Brevet FR2908138A1 — publié le 20080509

Domaine technique de l'invention La présente invention concerne une cellule d'électrolyse qui fabrique du chlore. Cette cellule est destinée aux piscines personnelles de 30 à 120m3 dont la quantité de sel peut être comprise entre 2,5g/1 et 40 g/litre. S Etat de la technique en cours Sur le marché de la piscine il existe de nombreux électrolyseurs qui fournissent du chlore pour les piscines qui contiennent plus de 2,5 grammes de sel par litre d'eau. Ce qui est appelé électrolyseur est constitué d'une cellule ou chambre d'électrolyse et d'une alimentation en courant continu pour l'électrolyse de l'eau salée. Pour les piscines privées qui ont plus de 30 ~Io m3 et qui ont une quantité de sel comprise entre 2,5g/1 et 40 g/litre, les électrolyseurs doivent fournir un courant moyen constant à la cellule d'électrolyse, courant qui doit être indépendant de la quantité de sel afin que la quantité de chlore produite soit constante. Ceci contraint le fabricant à réaliser une alimentation variable en tension pour fournir un courant moyen constant. Or ce type d'alimentation dissipe beaucoup d'énergie en pure perte et a un A5 rendement faible. D'autre part, plus la quantité de sel augmente, plus le rendement de l'alimentation diminue à cause de la résistance interne de l'alimentation. Tout cela a pour principal défaut d'augmenter les coûts de revient à la fabrication. La présente invention fait disparaître tous ces défauts. Elle permet de réaliser des économies d'électricité, diminue les coûts de fabrication, minimise le nombre de composants, n'a pas de 20 rayonnements parasites propres aux alimentations à découpage ou à hachage, et permet que la cellule d'électrolyse soit utilisée dans des espaces réduits. Description de l'invention La présente invention améliore le rendement énergétique parce que l'électronique de puissance possède une particularité qui fait qu'elle dissipe peu de chaleur. Particularité qui est Z5 décrite plus bas. Par conséquent, l'invention fait que l'électronique de puissance et la chambre d'électrolyse peuvent former un ensemble monobloc hermétique de petite taille en matériaux de type PVC ou ABS qui résiste à l'eau et à l'acide (à cause de la proximité des produits acides réducteurs de pH) . Grâce à l'invention la chambre d'électrolyse est désormais incorporée au monobloc : 30 1. elle peut absorber les calories résiduelles grâce à l'eau qui circule le long de ses plaques de titane 2. elle peut disperser les calories en provenance des diodes de redressement via ses plaques de titane grâce à l'eau en circulation 3. elle peut absorber les calories du transformateur torique puisqu'il s'agit d'un 35 ensemble monobloc. La cellule d'électrolyse réalise la mesure de la température et de la salinité de l'eau de piscine pour s'adapter aux conditions de la piscine et pour sa propre sécurité. Pour des raisons d'optimisation qualitatives, la cellule peut intègrer aussi la mesure du Ph et du chlore. 2908138 2 Les buts, objets, et caractéristiques de l'invention La cellule d'électrolyse est constituée d'un petit boîtier étanche qui intègre l'électronique de puissance et la chambre d'électrolyse. L'invention améliore le rendement ce qui permet une économie d'électricité non négligeable, comprise entre 10 et 22% selon que la quantité de chlore à fournir est faible ou forte. De plus, la taille de la cellule peut être réduite à la dimension du transformateur d'alimentation (majoré de ce qui est nécessaire pour le passage des câbles et vis) parce que la dissipation en chaleur est réduite au minimum et qu'un procédé est mis en oeuvre pour absorber les calories résiduelles. Ceci est possible parce que : 40 1. l'électronique de puissance a un excellent rendement et dissipe peu de chaleur. 