FR3005426A1 - Dispositif de drainage force de fluide multiphasique - Google Patents

Abstract

Le dispositif (100) de configuration d'un fluide multiphasique comporte : - une enceinte (110) contenant un fluide multiphasique, - un moyen (155) de génération d'un gradient de température le long de l'enceinte pour provoquer un déplacement d'au moins une des phases du liquide multiphasique et - un moyen d'extraction du système multiphasique. Dans des modes de réalisation, le moyen (155) de génération d'un gradient de température comporte au moins une résistance électrique formée à la surface de l'enceinte pour fournir une densité de chaleur variable le long d'une paroi de l'enceinte (110).

Description

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION La présente invention vise un dispositif de drainage forcé de fluides multiphasiques. Elle s'applique notamment au domaine des mousses industrielles, des liquides bulleux, et des émulsions.

ETAT DE LA TECHNIQUE Les fluides multiphasiques comportent, en particulier, les mousses, les liquides bulleux et les émulsions. En ce qui concerne les mousses, elles sont impliquées dans de nombreux procédés industriels, que ce soit sous forme liquide, de shampooing, de bière, ou sous forme solide, tels que les mousses métalliques ou les mousses chocolatées. Ces matériaux ont été étudiés et caractérisés de longue date. Les mousses structurées sont d'un grand intérêt dans différents domaines, comme par exemple : - les mousses métalliques, pour leur haute résistance mécanique, - les catalyseurs, pour leur haut ratio de surface sur volume ou - les matériaux phoniques, pour leur capacité à absorber les sons. Une des difficultés majeures dans la fabrication de ces matériaux concerne le contrôle de l'évolution de la mousse avant sa solidification. A l'inverse, d'autres applications requièrent la déstabilisation de mousses produites lors de processus industriels, tels que le traitement d'eaux usées. L'évolution de la mousse dépend de trois phénomènes : - le drainage dû à la gravité, qui mène à un gradient de la fraction liquide (la proportion de liquide étant plus élevée dans la partie basse de la mousse), - la diffusion de gaz à travers les films de liquide menant à une décroissance du nombre total de bulles et à un accroissement de leurs dimensions et - la coalescence, c'est-à-dire la réunion, de bulles voisines. Des publications récentes montrent que le contrôle de cette évolution est une question cruciale dans de nombreux domaines d'applications (voir, par exemple, A.-L Fameau, A. Saint-Jalmes, F. Cousin, B. Houinsou Houssou, B. Novales, L. Navailles, F. Nallet, C. Gaillard, F. Boué, et J.-P. Douliez. « Smart foams: Switching reversibility between ultrastable and unstable foams". Angew. Chem., 50, 8264-8269, 2011; D. E. Mou Iton et J. A. Pelesko. « Reverse drainage of a magnetic soap film." Phys. Rev. E., 81, 046320, 2010 et E. Chevallier, C. Monteux, F. Lequeux et C. Tribet. « Photo foams : remote control of foam destabilization by exposure to light using an azobenzene surfactant." Langmuir, 28, 2308-2312, 2012. On connaît des méthodes pour drainer la phase liquide d'une mousse en incorporant des matériaux dans la mousse, tels que des particules magnétiques ou des surfactants photosensibles ou thermosensibles. Cependant, outre leur coût, ces matériaux polluent la mousse et peuvent en modifier certaines propriétés physiques, chimiques, ou physico-chimiques. OBJET DE L'INVENTION Un des objets de la présente invention concerne la possibilité de contrôler le drainage de la mousse en appliquant un gradient de température dans la mousse.

Selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de configuration d'un fluide multiphasique, qui comporte : - une enceinte contenant un fluide multiphasique, - un moyen de génération d'un gradient de température le long de l'enceinte pour provoquer un déplacement d'au moins une des phases du liquide multiphasique et - un moyen d'extraction du système multiphasique. Les inventeurs ont, en effet, découvert que les forces de thermo capillarité provoquent un drainage de la phase liquide à une vitesse relativement élevée. Par exemple, pour une mousse ayant une fraction liquide initiale de 35 %, le dispositif objet de la présente invention permet de drainer 70 % de la phase liquide en moins de 30 secondes. On note que le système multiphasique peut comporter au moins une phase liquide, au moins une phase solide ou au moins une phase gazeuse. Dans les applications de l'invention à une monocouche de bulles placée dans un système s'étendant essentiellement dans deux dimensions horizontales, on profite, en outre, de l'absence de drainage gravitaire le long de deux bulles adjacentes. Dans des modes de réalisation, le moyen de génération d'un gradient de température comporte au moins une résistance électrique formée à la surface de l'enceinte pour fournir une densité de chaleur variable le long d'une paroi de l'enceinte. L'intérêt de ce moyen de génération de gradient de température est d'avoir un temps transitoire très court.

