Brevet FR2398299A1 — publié le 19790216

Pour l'examen des aérosols sont utilisés, comme on le sait, des dispositifs appelés impacteurs qui sont constitués essentiellement par une buse, laquelle éjecte le fluide contre un obstacle disposé généralement perpendiculairement à la buse. Des impacteurs de ce genre sont beaucoup utilisés dans la pratique notamment pour la séparation des aérosols en classes de diamètre aérodynamique. Ils sont fondés sur l'inertie des particules en suspension ; lorsqu'un jet d'aérosol est dirigé contre un obstacle > les particules tendent à conserver leur vitesse initiale tant en direction qu'en module et s'éloignent du filet fluide initial, un certain nombre d'entre elles atteignant l'obstacle et se déposant sur celui-ci. On connaît également d'autres dispositifs dans lesquels plusieurs impacteurs assemblés en cascade permettent d'obtenir une caractérisation de l'aérosol examiné dans un intervalle de dimensions plus étendu. En effet, l'utilisation de plusieurs stades en cascade avec des caractéristiques aérodynamiques de plus en plus poussées pernet d'obtenir une séparation des particules en classes granulométriques graduellement décroissantes et d'établir ce qui est appelé ci-après un "spectre" de dimensions. I1 est ainsi possible de soumettre le précipité à toutes les analyses chimiques et chimico-physiques en fonction des dimensions qui sont d'un grand intérêt pour la détermination du risque découlant de l'inhalation de poudres et, plus généralement, pour la caractérisation des aérosols. D'une manière générale ces dispositifs n'ont pas la propriété (nécessaire dans le cas d'un instrument de mesure) de présenter une biunivocité éntre la masse des particules et la position du dépôt sur l'obstacle. Cela est dû essentiellement au comportement varié des particules en fonction de leur position par rapport à l'axe de la buse. Un perfectionnement notable- a été réalisé récemment avec la construction d'impacteurs dans lesquels l'aérosol ocdupe, dans une section du fluide traversant la buse, une partie de l'aire totale de cette buse, tandis que dans le restant de la section passe de l'air filtré. Ce type d'impacteurs appelé "spectral impactor" est décrit dans les publications suivantes : D. Hochrainer, G. Zebel (1970) "Zur Âbscheidung von Aerosolteilchen nach ihrer Grasse mittels einer neuartigen Impaktordüse", Aerosol Science, Vol. 1, pages 175 à 183 G. Zebel, D.Hochrainer (1972) "Zur flessung der Grbssenver- teilung des Feinstaubes mit einem verbesserten Spektral- impaktor"; Staub-Reinhaltung der luft, Vol. 32, No 3, pages 9 à 15. Dans l'appareil décrit dans ces publications un jet d'aérosol sort d'une première buse de forme annulaire entre deux jets d'air filtré dont l'un sort d'un tube coaxial à ladite buse et se trouve à l'intérieur de celle-ci et l'-autre sort d'un tube également coaxial à la buse mais extérieur à celle-ci. On obtient ainsi une veine tubulaire d'aérosol prise en sandwich entre deux veines tubulaires d'air filtré. Les trois veines se réunissent en une seule veine entrant dans une seconde buse convergente dont la sortie est située à une courte distance d'une plaque d'impact et de dépôt. le but des deux veines fluides d'air filtré consiste, pour la veine intérieure, à dilater la dispersion de la veine d'aérosol à la sortie de la buse et, par conséquent, à améliorer la dispersion des particules qui frappent la plaque de dépôt et, pour la-.veine extérieure, à guider la veine d'aérosol de façon à empêcher la formation de tourbillons. Ces impacteurs, tout en constituant un grand progrès par rapport à ceux à stades multiples, présentent non moins les inconvénients des impacteurs traditionnels dans la mesure où leurs possibilités de charge sont limitées. En outre, le se se forme sur une zone fort restreinte sous la forme d'une couronne circulaire de l'ordre de 1 mm de large. les analyses sont limitées à l'examen au microscopie (optique ou électronique) qui est une technique-laborweuse et coûteuse et ne présente que dans des cas particuliers un intérêt pour l'hygiène industrielle. le but de la présente invention est de créer un nouveau type d'instrument capable de réaliser une séparation aerodyra- mique analogue à celle du "spectral impactor'l