Brevet FR2625451A1 — publié le 19890707

Procédé et appareil générateur d'ultra-sons par éclateurs séquentiels Gaboriaud Paul On sait depuis longtemps qu'une étincelle jaillissant entre les deux pôles d'un éclateur émet un spectre acoustique comportant une très forte proportion d'ultra-sons. Cette source ponctuelle peut donc être disposée au foyer d' un miroir concave ( ou parabolique) et émettre des rayons réfléchis parallèles concentrés en un faisceau cylindrique directif de très forte puissance. Ce procédé connu est appliqué dans les lithotripteurs d'hôpitaux qui pulvérisent en quelques minutes les calculs rénaux sans intervention chirurgicale. Il est applicable partout où l'on demande une très forte concentration d'énergie ultra-sonore à effet directif; en particulier la stérilisation des liquides (dont le lait) en défilé continu, qui implique une très forte intensité acoustique en régime d'impulsions ( ondes de choc)pour la destruction des bactéries. Par contre, ce procédé connu de focalisation, appliqué tel quel, se prête moins bien à l'irradiation ultra-sonore des grandes cuves de traitements tels que: traitements de surfaces, nettoyage, acclération de réactions chimi que s, homogénéisation, extraction. Car dans toutes ces applications industrielles on recherche, non pas la focalisation, mais au contraire la répartition la plus homogène possible du flux ultra-sonore dans la cuve, donc des faisceaux divergents ( coniques) au lieu des faisceaux cylindriques qui supposeraient un nombre trop élevé de sources ponctuelles.D'autre part,la cavitation ultra-sonore n'est pas un phénomène instantané: création de bulles(cavités gazeuses ou cavités de vide)suivie d'implosions sur les surfaces immergées; cette action ne s'arrête donc pas instantanément dès l'arrêt du générateur, mais présente une certaine constante de temps. De ce fait, un émetteur d'ultra-sons fonctionnant en régime d'impulsions selon un rapport cyclique déterminé est pratiquement tout aussi efficace, au point de vue cavitation, qu'un émetteur d'ondes entretenues, tout en consommant une énergie moyenne beaucoup plus faible. Ceci est largement confirmé par l'expérimentation. Mais il faut, de toutes façons, répartir un certain nombre de cellules émettrices sur le fond de la cuve, même en faisceaux divergents,si l'on veut i rradier de façon homogène un grand volume de liquide. Tenant compte de ces divers facteurs, l'objet de la présente invention consiste à disposer plusieurs éclateurs non-focalisants, à faisceaux coniques, dans un carter étanche immergé dans cuve, et à déclencher ces éclateurs successivement sans temps mort entre eux ( régime séquentiel), un seul fonctionnant à la fois et l'ensemble balayant la totalité du liquide de la cuve. Pour fixer les idées, supposons par exemple 6 éclateurs répartis dans un carter immergé,chaque éclateur fonctionnant pendant 1/6 ème de seconde, la durée du cycle complet étant de I seconde.Le rapport cyclique est de 1/6; la consommation d'éner gie est celle d'un seul éclateur; l'efficacité de la cavitation est pratiquem ent comparable à celle de 6 éclateurs simultanés, avec un rendement 6 fois m eilleur. Le procédé selon l'invention consiste à utiliser plusieurs écla teurs à miroirs réflecteurs ( calottes sphériques ou paraboliques) émettant des faisceaux divergents ( coniques), disposés dans un carter étanche contenant un bain d'huile diélectrique, immergé par exemple sur le fond de la cuve; le fonctionnement séquentiel des éclateurs étant obtenu à partir d'une Horloge de très basse fréquence (TBF en abrégé) par diviseur de fréquence et décodeur d'impulsions, chaque éclateur étant alimenté par un étage de puissance (PA en abrégé) séparé excité sur sa grille ou sa base) par des signaux rectangulaires (par exemple) de Haute- fréquence (en abrégé HF); le courant de drain ( ou de collecteur) transmettant son énergie par un transformateur haute-tension ( en abrégé THT ) à grand rapport élévateur,au circuit de charge (avec diode redresseuse) du condensateur THT, dont la charge s'effectue par paliers ou " marches d'escalier"qui, atteignant la tension disruptive de l'éclateur, déclenchent l'étincelle.L'ensemble