Brevet FR2290746A1 — publié le 19760604

L'invention se rapporte d'une manière générale à la physique des gaz et autres fluides diélectriques en mouvement, et a pour objets particuliers un procédé et des dispositifs mettant en oeuvre des moyens purement passifs agissant par voies électrostatique et magnétostatique pour assurer des actions sélectives sur les éléments composants d'un tel fluide, selon qu'ils sont électriquement neutres ou porteurs de charge.Ces actions sélectives peuvent être mises à profit par exemple pour conditionner l'état électroionique de l'air ou d'autres fluides d'intérêt biologique, pour séparer les poussières et autres impuretés véhiculées par des gaz ou liquides effluents de processus industriels, ou encore pour assurer l'excitation ou activation de certains composants d'un aérosol, sans préjudice de nombreuses autres applications possibles, telles que la géné- ration d'énergie électrostatique, l'analyse des constituants d'un mélange et le traitement d'affections cutanées ou de troubles respiratoires,... Cette énumération nullement exhaustive des multiples applications possibles de l'invention découle simplement de la nature des phénomènes physiques mis en jeu - à savoir les interactions d'un champ magnétostatique et de charges électrostatiques libérées et entratnées par un fluide diélectrique en mouvement dont les applications connues ou envisagées sont innombrables. C'est dire que l'originalité de l'invention réside non pas dans ces phe- nomènes physiques ou dans les utilisations diverses qui pourraient en être faites mais dans les conditions particulières de leur mise en oeuvre et dans les moyens spécifiques employés pour les engendrer. En fait, le procédé conforme à l'invention - dont l'objet général est de contrôler les densités, trajectoires et/ou énergies relatives d'éléments vecteurs de charge électrique au sein d'un fluide diélectrique en mouvement - est caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à exploiter l'énergie cinétique du fluide par des moyens purement passifs pour - d'une part, libérer par effet triboélectrique des charges de signe déterminé, éventuellement destinées à se combiner avec des particules neutres et/ ou de signe opposé préexistant au sein du fluide, et - d'autre part, soumettre à l'action d'un champ magnétostatique les charges libérées et/ou particules chargées, pour leur imprimer un mouvement relatif et/ou en modifier l'énergie propre. Le fait même de traiter un fluide diélectrique en mouvement distingue clairement l'invention des techniques mises en oeuvre par exemple dans les tubes cathodiques, magnétrons et autres dispositifs à enceinte sous vide, comme des tbbes photomultiplicateurs, générateurs de Hall et autres dispositifs à plasma confiné ou à substrat solide, qui tous font emploi de moyens magnétostatiques pour la déflexion de charges électriques en mouvement. En outre, le fait d'utiliser l'effet triboélectrique pour la génération des charges distingue encore l'invention des techniques mises en oeuvre dans les dispositifs précités, qui tous comportent au moins un circuit actif générateur d'ions Et des électrodes de polarisation ou accélération maintenues sous tension par un circuit d'alimentation. Enfin, le fait d'utiliser un champ magnétostatique engendré par des moyens passifs distingue clairement l'invention des techniques mises en oeuvre dans les plasmatrons et autres dispositifs de type magnétohydrodynamique, qui tous comportent nécessairement un circuit électromagnétique actif pour le confinement et la stabilisation du plasma. Les commentaires qui précèdent mettent indubitablement en évidence le caractère original du procédé de l'invention, qui réside bien dans l'utilisation combinée de moyens passifs pour la génération par voie électrostatique -et la déflexion ou activation par voie magnétostatique de charges libres ou éléments vecteurs de charge dans un fluide diélectrique en mouvement. D'une manière corollaire, un dispositif conforme à l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement et en combinaison, en sus de moyens actifs et/ou passifs intervenant de manière purement dynamique pour créer et/ou conditionner le mouvement du fluide, - d'une