2. L'absorption des calories résiduelles se fait par : a. la circulation de l'eau le long des plaques d'électrolyse b. la présence d'une plaque d'aluminium plaquée contre la paroi de la cellule. Elle absorbe les calories autour du transformateur pour les transmettre sur les parois de la chambre d'électrolyse c. la présence de la cellule d'électrolyse au sein du boîtier qui absorbe les calories par ses parois Ce monobloc ou cellule est complètement noyé dans la résine. Il constitue ainsi un système étanche pouvant répondre à la qualification IP65, résistant à l'eau (IP55) et aux acides régulateurs de pH. Son exploitation en est aisée parce qu'il est facile d'utilisation et peut être placé dans des espaces très réduits. La particularité inventive est caractérisée par. : • la méthode et les moyens utilisés pour réaliser un système d'électrolyse eau salée monobloc de puissance, hermétique, de petite taille et de faible volume, qualifiable IP65, 2 5 pour les piscines de 35 à 120 m3 • une alimentation de puissance dépourvue de parasites • une alimentation de puissance qui a un rendement supérieur aux procédés habituels • la méthode et les moyens utilisés pour fabriquer une cellule d'électrolyse qui permettent une diminution du coût de fabrication de plus de 40% Le système d'électrolyse eau salée monobloc de puissance comprend : • la chambre d'électrolyse • son système d'alimentation original à faible perte et dépourvu de rayonnements parasites • une disposition du câblage des diodes shottky • un système compatible eau de mer • un système de mesure incorporé • un système qui prévoit la transmission des informations par courant porteur giS 20 30 35 2908138 3 Description de la cellule d'électrolyse La cellule d'électrolyse est constituée d'un boîtier qui peut être rectangulaire ou rond ou autre. Elle est munie d'une entrée et d'une sortie d'eau. Il s'agit de la partie appelée chambre d'électrolyse. Cette chambre d'électrolyse est constituée de 3 à 7 plaques de titane selon le 5 volume de la piscine. Ces plaques sont alimentées par une tension positive. Le boîtier comprend la carte électronique de régulation, le transformateur torique, et 2 entrées auxiliaires destinées aux mesures si besoin est. Les diodes shottky sont plaquées contre la plaque titane extérieure, isolées de la chambre d'électrolyse par une séparation et noyées dans de la résine pour former une étanchéité. L'ensemble est noyé dans de la résine. Pour les piscines de o volume supérieur à 50 m3, le monobloc comprend entre la carte électronique et le transformateur une plaque d'aluminium recourbée sur un côté à 90 degrés. Elle a pour rôle de transférer les calories résiduelles du transformateur à proximité de la circulation d'eau. La figure 1 montre la forme de cette plaque pour l'un des boîtiers (figure 2). La figure 3 représente la plaque d'aluminium pour un format plus petit du boîtier (figure 4). Ce procédé dédié au piscine de plus de 50 m3 évacue la chaleur du transformateur. La plaque d'aluminium récupère des calories qu'elle peut transférer sur la paroi de la chambre d'électrolyse. L'ensemble étant noyé dans la résine, la plaque d'aluminium récupère les calories, uniformise la température, et transfert ses calories à la chambre d'électrolyse. Généralités au sujet de la chambre d'électrolyse .20 La chambre d'électrolyse est constituée au minimum d'une anode et d'une cathode qui sont fabriquées à partir de plaques de titane recouvertes d'une peinture constituée de métaux rares du groupe platine et qui peuvent être de l'iridium et/ou du ruthénium. On peut mettre plusieurs plaques. Il y a différentes combinaisons possibles pour connecter les plaques. o 2 à 2 et mise en parallèle 25 o série o série-parallèle Lorsque les plaques de titane sont alimentées, un courant circule de la cathode vers l'anode au travers de l'électrolyte composée d'eau et de sel (+ les minéraux contenus dans l'eau qui alimente la piscine) . 30 Si une plaque est insérée entre la cathode et l'anode, elle se polarisera sur chacune de ses faces à la manière d'un condensateur, et l'on parle alors de dipôle. D'un point de vue électronique et pour simplification on peut considérer la cathode, le dipôle qui suit et l'anode comme un montage de condensateurs en série (figure 6). Après la mise sous tension les plaques se polarisent selon la figure 7. 