FR2462358A1 - Recipient cryogenique - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN RECIPIENT CRYOGENIQUE COMPORTANT UN BOITIER 1 ET UN RESERVOIR CALORIFUGE 2 DISPOSE A L'INTERIEUR DUDIT BOITIER ET RELIE A CELUI-CI PAR UN COL 3. LE RECIPIENT COMPORTE EGALEMENT UNE CLOCHE 5 ET UN BOUCHON 6 ENGAGE AVEC UN JEU 7 DANS LE COL 3. LA PAROI LATERALE 8 DE LA CLOCHE 5 ENTOURE AVEC UN JEU 9, LA PARTIE M DE LA PARTIE DE PAROI DU BOITIER 1 ATTENANTE AU COL 3 ET DELIMITE AVEC LADITE PARTIE DE PAROI UNE CHAMBRE ANNULAIRE 10 COMMUNIQUANT AVEC LE JEU 7 ET AVEC L'ATMOSPHERE POUR L'EVACUATION DES VAPEURS D'AGENT FRIGORIFIQUE. APPLICATION: CONSERVATION ET TRANSPORT DE SUBSTANCES BIOLOGIQUES.

Description

La présente invention concerne les récipients cryogz-ni-

ques et notamment, ceux utilisés pour la conservation et le

transport de substances biologiques à basses températures.

L'invention peut avantageusement être appliquée à des fins de conservation et de transport de sperme d'animaux ser- vant à l'insémination artificielle. Elle peut également être

appliquée avec succès dans le domaine médical pour la conser-

vation et le transport de la moelle osseuses du cristallin,

ainsi que d'autres substances biologiques.

Un problème technique important que rencontrent les spé-

cialistes en la matière est celui de la diminution de l'évapo-

ration par unité de temps de l'agent frigorifique ntenu

dans des récipients cryogéniques.

Lors de la conservation ou du transport de substances

biologiques dans des récipients cryogéniques, l'agent frigori-

fique (cryogène), en général de l'azote liquide, s'évapore

d'une manière intense sous l'effet d'apports calorifique pro-

venant du milieu ambiant. L'apport calorifique principal

(jusquà 60%) se fait alors par le col du récipient cryogéni-

que.

Cependant, il y a lieu de remarquer qu'à l'heure actuel-

le on s'efforce surtout de lutter contre cette évaporation en améliorant l'isolation thermique du récipient, la diminution

des apports calorifiques vers le col du récipient n'étant re-

cherchée que rarement.

Ce choix peut s'expliquer par le fait que la deuxième solution présente un caractère technique plus compliqué, car

le bouchon qui ferme le col doit être agencé de manière à per-

mettre le passage des vapeurs d'agent frigorifique en vue d'é-

viter l'éclatement du récipient cryogénique à la suite d'une surpression desdites vapeurs. En outre, le bouchon ne doit

être soudé par gel au col du récipient.

Pour répondre à ces impératifs, le bouchon est généra-

lement engagé avec un jeu par rapport au col, comme dans le cas du récipient cryogénique décrit dans le brevet US NI 3303667. La précision du façonnage du bouchon et du col doit alors être très élevée, car, si le susdit jeu est plus faible que prévu, le bouchon peut se souder au col, par gel,tandis qu'un jeu plus grand attire plus d'apports calorifiques vers l'agent frigorifique par le col. Il faut en outre remarquer que même les récipients de conception connue exécutés avec une

précision particulièrement élevée n'assurent pas une diminu-

tion sensible des apports calorifiques par le col.

On connaît aussi un récipient cryogénique, d'après le

certificat d'auteur de l'URSS No 549147, comprenant un bot-

tier, un réservoir calorifugé pour l'agent frigorifique (ré-

servoir disposé à l'intérieur dudit boîtier et muni d'un col faisant communiquer ledit réservoir avec le bottier), et une

cloche avec un bouchon calorifuge engagé dans le col de ma-

nière que ledit bouchon et le col délimitent entre eux un ca-

nal servant à l'évacuation des vapeurs d'agent frigorifique.