mais dans lequel les particules ne heurtent pas un obstacle oui les retient mais se déposent sur un filtre à membrane par suite de l'action combinée de la force centrifuge à laquelle elles sont soumises et de la dépression appliquée à travers la membrane. Il s'est avére experientalement qu'un tel dépôt se forme sur une superficie très considérablement augmentée par rapport à toutes les techniques antérieures, sans pour autant porter préjudice aux caractéristIques de résolution du spectromètre. Dans le dispositif suivant la présente invention un jet d'aérosol sortant d'une buse convergente à embouchure en forme de fente rectangulaire affecte la forme d'une veine présentant l'aspect d'une lame. Cette buse pénètre dans une seconde buse convergente qui présente également une embouchure à fente rectangulaire dont un grand côté est égal au côté le plus grand de la première buse tandis que le petit côté est plus grand que le côté le plus petit de la fente de la première buse. Dans la seconde buse les deux veines se réunissent, la veine d'aérosol restant décalée en direction de l'une des parois de la même buse.Devant la seconde buse est placé, à une faible distance de celle-ci, un filtre rectangulaire dont la largeur est égale au grand côté des fentes de sortie des deux buses et dont la longueur s'étend à partir de la ligne de projection1 sur le olan du filtre, du grand c & é de la fente de la seconde buse jusqu a une distance égale au moins au double de ladite largeur. Sur la face du filtre opposée à celle tournée vers la buse est anoliquée une dépression suffisante pour permettre au fluide de sortir dés embouchures des deux buses à la vitesse voulue. On obtient ainsi un écoulement de fluide aui à la sortie de la seconde buse est dévié en direction du côte de l'aire filtrante opposé à celui placé audessous de la fente. La veine fluide d'air filtré pousse la veine d'aérosol s'écoulant au fur et à mesure à travers le filtre. les particules en suspension dans l'aérosol se déposent à une certaine distance de la fente, cette distance étant une fonction directe et régulière des dimensions aérodynamiques des mêmes particules. Par rapport au dispositif décrit dans la publication citee l'aire de dépôt se trouve considérablement agrandie. Alors qu'en pratique dans ce dispositif toutes les particules se déposent sous la forme d'une bande dtenviron I mm dans la direction del'écoulement, dans le cas du présent dispositif elles se répartissent, pour une meme quantité d'aérosol ana lysé, sur une bande d'une longueur au moins décuplée dans la direction de l'écoulement. il convient encore de noter que le dispositif suivant la présente invention permet d'éliminer le phénomène de re noussement des particules et le risque de rebondissement de celles-ci. L'invention est décrite plus en détail ci-dessous à l'aide des dessins annexés qui illustrent à titre non limitatif une forme de réalisation préférée du dispositif. La fig. 1 est une coupe longitudinale du dispositif imDacteur de l'invention suivant un premier nlan de symétrie commun aux deux buses. La fig. 2 est une vue de dessus du disque filtrant faisant partie du dispositif de l'invention. La fig. 3 représente, à plus grande échelle, une portion de la coupe de la fig. 1 délimitée sur cette figure par une ligne en traits mixtes. La fig. 4 représente une courbe de calibrage du dispositif de l'invention. Comme représenté à la fig. 1, le dispositif suivant l'invention est constitué par un cylindre creux p communiquant avec une source d'air filtré (non indiquée) et muni à l'une de ses extrémités d'une bride 2' tournée vers l'extérieur. Dans la partie terminale de l'extrémité à bride est inséré un bouchon 4 qui adhère de manière étanche à la surface intérieure du cylindre 2. Dans le corps du bouchon 4 et plus exactement dans l'une des deux moitiés en lesquelles celui-ci est divisé par un plan diamétral du tube 2 est reçue une buse 6 présentant une embouchure presque carrée 6'. la buse 6 présente deux plans de symétrie dont le premier contient l'axe de cylindre 2 et.le second est oerpendiculaire à cet axe. la buse est délimitée par deux surfaces planes parallèles entre elles et audit second plan de symétrie, ainsi que nar deux surfaces courbes