Brevet FR2659251A1 — publié le 19910913

* X 1 La présente invention concerne un dispositif de génération d'aérosols par la méthode des disques tournants et les dispositifs les mettant en oeuvre. De tels dispositifs sont notamment applicables à la recherche, domaine dans lequel le critère de monodispersion est important Les générateurs d'aérosols sont utilisés dans les études de porosité, dans le domaine médical, dans le domaine pharmaceutique Ils servent aussi à l'étalonnage d'appareils optiques et à la simulation d'un milieu diphasique pour la mesure. On connait déjà des dispositifs de génération d'aérosols. Il est connu que, si l'on envoie un filet liquide perpendiculairement à un disque en rotation et en son centre, ce liquide s'étale sur le disque sous l'action de la force centrifuge, puis se résoud en gouttelettes par un phénomène de capillarité. La mécanique n'étant jamais parfaite, il existe une instabilité mal contrôlée et les gouttelettes formées ont des tailles différentes De plus, la fragmentation s'accompagne généralement de satellites, particules fluides de tailles beaucoup plus petites que les gouttelettes principales. Dans les dispositifs à disques tournants, la zone de formation des jets, qui est utilisée dans la mise en oeuvre de la présente invention, en dehors de la zone de formation individuelle de gouttelettes ou de films, est atteinte pour des valeurs de la tension superficielle, du débit, du rayon du disque, de la masse volumique, de la viscosité, et de la vitesse de rotation donnnées dans les formules de LETEURTROIS. Les forces de tension superficielle obtenues sont alors faibles par rapport aux forces centrifuges Il se forme des filaments ou jets en distribution régulière autour du disque Leur diamètre diminue au fur et à mesure que l'on s'écarte du centre du disque. -2- A,, ' 2659251 Toutefois, la longueur des jets n'est pas stationnaire mais aléatoire De même, la taille des gouttelettes principales et des satellites est hétérogène L'aérosol primaire recueilli (gouttelettes principales) n'est donc pas monodispersé. En conclusion sur cet état de la technique, on peut dire que dans le contexte des générateurs d'aérosols monodispersés à particules supermicroniques ( 20 à 200 pm), les générateurs à disques présentent l'avantage de pulvériser plus de liquide que les générateurs d'aérosols du type à orifices vibrants mais avec une bien moins bonne qualité de dispersion de l'aérosol primaire de même, bien que l'hydraulique des disques ou coupes tournants semble connue, il n'existe pas à l'heure actuelle de technologie permettant de réaliser des aérosols primaires monodispersés exempts d'aérosols secondaires. Dans le cas de la présente invention, les qualités que l'on est en droit d'attendre d'un tel dispositif sont: une bonne calibration des gouttelettes. Une production en grande quantité. Un débit important (tout au moins supérieur ou égal aux appareils existants sur le marché). Souplesse d'utilisation (modification de la taille des particules ou de la forme du spectre granulométrique par simple modification d'un paramètre expérimental). Petite dimension (encombrement minimal) car dans certains cas, on le plonge dans un milieu perturbé ou dans un écoulement. Le but de la présente invention est de remédier aux inconvénients cidessus énumérés en proposant un dispositif de génération d'aérosols à grand débit et faible dispersion. -3- La présente invention a donc pour objet un dispositif de génération d'aérosols monodispersés constitué par un disque plan, coupelle ou objet à symétrie de révolution axiale interchangeable mis en rotation à grande vitesse, et un tube d'alimentation ou un réservoir muni à sa base d'un orifice, du liquide à disperser perpendiculaire au disque, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour la perturbation du liquide à disperser. Ainsi on crée une perturbation destinée à controler l'instabilité et à obtenir des gouttelettes de tailles contrôlées (mono, bi ou polydispersées) La perturbation peut être obtenue, soit par une ou plusieurs singularités à symétrie cylindrique centrée sur le disque (surépaisseur, nervure, marche), soit par une vibration externe appliquée au disque ou tube d'alimentation, ou enfin en excitant directement la surface liquide. D'autres avantages de la présente invention apparaissent à la description suivante de modes de réalisation à caractère non limitatif, en référence aux figures parmi lesquelles: La figure 1 montre