Brevet FR2742488A1 — publié le 19970620

DISPOSITIF DE DÉPLACEMENT D'UN LIQUIDE NOTAMMENT DANS DES CONDITIONS DE GRAVITÉ RÉDUITE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif de déplacement d'un liquide notamment dans des conditions de gravité réduite. L'invention permet le mélange de liquides de natures, de compositions ou de températures différentes, ainsi que le convoyage de tels liquides. L'invention est tout particulièrement intéressante dans des conditions de gravité réduite (micro-gravité). C'est pourquoi l'invention a tout particulièrement des applications spatiales pour lesquelles il est nécessaire de mélanger ou de convoyer des liquides (par exemple dans des laboratoires spatiaux). Dans les conditions de micro-gravité, le mélange de liquides se fait par diffusion et donc extrêmement lentement. De plus, on ne peut plus compter sur la gravité pour déplacer les liquides. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Les techniques actuellement utilisées pour le mélange et le convoyage de liquides, dans des conditions de micro-gravité, utilisent des moteurs. Plus précisément, ces techniques utilisent les moyens suivants les systèmes péristaltiques les pompes à palettes les mélange d'aérosols le forçage de liquides dans des milieux poreux les systèmes de conteneurs à diaphragmes déformables par des pistons les ultrasons. L'utilisation de tels moyens moteurs présente l'inconvénient d'introduire des vibrations dans un milieu de gravité réduite où l'on cherche a priori à réduire de telles vibrations. De plus, un moteur présente une usure relativement rapide et des risques de panne. On connaît déjà, par le document US-A-4 813 851 auquel on se reportera, un dispositif destiné à déplacer un liquide sans utiliser aucun moteur. On connaît aussi, par le document DD-A-206 691 auquel on se reportera, un dispositif d'homogénéisation d'un liquide qui n'utilise aucun moteur. Ces deux dispositifs connus utilisent l'effet Marangoni pour homogénéiser ou déplacer un liquide. Cet effet Marangoni nécessite qu'une surface libre du liquide (interface liquide - autre liquide ou liquide - gaz) soit soumise à un gradient de température ou de concentration chimique. La tension superficielle du liquide varie avec la température ou la concentration. Par exemple, elle décroit généralement avec la température, ce qui fait que, étant donné un liquide présentant un gradient de température, la surface du liquide froid est à un niveau énergétique plus élevé que la surface du liquide chaud et, pour minimiser son énergie, le système des liquides chaud et froid va établir un mouvement à la surface de manière à remplacer le liquide froid par du liquide chaud. Ce mouvement se transmet à l'ensemble du liquide et permet de l'homogénéiser ou de le transporter d'un endroit à un autre. Le document US-A-4 813 851 décrit un dispositif de déplacement d'un premier liquide à l'intérieur d'une canalisation dont la surface interne est recouverte d'un deuxième liquide non miscible au premier. Ce dispositif présente toutefois l'inconvénient de la pollution du premier liquide par le deuxième. De plus, la vitesse du premier liquide est limitée du fait de la viscosité relative des deux liquides. En outre, le mélange de liquides n'est pas envisagé dans ce document. Le document DD-A-206 691 décrit l'utilisation de l'effet Marangoni pour homogénéiser une masse liquide lors de la croissance d'un cristal par la méthode de fusion de zone. Outre qu'il soit spécifique à cette méthode de fusion de zone, ce dispositif exclut la présence d'une canalisation ou d'un récipient susceptible de contenir le liquide, de le manipuler et de l'isoler de l'extérieur. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précédents. Elle a pour objet un dispositif de déplacement d'un liquide, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de réception d'un liquide, ces moyens de réception ayant au moins une paroi interne pourvue de rainures, cette paroi étant faite d'un matériau qui mouille mal ou ne mouille pas le liquide, ce liquide présentant un gradient de concentration ou de température, les rainures étant orientées approximativement selon la direction de ce gradient, de manière à déplacer le liquide par effet Marangoni. Selon un premier mode de réalisation particulier du dispositif objet de 1 invention, le liquide présente par lui même le gradient de concentration ou de température. Selon un deuxième mode de réalisation