FR2796709A1

FR2796709A1 - Dispositif de soufflage d'air a tres basse temperature

Info

Publication number: FR2796709A1
Application number: FR9909566A
Authority: FR
Inventors: Jean Bernard Cledat
Original assignee: SARL ALBRET
Current assignee: SARL ALBRET
Priority date: 1999-07-20
Filing date: 1999-07-20
Publication date: 2001-01-26
Anticipated expiration: 2019-07-20
Also published as: FR2796709B1

Abstract

Un dispositif de soufflage d'air à très basse température comporte deux circuits de fluide : un circuit d'air comprimé 12 et un circuit de fluide frigorigène 10. Le circuit d'air comporte un compresseur 46, un dessiccateur 70 et un tube à tourbillon 76, disposé en aval du dessiccateur. Le circuit de fluide frigorigène comporte une portion de circuit haute pression, un détendeur 30, et une portion de circuit basse pression 32 située en aval du détendeur. Un échangeur thermique 74 entre la portion de circuit basse pression 32 située en aval du détendeur et une portion du circuit d'air située entre le dessiccateur 70 et le tube à tourbillon 76, permet un refroidissement de l'air avant son entrée dans le tube à tourbillon 76. Le dispositif trouve une application dans le refroidissement d'objets et le traitement du corps humain, notamment en kinésithérapie.

Description

DISPOSITIF DE SOUFFLAGE D'AIRA TRES BASSE TEMPERATURE L'invention a traità un dispositif de soufflage de gazà très basse température, de l'ordre de -60'C et en deçà,à la pression atmosphérique, pour le refroidissement d'objets ou de corps, notamment du corps humain.

Le refroidissement rapide de la peau est couramment pratiqué par les kinésithérapeutes pour combattre certaines inflammations des tendons. Habituellement, ce refroidissement est obtenu par détente directe de gaz carbonique liquérié, qui permet d'obtenir en sortie d'une buse un jet de gazà -78'C. Des dispositifs de ce type sont décrits par exemple dans les documents DE 195 48652 AI etDE 196 45299 AI. Cette méthode n'est pas sans inconvénients: les bouteilles de gaz sont coûteuses et doivent être remplacées souvent du fait de leur faible durée d'utilisation. La manutention, le transpoft et le stocka-e des bouteilles nécessitent une logistique importante. Par ailleurs, le gaz carbonique dissipé est susceptible de provoquer des migraines chez le personnel soignant ou le patient. Enfin, le débit de gaz éjecté est fonction du remplissage de la bouteille, d'où des capacités de refroidissement non constantes.

L'invention vise doncà proposer un dispositif d*éjection de gazà très basse lm température, qui ne présente pas les inconvénients ci-dessus mentionnés. Plus précisément, elle viseà proposer un dispositif éjectant de l'air gazeux plutôt que du gaz carbonique.

Selon Finvention, cet objectif est atteint grâceà un dispositif de soufflage d'airà très basse température comportant un circuit d'air comprimé ayant un compresseur, un dispositif de traitement de l'air disposé en aval du compresseur, et comportant au moins une unité de dessiccation et un tubeà tourbillon, disposé en aval du dispositif de traitement, et doté en outre d'un circuit de fluide frigorigène comportant une portion de circuit haute pression, un détendeur, et une portion de circuit basse pression située en aval du détendeur, et un échangeur then-nique entre la portion de circuit basse pression située en aval du détendeur et une portion du circuit d'air située entre le dispositif de traitement et le tubeà tourbillon, permettant un refroidissement de l'air avant son entrée dans le tubeà tourbillon. Le principe de fonctionnement des tubesà tourbillons, également connus sous le nom de tubes vortex, est exposé notamment dans le brevet US-A- 1952 28 1. Cette technologie permet d'obtenir,à partir d'un gaz sous pression, un courant de gaz froid et un courant de oaz chaud, ceci sans recourirà des organes mécaniques mobiles. Suivant un exemple de réalisation très simple, un tubeà tourbillon comporte une chambre ayant la forme d'un corps de révolution avec deux orifices axiaux opposés, une buse permettant d*injecter le gaz sous pression tangentiellement dans la partie médiane de la chambre de manièreà engendrer un mouvement hélicoïdal du gaz le long des parois de la chambre vers l'un des orifices, et un déflecteur empêchant une partie du fluide de s'échapper par 'cet ori ice et engendrant un courant de fluide secondaire hélicoïdal le Ion., de l'interface formé par la surface interne de la première couche de fluide vers l'autre orifice. L'interaction entre les deux couches de fluide provoque une expansion de la couche interne, et une compression de la couche externe, accompagnées d'un échanae de chaleur de la première vers la deuxième. Le courant résiduel débouchant de l'orifice de section réduite est chaud alors que le courant sortant par l'orifice opposé est froid.

