Brevet FR2906734A1 — publié le 20080411

L'invention concerne un sonoréacteur et l'utilisation d'un tel sonoréacteur qui comprend : - une enceinte ayant au moins une portion de paroi longitudinale qui s'étend autour d'un axe et qui présente une surface intérieure, ladite enceinte étant apte à contenir un fluide, - un générateur haute fréquence, un résonateur ultrasonore piloté par ledit générateur pour générer un champ ultrasonore de longueur d'onde 2 dans un fluide situé dans ladite enceinte, ledit résonateur comprenant au moins une portion longitudinale qui s'étend dans l'enceinte autour dudit axe et qui présente une surface extérieure immergée dans le fluide situé dans ladite enceinte. De tels sonoréacteurs permettent de traiter par ultrasons un fluide situé dans l'enceinte. Par fluide, on comprend des liquides, des mélanges liquide/solide tels que des suspensions, des dispersions, des bouillies, des colloïdes, des tissus biologiques, des préparations médicamenteuses ou cosmétiques, etc. Les ultrasons sont une forme d'énergie vibratoire qui lorsqu'elle se propage à travers un fluide interagit avec lui. Ces interactions ultrasonores avec un fluide sont connues et exploitées depuis de nombreuses années dans des dispositifs qui nettoient ou séparent des matières, qui accélèrent ou modifient des réactions chimiques. On connaît de tels sonoréacteurs, dans lesquels le résonateur ultrasonore est disposé en partie à 30 l'intérieur de l'enceinte. Cependant, dans les sonoréacteurs connus, la paroi formant l'enceinte présente une surface intérieure sensiblement lisse, de sorte que l'onde ultrasonore qui arrive en un même point de la paroi est tout le temps 35 réfléchie de la même manière. L'onde ultrasonore se propageant de manière ondulatoire, on comprend que 2906734 2 certains endroits dans le fluide sont de ce fait fortement soumis au champ ultrasonore, tandis que d'autres ne sont pas (ou peu) soumis audit champ. Par ailleurs, la vibration ultrasonore est 5 rapidement atténuée par diffusion et/ou absorption d'énergie, en passant dans de longs trajets dans le fluide, de sorte que les enceintes utilisées dans de tels sonoréacteurs sont généralement de petite taille. Il s'ensuit que la quantité de fluide traitée reste 10 faible par unité de temps et que le fluide à traiter risque d'être soumis à un chauffage inapproprié. Le but de l'invention est d'améliorer le rendement des sonoréacteurs, en permettant en particulier une meilleure transmission de l'énergie ultrasonore au 15 fluide situé dans l'enceinte. Ce but est atteint par le fait que la surface intérieure de la portion de paroi longitudinale de l'enceinte et la surface extérieure de la portion longitudinale du résonateur ultrasonore sont écartées 20 l'une de l'autre d'une distance d sensiblement égale à k-, où k est un nombre entier naturel. Avec une telle géométrie du sonoréacteur, du fait que la propagation de l'onde ultrasonore se fait de manière ondulatoire, il s'ensuit que l'amplitude de 25 l'onde qui se réfléchie contre la paroi intérieure de l'enceinte est sensiblement la même que celle de l'onde émise lui ayant donné naissance. De préférence, au moins une portion de ladite surface intérieure présente un profil non linéaire. Par 30 non-linéaire, on comprend que la surface présente des aspérités de forme. Un tel profil non-linéaire permet de réfléchir les ondes ultrasonores de manière multidirectionnelle, générant de ce fait au sein du fluide situé dans 35 l'enceinte, un champ ultrasonore plus homogène. 2906734 3 Dans divers modes de réalisation du sonoréacteur selon l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes . 5 - le profil non-linéaire présente une alternance d'inflexions, - le profil de la portion est dissymétrique par rapport audit axe, - la surface intérieure présente une rugosité Ra 10 supérieure ou égale à 2, - ladite enceinte comporte en outre au moins une ouverture d'entrée et au moins une ouverture de sortie et comporte en outre des moyens pour forcer un écoulement d'un fluide entre lesdites ouvertures 15 d'entrée et de sortie, - une ouverture choisie parmi les ouvertures d'entrée et de sortie est centrée sur l'axe X-X' et est formée dans une paroi transversale de l'enceinte et ladite paroi transversale présentant ladite ouverture 20 est tronconique, - des moyens pour forcer un écoulement comportent un élément hélicoïdal disposé à l'intérieur de ladite enceinte, - l'axe est un axe rectiligne et les surfaces 25 intérieure de la portion de paroi longitudinale de l'enceinte et la surface extérieure de la portion longitudinale du résonateur sont cylindriques autour dudit axe rectiligne, - le résonateur ultrasonore est entièrement situé 30 dans ladite enceinte, - le sonoréacteur comporte des moyens de contrôle de différentes caractéristiques (température du fluide dans l'enceinte, pression, etc.), ainsi que des moyens de régulation de la température du fluide, 35 - le fluide à traiter peut être contenu dans l'enceinte de manière statique ou au contraire 2906734 4 dynamique ; dans ce dernier cas, le fluide peut s'écouler de manière continue ou discontinue. L'invention sera bien comprise et ses avantages apparaîtront mieux à la lecture de la description 5 détaillée qui suit, de modes de réalisation de l'invention représentés à titre d'exemples non limitatifs. La description se réfère aux dessins annexés sur lesquels : 10 - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un sonoréacteur selon l'invention, - la figure 2 représente une vue coupe selon la ligne II-II du sonoréacteur de la figure 1, - la figure 3 représente une coupe partielle de 15 l'enceinte du sonoréacteur selon une variante, et - la figure 4 représente une coupe partielle de l'enceinte du sonoréacteur selon une autre variante. La figure 1 représente une vue en coupe longitudinale d'un sonoréacteur 10 comprenant une 20 enceinte 12 contenant un fluide 14 destiné à être traité par ultrasons. L'enceinte 12 comporte une portion de paroi longitudinale 16, en l'espèce une paroi cylindrique 16 d'axe X-X'. La paroi cylindrique 16 est de préférence 25 tubulaire, mais l'invention n'est pas limitée à cette forme géométrique. La paroi cylindrique 16 est préférentiellement fermée à chacune de ses extrémités 16A, respectivement 16B, par une première paroi transversale 18A, respectivement 18B. Afin de générer un champ ultrasonore dans le fluide 14 contenu dans l'enceinte 12, le sonoréacteur 10 comporte en outre un générateur 20 haute fréquence du type connu, relié à un résonateur ultrasonore 22. Le résonateur ultrasonore 22 comporte au moins une portion longitudinale 24 qui s'étend à l'intérieur de l'enceinte 12, en l'espèce un barreau 24 2906734 5 préférentiellement disposé de manière concentrique avec la paroi cylindrique d'axe X-X'. Ce barreau 24 est préférentiellement plein et présente une surface extérieure 26 qui est immergée dans le fluide 14. En 5 l'espèce, tel qu'illustré sur la figure 1, le résonateur ultrasonore 22 est complètement intégré dans l'enceinte 12, de sorte que le barreau 24 peut être entièrement immergé dans le fluide 14. On peut prévoir que le résonateur ultrasonore 22 traverse la paroi de 10 l'enceinte 12, mais on préférera la configuration précitée, dans laquelle il est intégralement localisé à l'intérieur de l'enceinte 12, afin d'éviter au maximum l'absorption de l'énergie ultrasonore par la paroi de l'enceinte 12. 15 Le générateur 20 est disposé à l'extérieur de l'enceinte 12 et est relié au résonateur ultrasonore 22 à l'aide de moyens de connexion 28 appropriés. Le résonateur ultrasonore 22 comporte en outre des éléments piézo-électriques 30 (ou éventuellement des 20 éléments magnétostrictifs) de type connu, reliés au générateur 20. Le résonateur ultrasonore 22 est fixé par une de ses deux extrémités à une des parois de l'enceinte 12. En l'espèce, l'extrémité 22A est fixée à la paroi 25 transversale 18A, de sorte que le barreau 24 soit centré sur l'axe X-X'. L'autre extrémité 22B du résonateur ultrasonore 22 est libre et présente de préférence une portion d'extrémité conique 22B dont la pointe 22C est centrée sur l'axe X-X'. 