part, des moyens électrostatiques passifs présentant des surfaces exposées au frottement du fluide et faites pour partie au moins d'un matériau à propriétés triboélectriques, et - d'autre part, des moyens magnétostatiques passifs incluant des organes à aimantation permanente, disposés et agencés pour engendrer sur le trajet du fluide un champ magnétique de configuration appropriée. Cette configuration peut être choisie pour imprimer aux charges libérées par effet triboélectrique et éventuellement à celles initialement présentes au sein du fluide un mouvement relatif propre à en allonger le parcours et le temps de transit, et par suite à en faciliter la dispersion et la combinaison. Cette configuration peut aussi être choisie pour empêcher les charges libérées et/ou les particules chargées d'entrer en contact avec des parois susceptibles de les neutraliser - ce notamment si le résultat désiré est le conditionnement de l'état électroionique du fluide - ou au contraire de les diriger, éventuellement en fonction de leur signe, sur des moyens de collection - par exemple des séparateurs ou des électrodes, selon que le résultat désiré est 1' épuration du fluide ou la génération d'énergie électrostatique. Enfin, cette configuration peut être choisie pour permettre la conversion d'une fraction de l'énergie cinétique communiquée à une particule vectrice de charge en énergie interne d'excitation électronique ou d'activation moléculaire - par exemple pour accroitre la réactivité d'un aérosol. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée qui va suivre de plusieurs exemples de mise en oeuvre non limitatifs illustrés par le dessin annexé, sur lequel La Figure t représente en coupe axiale schématique un dispositif élémen- taire conforme à l'invention, comportent des moyens électrostatiques et magné tiques intégrés; La Figure 2 est une vue partielle en coupe transversale d'un autre dispositif en forme de grille; Les Figures 3 et 4 sont des schémas semblables montrant en plan deux utilisations possibles d'un troisième dispositif conforme à l'invention, formé de tiges aimantées parallèles revêtues de matériau triboélectrique;; La Figure 5 représente en perspective schématique un séparateur ou dépoussièreur comportant application du dispositif des Figures 3 et 4; et La Figure 6 est une vue partielle en perspective et coupe d'un quatrième dispositif conforme à l'invention en forme de panneau. Le dispositif intégré représenté schématiquement sur la Figure i est essentiellement constitué par une pièce annulaire A formant un venturi traversé par le courant de fluide F à traiter. Cette pièce A est faite d'un matériau magnétique dur, tel qu'un alliage au nickel ou cobalt ou mieux une ferrite, et est aimantée axialement, ses extrémités portant les pales magnétiques respectivement Nord et Sud; de la sorte, l'espace intérieur de cette pièce A est le siège d'un champ magnétostatique intense dont la distribution des lignes de force, simplement suggérée sur la Figure, est essentiellement axiale, du moins dans sa partie médiane, et respectivement convergente et divergente au voisinage des extrémités amont et aval de la pièce, par référence au sens d'écoulement du fluide F. La partie amont de l'espace intérieur de la pièce A est partiellement occluse par une bourre lâche B faite de filaments enchevêtrés d'un matériau doué de propriétés triboélectriques, par exemple du polyéthylène ou un de ses drivés; en outre et comme représenté, la surface interne de la pièce A est avantageusement pourvue d'un revêtement C fait du même matériau ou d'une autre substance douée des mêmes propriétés triboélectriques. Le fonctionnement du dispositif élémentaire ainsi constitué est le suivant Le frottement du fluide diélectrique F sur les filaments de la bourre B et sur le revêtement C provoque la libération - par un processus d'arrachement encore mal élucidé - de charges électriques par exemple négatives et constituées par de simples électrons. Les charges ainsi libérées au sein du courant de fluide F sont entraînées dans son mouvement, qu'elles subsistent à l'état libre ou bien qu'elles se combinent à des particules solides ou des gouttelettes liquides véhiculées par