Brevet FR2966048A1 — publié le 20120420

L'invention concerne un dispositif de refroidissement de la température d'un gaz respiratoire dans un appareil d'assistance respiratoire, comportant un circuit destiné à du gaz respiratoire, et l'invention concerne également un procédé de commande du refroidissement de l'appareil d'assistance respiratoire. Dans les respirateurs, et en particulier dans les appareils de protection respiratoire, afin de réduire le poids et d'augmenter la durée de fonctionnement, la respiration s'effectue en circuit et seul l'oxygène consommé est remplacé par du gaz provenant d'une réserve de gaz sous pression et envoyé dans le circuit. Un enrichissement du dioxyde de carbone (CO2) expiré dans le circuit, à des valeurs critiques sur le plan physiologique, doit donc être évité. C'est à cet effet qu'est prévu, dans le circuit, un absorbeur contenant un absorbant, qui retire le CO2 du circuit d'assistance respiratoire. Les absorbants connus sont constitués d'un ou plusieurs hydroxydes alcalins et, en particulier, contiennent ou sont constitués d'hydroxyde de calcium. Les absorbants, dans les respirateurs, sont conformés en ce que l'on nomme des cartouches alcalines et peuvent être échangés. La réaction chimique qui intervient entre le CO2 et l'absorbant crée de la chaleur et de l'humidité. La chaleur entraîne une augmentation de la température du gaz respiratoire, ce qui affecte physiquement la personne qui respire à l'aide du respirateur. Lors d'essais, on a mesuré, dans l'air respiratoire saturé en humidité, à la sortie de l'absorbeur, des températures dépassant de 25°C la température ambiante. Afin de lever ce problème, une solution consiste à climatiser l'air respiratoire dans les appareils de protection respiratoire à circuit qui sont utilisés pendant plusieurs heures, c'est-à-dire à refroidir l'air respiratoire, mais aussi à réduire la quantité d'humidité présente dans le circuit. Le refroidissement de l'absorbeur au moyen de paraffine ou d'un sel, utilisé(e) comme agent de refroidissement pour de tels respirateurs, est connu par le document DE 879 651 B ; dans ce cas, la température d'évaporation ou de fusion se situe entre 40 et 180 degrés Celsius et l'absorbeur est entouré d'agent de refroidissement. Ici, ce n'est pas le gaz respiratoire qui est directement refroidi mais l'absorbeur qui est utilisé comme échangeur de chaleur. Par le document US 4635629, on connaît l'utilisation d'un échangeur de chaleur séparé, dans lequel l'échange de la quantité de chaleur s'effectue grâce au déplacement d'air qui intervient à travers le sac respiratoire. Mais la quantité d'air échangée n'est pas adaptée à la température du gaz respiratoire, et ne peut pas non plus être influencée par un circuit de régulation. Un refroidissement de l'absorbeur à l'aide d'un liquide à évaporer, grâce au refroidissement externe par évaporation effectué sur le boîtier de l'absorbant, est connu par le document DE 1030439464 (US 6990979). Pour augmenter la quantité d'air et améliorer ainsi l'échange de chaleur, on connaît, par le même document DE 1030439464, l'utilisation d'un ventilateur. La présente invention a pour but de fournir un respirateur comportant un circuit pour le gaz respiratoire avec une climatisation régulée et améliorée du gaz respiratoire, et également de proposer un procédé de régulation du respirateur. Ce but est atteint grâce à un appareil de protection respiratoire comprenant un circuit destiné à du gaz respiratoire et comprenant un échangeur de chaleur refroidi par un liquide à évaporer comportant un premier canal destiné au gaz respiratoire et un deuxième canal, le premier canal de l'échangeur de chaleur et le deuxième canal de l'échangeur de chaleur étant thermiquement et mécaniquement raccordés l'un à l'autre par l'intermédiaire d'une surface d'échange de chaleur, le liquide à évaporer provenant d'un récipient de liquide à évaporer étant introduit par au moins un pulvérisateur dans le deuxième canal de l'échangeur de chaleur, un dispositif d'acheminement du gaz étant prévu pour acheminer un courant volumique de gaz à travers le