le schéma général de l'installation. La figure 2 montre des variantes de réalisations de singularités sur la surface du disque. La figure 3 montre des courbes granulométriques cumulées en volume. La figure 4 montre la concentration des particules dans une même classe granulométrique. La figure 5 montre la zone de formation de jets sans vibrations. La figure 6 montre la zone de formation des gouttes. La figure 7 montre la zone de formation de films. -4- Le générateur d'aérosol est principalement constitué d'un disque 1, coupelle ou objet à symétrie axiale de révolution, tournant à grande vitesse grâce à un moteur électrique ou une turbine à air 2 Le disque tournant 1, de diamètre interchangeable a une surface lisse. Cette surface peut présenter une ou plusieurs singularités 2 a, 2 b, 2 c, 2 d l'extrémité du disque formant alors un angle aigu. Un tube d'alimentation 4 de faible section par rapport au diamètre du disque 1 ou un réservoir muni à sa base d'un orifice, perpendiculaire à ce dernier, et dont l'extrémité est proche de la surface du disque projette le liquide à disperser La distance au centre du disque est de préférence inférieure au diamètre du tube ou de l'orifice du réservoir L'autre extrémité est reliée à un réservoir de liquide en charge 5 Un générateur de vibration de fréquence et d'amplitude réglable 6 est lié au tube d'alimentation, ou au réservoir muni à sa base d'un orifice, ou au disque tournant, et induit des vibrations perpendiculaires au film liquide. On injecte perpendiculairement à la surface du disque un liquide au centre du disque en rotation rapide ( 1 000 à 120 000 trs/min) à partir d'un réservoir à niveau constant et d'un tube capillaire terminé par une aiguille placée au dessus du disque ou à partir d'un réservoir muni à sa base d'un orifice Selon l'invention, on met en vibration soit le tube, soit le réservoir, soit le liquide dans le réservoir, soit le disque ou son support On peut aussi exciter la surface liquide par vibration ou singularité, ou bien enfin utiliser une combinaison de ces différentes excitations. Afin de valider le procédé, on mesure la grosseur des gouttes à l'aide d'un granulomètre 7 et l'on visualise la formation de ces gouttelettes à l'aide d'une caméra 8. Pour déterminer l'ordre de grandeur de la fréquence de vibration à appliquer au dispositif, on utilise la formule de RAYLEIGH (Approximation au premier ordre). V = PI ( 2)z D F Avec V = vitesse normale à la périphérie du disque D = Diamètre du jet non perturbé F = Fréquence de vibration On obtient à titre indicatif, pour un débit de 0 2 cm 3/s une fréquence de 10 000 Hz, un diamètre de jet de pm, et un diamètre de disque de 0 5 cm. Dans un mode de réalisation particulier o l'on obtient des gouttes de gros diamètre, le vibreur retenu est un vibreur électromagnétique fonctionnant dans la gamme de fréquence 10-12 000 Hz Il est associé à une chaîne électrique classique comprenant un générateur de signal, un amplificateur, un vibreur On contrôle alors les paramètres électriques de tension, fréquence et intensité dans le vibreur L'amplitude du déplacement du vibreur peut aussi être contrôlée grâce à un capteur de déplacement Le tube est placé pour des raisons de symétrie, perpendiculairement au disque et en son centre. La fréquence d'excitation retenue est telle que celle-ci soit égale à la fréquence naturelle de fragmentation du liquide à disperser, ou égale à un de ses sous-multiples. Les résultats concernent uniquement la zone de formation des jets Ils ont été obtenus avec un disque en acier inoxydable de diamètre 15 mm et de l'eau distillée. On obtient ainsi des gouttes de diamètre important plus faciles à observer et à visualiser Dans ce cas précis, pour une fluctuation de 1 % de la vitesse et de 0 5 % du débit, on obtient une fluctuation faible de 1 5 % du diamètre des gouttes mesurées. En ce qui concerne l'évolution du rayon volumique des gouttelettes, celuici est fonction inverse de la vitesse de rotation du disque. -6- Pour d'autres variantes, notamment en ce qui concerne le diamètre du disque, on obtient des résultats similaires au niveau de la dispersion A noter que pour un disque de 0 25 cm de rayon, les gouttelettes obtenues sont de l'ordre de 50 lim Pour un disque de 1,5 cm de diamètre, on obtient des gouttelettes pouvant varier selon la vitesse et la fréquence de vibration de 150 à 300 pm avec une dispersion faible pour une vitesse et une fréquence donnée. De façon plus générale, plus