de ces opérations sera mieux expliqué en se référant aux 4 figures annexées, à titre d'exemples non limitatifs, dans le cas de 6 éclateurs séquentiels. L a figure I représente d'une part les signaux de commande TBF issus du décodeur et appliqués séquentiellement aux déclenchements successifs des 6 étages PA (division de fréquence de l'Horloge par 6); d'autre par;, en correspondance avec les créneaux TBF, les signaux HF répartis sur chaque PA par le décodeur TBF, constituant une modulation de signaux H F en interruptionsrparsignaux TBF. La figure 2 représente un décodeur à entrée TBF, à 6 sorties décodées appliquées chacune à une entrée d'une porte ET dont la deuxième entrée reçoit le signal HF en liaison commune aux 6 portes à partir d'un même oscillateur HF.La figure 3 représente un décodeur à entrée TBF à 6 sorties décodées appliquées chacune à l'électrode de commande d'un oscillateur HF séparé,dutype appelé VCO ( oscillateur commandé par une tension); les sorties des 6 oscillateurs HF étant appliquées respectivement aux grilles de 6 transistors MOS de puissance, alimentant chacun I éclateur. La figure 4 représente un carter étanche im mergeable renfermant 6 coupelles en miroir concave avec éclateur ajusté par rapport au foyer en vue de réaliser un faisceau d'ondes ultra-sonores divergent afin d'irradier le liquide de la cuve de la façon la plus homogène possible, les 6 coupelles étant enfonctionement séquentiel, ali mentées chacune par un PA,un transformateur, une diode redresseuse et un condensateur séparés.Sur la figure I, la diagramme (I) représente la sortie I d'un décodeur TBF, diviseur par 6, dont l'entrée reçoit les impulsions d'Horloge TBF (par exemple de période T = I seconde), et dont les 6 sorties décodées,de période TI = 6 seconde,restent à l'état Haut pendant I période entière ( I seconde) des impulsions d'entrée du diviseur-décodeur. La courbe(la) représente, en correspondance avec les créneaux TBF de la courbe I, les impulsions HF appliquées à l'entrée d'un dès 6 étages de puis sance séquentiels pendant la durée du créneau correspondant. La courbe2 représente la sortie 2 du diviseur-décodeur TBF, et la courbe (2 a), en correspondance avec les créneaux de la courbe2, les impulsions HF appliquées à l'entrée de l'étage de puissance suivant le précédett.La courbe3 représente la sortie 3 du diviseur-décodeur TBF, et la courbe (3 a), en correspondance avec les créneaux de la courbe 3,les impulsions HF appliquées à lten- trée de l'étage de puissance suivant le précédent, et ainsi de suite jusqu'à la courbe 6 qui représente les créneaux de la sortie 6 du diviseur-décodeur, et la courbe ( 6 a )en correspondance avec les créneaux de la courbe 6, les impulsions HF appliquées au sixième étage de puissance du cycle complet. Après ce sixième étage, le cycle se répète périodiquement, l'étage I prenant la suite de l'étage 6. Ainsi les 6 éclateurs, déclenchés chacun par un des 6 étages de puissance séquentiels, fonctionnent en permutation circulaire continue; l'analogie lumineuse étant le classique " chenillard" à -diodes DEL électro-luminescentes. La figure 2 représente, à titre d'exemple, un diviseur-décodeur D à entrée TBF, à 6 sorties décalées I,2,3....6, reliées chacune à l'une des 2 entrées d'une porte ET dont l'autre entrée relit le signal HF commun aux 6 portes; ces 6 entrées HF étant réunies entre elles. On désigne ces 6 portes par 7,8,9....10. les sorties de ces 6 portes attaquent chacune la grille de commande d'un transistor MOS de puissance dont le circuit de drain alimente le primaire d'un transformateur dont le secondaire comporte une diode redresseuse, un condensateur de charge et un éclateur à ses bornes. Les 6 transistors de puissance sont désignés par 11,12,13... '4; les 6 transformateurs par 15,16,17.. .18; les 6 diodes par 19,20,21 22; les 6 condensateurs par 23,24,25... .26; les 6 éclateurs par 27,28,29... 30 La figure 3 représente, à titre d'exemple, un diviseur-décodeur D à entrée TBF,dont les sorties I,2,3....6 assurent chacune le déclenchement d'un oscillateur HF du type VCO ( oscillateur déclenché par une tension); on désigne ces 6 oscillateurs HF par 31,32,33.. 