particulier, le dispositif objet de l'invention comprend en outre des moyens de génération du gradient de température. Dans ce cas, ces moyens de génération peuvent comprendre des moyens de chauffage de liquide, ces moyens de chauffage étant placés à une extrémité de ladite paroi des moyens de réception. Alors, le dispositif peut comprendre en outre des moyens de refroidissement du liquide placés du côté de l'autre extrémité de ladite paroi. Selon un premier mode de réalisation particulier de l'invention, les rainures s'étendent longitudinalement sur ladite paroi. Selon un deuxième mode de réalisation particulier de l'invention, les rainures sont aptes à donner un mouvement de rotation au liquide par effet Marangoni. Dans ce cas, on peut utiliser des moyens de réception de forme tubulaire et des rainures hélicoïdales. Les moyens de réception du liquide peuvent être fermés. Au contraire, ils peuvent être ouverts en deux extrémités, ces deux extrémités communiquant respectivement avec deux récipients en vue de transférer le liquide de l'un de ces récipients à 1 ' autre. Dans les moyens de réception du liquide, ce liquide peut être en contact avec un gaz ou avec la vapeur saturante de ce liquide ou avec le vide. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés ci-après, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels la figure 1 est une vue schématique d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, la figure 2 illustre schématiquement le phénomène de mouillage composite du liquide sur des rainures que comprend le dispositif de la figure 1, la figure 3 est une vue schématique et partielle d'un autre mode de réalisation particulier du dispositif objet de l'invention, comprenant un récipient de forme tubulaire, la figure 4 est une vue schématique d'un dispositif conforme à l'invention dans lequel ce récipient de forme tubulaire est fermé, la figure 5 est une vue schématique d'un autre dispositif conforme à l'invention dans lequel ce récipient de forme tubulaire est ouvert en deux extrémités qui sont respectivement raccordées à deux récipients, et la figure 6 illustre schématiquement la possibilité d'utiliser, dans la présente invention, des rainures de forme hélicoïdale. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Le dispositif conforme à l'invention, qui est schématiquement représenté sur la figure 1, comprend un récipient 2 formé par une cavité qui est par exemple parallélépipédique et réalisée dans un support quelconque 4. Cette cavité 2 contient un liquide 6 par exemple métallique. Le dispositif de la figure 1 comprend aussi un élément chauffant 8 placé du côté d'une extrémité de la cavité 2. Cet élément chauffant permet de créer un gradient thermique dans le liquide contenu dans cette cavité, ce gradient thermique étant orienté suivant la longueur de la cavité. Le dispositif de la figure 1 comprend aussi un couvercle 10 qui ferme la cavité et qui recouvre la surface du liquide. Ce couvercle 10 comprend, sur sa paroi située en regard du liquide et constituant ainsi une paroi interne du récipient fermé par ce couvercle, des rainures longitudinales 11. Ce sont des rainures parallèles qui s'étendent suivant la longueur de la cavité c'est-à dire parallèlement au gradient thermique établi grâce à l'élément chauffant 8. Dans ces conditions, le liquide contenu dans le récipient est animé d'un mouvement symbolisé par le circuit fermé 12 représenté sur la figure 1. Ceci résulte de l'effet Marangoni mentionné plus haut. A titre purement indicatif et nullement limitatif, la cavité a une longueur de 40 mm, une largeur de 7 mm et une profondeur de 7 mm, le gradient thermique appliqué est inférieur à 1"C par centimètre et les rainures longitudinales ont 1 mm de hauteur et 1 mm de largeur à la base. La vitesse de déplacement du liquide dans la cavité est alors environ égale à 0,5 cm par seconde. On dispose ainsi d'un dispositif conforme à l'invention qui permet d'homogénéiser le liquide 6 contenu dans le récipient 2. La figure 2 illustre schématiquement le phénomène de mouillage composite du liquide 6 sur les rainures 11. On précise que le matériau dont est fait le couvercle 10 présentant ces rainures n'est quasiment pas mouillé par ce liquide. Ainsi, ce dernier ne pénètre pas dans ces rainures, tout particulièrement en l'absence de pression hydrostatique pour l'y forcer. Dans ce cas, on crée, entre deux aspérités, une surface libre 14 entre le liquide 6 et le gaz 