Brevet FR2743313A1 — publié le 19970711

- 1 La présente invention concerne un dispositif de pulvérisation à rendement élevé, notamment d'eau sous forme de micro-gouttelettes. Il est connu d'utiliser des dispositifs de micro-pulvérisation d'eau pour humidifier l'air ambiant. On connaît ainsi de tels dispositifs comportant un transducteur céramique piézoélectrique excité par un signal électrique à haute fréquence qui émet des ondes ultrasonores dans une petite cuve remplie d'eau. Les ondes se propagent dans l'eau de façon non linéaire et il se forme une accumulation de pression statique en direction de la surface de l'eau, d'o l'apparition d'un jet de liquide appelé fontaine acoustique", qui est entouré d'un brouillard de micro- gouttelettes. Un courant d'air créé au voisinage du jet d'eau évacue alors les micro-gouttelettes vers l'extérieur du dispositif, dans l'air ambiant. Dans un tel dispositif, l'énergie fournie par le transducteur n'est utilisée que partiellement pour générer les micro- gouttelettes car la face du transducteur qui ne se trouve pas au contact de l'eau émet des ondes qui sont absorbées par le support du transducteur et également dans la cuve par multiréflexion et sont perdues. De plus, les pertes internes au transducteur et les phénomènes de saturation du niveau d'émission dus aux contraintes élevées et à l'élévation de température du transducteur limitent le rendement acoustique de ce dernier. La présente invention vise à fournir un dispositif de pulvérisation qui présente un rendement élevé en éliminant notamment le problème susmentionné. La présente invention a pour objet un dispositif de pulvérisation de liquide, comportant une première cuve allongée fermée à l'une de ses extrémités par une première face libre d'un transducteur piézoélectrique apte à émettre des ondes dans un liquide remplissant la cuve et ouverte à son extrémité opposée au transducteur piézoélectrique, caractérisé par le fait que le transducteur piézoélectrique comporte une seconde face libre, opposée à sa première face libre, et qu'une seconde cuve allongée est disposée, par rapport au transducteur piézoélectrique, symétriquement à la première cuve, la seconde cuve étant fermée à l'une de ses extrémités par ladite seconde -2 - - 2 - 2743313 face libre du transducteur piézoélectrique, lequel est ainsi apte à émettre également des ondes dans un liquide remplissant la seconde cuve, cette seconde cuve étant ouverte à son extrémité opposée au transducteur piézoélectrique. On comprend que le fait d'immerger complètement le transducteur piézoélectrique dans les deux liquides contenus dans les deux cuves permet une grande diffusion de la chaleur du transducteur vers les liquides, ce qui limite l'élévation en température du transducteur et donc améliore son fonctionnement. Par ailleurs, la présence de liquide sur les deux faces du transducteur piézoélectrique symétrise les contraintes mécaniques dans le transducteur et améliore le transfert de l'énergie acoustique vers les liquides environnants. La conjonction des effets thermiques et des effets acoustiques susmentionnés permet d'améliorer le rendement électroacoustique du transducteur et donc de générer une plus grande puissance acoustique dans les liquides pour une même puissance électrique d'entrée. Ainsi, le dispositif selon l'invention a un rendement élevé puisqu'il permet de générer beaucoup plus de gouttelettes que s'il ne comportait qu'une seule cuve. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les deux cuves sont aptes à être complètement remplies de liquide. Dans un autre mode de réalisation préféré, les ondes émises par le transducteur piézoélectrique dans chaque cuve sont concentrées au voisinage de l'ouverture de chaque cuve, la section transversale de chaque cuve présentant un rétrécissement progressif en direction de l'ouverture de la cuve. Dans un mode de réalisation particulier, la partie de chaque cuve présentant un rétrécissement de section présente une forme de paraboloide de révolution dont le point focal se situe au voisinage de l'ouverture correspondante. Grâce à ce rétrécissement de section transversale, le liquide contenu dans chaque cuve est peu sensible aux accélérations du milieu dans lequel est installé le dispositif selon l'invention. A titre d'exemple, le dispositif selon l'invention peut être embarqué dans une automobile, un bateau ou un avion. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, les parois de chaque cuve sont réalisées en un matériau dur, apte à -3 - 2743313 réfléchir les ondes, et sont conformées de manière à concentrer les ondes au voisinage de la partie centrale de l'ouverture de la cuve. Ainsi, les parois de chaque cuve remplissent au moins deux fonctions distinctes, à savoir une limitation du risque de débordement du liquide en dehors de la cuve d'une part, et une concentration des ondes au voisinage de la partie centrale de l'ouverture de la cuve d'autre part. Dans un mode de réalisation particulier de l'invention, chaque cuve comporte, au voisinage de son ouverture, des moyens de chauffage, par exemple des résistances électriques, permettant d'élever la température du liquide juste avant sa pulvérisation. Dans une variante de ce mode de réalisation, une partie de l'énergie acoustique fournie par les ondes est convertie en chaleur, de préférence au voisinage seulement de l'ouverture de chaque cuve, sinon dans toute la paroi de chaque cuve, grâce à la présence d'un matériau acoustiquement absorbant tel qu'un polymère. A cet effet, on peut utiliser par exemple le polyester de stratification commercialisé par la société SOLOPLAST. Le polymère peut se trouver seulement au voisinage de l'ouverture de la cuve, ou constituer l'ensemble de la cuve, auquel cas la réflexion des ondes peut être moins bonne mais suffisante pour obtenir la concentration des ondes au voisinage de l'ouverture, tandis que les parois de la vue chauffent la totalité du liquide contenu dans celle-ci. Avantageusement, le dispositif selon l'invention est muni de moyens de ventilation pour créer une circulation d'air au voisinage de la surface du liquide contenu dans chaque cuve. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le dispositif comporte un récipient de collecte dans lequel sont placées les cuves, une pompe étant reliée d'une part au récipient de collecte, d'autre part à chaque cuve, et étant apte à faire circuler le liquide en permanence entre chaque cuve d'o il déborde et le récipient de collecte o il est recueilli, un réservoir de liquide, également raccordé à la pompe, permettant de maintenir constante la quantité de liquide circulant dans le dispositif en compensant la consommation de liquide nécessaire à la production des gouttelettes. Ainsi, l'instabilité du niveau du liquide à l'ouverture de chaque cuve, qui pourrait résulter de débordements imprévisibles dus à - 4- 2743313 de fortes accélérations subies par le dispositif, est en majeure partie compensée par le fait que, le liquide débordant en permanence et de façon forcée à l'ouverture de chaque cuve, même de fortes accélérations ne peuvent provoquer qu'une légère fluctuation de la quantité de liquide qui déborde, sans modifier de manière sensible le niveau du liquide à l'ouverture de chaque cuve. De surcroît, non seulement un tel dispositif est peu sensible aux accélérations, mais en outre, par sa symétrie et grâce à l'emploi d'une circulation forcée de liquide, il est peu sensible à des variations d'inclinaison et peut fonctionner dans toute position. Avantageusement, le débit de la pompe est suffisamment élevé pour générer un jet de liquide à l'ouverture de chaque cuve, indépendamment de la fontaine acoustique qui résulte de la seule action des ondes ultrasonores. De cette manière, l'énergie des ondes peut être mobilisée principalement pour la pulvérisation du liquide, la formation des fontaines acoustiques étant facilitée par le fait que les jets de liquide sont déjà créés par la pompe. Pour augmenter encore l'efficacité de la pulvérisation, il est préférable, selon l'invention, de choisir le diamètre de l'ouverture de chaque cuve, voisin de celui de la fontaine acoustique qui serait naturellement formée par les ondes en l'absence de pompe, de manière à superposer au mieux le jet d'eau formé par la pompe et la fontaine acoustique générée par les ondes. Dans un mode de réalisation préféré, un déflecteur est prévu dans le prolongement de l'ouverture de chaque cuve, pour retenir les grosses gouttes de liquide qui sont ainsi récupérées dans le récipient de collecte, tandis que le courant d'air généré par les moyens de ventilation évacue les micro-gouttelettes vers l'extérieur du dispositif. Dans le but de mieux faire comprendre l'invention, on va en décrire maintenant un mode de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin annexé