Brevet FR2787835A1 — publié le 20000630

COMPRESSEURS PERISTALTIQUES ADAPTES A LA COMPRESSION NON RELAXANTE DE GAZ POLARISE. La présente invention concerne le domaine des compresseurs péristaltiques. Ce type de compresseur utilise le principe des pompes péristaltiques, o un ensemble de galets pressent un tuyau souple, et font progresser lors de leur rotation autour d'un axe le fluide que ce tuyau contient. Les compresseurs péristaltiques de l'art antérieur fonctionnent principalement en pression. En dépression, le tuyau dans lequel circule le fluide à tendance à s'écraser, ce qui empêche le fonctionnement de la pompe. A titre d'exemple de pompe péristaltique connue dans l'art antérieur, le brevet FR2640698 décrit une pompe péristaltique comportant plusieurs vannes à manchon à pincement par fluide sous pression. Son corps est composé d'au moins deux modules disposés en série et comportant chacun un manchon. les extrémités de chaque manchon sont solidarisées de façon étanche aux bords de l'ouverture d'aspiration et de refoulement de chaque module. Le module situé du coté de l'alimentation de la pompe joue le rôle de clapet d'aspiration. Le module situé du côté de la sortie de la pompe joue le rôle de clapet de refoulement. Le but de l'invention est de remédier à un premier inconvénient des pompes péristaltiques de l'art antérieur résultant de la présence de pièces métalliques, notamment de pièces magnétiques. Ces pièces magnétiques empêchent l'utilisation pour la compression et le pompage de gaz polarisés. Pour remédier à cet inconvénient, l'invention propose de mettre à profit la réversibilité et l'effet moteur d'un dispositif péristaltique afin de ne pas nécessiter de moteur externe d'entraînement des galets presseurs. Ceci permet en particulier d'avoir un dispositif totalement amagnétique et sans alimentation électrique, ce qui est important pour la compression sans relaxation de 2- 2787835 gaz polarisé, en particulier au sein d'un appareil d'imagerie RMN, ou dans une région de champ magnétique intense, etc... L'invention vise également à éviter l'inconvénient des pompes de l'état de la technique dont le fonctionnement ne permet pas d'atteindre des niveaux de dépression important, en raison de l'écrasement des tuyaux. Lorsque les tuyaux contiennent un fluide à une pression inférieure à la pression atmosphérique, ils conservent la déformation occasionnée par les galets du rotor, et ne reprennent pas leur volume initial. Pour remédier à cet inconvénient, l'invention concerne dans son acception la plus générale un compresseur péristaltique fonctionnant dans une enceinte dépressurisée, ce qui permet d'amener à pression élevée (une ou plusieurs atmosphères) un gaz (ou autre fluide) dont la pression initiale est arbitrairement basse. L'invention concerne selon une variante avantageuse un pompe péristaltique comportant un rotor entraîné par un moteur muni d'une pluralité de galets, et au moins un tuyau caractérisé en ce que le moteur est constitué par au moins un tuyau alimenté par un fluide sous pression, entraînant en rotation un rotor péristaltique muni de galets accouplé au rotor de pompage. Avantageusement, le rotor d'entraînement et le rotor de pompage forment une pièce unique. Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif objet de l'invention comporte une alternance de tuyaux pour le pompage et la compression, et de tuyaux pour l'entraînement du moteur. Selon un mode de mise en oeuvre préféré, l'invention concerne un compresseur péristaltique adaptés à la compression non relaxante de gaz polarisé comportant uniquement des pièces amagnétiques. 