Pour diminuer les apports calorifiques par le col et le bouchon, on donne audit canal une forme hélicoïdale. En vue de constituer le canal en question, il suffit de ménager une rainure hélicoïdale, soit sur la paroi intérieure du col,soit sur la paroi latérale du bouchon. Si, par exemple, la rainure hélicoïdale est aménagée sur la paroi latérale du bouchonle canal en question est délimité par ladite rainure et par la

paroi intérieure du col.

Cette forme hélicoïdale du canal permet d'allonger le parcours des vapeurs d'agent frigorifique qui se trouvent en contact avec la paroi du col et d'augmenter par là même le temps de contact desdites vapeurs avec ladite paroi. Comme ES vapeurs sortant du col ont une température relativement basse,

l'accroissement de la durée de leur contact avec le col dimi-

nue dans une certaine mesure les apports calorifiques vers

le récipient cryogénique.

Cependant, la fabrication et l'utilisation du récipient cryogénique du type décrit pose des problèmes car, pour faire suivre le trajet hélicoïdal aux vapeurs d'agent frigorifique, il est indispensable d'assurer un contact étanche entre le bouchon et le col. En effet, si le bouchon est engagé avec un jeu dans le col, les vapeurs empruntent ledit jeu au lieu

de suivre le canal hélicoïdal.

Or, un contact étanche entre le bouchon et le col rend

difficile l'extraction dudit bouchon en vue d'effectuer la re-

charge du récipient cryogénique en agent frigorifique, ou en

vue du chargement ou du déchargement de substances biologi-

ques, etc. En outre, un contact étanche entre le bouchon et le col risque de provoquer la soudure du bouchon et du col par

gel des vapeurs d'eau qui pénètrent dans le col depuis le mi-

lieu ambiant et qui se condensent.

On notera également qu'une telle disposition du chon est de nature à augmenter les apports calorifiques qui

suivent le parcours bouchon-col.

En outre, l'aménagement d'une rainure hélicoldale,ain-

si qu'un contact étanche entre le bouchon et le col, posent

en pratique des problèmes de construction délicats.

Enfin, il convient de souligner que, lors de l'utilisa-

tion d'un tel récipient connu, les vapeurs d'agent frigorifi-

que ne refroidissent que le col, la surface extérieure atte-

nante au col ayant la température du milieu ambiant. Cela pro-

voque, dans la zone considérée, un gradient de température important (de l'ordre de 200C) et par conséquent un transfert

de chaleur qui se fait à l'intérieur du récipient non seule-

ment par conductibilité (par le corps du col), mais également

par radiation calorifique.

Pour les raisons exposées ci-dessus, la durée de conser-

vation des substances biologiques dans ce récipient cryogéni-

que de construction connue est relativement courte. C'est ain-

si que, en utilisant comme agent frigorifique l'azote liquide, le sperme d'animaux peut être conservé pendant 110 jours au

plus à raison d'une seule charge du récipient d'agent frigori-

fique. La présente invention vise à remédier aux inconvénients

mentionnés des récipients cryogéniques de l'art antérieur.

L'invention a donc pour objet principal de procurer

un récipient cryogénique qui permette, au moyen de l'utili-

sation du pouvoir réfrigérant de l'agent frigorifique, d'ob-

tenir une diminution des apports calorifiques parvenant au col du récipient en passant par le boîtier et, par conséquent,

de réduire l'évaporation de l'agent frigorifique.

Le récipient cryogénique selon l'invention comprend

un boîtier, un réservoir calorifugé (pour l'agent frigorifi-

que) disposé à l'intérieur de ce boîtier et muni d'un col ré-

lu- unissant ledit réservoir et ledit boîtier, et une cloche avec un bouchon calorifuge engagé dans le susdit col de manière que le susdit bouchon délimite avec le col un canal servant à l'évacuation des vapeurs d'agent frigorifique, le susdit

récipient cryogénique étant caractérisé en ce que ladite clo-

che a une paroi latérale entourant, avec un certain jeu, une partie de la paroi du boîtier attenante au col et délimitant avec ladite partie de paroi du boîtier une chambre annulaire communiquant avec l'atmosphère par l'intermédiaire dudit jeu

et avec le canal servant à évacuer les vapeurs d'agent frigo-

rifique, en sorte que lesdites vapeurs puissent pénétrer dans

ladite chambre en refroidissant la partie de la paroi du boî-

tier entourée par la cloche.