30 Afin de permettre une circulation dans l'enceinte 12 du fluide 14 à traiter, une ouverture d'entrée 32 et une ouverture de sortie 34 peuvent être prévues dans au moins une des parois de l'enceinte 12. L'ouverture d'entrée 32 est de préférence située sur la paroi 35 cylindrique 16, par exemple, en partie supérieure, tandis que l'ouverture de sortie 34 est 2906734 6 préférentiellement formée dans une des parois transversales de l'enceinte 12. On comprend que l'ouverture d'entrée 32 et de sortie 34 peuvent être inversée, l'entrée servant alors de sortie et vice 5 versa. En outre, tel qu'illustré sur la figure 1, l'ouverture de sortie 34 est préférentiellement centrée sur l'axe X-X' en étant formée sur la paroi transversale 18B qui est de préférence tronconique. 10 Ainsi, on comprend que la paroi transversale 18B s'étend de manière oblique entre la paroi cylindrique 16 et l'ouverture de sortie 34. Il est ainsi possible d'utiliser le sonoréacteur 10 en traitant un volume donné de fluide 14, soit de 15 manière statique (le volume traité correspond alors au plus au volume intérieur de l'enceinte), soit de manière dynamique en faisant circuler le fluide 14 de manière continue ou discontinue à l'intérieur l'enceinte 12, entre l'ouverture d'entrée 32 et 20 l'ouverture de sortie 34. Dans ce dernier cas, on comprend que le volume de fluide traité peut être plus important par unité de temps, que dans le cas d'un traitement statique. Selon l'invention, la distance d qui sépare la 25 surface intérieure 36 de la paroi cylindrique 16 de la surface extérieure 26 du barreau 24 est sensiblement égale à k~, où 1 représente la longueur d'onde de l'onde ultrasonore générée par le résonateur 22 au sein du fluide 14, et k est un coefficient choisit parmi les 30 nombres entiers naturels [1, 2, 3, ..., n]. En référence à la figure 2, la paroi longitudinale 16, concentrique avec le barreau 24, est préférentiellement un cylindre de révolution centrée sur l'axe X-X' qui est rectiligne, de sorte que la 35 distance d qui sépare la surface extérieure 26 du 2906734 7 barreau 24 de la surface intérieure 36 de la paroi longitudinale 16 est sensiblement constante, vu en coupe transversale (figure 2) et/ou en coupe longitudinale le long de l'axe X-X' (figure 1). 5 Ainsi, en considérant le diamètre D26 de la surface extérieure 26 du barreau 24 et le diamètre D36 de la surface intérieure 36 de la paroi cylindrique 16, la distance d correspond sensiblement à : 2 (D36 - D26). 10 A titre d'exemple, pour un sonoréacteur 10 fonctionnant à une fréquence de 40 kHz, la longueur d'onde ? est sensiblement de l'ordre de 37,5 mm pour un fluide 14 comprenant de l'eau, de sorte que la distance d doit être un multiple entier de 18,75 mm 15 (correspondant à X/2). Ainsi, on choisira par exemple, un barreau 24 ayant une surface extérieure 26 de diamètre D26 sensiblement égal à 30 mm et une enceinte 12 ayant une paroi cylindrique 16 ayant une surface intérieure ayant un diamètre D16 sensiblement égal à 20 67,5 mm pour k = 1, ou sensiblement égal à 105 mm pour k = 2, etc. De la même manière, on peut prévoir que la surface intérieure de la paroi transversale 18B tronconique soit aussi à une même distance d de la portion 25 d'extrémité conique 22B (figure 1). Afin d'obtenir un champ ultrasonore homogène au sein du fluide 14, la surface intérieure des parois de l'enceinte 12 et en particulier de la surface intérieure 36 de la paroi longitudinale 16 (ou au moins 30 une portion 36' de ladite surface intérieure 36) présente un profil P qui est non-linéaire. En l'espèce, il est préférable que la surface ne soit pas lisse, de sorte que l'onde arrivant sur la paroi intérieure soit réfléchie de manière multidirectionnelle. 