Dans des applications à grande échelle, le gradient de température peut être généré sur les bords d'une enceinte via différentes techniques de chauffage (effet Joule, fluides pré-chauffés, micro-ondes...). La différence réside dans le temps transitoire d'établissement du gradient de température. Par exemple, à l'échelle d'un mètre il faudra plusieurs dizaines de minutes pour un matériau classique (métaux conducteurs tels que le cuivre). Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte un moyen de génération du fluide multiphasique en amont de l'enceinte. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de la présente invention comporte un moyen de génération du fluide multiphasique à l'intérieur de l'enceinte.

Dans des modes de réalisation, le moyen de génération du fluide multiphasique est configuré pour fournir de la mousse. Dans des modes de réalisation, le moyen de génération du fluide multiphasique est configuré pour fournir un liquide bulleux. On rappelle ici qu'un liquide bulleux est un liquide dans lequel des bulles sont majoritairement non jointives avec les bulles voisines. Dans des modes de réalisation, le moyen de génération du fluide multiphasique est configuré pour fournir une émulsion. Dans des modes de réalisation, le dispositif objet de l'invention comporte un moyen de solidification du fluide multiphasique.

Dans des modes de réalisation, le moyen génération d'un gradient de température le long de l'enceinte pour provoquer un déplacement d'au moins une des phases du liquide multiphasique est configuré pour faire sortir de l'enceinte au moins la moitié d'une des phases du fluide multiphasique. Il s'agit du cas d'une enceinte ouverte.

Dans des modes de réalisation, le moyen de génération d'un gradient de température le long de l'enceinte pour provoquer un déplacement d'au moins une des phases du liquide multiphasique est configuré pour homogénéiser, dans l'enceinte, la répartition des phases du fluide multiphasique.

Ces modes de réalisation s'appliquent aux enceintes ouvertes, aux enceintes fermées et, en particulier aux cas où l'une des phases, au moins, subit l'effet de la gravité terrestre, en contrecarrant cet effet par l'effet thermo-capillaire. On réalise ainsi une ligne continue de production, par exemple de mousse 5 uniformisée, de mousse déstabilisée ou d'élastomère comportant des bulles uniformément réparties. Selon un deuxième aspect, la présente invention vise un procédé de configuration d'un fluide multiphasique, qui comporte : - une étape de constitution d'une enceinte remplie de fluide multiphasique, 10 - une étape de génération d'un gradient de température le long de l'enceinte pour provoquer un déplacement d'au moins une des phases du liquide multiphasique et - une étape d'extraction du système multiphasique. Les avantages, buts et caractéristiques particuliers de ce procédé étant 15 similaires à ceux du dispositif objet de la présente invention, ils ne sont pas rappelés ici. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES D'autres avantages, buts et caractéristiques de l'invention ressortiront de la 20 description qui suit d'au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et du procédé objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention, 25 - la figure 2 représente, sous forme d'une photographie, le parcours d'une particule témoin dans le dispositif illustré en figure 1, pendant qu'elle suit l'écoulement thermocapillaire, - les figures 3a et 3b représentent, respectivement, une courbe représentant un gradient de température et une courbe représentant un profil de 30 température correspondant le long d'un axe longitudinal d'une enceinte illustrée en figure 1, - les figures 4 et 5 représentent, sous forme de photographies, des mousses en début et au cours du fonctionnement du dispositif objet de la présente invention, montrant la décroissance de la fraction liquide, - la figure 6 représente, au cours du temps, l'évolution de la fraction volumique de la phase liquide dans le dispositif illustré en figure 1, - la figure 7 représente, au cours du temps, une évolution du nombre de bulles dans le dispositif illustré en figure 1, - la figure 8 représente, sous forme de photographies, le déplacement d'une particule témoin dans le dispositif illustré en figure 1, avec une enceinte placée verticalement, - la figure 9 représente, sous forme d'un logigramme, des étapes d'un mode de réalisation particulier du dispositif illustré en figure 1 et de son fonctionnement, - la figure 10 représente, schématiquement, un mode de réalisation particulier, dans une mousse en trois dimensions, de la présente invention et - la figure 11 représente, schématiquement, une ligne de production de mousse configurée en mettant en oeuvre la présente invention.