convexes en direction de l'extérieur et présentant de préférence un profil constitué par exemple par une courbe de conique ou de dévelosante de cercle, ces deux surfaces se rapprochant l'une de l'autre jUS qu a la fente de sortie de la buse. La fente est néanmoins rectangulaire avec un rapport entre les cotés d'environ 1 : 10. Dans l'ouverture d'entrée 6' de la buse pénètre une seconde buse 8 qui, au moyen d'une canalisation 10, communique avec la source d'aérosol à examiner La buse 8 présente également deux plans de symétrie dont l'un coïncide avec ledit premier plan de symétrie de la première buse, tandis que le second est parallèle audit second plan de symétrie de la première buse mais est décalé en direction de l'axe du cylindre 2 d'une distance égale ou légèrement supérieure au petit côté de la fente d'écoulement de la première buse. La section d'entrée 8' de la buse 8 est rectangulaire, un côté du rectangle étant presque égal au côté de l'ouverture d'entrée de la première buse.Ce côté reste constant sur toute la longueur de la buse tandis que l'autre côté diminue au fur et à mesure en direction de la fente de sortie de la buse jus qu'à ne plus mesurer qu'environ 1/30 de sa dimension initiale. Pour cette buse, comme pour la première, le profil des parois courbes est également convexe vers l'intérieur et peut être par exemple une courbe de conique ou de dévelopnante de cercle. la buse 8 est réalisée avec des parois minces de façon que la veine fluide qui ensort soit pratiquement aussi large que la veine sortant de la buse 6. Il ressort de ce qui précède que les projections des fentes d'écoulement des deux buses sur un plan perpendiculaire à l'axe du cylindre 2 ne se superposent même pas partiellement ; la projection de la fente 8" est décale légèrement vers l'axe du cylindre 2 par rapport à celle de la fente 6". Ainsi la veine d'aérosol sortant de la fente 8" atteint la surface de la buse 6 plus près de l'axe du cylindre 2 et s'écoule le long de cette surface jusqu'à la sortie de la buse 6. Devant le bouchon 4, à une faible distance de celui-ci, est placé un filtre circulaire à membrane 12 présentant une porosité appropriée. La surface du filtre est en grande partie bouchée de façon à laisser subsister une fenêtre rectangulaire 12' dont le plus grand axe médian est situé dans ledit premier plan de symétrie des buses.Le rectangle s'étend, dans une direction, jusau'à une distance de l'axe du cylindre 2 à peu près égale à la distance de ce même axe par rapport au côté le plus intérieur de la fente 6" et, dans le sens opposé, aussi loin que le permettent les limites du filtre. L'espace intermédiaire étroit 24 entre le bouchon et le filtre est fermé de manière étanche par une garniture périphérique 16 assujettie entre la bride 2' du tube 2 et la bride 18' d'une tubulure 18 à l'intérieur de laquelle est formé un gradin périphérique servant de siège au filtre circulaire 12. En aval du filtre 12 la section intérieure de la tubulure 18 se rétrécit coniquement jusqu'à l'embouchure d'un tube de raccordement 20 auquel est reliée une canalisation pour le raccordement avec une source de vide. La surface latérale de la bride 18' est filetée et avec cette surface vient en crise le taraudage d'une frette qui assujettit centralement la bride 2 du cylindre 2. Entre les brides 2' et 18' est interposée une garniture 22 qui délimite périnhériquemnent ltespace intérieur 24. EXEMPLE Conformément aux Principes de la présente invention est réalisé un spectromètre à inertie présentant les caractéristiques suivantes. La première buse 6 présente une ouverture d'entrée de 12 x 12 mm, une longueur de 32 mn et une ouverture d'écoulement de 1,2 x 12 mn. - La seconde buse longue de 20 mm présente une ouverture d'entrée de 8 x 12 mm et une ouverture d'écoulement de 0,3 x 12 mm et débouche dans la première buse à une distance de 17 mu par rapport à l'ouverture de la oreniere buse. Le second plan de symétrie de la seconde buse est décalé de 1,5 mm en direction de l'axe du cylindre 2 nar rapport au plan de symétrie analogue de la seconde buse. La fenetre filtrante du filtre en forme de disaue 12 est un rectangle de 12 x 27 =ii, 1tun des petits cotés de ce rectangle est éloigné de llase du cylindre de 2 mn