deuxième canal de l'échangeur de chaleur et le premier canal se trouvant du côté entrée d'un porteur d'appareil de protection respiratoire. Avantageusement, le récipient de liquide à évaporer est sollicité par une pression de service. De façon avantageuse, le récipient de liquide à évaporer est sollicité par la pression d'une bouteille de gaz sous pression arrivant par une deuxième conduite de gaz sous pression, à une pression de service. De préférence, le récipient de liquide à évaporer est pourvu d'un réservoir de gaz carburant placé à la pression de service. Selon un mode de mise en oeuvre préféré du procédé selon l'invention, les signaux d'une sonde de température et d'un capteur de pression sont détectés et traités par une unité de commande, afin de commander le conditionnement du gaz respiratoire, l'unité de commande, au-dessus d'une première limite de température du gaz respiratoire, mettant en marche le dispositif d'acheminement du gaz grâce à un signal d'actionnement et, au- dessus d'une deuxième limite de température du gaz respiratoire, l'unité de commande commandant la durée d'ouverture de la soupape de réglage, par un signal d'activation. Selon un mode de mise en oeuvre, la première limite de température du gaz respiratoire est préréglée dans la plage entre 28°C et 34°C et la deuxième limite de température du gaz respiratoire est préréglée dans la plage entre 31 °C et 37°C. En complément, il est possible d'ajuster la première limite de température du gaz respiratoire et la deuxième limite de température du gaz respiratoire en fonction de la température ambiante du lieu d'utilisation. En variante, il est possible d'ajuster la première limite de température du gaz respiratoire et la deuxième limite de température du gaz respiratoire en fonction de l'humidité de l'air du lieu d'utilisation. Un avantage essentiel de l'invention réside dans le refroidissement direct de l'air respiratoire dans le canal d'air respiratoire, grâce à un échangeur d'air/air-chaleur. Ceci permet au refroidissement d'être plus efficace que le refroidissement par la surface externe d'un absorbeur. Les exigences qui s'appliquent, sur le plan ergonomique, à l'appareil de protection respiratoire à circuit ne permettent pas d'avoir recours, pour le refroidissement externe, à n'importe quelle forme de surface externe pour l'absorbeur ; il n'est donc possible que sous certaines conditions de procéder au raccordement thermique optimal, occupant peu de place, d'un nombre aussi élevé que possible de granulés d'absorbant à l'intérieur de la cartouche alcaline, avec la surface externe de l'absorbeur. Il est par contre possible, avec un échangeur d'air/air-chaleur séparé, de refroidir pratiquement tout le gaz respiratoire qui circule dans le circuit. L'échangeur d'air/air-chaleur est constitué d'un premier canal interne destiné au circuit de gaz respiratoire et d'un deuxième canal externe destiné au circuit de gaz refroidi. L'air présent dans le circuit de refroidissement est refroidi par évaporation, en faisant circuler de l'air ambiant dans le deuxième canal, à l'aide d'un dispositif d'acheminement du gaz et en introduisant un fluide à évaporer dans le deuxième canal de l'échangeur de chaleur. De préférence, le fluide à évaporer est introduit dans le deuxième canal directement sur la surface d'échange de chaleur entre le premier et le deuxième canal. Comme matériau pour la surface d'échange de chaleur, il est prévu, de préférence, un matériau bon conducteur de chaleur, par exemple un métal. Le liquide à évaporer, dans le deuxième canal, est appliqué directement sur la surface d'échange de chaleur, par des pulvérisateurs situés dans le deuxième canal, et y est réparti. Ainsi, grâce au contact direct avec le liquide à évaporer, la surface d'échange de chaleur est directement refroidie, d'une part et, d'autre part, grâce à l'évaporation des particules du liquide à évaporer, l'air est refroidi dans le deuxième canal de l'échangeur d'air/airchaleur, au niveau d'une surface d'échange de chaleur. Pour faire circuler l'air dans le deuxième canal, on utilise comme dispositif d'acheminement