Brevet FR2575641A1 — publié le 19860711

La présente invention concerne un procédé nouveau de stérilisation par ultrasons, de liquides et en particulier de Lait, en défilé continu dans une canalisation. Depuis longtemps des expériences ont montré que l'on obtient la sté réalisation du lait en lui appliquant des ondes ultra-sonores de très forte intensité. La stérilisation étant presqu'instantanée, il n'est pas nécessaire d'utiliser un générateur de grande puissance moyenne, mais simplement de très grande puissance instantanée en régime d'impulsions ou de trains d'ondes amorties, donc de puissance moyenne relativement faible.D'autre part, on sait qu'une étincelle de forte puissance,émettant un crépitement très intense et très bref,présente un spectre acoustique très riche en fréquences ultra-soniques d'ondes de grande puissance.Des expériences furent effectuées avec un éclateur placé au foyer d'une coupelle étanche profilée en miroir concave réflecteur, placée sous le fond d'une cuve de lait: l'étincel~ le engendrait un train d'ondes ultra-sonores se propageant dans le lait en faisceau cylindrique de forte concentration, à la verticale du foyer; la fraction de liquide située dans ce faisceau cylindrique au voisinage de l'écla- teur était stérilisée.La figure I donne le schéma d'une expérience ancienne: G désigne la coupelle en miroir concave, étanche et remplie d'une huile diélectrique incombustible; EI E2 représentent les 2 pales d'un éclateur soumis à la décharge d'un condensateur de forte capacité chargé à 20.000 volts; la coupelle était soudée sous le fond de la cuve de lait D; l'éclateur Ei E2 est placé au foyer du miroir concave.La stérilisation était bien obtenue; mais ces expériences n'eurent pas de suites industrielles pour les raisons suivantes:d'abord, elles étaient effectuées sur une cuve et seule la fraction du liquide à la verticale de l'éclateur était stérilisée, ce qui obligeait à tapisser le fond de la cuve d'un grand nombre de coupelles d'éclateurs pour obtenir la stérilisation de tout le volume.Ensuite, le générateur d'étincelles alimentant l'éclateur était, à l'époque, encombrant et coûteux, en particulier les condensateurs de forte capacité et de très haute-tension. L'objet de la présente invention consiste, à partir du principe connu de l'é dateur au foyer d'un miroir concave, en une conception nouvelle de l'ex- citation et de la répartition des éclateurs, disposés en alignement sur une canalisation du liquide (lait en particulier) en écoulement continu. Le but recherché est d'abord l'efficacité, ensuite la réalisation d'appareils simples, peu couteux, légers et compacts, pouvant se poser sur une canalisation de circulation du lait. Les étincelles d'un éclateur ne peuvent pas se succé der à une cadence très rapide, car il faut tenir compte du temps de dé-ionisation du liquide (huile silicone, par exemple) emplissant la coupelle -miroir; on diminuera ce temps en faisant circuler cette huile en circuit fermé à tra-vers les coupelles, au besoin avec refroidissement.Le lait étant en circulation continue, on disposera plusieurs coupelles successives en ligne sur la canalisation, afin que chaque tranche du lait se trouve dans le champ de l'un des éclateurs successifs pendant un temps suffisant d'irradiation pour donner une stérilisation complète. Une bonne disposition sera, par exemple, 4 éclateurs successifs, alignés le long dlun tube d'écoulement à section carrée dont chaque face plane portera un éclateur; ainsi les parties hautes et basses du liquide passeront successivement au plus près des éclateurs alignés. Les éclateurs seront disposés à l'intérieur de coupelles étanches( par exemple, calottes sphériques en acier soudées sur les faces planes d'un tube à section carrée) et ajustés pour que l'étincelle jaillisse au foyer de ce miroir concave. Une huile diélectrique à grande rigidité diélectrique et ininfiammable (pour exemple une huile silicone) circulera dans chaque coupelle, en cirez cuit fermé pour raison d'économie; Cette circulation d'huile a un double but: réduire le tempsideionisation et refroidir le liquide .Chaque coupelle- pourra, en plus, comporter une soupape de sureté (par exemple, un soufflet entez sible)au cas où les étincelles successives provoqueraient une dilatation de lthu-ile;Tes étincelles seront séquentielles, afin que chaque tranche du lait pendant sa translation passe bien en regard de chaque éclateur afin de rester un temps suffisant dans le champ ultra sonore. Le procédé selon l'invention comporte un générateur électronique d'excitation des éclateurs , par charges et décharges de condensateurs haute-tension"par un moyen simple qui permet ces décharges séquentielles sans commutateur.' Pour l'explication de ce procédé, on représente en figure 2 un exemple non limitatif de ce gé-nérateur d'excitation.