Brevet FR2587628A1 — publié le 19870327

La présente invention se rapporte à un procédé pour la production d'une suspension de particules de brouil- lard ultrafines ou de micro-gouttelettes d'eau dans l'air, contenant en suspension plus de 70 000, de préférence plus de 175 000 et,encore mieux, plus de 350 000 particules de brouillard ou microgouttelettes finement pulvérisées par dm3 d'air; elle vise également un procédé pour le netto- yage ou la purification de l'intérieur d'un local, au moyen d'une telle suspension de particules d'eau ultrafines. De l'air propre, exempt de poussières et de micro- bes, est nécessaire dans les hôpitaux, les installations pharmaceutiques, les usines de produits alimentaires, les locaux de stockage d'aliments réfrigérés, les laboratoires, les salles d'expérience et autres. Dans ce but, il est usuel d'introduire dans le local de l'air propre, à travers un filtre à air, ou de prévoir un rideau d'air à l'entrée du local. On rencontre cependant des difficultés pour obtenir de l'air propre de qualité satisfaisante par ces disposi- tions, même en combinaison avec un local àdouche d'air. On considère donc actuellement qu'il est presque impossible de fournir de l'air ou un gaz ultrapropre, de façon industrielle, dans les usines de fabrication de com- posants intégrés à grande échelle ou très grande échelle, les usines biopharmaceutiques, les salles d'opérations chirurgicales, les installations de rinçage de pièces de précision, les usines de fabrication de produits alimentai- res stérilisés, les locaux de stockage réfrigérés et ana- logues qui nécessitent un contrôle sévère pour empêcher l'intrusion non seulement de bactéries et de virus mais également de particules de poussière d'une dimension infé- rieure à 0,5 gm. Dans ces conditions, la présente invention vise à répondre à la grande demande pour un procédé d'obtention d'un degré élevé de propreté dans les locaux de stockage réfrigérés, les salles d'opérations, les installations de fabrication ou analogues, dans divers domaines industriels. A la suite d'une étude poussée du phénomène de nettoyage d'air par adsorption au moyen de particules d'hu- midité en suspension dans l'air, on a trouvé que, en plus des fines particules de poussière dans l'air, on peut éli- miner même des bactéries, des moisissures, des spores et des virus par adsorption sur des particules d'humidité, au moyen d'air contenant des particules d'humidité plus fine- ment pulvérisées ou des microgouttelettes sensiblement in- férieures à 0,5 gm à raison de plus de 70 000 particules, de préférence plus de 175 000 particules et, encore mieux, plus de 350 000 particules par dm3. De façon inattendue, on a trouvé également qu'une atmosphère gazeuse contenant en suspension de telles microgouttelettes finalement pulvéri- sées peut exercer l'effet de nettoyage sans mouillage d'un objet ou d'un article dans l'atmosphère, malgré la présence des particules d'humidité, à condition qu'elles soient sous la forme de microgouttelettes ultrafines. Une autre étude a montré qu'on peut effectuer un nettoyage très poussé d'un gaz ordinaire, à l'état ultrapropre, par passage du gaz à travers une atmosphère gazeuse contenant en suspension des particules de brouillard ultrafines ou des microgouttelettes cequi permet d'envoyer ce gaz ultrapropre directement à un local, un espace particulier ou tout autre endroit néces- sitant une alimentation en gaz ultrapropre. Conformément à la présente invention, on obtient un procédé de production d'air contenant en suspension des particules d'eau ultrafines ou des microgouttelettes, qui consiste essentiellement à: injecter dans une chambre de pulvérisation de l'eau sous une pression de 0,3.105 à ,5.105 Pa, et de préférence sous une pression de 0,5.105 à 2,5.105 Pa, à partir d'un tube d'injection d'eau compor- tant un grand nombre de buses d'un diamètre de 0,2 à 8 mm et de préférence d'un diamètre de 0,5 à 3 mm; projeter violemment l'eau injectée contre une paroi située à une dis- tance de 10 à 150 cm des