le diamètre du disque est petit, plus le diamètre des gouttelettes diminue et plus le débit est faible, à caractéristique de fluide donné et dans la zone de formation des jets De même, plus on désire obtenir des gouttelettes de petit diamètre, plus il faut augmenter la vitesse de vibration. Dans le cas extrême, pour une valeur de la fréquence élevée, on peut obtenir des gouttelettes dont le diamètre volumique retrouve sa valeur obtenue sans vibration, mais exemptes d'aérosols secondaires. Tous ces résultats ont pu être mesurés comme suit: La granulométrie est mesurée à l'aide d'un appareil 7, par exemple connu sous la dénomination commerciale MALVERN série 2600 C Il est positionné comme l'indique la figure 1 verticalement de telle manière qu'un faisceau laser 9 soit perpendiculaire au plan formé par les gouttes lorsqu'elles quittent le bord du disque. Il est ainsi possible de déterminer la répartition spaciale de la taille des gouttellettes en fonction de la distance au centre du disque et l'angle de mesure On obtient alors des courbes granulométriques cumulées en volume (figure 3: Granulométrie en fonction du % de gouttes présentes dans une même classe) mettant en évidence l'effet profitable des vibrations sur la dispersion. -7- * t*' 2659251 On peut obtenir en théorie une monodispersion sans vibration Toutefois, lorsque il n'y a pas de vibration, la fragmentation a lieu à une distance variable du diamètre du disque En appliquant une vibration déterminée, on assiste à une amélioration très nette de la monodispersion On observe alors une fragmentation à une distance constante du disque, isotrope, stable dans le temps et l'espace. Toutes les particules émises restent alors concentrées dans une même classe granulométrique ou sont statistiquement monodispersées comme le montre la figure 4 On note la différence avec la zone de formation de jets sans vibrations (Figure 5),la zone de formation des gouttes (Figure 6) et la zone de formation de films (Figure 7). 8- REVENDICATIONS 1 Dispositif de génération d'aérosols monodispersés constitué par un disque plan 1, coupelle ou objet à symétrie de révolution axiale interchangeable mis en rotation à grande vitesse, et un tube d'alimentation 4 du liquide à disperser ou un réservoir de liquide muni à sa base d'un orifice perpendiculaire au disque, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour la perturbation du liquide à disperser. 2 Dispositif de génération d'aérosols monodispersés selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens sont constitués par une ou plusieurs surépaisseurs à symétrie cylindrique pratiquée sur le disque 3 Dispositif de génération d'aérosols monodispersés selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens sont constitués par un ou plusieurs canaux à symétrie cylindrique pratiqués sur la surface du disque 4 Dispositif de génération -d'aérosols monodispersés selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens sont constitués par une ou plusieurs marches (surélévation de la partie centrale du disque) à symétrie cylindrique pratiqués sur la surface du disque Dispositif de génération d'aérosols monodispersés selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens sont constitués par une ou plusieurs marches (surélévation de la partie externe du disque) à symétrie cylindrique 6 Dispositif de génération d'aérosols monodispersés selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le tube d'alimentation 4 est soumis à un mouvement vibratoire longitudinal. -9- * 2659251 7 Dispositif de génération d'aérosols monodispersés selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le réservoir muni à sa base d'un orifice est soumis à un mouvement vibratoire longitudinal. 8 Dispositif de génération d'aérosols monodispersés selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le liquide contenu dans le réservoir muni à sa base d'un orifice est soumis à un mouvement vibratoire longitudinal. 9 Dispositif de génération d'aérosols monodispersés selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la surface liquide est excitée par une vibration. 10 Dispositif de génération d'aérosols monodispersés selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le tube et la surface du disque sont animés d'un mouvement vibratoire. 11 Dispositif de génération d'aérosols monodispersés selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le disque ou son support est soumis à un mouvement vibratoire longitudinal.