Brevet FR2135371A1 — publié le 19721215

i 2135371 La présente invention concerne d'une façon générale les centrifugeurs pour liquides et plus particulièrement une forme perfectionnée de passages d'écoulement caractérisés par des chutes de pression faibles pour les centrifugeurs pour liquides. 5 Les centrifugeurs à zones pour liquides destinés à l'isolement ou à la séparation à grande échelle des virus pour la production des vaccins sont de plus en plus utilisés depuis plusieurs années. Un centrifugeur à liquide largement utilisé du type à zone spécialement destiné à la séparation des virus est décrit dans le brevet des Etats Unis d'Amérique n° 3 430 489. 10 Un problème bien connu dans la technique antérieure, en particulier pour un centrifugeur à liquide de ce type, est relatif à la chute de pression fonction de la vitesse qui limite le passage du liquide aussi bien du point de vue des débits instantanés que du temps total de fonctionnement entre les nettoyages, qui a posé des problèmes d'étanchéité en raison des pressions élevées du 15 liquide nécessaires pour le fonctionnement de l'appareil, et qui a provoqué des écarts et des compressions indésirables des bandes des gradients des densités avec la perte correspondante de la pureté du produit. Des chutes de pression 2 dépassant 1,05 kg/cm sont typiques aux vitesses normales de fonctionnement de 35.000 tr/mn d'un centrifugeur de ce type. 20 La présente invention a pour objet un centrifugeur pour liquide à écoulement continu caractérisé par des chutes de pression faibles dans le liquide traité à la vitesse de fonctionnement. L'invention concerne un centrifugeur pour liquide à grande capacité à écoulement continu comportant un rotor long contenant un noyau 25 central définissant une cavité annulaire périphérique segmentée en plusieurs secteurs, des passages d'entrée et de sortie s'étendant axialement aux extrémités opposées axiales du rotor, et plusieurs passages de connexion communiquant respectivement avec les passages d'entrée et de sortie et les différents secteurs, caractérisé en ce que les passages de connexion sont 30 dimensionnés pour ne pas élargir la section efficace de passage des passages d'entrée et de sortie à l'endroit où ils communiquant avec ses passages de connexion. Pour éviter cet élargissement, les passages da connexion doivent être dimensionnés pour se terminer dans une chambre commune pas plus large que les passages axiaux. De plus, les passages de connexion doivent être dimen-35 sionnés pour que la somme de leurs sections transversales soit au moins égale à celle du passage axial d'entrée ou de sortie avec lequel ils communiquent. Des centrifugeurs formés selon l'invention sont caractérisés par des chutes de pression considérablement réduites qui facilitent l'augmentation du débit 72 18775 2 2135371 de liquide traité, réduit les problèmes d'étanchéité et permet une distribution des gradients plus stabilisée dans le cas d'utilisation pour la centrifugation par zones. Les caractéristiques de l'invention ressortiront plus 5 particulièrement de la description suivante, donnée à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels : la figure 1 est une coupe verticale d'un rotor de centrifugeur pour liquide comportant un dispositif selon un mode de mise en oeuvre de 11invention : 10 la figure 2 est une coupe horizontale partielle du rotor de la figure 1; la figure 3 est une coupe verticale d'une pièce rapportée du centrifugeur des figures 1 et 2 selon un mode de mise en oeuvre de l'invention; la figure 4 est une vue en plan de l'extrémité de la pièce 15 de la figure 3, et la figure 5 représente graphiquement les chutes de pression en fonction de la vitesse dans un centrifugeur d'un type antérieur et dans un centrifugeur comportant le perfectionnement selon l'invention. Les figures 1 et 2 représentent en coupe verticale et en coupe 20 horizontale un rotor centrifuge selon un mode de mise en oeuvre de l'invention. Ce rotor comporte un bol ou corps cylindrique 1 fermé à l'extrémité supérieure et à l'extrémité inférieure par des flasques 2 et 