16 présent dans les rainures. Pour ce faire, il faut cependant que l'angle maximal a de la paroi de chaque rainure par rapport à la surface macroscopique du liquide soit supérieure à 7t-0, O étant l'angle de mouillage du liquide sur le matériau dont est fait le couvercle 10. La figure 3 est une vue schématique et partielle d'un autre dispositif conforme à l'invention. Ce dispositif de la figure 3 comprend un tube 18 dont la paroi interne comprend des rainures longitudinales 20 qui s'étendent sur toute la longueur du tube suivant l'axe X de celui-ci. Un liquide est destiné à se déplacer dans ce tube par effet Marangoni et le matériau constitutif de ce tube est tel que le liquide mouille mal ou ne mouille quasiment pas ce matériau. Dans ce cas, toute différence de température ou de composition chimique du liquide entre les deux extrémités du tube va engendrer un mouvement de surface du liquide entre ces extrémités. La figure 4 illustre schématiquement le cas où le tube 18 est fermé en ses deux extrémités par des bouchons 22 et 24. Dans ce cas, le liquide 26 enfermé dans le tube va être homogénéisé par effet Marangoni. On a symbolisé par des flèches 28 le mouvement du liquide dans le tube. La figure 5 illustre schématiquement le cas où les deux extrémités du tube 18 sont respectivement reliées à deux conteneurs 30 et 32 de façon étanche. Dans ce cas, étant donné un gradient thermique établi entre les deux extrémités du tube suivant l'axe X de celui-ci, le liquide 26 va se déplacer du côté chaud du tube (côté du conteneur 30 dans l'exemple représenté) vers le côté froid de celuici (côté du conteneur 32) On est alors capable de faire passer ce liquide du conteneur 30 (situé du côté chaud) vers le conteneur 32 (situé du côté froid), le déplacement du liquide étant symbolisé par les flèches 34 de la figure 5. Ce liquide peut présenter spontanément une différence de température ou une différence de concentration (différence de composition chimique). Dans le cas où ce liquide ne présente pas spontanément une telle différence, il est possible d'imposer artificiellement une différence de température par des moyens de chauffage qui comprennent par exemple un enroulement chauffant 36 et des moyens non représentés pour l'alimentation électrique de cet enroulement 36. Ce dernier permet de chauffer l'une des extrémités du tube pour établir le gradient thermique. On peut être amené à refroidir l'autre extrémité du tube pour maintenir le gradient thermique constant en fonction du temps. Dans ce cas, on dispose du côté froid du tube soit un dispositif électrique de refroidissement par exemple un dispositif de refroidissement par effet Peltier, soit un dispositif hydraulique 37, à liquide de refroidissement, par exemple. La figure 6 illustre de façon schématique et partielle un autre dispositif conforme à l'invention. Ce dispositif de la figure 6 utilise aussi un tube 38 fait d'un matériau qui mouille mal ou ne mouille pas le liquide 39 destiné à être déplacé grâce à ce dispositif. Cependant, dans le cas de la figure 6, les rainures 40 usinées sur la paroi interne du tube 38 sont aptes à donner en outre un mouvement de rotation au liquide par effet Marangoni. Dans l'exemple représenté sur la figure 6, on utilise des rainures hélicoïdales qui forment donc un filetage dans le tube. Le liquide 39 est alors animé d'un mouvement de translation suivant l'axe X du tube et d'un mouvement de rotation autour de cet axe. On a réalisé une expérience en microgravité, sur un alliage de GaSb dans un tube fermé en quartz à l'intérieur duquel un filetage de 1 mm de profondeur et de 1 mm de largeur était usiné. Le diamètre et la longueur du tube étaient respectivement de 14 mm et de 200 mm. On a appliqué un gradient de température de 100C par centimètre à l'alliage contenu dans le tube. En micro-gravité, après solidification d'un tel alliage en GaSb, on s'attend à obtenir une répartition des espèces chimiques qui soit spécifique d'un transport diffusif dans l'alliage à l'état liquide. Or, on a obtenu une répartition caractéristique d'un liquide parfaitement homogénéisé. Cette homogénéisation résulte de mouvements violents du liquide dus à l'effet du gradient thermique sur la surface libre de ce liquide dans l'interstice du filetage, ces mouvements étant symbolisés par des flèches 42 sur la figure 6. Une analyse détaillée montre que ces mouvements sont plus forts que ceux que l'on obtient avec des rainures