Brevet FR2832325A1 — publié le 20030523

DISPOSITIF SEPARATER D'ETAT LIQUIDE-GAZ La présente invention se rapporte à un dispositif séparateur d'état liquidegaz apte à séparer des molécules de vapeur d'un liquide des gouttes dudit liquide. Un tel séparateur est destiné à être utilisé dans un échangeur thermique pour la mise en oeuvre d'un refroidissement d'une boisson par une méthode d'évaporation et adsorption. Le principe d'une telle méthode de refroidissement consiste à évaporer un liquide sous l'effet d'une dépression entretenue par adsorption des vapeurs dudit liquide. La mise en oeuvre de cette méthode de refroidissement par évaporation et adsorption est connue et a fait l'objet de nombreuses recherches dans l'art antérieur. De nombreux dispositifs ont été proposés, associant un échangeur thermique (évaporateur) contenant un liquide réfrigérant à évaporer et un réservoir contenant un adsorbant, en particulier pour des applications à des emballages de boisson auto-réfrigérants. Selon le principe physique mis en oeuvre, un liquide réfrigérant contenu dans un échangeur thermique est évaporé sous vide. Cette évaporation est initiée par une dépression provoquée dans l'échangeur par actionnement de moyens de mise en communication de l'échangeur thermique avec des moyens de pompage, puis cette dépression est entretenue par un pompage des vapeurs dudit liquide. Ainsi, les molécules de vapeur du liquide réfrigérant sont pompées et des gouttes dudit liquide peuvent être entraînées par la vapeur. En effet, la force de pompage peut être telle que des gouttes de liquide L peuvent être entraînées vers la pompe et nuire ainsi à son bon fonctionnement. Il n'est pas impossible que les molécules de vapeur pompées par la dépression atteignent une vitesse de 1000km/h. Il est donc nécessaire de prévoir un séparateur d'état liquide-gaz qui laisse passer la vapeur du liquide réfrigérant à pomper et qui renvoie les gouttes de liquide dans l'évaporateur de l'échangeur thermique Le problème de la séparation entre les vapeurs et les gouttes de liquide réfrigérant a bien été identifié dans le cadre d'applications à des emballages auto- réfrigérant, en particulier dans le brevet US 5 018 368 dont une illustration est donnée sur la figure 1. Un évaporateur 12 contient un liquide 18 évaporé par pompage au moyen de dessicants contenus dans une chambre 20. Un mélange de vapeur et de liquide est ainsi attiré dans un collecteur et séparateur 34 d'état liquide-gaz de conception classique qui permet de séparer le liquide entraîné par les vapeurs pompées. Le collecteur et séparateur 34 d'état comporte un tube d'écoulement 38 qui renvoie les gouttes de liquide vers l'évaporateur 12 et un conduit 28 qui ouvre une voie à la vapeur vers la chambre de dessicants 20. Ce brevet identifie bien le problème de la séparation des vapeurs et des gouttes du liquide réfrigérant, mais la solution proposée est une solution conventionnelle connue de tout chimiste confronté à un problème similaire. En effet, la solution décrite dans ce brevet utilise un récipient intermédiaire de volume significatif dans lequel la vapeur pompée est considérablement ralentie. Les gouttes du liquide réfrigérant qui auraient été entraînées par la vapeur sont ainsi séparées des molécules de vapeur par l'effet de la gravité puisque la vitesse du flux de la vapeur n'est plus suffisante pour les entraîner contre la force de gravité. Le liquide ainsi collecté est reconduit dans la cavité de l'évaporateur par le tube d'écoulement 38. La mise en ceuvre de cette solution nécessite un volume non négligeable. Cependant, une telle solution classique n'est pas applicable directement à un emballage de boisson auto-réfrigérant qui présenterait des formes et dimensions standardisées, d'une canette de boisson par exemple. En effet, la miniaturisation d'un dispositif de séparation d'état est difficile à obtenir du fait que les solutions classiques sont basées sur l'utilisation d'un volume relativement important qui permette une séparation naturelle des gouttes attirées par la force de gravitation des molécules de gaz attirées par la dépression. Les développements ultérieurs issus du brevet US 5 018 368 mentionné ont d'ailleurs montrés que l'homme du métier s'était tourné vers un évaporateur contenant un réfrigérant gélifié pour des applications à des emballages de petites dimensions, comme cela est par exemple décrit dans les brevets WO 00/50824 et WO 01/10738 concernant respectivement un procédé de réalisation du gel et la mise en oeuvre d'un tel gel pour le développement d'un échangeur thermique. L'objectif de la présente invention est de résoudre les inconvénients de l'art antérieur. A cet effet, la présente invention propose un dispositif séparateur d'état liquide-gaz miniaturisé et pouvant être inséré