Brevet FR2716636A1 — publié le 19950901

"Electrofiltre épurateur en milieu gazeux, de grande puissance, à configuration de champ électrique de haute densité." La présente invention concerne les appareils électroniques du type "dépoussiéreurs électriques ou électrofiltres" permettant, à l'intérieur d'une enceinte ou d'un local, de limiter la quantité de corps solides, liquides ou gazeux constituants la pollution de l'air, dans une proportion strictement déterminée, en l'absence de toute production d'ozone ou d'oxydes d'azote. Les dispositifs connus de ce genre reposent essentiellement sur la charge des poussières qui s'effectue dans un premier étage, dit d'ionisation, et leur précipitation est provoquée par un champ électrique entre deux électrodes planes, situé dans le second étage. Etant donné l'état actuel de la technique et la nature des problèmes les plus couramment rencontrés dans l'industrie, les appareils existants sont essentiellement du type à plaques, avec ionisation préalable. Ils comportent un ou plusieurs champs en série, les champs étant des zones mécaniquement et électriquement indépendantes les unes des autres mais regroupées dans un même caisson. L'assemblage des différentes plaques est assuré par un robuste châssis disposant de colonnes entretoises permettant le positionnement et la liaison électrique des plaques. Des ouvertures usinées dans les plaques permettent de réaliser un montage par lequel chaque plaque est à un potentiel différent de ses deux proches voisines. Ces dispositifs présentent ainsi plusieurs défauts fondamentaux qui en limitent les performances et l'intérêt, en particulier dans les domaines grand public: - les électrofiltres existants font intervenir une multiplicité de composants mécaniques qui exigent pour leur assemblage une main d'oeuvre relativement importante. De ce fait, le prix est relativement élevé et ne peut être que difficilement réduit; - les contraintes électriques et mécaniques relatives au système par plaques imposent un volume très important de l'appareil, - la géométrie des plaques génère un défaut de bord, pénalisant pour le rendement global de l'appareil, - le besoin de rigidité nécessite des plaques d'épaisseur conséquente, qui consomment un courant important et génèrent de l'ozone; - l'ionisation préalable des particules nécessite, en raison de l'éloignement des plaques collectrices, un courant intense qui dépasse le seuil d'activation de la molécule d'ozone, survenant au voisinage de 5 kV, - l'ionisation s'effectue classiquement par fils, montés sur un cadre, composant un ensemble très volumineux et très fragile; - cette ionisation, dans une telle configuration, génère une émission électronique dans toutes les directions, et pas seulement via les plaques collectrices, réduisant considérablement le flux émis et diffusé via les plaques; - le nettoyage des fils émetteurs et des plaques collectrices est une opération délicate et contraignante en raison du volume et de la configuration de ces sous-ensembles; - ces architectures nécessitent des alimentations puissantes et volumineuses générant des tensions comprises entre 8 kV et 16 kV. L'électrofiltre suivant l'invention permet d'éviter totalement ces inconvénients et de supprimer ces défauts. Elle propose donc un électrofiltre miniaturisé dont la conception, extrêmement simple, autorise une fabrication industrielle à cadences de production élevées, avec un minimum de main d'oeuvre et à très bas prix de revient. D'une façon plus précise, I'invention concerne un électrofiltre épurateur en milieu gazeux confiné ou en atmosphère libre ou confinée, à structure simplifiée et à bas prix de revient, cet électrofiltre comprenant une source de très haute tension continue ou pulsatoire constituant un premier sous-ensemble et un ensemble de cellules tubulaires constituant l'ensemble collecteur d'impuretés, reliés électriquement au premier sous-ensemble pour son alimentation en énergie électrique, et un dispositif d'émission d'ions négatifs, ce dispositif d'épuration d'air constituant un bloc électronique d'accélération, focalisation et filtrage de l'air et comportant des fils émissifs d'électrons disposés coaxialement dans chaque cellule de la structure tubulaire créant, avec les fils, le