Brevet FR3048367A1 — publié le 20170908

MELANGEUR SANS PALE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION Le domaine technique de l'invention est celui des mélangeurs. La présente invention concerne un mélangeur sans pale. ARRIERE-PLAli TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION Pour le mélange d'un liquide, l'utilisation d'un mélangeur comportant une pale en rotation est connue. La pale en rotation crée toutefois un fort cisaillement au sein du liquide, par décollement de couche limite. De plus, l'utilisation d'une pale nécessite généralement de nettoyer régulièrement ladite pale et rend difficile voire impossible de garantir que le liquide à mélanger ne sera pas pollué à cause de ladite pale. Le problème du fort cisaillement est notamment connu dans le domaine des biotechnologies, et par exemple dans le domaine de la culture de cellules en solution dans un bioréacteur. Les cellules cultivées ont en effet besoin d'un apport régulier en oxygène et d'une évacuation régulière du dioxyde de carbone qu'elles rejettent. L'apport en oxygène et l'évacuation du dioxyde de carbone sont typiquement assurés par une pale en rotation. Mais le fort cisaillement créé par la pale en rotation peut tuer les cellules cultivées, qui préfèrent un milieu relativement immobile. Afin de mélanger un liquide en s'affranchissant de l'utilisation d'une pale, il est connu d'injecter des bulles d'air en partie inférieure d'une cuve contenant le liquide à mélanger. Une telle solution présente notamment l'inconvénient de nécessiter un dispositif d'injection de bulles d'air. Il existe également des applications dans lesquelles l'injection de bulles d'air est contre-indiquée. II est donc recherché un dispositif permettant de mélanger un liquide avec un faible taux de cisaillement au sein du liquide et un faible risque de pollution du 3048367 2 liquide, tout en s'affranchissant de l'utilisation d'un dispositif complexe d'injection de bulles d'air. RESUME DE L'INVENTIO:1 5 L'invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment en proposant un dispositif de mélange d'un liquide sans pale et sans injection de bulles d'air. Un aspect de l'invention concerne un mélangeur sans pale pour le mélange d'un 10 liquide de viscosité cinématique v donnée, le mélangeur comportant : un récipient sensiblement cylindrique d'axe A et de rayon R, le liquide à mélanger étant placé dans le récipient et présentant une surface libre à une hauteur H mesurée suivant l'axe A; un organe d'inclinaison du récipient de manière que l'axe A forme un angle a 15 non nul par rapport à la direction verticale, l'angle a étant choisi inférieur ou égal à 30° ; - un organe d'entraînement du récipient dans un mouvement de rotation suivant l'axe A et avec une vitesse angulaire de rotation Q ; le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R étant choisi de manière à 20 observer une résonance d'un mode propre inertiel du liquide à mélanger lorsque le récipient est incliné et en rotation. Dans le présent document, on entend par « récipient cylindrique » un récipient ayant une paroi latérale définie par une droite appelée génératrice, passant par un 25 point variable décrivant une courbe, appelée courbe directrice, et gardant une direction fixe. On entend par « récipient sensiblement cylindrique » un récipient cylindrique ou tronconique. En effet, les variations de diamètre de la section du récipient ne perturbent pas le fonctionnement du mélangeur dans la mesure où elles restent faibles. On conçoit que la fabrication du récipient peut conduire à des 30 formes qui ne sont pas parfaitement cylindriques, notamment des formes tronconiques. 3048367 Dans le présent document, le « rayon R du récipient sensiblement cylindrique d'axe A» est la distance la plus petite entre l'axe A du récipient et une paroi latérale du récipient. 5 D'une manière générale, un mode propre inertiel peut être défini comme un mouvement global d'un liquide tournant, le mouvement étant : périodique ou stationnaire en temps, sinusoïdal selon l'angle azimutal 0, et forcé par une perturbation du liquide. 10 On entend par « angle azimutal 0 » l'angle permettant de repérer la position d'un point en coordonnées cylindriques. La figure lc montre schématiquement un point M de coordonnées cylindriques (r, e, z). On entend par « le mouvement est sinusoïdal selon l'angle azimutal 0 » le fait que, en tout point du liquide non contraint par une paroi du récipient, chaque 15 composante de la vitesse s'exprime en sin(m0), avec m le nombre d'onde azimutal. On force avantageusement les modes propres inertiels de nombre d'onde azimutal m = 1 en inclinant le récipient en rotation de manière que l'axe A forme l'angle a par rapport à la direction verticale. 20 On choisit avantageusement le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R de manière à se placer dans une résonance d'un desdits modes propres inertiels. De forts mouvements de grande échelle se produisent alors dans le volume du liquide en résonance, permettant un mélange efficace avec un taux de cisaillement très faible. 