Brevet FR2963926A1 — publié le 20120224

L'invention porte sur un procédé pour remplir au moins une partie du volume interne d'une enceinte avec un deuxième gaz en tout en évacuant au moins une partie d'un premier gaz contenu dans le volume interne de ladite enceinte en minimisant le mélange du deuxième gaz avec le premier. Il est connu d'éliminer l'air présent dans une enceinte en utilisant un système de mise sous vide permettant d'extraire l'air de l'enceinte, préalablement à l'introduction dans ladite enceinte d'un gaz de composition désirée, par exemple un gaz inerte, tel l'argon ou l'azote. De tels systèmes de mise sous vide sont décrits par exemple par les documents JP-A-2004203457, JP-A-60141231 ou encore EP-A-467632. Le terme « enceinte » est compris, dans le cadre de la présente invention, comme étant n'importe quel compartiment, récipient, chambre, sac, réservoir ou analogue apte à contenir et/ou stocker un gaz ou un mélange gazeux. Bien que ces systèmes soient, en théorie, applicables à tous les domaines, il a été observé en pratique qu'ils ne sont pas adaptés au domaine médical ou similaire. En effet, dans le domaine médical ou thérapeutique, la mise sous vide, c'est-à-dire à pression inférieure à la pression atmosphérique ( En fait, dans le domaine médical, les enceintes qui peuvent potentiellement être remplies avec des gaz thérapeutiques, médicaux ou actifs sont de natures variées. On peut citer par exemple les chambres animalières d'exposition à l'inhalation, les incubateurs où sont placés des cellules ou des tissus, les récipients de stockage et de transport de tissus, de cellules ou d'organes, les chambres hyperbariques, les réservoirs à gaz, les soufflets des ventilateurs des appareils ventilatoires ou respiratoires , les incubateurs néonataux... Ainsi, lors de tests d'exposition de rats à des gaz inhalables, tel du xénon, les rats sont placés dans une chambre ou enceinte contenant de l'air qui doit être retiré de l'enceinte et remplacé par du xénon ou un mélange xénon/oxygène. Idéalement, la même quantité volumique de xénon devrait être introduite que la quantité d'air extraite. Ainsi, pour une enceinte de 37 litres de volume interne, il faudrait environ 3,7 minutes pour un débit d'entrée de 10 1/min. Or, en pratique, on a constaté qu'avec que les enceintes existantes de 37 litres, il fallait plus de 20 min pour substituer tout l'air par du xénon (i.e. Xe/02). Cette durée très longue s'explique par le fait que le xénon introduit dans l'enceinte va se diluer avec l'air qui y est présent et qu'il faut alors utiliser de grandes quantités de xénon pour chasser tout l'air qui s'y trouve. Cette manière de procéder n'est pas idéale car, d'une part, la consommation de xénon est multipliée par 5 et beaucoup de xénon est gaspillé alors qu'il s'agit d'un gaz onéreux et, d'autre part, l'exposition des animaux à ces mélanges xénon/air pendant 20 minutes ou plus peut fausser les mesures et les résultats finaux. Le problème qui se pose dès lors est de pouvoir remplir le volume interne d'une enceinte avec un deuxième gaz, tel du xénon, en tout en évacuant le premier gaz, tel de l'air, contenu dans le volume interne de ladite enceinte en minimisant le mélange du deuxième gaz avec le premier de manière à réduire le temps de remplissage et à diminuer les pertes de deuxième gaz. La solution est un procédé pour remplir au moins une partie du volume interne d'une enceinte avec un deuxième gaz en tout en évacuant au moins une partie d'un premier gaz contenu dans ledit volume interne de ladite enceinte, ladite enceinte comprenant au moins une paroi périphérique, un fond et un plafond définissant entre eux un volume interne contenant un premier gaz, ladite enceinte comprenant en outre au moins un orifice d'entrée de gaz et au moins un orifice de sortie de gaz, lesdits au moins un orifice d'entrée et de sortie traversant ladite paroi périphérique, ledit au moins un orifice d'entrée étant localisé à proximité du fond de l'enceinte et ledit au moins un orifice de sortie étant localisé à proximité du plafond, caractérisé en ce qu'on introduit progressivement un deuxième gaz dans le volume interne de l'enceinte, au travers dudit au moins un orifice d'entrée, tout en laissant au moins une partie du premier gaz s'échapper au travers dudit au moins un orifice de sortie, ledit premier gaz étant progressivement repoussé par le deuxième gaz en direction dudit au moins un orifice de sortie. Selon le cas, le procédé de l'invention peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - l'enceinte