34 Les sorties HF en créneaux rectangulaires de ces 6 oscillateurs sont ... appliquées respectivement aux 6 transistors MOS de puissance 11,12,13.14 couplés aux 6 transformateurs 15,16,17.... 18, dont les secondairWcomportent les diodes 19,20,21,..22 et les condensateurs THT 27,28,29...30. La figure 4 donne un exemple de réalisation d'un carter étanche immergé sur le fond d'une cuve de -traitement par ultra-sons. 34 désigne le carter étanche, renfermant 6 coupelles d'éclateurs en miroirs concaves (éclateurs non représentés), en liaison avec les 6 sorties 27,28,29...30 des figures précédentes. Ce carter est rempli d'un bain d'huile silicone circulant en circuit fermé dans la canalisation extérieure 33 qui comprend une électro pompe 31 et un radiateur de refroidissement 32. Dans chaque coupelle, on assure mécaniquement un positionnement précis de l'éclateur déealé par rapport au foyer du miroir concave de façon à émettre un faisceau divergent d'ondes ultra-sonores, les 6 faisceaux se recoupant le mieux possible pour couvrir la totalité du bain de la cuve. En résumé,le procédé selon l'invention consiste à émettre des ondes ultrasonores de grande puissance instantanée en régime d'impulsions de courte durée, par des éclateurs émettant des étincelles séquentielles dans des coupelles taillées en miroirs concaves, avec calage de l'éclateur par rapport au foyer du miroir assurant une propagation en faisceaux divergents se rejoignant au mieux dans le bain; le fonctionnement des éclateurs en régime séquentiel étant obtenu par un générateur électronique comportant un diviseur-décodeur à entrée TBF et à sorties décalées attaquant chacune un étage de puissance qui alimente, par transformateur, diode et condensateur, un éclateur sur chaque coupelle. L es applications principales comportent tous les traitements habituels en cuves d'ultra-sons : traitements de surfaces, homogénéisations, extractions, accélération de réactions etc...., principalement dans les traitem ents à grande puissance. Plusieurs variantes sont possibles selon l'invention, les exemples décrits ci-dessus tétant nullement limitatifs. Le générateur électronique, décrit à titre d'exemple en transistors de puissance de type MOS, pourra être à transistors bi-polaires ou encore à version thyristors avec quelques modifications évidentes. L'oscillation HF qui excite les grilles (ou les bases) des étages de puissance peut être de forme sinusoïdale, ou en dents de scie ou en signaux rectangulaires. REVENDICATIONS 1. Procédé et appareil de génération d'ultra-sons par éclateurs séquentiels immergés dans une cuve, les pôles de chaque éclateur étant placés à l'intérieur d'un miroirconcave, calés par rapport au foyer en vue de produire un faisceau divergent d'ondes réfléchies de façon à couvrir un grand volume du liquide de la cuve; caractérisé en ce que la séquence des étincelles est obtenue à partir d'un oscillateur-pilote de très basse-fréquence suivi d'un diviseur-décodeur doni ressorties décalées sont appliquées aux étages de puissance successifs qui assurent la charge des condensateurs et leur décharge en étincelles séquentielles .Figure I 2.Procédé de génération d'ultra-sons par éclateurs séquentiels, selon la revendication I, caractérisé en ce que les sorties du diviseur-décodeur sont appliquées chacune à l'une des entrées d'une porte à 2 entrées dont 1' autre entrée est réunie à un oscillateur haute-fréquence commun à toutes ces portes . Figure 2. 3. Procédé de génération d'ultra-sons par éclateurs séquentiels, selon la revendication I, caractérisé en ce que les sorties du diviseur-décodeur sont appliquées chacune au déclenchement d'un oscillateur haute-fréquence séparé, dont les signaux, appliqués aux étages de puissance successifs, engendrent les étincelles séquentielles . Figure 3. 4. Procédé et appareil de génération d'ultra-sons par éclateurs séquentiels, selon les revendications I,2,3, caractérisé en ce que les coupelles en miroir concave, porteuses d'éclateurs, sont assemblées dans un carter étanche empli d'huile, immergé dans la cuve de traitement, avec circulation de l'huile en circuit fermé, avec électro-pompe et radiateur-échangeur de refroidissement. Figure 4.