon le cas, le mélange de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques techniques suivantes : - il contient de 72 à 78% en volume d'hélium. - il contient de 19 à 23 % en volume d'oxygène. -il contient de 2 à 6 % d'azote. - il contient de 73 à 77% en volume d'hélium. - il contient de 20 à 22 % en volume d'oxygène. - il contient de 3 à 5 % d'azote. - sa masse volumique à 150C sous 1,013 bar est comprise entre 0.42 kg/rn et 0,49 kg/rn, de préférence comprise entre 0,43 kgjm3 et 0,48 kg/rn. La densité, qui est le rapport des masses volumiques du mélange et de l'air, est comprise entre 0,32 et 0,38, de préférence entre 0,33 et 0, 37. - la somme des proportions volumiques en hélium, oxygène et azote dans ledit mélange gazeux étant supérieure ou égale à 97% du volume total du mélange gazeux, de préférence la somme des proportions volumiques en hélium, oxygène et azote dans ledit mélange gazeux étant supérieure ou égale à 99% du volume total du mélange gazeux. Il est à noter que le mélange gazeux de l'invention peut aussi contenir d'autres composés gazeux en tant qu'impuretés, notamment des composés comme l'argon, le CO2, la vapeur d'eau, les gaz rares.... inévitablement présents dans l'air ambiant. En effet, on verra ci-après que le mélange peut être fabriqué en utilisant notamment de l'air ambiant comme source d'azote. - la pression de conditionnement du mélange est comprise entre 300 bar et 12 bar, de préférence 40 et 15 bar. L'invention porte aussi sur un ballon comportant une enveloppe hermétique, encore appelée membrane étanche, remplie d'un mélange gazeux selon l'invention, en particulier un ballon dit de baudruche ludique destiné aux enfants. Selon un autre aspect, l'invention concerne aussi l'utilisation d'un mélange gazeux selon l'invention pour remplir l'enveloppe hermétique d'un tel ballon. Selon encore un autre aspect, l'invention se rapporte également à un procédé de fabrication d'un mélange gazeux selon l'invention, dans lequel on mélange des proportions volumiques prédéterminées d'hélium, d'oxygène et d'azote ou d'air pour obtenir mélange gazeux ayant une densité inférieure à la densité de l'air atmosphérique et contenant de l'hélium, de l'oxygène et de l'azote dans les proportions souhaitées, la somme des proportions volumiques en hélium, oxygène et azote dans le mélange gazeux ainsi obtenu étant supérieure ou égale à 95% du volume total du mélange gazeux. Exemple Un exemple de réalisation d'un mélange gazeux selon l'invention est donné ci-après. Dans un récipient de conditionnement de gaz, telle une bouteille de gaz, destiné à recevoir le mélange gazeux sous 20 bars de pression (soit 20 volumes de gaz), on introduit de l'air, de l'hélium et de l'oxygène dans les proportions souhaitées en fonction du mélange final à réaliser, par exemple 1 volume d'air, 4 volumes d'oxygène pur et 15 volumes d'hélium pur. Il est à noter que l'air est préférentiellement introduit en premier lieu ou alors, selon le cas, par économie de procédure, on ne purge pas l'air déjà contenu dans le volume de l'emballage (soit 1 volume) avant de procéder au remplissage avec les volumes souhaités d'hélium et d'oxygène, ou d'un mélange de ces deux composés dans les proportions contrôlées pour obtenir le mélange gazeux final désiré aux proportions souhaitées. Dans cet exemple, le fait de mélanger 1 volume d'air, 4 volumes d'oxygène pur et 15 volumes d'hélium pur conduit à l'obtention d'un mélange gazeux pour ballon de baudruche dont la composition finale est d'environ 75% d'hélium, 21% d'oxygène et 4% d'azote, l'azote et une partie de l'oxygène étant amenés par l'air atmosphérique (20% 02 et 78% d'azote environ). Il est à noter que le mélange gazeux final peut aussi contenir de faibles quantités d'impuretés atmosphériques, tel que l'argon, le CO2, de la vapeur d'eau ou d'autres composés inévitablement présents dans l'air ambiant, lequel sert à la réalisation du mélange gazeux selon l'invention. Toutefois, on veillera à ce que les proportions en ces impuretés ne dépassent pas 1 % environ. Le mélange gazeux ainsi obtenu formé de 75% d'hélium, 21% d'oxygène et 4% d'azote est parfaitement respirable et a une densité (voisine de 0,36) qui convient parfaitement à son utilisation dans des ballons dits de baudruche pour