Brevet FR2888120A1 — publié le 20070112

Dispositif de stockage et de fourniture de fluide cryogénique. L'invention concerne le domaine des dispositifs de stockage et de fourniture de fluide cryogénique destiné à la respiration, et en particulier le domaine des dispositifs d'oxygénothérapie. Ce domaine se distingue du domaine des dispositifs de stockage de fluide cryogénique en général par le fait que de tels dispositifs doivent fournir un fluide à l'état gazeux compatible avec la thérapie prescrite. C'est-à-dire que la température du gaz fourni doit être voisine de la température ambiante et que le débit fourni doit être stable et réglable selon les nécessités du patient. Dans ce domaine, le fluide cryogénique est souvent de l'oxygène liquide. On connaît, dans l'état de la technique, différents types de dispositifs permettant de fournir un fluide cryogénique, en particulier de l'oxygène. On pourrait, à cet égard, consulter le brevet US 4 211 086 (Beatrice Foods Company) décrit un système cryogénique de respiration comprenant un réservoir de stockage d'oxygène liquide, un serpentin de vaporisation et un serpentin de réchauffement de l'oxygène gazeux monté en série et terminé par une vanne de pression. On pourra également se référer à la demande de brevet WO 01/31254 (Air Liquide) qui décrit un dispositif de stockage et de fourniture d'oxygène médical comprenant un réservoir cryogénique, un serpentin de vaporisation relié, via un bloc robinet/détendeur, à une sortie de gaz destinée à un circuit de ventilation d'un patient. L'inconvénient de ces deux dispositifs est que le débit et la pression de gaz vaporisé peuvent osciller spontanément, ainsi qu'il sera décrit de manière détaillée par la suite. Ces oscillations sont d'autant plus importantes que le débit moyen de gaz à fournir est élevé. Traditionnellement, les débits maximum utilisés en oxygénothérapie sont de l'ordre de 6 1/minute. De nouvelles applications d'oxygénothérapie nécessitent un débit plus important d'oxygène gazeux, par exemple de l'ordre de 15 1/minute. Lorsque l'on ouvre plus largement la vanne de pression ou le robinet des dispositifs précédemment décrits, les oscillations spontanées atteignent une amplitude incompatible avec l'application médicale souhaitée. L'invention propose un dispositif et un procédé de stockage et de fourniture de fluide cryogénique destiné à la respiration, qui résout le problème précédent et notamment qui réduit fortement les oscillations spontanées apparaissant pour des débits élevés. L'invention a donc pour objet un dispositif de stockage et de fourniture de fluide cryogénique, qui est muni d'un réservoir de stockage de fluide à l'état liquide et d'un circuit de fourniture du fluide à l'état gazeux destiné à la respiration. Le circuit comprend un serpentin principal, une vanne débitmétrique située en aval du serpentin principal, et une dérivation munie d'un élément à perte de charge terminé par une cavité borgne. La dérivation est raccordée au circuit de fourniture du fluide entre le serpentin principal et la vanne débitmétrique. Dans un tel dispositif, la cavité borgne se remplit de gaz lorsque la pression délivrée en fin de serpentin principal augmente et se vide de gaz lorsque la pression diminue. Cela stabilise le débit de fluide à l'état liquide introduit dans le serpentin principal et stabilise également le débit de fluide à l'état gazeux fourni. Avantageusement, l'élément à perte de charge est un diaphragme ou un canal. Avantageusement, le réservoir comprend une ouverture haute traversée par un tube plongeur raccordé au serpentin principal et par un tube haut, le réservoir étant destiné à recevoir du fluide à l'état liquide dont le niveau est au-dessus de l'extrémité du tube plongeur, et au-dessous de l'extrémité du tube haut. Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif est muni d'un circuit de réchauffement de phase gazeuse comprenant le tube haut, un serpentin secondaire et une vanne pressostatique raccordée en aval à une jonction avec le serpentin principal, la jonction étant située en amont de la vanne débitmétrique. Avantageusement, le circuit de fourniture du fluide à l'état gazeux comprend un diaphragme situé en amont du serpentin principal. Avantageusement, le dispositif comprend une soupape de régulation et/ou une soupape de sécurité Avantageusement, le circuit de fourniture de fluide à l'état gazeux comprend un tronçon d'isolation mécanique raccordé en aval de la vanne débitmétrique et présentant un connecteur fixé au réservoir de stockage par une embase de fixation. Selon un autre mode de réalisation, le procédé de stockage et de fourniture de fluide cryogénique destiné à la respiration, comprend une étape où on vaporise le fluide à l'état liquide, on régule le débit de fluide à l'état gazeux, et on prélève une quantité de gaz lorsque la pression du gaz augmente, et on la restitue lorsque la pression diminue, afin d'amortir les variations de pression du fluide à l'état gazeux. Avantageusement, le procédé comprend une étape où on amortit les déplacements du fluide cryogénique à l'état liquide. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un mode de réalisation pris à titre d'exemple non limitatif et illustré par le dessin annexé, sur lequel la figure unique est une représentation schématique d'un dispositif de stockage et de fourniture d'oxygène selon l'invention. Le dispositif est représenté sur la figure en position d'utilisation supposée verticale, et comprend un réservoir cryogénique 1 contenant de l'oxygène à l'état liquide 2 et de l'oxygène à l'état gazeux. La partie du reservoir 1 contenant l'oxygène à l'état gazeux est appellée ciel gazeux 3. Le dispositif présente trois raccordements de sortie: une vanne de trop-plein 4, un connecteur de remplissage et de soutirage 5 d'oxygène liquide 2 et un connecteur 6 de fourniture d'oxygène gazeux. Un circuit 7 de fourniture du fluide à l'état gazeux comprend successivement dans le sens de l'écoulement du fluide, un tube plongeur 8, une jonction de raccordement 9, un diaphragme 10, un serpentin principal 11, une jonction d'amortissement 12, une vanne débitmétrique 13 et le connecteur de fourniture d'oxygène gazeux 6. Un circuit 14 de réchauffement de phase gazeuse comprend successivement dans le sens de l'écoulement du gaz, un tube haut 15 présentant une ouverture dans le ciel gazeux 3, un serpentin auxiliaire 16, une boîte à soupape 17, un économiseur 18 et la jonction de raccordement 9. Le réservoir 1 présente une coque extérieure 19 et un récipient intérieur 20 séparés par une zone de vide 21. Le réservoir 1 comprend également en partie haute une ouverture 22 en forme de col, traversée par le tube plongeur 8, le tube haut 15 et un tube de soutirage 23. Les trois tubes et le col relient l'intérieur du récipient 20 à l'extérieur du réservoir. Les formes, les matériaux, et les dimensions des trois tubes et du col sont définies pour réduire au maximum les déperditions thermiques entre l'intérieur du récipient 20 et l'extérieur du réservoir 1. Le tube plongeur 8 et le tube de soutirage 23 descendent jusque dans une zone de fond du récipient intérieur 20. Le tube de soutirage 23 est relié au connecteur 5 de remplissage ou de soutirage de l'oxygène liquide 2. Le tube haut 15 présente une jonction dans sa partie extérieure du réservoir 1 avec la vanne de trop-plein 4. La jonction d'amortissement 12, située entre le serpentin principal 11 et la vanne débitmétrique 13, reçoit une dérivation comportant un élément à perte de charge constitué, dans l'exemple de réalisation représenté, par un canal 27 débouchant dans une cavité 28 borgne et rigide. On va maintenant décrire le fonctionnement du dispositif. Le dispositif est rempli d'oxygène à l'état liquide 2 en utilisant le connecteur 5. La vanne de trop-plein 4 est ouverte et l'oxygène liquide 2 pénètre dans le récipient intérieur 20 par l'extrémité basse du tube de remplissage 23. Le niveau de liquide 2 monte progressivement dans le récipient intérieur 20, l'extrémité du tube haut 15 permet d'évacuer le gaz surnageant du liquide par la vanne de trop-plein 4. Un opérateur arrête le remplissage lorsque de l'oxygène liquide commence à passer par la vanne de trop-plein 4. Le niveau d'oxygène liquide 2 à l'intérieur du récipient 20 est compris entre la partie basse du tube de soutirage 23 et l'ouverture, en partie haute du récipient 20 du tube haut 15. Lorsque la phase de remplissage est terminée, le connecteur 5 est découplé et fermé par un clapet. La vanne de trop-plein 4 est fermée également. L'oxygène reste à l'état liquide lorsque, à une pression proche de la pression atmosphérique, sa température est inférieure à -183 C. Bien que la construction du réservoir cryogénique ait comme but de réduire au maximum l'apport de