DESCRIPTION D'EXEMPLES DE REALISATION DE L'INVENTION On note, dès à présent, que les figures ne sont pas à l'échelle. D'une manière générale, l'invention concerne le contrôle du drainage de mousses par application d'un gradient de température dans cette mousse. Le gradient de température provoque un gradient de tension superficielle à la surface des bulles, connu sous le nom d'effet Marangoni. Dans la description, on décrit principalement un mode de réalisation de la présente invention appliqué à une mousse en deux dimensions, c'est-à-dire que la mousse est constituée d'une monocouche de bulles placée entre deux plaques dont la distance qui les sépare est d'au moins un ordre de grandeur plus petit que les autres dimensions. De plus, l'épaisseur de la mousse correspond à l'axe vertical, ce qui réduit l'effet de la gravité par rapport au cas où l'une des autres dimensions est verticale. Cependant, la présente invention ne se limite pas à des applications à des mousses en deux dimensions mais s'étend, au contraire, à toutes les configurations de mousses, liquides bulleux et émulsions susceptibles d'être soumises à un gradient de température. Ci-dessous, nous nous concentrons sur une mousse en deux dimensions en micro confinement, c'est-à-dire située entre deux plaques parallèles séparées par un interstice de moins de 100 microns, par exemple d'environ 30 microns.

L'étude de mousse en deux dimensions a été largement analysée à la fois théoriquement et expérimentalement depuis les premières expériences de Plateau en 1873. L'avantage d'étudier les mousses en deux dimensions tient notamment en l'absence de drainage gravitaire si les deux plaques formant l'enceinte sont positionnées horizontalement. A une échelle millimétrique ou supérieure, la géométrie d'une mousse sèche consiste en bulles séparées par des films de hauteur globalement égale à la hauteur de l'interstice séparant les deux plaques. Dans ce cas, il existe un accord général entre théorie et expérience pour le vieillissement des mousses, qui est essentiellement gouverné par la loi de Von Neumann, lié au processus de diffusion de gaz à travers les films comme précisé en introduction. A une échelle micrométrique, la loi de Von Neumann est encore observée avec un coefficient de diffusion effectif environ un ordre de grandeur plus petit qu'à l'échelle millimétrique. Les inventeurs ont montré que cette divergence découle de la géométrie de la micro mousse à deux dimensions : même si la mousse possède la géométrie d'une mousse sèche dans le plan d'observation, elle possède une structure humide dans le plan transversal (présence d'une ligne de contact au lieu d'un film entre deux bulles adjacentes). Dans la suite de la description, on présente un système capable de forcer le drainage de la phase liquide en utilisant une contrainte thermo capillaire. Cette contrainte thermo capillaire est générée par l'application d'un gradient de température, préférentiellement constant, c'est-à-dire d'une dérivée constante de la température par rapport à la distance parcourue sur un axe longitudinal de l'enceinte. Dans des modes de réalisation, un motif optimisé de résistances fournit un gradient de température élevé avec un profil linéaire. Ce motif est décrit dans les publications suivantes : - B. Selva, J. Marchalot, M.-C. Jullien. "An optimized resistor pattern for temperature gradient control in microfluidics." Journal of Micromechanics and Microengineering, 19, 065002, 2009 et - V. Miralles, A. Huerre, F. Malloggi, M.-C. Jullien. "A review on heating and temperature control in microfluidic systems: techniques and applications." MDPI Diagnostics, 3, 33-67, 2013. Dans le dispositif objet de la présente invention, les forces thermocapillaires génèrent un drainage forcé de la phase liquide des mousses avec une haute vélocité (vélocité millimétrique dans un canal micro fluidique) : pour une mousse dont la fraction de la phase liquide initiale est de 35%, plus de 70% de la phase liquide a été drainée en moins de 30 secondes. Il est donc possible d'avoir un contrôle efficace et rapide de la fraction liquide de la mousse, par la simple utilisation d'un gradient de température. On décrit, ci-après, un mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention. Comme illustré en figure 1, ce dispositif 100 comporte deux parties : - un système 105 de focalisation de flux générant des bulles et - une enceinte 110 comportant une mousse statique 115 entre une entrée 120 et une sortie 125. Le système 105 et l'enceinte 110 sont connectés avec un tube capillaire 130. Le système 105 est décrit, par exemple, dans la publication Ganan-Calvo A. M. et Gordillo J. M., « Perfectly monodisperse microbubbling by capillary flow focusing », Phys. Rev. Lett., 87 2001 274501. Le système 105 de focalisation de flux comporte une intersection 135 à travers un canal 140, dans laquelle la phase continue entre de chaque côté d'une arrivée 145 de phase dispersée. Garstecki et al. (P. Garstecki, M.J. Fuerstman, H.A. Stone, G.M. Whitesides. "Formation of droplets and bubbles in a microfluidic T- junction-scaling and mechanism of break-up." Lab Chip, 6, 437-446, 2006.) ont montré que la dispersité des tailles de bulles générées par cette procédure peut être contrôlée par différents débits de liquides et de gaz. L'enceinte 110 fabriquée, par exemple, par lithographie douce, porte sur au moins une paroi 150, une résistance 155 fabriquée, par exemple par lithographie. La procédure pour fabriquer un microsystème par lithographie douce est détaillée dans Xia Y. et Whitesides G. M., « Soft Lithography », Angew. Chem., Int. Ed., 37 1998 550. Les résistances 155 et les connexions électriques 160 sont produites par évaporation respectivement de chrome (15 nm, résistance chauffante) et d'or (150 nm, résistance conductrice) sur un substrat (en anglais « wafer »), puis gravées en utilisant une résine photosensible (Microposit S1818, marques déposées) suivant une exposition ultraviolette à travers un masque. La gravure implique deux étapes : (i) la première créé une connexion entre les résistances chauffantes et le générateur de courant (en or : haute conduction électrique, avec un effet Joule négligeable) et (ii) la deuxième étape comporte la construction des résistances optimisées en chrome. Comme illustré en figure 1, les résistances 155 sont orthogonales à la direction principale de l'enceinte 110 représentée par une flèche à droite de la figure 1. Cette flèche est orientée selon le gradient de température. On observe que les sections des résistances 155 sont croissantes de haut en bas de la figure 1. Ainsi, l'échauffement de la résistance 155 représentée le plus en haut de la figure 1 est supérieur à celui de la résistance suivante et ainsi de suite jusqu'à la dernière résistance 155, représentée le plus en bas en figure 1.