du gaz, dans le cas le plus simple, une soufflante rotative électrique, conformée en ventilateur, qui fait circuler, le long du deuxième canal de l'échangeur de chaleur, un courant volumique de gaz de préférence compris entre 150 et 250 litres par minute, afin de produire une évaporation du liquide à évaporer refroidissant l'air présent dans le deuxième canal, le liquide étant en particulier de l'eau, une solution aqueuse ou un mélange contenant de l'eau. C'est ainsi que la quantité de chaleur produite dans l'absorbeur et contenue dans le gaz respiratoire est évacuée vers l'extérieur. Un courant volumique de gaz d'au moins 150 litres par minute s'est avéré nécessaire pour produire les différentes quantités d'air déplacé par convection destinées au transport de chaleur dans le deuxième canal. Il est possible d'utiliser, comme échangeur de chaleur, un échangeur à courant continu tout autant qu'un échangeur de chaleur à courant opposé ; le choix du type adapté dépend des dimensions dans l'espace de l'appareil d'assistance respiratoire à circuit et de la disposition de ses composants que sont le dispositif d'acheminement du gaz, la bouteille d'oxygène sous haute pression, I'absorbeur à absorbant pour appareil respiratoire, le sac respiratoire et le récipient de liquide à évaporer. Le liquide à évaporer, de préférence de l'eau, peut être mis à disposition dans un récipient de liquide à évaporer. Grâce à un détendeur, la pression de la bouteille d'oxygène à 200 bars est amenée à une pression de service de 5 bars. Ensuite, grâce à une buse doseuse, la pression est encore réduite, ce qui permet d'introduire dans le circuit d'assistance respiratoire une quantité d'oxygène entre 1 I/min et 2 I/min. Pour un temps d'utilisation de 4 heures et un volume respiratoire minute, pour le porteur de l'appareil, de 30 litres par minute, on obtient, dans approximativement 3 litres d'absorbant, une énergie thermique d'approximativement 750 kJ. Un conditionnement amélioré, selon l'invention, et une prise en compte simultanée des limites imposées par le poids et les dimensions de l'appareil de protection respiratoire à circuit, peuvent être obtenus avec la dissipation d'une énergie thermique de 450 kJ. Pour refroidir une énergie thermique de 450 kJ, il faut une quantité de 0,25 litre d'eau, comme liquide à évaporer, stocké dans le récipient de liquide à évaporer pour être injecté dans le deuxième canal de l'échange de chaleur, à une pression de 2 à 6 bars. L'échangeur de chaleur destiné à refroidir l'énergie thermique de 450 kJ est prévu pour une puissance calorifique de 30 W. Grâce à une buse réductrice, à la sortie du récipient de liquide à évaporer, on règle une pression comprise entre 2 bars et 6 bars pour faire fonctionner les pulvérisateurs. Les pulvérisateurs pulvérisent le liquide à évaporer, au moyen d'une soupape de réglage, sur la surface d'échange de chaleur de l'échangeur de chaleur. Une unité de commande envoit un signal de commande à la soupape de réglage. De façon synchronisée, la soupape de réglage est cycliquement ouverte et fermée. Pour mesurer la température du gaz respiratoire, une sonde de température est montée dans le premier canal de l'échangeur de chaleur, au niveau de la sortie de gaz respiratoire qui mène au porteur de l'appareil, et elle est reliée électriquement à l'unité de commande. Pour pulvériser le liquide à évaporer dans le deuxième canal, il faut que celui-ci soit soumis à une pression. Dans une forme de réalisation préférée, cette pression peut être fournie par la bouteille d'oxygène prévue dans l'appareil d'assistance respiratoire à circuit. Dans une variante d'exécution, le liquide à évaporer peut être déjà maintenu sous pression dans le récipient proprement dit, ce récipient étant utilisé à titre de consommable dans l'appareil d'assistance respiratoire à circuit, par exemple sous forme de cartouche. La pression requise, dans la plage de 2 à 6 bars, est ici appliquée au liquide à évaporer par un réservoir de gaz carburant séparé prévu dans le récipient de liquide à évaporer. Dans une forme de réalisation encore préférée, le