calories extérieur vers le récipient intérieur 20, un flux de calories résiduelles est inévitable, provoquant une évaporation résiduelle continue. En passant de l'état liquide à l'état gazeux, 1 g d'oxygène occupe, à pression atmosphérique, un volume 860 fois supérieur. La pression du ciel gazeux 3 augmente naturellement. La boîte à soupape 17 est en relation directe avec le ciel gazeux 3 par l'intermédiaire du serpentin de réchauffement 16 et du tube haut 15. La boîte à soupape 17 est munie d'une soupape de régulation 24. La soupape de régulation 24 possède un clapet permettant d'évacuer le gaz en excès lorsque la pression dans le ciel gazeux 3 est supérieure ou égale à une pression de régulation de 1,51.105Pa. Lorsque le dispositif n'est pas en phase de fourniture de gaz, l'évaporation naturelle s'échappe par la soupape de régulation 24, de sorte que la pression à l'intérieur du ciel gazeux 3 est maintenue inférieure à la pression de régulation. Cette soupape de régulation 24 est prévue pour fonctionner en permanence avec un débit faible d'oxygène. Si le récipient intérieur 20 reçoit un apport brutal d'énergie, par exemple si le réservoir perd son vide, cela peut provoquer une évaporation importante telle que la pression dans le ciel gazeux 3 dépasse la pression de régulation bien que la soupape de régulation 24 soit ouverte. La boîte à soupape 17 est munie d'une soupape de sécurité 25 conçue pour s'ouvrir à une pression de sécurité de 2,07.105Pa. La soupape de sécurité 25 est prévue pour laisser passer un débit important permettant d'évacuer très rapidement le volume d'oxygène gazeux s'étant évaporé brutalement. Cette évacuation de sécurité permet d'éviter une pression excessive. Le dispositif peut être utilisé comme réservoir intermédiaire d'oxygène liquide pour remplir par exemple un dispositif d'oxygénothérapie portable. Le dispositif portable est équipé d'un connecteur complémentaire du connecteur 5. Lorsque l'on accouple le dispositif portable sur le connecteur 5, le clapet du connecteur 5 s'ouvre et grâce à la pression du ciel gazeux 3, de l'oxygène à l'état liquide remonte par le tube 23 de soutirage. La fourniture de fluide cryogénique à l'état gazeux commence par une phase de récupération de l'oxygène compris dans le ciel gazeux 3. Lorsque l'on ouvre la vanne débitmétrique 13, le serpentin principal 11 est mis en relation avec la pression atmosphérique via le connecteur 6. L'économiseur 18 est muni d'une vanne pressostatique qui s'ouvre lorsque la pression dans le ciel gazeux 3 est supérieure à un seuil de pression de 1,38.105Pa et met en communication la boîte à soupape 17 avec la jonction de raccordement 9. Le flux d'oxygène à l'état gazeux provenant du ciel gazeux 3, passe à travers le serpentin auxiliaire de réchauffement 16, la boîte à soupape 17, l'économiseur 18, la jonction de raccordement 9, le diaphragme 10, le serpentin de vaporisation 11, la jonction d'amortissement 12, la vanne débitmétrique 13, et le connecteur 6. La vanne débitmétrique 13 présente une série d'orifices ayant chacun une perte de charge donnée, de sorte que pour un orifice donné et pour une pression amont comprise entre le seuil de pression et la pression de régulation, le débit d'oxygène gazeux fourni au connecteur 6 est sensiblement constant. On change le débit de fourniture d'oxygène à l'état gazeux en sélectionnant un autre orifice de la vanne débitmétrique 13. Au fur et à mesure que de l'oxygène gazeux est fourni, la pression dans le ciel gazeux 3 diminue jusqu'à devenir inférieure au seuil de pression. La vanne pressostatique de l'économiseur 18 se ferme et la fourniture d'oxygène se poursuit par une phase d'évaporation directe. La pression dans le ciel gazeux 3 étant supérieure à la pression atmosphérique, de l'oxygène liquide remonte par le tube plongeur 8, traverse le diaphragme 10 et rejoint le serpentin principal de vaporisation 11. Cela porte l'extrémité du serpentin principal 11 proche de la jonction de raccordement 9 à une température de -183 C. L'atmosphère ambiant fournit des calories au serpentin de valoprisation. L'intérieur du serpentin 11 de vaporisation contient un mélange de phase liquide et de phase gazeuse dont la proportion de phase gazeuse augmente plus on se rapproche de la sortie du serpentin de vaporisation 11. Lorsque le débit imposé par la vanne débitmétrique 13 est faible, la transformation d'oxygène