le fluide en leur apportant leur charge électrique, ou encore qu'elles se fixent sur des molécules ou agrégats moléculaires présents dans le fluide pour former des ions simples ou complexes. Par interaction avec le champ magnétostatique règnant dans l'espace intérieur de la piéce annulaire aimantée A, les différents éléments vecteurs de charge susmentionés sont soumis à des forces électromagnétiques qui leur impriment un mouvement relatif superposé au mouvement d'entraînement du fluide F, à savoir un mouvement de giration autour des lignes de force du champ. Dans l'exemple illustré par la Figure 1, compte-tenu de la conformation particulière de la pièce A et de la configuration du champ qu'elle engendre dans son espace intérieur, il apparat en premier lieu que les charges libérées par la bourre B ou le revêtement C comme les autres éléments vecteurs de charge présents au sein du fluide sont soumises à des forces qui tendent globalement à les écarter de la paroi interne de la pièce A et à les concentrer suivant son axe, où la vitesse du courant de fluide est la plus élevée. il s'ensuit en second lieu que la dispersion ou diffusion des charges libérées et leur éventuelle combinaison avec des éléments vecteurs de charge préexistant au sein du fluide, voire avec des éléments neutres, sont grandement favorisées par ce mouvement global de dérive et de concentration sur l'axe. il convient enfin de remarquer en troisième lieu que ces effets de diffusion, concentration et combinaison sont encore facilités par l'allongement du parcours et du temps de transit des éléments vecteurs de charge à travers la pièce A, lié aux trajectoires hélicordales qui leur sont imprimées par le champ magnétostatique. Au total, quelle que soit l'importance relative de chacun des effets susmentionnés, il est bien certain que l'état électro-ionique du fluide F à la sortie du dispositif décrit et illustré ne peut qu'être notablement différent de son état initial. La nature précise et l'incidence finale des modifications ainsi introduites dépendent de nombreux paramètres, dont essentiellement les caractéristiques et la vitesse du fluide diélectrique F, son degré d'ionisation initial, la nature et la densité relative des particules ou gouttelettes qu'il contient en suspension, la forme exacte de la pièce A et la distribution de son aimantation, le choix du matériau triboélectrique constituant la bourre B et le revêtement C et notamment le signe des charges libérées.La combinaison judi- cieuse de ces différents paramètres permet donc de conférer selon les besoins au dispositif décrit et illustré la fonction de générateur de fluide ionisé ou de correcteur de l'état électroionique d'un fluide. Dans le premier cas, une application typique du dispositif serait de l'incorporer par exemple à un casque sèche-cheveux ou à un aérotherme, pour supprimer les inconvénients d'origine électrostatique inhérents à l'usage de tels appareils.Dans le second cas, une application intéressante serait d'incorporer le dispositif à une outre de ventilation ou une trompe d'aspiration pour le renouvellement de l'air dans la cabine ou l'habitacle d'un véhicule, dont la vitesse même fournirait l'énergie cinétique utilisée pour la correction de l'état électroionique de l'air fourni au conducteur et à ses passagers, de manière à supprimer tout risque de somnolence ou de mal des transports. Un tel appareil correcteur pourrait aussi bien être incorporé à l'installation de ventilation ou réfrigération d'un camion ou wagon isotherme, pour favoriser la bonne conservation des denrées transportées.Enfin, un tel appareil pourrait encore autre associé à un disjoncteur à soufflage d'arc pour faciliter l'élimination des charges résiduelles et donc prévenir tout réElr morçage. il est à remarquer que dans ces exemples d'emploi comme dans bien d'autres applications possibles le dispositif conforme à l'invention ne requiert aucune installation annexe de servitude ou d'alimentation, l'énergie cinétique du fluide traité suffisant à assurer son fonctionnement. Plusieurs dispositifs du type qui vient d'etre décrit peuvent bien endendu être associés en une même structure complexe Ainsi, dans l'exemple de réalisation