2906734 8 Les figures 3 et 4 sur lesquelles seule la paroi longitudinale 16 est illustrée schématiquement en partie avec un agrandissement exagéré du profil, montrent deux autres variantes de réalisation, dans 5 lesquelles le profil P de la surface intérieure de l'enceinte et en particulier celui de la surface intérieure 36 de la paroi longitudinale 16 suit une alternance d'inflexions, en l'espèce une alternance de saillies S et de creux C. 10 En l'espèce, tel qu'illustré sur la figure 3, le profil P a une forme de sinusoïde. L'homme du métier choisira une forme sinusoïdale appropriée en fonction de la fréquence ultrasonore et du fluide à traiter. A titre d'exemple, on pourra choisir un pas (écart entre 15 deux saillies S consécutives) de l'ordre de 4 mm et une amplitude (écart entre le sommet d'une saillie S et le fond d'un creux C consécutifs) de l'ordre de 1 mm. En référence à la figure 4, le profil P suit une alternance d'inflexions I, en l'espèce une forme en 20 dents de scie , préférentiellement de mêmes valeurs que précitées. Quelle que soit la variante, le profil P est préférentiellement dissymétrique, c'est-à-dire que vu en coupe longitudinale et/ou transversale, le sommet 25 d'une saillie S1 n'est pas en regard d'une autre saillie S2 (figure 3). En ce qui concerne la distance d séparant la surface extérieure 26 du barreau de la surface intérieure 36, on comprend que le diamètre D36 30 considérée pour la distance d, correspond sensiblement au diamètre nominal du profil P de la surface intérieure 36, c'est-à-dire au diamètre moyen de la surface intérieure (diamètre entre les génératrices G1 et G2 située à la distance moyenne entre les sommets 35 des saillies et les fonds des creux, comme illustré sur les figures 3 et 4). 2906734 9 En référence à la figure 2, selon un autre mode de réalisation qui peut être pris seul ou en combinaison avec les modes de réalisation des figures 3 et 4, la surface intérieure de l'enceinte 12 et en particulier 5 la surface intérieure 36 de la paroi cylindrique 16 (ou au moins une portion 36' de ladite surface intérieure 36) a préférentiellement un état de surface rugueux ; en l'espèce, la surface présente une rugosité telle que l'écart moyen arithmétique Ra du profil P est supérieur 10 ou égal à 2 pm, de préférence compris entre 2 pm et 100 pm, en particulier de l'ordre 12 pm. Afin d'améliorer le traitement par ultrasons du fluide 14, il peut être prévu des moyens pour forcer l'écoulement du fluide 14 à l'intérieur de l'enceinte 15 12. En l'espèce, les moyens pour forcer l'écoulement comportent un élément hélicoïdal 38 disposé à l'intérieur de l'enceinte 12, en particulier tel qu'illustré sur la figure 1, entre la surface intérieure 36 de la paroi cylindrique 16 et l'extérieur 20 du barreau 22. On comprend que cet élément hélicoïdal 38 permet de guider le fluide 14 en le faisant circuler en spirale autour du barreau 22. Ainsi, le fluide 14 parcourt un trajet plus long dans l'enceinte 12, de sorte qu'il est 25 soumis plus longtemps au champ ultrasonore qu'en l'absence d'un tel moyen pour forcer l'écoulement. Afin de contrôler des caractéristiques du fluide traité, comme par exemple, sa température, sa pression, etc., le sonoréacteur 10 peut en outre comprendre des 30 moyens de contrôle du type connu. En l'espèce, le sonoréacteur 10 peut comporter une sonde de température 40 disposée dans l'enceinte 12. Par ailleurs, des moyens de chauffage et/ou de refroidissement 42 peuvent être prévu pour appliquer 35 une température donnée au fluide 14. En l'espèce, tel qu'illustré sur la figure 1, les moyens de chauffage 2906734 10 et/ou de refroidissement 42 comportent par exemple un fluide caloriporteur 44 qui circule préférentiellement autour de l'enceinte 12 dans une chambre 46 prévue à cet effet. 5 Des moyens de régulation 48 peuvent être connectés aux moyens de contrôle et aux moyens de chauffage et/ou de refroidissement 42, afin de réguler la température. Des moyens analogues peuvent être prévus pour réguler la pression du fluide 14 dans l'enceinte 12. 