Brevet FR2807338A1 — publié le 20011012

PAROI POREUSE POUR FORMER COUCHE GAZEUSE DE SUSTENTATION DESCRIPTION L'invention ressortit à une paroi poreuse destinée à former une couche gazeuse de sustentation. Les procédés de sustentation par une couche gazeuse formant un coussin sont destinés à maintenir un volume liquide au-dessus d' plateau ou dans un récipient en évitant des contacts matériels qui pourraient souiller ou corroder les surfaces portantes ou au contraire contaminer le liquide par une réaction chimique. La couche gazeuse formée en soufflant le gaz dans une chambre située derrière la paroi poreuse pour qu'il traverse les pores paroi en conservant une pression dynamique suffisante. On cherche d'une part accroître le volume de liquide soulevé tout en évitant les instabilités ou les irrégularités trop grandes de sustentation. Dans le cas courant et typique où la paroi est en forme de plateau ou de coupelle sur lequel liquide est posé, on peut expliciter les problèmes rencontrés de la façon suivante. L'augmentation du volume liquide implique soit un accroissement de sa hauteur, soit un accroissement de sa surface et donc de celle de la paroi. Dans ce dernier cas, flexion de la paroi produite par la perte de charge du gaz à travers elle s'accroît rapidement, ce qui t qu'on est limité par la résistance de la paroi, dans qu'il soit possible d'accroître beaucoup son épaisseur car la couche gazeuse serait alors difficile à former à une pression suffisante ; si c'est la hauteur du volume liquide qui doit être accrue, il faut que la couche gazeuse ait une pression dynamique augmentée en conséquence pour continuer de soutenir le volume, ce qui impose une élévation de la pression du gaz derrière la paroi et de la perte de charge à travers la paroi, et donc encore, une augmentation des efforts de flexion auxquels la paroi est soumise. D'autre part, on désire aussi contrôler la forme de la surface inférieure du liquide sustenté en modifiant localement la pression et donc l'épaisseur de couche gazeuse. Cela est possible en accroissant localement le débit de gaz traversant la paroi, notamment en rendant celle-ci plus perméable. En effet, faut tenir compte des irrégularités de pression et d'écoulement dans la couche gazeuse, et notamment de ce le gaz qui traverse la paroi au centre du volume de liquide se disperse plus difficilement et crée localement une pression plus grande qu'à la periphérie volume liquide. Ce phénomène est accentué avec l'augmentation du débit de gaz, et peut mener à la formation d'une poche de gaz sous le centre volume du liquide, déformant de plus en plus celui-ci et pouvant même le crever ou le disperser. L'objet de l'invention est donc de mieux maîtriser la sustentation, afin d'une part, d'accroître les volumes soulevés de liquide, 'sans avoir à craindre de rupture de la paroi poreuse de diffusion, et d'autre part, de contrôler la forme de/la surface inférieure de la masse liquide. Plusieurs modes de réalisation seront proposés et constitueront autant de solutions possibles, mais ils présentent l'élément commun que la paroi présente au moins structure de renforcement. On appelle structure de renforcement une structure qui présente localement des surépaisseurs, ce qui d'une part, accroit sa résistance mécanique et d'autre part, permet de contrôler le débit du gaz. Les réalisations de l'invention se distinguent nettement des solutions usuelles où la paroi poreuse a une épaisseur constante, qu'elle soit plane, concave, cylindrique ou autre. Elles doivent aussi être distinguées de certaines conceptions antérieures la face supérieure, sur laquelle la couche gazeuse est établie, est concave pour mieux retenir le volume liquide alors que la face inférieure de la paroi est plate : on ne peut affirmer que de telles parois épaisseur variable soient renforcées, même si leur épaisseur est plus importante à la périphérie. Dans 1 invention, les renforcements peuvent être distribués sous toute la surface de la paroi. La structure de renforcement sera avantageusement située côté de la paroi qui est opposé à la couche gazeuse. Elle pourra consister en une surépaisseur centrale. Tout en accroissant la résistance de la paroi centre, on y obtiendra une perte de charge un peu plus importante qui diminuera le débit de gaz et tendra a égaliser la pression de la couche gazeuse. La structure de renforcement pourra aussi consister en des nervures de formes et de directions variées. Certaines de ces nervures seront circulaires, ce qui permettra encore de soulager le centre de la paroi et de diminuer le débit de gaz qui le traverse d'une façon différente des réalisations à surépaisseur centrale la paroi : la nervure circulaire pourra effet isoler des chambres de gaz comportant des pressions différentes : si