enfants. Néanmoins, si une densité supérieure est recherchée la teneur en air peut être augmentée et l'enrichissement en oxygène dosé pour respecter le critère de'respirabilité'du mélange final. En variante, on peut utiliser un pré-mélange d'hélium et d'oxygène issus d'une source-mère évitant de procéder au dosage de ces deux constituants pour chaque récipient ainsi conditionné. Les avantages des mélanges de l'invention sont une sécurité par rapport à l'anoxie, une économie par l'usage d'air pratiquement sans coût, une densité supérieure à l'hélium pur donc une traction plus modérée du ballon mais suffisante du ballon pour lui permettre de s'élever dans les airs, une diffusibilité plus faible que l'hélium pur au travers du ballon qui se dégonfle donc moins vite qu'un ballon à l'hélium et un enrichissement en oxygène par perte d'hélium, plus lent que dans les mélanges binaires hélium/oxygène, de par la présence d'azote. De tels mélanges peuvent être distribués et utilisés sans risque pour des applications ouvertes à un très large public comprenant de nombreux enfants et des personnes non spécialement formés à la manipulation des gaz. En effet, ni le mélange avant emploi, ni le contenu des ballons ne présente de réel danger pour l'utilisateur. Bien entendu, l'exemple ci-dessus n'est qu'illustratif et les mélanges ayant des compositions différentes mais proches de celle proposée ci-avant entrent également dans le champ de protection de la présente invention, en particulier tous les mélanges gazeux de densité inférieure à la densité de l'air et contenant de 70 à 80 % d'hélium, de 18 à 24 % d'oxygène, et de 1 à 7 % d'azote, pour une somme des proportions volumiques en hélium, oxygène et azote dans ledit mélange gazeux étant supérieure ou égale à 95% du volume total du mélange gazeux. Revendications 1. Mélange gazeux ayant une densité inférieure à la densité de l'air atmosphérique et contenant de : - 70 à 80 % en volume d'hélium, - 18 à 24 % en volume d'oxygène, et - 1 à 7 % d'azote, la somme des proportions volumiques en hélium, oxygène et azote dans ledit mélange gazeux étant supérieure ou égale à 95% du volume total du mélange gazeux. 2. Mélange gazeux selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient de 72 à 78% en volume d'hélium. 3. Mélange gazeux selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il contient de 19 à 23 % en volume d'oxygène. 4. Mélange gazeux selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il contient de 2 à 6 % d'azote. 5. Mélange gazeux selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il contient de 73 à 77% en volume d'hélium. 6. Mélange gazeux selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il contient de 20 à 22 % en volume d'oxygène. 7. Mélange gazeux selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il contient de 3 à 5 % d'azote. 8. Mélange gazeux selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que sa densité est comprise entre 0,4 et 0,3, de préférence comprise entre 0,37 et 0,33. 9. Mélange gazeux selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la somme des proportions volumiques en hélium, oxygène et azote dans ledit mélange gazeux étant supérieure ou égale à 97% du volume total du mélange gazeux, de préférence la somme des proportions volumiques en hélium, oxygène et azote dans ledit mélange gazeux étant supérieure ou égale à 99% du volume total du mélange gazeux. 10. Ballon comportant une enveloppe hermétique remplie d'un mélange gazeux selon l'une des revendications 1 à 9, en particulier un ballon de baudruche. 11. Utilisation d'un mélange gazeux selon l'une des revendications 1 à 9 pour remplir l'enveloppe hermétique d'un ballon, en particulier d'un ballon de baudruche. 12. Procédé de fabrication d'un mélange gazeux selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel on mélange des proportions volumiques prédéterminées d'hélium, d'oxygène et d'azote ou d'air pour obtenir mélange gazeux ayant une densité inférieure à la densité de l'air atmosphérique et contenant de l'hélium, de l'oxygène et de l'azote dans les proportions souhaitées, la somme des proportions volumiques en hélium, oxygène et azote dans le mélange gazeux ainsi obtenu étant supérieure ou égale à 95% du volume total du mélange gazeux.