Brevet FR2674238A1 — publié le 19920925

OZONISEUR A CONTACT La présente invention concerne un ozoniseur, et plus particulièrement des perfectionnements à un ozoniseur du type à contact, comportant une ou plusieurs électrodes de décharge et une ou plusieurs contre-électrodes pour ozoniser un flux de gaz par contact avec un champ de décharge généré par lesdites électrodes. Les ozoniseurs actuels sont classés grossièrement en deux types principaux, à savoir le type sans contact et le type à contact. Dans le cas d'un ozoniseur sans contact, une électrode de décharge n'a pas de contact avec un élément diélectrique, tandis que dans le cas d'un ozoniseur du type à contact, une électrode de décharge se trouve en contact avec un élément diélectrique. Dans chacun des deux types, un flux de gaz introduit dans une chambre d'ozonisation contenant des électrodes est ionisé par contact avec le champ de décharge généré par les électrodes. Dans une structure typique d'un ozoniseur du type sans contact, une couche servant de contre-électrode est formée, par exemple par dépôt chimique, sur la surface intérieure d'un élément diélectrique tubulaire et cet élément est entouré par une électrode de décharge tubulaire, tout en ménageant entre eux une chambre d'ozonisation de forme allongée et cylindrique. Cette chambre d'ozonisation est pourvue d'une entrée de gaz à l'une de ses extrémités longitudinales et d'une sortie à l'autre extrémité. L'électrode de décharge et la contre-électrode sont raccordées électriquement à un générateur commun à haute tension. Une chambre de refroidissement est disposée autour de l'électrode tubulaire de décharge et comporte une entrée et une sortie pour un fluide de refroidissement tel que de l'eau.En fonctionnement, le générateur à haute tension applique aux électrodes une haute tension pour générer un champ de décharge dans la chambre d'ozonisation, tandis qu'un gaz tel que l'air ou l'oxygène est introduit par l'entrée de la chambre d'ozonisation. Pendant qu'il circule en direction de la sortie, le gaz est ionisé par contact avec le champ de décharge dans la chambre d'ozonisation, puis il quitte cette chambre par la sortie. Afin d'assurer une ozonisation appréciable du gaz dans un tel ozoniseur sans contact, la distance relativement grande entre l'électrode de décharge et la contre-électrode exige d'appliquer une tension extrêmement élevée, pouvant aller au-delà de 10 kV, et donc d'employer un gros générateur de tension. De plus, la capacité relativement grande de l'électrode de décharge a tendance à réduire l'efficacité du système de refroidissement, ce qui rend plus difficile l'élimination de la chaleur générée par le champ de décharge. Ce refroidissement insuffisant réduit naturellement le rendement d'ozonisation. L'ozoniseur du type à contact a été proposé pour tenter de pallier les inconvénients inhérents à l'ozoniseur sans contact. Dans une construction typique de l'ozoniseur usuel à contact, une contre-électrode est déposée sur ou noyée dans une face d'un mince élément diélectrique plan et une ou plusieurs feuilles formant des électrodes de décharge sont déposées sur l'autre face de l'élément diélectrique. Les électrodes sont raccordées électriquement à un générateur commun à haute tension et l'ensemble est enfermé dans un boîtier définissant une chambre d'ozonisation destinée, comme dans le type sans contact, à être traversée par un flux de gaz. Le fonctionnement est en principe le même que celui du type sans contact. La distance réduite entre électrodes dans ce type à contact permet l'utilisation d'une tension relativement basse pour générer le champ de décharge, ainsi que d'un générateur de tension relativement petit, et grâce à cet avantage, le type à contact s'est bien répandu sur le marché. En dépit de cette qualité, l'électrode de décharge du type en feuille est vulnérable et subit facilement des dommages au cours d'une longue période de service. De plus, le contact direct des électrodes de décharge avec l'élément diélectrique ayant une conductibilité thermique relativement faible tend à induire une présence continue de chaleur générée par décharge dans le champ, ce qui empêche d'augmenter le rendement d'ozonisation. Par conséquent, il faut considérer que