3s L'échange ionique contribue à fabriquer du chlore selon la formule suivante : Sel + eau = Chlore + Soude caustique + Hydrogène 58,5 g 18 g 35,5 g 40 g 1 g Le chlore libéré se recombine et l'on trouve en sortie de la chambre d'électrolyse de a'hypochlorite de sodium qui est un désinfectant puissant. La quantité de chlore 2908138 4 produite découle de la loi de Faraday et du rendement de la cellule d'électrolyse. La valeur maximale est : • Intensité en Ampères/h * 1,33 * rendement * nombre de surfaces anodiques Pour exemple avec 1 ampère, 1 surface anodique et 80% de rendement, la cellule fournira 5 environ 1g de chlore/h. Un dégagement de chaleur s'ensuit ainsi que l'augmentation du pH. Ceci implique une circulation d'eau sur la surface de la plaque afin qu'il n'y ait pas dégradation irréversible du ruthénium et d'iridium selon les formules suivantes qui montrent l'apparition d'oxydes - CATHODE H2O + e => OH +H2 pH élevé Ca CO3 Dépôt À C + ANODE H2O + H2 + e + 02 pH bas RuO,, + IrOX Détérioration En pratique, il est admis qu'une cellule d'électrolyse doit pouvoir fournir de manière régulière 2 g de chlore par tranche de 10 m3 et par heure de fonctionnement de la pompe de filtration. La formule empirique du nombre d'heures de fonctionnement de la pompe de filtration est température de l'eau / 2. -45 Electronique de commande Le courant moyen doit être contrôlé afin de s'adapter à la quantité de sel dans la piscine et aux caractéristiques techniques propres aux plaques de titane revêtues d'iridium et de ruthénium. Il doit y avoir une production de chlore régulière, malgré que les caractéristiques de l'eau de piscine puissent changer à cause de l'eau de pluie par exemple ou que l'utilisateur ne maîtrise zc> pas précisément l'apport de sel. C'est pourquoi l'alimentation électrique de la cellule doit être contrôlée automatiquement en courant sans excéder la tension de 12 volts qui est la tension de fuite du Ruthénium. Parmi les moyens à notre disposition il y a le hachage côté primaire de l'alimentation du transformateur, ce qui crée des parasites et une surchauffe du transformateur. Ce qui implique un surcoût électronique et un boîtier qui empêche les 25 rayonnements parasites. Un autre moyen est de supprimer des demi-sinusoïdes côté primaire du transformateur. Hormis la surchauffe et les parasites, ce dernier montage présente aussi des inconvénients en terme de coût et de fonctionnement. Voici les inconvénients majeurs communs aux deux montages: 1. On ne peut transmettre des informations urgentes par courants porteur lorsque le 31- courant ne traverse pas le transformateur parce que les sinusoïdes sont coupées par le triac. Il faut définir une priorité : informations ou fonctionnement. Or si c'est l'information et que celle-ci soit assez longue pour une raison quelconque, apparaît le point 2 2. La transmission urgente nécessite que les sinusoïdes ne soient pas coupées. Dans une 3 5 eau très chargée en sel la puissance moyenne augmente considérablement et peut conduire à la destruction de l'électrolyseur. Pour compenser cette éventualité, il faut soit surdimensionner soit prévoir un composant qui coupe l'alimentation de la cellule. 3. Le choix de la suppression amont de sinusoïdes augmente le nombre de composants (triac, optocoupleur, filtres) 2908138 5 4. La chute de tension aux bornes du triac est d'environ 1,5 volt et pour un courant moyen de 1 ampère il y aura une perte de 1,5watt ce qui nécessite de disposer d'un refroidissement supplémentaire (une zone cuivre sur circuit imprimé par exemple). On peut réaliser une économie d'énergie supérieure à ce montage. 5. Il existe une latence de coupure inacceptable en cas de court circuit au secondaire. (Il faut prévoir qu'un objet métallique puisse malencontreusement être en circulation dans le circuit d'eau et mette les plaques de titane en court circuit). Pour optimiser le système, il est préférable de faire réaliser au composant de la protection électronique une fonction spéciale. C'est pour cette raison que l'invention présente une A0 supériorité technique indiscutable en termes de moyens et de coûts. Il existe au moins trois autres moyens pour fournir un courant moyen constant aux cellules d'électrolyse dédiées aux piscines personnelles (l'intervention manuelle n'est pas considérée car le système n'est pas entièrement