buses, pour produire des particules de brouillard ultrafines ou des microgouttelettes; et faire passer de l'air à travers la chambre de pulvérisation pour entraîner dans l'air plus de 70 000, de préférence plus de 175 000 et, encore mieux, plus de 350 000 microgouttelettes ultrafines par dm3 d'air, les microgouttelettes ayant une di- mension de particule de 0,5 Dm ou moins; on obtient égale- ment un procédé de nettoyage de l'intérieur d'un local, par circulation dans ce local de l'air contenant le brouillard en suspension. L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description de ses modes de réalisation, non limitatifs, représentés sur les dessins annexés, dans lesquels: la figure 1 est une coupe longitudinale schémati- que d'une chambre de pulvérisation conforme à la présente invention; la figure 2 est une coupe transversale schématique d'une partie centrale de la chambre de pulvérisation repré- sentée sur la figure 1; la figure 3 est une coupe schématique d'un cyclone pour l'élimination des particules d'humidité; la figure 4 est une vue semblable à la figure 1 mais illustrant un autre mode de réalisation de la chambre de pulvérisation conforme à l'invention; la figure 5 est une coupe transversale schématique d'une partie supérieure de la chambre de pulvérisation de la figure 4; la figure 6 est une coupe transversale schématique d'une partie intermédiaire de la chambre de pulvérisation de la figure 4; la figure 7 est une vue schématique d'un système de nettoyage appliqué à une usine de fabrication de semi- conducteurs; la figure 8 est une coupe schématique d'un échan- geur de chaleur à raccorder après la chambre de pulvérisa- tion; et la figure 9 est une coupe transversale schémati- que d'une partie supérieure de l'échangeur de chaleur. Conformément à la présente invention, la chambre de pulvérisation est pourvue d'un tube d'injection d'eau qui porte, par exemple, 30 à 1500 buses d'un diamètre de 0,2 à 8 mm, et de préférence d'un diamètre de 0,5 à 3 mm. L'eau est amenée au tube d'injection sous forte pression et elle est injectée par les buses sous une pression de 0,3.105 à 5,5.105 Pa et de préférence sous une pression de 0,5.105 à 2,5.105 Pa (pression effective), de manière à éjecter de l'eau à chaque buse à un débit de 1 à 3 litres par mi- nute. L'eau injectée est projetée violemment contre une paroi qui est située à une distance de 10 à 150 cm des buses et elle est pulvérisée en microgouttelettes ultrafines, tandis que de l'air est introduit dans la chambre de pulvé- risation à une vitesse de 15 à 50 m/s et à un débit de 3 à 300 mYmn de manière à entratner, par dm3 d'air, plus de 000, de préférence plus de 175 000 et encore mieux plus de 350 000 microgouttelettes ultrafines d'un diamètre infé- rieur à 0,5 gm. On décrit maintenant le procédé de la présente invention de façon plus spécifique, avec référence aux dessins qui illustrent des exemples de l'appareil approprié pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. On se rapporte d'abord à la figure 1 qui repré- sente une chambre de pulvérisation du type de base nécessai- re pour la mise en oeuvre de la présente invention. La chambre de pulvérisation 1 est pourvue de tubes d'injection d'eau 2 qui sont disposés sur et le long des surfaces des parois intérieures opposées de la chambre et qui comportent chacun une pluralité de buses 3, de préférence en positions décalées par rapport aux buses du tube d'injection opposé. Plus particulièrement, chaque tube d'injection d'eau com- porte 30 à 1500 buses d'un diamètre de 0,2 à 8 mm et de pré- férence de 0,5 à 3 mm, pour injecter l'eau sous une pres- sion de 0,3.105 à 5,5.105 Pa, et de préférence sous une pression de 0,5. 