dans lequel: - la figure 1 est une vue schématique en élévation et en coupe d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention, - les figures 2 à 4 sont des vues en perspective de variantes de formes d'ouverture d'une cuve du dispositif de la figure 1, et - la figure 5 est une vue en coupe selon V-V de la figure 2. - - 2743313 Le dispositif représenté sur le dessin comprend deux cuves allongées la,lb, de révolution qui comportent chacune une base cylindrique 2a,2b et une partie supérieure 3a,3b dont la section va en rétrécissant en direction d'une ouverture 4a,4b. Chaque ouverture peut être circulaire, comme représenté à la figure 2 ou festonnée comme représenté à la figure 3. ou encore munie d'un guide d'onde central qui obture sa partie centrale et ne laisse libre qu'un passage annulaire, comme représenté à la figure 4. Chaque cuve la,lb est destinée à être complètement remplie d'eau. Un transducteur piézoélectrique 5 constitué par une céramique en forme de disque, est placé entre les deux cuves la, lb, à l'opposé de leurs ouvertures respectives 4a, 4b. Le transducteur 5, qui comporte deux faces libres opposées 5a,5b constituant chacune le fond d'une cuve la,lb, est apte à émettre des ondes ultrasonores dans l'eau contenue dans chaque cuve, en direction de l'ouverture correspondante 4a, 4b. Les parois de chaque cuve sont réalisées par exemple en acier inoxydable qui est un matériau suffisamment dur pour réfléchir les ondes en absorbant une énergie minimale. La forme convergente des parois de chaque cuve est déterminée de manière à concentrer les ondes dans la partie centrale de l'ouverture correspondante. Les cuves la, lb sont logées à l'intérieur d'un récipient fermé 6 qui constitue un récipient de collecte au sens de l'invention. A l'intérieur de ce récipient de collecte 6 est disposé un ventilateur 7, entraîné par un moteur non représenté. A l'extérieur du récipient de collecte 6, se trouve un réservoir d'eau 8 dans lequel est logée une pompe 9 raccordée d'une part à chaque cuve la,lb par l'intermédiaire d'un premier conduit 10, d'autre part au récipient de collecte 6 par l'intermédiaire d'un deuxième conduit 11 qui débouche en regard des extrémités ouvertes de chaque cuve ainsi qu'au voisinage du transducteur 5. Le ventilateur 7 est logé dans un compartiment commun 12 du récipient de collecte 6. Ce compartiment 12 est délimité par une paroi extérieure 13 du récipient de collecte 6 et par une cloison intérieure étanche 14 qui laisse libres deux passages 15 vers des compartiments 16a et 16b renfermant chacun une cuve. -6 - - 6 -2743313 Un courant d'air est ainsi créé dans chaque compartiment 16a,16b, entre plusieurs déflecteurs 17 qui acheminent l'air jusqu'à une ouverture 18a, 18b de laquelle s'échappent l'air et les gouttelettes d'eau formées au dessus des ouvertures de chaque cuve, comme indiqué par les flèches 19. La partie d'extrémité de chaque cuve la,lb est enfermée dans un déflecteur en forme de calotte sphérique 20a, 20b d'axe sensiblement perpendiculaire à l'axe longitudinal de chaque cuve, et dont la concavité est opposée au sens de déplacement du courant d'air. Chaque calotte 20a,20b est solidarisée à la paroi extérieure de la cuve 1 selon un joint étanche 21a,21b. Au voisinage de l'ouverture 4a, 4b de chaque cuve, sont prévues des résistances électriques 22 qui sont insérées dans l'épaisseur de la paroi de chaque cuve et permettent de chauffer l'eau avant sa pulvérisation. On calcule la puissance de chauffage de façon à ne chauffer que la périphérie du jet pour limiter la puissance électrique nécessaire. Le chauffage peut aussi être obtenu en prélevant une partie des ondes acoustiques pour chauffer le bout de la cuve, par exemple avec un matériau polymère qui s'échauffe en absorbant les ondes. De manière préférentielle, on place ce matériau en sandwich entre deux parois métalliques pour le protéger de l'agression directe des ondes. Sur la figure 5, on a représenté la partie présentant un rétrécissement de section d'une cuve métallique lb qui comporte une épaisseur d'un polymère 23 dans un évidement réalisé sur sa face intérieure, au voisinage de son ouverture 4b. Le polymère est recouvert d'une fine couche métallique 24 de quelques centaines de micromètres qui est destinée à protéger ledit polymère de l'agression directe des ondes. En fonctionnement, les ondes sont partiellement absorbées par le polymère qui s'échauffe et élève ainsi la température de l'eau. Ce chauffage, en agissant sur la tension superficielle de l'eau et sur sa pression de vapeur saturante, crée un compromis sur ses paramètres favorable à la pulvérisation et accroît encore le rendement du dispositif. On va maintenant expliquer le fonctionnement du dispositif de pulvérisation représenté sur le dessin. 