Brevet FR2658738A1 — publié le 19910830

La présente invention concerne un système de vaporisation de liquide à débit contrôlé, basé sur l'utilisation de vibrations à fréquences ultrasonores et que l'on peut utiliser même pour de très faibles débits de liquide. Cette invention concerne schématiquement trois transformations applicables à un grand nombre d'utilisations, et différentes par les conditions qui les déterminent. En premier lieu, elle s'applique aux systèmes de climatisation. Dans ce cas, la transformation est adiabatique, et l'énergie est prise à l'air ambiant. En particulier, pour un système de réfrigération d'air, le principe physique qui est le fondement de l'invention est celui de la transmission de chaleur par transfert de masse1 comme c'est le cas en particulier et pour ce qui nous concerne pour les humidifications adiabatiques. II n'y a pas de chaleur fournie au système air/eau par le milieu environnant au cours d'une telle transformation adiabatique: on amène de l'eau à une température constante dans une quantité d'air bien définie, ce qui a pour résultat de la vaporiser totalement et d'abaisser la température de l'air. Pour une quantité d'air déterminée, on peut faire varier sa température en modifiant la quantité d'eau vaporisée, la variation de température étant une conséquence directe de la variation d'humidité dans l'air. Bien entendu, ce raisonnement suppose que l'air soit non saturé, c'est à dire que l'humidité relative soit inférieure à 100 %. En second lieu, I'invention peut être utilisée dans des systèmes à tendance isotherme employés par exemple pour le traitement des odeurs. L'énergie est également prise à l'air, mais la transformation n'est pas adiabatique dans ce cas. Enfin, cette invention peut être employée pour brûler en phase gazeuse des hydrocarbures qui, à la température ambiante, sont normalement liquides, comme par exemple le fioul domestique. Dans ce cas, L'énergie nécessaire est prise à une source de chaleur extérieure destinée à vaporiser lesdits hydrocarbures, cette source ayant une température supérieure à la température ambiante. L'hydrocarbure est par conséquent réchauffé avant la pulvérisation à une température au moins égale à son point édair. Au moment de la pulvérisation, il dégagera les produits les plus légers qu'il contient, qui seront ensuite enflammés. Ceci constituera par la suite la source de chaleur nécessaire à la vaporisation complète de l'hydrocarbure. Avec les techniques connues à ce jour, la maîtrise de la quantité de liquide évaporée n'est pas réalisée. Pour les systèmes de climatisation, cela se traduit par l'impossibilité de contrôler efficacement l'humidification et par conséquent le refroidissement. Cela tient pour une large part au fait que, pour que le transfert de masse se réalise, il est important que la surface d'évaporation (surface de l'interface air/eau) soit la plus grande possible. A cet effet, on recycle une quantité d'eau importante sur un média, mais on ne peut alors pas contrôler la quantité d'eau évaporée. Les techniques actuelles sont notamment basées sur des dispositifs à ruissellement, qui nécessitent par conséquent un plan d'eau et un recyclage du liquide parce que le rendement n'est pas optimal. Outre la difficulté de contrôle évoquée, ces systèmes présentent l'inconvénient d'une certaine lourdeur et ne peuvent pas être installés partout, du fait de la récupération des eaux de ruissellement et des contraintes que cela impose du point de vue technique. Pour les deux autres types de systèmes, les inconvénients sont également multiples. La maîtrise des systèmes de traitement des ordeurs peut souffrir d'un contrôle approximatif des changements de température, et il n'est pas nécessaire de souligner les conséquences fâcheuses du mauvais contrôle du débit dans un brûleur basé sur le principe évoqué ci-dessus. Pour pallier cet inconvénient, une solution consiste à fractionner le liquide, de telle sorte que sa surface de contact avec l'air soit maximale, et cela se réalise en particulier par pulvérisation. Habituellement, on utilise deux techniques de pulvérisation, qui sont soit purement mécanique, soit basée sur l'utilisation d'un fluide auxiliaire gazeux. La pulvérisation avec gicleur mécanique est obtenue avec un système giratoire qui produit un éclatement en gouttelettes, moyennant une énergie cinétique suffisante. Le problème de ce genre de dispositifs est qu'on n'aboutit pas à une maîtrise suffisante du débit de liquide: au surplus, c'est une technique inapplicable avec des faibles débits, par exemple, et qui pose