Brevet FR3003183A1 — publié le 20140919

L'invention concerne un recycleur à adsorption de gaz carbonique, destiné notamment mais pas uniquement à la plongée en circuit fermé. Lors d'une plongée sous-marine utilisant un scaphandre autonome, le plongeur respire de l'air ou un mélange de gaz provenant de bouteilles dans lesquelles 15 les gaz sont stockés à haute pression et qui lui sont fournis à la pression ambiante par un détendeur. Le mélange expiré est rejeté dans l'eau. Or le plongeur n'a consommé qu'une fraction du dioxygène présent dans l'air ou le mélange, et le dioxygène non consommé est rejeté dans l'eau. Ce système limite donc la durée d'une plongée. D'autre part, dans certaines applications la 20 formation de bulles est rédhibitoire. Les respirateurs à circuit fermé comportent une cartouche traversée par le mélange expiré et contenant un matériau tel que la chaux qui piège le gaz carbonique au cours d'une réaction irréversible. Ce système est peu pratique 25 car la cartouche est encombrante et il ne permet pas la régénération de la chaux carbonatée, notamment en cours de plongée. L'invention vise à fournir une alternative à ce système. A cet effet, elle propose un système d'extraction du gaz carbonique d'un 30 mélange de gaz comportant au moins du gaz carbonique, comportant au moins un réservoir contenant un matériau apte à adsorber le gaz carbonique, chaque réservoir comportant une entrée pour ledit mélange et une sortie pour un mélange au moins partiellement épuré du gaz carbonique, pouvant comporter en outre : au moins un moyen de chauffage dudit réservoir, au moins un circuit électronique de contrôle, prévu pour provoquer le chauffage d'au moins un réservoir lorsqu'au moins une condition est remplie, de façon à provoquer la désorption du gaz carbonique adsorbé sur le matériau contenu dans le réservoir respectif. L'invention repose sur l'utilisation d'un matériau qui adsorbe le gaz carbonique au cours d'une réaction réversible, tel que des zéolithes, du charbon actif ou autre. Ce matériau est contenu dans un réservoir doté de moyens de chauffage, par exemple une résistance électrique. Le système comprend en outre un moyen de stockage d'énergie électrique tel qu'une batterie ou une pile, et un circuit électronique de contrôle qui déclenche la régénération du matériau par chauffage du réservoir lorsqu'une condition est remplie. La réaction d'adsorption étant réversible, le gaz carbonique se sépare du matériau, est évacué, et le matériau peut être réutilisé. Les avantages sont les suivants : - Gain de volume et donc gain de poids compensateur pour la plongée, car la cartouche de chaux est encombrante, - Plus de nécessité de changer la chaux à chaque utilisation, car en l'absence de possibilité de régénération et de critère fiable de taux d'utilisation de la chaux, il est plus prudent de changer tout le contenu de la cartouche, - La chaux est un matériau polluant qui, réglementairement, nécessite une incinération, - Possibilité, comme on le verra plus bas, de régénérer le matériau en cours de plongée, la quantité de matériau emporté ne limitant dès lors plus la durée de la plongée comme c'est le cas avec la chaux. Dans tout le texte, par mélange épuré on entend un mélange de gaz au moins partiellement épuré de gaz carbonique. Avantageusement, chaque réservoir peut comporter en outre une vanne d'entrée du mélange, une vanne de sortie du mélange épuré et une vanne de sortie du gaz carbonique, et ledit circuit électronique de contrôle est prévu pour provoquer la fermeture desdites vannes d'entrée du mélange et de sortie du mélange épuré et l'ouverture de la vanne de sortie du gaz carbonique lorsqu'il provoque le chauffage d'un réservoir. Dans la phase de désorption, les vannes d'entrée du mélange et de sortie du mélange épuré du réservoir sont fermées, seule la vanne de sortie du gaz carbonique est ouverte. La sortie du gaz carbonique est distincte de celle du mélange épuré pour ne pas risquer de fournir du gaz