105 à 2,5.105 Pa (pression effective) vers la surface de paroi intérieure opposée qui est située à une distance de 10 à 150 cm des buses. L'eau injectée est projetée violemment contre la surface de paroi intérieure opposée et elle est pulvérisée en microgouttelettes ultrafines, de sorte que la chambre de pulvérisation 1 est remplie de telles particules d'eau ultrafines. D'autre part, on souffle de l'air dans la cham- bre 1, à une vitesse de 15 à 50 m/s et à un débit de 3 à 3000 m3/mn, par un orifice d'entrée d'air 4, de manière à entraîner, par dm3 d'air, plus de 70 000, de préférence plus de 175 000 et, encore mieux, plus de 350 000 micro- gouttelettes ultrafines, avant que l'air quitte la chambre de pulvérisation par un orifice de sortie d'air 5. Afin d'é- liminer les gouttelettes trop grosses qui peuvent également être entrainées, l'air venant de la sortie d'air 5 est en- voyé dans un cyclone 6, par l'entrée tangentielle 7 de ce- lui-ci. L'air sortant du cyclone, qui contient les parti- cules de brouillard ultrafines, circule dans un local ou des locaux qui nécessitent un nettoyage, puis il revient à la chambre de pulvérisation, pour recyclage. Les figures 4 à 9 illustrent un autre mode de réalisation du dispositif de pulvérisation, qui comporte un réglage de température afin de produire plus effica- cement la suspension de microgouttelettes ultrafines ou de particules de brouillard. Dans ce cas, le dispositif de pulvérisation 40 comprend un tube d'évaporation 47 d'un réfrigérateur,dis- posé hélicoidalement sur et le long de la surface intérieure de sa chambre cylindrique de pulvérisation 41. Le tube d'é- vaporation 47 peut être placé en position légèrement ou complètement décalée par rapport aux buses 45 d'injection d'eau. Les buses d'injection 45 sont agencées de sorte que l'eau sortant des buses respectives est projetée perpendi- culairement contre les parties opposées du tube d'évapora- tion 47. Le tube 44 d'injection d'eau porte 30 à 1500 bu- ses d'un diamètre de 0,2 à 8 mm, et de préférence de 0,5 à 3 mm, pour injecter l'eau sous une pression de 0,3.105 à 5,5.105 Pa, et de préférence sous une pression de 0,5.105 à 2,5.105 Pa, et à un débit de I à 3 1/mn à travers chaque buse. Les buses sont situées à une distance de 10 à 150 cm de la surface de paroi opposée. Le dispositif de pulvé- risation comprend un filtre 48, un réservoir d'eau 49 et une pompe 50 en série, à sa partie inférieure conique 51. Ainsi, l'eau froide circule dans la direction de la flèche B, c'est-à-dire successivement dans le tuyau 46 de circula- tion d'eau, le tube d'injection 44, la partie cylindrique 41 de la chambre de pulvérisation, la partie conique 51, le filtre 48, le réservoir d'eau 49 et la pompe 50, dans cet ordre. Un réfrigérant, en particulier un fluide réfri- gérant à haute température (de 1 C à -5 C) circule dans le tube d'évaporation 47, dans la direction de la flèche C. De l'air est introduit dans le dispositif de pulvérisation, par une entrée d'air 42 dans la direction de la flèche A, et il est refroidi tout en se chargeant des microgouttelet- tes pour former l'air chargé d'humidité désiré qui est re- foulé dans une conduite de sortie 43 pour servir à une ap- plication désirée. Lorsqu'on injecte l'eau par les buses du tube d'injection d'eau 44 sous une pression de 0,3.105 à 5,5.10 Pa, et de préférence sous une pression de 0,5.105 à 2,5.105 Pa (pression effective) et qu'elle est projetée violemment contre le tube d'évaporation 47 du réfrigérateur et/ou la paroi latérale de la chambre cylindrique de pul- éi4sat4.... 41-qui -es situle-- une distance de 10 à 150 cm des buses (E), elle est pulvérisée en microgouttelettes ul- trafines et refroidie (les filets d'eau projetés contre le tube d'évaporation 47 étant simultanément refroidis par é- change de chaleur avec le réfrigérant qui circule dans le tube 47). L'air traverse cette atmosphère, à une vitesse de 15 à 50 m/s et à un débit de 3 à 3000 m3/mn, comme in- diqué par la flèche A. Tout en entraînant les particules de brouillard ultrafines, l'air est lui-mème refroidi par échange de chaleur avec les microgouttelettes refroi- dies,pour donner de l'air chargé d'humidité contenant, par dm3, plus de 70 000, de préférence plus de 175 000, et en- core mieux plus de 150 000 microgouttelettes, d'une dimenr sion de particule de 0,5 gm ou moins. Dans