25 Outre les caractéristiques qui viennent d'être évoquées dans le paragraphe précédent, le mélangeur sans pale selon un aspect de l'invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement 30 possibles : - Le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R est avantageusement 3048367 4 - choisi tel que : H 1,79 x k 5_ 7 2,19 x k k étant un entier naturel. L'entier naturel k est préférentiellement égal à 1 mais peut alternativement être égal ou supérieur à 2. 5 - Le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R est avantageusement choisi tel que : H 0,86 x k 1000 avec S2 la vitesse angulaire de rotation exprimée en rad/s, R le rayon du récipient exprimé en m, a l'angle d'inclinaison entre l'axe A et la direction verticale exprimé en degré °, et v la viscosité cinématique du liquide, 25 exprimée en m2/s. - Mélangeur sans pale dans lequel : 3048367 la vitesse angulaire de rotation O est variable, et la variation de la vitesse angulaire de rotation Q est inférieure ou égale à 25% au cours d'une révolution complète du récipient. L'invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES 10 Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. La figure la montre schématiquement un mélangeur sans pale selon un mode de réalisation de l'invention dans une position de repos. La figure 1 b montre schématiquement le mélangeur sans pale de la figure la dans une position de fonctionnement. 15 La figure 1 c montre schématiquement un système de coordonnées cylindriques. La figure 2a montre schématiquement une vue en coupe d'un premier récipient cylindrique d'un mélangeur sans pale selon un mode de réalisation de l'invention. 20 La figure 2b montre schématiquement une vue en coupe d'un deuxième récipient cylindrique d'un mélangeur sans pale selon un mode de réalisation de l'invention. - La figure 3a montre schématiquement une vue en coupe d'un troisième récipient cylindrique d'un mélangeur sans pale selon un mode de 25 réalisation de l'invention. - La figure 3b montre schématiquement une vue en coupe d'un quatrième récipient cylindrique d'un mélangeur sans pale selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 4a montre schématiquement une première vue en perspective 30 d'un récipient sensiblement cylindrique d'un mélangeur sans pale selon un mode de réalisation de l'invention. 3048367 6 La figure 4b montre schématiquement une deuxième vue en perspective d'un récipient sensiblement cylindrique d'un mélangeur sans pale selon un mode de réalisation de l'invention. La figure 4c montre schématiquement une troisième vue en perspective 5 d'un récipient sensiblement cylindrique d'un mélangeur sans pale selon un mode de réalisation de l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'AU MOINS UN MODE DE REALISATION DE L'INVENTION 10 Sauf précision contraire, un même élément apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique. La figure la montre schématiquement un mélangeur 10 sans pale selon un mode de réalisation de l'invention dans une position de repos. La figure 1 b montre 15 schématiquement le mélangeur 10 sans pale dans une position de fonctionnement. Les figures 1 a et lb sont décrites conjointement. Le mélangeur 10 comporte un récipient 1 sensiblement cylindrique, d'axe A et de rayon R. Un liquide 2 à mélanger est placé dans le récipient 1. Le liquide 2 est 20 caractérisé par une viscosité cinématique v, typiquement exprimée en m2/s. Le liquide 2 présente une surface libre 3 à une hauteur H mesurée suivant l'axe A. La surface libre 3 est par définition la surface du liquide 2 qui n'est pas en contact avec les parois du récipient 1. La hauteur H peut être définie comme la longueur de l'axe A qui est immergée dans le liquide 2. 25 Dans la position de repos de la figure 1 a, l'axe A du récipient 1 est suivant une direction verticale, et le récipient 1 est immobile. On entend par « direction verticale » une direction parallèle à la direction de la force de pesanteur :g'. 30 Dans la position de fonctionnement de la figure 1 b, le récipient 1 est incliné et en rotation suivant l'axe A. Le récipient 1 est incliné au moyen d'un organe d'inclinaison, non représenté. L'inclinaison est choisie telle que l'axe A du 3048367 7 récipient 1 forme un angle a non nul par rapport à la direction verticale, l'angle a étant inférieur ou égal à 30°. L'angle a peut par exemple être égal à 0,5°, ou à 1°, ou à 5°, ou à 15°. Pour un angle a supérieur à 30°, l'écoulement à la surface libre risque de générer un cisaillement. Le récipient 1 est mis en rotation suivant l'axe A 5 par un organe d'entraînement, non représenté. Le récipient 1 est entraîné dans un mouvement de rotation suivant l'axe A avec une vitesse angulaire de rotation C) typiquement exprimée en rad/s. Le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R est avantageusement 10 choisi de manière à se placer dans une résonance d'un mode propre inertiel du liquide 2. Un