carbonique à l'utilisateur. Avantageusement, le système peut comporter en outre au moins un moyen de 20 mesure d'au moins un paramètre caractérisant l'environnement dans lequel se trouve ledit système, et ladite condition porte sur au moins un paramètre environnemental. La condition mentionnée plus haut peut bien sûr être l'activation du système 25 par l'utilisateur, mais avantageusement le système peut être prévu pour détecter une condition par exemple environnementale dans laquelle il déclenche automatiquement la régénération du matériau, le système comportant alors des capteurs de paramètres d'environnement. Par exemple, l'au moins un moyen de mesure peut comprendre un capteur de pression et/ou un capteur de présence d'eau, ladite condition pouvant porter sur la pression et/ou sur la présence d'eau. La mesure de la pression et de présence d'eau permet de discriminer les situations « en plongée » et « en surface », donc de déclencher la régénération automatiquement après le retour en surface du plongeur. Avantageusement, le système peut comporter un premier et un second réservoirs contenant chacun un matériau apte à adsorber le gaz carbonique, chaque réservoir comportant en outre une vanne d'entrée du mélange, une vanne de sortie d'un mélange épuré et une vanne de sortie du gaz carbonique, et pouvant comporter en outre : un moyen de chauffage dudit matériau associé à chaque réservoir, un circuit électronique de contrôle, ledit circuit électronique de contrôle étant prévu pour provoquer dans chaque réservoir des cycles comprenant une période d'adsorption et une période de désorption, lesdits cycles étant en opposition de phase, de sorte que l'un des réservoirs est en adsorption pendant que l'autre est en désorption. Dans ce mode de réalisation, le système d'extraction comporte deux réservoirs tels que décrits plus haut, comportant chacun un moyen de chauffage, et un circuit électronique de contrôle qui permet un fonctionnement alterné du système : le premier et le second réservoirs fonctionnant chacun selon des cycles comportant une période d'adsorption et une période de désorption, ces cycles étant en opposition de phase, de façon qu'il n'y ait toujours qu'un seul réservoir en réchauffage, donc en désorption, l'autre étant en adsorption, donc utilisé pour la respiration. Ceci permet d'obtenir un fonctionnement en continu du système d'extraction. Dans tous les cas, il y a un réservoir non chauffé en adsorption et un réservoir en chauffage donc en désorption, sauf éventuellement au début de la plongée lorsque les deux réservoirs contiennent du matériau « neuf » et en fin de plongée lorsque le système peut régénérer le matériau d'un réservoir alors que l'autre n'est plus en service. Dans un mode de réalisation, le système d'extraction peut comporter en outre 5 une horloge, le changement de période s'effectuant lors de la réalisation d'une condition de durée. Dans ce cas, la bascule, c'est-à-dire le passage d'une période d'adsorption à une période de désorption, est réglée par une horloge. La durée de chauffage 10 d'un réservoir est ajustée en fonction de la quantité de matériau contenu dans ce réservoir. Dans un autre mode de réalisation, le système peut comporter en outre au moins un capteur de concentration en gaz carbonique, le changement de 15 période s'effectuant lors de la réalisation d'une condition de concentration de gaz carbonique dans le mélange épuré. Dans ce cas, la bascule s'effectue lorsque le capteur de gaz carbonique mesure une concentration supérieure à un seuil fixé à l'avance dans le mélange épuré 20 en sortie d'un réservoir. Le système peut comporter un tel capteur en sortie de chaque réservoir, ou un unique capteur monté sur le circuit de mélange épuré sachant que le gaz carbonique en cours de désorption s'évacue des réservoirs par des sorties de purge spécifiques. 