3. Un noyau creux rapporté 4 est disposé dans le corps 1 et il est fermé aux extrémités par des flasques 5 et 6, chacun comportant un alésage borgne central 7 et six rainures radiales 25 8. Le noyau creux rapporté 4 est muni de cloisons 9 dépassant radialement et s'étendant axialement qui divisent la cavité pour les échantillons en secteurs s'étendant axialement 11. Comme le montre la figure 2, les rainures 8 font communiquer les secteurs 11 avec l'alésage 7 de chaque flasque du noyau. Chaque flasque 2, 3 du corps comporte un passage central axial 30 12 qui se termine dans le rotor au sommet d'une cavité conique 13. L'autre extrémité de chaque passage 12 communique avec un passage formé dans l'arbre supérieur ou l'arbre inférieur du rotor (non représenté), ces arbres servant à supporter et à entraîner le rotor centrifuge. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique n° 3.430.849 précité donne des détails supplémentaires pour les 35 arbres du rotor, le mécanisme d'entraînement et les systèmes auxiliaires utilisés avec le rotor centrifuge selon l'invention. Conformément à l'invention, chaque passage axial 12 communique avec les rainures radiales 8 par des canaux de connexion inclinés courts 14. Les canaux 14 sont convenablement des rainures formées dans l'extrémité coni 72 18775 3 2135371 que 15 d'une pièce ou pointe rapportée .16 représentée plus en détail sur les figures 3 et 4. L'extrémité conique 15 est formée pour s'adapter dans la cavité conique 13 du flasque 2 ou 3 correspondant. L'alignement des canaux 14 avec les rainures 8 est assuré par des broches d'alignement 17. Chaque 5 extrémité 15 est appliquée en contact intime avec la cavité conique correspondante 13 par un ressort 19. Pour tirer tout le parti de l'invention et pour minimiser les chutes de pression dans le liquide traité, les canaux 14 doivent être dimensionnés pour éviter une réduction de l'écoulement aussi bien par réduction de 10 la section de passage que par développement d'un écoulement tourbillonnaire du liquide traité. Le point le plus critique auquel la réduction de la section d'écoulement ou l'écoulement tourbillonnaire peuvent avoir lieu est l'interface entre les canaux 14 et le passage 12 au sommet de l'extrémité conique 15. La réduction de la section d'écoulement est évitée en faisant la somme des 15 sections de passage des canaux 14 de l'extrémité conique 15 au moins égale à la section du passage 12 correspondant. L'écoulement tourbillonnaire est évité en limitant le diamètre de l'ouverture centrale "d" formée au sommet de l'extrémité 15 par l'intersection des canaux 14 au diamètre "D" du passage 12. Pour satisfaire aux deux conditions, la profondeur des canaux 14 doit norma-20 lement être supérieure à leur largeur qui a une limite supérieure déterminée par la limitation de l'écoulement tourbillonnaire. Une approximation très étroite de la largeur maximale admissible pour les canaux 14, en supposant des canaux de largeurs égales, est donnée par la relation 25 30 35 w = C/n max dans laquelle wmax est la largeur maximale d'un canal 14, C est la circonférence du passage 12 et n est le nombre de canaux 14 d'une extrémité 15 donnée. Quand la somme des largeurs des canaux 14 est supérieure à la circonférence du passage 12, "d" est supérieur à "D" et un écoulement tourbillonnaire fonction de la vitesse a lieu, se traduisant par une chute de pression importante à travers le tourbillon. La profondeur et la largeur des canaux 14 augmentent à partir du sommet de l'extrémité conique 15, de la façon représentée sur les figures 3 et 4. Des canaux 14 ayant une profondeur et/ou une largeur uniformes peuvent être utilisés sans que l'on sorte du cadre de l'invention, bien qu'il en résulte une chute de pression légèrement supérieure le long des canaux. Pour assurer une chute de pression minimale dans la région du sommet de chaque pointe rapportée 16, les canaux 14 doivent avoir la largeur 72 18775 2135371 4 maximale possible pour que "d" soit égal à "D". Dans ces conditions, les canaux intersectent de la façon représentée sur la figure 4 les