3 2787835 Selon une variante avantageuse, le rotor comprend deux ou trois galets libres en rotation. De préférence, les tuyaux moteurs et de pompage sont décalés angulairement. Selon une variante particulière, le dispositif comprend un tuyau central pour le pompage, et deux tuyaux latéraux pour l'entraînement du rotor, disposés de part et d'autre du tuyau central. De préférence, le ou les tuyaux moteur reçoivent un fluide sous une pression comprise entre 1 et 5 bars. Selon une variante préférée, le rotor et les tuyaux de pompage sont placés dans une enceinte dépressurisée à l'intérieur de laquelle règne une pression inférieure à la pression atmosphérique. Avantageusement, l'enceinte dépressurisée est reliée à une source de dépression. La présente invention résout en particulier le problème de la compression efficace par un dispositif simple d'un gaz (ou d'un mélange gazeux) fortement polarisé, et cela sans perte significative de polarisation. Ce problème est rencontré lors de la préparation d'hélium-3 polarisé par pompage optique à 1083 nm, procédé qui n'est efficace qu'à des pressions de gaz inférieures à la pression atmosphérique, pour toutes applications o une pression plus importante est requise. C'est ainsi que, suivant le procédé employé, le gaz polarisé aura une pression de l'ordre du millibar, ou bien de quelques dizaines à centaines de millibars, alors que des applications telles que l'imagerie in vivo de volumes aériens requièrent du gaz à un bar ou plus. Ce problème peut aussi être rencontré pour du xénon polarisé par pompage optique, ou plus généralement pour tout gaz ou mélange gazeux dont on souhaite forcer le transfert et/ou l'accumulation dans un volume donné, sans que soit 4 2787835 significativement affectée la polarisation nucléaire hors d'équilibre (l'hyperpolarisation) de ce gaz. Les techniques utilisées à ce jour pour remplir cette fonction reposent sur des dispositifs cryogéniques ou mécaniques. Les dispositif cryogéniques, qui utilisent un cycle avec changement de phase pour le gaz polarisé (liquéfaction de l'hélium, liquéfaction ou solidification du xénon), ne sont pas applicables à tous les mélanges gazeux et ne sont pas simples à mettre en oeuvre dans tous les environnements. Les dispositifs compresseurs mécaniques usuels (pompes à piston, à membrane, à palettes...) ont l'inconvénient de ne permettre qu'un taux de compression limité (et donc de requérir en pratique plusieurs étages) et d'être très délicats à adapter aux exigences rigoureuses d'amagnétisme qu'impose la compression sans relaxation de gaz polarisé. Il existe en outre un problème supplémentaire pour l'entraînement mécanique d'un compresseur, qui ne peut être assuré par un moteur électrique (générateur de champs magnétiques provoquant une perte rapide de polarisation du gaz) disposé à proximité du compresseur. Une pompe péristaltique présente pour les gaz polarisés un certain nombre d'avantages par rapport aux dispositifs cryogéniques ou mécaniques. Elle autorise a priori un débit volumique donné sans limite théorique au taux de compression, et est aisément réalisable avec des matériaux amagnétiques, voire non métalliques. Elle est donc susceptible de fonctionner dans tout environnement (y compris en champ magnétique intense), et sans induire de relaxation nucléaire notable. En revanche, elle est à priori impropre à assurer l'écoulement et la compression d'un fluide à pression notablement inférieure à la pression atmosphérique (cette pression aplatit les tuyaux souples, et empêche en pratique tout débit de fluide à pression inférieure à 0.7 ou 0.8 bar absolus); en outre, le problème de son entraînement mécanique est identique à 2787835 celui évoqué plus haut pour les autres types de compresseurs mécaniques. Les deux améliorations présentées dans le principe général de l'invention, et détaillées ci-après, permettent à une pompe péristaltique de finalement résoudre ces derniers problèmes, qui sont en particulier rencontrés pour la compression ou la manipulation de gaz hyperpolarisé dans des environnements très contraignants. Il sera décrit ici un dispositif compresseur très simple et adapté à la compression non relaxante de gaz polarisé (c'est à dire sans induire de perte significative de polarisation). Ce dispositif est en particulier bien adapté à la compression d'hélium produit selon les modalités faisant l'objet du brevet FR2744932 ayant pour objet un procédé permettant la polarisation par pompage optique d'un gaz d'hélium à forte pression. Il peut être également employé pour la compression non relaxante de gaz polarisé produit à plus basse pression par des techniques conventionnelles, ou bien encore pour transférer un gaz polarisé d'un récipient à un