Des connecteurs en or 160 sont disposés à chaque extrémité de chaque résistance 155. Un générateur de courant 165 est relié aux connecteurs 160. Le gradient de température obtenu avec les résistances 155 est constant le long des 2,5 mm de la longueur de la cavité, comme illustré en figure 3b. Les résistances chauffantes 155 sont isolées électriquement par un revêtement fin. Par exemple ce revêtement fin est un revêtement de 40 microns d'épaisseur de Polydiméthylsiloxane (« PDMS ».) Dans le mode de réalisation expérimental, une cellule de Hele-Shaw en PDMS, d'une hauteur de 45 microns, d'une largeur de 1,5 mm et d'une longueur de 2,5 mm dans le plan horizontal, est ensuite scellée au substrat contenant les résistances chauffantes en utilisant un plasma d'air ou d'oxygène, pour former l'enceinte 110. Les fluides multiphasiques sont constitués d'au moins deux fluides non miscibles. Dans le mode de réalisation proposé, les bulles d'air générées dans le système 105 de focalisation de flux sont introduites dans l'enceinte 110 à travers le tube capillaire 130. La phase liquide continue est composée, par exemple, d'eau dé- ionisée (91,04 % en masse), glycérol (5,68 % en masse), un surfactant anionique (SDS 0,26 % en masse) et du dioxyde de titane (3,00 % en masse). La concentration du surfactant est donc de 9 mmol/L, ce qui est juste au dessus de la concentration micellaire critique (cmc d'environ 8 mmol/L à 20 °C). La tension de surface de la solution avec l'air a été mesurée par la méthode de la plaque de Wilhelmy et vaut 30,2 mN.rril à 25 °C. La dépendance à la température dy/dT est évaluée à -2.06 10-4 N.m-1.K-1 avec la même méthode décrite dans le document B. Selva, J. Marchalot, M.-C. Jullien. « An optimized resistor pattern for temperature gradient control in microfluidics." Journal of Micromechanics and Microengineering, 19, 065002, 2009, en incorporant un bain thermostaté. Le bain thermostaté est un dispositif commercial (par exemple de la marque déposée « Julabo ») permettant de réguler la température d'un liquide contenu dans une enceinte. Il est composé d'une enceinte, d'une résistance de chauffe et d'un thermocouple permettant un asservissement en température du liquide contenu dans l'enceinte. Pour la mesure de tension de surface, les deux fluides sont placés dans une cuve, dite de mesure, dans laquelle la plaque de Whilelmy sera plongée. Cette cuve contient des parois-enceinte dans lesquelles un liquide peut circuler. Une pompe équipée de raccords permet d'acheminer le liquide thermostaté vers les parois-enceinte de la cuve de mesure, permettant ainsi de thermostater les deux phases contenues dans la cuve de mesure. Quand l'enceinte 110 est intégralement remplie par les bulles, une mousse statique est produite dans l'enceinte en déconnectant le tube capillaire ou en arrêtant le flux de mousse qu'il véhicule. Dans le premier cas, la pression à la fois à l'arrivée et à la sortie de l'enceinte 110 est égale à la pression atmosphérique, c'est-à-dire qu'aucun gradient de pression n'est appliqué le long de l'enceinte 110. De plus, il n'y a pas de réservoir de liquide en amont du flux initié dans la phase continue de la mousse, ce qui entraîne l'assèchement de la mousse lors du drainage. Le générateur de courant qui alimente les résistances 155 via les électrodes 160 est ensuite mis en marche pour appliquer un gradient de température longitudinal dans l'enceinte 110. La vitesse de la phase continue (ici la phase liquide) dans la mousse à laquelle on applique un gradient de température a été estimée en incorporant des particules de très petite dimension dans la mousse et en suivant leur parcours au cours du temps. La figure 2 représente des bulles 205 et le parcours 210 d'une telle particule, entre cinq points 215 observés successivement au cours du temps (toutes les 200 ms). Comme on l'observe, la particule se déplace vers la zone froide de l'enceinte 110.