comprend au moins un orifice d'entrée ayant une forme de fente oblongue, de préférence de forme ellipsoïdale ou rectangulaire. - l'enceinte comprend une rangée formée de plusieurs orifices d'entrée et/ou une rangée formée de plusieurs orifices de sortie. - l'enceinte comprend un ou plusieurs orifices ou fente d'entrée ayant une section de passage supérieure à celle du ou des orifices de sortie. - ledit au moins un orifice ou fente d'entrée comprend un élément régulateur de flux gazeux apte à et conçu pour minimiser le mélange du deuxième gaz avec le premier gaz lorsque le deuxième gaz pénètre dans l'enceinte, de préférence un déflecteur, un tamis ou un élément redresseur ou orienteur de flux gazeux. - la densité du deuxième gaz est supérieure à celle du premier gaz. - le premier gaz est de l'air. - le deuxième gaz est choisi parmi le xénon, l'argon, le N2O, CO2, S02 et H2S. - le deuxième gaz entre dans l'enceinte en un flux laminaire après passage au travers dudit au moins un orifice d'entrée. - l'enceinte a une forme parallélépipédique. - le deuxième gaz entre au niveau du fond de l'enceinte en repoussant progressivement le premier gaz en direction du plafond de l'enceinte. Grâce au procédé de l'invention, il est possible de réduire le temps nécessaire au remplissage de l'enceinte avec le deuxième gaz, ainsi que le volume dudit deuxième gaz consommé, pendant la période de balayage de l'air, c'est-à-dire la période pendant laquelle le deuxième gaz introduit dans l'enceinte chasse le premier gaz, tel l'air, qui s'y trouvait au préalable. Ceci permet non seulement de réduire les coûts du procédé, en particulier lorsque le gaz introduit dans l'enceinte est un gaz onéreux, tel le xénon, mais aussi et surtout de permettre la substitution de l'air par un gaz de composition désirée, tel un gaz thérapeutique, même lorsque l'enceinte contient un matériel biologique, tel des cellules, des tissus, un ou des organes, ou un animal, tel un rat de laboratoire, ce qui rend possible, voire idéale, son utilisation dans le domaine médical et thérapeutique, contrairement aux procédés connus. En fait, le procédé de remplissage de l'invention tire partie de la différence existant entre les deux gaz, à savoir le premier gaz devant être extrait de l'enceinte et le deuxième gaz qui doit y être introduit, de manière à réduire au maximum les mélanges desdits gaz. Pour ce faire, le deuxième gaz est introduit dans la partie basse de l'enceinte de manière à remplir progressivement l'enceinte depuis le fond vers son couvercle ou plafond, tout en évacuant le premier gaz, à savoir typiquement de l'air, progressivement via un ou plusieurs orifices situés en partie haute de l'enceinte, à savoir à proximité du couvercle ou plafond fermant et recouvrant l'enceinte. Ceci se produit car le volume gazeux global de l'enceinte ne change pas, le premier gaz étant simplement substitué par le deuxième gaz. Il est dès lors important de bien choisir la configuration et la géométrie des orifices d'entrée et de sortie traversant la paroi de l'enceinte de sorte d'éviter au maximum que des mélanges de gaz ne puissent se produire en tirant avantage des différences de densité entre les gaz entrant et sortant. En particulier, la localisation, la taille et la forme des orifices ainsi que la présence éventuelle d'un dispositif de contrôle de flux, tel un diffuseur, sont des paramètres importants mais qui peuvent aisément être choisis de manière empirique. Les Exemples donnés ci-après permettent d'illustrer et dès lors de mieux comprendre le procédé de l'invention. Ceux-ci sont donnés en références aux Figures annexées parmi lesquelles : - la Figure 1 représente une enceinte à gaz selon l'art antérieur, - la Figure 2 représente un mode de réalisation d'une enceinte à gaz selon l'invention, laquelle est munie d'une fente d'entrée de gaz, - la Figure 3 est une simulation par ordinateur de dynamique des fluides, et - la Figure 4 représente des courbes de mesure de concentration de xénon sortant des enceintes testées. Exemples Des essais comparatifs ont été réalisés afin de tester l'efficacité du procédé selon l'invention, en utilisant une chambre 1 à animal parallélépipédique de 37 litres de volume interne comprenant un orifice d'entrée 2 et un orifice de sortie 3 portés par deux parois latérales se faisant face, et ayant une configuration : - soit selon l'art antérieur (Essai A), telle que schématisée en Figure 1. Dans ce cas, la chambre ou enceinte 1 est dotée d'un orifice d'entrée 2 de gaz de 