7- - 7- 2743313 Pour faciliter l'explication, on considère que l'orientation du dispositif est verticale, comme représenté sur la figure 1. Chaque cuve est remplie d'eau. La pompe 9 refoule de l'eau par le conduit 10, de telle sorte qu'un premier jet d'eau jaillit à l'ouverture de la cuve lb et qu'un second jet d'eau s'écoule à l'ouverture de la cuve la. Selon la forme des ouvertures 4a et 4b, dont trois exemples sont représentés aux figures 2 à 4, on obtient des jets d'eau de section circulaire, en forme de marguerite ou d'anneau. Du fait que la génération de gouttelettes se produit à la surface du jet d'eau, les formes d'ouvertures des figures 3 et 4 donnent naissance à des jets d'eau de surface plus importante et accroissent donc la production de gouttelettes par rapport à la forme simple de la figure 2. L'eau est récupérée par le récipient de collecte 6 et remise en circulation par la pompe 9, via le conduit 11. La céramique 5 émet des ondes dans les deux cuves, ondes qui progressent dans l'eau selon des plans perpendiculaires à l'axe longitudinal de la cuve. La forme convergente des parois de chaque cuve la,lb concentre les ondes sensiblement dans la partie centrale de l'ouverture 2 correspondante 2a,2b. Cette concentration de l'énergie des ondes au voisinage de la surface de l'eau se propage à l'intérieur du jet, ce qui permet la formation d'un brouillard de micro-gouttelettes environnant chaque jet d'eau. Ces micro-gouttelettes, dans un mode préféré, présentent un diamètre inférieur à 5 micromètres. Elles sont emportées vers l'extérieur par le courant d'air créé par le ventilateur 7. D'autres gouttes, plus lourdes, se forment et sont récupérées par les calottes sphériques 20a,20b et tombent par gravité au fond du récipient de collecte 6 pour être remises en circulation par la pompe 9, de la même manière que l'eau non pulvérisée provenant des jets d'eau. Le diamètre des ouvertures 4a,4b est choisi de manière à ce que les ondes se concentrent au voisinage de l'ouverture dans chaque cuve. - 8 - - 8 - 2743313 Ainsi, l'énergie des ondes. qui n'est pas utilisée pour former les fontaines acoustiques, sert principalement à pulvériser l'eau. En d'autres termes, le rendement de la pulvérisation est accru du fait que d'une part l'énergie des ondes est utilisée en majeure partie pour pulvériser l'eau, les jets d'eau étant déjà formés par la pompe, d'autre part, l'emploi d'un jet assisté par une pompe extérieure permet un meilleur ajustement des paramètres de fonctionnement du dispositif, ce qui permet d'atteindre un fonctionnement optimal dans lequel le jet dépasse en longueur le jet qui serait crée par la seule pression acoustique due aux ondes. Ainsi, on accroît encore la surface de jet à partir de laquelle peuvent se former les gouttelettes d'eau. De plus, comme déjà expliqué, les deux faces 5a et 5b du transducteur 5 sont utilisées pour la pulvérisation, ce qui permet d'augmenter sensiblement la production de gouttelettes d'eau par rapport à un dispositif qui ne comporterait qu'une seule cuve. Grâce aux différents déflecteurs, il est possible de faire fonctionner le dispositif décrit dans toutes les positions qui peuvent résulter d'un pivotement de ce dispositif autour d'un axe 23, perpendiculaire à l'axe longitudinal des cuves et compris dans le plan du dessin. Le réservoir d'eau 8 permet à la pompe 9 de maintenir constante la quantité d'eau circulant dans le dispositif, en compensant le volume d'eau évacué vers l'extérieur par micro-pulvérisation. Il est clair que ce dispositif, dont les dimensions hors tout sont de l'ordre de 4 cm de diamètre et de 10 cm de long, peut être facilement installé dans un véhicule. Le fait qu'il soit apte à fonctionner convenablement en étant incliné permet une utilisation aisée dans toutes sortes de véhicules. Par exemple, le dispositif selon l'invention peut être installé dans l'habitacle d'une automobile avec son axe longitudinal incliné de 10 degrés par rapport à l'horizontale, ce qui lui confère un encombrement vertical d'environ 5,7 cm qui permet par exemple de le loger dans le plafond de l'habitacle. Le dispositif selon l'invention peut également être embarqué dans un avion ou sur un bateau o les conditions de stabilité ne sont, à priori, pas très bonnes. 