autre. Une application importante du dispositif concerne la compression d'un gaz d'hélium polarisé par pompage optique. On trouvera dans le texte du brevet déjà cité référence à la technique de polarisation traditionnelle par pompage optique effectué sur la transition atomique de longueur d'onde proche de 1083 nm, en présence d'un faible champ magnétique (en général de l'ordre du milli-Tesla): dans ces conditions, le pompage optique n'est efficace que lorsque la pression du gaz est de l'ordre du millibar (1 mbar = 100 Pa). Ce même texte décrit comment l'utilisation judicieuse d'un champ magnétique assez intense permet d'effectuer un pompage optique efficace dans une large gamme de pressions du gaz, qui restent cependant inférieures à la pression atmosphérique (couramment 10 à 100 mbar). Pour certaines 6 2787835 applications, ce gaz doit être porté à la pression atmosphérique (pur, ou mélangé avec un autre gaz) avant de pouvoir être utilisé; par exemple, pour l'imagerie de résonance magnétique in-vivo, le gaz doit pouvoir être inhalé par un sujet. Pour le stockage ou le transport, le gaz pourra avantageusement être porté à une pression de plusieurs bars dans des récipients adaptés; il en sera finalement extrait pour l'utilisation finale souhaité. Le pompage optique d'hélium a 1083 nm permet de polariser les noyaux du gaz à un rythme dépendant de nombreux paramètres, dont la puissance lumineuse disponible, et pouvant varier de 1017 à 1019 atomes par seconde. En régime continu, cela correspond à des débits volumiques de gaz inversement proportionnels à la pression P. dont des exemples sont donnés dans le tableau ci- dessous: Rythme de Puissance laser Débit à P=lmbar Débit à P=30mbar polarisation typique champ magnétique champ magnétique (atomes/s) (à 1083 nm) faible fort 1017 50 mW 0.22 1/min 7 cm3/min 1019 5 W 22 1/min 0.7 1/min Ces ordres de grandeur indiquent clairement les caractéristiques de débit qui seront requises d'un dispositif compresseur, suivant la source laser employée et la pression à laquelle le pompage optique est effectué. Le débit volumique d'une pompe péristaltique est de produit de la section interne du tube employé par la vitesse linéaire des galets presseurs. Pour le dispositif prototype que nous avons réalisé, cette section est de 0.4 cm2, et une rotation à 1200 tours/min entraîne un débit (par tube) de l'ordre de 14 1/min. De telles caractéristiques sont tout à fait adaptées aux débits typiques requis dans diverses situations, plusieurs tubes en parallèle (ou un tube de 7 2787835 section supérieure) permettant un débit plus grand à vitesse de rotation donnée. Il n'y a pas de limite de principe au taux de compression atteint par une pompe péristaltique. En pratique, la pression maximale atteinte est limitée par la résistance à la surpression du tube employé (souvent 2 à 3 bars). La pression minimale à laquelle une pompe fonctionne est classiquement limitée par l'aptitude du tube à reprendre sa forme (section circulaire) après le passage d'un galet presseur. Son élasticité est en général insuffisante en présence d'une surpression extérieure, qui le maintient aplati. Selon une des caractéristique de l'invention, à savoir le fonctionnement dans une enceinte évacuée, la pression interne au tube est toujours supérieure à celle de l'enceinte o il est plongé, et le débit nominal demeure jusqu'à pression nulle. En conséquence, un simple étage de pompe péristaltique fonctionnant dans une enceinte évacuée est adapté à la compression de gaz depuis une pression adaptée au pompage optique de l'hélium jusqu'à une pression pouvant par exemple atteindre 2 bars. Dans le cas o il est requis d'atteindre des pressions plus importantes, un deuxième étage de compression pourra être utilisé; il sera même possible d'utiliser à cet usage une pompe péristaltique fonctionnant dans une enceinte pressurisée afin de ne plus être limité par la résistance à la surpression du tube employé. Pour toute applications o l'on manipule du gaz polarisé, il convient d'utiliser des dispositifs n'induisant pas d'inhomogénéités de champ magnétique au niveau du gaz. De telles inhomogénéités sont en effet susceptibles d'induire