Brevet FR2532861A1 — publié le 19840316

L'invention concerne un pulvérisateur à ul- trasons comportant un transducteur piézoélectrique qui est accouplé mécaniquement-à un transformateur d'amplitude (également désigné sous le terme de "cornet" ou "trompe"), et comportant un disque de pulvérisation monté sur l'ex- trémité libre du transformateur d'amplitude. On connaît des vibrateurs ultrasonijques piézoélectriques servant à pulvériser un liquide En ce qui concerne l'état de la technique-, on se reportera par exemple à la revue "Informations Techniques pour l'Indus- trie", Novembre 1978, publiée par la société dite VALVO, de Hambourg Les pulvérisateurs à ultrasons, du type dont il est question, sont constitués par un transducteur pié- zoélectrique qui, dans une forme de réalisation usuelle, est accouplé mécaniquement rigidement à un transformateur d'amplitude (désigné sous le terme de çornet) La trans- formation de l'énergie électrique en énergie mécanique s'effectue dans le transducteur, tandis que l'on obtient un accroissement des amplitudes à l'aide du "cornet". Afin d'obtenir des amplitudes aussi élevées que possi- ble, il est en outre nécessaire que le pulvérisateur vi- bre au voisinage de sa résonance série. D'autres pulvérisateurs à ultrasons du ty- Pe indiqué plus haut sont connus d'après le brevet US N O 3 400 892 et d'après les brevets allemands N O 2 831 553 et 2 137 083. Les pulvérisateurs à ultrasons connus tra- vaillent avéc des transformateurs d'amplitude, dont les longueurs sont égales au moins à \/4 (par exemple brevet US N O 3 400 892) jusqu'à un multiple entier de >/4 (bre- vets allemands No 2 831 553 et 2 1370083) Ici >/4 dési- gne la longueur d'onde de vibration du discue de pulvéri- sation. Des pulvérisateurs à ultrasons conformes à l'état antérieur de la technique se sont avérés peu satis- faisantsnotamment en ce qui concerne les points indiqués ci-après. a) Ils présentent des durées de vie utiles trop faibles en raison de l'apparition de contraintes d'entaillage Le problème réside dans un dimensionnement approprié du pulvérisateur-à ultrasons. b) Les pulvérisateurs à ultrasons connus fournissent un débit spécifique de liquide trop faible. Le problème tient ici au fait que l'ensemble du transfor- mateur d'amplitude vibre et qu'il ne s'agit pas d'un élé- ment de flexion présentant une amplitude de flexion aug- mentant vers l'extérieur C'est pour cette raison que jusqu'à présent, il était nécessaire d'utiliser des trans- ducteurs d'une taille relativement importante. c) Les pulvérisateurs à ultrasons connus sont caractérisés par l'apparition de projections par cavitation Ici le problème réside dans les amplitudes importantes du transformateur d'amplitude,réalisé sous la forme d'une trompe étagée, dans la zone de guidage du liquide Ceci provoque l'apparition des projections nui- sibles. C'est pourquoi, conformément à ce qui a été dit précédemment, les pulvérisateurs à ultrasons de- vraient satisfaire en premier lieu aux exigences suivantes. 1 Ils devraient posséder des durées de vie importantes. 2 On devrait pouvoir obtenir des débits spécifiques de liquide. 3 Il devrait n'y avoir aucune cavitation. = 30 Pour garantir un domaine d'application aus- si important et diversifié que possible des pulvérisateurs à ultrasons, dont il est question, les propriétés ca- ractéristiques indiquées-précédemment devraient être pré- sentes non seulement à la température ambiante, mais éga- lement à des températures très élevées telles que celles qui sont caractéristiques par exemple de brûleu'rs à mazout. Les pulvérisateurs à ultrasons connus, que l'on trouve sur le marché, ne remplissent pas ou seulement de façon peu satisfaisante les conditions mentionnées pré- cédemment Dans le cas des pulvérisateurs à ultrasons con- nus (voir à ce sujet l'article de littérature mentionné plus haut), on se trouve assurément en présence de bonnes propriétés vibratoires, nais ceci est manifestement obtenu dans le cas de durées de vie indiscutablement brèves (ap- parition de ruptures par flexion) Un état correspondant de la technique peut être également tiré de la demande de brevet allemand mise à l'inspection Publique sous le nu- méro 29 04 861. Le but de la présente invention est de créer un pulvérisateur à ultrasons qui non seulement possède de bonnes propriétés caractéristiques vibratoires, mais pré- sente également la longue durée de vie utile nécessaire. Pour résoudre ce problème, un pulvérisateur à ultrasons du type indiqué plus haut est caractérisé par un réglage d'accord réciproque tel entre le disque de pul- vérisation et le transformateur d'amplitude, que le sys- tème vibratoire formé par l'ensemble disque de pulvérisa- tion-transforihateur d'amplitude possède la même fréquen- ce de résonance que le transducteur, de préférence envi- ron 60 k Hz, et qu'en outre les transitions des sections transversales entre le