Le document US-A-3 208 229 décrit une application typique d'un tubeà tourbillon pour l'obtention d'air frais. Un générateur d'air frais comportant un tubeà tourbillon alimenté par un circuit comportant un compresseur, un moyen de prérefroidissement du gaz et un séparateur d'eau pour éliminer l'eau contenue dans l'air. La sortie froide du tubeà tourbillon alimente une installation de distribution d'air frais.

Ce type d'utilisation correspond bien aux caractéristiques techniques des tubesà tourbillon, qui présentent une courbe de puissance de refroidissement en cloche: un rendement maximum est obtenu pour un débit d*air froid correspondantà environ70 à 80 % du débit entrant, pour une baisse de température de l'ordre de 20à 30'C. Il est possible d'obtenir des baisses de température bien plus importantes, de l'ordre de -50'C, mais le rendement du tube chute alors dans des proportions telles que toute utilisation pratique est exclue.

C'est la raison pour laquelle les tubesà tourbillon ne sont habituellement pas utilisés dans les applications nécessitant un refroidissement de l'air gazeuxà très basse température.

Selon l'invention, la présence d'un échangeur thermique entre le circuit d'air et un circuità fluide frigorigène permet un refroidissement important de l'air asséché, CP

jusqu'à une température proche du point de rosée obtenuà la sortie du dessiccateur. Préférentiellement, l'échangeur thermique dispose d'une commande de régulation telle que la température de l'airà la sortie de l'échangeur est légèrement plus élevée que le point de rosée de l'air obtenu en sortie du dessiccateur. Préférentiellement, le point de rosée obtenu en sortie du dessiccateur est inférieurà -3)O'C, par exemple, autour de -40'C. Ainsi, il est possible de disposer d'un air proche de cette température, par exemple aux alentours de

-38'C, à l'entrée du tubeà tourbillon. Le tubeà tourbillon permet alors d'obtenir un refroidissement de l'ordre de20'C, dans sa zone de rendement maximal, et une température d'éjection de l'ordre de -60T.

Selon un mode de réalisation, l'échangeur therrnique comporte une enceinte contenant un fluide caloporteur et dans laquelle plonge un serpentin constituant la portion de circuit basse pression du fluide frigorigène, laquelle est située en aval du détendeur, et un deuxième serpentin constituant la portion du circuit d'air située entre le dispositif de traitement et le tubeà tourbillon.

Pour l'application préférée envisagée, la sortie froide du tubeà tourbillon est C

munie d'un embout adaptéà une application de l'air froid sur le corps humain. Pour toute application au corps humain, il est important que l'air ne soit pas pollué. Avantageusement, le compresseur est un compresseur sans huile, ce qui contribueà la qualité d'air recherchée.

Dans certains cas, notamment lorsque la température ambiante est élevée ou lorsque l'air est particulièrement chargé en humidité, mais aussi lorsque l'on souhaite obtenir un débit élevé, il est utile de prévoir que le générateur comporte un circuit auxiliaire de circulation du fluide caloporteur, et un échangeur auxiliaire entre ce circuit auxiliaire et une partie du circuit d'air située en amont de l'unité de dessiccation. L'échangeur thermique auxiliaire comporte avantageusement une enceinte auxiliaire remplie du fluide caloporteur, l'unité de traitement du circuit d'air comportant un serpentin disposé en amont de l'unité de dessiccation, et plongeant dans l'enceinte auxiliaire. Il en résulte une condensation de la plus grande partie de l'eau contenue dans l'air comprimé.