dans un échangeur thermique disposé dans un emballage de boisson, tel qu'une canette standardisée par exemple. Plus particulièrement, l'invention concerne un dispositif séparateur d'état liquide-gaz apte à séparer les molécules de vapeur d'un liquide s'évaporant sous l'effet d'une dépression entretenue par des moyens de pompage des gouttes dudit liquide entraînées par le flux de vapeur, caractérisé en ce qu'il comprend un déflecteur de vapeur et un collecteur de gouttes, le déflecteur de vapeur imposant au moins un changement de direction brusque au flux de vapeur. Selon une caractéristique, le collecteur de goutte comprend au moins un tube d'écoulement des gouttes de longueur supérieure ou égale à la perte de charge de la vapeur dans le déflecteur. Selon une caractéristique, un changement de direction brusque du flux de vapeur est un mouvement ascendant. Selon une caractéristique avantageuse, le volume global dudit dispositif est 3 inférieur ou égal à 20cm3. Selon une caractéristique, le collecteur de gouttes comprend un entonnoir dont l'angle solide inclut la source de dépression et le déflecteur de vapeur. Selon une caractéristique, le déflecteur de vapeur comprend au moins une paroi formant chicane, ladite paroi étant disposée autour de la source de dépression et à l'intérieur de l'angle solide formé par le collecteur de gouttes. Selon un mode de réalisation avantageux, l'entonnoir constitue une paroi chicane du déflecteur de vapeur. Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre une protection des projections directes de gouttes, ladite protection étant disposée en regard de la source de dépression. Selon les modes de réalisation, le dispositif est en plastique ou en métal Selon une application, le dispositif est disposé dans un échangeur thermique contenant un liquide réfrigérant apte à s'évaporer sous l'effet d'une dépression entretenue par des moyens de pompage associés audit échangeur. Selon les modes de réalisation, les moyens de pompage sont choisis parmi les moyens constitués par un matériau adsorbant conditionné sous vide d'air, une pompe à vide mécanique, une pompe à vide cryogénique. D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description qui suit donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif, et faite en référence aux figures dans lesquelles : - La figure 1, déjà décrite, est un schéma d'un dispositif auto- réfrigérant pour boisson connu de l'art antérieur ; - La figure 2 illustre schématiquement le dispositif séparateur d'état selon l'invention. Le dispositif séparateur d'état liquide-gaz selon l'invention, illustré schématiquement sur la figure 2, comprend un déflecteur de vapeur 50 et un collecteur de gouttes 60. Ce dispositif peut être intégré dans un échangeur thermique 2 contenant un liquide réfrigérant L apte à s'évaporer sous l'effet d'une dépression 31 entretenue par des moyens de pompage 3. Les moyens de pompage sont associés à l'échangeur thermique 2 et ils peuvent être constitués, selon les applications, d'une pompe à vide mécanique, ou de moyens de pompage cryogéniques tels que des pièges froids qui condensent les vapeurs d'eau, ou encore d'une cartouche sous vide d'air contenant des réactifs (des dessicants) aptes à déclencher et entretenir l'adsorption du liquide réfrigérant L. Le dispositif séparateur d'état selon l'invention comporte un déflecteur de vapeur 50 qui se compose d'au moins une paroi formant chicane 51 imposant un ou des changements de direction brusques au flux de vapeur V, de préférence du sens descendant vers le sens ascendant. Les molécules de vapeur ont un libre parcours moyen très faible, de l'ordre du micromètre, ce qui signifie qu'elles peuvent changer de direction très rapidement. En revanche, les gouttes de liquide ont une masse telle qu'elles sont entraînées par leur inertie et séparées ainsi du flux gazeux. Ce mécanisme permet avantageusement une séparation liquide-gaz sans ralentissement important du flux de vapeur V et ne nécessite donc pas l'occupation d'un volume important. Le dispositif séparateur d'état selon l'invention comporte également, en complément, un collecteur de gouttes 60 permettant de reconduire les gouttes de liquide L séparées du flux gazeux de vapeur V vers le bas de la cavité de l'évaporateur 2. Le collecteur 60 comporte un entonnoir 61 et au moins un tube d'écoulement 62 des gouttes. L'entonnoir 61 peut avantageusement contribuer à former la chicane 51 du déflecteur de vapeur 50. Selon un mode de réalisation avantageux, le déflecteur de vapeur 50 est avantageusement disposée autour de la source de dépression 31 et l'entonnoir 61 du collecteur de gouttes 60 définit un angle solide qui inclut la source de dépression 31 et le déflecteur de vapeur 50. Le collecteur 60 peut être relié à la paroi de l'échangeur thermique 