* Pour simplifier l'exposé, on a représenté le cas de 4 éclateurs, mais le principe s'étend à un nombre quelconque. Le bloc I désigne un oscillateur-pilote (Horloge) délivrant des signaux rectangulai res que l'.on envoie,par la liaison condensateur 2/résistance 3 à la grille d'un transistor de puissance V du type VIMOS, polarisée à+p au voisinage du cut-efX 4 désigne la source et 5 le drain du transistor.Un transformateur T à grand rapport élévateur de tension engendre sur les 4 secondaires SI S2 S3 S4 des impulsions de très haute tensian, par exemple 10 kV. L désigne le primaire du transformateur, LI un enroulement auxi - liaire couplé à L et relié à une diodeypour assurer une limitation de surtension sur le drain pendant les ruptures du courant drain;; +A désigne le pôle positif de l'alimentavion et M la masse au pôle négatif.7 Le sens de cou plage primaire/secondaire est indiqué par les 5 points marqués sur L, SI52 S3 , indiquant l'égalité de phase.Ainsi la phase ascendante du signal rec- tangulaire de grille donne le blocage des diodes D1 D2 D3 D4, donc secon daines en circuit ouvert, et primaire se comportant comme une self pure, qui enmagasine l'énergie cinétique du courant ascendant de drain ( I/2 LI5 et la restitue en énergie potentielle, pendant la rupture du courant I par le flanc descendant du signal rectangulaire de grille > cette énergie potentiel le est l'énergie 112 CV2 correspondant à la charge des 4 condensateurs par les 4 secondaires à travers les diodes Ainsi, grâce à ce sens des cou plages primairelsecondaires, la charge des condensateurs s'effectue pendant la rupture du courant primaire, donc sanS risque de sur-intensitésy le cou rant primaire rencontre, au contraire, une forte impédance qui est celle du primaire fontionnant en inductance pure Enfin, au moment où la tension aux bornes d'un éclateur atteint sa valeur disruptive, le condensateur se décharge brutalement dans l'étincelle, transformant son énergie potentielle en énergie cinétique,laquelle se transforme'en énergie calorifique, lumineuse, et en énergie acoustique à speatre très étendu comportant l'énergie ultra sonore désirée. La charge des condensateurs s'effectue par paliers suc cessifs par plusieurs impulsions consécutives ;;ainsi, l'oscillateur-pilote pourra-t..il avantageusement etre à fréquence élevée, ce qui permet de rédui re les dimensions et le poids du transformateur T. Pour engendrer des étin celles séquentielles par un dispositif très simple, le procédé selon~l'in-ven- tion consiste à donner des valeurs différentes aux 4 circuits secondaires de la figure 2, en particulier aux nombres de spires des 4 enroulements secon daires;;! Supposons, par exemple, que S comporte plus de tours que S2, 1 a tension induite sur SZ étant supérieure à celle de S2 , le condensateur CI atteindra la tension disruptive de l'éclateur E1 avant le condensateur C2 et l'étincelle de E1 jaillira avant celle de E2 .? De plus, pendant toute la du rée de l'étincelle de E1 , le secondaire SI débite en court- circuit à travers la diode D1 et la tension induite au secondaire S2 tend a s'annuler. la charge de C2 cesse d'augmenter et l'éclateur E2 ne pourra donc pas se dé clencher pendant toute la durée de l'étincelle de E1 , mais seulement après l'extinction de cette étincelle. De même, pendant l'étincelle de E2 , la char ge du condensateur CI et des autres condensateurs n'augmente plus, et aucun des 3 autres éclateurs ne peut se déclencher pendant l'étincelle de E2 ,plais seulement après son arrot.4 Et ainsi de suite pour les 4 éclateurs, ou pour un nombre quelconque d'éclateurs N, moyennant un secondaire par écla teur avec différenciation du nombre de spires des N secondaires.4 Le cas particulier de N= I avec I seul éclateur est possible, évidemment non séquentiel, mais donne une stérilisation moins bonne. Une variante de différenciation des circuits secondaires consiste à agir sur les valeurs des capaci tés C1C2C3C4 3 par exemple, en prenant C1 En résumé, dans ce procédé nouveau selon l'invention, par différenciation du nombre de spires des secondaires ou par différenciation des valeurs de capacités des condensateurs, donc par des moyens très simples et sans commutations, on réalise une séquence d'étincelles sur les éclateurs alignés le long d'une canalisation, ce qui permet à chaque tranche de lait en défilé de passer successivement dans le champ de plusieurs éclateurs, prolongeant ainsi la durée de l'irradiation: La figure 4 représente un exemple d'implantation de 4 éclateurs le long d'une calisatizn de section carrée K, dont le délreloppé sur un plan est désigné par Q, et les éclateurs successifs par Eî E2 E3 E4 4 ll est prévu de protéger le transistor de puissance V con-::- tre les surtensions et surintensités, par les procédés connus , non représentés sur les figures.5 Un dispositif auxiliaire selon l'invention permet une protection accrue en même temps qu'une économie d'+rgie, en apportant non plus une simple limitation, mais une interruption de l'étage de puissance pendant toute la durée de chaque étincelles l'explication de ce dispositif de sécurité, destiné à empêcher les surintensités du transistor de puissan- ce pendant les étincelles équivalentes à des court-circuits secondaires, est indiqué sur la figure 3 , où l'on voit 4 petits enroulements BI B2 B3 154 en série, connectés sur un diviseur de tension r r2 en vue de sortir une valeur de tension compatible avec une petite diode 6 et un petit transistor 