Brevet FR2890233A1 — publié le 20070302

Lampe adaptée à la décontamination microbiologique La présente invention concerne une lampe adaptée à la décontamination microbiologique. II est naturellement impératif de décontaminer les emballages dans lesquels sont stockés les produits alimentaires afin de garantir la qualité et la longévité de ces produits. Ainsi une première technique connue consiste à pratiquer un traitement thermique du matériau destiné à être en contact avec les produits à conserver. Un tel traitement est mal adapté aux matériaux de synthèse couramment utilisés aujourd'hui car ceux-ci présentent une résistance thermique très limitée, si bien qu'un traitement efficace au plan biologique conduit généralement à leur dégradation. Il s'ensuit que les différentes industries traitant de problèmes de contamination emploient majoritairement une deuxième solution dont le principe est la désinfection chimique. Une première limitation de cette solution réside dans le fait que le traitement laisse des résidus sur le matériau d'emballage désinfecté et, par voie de conséquence, ces résidus sont transférés sur le produit alimentaire conservé dans l'emballage. La quantité de résidus produits est directement liée à la complexité géométrique de l'emballage. Une seconde limitation est due à la résistance de plus en plus importante des micro-organismes aux agents de désinfection. Une troisième limitation tient aux risques organoleptiques liés à la persistance d'une partie des agents chimiques employés à l'issue de la désinfection. Une quatrième limitation tient au caractère polluant de tout traitement chimique; il convient en effet de traiter les effluents liquides au cours de la désinfection. Par ailleurs, le procédé thermique et le procédé chimique sont pénalisants au niveau économique. Ils sont friands d'énergie, ils consomment une quantité d'eau non négligeable et ils requièrent des opérations de maintenance relativement lourdes. Une troisième solution émerge qui tente de pallier les limitations des deux solutions précédentes. Il s'agit d'une technique photonique qui assure la décontamination au moyen d'un flux lumineux. Un premier type de source lumineuse est la lampe à vapeur de mercure. Celle-ci présente un rendement optique assez faible et elle délivre peu d'énergie dans une bande spectrale qui présente une bonne 2890233 2 efficacité quant à la décontamination microbiologique, à savoir la bande 180 400 nanomètres. De plus, la lampe à mercure demande plusieurs minutes après son allumage pour fournir un flux lumineux stabilisé. Ce temps de latence est difficilement compatible avec certains procédés industriels et un fonctionnement en mode continu s'impose alors que ce n'est pas toujours la solution la plus appropriée. En outre, le fonctionnement continuel de la lampe pose des problèmes d'évacuation de chaleur lors des arrêts non programmés de l'installation de décontamination. On signalera encore le danger potentiel que présente le mercure tant pour l'environnement que pour le personnel de l'installation. La lampe à mercure n'étant pas réellement satisfaisante pour les raisons mentionnées ci-dessus, la lampe à xénon fonctionnant en mode pulsé est apparue dans le domaine de la décontamination photonique. Cette lampe à xénon se présente comme un tube comportant deux électrodes coaxiales scellées à ses extrémités. Ainsi le document EP 0 290 443 B1 propose des appareils fonctionnant avec une ou plusieurs lampes de ce deuxième type. La lampe au xénon connue présente un rendement qui n'est pas optimal lorsque la pression initiale du gaz est inférieure à la pression de saturation; par rendement on entend le rapport de l'énergie lumineuse produite à l'énergie électrique consommée. La pression de saturation est la pression au-delà de laquelle la production d'ions optiquement actifs n'augmente plus de manière significative. Il est donc préférable d'adopter une pression de travail qui soit voisine de cette pression de saturation, soit de l'ordre de 450 torr pour le xénon. Si l'on retient une pression initiale de l'ordre de la pression de saturation, la lampe requiert un circuit d'alimentation électrique relativement sophistiqué. Par ailleurs, la lampe est d'une relative fragilité mécanique car l'expansion violente du gaz échauffé par le passage du courant d'alimentation donne naissance à des ondes de choc; les contraintes mécaniques consécutives à ces ondes de choc sont préjudiciables à la durée de vie de la lampe. L'obtention d'une durée de vie élevée de la lampe s'avère être une opération d'une grande complexité. En effet, la durée de vie est une fonction des principales caractéristiques suivantes, cette fonction ne pouvant se réduire à une combinaison de fonctions partielles ne dépendant chacune que de l'une de ces caractéristiques: - pression initiale du gaz, 2890233 3 diamètre interne du tube, distance entre les deux électrodes, tension appliquée à ces électrodes, énergie électrique transférée, fréquence de répétition des éclairs. La présente invention a ainsi pour objet une lampe au xénon qui présente des atouts économiques: - réduction de la consommation d'énergie, circuit d'alimentation simplifié, - durée de vie augmentée. Selon l'invention, la lampe comporte deux électrodes scellées aux extrémités d'un tube; la pression partielle de xénon en son sein est supérieure à 1 000 torr. Le fait de travailler à une pression relativement élevée apporte de 15 nombreux