Dans le cas du mode de réalisation illustré en figure 1, la vitesse de drainage de la phase continue a été mesurée entre 0,7 to 2,6 mm.s-1 pour des gradients de température entre 2,2 et 7,0 K.mm-1. On observe, en figure 3a, une courbe 255 représentant le gradient de température moyen sans dimension (adimensionné par le gradient de température obtenu à l'état stationnaire) le long de l'enceinte 110, en fonction du temps. On observe, en figure 3b, une courbe 260 représentant un profil de température sans dimension (adimensionnée par la température maximale) en fonction de l'axe longitudinal de l'enceinte 110.

La figure 4 représente une géométrie 305 de mousse avant mise sous tension des résistances 155. La phase liquide est identifiée en clair tandis que les bulles constituant la mousse sont noires. La figure 5 représente une géométrie 355 de la même mousse après 60 secondes d'alimentation électrique des résistances 155, avec un gradient de température de 2,2 K/mm, pour une cavité de l'enceinte d'une longueur de 2,5 mm, une largeur de 1,5 mm et une épaisseur de 28 microns. Du fait qu'il n'y a pas de réservoir de liquide en amont de l'enceinte 110, la phase continue extraite de la cavité par le drainage n'est pas régénérée. La comparaison des figures 4 et 5 montre que la fraction liquide décroît significativement au cours du temps.

Dans le mode de réalisation de la figure 1, pour une mousse de la figure 4 ayant une fraction volumique initiale de 35 °/0, il est possible de drainer plus de 70% de la phase continue en moins de 30 secondes pour un gradient de température de 7,0 K/mm. La figure 6 montre une courbe 405 d'évolution temporelle de la fraction liquide normalisée (fraction liquide à l'instant t / fraction liquide initiale). Le vecteur g représente le gradient de température. On observe que, dans le mode de réalisation indiqué, la fraction liquide décroît sensiblement linéairement au cours des 60 premières secondes. La figure 7 présente une courbe 455 d'évolution du nombre de bulles dans l'enceinte 110, au cours du temps pour un gradient de température de sept K/mm.

On observe qu'au-delà de 60 secondes, le nombre de bulles dans la cavité diminue drastiquement avec le temps, ce qui est une signature du mûrissement de la mousse par diffusion de gaz à travers les films. Des travaux portant sur le mûrissement d'une mousse dans une cavité de Hele-Shaw ont déjà été menés (J. Marchalot et al., EPL 83, 64006 (2008)) et montrent que le nombre de bulles à l'intérieur de la cavité était inversement proportionnel au temps d'expérience. Lorsque la mousse est soumise à un gradient de température, ce qui induit un écoulement de la phase externe, le nombre de bulles semble décroître linéairement avec le temps. L'application d'un gradient de température semble donc influencer la dynamique de mûrissement de la mousse.

La présente invention présente donc aussi des applications au mûrissement de mousse par application d'un gradient de température. On observe notamment, en figure 7, une pente moyenne 460 relativement linéaire de décroissance du nombre de bulles dans l'enceinte.