dans le domaine de l'ozonisation des gaz, il y a une forte demande pour augmenter le rendement d'ozonisation. Dans une tentative de satisfaire à cette demande, on a proposé d'utiliser une tension pulsatoire pour générer le champ de décharge.Mais dans ce cas on a observé que l'ozonisation du gaz n'a lieu que durant la très courte période initiale d'application de la tension pulsatoire et que la suite de l'application de la tension n'aboutit qu'à une production indésirable de chaleur. De plus, quand le gaz utilisé est l'air ou l'oxygène, cette production de chaleur est suceptible d'entraîner la production d'oxydes d'azote nocifs. En outre, la chaleur restant dans le champ de décharge à l'intérieur de la chambre d'ozonisation tend à décomposer les molécules d'ozone produites, ce qui réduit le rendement final de l'ozonisation. En considérant que l'ozonisation s'effectue pendant le début de la période de la tension pulsatoire, on a aussi proposé d'employer une tension pulsatoire à haute fréquence. Cependant, l'expérimentation a confirmé qu'une augmentation de la fréquence a plutôt tendance à réduire le rendement d'ozonisation. On pense que c'est dû au fait que la production de chaleur due à une décharge électrique est suivie d'une décharge subséquente avant d'être évacuée ailleurs, si bien que la chaleur s'accumule dans le champ de décharge et que des molécules d'ozone venant d'être formées sont détruites par la décharge subséquente. En outre, l'utilisation d'une tension pulsatoire pour la décharge s accompagne inévitablement de vibrations de l'appareil, causant souvent la destruction de l'élément diélectrique qui a généralement une faible résistance mécanique. La présente invention a pour but de perfectionner un ozoniseur du type indiqué en préambule, de manière à augmenter son efficacité sans augmenter sa taille. Dans ce but, un ozoniseur selon l'invention comporte essentiellement - un boîtier définissant une chambre d'ozonisation agencée pour être traversée par un flux de gaz, - un élément diélectrique plan disposé dans la chambre d'ozonisation, - un générateur de champ magnétique disposé d'un côté de l'élément diélectrique, - au moins une électrode de décharge faite d'une substance magnétique et disposée sensiblement perpendiculairement à l'élément diélectrique et maintenue sur l'autre côté de cet élément par attraction du générateur de champ magnétique, cette électrode ayant des surfaces dans la chambre d'ozonisation, - une contre-électrode plane fixée à l'élément diélectrique et n'ayant pas de contact direct avec l'électrode de décharge, et - des moyens pour appliquer une haute tension auxdites électrodes. Dans une forme de réalisation particulière, l'électrode de décharge forme une structure en spirale ayant une extrémité centrale à proximité du centre de la chambre d'ozonisation. La chambre d'ozonisation peut comporter une entrée de gaz, disposée à proximité de l'extrémité centrale de la structure en spirale, et une sortie de gaz ozonisé, disposée à proximité d'une extrémité extérieure de la structure en spirale, laquelle définit un canal en spirale pour le flux de gaz dans la chambre d'ozonisation. Dans une autre forme de réalisation, l'ozoniseur comporte plusieurs électrodes de décharge sensiblement rectilignes et disposées parallèlement les unes aux autres de façon à définir plusieurs canaux pour le flux de gaz. Cet ozoniseur peut comporter une entrée pour le flux de gaz, à proximité d'une première extrémité des électrodes de décharge, et une sortie du flux de gaz à proximité de l'autre extrémité des électrodes de décharge. Chacune des électrodes de décharge (4) peut avoir une forme plissée ou ondulée. Dans une autre forme de réalisation, une électrode de décharge a une forme rectiligne présentant des ailes parallèles définissant des canaux pour le flux de gaz. Une entrée pour le flux de gaz peut être disposée à proximité de premières extrémités longitudinales desdites ailes et une sortie de gaz ozonisé peut être disposée à proximité de l'autre extrémite desdites ailes. Chacune desdites ailes peut avoir une forme plissée ou ondulée. Dans une autre forme de réalisation, chacune des électrodes de décharge a une forme rectiligne et comporte un bord supérieur maintenu dans une