récipient de liquide à évaporer est un consommable, le récipient de liquide à évaporer étant conformé en cartouche sous pression. Dans un autre mode d'exécution selon l'invention, les pulvérisateurs, dans le canal de l'échangeur d'air/air-chaleur sont disposés selon différents angles par rapport à la surface d'échange de chaleur, afin d'obtenir une répartition du liquide à évaporer sur toute la surface d'échange de chaleur. La plage préférée, pour l'agencement des pulvérisateurs, est la plage angulaire comprise entre 30° et 90°. La régulation du refroidissement du gaz respiratoire au moyen du courant volumique de gaz dans le deuxième canal de l'échangeur de chaleur, de la quantité de liquide à évaporer qui est pulvérisée par le groupe de pulvérisateurs, et de la pression de service réglée au niveau du récipient de liquide à évaporer, s'effectue de la façon suivante : Au-dessus d'une première température prédéterminée du gaz respiratoire de 30°C, le dispositif d'acheminement du gaz est activé ; lorsqu'une deuxième température prédéterminée de 35°C est dépassée, les pulvérisateurs sont activés et pulvérisent de façon cadencée des quantités de liquide à évaporer dans le deuxième canal. La première limite de température du gaz respiratoire est préréglée dans la plage entre 28°C et 34°C et la deuxième limite de température est préréglée dans la plage entre 31 °C et 37°C. Selon une forme d'exécution particulière du procédé selon l'invention, les limites de température peuvent être adaptées aux besoins du porteur de l'appareil d'assistance respiratoire. La température ambiante et l'humidité de l'air sur le lieu d'utilisation sont des paramètres qui rendent nécessaire l'adaptation des première et deuxième températures du gaz respiratoire qui sont prédéfinies. Un exemple d'exécution de l'invention va maintenant être expliqué à l'aide des figures schématiques. La figure 1 représente la structure schématique d'un appareil de protection respiratoire à circuit et des composants requis pour refroidir l'air respiratoire. La figure 2 représente schématiquement la disposition des composants requis pour réguler le refroidissement d'un appareil de protection respiratoire à circuit. A la figure 1 est représenté le boîtier 10 d'un appareil de protection respiratoire dans lequel sont montés un absorbeur 5 à absorbant pour appareil respiratoire, un échangeur 7 d'air/air-chaleur, un récipient 8 de liquide à évaporer, des soupapes anti-retour 2, 3, un sac respiratoire 6, un groupe de pulvérisateurs 9, un ventilateur 11, une soupape de réglage 12, une soupape d'échappement 13, une bouteille d'oxygène sous haute pression 14, un détendeur 15, une buse doseuse 16, des conduites sous pression 17, 18 et une sonde de température 26. L'air expiré par le porteur de l'appareil de protection respiratoire est rejeté dans l'absorbeur à absorbant pour appareil respiratoire 5, en passant par le tube respiratoire d'expiration 4a et la soupape anti-retour 2. Le porteur de l'appareil de protection respiratoire inspire à nouveau par le tube respiratoire d'inspiration 4b et par la soupape anti-retour 3. Il inspire par le deuxième canal 20 de l'échangeur d'air/air-chaleur, depuis le sac respiratoire 6, qui est raccordé à I'absorbeur à absorbant 5. Ainsi, le circuit destiné au gaz respiratoire est fermé. Dans l'appareil de protection respiratoire à circuit 10, le gaz qui sort d'une bouteille d'oxygène sous haute pression 14 est réduit, par un détendeur 15, à une pression de service 7a de 5 bars et, par une première conduite sous pression 17 et une buse doseuse 17, est réduit à la pression respiratoire 6a et est introduit dans le circuit, et l'oxygène consommé est remplacé. Depuis la sortie du détendeur 15, le récipient de liquide à évaporer 8, par une deuxième conduite sous pression 18, est sollicité par la pression de service 7a de 5 bars. Par une soupape de réglage 12 et la conduite d'amenée 27, le liquide à évaporer est acheminé, à la pression de service 8a, vers le groupe de pulvérisateurs 9. Les pulvérisateurs 9 sont agencés de telle sorte qu'ils soient orientés vers la surface d'échange de