Les inventeurs ont déterminé qu'un calcul en lois d'échelles dans le cas où la cavité est placée verticalement montre que la contrainte tangentielle induite par l'application d'un gradient de température est du même ordre de grandeur que la pression d'origine hydrostatique qui s'exerce au niveau d'une bulle unique. La présente invention peut donc être mise en oeuvre pour que l'effet thermo capillaire freine, voire stoppe ou contrebalance la force volumique d'origine gravitaire. La présente invention peut ainsi être utilisée pour uniformiser la mousse pendant sa solidification, en contrecarrant l'effet du drainage gravitaire ou, au contraire, pour la déstabiliser de manière accélérée, en renforçant l'effet du drainage gravitai re.

La figure 8 montre, dans une cavité orientée verticalement avec sa partie la moins chauffée en haut, les positions successives 555 d'une particule témoin du drainage. La figure 8 montre que, dans un contexte où le drainage gravitaire a lieu, il peut être contré grâce au pompage thermocapillaire.

On observe que cette particule se déplace verticalement du bas vers le haut, montrant que le drainage gravitaire peut être inversé avec une vitesse d'environ 110 um/s, voire amoindri ou annulé pour des gradients de température plus faibles. La figure 9 représente des étapes d'un mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention et de son fonctionnement.

Au cours d'une étape 605, on forme au moins une résistance 615 sur au moins une paroi ainsi qu'au moins une connexion électrique 610 permettant de relier les résistances à une source électrique. Par exemple, chaque résistance et connexion électrique est formée par lithographie, dans laquelle les résistances sont produites par évaporation de chrome (15 nm, résistance chauffante) et les connexions électriques en or (150 nm, résistance conductrice) sur un substrat, puis gravées en utilisant une résine photosensible S1818 suivant une exposition ultraviolette à travers un masque. La gravure comporte une étape 610 de création d'une connexion entre les résistances chauffantes et le générateur de courant (en or : haute conduction électrique, avec un effet Joule négligeable) et une étape 615 de construction de résistances optimisées en chrome. Au cours d'une étape 630, on relie un générateur de courant aux connecteurs. Au cours d'une étape 600, on dépose un revêtement isolant fin, par exemple de 40 microns d'épaisseur en PDMS sur une paroi destinée à former l'enceinte. Au cours d'une étape 625, on constitue une cavité de Hele-Shaw en PDMS, par exemple d'une hauteur de 45 microns, d'une largeur de 1,5 mm et d'une longueur de 2,5 mm, par scellement de chaque paroi portant au moins une résistance, par exemple en utilisant un plasma d'air ou d'oxygène. On forme ainsi l'enceinte. Au cours d'une étape 635, on relie l'enceinte à une source de fluide multiphasique. Au cours d'une étape 640, on introduit ou on génère du fluide multiphasique dans l'enceinte. Au cours d'une étape 645, on applique un courant électrique à travers chaque résistance formée sur une paroi de l'enceinte pour former un gradient de température à l'intérieur de l'enceinte. Après une durée prédéterminée, on extrait le fluide multiphasique, au cours d'une étape 650. La présente invention s'applique notamment au contrôle de : - fabrication de mousses métalliques/solides (ex : polyuréthane), - fabrication de mousses alimentaires, - fabrication de mousses de silice, - fabrication de cosmétiques et produits d'entretient - récupération assistée du pétrole, - traitement d'eaux usées et - fabrication de matériaux phoniques On observe, en figure 10, un mode de réalisation particulier, dans une mousse en trois dimensions, du dispositif objet de la présente invention. Ce dispositif 705 comporte une cuve, ici cylindrique, muni de moyens de chauffage latéraux 710 et d'un moyen de chauffage inférieur 715, qui appliquent conjointement, un gradient vertical de température au fluide multiphasique contenu dans la cuve. Un moyen de génération de ce fluide multiphasique 720 est prévu dans le fond de la cuve. Ce moyen de génération 720 est représenté ici comme un ensemble de deux pales appliquant un cisaillement pour générer un fluide multiphasique.