de moins que le côté intérieur de la fente d'écoulement de la première buse. Le rapport entre l'ouverture d'écoulement de la première buse et celle de la seconde buse est égal à 4. La distance entre l'ouverture d'écoulement de la première buse et le plan supérieur du filtre en forme de disque 12 est de 1,8 mm. La dépression appliquee en aval du filtre 12 est maintenue à une valeur correspoidaltàundébit de 10 l/mn. Dans de telles conditions la vitesse moyenne d'écoulement de l'air filtré et de l'aérosol est égale à Il m/s. le débit de la seconde buse est égal à environ 10 G}D du débit de la première buse. La courbe de calibrage du dispositif décrit, établie avec un aérosol de chlorure de sodium, est portée sur la fig. 4 ; en abscisse sont indiquées par d (en mm) les distances de la dnnoFi ton par rapport à la projection orthogonale de la veine d'aérosol sur le slan du filtre, ces distances étant établies sur la ligne médiane longitudinale du rectangle de filtration, et en ordonnée sont indiquées par 1 (en microns) les dimensions reelles des monocristaux de chlorure de sodium qui constituent les particules. Les données obtenues par microscopie électronique sont désignées par des astérisques tandis que celles obtenues par microscopie optique sont indiquées par de petits carrés. Ainsi qu'on le constate, l'intervalle de dimensions comprend la granulométrie intéressant l'hygiène industrielle.Il est en outre possible de tracer sur la superficie du dépôt un nombre suffisant d'aires pour obtenir, par exemple, une distribution de la masse d'aérosol débitée en fonction des dimensions. En particulier dans le cas d'une contamination radioactive cette technique pourrait simplifier énormément les opérations d'analyse. En effet, on pourrait alors à l'intérieur de tout le dépôt effectuer des essais non destructifs en vue d'obtenir des données concernant l-'activité totale dans l'air, cette donnée étant en général suffisante a' condition que le contrôle soit effectué de manière satisfaisante. C'est seulement lorscue l'activité totale dépasse les niveaux préétablis qu'il y a intérêt à obtenir les données granulométriques qui sont cenendant toujours plus coûteuses à recueillir. Cette technique peut donc toujours fournir l'information granulométrique concernant les particules en suspension dans la mesure ou cela est absolument nécessaire pour déterminer le risque toxicologique de la contamination par aérosol mais permet de sélectionner les cas où les données granulométriques sont effectivement nécessaires ; cette technique permet donc de réduire sensiblement le montant des denses à consacrer au contre du milieu ambiant. REVENDICÂTIONS 1 - Dispositif impacteur destiné à la séparation des particules d'un aérosol en classes granulométriques, caractérisé en ce qu'il comprend une première buse convergente à fente rectangulaire pour l'écoulement d'air filtré et une seconde buse, également convergente avec une fente rectangulaire pour l'écoulement de l'aérosol à analyser, cette der nière fente étant située en amont de ladite fente de la première buse et les fentes étant parallèles entre elles, en ce que la fente d'écoulement de l'aérosol est décalée par rapport à celle d'écoulement de l'air filtré de façon que sa projec- tion sur le plan contenant la fente d'écoulement de l'air filtré ne se superpose mame pas partiellement à la fente de l1air filtré, en ce que le fluide sortant de cette dernière fente est dirigé contre une plaque plane munie d'une fenêtre filtrante dont un côté est égal au plus grand côté desdites fentes et l'autre côté est au moins deux fois aussi grande, en ce que la fenêtre s'étend dans le même sens que celui du décalage de la seconde buse par rapport à la première à partir d'une droite parallèle au plus long côté de la proJection, sur ladite plaque, de la fente de la première buse mais est extérieure à ladite projection, en ce que l'espace intermédiaire entre la fente d'écoulement de la première buse est fermé périphé- riquement de manière étanche, et en ce qu'une dpression est appliquée sur la face de la plaque, laquelle dépression détermine l'écoulement à travers les fentes en aspirant respectivement l'air filtré et l'aérosol des récipients respectifs de dimensions Dratiquement illimitées. 