CH509555A - Heat exchanger for life support systems - Google Patents

Heat exchanger for life support systems

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CH509555A
CH509555A CH1539669A CH1539669A CH509555A CH 509555 A CH509555 A CH 509555A CH 1539669 A CH1539669 A CH 1539669A CH 1539669 A CH1539669 A CH 1539669A CH 509555 A CH509555 A CH 509555A
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Fischel Halbert
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    • F25J2270/904External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by liquid or gaseous cryogen in an open loop

Abstract

The exchanger comprises separate parallel passages along which gases are passed in heat-exchange relationship on opposite sides of a plastic heat exchange membrane which constitutes a common wall for the passages. The membrane which is pref. corrugated, consists of a series of successive peaks and valleys at both its faces extending parallel to the separate passages. The exchanger is used in closed circuit life support systems, e.g. diving equipment, to cool the exhaled gases and to heat the breathable mixture from the O2 reservoir to a suitable breathing temp.

Description

       

  
 



  Procédé pour éliminer le gaz carbonique d'un mélange
 gazeux et appareil pour sa mise en oeuvre
 La présente invention a pour objet un procédé pour éliminer le gaz carbonique d'un mélange gazeux et un appareil pour sa mise en   oeuvre.    Un certain nombre de considérations compliquent d'une façon considérable les problèmes présentés par l'entretien de la vie dans les environnements hostiles, tels que ceux qu'on rencontre dans des conditions de pression positive. Quelle que soit la pression à laquelle travaille un plongeur, il doit disposer de la quantité appropriée d'oxygène et cette quantité, en fonction de la pression partielle de l'oxygène, est comprise entre 0,2 et 1 bar environ.

  Par suite, pour travailler à des profondeurs importantes (60-120 mètres), les plongeurs doivent respirer un mélange dans lequel l'oxygène constitue un pourcentage très faible (par exemple de 5 % à 2 % respectivement) du mélange complet. A moins de se maintenir à une profondeur donnée ou d'effectuer constamment des réglages, les variations du pourcentage en oxygène doivent être effectuées automatiquement du fait que soit un excès d'oxygène soit un manque d'oxygène risque d'être fatal en peu de temps par empoisonnement par l'oxygène ou par anoxie, respectivement. II est également extrêmement important de maintenir des rapports précis pour réduire le risque de tout dommage non fatal et pour réduire le temps nécessaire pour la décompression.



   Le terme  pression positive  est destiné ici à se rapporter à un environnement à haute pression ou à un environnement dans lequel la pression est supérieure à celle d'un environnement normal pour un être humain.



  Si la pression est suffisamment élevée, elle est d'une manière intrinsèque hostile à la vie humaine, comme l'est un environnement à basse pression si sa pression est suffisamment basse. En prenant la gamme des pression atmophériques normales comme référence, l'environnement à basse pression peut également être appelé un environnement à pression négative. Même un environnement isobar peut être hostile à l'existence humaine et peut nécessiter un appareil d'entretien de la vie si on rencontre des températures extrêmes ou des polluants excessifs.



   Le mélange respiratoire approprié pour des environnements à pression positive n'est pas comparable à celui des atmosphères normales. I1 faut, bien entendu, que l'anhydride carbonique exhalé soit éliminé du circuit si on doit faire recirculer le gaz. Si le système est en circuit complètement fermé ou en circuit semi-fermé, il est de plus souhaitable qu'il n'y ait aucune variation sensible de la pression respiratoire nécessaire à mesure que le   CO2.    s'accumule, comme c'est le cas lorsqu'il existe une contrepression. Les effets narcotiques des gaz inertes sous pression doivent être supprimés ou éliminés. Par exemple, s'il existe de l'azote dans le mélange respiratoire, il doit être limité à une pression partielle qui ne dépasse pas 3,5 bars environ.

  Pour ces raisons ainsi que d'autres, les mélanges respiratoires pour effectuer un travail sous-marin utilisent principalement de l'hélium ou tout autre gaz inerte stabilisant ou bien un mélange de gaz inertes et d'oxygène, en combinaison.



   D'autres exigences critiques qui sont imposées aux appareils d'entretien de la vie sont dues à la nécessité de faire durer le plus longtemps possible des réserves données d'oxygène et de gaz de support, et aux facteurs de sécurité qui, d'une manière inhérente, sont nécessaires pour de tels appareils. Les facteurs de sécurité sont, d'une manière générale, l'objet d'une grande attention actuellement du fait que les appareils modernes font appel à des soupapes mécaniques sensibles à la pression dont la défaillance, catastrophique ou intermittente, est inadmissible.



   A mesure que de tels appareils ont été utilisés plus largement, des facteurs autres que les facteurs de sécurité sont également devenus de plus en plus importants.  



  Par exemple, lorsqu'on respire un mélange dont la teneur en hélium est élevée, les pertes de chaleur du corps sont extrêmement importantes. Par suite, des moyens doivent être prévus pour chauffer les dispositifs ou les postes sous-marins pour maintenir des conditions de travail ou de vie raisonnables. La dépense de chaleur est en général sans rapport avec les autres fonctions remplies à l'intérieur d'un appareil d'entretien de la vie, mais si on pouvait la combiner d'une manière efficace avec la fonction d'entretien de la vie, toute l'installation serait non seulement plus compacte et moins coûteuse, mais les sources d'énergie disponible seraient utilisées d'une façon plus efficace.



   Des appareils de cette nature doivent remplir une diversité de fonctions différentes, y compris l'épuration par élimination des gaz contaminés par la vapeur d'eau, par les hydrocarbures toxiques, et par l'anhydride carbonique, I'utilisation d'agencements de transmission de chaleur efficaces, et l'exécution d'opérations de réglage nécessaires pour régler les températures et, là où c'est nécessaire, les pressions. La présente invention tient compte de tous ces aspects, du fait que bien qu'ils constituent des corollaires du problème principal consistant à régler la pression partielle d'un gaz choisi dans le mélange gazeux, ils constituent le fondement des objectifs principaux des appareils d'entretien de la vie et que, de plus, ils présentent un nombre important d'utilisations indépendantes.

  Un grand nombre de ces exigences fonctionnelles sont satisfaites par des appareils selon l'invention d'une manière particulièrement avantageuse et spéciale, comme indiqué séparément ci-après.



   D'autres appareils d'entretien de la vie peuvent se rapporter à des environnements entièrement différents mais, néanmoins, ils doivent fournir un mélange respirable suivant une gamme de pressions appropriées.



  Dans les appareils spatiaux et superatmosphériques des environnements à basse pression se rencontrent et il est souvent préférable d'utiliser de l'oxygène pur à une pression choisie inférieure à la pression atmosphérique.



  Bien que la régulation de pression soit relativement simple, il peut encore se produire des défaillances. Les plus grands dangers sont peut-être produits par l'inflam   mabilité    d'un milieu respiratoire constitué par de l'oxygène pur et ces risques peuvent être considérablement réduits en mélangeant à l'oxygène pur même une faible proportion d'un gaz inerte. Dans les appareils existants, I'extraction des contaminants de l'oxygène pur maintenu à une pression donnée pose des problèmes de régulation relativement simples. Lorsque, cependant,
I'oxygène doit être dilué suivant une proportion donnée avec un gaz inerte approprié, il faut utiliser un équipement supplémentaire important avec les techniques actuelles.

  Les éléments du mélange gazeux doivent être déterminés par rapport à la pression totale régnant dans l'appareil et les corrections nécessaires doivent être effectuées par des combinaisons appropriées d'injections de constituants gazeux purs et de soutirages du mélange gazeux.



   Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on fait couler le mélange gazeux le long d'un trajet sensiblement linéaire avec un faible gradient de pression, on extrait de la chaleur du mélange gazeux pour établir un gradient de température net s'étendant jusqu'à un niveau de température inférieur au point de précipitation du gaz carbonique, et on recueille passivement le gaz carbonique précipité pratiquement directement après sa précipitation.



   Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'appareil pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention.



   La fig. 1 est une vue schématique d'une première forme d'exécution.



   La fig. 2 est un graphique relatif à la fig. 1.



   La fig. 3 est une vue en perspective, avec arrachement, d'une seconde forme d'exécution.



   La fig. 4 est une coupe correspondant à la fig. 3.



   La fig. 5 est une vue simplifiée et idéale d'un système d'échangeur de chaleur destiné à être utilisé dans le système des fig. 3 et 4.



   La fig. 6 est une vue en perspective avec arrachement partiel et considérablement agrandie d'un détail d'une partie de l'échangeur de chaleur de la fig. 5.



   La fig. 7 est un schéma synoptique combiné avec arrachement partiel et en perspective d'un système de réglage de la température, destiné à être utilisé dans le système des fig. 3 et 4, et
 La fig. 8 est un schéma synoptique représentant une forme différente de système d'entretien de la vie selon l'invention et pouvant être utilisé dans des   environne-    ments à pression négative.



   Le schéma de la fig. 1 représente un appareil complet sous une forme idéale ainsi qu'une variante de base qui remplit une fonction supplémentaire. Il va de soi, cependant, que les divers aspects de l'appareil peuvent être appliqués à un grand nombre de besoins différents, suivant des manières différentes. Suivant les exigences imposées à l'appareil et les environnements particuliers, cependant, seuls certains des aspects doivent être utilisés.

  Pour un appareil d'entretien de la vie donné, la combinaison la plus appropriée dépendra de facteurs tels que de savoir si l'appareil est destiné à une utilisation individuelle ou à une utilisation multiple,   s'il    doit être un appareil fixe ou mobile, s'il doit être utilisé dans un environnement à pression positive ou dans un environnement à pression négative, et si l'utilisateur doit être isolé de l'environnement ou exposé directement à celui-ci.



   L'appareil en circuit fermé de la fig. 1 comprend un dispositif d'entrée et de sortie 10, tel que l'embouchure d'un plongeur pour un ensemble individuel mobile ou des accouplements appropriés avec un volume contenant un gaz respirable dans un appareil de plongée autonome, lequel volume fait partie de l'appareil en circuit fermé. Dans la plupart des appareils à pression positive, les gaz du volume sont à une pression de quelques bars ou plus. Le trajet d'écoulement des gaz dans l'appareil est déterminé par un jeu de soupapes unidirectionnelles 12, 13, 14 qui assurent la circulation des gaz suivant la direction appropriée dans l'appareil.

 

  Un sac d'expansion 16 est représenté monté sur le trajet d'écoulement pour les gaz contaminés arrivant et pour les gaz purifiés qui partent. Par suite, un individu respire dans le sac d'expansion 16 et aspire les gaz à travers l'appareil par l'intermédiaire du sac d'expansion 16 de sorte que le sac 16 facilite le travail respiratoire en compensant les variations de volume des poumons. Le sac 16 sert de plus comme collecteur de compensation pour une partie de la vapeur d'eau se trouvant dans les gaz.



   Une quantité supplémentaire de vapeur d'eau qui se trouve dans les gaz arrivants est éliminée dans une chambre classique 18 d'élimination de l'eau, telle que par exemple un ensemble desséchant. Une compensa  tion des variations de la pression ambiante est réalisée en injectant de l'hélium gazeux sous pression, à travers un régulateur de pression réglable 20, de n'importe quel type approprié qu'on trouve dans le commerce.



  Le régulateur de pression 20 comprend un dispositif de commande 22 de la soupape de commande, appelé bouton de purge, qui peut être actionné à la main afin d'ouvrir complètement la canalisation d'hélium et mettre momentanément l'appareil sous pression. Les gaz arrivants sont envoyés de la chambre 18 d'élimination de l'eau dans une enceinte fermée 24 d'oxygène liquide comportant un volume contenant du gaz qui est séparé de l'oxygène liquide 25, mais qui est en communication avec celui-ci. Les gaz sont extraits du volume contenant le gaz et son renvoyés par l'intermédiaire de la soupape unidirectionnelle 14 au mécanisme d'entrée et de sortie 10.

  Les gaz arrivants, débarrassés de leur vapeur d'eau, peuvent être débarrassés de l'anhydride carbonique par n'importe quel moyen classique, et leur température approprié à l'aide de n'importe quel moyen classique, tel qu'un réservoir cryogénique ou un réfrigérateur. Bien qu'on ait représenté un échangeur de chaleur 26 et que ce dernier présente des avantages particuliers, son utilisation n'est pas nécessaire pour amener des gaz à un état approprié dans la région contenant le gaz du réservoir à oxygène liquide 24. De même, les gaz soutirés du réservoir 24 d'oxygène liquide peuvent être réchauffés à une température permettant de les respirer à l'aide d'un mécanisme approprié à l'installation ou utilisé séparément.



   Aucun agencement de mélange des gaz ni de soupapes de commande n'a besoin d'être utilisé pour injecter ou proportionner l'oxygène et aucun équipement de détection n'est nécessaire pour mesurer directement la pression d'oxygène ou le pourcentage d'oxygène à utiliser. La température de l'oxygène liquide dans le récipient 24 est maintenue dans une gamme choisie, par exemple entre 770 K et 900 K environ, ce qui détermine une pression partielle de l'oxygène gazeux prédéterminée dans le volume contenant le gaz qui est en communication avec l'oxygène liquide. La pression partielle de l'oxygène dépend uniquement des conditions d'équilibre à la surface de séparation entre l'oxygène gazeux et l'oxygène liquide. Les conditions d'équilibre sont obtenues lorsque la vapeur d'oxygène est à un niveau de saturation, tandis que le mélange gazeux est en équilibre thermodynamique avec le liquide.



   L'équilibre de l'oxygène à la saturation est représenté dans les courbes de phases, de la pression en fonction de la température pour l'oxygène et l'azote sur la fig. 2.



  Ces relations d'équilibre entre des pressions partielles de phases multiples et des températures ne sont pas influencées d'une manière sensible par les pressions partielles d'autres éléments gazeux, ni par le niveau de pression absolue des gaz mélangés. Par suite, lorsque la température de l'oxygène liquide est maintenue entre des limites choisies, la pression partielle de l'oxygène est également réglée, de telle sorte que la teneur en oxygène du mélange respiratoire est directement en rapport avec les besoins de l'utilisateur, et non en rapport avec les caractéristiques du mélange gazeux respiratoire lui-même. En effet, les besoins physiologiques sont satisfaits par le gaz naissant provenant de l'oxygène liquide 25.

  A nouveau, il faut noter d'une façon explicite que, bien qu'on puisse obtenir un réglage de température supérieur en utilisant un réservoir cryogénique 28 entourant, en totalité, le critère de réglage est fourni par le maintien d'une gamme de températures réglées et choisies à la surface de séparation entre le gaz et le liquide, et non par le moyen à l'aide duquel cette gamme est obtenue. Par exemple, un réservoir d'oxygène liquide suffisamment grand maintenu dans un environnement calorifugé peut présenter une durée suffisante pour un grand nombre d'utilisations, même lorsqu'on n'utilise aucun dispositif de réglage pour maintenir la température de l'oxygène liquide dans la gamme choisie.



   Cependant, l'appareil représenté sur la fig. 1 présente des avantages particuliers et spécialement lorsqu'on l'utilise avec un équipement individuel et mobile. Un échangeur de chaleur 26 du type à contre-courant, fait passer les gaz contaminés arrivant depuis un côté d'entrée 30 à un côté de sortie 31 de l'échangeur de chaleur suivant une direction d'écoulement opposée à celle du mélange gazeux respiratoire qui passe de son entrée 33 à sa sortie 34. Par suite, les gaz expirés arrivant qui se   dé-    placent entre les points 30 et 31 sont amenés d'une température proche du niveau de température de la respiration à une température proche du niveau cryogénique, tandis que la température du mélange aspiré qui sort est élevée approximativement suivant la même gamme.



  La chute de température des gaz arrivant fait précipiter l'anhydride carbonique qui les contamine et qui peut par suite être éliminé dans un collecteur de   CO2    solide, 36, monté sur un conduit de dérivation 38 du conduit des gaz arrivant.



   Le réservoir cryogénique 28 est de préférence calorifugé et il contient de l'azote liquide ou tout autre cryogène ou mélange cryogénique approprié dont le point d'ébullition est comparable à celui de l'oxygène liquide, à condition que sa température critique, c'est-àdire la limite supérieure de la courbe d'équilibre vapeurpression du cryogène ne se trouve pas en dessous des températures de travail de l'oxygène liquide. Le réservoir cryogénique 28 peut également comporter une enceinte 42 concernant de l'hélium liquide, reliée par un conduit 44 au régulateur de pression réglable 20. L'emmagasinage de l'hélium liquide à basse température dans le récipient 42, de cette manière, forme un volume de gaz extrêmement important destiné à être utilisé dans le mélange respiratoire.

  D'autres gaz, tels que le néon ou l'argon peuvent, cependant, être utilisés pour régler la pression du mélange respiratoire.