9- - 9- 2743313 Dans le bâtiment, des solutions dans lesquelles les jets sont verticaux peuvent être très utiles à la génération de très grands volumes de gouttelettes à partir d'un encombrement réduit. Il est bien entendu que le mode de réalisation qui vient d'être décrit ne présente aucun caractère limitatif, et qu'il pourra recevoir toutes modifications désirables sans sortir pour cela du cadre de l'invention. - 10 - - 2743313 REVENDICATIONS 1 - Dispositif de pulvérisation de liquide comportant une première cuve allongée (la) fermée à l'une de ses extrémités par une première face libre (5a) d'un transducteur piézoélectrique(5) apte à émettre des ondes dans un liquide remplissant la cuve et ouverte à son extrémité (4a) opposée au transducteur piézoélectrique (5), caractérisé par le fait que le transducteur piézoélectrique comporte une seconde face libre (5b), opposée à sa première face libre (5b), et qu'une seconde cuve allongée (1b) est disposée symétriquement à la première cuve (la) par rapport au transducteur piézoélectrique (5), la seconde cuve étant fermée à l'une de ses extrémités par ladite seconde face libre (5b) du transducteur piézoélectrique (5), lequel est ainsi apte à émettre également des ondes dans un liquide remplissant la seconde cuve (lb), cette seconde cuve (lb) étant ouverte à son extrémité opposée (4k) au transducteur piézoélectrique. 2 - Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les deux cuves (la,lb) sont aptes à être complètement remplies de liquide. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que les ondes émises par le transducteur piézoélectrique (5) dans chaque cuve (la1,lb) sont concentrées au voisinage de l'ouverture (4a, 4_) de chaque cuve, la section transversale de chaque cuve (la,lb) présentant un rétrécissement progressif (3a,3b) en direction de l'ouverture de la cuve. 4 - Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les cuves présentent, dans leur partie présentant un rétrécissement progressif (3a,3k), une forme de paraboloïde de révolution dont le point focal se situe au voisinage de l'ouverture correspondante. - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait que chaque cuve (la1,l) comporte, au voisinage de son ouverture (4a,4b), des moyens de chauffage (22) permettant d'élever la température du liquide juste avant sa pulvérisation. 6 - Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens de chauffage sont constitués par une épaisseur de matériau absorbant l'énergie acoustique des ondes (24), prévue au voisinage de l'ouverture de chaque cuve. - 11 - 7 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de ventilation (7) pour créer une circulation d'air au voisinage de la surface du liquide contenu dans chaque cuve (la.1b). 8 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé par le fait que les parois de chaque cuve (la,lb) sont réalisées en un matériau dur apte à réfléchir les ondes et sont conformées de manière à concentrer les ondes en un point situé au voisinage de la partie centrale de l'ouverture (4a,4b) de chaque 0 cuve (la,lb). 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par le fait qu'il comporte un récipient de collecte (4) dans lequel sont placées des cuves (la,lb), une pompe étant reliée d'une part au récipient de collecte (6), d'autre part à chaque cuve (la, b1) et étant apte à faire circuler le liquide en permanence entre les cuves (la.1l) d'o il déborde et le récipient de collecte (6) o il est recueilli, un réservoir de liquide étant également raccordé à la pompe (9) pour maintenir constante la quantité de liquide circulant dans le dispositif. 10 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé par le fait que chaque ouverture (4a,4b) des cuves (la. lb) présente un diamètre voisin de celui de la fontaine acoustique qui serait naturellement formée par les ondes en l'absence de pompe (9). 11 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à , caractérisé par le fait que des déflecteurs par exemple en forme de calottes sphériques (20a, 20b) sont prévus dans le prolongement de l'ouverture (4a,4b) de chaque cuve (la.1i) pour retenir les grosses gouttes de liquide qui sont ainsi récupérées dans le récipient de collecte (6).