Brevet FR2655566A1 — publié le 19910614

Le secteur technique de la présente invention est celui des dispositifs de dispersion des particules solides dans un fluide. Un dispositif de dispersion doit permettre, à titre d'exemple de pallier la difficulté de conserver certains produits chimiques instables sur une longue durée. Ainsi, par réaction entre le solide B dispersé dans un liquide C, la synthèse d'un produit liquide P permet d'envisager l'utilisation immédiate de ce produit et d'éviter ainsi les problèmes de dégradation liés à son stockage. D'autre part, la dispersion de solide dans un liquide peut, par intégration, favoriser la charge de ce liquide (coloration,..) Le brevet US-A-4 009 005 décrit une méthode pour disperser un solide particulier, l'acide trichlorocyanurique et isocyanurique, dans un liquide particulier, l'hydroxyde de sodium. Pour cela, on utilise un réacteur contenant le liquide maintenu sous agitation constante et on introduit le solide à l'aide d'un recyclage du liquide. La dispersion est donc réalisée au cours du temps et non pas instantanément. Le brevet EP-A- 102 333 décrit également une méthode de dispersion d'un solide mettant en oeuvre un moyen de centrifugation. La dispersion est obtenue comme précédemment au cours du temps et non pas intantanément. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif de dispersion d'un solide dans un fluide de faible densité dans lequel la dispersion est rapide et immdiate, induisant un mélange homogène et isotrope. L'invention a donc pour but un dispositif pour disperser des particules d'un solide pulvérulent dans un fluide de faible densité comprise entre environ 0,5 et 1,7, caractérisé en ce qu'il comprend une première enceinte renfermant le solide pulvérulent, une seconde enceinte disposée à proximité de la première et renfermant le fluide et des moyens pour engendrer une pression de l'ordre de 1 MPa au niveau du solide pulvérulent pour le projeter dans le fluide, le volume de la première enceinte étant inférieur au volume de la seconde. Les moyens pour engendrer la pression peuvent être constitués par une composition pyrotechnique confinée actionnant, par les gaz de combustion engendrés, un moyen de projection du solide dans le fluide. La première enceinte peut être intégrée à un cylindre au voisinage de son extrémité adjacente à la seconde enceinte. Les moyens pour engendrer la pression peuvent être intégrés dans le cylindre, la composition pyrotechnique étant placée au niveau de l'autre extrémité du cylindre. Le moyen de projection peut être constitué par un piston prolongé par une plaque d'éjection et une tige s'étendant au sein du solide pulvérulent contenu dans la première chambre, le piston étant actionné par la pression des gaz dans le cylindre. Les première et seconde chambres peuvent être fer mees de façon étanche chacune par une paroi étanche fracturée successivement par la tige, puis par la plaque d'éjection pour mettre en communication les deux chambres et introduire le solide dans le fluide. La première enceinte peut être encastrée dans la seconde enceinte et peut présenter un fond fragilisé, les moyens pour engendrer la pression étant intégrés dans la première enceinte. Les moyens pour générer la pression peuvent être constitués par un cylindre de poudre fixé à un couvercle de fermeture de la première chambre et entouré par un tube fixé à son extrémité fermée au couvercle, l'autre extrémité étant ouverte. Le moyen de projection peut être constitué par un fourreau tubulaire monté étanche et coulissant par rapport au tube, dont le fond coiffe l'extrémité ouverte du tube, et dont le col est solidaire d'une plaque d'éjection adjacente au couvercle. La composition pyrotechnique peut être de la poudre noire, le solide pulvérulent du talc et le fluide un hydrocarbure. Un avantage de la présente invention réside dans le fait que la dispersion se déroule en un temps inférieur à 1 milliseconde. Ainsi, le produit final peut être immédiatement utilisé pour éviter tous les risques d'accidents dus à l'utilisation d'une enceinte de fluide sous pression dans le cadre d'une réaction exothermique confinée. Un autre avantage réside dans la simplicité de l'assemblage des deux enceintes pour mettre en oeuvre une réaction entre solide et fluide. Un autre avantage réside le rapport surprenant obtenu masse dispersée sur masse du disperseur. Ce rapport acquiert son plein intérêt en cas d'utilisation d'un disperseur embarqué par exemple à bord d'un aéronef. Un autre avantage réside dans