champ électrique nécessaire à l'émission d'ions négatifs, électrofiltre caractérisé en ce qu'il comprend: - une structure tubulaire en matériau conducteur et reliée au sol, - des fils émissifs très fins reliés au pôle négatif de la source de très haute tension. - deux flasques isolant extérieurs, largement ajourés sur leur face supérieure, disposant de moyens de fixation, de moyens de positionnement, de moyens de tension mécanique et de moyens d'alimentation électrique des fils. Ce dispositif comporte ainsi un ensemble de cellules tubulaires, structurées en nid d'abeilles, collectrices des impuretés ionisées par l'intermédiaire des fils coaxiaux traversant chacune d'elles, assurant ainsi la présence d'un champ électrique très intense à l'intérieur des cellules et une diffusion quasi complète des électrons émis, permettant ainsi l'usage de tensions modérées (d'environ 4,5 kV, très inférieure au seuil de production de l'ozone). Egalement, ce dispositif permet la mise en oeuvre d'un nombre de cellules-fil aussi élevé que nécessaire, tandis que la présence du dispositif de positionnement et d'isolement ne diminue pas de façon importante la charge d'espace. De plus, un ventilateur incorporé assure à l'ensemble un débit et une efficacité mathématiquement définissable. Le dispositif selon l'invention permet donc d'assurer l'épuration, L'émission et la diffusion d'un flux d'air exempt de toute impureté (filtrage de 95 à 99,99 %), sans avoir recours à des tensions supérieures à 4,5 kV, et par la même en respectant l'exigence d'absence complète de composés toxiques (Ozone, oxydes d'Azote) lorsque le dispositif est destiné à des applications domestique, hygiénique ou thérapeutique. Il en résulte une amélioration décisive de l'électrofiltre en ce qui concerne la performance (pouvoir d'épuration), ainsi que la sécurité d'utilisation (faibles tensions et courants, flasques isolants de protection), et volume très réduit par optimisation en structure nid d'abeilles (de 4 à 5 fois moins volumineux qu'une architecture à plaques), ces paramètres cessant dorénavant d'être contradictoires. Cette cellule d'épuration monobloc, en raison de sa taille réduite et de ses modes de réalisation très simples, a un prix de revient extrêmement faible et se contente d'un entretien absolument pas contraignant : le dispositif se nettoie facilement dans un lave-vaisselle standard ou par tout autre procédé domestique. Selon des modes particuliers de réalisation - le dispositif de positionnement des fils peut être constitué par deux flasques isolants extérieurs avec des ouvertures laissant libre passage de l'air au travers de la structure tubulaire, avec des encoches de positionnement du fil, arrangées de sorte que les fils soient positionnés coaxialement par rapport à la cellule, toute en limitant la perte de charge d'espace, - ces flasques peuvent intégrer une série de plots d'attaches et tendeurs de fils, assurant une tension mécanique minimum des fils, - une plaque métallique, solidaire du flasque, peut assurer la liaison électrique de chacun des fils, ainsi que la connexion avec la source d'alimentation. - les fils peuvent être insérés dans des rainures structurant la face supérieure des flasques. - les fils peuvent être remplacés par un seul et unique fil effectuant le parcours complet, I'utilisation de plusieurs fils n'étant justifié que par l'intuitive facilité de réalisation dans cette configuration. - une plaque conductrice peut être fixée solidairement aux flasques tout en effectuant le contact électrique de la structure tubulaire avec la source d'alimentation. - les flasques peuvent comporter des languettes ressort formant des tendeurs ou extenseurs de fils. - les plots de fixation des fils peuvent être intégrés à une règle articulée permettant de tendre les fils, puis de verrouiller la règle dans cette position par l'intermédiaire d'une plaque insérable dans les flasques. Lorsque cette plaque est métallique, elle assure la liaison électrique des fils avec la source d'alimentation. - les fils peuvent être terminés par un anneau de fixation, ou par un ressort, ou par les deux, ou par tout autre dispositif permettant le positionnement, le maintien ou la fixation des fils. - la structure tubulaire peut être réalisée