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.
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