chaleur 19 qui se trouve dans le deuxième canal 21 sur l'échangeur d'air/air-chaleur 7 et qu'ils puissent entièrement pulvériser la surface d'échange de chaleur 19 avec le liquide à évaporer. La disposition des différents pulvérisateurs 9, dans ce cas, peut être à angle droit par rapport à la surface d'échange de chaleur 19, afin d'humidifier largement la surface d'échange de chaleur 19, mais il peut également être avantageux d'orienter les pulvérisateurs selon des angles différents, dans une plage angulaire de 30° à 90°C par rapport à la surface d'échange de chaleur 19. Les dimensions du récipient de liquide à évaporer 8 sont choisies de telle sorte qu'il puisse contenir suffisamment de liquide à évaporer pour la durée d'une utilisation par le porteur de l'appareil de protection respiratoire. Dans le cas d'une utilisation d'eau, de 250 à 450 millilitres suffisent pour quatre heures d'utilisation. L'air ambiant, suivant la direction de la première flèche 22, est aspiré par l'ouverture d'entrée d'air 24 et, du côté opposé, est amené à s'évacuer suivant la direction de la deuxième flèche 23, par une ouverture de sortie d'air 25. L'air circule alors par le deuxième canal 21 de l'échangeur d'air/air-chaleur 7 et entraîne le liquide évaporé, en particulier de l'eau, avec l'air entraîné, vers l'atmosphère. Le groupe de pulvérisateurs 9 est constitué d'au moins un pulvérisateur. Le dispositif représenté à la figure 1 comprend quatre pulvérisateurs 9, à titre d'exemple ; la solution selon l'invention englobe un nombre supérieur ou inférieur de pulvérisateurs 9. L'activation des pulvérisateurs 9 s'effectue avec un circuit de commande en boucle, en intégrant la température du gaz respiratoire. La température du gaz respiratoire est détectée par une sonde de température 26 à la sortie du premier canal 20 de l'échangeur d'air/air-chaleur 7. Sur le sac respiratoire 6 est montée une soupape d'échappement 13 par laquelle le fluide accumulé dans le circuit peut être évacué vers le milieu environnant. La figure 2 représente une unité de commande 30, à laquelle sont raccordés la sonde de température 26 et le capteur de pression 28. L'unité de commande 30 est conçue pour commander la quantité d'air du ventilateur 11, par un signal d'activation [F] 11 a. La façon la plus simple de commander la quantité d'air est de faire varier la vitesse de rotation du ventilateur 11. De plus, l'unité de commande 30 est conçue pour ouvrir et fermer la soupape de réglage 12, de façon synchronisée, par un signal d'activation [E] 12a. La quantité de liquide à évaporer qui s'écoule de façon cadencée à travers la soupape de réglage 12 découle des angles d'ouverture des pulvérisateurs 9 et de la pression de service 8a du liquide à évaporer qui règne au niveau de la soupape de réglage 12. L'unité de commande 30 est conçue pour déduire la durée d'ouverture de la soupape de réglage 12 à partir du signal de la sonde de température 26, et, par le signal de commande [E] 12a, pour commander la soupape de réglage 12 en conséquence. L'unité de commande 30 est conçue, en outre, pour déterminer la pression de service 7a à partir du signal du capteur de pression 28 et pour l'intégrer dans la détermination de la durée d'ouverture de la soupape de réglage 12. 5 10 15 20 25 35 Liste de références 1 porteur de l'appareil de protection respiratoire 2 première soupape anti-retour 3 deuxième soupape anti-retour 4a tube respiratoire d'expiration 4b tube respiratoire d'inspiration absorbeur à absorbant pour appareil respiratoire 5b granulés d'absorbant pour appareil respiratoire 6 sac respiratoire 6a pression respiratoire 7 échangeur d'air/air-chaleur 7a pression de service 8 récipient de liquide à évaporer 8a pression de service 9 groupe de pulvérisateurs bopitier de l'appareil de protection respiratoire 11 dispositif d'acheminement du gaz, ventilateur 11 a signal d'activation E destiné au ventilateur 12 soupape de réglage 12a signal d'activation F destiné à la soupape de réglage 13 soupape d'échappement 14 bouteille d'oxygène sous haute pression détendeur 16 buse doseuse 17 première conduite sous pression 