   Le réservoir cryogénique 28 est maintenu dans la gamme de températures choisie voulue pour l'oxygène liquide. Dans ce but, une aspiration 46 des gaz dégagés par ébullition est reliée à un conduit traversant un réglage de pression 50 pour aller à un récepteur d'échappement 52. Bien que les gaz dégagés par ébullition puissent être utilisés pour effectuer un échange de chaleur, l'utilisation principale de cet agencement est de régler la température du cryogène en réglant la contrepression de sa vapeur, comme décrit plus en détail ci-après. Le réglage de pression 50 peut être constitué simplement par une soupape sollicitée mécaniquement, ou bien il peut utiliser d'autres dispositifs décrits ciaprès. 

  Le récepteur d'échappement 52 peut se présenter sous l'une quelconque d'une diversité de formes, et il est utilisé de manière à isoler l'environnement du réglage de pression 50 de l'azote en fournissant l'énergie nécessaire (en cas de besoin) pour faire échapper les gaz dégagés par ébullition dans l'environnement. Par exemple, une pompe peut être utilisée dans ce but.  



  Lorsque cela est possible, cependant un réservoir de vide ou un dispositif d'utilisation séparé peut être utilisé comme récepteur.



   En résumé, par suite, les fonctions vitales d'un appareil d'entretien de la vie sont remplies à l'intérieur de cet appareil. Non seulement la pression partielle de l'oxygène est réglée, mais une compensation appropriée est effectuée pour les variations de pression dans un environnement à haute pression, lesquelles variations sont réfléchies à l'intérieur de l'appareil en circuit fermé.



  Les contaminants sont éliminés et un mélange respiratoire approprié est fourni d'une façon continue. Cet appareil assure une protection poussée contre toute défaillance catastrophique, du fait qu'il n'utilise aucun élément fonctionnel sensible dont le fonctionnement est d'importance   -critique    pour le fonctionnement de l'appareil. Le réglage de la pression partielle de l'oxygène a, en fait, une constante de temps de longue durée du fait que la température du réservoir cryogénique et celle de l'oxygène liquide ne peuvent se modifier brusquement.



  Par suite dans le cas où le réglage de température cesse d'agir. l'utilisateur dispose d'un temps suffisant pour observer et régler les conditions de l'appareil.



   Cet appareil en circuit fermé permet également d'utiliser d'une   facon    correspondante les relations de températures par l'intermédiaire des divers éléments de l'appareil. Ces relations peuvent, cependant être modifiées considérablement. Si on peut utiliser un réservoir cryogénique   28    suffisamment grand, l'échangeur de chaleur 26 peut présenter des dimensions relativement faibles ou un rendement relativement peu élevé, ou bien il peut en fait être complètement supprimé. Lorsque l'échangeur de chaleur 26 est d'un type extrêmement efficace, la durée utile d'une réserve donnée de cryogène est considérablement accrue et par suite on peut réduire le volume de cryogène.

  Par exemple, dans un appareil pratique, un échangeur de chaleur dont le rendement était environ de 98 % pour un taux de transmission de chaleur à contre-courant uniforme de 126 kcal/minute, mais de dimension relativement faible est utilisé en liaison avec un réservoir cryogénique compact 28 à l'intérieur duquel on maintient un récipient 24 contenant de l'oxygène liquide et un récipient 42 contenant de l'hélium gazeux. Cet appareil assure une durée de fonctionnement supérieure à cinq heures pour des pressions ambiantes supérieures à 35 bars avec un emmagasinage de fluide d'un volume d'environ 14   dom3.    Non seulement l'ensemble est extrêmement efficace mais il peut être compact et léger.



   La possibilité d'utiliser de l'oxygène liquide dans cet appareil en circuit fermé apparaîtra encore d'après les considérations suivantes. La capacité thermique d'une mole d'hélium gazeux, en considérant l'hélium comme étant le gaz inerte, à pression constante est d'environ 5 calories par degré Kelvin. Le taux de respiration moyen pour un homme est d'environ 0,5 à 1,0 mole par minute à la pression atmosphérique en passant du repos à un travail modéré. Comme référence de comparaison, pour une pression ambiante d'environ 50 bars qui correspond à une profondeur de 486 mètres dans l'eau de mer, le taux de respiration pour un travail modéré passe à 50 moles par minute.

  Si les gaz expirés
 qui pénètrent dans l'appareil sont à une température
 nominale de 2850 Kelvin, et si la température de
 réglage cryogénique est de 850 K, alors un échangeur de chaleur d'un rendement de 97,5 % produit une dif   férence    de température d'environ   5O    C. sur la gamme de 2000 K, à peu près sur toute la longueur de l'échangeur de chaleur à contre-courant. Par suite,   5O    C de chaleur équivalente est transmise par échange thermique des gaz expirés au cryogène avant de pénétrer dans le récipient contenant l'oxygène liquide.

  La dissipation de chaleur correspondante à une pression de 50 bars est de 250 grammes-calories par minute par degré Kelvin de différence de température pour un volume respiratoire par minute comparable à 1,0 mole de gaz dans des conditions standard de 1,0 bar à   4O C.    Pour   5O C    de chute de température, jusqu'à la température du fluide cryogénique, la chaleur transmise est de 1250 calories par minute. Ceci est approximativement la chaleur de vaporisation de 1,0 mole d'azote liquide ou d'oxygène liquide aux températures utilisées. Par suite, le taux d'ébullition de ces fluides, utilisés comme cryogène dans un chemisage est d'environ 1 mole par minute à une profondeur dans l'océan de 486 mètres. Ceci correspond à un taux de consommation du fluide d'environ 2,0 litres par heure de durée.

  Le taux d'ébullition est d'environ 22,6 dm3 par minute.



   Le réglage automatique de la teneur en oxygène d'un gaz arrivant peut, il convient de le noter, être inversé quant à son sens ou quant à son application dans un appareil d'entretien de la vie, ou à la fois. Dans l'appareil généralisé représenté sur la fig. 1, il n'est pas envisagé d'inverser le sens d'écoulement par rapport à celui qui est représenté. En ce qui concerne la partie de l'appareil se rapportant au réglage de la pression partielle d'oxygène, il est parfaitement possible d'obtenir un fonctionnement inverse et différent. La fig. 1 représente de plus un agencement servant à obtenir un fonctionnement inverse d'un appareil d'entretien de la vie. En particulier.



  la partie de la fig. 1 qui se trouve à l'intérieur du rectangle en pointillés 43 qui est appelé simulateur et qui comprend les ensembles fonctionnels supplémentaires reliés à l'échangeur de chaleur 26 et au dispositif du réservoir cryogénique par les liaisons en pointillés, sert de simulateur ou de dispositif d'essai dont les caractéristiques correspondent à celles d'un utilisateur humain.



  Dans ce dispositif, la surface de séparation de n'importe quel système d'entretien de la vie classique (non représenté) est représenté sur la bordure gauche du rectangle en pointillé 43. L'appareil d'entretien de la vie qui subit l'essai fournit un mélange gazeux A dont la teneur en oxygène est réglée au dispositif d'essai et il reçoit un mélange gazeux B dont la teneur en oxygène est insuffisante. Par suite, on peut appeler l'appareil d'essai un simulateur d'être humain aussi bien qu'un simulateur ou un autre dispositif d'essai permettant de déterminer le fonctionnement des appareils d'entretien de la vie dans des conditions de pressions arbitraires.

 

   Dans cette variante de l'appareil de la fig. 1, l'eau qui se trouve dans le mélange gazeux arrivant peut être éliminée d'une manière commode par un condenseur 45 qui précède l'élimination finale de l'eau par le dispositif desséchant 18. Le collecteur 36 de   COo    est contourné comme on le voit par la liaison en pointillé à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 26 du fait que l'appareil en
 cours d'essai doit assurer l'élimination nécessaire de
   CO.    et des hydrocarbures toxiques. L'élimination de l'eau est cependant utilisée pour éviter de colmater les
 canalisations de l'échangeur de chaleur.



   La source de gaz inerte 42 n'est pas utilisée, ce composant étant à nouveau fourni par l'appareil subissant l'essai. Un débit sensiblement constant ou intermit  tent d'anhydride carbonique gazeux dans l'appareil peut être injecté dans le mélange gazeux sortant, à partir d'une source 47 par l'intermédiaire d'un régulateur 48.



  Finalement, une quantité de vapeur d'eau correspondant approximativement à la quantité qui existe dans un mélange expiré est ajoutée en faisant passer le gaz sortant à travers un évaporateur 51.



   Jusqu'à présent, pour essayer d'une façon appropriée un appareil d'entretien de la vie, il fallait soit une participation humaine, soit utiliser un dispositif d'essai complexe. Dans   l'un    et l'autre cas, on n'obtenait pas d'une manière satisfaisante une simulation appropriée d'une utilisation humaine dans des conditions de haute pression ou dans d'autres conditions de pression.



   Le dispositif d'essai représenté sur la fig. 1 peut être disposé dans un environnement d'essai à n'importe quelle pression voulue pour le fonctionnement d'un appareil d'entretien de la vie, tout en simulant de la manière voulue un être humain. Le réglage 50 de la contre-pression du cryogène est réglé de manière à maintenir la température de   l'oxygène    liquide à une valeur telle que le gaz sortant contient moins d'oxygène qu'un mélange d'oxygène pouvant   etre    respiré. L'appareil subissant l'essai doit par suite compenser ce manque en renvoyant le mélange gazeux au simulateur 43. De plus, la vapeur d'eau introduite par l'évaporateur 51 et le   COO    provenant de la source 47 sont éliminés pendant le fonctionnement, comme élément de l'essai.

  A mesure que l'appareil d'entretien de la vie purifie les gaz sortant provenant du simulateur et ajoute de l'oxygène, le simulateur 43 diminue la teneur en oxygène pour imposer une demande continue d'oxygène. La température de l'oxygène liquide est maintenue, pour de l'oxygène pur en dessous d'un niveau de température pour lequel la pression partielle de l'oxygène est inférieure à 0,2 bar par exemple. On peut faire fonctionner d'une manière périodique les deux appareils suivant des gammes variées de pressions et de températures et on réalise ainsi une simulation effective d'une demande humaine.



   Les fig. 3 et 4 représentent un exemple détaillé d'un second appareil. Il s'agit d'un appareil autonome qui, non seulement forme un agencement d'entretien de la vie en circuit fermé destiné à un individu, mais qui de plus rend disponible de la chaleur constituant un sous-produit, pour l'utiliser dans l'appareil.



   Dans l'agencement représenté sur les fig. 3 et 4, on utilise un dispositif cryogénique comprenant un récipient d'emmagasinage cylindrique 60 pour un cryogène approprié, ici de l'azote liquide. Le récipient d'emmagasinage 60 est pourvu d'un calorifugeage cryogénique, non représenté en détail, tel qu'une structure de double paroi comportant un espacement intermédiaire maintenu au vide. En variante, la paroi du récipient d'emmagasinage peut être constituée par un composite comprenant un calorifugeage cryogénique du type comportant des couches multiples d'une matière réfléchissant la chaleur (par exemple des feuilles minces d'aluminium) entre lesquelles sont entremêlées des nattes de verre ou d'autres nattes fibreuses.

  Un réservoir   62    d'oxygène liquide est disposé à l'intérieur du récipient d'emmagasinage principal 60, le réservoir étant d'une forme sphérique et n'étant rempli que partiellement en oxygène liquide 63, de sorte qu'un volume fermé est maintenu au-dessus de l'oxygène liquide 63 pour   contenir    des gaz. Une quantité d'oxygène liquide inférieure à la moitié remplit le récipient sphérique de telle sorte que l'orifice de sortie 64 des gaz qui atteint le centre de la sphère ne pénètre pas dans le liquide, pour n'importe quelle orientation.



  L'oxygène liquide peut être introduit par une soupape d'admission reliée au conduit allant à l'orifice 64. Une mèche 65 se présentant ici sous la forme générale d'une surface de révolution creuse est disposée à l'intérieur du réservoir 62 d'oxygène liquide, et s'étend dans l'oxygène liquide 63. La mèche 65 peut être constituée par   n importe    quelle toile métallique tissée ou n'importe quelle matière fibreuse, telle que de l'amiante, capable d'être mouillée par l'oxygène liquide de manière à augmentor considérablement la superficie de la surface à découvert. La région de la surface de séparation entre le gaz et le liquide est accrue pour assurer une saturation totale des gaz arrivant en vapeur d'oxygène et la possibilité d'atteindre rapidement un équilibre thermodyna   mique    à une température donnée, entre l'oxygène à l'état gazeux.



   Un réservoir d'hélium 67 est également disposé à l'intérieur du récipient d'emmagasinage 60 et un conduit de sortie 68 s'étend à l'intérieur du réservoir d'hélium 67 pour injecter le gaz inerte dans le système, comme décrit plus en détail ci-après.



   Un agencement avantageux d'un dispositif d'échangeur de chaleur 72 pour les gaz arrivant et pour les gaz sortant consiste à disposer les conduits pour les gaz   suivant    des positions relatives d'échanges de chaleur à l'intérieur d'un second récipient d'emmagasinage 70 monté ici au voisinage du récipient d'emmagasinage 60 du cryogène et parallèlement à celui-ci. En utilisant d'une manière avantageuse un échangeur de chaleur 72 constitué par des membranes formant des canaux parallèles multiples et disposés de manière à présenter une section droite de forme générale rectangulaire, comme décrit plus en détail sur les fig. 5 et 6 ci-après, on réalise un système d'échange de chaleur d'un volume minimal et de superficie de surface de transmission de chaleur effective élevée.

  Pour faciliter la manipulation de l'appareil d'entretien de la vie par un plongeur individuel, le second récipient d'emmagasinage 70 peut être monté côte à côte par rapport au récipient d'emmagasinage 60 du cryogène. L'échangeur de chaleur 72, peut, comme on le voit, comprendre un élément principal allongé disposé à une extrémité, séparé par un élément 73 formant un piège à CO2 et un filtre, d'un élément relativement plus court disposé à l'autre extrémité. L'élément principal d'échange de chaleur peut, pour des raisons de fabrication et de montage, être divisé en un groupe d'éléments standards plus courts montés en série.



  Il convient de se reporter aux vues détaillées des fig. 5 et 6 ainsi qu'à la description qui les accompagne pour mieux comprendre la disposition interne des éléments de l'échangeur de chaleur.

 

   D'une manière   générale,    cependant, les gaz expirés arrivant (indiqués par des flèches en traits pleins) pénètrent dans un collecteur d'extrémité 74 présentant un orifice d'admission dans des canaux choisis de l'échangeur de chaleur. Après avoir traversé l'échangeur de chaleur et s'être refroidis à une température appropriée, ces gaz sont collectés dans un collecteur d'extrémité de sortie 75. L'échangeur de chaleur 72 est agencé de telle sorte que les gaz épurés et compensés d'une façon appropriée, suivent des trajets d'écoulement à contre-courant (représentés par les flèches en pointillés dirigées vers le haut sur ces figures) opposés aux trajets d'écoulement des gaz contaminés qui passent dans les  canaux voisins mais nettement séparés.

  Un collecteur latéral d'entrée 77 introduit les gaz compensés provenant du réservoir 62 dans des canaux particuliers d'où ils sont extraits de l'échangeur de chaleur 72 par un collecteur latéral de sortie 78. Entre les extrémités de l'échangeur de chaleur 72 et suivant le filtre à   CO2    73, les gaz compensés sont envoyés à travers un conduit de dérivation 79.



   Le filtre à   CO    73 peut prendre l'une quelconque d'un certain nombre de formes, dont l'une quelconque comprend un moyen servant à éliminer les flocons de précipité de   COO    solide du courant gazeux se trouvant à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 72. Dans l'agencement représenté, les gaz arrivant sont refroidis et amenés à un niveau de température pour lequel l'anhydride carbonique gazeux commence à se précipiter et à cesser d'être dissous sous la forme d'un résidu solide, approximativement aux trois quarts de la longueur de l'échangeur de chaleur 72, dans un système pratique.

  Dans le filtre 73 pour le   CO2,    un orifice de sortie 80 partant de la longueur principale de l'échangeur de chaleur 72 est disposé un certain espacement et légèrement audessus d'un orifice d'entrée 82 pour la partie restante de l'échangeur de chaleur 72. L'orifice d'entrée 82 est recouvert par une fine toile métallique 83 servant à assurer la séparation du   CO    solidifié du courant gazeux aspiré dans le restant de l'appareil.



   On obtient des avantages importants de cette combinaison de filtre à   COO    73 et d'échangeur de chaleur 72.



  Comme décrit plus en détail ci-après, l'échangeur de chaleur 72 présente des canaux sensiblement linéaires ne comportant aucune transition importante. Ceci est le fait qu'une surface importante en section droite est disponible pour l'écoulement des gaz dans une direction donnée pendant la transmission de chaleur se traduit par un gradient de pression qui est faible et par une faible variation de vitesse le long de la longueur de l'écoulement. Le rendement élevé de l'échangeur de chaleur fait précipiter le   CO;    sur une longueur relativement courte, cette longueur étant inférieure à 10 cm dans le système pratique indiqué. La chambre à peu près complètement fermée formée par le filtre   COo    est complètement ouverte pour les particules de   COO    solides.