Grâce à cette disposition, les vapeurs d'agent frigori-

fique sortant du col et ayant une température relativement basse, se déplacent le-long de la paroi du boîtier attenante au col et, par échange calorifique avec ladite paroi, font

baisser sa température par rapport à celle du milieu ambiant.

Cela permet de diminuer le gradient de températures entre le boîtier et le col et, par suite, de diminuer la quantité de

chaleur parvenant dans le récipient cryogénique depuis l'exté-

rieur par l'intermédiaire du boîtier et du col, ce qui, en définitive, se traduit par une réduction de l'évaporation de

l'agent frigorifique.

Il est avantageux que la partie de paroi du boîtier entourée par la paroi latérale de la cloche soit comprise

entre 2% et 7% de la surface totale de la paroi du boîtier.

Cette partie entourée de la paroi du boîtier permet un refroidissement le plus efficace de ladite partie par es

vapeurs d'agent frigorifique.

Les recherches effectuées ont montré que, si la surfa-

ce de la partie de paroi entourée est inférieure à 2% de la

surface de paroi totale du bottier, seule une partie relative-

ment faible de la surface du boîtier se trouve refroidie, ce qui est insuffisant pour une diminution substantielle des ap-

ports calorifiques provenant de l'extérieur par l'intermédiai-

re du bottier et du col. Au contraire, si cette surface dépas-

se 7% de la surface totale du bottier, les vapeurs d'agent frigorifique ne sont pas à même de refroidir toute la surface

du bottier entourée par la cloche étant donné le pouvoir ré-

frigérant limité desdites vapeurs. C'est pourquoi une plus

grande extension de cette partie entourée de la paroi du boî-

tier est inutile, car elle ne contribuerait ni à une diminu-

tion substantielle des apports calorifiques, ni a une réduc-

tion de l'évaporation de l'agent frigorifique, et elle en-

traînerait un accroissement néfaste de l'encombrement et de

la masse du récipient.

Il est préférable de réaliser le récipient cryogéni-

que selon l'invention avec une cloche englobant le bottier avec un jeu dont la surface en coupe transversale ne dépasse

pas celle du canal d'évacuation des vapeurs d'agent frigori-

fique.

Ce mode de réalisation assure, dans la chambre annu-

laire, une surpression (par rapport à la pression atmosphéri-

que) d'une valeur relativement faible (d'ordre de i1 à 5 mm de

Hg). Une pression aussi faible n'exige aucun dispositif d'é-

tanchéité spécial, ni de matériaux très résistants pour la cloche, cette faible pression étant cependant suffisante pour

prévenir la pénétration, dans la chambre annulaire, d'air am-

biant pour éviter ainsi une éventuelle hausse de température

dans ladite chambre.

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention

seront mieux compris à la lecture de la description qui va

suivre de modes de réalisation préférés mais non limitatifs,

description se référant aux dessins annexés dans lesquels:

-la figure 1 est une coupe longitudinale d'un récipient cryogénique suivant l'invention, -la figure 2 est une coupe longitudinale de la partie supérieure de ce récipient cryogénique dont la cloche a une paroi latérale cylindrique; -la figure 3 est semblable à la fig.2, mais la paroi latérale de la cloche a cette fois la forme d'un corps de révolution avec une génératrice convexe; -la figure 4 est semblable à la fig.2, mais la paroi latérale de la cloche a la forme d'un corps de révolution avec une génératrice concave; -la figure 5, enfin, est semblable à la fig.2, mais la

cloche ne forme qu'une seule pièce avec le bouchon.

Le récipient cryogénique illustré fig.1 comprend un

boîtier 1 et un réservoir 2t pour l'agent frigorifique, dis-

posé à l'intérieur dudit boîtier. Le réservoir 2 est relié

avec le boîtier 1 par l'intermédiaire d'un col 3.

Pour diminuer les apports calorifiques, le réservoir 2 est calorifugé à l'aide d'un isolement thermique à écran et

à vide 4.

