Brevet FR2310807A1 — publié le 19761210

L'invention est relative aux centrifugeuses destinées à séparer deux gaz de poids moléculaires voisins, en particulier composés de deux isotopes. Le facteur de séparation des deux gaz étant proportionnel approximativement à la quatrième puissance de la vitesse périphé rique de la centrifugeuse, il est nécessaire d'obtenir la plus grande vitesse possible de rotation. Celle-ci se trouve limitée par la résistance des matériaux constituant le bol de la centri fugeusê. les tensions maximales qui règnent dans ce bol sont gales au produit du carré de la vitesse périphérique par la densité du matérian constitutif. Pour repousser cette limite de vitesse imposée par la résistance des matériaux les mi choisis, on a imaginé, conformament à la présente invention, d'accélérer encore la rotation des gaz à l'intérieur du bol grâce à une structure radiale tournant con centriquerent à celui-ci et entraînant ces gaz t une vitesse su- prieure à celle du bol. On sait en effet que la tension maximale & l'intérieur d'un barreau de section constante tournant autour d'un petit axe perpendiculaire à son axe longitudinal est égale à la moitié seulement du produit du carré de la vitesse périphérique par la densi- te ; c'est-à-dire que pour un même matériau la vitesse du barreau peut être # fois plus grande que celle du bol. De plus, il est bien connu que les matériaux en fils, soit du genre cordes à piano, soitexécutés en matières composites, par exemple fibres de verre et plastique, ou encore en fibre anieotropes telles que fibres de carbone, de bore, de Kevlar, etc. pures ou composites, sont beaucoup plus résistantes que les maté- rials isopes' On peut donc augmenter leur tension interne, donc augmenter leur vitesse de rotation à l'intérieur du bol, lui-même, de préférence, en rotation afin de réduire les frottements du gaz à sa surface. On a donc imagin', conformément à l'invention, des éléments radiaux fixée les uns 8 côté des autres autour d'un axe qui leur est perpendiculaire. Ils peuvent avoir une section sisplerent circulaire constante, ou encore avoir un profil décroissant vers leur extrêmité pour réaliser une forme dont les tensions sont constantes du centre vers la périphérie, ou toute autre forme allongée quelconque. Ces éléments peuvent affecter la forme de palettes ou d'ailettes de profils convenablement choisie pour entraîner le gaz en rotation ou encore pour retarder ou, au contraire, accélérer l'écoulement des gaz, par exemple le long de l'axe de la centrifugeuse. Ils peuvent aussi comporter des renflements de formes convenables pour délimiter un espace annulaire aux gaz, ceci afin d'éviter un contact avec la surface du bol, ou encore pour évi- ter au gaz de se rapprocher de l'axe de la centrifugeuse. Ces éléments radiaux peuvent avoir des longueurs identiques ou au contraire des longueurs différentes, les uns plus espacés venant & proximité immédiate de la surface du bol, les autres plus serrés, délimitant la surface interne de lte-paoe annulaire laissé aux B8a6* La partie la plus rapprochée de l'axe de la centrifugeuse peut aussi être occupée par un gaz plus léger empêchant les gaz à séparer de venir dans ces régions où la force centrifuge est limité. On réalise ainsi, grâce à ces dispositions, un ensemble on- traînant en rotation les gaz à séparer à une vitesse de centrifugation plus grande que ne le ferait un simple bol. L'invention comprend, mises à part lesdites dispositions; certaines autres dispositions qui s'utilisent de préférence en me temps et dont il sera plus explicitement parlé ci-après. Blle vise plus particulièrement certains modes d'application, ainsi que certains modes de réalisation t et elle vise plus particulièrement encore et à ce titre de produits industriels nouveaux les systèmes du genre en question comportant application de ces mêmes dispositions, ainsi que les éléments spéciaux propres & leur établissement et les ensembles pouvant comprendre ou utiliser de semblables systèmes. L'invention sera mieux comprise gråce aux dessins et descriptions ci-après couvrant quelques réalisations particulières et préférentielles données à titre indicatif sans limiter l'objet de l'invention qui au contraire embrasse toutes les variantes de ces structures radiales et leur installation. La figure 1 représente une centrifugeuse conforme à l'inten- tion s un bol 1 tourne autour d'un axe matérialisé par 2 roulements 2 et 3. Il est entrainé par un moyen ici représenté sous la forte d d'un engrenage 4* Concentriquement une structure radiale 5 affectant la forme d'une brosse tourne autour d'un axe 6 concentrique à celui du bol à une vitesse plus rapides On introduit le mélange gazeux par le joint tournant 7 g par la structure radiale, dès son entrée dans la contrifugeuse, il se trouve entraîné en rotation et après qu'il ait traversé la contrifugeuse, il se trouve séparé en élémente lourds et éléments