  Le long de cette longueur relativement faible de canal, les particules de   CO    ne subissent aucune force mécanique ou physique sensible, et une masse de particules non tassées est collectées à la partie inférieure, en observant la fig. 3, de la chambre réceptrice du filtre à   CO2    73.



  Le courant gazeux est dévié suivant un trajet courbe à travers la toile métallique 83 vers l'orifice d'entrée 82.



  La disposition superposée de l'orifice de sortie 80 et de l'orifice d'entrée 82 facilite la ségrégation des flocons de   CO    solides, mais du fait que cette matière ne tend pas à adhérer aux autres éléments, tels que la toile métallique 83, aucune contre-pression sensible n'est introduite dans l'appareil.



   Pour obtenir un meilleur calorifugeage, le second récipient d'emmagasinage 70 peut être scellé et son intérieur peut être maintenu au vide ou bien en variante il peut être rempli de mousse, ou d'une matière isolante cryogénique classique.



   Le trajet d'écoulement des gaz arrivant dans l'appareil part de l'embouchure 85 de l'appareil respiratoire et traverse le dispositif de conduits comprenant le sac d'expansion 86 (qui n'est représenté que d'une manière générale) pour passer par l'orifice d'entrée du dispositif d'élimination de l'eau, constitué ici par une chambre de dessèchement 88. Sur le conduit, à la partie de sortie de la chambre de dessèchement 88, est montée une soupape régulatrice 90 sensible à la pression d'un environnement à haute pression. La soupape régulatrice 90 débouche dans un conduit 92 relié au conduit de sortie 68 qui accède au réservoir d'hélium 67. Un régulateur 93 monté sur la canalisation d'hélium peut être utilisé pour appliquer une chute de pression voulue aux gaz provenant du réservoir à haute pression d'hélium 67.

  A volonté, la canalisation d'hélium peut passer par une position d'échange de chaleur avec un corps plus chaud de manière à être rapprochée d'un niveau de température permettant la respiration. La soupape régulatrice 90 comprend un bouton de purge servant à mettre sous pression l'appareil avec de l'hélium pour purger les canalisations et assurer un écoulement libre. On ajoute ainsi à l'appareil une disposition de sécurité spéciale par l'agencement en circuit fermé combiné avec l'injection d'un gaz inerte à haute pression. S'ils se produit un colmatage dans les canaux de l'échangeur de chaleur, ou au cas où du liquide s'introduit dans les conduits faisant partie de l'appareil, ceux-ci peuvent être re-ouverts pratiquement d'une façon instantanée pour les utiliser en injectant de l'hélium à haute pression.

  Ce balayage ou rinçage de l'appareil n'influence pas l'oxygène restant dans l'appareil lorsque la purge est achevée, du fait que la proportion appropriée d'oxygène est rétablie à peu près immédiatement.



   Pour simplifier les figures, on   n'a    pas représenté le harnais du plongeur faisant fonctionner l'ensemble, du fait que toute structure dorsale ou de harnais classique peut être utilisée. De même, les soupapes de commande unidirectionnelle n'ont pas été représentées sur les fig. 3 et 4.



   Les gaz arrivant s'écoulent du collecteur d'extrémité de sortie 75 de l'échangeur de chaleur 72 dans le récipient d'emmagasinage 60. A l'intérieur de ce dernier, le courant gazeux est encore refroidi en le faisant passer en effectuant un échange de chaleur avec le cryogène, dans des serpentins 95 enroulés à l'intérieur du récipient d'emmagasinage 60. Les serpentins 95 assurent un échange de chaleur isothermique entre le cryogène et le courant gazeux arrivant, et le refroidissement du courant gazeux qui en résulte suffit pour assurer que l'équilibre de chaleur à l'intérieur du réservoir 62 d'oxygène liquide n'est pas interrompu de façon sensible par les gaz arrivant. En d'autres termes, les gaz expirés ne tendent pas à réchauffer d'une façon excessive l'oxygène liquide.

 

   Pour assurer un débit continu, la canalisation de gaz qui contient les gaz arrivant est divisée en deux canalisations séparées formant les serpentins 95 dont chacune s'incurve en sens opposé et se termine à l'intérieur du réservoir 62 d'oxygène liquide par des orifices d'entrée opposés se faisant face 96, qui sont disposés au-dessus du niveau de l'oxygène liquide. Dans la position normale de fonctionnement de ce dispositif, l'attitude des réservoirs est, d'une façon générale, celle qui est représentée sur la fig. 3, c'est-à-dire qu'elle est quelque peu verticale. Lorsque les réservoirs occupent cette position, les orifices d'entrée 96 se trouvent au-dessus du niveau de l'oxygène liquide. Bien entendu, une attitude constante ne peut pas être maintenue dans toutes les conditions de fonctionnement.

  Par suite, l'utilisation de deux orifices 96 assure qu'en dépit de l'inclinaison dans un  sens ou dans l'autre, au moins   l'un    des éléments 96 reste ouvert aux courants gazeux arrivant. De plus, même lorsque l'orifice 96 restant peut être rempli momentanément, l'oxygène liquide qui se trouve à l'intérieur de celui-ci revient à la partie principale du réservoir 62 dès que l'attitude de l'appareil est redevenue approximativement normale.



   L'orifice de sortie 64 pour le gaz qui est disposé au centre, à l'intérieur de l'élément en forme de mèche 65 forme un moyen permettant de soutirer les gaz compensés du volume les contenant qui se trouve à l'intérieur du réservoir 62 d'oxygène liquide, quelle que soit l'orientation de ce dernier. On fait passer ces gaz hors du récipient d'emmagasinage 60 dans le collecteur latéral d'entrée 77 de l'échangeur de chaleur et on les renvoie par le système de conduits et le collecteur latéral de sortie 78 à l'embouchure 85.



   On a indiqué précédemment qu'un certain nombre de moyens, y compris une masse importante de cryogène peuvent être utilisés pour maintenir la pression partielle de l'oxygène dans une gamme choisie. L'agencement représenté sur les fig. 3 et 4 utilise le soutirage de gaz dégagés par ébullition du cryogène à un taux approprié, déterminé directement par la température régnant à l'intérieur du réservoir 62 d'oxygène liquide. L'agencement n'est décrit ici que d'une façon générale, du fait que d'autres détails concernant les relations d'échange de chaleur et le réglage de l'échappement sont décrits en détail en liaison avec les fig. 5 et 7, ci-après.



   Une canalisation 97 des gaz d'ébullition s'étend directement dans le récipient d'emmagasinage du cryogène et introduit les gaz dégagés par ébullition, par l'intermédiaire d'un collecteur d'alimentation, dans des trajets imbriqués et disposés en spirale à l'intérieur de l'échangeur de chaleur 72. Pendant le remplissage du récipient 60, le cryogène peut être introduit par l'intermédiaire de la canalisation 97 pour le gaz. Les gaz d'ébullition extraient de la chaleur de l'échangeur de chaleur 72 en traversant un système de collecteur et en allant à une soupape de commande d'échappement 100. Aucun agencement de soupape pour le liquide n'est nécessaire du fait que la pression des gaz d'ébullition dans la canalisation 97 est agencée de manière à bloquer tout écoulement de liquide à l'intérieur de la canalisation 97.

  Des canalisations ascendantes confluentes d'ébullition du cryogène, 98A, 98B, 98C et 98D, dont les extrémités sont ouvertes et qui s'étendent dans le volume d'emmagasinage du cryogène sont disposées à l'intérieur du récipient d'emmagasinage cryogénique d'une manière qui empêche le liquide de s'échapper sous l'action de la pesanteur. Les canalisations confluentes 98A-D sont réunies par un collecteur commun 99 à la canalisation d'ébullition 97, à l'intérieur du récipient d'emmagasinage   clyogénique.    Les trajets courbes suivis par les diverses canalisations ascendantes de gaz 98A-D sont conçues de manière à former un piège pour le liquide, pour pratiquement toute orientation de l'appareil bien qu'il y ait toujours au moins un trajet libre pour l'écoulement des gaz.

  Le collecteur ascendant commun 99 est disposé à l'intérieur du récipient contenant le cryogène de manière à permettre au fluide momentanément emprisonné dans les canalisations ascendantes, par suite de déplacements rapides, de s'évaporer dans les limites du récipient afin d'exercer toute l'influence de sa capacité de refroidissement correspondante. Chacune des canalisations ascendantes de gaz 98A-D se termine dans une région séparée distincte à l'intérieur du réservoir cryogénique 60. Chacune d'elles suit deux trajets rentrant, mutuellement perpendiculaires à l'intérieur du réservoir 60, les limites de chacun des trajets rentrant étant espacées d'une distance supérieure à la moitié de la dimension correspondante du réservoir 60.



   La soupape de commande d'échappement 100 est un régulateur qui fonctionne en réponse à une force mécanique de commande pour faire passer les gaz dans un dispositif récepteur 102. Un bouton de réglage 103 peut être réglé comme décrit plus en détail ci-après, pour choisir un niveau de fonctionnement approprié.



  La force mécanique de commande voulue servant à régler le taux des gaz d'ébullition passant dans le dispositif récepteur 102 est exercée par un agencement 104 de tube détecteur thermique décrit en détail en liaison avec la description de la fig. 7.   I1    suffit d'indiquer maintenant que le tube détecteur thermique 104 s'étend à l'intérieur du réservoir 62 d'oxygène liquide et qu'en réponse à la température qui règne à l'intérieur de celuici il produit une force mécanique agissant sur la soupape de commande d'échappement 100.

  Par suite, lorsque la température de la surface de séparation entre le gaz et le liquide dans le réservoir 62 d'oxygène liquide s'élève au-dessus d'une valeur prédéterminée, la pression dans le tube détecteur 104 fait ouvrir la soupape de commande d'échappement 100 de manière à faire passer les gaz d'ébullition du cryogène dans le dispositif récepteur 102. La pression du cryogène et par suite sa température sont réglées d'une manière correspondante, et la température de l'oxygène liquide est maintenue dans la gamme voulue.



   Un dispositif récepteur 102 à action positive est nécessaire pour n'extraire les gaz d'ébullition que lorsqu'on ne dispose pas d'un récepteur à basse pression.



  Dans les environnements à basse pression, les environnements eux-mêmes peuvent constituer par un récepteur de dimensions infinies. Dans des appareils fixes et dans d'autres appareils autonomes, on peut disposer d'un récepteur d'un type différent, tel qu'un récipient contenant du gaz ou du liquide dont le contenu principal est utilisé progressivement pour d'autres applications et qui forme ainsi en fait une enceinte à basse pression de volume croissant à mesure que l'appareil fonctionne ou dont les éléments principaux (solides, liquides ou gazeux) absorbent les gaz d'ébullition ou se combinent chimiquement avec eux pour former un résidu (solide ou liquide) résultant, à une pression qui est inférieure à la pression des gaz d'ébullition à l'entrée du dispositif récepteur 102.



   Le dispositif récepteur 102 du mécanisme, comme on le voit sur les fig. 3 et 4, cependant, est particulièrement utile pour des appareils à haute pression destinés à des plongeurs individuels. Les gaz qui s'échappent sont aspirés par un compresseur 105 entraîné à l'aide d'une pile 106. Un orifice de sortie monté sur le compresseur 105 injecte simplement les gaz dans l'environnement, bien qu'on puisse utiliser un réservoir collecteur séparé pour limiter la formation de bulles de gaz dans l'environnement. La chaleur produite à l'intérieur de la pile 106 et du compresseur 105 est également utilisée de façon utile dans l'appareil, cependant, du fait qu'on fait circuler un fluide réfrigérant suivant un trajet en circuit fermé (non représenté en détail pour simplifier la figure) à travers des conduits de transmission de chaleur 108 disposés dans le vêtement porté par le plongeur. 

  La plupart des dispositifs récepteurs sont d'une nature  exothermique et cèdent de la chaleur lorsqu'ils fonctionnent, et cette chaleur, comme on le voit, peut être utilisée au profit de l'utilisateur d'un appareil, soit un individu portant un vêtement, soit un groupe d'individus se trouvant à l'intérieur d'un appareil autonome.



   La présence de ces différents sous-ensembles, cependant, ne constitue qu'un exemple des nombreux aspects importants qui constituent les corollaires des aspects fondamentaux du réglage gazeux respiratoire.



  En dehors des réglages de la direction d'écoulement direct et sûr et d'un régulateur compensant les variatons de la pression ambiante, il convient d'observer qu'un mélange d'oxygène respirable est fourni sans aucun mécanisme remplissant des fonctions de détection, de calcul ou de régulation. Les gaz d'entrée sont amenés à une gamme de températures appropriée à l'échangeur de chaleur 72, ils sont purifiés par l'effet du sac d'expansion 86, d'un desséchant ou d'un condenseur et d'une chambre de congélation 88 et d'un filtre à anhydride carbonique 73.

  En entrant dans le volume contenant le gaz à l'intérieur du réservoir 62 d'oxygène liquide, les gaz se trouvent dans un environnement dont les caractéristiques, en fonction de la pression partielle d'oxygène, sont déterminées uniquement par les relations de saturation et d'équilibre thermodynamique entre l'oxygène liquide et le mélange gazeux comprenant de l'oxygène gazeux qui est en communication avec lui, comme décrit précédemment. Lorsque la température à l'intérieur du réservoir 62 d'oxygène liquide est maintenue automatiquement dans une gamme allant d'environ 0,2 bar à 1 bar, c'est-à-dire la gamme qui est nécessaire pour le mélange respiratoire.



   Du fait que la source de base de ravitaillement en oxygène se présente sous une forme liquide, on dispose d'une réserve importante d'oxygène pouvant être respiré, très supérieure aux quantités qui peuvent être manipulées et utilisées par la plupart des appareils respiratoires sous-marins autonomes actuels. De plus, le rendement de l'appareil est extrêmement élevé du fait de l'agencement en circuit fermé qui assure qu'il suffit seulement d'ajouter l'oxygène de réapprovisionnement pendant le fonctionnement de l'appareil.



   Le réservoir important de cryogène qui constitue le récipient d'emmagasinage 60 représente une source cryogénique stable. Une utilisation extrêmement efficace est effectuée de cette source stable, cependant, en utilisant un échangeur de chaleur efficace à contre-courant 72 pour limiter les gains de chaleur en abaissant la température du mélange expiré jusqu'au niveau cryogénique, tout en élevant la température du mélange
 réglé à un niveau lui permettant d'être respiré. De plus, l'échangeur de chaleur 72 sert à extraire le   CO    solidifié pendant le refroidissement des gaz arrivant, et présente un autre aspect avantageux de l'appareil.



   L'injection d'hélium pour compenser les différences de pression entre la pression du système et l'environnement à haute pression, ainsi que l'utilisation d'un réser
 voir à hélium 67 disposé à l'intérieur du cryogène, présentent des avantages supplémentaires. On peut maintenir un volume important d'hélium à la faible tempéra
 ture du cryogène. On dispose de cette façon d'une
 quantité égale à au moins plusieurs fois la quantité utile normale de gaz inerte. Bien que l'hélium constitue un pourcentage élevé du mélange gazeux aux pressions
 élevées, il n'est pas utilisé physiologiquement et, par suite, il en faut une quantité beaucoup moindre. Dans des appareils pratiques, le cycle de travail utile d'un plongeur est allongé d'une façon appréciable.

  Une période de fonctionnement de cinq heures peut être obtenue facilement sans utiliser un équipement dont la masse ou les dimensions sont importantes au point de limiter le travail produit par le plongeur.



   De plus, on utilise la chaleur produite pendant le fonctionnement du système récepteur 102 pour former une partie de la fourniture de chaleur nécessaire d'une manière inévitable dans des environnements sous-marins.



  La présence de quantités importantes d'hélium dans un mélange respiratoire augmente considérablement le taux suivant lequel la chaleur est perdue par un individu.



  Par suite, I'utilisation de la chaleur produite pour alimenter les conduits 108 disposés dans le vêtement du plongeur satisfait un besoin essentiel pour de tels environnements et augmente le rendement global de l'appareil.



   La gamme utile de pressions partielles pour l'oxygène, pour entretenir la vie humaine, a été indiquée comme étant comprise approximativement entre 0,2 et
 1,0 bar. Lorsque la totalité du milieu respiré est amenée en équilibre de tension de vapeur thermique avec   l'oxy-    gène liquide afin d'obtenir la pression partielle d'oxygène, il s'ensuit que la gamme de températures pour l'oxygène liquide pur, qui correspond aux niveaux sûrs d'oxygène cités suivant les données de la fig. 2, est d'environ   77o    K à   90O    K. La même gamme de réglage de température s'applique par suite au cryogène qui l'entoure.



  Si, d'autre part, I'oxygène liquide est dilué avec un autre fluide cryogénique, la tension de vapeur du premier est diluée d'une manière correspondante, tous les autres éléments restant égaux. En particulier, la pression partielle d'un gaz   en    équilibre thermique avec sa phase liquide, quelle que soit la pression ambiante de gaz étrangers en combinaison directe avec le liquide, est proportionnelle au produit de la pression partielle du gaz intéressé (obtenu à partir du liquide pur) et de la concentration molaire fractionnelle de la substance en question à l'état liquide.