10 L'utilisation d'un sonoréacteur 10 tel que décrit permet de traiter par ultrasons un fluide 14 du type des liquides, des mélanges liquide/solide tels que des suspensions, des dispersions, des bouillies, des colloïdes, des tissus biologiques, des préparations 15 médicamenteuses ou cosmétiques, etc., situé dans l'enceinte 12. Par traitement, on comprend le nettoyage, le mélange ou la séparation de matière(s), la dépollution, l'accélération ou la modification de réactions chimiques, etc. 20 Selon l'utilisation du sonoréacteur, l'homme du métier choisira des matériaux particulièrement adaptés pour l'enceinte et pour les moyens pour forcer l'écoulement. Ces matériaux sont par exemple choisit parmi les aciers inoxydables, les verres, les 25 plastiques, etc. REVENDICATIONS 1. Sonoréacteur comprenant : - une enceinte (12) ayant au moins une portion de paroi longitudinale (16) qui s'étend autour d'un axe (X-X') et qui présente une surface intérieure (36), ladite enceinte (12) étant apte à contenir un fluide (14), - un générateur (20) haute fréquence, - un résonateur (22) ultrasonore piloté par ledit générateur (20) pour générer un champ ultrasonore de longueur d'onde ? dans un fluide (14) situé dans ladite enceinte (12), ledit résonateur (22) comprenant au moins une portion longitudinale (24) qui s'étend dans l'enceinte (12) autour dudit axe (X-X') et qui présente une surface extérieure (26) immergée dans le fluide (14) situé dans ladite enceinte (12), caractérisé en ce que ladite surface intérieure (36) de la portion de paroi longitudinale (16) de ladite enceinte (12) et ladite surface extérieure (26) de la portion longitudinale (24) du résonateur (22) sont écartées l'une de l'autre d'une distance d sensiblement égale à k2, où k est un nombre entier naturel. 2. Sonoréacteur selon la revendication présente, dans lequel au moins une portion (36') de ladite surface intérieure (36) présente un profil (P) non linéaire. 3. Sonoréacteur selon la revendication selon la revendication 1, dans lequel le profil (P) non-linéaire présente une alternance d'inflexions (I). 4. Sonoréacteur selon la revendication 2 ou 3, dans lequel le profil (P) de ladite portion (36') est 35 dissymétrique par rapport audit axe (X-X'). 2906734 12 5. Sonoréacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la surface intérieure (36) présente une rugosité Ra supérieure ou égale à 2. 5 6. Sonoréacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite enceinte (12) comporte en outre au moins une ouverture d'entrée (32) et au moins une ouverture de sortie (34) et comporte en outre des moyens pour forcer un écoulement 10 (38) d'un fluide (14) entre lesdites ouvertures d'entrée et de sortie (32, 34). 7. Sonoréacteur selon la revendication précédente, dans lequel une ouverture (34) choisie parmi les ouvertures d'entrée et de sortie (32, 34) est centrée 15 sur l'axe X-X' et est formée dans une paroi transversale (18B) de l'enceinte (12) et ladite paroi transversale (18B) présentant ladite ouverture (34) est tronconique. 8. Sonoréacteur selon la revendication précédente, 20 dans laquelle lesdits moyens pour forcer un écoulement (38) comportent un élément hélicoïdal (38) disposé à l'intérieur de ladite enceinte (12). 9. Sonoréacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'axe (X-X') 25 est un axe rectiligne (X-X') et ladite surface intérieure (36) de la portion de paroi longitudinale (16) de l'enceinte (12) et ladite surface extérieure (26) de la portion longitudinale (24) du résonateur (22) sont cylindriques autour dudit axe rectiligne (X- 30 X'). 10. Sonoréacteur selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le résonateur (22) ultrasonore est entièrement situé dans ladite enceinte (12). 2906734 13 11. Utilisation d'un sonoréacteur (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes pour traiter un fluide (14) dans ladite enceinte (12).