Selon un mode de réalisation, le dispositif est muni d'un régulateur du débit d'air entrant dans le tubeà tourbillon en fonction de la température mesurée sur la cible sur laquelle est dirigé l'airà très basse température soufflé par le tubeà tourbillon. Une mesure de la température de la cible peut être obtenue par l'intermédiaire d'un capteur de températureà distance, par exempleà infrarouge, ou par un capteur apposé sur la cible.

Selon un autre mode de réalisation, le dispositif est muni d'un régulateur du débit d'air en fonction de la température de l'embout du tubeà tourbillon. Cette variante est particulièrement utile lorsque l'embout est destinéà être apposé directement sur la surfaceà refroidir.

Selon un autre aspect de l'invention, celle-ci a trait spécifiquementà un dispositif de refroidissement d'une partie du corps humain comportant un dispositif de soufflage d'airà très basse température tel que décrit précédemment.

C D'autres avantac-Yes et caractéristiques de l'invention ressortiront de la description qui va suivre de divers modes de réalisation de l'invention, donnésà titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés sur lesquels

# la rigure 1 représente un schéma du dispositif selon l#invention

# la figure 2 représente un tubeà tourbillon muni d'une buse d'éjection directionnelle suivant un mode de réalisation de l'invention;

# la ficure ') représente un tubeà tourbillon muni d*un embout de contact suivant un autre mode de réalisation de l'invention.

En référenceà la figure1, le dispositif de soufflage comporte deux circuits CC principaux,à savoir un circuit de fluide frigorigène10 et un circuit d'air comprimé 12, ainsi que diverses boucles de commandes.

Le circuit de fluide frigorigène10 est un circuit fermé dans lequel circule un frigorigène, par exemple du R404. Un compresseur hermétique 14 comprime le gaz fiigorigène qui s'échauffe. Le gaz est conduit vers un échangeur de chaleur16, appelé condenseur, en face duquel tourne un ventilateur18. En traversant le condenseur16, le gaz comprimé est refroidià une température légèrement supérieureà la température ambiante par l'air ambiant brassé par le 'ventilateur18. Le gaz, qui a perdu une partie de son enthalpie, se liquéfie et est stocké dans une bouteille 20, dont le prélèvement est fait par le bas.

Après avoir traversé une vanne d'isolement 22, le liquide frigorigène traverse un c c

dessiccateur 24 destinéà éliminer l'humidité qui aurait pu être introduite au moment du remplissage du circuit, puis un voyant26 qui permet de vérifier le bon remplissage du circuit.

Le liquide traverse ensuite une électrovanne 28, dont le fonctionnement sera expliqué plus loin, puis arriveà une vanne thermostatique ')0 faisant office de détendeur.

Le liquide se vaporise au passage de la vanne thermostatique ')0 en pénétrant dans la partie basse pression du circuit de fluide frigorigène. Le premier élément de cette partie basse pression du circuit est constitué par un serpentin 32 immergé dans une enceinte calorifugée 34 remplie d'un fluide caloporteur, en l'occurrence de l'eau glycolée. Le gaz vaporisé parcourant le serpentin 32 absorbe une grande quantité de la chaleur contenue dans l'eau glycolée qui se refroidit.

c L'ouverture de la vanne thermostatique 'JO est contrôlée par un bulbe de mesure de température36 qui permet d'ouvrir ou de fermer automatiquement la vanneM. Un capteur de température38 envoie une information représentative de la température de l*enceinte à un régulateur 40 qui ouvre ou ferme l'électrovanne 28, permettant ainsi de maintenir la température dans l'enceinte 34à -40'C environ, suivant la consigne du régulateur 40. Puis le gaz est aspiré par le compresseur 14à travers la vanne d'isolement 42 et le cycle recommence. Un pressostat 44 permet de contrôler la mise en route et l'arrêt du compresseur 14, assurant ainsi une grande sécurité de fonctionnement, en maintenant le compresseur 14 dans la plage de pression qui lui est fixée par réglage, indépendamment de la charue ou de la température ambiante.