avantages. En premier lieu, la production de rayonnement ultraviolet dans la bande C (180-280 nanomètres) est sensiblement augmentée. Or cette bande spectrale présente une grande efficacité quant à la décontamination microbiologique. Il s'ensuit que le nombre d'impulsions nécessaire pour obtenir un taux de décontamination donné est réduit en conséquence. On rappelle que la durée de vie d'une lampe est liée de manière prépondérante aux nombres d'impulsions produites. En second lieu, l'alimentation de la lampe est considérablement simplifiée. En effet, il n'est pas nécessaire de lui incorporer un module connu sous le nom de alimentation simmer . Ce module réalise une préionisation du gaz dans la lampe avant le déclenchement de l'impulsion proprement dite. En troisième lieu, l'amortissement des ondes de choc est sensiblement amélioré. Par ailleurs, une pression suffisante du gaz permet de limiter le phénomène d'ablation dont la paroi interne de la lampe est le siège. La lampe est en quartz, or ce matériau présente une forte absorption audessous de 180 nanomètres à la température ambiante, cette longueur d'onde de coupure augmentant avec la température. L'absorption du rayonnement conduit à une vaporisation de la paroi. Rapidement, des impuretés sont introduites dans le plasma, ce qui le refroidit et finit par l'éteindre. Bien entendu, la durée de vie de la lampe s'en ressent. De préférence, la pression partielle de xénon dans la lampe est inférieure à 2 500 torr. De fait, une pression initiale trop élevée apporte des inconvénients bien connus de l'homme du métier, inconvénients qui ne sont plus compensés par les 5 avantages que procure la présente invention. Par ailleurs, la distance entre les électrodes est comprise entre 150 et 200 millimètres. Avantageusement, la distance entre les électrodes est comprise entre 170 et 180 millimètres. Suivant un mode de réalisation privilégié, le diamètre interne du tube est compris entre 4,5 et 5,5 millimètres. De plus, le tube est en silice fondue synthétique. De préférence, le tube est recouvert d'une gaine de refroidissement. L'invention vise également un boîtier d'illumination comportant une 15 lampe telle que spécifiée ci-dessus. L'invention vise encore un appareil de décontamination comportant une lampe telle que spécifiée ci-dessus. L'invention vise aussi un procédé d'alimentation d'une telle lampe; durant la production d'un éclair, une tension comprise entre 2 500 et 3 500 Volts 20 est appliquée entre les électrodes de la lampe. De plus, une tension additionnelle comprise entre 22 000 et 26 000 Volts est appliquée entre ces électrodes au début de l'éclair. Avantageusement, la durée de l'éclair est comprise entre 250 et 350 microsecondes. De préférence, l'énergie transférée à la lampe durant l'éclair est comprise entre 300 et 350 joules. La présente invention apparaîtra maintenant avec plus de détails dans le cadre de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif en se référant au dessin joint dans lequel: - la figure '1 représente, un schéma de la lampe, et la figure 2 représente un schéma d'une alimentation électrique destinée à cette lampe. Les éléments présents dans les deux figures sont affectés d'une seule et même référence. 2890233 5 En référence à la figure 1, la lampe se présente comme un tube 10 aux extrémités duquel sont scellées deux électrodes coaxiales, une cathode 11 et une anode 12. Le tube 10 est un cylindre de révolution. Il est en silice fondue, de préférence en silice fondue synthétique de sorte qu'il transmette les longueurs d'onde supérieures à 180 nanomètres. Il est de préférence recouvert par une gaine cylindrique (non représentée) également en silice fondue au niveau de l'espace qui sépare les deux électrodes 11, 12. Cette gaine est prévue pour la circulation d'un fluide, de l'air ou de l'eau par exemple, chargée de pourvoir au refroidissement de la lampe. Les extrémités des électrodes 11, 12 qui sont en regard ont une forme cylindrique. Le tube 10 est très majoritairement rempli de xénon dont la pression partielle est au moins égale à 1 000 torr. Pour les raisons exposées plus haut, il peut être souhaitable d'augmenter cette pression pour aller vers des valeurs de l'ordre de 1 500 torr en tentant de ne pas dépasser 2 500 torr. On peut y introduire des métaux alcalins (sodium, potassium) ou alcalino-terreux (calcium, strontium) et éventuellement d'autres éléments pour favoriser une bande spectrale déterminée. La géométrie des composants figurant à l'intérieur du tube est déterminante en ce qui concerne la durée de vie. Les dimensions qui suivent ont été optimisées pour permettre à la lampe d'assurer au moins 5. 