Brevet FR2459080A1 — publié le 19810109

La présente invention concerne un dispositif pour la produc- tion d'un jet d'aérosol, plus particulièrement destiné à titre d'exemple à un appareil d'analyse par spectroscopie. Dans un appareil d'analyse d'une solution par spectroscopie, la solution à étudier est d'abord fi- nement divisée sous forme d'un aérosol, puis injectée dans une flamme de plasma telle que de l'argon ionisé, à une température de l'ordre de 50000. Dans le plasma l'aérosol est excité, et émet à son tour un rayonnement caractéristique des éléments contenus dans la solution. Ce rayonnement esdanalysé dans un spectromètre usuel. On connait divers moyens pour nébuliser la solution, et en particulier l'utilisation d'ultra-sons qui provoquent la rupture de la masse liquide en très fines gouttelettes; les gouttelettes peuvent alors être entraînées dans un courant gazeux vers leur utilisation, et en par- ticulier vers la torche à plasma. Dans les appareils usuels actuels, cer- taines gouttelettes transportées peuvent venir au contact des parois de la canalisation; au voisinage de la torche à plasma les parois sont chaudes, ce qui entraine dans cette zone une évaporation de ces goutte- lettes, avec dép8t dessels contenus. Il en résulte des risquesde restric- tion/ie section de passage, et même de -bouchage de la conduite. Mais ceci a pour conséquence encore plus grave de laisser dans l'appareil une "mémoire" qui risque de fausser l'analyse suivante, par exemple par dis- solution dans un nouveau brouillard d'une partie des dép8ts formés au cours d'analyses antérieures. Pour éviter ces perturbations il faudrait à chaque analyse rincer ou changer les conduites d'arrivée de l'aérosol dans la flamme, ce qui est incompatible avec le besoin de plus en plus affirmé de permettre des analyses séquentielles à cadences élevées. La présente invention apporte une solution pour éviter ces inconvénients, et permet d'améliorer le rendement énergétique de l'ap- pareil. Elle concerne un dispositif pour la production d'un jet d'a- érosol, comportant un organe pulvérisateur du produit à transporter, avec création d'un débit de gaz porteur pour entraîner les particules formées. Selon l'invention, en aval du pulvérisateur proprement dit, la conduite d'acheminement de l'aérosol formé par le gaz porteur et les particules en suspension, constitue le canal central d'une tuyère double dont le canal annulaire reçoit un autre flux gazeux sec pour for- mer, dans la conduite de reprise de l'ensemble vers l'utilisation, un flux central d'aérosol gainé extérieurement par un flux de gaz sec, les débits et la disposition relative des canaux annulaire et central de la tuyère étant déterminés de telle sorte que les écoulements des deux flux restent laminaires et à vitesses voisines. Selon une forme préférentielle de réalisation, l'axe de la tu- yère et de la conduite entre la sortie de la tuyère et l'utilisation, est vertical ou seulement très légèrement incliné. L'invention sera mieux comprise en se référant à un mode de réalisation particulier donné à titre d'exemple et représenté par le dessin annexé. La figure unique est une représentation schématique d'un ap- pareil destiné à nébuliser une solution par ultra-sons, et à injecter le brouillard formé dans une flamme de plasma en vue d'une analyse par spectro-émission. L'appareil comporte un générateur d'ultra-sons constitué par un cristal piézoélectrique 1, excité électriquement à partir d'un gé- nérateur non représenté ici, et ququel il est relié par les connexions 2. Les ondes ultrasonores, d'une plage de fréquence de 200 KHz à 10 MHz sont transmises-par une colonne liquide 5 qui maintient une charge constante sur le cristal. La colonne liquide est maintenue dans un corps 3 posé sur le cristal avec interposition de joints d'étanchéité 4, une circulation continue d'eau étant entretenue entre une entrée 6 et une sortie 7 pour assurer également le refroidissement. La solution à nébuliser est introduite par la tuyauterie 9 dans la cellule 10 au moyen d'une pompe péristaltique 11 commandée par un moteur pas à pas, pour maintenir dans la cellule une quantité de liquide constante en cours de fonctionnement. La cellule 10 fermée à sa partie inférieure par une membrane mince 12, par exemple en po- lyester de 10 à 100 microns d'épaisseur, est adaptée sur le corps 3 avec interposition de joints d'étanchéité 13. La cavité du corps 3 forme un adaptateur d'impédance des- tiné à augmenter l'amplitude de londe acoustique et la production d'aérosol, tout en permettant de diminuer la puissance à fournir au cristal. L'amplification est obtenue par réduction de section de l'en- trée vers la sortie; la densité de puissance acoustique nécessaire à l'apparition de cavitation dans la solution étant constante, la puissance à fournir au cristal sera inversement proportionnelle à la section. L'adaptateur est constitué par un corps solide (métal, verre...) présentant une impédance acoustique telle que le coefficient de réfle- xion de l'onde à l'interface entre le corps et la colonne de liquide de charge soit total. La forme de l'adaptateur doit être régulière, et compte tenu du fait que les dimensions sont ici nettement supérieures à la longueur d'onde, on a choisi une forme conique comme plus simple à réaliser. L'état de surface interne de l'adaptateur doit être meilleur que le cinquantième de la longueur d'onde pour obtenir un rendement satisfaisant. Pour éviter une dégradadtion de l'état de surface en- trainant une dégradation du rendement, on choisit comme liquide de transmission un liquide inerte chimiquement vis à vis de la matière constituant le