liquide en oxygène gazeux a lieu dans la ou les toutes premières spires amont du serpentin de vaporisation 11. Lorsque le débit d'oxygène gazeux est important, la longueur de serpentin sollicitée par de l'oxygène liquide à -183 C augmente. La boîte à soupape 17 est munie d'un manomètre 26 indiquant la pression à l'intérieur du ciel gazeux 3. Lorsqu'il reste de l'oxygène à l'intérieur du récipient 20, la pression indiquée doit être voisine de la pression de régulation. Lorsque l'on est en phase de fourniture régulée d'oxygène gazeux par vaporisation directe, la pression peut descendre en dessous du seuil de pression de régulation. Après une phase de fourniture de gaz, la pression remonte au seuil de pression de régulation tant qu'il reste de l'oxygène à l'état liquide 2 à l'intérieur du récipient 20. On va maintenant décrire le comportement de la cavité 28. Lorsque la vanne débitmétrique 13 est dans une position correspondant à un débit élevé, par exemple de 15 1/mn, et que la pression dans le ciel gazeux 3 est inférieure au seuil de pression de régulation, une quantité nominale d'oxygène liquide doit en moyenne se trouver dans le serpentin principal 11 pour fournir le débit de vaporisation souhaité. Supposons qu'à un moment donné, la quantité d'oxygène à l'état liquide réellement présent dans le serpentin principal 11 soit inférieure à cette quantité nominale, le nombre de spires du serpentin principal 11 ayant une température de -183 C diminue. La quantité de calories reçues par l'ensemble du serpentin principal 11 diminue, ainsi que la quantité d'oxygène gazeux produite. La pression dans la partie aval du serpentin 11 contenant la phase gazeuse baisse et devient inférieure à la pression nominale du ciel gazeux 3, la quantité d'oxygène liquide remonte dans le serpentin 11 et dépasse la quantité nominale. Le phénomène inverse se produit avec simultanément, augmentation de la pression d'oxygène gazeux dans la partie avale du serpentin et baisse de la quantité d'oxygène liquide dans le serpentin. Ces oscillations sont entretenues par l'inertie massique de l'oxygène liquide en mouvement, l'inertie thermique du serpentin 11 et par le coefficient de raideur du volume d'oxygène gazeux comprimé. On peut également décrire ce phénomène d'oscillations en faisant remarquer que le serpentin comprend trois zones: une zone de phase liquide, une zone de transition, et une zone de phase gazeuse. Dans la zone de transition, le gaz se détend dans toutes les directions et repousse la phase liquide. L'instabilité de la partie gazeuse dans cette zone de transition provoque l'instabilité du débit gazeux sortant du serpentin et du débit de phase liquide y entrant. Durant ces oscillations, le déplacement d'oxygène liquide dans le serpentin 11 dû aux variations de pression est supérieur à celui dû au débit d'oxygène liquide nécessaire à la vaporisation nominale. Le diaphragme 10 amortit le déplacement de l'oxygène liquide à l'intérieur du serpentin. Cela contribue à réduire les oscillations de quantité d'oxygène liquide et donc les oscillations de pression d'oxygène gazeux produites. Lorsque la pression d'oxygène dans la partie aval du serpentin augmente au-delà de la pression du ciel gazeux 3, de l'oxygène gazeux pénètre dans la cavité borgne 28. Cela revient à prélever une quantité de gaz du serpentin pour réduire l'augmentation de pression. Inversement, quand la pression d'oxygène dans la partie en aval du serpentin 11 diminue, de l'oxygène gazeux sort de la cavité borgne 28. Cela revient à restituer la quantité d'oxygène prélevée et à réduire la baisse de pression. Globalement, le fait d'adjoindre au volume de la partie aval gazeuse du serpentin la cavité borgne 28, fait baisser le coefficient de raideur du volume d'oxygène gazeux compressé. Le canal 27 est conformé de manière à apporter une composante d'amortissement dans ce coefficient de raideur. Par exemple, la cavité borgne 28 peut avoir un volume intérieur de 3 dl, le canal 27 peut avoir un diamètre intérieur de 1,5 mm sur une longueur de 2.5 mm. Un tel canal provoque une perte de charge de 1,5.105Pa pour un débit de 12 1/mn à température et pression ambiantes. Cela correspond à un volume de la cavité 28 de 15% du volume intérieur du serpentin principal, à une perte de charge voisine de celle de la vanne débitmétrique et permet de diviser par cinq l'amplitude des oscillations spontanées