le délai de vieillissement qui est équivalent à celui de la composition pyrotechnique, de la poudre à disperser et du fluide récepteur. D'autres avantages de l'invention seront mieux compris à la lecture du complément de description qui va suivre de modes de réalisations données à titre d'illustration en relation avec un dessin sur lequel - la figure 1 est une coupe longitudinale illustrant un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une coupe longitudinale illustrant un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention, L'intégration de plusieurs fonctions mécaniques dans un dispositif mécanique conduit à un disperseur performant prouvant un rapport masse à vide/masse solide dispersé optimal. Le compromis entre la quantité de poudre A géndrant une pression optimale et le covolume minimal nécessaire est obtenu grace à l'amélioration du système de propulsion. L'optimisation du disperseur repose sur deux critères préponddrants : la masse à vide et la qualité de la dispersion. Les fonctions "mise en mouvement" et guidage du piston représentent des volumes et des masses qu'il convient de maîtriser avec soin. Selon l'invention, la conception des pièces assu rant ces fonctions (chambre de combustion, fractureur, dispersion) permet de réduire considérablement la masse à vide du disperseur. La chambre de combustion est donc constituée d'une partie fixe (cylindre porte-poudre) et d'une partie mobile (piston et plaque éjectrice) jouant le rôle de fractureur et de disperseur. Le cylindre porte poudre est ouvert à une extrêmité, ce qui permet lors de la mise en oeuvre du dispositif, d'obtenir une augmentation du volume de la chambre de combustion. Ainsi, le compromis entre la pression générée et la masse d'acier nécessaire, optimisé, la réalisation de cette pièce à triple fonction permet pour une masse de poudre faible, d'obtenir une pression optimale générant une dispersion de qualité. Par ailleurs, l'adaptation d'un tube porte poudre permet de réduire les risques d'explosion intempestive par sa mise en place au dernier moment. D'autre part, le guide associé à la plaque éjectri- ce, coulissant le long de la partie fixe de la chambre de combustion, interdit les contacts entre le solide et les gaz confinés dans la chambre. L'étanchéité du disperseur est garantie par des filetages à profil gaz, usinés sur les pièces. Les étanchéités aux interfaces sont assurées par des joints plats à adapter aux produits. Sur la figure 1, on a représenté une coupe longitudinale du dispositif selon l'invention où on voit un élément de stockage surmontant une partie d'expansion 2 elle-même liée à une structure portante 3. La partie 1 est constituée d'un cylindre 4 comprenant trois chambres 5, 6 et 7. La chambre 5 est dite chambre de combustion, car elle renferme la composition pyrotechnique A générant une pression de gaz. Son volume est de l'ordre de 300 cm3 et elle peut contenir environ 25 g de poudre noire. On choisit la poudre noire pour la simplicité de son allumage, le risque d'interaction entre les gaz et le solide étant nul. Les caractéristiques et la composition de la poudre noire retenue pour les essais de faisabilité sont potentiel 755 cal/g force 0,250 MJ/kg composition 74 % nitrate de potassium 10,4 % soufre complément de charbon de bois 0,05 % graphite La pression maximale dans cette chambre 5 de combustion peut atteindre 16.107 Pa. La chambre 6 renferme le piston 8 et assure un guidage de celui-ci. Le piston 8 est creux pour offrir un volume supplémentaire d'expansion des gaz de combustion. L'étanchéité entre le piston 8 et la chambre 6 est améliorée par le joint d'étanchéité 12. Le piston 8 porte au niveau de son extrémité pleine une plaque 9 et une tige 10 qui fixe la plaque au piston. La tige 10 s'étend dans la chambre 7 qui renferme le composé solide B.Son volume est de l'ordre de 300 cm3. La longueur de cette tige doit être au plus égale à la longueur (1) de la chambre 7. La longueur du piston est telle que la bague d'arrêt limite sa course par l'intermédiaire de la plaque alors que le joint d'étanchéité se situe encore dans la chambre de guidage. I1 n'y a donc aucun contact entre les gaz de combustion et le solide pulvérulent. La chambre 7 est fermée par une paroi étanche 11 de faible résistance mécanique qui doit se rompre partiellement en premier lieu par l'impact de la lige 10 puis complètement par l'impact de la plaque 9. Le cylindre 4 est maintenu en appui constant sur une plaque de réception 14 à l'aide de deux tirants 15 et d'une