illustré par la Figure 2, une plaque de résine synthétique ou autre matériau doué de propriétés triboélectriques est percée d'une multitude d'orifices 0 juxtaposés par exemple selon un réseau à maille triangulaire et conformés chacun en venturi, tandis que des inserts aimantés I - mis en place par exemple lors du moulage - engendrent le champ magne- tostatique requis, dont la direction moyenne axiale est dans ce cas assurée par la symétrie spatiale de la grille G ainsi constituée. Une telle grille pourrait être aisément fabriquee en continu par des moyens automatiques, et par suite à un très faible coût par unité de surface, et pourrait en outre être facilement découpée à la demande.Pour ces raisons, une application indiquée serait de 1' incorporer à des appareils ou conduits de climatisation ou chauffage de l'air dans des bâtiments industriels, des bureaux ou des locaux d'habitation ou de commerce, ou encore à des installations pour l'aération de lieux publics ou de réseaux de transport souterrains. En effet, dans de telles applications, le faible prix du dispositif serait un atout majeur, tandis que son efficacité probablement limitée serait amplement compensée par l'importance du débit volumétrique de l'air traité. Les dispositifs qui viennent autre décrits en relation avec les Figures 1 et 2 avaient pour fonction essentielle de contrôler l'état électroionique du fluide ,c'est à dire les densités relatives des charges électriques libres et/ou liées qu'il véhicule, selon leur signe. On va maintenant décrire en relation avec les Figures 3 à 5 d'autres exemples de mise en oeuvre de l'invention qui visent de manière prédominante à contrôler les trajectoires relatives des élé- ments vecteurs de charge au sein du fluide en mouvement, ces éléments étant par exemple des particules solides ou des gouttelettes liquides devant être séparées du fluide Les Figures 3 et 4 sont des vues schématiques montrant en bout des faisceaux réguliers d'aiguilles aimantées parallèles.Chacune de ces aiguilles est faite d'une tige T en matériau magnétique dur à forte induction rémanente, tel qu'un alliage cobalt-samarium ou autre terre rare, et est revêtue d'un matériau doué de propriétés triboélectriques accentuées, par exemple le polytétrafluoroéthylène. La polarité de l'aimantation de chacune des aiguilles ou tiges T est indiquée par un symbole conventionnel (N) ou (S) porté sur son extrémité visible sue le dessin. On remarquera que dans le faisceau de la Figure 3, les polarités de toutes les tiges T sont identiques, mais que dans le faisceau de la Figure 4 les tiges centrales ne sont pas aimantée, tandis que les tiges situéss de part et d'autre sont de polarités contraires. Le fluide F à traiter, supposé chargé de poussières ou autres particules solides et/ou de gouttelettes d'autres impuretés liquides, traverse chaque faisceau suivant une direction sensiblement perpendiculaire à celle des tiges T. Le frottement du fluide sur le revêtement triboélectrique de ces tiges a pour effet de libérer en son sein des charges électriques, qui vont se fixer sur les particules ou gouttelettes qu'il véhicule, et dont chacune ainsi chargée subit par suite l'action du champ magnétostatique engendré par les tiges T. Comptetenu des directions relatives de l'écoulement du fluide et des lignes de force du champ, sensiblement parallèles aux tiges T, cette action est une simple déviation de trajectoire, qui infléchit le parcours de la particule ou gouttelette concernée dans le plan du dessin, et ce dans l'un ou l'autre sens selon son si gnE et la polarité des tiges aimantées rencontrées. Dans le cas de la Figure 3, où cette polarité est invariable, les particules ou gouttelettes d'un signe déterminé sont toutes déviées dans le même sens, comme l'indiquent symboliquement les flèches en trait tireté f, celles du signe opposé étant déviées en sens inverse. Il s'ensuit que les charges ou impu- rotés de l'un et vautre signe s'écartent de l'axe de la veine fluide, et peuvent être séparément collectées. Dans le cas de la Figure 4, où le faisceau est constitué de deux groupes de tiges symétriques et de polarités contraires, les particules ou gouttelettes d'un signe déterminé sont