On observe, en figure 11, un mode de réalisation particulier du dispositif objet de la présente invention appliqué à une chaîne de fabrication de mousse solide ou d'un solide contenant des inclusions de gaz. Le dispositif 755 comporte, sur un convoyeur 770, un dispositif 760 et un dispositif 765 similaires à celui qui est représenté en figure 1, à une échelle éventuellement différente. Le dispositif 760 applique un gradient de température au fluide multiphasique qu'il contient pour en déplacer au moins l'une des deux phases. Une fois le pompage réalisé, le dispositif 760 est déplacé par le convoyeur 770 en la position du dispositif 765. Dans cette position, le dispositif 765 sert à la solidification du fluide multiphasique qu'il contient, par exemple par élévation ou baisse de la température. Au poste suivant, non représenté, on procède à l'extraction de la mousse solidifiée ou du solide contenant des inclusions de gaz, par ouverture du dispositif qui y parvient et démoulage de la mousse. Le gradient de température étant une valeur relative, dans d'autres modes de réalisation, on maintient le gradient de température pendant la solidification de la mousse. Dans ces modes de réalisation, la température moyenne croît ou décroît mais le gradient de température est maintenu, ce qui permet de conserver l'effet du drainage thermo capillaire pendant la solidification de la mousse. Dans chacun des modes de réalisation, il est mis en oeuvre un moyen d'extraction (non représenté) du système multiphasique, qui extrait soit le fluide multiphasique après déplacement au moins partiel d'au moins une de ses phases, soit un système multiphasique comportant au moins une phase solide, selon l'application de la présente invention. Les dimensions et caractéristiques du dispositif de mise en oeuvre présenté ne sont pas restrictives. Les dimensions du dispositif peuvent être ajustées en fonction de l'application visée, tant pour la taille de l'enceinte que celles des résistances de chauffe. De même le matériau constituant l'enceinte doit être adapté à l'application visée en fonction, par exemple, de sa résistance thermo-mécanique et/ou chimique. Toutes les techniques permettant de générer un gradient de température conviennent, on peut citer notamment, outre l'effet Joule, les micro- ondes, l'utilisation d'infrarouges, le stockage solaire, l'induction, ou le chauffage utilisant un laser. Dans le cas des résistances chauffantes par effet Joule, tous les matériaux conducteurs peuvent être utilisés outre le chrome. Enfin, l'invention peut être appliquée à tous les fluides multiphasiques constitués d'au moins deux phases non miscibles. On note que le fluide multiphasique peut être généré à l'extérieur de l'enceinte, comme illustré en figure 1, puis introduit dans l'enceinte, mais peut aussi 5 être généré dans l'enceinte, comme illustré en figure 10, par des moyens mécaniques, chimiques ou physiques. Le lecteur pourra se référer aux techniques connues de moussage in situ. Selon un premier exemple, on secoue simplement une enceinte contenant du liquide, du gaz (en phases séparées) et un objet solide permettant de générer la mousse.

10 Selon un deuxième exemple, on intègre un objet solide dans une enceinte remplie de liquide et de gaz et l'enceinte est soumise à une rotation permettant la génération de mousses. Dans les procédés industriels, tels que pour la formation de mousses métalliques (J. Dairon, Les mousses métalliques, 2009, Editions Techniques des Industries de la Fonderie.), il existe une multitude de techniques de moussage dont 15 voici un résumé : les mousses solides trouvent un grand nombre d'applications dans le monde industriel. Il existe diverses méthodes pour fabriquer de telles mousses. Certaines techniques font intervenir des métaux fondus dont la viscosité a été ajustée. Des mousses peuvent être formées à partir de tels métaux fondus, par exemple en y injectant du gaz ou des agents moussant capables de relarguer du 20 gaz, ce qui créé des bulles lors de leur décomposition in-situ. Une méthode alternative consiste à préparer des systèmes métal-gaz sursaturés sous haute pression, et initier la formation de bulle en contrôlant la pression ou la température. Finalement, des mousses métalliques peuvent être formées en mélangeant une poudre métallique avec un agent moussant puis, après compression, en faisant 25 mousser le tout par fonte du mélange compact. Le processus de moussage direct permet de produire continûment un grand volume de mousse de faible densité. De plus, ces mousses sont certainement meilleur marché que celles produites à partir de matériaux cellulaires métalliques. Il existe également la possibilité de faire du moussage par bullage (un 30 embout est placé à une extrémité d'une enceinte contenant du liquide et du gaz, par lequel du gaz est injecté). Dans le cas des verriers, la mousse de verre apparaît « spontanément » lorsque la silice est fondue. La description qui précède illustre la mise en oeuvre de la présente invention sur des fluides multiphasiques constitués de mousse. Cependant, la présente invention s'applique aussi à des fluides multiphasiques de type « liquides bulleux ». En effet, les mousses forment un réseau « compact » de bulles mais certaines applications (ou développement de matériaux) nécessitent d'introduire des inclusions (cavités de gaz) dans le matériau. On peut citer des élastomères tels que ceux servant à la fabrication de revêtements. Dans ce cas, la présente invention est appliquée à réaliser une distribution plus uniforme des inclusions dans la matrice par transport thermo capillaire des inclusions. La différence avec le cas des mousses tient en ce que les bulles peuvent se déplacer dans le liquide bulleux. La contrainte tangentielle réalisée par le dispositif induit un écoulement de la phase externe aux bulles, et par conservation de la masse, les bulles se déplacent vers la partie la plus chaude du liquide, là où la tension de surface est la plus faible, autrement dit là où l'énergie inter faciale de chaque bulle est la plus faible. Dans le cas où la variation de tension de surface avec la température est de signe opposé au cas précédent (énergie interfaciale plus faible dans les régions les plus froides), la direction de migration est de sens opposé. La présente invention s'applique aussi à la mise en mouvement dans un fluide multiphasique comportant un liquide à la place du gaz dans les deux configurations évoquées soit la phase continue est mise en mouvement (réseau compact de gouttes), soit les gouttes sont déplacées individuellement (pas de contact entre les gouttes adjacentes). La présente invention s'applique aussi à la fabrication de matériaux impliquant des dynamiques de séchage dans leur processus de fabrication (par exemple pour la structuration de dépôt de nanoparticules dans des ménisques dans le cas des matériaux polymériques pour l'électronique souple) ou pour fabriquer de nouveaux matériaux intelligents ayant une réponse hydrodynamique à une action thermique contrôlée électriquement. On note que, pour la génération d'un gradient de température, on peut mettre en oeuvre des résistances de chaque côté de l'enceinte. Dans des applications à grande échelle, le gradient de température peut être généré sur les bords de l'enceinte via différentes techniques de chauffage (effet Joule, fluides pré-chauffés, micro-ondes...). La différence avec ce qui est décrit en regard des figures 1 à 7 réside dans le temps transitoire d'établissement du gradient de température. Par exemple, à l'échelle d'un mètre il faudra plusieurs dizaines de minutes pour un matériau classique (métaux conducteurs tels que le cuivre).