plaque 16 d'appui et de serrage. La plaque 16 comporte un trou 17 recevant les moyens d'initiation de la composition pyrotechnique A. Les plaques 14 et 15 sont munies avantageusement d'évidements circulaires dans lesquelles sont positionnées les extrémités du piston 4. La plaque 14 comporte de plus un orifice circulaire 18 dont le diamètre est au maximum égale au diamètre de la chambre 7. L'orifice 18 est fermé par une paroi étanche 13 appliquée contre la plaque 14 par un moyen de fixation 19 ; ce dernier peut se présenter comme montré sur la figure par une plaque. ta partie d'expansion 2 est constituée essentiellement par une cuve 20 renfermant le liquide C dans lequel le solide B doit être introduit. Elle est disposée en vis-à-vis du trou 18 en appui sur la structure partante 3 dans une utilisation statique verticale, comme montré sur la figure. Deux tirants 21 permettent d'assurer un espace suffisant entre la structure 3 et la plaque 14 pour permettre la réception de la cuve 20. Dans le cas d'une autre utilisation, la cuve 20 est fermée par un moyen adéquat et fixée sur la structure 3 ou bien par application étanche de la plaque 14 à l'aide des tirants 21. Le fonctionnement est le suivant : pour assurer le mélange du soldie B contenu dans la chambre 7 et du liquide C contenu dans la cuve 20, on provoque l'initiation de la composition pyrotechnique A de la chambre 5. Le dégagement ins tantané de gaz produit entraîne la propulsion violente du piston 8 dont la tige 10 rompt successivement les plaques 11 et 13 ; puis la plaque 9 assure la rupture complète successive de ces plaques en entraînant le solide B et sa projection dans le liquide C. A titre indicatif, le solide B peut être une poudre de talc. Ainsi, l'utilisation d'une substance pyrotechnique pour la mise en oeuvre du dispositif moteur permettant une dispersion violente du solide dans le fluide, après fracturation de la paroi les séparant, permet d'obtenir un mélange rapide, homogène et isotrope des substances B et C. Les essais de faisabilité sont effectués en dispersant du talc dans un liquide du type hydrocarbure, connu sous la dénomination commerciale "Fluxelf" (mouillant du solide pulvérulent), ayant une densité de 0,8. Deux types de cuve sont utilisés : 1. Une cuve en verre permettant de visualiser la dispersion, 2. Une cuve en acier munie de plusieurs moyens de mesure de la température, de la pression et pour effectuer des prelèvements. Le bon fonctionnement ainsi que la résistance meca- nique du dispositif ont été vérifiés par une série de tirs en bunker. Les nombreux films réalisés au moyen d'une caméra rapide HYCAM, sur des tirs en chambre d'explosion, montrent que ce système à propulsion permet une dispersion de qualité et une homogéneisation rapide du mélange. Ainsi pour un essai, employant une quantité de poudre noire (PN6) égale à 3 g, le temps total de dispersion du talc dans 1,68 litres de "FLUXELF", est de l'ordre de 430 ms. Le solide pulvérulent est projeté suivant l'axe du piston 8 aussi, durant les premières millisecondes, la dispersion s'effectue préférentiellement au détriment des zones latérales. Le rayon du nuage de dispersion obtenu est égal à 40 rnm. Cependant le fond de la cuve joue le rôle de dd- flecteur et assure ainsi une bonne homogéneSisation du mdlan- ge. L'optimisation du système de propulsion dans le cas du prototype permet de supprimer ce problème. En effet, le rapport rayon nuage dispersé/rayon disperseur obtenu, permet de s'attendre à obtenir une dispersion sans direction privilégiée du solide dans le fluide. Les problèmes d'adaptation du système et de sa motorisation aux critères physiques du conteneur, afin que la fonction de déflecteur ait lieu, seraient ainsi supprimés, car la dispersion serait par définition isotrope. Sur la figure 2, on a représenté un autre mode de realisation du disperseur selon l'invention dans lequel l'intégration des trois chambres a été améliorée. En effet, l'élément de stockage 1 est placé à l'intérieur de la partie expansion 2. La partie 2 est constituée d'un réservoir 20 renfermant le liquide A et présentant une paroi pleine 23 munie d'une ouverture à l'intérieur de laquelle est placée la cuve 7 renfermant le solide B, de façon à constituer un ensemble compact. L'étanchéité entre le couvercle 22 et la cuve 24 est obtenue grâce au joint 25 et l'étanchéité entre la cuve 7 et le réservoir 20 par le joint 26. Le moyen de fracturation est ici constitué par un fourreau tubulaire 27 soli daire en translation d'une plaque 28 placée