gorge en zig-zag ménagée dans le boîtier. De préférence, la contre-électrode est intercalée entre l'élément diélectrique et le générateur de champ magnétique. La contre-électrode est en majeure partie noyée dans l'élément diélectrique. Les électrodes de décharge sont faites de préférence d'une substance magnetique résistant à l'oxydation par le gaz ozonisé. Leur épaisseur peut être comprise entre 20 et 300 um. De préférence, le générateur de champ magnétique est un aimant permanent. L'épaisseur de l'élément diélectrique peut avantageusement être égale ou inférieure à 2 mm. L'invention sera mieux comprise à l'aide d'exemples de réalisation, donnés ci-dessous à titre non limitatif et en référence aux dessins, dans lesquels la fig. 1 est une vue en élévation partiellement coupée d'une forme de réalisation d'un ozoniseur selon l'invention, la fig. 2 est une vue de dessous d'une partie de l'ozoniseur de la fig. 1, la fig. 3 est vue en perspective partiellement coupée d'une autre forme de réalisation d'un ozoniseur selon l'invention, la fig. 4 est une vue en coupe transversale d'une forme d'électrode de décharge utilisable dans un ozoniseur selon l'invention, la fig. 5 est une vue en coupe transversale d'une forme d'élément diélectrique et de contre-electrode utilisables dans un ozoniseur selon l'invention, la fig. 6 est une vue en perspective d'une autre forme de l'électrode de décharge, la fig. 7 est une vue en coupe horizontale d'un agencement supportant l'électrode de décharge, la fig. 8 est une vue en élévation d'une autre forme d'électrode de décharge, et la fig. 9 est une vue frontale montrant encore une autre forme d'un ozoniseur selon l'invention. La fig. 1 montre une forme de réalisation d'un ozoniseur selon l'invention, comportant un boîtier 6 qui définit une chambre d'ozonisation 3 à forme cylindrique sur un élément diélectrique plan 1. Un générateur plan 7 de champ magnetique est fixé à la face inférieure de l'élément diélectrique 1, tandis qu'une électrode de décharge 4 est disposée sensiblement verticalement sur la face supérieure de l'élément diélectrique 1, sur lequel elle est appliquée par l'attraction du générateur de champ magnétique 7. De préférence, l'élément diélectrique 1 est formé par une plaque de céramique ou de verre ayant une épaisseur de 2 mm ou moins. Dans cet exemple, il est prévu d'employer une plaque de céramique contenant 90% ou plus d'alumine. Le générateur de champ magnétique 7 est constitué généralement d'un aimant permanent ou d'un électro-aimant. Vu que la face de l'élément diélectrique 1, qui est en contact avec le générateur 7, dégage de la chaleur quand la tension est appliquée, il est préférable, pour avoir un bon refroidissement,-d'utiliser un aimant permanent qui est relativement mince mais qui génère un champ magnétique intense. Dans le cas décrit ici, le générateur 7 est fait d'un aimant permanent au néodyme de plus de 10 T/cm2. Quand un électro-aimant est utilisé pour constituer le générateur 7, sa bobine doit avoir un grand nombre d'enroulements pour générer un champ magnétique intense, mais une telle bobine a pour inconvénient de dégager beaucoup de chaleur et d'avoir un mauvais contact avec l'élément diélectrique 1.Ainsi, l'utilisation d'un électroaimant nécessite des moyens séparés pour refroidir la bobine et l'élément diélectrique 1. L'électrode de décharge 4 est faite d'une substance magne tique résistant à l'oydation produite par l'ozone. En particulier, l'électrode de décharge peut être en acier inoxydable, ou en fer chromé ou nickelé. Dans cet exemple, on utilise un ruban de fer chromé ayant une épaisseur comprise entre 10 et 300 um et une largeur comprise entre 2 et 10 mm. Dans l'exemple représenté aux fig. 1 et 2, l'électrode de décharge 4 a une forme enroulée définissant un canal en spirale 3a pour le flux de gaz. Une telle forme en spirale permet de maintenir l'électrode de décharge 4 facilement debout. De préférence, une gorge en spirale 10 est ménagée dans le plafond de la chambre d'ozonisation 3 pour recevoir le bord supérieur de l'électrode de décharge 4 afin que celle-ci soit mieux maintenue. Le boîtier 5 comporte près de son centre une entrée 11 et, près de sa périphérie, une sortie 12 pour le flux de gaz à faire passer