Brevet FR2923722A1 — publié le 20090522

Dispositif d'alimentation en air froid respirable à partir d'une source d'air sous pression L'invention concerne un dispositif d'alimentation en air froid respirable à partir d'une source d'air sous pression, applicable notamment à l'alimentation de masques ou de casques respiratoires et de combinaisons étanches portés par des personnes évoluant dans une atmosphère nocive ou toxique à température relativement élevée. Il arrive que des personnes soient amenées à travailler dans des tunnels ou des galeries souterraines de grande longueur où règne une température supérieure à 50°C et qui peut atteindre 70°C, comme par exemple dans des tunnels des réseaux de chauffage urbain, qui ont été isolés thermiquement avec des matériaux à base d'amiante au moment de leur construction et qui doivent maintenant être désamiantés. Les personnes travaillant dans ces tunnels doivent porter des combinaisons étanches et sont alimentées en air depuis l'extérieur des tunnels, l'air fourni devant permettre à ces personnes de respirer normalement et devant également rafraîchir l'intérieur de leur combinaison pour maintenir leur corps à une température acceptable. Il faut pour cela refroidir l'air qui leur est fourni depuis l'extérieur des tunnels, de façon à ce qu'il leur parvienne à une température de l'ordre de 20°C en dépit de la température élevée régnant dans les tunnels. L'invention a notamment pour but de répondre à ce besoin et propose un dispositif d'alimentation en air froid respirable à partir d'une source d'air sous pression et d'au moins un tube de Ranque alimenté par la source d'air sous pression, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur comportant un circuit secondaire de passage d'air dont l'entrée est reliée à la source d'air sous pression et un circuit primaire alimenté par la sortie froide du tube de Ranque, la sortie du circuit secondaire de l'échangeur fournisseur un débit d'air froid respirable à une pression supérieure à la pression atmosphérique. Le tube de Ranque, connu depuis les années 1930, est un dispositif thermodynamique sans pièces en mouvement, permettant de produire de l'air froid à partir d'air sous pression. Il comprend une chambre cylindrique montée entre un conduit cylindrique long équipé d'une valve de sortie conique et formant la sortie chaude du dispositif, et un conduit court formant la sortie froide. L'air sous pression est injecté tangentiellement dans la chambre, dans une direction perpendiculaire aux axes des conduits, et crée dans le conduit long un écoulement tourbillonnaire très rapide dont une partie sort par la valve conique et dont l'autre partie est renvoyée en direction du conduit court et circule à l'intérieur de l'écoulement tourbillonnaire sortant par le conduit long, en lui cédant de l'énergie cinétique sous forme de chaleur. L'air qui sort du conduit court est à la pression atmosphérique et a une température qui peut être inférieure de 50°C à la température de l'air sous pression admis dans la chambre cylindrique du dispositif. La sortie froide du tube de Ranque est selon l'invention reliée au circuit primaire d'un échangeur de chaleur alimenté en air sensiblement à la pression atmosphérique, qui fournit de l'air refroidi en sortie de son circuit secondaire à une pression supérieure à la pression atmosphérique permettant d'alimenter un masque respiratoire et une combinaison étanche portés par une personne dans une atmosphère nocive sans risque de contamination en cas de fuite. Selon une autre caractéristique de l'invention, la source d'air sous pression est reliée à l'entrée du tube de Ranque par une vanne de réglage 25 de débit. La sortie du circuit secondaire de l'échangeur est reliée par un premier conduit à un masque respiratoire et par un second conduit à un raccord d'entrée d'une combinaison étanche. Avantageusement, le premier conduit est raccordé à une vanne de 30 régulation de pression du masque respiratoire et le second conduit raccordé à la combinaison comprend une vanne de réglage de débit. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, un conduit de dérivation comprenant une vanne de réglage de débit est branché entre l'entrée du circuit secondaire de l'échangeur et le premier conduit, pour le réglage de la température de l'air fourni au masque respiratoire. De même, un conduit de dérivation comprenant une vanne de réglage de débit est branché entre l'entrée du circuit secondaire de l'échangeur et le second conduit pour le réglage de la température de l'air fourni à la combinaison. On peut ainsi, grâce à ces moyens, régler de façon appropriée le débit et la température de l'air alimentant le masque respiratoire, ainsi que le débit et la température de l'air alimentant la combinaison. Par exemple, le masque respiratoire sera alimenté par un débit d'air d'environ 320 I/min à une température d'environ 22° C sous une pression absolue supérieure à 5 bars, tandis que la combinaison sera alimentée par un débit d'air d'environ 350 I/min à une température de l'ordre de 15 à 18° C et à une pression comprise entre 1 et 2 bars en valeur absolue. Le dispositif selon l'invention se présente avantageusement sous forme d'un petit sac à dos, qui peut être fixé sur la combinaison étanche, ou sous forme d'une petite valise, qui peut être posée à terre et qui est reliée à la combinaison étanche par des tuyaux flexibles suffisamment longs pour permettre à la personne portant la combinaison d'évoluer et de travailler sans être gênée dans ses mouvements. De façon plus générale, le dispositif selon l'invention peut être utilisé pour l'alimentation en air respirable d'une personne se trouvant dans une 25 zone à température relativement élevée. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 représente schématiquement une personne équipée 30 d'une combinaison étanche et alimentée en air respirable par un dispositif selon l'invention ; - la figure 2 représente schématiquement un dispositif selon l'invention ; - la figure 3 illustre schématiquement le principe de fonctionnement d'un tube de Ranque ; - la figure 4 représente schématiquement une source d'air sous pression utilisable avec ce dispositif. En figure 1, on a représenté schématiquement une combinaison étanche 10 qui peut être portée par une personne évoluant dans une atmosphère à température élevée et susceptible de contenir des produits nocifs ou toxiques, tels par exemple que des fibres d'amiante lorsque la personne participe à des travaux de désamiantage de tunnels ou de galeries souterraines. La combinaison 10 comporte un masque 12 dont la partie avant 14 est transparente et qui est équipé d'un embout respiratoire 16 relié par un détendeur à un dispositif 18 d'alimentation en air respirable, qui se présente, dans cet exemple de réalisation, sous forme d'un petit sac à dos et qui, en variante, pourrait être sous forme d'une petite valise accrochée à la ceinture de la combinaison ou posée à terre. Le dispositif 18 selon l'invention comporte également un tuyau 20 de liaison à un raccord d'entrée 22 prévu sur le gilet de la combinaison et permettant d'injecter de l'air froid à l'intérieur de la combinaison 10, pour maintenir le corps de la personne à une température acceptable. Le dispositif 18 est lui-même alimenté en air sous pression par un tuyau 24 raccordé à une source d'air sous pression 26 telle que celle représentée schématiquement en figure 4. Le dispositif 18 comprend un tube de Ranque 30 alimenté en air sous pression par le tuyau 24 et dont une sortie froide 32 est reliée au circuit primaire d'un échangeur de chaleur 34 dont un circuit secondaire 36 est alimenté en air sous pression par le tuyau 24. Le tube de Ranque 30 comprend une chambre cylindrique d'entrée 38 alimentée tangentiellement en air sous pression, un tube cylindrique 40 coaxial à la chambre 38 et s'étendant depuis celle-ci, ce tube 40 étant équipé d'une valve conique de sortie 42 à son extrémité libre et d'un silencieux 44, la chambre 38 comprenant une autre sortie opposée au tube 40 et formant la sortie froide 32 précitée. Le fonctionnement du tube de Ranque est illustré en figure 3 : l'air sous pression qui alimente tangentiellement la chambre 38 créé un écoulement tourbillonnaire dans le tube 40 et sort pour partie à l'extrémité de ce conduit équipée de la valve de sortie 42, le reste de l'écoulement tourbillonnaire étant renvoyé en direction de la sortie froide 32 et formant un écoulement tourbillonnaire à l'intérieur de celui qui sort du tube 40. Ce deuxième écoulement tourbillonnaire cède une partie de son énergie cinétique sous forme de chaleur à l'écoulement tourbillonnaire qui sort du tube 40, de sorte que l'air délivré par la sortie froide 32 peut être à une température inférieure d'environ 50°C à celle de l'air sous pression alimentant la chambre cylindrique 38. Le réglage de la valve de sortie 42 à l'extrémité du tube 40 permet de régler le débit et la température de l'air délivré par la sortie froide 32, cet air étant sensiblement à la pression atmosphérique. Dans le dispositif selon l'invention, le masque respiratoire est alimenté en air froid, non pas par la sortie 32 du tube de Ranque, mais par le circuit secondaire 36 de l'échangeur de chaleur 34, c'est-à-dire en air sous pression refroidi par échange de chaleur avec l'air fourni par la sortie froide 32 du tube de Ranque. Le conduit 46 qui relie le circuit secondaire 36 de l'échangeur 34 à l'embout d'entrée du masque respiratoire 12 comprend un clapet anti-retour 48 et fournit de l'air à une pression relative supérieure à 4,1 bars nécessaire au fonctionnement du détendeur du masque respiratoire . Le circuit secondaire 36 de l'échangeur 34 est également relié en sortie à un conduit 52 d'alimentation de la combinaison 10 en air froid, ce conduit 52 comprenant également un clapet anti-retour 48 et une vanne 54 de réglage de débit. Ainsi, la combinaison peut être alimentée en air froid à une température d'environ 15° C et à une pression absolue comprise entre 1 et 2 bars. Avantageusement un conduit de dérivation 56 comprenant une vanne 58 de réglage de débit peut être branché entre l'entrée du circuit secondaire 36 de l'échangeur 34 et le conduit 46, en aval du clapet antiretour 48, pour mélanger de l'air chaud fourni par le tuyau 24 à de l'air froid sortant de l'échangeur 34 et ainsi régler la température de l'air d'alimentation du masque respiratoire 12. De même, un conduit, de dérivation 60 comportant une vanne 62 de réglage de débit peut être branché entre l'entrée du circuit secondaire 36 de l'échangeur 34 et le conduit 52, en aval