  Par suite, par exemple, tandis que la pression partielle de l'oxygène gazeux en équilibre avec de l'oxygène liquide pur à   900 K    est de 0,98 bar, la pression partielle pour une concentration molaire de 50   o/o    d'oxygène liquide (dilué, par exemple avec de l'azote liquide 50   O/o    molaire) à la même température de   90O K    est réduite de moitié, à 0,49 bar. Aussi longtemps que la dilution reste fixée, les pressions partielles respectives des composants liquides sont invariables.



   Ce principe physique peut s'appliquer d'une manière avantageuse à un appareil réglé d'une façon cryogénique.



  Par suite, l'oxygène liquide peut être dilué avec un autre fluide cryogénique à condition que la tension de vapeur du fluide diluant qui en résulte soit admissible pour la respiration humaine. La température de fonctionnement des fluides cryogéniques est ensuite élevée collectivement depuis celle qui serait utilisée avec de l'oxygène liquide pur, afin   d'atteindre    le même niveau de pression partielle d'oxygène dans le milieu respiratoire. Si on utilise
 une dilution, il faut tenir compte de la dilution progressive d'oxygène liquide à mesure que ce dernier est extrait sélectivement de la solution par évaporation. Si on laissait cette extraction se poursuivre, le niveau de la pression partielle d'oxygène serait modifié même si la température était maintenue constante. 

  Les effets de la dilution peuvent être supprimés en utilisant une réserve plus importante de liquide, de telle sorte que le  taux de consommation de l'oxygène, en comparaison de la durée de la période d'utilisation, ne suffise pas pour modifier le niveau de la pression partielle d'oxygène au-delà de limites tolérables. De plus, des réglages peuvent être effectués périodiquement à mesure que de l'oxygène liquide est consommé, pour élever la température du fonctionnement et compenser la diminution du niveau d'oxygène. L'avantage principal présenté par la dilution de l'oxygène liquide, si on ne l'utilise que pour des périodes de durée raccourcies, réside dans la température de fonctionnement plus élevée du cryogène environnant qui permet à ce dernier une pression de fonctionnement correspondante plus élevée.

  Das le cas où la pression du cryogène est supérieure à celle de l'environnement ambiant, on peut utiliser l'appareil dans un environnement à pression positive sans qu'il soit nécessaire de prévoir un compresseur d'échappement ou tout autre type de dispositif récepteur, à l'exception de l'environnement lui-même.



   Les fig. 5 et 6 représentent la disposition générale et les détails particuliers d'un système échangeur de chaleur d'un rendement élevé, qui est extrêmement compact et qui n'utilise que des éléments qui peuvent être fabriqués facilement et facilement monté. L'échangeur de chaleur est du type à contre-courant et il résout le problème des collecteurs, c'est-à-dire de diriger les gaz dans des canaux séparés sans une masse complexe de liaisons.



   Comme on le voit en particulier sur la fig. 6, qui est une vue considérablement agrandie d'un segment de l'échangeur de chaleur dans laquelle les dimensions relatives ne sont pas à l'échelle afin de représenter plus clairement les éléments, les éléments de base de l'échangeur de chaleur sont constitués par des membranes minces ondulées 110, dont les ondulations s'étendent parallèlement et dans le sens de la longueur de la membrane. On peut utiliser un nombre d'ondulations de l'ordre de 20 par centimètre dans le présent système, et la dimension entre crête et vallée peut être d'envirion 0,75 mm avec une membrane de l'épaisseur de l'ordre de 0,05 mm.

  La membrane 110 elle-même est de préférence en une matière plastique thermodurcissable de   l'un    des types que   l'on    utilise d'une façon commode pour une mise en forme thermique, telle que la matière vendue sous le nom commercial de   Lexan  . On peut obtenir la configuration ondulée en mettant en forme la matière plastique entre des matrices, après l'avoir amenée à une température supérieure à sa température d'écoulement plastique. L'ondulation ou l'écart répété de la membrane 110 par rapport à son plan médian pour former des canaux destinés aux gaz n'a pas besoin de suivre la forme sinusoïdale qui est associée d'une façon générale au terme d'  ondulation  . Au contraire, la membrane 110 peut s'en écarter et présenter des gorges ou des crêtes et des vallées, suivant n'importe quelle manière périodique ou même apériodique.



   En ce qui concerne cet élément de base de l'échangeur de chaleur, on fait passer un gaz chaud qui doit être refroidi sur un côté de la membrane 110, et un gaz froid qui doit être chauffé sur l'autre côté de la membrane 110, en sens opposé. La chaleur est alors transmise à travers l'épaisseur de la membrane. Bien qu'on sache faire passer des gaz s'écoulant en sens opposé sur les côtés différents d'un séparateur diposé entre eux, pour des systèmes liquides et d'autres systèmes, l'appareil décrit est spécial à un certain nombre de points de vue. Les canaux formés par les gorges sont petits, et la membrane 110 est un médiocre conducteur de la chaleur, mais est très mince. L'énergie thermique peut, par suite, être transmise facilement entre les gaz se trouvant dans les canaux voisins à travers l'épaisseur de la membrane.

  Un avantage est dû à l'utilisation de la membrane ondulée du fait de la surface de séparation périodique entre les gaz s'écoulant en sens inverses à la place des ailettes conductrices de la chaleur qui caractérisent les modèles antérieurs. L'efficacité de la transmission de chaleur et l'importance de la transmission de chaleur par unité de volume sont par suite considérablement accrues. En fait, la limitation principale d'échange d'énergie calorifique n'est pas due aux faibles effets isolants présentés par la membrane, mais à la transmission d'énergie calorifique à   l'intérieur    du gaz lui-même. En même temps, cependant, la conductivité thermique relativement faible de la membrane 110 assure que la chaleur n'est pas transmise suivant sa longueur parallèlement à la direction d'écoulement des gaz.

  A la différence des dispositifs d'échange de chaleur antérieurs, par suite, les extrémités opposées chaudes et froides ne sont pas reliées entre elles par un milieu extrêmement conducteur constitué par l'élément d'échange de chaleur lui-même et agissant à la façon d'une source froide tendant à rester à une température médiane sur toute sa longueur et, par suite, à réduire le rendement de l'échangeur de chaleur. Du fait des caractéristiques d'isolement de la matière de l'échangeur de chaleur, il est possible d'utiliser un rapport important de la surface en section droite à la longueur sans diminution importante du rendement. L'impédance pneumatique du système des canaux est faible, ne produit qu'une faible différence de pression et permet de respirer beaucoup plus facilement.



   Pour séparer les gaz, et pour servir de collecteurs, les crêtes et les vallées se trouvant sur les côtés opposés de la membrane 110 sont fixées respectivement à une couche mince intermédiaire 112 et à une entretoise 114 relativement plus épaisse.



   Comme on peut le voir sur les deux fig. 5 et 6, les couches intermédiaires sont disposées entre deux membranes 110 et s'étendent sur toute la longueur de la structure d'échange de chaleur. Cependant, les entretoises 114 sont discontinues le long de l'échangeur de chaleur, et les entretoises 114 et les volumes ouverts intermédiaires sont utilisés pour diverses raisons.



   Il est commode, à titre d'illustration et de description, de considérer la structure stratifiée comme comprenant deux membranes 110 disposées entre deux entretoises 114 plus épaisses comme élément d'échangeur de chaleur. Cet élément est alors limité par les entretoises plus épaisses 114 et il comprend une paire de membranes 110 voisines et de même longueur entre lesquelles est interposée la couche mince intermédiaire 112 sur toute la longueur de l'échangeur de chaleur. Les couches 112 et les entretoises 114 peuvent, comme les membranes 110, être en une matière plastique appropriée. En considérant la couche mince 112 comme étant le centre de la structure, les canaux intérieurs voisins dont les côtés sont limités par la couche 112 et par les deux membranes voisines 110 forment des trajets d'écoulement allant d'une extrémité de l'échangeur de chaleur à son autre extrémité. 

  Ce qui peut être appelé les canaux extérieurs, à l'intérieur de l'élément, sont constitués par les canaux formés entre les côtés opposés  des membranes 110 et les entretoises extérieures 114.



  Un premier gaz ou un premier mélange gazeux passant dans un premier sens le long de l'échangeur de chaleur à l'intérieur des canaux intérieurs est, par suite, complètement séparé d'un second gaz ou second mélange qui passe le long des canaux extérieurs. S'il se produit une fuite due à un collage insuffisant entre la membrane et la couche intermédiaire   112, il    n'y a ni différence de température importante entre les gaz ni mélange de gaz différents. Les volumes ouverts qui se trouvent entre les entretoises séparées plus épaisses 114 permettent d'accéder à tous les canaux extérieurs d'un élément depuis un côté de l'échangeur de chaleur.

  Ces volumes ouverts extérieurs communiquent avec les canaux extérieurs disposés à la partie inférieure (en observant la fig. 5) de l'élément supérieur, et avec le côté supérieur de l'élément d'échangeur de chaleur se trouvant immédiatement en dessous. Tous ces volumes ouverts communiquent avec des collecteurs latéraux communs disposés dans deux ou plusieurs régions le long de l'échangeur de chaleur. La séparation nécessaire entre les mélanges gazeux est assurée par des surfaces d'étanchéité 120 qui ferment les canaux aux extrémités du système, et par des membranes d'étanchéité 121 qui ferment les canaux intérieurs dans la région des collecteurs latéraux.



   Comme on peut le voir sur les deux fig. 5 et 6, par suite, les gaz qui se trouvent dans les canaux intérieurs se déplaçant dans un premier sens (de la droite vers la gauche sur les fig. 5 et 6) passent d'un collecteur d'extrémité 116 vers le collecteur opposé 118. Le second mélange gazeux qui passe en s'écoulant en sens opposé est introduit depuis un collecteur latéral 122 à travers l'échangeur de chaleur et va au collecteur latéral opposé 124.



   Le schéma extrêmement simplifié et idéal de la fig. 5 représente par suite une structure complète d'échangeur de chaleur 72, constituée par des couches successives d'éléments d'échange de chaleur de base jusqu'à ce qu'on ait obtenu les surfaces en section droite voulues pour faire écouler les deux mélanges gazeux. On se rend compte qu'en continuant à superposer des couches d'éléments supplémentaires, on ne modifie en aucune manière et on ne complique pas plus l'agencement des collecteurs, et qu'on peut utiliser plusieurs centaines d'éléments. Dans un exemple pratique, un échangeur de chaleur présentant des dimensions extérieures approximatives de 15 cm sur 15 cm sur 60 cm, présente la capacité de transmission de chaleur nécessaire pour un appareil d'entretien de la vie individuel.

  Cet appareil fonctionne entre la gamme de température permettant la respiration et, approximativement, la gamme cryogénique en transmettant environ 126 kcal par minute avec un rendement réel d'environ   980/0    et avec un volume total de l'échangeur de chaleur de l'ordre de   14 dm3.    Les canaux pour le gaz sont linéaires et, comme indiqué, on dispose d'une surface Importante en section droite pour l'écoulement des gaz, ainsi que d'une surface extrêmement importante de transmission de chaleur. Par suite, il n'existe qu'une faible différence de pression à l'intérieur de l'appareil. Cet agencement est, de plus, caractérisé par le fait que des éléments d'échange de chaleur normalisés peuvent être assemblés suivant une longueur et des surfaces en section droite choisies.

  Pour obtenir une capacité ou un rendement supérieur, ces éléments peuvent être reliés simplement en série ou en parallèle à l'aide de liaisons appropriées disposées entre les collecteurs d'échange de chaleur.



   La structure de l'échangeur de chaleur est également agencée de manière à remplir une fonction de transmission de chaleur supplémentaire, par extraction de chaleur des gaz principaux passant à contre-courant, avec un rendement élevé. On se rend compte qu'une chute ou une élévation de température peut être augmentée simplement en introduisant une source de température élevée ou basse disponible et en la mettant en contact intime avec les éléments de transmission de chaleur, du fait des volumes intérieurs non limités qui existent entre les éléments et les collecteurs. En dehors de ce procédé évident, cependant, il est souhaitable, dans le présent exemple, d'assurer une extraction de chaleur des mélanges gazeux s'écoulant à contre-courant sans faire sensiblement obstacle à l'écoulement des gaz et en utilisant une surface d'échange de chaleur importante.

  Dans ce but, on fait passer des gaz à des basses températures provenant d'un collecteur d'ébullition 125 à travers un conduit sinueux 126 interposé entre les jeux se faisant face des canaux extérieurs des éléments d'échangeur de chaleur voisins, et entre les collecteurs latéraux 122, 124. Les gaz qui se trouvent dans les canaux extérieurs sont maintenus séparés par des couches intérieures minces 127. On effectue ainsi un échange de chaleur tertiaire en utilisant les gaz d'ébullition comme source froide, qui agit d'une manière importante sur les deux courants gazeux s'écoulant à contre-courant, par l'intermédiaire de ce gaz qui s'écoule suivant le second sens à l'intérieur de chaleur, entre les collecteurs latéraux 122, 124.



   Du fait que le réservoir cryogénique qui contient le volume gaz-liquide séparés par une surface de séparation n'est pas intéressé lui-même par le milieu respiratoire, la pression partielle qui y existe, du fait de la température qui règne également, est la pression totale régnant dans le récipient cryogénique. Du fait des relations isomorphes fondamentales qui existent entre la température et une pression partielle d'un fluide quelconque en équilibre avec sa vapeur dans un volume fermé, il est possible de régler la température du fluide cryogénique en réglant mécaniquement la contre-pression, qui règne dans le récipient cryogénique.

  La pression partielle de la vapeur d'oxygène est obscurcie, au sens mécanique, par la présence d'un milieu respiratoire de support constitué par des gaz inertes, suivant des proportions appropriées, ce qui évite par suite, tout réglage mécanique direct de la pression d'oxygène. Cette dernière est, cependant réglée d'une manière indirecte par son équilibre avec son liquide correspondant dont la température est identique à celle du fluide cryogénique et peut être réglée en réglant celle de ce dernier.

 

   La fig. 7 représente un agencement approprié d'un récepteur pour les gaz d'ébullition et d'un dispositif de réglage servant à maintenir la pression partielle d'oxygène constante ou dans une gamme choisie, dans l'appareil des fig. 3 et 4. Des parties du dispositif peuvent être classiques et, de ce fait, elles ont été représentées d'une manière synoptique. D'autres parties sont représentées sur les fig. 3 et 4 et, de ce fait, elles ont été supprimées ici.



   La force de mécanique de commande servant à régler le taux d'échappement des gaz d'ébullition vers le dispositif récepteur 102 est produite par la pression d'un gaz se trouvant à l'intérieur d'un tube détecteur thermique 130. Le tube détecteur thermique 130 présente une extrémité scellée 131 qui est disposée à l'intérieur  de l'oxygène liquide 63 du réservoir 62, une pression de gaz suffisante (par exemple de l'azote) existant initialement à l'intérieur du tube scellé pour assurer qu'une partie du gaz intérieur est liquéfiée à l'intérieur de la longueur en forme de serpentin 131 du tube qui est plongé dans le bain d'oxygène liquide. La longueur immergée reçoit d'une façon appropriée la forme d'un serpentin ou une autre forme pour rester en contact avec l'oxygène liquide 63 pour toutes les orientations.



  Le tube s'étend à l'extérieur du réservoir 62 d'oxygène liquide en communication avec une soupape de commande d'échappement 100. La pression du gaz à l'intérieur du tube est en communication avec un diaphragme 134 qui porte contre un pistion 136 pouvant coulisser axialement et comportant un évent radial 138 qui se déplace lorsque le piston 136 coulisse. L'évent radial 138 ouvre et ferme un conduit d'échappement 139 du compresseur 105. Un ressort 140 s'oppose normalement à l'ouverture de l'évent radial 138, avec une force qui dépend du réglage d'un bouton de commande réglable 103.



   Le tube détecteur thermique 130 produit une force mécanique qui est déterminée à peu près complètement uniquement par la température de l'oxygène liquide.



  L'extrémité scellée 131 du tube maintenu à l'intérieur du bain d'oxygène liquide assure que l'azote liquéfié se trouvant à l'intérieur du tube scellé prend la température de l'oxygène liquide. Par suite, la pression partielle de l'azote dans le volume fermé qui constitue le restant du tube représente la pression totale du gaz à l'intérieur du tube et dépend directement de l'équilibre thermodynamique entre le gaz et le liquide dans la région de la surface de séparation. Des variations relativement faibles du niveau absolu de la température de l'oxygène liquide représentent cependant des variations de pression relativement importantes, et la pression régnant à l'intérieur du tube couvre par suite une gamme dynamique étendue, et produit des forces de commande précises et sensiblement linéaires faisant fonctionner le diaphragme 134.