ce cas, les gout- telettes ayant une dimension de particule sensiblement supérieure à 0,5 gm sont séparées par l'action de centrifu- gation qui résulte de la circulation de l'air. Si nécessaire, ces gouttelettes peuvent être éliminées au moyen d'un cy- clone. On se reporte à la figure 7 qui illustre schéma- tiquement un système complet effectivement applicable à une installation de fabrication de mémoires vives de 64-kilobits. Comme décrit plus haut, l'air qui entraîne en suspension les particules de brouillard ultrafines, qui sont produites dans le dispositif de pulvérisation 40, est introduit dans le cyclone 50 comme indiqué par la flèche A, pour éliminer les grosses gouttelettes. Plus précisément, l'air sortant du dispositif de pulvérisation 40 est introduit tangentielle- ment dans le cyclone 50 par une entrée prévue dans sa paroi latérale, de manière à éliminer les trop grosses gouttelet- tes, tandis que l'air est mis en rotation dans le cyclone, pour préparer une suspension dans l'air de particules de brouillard ultrafines dont plus de 90% ont une dimension de particule inférieure à 0,5 Nm. L'air contenant le brouil- lard en suspension est évacué par une tuyauterie de sortie au centre du cyclone 50. L'air contenant les microgouttelettes en suspen- sion, venant du cyclone, passe dans un tuyau P comportant un filtre F pour retenir les gouttelettes qui sont sensi- blement supérieures à 0,5 gm, et il est envoyé à un local à douches d'air, puis à un local ultrapropre adjacent , pour le nettoyage des personnes qui travaillent dans ce local. Simultanément, une partie de l'air contenant le brouillard en suspension est directement envoyée au local ultrapropre 70 pour l'alimenter en air propre exempt de poussière et pour laver les substrats de silicium à utiliser pour la production des composants à intégration à grande échelle. L'air utilisé dans le local ultrapropre est évacué par une tuyauterie P et un ventilateur F pour retour au dispositif de pulvérisation 40, et on répète ensuite le cycle de fonctionnement décrit ci-dessus. On a vérifié que, conformément à ce procédé, on peut maintenir l'air du local ultrapropre dans un état de propreté extrême, avec moins de 35 particules de poussière de 0,5 Nm ou plus, dans un volume de 1 m3. En considérant le fait qu'il y a habituellement plusieurs centaines de mille de particules de poussière en suspension dans 1 m3 d'air d'une installa- tion de fabrication ordinaire, on voit que le procédé de la présente invention a un effet excellent. L'air contenant les microgouttelettes en suspen- sion peut traverser un échangeur de chaleur 100, comme re- présenté sur les figures 8 et 9, qui est situé à l'aval du cyclone 50 de manière à élever la température de l'air à une valeur optimale. L'échangeur de chaleur 100 est agencé comme suit. Son enveloppe 101 comporte axialement un tube vertical 105 de sortie d'air qui communique à son extrémité supérieure avec une tuyauterie 105' prévue à l'extérieur de l'enveloppe 101. Par suite, l'air sortant d'un tube 104 d'admission d'air tourne à l'intérieur de l'enveloppe 101, pendant qu'il s'écoule vers le bas, puis il pénètre dans le tube 105 de sortie d'air par son extrémité inférieure et remonte dans la direction des flèches. L'enveloppe 101 com- porte intérieurement un tube extérieur 106 et un tube inté- rieur 107 dont les extrémités inférieures communiquent avec une pompe 108 qui est placée au-dessous de la cuve 101. De l'eau chaude ou froide circule dans ces tubes et elle est évacuée à leurs extrémités de sortie supérieures 109 et 110. Dans une partie supérieure. et une partie inférieure, la cuve 101 comporte un grand nombre de buses 111a et 111b d'injection d'eau montées sur un tube 111 d'eau de lavage, à des positions au-dessus ou au-dessous des rangées verti- cales des spires hélicoïdales des tubes 106 et 107, de manière à projeter l'eau de lavage vers les tubes 106 et 107, les surfaces intérieures de la cuve 101 et les surfaces extérieures du tube 105 de sortie d'air. Un tuyau