Le circuit d'air comprimé 12 est quantà lui un circuit ouvert, alimenté par un compresseur 46 comportant une cuve, un système de contrôle de pression autonome et un système de démarrage électrique. Dans l'exemple de réalisation, la pression de l'air est de6 bars. Le compresseur 46 est du type sec, c'est-à-diÈe sans huile, garantissant l'absence de pollution de l'air comprimé par des vapeurs d'huile, ce qui est particulièrement recherché dans des applications médicales.

L'air sous pression traverse un dispositif 48 destiné essentiellementà en éliminer le plus possible d'humidité afin d'abaisser son point de rosée. Cette élimination de l'eau est effectuée en deux étapes: une première étape de refroidissement suivie d'une étape de dessiccation.

L'air est tout d'abord refroidià une température proche de la température ambiante en passant dans un condensateur constitué par un serpentin50 situé dans le circuit du ventilateur18, ce qui favorise la condensation de l'humidité contenue dans l'air comprimé. L'air comprimé passe ensuiteà travers un filtre52 muni d'une garniture de5 microns d'ouverture, nécessaire au fonctionnement du tubeà tourbillon. Ce filtre permet en outreà une partie de l'eau de se condenser par coalescence et sous l'effet de la force centrifuge provoquée par la forme du filtre.

L'eau est éliminée par une purge manuelle ou automatique 54. En sortie du filtre, l'air comprimé est débarrassé de la plus grande partie de son humidité. L'eau recueillieà la sortie de la purge 54 est conduiteà l'égout par une conduite si l'appareil est en poste fixe ou dans un bac de récupération si l'appareil est mobile. En cas d'utilisation intensive ou si l'air d'alimentation est de température élevée et fortement humide (pays tropicaux), on peut recourirà un refroidissement préalable plus important de l'air pour éliminer la plus grande partie de l'eau condensée avant de rentrer dans le dessiccateur70 qui serai t sinon vite saturé. Un circuit de refroidissement auxiliaire optionnel56 permet d'utiliser l'eau glycolée à basse température contenu dans l'enceinte 34 pour effectuer un pré- refroidissement de l'air. Le circuit auxiliaire56 utilise l'enceinte calorifugée comrne source froide pour alimenter par l'intermédiaire d'un thermosiphon ou d'une pompe électrique58, un réservoir auxiliaire60 d'eau glycolée maintenueà +2'C, à travers une électrovanne62. La température du bac auxiliaire60 est régulée par'un régulateur 64 muni d'une sonde66. Un serpentin68 traverse le bac auxiliaire60. Ce serpentin68 vientà la suite ou en remplacement du serpentin50 de l'appareil de base, et sertà obtenir de l'airà +PC. Le préfiltre 51.1 est au besoin remplacé par un modèle plus important, avec purge 54 automatique.

La dessiccation de l'air en sortie du filtre52 est obtenue dans un dessiccateur70 par absorption, en mettant l'air au contact d'un produit avide d'eau. On remplace la partie active du dessiccateurà absorption70 quand celle-ci est saturée d'eau, ce qui est visibleà son changement de couleur. Le point de rosée de l'air asséché obtenu est d'environ 4PC.

L'air traverse ensuite l'enceinte calorifugée 34 dans un serpentin72 où il subit une forte baisse de température jusqu'à -38'C, l'enceinte 34 remplie de fluide caloporteur et les deux serpentins32 et72 formant un échangeur thermique 74 entre les deux circuits10 et 12. Le serpentin72 est reliéà un tubeà tourbillon76 par l'interrnédiaire d'une tuyauterie souple78 soigneusement calorifugée. L'air plus froid que le point de rosée est exclusivement situé au centre du tube, et sort en contact avec la buse qui està une température très basse.