à travers la chambre d'ozonisation 3. Une contre-électrode plane 2 est disposée entre l'élément diélectrique 1 et le générateur de champ magnétique 7, en contact avec la face inférieure de l'élément diélectrique. L'électrode de décharge 4 et la contre-electrode 2 sont raccordées électriquement à une source commune 5 de haute tension. Dans cet exemple, la source 5 délivre une tension pulsatoire de 2 à 10 kV et de 3 à 5 kHz. Dans le cas de la construction illustrée par la fig. 2, on utilise un conducteur 21 pour le raccordement de l'électrode de décharge 4 et un conducteur non représenté pour le raccordement de la contre-électrode 2 à travers un orifice 22. Une unité de refroidissement 8 est disposée au-dessous de l'agencement décrit ci-dessus. Plus spécialement, l'unité de refroidissement 8 comporte un ventilateur 9, fixé aux parois latérales de l'unité 8 grâce à des trous taraudés 23 (fig. 3) et une série d'ailettes de radiateur 8a s'etendant en dessous du générateur de champ magnétique 7. Durant le fonctionnement, on applique une haute tension, de préférence pulsatoire, aux électrodes 2 et 4 au moyen de la source 5 pour générer un champ électrique et l'on introduit le flux de gaz dans la chambre d'ozonisation 3 par l'entrée 11. Durant son parcours dans le canal en spirale 3a délimité par l'électrode de décharge 4, l'oxygène du gaz est ozonisé par le champ électrique, puis le gaz ozonisé quitte la chambre 3 par la sortie 12. Comme l'électrode de décharge 4 est faite d'une matière magnétique, elle est maintenue en contact étroit contre l'élément diélectrique sous-jacent I, grâce à l'attraction créée par le générateur de champ magnetique 7. Du fait de sa construction relativement mince, il est très difficile de tenir l'électrode de décharge 4 dans sa position verticale par des moyens mécaniques. Un maintien mécanique insuffisant laisserait subsister localement des intervalles entre l'électrode 4 et l'élément diélectrique I, si bien que l'on n'aurait pas une décharge uniforme. En outre1 l'électrode de décharge pourrait détériorer l'élément diélectrique I si elle vibre. Au contraire, une force excessive de maintien mécanique détériorerait l'élément diélectrique 1, en particulier en cas de concentration locale de contraintes.De plus, un voilement de l'électrode de décharge 4 permettrait l'apparition d'intervalles localisés entre l'électrode de décharge 4 et l'élément diélectrique 1. Le maintien par attraction magnétique que l'on utilise dans la présente invention assure une force de retenue uniforme et, par conséquent, assure un contact étroit entre ltélectrode de décharge 4 et l'élément diélectrique 1 sans endommager mécaniquement ce dernier. L'électrode de décharge 4 est maintenue sensiblement verticale sur l'élément diélectrique 1, tout près de la contre-électrode 2. Grâce à cette position verticale, la partie supérieure de l'électrode de décharge 4 fonctionne comme une sorte d'ailette de radiateur pour améliorer le refroidissement. On estime que l'utilisation du champ magnétique dans le dispositif de la présente invention facilite la capture de l'oxygène dans le gaz. Il est bien connu que l'oxygène a tendance à être attiré par un champ magnétique intense. La concentration du flux magnetique produit par le générateur 7 est grande à proximité du bord inférieur de l'électrode de décharge 4 et, par conséquent, on peut attendre que l'oxygène contenu dans le gaz soit attiré dans cette zone. En d'autres termes, la concentration en oxygène est maximale au voisinage de l'électrode de décharge 4. Ainsi, quand le gaz utilisé est de l'air, c'est dans cette zone que l'oxygène condensé est ozonisé, ce qui evite la production d'oxyde d'azote. Par l'ozonisation, l'oxygène perd sa nature magnétique et n'est plus attiré par le champ magnetique entourant l'électrode de décharge 4. L'ozone produit de cette manière sort donc du champ magnétique et du champ de décharge immédiatement après l'ozonisation, sans se retransformer en oxygène sous l'influence du champ de décharge. I1 n'y a pas de confirmation expérimentale etablie pour cette explication théorique. Toutefois, l'auteur de la présente invention a conduit une série de tests expérimentaux afin de confirmer le phénomène susmentionné d'augmentation