25 Avantageusement, les périodes d'adsorption du premier et du second réservoirs peuvent posséder un recouvrement. Pour des raisons de sécurité, les périodes d'adsorption des réservoirs peuvent présenter un léger recouvrement afin d'assurer une continuité de la fourniture 30 de mélange respirable au plongeur. Avantageusement, le système peut être inclus dans un bloc de résine. De cette façon, le circuit électronique de contrôle et la batterie sont à l'abri du contact avec l'eau. La batterie est du type qui se recharge par induction. Lorsque le système d'extraction comporte un ou des capteur(s), ceux-ci sont montés soit affleurant à la surface du bloc de résine et de façon étanche (capteur d'humidité ou de présence d'eau), soit inclus dans ce bloc mais très proche de la surface (capteur de pression). L'invention porte également sur un système de respiration en circuit fermé pour plongeur, comportant un embout respiratoire muni d'un tuyau d'inspiration et un tuyau d'expiration, un sac respiratoire relié audit tuyau d'inspiration, une bouteille renfermant du dioxygène comprimé pour l'introduction de dioxygène dans ledit sac respiratoire et pouvant comporter un système d'extraction du gaz carbonique selon l'invention, dont l'entrée est reliée audit tuyau d'expiration et dont la sortie est reliée audit sac respiratoire. Un système de respiration en circuit fermé comporte un circuit primaire conduisant le mélange expiré par le plongeur vers l'entrée d'un système d'extraction, et un circuit secondaire connecté sur la sortie du système d'extraction et conduisant le mélange épuré vers le sac respiratoire. Le système de respiration comporte également une bouteille de dioxygène comprimé qui libère du dioxygène dans le sac respiratoire. Le plongeur respire à partir de ce sac respiratoire. Le mode de fonctionnement diffère selon que le système d'extraction du gaz carbonique comporte un ou deux réservoirs. Lorsque le système d'extraction du gaz carbonique comporte un réservoir, dans une première phase, le plongeur utilise le système de respiration de façon classique. Dans une seconde phase, le matériau contenu dans le réservoir est en cours de régénération, le plongeur ne peut plus utiliser le système de respiration, il doit attendre la fin de la désorption du gaz carbonique. Le changement de phase de fonctionnement s'effectue soit à la demande de l'utilisateur, soit à la réalisation d'une condition, cette condition pouvant être le retour à la surface du plongeur. De cette façon, le plongeur n'a pas à se préoccuper de lancer la régénération du matériau adsorbant. Lorsque le système d'extraction du gaz carbonique comporte deux réservoirs montés en parallèle dans le circuit de respiration, ces réservoirs sont alternativement en service, c'est-à-dire alternativement traversés par le mélange expiré par le plongeur et en régénération, de façon qu'un réservoir soit en service pendant que l'autre est en régénération. De cette façon, le système de respiration peut fonctionner en continu, la durée de la plongée n'est plus limitée par la saturation d'un matériau d'extraction du gaz carbonique mais par la capacité de la batterie. Des modes de réalisation et des variantes seront décrits ci-après, à titre 20 d'exemples non limitatifs, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 représente schématiquement un système d'extraction du gaz carbonique selon l'invention ; 25 La figure 2 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation d'un système d'extraction du gaz carbonique selon l'invention ; La figure 3 représente schématiquement les cycles d'adsorption et 30 de régénération du système d'extraction du gaz carbonique de la figure 2; - La figure 4 représente schématiquement un système de respiration en circuit fermé pour plongeur utilisant un système d'extraction du gaz carbonique selon l'invention. La figure 1 illustre schématiquement un système d'extraction du gaz carbonique d'un mélange de gaz, comprenant un réservoir 10 (représenté en coupe partiellement rempli pour des raisons de clarté du dessin) contenant un matériau 20 ayant la capacité d'adsorber le gaz