Le tubeà tourbillon est décrit en détail sur la figure 2.Il comporte un corps tubulaire80 comportant dans sa partie médiane une buse d'injection tangentielle 82. Du côté de l'une de ses extrémités axiales, le corps tubulaire est prolongé par un tube principal 84. L'extrémité libre du tube principal 84 est munie d'un pointeau de réglage86 laissant un orifice annulaire de dimension variable. Adjacent à la buse tangentielle 821 du côté opposé au tube principal 84 est disposé un diaphragme88 maintenu en position par une bague isolante90. L'extrémité du corps tubulaire80 opposée au tube principal 84 est munie d'un support92 permettant l'articulation d'une buse d'é ection 94. Le réglage de la fraction chaude j ZD

du tubeà tourbillon est effectué par le pointeau86, et le jet d'air glacé (-60'C à CD -65'C) sort par la buse 94. Une poignée tubulaire96 supporte le corps tubulaire80 et le tube principal 84, ainsi quiune partie de la tuyauterie calorifugée78 d'alimentation en air comprimé. L'utilisateur dispose en outre d'une manette98 reliéeà un interrupteur électrique lui perrriettant de commander une électrovanne 100 d'ouverture et de ferrneture du circuit d'air. L'air peut alors être dirigé vers son point d'utilisation par l'opérateur qui tient la poignée tubulaire96 à la façon d'un chalumeau.

C Suivant le mode de réalisation le plus simple, représenté enA sur la figure1, le contrôle du dispositif est purement manuel: le système de base ne comporte pas de moyen de mesure de l'action du jet d'air glacé, et le praticien doit s'aider d'un thermomètre séparé pour s'assurer que son action est optimale.

Selon une variante, la durée d'application du jet petit être contrôlée par une minuterie qui démarre dès que l'interrupteur situé sur la poignée de guidage du jet CI est actionné.

Toutefois, ces configurations ne sont pas optimales. En effet, si l'exposition au jet d'airà très basse température est trop longue ou mal conduite, ily a risque de geler la peau du patient.Il est donc intéressant de surveiller en permanence la température superficielle de la peau par une mesure infrarouge sans contact, et de maintenir la température de la peau au-dessus de la fempérature dangereuse. C'est l'ob . et du mode de réalisation représenté en B sur la figure1. Un capteur infrarouge 102 indique en permanence la température de la cible situéeà l'impact du jet. Le praticien peut choisir de n'utiliser que l'affichage de la température, le contrôle du jet étant maintenu manuel.Il peut également utiliser un contrôle automatique: l'information délivrée par le thermomètre infrarouge 102 est alors envoyéeà un régulateur 104 qui commande l'électrovarine 100. L'électrovanne s'ouvre ou se ferme automatiquement et gère l'alimentation en air du tubeà tourbillon, ce qui a pour effet de maintenir la température de la peau du patient au- dessus de la zone de dancer. Le seuil de température limiteà atteindre sur la peau du patient est réglable, et est entré en consigne dans le régulateur 104.

C) Selon une variante de réalisation représentée enC sur la figure1 ainsi que sur figure3, la buse d'éjection 94 présente une extrémité en forme de disque, munie de rainures de circulation de l'air sortant du tubeà tourbillon. Ce disque supporte une coupelle de contact106. L'éjection de l'air froid permet le refroidissement de la coupelle106. Un thermocouple108 de prise de température de la coupelle106, muni d'un ressort de rappel110 et d'unfil électrique 112 de liaison au régulateur 114 permet une régulation de la température de la coupelle. Dès que la température de la coupelle106 descend en dessous du point de consigne, l'électrovanne100 se ferme, interrompant le jet d'air. La température de la coupelle reste donc sous contrôle précis et ne dépend que des réglages du régulateur 104. c C 0

On est donc sûr que la température de la peau ne peut pas descendre plus bas que le point de consigne qui a été fixé pour la coupelle. Cette coupelle peut être de forme et de dimensions variables, en fonction des besoins du praticien.