  Du fait qu'on peut supposer qu'il existe une communication à peu près parfaite des pressions à l'intérieur du gaz enfermé, et du fait que cette pression est commandée par les conditions d'équilibre à la liquéfaction à une extrémité, la force voulue peut être transmise par un tube allongé, et le tube peut passer à travers des zones dont les températures varient considérablement, telles que le réservoir cryogénique, et l'environnement à pression positive associé. Non seulement le dispositif de réglage de température en circuit fermé est extrêmement simple et est exempt de tout composant ou ensemble fonctionnel sujet à des défaillances, mais encore il effectue la détection et la transduction nécessaires de la température avec une force mécanique amplifiée pour une dépense très faible.



   Sur la fig. 8, on a représenté une forme différente de l'appareil d'entretien de la vie en circuit fermé, cette forme pouvant s'appliquer particulièrement à des environnements fermés d'entretien de la vie dans des conditions spatiales ou superatmosphériques. Une structure 150 d'entretien de la vie peut comprendre un ou plusieurs vêtements sous pression individuels ou bien un volume fermé. Dans   l'un    et l'autre cas, la structure 150 d'entretien de la vie fait partie d'un appareil en circuit fermé servant à satisfaire les besoins physiologiques en oxygène. Une réserve d'oxygène liquide est maintenue dans un réservoir fermé et calorifugé 152 qui forme un volume fermé à l'intérieur duquel l'oxygène gazeux est maintenu à la saturation et en équilibre thermodynamique avec l'oxygène liquide.

  On fait circuler les gaz à travers la structure 150 par un système d'entrée et de sortie comprenant une extrémité de sortie 153 et une extrémité d'entrée 154, l'extrémité d'entrée communiquant avec le volume fermé se trouvant à l'intérieur du réservoir 152 contenant l'oxygène liquide.



   Cet appareil utilise d'une manière avantageuse ce qui peut être considéré comme une source froide d'une capacité infinie formée par un environnement extérieur superatmosphérique ou spatial et ne nécessite pas de système récepteur ni de cryogène ni à d'autres moyens pour régler la température du mélange gazeux. A sa place, une pompe 156 fait circuler le gaz à travers un dispositif épurateur 157 et à travers le restant de l'appareil. Un détecteur 158, qui peut être du type à tube détecteur ou présenter une forme différente de détecteur sensible à la température, fait fonctionner une soupape de dérivation réglable 159 pour faire circuler les gaz à travers l'appareil, de manière à conserver une gamme choisie de pressions partielles d'oxygène.

  Le trajet de circulation à partir de la pompe 156 comprend un réfrigérateur cryogénique 161 fonctionnant en liaison avec un échangeur de chaleur à contre-courant 160 et un circuit de dérivation qui, tous les deux, sont reliés au réservoir 152 d'oxygène liquide. Pour les applications spatiales, une longueur supplémentaire de conduit et des ailettes présentant une superficie suffisante de surface d'échange de chaleur avec l'environnement suffisent comme source froide, si on les isole de toute énergie rayonnante, du fait que l'environnement se trouve approximativement à une température de 40 K et que, par suite, il représente un facteur de capacité thermique négative infiniment grand. Autrement, on peut utiliser un réfrigérateur cryogénique à commande mécanique classique.

  L'échangeur de chaleur 160 reçoit les gaz provenant du volume fermé se trouvant à l'intérieur du réservoir 152 pour effectuer une transmission de chaleur avec les gaz arrivant.



   Lorsque la structure 150 qui contient le système d'entretien de la vie fonctionne sans demande physiologique importante d'oxygène, la seule variation de température de l'oxygène liquide se trouvant dans le réservoir 152 est due aux pertes de chaleur ou à l'aspiration provenant de l'environnement. Lorsque l'oxygène qui se trouve dans la structure 150 est perdu par fuite et par utilisation physiologique, sans tenir compte des variations du taux de débit de circulation, cependant, la soupape 159 est commandée pour contourner le réfrigérateur   oryogénique    161 dans la mesure où la température de l'oxygène liquide est maintenue dans la gamme choisie.

 

   Le dispositif d'épuration pour les gaz contaminés peut être incorporé d'une façon commode au réfrigérateur cryogénique 159 ou à l'échangeur de chaleur 160, la vapeur d'eau et l'anhydride carbonique collecté étant éjectés dans l'environnement. L'utilisation d'un dispositif de contournement ne constitue qu'un procédé qui peut être utilisé. Une réfrigération variable peut également être réalisée en utilisant des taux de débit variables ou en faisant varier le rendement du réfrigérateur cryogénique, par exemple en faisant varier la longueur d'écoulement à l'intérieur d'un ensemble de conduits.



  En variante, le courant peut être divisé d'une manière réglée entre des circuits de chauffage et de refroidissement.  



   Il est courant d'utiliser une réserve contenant   100 oxo    d'oxygène à une pression de l'ordre de 0,35 bar. La nature inflammable de l'oxygène pur, cependant, indique la nécessité d'un élément inerte pour l'extinction du mélange gazeux. Le gaz inerte peut être fourni par une source 162 par l'intermédiaire d'un régulateur de pression 164 débouchant dans la structure 150. Par suite, avec une pression partielle d'oxygène d'environ 0,35 bar, une pression totale de 0,50 bar, (ou toute autre valeur choisie) peut être obtenue en injectant le gaz supplémentaire nécessaire par l'intermédiaire du régulateur de pression 164. Dans un tel appareil, le gaz extincteur doit être tel qu'il ne se liquéfie pas dans la gamme de pressions partielles utilisée. L'azote et l'hélium donnent satisfaction pour l'exemple donné.



   Il convient également de se rendre compte que la pression partielle du gaz inerte peut elle-même être réglée directement, en réglant la pression d'oxygène à l'aide d'un régulateur de pression, pour former l'inverse de l'appareil représenté sur la fig. 8.



   Le réglage de la pression partielle d'oxygène peut de plus être utilisé dans un appareil à circuit ouvert, même si un tel appareil est dispensieux, pour une réserve de mélange gazeux respiratoire. De plus, les rendements accrus qu'on obtient en utilisant des mécanismes échangeurs de chaleur soit peuvent être obtenus d'une autre façon soit n'ont pas besoin d'être utilisés dans l'appareil.



      REVENDICATION I   
 Procédé pour éliminer le gaz carbonique d'un mélange gazeux, caractérisé en ce qu'on fait couler le mélange gazeux le long d'un trajet sensiblement linéaire avec un faible gradient de pression, on extrait de la chaleur du mélange gazeux pour établir un gradient de température net s'étendant jusqu'à un niveau de température inférieur au point de précipitation du gaz carbonique et on recueille passivement le gaz carbonique précipité pratiquement directement après sa précipitation.



   SOUS-REVENDICATION
 1. Procédé selon la revendication I, pour éliminer le gaz carbonique d'un mélange de gaz pouvant être respiré, caractérisé en ce qu'on refroidit le mélange gazeux à une température inférieure à la température de précipitation du gaz carbonique tout en maintenant un faible gradient de pression pendant le refroidissement, et on recueille le gaz carbonique précipité sous la forme d'une masse de particules non tassées.



   REVENDICATION   II   
 Appareil pour la mise en   ceuvre    du procédé selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il comprend une première source de gaz dans une gamme de températures inférieures à la température de précipitation du gaz carbonique, une seconde source de gaz contenant du gaz carbonique et dans une gamme de températures supérieures à la température de précipitation du gaz carbonique, un échangeur de chaleur relié à la première et à la seconde source de gaz en faisant passer ces gaz en position d'échange de chaleur, l'échangeur de chaleur assurant un écoulement sensiblement linéaire des gaz avec de faibles gradients de pression et présentant une longueur et une surface suffisantes pour refroidir les gaz provenant de la seconde source à une température inférieure à la température de précipitation du gaz carbonique, 

   et un dispositif recueillant le gaz carbonique formant un volume fermé, ouvert aux gaz provenant de la seconde source passant le long de l'échangeur à proximité de la région de celui-ci où le gaz carbonique se précipite.



   SOUS-REVENDICATION
 2. Appareil selon la revendication   II,    caractérisé en ce que l'échangeur est divisé en deux sections et en ce que le dispositif de captage est disposé entre ces sections, et comprend un conduit de sortie et un conduit d'entrée disposés à l'intérieur d'une chambre fermée, les conduits d'entrée et de sortie étant disposés de manière à se recouvrir, une toile recouvrant en outre le conduit de sortie.

**ATTENTION** fin du champ DESC peut contenir debut de CLMS **.



   



  
 



  Process for removing carbon dioxide from a mixture
 gas and apparatus for its implementation
 The present invention relates to a process for removing carbon dioxide from a gas mixture and an apparatus for its implementation. A number of considerations considerably complicate the problems presented by sustaining life in hostile environments, such as those encountered under positive pressure conditions. Regardless of the pressure at which a diver works, he must have the appropriate quantity of oxygen and this quantity, depending on the partial pressure of oxygen, is between approximately 0.2 and 1 bar.

  Consequently, to work at great depths (60-120 meters), divers must breathe a mixture in which oxygen constitutes a very small percentage (for example from 5% to 2% respectively) of the complete mixture. Unless you stay at a given depth or constantly make adjustments, changes in the oxygen percentage should be done automatically since either too much oxygen or too little oxygen can be fatal within a short period of time. time by oxygen poisoning or anoxia, respectively. It is also extremely important to maintain accurate ratios to reduce the risk of any non-fatal damage and to reduce the time required for decompression.



   The term positive pressure is intended herein to refer to a high pressure environment or an environment in which the pressure is greater than that of a normal environment for a human.



  If the pressure is high enough, it is inherently hostile to human life, as is a low pressure environment if its pressure is low enough. Taking the range of normal atmospheric pressure as a reference, the low pressure environment can also be called a negative pressure environment. Even an isobar environment can be hostile to human existence and may require a life support device if one encounters extreme temperatures or excessive pollutants.



   The appropriate breathing mixture for positive pressure environments is not comparable to that for normal atmospheres. Of course, the exhaled carbon dioxide must be removed from the circuit if the gas is to be recirculated. If the system is in a fully closed circuit or in a semi-closed circuit, it is further desirable that there is no substantial change in the respiratory pressure required as the CO2 increases. accumulates, as it does when there is back pressure. The narcotic effects of inert gases under pressure must be suppressed or eliminated. For example, if there is nitrogen in the breathing mixture, it should be limited to a partial pressure which does not exceed approximately 3.5 bar.

  For these and other reasons, breathing mixtures for performing underwater work mainly use helium or any other stabilizing inert gas or a mixture of inert gases and oxygen, in combination.



   Other critical requirements that are placed on life support devices are due to the need to maintain given oxygen and carrier gas reserves as long as possible, and to safety factors which, inherently, are necessary for such devices. Safety factors are, in general, the object of great attention today because modern devices use pressure sensitive mechanical valves whose failure, catastrophic or intermittent, is inadmissible.



   As such devices have been used more widely, factors other than safety factors have also become increasingly important.



  For example, when breathing a mixture with a high helium content, the heat loss from the body is extremely large. Consequently, means must be provided for heating the devices or the underwater stations to maintain reasonable working or living conditions. The heat expenditure is generally unrelated to the other functions performed within a life support apparatus, but if it could be effectively combined with the life support function, the entire installation would not only be more compact and less expensive, but the available energy sources would be used more efficiently.



   Apparatus of this nature must perform a variety of different functions, including purification by removal of gases contaminated with water vapor, toxic hydrocarbons, and carbon dioxide, the use of transmission arrangements. efficient heating, and performing the necessary adjustment operations to regulate temperatures and, where necessary, pressures. The present invention takes all these aspects into account, since although they constitute corollaries of the main problem of controlling the partial pressure of a selected gas in the gas mixture, they form the basis of the main objectives of the devices. maintenance of life and that, moreover, they present a large number of independent uses.

  A large number of these functional requirements are satisfied by apparatus according to the invention in a particularly advantageous and special manner, as indicated separately below.



   Other life support devices may relate to entirely different environments but, nevertheless, must provide a breathable mixture at an appropriate pressure range.



  In space and superatmospheric devices low pressure environments are found and it is often preferable to use pure oxygen at a chosen pressure lower than atmospheric pressure.



  Although pressure regulation is relatively simple, failures can still occur. Perhaps the greatest dangers are produced by the inflammability of a respiratory medium consisting of pure oxygen, and these risks can be considerably reduced by mixing with pure oxygen even a small proportion of an inert gas. In existing devices, the extraction of contaminants from pure oxygen maintained at a given pressure poses relatively simple control problems. When, however,
The oxygen must be diluted in a given proportion with a suitable inert gas, significant additional equipment must be used with current techniques.

  The elements of the gas mixture must be determined in relation to the total pressure prevailing in the apparatus and the necessary corrections must be carried out by appropriate combinations of injections of pure gaseous constituents and withdrawals of the gas mixture.



   The process according to the invention is characterized in that the gas mixture is made to flow along a substantially linear path with a low pressure gradient, heat is extracted from the gas mixture to establish a net temperature gradient s' extending to a temperature level below the precipitation point of carbon dioxide, and the precipitated carbon dioxide is passively collected almost directly after its precipitation.



   The appended drawing represents, by way of example, several embodiments of the apparatus for implementing the method according to the invention.



   Fig. 1 is a schematic view of a first embodiment.



   Fig. 2 is a graph relating to FIG. 1.



   Fig. 3 is a perspective view, with cutaway, of a second embodiment.



   Fig. 4 is a section corresponding to FIG. 3.



   Fig. 5 is a simplified and ideal view of a heat exchanger system for use in the system of FIGS. 3 and 4.



   Fig. 6 is a perspective view partially cut away and considerably enlarged of a detail of a part of the heat exchanger of FIG. 5.



   Fig. 7 is a combined block diagram with partial cut away and in perspective of a temperature control system, intended for use in the system of FIGS. 3 and 4, and
 Fig. 8 is a block diagram showing a different form of life support system according to the invention and suitable for use in negative pressure environments.



   The diagram in fig. 1 shows a complete device in an ideal form as well as a basic variant which fulfills an additional function. It goes without saying, however, that the various aspects of the apparatus can be applied to a large number of different needs, in different ways. Depending on the requirements of the device and the particular environments, however, only certain aspects should be used.

  For a given life support device, the most appropriate combination will depend on factors such as whether the device is intended for single use or multiple use, whether it is to be a fixed or mobile device, whether it is to be used in a positive pressure environment or in a negative pressure environment, and whether the user is to be isolated from or exposed to the environment directly.



   The closed circuit device of FIG. 1 comprises an inlet and outlet device 10, such as a diver's mouthpiece for a movable individual assembly or suitable couplings with a volume containing a breathable gas in a scuba diving apparatus, which volume is part of the closed circuit device. In most positive pressure devices, the gases in the volume are at a pressure of a few bars or more. The gas flow path in the apparatus is determined by a set of one-way valves 12, 13, 14 which circulate the gases in the proper direction in the apparatus.

 

  An expansion bag 16 is shown mounted on the flow path for incoming contaminated gases and for leaving purified gases. As a result, an individual breathes into the expansion bag 16 and draws gases through the apparatus through the expansion bag 16 so that the bag 16 facilitates the work of breathing by compensating for variations in the volume of the lungs. . The bag 16 also serves as a compensating collector for a part of the water vapor in the gases.



   An additional quantity of water vapor which is in the incoming gases is removed in a conventional chamber 18 for removing water, such as for example a desiccant assembly. Compensation for variations in ambient pressure is accomplished by injecting pressurized helium gas through an adjustable pressure regulator 20 of any suitable type commercially available.



  The pressure regulator 20 includes a control device 22 of the control valve, called a purge button, which can be operated by hand to fully open the helium line and momentarily pressurize the apparatus. The incoming gases are sent from the water removal chamber 18 into a closed liquid oxygen chamber 24 having a volume containing gas which is separated from the liquid oxygen 25, but which is in communication with the latter. . The gases are extracted from the volume containing the gas and are returned through the one-way valve 14 to the inlet and outlet mechanism 10.

  The incoming gases, freed of their water vapor, can be freed of carbon dioxide by any conventional means, and their appropriate temperature using any conventional means, such as a cryogenic tank. or a refrigerator. Although a heat exchanger 26 has been shown and the latter has particular advantages, its use is not necessary to bring gases to a suitable state in the region containing the gas of the liquid oxygen tank 24. Likewise , the gases withdrawn from the liquid oxygen tank 24 can be reheated to a temperature allowing them to be breathed using a mechanism suitable for the installation or used separately.



   No gas mixing arrangement or control valves need to be used to inject or proportion the oxygen, and no detection equipment is needed to directly measure the oxygen pressure or the oxygen percentage. use. The temperature of the liquid oxygen in the container 24 is maintained within a selected range, for example between approximately 770 K and 900 K, which determines a predetermined partial pressure of the gaseous oxygen in the volume containing the gas which is in communication. with liquid oxygen. The partial pressure of oxygen depends only on the equilibrium conditions at the separation surface between gaseous oxygen and liquid oxygen. Equilibrium conditions are obtained when the oxygen vapor is at a saturation level, while the gas mixture is in thermodynamic equilibrium with the liquid.