longitudinales dont il a été question dans la description de la figure 3. Ainsi, la rotation imposée au liquide par la forme hélicoïdale des rainures contribue fortement à l'amélioration de l'homogénéisation de ce liquide. Pour la mise en oeuvre de la présente invention, on peut utiliser des rainures de l'ordre de 1 mm à quelques millimètres, formées le long des parois du tube de manière à obtenir un mouillage composite. Dans le cas d'un liquide à homogénéiser, il convient que les différences internes de température ou de concentration soient suffisantes pour assurer le brassage de ce liquide. On a vu que des rainures assurant un mouvement rotatif du liquide (filetage par exemple) sont plus efficaces lorsqu'il s'agit d'homogénéiser ce liquide. On notera que la présente invention n'utilise aucune partie mobile et qu'elle est donc beaucoup plus fiable que des systèmes munis de moyens moteurs (membranes élastiques ou pompes par exemple). De plus, la présente invention n'engendre aucune vibration. Dans le cas des figures 3 à 6, le liquide n'est en contact qu'avec les rugosités du tube et un gaz présent dans le tube. Ce gaz peut être un gaz neutre ou la vapeur saturante du liquide. Le liquide peut même être en contact avec le vide. Pour la mise en oeuvre de la présente invention, il convient que le matériau dans lequel on forme les rainures soit usinable, soit mal mouillé ou pas mouillé par le liquide et supporte des différences de température relativement faibles. Tous les dispositifs spatiaux nécessitant le mélange ou le convoyage de liquides sont susceptibles d'utiliser le dispositif objet de la présente invention. I1 s'agit par exemple de dispositifs expérimentaux scientifiques, de dispositifs de préparation et de manutention de nourriture ou de carburants pour moteurs ou de solutions injectables pour la médecine, ou encore de dispositifs d'homogénéisation d'alliages métalliques. Il suffit de trouver un matériau de récipient qui satisfasse aux conditions mentionnées plus haut et que le liquide supporte les différences de température nécessaires au bon fonctionnement de l'invention. A titre d'exemple, pour des solutions aqueuses, des gradients de l'ordre de 1"C/cm sont suffisants pour déplacer de telles solutions à une vitesse de quelques centimètres par seconde. REVEND I CAT IONS 1. Dispositif de déplacement d'un liquide, ce dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (2, 18, 38) de réception d'un liquide (6, 26, 39), ces moyens de réception ayant au moins une paroi interne pourvue de rainures (11, 20, 40), cette paroi étant faite d'un matériau qui mouille mal ou ne mouille pas le liquide, ce liquide présentant un gradient de concentration ou de température, les rainures étant orientées approximativement selon la direction de ce gradient, de manière à déplacer le liquide par effet Marangoni. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le liquide (6, 26, 39) présente par lui-même le gradient de concentration ou de température. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (8, 36) de génération du gradient de température. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ces moyens de génération comprennent des moyens (8, 36) de chauffage du liquide, ces moyens de chauffage étant placés du côté d'une extrémité de ladite paroi des moyens (2, 18) de réception. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de refroidissement du liquide placés du côté de l'autre extrémité de ladite paroi. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les rainures (11, 20) s'étendent longitudinalement sur ladite paroi. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les rainures (40) sont aptes à donner un mouvement de rotation au liquide par effet Marangoni. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens (38) de réception du liquide ont une forme tubulaire et en ce que les rainures (40) sont hélicoïdales. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens (2, 18, 38) de réception sont fermés. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens (18) de réception sont ouverts en deux extrémités, ces deux extrémités communiquant respectivement avec deux récipients (30, 32) en vue de transférer le liquide (26) de l'un de ces récipients à l'autre. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que, dans les moyens de réception du liquide (6), ce liquide est en contact avec un gaz (16) ou avec la vapeur saturante de ce liquide ou avec le vide.