Brevet FR2293971A1 — publié le 19760709

La présente invention a pour objet un appareil propre à servir pour lthomogénéisation d'échantillons et qui utilise l'énergie d'ultra-sons pour agir sur les constituants qui s'y trouvent présents sous forme de grosses particules, en vue d'aboutir finalement à quelque chose d'entièrement homogène. Les dispositifs du genre en question sont généralement appelés homogénéiseurs. Il est connu dans la technique antérieure de mettre en oeuvre les ultra-sons dans le traitement d'échantillons qui ne se trouvent pas à ltétat parfaitement homogène en ce qui concerne leurs ingrédients constitutifs, mais au contraire les renferment sous la forme de grosses particules ; c'est ainsi, par exemple, que dans le lait, la graisse se présente sous la forme de globules, de sorte qu' il ne s'agit pas d'un mélange parfaitement homogène. Grace à la présente invention lton réalise un perfectionnement net vis-à-vis des dispositifs de la technique antérieure, sans cependant que le prix de revient total de l'appareil ne s'en trouve accru dans la même mesure que si l'on voulait obtenir un résultat aussi parfait par les procédés connus. On connaSt actuellement deux types principaux d'homogénéiseurs à ultra-sons. Dans l'un d'eux le temps durant lequel l'échantillon demeure dans la zone d'action de la tête ultra-sonore est relativement long et par conséquent la quantité de liquide sur laquelle les ultra-sons agissent est comparativement élevée par rapport à la dimension de la tête. La quantité d'énergie par unité de temps et de volume est alors relativement faible, ce que compense le plus long temps de séjour. Dans le second type cette quantité de liquide qui se trouve soumise au traitement à tout instant donné est au contraire aussi faible que cela puisse se faire de façon pratique et le temps de séjour de l'échantillon dans la zone de traitement est particulièrement court ; mais cela est compensé par mise en oeuvre d'une forte puissance acoustique par unité de volume dans le domaine du temps de séjour précité. La présente invention se rattache à ce second type de dispositifs, ctest-à-dire qu'il doit être entendu que la quantité de liquide soumise au traitement à chaque instant donné y est faible* notamment si l'on compare son poids avec la dimension de la tête ultra-sonore, le temps de séjour durant lequel l'échantillon demeure dans lthomogénéiseur étant très court. On sait bien, à partir de bases théoriques ou même d'autre manière, qu'il est possible d'obtenir de meilleurs résultats quand on fait agir en plusieurs fois une certaine quantité d'énergie sur l'échantillon à homogénéiser, que lorsqu'on cherche à lui appliquer cette même quantité en un seul point de traitement. On a jusqu'ici admis que la solution de ce problème concernant le traitement en plusieurs phases entrarnait obligatoirement l'uti- lisation de plusieurs émetteurs ultra-sonores. La base sur laquelle repose la présente invention réside dans cette observation qu'on peut utiliser les vibrations qui apparaissent à l'une et à l'autre extrémité d'un même émetteur. En d'autres termes ltéchantillon peut être traité dans les zones correspondant aux deux faces d'extrémité du vibrateur, grâce à quoi le nombre des phases de traitement peut être le double de celui des émetteurs ultra-sonores. Cette utilisation des deux faces d'extrémité de l'émetteur pour ltapplication d'énergie à l'échantillon constitue quelque chose de plus inattendu qu'on ne pourrait l'estimer à première vue. Tout technicien des ultra-sons sait bien qu'un émetteur ultra-sonore est toujours relié avec une tête de traitement faite en une matière appropriée, le plus souvent en métal, et par l'intermédiaire de laquelle lténergie qutil engendre se trouve transmise et concentrée au point désiré. Les caractéristiques oscillatoires de cette tête de traitement sont extrêmement critiques en ce qui concerne la quantité d'énergie fournie par l'émetteur, et la valeur du coefficient de qualité ou coefficient Q de la tête définit presque sans ambigüité la quantité d'énergie reçue par la pièce sur laquelle on travaille, si l'on considère l'opération dans le cadre d'un émetteur donné, c'est-à-dire si l'on compare deux émetteurs ultra-sonores dont les caractéristiques sont autrement égales.On peut montrer que énergie engendrée est proportionnelle au carré de la valeur mécanique du coefficient Q. Il en résulte qu'un technicien qui voudrait établir une tête ultra-sonore considérerait très certainement cette étude sous gle de la valeur théorique du coefficient Q susceptible d'être obtenue dans chaque cas particulier. Comme l'une des extrémités de la tête se trouve dans un liquide (savoir dans l'échantillon à traiter), des comparaisons théoriques montrent alors que si l'on examine deux possibilités, l'une comportant un émetteur ultra-sonore avec une seule tête de traitement immergée dans le liquide, et l'autre prévoyant des têtes disposées symétriquement de part et d'autre dudit émetteur, conformément à la théorie le coefficient Q de l'émetteur à deux faces utiles ne serait que la moitié de celui de l'émetteur à face utile unique.Par conséquent sur la base de telles considérations théoriques le technicien concluerait que dans le cas de la disposition symétrique la puissance P1 appliquée à partir de chaque face d'extrémité ne serait que le quart de celle obtenue d'un émetteur à tete unique. La puissance combinée de deux têtes de traitement symétriques, soit 2 x Pi, ne serait donc que la moitié de celle susceptible d'être appliquée à la pièce (le liquide) par une seule tête de traitement. Ce raisonnement théorique, ou l'expérience