de la pression apparaissant lors d'un débit de 15 1/mn d'oxygène gazeux. Un volume de cavité de 50% du volume du serpentin peut aussi convenir, ainsi que n'importe quel volume intermédiaire compris entre 15% et 50% du volume intérieur du serpentin. Un volume supérieur à 50% du volume intérieur du serpentin contribuera encore à amortir les oscillations de débit et de pression de gaz fourni, mais pose un problème d'encombrement. D'autres modes de réalisation de l'élément à perte de charge peuvent aussi être utilisés, tels qu'un diaphragme placé dans une conduite raccordée à la cavité 28. La vanne débitmétrique peut également être une vanne à débit pulsé, qui ne délivre de l'oxygène que lorsque le patient, sous traitement d'oxygénothérapie, est en phase d'inspiration. L'ensemble des composants du circuit de fourniture 7 et du circuit de réchauffement 14 sont avantageusement disposés au-dessus du réservoir 1, et fixés par des clips ou des embases sur une platine, non représentée, rigidement fixée sur le dessus du réservoir. L'ensemble est recouvert d'un capot plastique lui aussi solidement fixé sur le dessus du réservoir. Le connecteur 6 de fourniture d'oxygène gazeux est destiné à être utilisé par un patient pour raccorder un humidificateur afin que le gaz puisse être respiré directement. L'humidificateur reste à demeure chez le patient. Le connecteur 6 ne dépasse pas du profil extérieur du dispositif, mais reste facile d'accès. Le connecteur 6 est monté sur un tronçon du circuit 7 de fourniture du fluide situé en aval de la vanne débitmétrique. Le tronçon et le connecteur 6 sont solidement fixés à la platine ou à la coque 19 du réservoir. Le tronçon sert d'isolation mécanique entre la vanne débitmétrique fragile et le connecteur 6 susceptible d'être sollicité brutalement. REVENDICATIONS 1 Dispositif de stockage et de fourniture de fluide cryogénique, muni d'un réservoir (1) de stockage de fluide à l'état liquide et d'un circuit (7) de fourniture du fluide à l'état gazeux destiné à la respiration, comprenant un serpentin principal (11) et une vanne débitmétrique (13) située en aval du serpentin principal (11), caractérisé par le fait qu'il comprend une dérivation munie d'un élément à perte de charge (27) terminé par une cavité borgne (28), la dérivation étant raccordée au circuit (7) de fourniture du fluide entre le serpentin principal (11) et la vanne débitmétrique (13). 2 Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l'élément à perte de charge est un diaphragme ou un canal (27). 3 - Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le réservoir comprend une ouverture haute (22) traversée par un tube plongeur (8) raccordé au serpentin principal (11) et par un tube haut (15), le réservoir (1) étant destiné à recevoir du fluide à l'état liquide (2) dont le niveau est au-dessus de l'extrémité du tube plongeur (8), et audessous d'une extrémité du tube haut (15). 4 - Dispositif selon la revendication 3, muni d'un circuit (14) de réchauffement de phase gazeuse comprenant le tube haut (15), un serpentin secondaire (16) et une vanne pressostatique (18) raccordée en aval à une jonction (9) avec le serpentin principal (11), la jonction (9) étant située en amont de la vanne débitmétrique (13). -Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit (7) de fourniture du fluide à l'état gazeux comprend un diaphragme (10) situé en amont du serpentin principal (11). 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une soupape de régulation (24). 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une soupape de sécurité (25). 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le circuit de fourniture de fluide à l'état gazeux (7) comprend un tronçon d'isolation mécanique raccordé en aval de la vanne débitmétrique (13) et présentant un connecteur (6) fixé au réservoir de stockage (1) par une embase de fixation. 9 - Procédé de stockage et de fourniture de fluide cryogénique destiné à la respiration, dans lequel on vaporise le fluide à l'état liquide et on régule le débit de fluide à l'état gazeux, caractérisé par le fait qu'on prélève une quantité de gaz lorsque la pression du gaz augmente, et qu'on la restitue lorsque la pression diminue, afin d'amortir les variations de pression du fluide à l'état gazeux. 10- Procédé selon la revendication 9, dans lequel on amortit les déplacements du fluide cryogénique à l'état liquide.