Le récipient comporte également une cloche 5 avec un

bouchon 6 qui est fixé à ladite cloche. Le bouchon 6 est en-

gagé dans le col 3 avec un jeu de manière à former entre ces

éléments un canal annulaire 7 servant à l'évacuation des va-

peurs d'agent frigorifique.

Comme l'apport calorifique principal vers le récipient

cryogénique passe par le col 3, ce dernier, ainsi que le bou-

chon 6, sont réalisés en un matériau calorifuge afin de ré-

duire leur conductibilité thermique. Le col 3 est constitué de préférence en un matériau plastique verre-résine, et le

bouchon 6 en mousse plastique.

Le col 3 peut également être constitué en métal, mais dans ce cas, pour diminuer la conductibilité thermique, on

devra, à l'endroit o est disposé le col 3, augmenter l'épais-

seur de l'isolement thermique à écran et à vide 4. Le réser-

voir 2, le boîtier 1 et la cloche 5 peuvent être constitués en n'importe quel matériau approprié suffisamment résistant,

en aluminium par exemple.

Suivant l'invention, la cloche 5 présente une paroi la-

térale 8 entourant, avec un jeu 9, une partie de la paroi du

boîtier 1 attenante au col 3 et délimitée par l'arête supé-

rieure dudit col 3 et par l'arête inférieure de la cloche 5 (cette partie de paroi est désignée "1M"t sur la fig.1). La paroi latérale 8 de la cloche 5, ainsi que ladite partie de la paroi du boîtier 1 et le bouchon 6, délimitent une chambre

annulaire 10.

On entend par l'expression "chambre annulaire" une chambre ayant la forme d'un volume obtenu en déplaçant une génératrice plane suivant une directrice fermée. Ce volume peut être défini notamment, par rotation autour d'un axe se trouvant le plan de la génératrice et ne la coupant pas.Dans le mode de réalisation du récipient montré sur la fig.1, la

génératrice en question est un triangle délimité par la pa-

roi latérale 8 de la cloche 5e la partie "M1" de la surface d.

boîtier 1 et le bouchon 6, l'axe de rotation de ce triangle étant alors l'axe de symétrie du récipient. On conçoit que, pour un récipient cryogénique donné, la chambre annulaire 10

peut être à section triangulaire ou de n'importe quelle au-

tre forme.

La chambre annulaire 10 reçoit les vapeurs d'agent

frigorifique par le canal annulaire 7, tandis que ladite chan-

bre communique avec l'atmosphère par l'intermédiaire du jeu9.

Le récipient cryogénique venant d'être décrit fonctica-

ne comme suit. Le réservoir 2, rempli par le col 3 d'agent

frigorifique (azote liquide notamment), est chargé de boî-

tiers contenant la substance biologique à conserver (non mon-

trés sur le dessin). Ensuite, le récipient cryogénique est

fermé par la cloche 5 de manière que le bouchon 6 soit enga-

gé dans le col 3.

Au cours de l'utilisation du récipient cryogénique,les

vapeurs d'azote liquide montent par le canal 7 et, par échan-

ge calorifique avec le col 3 et le bouchon 6 qui reçoivent

des apports calorifiques du milieu ambiant, les susdites va-

peurs refroidissent ces deux éléments. La température des

vapeurs d'azote montre alors légèrement, tout en demeurant re-

relativement basse grâce à la faible conductibilité thermique

des matériaux dont sont constitués le bouchon 6 et le col 3.

Après avoir quitté le col 3, ces vapeurs parviennent à la chambre annulaire 10 o, en se dilatant, elles provoquent

un refroidissement par convection de la surface "M" du boî-

tier 1. A la sortie de la chambre 10, il se produit une dé-

tente des vapeurs par l'intermédiaire du jeu 9, ainsi qu'un

refroidissement ultérieur de la paroi du boftier 1.

Il s'ensuit une diminution substantielle du gradient de température entre la surface du boîtier 1 attenante au col 3 et le col 3 proprement dit, ce qui entraîne une diminution des apports calorifiques vers le récipient cryogénique et,

par conséquent, une réduction de l'évaporation d'azote liquide.