Une mousse116 de diffusion de l'air et d'atténuation du bruit de sortie de l'air complète le dispositif. Le refroidissement de la peau du patient est obtenu en la mettant au contact de la coupelle.

Les coupelles et buses de soufflage sont interchangeables et leur forme peut être t>c

réalisée sur mesure en fonction des besoins des utilisateurs.

La description précédente est donnéeà titre non limitatif et diverses variations sont possibles.

En particulier, le compresseur peut êtreà poste fixeà l'extérieur du bâtiment ou dans le même coffret que le système de refroidissement de l'air. Le dessiccateur 70 peut être doublé afin d'assurer sa maintenance sans arrêter l'utilisation du dispositif.

On peut par ailleurs envisager d'autres utilisations du dispositif d'éjection d'air.

Claims

REVENDICATIONS 1. Dispositif de soufflage d'airà très basse température comportant 0 un circuit d'air comprimé (12) muni # d'un compresseur (46), # d'un dispositif de traitement de l*air, disposé en aval du compresseur et comportant au moins un dessiccateur(70) et # d'un tubeà tourbillon(76), disposé en aval du dispositif de traitement, caractérisé en ce qu#iI comporte en outre # un circuit de fluide frigorigène(10) comportant une portion de circuit haute pression, un détendeur(30), et une portion de circuit basse pression (32) située en aval du détendeur, et # un échangeur thermique (74) entre la portion de circuit basse pression (32) située en aval du détendeur(')0) et une portion du circuit d'air située entre le dispositif de traitement et le tubeà tourbillon(76), permettant un refroidissement de l'air avant son entrée dans le tubeà tourbillon(76). 2. Dispositif de soufflage d'airà très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur thermique (74) dispose d'une commande de régulation (40) telle que la température de l'airà la sortie de l'échangeur (74) est légèrement plus élevée que le point derosée de l'air obtenu erf sortie du dessiccateur (70). 3. Dispositif de soufflage d'airà très basse température selon la revendication 2, caractérisé en ce que le point de rosée obtenu en sortie du dessiccateur (70) est inférieurà -3 )O'C. 4. Dispositif de soufflage d'airà très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'échangeur thermique (74) comporte une enceinte (34) contenant un fluide caloporteur et dans laquelle plonge un serpentin (32) constituant la portion de circuit basse pression située en a-,,,,al du détendeur, et un deuxième serpentin(72) constituant la portion du circuit d'air située entre le dispositif de traitement et le tubeà tourbillon(76). 5. Dispositif de soufflage d'airà très basse température selon la revendication c 1, caractérisé en ce que la sortie froide du tubeà tourbillon(76) est muni d'un embout (94,106) adaptéà une application de l'air froid sur le corps humain. 6. Dispositif de soufflage d'airà très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que le compresseur (46) est un compresseur sans huile. 7. Dispositif de soufflage d'airà très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un circuit auxiliaire(56) de circulation du fluide caloporteur, et un échangeur auxiliaire(60) entre ce circuit auxiliaire (56) et une partie du circuit d'air située en amont du dessiccateur (70). 8. Dispositif de soufflage d'airà très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de traitement de l'air comporte en outre un condenseur(50) disposé en amont du dessiccateur (70). 9. Dispositif de soufflage d'airà très basse température selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est muni d'un régulateur (104) du débit d'air entrant dans le tubeà tourbillon en fonction de la température mesurée sur la cible sur laquelle est dirigé l'airà très basse température soufflé par le tubeà tourbillon. 10. Dispositif de soufflage d'airà très basse température selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est muni d'un régulateur(114) du débit d'air en fonction de la température de l'embout. Il. Dispositif de refroidissement d'une partie du corps humain comportant un dispositif de soufflage d'airà très basse température selon l'une quelconque CD des revendications précédentes.