de la capture d'oxygène dans l'appareil selon l'invention. Dans ces essais, on a mesuré les valeurs de tension électrique amorçant la décharge en couronne qui est considérée comme la plus efficace pour produire l'ozonisation. Quand le générateur de champ magnétique 7 est utilisé conformément à la présente invention, la valeur de la tension résultante d'amorçage de la décharge en couronne est d'environ 20% inférieure à celle des cas où l'on n'utilise pas de générateur de champ magnetique.Ainsi, il est confirmé que le champ magnétique fonctionne comme une sorte de déclencheur facilitant la décharge électrique. On considère que cette fonction de déclencheur stabilise la décharge électrique, augmente la densité de décharge et élargit le champ de décharge. Dans une forme de réalisation illustrée par la fig. 3, plusieurs électrodes de décharge 14 sont maintenues verticalement sur l'élément diélectrique 1 et parallèlement les unes aux autres, de façon à définir des canaux rectilignes 3a. Dans ce cas, l'entrée 11 du gaz est située près d'une des extrémités longitudinales des canaux, et la sortie 12 du gaz ozonisé est située près de l'autre extrémité des canaux. A la place de la pluralité d'électrodes de décharge 4 de la fig. 3, on peut aussi utiliser une électrode de décharge 4 telle que représentée à la fig. 4. Cette électrode se compose de plusieurs ailes parallèles 4b, délimitant des canaux d'écoulement 3a, et d'une partie de liaison 4a qui relie les ailes 4b. La partie de liaison 4a peut remplacer le boîtier 6. Dans le cas des réalisations illustrées par les fig. 3 et 4, les électrodes de décharge 4 ou les ailes 4b de l'électrode de décharge peuvent avoir une forme plissée telle que la montre la fig. 6, pour être plus stable. Dans une autre variante, une gorge en zig-zag 10 peut être ménagée dans le boîtier 6 comme le montre la fig. 7, pour recevoir une électrode de décharge rectiligne 4. Dans la réalisation illustrée à la fig. 8, on utilise un élément diélectrique tubulaire cylindrique 1 en combinaison avec deux électrodes de décharge coudées 4 définissant des canaux 3a à profil transversal en secteur. Dans le cas illustré par la fig. 9, un ventilateur 13 définit lui-même une chambre d'ozonisation conçue pour recevoir l'agencement illustré par la fig. 1, à l'exception du ventilateur 9. Le gaz est introduit dans le système par une entrée 14 du ventilateur et sort par une sortie 15 de ce ventilateur. En règle générale dans le fonctionnement d'un ozoniseur, il existe un point critique pour la production de l'ozone dans l'appareil utilisé. En fait, une augmentation de la tension appliquée s'accompagne initialement d'une augmentation correspondante de la production d'ozone. Cependant, au-delà d'une certaine tension, on observe une réduction dans la production subséquente d'ozone. La valeur de cette tension particulière est appelée point critique. Quand le gaz utilisé est de l'air, ce point critique est plus bas qu'avec l'oxygène pur et l'on observe une brusque production d'oxyde d'azote quand la tension appliquée dépasse ce point critique.Dans le cas de l'ozoniseur selon la présente invention, le point critique est plus élevé que dans les ozoniseurs selon l'art antérieur et, par conséquent, l'application d'une tension plus élevée pour obtenir un champ plus intense n'entraîne pas une augmentation intempestive de la production d'oxyde d'azote. On considère que ce mécanisme inhérent à la production d'ozone est en rapport etroit avec le rayonnement thermique provenant des électrodes de décharge, parce que l'on peut observer un mode acceptable de production d'ozone même dans le cas des ozoniseurs de l'art antérieur, à condition d'opérer un refroidissement puissant. Dans le cas de la présente invention, on estime que le contact etroit entre les électrodes de décharge et l'élément diélectrique, ainsi que le montage vertical des électrodes de décharge, facilitent un bon rayonnement de la chaleur. La fonction susmentionnée de déclencheur résultant de l'utilisation du générateur de champ magnétique selon la présente invention permet une bonne décharge électrique même si l'on emploie une faible tension électrique. On n'observe pas de production sensible d'oxyde d'azote avec une telle tension électrique