des problèmes lorsqu'on veut faire varier avec précision ledit débit. II est aussi possible de pulvériser l'eau par le biais d'un fluide moteur, par exemple l'air, et de doser ainsi l'eau que l'on veut. Mais cela nécessite l'emploi d'un compresseur de telle sorte qu'on puisse disposer de l'air comprimé nécessaire à véhiculer le liquide et à le pulvériser. En tout état de cause, ces deux moyens ne permettent pas d'obtenir des gouttes de diamètre inférieur à 40 microns. Or il est évident que plus les gouttelettes obtenues sont petites, plus grande est la surface d'évaporation offerte. Ainsi, à chaque fois que l'on divise par deux le diamètre des gouttes (supposées sphériques en première approximation), on augmente la surface d'évaporation d'un coefficient multiplicateur égal à deux. Au surplus, on augmente la tension de vapeur sur leurs surfaces du fait de la variation du rayon de courbure, selon la relation formulée par Kelvin. II se produit un déséquilibre croissant, car si un peu de liquide se vaporise, le diamètre de la goutte diminue, la tension de vapeur augmente corrélativement et dépasse la pression ambiante, de sorte que la goutte, devenue instable, continue à se vaporiser, à l'aide de la chaleur latente de vaporisation prise à l'air, jusqu'à passage complet en phase gazeuse. Le système selon l'invention permet une évaporation à débit contrôlé ayant un excellent rendement, grâce à l'utilisation d'un résonateur à ultrason permettant d'obtenir des gouttelettes très fines. Cette fréquence ultrasonore est obtenue par un dispositif électronique approprié, qui transmet les signaux à une céramique piézoélectrique solidarisée à une pièce mécanique qui amplifie les vibrations. Par cette technique, on peut obtenir des gouttelettes dont le diamètre n'excède pas 10 à 15 microns. Par rapport aux résultats escomptés avec les techniques mentionnées auparavant, on peut donc aboutir à un gain de surface air/eau égal à 4. L'efficacité de ce type de matériel est par conséquent maximale. L'invention ne concerne pas l'utilisation des ultrasons pour pulvériser un liquide, mais un système de vaporisation à débit contrôlé basé sur ces vibrations ultrasonores et qui permet d'utiliser de très faibles débits d'eau ou d'autres liquides. Le problème des faibles débits constitue un obstacle supplémentaire, car la pièce qui projette le liquide pulvérisé doit être alimentée continûment par le liquide, mais selon des débits qui peuvent correspondre à des poids de liquides inférieurs à 100 grammes par heure. De la sorte, on peut utiliser le système selon l'invention sans qu'il soit nécessaire de disposer d'une alimentation continue en liquide : un petit réservoir est suffisant, et le système peut être autonome pour une période d'utilisation correcte. A cet effet, le système selon l'invention se compose: -d'un pulvérisateur ultrasonore équipé d'une pièce mécanique projetant le liquide pulvérisé par amplification des vibrations d'une céramique piézoélectrique qui y est fixée, - d'une pompe doseuse ou autre système de dosage capable de doser de très petites quantités de liquide, placée en série et en amont du pulvérisateur, - d'un dispositif électronique générant le signal électrique aux fréquences ultrasonores, connecté à la céramique du piézoélectrique pulvérisateur ultrasonore, Additionnellement, la carte électronique peut également servir à asservir ou réguler le débit de la pompe doseuse qui fonctionne avec un petit moteur électrique. Préférentiellement, la fréquence émise correspond à la fréquence de résonance de la pièce mécanique, la vibration amplifiée étant alors maximale. Selon une réalisation possible, le pulvérisateur se compose d'un cône dont le sommet s'élargit en un disque au centre duquel débouche la buse d'arrivée du liquide, et à la base duquel est fixé un disque céramique piézoélectrique du même diamètre que la base. La pompe doseuse, actionnée par un moteur électrique, comporte une pièce rotative intégrée dans une pièce tubulaire de même axe, et le liquide à doser circule dans des tuyauteries perpendiculaires. La pièce rotative est usinée de telle sorte que sa forme particulière permette le passage d'une certaine quantité d'eau par rotation. Cette configuration préférentielle est destinée à plusieurs applications possibles. En effet, ses multiples avantages permettent d'envisager son intégration à un grand nombre de systèmes répondant à des objectif précis. Ainsi, un tel système peut fonctionner en tant qu'humidificateur direct, ou en tant qu'échangeur dans un ensemble thermodynamique complet. Le cas