regroupées dans l'axe de la veine fluide, comme l'in tiquent symboliquement les flèches f',f", tandis que celles du signe opposé se trouvent écartées et peuvent être séparément collectées. Cette disposition permet donc l'élimination sélective de certaines impuretés, moyennant un choix ju dicieusx du matériau triboélectrique recouvrant les tiges T. La Figure 5 illustre un exemple d'application concrète de la disposition montrée sur la Figure 3 Un - tronçon de conduit K de section rectangulaire est divisé en plusieurs passages K1,K2,K3 de section oblongue par des cloisons intérieures paralleles; de part et d'autre de chaque cloison sont implantés des faisceaux alignés de tiges aimantées T de polarités contraires, revêtues du même matériau triboélec; trique. Dans la partie aval de chaque passage, par référence au sens d'écoulement du fluide F, et dans l'une de ses parois latérales, selon la polarité des tiges T qu'il renferme, est pratiquée une lumière L ou agencée une structure collectrice de même disposition. Un tel dispositif pourrait être utilisé par exemple pour l'épuration de fumée ou autres effluents polluants issus de processus industriel, ou encore pour l'alimentation en air débarrassé de toute impureté et en outre négativement ionisé d'un bloc opératoire ou autre local hospitalier. Au prix de quelques modifications mineures - essentiellement la substitution aux lumières L d'électrodes collectrices - un dispositif semblable pourrait faire fonction de générateur électrostatique. Après avoir ainsi décrit des dispositifs visant essentiellement au con trôle des densités ou trajectoires relatives d'éléments vecteurs de charge dans un fluide diélectrique en mouvement, on va enfin décrire en relation avec la Figure 6 un autre dispositif conforme à l'invention, ayant pour fonction essentielle de modifier l'énergie interne de certains composants d'un tel fluide, par exemple des substances biologiquement actives incorporées à un aérosol. Le dispositif représenté sur la Figure 6 se présente sous la forme d'un panneau composite lacunaire éventuellement souple, constitué par l'assemblage d'un ruban magnétique R replié sur luimème entre deux résilles R',R" en assurant le maintien. Le ruban R ainsi replié forme de nombreuses boucles lâches offrant au fluide F autant de passages à travers le panneau, sans que les résilles R',R""puissent faire obstacle à son écoulement. Le ruban R, d'un type habituellement utilisé pour l'enregistrement magnétique de sons ou de données, est fait d'un support mince en polyester ou autre résine synthétique douée de propriétés triboélectriques, qui enrobe ou que revêt une couche uniforme de micro-aiguilles d'oxyde de fer ou de chrome, susceptible de recevoir une aimantation permanente localement différenciée. Habituellement et comme représenté, cette aimantation se présente sous la forme de bandes transversales successives de polarités alternées, figurées par des zones claires et ombrées sur le dessin. D'autres distributions sont néanmoins possibles, telles qu'une aimantation transversale globale, ou une aimantation du genre indiqué mais répartie suivant plusieurs pistes longitudinales juxtaposées. On comprendra aisément qu'une telle distribution de l'aimantation du ruban R combinée à l'enchevêtrement des boucles qu'il forme, aboutit a créer dans chaque passage traversant le panneau un champ magnétostatique hautement complexe. L'interaction avec ce champ des charges libérées par effet triboélectrique puis fixées sur les gouttelettes de l'aérosol F leur imprime une forte turbulence relative, qui d'une part les empêche d'adhérer au ruban et qui d'autre part peut donner lieu - par résonance ou autre phénomène de couplage - au transfert d'une fraction de leur énergie cinétique à certains de leurs composants. Notamment, des molécules polaires ou ionisées peuvent être excitées ou activées selon divers modes, avec pour résultat un accroissement de leur réactivité ou une modification de leur architecture électronique.De tels effets, même à de faibles niveaux énergétiques, sont particulièrement fréquents et efficaces sur les molécules complexes intervenant dans les processus biologiques. Une application particulièrement