2 par des voiles par exemple qui constituent de fines cloisons laissant passer la vapeur V tout en maintenant la pièce de l'entonnoir 61 en position. Le collecteur peut également être maintenu solidaire de la chicane 51. L'entonnoir 61 s'étend alors jusqu'à la paroi de l'échangeur thermique 2 contenant la source de dépression 31 et présente des ouies permettant un passage de la vapeur V vers les moyens de pompage 3. Préférentiellement, le tube d'écoulement des gouttes 62 présente une longueur supérieure ou égale à la perte de charge de la vapeur V dans la chicane 51 afin d'éviter la projection de gouttes L à travers ledit tube d'écoulement 62. Cette perte de charge est avantageusement mesurée en hauteur de volume d'eau. Si on considère, par exemple, une perte de charge de la vapeur V de 1 mb (correspondant à 1cm de hauteur de colonne d'eau) le tube aura au moins 1cm de long. Selon une particularité avantageuse, le dispositif séparateur d'état selon l'invention comprend en outre une protection 55 des projections directes de gouttes qui complète le déflecteur de vapeur 50. Cette protection 55 est disposée en regard de la source de dépression 31 afin d'éviter une pollution directe des moyens de pompage 3 en particulier lors de l'initiation de la réaction d'adsorption. Le dispositif séparateur d'état liquide-gaz selon l'invention permet d'atteindre les contraintes de miniaturisation requis pour des applications à des emballages de boisson en ce que le volume global dudit dispositif est inférieur ou 3 égal à 20cm3. Dans le cas d'une application à des emballages de boisson auto-réfrigérant, le dispositif séparateur d'état selon l'invention peut être constitué en matière plastique, par moulage, ce qui permet une grande liberté de forme, ou en métal de même nature que l'échangeur thermique dans lequel il et disposé, tel que de l'aluminium ou de l'acier par exemple, afin de faciliter le recyclage de l'emballage. REVENDICATIONS 1. Dispositif séparateur d'état liquide-gaz apte à séparer les molécules de vapeur (V) d'un liquide s'évaporant sous l'effet d'une dépression (31) entretenue par des moyens de pompage des gouttes (L) dudit liquide entraînées par le flux de vapeur (V), caractérisé en ce qu'il comprend un déflecteur de vapeur (50) et un collecteur de gouttes (60), le déflecteur de vapeur (50) imposant au moins un changement de direction brusque au flux de vapeur (V). 2. Dispositif séparateur d'état liquide-gaz selon la revendication 1, caractérisé en ce que le collecteur de goutte (60) comprend au moins un tube d'écoulement des gouttes (62) de longueur supérieure ou égale à la perte de charge de la vapeur (V) dans le déflecteur (50). 3. Dispositif séparateur d'état liquide-gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un changement de direction brusque du flux de vapeur (V) est un mouvement ascendant. 4. Dispositif séparateur d'état liquide-gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le volume global dudit dispositif est inférieur ou égal à 20cm3. 5. Dispositif séparateur d'état liquide-gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le collecteur de gouttes (60) comprend un entonnoir (61) dont l'angle solide inclut la source de dépression (31) et le déflecteur de vapeur (50). 6. Dispositif séparateur d'état liquide-gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le déflecteur de vapeur (50) comprend au moins une paroi formant chicane (51), ladite paroi (51) étant disposée autour de la source de dépression (31) et à l'intérieur de l'angle solide formé par le collecteur de gouttes (60). 7. Dispositif séparateur d'état liquide-gaz selon les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que l'entonnoir (61) constitue une paroi chicane (51) du déflecteur de vapeur (50). 8. Dispositif séparateur d'état liquide-gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend en outre une protection (55) des projections directes de gouttes (L), ladite protection (55) étant disposée en regard de la source de dépression (31). 9. Dispositif séparateur d'état liquide-gaz selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est en plastique. 10. Dispositif séparateur d'état liquide-gaz selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il est en métal. 11. Dispositif séparateur d'état liquide-gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est disposé dans un échangeur thermique (2) contenant un liquide réfrigérant (L) apte à s'évaporer sous l'effet d'une dépression (31) entretenue par des moyens de pompage associés audit échangeur. 12. Dispositif séparateur d'état liquide-gaz selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de pompage sont choisis parmi les moyens constitués par un matériau adsorbant conditionné sous vide d'air, une pompe à vide mécanique, une pompe à vide cryogénique.