échéant, certains paramètres doivent pouvoir être modifiés simplement. La première application possible se situe dans le domaine de la climatisation. On dispose avec le système de l'invention d'un humidificateur à haut rendement, fonctionnant par conséquent sans qu'il soit nécessaire de recycler du liquide, comme c'est la cas par exemple pour les climatiseurs fonctionnant avec un ruissellement. Dans notre cas, le pulvérisateur abouti à une vaporisation complète du liquide. En outre, la technologie utilisée entraîne un gain dimensionnel dû au faible encombrement des différents composants du système. II est donc très facile de l'intégrer à une enceinte constituant le corps d'un climatiseur, la vaporisation ayant bien entendu lieu dans la zone de refoulement d'air d'un ventilateur placé à l'entrée dudit corps du climatiseur. Le fonctionnement schématique est le suivant : I'air chaud, aspiré par le ventilateur, est envoyé dans la zone où l'on pulvérise l'eau, zone dans laquelle s'effectue le transfert de masse (humidification et refroidissement). A l'autre extrémité, I'air qui s'échappe est réfrigéré et humidifié. En outre, toute l'eau pulvérisée est entièrement évaporée. Les avantages de ce type d'installation sont les suivants: - la température de refroidissement peut être ajustée, soit par réglage du débit de liquide, soit par variation du flux d'air. - Maintien de la température de sortie, par un système de régulation automatique ou manuel. - Facilité d'entretien, car il n'y a plus de réduction du débit d'air par bouchage du média à cause du dépôt de calcaire contenu dans l'eau évaporé, à cause du dépôt de poussières contenues dans l'air ; ces inconvénients étant l'apanage de systèmes à ruissellement. Le système selon l'invention ne nécessite à l'inverse aucun filtre. - Miniaturisation assez poussée possible. - Fonctionnement possible dans n'importe quelle position, et installation possible dans des véhicules automobiles, du fait de l'absence de plan d'eau de récupération, nécessaire quant le rendement est faible. - Grande autonomie de fonctionnement, due à la faible consommation en liquide. Du fait du passage en phase vapeur de la totalité du liquide pulvérisé, le système selon la présente invention a également vocation à s'appliquer au traitement des odeurs. En effet, ce genre de traitement se fait toujours en phase gazeuse. L'énergie est prise au milieu, entrainant un refroidissement local, mais on se trouve cependant dans un système globalement isotherme. Dans ce cas, il est possible d'installer l'ensemble pompe doseuse et dispositif de pulvérisation dans des blocs sanitaires de particuliers, des WC publics, des salles de réunions ou pièces classiques d'habitation... La seule contrainte est de remplacer l'eau du climatiseur ci-avant évoqué par du liquide parfumé, le parfum étant bien évidemment adapté au lieu d'implantation et à la fonction correspondante. Selon une fonctionnalité analogue, le système peut être employé pour le traitement des insectes, en pulvérisant des produits adaptés, tels que la citronnelle contre les moustiques... Lorsqu'il est utilisé en combinaison avec un ventilateur, le système de vaporisation à débit contrôlé peut également servir d'humidificateur d'appartement, de dispositif de régulation d'enceintes climatisées comme des serres d'appartement à microclimat spécifique (tropical, froid) ou des vivariums. II est alors asservi à des capteurs de température ou hygrométriques. Une autre utilisation possible pour laquelle le système est bien adapté, est l'emploi comme ensemble de régulation de température et d'humidité pour appareils électriques ou autres qui sont sensibles à des perturbations hygrométriques ou de température. En dernier lieu, comme on l'a déjà évoqué, il est également possible d'employer ce dispositif comme brûleur à débit variable et contrôlé. L'unique figure annexée montre une configuration schématique d'un système de vaporisation à débit contrôlé associé à un ventilateur, tel qu'on peut par exemple l'utiliser en climatiseur classique. L'air chaud (1) pénètre dans le corps du climatiseur (2), aspiré par le ventilateur (5) qui l'envoie dans la zone de projection des gouttelettes (7) en phase de vaporisation. Celles-ci proviennent du dispositif de pulvérisation (6) qui pulvérise l'eau issue de la pompe doseuse (4) alimentée par l'arrivée d'eau (3). Toute l'eau pulvérisée est évaporée, donnant en sortie (8) de l'air refroidi et humide. II est à noter que la vaporisation est plus rapide dans la zone centrale du corps du climatiseur, celle qui entoure l'axe du ventilateur, où