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif (100, 705, 755) de configuration d'un fluide multiphasique, caractérisé en ce qu'il comporte : une enceinte (110) contenant un fluide multiphasique, un moyen (155, 710, 715) de génération d'un gradient de température le long de l'enceinte pour provoquer un déplacement d'au moins une des phases du liquide multiphasique et un moyen d'extraction du système multiphasique.
2. 2. Dispositif (100, 705, 755) selon la revendication 1, dans lequel le moyen (155, 10 710, 715) de génération d'un gradient de température comporte au moins une résistance électrique formée à la surface de l'enceinte pour fournir une densité de chaleur variable le long d'une paroi de l'enceinte (110).
3. 3. Dispositif (100, 755) selon l'une des revendications 1 ou 2, qui comporte un moyen 15 (105) de génération du fluide multiphasique en amont de l'enceinte (110).
4. 4. Dispositif (705) selon l'une des revendications 1 à 3, qui comporte un moyen (720) de génération du fluide multiphasique à l'intérieur de l'enceinte (110). 20
5. 5. Dispositif (100, 705, 755) selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel le moyen (105, 720) de génération du fluide multiphasique est configuré pour fournir de la mousse.
6. 6. Dispositif (100, 705, 755) selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel le 25 moyen (105, 720) de génération du fluide multiphasique est configuré pour fournir un liquide bulleux.
7. 7. Dispositif (100, 705, 755) selon l'une des revendications 3 ou 4, dans lequel le moyen (105, 720) de génération du fluide multiphasique est configuré pour fournir une émulsion.
8. 8. Dispositif (755) selon l'une des revendications 1 à 7, qui comporte un moyen (765) de solidification du fluide multiphasique.
9. 9. Dispositif (100, 705, 755) selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le moyen (155, 710, 715) de génération d'un gradient de température le long de l'enceinte pour provoquer un déplacement d'au moins une des phases du liquide multiphasique est configuré pour faire sortir de l'enceinte au moins la moitié d'une des phases du fluide multiphasique.
10. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le moyen (155, 710, 715) de génération d'un gradient de température le long de l'enceinte pour provoquer un déplacement d'au moins une des phases du liquide multiphasique est configuré pour homogénéiser, dans l'enceinte, la répartition des phases du fluide multiphasique.
11. 11. Procédé de configuration d'un fluide multiphasique, caractérisé en ce qu'il comporte : une étape (605 à 640) de constitution d'une enceinte remplie de fluide multiphasique, une étape (645) de génération d'un gradient de température le long de l'enceinte pour provoquer un déplacement d'au moins une des phases du liquide multiphasique et une étape (650) d'extraction du système multiphasique.