autonorne) : • L'alimentation à découpage côté primaire ou secondaire. Exemple côté primaire À 5 (principe) selon figure 8 • Exemple d'alimentation à découpage côté secondaire (principe) selon figure 9 • L'alimentation par hachage à thyristor dont voici le résultat (principe) selon figure 10 Les alimentations traditionnelles qui alimentent les cellules d'électrolyse à sel pour les piscines personnelles utilisent soit une alimentation à découpage soit une alimentation par Za hachage à thyristor. Ces modes ont un rendement compris entre 70 et 80%. Prenons un exemple pour une piscine de 70 m3. Selon l'explication vue dans la description générale de la cellule, 7 ampères minimum sont nécessaires pour produire 14 grammes de chlore. En choisissant le mode de câblage des plaques de titane de cette manière : une plaque de titane interposée entre 2 plaques alimentées. Pour une eau salée à 3 grammes par litre, 2,5 l'impédance de l'eau salée vue du côté de la cellule est d'environ 1,8 ohm (ceci est une moyenne sachant que la minéralisation de l'eau qui sert au remplissage de la piscine est variable). La puissance nécessaire pour produire le chlore utile à ce volume est de 90 watts. En prenant pour référence le fait qu'une électronique de puissance a un rendement d'environ 75%, la puissance minimum dont il faut disposer est de 120 watts. De ce fait 30 watts 3o (l'équivalent d'un fer à souder) sont dispensés en pure perte. L'invention dont le fonctionnement est décrit ci-dessous permet de résoudre le problème de la puissance dissipée excessive parce que l'électronique de puissance possède la particularité de dissiper peu d'énergie. Tout d'abord, l'invention s'appuie sur la technologie existante en effectuant des choix techniques évidents qui sont : 3 5 1. l'utilisation de 2 diodes shottky pour le redressement, 2. l'utilisation d'un transformateur torique à point milieu. Le redressement bi alternances ainsi confié à 2 diodes plutôt que 4, a pour effet de diviser la puissance dissipée des diodes par 2. Mais la particularité inventive repose davantage sur le mode opératoire. La figure 1l montre comment se présente un redressement bi alternance 1 o normale. De cette figure il est facile de comprendre qu'il est impossible d'opérer une 2908138 6 régulation en courant si ce n'est en abaissant la tension et par conséquent en disposant d'un variostat très coûteux ou alors d'un transformateur à plusieurs sorties. Mais dans ce cas il n'y a pas de régulation moyenne et automatique du courant à faible coût. Il faut faire intervenir de nombreux composants. G; L'invention réside dans le mode opératoire choisi pour la régulation qui est différent. Puisque le courant moyen qui circule dans la cellule doit être constant et indépendant de la quantité de sel, il est prévu de réaliser la régulation par la suppression de demi-sinusoïdes redressées du côté de la basse tension (côté secondaire du transformateur). Comme la figure 12 le montre, le contrôle du courant moyen s'effectue par suppression de demi-sinusoïdes. Afin de ne pas déséquilibrer le transformateur torique, ce qui induirait une surchauffe, des paires de demi-sinusoïdes sont ôtées. Cette sélection est déterminée par un microcontrôleur qui mesure le courant moyen qui circule dans la cellule d'électrolyse. Le début de la sinusoïde est détecté par le microcontrôleur grâce à une diode et à un ampli à fort gain. Cet événement crée une interruption logicielle qui met en oeuvre un trimer. Il est possible de déterminer très exactement Ag quand la 2eme demi-sinusoïdes redescendra à zéro. Le microcontrôleur pilote un Mosfet de puissance qui s'ouvre ou se ferme seulement lors du passage à zéro de la paire de demi-sinusoïdes selon que la valeur moyenne est atteinte ou pas. De ce fait la dissipation par commutation est réduite à presque zéro. La commutation ne se fait au maximum que 50 fois par seconde et, ne se fait que lorsque la valeur de la tension redressée est à zéro. Le rendement zo de l'alimentation augmente de manière tellement significative qu'il est possible d'intégrer l'électronique de commande dans la cellule. Ce mode choisi réduit le coût du montage : 1. parce que