transducteur et le transformateur d'amplitude d'une part et entre le transformateur d'am- plitude et le disque de pulvérisation d'autre part sont réalisées de manière à présenter de faibles contraintes d'entaillage. On peut alors obtenir des résultats remar- quables lorsque le transformateur d'amplitude, y compris le disque de pulvérisation, possède une longueur égale au moins à 1/10 et au plus à 9/10-èmes;de la longueur d'on- de de vibration (>/4) On a A= c/f, c étant la vitesse du son et f la fréquence vibratoire. Une propriété caractéristique essentielle du pulvérisateur à ultrasons conforme à l'invention ré- side dans le fait que le disque de pulvérisation exécu- te des vibrations de flexion sans aucun cercle de noeuds et ce de telle sorte que l'amplitude vibratoire augmente fortement au fur et à mesure qu'on se rapproche du bord du disque, mais possède une valeur minimale déterminée en son centre La valeur minimale de l'amplitude vibra- toire au centre du disque est obtenue lorsque le liquide adhère au disque, mais qu'il ne se produit encore aucune pulvérisation C'est en raison de ces caractéristiques avantageuses obtenues grâce à l'invention que la forma- tion i projections dans la zone d'alimentation du dis- que de pulvérisation est évitée et que l'on obtient ce- pendant une bonne répartition du liquide sur toute-la surface du disque. Selon une forme de réalisation avantageuse de l'idée de base de l'invention, on peut obtenir la for- me de réalisation pratique optimale recherchée, présentant peu de contraintes d'entaillage,du système vibratoire transformateur d'amplitudedisque de pulvérisation grâce au fait que les transitions des sections transversales en- tre le transducteur et le transformateur d'amplitude d'une part et entre le transformateur d'amplitude et le disque de-p lvérisatio d'autre part possèdent des rayons compa- rativement importants, c'est-à-dire relativement impor- tantspar rapport au diamètre du transformateur d'amplitu- de et du disque de pulvérisation. D'autres formes de réalisation avantageuses de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après prise en référence au dessin annexé qui montre à titre d'exemple, une forme de réalisation d'un pulvérisateur à ultrasons pour moitié selon une vue en coupe longitudinale et pour moitié selon une vue en élé- vation latérale. La référence 10 désigne un transducteur piézoélectrique qui sert à convertir l'énergie élec- trique en énergie vibratoire mécanique Le transducteur piézoélectrique est constitu 6 par deux disques en céra- miqué Entre les de-lx disques en céramique 10 du transducteur piézoélectrique est située une électrode désignée par la référence 21 et qui reçoit extérieure- ment un raccord électrique (non représenté sur le des- sin) Les disques piézoélectriques 10, 21, qui possèdent un évidement axial cylindrique 22, reposent selon une disposition concentrique sur un tourillon 23 qui possè- de un filetage 24 sur son extrémité supérieure libre. Vers le bas, le tourillon 23 s'élargit de façon étagée pour former un transducteur 12 qui sert de butée axiale inférieure pour les trois disques piézoélectriques 10, 21 Sur le côté supérieur, la fixation axiale des dis- ques piézoélectriques 10, 21 est réalisée au moyen dlun écrou 11 qui vissé sur le filetage 24. Comme cela ressort en outre du dessin, le transducteur 12 possède un perçage latéral de raccorde- ment 13 qui sert à l'amenée du liquide; devant être pul- vérisé, dans un perçage axial 14 d'un transformateur d'amplitude 15. Le mode d'amenée du liquide, représenté sur le dessin,ne constitoetoutefois qu'un exemple de réalisa- tion En outre, dans le cadre de la présente invention, on peut imaginer d'autres possibilités d'amenée du li- quide au perçage central 14 du transformateur d'amplitu- de 15 Ainsi, on peut également avoir par exemple une in- troduction axiale du liquide. De même il existe les possibilités les plus diverses (non représentées ici de façon détaillée) pour fixer le pulvérisateur à ultrasons sur un dispositif de support approprié. Le dessin montre en outre que le transfor- mateur d'amplitude 15 est réuni d'un seul tenant aux éléments 12, 24 et 23 Le transformateur d'amplitude 15 se prolonge également d'un seul tenant au niveau de son extrémité par un disque de pulvérisation 16 Les par- ties 15, 16 sont traversées axialement en leur centre par le perçage 14 déjà mentionné Le liquide devant être pul- vérisé est amené sur la surface, désignée par la référen- ce 17, du disque de pulvérisation 16, o il se produit une fine pulvérisation du liquide en raison des vibra- tions à haute fréquence du disque 16 de pulvérisation. Le dessin permet en outre de voir que les transitions 18 et 19 des sections transversales entre le transducteur 12 et le transformateur d'amplitude 15 d'une part et entre le transformateur d'amplitude 15 et le disque de pulvérisation 16 d'autre part