une rapide relaxation nucléaire vers une valeur quasi-nulle de la polarisation. Ces inhomogénéités peuvent être à grande échelle et concerner 8 2787835 le volume du gaz. Il convient, pour les éviter, de ne pas utiliser des matériaux présentant une susceptibilité magnétique significative, et cela d'autant plus qu'ils sont plus près du gaz polarisé. Les matériaux ferromagnétiques sont bien sûr à proscrire, mais il faut également éviter de ne pas utiliser un grand nombre d'alliages couramment employés pour leurs propriétés mécaniques (aciers inoxydables, laiton, bronze,... ). L'utilisation de moteurs électriques, générateurs de champs magnétiques très inhomogènes, est en générale impossible à des distances inférieures à un ou quelques mètres. Enfin, il peut être avantageux, par exemple en présence de champs électromagnétiques intenses tels qu'on en rencontre au sein des appareils d'IRM, de proscrire toute pièce métallique conductrice. Nous verrons sur l'exemple du dispositif réalisé que ces contraintes ont pu être respectées sans inconvénient. Ces inhomogénéités de champ magnétique peuvent aussi être induites à une échelle microscopique par les caractéristiques de surface des matériaux directement au contact du gaz polarisé. De plus, aucune contamination du gaz polarisé, chimique ou biologique, ne doit résulter du contact du gaz avec ces matériaux; ceci est particulièrement important pour les applications o le gaz est ensuite inhalé, mais la pureté du gaz est également essentielle lors du processus de polarisation par pompage optique (aucune impureté ne doit pouvoir diffuser du dispositif compresseur vers le volume de pompage optique), et peut jouer un rôle dans la relaxation nucléaire du gaz lors de son transport ou stockage ultérieur. Il convient pour ces différent points de prendre toutes précautions lors du choix des matériaux entrant au contact direct du gaz, et d'utiliser des configurations propres à éviter toute contamination du gaz dans le volume de pompage 9 2787835 optique. Ces contraintes ont également pu être respectées pour le dispositif réalisé. Un des point évoqués ci-dessus - la non contamination du gaz en amont du compresseur par les impuretés que celui-ci introduit inévitablement impose de concevoir un dispositif à écoulement monotone, sans refoulement. Dans une pompe péristaltique, la rotation des galets entraîne le fluide dans le tube de façon monotone et régulière dans le sens de la rotation. Néanmoins, lorsqu'un galet entre en contact avec le tube et le comprime, il provoque une diminution du volume accessible au fluide à l'entrée de la pompe, ce qui tend à refouler du fluide. La compétition de ce deux effets pourra éventuellement entraîner un refoulement net de fluide pour certaines positions des galets, suivant le rapport des diamètres respectifs des galets et du chemin de roulement o est pressé le tuyau (le bilan net de ces effets dépend également de la façon précise dont le tube est progressivement écrasé). Un dispositif péristaltique, s'il est en pratique toujours employé pour faire débiter ou pour comprimer un fluide, peut également être utilisé comme moteur: lorsqu'une différence de pression est appliquée au fluide contenu dans le tube, un couple moteur s'applique aux galets. Ce couple peut directement être déduit par dérivation de l'effet de la rotation sur le débit. Dans la plupart des réalisations commerciales de pompes péristaltiques, les caractéristiques géométriques sont telles qu'un refoulement du fluide intervient plusieurs fois par tour; dans ce cas, le couple moteur change de signe lors de la rotation, et une rotation continue n'est pas possible. En revanche, lorsque les caractéristiques géométriques sont adéquates, le couple moteur a un signe constant et une rotation continue devient possible sous réserve que la dissipation par les frottements n'excède 2787835 pas la puissance motrice. Dans le cas du dispositif réalisé, une large plage de fonctionnement du moteur a pu être obtenue. La pompe péristaltique adaptés à la compression de gaz polarisé comporte un ou des tuyaux placés à l'intérieur d'un volume essentiellement cylindrique, servant comme il est traditionnel