le nombre de composants est réduit à son minimum 2. parce qu'il n'y a pas de protection particulière par le fait qu'il est sans rayonnement parasite et qu'il n'est pas conséquent pas utile de prendre des protections 25 indispensables comme avec les alimentations à découpage, à hachage à thyristor ou impulsionnel. En reprenant le même exemple, et sur la base du même transformateur torique, l'économie réalisée est supérieure à 25 watts, soit un rendement supérieur à 95%. La durée de vie de la cellule est dépendante de la conception des plaques de titane. Elle est supérieure à 10 000 heures. Ce qui fait une économie proche de 250KW pour l'exemple choisi. Le mode opératoire de l'électronique de puissance 1. économise de l'énergie 2. réduit le coût d'un appareil destiné à l'électrolyse au sel. L'intégration de l'électronique avec la chambre d'électrolyse au sein d'un même boîtier est 3S désormais possible pour un faible coût. Le surdimensionnement utile du transformateur qui dispensait de l'énergie en pure perte peut satisfaire les pointes d'intensité qui apparaissent par ce type de régulation. 2908138 7 Dissipation thermique des diodes Il reste à résoudre la dissipation thermique des diodes et la dissipation thermique du transformateur torique. L'autre particularité qui répond à plusieurs objectifs est le montage des composants shottky. Ces 2 composants fournissent de l'énergie. Il s'agit des 2 diodes de redressement. Malgré leur tension de seuil faible elles dissipent néanmoins : I * 0,5 * racine de 2. La tension de seuil est compris entre 0,3 et 0,5 volt. Par conséquent, les deux diodes Shottky sont fixées sur la plaque titane extérieure et ce pour 2 raisons : 1. la diode dissipe ses calories sur la plaque de titane qui sont à leur tour absorbées par l'eau qui circule le long des parois de la plaque. 2. un arrêt de fonctionnement du débit, va faire augmenter la température de l'eau qui se trouve en surface des plaques de titane pour 2 raisons : a. la réaction chimique d'électrolyse qui se poursuit b. les deux diodes qui fournissent le courant redressé dissipent leurs calories L'intérêt est de permettre au composant noyé dans la résine (Figure 2, E) et à proximité des diodes, de détecter l'élévation anormale de température dans un delta T compris entre 15 et 45 secondes (le microcontrôleur effectue les relevés de température de manière cyclique, les stocke dans une mémoire à buffer tournant et détermine le delta T à prendre en considération). Cette élévation de température se traduit par le composant en une tension continue qui change. Celle-ci est détectée par le microcontôleur qui l'interprète et provoque l'arrêt de l'alimentation des plaques de Titane en mettant le Mosfet de commande à OFF. En effet, il est impossible que la température de l'eau d'une piscine s'élève de + 1 degrés dans le delta T. Ainsi, en disposant les diodes sur les plaques d'électrolyse, non seulement elles absorbent ses calories, mais en plus on permet au système de détecter un arrêt de circulation d'eau. Comportement du transformateur torique dans le monobloc Puisque le transformateur torique est noyé dans la résine et que l'eau circule dans le système monobloc, les calories en provenance du transformateur sont également absorbées par la cellule d'électrolyse. Selon le transformateur torique utilisé (piscine de volume supérieur à 50 m3), le système sera associé à une plaque d'aluminium qui uniformisera la température et ramènera une partie des calories à proximité de la cellule d'électrolyse pour être évacuées. Si le modèle est prévu pour fonctionner en eau de mer, il y a une modification qui est apportée' : 1. la cellule a un transformateur torique à deux enroulements sur le primaire. Quand le courant fourni au secondaire dépasse la capacité du transformateur, c'est que la résistance de l'eau est devenue très faible à cause de la quantité de sel. Cette salinité a été détectée et le microcontrôleur pilote un relais qui va positionner l'alimentation électrique sur son enroulement le plus grand. Par conséquent, la tension de sortie est désormais acceptable pour que le courant délivré puisse être à nouveau piloté. Le surcoût moyen de 4 euros pour le transformateur est très largement amorti par l'économie de composants et l'économie énergétique. 