18 deuxième conduite sous pression 19 surface d'échange de chaleur premier canal dans l'échangeur d'air/air-chaleur 21 deuxième canal dans l'échangeur d'air/air-chaleur 22 première direction d'écoulement de l'air 23 deuxième direction d'écoulement de l'air 24 ouverture d'entrée d'air ouverture de sortie d'air 26 sonde de température 27 conduite d'amenée 28 capteur de pression unité de commande REVENDICATIONS1. Appareil de protection respiratoire comprenant un circuit destiné à du gaz respiratoire et comprenant un échangeur de chaleur (7) refroidi par un liquide à évaporer comportant un premier canal (20) destiné au gaz respiratoire et un deuxième canal (21), a) le premier canal (20) de l'échangeur de chaleur (7) et le deuxième canal (21) de l'échangeur de chaleur (7) étant thermiquement et mécaniquement raccordés l'un à l'autre par l'intermédiaire d'une surface d'échange de chaleur (19) b) le liquide à évaporer provenant d'un récipient de liquide à évaporer (8) étant introduit par au moins un pulvérisateur dans le deuxième canal (21) de l'échangeur de chaleur (7) c) un dispositif d'acheminement du gaz (11) étant prévu pour acheminer un courant volumique de gaz à travers le deuxième canal (21) de l'échangeur de chaleur (7) et le premier canal (20) se trouvant du côté entrée d'un porteur d'appareil de protection respiratoire (1). 2. Appareil de protection respiratoire selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'acheminement du gaz (Il) est un ventilateur rotatif entraîné électriquement ou par un gaz sous pression. 3. Appareil de protection respiratoire selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le récipient de liquide à évaporer (8) est sollicité par une pression de service (7a). 4. Appareil de protection respiratoire selon la revendication 3, caractérisé en ce que le récipient de liquide à évaporer (8) est sollicité par la pression d'une bouteille de gaz sous pression (14) arrivant par une deuxième conduite de gaz sous pression (18), à une pression de service (7a). 5. Appareil de protection respiratoire selon la revendication 3, caractérisé en ce que le récipient de liquide à évaporer (8) est pourvu d'un 35 réservoir de gaz carburant placé à la pression de service (7a). 6. Appareil de protection respiratoire selon l'une desrevendications 1 à 5, caractérisé en ce que le liquide à évaporer est de l'eau, une solution contenant de l'eau ou un mélange contenant de l'eau. 7. Appareil de protection respiratoire selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les pulvérisateurs (9) sont orientés suivant un angle allant de 30° à 90° par rapport à la surface d'échange de chaleur (19) de l'échangeur de chaleur (7). 8. Procédé de régulation de l'appareil de protection respiratoire selon la revendication 1, dans lequel les signaux d'une sonde de température (26) et d'un capteur de pression (28) sont détectés et traités par une unité de commande (30), afin de commander le conditionnement du gaz respiratoire, l'unité de commande (30), au-dessus d'une première limite de température du gaz respiratoire, mettant en marche le dispositif d'acheminement du gaz (11) grâce à un signal d'actionnement (11a) et, au-dessus d'une deuxième limite de température du gaz respiratoire, l'unité de commande (30) commandant la durée d'ouverture de la soupape de réglage (12), par un signal d'activation (12a). 9. Procédé selon la revendication 8, dans lequel la première limite de température du gaz respiratoire est préréglée dans la plage entre 28°C et 34°C et la deuxième limite de température du gaz respiratoire est préréglée dans la plage entre 31 °C et 37°C. 10. Procédé selon la revendication 8, dans lequel il est possible d'ajuster la première limite de température du gaz respiratoire et la deuxième limite de température du gaz respiratoire en fonction de la température ambiante du lieu d'utilisation. 11. Procédé selon la revendication 8, dans lequel il est possible d'ajuster la première limite de température du gaz respiratoire et la deuxième limite de température du gaz respiratoire en fonction de l'humidité de l'air du lieu d'utilisation. 25 30