de surface d'appui aux tuyaux, mais construit de façon à être étanche vis à vis de l'air environnant. Suivant la configuration retenue, des traversées étanches permettent l'entrée et la sortie des fluides circulant dans les tuyaux. Un rotor comportant au moins deux galets, par exemple trois dans l'exemple décrit, libres de tourner sur leur axe est disposé de façon à convenablement comprimer le ou les tuyaux. Pour un fonctionnement totalement pneumatique, trois tuyaux sont utilisés: deux d'entre eux sont soumis à une pression ajustable d'air ou d'eau sous pression, et le couple résultant suffit à entraîner le rotor. Le troisième tuyau est alors utilisable pour faire circuler ou comprimer un fluide, par exemple du gaz polarisé. Pour un fonctionnement en simple pompe, un axe tournant traversant de façon étanche la paroi de la pompe est utilisé pour entraîner mécaniquement le rotor. Dans les deux cas, la pression du volume interne du dispositif peut être ajustée, et en particulier rendue assez basse pour permettre le pompage de fluides à pression arbitrairement basse, selon l'une des variantes de l'invention. Ce dispositif fonctionne de façon satisfaisante, et tous les matériaux et pièces qu'ils comporte ne provoquent aucune relaxation magnétique dans leur voisinage immédiat. En fonction de ces résultats, des dispositifs spécifiques seront développés pour des utilisations particulières. Suivant le rythme de production permis par le laser source, et suivant le type d'utilisation envisagé, il pourra en particulier être plus avantageux de faire usage d'un moteur péristaltique ou d'utiliser un moteur conventionnel. Pour la plupart des applications, le gaz (hélium ou xénon) hyperpolarisé doit être produit ou porté à une pression de l'ordre de la pression atmosphérique. Actuellement, deux types de méthodes sont utilisées pour produire du gaz polarisé à forte polarisation: la polarisation de l'hélium-3 ou du xénon par échange de spin avec un gaz d'atomes alcalins orientés par pompage optique (par exemple une vapeur de rubidium). Dans le cas des atomes alcalins, le pompage opère sur l'état fondamental des atomes; aucune décharge n'étant nécessaire dans le gaz, le pompage peut en principe opérer à toute pression. Malheureusement cette méthode est intrinsèquement très lente, car les collisions d'échange qui assurent le transfert de polarisation de l'alcalin au gaz rare sont peu efficaces et constituent un facteur limitant incontournable. Il faut ainsi par exemple 4 à 8 heures pour polariser 100 cm3 d'hélium à une pression de 3.5 à 8 bar avec une polarisation de 5 à 20%. Dans le cas du xénon, il est bien plus favorable de travailler avec une faible pression de xénon, et son accumulation se fait au moyen d'une technique cryogénique. la polarisation par pompage optique à 1083 nm, avec une décharge dans un gaz à basse pression, suivie d'une compression du gaz polarisé. Si le pompage optique constitue une étape très efficace, la compression fait appel à des techniques à ce jour complexes, qui n'ont été développées que dans peu. de laboratoires. Une méthode consiste à utiliser un compresseur mécanique à pistons mobiles, spécialement conçu pour préserver la polarisation et la pureté du gaz. Une seconde méthode, mis au point par le demandeur et décrite dans le brevet FR2744932 utilise une technique cryogénique de compression. Un prototype de 12 2787835 dispositif plus simple, basé sur un modèle commercial de pompe à membrane profondément modifiée pour réduire le caractère relaxant des matériaux habituellement employés, a également été développé au NIST (Washington, USA) et est maintenant utilisé pour des essais d'imagerie avec de l'hélium hyperpolarisé. Signalons enfin que la difficulté technique de compression mécanique peut être fortement réduite en effectuant le pompage optique à une pression plus élevé, ce qui réduit le taux de compression et le débit volumique requis pour le dispositif compresseur. Mentionnons pour mémoire que l'hélium-3 peut aussi être substantiellement polarisé de manière spontanée, mais dans un très fort champ magnétique et à très basse température. Divers systèmes peuvent être utilisés (fusion de