   The oxygen equilibrium at saturation is shown in the phase curves of pressure as a function of temperature for oxygen and nitrogen in fig. 2.



  These equilibrium relationships between multiphase partial pressures and temperatures are not significantly influenced by the partial pressures of other gaseous elements, nor by the absolute pressure level of the mixed gases. As a result, when the temperature of liquid oxygen is kept within selected limits, the partial pressure of oxygen is also regulated, so that the oxygen content of the breathing mixture is directly related to the needs of the oxygen. user, and not in relation to the characteristics of the respiratory gas mixture itself. Indeed, the physiological needs are satisfied by the nascent gas coming from liquid oxygen 25.

  Again, it should be explicitly noted that, although a higher temperature control can be achieved by using a surrounding cryogenic tank 28, in its entirety, the control criterion is provided by maintaining a temperature range. set and selected at the separation surface between gas and liquid, and not by the means by which this range is obtained. For example, a sufficiently large liquid oxygen tank maintained in a heat-insulated environment may have sufficient life for a large number of uses, even when no control device is used to maintain the temperature of the liquid oxygen in it. the chosen range.



   However, the apparatus shown in FIG. 1 has particular advantages and especially when used with personal and mobile equipment. A counter-current type heat exchanger 26 passes the contaminated gases arriving from an inlet side 30 to an outlet side 31 of the heat exchanger in a direction of flow opposite to that of the breathing gas mixture. which passes from its inlet 33 to its outlet 34. As a result, the exhaled gases arriving which move between points 30 and 31 are brought from a temperature close to the temperature level of respiration to a temperature close to the cryogenic level , while the temperature of the aspirated mixture which exits is raised in approximately the same range.



  The drop in temperature of the incoming gases causes carbon dioxide to precipitate which contaminates them and which can consequently be eliminated in a solid CO2 collector, 36, mounted on a bypass duct 38 of the incoming gas duct.



   The cryogenic tank 28 is preferably thermally insulated and it contains liquid nitrogen or any other suitable cryogen or cryogenic mixture whose boiling point is comparable to that of liquid oxygen, provided that its critical temperature is ie the upper limit of the vapor-pressure equilibrium curve of the cryogen is not below the working temperatures of liquid oxygen. The cryogenic tank 28 may also include an enclosure 42 relating to liquid helium, connected by a conduit 44 to the adjustable pressure regulator 20. The storage of liquid helium at low temperature in the container 42, in this way, forms an extremely large volume of gas intended for use in the breathing mixture.

  Other gases, such as neon or argon, can, however, be used to regulate the pressure of the breathing mixture.



   The cryogenic tank 28 is maintained in the desired temperature range chosen for the liquid oxygen. For this purpose, a suction 46 of the gases released by boiling is connected to a conduit passing through a pressure control 50 to an exhaust receiver 52. Although the gases released by boiling can be used to effect heat exchange, the main use of this arrangement is to adjust the temperature of the cryogen by adjusting the back pressure of its vapor, as described in more detail below. The pressure control 50 can be simply a mechanically biased valve, or it can use other devices described below.

  The exhaust receiver 52 can be in any of a variety of forms, and is used to isolate the environment of the pressure setting 50 from nitrogen by providing the necessary energy (in case of necessary) to release gases given off by boiling into the environment. For example, a pump can be used for this purpose.



  Where possible, however, a vacuum reservoir or a separate operating device can be used as a receiver.



   In summary, therefore, the vital functions of a life support apparatus are fulfilled within this apparatus. Not only is the partial pressure of oxygen set, but proper compensation is made for pressure variations in a high pressure environment, which variations are reflected inside the closed circuit apparatus.



  Contaminants are removed and an appropriate breathing mixture is provided on an ongoing basis. This device provides extensive protection against catastrophic failure, as it does not use any sensitive functional element whose operation is critical to the operation of the device. The adjustment of the partial pressure of the oxygen has, in fact, a long-lasting time constant because the temperature of the cryogenic tank and that of the liquid oxygen cannot change suddenly.



  Therefore in the event that the temperature control ceases to act. the user has sufficient time to observe and adjust the conditions of the device.



   This closed-circuit device also allows the temperature relationships to be used in a corresponding way through the various elements of the device. These relationships can, however, be changed considerably. If a sufficiently large cryogenic tank 28 can be used, the heat exchanger 26 may have relatively small dimensions or relatively low efficiency, or it may in fact be omitted altogether. When the heat exchanger 26 is of a highly efficient type, the useful life of a given supply of cryogen is greatly increased and hence the volume of cryogen can be reduced.

  For example, in a practical apparatus, a heat exchanger with an efficiency of about 98% for a uniform countercurrent heat transfer rate of 126 kcal / minute, but of relatively small size is used in conjunction with a tank. compact cryogenic 28 inside which is maintained a container 24 containing liquid oxygen and a container 42 containing helium gas. This device provides an operating time greater than five hours for ambient pressures greater than 35 bars with a fluid storage volume of approximately 14 dom3. Not only is the assembly extremely efficient, it can be compact and light.



   The possibility of using liquid oxygen in this closed circuit apparatus will appear further from the following considerations. The heat capacity of one mole of gaseous helium, considering helium as the inert gas, at constant pressure is approximately 5 calories per degree Kelvin. The average respiration rate for a man is about 0.5 to 1.0 moles per minute at atmospheric pressure when changing from rest to moderate work. As a benchmark for comparison, for an ambient pressure of about 50 bars which corresponds to a depth of 486 meters in seawater, the respiration rate for moderate work increases to 50 moles per minute.

  If the gases exhaled
 that enter the device are at a temperature
 nominal value of 2850 Kelvin, and if the temperature of
 cryogenic setting is 850 K, so a heat exchanger with an efficiency of 97.5% produces a temperature dif ference of about 5O C. over the 2000 K range, roughly over the entire length of the counter-current heat exchanger. Consequently, 5O C of equivalent heat is transmitted by heat exchange of the gases exhaled to the cryogen before entering the container containing the liquid oxygen.

  The corresponding heat dissipation at a pressure of 50 bar is 250 gram-calories per minute per degree Kelvin of temperature difference for a respiratory volume per minute comparable to 1.0 mole of gas under standard conditions of 1.0 bar at 4O C. For 5O C of temperature drop, up to the temperature of the cryogenic fluid, the heat transmitted is 1250 calories per minute. This is approximately the heat of vaporization of 1.0 moles of liquid nitrogen or liquid oxygen at the temperatures used. As a result, the boiling rate of these fluids, used as a cryogen in a liner, is about 1 mole per minute at an ocean depth of 486 meters. This corresponds to a fluid consumption rate of about 2.0 liters per hour of duration.

  The boiling rate is approximately 22.6 dm3 per minute.



   The automatic adjustment of the oxygen content of an incoming gas can, it should be noted, be reversed as to its meaning or its application in a life-sustaining apparatus, or both. In the generalized apparatus shown in FIG. 1, it is not intended to reverse the direction of flow with respect to that shown. As regards the part of the apparatus relating to the adjustment of the partial pressure of oxygen, it is perfectly possible to obtain a reverse and different operation. Fig. 1 further shows an arrangement for achieving reverse operation of a life support apparatus. In particular.



  the part of FIG. 1 which is inside the dotted rectangle 43 which is called the simulator and which includes the additional functional assemblies connected to the heat exchanger 26 and to the cryogenic tank device by the dotted connections, serves as a simulator or device test whose characteristics correspond to those of a human user.



  In this device, the partition surface of any conventional life support system (not shown) is shown on the left border of the dotted rectangle 43. The life support apparatus which undergoes the The test supplies a gas mixture A, the oxygen content of which is set in the test device, and it receives a gas mixture B, the oxygen content of which is insufficient. Hence, the test apparatus may be called a human simulator as well as a simulator or other test device for determining the operation of life-sustaining apparatus under conditions of arbitrary pressures. .

 

   In this variant of the apparatus of FIG. 1, the water which is in the incoming gas mixture can be removed conveniently by a condenser 45 which precedes the final removal of the water by the desiccant 18. The COo collector 36 is bypassed as on. can be seen by the dotted connection inside the heat exchanger 26 because the device in
 trial course must ensure the necessary removal of
   CO. and toxic hydrocarbons. However, water removal is used to avoid clogging the
 heat exchanger piping.



   The inert gas source 42 is not used, this component again being supplied by the apparatus under test. A substantially constant or intermittent flow rate of carbon dioxide gas through the apparatus can be injected into the outgoing gas mixture, from a source 47 via a regulator 48.



  Finally, an amount of water vapor corresponding approximately to the amount that exists in an exhaled mixture is added by passing the exiting gas through an evaporator 51.



   Heretofore, to properly test a life support device has required either human participation or the use of a complex testing device. In either case, a suitable simulation of human use under high pressure or other pressure conditions was not obtained satisfactorily.



   The test device shown in fig. 1 can be disposed in a test environment at any pressure desired for the operation of a life support apparatus, while as desired simulating a human being. The cryogen back pressure setting 50 is set so as to maintain the temperature of the liquid oxygen at a value such that the exiting gas contains less oxygen than a breathable mixture of oxygen. The apparatus undergoing the test must therefore compensate for this lack by returning the gas mixture to the simulator 43. In addition, the water vapor introduced by the evaporator 51 and the COO coming from the source 47 are eliminated during operation, as part of the essay.

  As the life support apparatus purifies the gases exiting from the simulator and adds oxygen, the simulator 43 decreases the oxygen content to impose a continuous demand for oxygen. The temperature of the liquid oxygen is maintained, for pure oxygen below a temperature level for which the partial pressure of the oxygen is less than 0.2 bar, for example. The two devices can be operated periodically according to various ranges of pressures and temperatures and thus realizes an effective simulation of human demand.



   Figs. 3 and 4 show a detailed example of a second apparatus. It is a self-contained device which not only forms a closed circuit life support arrangement for an individual, but also makes heat available as a by-product for use in the device.



   In the arrangement shown in Figs. 3 and 4, a cryogenic device is used comprising a cylindrical storage vessel 60 for a suitable cryogen, here liquid nitrogen. The storage vessel 60 is provided with cryogenic insulation, not shown in detail, such as a double-wall structure having an intermediate spacing maintained in a vacuum. Alternatively, the wall of the storage vessel may be made of a composite comprising cryogenic insulation of the type comprising multiple layers of a heat reflecting material (eg thin foils of aluminum) between which are interwoven mats of heat. glass or other fibrous mats.

  A reservoir 62 of liquid oxygen is disposed within the main storage vessel 60, the reservoir being spherical in shape and only partially filled with liquid oxygen 63, so that a closed volume is maintained. above liquid oxygen 63 to contain gases. A quantity of liquid oxygen of less than half fills the spherical vessel so that the gas outlet 64 which reaches the center of the sphere does not enter the liquid, for any orientation.



  The liquid oxygen can be introduced by an inlet valve connected to the conduit going to the orifice 64. A wick 65 here in the general form of a hollow surface of revolution is placed inside the reservoir 62 d. liquid oxygen, and extends into liquid oxygen 63. Wick 65 may be any woven wire mesh or any fibrous material, such as asbestos, capable of being wetted by the wick. liquid oxygen so as to considerably increase the surface area exposed. The region of the separation surface between the gas and the liquid is increased to ensure a total saturation of the gases arriving in oxygen vapor and the possibility of rapidly reaching a thermodynamic equilibrium at a given temperature, between oxygen at l. gaseous state.



   A helium tank 67 is also disposed inside the storage vessel 60 and an outlet duct 68 extends inside the helium tank 67 to inject the inert gas into the system, as described further. in detail below.



   An advantageous arrangement of a heat exchanger device 72 for the incoming gases and for the outgoing gases consists in arranging the conduits for the gases in relative heat exchange positions inside a second heating vessel. storage 70 mounted here in the vicinity of the storage vessel 60 of the cryogen and parallel thereto. Advantageously using a heat exchanger 72 constituted by membranes forming multiple parallel channels and arranged so as to have a cross section of generally rectangular shape, as described in more detail in FIGS. 5 and 6 below, a heat exchange system of a minimum volume and a high effective heat transmission surface area is provided.

  To facilitate handling of the life-support apparatus by an individual diver, the second storage vessel 70 may be mounted side by side with respect to the cryogen storage vessel 60. The heat exchanger 72, as can be seen, may comprise an elongated main element disposed at one end, separated by an element 73 forming a CO2 trap and a filter, from a relatively shorter element disposed at the other. end. The main heat exchange element can, for reasons of manufacture and assembly, be divided into a group of shorter standard elements connected in series.



  Reference should be made to the detailed views in fig. 5 and 6 as well as to the description which accompanies them in order to better understand the internal arrangement of the elements of the heat exchanger.

 

   Generally, however, the incoming exhaled gases (indicated by solid arrows) enter an end manifold 74 having an inlet port in selected channels of the heat exchanger. After passing through the heat exchanger and cooling to a suitable temperature, these gases are collected in an outlet end manifold 75. The heat exchanger 72 is arranged such that the purified and compensated gases d Suitably there follow countercurrent flow paths (shown by the dashed arrows pointing upward in these figures) opposite to the flow paths of the contaminated gases passing through neighboring but clearly separated channels.

  A side inlet manifold 77 introduces the compensated gases from the tank 62 into particular channels from where they are extracted from the heat exchanger 72 through a side outlet manifold 78. Between the ends of the heat exchanger 72 and following the CO2 filter 73, the compensated gases are sent through a bypass duct 79.



   The CO filter 73 can take any of a number of forms, any of which comprises means for removing solid COO precipitate flakes from the gas stream within the exchanger. 72. In the arrangement shown, the incoming gases are cooled and brought to a temperature level at which carbon dioxide gas begins to precipitate and cease to be dissolved as a solid residue, approximately. three-quarters of the length of the heat exchanger 72, in a convenient system.

  In the filter 73 for the CO2, an outlet 80 extending from the main length of the heat exchanger 72 is disposed some spacing and slightly above an inlet port 82 for the remaining part of the heat exchanger. heat 72. The inlet 82 is covered by a thin wire mesh 83 serving to ensure the separation of the solidified CO from the gas stream sucked into the remainder of the apparatus.



   Significant advantages are obtained from this combination of COO filter 73 and heat exchanger 72.



  As described in more detail below, the heat exchanger 72 has substantially linear channels having no significant transition. This is the fact that a large cross-sectional area is available for gas flow in a given direction during heat transfer results in a pressure gradient which is small and a small variation in speed along the path. length of flow. The high efficiency of the heat exchanger causes CO to precipitate; over a relatively short length, this length being less than 10 cm in the practical system indicated. The almost completely closed chamber formed by the COo filter is completely open for solid COO particles.

  Along this relatively short channel length, the CO particles do not experience any appreciable mechanical or physical force, and a mass of loose particles is collected at the bottom, observing Fig. 3, of the receiving chamber of the CO2 filter 73.



  The gas stream is diverted in a curved path through the wire mesh 83 to the inlet 82.



  The superimposed arrangement of the outlet 80 and the inlet 82 facilitates the segregation of the solid CO flakes, but because this material does not tend to adhere to other elements, such as the wire mesh 83, no appreciable back pressure is introduced into the device.



   To achieve better thermal insulation, the second storage container 70 may be sealed and its interior kept under vacuum or alternatively it may be filled with foam, or with a conventional cryogenic insulating material.



   The gas flow path to the apparatus begins at the mouth 85 of the breathing apparatus and passes through the conduit device including the expansion bag 86 (which is only shown generally) to pass through the inlet of the water removal device, here constituted by a drying chamber 88. On the duct, at the outlet part of the drying chamber 88, is mounted a sensitive regulating valve 90 to the pressure of a high pressure environment. Regulating valve 90 opens into a conduit 92 connected to the outlet conduit 68 which accesses the helium tank 67. A regulator 93 mounted on the helium line can be used to apply a desired pressure drop to the gases from the tank to. high pressure helium 67.

  At will, the helium pipe can pass through a heat exchange position with a warmer body so as to be brought closer to a temperature level allowing breathing. Regulating valve 90 includes a purge button to pressurize the apparatus with helium to purge the lines and provide free flow. A special safety arrangement is thus added to the apparatus by the closed-circuit arrangement combined with the injection of an inert gas at high pressure. If a clogging occurs in the channels of the heat exchanger, or in the event that liquid enters the ducts forming part of the device, these can be reopened almost instantly. to use them by injecting high pressure helium.

  This flushing or flushing of the apparatus does not influence the oxygen remaining in the apparatus when the purge is complete, since the proper proportion of oxygen is restored almost immediately.



   To simplify the figures, the harness of the diver operating the assembly has not been shown, because any back structure or conventional harness can be used. Likewise, the unidirectional control valves have not been shown in FIGS. 3 and 4.



   The incoming gases flow from the outlet end manifold 75 of the heat exchanger 72 into the storage vessel 60. Inside the latter, the gas stream is further cooled by passing it by performing a heat exchange with the cryogen, in coils 95 wound inside the storage vessel 60. The coils 95 provide isothermal heat exchange between the cryogen and the incoming gas stream, and the resulting gas stream cooling. sufficient to ensure that the heat balance within the liquid oxygen reservoir 62 is not significantly interrupted by the incoming gases. In other words, the exhaled gases do not tend to excessively heat the liquid oxygen.