mode propre inertiel peut être défini comme un mouvement de perturbation global et périodique ou stationnaire du liquide 2 placé dans le récipient 1 incliné et en rotation. L'inclinaison de l'axe A par rapport à la verticale permet de forcer le liquide 2 tournant dans un mode propre inertiel. Il existe, pour 15 chaque mode propre inertiel, une pluralité de résonances. Pour le premier mode propre inertiel du liquide 2 placé dans le récipient 1 incliné et en rotation, le rapport d'aspect H/R est avantageusement choisi tel que : H 1,79 x k 5 -R 5 2,19 x k k étant un entier naturel préférentiellement égal à 1 mais pouvant alternativement 20 être supérieur ou égal à 2. De manière préférentielle, le rapport d'aspect H/R est choisi sensiblement égal à 1,99. On contribue ainsi à favoriser l'apparition d'une résonance du premier mode propre inertiel. Pour le deuxième mode propre inertiel du liquide 2 placé dans le récipient 1 incliné 25 et en rotation, le rapport d'aspect H/R est avantageusement choisi tel que : H 0,86 x k 5 1000 20 avec : la vitesse angulaire de rotation exprimée en rad/s, R le rayon du récipient 1 exprimé en m, a l'angle d'inclinaison entre l'axe A et la direction verticale exprimé en degré °, 25 v la viscosité cinématique du liquide 2, exprimée en m2/s. Le rayon R, l'angle d'inclinaison a et la viscosité cinématique v étant fixés, l'inégalité précédente permet d'évaluer la vitesse angulaire de rotation 0 minimum à appliquer au récipient 1 pour créer une résonance instable. D'une manière générale, plus la vitesse angulaire de rotation û est grande, plus le taux de 3048367 9 cisaillement au sein du liquide 2 est important et plus la quantité d'énergie nécessaire pour entraîner le récipient 1 en rotation augmente. On recherche donc typiquement la création d'une résonance instable tout en choisissant la plus faible vitesse angulaire de rotation O possible. 5 Alternativement, la vitesse angulaire de rotation O peut être variable. Une variation de la vitesse angulaire de rotation û inférieure ou égale à 25% au cours d'une révolution complète du récipient 1 est privilégiée. 10 Dans le présent document, on entend par « récipient cylindrique » un récipient ayant une paroi latérale définie par une droite appelée génératrice, passant par un point variable décrivant une courbe, appelée courbe directrice, et gardant une direction fixe. La courbe directrice est préférentiellement un cercle. Cette forme de récipient est préférée car elle facilite la prévision de l'écoulement d'un liquide 15 placé dans ledit récipient, le récipient étant incliné et en rotation, et la définition du rapport d'aspect H/R permettant l'obtention d'une résonance d'un mode propre inertiel dudit liquide. Alternativement, la courbe directrice peut être : une ellipse, ou 20 un polygone convexe inscrit dans un cercle, ou un polygone convexe inscrit dans une ellipse. Toutefois, lorsqu'un liquide est placé dans un récipient incliné et en rotation, le récipient étant de section polygonale, le liquide présente généralement un écoulement comportant des vortex dans les coins, ce qui n'est pas souhaité car un 25 vortex dissipe beaucoup d'énergie. D'une manière générale, on entend par « rayon du récipient cylindrique d'axe A)> la distance la plus petite entre l'axe A du récipient et une paroi latérale du récipient. 30 La figure 2a montre une vue en coupe d'un premier récipient cylindrique selon un aspect de l'invention ayant une courbe directrice en forme de cercle. La coupe est 3048367 10 réalisée selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du premier récipient cylindrique. La figure 2b montre une vue en coupe d'un deuxième récipient cylindrique selon 5 un aspect de l'invention ayant une courbe directrice en forme de polygone convexe à N côtés inscrit dans un cercle. La coupe est réalisée selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du deuxième récipient cylindrique. Dans l'exemple particulier de la figure 2b, la courbe directrice est un octogone convexe régulier et N = 8. Naturellement, d'autres valeurs de N pourraient être choisies, 10 comme N = 4 ou N = 16. On choisit préférentiellement la plus grande valeur possible de N afin que la courbe directrice tende vers le cercle dans lequel est inscrit le polygone convexe à N côtés. La figure 3a montre une vue en coupe d'un troisième récipient cylindrique selon un 15 aspect de l'invention ayant une courbe directrice en forme d'ellipse. La coupe est réalisée selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du troisième récipient cylindrique. On choisit préférentiellemenl une ellipse dont les deux foyers sont rapprochés l'un de l'autre au maximum afin que la courbe directrice tende vers un cercle. 