2 - Dispositif impacteur pour la séparation des Darti- cules d1un aérosol en classes granulométriques suivant la revendication 1, caractérisé en cé qu'il comprend une première buse convergente munie d'une ouverture d'entrée et d'une fente de sortie qui sont toutes les deux de section sensiblement rectangulaire et présentent l'une par rapport à l'autre un côté de rectangle de longueur égale, ladite buse étant par- courue par un courant d'air filtré et une seconde buse convergente parcourue par l'aérosol à analyser, laquelle buse présente également une ouverture d'entrée et une fente de sortie qui sont toutes deux rectangulaires et ont un côté du rectangle pratiquement égal à la longueur du côté homologue de la première buse, l'ouverture d'écoulement de la première buse étant plus grande que celle de la seconde et les deux buses présentant chacune deux plans de symétrie orthogonaux entre eux qui se croisent sur un axe central parallèle au courant parcourant la buse, en ce que le premier desdits plans est commun aux deux buses tandis que l'autre plan de symétrie de la seconde buse est décalé parallèlement nar rapport au plan homologue de la prenière buse de façon que la fente de sortie de la seconde buse, projetée sur un plan perpendiculaire auxdits plans de symétrie,ne se superpose même pas partiellement à la projection de la fente de la première buse, en ce que le dispositif comporte en outre un filtre rectangulaire perpen- diculaire auxdits plans de symétrie et situé à une faible distance de la fente de sortie de la première buse, lequel filtre présente un côté égal à la longueur de ladite fente, tandis que l'autre côté est au moins deux fois aussi long, la ligne médiane dudit filtre en direction du grand côté étant situe dans le premier plan de symétrie, en ce que le rectangle est décalé dans le même sens que celui du décalage de la seconde buse par rapport à la première de telle manière que la projec- tion de ladite fente de la première buse tombe entièrement à l'avant du rectangle du filtre à une faible distance de celuici, un élément d'étanchéité qui ferme l'espace intermédiaire périphériquement assujettissant centralement le filtre et la fente de la Dremière buse, et en ce qu'il est prévu un système à vide qui applique une dépression sur la face du filtre opposée à celle tournée vers la fente de sortie de la première buse. 3 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la première buse est réalisée dans un bouchon qui ferme l'extrémité d'un tube cylindrique et, nlus exactement, dans l'une des deux moitiés en lesquelles le bouchon est divisé par un plan passant par l'axe dudit tube. 4 - Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que le filtre rectangulaire fait partie d'un filtre circulaire dont la superficie dépassant ledit rectangle est obturée. 5 - Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que ledit filtre circulaire est inséré dans un évidement exécuté à l'interieur d'une tubulure à bride apte à eAtre as semblée, au moyen d'une frette, avec le tube cylindrique,et en ce qu'un organe d'étanchéité sérinhérique est interposé entre la bride de la tubulure et une bride dont est munie l'extrémité corresnondante du tube. 6 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le débit de l'aérosol sortant de la buse concernée est ae 11 ordre de 10 5; du débit d'air filtré à travers la buse resPective . 7 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport entre l'ouverture d'écoulement de la buse à air filtré et celle de la buse à aérosol est de 4 : 1. 8 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la distance entre ltouverture d'écoulement de la première buse et le plan supérieur du filtre est de 1,8 mm. 9 - Dispositif suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la convergence des buses est obtenue en donnant une courbure convexe vers l'intérieur à deux des parois de la buse disposées en regard l'une de l'autre. 10 - Dispositif suivant la revendication sj caractérisé en ce que le profil des parois courbes des buses suit l'allure d'une courbe de conique. Il - Dispositif suivant la revendication 9, caractérisé en ce que le profil des parois courbes des buses présente l'allure d'une développante de cercle.