 

   To ensure a continuous flow, the gas pipe which contains the incoming gases is divided into two separate pipes forming the coils 95, each of which curves in the opposite direction and ends inside the liquid oxygen tank 62 through orifices. opposing facing inlet 96, which are disposed above the level of liquid oxygen. In the normal operating position of this device, the attitude of the reservoirs is, in general, that which is shown in FIG. 3, that is, it is somewhat vertical. When the reservoirs are in this position, the inlet ports 96 are above the level of liquid oxygen. Of course, a constant attitude cannot be maintained under all operating conditions.

  Therefore, the use of two orifices 96 ensures that despite tilting in one direction or the other, at least one of the elements 96 remains open to incoming gas streams. In addition, even when the remaining port 96 can be filled momentarily, the liquid oxygen which is therein returns to the main part of the reservoir 62 as soon as the attitude of the apparatus has returned to approximately normal.



   The outlet 64 for the gas which is centrally located inside the wick-shaped element 65 forms a means for withdrawing the compensated gases from the volume containing them which is inside the reservoir. 62 liquid oxygen, regardless of the orientation of the latter. These gases are passed out of the storage vessel 60 into the side inlet manifold 77 of the heat exchanger and returned through the duct system and the side outlet manifold 78 to the mouth 85.



   It has been previously indicated that a number of means, including a large mass of cryogen, can be used to maintain the partial pressure of oxygen within a selected range. The arrangement shown in Figs. 3 and 4 uses the withdrawal of gases given off by boiling cryogen at an appropriate rate, determined directly by the temperature prevailing inside the reservoir 62 of liquid oxygen. The arrangement is described here only in general terms, as further details regarding the heat exchange relationships and the exhaust control are described in detail in connection with Figs. 5 and 7, below.



   A boiling gas line 97 extends directly into the cryogen storage vessel and introduces the gases given off by boiling, via a feed manifold, in interlocking paths and arranged in a spiral at the same time. The interior of the heat exchanger 72. During the filling of the vessel 60, the cryogen can be introduced through the line 97 for the gas. The boiling gases extract heat from the heat exchanger 72 by passing through a manifold system and going to an exhaust control valve 100. No valve arrangement for the liquid is necessary because the valve arrangement for the liquid is required. pressure of the boiling gases in the pipe 97 is arranged so as to block any flow of liquid inside the pipe 97.

  Confluent cryogen boiling risers, 98A, 98B, 98C and 98D, with open ends and extending into the cryogen storage volume are arranged inside the cryogenic storage vessel. a way that prevents liquid from escaping under the action of gravity. The confluent pipes 98A-D are joined by a common manifold 99 to the boiling pipe 97, inside the clyogenic storage vessel. The curved paths followed by the various 98A-D gas risers are designed to form a trap for the liquid, for virtually any orientation of the apparatus although there is always at least one free path for the flow. gases.

  The common riser manifold 99 is disposed inside the vessel containing the cryogen so as to allow the fluid momentarily trapped in the risers, due to rapid movements, to evaporate within the confines of the vessel in order to exert all the pressure. influence of its corresponding cooling capacity. Each of the gas risers 98A-D terminates in a distinct, separate region within the cryogenic tank 60. Each of them follows two paths re-entering, mutually perpendicular, inside the tank 60, the boundaries of each of the paths. re-entrant being spaced a distance greater than half of the corresponding dimension of the reservoir 60.



   The exhaust control valve 100 is a regulator which operates in response to an actuating mechanical force to pass gases through a receiving device 102. An adjustment knob 103 can be adjusted as described in more detail below, to choose an appropriate operating level.



  The desired mechanical control force for controlling the rate of boiling gases passing through receiving device 102 is exerted by a thermal detector tube arrangement 104 described in detail in connection with the description of FIG. 7. It suffices to indicate now that the thermal detector tube 104 extends inside the reservoir 62 of liquid oxygen and that in response to the temperature which prevails inside the latter it produces a mechanical force acting. on the exhaust control valve 100.

  As a result, when the temperature of the gas-liquid separation surface in the liquid oxygen tank 62 rises above a predetermined value, the pressure in the detector tube 104 opens the control valve. exhaust 100 so as to cause the boiling gases of the cryogen to pass into the receiving device 102. The pressure of the cryogen and therefore its temperature are adjusted in a corresponding manner, and the temperature of the liquid oxygen is maintained in the desired range.



   A positive acting receiver 102 is required to extract the boiling gases only when a low pressure receiver is not available.



  In low pressure environments, the environments themselves can constitute a receiver of infinite dimensions. In stationary devices and in other autonomous devices, it is possible to have a receiver of a different type, such as a container containing gas or liquid, the main content of which is gradually used for other applications and which thus in fact forms a low-pressure enclosure of increasing volume as the apparatus operates or whose main elements (solid, liquid or gas) absorb boiling gases or combine chemically with them to form a residue (solid or liquid), at a pressure which is lower than the pressure of the boiling gases at the inlet of the receiver device 102.



   The receiving device 102 of the mechanism, as seen in FIGS. 3 and 4, however, is particularly useful for high pressure devices intended for individual divers. The escaping gases are drawn in by a compressor 105 driven by a battery 106. An outlet port mounted on the compressor 105 simply injects the gases into the environment, although a collecting tank can be used. separated to limit the formation of gas bubbles in the environment. The heat generated within cell 106 and compressor 105 is also usefully used in the apparatus, however, since refrigerant fluid is circulated in a closed circuit path (not shown in detail for example. simplify the figure) through heat transmission conduits 108 arranged in the garment worn by the diver.

  Most receiving devices are exothermic in nature and give off heat when in operation, and this heat, as seen, can be used for the benefit of the user of a device, that is, an individual wearing a garment. , or a group of individuals within an autonomous device.



   The presence of these different subsets, however, is only one example of the many important aspects which are the corollaries of the fundamental aspects of respiratory gas control.



  Apart from direct and safe flow direction settings and a regulator compensating for variations in ambient pressure, it should be noted that a breathable oxygen mixture is supplied without any mechanism performing detection functions, calculation or regulation. The inlet gases are brought to a suitable temperature range at the heat exchanger 72, they are purified by the effect of the expansion bag 86, a desiccant or a condenser and a chamber. freezer 88 and a carbon dioxide filter 73.

  Entering the volume containing the gas inside the liquid oxygen tank 62, the gases are in an environment whose characteristics, depending on the partial pressure of oxygen, are determined only by the relationships of saturation and thermodynamic equilibrium between liquid oxygen and the gas mixture comprising gaseous oxygen which is in communication with it, as described above. When the temperature inside the liquid oxygen reservoir 62 is automatically maintained within a range of from about 0.2 bar to 1 bar, i.e. the range which is necessary for the breathing mixture.



   Because the basic source of oxygen supply is in liquid form, there is a large supply of breathable oxygen, far greater than the amounts that can be handled and used by most breathing apparatus. current autonomous sailors. In addition, the efficiency of the apparatus is extremely high due to the closed circuit arrangement which ensures that it is only necessary to add the replenishment oxygen during operation of the apparatus.



   The large reservoir of cryogen which constitutes the storage vessel 60 represents a stable cryogenic source. Extremely efficient use is made of this stable source, however, by using an efficient countercurrent heat exchanger 72 to limit heat gains by lowering the temperature of the exhaled mixture to the cryogenic level, while raising the temperature of the exhaled mixture. mixed
 set to a level that allows it to be breathed. In addition, the heat exchanger 72 serves to extract the solidified CO during the cooling of the incoming gases, and presents another advantageous aspect of the apparatus.



   The injection of helium to compensate for the pressure differences between the system pressure and the high pressure environment, as well as the use of a tank
 see helium 67 disposed inside the cryogen, have additional advantages. A large volume of helium can be maintained at low temperature.
 ture of cryogen. We have in this way a
 quantity equal to at least several times the normal useful quantity of inert gas. Although helium constitutes a high percentage of the gas mixture at pressures
 high, it is not used physiologically and therefore a much smaller amount is required. In practical devices, the useful work cycle of a diver is lengthened appreciably.

  A five-hour operating period can be easily obtained without using equipment of such large mass or dimensions as to limit the work produced by the diver.



   In addition, the heat generated during the operation of the receiver system 102 is used to form part of the heat supply inevitably needed in underwater environments.



  The presence of significant amounts of helium in a respiratory mixture greatly increases the rate at which heat is lost by an individual.



  Therefore, the use of the heat produced to power the conduits 108 disposed in the diver's garment satisfies an essential need for such environments and increases the overall efficiency of the apparatus.



   The useful range of partial pressures for oxygen, to support human life, has been reported to be approximately 0.2 to
 1.0 bar. When the whole of the breathed medium is brought into thermal vapor pressure equilibrium with the liquid oxygen to obtain the partial pressure of oxygen, it follows that the temperature range for pure liquid oxygen, which corresponds to the safe levels of oxygen quoted according to the data in fig. 2, is about 77o K to 90O K. The same range of temperature control therefore applies to the surrounding cryogen.



  If, on the other hand, the liquid oxygen is diluted with another cryogenic fluid, the vapor pressure of the first is diluted in a corresponding manner, all other elements remaining equal. In particular, the partial pressure of a gas in thermal equilibrium with its liquid phase, whatever the ambient pressure of foreign gases in direct combination with the liquid, is proportional to the product of the partial pressure of the gas concerned (obtained from the pure liquid) and the fractional molar concentration of the substance in question in the liquid state.

  Consequently, for example, while the partial pressure of gaseous oxygen in equilibrium with pure liquid oxygen at 900 K is 0.98 bar, the partial pressure for a molar concentration of 50 o / o of oxygen liquid (diluted, for example with 50 O / o molar liquid nitrogen) at the same temperature of 90O K is reduced by half, to 0.49 bar. As long as the dilution remains fixed, the respective partial pressures of the liquid components are invariable.



   This physical principle can be applied in an advantageous manner to an apparatus adjusted in a cryogenic manner.



  Therefore, the liquid oxygen can be diluted with another cryogenic fluid provided that the vapor pressure of the resulting diluent fluid is allowable for human respiration. The operating temperature of cryogenic fluids is then raised collectively from that which would be used with pure liquid oxygen, in order to achieve the same level of partial pressure of oxygen in the respiratory medium. If we use
 In dilution, account must be taken of the gradual dilution of liquid oxygen as the latter is selectively removed from solution by evaporation. If this extraction were allowed to continue, the level of the partial pressure of oxygen would be altered even if the temperature were kept constant.

  The effects of dilution can be suppressed by using a larger reserve of liquid, so that the rate of oxygen uptake, compared to the length of the period of use, is not sufficient to change the level of oxygen. the partial pressure of oxygen beyond tolerable limits. In addition, adjustments can be made periodically as liquid oxygen is consumed, to raise the operating temperature and compensate for the decrease in the oxygen level. The main advantage of diluting liquid oxygen, if it is only used for shortened periods of time, is the higher operating temperature of the surrounding cryogen which allows the latter a correspondingly higher operating pressure. high.

  If the pressure of the cryogen is higher than that of the ambient environment, the device can be used in a positive pressure environment without the need for an exhaust compressor or any other type of receiving device. , with the exception of the environment itself.



   Figs. 5 and 6 show the general layout and particular details of a high efficiency heat exchanger system which is extremely compact and uses only elements which can be easily manufactured and easily assembled. The heat exchanger is of the countercurrent type and it solves the problem of the manifolds, that is, to direct the gases in separate channels without a complex mass of links.



   As can be seen in particular in FIG. 6, which is a greatly enlarged view of a segment of the heat exchanger in which the relative dimensions are not to scale in order to more clearly represent the elements, the basic elements of the heat exchanger are made up by thin corrugated membranes 110, the corrugations of which extend parallel and in the direction of the length of the membrane. A number of corrugations on the order of 20 per centimeter can be used in the present system, and the dimension between ridge and valley can be about 0.75 mm with a membrane of the thickness of the order of 0 , 05 mm.

  The membrane 110 itself is preferably of a thermosetting plastic material of one of the types which are conveniently used for thermal shaping, such as the material sold under the tradename Lexan. The corrugated configuration can be obtained by shaping the plastic material between dies, after bringing it to a temperature above its plastic flow temperature. The corrugation or repeated deviation of membrane 110 from its midplane to form gas channels need not follow the sinusoidal shape which is generally associated with the term ripple. On the contrary, the membrane 110 can move away from it and present grooves or ridges and valleys, in any periodic or even aperiodic manner.



   With regard to this basic element of the heat exchanger, a hot gas which is to be cooled is passed on one side of the membrane 110, and a cold gas which is to be heated on the other side of the membrane 110. , in the opposite way. The heat is then transmitted through the thickness of the membrane. Although it is known to pass gases flowing in opposite directions on the different sides of a separator arranged between them, for liquid systems and other systems the apparatus described is special at a number of points. view. The channels formed by the grooves are small, and the membrane 110 is a poor conductor of heat, but is very thin. Thermal energy can therefore be easily transmitted between gases in neighboring channels through the thickness of the membrane.

  An advantage is due to the use of the corrugated membrane due to the periodic separation surface between the gases flowing in opposite directions instead of the heat-conducting fins which characterize the earlier models. The efficiency of heat transfer and the importance of heat transfer per unit volume are therefore considerably increased. In fact, the main limitation of heat energy exchange is not due to the weak insulating effects exhibited by the membrane, but to the transmission of heat energy inside the gas itself. At the same time, however, the relatively low thermal conductivity of membrane 110 ensures that heat is not transmitted along its length parallel to the direction of gas flow.

  Unlike previous heat exchange devices, therefore, the hot and cold opposing ends are not interconnected by a highly conductive medium consisting of the heat exchange element itself and acting as it is. a cold source tending to remain at a median temperature over its entire length and, consequently, to reduce the efficiency of the heat exchanger. Due to the insulation characteristics of the heat exchanger material, it is possible to use a large ratio of cross-sectional area to length without significant decrease in efficiency. The pneumatic impedance of the channel system is low, produces only a small pressure difference and makes breathing much easier.



   To separate the gases, and to serve as collectors, the ridges and valleys on opposite sides of the membrane 110 are attached to a thin intermediate layer 112 and a relatively thicker spacer 114, respectively.



   As can be seen in the two figs. 5 and 6, the intermediate layers are arranged between two membranes 110 and extend over the entire length of the heat exchange structure. However, the struts 114 are discontinuous along the heat exchanger, and the struts 114 and the intermediate open volumes are used for various reasons.



   It is convenient, by way of illustration and description, to regard the layered structure as comprising two membranes 110 disposed between two thicker struts 114 as a heat exchanger element. This element is then limited by the thicker spacers 114 and it comprises a pair of neighboring membranes 110 of the same length between which the intermediate thin layer 112 is interposed over the entire length of the heat exchanger. The layers 112 and the spacers 114 may, like the membranes 110, be of a suitable plastic material. Considering the thin layer 112 as being the center of the structure, the neighboring interior channels whose sides are limited by the layer 112 and by the two neighboring membranes 110 form flow paths going from one end of the heat exchanger. heat at its other end.

  What can be called the outer channels, inside the element, are formed by the channels formed between the opposite sides of the membranes 110 and the outer struts 114.



  A first gas or a first gas mixture passing in a first direction along the heat exchanger within the interior channels is, therefore, completely separated from a second gas or second mixture which passes along the exterior channels. . If a leak occurs due to insufficient bonding between the membrane and the intermediate layer 112, there is neither a significant temperature difference between the gases nor a mixture of different gases. The open volumes that lie between the thicker separate struts 114 provide access to all of the outer channels of an element from one side of the heat exchanger.

  These exterior open volumes communicate with the exterior channels disposed at the lower part (observing Fig. 5) of the upper element, and with the upper side of the heat exchanger element immediately below. All of these open volumes communicate with common side manifolds arranged in two or more regions along the heat exchanger. The necessary separation between the gas mixtures is provided by sealing surfaces 120 which close the channels at the ends of the system, and by sealing membranes 121 which close the interior channels in the region of the side manifolds.



   As can be seen in the two figs. 5 and 6, therefore, the gases which are in the inner channels moving in a first direction (from right to left in Figs. 5 and 6) pass from one end manifold 116 to the opposite manifold. 118. The second gas mixture which passes by flowing in the opposite direction is introduced from a side manifold 122 through the heat exchanger and goes to the opposite side manifold 124.



   The extremely simplified and ideal diagram of fig. 5 therefore shows a complete heat exchanger structure 72, consisting of successive layers of basic heat exchange elements until the desired cross-sectional areas have been obtained to flow the two mixtures. gaseous. We realize that by continuing to superimpose layers of additional elements, we do not modify in any way and we do not complicate the arrangement of the collectors, and that several hundred elements can be used. In a practical example, a heat exchanger having approximate exterior dimensions of 15 cm by 15 cm by 60 cm, exhibits the heat transfer capacity necessary for an individual life support apparatus.