carbonique, tel que des zéolithes, du charbon actif ou autre, maintenu entre deux grilles transversales 11 et 12. Ce réservoir comprend : une entrée 13 pour le mélange comportant du gaz carbonique ; cette entrée est contrôlée par une vanne motorisée 33, une sortie 14 pour le mélange épuré, c'est-à-dire duquel la majeure partie du gaz carbonique a été enlevée ; cette sortie est contrôlée par une vanne motorisée 34, une sortie de purge 15 pour l'évacuation du gaz carbonique lors des phases de régénération ; cette sortie de purge est contrôlée par une vanne motorisée 35. Une résistance électrique 40 entoure le récipient 10 de façon à chauffer le matériau 20 pendant les phases de régénération. D'autres dispositions sont bien entendu possibles, par exemple une résistance plongée au sein du matériau. La résistance 40 est reliée à une batterie 51 par l'intermédiaire d'un circuit électronique de contrôle 50. Les moteurs des vannes 33, 34, 35 sont également reliés au circuit électronique de contrôle (non représenté). Ce système comporte deux modes de fonctionnement bien distincts contrôlés par le circuit électronique 50 : Dans un premier mode, le système est utilisé pour extraire le gaz carbonique d'un mélange de gaz, par exemple le mélange expiré par un plongeur, et le renvoyer vers le sac respiratoire du plongeur ; dans ce premier mode, les vannes d'entrée 33 et de sortie 34 sont ouvertes, la vanne de sortie de purge 25 est fermée et la résistance 40 n'est pas alimentée, Dans un second mode, le système est utilisé pour régénérer le matériau qui a adsorbé le gaz carbonique ; dans ce second mode, les vannes d'entrée 33 et de sortie 34 sont fermées, la vanne de sortie de purge 25 est ouverte et la résistance 40 est alimentée. La durée et l'intensité du chauffage sont fonction de la nature et de la quantité de matériau présent dans le réservoir 10. Le gaz carbonique s'évacue par la sortie de purge 15; celle-ci est munie d'un clapet anti-retour pour éviter par exemple que de l'eau pénètre dans le réservoir 10. Dans ce second mode, le système ne peut bien sûr pas être utilisé pour respirer. Le système peut comporter un ou des capteurs permettant au circuit électronique de contrôle 50 de détecter la fin d'une plongée et de déclencher automatiquement la phase de régénération, par exemple un capteur de pression 52 et un capteur de présence d'eau 53 reliés audit circuit électronique. Une situation de plongée sera caractérisée par : Présence d'eau et pression > 1 bar, et la situation de surface sera caractérisée par : Absence d'eau et pression Cet automatisme est associé à un dispositif de sécurité pour qu'un cycle de régénération ne se déclenche pas de manière intempestive pendant une - 10 - plongée, par exemple une temporisation. De même, l'alimentation de la résistance 40 peut être conditionnée au retour d'information que les vannes 33 et 34 sont effectivement fermées et la vanne 35 effectivement ouverte. La figure 2 illustre un système d'extraction du gaz carbonique comportant deux réservoirs 100, 200 identiques au réservoir précédemment décrit, c'est-à-dire comportant chacun une entrée 113, 213 et une sortie 114, 214, ainsi qu'une sortie de purge 115, 215. Chaque entrée ou sortie est commandée par une vanne motorisée respective 133, 233, 134, 234, 135, 235. Les deux réservoirs 100, 200 sont connectés en parallèle par des canalisations, de façon à présenter une entrée commune 333 pour le mélange chargé en gaz carbonique, et une sortie commune 334 pour le mélange épuré du gaz carbonique. Les sorties de purge 115, 215 peuvent rester indépendantes comme illustré en figure 2 ou être réunies en une sortie de purge commune. Les réservoirs 100, 200 comportent chacun une résistance électrique 140, 240 permettant de chauffer le matériau contenu dans ces réservoirs ; ces résistances sont reliées à une batterie électrique 151 par l'intermédiaire d'un 20 circuit électrique de commande 150 (non représenté pour la résistance 140). Les moteurs des vannes 133, 233, 134, 234, 135, 235 sont également reliés au circuit électronique de commande (non représenté). 