la pression est plus faible dans la chambre centrale, les sollicitations seront moins importantes et le débit qui la traverse sera plus faible aussi. De tels procédés appelleront un réglage des différentes pressions dans des réalisations perfectionnées. On préconisera alors que des capillaires traversent la paroi pour permettre de prendre pression à différents endroits de 1a couche gazeuse. I1 deviendra alors possible de commander les pressions dans la chambre ou chacune des chambres situées sous la paroi. Les capillaires pourront aussi se prêter à un rôle actif si on les relie à un dispositif de variation de pression au lieu d'un dispositif de mesure : si par exemple on détecte une pression trop importante de la couche gazeuse au centre de la paroi et du volume de liquide, il sera possible d'aspirer le gaz en excès à cet endroit au moyen capillaire. Enfin, une disposition d'ordre différent pour lutter contre les irrégularités de pression de couche impliquera d'établir des rainures centrifuges du côté de la paroi sur lequel la couche gazeuse se forme, r de manière à faciliter l'évacuation du gaz au centre de la couche gazeuse vers la périphérie. L'invention sera maintenant décrite en liaison aux figures, parmi lesquelles - la figure 1 est une représentation schématique dispositif de sustentation conforme à l'art antérieur ; - figure 2 illustre la formation d'un volume liquide suspendu au-dessus d'une paroi de sustentation l'art antérieur ; - figure 3 est une première réalisation de l'invention - figure 4 est un diagramme de pression ; figure 5 est une deuxième réalisation de l'invention figure 6 est une troisième réalisation de l'invention figure 7 est un diagramme de pression ; figure 8 est une autre réalisation de l'invention ; figure 9 est une réalisation supplémentaire de l'invention ; la figure 10 est une réalisation supplémentaire de l'invention ; figures 11, 12 et 13 représentent une autre réalisation de l'invention ; figure 14 représente un emploi possible des capillaires ; et - les figures 15 et 16 illustrent deux dispositions possibles de rainures. Toutes les descriptions se rapportent majoritairement à des parois diffusantes dont la surface supérieure définit un plan. Elles peuvent s'appliquer facilement à d'autres formes supérieures de paroi : cylindrique, sphérique et toutes formes concaves ou convexes, symétriques ou axisymétriques. Se reportant à la figure 1, on voit qu'une paroi poreuse 1, conforme à l'art antérieur, comprend un plateau de sustentation 2 d'épaisseur constante à concavité tournée vers le haut et un rebord 3 dirigé vers le bas. Un rebord 4 d'un fût de support 5 est vissé ou serti dans le rebord 3, de manière à isoler une chambre de gaz 6 sous le plateau 2. Une alimentation de gaz 7 injecte du gaz sous pression dans la chambre 6 par un conduit 8 qui traverse le fût de support 5, ce qui établit une couche gazeuse en surpression sur le plateau 2. Cette couche est apte à soutenir un volume de liquide que les forces de capillarité rassemblent en une goutte plus ou moins étalée déformée. Des variantes de réalisation de la paroi poreuse 1 sont évidemment possibles, une paroi poreuse de périphérie peut entourer la paroi poreuse 1 pour retenir le liquide. Nous nous reportons cependant à la figure 2 pour d'autres explications. y apparaît un plateau 12 (choisi plat pour simplifier l'exposé) d'une paroi poreuse 11 comprenant encore un rebord périphérique inférieur 13 et une chambre gaz 16 sous le plateau 12, le volume de liquide porte la référence 17 et la couche de gaz intermédiaire, la référence 18. Si, conformément aux conceptions antérieures, l'épaisseur du plateau 12 est constante toute sa surface, et la matière poreuse est homogène, le gaz traverse le plateau 12 avec un débit uniforme, qui produit pression plus importante sous le centre du liquide donc un gonflement plutôt défavorable la couche gazeuse 18 au centre, dont l'épaisseur f2 est sensiblement plus élevée que l'épaisseur f1 de la couche 18 a la périphérie. Une réalisation de l'invention implique de créer une surépaisseur au centre du plateau 22 de la figure 3 ; la zone centrale épaissie porte la référence 23, et anneau 24 maintenu à l'épaisseur du plateau 12 subsiste autour d'elle. Le renforcement produit à la fois soulagement de la zone centrale 23, ' les contraintes de flexion seraient plus fortes à épaisseur uniforme du plateau, et une diminution locale débit du gaz ce qui uniformise la pression sous la goutte comme montre selon le schéma de la figure 4, ce qui diminue la différence entre les épaisseurs extrêmes f2 et f1 couche gazeuse 18 et le bombement du volume de liquide 17. Plutôt que par une zone centrale renforcée, on peut raidir le plateau 32 de la figure 5 par des nervures établies sous celui-ci, de