solide polarisé à l'équilibre thermique, refroidissement extrême de mélanges isotopiques très dilués, surpolarisation par pseudo-distillation de mélanges liquides démixés,...), mais ils requièrent des techniques très sophistiquées et n'ont que tout récemment été utilisés pour produire du gaz polarisé (à Grenoble) avec une polarisation très modeste (de l'ordre du pourcent). Un dispositif compresseur péristaltique intégrant les innovations introduites permet une compression de gaz hyperpolarisé compatible avec l'emploi des diverses techniques de pompage optique, et présente sur les autres dispositifs de compression un certain nombre d'avantages: Par rapport aux autres méthodes de compression mécanique, la compression péristaltique présente l'avantage de principe de n'avoir pas de limite au taux de compression susceptible d'être obtenu (en un seul étage), et de ne pas nécessiter de pièces mobiles (clapets, soupapes, vannes...) au contact du gaz polarisé, dont l'expérience montre qu'il est très délicat de les réaliser sans qu'elles introduisent une relaxation importante. Les innovations introduites 13 2787835 permettent à de tels dispositifs de pomper un fluide à pression arbitrairement basse, et de s'affranchir le cas échéant du problèmes de l'entraînement mécanique de la pompe. On sait donc maintenant fabriquer un dispositif très simple, en matériaux courants et sans inconvénient de relaxation, qui permet de comprimer et/ou faire écouler du gaz polarisé. La simplicité de réalisation et la compacité de tels dispositifs permettent une réalisation à coût très modeste. Par rapport aux méthodes cryogéniques, la simplicité, portabilité et facilité d'utilisation du dispositif le feront en général préférer. Un système de production d'hélium hyperpolarisé utilisant un tel dispositif serait donc suffisamment simple pour être opérable hors d'un laboratoire, et par exemple portable ou implantable sur le site d'utilisation. Outre son utilité essentielle pour la production de gaz par pompage optique, ce dispositif est également susceptible d'être intégré à des systèmes contrôlant la circulation de gaz polarisé entre récipients, ou même l'administration contrôlée de gaz polarisé aux patients ou sujets examinés en IRM. 14 2787835 REVENDICATIONS 1 - Compresseur péristaltique comportant un rotor entraîné par un moteur muni d'une pluralité de galets, et au moins un tuyau caractérisé en ce que le rotor et les tuyaux de pompage sont placés dans une enceinte dépressurisée à l'intérieur de laquelle règne une pression inférieure à la pression atmosphérique. 2 - Compresseur péristaltique selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moteur est constitué par au moins un tuyau alimenté par un fluide sous pression, entraînant en rotation un rotor péristaltique muni de galets accouplé au rotor de pompage. 3 - Compresseur péristaltique selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il comporte une alternance de tuyaux pour le pompage et la compression, et de tuyaux pour l'entraînement du moteur. 4 - Compresseur péristaltique adaptés à la compression non relaxante de gaz polarisé selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte uniquement des pièces amagnétiques. - Compresseur péristaltique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le rotor comprend deux ou trois galets libres en rotation. 6 Compresseur péristaltique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les tuyaux de pompage et moteur sont décalés angulairement. 7 Compresseur péristaltique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend un tuyau central pour le pompage, et deux tuyaux latéraux pour l'entraînement du rotor, disposés de part et d'autre du tuyau central. 8 - Compresseur péristaltique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce Il'5 2787835 que le tuyau moteur reçoit un fluide sous une pression de 1 à 5 bars. 9 - Compresseur péristaltique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le rotor d'entraînement et le rotor de pompage forment une pièce unique. - Compresseur péristaltique selon la revendication 9 caractérisé en ce que l'enceinte dépressurisée est reliée à une source de dépression.