25 Ce système fonctionne selon un système de bascule dans lequel l'un des réservoirs est en adsorption pendant que l'autre est en régénération, la bascule étant gérée par le circuit électronique 150. Ainsi : - Réservoir 100 en adsorption et réservoir 200 en régénération : vannes 133 et 134 ouvertes, vanne 135 fermée, vannes 233 et 234 fermées, 30 vanne 235 ouverte, résistance 140 hors fonction, résistance 240 alimentée, -11- - Réservoir 100 en régénération et réservoir 200 en adsorption : vannes 133 et 134 fermées, vanne 135 ouverte, vannes 233 et 234 ouvertes, vanne 235 fermée, résistance 140 alimentée, résistance 240 hors fonction. Bien entendu les vannes 233 et 233, ainsi que les vannes 234 et 234, peuvent être remplacées par une vanne trois voies. La bascule est commandée par le circuit électronique 150 en fonction : D'une durée, la durée des phases de régénération devant être sensiblement égales entre elles et égales d'un réservoir à l'autre, et devant être inférieures ou égales en durée aux phases d'adsorption, D'une concentration en gaz carbonique mesurée en sortie 114, 214 de chaque réservoir. Comme précédemment, ce système peut être doté de capteurs de présence d'eau et/ou de pression pour détecter le début de plongée (mise en service) et la fin de plongée (arrêt du système après une dernière régénération). A noter que pour des raisons de sécurité, on peut prévoir un léger recouvrement des phases d'adsorption comme illustré en figure 3 : la ligne 100 illustre le cycle du réservoir 100, la ligne 2 le cycle du réservoir 200. Les phases d'adsorption, pendant lesquelles le réservoir correspondant sert à alimenter le plongeur en mélange, sont notées Al et A2 ; les phases de régénération sont notées R1 et R2. On voit que les phases Al et A2 sont en léger recouvrement lors de la bascule. Ceci permet notamment d'éviter de fournir un mélange trop chaud plongeur ; en effet, à la fin d'un cycle de régénération R1, R2, le réservoir est chaud et le mélange expurgé de CO2 qu'il fournit au début d'une phase d'adsorption Al, A2 va être chaud ; le recouvrement permet de mélanger les gaz fournis par les deux réservoirs et donc de baisser sa température. - 12 - La figure 4 représente un système de respiration en circuit fermé pour plongeur comportant un système d'épuration du gaz carbonique 300 selon l'invention, par exemple noyé dans un bloc de résine. Comme décrit plus haut, ce système d'épuration comporte un ou deux réservoirs, remplis d'un matériau apte à adsorber le gaz carbonique, un circuit électronique de contrôle et une batterie. Le système de respiration comporte de façon classique un embout 310 muni de soupapes, relié à deux tuyaux annelés, un tuyau d'inspiration 311 et un tuyau d'expiration 312. Le tuyau d'expiration 312 délivre un mélange chargé en gaz carbonique dans un sac d'expiration 330, relié à l'entrée 303 du système d'épuration 300. Cependant le tuyau d'expiration 312 pourrait être relié directement au système d'épuration. Le système d'épuration 300 délivre un mélange épuré par sa sortie 304 à un sac inspiratoire 320. En phase de désorption du système d'épuration 300, le gaz carbonique s'échappe par une sortie 305. Une bouteille de gaz comprimé 340 comprenant du dioxygène délivre par le biais d'un détendeur 341 du dioxygène dans un sac inspiratoire 320, de façon à reconstituer un mélange respirable par le plongeur. Le tuyau d'inspiration 311 est relié au sac d'inspiration 320 et délivre un mélange respirable pour le plongeur par l'embout 310.25 REVENDICATIONS1. Système d'extraction du gaz carbonique d'un mélange de gaz comportant au moins du gaz carbonique, comportant au moins un réservoir (10) contenant un matériau (20) apte à adsorber le gaz carbonique, chaque réservoir comportant une entrée (13) pour ledit mélange et une sortie (14) pour un mélange au moins partiellement épuré du gaz carbonique, caractérisé en ce qu'il comporte en outre : au moins un moyen de chauffage (40) dudit réservoir, au moins un circuit électronique de contrôle (50), prévu pour provoquer le chauffage d'au moins un réservoir lorsqu'au moins une condition est remplie, de façon à provoquer la désorption du gaz carbonique adsorbé sur le matériau contenu dans le réservoir respectif. 