2908138 8 Algorithme de commande pour suppression de paire de demi-sinusoïdes Les mesures sont réalisées par un convertisseur analogique numérique. 10 mesures seront effectuées par le programme d'interruption du CAN. Dans le programme principal 5 consigne = lire valeur consigne Paramétrer Timer pour 4 interruptions pour 20millisecondes Dans le programme INTO qui concerne la détection début de sinusoïde Mettre en marche Timer Compteur= 0 ; ..lp Dans le programme IT Timer Si compteur = 0 : lancer mesures valeur courant ; compteur++ Si compteur = 1 : (effectuer la moyerme) valeur courant = mesures / 10 ; compteur++ Si compteur = 2 : réservé ; compteur++ Si compteur = 3 : si valeur courant > consigne : MOSFET = OFF ; Sinon MOSFET = ON Stop IT Timer Schéma de principe de l'électronique de commande. Le Schéma de principe de l'électronique de commande et de puissance de la cellule est représenté figure 13. Le Mosfet est piloté par le microprocesseur. On voit distinctement que zp ce Mosfet a une double fonction : sécurité et On/Off pour supprimer les demi-sinusoïdes. Boîtier Le boîtier représenté par la figure 2 est inférieur à 160mm pour la côte la plus petite et inférieur à 220 mm pour la côte la plus longue . Pour minimiser les coûts de production, des éléments standards courants sont utilisés comme par exemple un T et un raccord union de .2.5 diamètre 50mm. Il y a 4 types de boîtiers dont 2 feront l'objet d'un dépôt de modèle. Celui-ci est un exemple. La figure 4 illustre bien le fait que la dimension peut être ramenée à la taille du transformateur torique qui fournit son énergie, taille plus l'épaisseur du boîtier et des espaces nécessaires au positionnement des câbles d'entrée de l'alimentation, des connecteurs de mesure, de ce qui est ;3o nécessaire au raccordement à la chambre de mesure pour permettre la circulation de l'eau. Dans ce boîtier la chambre d'électrolyse est rectangulaire. Revendications 1. Méthode d'électrolyse caractérisée en ce que la régulation du courant moyen qui circule dans la cellule d'électrolyse est réalisée en supprimant des demi-sinusoïdes redressées après le secondaire du transformateur 2. Méthode d'électrolyse selon la revendication 1, caractérisée en ce que la régulation est réalisée par un microcontrôleur qui effectue les étapes suivantes : • Détection du début de la sinusoïde et mise en oeuvre d'un timer • Mesure du courant moyen • Détermination de l'instant ou la deuxième demi-sinusoïde redescend à zéro grâce au timer • Commande d'un Mosfet de puissance qui s'ouvre ou se ferme seulement lors du passage à zéro de la paire de demi-sinusoïde selon que la valeur moyenne du courant est atteinte ou pas 3. Dispositif d'électrolyse pour la mise én oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce qu'il comporte • Une chambre d'électrolyse constituée de plaques de titane • Un système d'alimentation 4. Dispositif d'électrolyse selon la revendication 3 caractérisé en ce que le système d'alimentation comporte • Un transformateur torique • Un microcontrôleur • Des moyens de mesure de courant • Des moyens de mesure de la température • Des moyens de transfert de calories • Des moyens de commutation , 5. Dispositif d'électrolyse selon la revendication 3 caractérisé en ce que sur les plaques de la chambre sont fixées les 2 diodes de redressement. 6. Dispositif de sécurité de l'électrolyse selon la revendication 3 caractérisé en ce que la\ mesure de la température s'effectue sur la plaque ou est fixée la diode et que cette élévation de température est représentative d'un arrêt débit 7. Dispositif d'électrolyse selon la revendication 4 caractérisé en ce que les moyens de commutation consistent en un transistor Mosfet 8. Dispositif d'électrolyse selon la revendication 4 caractérisé en ce que la plaque d'aluminium transfère les calories du transformateur vers la chambre d'électrolyse 9. Dispositif de traitement de l'eau de piscine caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un dispositif d'électrolyse selon les revendications 3 à 8