manière qu'ici encore sa face supérieure sur laquelle se forme la couche gazeuse 18 reste lisse. Les nervures 33 contrarient localement la traversée du gaz, ce qui abaisse son débit de sortie du plateau 32 à leur endroit. Si les rainures sont plus nombreuses ou plus larges vers le centre du plateau 32, l'écoulement moyen i y sera plus ralenti qu'ailleurs et un effet d'opposition au bombement du volume liquide 17, analogue à celui de réalisation de la figure 3, sera obtenu. Un autre avantage est procuré par les nervures dans la realisation de la figure 6. Des nervures continues, notamment circulaires 45, peuvent isoler sous un plateau 42 des chambres de gaz concentriques 43 et 44. Un support 46 complète la séparation des chambres en touchant le bord inférieur de la nervure 45 et s'étendant jusqu'au rebord 47 du plateau 42. Deux dispositifs d'alimentation en gaz 48 et 49 permettent d'insuffler du gaz respectivement dans les chambres 43 et à des pressions qu'on est libre de choisir. Si ces pressions étaient égales à une pression commune p1, reviendrait sensiblement à la situation de la figure 2, où une pression p2 règne au centre de la couche gazeuse 18, une pression p3 à la périphérie ; la figure 7 illustre schématiquement le diagramme de pression qu'on pourrait alors mesurer et qui est responsable du bombement central du volume de liquide 17 de la figure 2. Si la pression p1 commune s'accroissait, la différence de pression entre p2 et p3 augmenterait aussi, ainsi que le bombement du volume 17, ce qui produirait finalement une destruction de sa cohésion. Il est au contraire conforme à l'invention que la pression fournie à la chambre centrale 44 soit plus faible que dans la chambre périphérique 43, ce qui égalise l'épaisseur de la couche gazeuse 18 et permet de bénéficier encore d'un aplatissement du volume de liquide 17 au centre. D'une façon générale, on peut cumuler les dispositions proposées dans les réalisations précédentes ou à venir de l'invention, ou combiner certains de leurs éléments seulement. La figure 8 représente telle réalisation composite, où le plateau 52 comprend à la fois une nervure circulaire 53 et une zone centrale à surépaisseur 54 enclose par la nervure 53. nervure 53 peut ou non servir à séparer deux chambres et 56 concentriques et soumises à des pressions différentes, conformément à l'enseignement de la figure ; cependant, la simple présence de la surépaisseur suffit à exercer une mesure d'égalisation de l'épaisseur de la couche gazeuse 18. La réalisation de la figure 9 comprend encore, sous un plateau 62, une nervure circulaire 63 et une zone centrale à surépaisseur 64 ; un trou borgne 65 est creusé au centre de la surépaisseur 64 et un conduit 66 y pénètre, qui est relié à une alimentation de gaz particulière 67, différente de l'alimentation en gaz 68 de la chambre 69 entourant le conduit 66 sous le plateau 62. Enfin, un capillaire 70, qu'entoure le conduit 66, traverse le plateau 62 et débouche au centre de la couche gazeuse 18 ; il est relié à un dispositif prise de pression 71. Dans cette réalisation complexe, la pression régnant dans la chambre 69 produit un débit de gaz relativement important à périphérie de la couche gazeuse 18, et un débit plus faible entre le conduit 66 et la nervure 63, en raison de la surépaisseur 64. Le gaz originaire de l'alimentation 67 du conduit 66 n'a qu'une épaisseur faible à franchir à travers le plateau 62, mais comme sa pression peut être réduite; son débit est également faible. Le capillaire 70 renseigne sur la pression dynamique existant au centre de la couche 18 permet de régler la pression ou le débit de gaz originaire de l'alimentation 67 à une valeur convenable. peut ainsi égaliser au mieux l'épaisseur de la couche gazeuse 18. Cette idée de régler la répartition de la pression dans la couche gazeuse 18 par l'emploi de capillaires de mesure peut être généralisée. Les figures 10, 11 et 12 montrent un trio de capillaires 73 disposés autour du centre d'un plateau 72 ; les nervures 74 n'ont pas ici une forme simple, mais sont les portions restantes de la paroi poreuse 71 comprenant le plateau 72 et rebord 75 périphérique, après qu'on y eut façonné une plaque poreuse base en y creusant des trous borgnes 76 pour l'amincir. Les capillaires 73 aboutissent à un collecteur englobé par support 78 de la paroi poreuse 71, et conduit 79 aboutit dans le collecteur 77. Il peut aboutir soit à dispositif de prise de pression, soit à un dispositif de réglage de pression 80 qui aspire un peu du du centre de la couche gazeuse 18, pour, ici encore, réduire son épaisseur. Bien entendu, une alimentation 81 injecte du gaz à l'intérieur support 78 mais hors du collecteur 77 pour former la couche gazeuse 18 de la façon usuelle en traversant le plateau 72. On