à l'intérieur de la cuve 7.Le couvercle 22 porte un tube 29 vissé à une ex trématé sur celui-ci. A l'intérieur de ce tube 29, est placé un tube porte poudre 30 délimitant avec la paroi interne du tube 29 la chambre d'expansion A. Le tube 29 est ouvert à une extrémité et reçoit à l'autre la tête support 31 du tube porte poudre 30. Un écrou 32 permet de fixer la tête 31 au couvercle 22. L'étanchéité entre le fourreau 27 et le tube 29 est réalisée grâce au joint torique 33. La cuve 7 comporte une rainure 34 pour faciliter la rupture de son fond. Le fonctionnement est le suivant. Après initiation de la poudre noire contenue dans le tube 30, les gaz de combustion génèrent une pression au niveau du fond du fourreau 27, ce qui provoque la translation de celui-ci par rapport au tube 29, la rupture du fond de la cuve 7. Simultanément, la plaque 28 coulisse dans la cuve 7 entraînant le solide B dans l'enceinte 20. Le fond de la cuve 7 détaché et déformé s'enfonce dans le liquide C en y créant des turbulences facilitant le mélange, suivit par le solide pulvérulent poussé par la plaque 28. Ce nouveau concept de disperseur solide-liquide, s'appuyant sur une option pyrotechnique et sur un système de propulsion original permet d'atteindre une dispersion rapide du solide dans le fluide, compatible avec les impératifs d'homogéneoisation du mélange de vitesse réactionnelle et de résistance mécanique, imposés. L'optimisation des dispositifs moteur mis en oeuvre par des voies pyrotechniques permet de réaliser un appareil de dispersion le plus léger possible, pouvant être assemblé simplement et rapidement, si nécessaire à un autre sousensemble (cuve). REVENDICATIONS 1 - Dispositif pour disperser des particules d'un solide pulvérulent dans un fluide de faible densité comprise entre environ 0,5 et 1,7, caractérisé en ce qu'il comprend une première enceinte (7) renfermant le solide pulvérulent, une seconde enceinte (20) disposée à proximité de la première et renfermant le fluide et des moyens (5, 8, 10) pour engendrer une pression de l'ordre de 1 MPa au niveau du solide pulvérulent et le projeter dans le fluide, le volume de la première enceinte étant inférieur au volume de la seconde. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les moyens pour engendrer la pression sont constitués par une composition pyrotechnique confinée actionnant, par les gaz de combustion engendrés, un moyen de projection du solide dans le fluide. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première enceinte (7) est intégrée à un cylindre (4) au voisinage de son extrémité adjacente à la seconde enceinte (20). 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens pour engendrer la pression sont intégrés dans le cylindre, la composition pyrotechnique étant placée au niveau de l'autre extrémité du cylindre. 5 - Dispositif selon la revendication 3 ou 4, ca ractérisé en ce que le moyen de projection est constitué par un piston (8) prolongé par une plaque d'éjection (9) et une tige (10) s'étendant au sein du solide pulvdrulent contenu dans la première chambre (7), le piston étant actionné par la pression des gaz dans le cylindre. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que les première et seconde chambres sont fermées de façon étanche chacune par une paroi étanche (9, 13) fracturées successivement par la tige (10), puis par la plaque d'éjection (9) pour mettre en communication les deux chambres et introduire le solide dans le fluide. 7 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la première enceinte (7) est encastrée ou rajoutée dans la seconde enceinte et présente un fond fragilisé, les moyens pour engendrer la pression étant intégrés dans la première enceinte. 8 - Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens pour générer la pression sont constitués par un tube porte poudre (30) fixé à un couvercle (22) de fermeture de la première chambre (7) et entouré par un tube (29) fixé à son extrémité fermée au couvercle, l'autre ex trématé étant ouverte. 9 - Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le moyen de projection est constitué par un fourreau tubulaire (27) monté étanche et coulissant par rapport au tube (29), dont le fond coiffe l'extrémité ouverte du tube, et dont le col est solidaire d'une plaque d'éjection (28) adjacente au couvercle (22). 10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 2 à 9, caractérisé en ce que la composition pyrotechnique est de la poudre noire, le solide pulvérulent est du talc et le fluide un hydrocarbure.