d'évacua- tion 112' est raccordé à la base d'une partie conique 102, pour l'évacuation de l'eau de lavage et de la purge résul-:. tant du refroidissement du gaz. Par suite, l'air qui entre dans la cuve 101 par l'entrée d'air 104 est débarrassé de la poussière ou des matières analogues,par son effet de cyclone, et il est chauffé ou refroidi à une température op- timale par les tubes 106 et 107. L'air à la température op- timale est évacué par la tuyauterie 105 de sortie d'air. Les poussières ou impuretés séparées sont entraînées par l'eau qui est amenée par le tube 111 d'eau de lavage et injectée par les buses 111a, 111b, etc. L'air qui a été traité de cette manière contient en suspension un grand nombre de microgouttelettes ultra- fines, pour la plupart inférieures à 0,5 mn, de sorte qu'il peut être avantageusement utilisé pour un traitement de balayage d'un local ou pour le nettoyage de divers objets ou articles. Les microgouttelettes ultrafines d'une dimension de particule inférieure à 0,5 Hm, qui sont utilisées dans le procédé de la présente invention, ont une tension de sur- face très faible, de sorte qu'elles adhèrent facilement aux particules de poussière qui flottent dans l'air et elles s'agglomèrent en particules plus grosses de masse nettement accrue qui peuvent être facilement balayées par des jets. En particulier, grâce à l'utilisation de microgouttelettes ultrafines, le procédé de la présente invention permet d'é- liminer non seulement des particules de poussière extrême- ment fines mais également des bactéries et des virus, de sorte qu'il est très efficace pour le nettoyage d'un local, à la fois physiquement et biologiquement. Pour l'élimination des virus, la pratique usuelle consiste à recourir à un fil- tre à air ou analogue, qui est toutefois incapable d'éli- miner suffisamment par filtrage les virus d'une dimension aussi petite que 0,5 à 0,01 gm. En particulier, on risque moins de s'enrhumer dans un local nettoyé par le procédé de la présente invention et l'invention est donc particu- lièrement appropriée à l'application dans des hôpitaux, des pharmacies, des laboratoires, desmaternités et lieux ana- logues. En outre, le procédé de la présente invention, avec un aspect distinctif d'élimination des bactéries, convient également pour l'application à une installation de préparation de produits alimentaires, pour le lavage des produits, ou dans des lieux de production ou de stockage de produits alimentaires, ou dans un supermarché ou analogue pour décongeler de la viande congelée, conserver la salade, les légumes, le poisson frais, la viande fraîche, etc. En particulier, le procédé de l'invention facilite la produc- tion de jambon cru qui a jusqu'à présent été limitée par les risques d'invasion bactérienne ou analogue. Il est entendu que des modifications de détail peuvent être apportées dans la forme et la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, sans sortir du cadre de celle-ci. Revendications 1. Procédé pour la production d'une suspension de microgouttelettes ultrafines d'eau dans l'air, caractérisé en ce qu'il consiste à pulvériser de l'eau en microgoutte- lettes ultrafines par injection de l'eau dans une chambre de pulvérisation (1) sous une pression effective de 0,3.105 à 5,5.105 Pa, et de préférence de 0,5.105 à 2,5.105 Pa, au moyen d'un tube d'injection d'eau (2) comportant un grand nombre de buses (3) d'un diamètre de 0,2 à 8 mm, et de pré- férence de 0,5 à 3 mm, l'eau étant projetée contre une pa- roi latérale située à une distance de 10 à 150 cm desdites buses; et déplacer l'air à travers ladite chambre de pulvé- risation pour entraîner dans l'air, par dm3 d'air, plus de 70 000,de préférence plus de 175 000, et encore mieux plus de 350 000 microgouttelettes ultrafines d'une dimen- sion de particule de 0,5 dm ou moins. 2. Procédé de nettoyage de l'intérieur d'un local, caractérisé en ce qu'il consiste à envoyer dans ce local la suspension de microgouttelettes ultrafines dans l'air, obtenue par le procédé de la revendication 1.