peut envisager l'emploi simultané de plusieurs réseaux de capillaires reliés chacun à un dispositif d'aspiration différent, voire à des dispositifs de soufflage, pour parfaire l'égalisation de pression au sein de la couche gazeuse 18 ; de tels réseaux seraient disposés en cercles concentriques et de diamètres différents à travers le plateau. On peut encore disposer toute une série de capillaires analogues à celui de la figure 9 et affectés uniquement à la mesure de la pression à différents rayons la couche gazeuse 18 indépendamment ou non des réseaux de capillaires de réglage de pression. On revient aux nervures pour en donner une forme qui semble particulièrement adaptée à renforcer plateau 82. La figure 13 illustre que le plateau 82 comprend dans un rebord 83, une nervure polygonale 84 étendant près du centre du plateau 82 et de faible rayon, et des nervures rayonnantes 85 rectilignes 'oignant le rebord 83 aux angles du polygone. le polygone est un hexagone et les nervures rayonnantes 85 sont au nombre de six. Une nervure circulaire pourrait remplacer la nervure polygonale. Une disposition d'ordre différent des précédentes peut concourir au même but d'égaliser 'épaisseur de la couche gazeuse 18 : la figure 14 illustre un plateau 92 dont la face supérieure est entaillée de rainures rectilignes et parallèles 93 qui permettent de faciliter la dispersion du gaz la couche 18 vers sa périphérie ; le même effet est obtenu avec les rainures rayonnantes 103 du plateau 102 la figure 15. On doit enfin mentionner que l'invention peut être généralisée à d'autres formes que des plateaux plats et circulaires : la figure 16 illustre ainsi une goulotte 112 dans la concavité 113 de laquelle un volume de liquide 117 se déplace sous 'action de la gravité ; la surpression est ici etablie la face extérieure de la goulotte 112, conformément à ce que montre les flèches. L'invention est appliquée établissant des nervures 114 parallèles en fer à cheval sur la face extérieure de la goulotte ; ces nervures n'ont pas ici pour but d'égaliser. l'épaisseur la couche gazeuse du volume de liquide 117 mais elles renforcent du moins la goulotte 112. D'autres formes de parois poreuses de sustentation, comme les enceintes cylindriques ou autres formes symétriques ou axisymétriques peuvent être renforcées selon 'invention. Les matériaux utilisés pour réaliser ces parois poreuses doivent être judicieusement choisis afin d'éviter, d'éventuelles interactions chimiques avec le matériau à sustenter en cas de contact ponctuel. Ils sont avantageusement choisis parmi les verres frittés, les métaux poreux (tungstène, graphite, .), les céramiques (alumine, carbure de zirconium, nitrure de bore, zircone, thorine, etc.). REVENDICATIONS 1. Paroi poreuse de dispositif de sustentation d'un liquide par une couche gazeuse résultant d'un écoulement de gaz à travers la paroi caractérisée en ce qu'elle présente une structure renforcement. 2. Paroi poreuse selon la revendication , caractérisée en ce que la structure de renforcement est située d'un côté de la paroi qui est opposé à la couche gazeuse. 3. Paroi poreuse selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisée en ce que la structure de renforcement comprend une surépaisseur centrale ( , 54). 4. Paroi poreuse selon la revendication 2 caractérisee en ce que la structure de renforcement comprend des nervures (33, 45, 53, 63, 74, 84, 85 114). 5. Paroi poreuse selon la revendication 4 la paroi étant circulaire, caractérisée en ce qu' moins une des nervures est rayonnante. 6. Paroi poreuse selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, la paroi étant circulaire, caractérisée en ce qu'au moins une des nervures circulaire. 7. Paroi poreuse selon la revendication , caractérisée en ce que les nervures sont parallèles. 8. Paroi poreuse selon la revendication 4, caractérisée en ce que les nervures sont des portions de séparation de creux (76) usinés dans la paroi. 9. Paroi poreuse selon la revendication 6 caractérisée en ce que la nervure circulaire délimite des chambres à des pressions différentes (43, 44) dispositif. 10. Paroi poreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un capillaire (70, 73) qui traverse. 11. Paroi poreuse selon la revendication 10, caractérisée en ce que le capillaire est relié une prise de pression (71). 12. Paroi poreuse selon la revendication caractérisée en ce que le capillaire est relié à dispositif de variation de pression (80). 13. Paroi poreuse selon la revendication la paroi étant circulaire, caractérisée en ce le capillaire est au centre de la paroi. 14. Paroi poreuse selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisée en ce que paroi comprend des rainures centrifuges (93, 103) d' côté de la paroi qui est tourné vers la couche gazeuse.