La cloche 5 empêche alors les vapeurs d'agent frigorifi-

que sortant du col 3 de produire un soufflage de la paroi du boîtier 1 sous l'effet du vent ou de courants d'air au cours

de l'utilisation, ce qui permet d'exploiter encore plus effi-

cacement le pouvoir réfrigérant de l'agent frigorifique et, par là même, d'obtenir une diminution encore plus intense de

la température de la paroi en question.

Pour préciser l'influence de la surface "MI" sur l'éva-

poration de l'azote liquide, on a réalisé une série d'expé-

riences avec un récipient cryogénique d'une capacité de 341 et dont la surface extérieure du boîtier était de 4000 cm2 et le diamètre du col de 60 mm. Le tableau ci-dessous reprend les résultats obtenus: N' de Surface "M' du boîtier entourée par Evaporatin l'expérience la cloche de l'azote en % de la surface en cm2 liquide, totale du boîtier g/jour

1 0 0 220,0

2 1 40 213,75

3 *2 80 208,80

4 3 120 204,05

4 160 201,10

6 5 200 200,75

7 6 240 199,95

8 7 280 199,86

9 8 320 199,83

9 360 199,80

Les données du tableau prouvent que la diminution la

plus efficace de l'évaporation de l'azote liquide est obte-

nue dans le cas o la cloche 5 englobe une partie "M" de la surface du boîtier représentant 2 à 7% de la surface totale du bottier 1. Dans le cas o la dite partie de la surface

est inférieure à 2% de la surface totale du boîtier 1, l'éva-

poration de l'azote liquide, comme le montre le tableau, res-

te encore relativement élevée. Si la partie "M" de la surfa-

ce dépasse 7% de toute la surface du bottier 1, on constate une faible diminution de l'évaporation de l'azote liquide, l'encombrement et la masse du récipient cryogénique étant augmentées. Pour éviter que l'air ambiant pénètre dans la chambre

10 et pour empêcher de ce fait une éventuelle hausse de tem-

pérature, on doit faire en sorte que la surface de la coupe

transversale du jeu 9 ne dépasse pas celle du canal 7.

La pression des vapeurs d'azote dans la chambre 10 dé-

passe alors approximativement de 1 à 5 mm de Hg la pression atmosphérique. Une surpression d'une valeur aussi faible ne

nécessite ni l'étanchéisation de la chambre 10, ni des maté-

riaux particulièrement résistants pour la fabrication de la cloche 5, cette surpression étant cependant suffisante pour

assurer une protection sûre de la cloche 5 contre l'air am-

biant.

Le récipient cryogénique selon l'invention assure, en comparaison avec les récipients connus, une diminution de l'évaporation de l'azote liquide de 7 à &% en moyenne. Cela permet de prolonger la durée de conservation des substances

biologiques dans le récipient cryogénique.

Il y a lieu de remarquer que, en faisant varier le pro-

fil de la chambre annulaire 10 au moyen d'un changement de la configuration de la paroi latérale 8 de la cloche 5, on

peut parvenir à régler, dans des limites étroites, l'évapo-

ration de l'agent frigorifique. Les fig.1 à 4 montrent des modes de réalisation possibles de la paroi latérale 8 de la

cloche 5.

Dans la fig.1, la paroi latérale 8 est conique, et dans la fig.2, elle est cylindrique. La cloche 5 avec une paroi

cylindrique 8 (fig.2) convient pour les récipients cryogéni-

ques à large col caractérisés par une évaporation élevée de l'azote liquide. Pour les récipients cryogéniques dont le col est plus étroit et pour lesquels l'évaporation de l'agent frigorifique sont moindres, une cloche 5 à paroi conique 8

(fig.1) est tout à fait acceptable.

A ce propos, on notera que le diamètre du col 3 du ré-

cipient est choisi en fonction de la dimension des boîtiers,

contenant la substance biologique et dont est chargé le ré-

cipient en question.

La fig.3 montre un mode de réalisation du récipient cry-

ogénique suivant lequel la paroi latérale 8 de la cloche 5 a la forme d'un corps de révolution à génératrice convexe. Une pareille forme de la paroi latérale 8, tout comme la forme cylindrique, sont tout à fait acceptables pour les récipients

à large col 3 ayant une évaporation élevée d'agent frigorifi-

que. Il y a lieu de remarquer que, plus la convexité de la paroi latérale 8 est grande, plus grande est la durée de contact des vapeurs d'agent frigorifique avec la partie "M"

de la surface du boîtier 1 (fig.1). Par conséquent, les ap-

ports calorifiques vers le récipient s'en trouvent diminués.