0,5 cm de diamètre localisé situé dans sa partie supérieure, c'est-à-dire au niveau de son couvercle ou plafond 11, et un orifice de sortie 3 de gaz également de 0,5 cm de diamètre situé dans sa partie inférieure, c'est-à-dire au niveau de son fond 12. - soit selon un premier mode (Essai B)de mise en oeuvre du procédé de l'invention (non illustré), dans lequel le positionnement des orifices d'entrée 2 et de sortie 3 a été inversé par rapport à la Figure 1, c'est-à-dire que la chambre 1 est dotée d'un orifice d'entrée 2 de gaz de 0,5 cm de diamètre localisé situé dans sa partie inférieure, c'est-à-dire au niveau de son fond 12, et d'un orifice de sortie 3 de gaz également de 0,5 cm de diamètre situé dans sa partie supérieure, c'est-à-dire au niveau de son couvercle ou plafond 11. - soit selon un deuxième mode (Essai C) de mise en oeuvre du procédé de l'invention illustré en Figure 2, dans lequel la chambre ou enceinte 1 est dotée d'un orifice d'entrée 4 de gaz de diamètre supérieur à 0,5 cm, par exemple un orifice en forme de fente de 0,5 cm de largeur et plusieurs centimètres de longueur, localisé au niveau de son fond 12, et un orifice de sortie 5 de gaz de 0,5 cm de diamètre localisé, quant à lui, au niveau de son couvercle ou plafond 11. Une analyse ou simulation par ordinateur de la dynamique des fluides (CFD) dans chacune des chambres 1 a été réalisée pour évaluer les mélanges gazeux qui s'opèrent dans les différentes chambres contenant au départ de l'air ambiant, lors du remplissage de chacune des chambres avec un même mélange gazeux, à savoir un mélange 50%/50% Xe/02 (% volumique), ci-après appelé « gaz test ». L'évaluation est faite après une durée de 1 minute pour un débit de gaz de 10 1/min en entrée. Les résultats obtenus, illustrés en Figure 3, montrent que : - Essai A : les positionnements en haut de l'orifice d'entrée (0E) et en bas de l'orifice de sortie (OS), comme illustré en Figure 1, conduisent à une chambre au sein de laquelle le gaz test se mélange de manière conséquente avec l'air qui s'y trouve. Environ 13% du xénon présent dans le gaz test est perdu car évacué par l'orifice de sortie. Le xénon n'est pas uniformément réparti dans la chambre puisque la concentration en xénon est plus élevée du côté de l'orifice d'entrée que dans le reste de la chambre. - Essai B : l'inversion du positionnement des orifices d'entrée (0E) et de sortie (OS) par rapport à l'Essai A, conduit à une chambre au sein de laquelle le gaz test ne se mélange plus de manière importante avec l'air qui s'y trouve. En effet, on assiste à la création dans la chambre d'une sorte de gradient de concentrations avec des teneurs élevées en xénon (50%) dans le fond de l'enceinte, c'est-à-dire du côté de l'orifice d'entrée, lesquelles décroissent au fur et à mesure qu'on s'approche du haut, c'est-à-dire de l'orifice de sortie situé près du plafond. Dans ce cas, au bout d'une minute, très peu de xénon s'échappe de l'enceinte. Cet Essai B montre l'intérêt à inverser la position des orifices d'entrée et de sortie. - Essai C : comme illustré en Figure 2, l'inversion du positionnement des orifices d'entrée (0E) et de sortie (OS) par rapport à l'Essai A et la mise en oeuvre d'une fente d'entrée (FE) de gaz située vers le fond, c'est-à-dire d'une ouverture large d'admission du gaz dans le bas de l'enceinte, conduisent à une chambre au sein de laquelle le gaz test se stratifie sans quasiment se mélanger avec l'air qui s'y trouve. Après 1 minute de remplissage, quasiment pas de xénon ne s'est échappé par l'orifice de sortie situé au niveau du plafond. Cet Essai C démontre l'intérêt d'utiliser un orifice d'entrée présente un passage important, c'est-à-dire une ouverture large, pour le gaz test. En effet, le gaz test entrant par la fente s'accumule progressivement dans la chambre depuis le fond vers le plafond, en engendrant une expulsion de l'air par l'orifice de sortie. L'entrée en forme de fente permet de créer une stratification et d'éviter les turbulences dans l'enceinte, ce qui permet de minimiser les mélanges entre le gaze test et l'air et donc d'évacuer une quantité minimale de xénon. La Figure 4 représentent les concentrations en xénon (% en volume) au fil du temps (en minutes) dans le gaz sortant par l'orifice de sortie (OS), mesurées lors d'essais opérés de manière analogue aux Essais A à c ci-dessus en comparaison à un cas `idéal' dans lequel aucune molécule de xénon ne serait perdue, c'est-à-dire évacuée vers l'extérieur, soit pour une durée de 3,7 minutes et une quantité de gaz