71 Ces 4 petits enroulements sont d'une extrême simplicité et peuvent comporter chacun I spire enroulée autour de la gaine isolante (de forte épaisseur radiale) des 4 câbles TIlT (très haute tension) reliant les 4 éclateurs aux 4 condensateurs; ainsi, pendant l'étincelle, une tionhiuite sera engendrée dans le petit enroulement correspondant et cette tension induite, réduite à la valeur voulue par le pont diviseur rIr2, sera détectée par la -diode 6 en une tension positive aux bornes du condensateur 8 shunté par la résistance 9, et cette tension positive, appliquée à la base du tranc sistor npn désigné par 7 le rendra conducteur en saturation, fonctionnant en trchopper le collecteur de ce "chopper" rejoindra une résistance 10 intercalée en série sur la liaison Pilote à grille de l1étage de puissance, mettant en court-circuit l'excitation de grille, et bloquant le transistor de puissance pendant chaque durée d'étincelle.Le chopper marche en modulateur--shunt. Ce schéma de la fig.3 est donné à titre d'exemple non limitatif, le principe étant la captation de tensions induites sur les circuits de décharge des condensateurs et l'utilisation de ces tensions induites au blocage de l'excitation de l'étage final. Plusieurs variantes sont possibles selon l'invention, les exemples décrits ci-dessus n'étant nullement limitatifs.ttéclateur a été décrit comme étant inséré dans un bain d'huile diélectrique; une variante selon l'invention consiste à insérer l'éclateur en atmosphère gazeuse: par exemple, une coupelle emplie d'air ou mieux d'un gaz neutre tel que l'azote pour éviter l'oxydation des pointes de l'éclateur; ce gaz pourra être sous pression en coupelle étanche, la pression augmentant la valeur de la tension disruptive. Le miroir concave, au foyer duquel on place ltéclateur,pourra entre une calotte sphérique, ou un miroir parabolique ou tout système focalisant. Le générateur électronique, donné à titre d'exemple avec étage de puissance à transistor de type V-Mos, pourra évidemment être à transistor bi-polaire ou ore à thyristors, le circuit d'excitation étant modifié selon les techniques adaptées. L'étage de puissance peut comporter des transistors ou thyristors en série, ou en parallèle, ou enpushpullou en montage en pont à 4 branches. L'oscillateur-pilote, décrit en générateur de signaux rectangulaires à titre d'exemple, peut entre un oscillateur à signaux de toute autre forme: dents de scie, ou sinusordes, par exemple; l'oscillateur peut être à relaxation ou du type Lu . le rendement est le meilleur en sismaux rectangulaires, l'étage final fonctionnant en régime de commutation. REVENDICATION 5 I, Le principe de l'invention consiste à charger des condensateurs à hautetension par un générateur électronique et à les décharger successivement dans des éclateurs -répartis le long d'une canalisation de liquide Lait en particulier), chaque éclateur étant placé au foyer d'un miroir concave fixé sur la canalisation et engendrant des étincelles séquelles génératrices d'ultra- sons 2.Un procédé de réalisation de générateur électronique assurant ces déclenchements séquentiels consiste à appliquer des signaux rectangulaires à la grille d'un transistor de puissance de type V-Mos et à disposer sur le circuitdrain le primaire d'un transformateur à grand rapport élévateur, dont les secondaires haute-tension assurent la charge des condensateurs à travers les diodes redresseuses; le sens de couplage primairelsecondaires étant tel que , pendant la phase-conduction du transistor de puissance, les diodes soient bloquées, le primaire devenant une inductance pure, et que, pendant la phase-blocage du trsistor, les condensateurs se chargent à travers les diodes; la génération séqueatielle des étincelles étant obtent par différenciation des circuits secondaires selon le nombre de spires ou la valeur des capacités associées, assurant ainsi le déphasage des étincelles 3.Un circuit auxiliaire de sécurité du générateur électronique selolJra revendication 2, consistant à bloquer l'étage de puissance pendant la durée des étincelles successives qui constituent autant de court-circuits secondaires,caractérisé en ce qu'onenroule T ou plusieurs spires de fil autour de la gabe iso lante du cabale THT de chaque éclateur, que l'on fait la sommation des tensions induites par les décharges des condensateurs dans les éclateurs,leur détection, et que l'on applique la tension détectée à un transistor " chopper " qui courtcuite l'excitation de l'étage de puissance et le bloque asi pendant la durée de l'étincelle 4.Mode de réalisation des éclateurs par insertion au foyer d'une coupelle en miroir concave emplie d'une huile diélectrique en circulation dans les coupelles. 5. Mode de réalisation des éclateurs par insertion au foyer d'une coupelle en miroir concave en atmosphère gazeuse, par exemple azote sous pression. 6.Variante du générateur électronique excité en signaux non rectulaires, tels que dents de scie, sinusordes 7.Variante du générateur électrSPique dont l'étage final peut entre constitué de toute association de transistors ou thyristors, tel)eque push-pull ou montages en série ou en parallèle.