par injection de matière conductrice ou en matière plastique moulée pour ensuite recevoir un traitement de métallisation superficiel. Dans ce cas, un mode de réalisation particulier permet de mouler une seule pièce correspondant à la structure tubulaire intégrant les différentes fonctions des flasques; une métallisation sélective de la structure conduit à une réalisation conforme à l'invention. - la structure peut être réalisée sur la base de cellules tubulaires hexagonales offrant la plus grande surface de collection, un tel exemple, non limitatif, n'épuise nullement l'invention, la structure nid d'abeilles pouvant être réalisée sur la base de cellules cylindriques, polygonales, etc... par quelque procédé que ce soit, la seule contrainte étant que la paroi du tube soit conductrice et que le système possède l'ensemble des caractéristiques propres au nouveau dispositif décrit. Un mode de réalisation de l'invention est décrit ci-après, à titre d'exemple non limitatif, avec référence aux dessins annexés représentant respectivement - la figure 1 est une vue en perspective schématique de l'électrofiltre, en configuration prismatique, sous forme de trois pièces réalisables en matière plastique moulée, un tel exemple, non limitatif, n'épuise nullement l'invention qui peut être réalisée en configuration cylindrique, polygonale, etc... possédant l'ensemble des caractéristiques propres au nouveau dispositif décrit; - la figure 2 est une vue en coupe axiale schématique de la cellule d'épuration d'un électrofiltre selon l'invention; - la figure 3 correspond à une vue partielle d'un flasque isolant montrant les détails d'une réalisation possible de la règle articulée et des plots de fixation des fils. - la figure 4 représente un agrandissement détaillé du dispositif terminé par des encoches, permettant de positionner les fils coaxialement à la cellule et montre les larges ouvertures qui laissent le libre passage de l'air au travers des cellules. En référence à ces dessins, le dispositif objet de l'invention comporte une source d'alimentation (1) en très haute tension de la cellule d'épuration; une structure tubulaire (2) conductrice dont chaque cellule est traversée coaxialement par les fils émetteurs (3); deux flasques isolants (4) et (5), tous deux identiques (réduction des prix de revient), largement ajourés sur leur face supérieure et assurant le positionnement des fils de manière coaxiale par rapport aux cellules, par l'intermédiaire d'encoches (9) définissant physiquement l'axe de la cellule. Ces flasques permettent la fixation des extrémités des fils par l'intermédiaire de plots (6) positionnés sur une règle articulée (7); des rainures (8) à la surface supérieure des flasques permettent le guidage et le positionnement du fil en garantissant un parfait isolement électrique avec la structure tubulaire. Un dispositif conducteur (10), fixée aux flasques (4) et/ou (5), maintient les fils (3) en tension mécanique en verrouillant la règle (7) et garantit le contact électrique de chaque fil avec la source d'alimentation; Le dessin de la figure 2 représente la configuration électronique destinée à assurer la complète diffusion dans l'atmosphère de la cellule, des électrons émis par les fils (3). L'ensemble fil-cylindre constitue donc un ensemble électronique assurant la production, I'accélération et la diffusion spatiale des électrons extraits du métal desdits fils dans des conditions proches de la prévision théorique. A titre d'exemple non limitatif, la cellule d'épuration aura les dimensions d'un prisme d'environ L110 x H80 x P80 cm, comprenant 77 alvéoles de 9 mm de diamètre, réalisée en matière plastique conductrice injectée. Chaque alvéole est traversée axialement par un fil d'acier inoxydable de diamètre 100 microns. Les deux flasques sont réalisés en matière plastique isolante moulée et intègrent la règle, articulée par une charnière plastique. L'ensemble des fils sera porté au potentiel d'environ -4,5 kV, alors que les alvéoles tubulaires seront portées au potentiel "zéro" (masse, sol, etc...). Un petit ventilateur avec variateur de vitesse permettra d'ajuster le débit d'air traversant la cellule d'épuration, et ainsi déterminer précisément les performances du dispositif. Un exemple d'application