légers que l'on recueille par les Joints tournants 8 et . Au cours de la centrifugation les gaz sont donc entrainés en rotation par la structure radiale k sa propre vitesse, supérieure à celle du bol. Aux alentours des parois du bol il peut se produire des tourbillons dus à la viscosité des gaz et à la différence des vitesses entre le bol et la structure radiale.Nais il se trouve que dans la pratique les élémente isotopiques légers les plus intéressants sont en moindre quantité et que la séparation ne se trouve pas affectée par ces tourbillons, qui ne se produi- sent que dans la masse de l'élément le plus lourd. L'arrivée du gaz en 7 peut se faire à une vitesse lente qui se troue ensuite accélérée par les premiers éléments radiaux affectant alors la forme d'une pompe centrifuge, par exemple avec des canaux en forme de tuyères de Laval pour obtenir des vitesses su personiques. Au contraire les gaz peuvent arriver déjà animés d'une grande vitesse grSce & des tuyères de Laval antérieures au joint tour- nant. La figure 2 représente une structure radiale en forre de brosse conforme à l'invention. Les éléments 10 sont fixés à l'in- térieur d'une ame 11 constituant l'axe de la structure. La figure 3 représente une variante dans laquelle les éléments radiaux sont d'une seule pièce et traverse l'ame centrale sans s'interrompre, ce qui facilite la construction et augmente la solidité de la structure. Ces éléments sont convenablement courbée de manière à ce que les parties extérieures à l'ame centrale soient véritablement radiales, alors que les parties internes se courbent de façon à permettre une convenable répartition des différents éléments que 1 'on peut ainsi grouper sur deux fois 900 par exemple. Ces éléments peuvent s'épanouir à leur extrêmi- té' ou me comporter deux renflements, conne sur la figure 4, pour délimiter un espace annulaire comme indiqué ci-avant. Les éléments constituant les figures 3 &gamma; 4 peuvent alors s'associer 2 à 2 alternativement tournés de 900 pour former une brosse complète, comme représenté sur la figuré 5 qui, pour plus de clarté, est constituée à partir des éléments plus simples de la figure 3. Cette figure 3 représente donc en vue éclatée 2 des éléments suceesifs d'une structure radiale ainsi constituée et à travers laquelle pourra circuler le gaz à séparer mélangé au préalable à un gaz plus léger qui occupera la partie la plus axiale. Ensuite de quoi, quel que soit le mode de réalisation adopté, on peut établir des systèmes de centrifugation dont le force tionnement ressort suffisamment de ce qui précède pour qu'il soit inutile d'insister à ce sujet et qui présentent, par rapport aux systèmes en question déjà existant, une amélioration du pouvoir de séparation ce à la plus grande vitesse de rotation du mélange. Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite pas à ceux de ses modes d'application et de réaUsation qui ont été plus spécialement envisagée S elle en embrasse, au contraire, toutes les varian- tes. REVENDICATIONS 1 - Dispositif permettant de séparer les éléments constitutifs d'un mélange gazeux gracie à la force centrifuge, caractérisé par le fait qu'il comporte une structure composée d'éléments de forme allongée de haute résistance disposés radialement au tour d'un axe central de rotation tournant à très grande vi- tesse à l'intérieur d'une enceints 2 - Dispositif selon revendication 1 caractérisé par le fait que l'enceinte tourne comme le bol d'une centrifugeuse classique coaxialement à la structure radiale, nais à une vitesse infé rieur à celle-ci. 3 - Dispositif selon revendications 1 ou 2 caractérisé par le fait que les éléments radiaux ont des renflements de forme convenable pour permettre de délimiter un espace annulaire occupé par les gaz autour de l'axe de rotation. 4 - Dispositif selon revendications 1, 2 ou 3 caractérisé par le fait que les éléments radiaux ont une forme choisie pour il- primer aux gaz un mouvement supplémentaire, soit d'accéléra tion rotative, soit de translation parallèle ou perpendicu laire à l'axe, soit la combinaison de ces mouvements. 5 - Dispositif selon revendication 1, 2* 3 ou 4 caractérisé par le fait que la structure radiale est constituée de formes allongées ou fibres continues d'une extrémité à l'autre, tra versant une ase centrale située autour de l'axe de rotation, leurs parties extérieures à cette ame étant radiales, leur partie intérieure à l'ame étant convenablement courbée pour permettre leur disposition et leur assemblage côte-à-côte. 6 Dispositif selon revendication 5 caractérisé par le fait que les fibres sont groupées dans un plan perpendiculaire à l'axe autour de l'aue ayant alors la forme d'une rondelle circulai r-. Elles occupent alors sur sa périphérie l'intérieur de 2 angles opposés, de part et d'autre du contre. La structure est obtenue par l'empilage de ces rondelles dé- calées d'un angle convenable pour former une brosse réguliè- r-;*