guide. En particulier en cas d'utilisation d'eau, celle- ci devra être déminéralisée et dégazée, tout dép8t sur les parois in- ternes du guide risquant de perturber son bon fonctionnement. Sa tem- pérature devra être stable et par exemple inférieure à 170 s'il s'agit d'eau. Pour toute question de diffraction des ondes sonores pouvant intervenir dans le calcul de l'adaptateur d'impédance, on pourra par exemple se référer à un ouvrage tel que "Fundamental of Ultrasonics", J. BLITZ, Butterworths, London. Les gouttelettes formées par les phénomènes de cavitation engendrés par les ultra-sons au voisinage de la surface de la solu- tion dans la cellule 10, sont entraînées par un courant d'argon intro- duit en 15. L'aérosol ainsi formé est entrainé dans la cheminée d'ex- traction 16 dont la base est en forme de biseau pour assurer un re- tour non perturbateur des gouttes de gros diamètre projetées par le geyser d'ultra-sons. Les gouttes de trop fort dimaètre, ou redépo- sées sur les parois de la conduite, sont encore récupérées dans le drain coudé 17 muni d'un siphon d'évacuation 18. L'aérosol est alors amené, par le tube central 20, dans la tuyère double 21 dont le conduit annulaire périphérique 22 est ali- menté par un flux gazeux sec arrivant par la canalisation 23. Les débits et les vitesses, d'une part du flux central d'aérosol humide porteur de gouttelettes de solution, et d'autre part du flux annulaire de gaz sec, sont déterminés de façon à maintenir des écou- lements laminaires de vitesses voisines, pour éviter la formation de tour- billons à leur interface. On obtient ainsi dans la tubulure de sortie 25, une veine centralede gaz transportant les particules humides de la solu- tion, et une véritable gaine continue extérieure de gaz sec qui évite le contact des particules transportées avec les parois. C'est cette conduite 25 qui sert d'injecteur de l'aérosol dans la torche à-plasma 26, constituée de façon usuelle par une arrivée d'un flux de gaz plasmagène comme de l'argon amené par la conduite 27 entre les spires d'un inducteur 28 alimenté à très haute fréquence par un géné- rateur 29. On voit que dans la conduite 25, chauffée par la proximité de la torche 26, les gouttelettes de la solution à étudier, en suspension dans l'aérosol, ne peuvent pas venir s'évaporer au contact des parois chaudes et y déposer les sels contenus. La conduite 25 reste donc tou- jours propre, à section constante, et en fin d'analyse sans trace de la solution qui vient d'être étudiée. Le passage à une autre analyse peut alors se faire sans risque instantanément, et sans nécessiter de démontage ou de rinçage. On prendra soin, pour conserver la qualité du gainage gazeux, d'éviter dans le flux formé à la sortie de la tuyère les composantes transversales dues à la gravitation. Pour cela le système tuyère et conduite de sortie jusqu'à l'utilisation sera disposé verticalement, au moins lorsque l'aérosol contient des particules de relativement gros- ses dimensions (1 micron pour l'eau) ou de fortes masses volumiques. Pour des particules légères ou de faibles dimensions (inférieures à 0,1 micron par exemple pour l'eau) on pourrait tolérer de faibles portions de trajet oblique ou même horizontal, si la vitesse de l'écoulement permet de limiter suffisamment le temps de passage des particules dans ces sections o la gravitation pourrait provoquer une traversée de la gaine gazeuse de protection. Bien entendu l'invention n'est pas limitée au seul mode de réalisation ou à la seule application qui viennent d'être décrits à titre d'exemple, mais elle couvre aussi les réalisations qui n'en dif- fèreraient que par des détails, par des variantes d'exécution, ou par l'utilisation de moyens équivalents. C'est ainsi qu'elle peut s'appliquer à la production de jets d'aérosolchaque fois que le risque de dép8t de particules transportées sur des parois chaudes risque d'être dommageable pour la bonne conser- vation ou le bon fonctionnement de l'installation. Ces particules peuvent alors être solides ou liquides, par exemple pour l'alimentation de bru- leurs ou de chaudières, et la pulvérisation du produit à transporter par l'aérosol pourrait être obtenue par des moyens connus autres que les ultra-sons. REVENDICATIONS 1.- Dispositif pour la production d'un jet d'aérosol compor- tant un organe pulvérisateur du produit à transporter, avec création d'un débit de gaz porteur pour entrainer les particules formées, caractérisé par le fait que en aval du pulvérisateur proprement dit la conduite d'acheminement de l'aérosol formé par le gaz porteur et les particules en suspension constitue le canal central d'une tuyère double dont le canal annulaire reçoit un autre flux gazeux sec pour former, dans la conduite de reprise de l'ensemble vers l'utilisation, un flux central d'aérosol gainé extérieurement par un flux de gaz sec, les dé- bits et la disposition relative des canaux annulaire et central de la tuyère étant déterminés de telle sorte que les écoulements des deux flux restent laminaires et à vitesses voisines. 2.- Dispositif selon revendication 1, caractérisé par le fait que l'axe de la tuyère et de la conduite entre la sortie de la tuyère et l'utilisation est vertical ou seulement très légèrement incliné. 3.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, appliqué au cas o l'organe pulvérisateur utilise des ultra-sons dont l'onde est envoyée sur un récipient contenant une so- lution à pulvériser, caractérisé par le fair qu'il comporte, entre le générateur d'ultra- sons et le récipient, un adaptateur d'impédance constitué par un guide dont la section décroit de fagoni continue de l'entrée vers la sortie. us