du clapet anti-retour 48, pour mélanger de l'air chaud fourni par le tuyau 24 à l'air froid sortant de l'échangeur et ainsi régler la température de l'air d'alimentation de la combinaison. Une autre vanne 64 de réglage de débit peut également être prévue dans le conduit d'alimentation du tube de Ranque 30, cette vanne permettant de régler le débit d'air froid sortant du tube de Ranque et donc de régler la température de l'air sortant du circuit secondaire36 de l'échangeur 34. Typiquement, le débit d'air fourni au masque respiratoire 12 est de l'ordre de 320 I/min, la pression en sortie du détendeur du masque 12 étant légèrement supérieure à la pression atmosphérique pour éviter une accumulation de gaz carbonique à l'intérieur du masque 12. Le débit d'air fourni à la combinaison 10 est d'environ 350 llmin. La source d'air sous pression 26 (figure 1) peut comprendre, comme représenté en figure 4, un compresseur 66 fournissant de l'air à une pression relative d'environ 9,5 bars et à une température supérieure d'environ 10°C à celle de l'air ambiant. Cet air comprimé est stocké dans un réservoir 68 dont la sortie est reliée par des filtres 70 à un sécheur 72. La sortie du sécheur 72 alimente un ensemble de filtres 74 de retenue d'huile, de monoxyde et de dioxyde de carbone et de particules, dont la sortie est reliée à un tuyau 24 ou à un ensemble de tuyaux 24 installés dans des galeries ou des tunnels 80 où doivent travailler des personnes équipées des combinaisons 10 et des masques 12. La pression de l'air en sortie de l'ensemble de filtres 74 est d'environ 8,5 bars (en valeur relative) et sa température est de 25°C environ. Comme la température dans les galeries ou tunnels 80 peut atteindre 70°C, la température de l'air alimentant les dispositifs 18 peut être de l'ordre de 55 à 60°C. Les dimensions d'un tube de Ranque sont relativement faibles (ces tubes ont des longueurs de l'ordre de 10 à 30 cm et des diamètres de quelques cm) de sorte que le dispositif selon l'invention peut être monté dans un sac à dos ou dans une mallette de petite taille, avec un poids total relativement faible, inférieur à 25 kilos. On peut bien entendu utiliser, à la place du tube Ranque 30 de la figure 2, une combinaison de deux ou de plusieurs tubes Ranque montés en parallèle, lorsqu'il faut traiter des débits d'air plus importants. On peut également utiliser un dispositif selon l'invention, tel que représenté en figure 2, pour alimenter seulement le masque 12 ou seulement la combinaison 10. Dans tous les cas, ces modifications font partie de l'invention et rentrent dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'alimentation en air froid respirable à partir d'une source d'air sous pression et d'au moins un tube de Ranque (30) alimenté par la source d'air sous pression, caractérisé en ce qu'il comprend un échangeur de chaleur (34) comportant un circuit secondaire (36) de passage d'air dont l'entrée est alimentée par la source d'air sous pression et un circuit primaire alimenté par la sortie froide (32) du tube de Ranque, la sortie du circuit secondaire (36) fournissant un débit d'air froid respirable à une pression supérieure à la pression atmosphérique. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source d'air sous pression est reliée à l'entrée du tube de Ranque (30) par une vanne (64) de réglage de débit. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la sortie du circuit secondaire de l'échangeur (34) est reliée par un premier conduit (46) à un masque respiratoire (12) et par un second conduit (52) à un raccord d'entrée d'une combinaison étanche (10). 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le 20 premier conduit (46) est raccordé à un détendeur équipant le masque respiratoire (12) . 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le second conduit (52) comprend une vanne (54) de réglage de débit. 6. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en 25 ce que les premier et second conduits (46, 52) comprennent des clapets anti-retour (48). 7. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce qu'un conduit de dérivation (56) comprenant une vanne (58) de réglage de débit est branché entre l'entrée du circuit secondaire (36) de l'échangeur 30 et le premier conduit (46) pour le réglage de la température de l'air fourni au masque respiratoire (12). 8. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 7, caractérisé en ce qu'un conduit de dérivation (60) comprenant une vanne (62) de réglage de débit est branché entre l'entrée du circuit secondaire (36) de l'échangeur et le second conduit (52), pour le réglage de la température de l'air fourni à la combinaison 10. 9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la sortie chaude du tube de Ranque (30) comprend un silencieux (44). 10. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que le masque respiratoire est alimenté par un débit d'air d'environ 320 llmin. à une température d'environ 22° C et à une pression absolue supérieure à 5 bars et en ce que la combinaison (10) est alimentée par un débit d'air d'environ 350 l/min. à une température d'environ 15° C et à une pression absolue comprise entre 1 et 2 bars. 11. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il se présente sous forme d'un petit sac à dos ou d'une petite valise.