indiquée de dispositifs du type montré sur la Figure 6 serait donc le traitement des personnes, animaux ou végétaux, comme de substances utiles - ou inversement nuisibles - à leur métabolisme. Bien entendu, les exemples décrits et illustrés de mise en oeuvre de 1' invention comme ses applications mentionnées n'ont qu'un caractère purement explicatif, et ne préjugent nullement de toutes ses autres réalisations et utilisations possibles C'est dire d'une manière plus générale que l'invention comprend tous les moyens constituant en vue de toute application particulière des équivalents techniques de ceux décrits et illustrés à titre d'exemples, et mis en oeuvre séparément ou en combinaison dans le cadre des revendications qui suivent. REVENDICAIIONS 1. Procédé pour contrôler les densités, trajectoires et/ou énergies relatives d'éléments vecteurs de charge électrique au sein d'un fluide diélectrique en mouvement, caractérisé en ce qu'il consiste essentiellement à exploiter 11 énergie cinétique du fluide par des moyens purement passifs pour - d1 une part, libérer par effet triboélectrique des charges de signe déterminé, éventuellement destinées à se combiner avec des particules neutres et/ou de signe opposé préexistant au sein du fluide, et - d'autre part, soumettre à l'faction d'un champ magnétostatique les charges libérées et/ou particules chargées, pour leur imprimer un mouvement relatif et/ou en modifier l'énergie propre. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouvement relatif précité et l'allongement de parcours en résultant sont utilisés pour faciliter la diffusion au sein du fluide des charges libérées et leur combinaison Éventuelle avec les particules préexistantes. 3. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le mouvement relatif précité est utilisé en combinaison avec le mouvement d'entraînement du fluide pour empocher les charges libérées et/ou particules chargées d'entrer en contact avec des parois susceptibles de les neutraliser. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mouvement relatif précité est utilisé en combinaison avec le mouvement d'entraînement du fluide pour diriger les charges libérées et/ou particules chargées vers des structures en assurant la collection ou séparation. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'action du champ magnétostatique sur les particules chargées est utilisée pour transférer une fraction de leur énergie cinétique à certains de leurs conposants en vue d'en assurer l'excitation ou activation sélective. 6. Dispositif pour contrôler les densités, trajectoires et/ou énergies relatives d'éléments vecteurs de charge électrique au sein d'un fluide diélectrique en mouvement, caractérisé en ce qu'il comprend essentiellement et en combinaison, en sus de moyens actifs et/ou passifs intervenant de manière purement dynamique pour créer et/ou conditionner le mouvement du fluide, - d'une part, des moyens électrostatiques passifs présentant des surfaces exposées au frottement du fluide et faites pour partie au moins d'un maté riau doué de propriétés triboélectriques, et - d'autre part, des moyens magnétostatiques passifs incluant unomategriau a aimantation permanente, disposés et agencés pour engendrer sur le trajet du fluide un champ magnétique de configuration appropriée. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens électrostatiques et magnétostatiques précités sont intégrés, le matériau triboélectrique enrobant ou recouvrant le matériau magnétique. e. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un passage a paroi triboélectrique, traversé axialement par le fluide et entouré par un aimant annulaire ou plusieurs tiges aimantées parallèles à son axe. 9. Dispositif selon la revndication 7, caractérisé en ce qutil comporte un faisceau de tiges aimantées pourvues d'un revêtement triboélectrique, dispesées parallèlement et sensiblement transversalement a la direction d'écoulement du fluide. 10. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte un ruban magnétique fait d'un support triboélectrique portant une couche aimantée, replié ou enroule sur lui-même pour former des boucles ou spires lâches paral lèles à la direction d'écoulement du fluide.