parties 17 de la surface conique segmentée, chacune se terminant par une pointe aiguë dans la région du sommet de l'extrémité conique 15. De plus, le sommet 5 secondaire 18 formé par l'intersection des canaux 14 doit se terminer par une pointe aigu'é de la façon représentée sur la figure 3. Cette configuration est la forme optimale pour les pointes rapportées 16, parce qu'elle rend maximale l'utilisation de la section d'écoulement disponible sans permettre le développement d'un écoulement tourbillonnaire, et assure une distribution uniforme 10 du courant vers les différents canaux 14 et elle supprime sensiblement les chutes de pression résultant de la présence de points de stagnation. Il sera noté aussi que la surface du fond des canaux 14, qui est formée par la cavité conique 13, est inclinée d'un angle a d'environ 135° par rapport à l'axe du passage 12. Il a été constaté que cette inclinaison 15 permet le minimum de chute de pression quand elle est utilisée conjointement avec les conditions requises mentionnées ci-dessus pour l'écoulement tourbillonnaire et la restriction de l'écoulement. Pour certaines applications, il peut être désirable d'augmenter le diamètre des passages 12 pour augmenter la capacité d'écoulement. 20 Dans ce cas, un écoulement tourbillonnaire peut se développer le long du passage. Le diamètre particulier pour lequel l'écoulement tourbillonnaire s'établit varie avec la vitesse de fonctionnement du centrifugeur, et il ne peut pas toujours être prévu, bien qu'il ait été déterminé que des passages 12 d'un diamètre jusqu'à 4,8 mm peuvent être utilisés sans qu'il en résulte de 25 problème sérieux en ce qui concerne l'écoulement tourbillonnaire. Pour ces applications, des cloisons ou des surfaces cannelées peuvent être utilisées pour diviser le passage afin d'empêcher l'établissement d'un écoulement tourbillonnaire. La présente invention peut être utilisée en combinaison avec des cloisons ou des parois cannelées pour les passages ayant les plus grands 30 diamètres. Dans ce cas, il doit être pris soin d'étendre les cloisons ou autres dispositions anti-tourbillonnaires complètement dans les sommets des pointes rapportées 16, et les cloisons doivent être positionnées pour assurer une distribution régulière du courant vers les différents canaux 14. La figure 5 donne les résultats d'essais de chute de pression 35 sous la forme d'un graphique comparant la chute de pression à travers des centrifugeurs pour différentes vitesses de rotation. La courbe supérieure représente la chute, de pression en fonction de la vitesse dans un ensemble centrifuge réalisé selon le brevet des.Etats-Unis d'Amérique n° 3.430.849 72 18775 5 2135371 2 précité. A 35.000 tr/mn, il a été constaté une chute de pression de 1,3 kg/cm . Ce point n'est pas représenté sur le graphique de la figure 5 mais la pente importante de la courbe de la chute de pression est montrée dans les limites du graphique. En utilisant un centrifugeur identique par ailleurs mais avec 5 le perfectionnement décrit ci-dessus, les chutes de pression mesurées sont légèrement inférieures à 0,28 kg/cm , c'est-à-dire moins du quart de la chute de pression dans le centrifugeur suivant la technique antérieure. Dans les deux machines, les passages 12 avaient un diamètre de 3,15 mm, avec six rainures radiales 8 à chaque extrémité. Dans le centrifugeur selon l'invention, la 10 largeur de chaque canal 14 au sommet de l'extrémité conique 15 était de 0,8 mm et sa profondeur de 1,6 mm. Bien que l'invention ait été décrite ci-dessus pour son utilisation dans un système centrifuge particulier pour liquide, il est évident que l'invention peut être utilisée pour de nombreux types de centrifugeurs pour 15 liquides à écoulement continu. De même, de nombreuses variantes de pointes rapportées 16 peuvent être utilisées pour limiter l'écoulement tourbillonnaire et la restriction de la section de passage selon l'invention. Bien entendu, la description qui précède n'est pas limitative et l'invention peut être mise en oeuvre suivant d'autres variantes sans que l'on sorte de son cadre. 