2. Système d'extraction du gaz carbonique selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque réservoir comporte en outre une vanne d'entrée (33) du mélange, une vanne de sortie (34) du mélange épuré et une vanne de sortie (35) du gaz carbonique, et en ce que ledit circuit électronique de contrôle (50) est prévu pour provoquer la fermeture desdites vannes d'entrée du mélange et de sortie du mélange épuré et l'ouverture de la vanne de sortie du gaz carbonique lorsqu'il provoque le chauffage d'un réservoir. 3. Système d'extraction du gaz carbonique selon l'une des 25 revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un moyen de mesure (52, 53) d'au moins un paramètre caractérisant l'environnement dans lequel se trouve ledit système, et en ce que ladite condition porte sur au moins un paramètre environnemental. 30- 14 - 4. Système d'extraction du gaz carbonique selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'au moins un moyen de mesure comprend un capteur de pression (52) et/ou un capteur de présence d'eau (53), et en ce que ladite condition porte sur la pression et/ou sur la présence d'eau. 5. Système d'extraction du gaz carbonique d'un mélange de gaz comportant au moins du gaz carbonique, caractérisé en ce qu'il comporte un premier et un second réservoirs (100, 200) contenant chacun un matériau apte à adsorber le gaz carbonique, chaque réservoir comportant une entrée (113, 213) pour ledit mélange et une sortie (114, 214) pour un mélange au moins partiellement épuré du gaz carbonique, chaque réservoir comportant en outre une vanne d'entrée (113, 213) du mélange, une vanne de sortie (114, 214) d'un mélange épuré et une vanne de sortie (135, 235) du gaz carbonique, caractérisé en ce qu'il comporte en outre : un moyen de chauffage (140, 240) dudit matériau associé à chaque réservoir, un circuit électronique de contrôle (150), ledit circuit électronique de contrôle étant prévu pour provoquer dans chaque 20 réservoir des cycles comprenant une période d'adsorption et une période de désorption, lesdits cycles étant en opposition de phase, de sorte que l'un des réservoirs est en adsorption pendant que l'autre est en désorption. 6. Système d'extraction du gaz carbonique selon la revendication 5, 25 caractérisé en ce qu'il comporte en outre une horloge, et en ce que le changement de période s'effectue lors de la réalisation d'une condition de durée. 7. Système d'extraction du gaz carbonique selon la revendication 5, 30 caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un capteur de concentration en gaz carbonique, et en ce que le changement de période s'effectue lors de la- 15 - réalisation d'une condition de concentration de gaz carbonique dans le mélange épuré. 8. Système d'extraction du gaz carbonique selon l'une des 5 revendications 5 à 7, caractérisé en ce que les périodes d'adsorption du premier et du second réservoirs possèdent un recouvrement. 9. Système d'extraction du gaz carbonique selon l'une des 10 revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est inclus dans un bloc de résine. 10. Système de respiration en circuit fermé pour plongeur, comportant un embout respiratoire (310) muni d'un tuyau d'inspiration (311) et un tuyau 15 d'expiration (312), un sac inspiratoire (320) relié audit tuyau d'inspiration, une bouteille (340) renfermant du dioxygène comprimé pour l'introduction de dioxygène dans ledit sac inspiratoire et un système d'extraction du gaz carbonique (300) selon l'une des revendications 1 à 9 dont l'entrée (303) est reliée audit tuyau d'expiration (312) et dont la sortie (304) est reliée audit sac 20 inspiratoire (320).