106 éclairs. Le diamètre interne du tube 10 est compris entre 4,5 et 5,5 millimètres, 5 millimètres dans le cas présent. L'épaisseur du tube 10 doit être suffisante pour assurer une bonne tenue mécanique. La valeur de 1 millimètre qui a été retenue constitue un bon compromis. La distance inter-électrodes Di est comprise entre 150 et 200 millimètres, de préférence entre 170 et 180 millimètres, soit une valeur de 174 millimètres 30 dans le cas présent. En référence à la figure 2, le circuit d'alimentation de la lampe est d'une grande simplicité. Il comporte un générateur GE qui délivre une tension V. Un condensateur C est connecté en parallèle sur le générateur GE. Une inductance L a son premier pôle connecté au point chaud du générateur GE et son deuxième pôle raccordé à la première borne d'un premier enroulement secondaire d'un transformateur TR. La lampe FL a son anode raccordée à la deuxième borne du premier enroulement secondaire et sa cathode raccordée à la première borne d'un second enroulement secondaire du transformateur TR, la seconde borne de ce second enroulement secondaire étant reliée à la masse. L'enroulement primaire de ce transformateur TR est alimenté par un module haute-tension HT. Ce module HT qui est prévu pour amorcer le plasma dans la lampe délivre en réponse à un signal de commande une impulsion de tension U et de durée T sur chaque enroulement secondaire. Ce type de module étant bien connu de l'homme du métier, il ne sera pas plus détaillé. Un circuit de commande CC est prévu pour synchroniser le générateur GE et le module haute-tension HT. Là encore, le circuit de commande faisant partie de l'état de l'art, son fonctionnement ne nécessite pas d'explications complémentaires. Par ailleurs, il est souhaitable de disposer à proximité de la lampe FL un élément métallique ME raccordé à la masse. Cette disposition permet de faciliter l'amorçage du plasma. A titre d'exemple, cet élément métallique ME est le réflecteur qu'il est prévu d'associer à la lampe FL. Les valeurs numériques suivantes donnent des résultats très satisfaisants: tension de sortie V du générateur GE comprise entre 2 500 et 3 500 Volts: 3 000 Volts, condensateur C: 72 pF 3 000 Volts, inductance L: 60 H, inductance de chaque enroulement secondaire du transformateur TR: 35 pH, tension IJ sur chaque enroulement secondaire du transformateur TR comprise entre 11 kV et 13 kV: 12 kV, durée de l'impulsion sur les enroulements secondaires: 1 ps. Lors de l'amorçage du plasma, la tension appliquée à la lampe est la somme de celle produite par le générateur GE et de celles produites par les deux enroulements secondaires, soit 27 kV dans le cas présent. L'énergie de fonctionnement de lampe vaut ainsi approximativement 320 35 joules par éclair. Elle est de préférence comprise entre 300 et 350 joules. Compte tenu de cette énergie, en utilisant un réflecteur approprié tel qu'un miroir parabolique, un seul éclair est nécessaire pour décontaminer un objet plan. Si les dimensions respectives de la lampe et des objets à décontaminer le permettent, il peut être envisagé de traiter plusieurs objets simultanément. Le fait d'appliquer un seul éclair de courte durée (compris entre 250 et 350 s, typiquement 300 s) présente de plus l'avantage que les risques de modifications structurelles du matériau au niveau de sa surface illuminée sont très limités. Les cadences imposées par les installations industrielles sont telles que la fréquence de répétition des éclairs n'excède pas 2 à 3 Hz. Cette fréquence relativement basse est un argument supplémentaire pour ne pas recourir à une alimentation simmer. L'invention concerne également, bien entendu, un boîtier d'illumination 15 incorporant la lampe décrite ci-dessus, ce boîtier étant éventuellement équipé d'un réflecteur. L'invention concerne aussi un appareil de décontamination incorporant la lampe décrite ci-dessus, cette lampe figurant éventuellement dans un boîtier d'illumination. Les exemples de réalisation de l'invention présentés ci-dessus ont été choisis eu égard à leur caractère concret. Il ne serait cependant pas possible de répertorier de manière exhaustive tous les modes de réalisation que recouvre cette invention. En particulier, tout moyen décrit peut être remplacé par un moyen équivalent sans sortir du cadre de la présente invention. REVENDICATIONS 1) Lampe FL comportant deux électrodes coaxiales 11, 12 scellées aux extrémités d'un tube 10, caractérisé en ce que la pression partielle de xénon en son sein est supérieure à 1 000 torr. 2) Lampe selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pression partielle de xénon est inférieure à 2 500 torr. Lampe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la distance Di entre lesdites électrodes 11, 12 est comprise entre 150 et 200 millimètres. 4) Lampe selon la revendication 3, caractérisé en que la distance Di entre lesdites électrodes 11, 12 est comprise entre 170 et 180 millimètres. 5) Lampe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le diamètre interne dudit tube 10 est compris entre 20 4,5 et 5,5 millimètres. 6) Lampe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit tube 10 est en silice fondue synthétique. 7) Lampe selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit tube 10 est recouvert d'une gaine de refroidissement. 8) Boîtier d'illumination comportant une lampe conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 9) Appareil de décontamination comportant une lampe conforme à l'une quelconque des revendications précédentes. 10) Procédé d'alimentation d'une lampe FL conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que durant la production d'un éclair une tension V comprise entre 2 500 et 3 500 Volts est appliquée entre lesdites électrodes 11, 12. 11) Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'une tension additionnelle 2U comprise entre 22 000 et 26 000 Volts est appliquée entre lesdites électrodes 11, 12 au début de l'éclair. 12) Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que la durée de l'éclair est comprise entre 250 et 350 microsecondes. 13) Procédé selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'énergie transférée à ladite lampe durant l'éclair est comprise entre 300 et 350 joules.