  This apparatus operates between the temperature range allowing respiration and, approximately, the cryogenic range, transmitting approximately 126 kcal per minute with an actual efficiency of approximately 980/0 and with a total volume of the heat exchanger of the order of 14 dm3. The gas channels are linear and, as indicated, there is a large cross-sectional area for the gas flow, as well as an extremely large heat transfer area. As a result, there is only a small pressure difference inside the device. This arrangement is further characterized by the fact that standard heat exchange elements can be assembled along a chosen length and cross-sectional areas.

  To achieve higher capacity or efficiency, these elements can be simply connected in series or in parallel using suitable links arranged between the heat exchange collectors.



   The structure of the heat exchanger is also arranged to perform an additional heat transfer function, by extracting heat from the main gases flowing in counter-current, with high efficiency. It is realized that a drop or rise in temperature can be increased simply by introducing an available high or low temperature source and bringing it into intimate contact with the heat transmitting elements, due to the unrestricted interior volumes which exist between elements and collectors. Apart from this obvious method, however, it is desirable in the present example to provide heat extraction from countercurrent gas mixtures without substantially obstructing gas flow and using a surface. significant heat exchange.

  For this purpose, gases at low temperatures are passed from a boiling manifold 125 through a sinuous duct 126 interposed between the facing clearances of the outer channels of the neighboring heat exchanger elements, and between them. side manifolds 122, 124. The gases in the outer channels are kept separated by thin inner layers 127. Tertiary heat exchange is thus carried out using the boiling gases as a cold source, which acts in a manner important on the two gas streams flowing against the current, through the intermediary of this gas which flows in the second direction inside the heat, between the side collectors 122, 124.



   Due to the fact that the cryogenic reservoir which contains the gas-liquid volume separated by a separation surface is not itself interested in the respiratory medium, the partial pressure which exists there, due to the temperature which also prevails, is the total pressure prevailing in the cryogenic vessel. Due to the fundamental isomorphic relationships which exist between the temperature and a partial pressure of any fluid in equilibrium with its vapor in a closed volume, it is possible to regulate the temperature of the cryogenic fluid by mechanically adjusting the back pressure, which prevails in the cryogenic vessel.

  The partial pressure of the oxygen vapor is obscured, in the mechanical sense, by the presence of a respiratory support medium consisting of inert gases, in appropriate proportions, which consequently avoids any direct mechanical adjustment of the pressure. oxygen. The latter is, however, regulated in an indirect manner by its equilibrium with its corresponding liquid, the temperature of which is identical to that of the cryogenic fluid and can be regulated by adjusting that of the latter.

 

   Fig. 7 shows a suitable arrangement of a receiver for the boiling gases and of a control device for keeping the partial pressure of oxygen constant or within a selected range, in the apparatus of FIGS. 3 and 4. Parts of the device may be conventional and, therefore, they have been shown in a synoptic manner. Other parts are shown in Figs. 3 and 4 and, therefore, they have been deleted here.



   The control mechanical force for controlling the rate of escape of the boiling gases to the receiving device 102 is produced by the pressure of a gas within a thermal detector tube 130. The detector tube thermal 130 has a sealed end 131 which is disposed within the liquid oxygen 63 of the reservoir 62, sufficient gas pressure (e.g. nitrogen) initially existing inside the sealed tube to ensure that some of the interior gas is liquefied within the coil-shaped length 131 of the tube which is immersed in the bath of liquid oxygen. The submerged length is suitably shaped like a coil or other shape to stay in contact with liquid oxygen 63 for all orientations.



  The tube extends outside the liquid oxygen reservoir 62 in communication with an exhaust control valve 100. The gas pressure inside the tube is in communication with a diaphragm 134 which bears against a piston. 136 axially slidable and having a radial vent 138 which moves as piston 136 slides. The radial vent 138 opens and closes an exhaust duct 139 of the compressor 105. A spring 140 normally opposes the opening of the radial vent 138, with a force which depends on the setting of an adjustable control knob. 103.



   The thermal detector tube 130 produces a mechanical force which is determined almost completely only by the temperature of the liquid oxygen.



  The sealed end 131 of the tube held inside the liquid oxygen bath ensures that the liquefied nitrogen inside the sealed tube takes the temperature of the liquid oxygen. Therefore, the partial pressure of nitrogen in the closed volume which constitutes the remainder of the tube represents the total pressure of the gas inside the tube and depends directly on the thermodynamic equilibrium between gas and liquid in the region of the separation surface. Relatively small variations in the absolute level of liquid oxygen temperature, however, represent relatively large pressure variations, and the pressure within the tube therefore covers a wide dynamic range, and produces precise and control forces. substantially linear operating the diaphragm 134.

  Since it can be assumed that there is an almost perfect communication of the pressures within the enclosed gas, and because this pressure is controlled by the equilibrium conditions at liquefaction at one end, the force desired can be transmitted through an elongated tube, and the tube can pass through areas of widely varying temperatures, such as the cryogenic tank, and the associated positive pressure environment. Not only is the closed-circuit temperature controller extremely simple and free from any component or functional assembly subject to failure, it also performs the necessary temperature sensing and transduction with amplified mechanical force at great expense. low.



   In fig. 8, there is shown a different form of the closed circuit life support apparatus, this form being particularly applicable to closed life support environments in spatial or superatmospheric conditions. A life support structure 150 may include one or more individual pressurized garments or a closed volume. In either case, the life support structure 150 forms part of a closed circuit apparatus serving to meet physiological oxygen requirements. A reserve of liquid oxygen is maintained in a closed and heat-insulated tank 152 which forms a closed volume inside which the gaseous oxygen is maintained at saturation and in thermodynamic equilibrium with the liquid oxygen.

  The gases are circulated through the structure 150 by an inlet and outlet system comprising an outlet end 153 and an inlet end 154, the inlet end communicating with the closed volume located therein. of the reservoir 152 containing the liquid oxygen.



   This apparatus advantageously uses what can be considered as a cold source of infinite capacity formed by a superatmospheric or spatial external environment and does not require a receiving system or cryogen or other means to regulate the temperature. of the gas mixture. In its place, a pump 156 circulates gas through a scrubber 157 and through the remainder of the apparatus. A detector 158, which may be of the detector tube type or have a different form of temperature sensitive detector, operates an adjustable bypass valve 159 to circulate gases through the apparatus, so as to maintain a selected range. partial pressures of oxygen.

  The circulation path from pump 156 includes a cryogenic refrigerator 161 operating in conjunction with a counter-current heat exchanger 160 and a bypass circuit which both are connected to the liquid oxygen tank 152. For space applications, an additional length of duct and fins having a sufficient surface area of heat exchange surface with the environment are sufficient as a cold source, if they are isolated from any radiant energy, since the environment is present. approximately at a temperature of 40 K and that, therefore, it represents an infinitely large negative heat capacity factor. Alternatively, a conventional mechanically operated cryogenic refrigerator can be used.

  The heat exchanger 160 receives the gases from the closed volume inside the tank 152 to effect heat transmission with the incoming gases.



   When the structure 150 which contains the life support system operates without a significant physiological demand for oxygen, the only variation in temperature of the liquid oxygen in the tank 152 is due to heat loss or to suction. from the environment. When the oxygen in structure 150 is lost through leakage and physiological use, regardless of variations in the rate of circulation flow, however, valve 159 is controlled to bypass oryogenic refrigerator 161 as long as the liquid oxygen temperature is maintained within the selected range.

 

   The contaminated gas scrubber can be conveniently incorporated into cryogenic refrigerator 159 or heat exchanger 160, with the collected water vapor and carbon dioxide being ejected into the environment. The use of a bypass device is only one method that can be used. Variable refrigeration can also be achieved by using variable flow rates or by varying the efficiency of the cryogenic refrigerator, for example by varying the flow length within a set of conduits.



  Alternatively, the current can be divided in a controlled manner between heating and cooling circuits.



   It is common to use a reserve containing 100 oxo of oxygen at a pressure of the order of 0.35 bar. The flammable nature of pure oxygen, however, indicates the need for an inert element for quenching the gas mixture. The inert gas can be supplied by a source 162 via a pressure regulator 164 opening into the structure 150. Therefore, with a partial pressure of oxygen of about 0.35 bar, a total pressure of 0 , 50 bar, (or any other chosen value) can be obtained by injecting the necessary additional gas through the pressure regulator 164. In such an apparatus, the extinguishing gas must be such that it does not liquefy in the gas chamber. partial pressure range used. Nitrogen and helium are satisfactory for the example given.



   It should also be realized that the partial pressure of the inert gas can itself be regulated directly, by adjusting the oxygen pressure using a pressure regulator, to form the inverse of the apparatus shown. in fig. 8.



   The adjustment of the partial pressure of oxygen can moreover be used in an open circuit apparatus, even if such an apparatus is dispensable, for a reserve of respiratory gas mixture. In addition, the increased efficiencies obtained by using heat exchange mechanisms can either be obtained in some other way or do not need to be used in the apparatus.



      CLAIM I
 A method of removing carbon dioxide from a gas mixture, characterized by flowing the gas mixture along a substantially linear path with a low pressure gradient, extracting heat from the gas mixture to establish a gradient of net temperature extending to a temperature level below the point of carbon dioxide precipitation and the precipitated carbon dioxide is passively collected almost directly after its precipitation.



   SUB-CLAIM
 1. Method according to claim I, for removing carbon dioxide from a gas mixture which can be breathed, characterized in that the gas mixture is cooled to a temperature below the precipitation temperature of the carbon dioxide while maintaining a low pressure gradient during cooling, and the precipitated carbon dioxide is collected as a mass of loose particles.



   CLAIM II
 Apparatus for carrying out the process according to claim I, characterized in that it comprises a first source of gas in a range of temperatures below the precipitation temperature of carbon dioxide, a second source of gas containing carbon dioxide and in a range of temperatures above the carbon dioxide precipitation temperature, a heat exchanger connected to the first and to the second gas source by passing these gases to the heat exchange position, the heat exchanger providing a substantially linear flow of gases with low pressure gradients and having sufficient length and area to cool the gases from the second source to a temperature below the precipitation temperature of carbon dioxide,

   and a device collecting carbon dioxide forming a closed volume, open to gases from the second source passing along the exchanger near the region thereof where the carbon dioxide precipitates.



   SUB-CLAIM
 2. Apparatus according to claim II, characterized in that the exchanger is divided into two sections and in that the collection device is disposed between these sections, and comprises an outlet duct and an inlet duct arranged at the inside a closed chamber, the inlet and outlet ducts being arranged so as to cover each other, a cloth further covering the outlet duct.

** ATTENTION ** end of DESC field can contain start of CLMS **.



   


    

Claims (1)

**ATTENTION** debut du champ CLMS peut contenir fin de DESC **. ** ATTENTION ** start of field CLMS can contain end of DESC **. Il est courant d'utiliser une réserve contenant 100 oxo d'oxygène à une pression de l'ordre de 0,35 bar. La nature inflammable de l'oxygène pur, cependant, indique la nécessité d'un élément inerte pour l'extinction du mélange gazeux. Le gaz inerte peut être fourni par une source 162 par l'intermédiaire d'un régulateur de pression 164 débouchant dans la structure 150. Par suite, avec une pression partielle d'oxygène d'environ 0,35 bar, une pression totale de 0,50 bar, (ou toute autre valeur choisie) peut être obtenue en injectant le gaz supplémentaire nécessaire par l'intermédiaire du régulateur de pression 164. Dans un tel appareil, le gaz extincteur doit être tel qu'il ne se liquéfie pas dans la gamme de pressions partielles utilisée. L'azote et l'hélium donnent satisfaction pour l'exemple donné. It is common to use a reserve containing 100 oxo of oxygen at a pressure of the order of 0.35 bar. The flammable nature of pure oxygen, however, indicates the need for an inert element for quenching the gas mixture. The inert gas can be supplied by a source 162 via a pressure regulator 164 opening into the structure 150. Therefore, with a partial pressure of oxygen of about 0.35 bar, a total pressure of 0 , 50 bar, (or any other chosen value) can be obtained by injecting the necessary additional gas through the pressure regulator 164. In such an apparatus, the extinguishing gas must be such that it does not liquefy in the gas chamber. partial pressure range used. Nitrogen and helium are satisfactory for the example given. Il convient également de se rendre compte que la pression partielle du gaz inerte peut elle-même être réglée directement, en réglant la pression d'oxygène à l'aide d'un régulateur de pression, pour former l'inverse de l'appareil représenté sur la fig. 8. It should also be realized that the partial pressure of the inert gas can itself be regulated directly, by adjusting the oxygen pressure using a pressure regulator, to form the inverse of the apparatus shown. in fig. 8. Le réglage de la pression partielle d'oxygène peut de plus être utilisé dans un appareil à circuit ouvert, même si un tel appareil est dispensieux, pour une réserve de mélange gazeux respiratoire. De plus, les rendements accrus qu'on obtient en utilisant des mécanismes échangeurs de chaleur soit peuvent être obtenus d'une autre façon soit n'ont pas besoin d'être utilisés dans l'appareil. The adjustment of the partial pressure of oxygen can moreover be used in an open circuit apparatus, even if such an apparatus is dispensable, for a reserve of respiratory gas mixture. In addition, the increased efficiencies obtained by using heat exchange mechanisms can either be obtained in some other way or do not need to be used in the apparatus. REVENDICATION I Procédé pour éliminer le gaz carbonique d'un mélange gazeux, caractérisé en ce qu'on fait couler le mélange gazeux le long d'un trajet sensiblement linéaire avec un faible gradient de pression, on extrait de la chaleur du mélange gazeux pour établir un gradient de température net s'étendant jusqu'à un niveau de température inférieur au point de précipitation du gaz carbonique et on recueille passivement le gaz carbonique précipité pratiquement directement après sa précipitation. CLAIM I A method of removing carbon dioxide from a gas mixture, characterized by flowing the gas mixture along a substantially linear path with a low pressure gradient, extracting heat from the gas mixture to establish a gradient of net temperature extending to a temperature level below the point of carbon dioxide precipitation and the precipitated carbon dioxide is passively collected almost directly after its precipitation. SOUS-REVENDICATION 1. Procédé selon la revendication I, pour éliminer le gaz carbonique d'un mélange de gaz pouvant être respiré, caractérisé en ce qu'on refroidit le mélange gazeux à une température inférieure à la température de précipitation du gaz carbonique tout en maintenant un faible gradient de pression pendant le refroidissement, et on recueille le gaz carbonique précipité sous la forme d'une masse de particules non tassées. SUB-CLAIM 1. Method according to claim I, for removing carbon dioxide from a gas mixture which can be breathed, characterized in that the gas mixture is cooled to a temperature below the precipitation temperature of the carbon dioxide while maintaining a low pressure gradient during cooling, and the precipitated carbon dioxide is collected as a mass of loose particles. REVENDICATION II Appareil pour la mise en ceuvre du procédé selon la revendication I, caractérisé en ce qu'il comprend une première source de gaz dans une gamme de températures inférieures à la température de précipitation du gaz carbonique, une seconde source de gaz contenant du gaz carbonique et dans une gamme de températures supérieures à la température de précipitation du gaz carbonique, un échangeur de chaleur relié à la première et à la seconde source de gaz en faisant passer ces gaz en position d'échange de chaleur, l'échangeur de chaleur assurant un écoulement sensiblement linéaire des gaz avec de faibles gradients de pression et présentant une longueur et une surface suffisantes pour refroidir les gaz provenant de la seconde source à une température inférieure à la température de précipitation du gaz carbonique, CLAIM II Apparatus for carrying out the process according to claim I, characterized in that it comprises a first source of gas in a range of temperatures below the precipitation temperature of carbon dioxide, a second source of gas containing carbon dioxide and in a range of temperatures above the carbon dioxide precipitation temperature, a heat exchanger connected to the first and to the second gas source by passing these gases to the heat exchange position, the heat exchanger providing a substantially linear flow of gases with low pressure gradients and having sufficient length and area to cool the gases from the second source to a temperature below the precipitation temperature of carbon dioxide, et un dispositif recueillant le gaz carbonique formant un volume fermé, ouvert aux gaz provenant de la seconde source passant le long de l'échangeur à proximité de la région de celui-ci où le gaz carbonique se précipite. and a device collecting carbon dioxide forming a closed volume, open to gases from the second source passing along the exchanger near the region thereof where the carbon dioxide precipitates. SOUS-REVENDICATION 2. Appareil selon la revendication II, caractérisé en ce que l'échangeur est divisé en deux sections et en ce que le dispositif de captage est disposé entre ces sections, et comprend un conduit de sortie et un conduit d'entrée disposés à l'intérieur d'une chambre fermée, les conduits d'entrée et de sortie étant disposés de manière à se recouvrir, une toile recouvrant en outre le conduit de sortie. SUB-CLAIM 2. Apparatus according to claim II, characterized in that the exchanger is divided into two sections and in that the collection device is disposed between these sections, and comprises an outlet duct and an inlet duct arranged at the inside a closed chamber, the inlet and outlet ducts being arranged so as to cover each other, a cloth further covering the outlet duct.
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