règne une dépression. De plus, grâce au dispositif électronique générateur de signaux oscillants (non représenté), la pulvérisation est indépendante du débit, elle dépend en fait de la fréquence et en particulier du calage sur la fréquence de résonance, qui se situe dans le domaine des ultrasons, entre 80 et 100 kHz. Le réglage est possible de plusieurs manières, autorisant une variation d'humidité relative à la sortie, et par conséquent la variation de température entre l'entrée (1) et la sortie (8). Soit D le débit massique de l'aire et d le débit massique de l'eau. On peut procéder à un réglage à D constant et b variable, correspondant à une pompe doseuse à débit variable telle que mentionnée auparavant. On peut également régler la température en sortie en faisant varier le flux d'air et en laissant d constant. Cela pourra par exemple être obtenu par action sur un volet d'air ou sur la vitesse du ventilateur, que l'on peut prévoir sur la même carte électronique que celle qui comprend le générateur de fréquences. Le débit d'eau constant peut être obtenu par une pompe d'eau à débit fixe ou par un système goutte à goutte. Enfin, on peut procéder à un réglage par débit d'air variable et débit d'eau également variable, ce qui constitue la combinaison des deux cas précédents. La carte électronique correspondante donne alors lieu à un boîtier de commande plus complet, qui gère simultanément les deux réglages. Bien entendu, I'invention n'est pas limitée aux exemples donnés auparavant. Au contraire, elle englobe également les variantes de conception qui procèdent du même esprit. REVENDICATIONS 1. Système de vaporisation de liquide à débit contrôlé, basé sur l'utilisation de vibrations à fréquences ultrasonores, et permettant de vaporiser de très faibles débits de liquide, caractérisé en ce qu'il se compose: - d'un pulvérisateur ultrasonore équipé d'une pièce mécanique projetant le liquide pulvérisé par amplification des vibrations d'une céramique piézoélectrique qui y est fixée, - d'une pompe doseuse ou autre système de dosage capable de doser de très petites quantités de liquide, placées en série et en amont du pulvérisateur, et - d'un dispositif électronique générant le signal électrique aux fréquences ultrasonores adaptées, connecté à la céramique piézoélectrique du pulvérisateur. 2. Système de vaporisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif électronique est calé sur la fréquence de résonance de la pièce mécanique. 3. Système de vaporisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif électronique peut également réguler le débit de la pompe doseuse qui fonctionne à l'aide d'un petit moteur électrique. 4. Système de vaporisation selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pulvérisateur se compose d'un cône dont le sommet s'élargit en un disque au centre duquel débouche la buse d'arrivée du liquide, et à la base duquel est fixé un disque céramique piézoélectrique de même diamètre que ladite base. 5. Application du système de vaporisation à débit contrôlé selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'on le combine avec un ventilateur placé dans une enceinte de climatiseur, le pulvérisateur fonctionnant dans la zone de refoulement d'air dudit ventilateur. 6. Application du système de vaporisation selon la revendication 5, caractérisée en ce que le flux d'air brassé par le ventilateur est réglable. 7. Application du système de vaporisation selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisée en ce que le système de réglage du débit d'air est commandé par le dispositif électronique du système de vaporisation à débit contrôlé. 8. Application du système de vaporisation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le dispositif électronique gère simultanément le débit d'air et le débit de liquide. 9. Application du système de vaporisation selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que le liquide pulvérisé est parfumé. 10. Application du système de vaporisation selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, caractérisée en ce que ledit système est asservi à des capteurs de température ou hygrométriques de façon à réguler la température et l'humidité de locaux, enceintes climatisées, serres ou vivariums ou encore d'appareillages sensibles. 11. Application du système de vaporisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que le liquide pulvérisé est un hydrocarbure. 12. Application du système de vaporisation selon la revendication précédente, caractérisée en ce que l'hydrocarbure peut être réchauffé avant pulvérisation.