pratique équivalente des techniques ultra-sonores, élimine d'ordinaire le choix d'une disposition suivant laquelle on utiliserait un système de traitement double, symétrique par rapport à l'émetteur ultra-sonore, parce que l'abaissement de la puissance à la moitié seulement réduirait évidemment par trop l'effet total obtenu. Toutefois, suivant la présente invention, il a été découvert que l'intervention de la cavitation provoque un changement radical dans la situation. L'effet de charge de l'espace liquide reste en réalité minimal pendant le demi-cycle où apparaît le vide, et cela fait que la valeur du coefficient Q du vibrateur augmente de façon absolument remarquable dès qu'on a dépassé le seuil de la cavitation.Comme en outre l'échantillon est comparativement petit par rapport à la tête ultra-sonore, ce vibrateur peut être considéré comme un oscillateur libre même à l'état chargé. Ainsi la valeur du coefficient Q ne s'abaisse finalement pas de moitié quand on applique la disposition symétrique, mais il est simplement diminué d'une très faible fraction. Par conséquent la puissance prélevée à partir de chaque extrémité de l'émetteur ne se trouve abaissée que d'une façon modérée, qui permet en fait que la puissance totàle susceptible d'être fournie à l'échantillon soit plus forte que dans le cas d'un émetteur à tête de traitement unique. On comprend donc qu'avec la disposition suivant l'invention l'on obtienne en fait une augmentation de puissance en plus de l'avantage assuré par le traitement de l'échantillon en deux phases, dont on sait autrement qu'il améliore l'effet de lthomogénéiseur. Le dessin annexé, donné à titre d'exemple, permettra de mieux comprendre l'invention les caractéristiques qu'elle présente et les avantages qu'elle est susceptible de procurer Fig. 1 représente la charabre de traitement de la tête ultra-sonore avec la partie correspondant à la circulation de l'échantillon en faisant ainsi ressortir la petitesse de ce dernier par rapport à la tête. Fig. 2 est un croquis sommaire montrant la disposition symétrique des têtes de traitement de part en d'autre de l'émetteur ultra-sonore. La chambre de traitement 10 représentée en fig. 1, et qui est délimitée par la tête ultra-sonore 12 et la contre-pièce 20 placée en face d'elle, ne constitue nullement une nouveauté en soi ; on peut en trouver l'équivalent dans la technique antérieure connue. La chambre 10 est également délimitée par un joint 18 qui constitue liaison élastique entre la tête et la contre-pièce en empechant toute fuite à partir de ladite chambre 10, de l'échantillon qui s 1écoule par les canaux de liaison 16. L'émetteur ultra-sonore 14 proprement dit n' a pu être représenté en fig. 1 ; ce peut être tout dispositif approprié susceptible d'engendrer des ultra-sons, du type électrique ou autre. Fig. 2 est un croquis très sommaire montrant la disposition suivant l'invention et qui est symétrique par rapport à cet émetteur 14.Les êtes ultra-sonores 12 sont d'ordinaire faites en un métal approprié, par exemple en aluminium, et elles concentrent dans les chambres de traitement 10 la puissance des oscillations déterminées par l'émetteur, ces chambres 10 étant elles aussi disposées de façon symétrique de part et d'autre de l'émetteur, le tout comme montré fig. 2. L'échantillon à traiter est refoulé à l'aide de moyens non représentés, tels que des pompes par exemple, d'abord dans l'une des chambres de traitement 10, puis à l'aide du tube 16, dans ltau- tre chambre. La substance liquide à traiter, telle que du lait, est alors homogénéisée dans les chambres, et ses constituants, initialement de dimensions irrégulières dans l'échantillon, par exemple les globules de graisse du lait, sont dispersés et réduits quant à leur taille en raison des phénomènes de cavitation, jusqu'à se trouver répartis de façon homogène dans toute la masse du liquide, ce qui constitue le but final de l'ensemble de lthomogénéiseur. Il doit d'ailleurs être entendu que la description qui précède nra été donnée qu'à titre d'exemple et qu'elle ne limite nullement le domaine de l'invention dont on on sortirait pas en remplaçant les détails d'exécution décrits par tous autres équivalents. R E- V E N D I C A T 1 O N S 1. Appareil pour le traitement d'un échantillon sous forme liquide, par exemple en vue de son homogénéisation, par application d'énergie ultra-sonore à une petite quantité de ce liquide à chaque instant considéré, par exemple en le faisant circuler dans l'appareil, caractérisé en ce que pour réaliser cette application d'énergie en plusieurs phases, ce qui, comme on le sait dans la technique antérieure, améliore l'effet de l'homogénéisation pour une quantité d'énergie donnée, ledit appareil comporte des espaces de traitement d'échantillon prévus (avec interposition de moyens de concentration) sur les deux extrémités vibrantes du ou des émetteurs ultra-sonores utilisés, et en ce qu'il comprend des organes propres à transférer - le liquide d d'un espace à l'autre, de façon que le nom bre des phases de traitement puisse être le double de celui des émetteurs. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le transfert des fractions de l'échantillon d'un espace de traitement à l'autre s'effectue de façon continue par le moyen d'une pompe dtalimentation et de canalisations de liaison. 3. Appareil suivant l'une quelconque des'revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'émetteur ultra-sonore est constitué par un cristal piézo-électrique. 4. Appareil suivant l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'émetteur ultra-sonore est contitué par un dispositif à magnétostriction.