test de 37 litres. Ces essais complémentaires montrent que dans la configuration de la Figure 1 selon l'art antérieur (OE en haut; analogue à l'Essai A), le remplissage de l'enceinte nécessite environ 20 minutes et environ 200 litres de gaz, alors que dans la configuration de la Figure 2 selon l'invention (FE en bas ; analogue à l'Essai C), le remplissage de l'enceinte nécessite seulement 10 minutes et à peine 100 litres de gaz. Une configuration similaire à celle de l'essai B (OE en bas) conduit à des résultats intermédiaires. En fait, avec une configuration selon l'invention (Essais B et C et Figure 2), le positionnement de l'orifice d'entrée (0E, FE) en dessous de l'orifice de sortie (OS) permet aux gaz plus lourds que l'air, tel le xénon par exemple, d'entrer dans l'enceinte de manière stable puisqu'en dessous de la masse d'air à évacuer, ce qui limite le phénomène de mélange et permet de mieux repousser la masse d'air située au dessus vers l'orifice de sortie (OS). De plus, plus la section de passage de gaz de l'orifice d'entrée (0E, FE) sera grande, moins la vélocité du gaz sera élevée, ce qui engendre une entrée de gaz selon un flux laminaire contrairement à une entrée de section par exemple circulaire qui donne un jet turbulent donc plus propice à obtenir des mélanges de gaz. La présente invention est applicable non seulement au xénon et aux mélanges gazeux à base de xénon mais aussi à tout autre gaz ou mélange gazeux plus lourd que l'air, tel l'argon, le N2O, le CO2, le S02, le H2S... et leurs mélanges. A noter à ce titre que les différences de densité peuvent être accentuées en mettant en oeuvre un contrôle de température. REVENDICATIONS1. Procédé pour remplir au moins une partie du volume interne d'une enceinte (1) avec un deuxième gaz en tout en évacuant au moins une partie d'un premier gaz contenu dans ledit volume interne de ladite enceinte (1), ladite enceinte (1) comprenant au moins une paroi périphérique, un fond (12) et un plafond (11) définissant entre eux un volume interne contenant un premier gaz, ladite enceinte (1) comprenant en outre au moins un orifice d'entrée (4) de gaz et au moins un orifice de sortie (5) de gaz, lesdits au moins un orifice d'entrée (4) et de sortie (5) traversant ladite paroi périphérique, ledit au moins un orifice d'entrée (4) étant localisé à proximité du fond (12) de l'enceinte (1) et ledit au moins un orifice de sortie (5) étant localisé à proximité du plafond (11), caractérisé en ce qu'on introduit progressivement un deuxième gaz dans le volume interne de l'enceinte (1), au travers dudit au moins un orifice d'entrée (4), tout en laissant au moins une partie du premier gaz s'échapper au travers dudit au moins un orifice de sortie (5), ledit premier gaz étant progressivement repoussé par le deuxième gaz en direction dudit au moins un orifice de sortie (5). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte comprend au moins un orifice d'entrée (4) ayant une forme de fente oblongue, de préférence de forme ellipsoïdale ou rectangulaire. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enceinte comprend une rangée formée de plusieurs orifices d'entrée (4) et/ou une rangée formée de plusieurs orifices de sortie (5). 25 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'enceinte comprend un ou plusieurs orifices d'entrée (4) ayant une section de passage supérieure à celle du ou des orifices de sortie (5). 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit au 30 moins un orifice d'entrée (4) comprend un élément régulateur de flux gazeux apte à et conçu pour minimiser le mélange du deuxième gaz avec le premier gaz lorsque le deuxième gaz pénètre dans l'enceinte, de préférence un déflecteur, un tamis ou un élément redresseur ou orienteur de flux gazeux.20 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la densité du deuxième gaz est supérieure à celle du premier gaz. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le premier gaz est de l'air ou le deuxième gaz est choisi parmi le xénon, l'argon, le N2O, CO2, S02 et H2S. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le deuxième gaz entre dans l'enceinte en un flux laminaire après passage au travers dudit au moins un orifice d'entrée (4). 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que l'enceinte (1) a une forme parallélépipédique. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le deuxième 15 gaz entre au niveau du fond de l'enceinte (12) en repoussant progressivement le premier gaz en direction du plafond (11) de l'enceinte.10