faible. En fait, la concentration d'oxyde d'azote produit avec une tension électrique de 5 kV est au maximun de 0,5 ppm ou moins dans le cas de la présente invention. Avec le même niveau de tension, la concentration est de 40 ppm ou plus dans le cas des ozoniseurs de l'art antérieur. Par conséquent, l'ozoniseur selon la présente invention convient bien pour la stérilisation et la désodorisation domestique. Revendications 1. Ozoniseur comportant - un boîtier (6) définissant une chambre d'ozonisation (3) agencée pour être traversée par un flux de gaz, - un élément diélectrique plan (1) disposé dans la chambre d'ozonisation, - un générateur de champ magnétique (7) disposé d'un côté de l'élément diélectrique, - au moins une électrode de décharge (4) faite d'une substance magnétique et disposée sensiblement perpendiculairement à l'élément diélectrique et maintenue contre l'autre côté de cet élément par attraction du générateur de champ magnétique, cette électrode ayant des surfaces dans la chambre d'ozonisation, - une contre-électrode plane (2) fixée à l'élément diélectrique et n'ayant pas de contact direct avec l'électrode de décharge, et - des moyens (5) pour appliquer une haute tension auxdites électrodes. 2. Ozoniseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'électrode de décharge (4) forme une structure en spirale ayant une extrémité centrale à proximité du centre de la chambre d'ozonisation. 3. Ozoniseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la chambre d'ozonisation comporte une entrée de gaz (11), disposée à proximité de l'extrémité centrale de la structure en spirale, et une sortie de gaz ozonisé (12), disposée à proximité d'une extrémité extérieure de la structure en spirale, laquelle définit un canal en spirale (3a) pour le flux de gaz dans la chambre d'ozonisation. 4. Ozoniseur selon la revendication 1, comportant plusieurs électrodes de décharge (4) sensiblement rectilignes et disposées parallèlement les unes aux autres de façon à définir plusieurs canaux (3a) pour le flux de gaz. 5. Ozoniseur selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte une entrée pour le flux de gaz, à proximité d'une première extrémité des électrodes de décharge, et une sortie du flux de gaz à proximité de l'autre extrémité des électrodes de décharge. 6. Ozoniseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que chacune des électrodes de décharge (4) a une forme plissée ou ondulée. 7. Ozoniseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une électrode de décharge a une forme rectiligne présentant des ailes parallèles (4b) définissant des canaux pour le flux de gaz. 8. Ozoniseur selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'une entrée (11) pour le flux de gaz est disposée à proximité de premières extrémités longitudinales desdites ailes (4b) et en ce qu'une sortie (12) de gaz ozonisé est disposée à proximité de l'autre extrémité desdites ailes. 9. Ozoniseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que chacune desdites ailes (4b) a une forme plissée ou ondulée. 10. Ozoniseur selon la revendication 4 ou 7, caractérisé en ce que chacune des électrodes de décharge (4) a une forme rectiligne et comporte un bord supérieur maintenu dans une gorge en zig-zag (10) ménagée dans le boîtier. 11. Ozoniseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la contre-électrode (2) est intercalée entre l'élément diélectrique (1) et le générateur de champ magnétique (7). 12. Ozoniseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la contre-électrode (2) est en majeure partie noyée dans l'élément diélectrique (1). 13. Ozoniseur selon l'une des revendications 1, 2, 4 et 7, caractérisé en ce que les électrodes de décharge (4) sont faites d'une substance magnétique résistant à l'oxydation par le gaz ozonise. 14. Ozoniseur selon l'une des revendications 1, 2, 4 et 7, caractérisé en ce que l'épaisseur des électrodes de décharge (4) est comprise entre 20 et 300 um. 15. Ozoniseur selon l'une des revendications 1, 2, 4 et 7, caractérisé en ce que le générateur de champ magnétique (7) est un aimant permanent. 16. Ozoniseur selon l'une des revendications 1, 2, 4 et 7, caractérisé en ce que l'épaisseur de l'élément diélectrique est égale ou inférieure à 2 mm.