72 18775 2135371 6 REVENDICATIONS 1. Centrifugeur pour liquide à écoulement continu comportant un rotor long orienté verticalement contenant un noyau central définissant une cavité périphérique annulaire segmentée axialement en plusieurs secteurs, des passages d'entrée et de sortie s'étendant radialement aux extrémités opposées 5 axialement du rotor, des chambres d'entrée et de sortie respectives aux extrémités intérieures de ces passages d'entrée et de sortie, et plusieurs passages de connexion respectivement entre les chambres d'entrée et de sortie et les secteurs, caractérisé en ce que les passages de connexion sont dimensionnés pour que la somme de leurs sections transversales d'écoulement soit 10 au moins égale à la section transversale des passages d'entrée et de sortie, les chambres d'entrée et de sortie n'ayant pas un diamètre supérieur au diamètre des passages d'entrée et de sortie pour éviter l'établissement d'écoulements tourbillonnaires. 2. Centrifugeur selon la revendication 1, caractérisé en ce que 15 les chambres d'entrée et de sortie ont le même diamètre que les passages axiaux d'entrée et de sortie. 3. Centrifugeur selon la revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que les passages de connexion sont inclinés d'environ 135® par rapport aux axes des passages d'entrée et de sortie à leurs extrémités communiquant avec 20 les chambres d'entrée et de sortie. 4. Centrifugeur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la section transversale des passages de connexion augmente avec la distance à partir des chambres le long d'au moins une partie de leur longueur en partant des chambres. 25 5. Centrifugeur pour liquide à écoulement continu comportant un rotor long orienté verticalement, un flasque supérieur et un flasque inférieur fermant l'extrémité supérieure et l'extrémité inférieure du rotor, des passages d'entrée et de sortie s'étendant axialement à travers les parties centrales de ces flasques du rotor, et un noyau central disposé à l'intérieur du rotor et 30 définissant une cavité annulaire périphérique segmentée en plusieurs secteurs axiaux, des rainures s'étendant radialement, communiquant à leurs extrémités périphériques avec les secteur^ étant formées à l'extrémité supérieure et à l'extrémité inférieure du noyau, caractérisé par une cavité centrale formée dans chaque flasque du rotor et comportant un sommet centré pour concorder 35 avec le passage d'entrée ou de sortie du flasque correspondant, et une pièce 72 18775 7 2135371 rapportée amovible montée dans chaque extrémité du noyau et comportant une extrémité conique concordant avec la cavité conique du flasque correspondant du rotor, l'extrémité conique de chaque pièce rapportée comportant plusieurs rainures s'étendant du sommet à la base de cette extrémité conique, les 5 rainures de cette extrémité conique étant réparties angulairement pour concorder avec les rainures radiales du noyau pour former des passages d'écoulement continus entre le passage d'entrée ou de sortie correspondant et chaque secteur, les rainures de l'extrémité conique formant une chambre au sommet de la pièce rapportée, cette chambre n'ayant pas un diamètre supérieur au diamètre du 10 passage d'entrée et de sortie correspondant et la somme des sections transversales des rainures, à l'endroit où elle forme la chambre, étant, au moins égale à la section transversale des passages d'entrée et de sortie. 6. Centrifugeur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les pièces rapportées sont repoussées par des ressorts logés dans le noyau pour 15 être appliqués en contact serré contre les cavités coniques des flasques du rotor. 7. Centrifugeur selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que l'angle d'inclinaison de l'extrémité conique est d'environ 45° par rapport à l'axe longitudinal. 20 8. Centrifugeur selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que chaque pièce rapportée est clavetée au noyau pour le maintien de l'alignement des rainures de l'extrémité conique avec les rainures radiales de l'extrémité correspondante du noyau.