possèdent des rayons comparativement identiques de 2 mm (jonction 18) et de 1,5-mm (jonction 19). Les rayons importants égaux à 2 mm et à 1,5 mm garantissent une réalisation présentant une fai- ble contrainte d'entaillage des transitions 18 et 19 des sections transversales Ceci permet d'éviter des ruptures par flexion et d'obtenir par conséquent des durées de vie utiles longues correspondantes. La longueur active, repérée par L'sur le dessin, du système vibratoire transformateur d'am- plitude 15/disque de pulvérisation 16 est égale à une valeur comprise entre 1/10 et 9/10-èmesde la longueur d'onde de vibration > /4 La longueur L est égale à 16 mm dans le cas de l'exemple de réalisation représenté Le transformateur d'amplitude 15 possède un diamètre DA de 6 mm Le disque de pulvérisation 16 possède un diamètre global Dz de 12 mm De même dans le cas de la jonction entre le perçage 14 de passage du liquide et la sur- face 17 du disque 16 de pulvérisation, il est prévu un rayon relativement important de transition En partant d'un diamètre d pris à titre d'exemple pour le perçage 14 d'amenée du fluide, le rayon de transition 20 peut être égal par exemple 1,5 mm de sorte que l'on peut obtenir un diamètre d'extrémnit du perçage 14 de circu- lotion du liquide de d + 3 mm au niveau de la surface 17 du disque de pulvérisation 16 Avantageusement l'épaisseur du disque de pulvérisation 16 est d'environ 1 mm pour l'exemple particulier précité. On notera par ailleurs que le transformateur d'amplitude ( 15), qui comporte un perçage axial traversant ( 14) d'amenée du liquide, se prolonge, par l'intermédiaire de rayons de transi- tion, par le disque de pulvérisation ( 16) présentant une section transversale diminuant de façon continue en- tre un rayon extérieur ( 11) et une surface ( 17). REVENUICATIONS 1 Pulvérisatelur à ultrasons compor- tant un transducteur piézoélectrique, qui est accouplé mécaniquement à un transformateur d'amplitude (désigné également sous le terme de "cornet" ou "trompe"), et comportant un disque de pulvérisation disposé sur l'ex- trémité libre du transformateur d'amplitude, caractéri- sé par un réglage d'accord réciproque tel entre le dis- que de pulvérisation ( 16) et le transformateur d'ampli- tude ( 15) que le système vibratoire disque de plulvérisa- tion-traneformateur d'amplitude ( 16,15) possède la même fréquence de résonance que le transducteur ( 12), et qu'en outre les transitions des sections transversales ( 18 et 19) entre le transducteur ( 12) et le transfor- mateur d'amplitude ( 15) d'une part et entre le transformateur d'amplitude ( 15) et le disque de pulvérisation ( 16) d'autre part sont réalisées de manière à présenter une faible contrainte d'entaillage. 2 Pulvérisateur à ultrasons selon la revendication 1, caractérisé par le fait que la fré- quence de résonance dudit système vibratoire est de l'or- dre de 60 K Hz. 3 Pulvérisateur à ultrasons selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé par le fait que l'ensemble transformateur d'amplitude ( 15) - disque de pulvérisation ( 16) possède une longueur (L) comprise entre au moins 1/10 et au plus 9/l Oèmes de la longueur d'onde de vibration (X/4). 4 Pulvérisateur à ultrasons selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les transitions des sections transversales ( 18 et 19) entre le transducteur ( 12) et le transformateur d'amplitude ( 15) d'ulne part et entre le transformateur d'amplitude ( 15) et le disque de pulvérisation ( 16) d'autre part possèdent des rayons comparativement grands, c'est-àdire relativement grands par rapport au diamètre du transformateur d'ampliitude ou du disque de pulvérisa- tion. Pulvérisateur à ultrasons selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la transition de la section transversale ( 18) entre le transducteur ( 12) et le transformateur d'amplitude ( 15) possède un rayon de 2 mmn ou de sensi- blement 2 mm et que la transition-de la section trans- versale ( 19) entre le transformateur d-amplitude ( 15) et le disque de pulvérisation ( 16) possède un rayon de 1,5 mm ou de sensiblement 1; 5 mum. 6 Pulvérisateur à ultrasons selon l'une quelconque des revendications i à 5, caractérisé en ce que le système vibratoire transformateur d'amplitude- disque de pulvérisation ( 16,15) possède une longueur (L) d'environ 16 mm pour un diamètre du transformateur d'amplitude ( 15) de 6 mm, pour un diamètre du disque de pulvérisation ( 16) de 12 mm et povlr une épaisseur de ce disque d'environ 1 mm. 7 Pulvérisateur à ultrasons selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que Je transformateur d'amplitude ( 15), qui comporte un perçage axial traversant ( 14) d'amenée du liquide, se prolonge, par l'intermédiaire de rayons de transition, par le disque de pulvérisation ( 16) présentant une section transversale diminuant de façon continue entre un rayon extérieur ( 11) et une surface ( 17).