est donné par la mise en oeuvre du dispositif objet de l'invention dans les lieux sujets à pollution atmosphérique (cafés, hôtels, restaurants, discothèques...) par les poussières ou les fumées (tabac ou autres) I'utilisation dans de telles atmosphères d'un électrofiltre permet un "nettoyage" des dites atmosphères par précipitation électrostatique des polluants sur les parois de chaque cellule qui servent alors de capteurs. Un autre exemple d'application est donné par la mise en oeuvre du dispositif du Brevet dans le domaine de l'aération ou de la climatisation où sont mises à profit les faibles dimensions du produit, permettant son intégration dans les gaines d'aération ou de climatisation qui alimentent les salles blanches des hôpitaux ou des laboratoires traitant des hautes technologies (circuits électroniques, biotechniques, etc...). Ces exemples d'application n'épuisent nullement l'invention qui peut être utilisée en toutes circonstances exigeant l'épuration et la filtration parfaite de l'air, en vue d'une qualité associée à une absence complète de production de composés toxiques que sont l'ozone et les oxydes d'Azote. REVENDICATIONS 1) Electrofiltre épurateur en milieu gazeux confiné ou en atmosphère libre ou confinée, à structure simplifiée et à bas prix de revient, cet électrofiltre comprenant une source de très haute tension continue ou pulsatoire (1) constituant un premier sous-ensemble et un ensemble de cellules tubulaires (2) constituant l'ensemble collecteur d'impuretés, reliés électriquement au premier sousensemble pour son alimentation en énergie électrique, et un dispositif d'émission d'ions négatifs, ce dispositif d'épuration d'air constituant un bloc électronique d'accélération, focalisation et filtrage de l'air et comportant des fils (3) émissifs d'électrons disposés coaxialement dans chaque cellule de la structure tubulaire créant, avec les fils, le champ électrique nécessaire à l'émission d'ions négatifs, électrofiltre caractérisé en ce qu'il comprend une structure tubulaire (2) en matériau conducteur et reliée au sol, des fils émissifs (3) très fins reliés au pôle négatif de la source de très haute tension et deux flasques isolant extérieurs (4) et (5) largement ajourés sur leur face supérieure, disposant de moyens de fixation (6), de moyens de positionnement (8) et (9), de moyens de tension mécanique (7) et de moyens d'alimentation électrique (10) des fils (3). 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de fixation des fils (3) consistent en des moyens d'accrochage des fils (3) sur des plots (6). 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de positionnement des fils (3) font intervenir des rainures (8) permettant leur guidage à la surface des flasques (4) et (5). 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de positionnement des fils (3) font intervenir des encoches (9) permettant le guidage des fils (3) coaxialement à chaque cellule de la structure tubulaire (2). 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de tension mécanique des fils (3) font intervenir une règle (7), articulée sur les flasques (4) et (5) par l'intermédiaire d'une charnière plastique, complété par des moyens de verrouillage faisant intervenir un dispositif (10) fixé aux flasques (4) et (5). 6) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les moyens de fixation des fils (3) sont situés sur la règle (7). 7) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens de tension mécanique des fils (3) font intervenir, à la surface des flasques (4) et (5), des languettes ressort formant des tendeurs ou extenseurs des fils (3). 8) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que lesdits moyens d'alimentation électrique des fils (3) font intervenir un dispositif conducteur (10), fixé aux flasques (4) et/ou (5), maintenant la règle articulée (7) pour que les fils (3) soient en tension mécanique et garantissent le contact électrique de chaque fil avec la source d'alimentation. 9) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la structure tubulaire est réalisée sur la base de cellules tubulaires cylindriques. 10) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la structure tubulaire est réalisée sur la base de cellules tubulaires polygonales.