20 La figure 3b montre une vue en coupe d'un quatrième récipient cylindrique selon un aspect de l'invention ayant une courbe directrice en forme de polygone convexe à N côtés inscrit dans une ellipse. L'ellipse dans laquelle est inscrit le polygone convexe à N côtés a préférentiellement ses deux foyers rapprochés l'un 25 de l'autre au maximum. La coupe est réalisée selon un plan perpendiculaire à l'axe de rotation du quatrième récipient cylindrique. Dans l'exemple particulier de la figure 3b, la courbe directrice est un octogone convexe inscrit dans une ellipse et N = 8. Naturellement, d'autres valeurs de N pourraient être choisies, comme N = 4 ou N = 16. On choisit préférentiellement la plus grande valeur possible de N 30 afin que la courbe directrice tende vers l'ellipse dans laquelle est inscrit le polygone convexe à N côtés. 3048367 11 On entend par « récipient sensiblement cylindrique » un récipient cylindrique ou tronconique. En effet, les variations de diamètre de la section du récipient ne perturbent pas le fonctionnement du mélangeur dans la mesure où elles restent faibles, c'est-à-dire inférieures ou égales à 20% et préférentiellement inférieures 5 ou égales à 10%. On conçoit que la fabrication du récipient peut conduire à des formes qui ne sont pas parfaitement cylindriques, notamment des formes tronconiques. La figure 4a montre schématiquement une première vue en perspective d'un 10 récipient sensiblement cylindrique selon un aspect de l'invention : les dimensions de la section du récipient selon un plan perpendiculaire à son axe de rotation sont constantes et le récipient est parfaitement cylindrique. La figure 4b montre schématiquement une deuxième vue en perspective d'un 15 récipient sensiblement cylindrique selon un aspect de l'invention : les dimensions de la section du récipient selon un plan perpendiculaire à son axe de rotation varient continument ; le récipient est tronconique. Le récipient de la figure 4b présente un fond et une ouverture et le rayon du fond est supérieur au rayon de l'ouverture. 20 La figure 4c montre schématiquement une troisième vue en perspective d'un récipient sensiblement cylindrique selon un aspect de l'invention : les dimensions de la section du récipient selon un plan perpendiculaire à son axe de rotation varient continument ; le récipient est tronconique. Le récipient de la figure 4c 25 présente un fond et une ouverture et le rayon du fond est inférieur au rayon de l'ouverture. Les figures 4a à 4c montrent trois exemples de récipients sensiblement cylindriques selon un aspect de l'invention, chaque récipient ayant une courbe 30 directrice circulaire. En accord avec la description réalisée précédemment en lien avec les figures 2a, 2b, 3a et 3b, on comprend que les exemples des figures 4a à 4c peuvent être généralisés à des récipients ayant des courbes directrices en 3048367 12 forme d'ellipse, ou en forme de polygone convexe inscrit dans un cercle, ou en forme de polygone convexe inscrit dans une ellipse. REVENDICATIONS1. Mélangeur sans pale pour le mélange d'un liquide de viscosité cinématique v donnée, le mélangeur étant caractérisé en ce qu'il comporte : un récipient (1) sensiblement cylindrique d'axe A et de rayon R, le liquide (2) à mélanger étant placé dans le récipient et présentant une surface libre (3) à une hauteur H mesurée suivant l'axe A; un organe d'inclinaison du récipient (1) de manière que l'axe A forme un angle a non nul par rapport à la direction verticale, l'angle a étant choisi inférieur ou égal à 30° ; un organe d'entraînement du récipient (1) dans un mouvement de rotation suivant l'axe A et avec une vitesse angulaire de rotation fl ; le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R étant choisi de manière à observer une résonance d'un mode propre inertiel du liquide à mélanger lorsque le récipient est incliné et en rotation. 2. Mélangeur sans pale selon la revendication précédente caractérisé en ce que le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R est choisi tel que : H 1,79 x k 3. Mélangeur sans pale selon la revendication précédente caractérisé en ce que k = 1. 4. Mélangeur sans pale selon la revendication 1 caractérisé en ce que le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R est choisi tel que : H 0,86 x k 5 -R 1,06 x k k étant un entier naturel. 3048367 14 Mélangeur sans pale selon la revendication 1 caractérisé en ce que le rapport d'aspect H/R de la hauteur H sur le rayon R est choisi tel que : H 0,56 x k 5_ -R 0,68 x k k étant un entier naturel. 6. Mélangeur sans pale selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la vitesse angulaire de rotation Q est choisie de manière à observer une résonance instable du mode propre inertiel du liquide à mélanger lorsque le récipient est en rotation suivant 10 l'axe A. 7. Mélangeur sans pale selon la revendication précédente caractérisé en ce que : - la vitesse angulaire de rotation Q est constante, et S-2xR2xa 15 - la vitesse angulaire de rotation O est choisie telle que : > 1000. 8. Mélangeur sans pale selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que : la vitesse angulaire de rotation Q est variable, et 20 la variation de la vitesse angulaire de rotation O est inférieure ou égale à 25% au cours d'une révolution complète du récipient.