Pour les récipients à col étroit ayant une évaporation d'agent frigorifique relativement basse, il est rationnel cpe la cloche 5 ait une paroi latérale 8 à génératrice concave (fig.4). Une telle forme de la paroi latérale 8 assure un écoulement calme etlaminaire des vapeurs d'agent frigorifique

le long de la surface du boîtier 1, du canal 7 au jeu 9.

* Les facteurs suivants sont donc à prendre en considéra-

tion pour déterminer le choix de laforme à donner à la paroi latérale 8 de la cloche 5. Premièrement, l'augmentation du

diamètre du col 3 entraîne celle de l'évaporation d'agent fri-

gorifique. Deuxièmement, le passage d'une forme de la paroi latérale 8 de la cloche 5 à une autre (ou plus précisément d'

une forme de la surface de la chambre annulaire 10 à une au-

tre) dans la succession suivante: surface à génératrice con-

cavesurface conique, surface cylindrique, surFace agênerahizcecor-

vexe, a pour effet une diminution de I'évaporation d'agent frigorifique.

On conçoit que les modes de réalisation de la paroi la-

térale 8 de la cloche 5 montrés sur les fig. 1 à 4, paroi la-

térale qui détermine le profil de la chambre annulaire 10, ne

sont pas limitatifs.

Les fig. 1 à 4 montrent la cloche 5 et le bouchon 6 éta-

blis sous forme de deux pièces distinctes. Une telle réali-

sation est technologiquement simple.

La fig.5 montre un autre mode de réalisation du réci-

pient cryogénique suivant lequel la cloche et le bouchon ne forment qu'une seule pièce 5 dont la partie Sa sert de cloche et la partie 5b de bouchon. On comprend que, dans ce cas, pour diminuer les apports calorifiques vers le récipient, on

a intérêt à fabriquer la pièce 5 en mousse ou bien en un au-

tre matériau calorifuge approprié.

Grâce à une diminution de l'évaporation obtenue dans le

récipient cryogénique selon l'invention, la durée de conser-

vation des substances biologiques s'y trouve substantielle-

ment prolongée. C'est ainsi que, pour le sperme d'animaux, cette durée, qui est fonction de la durée d'évacuation de 1' agent frigorifique est d'ordre de 130 jours avec une seule

recharge du récipient.

Comme il va de soi et comme il résulte d'ailleurs déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus spécialement envisagés; elle en embrasse au contraire,toutes

les variantes.

Claims (2)

-REVENDICATIONS-

1.- Récipient cryogénique comprenant un boîtier, un ré-

servoir calorifugé (pour l'agent frigorifique) disposé à l'intérieur de ce boîtier et muni d'un col réunissant ledit réservoir et ledit bottier, et une cloche avec un bouchon

calorifuge engagé dans le susdit col de manière que le bou-

chon et col délimitent entre eux un canal servant à l'évacua-

tion des vapeurs d'agent frigorifique, le susdit récipient étant caractérisé en ce que la cloche a une paroi latérale entourant, avec un certain jeu, une partie de la paroi du boîtier attenante au col et délimitant avec ladite partie de paroi du boîtier une chambre annulaire commnuniquant avec l'atmosphère par l'intermédiaire dudit jeu et avec le canal servant à évacuer les vapeurs d'agent frigorifique, en sorte que lesdites vapeurs d'agent frigorifique puissent pénétrer dans ladite chambre en refroidissant la partie de la paroi

du boîtier entourée par la cloche.

Récipient cryogénique suivant la revendication 1, ca-

ractérisé en ce que la partie de la paroi du boîtier entou-

2O rée par la paroi latérale de la cloche est comprise entre 2

et 7 % de la surface totale de la paroi du boîtier.

3.- Récipient cryogénique suivant l'une quelconque des

revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la cloche en-

toure le boîtier avec un jeu dont la surface en coupe trans-

versale ne dépasse pas celle du canal d'évacuation des va-

peurs d'agent frigorifique.