Brevet FR2908954A1 — publié le 20080523

DESCRIPTIF TECHNIQUE La présente invention concerne les procédés utilisant les plasmas non thermiques, encore appelés plasmas hors équilibre ou décharge CORONA pulsée qui peuvent être utilisée pour dissocier les molécules d'oxygène et d'azote de l'air conduisant soit à une stimulation de la réaction d'oxydation grâce à la création d'oxygène atomique excité (hyper oxydant), soit à la création d'azote atomique capable de réduire certains oxydes comme par exemple les Nox présents dans les gaz de combustion. Dans les systèmes connus de ce genre, on provoque apparition de streamers dans l'air soit par intensification locale du champ électrique grâce à des géométries adaptées (fils, pointes, lames) soit par l'exploitation d'un mécanisme bien connu de claquage dans les appareils à haute tension où il est très néfaste ; le point triple interface métal, isolant, air. Par exemple le brevet N GB2003003910-2003-09-09 décrit un réacteur exploitant ce principe.Tous les systèmes précédent ont en commun de nécessiter une alimentation impulsionnelle à temps de montée très bref car c'est dans cette phase, pendant laquelle les streamers se forment et se déplacent, qu'il y a émission d'électrons d'énergie assez élevée pour ioniser les molécules gazeuses. Pour réaliser ces impulsions, les systèmes connus de ce genre utilisent des générateurs à base de switches de type éclateur (à gaz ou à liquide) qui ont l'inconvénient d'être peu fiables et surtout d''avoir une durée de vie très limitée. ce qui est généralement incompatible avec les exigences des process industriels dans lesquels il faut souvent des durées de vie de plusieurs années en fonctionnement 24 heures sur 24. Le dispositif suivant l'invention évite cet inconvénient puisqu'il permet des durées de vie quasi illimitées. L'invention concerne un générateur de plasmas non thermique comportant un réacteur à décharge CORONA pulsée et un générateur d'impulsion à switching magnétique. Suivant une autre caractéristique, les points triples sont réalisés par dépôt de céramique ou de diélectrique quelconque sur des fils ou des plaques métalliques dans lesquelles ont été ménagés des canaux convenablement gravés dans le métal. Suivant une autre caractéristique, le générateur d'impulsion (2) comporte deux condensateurs identiques (C et C") connectés en série et chargés en parallèle par un générateur d'impulsion convenable avantageusement au moyen d'un transformateur (T) via une chaîne de diodes (D) pour ce qui concerne le condensateur à la sortie (C") et dont l'autre condensateur C est connecté aux bornes d'un switch magnétique Ls. Suivant une autre caractéristique, le réacteur (1) est de structure hi-filaire avec des formes convenables pour approcher au mieux et embrasser la flamme d'un brûleur quelconque. Suivant une autre caractéristique, le dispositif suivant l'invention est utilisé soit pour la destruction des composés organiques volatiles (COV) présents dans l'air en vue. notamment, de 2908954 -, G le purifier, soit pour allumer et maintenir allumée la flamme de divers brûleurs. y compris 40 lorsque le mélange combustible est très pauvre. L'invention sera de toute façon mieux comprise à partir des explications qui vont suivre, référencées aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente très schématiquement l'invention et ses deux parties : la figure 2 représente une réalisation associant un réacteur à plaques et un générateur d'impulsion à switching magnétique doubleur la figure 3 représente 45 une batterie de réacteurs à fil et la figure 4 représente un réacteur de type hi-filaire immergé dans une flamme. Ainsi qu'il a été dit, l'invention consiste à associer deux dispositifs connus. le réacteur CORONA pulsé (1) avec un générateur d'impulsion à switching magnétique. technologie très performante aussi connue sous le terme de compression magnétique . C est véritablement 50 l'association de ces deux techniques qui donne tout son intérêt à l'invention. Suivant un premier mode préféré de réalisation de l'invention, on associe un réacteur à fil-cylindre (1) à un générateur classique à compression magnétique (2) capable de délivrer une impulsion de 50 à 1 50 kV suivant la capacité de traitement recherchée ayant u front avant de 5 à 30 ns contenant une énergie de 0,1 à 10 Joules et dont la fréquence de récurrence peut aller de 55 100 à 4000Hz. Son fonctionnement peut être facilement compris en se reportant à la figure 1. Le réservoir primaire d'énergie (C1) est chargé en mode résonant par le switch (Thl) via l'inductance (L). Ce switch peut être un thyristor, un 1GBT ou un MOSFET de puissance. Le courant de charge de C1 a aussi pour effet de démagnétiser et de pré-polariser magnétiquement le transformateur (T) ainsi que la chaîne d'inductances saturables (Lsi, Ls2, ...). Dès que la charge 60 de C1 est terminée, on active le deuxième switch (Th2) qui peut être de même nature que le précédent. Ainsi (Ci) se décharge en mode résonant via l'inductance de fuite du transformateur (T) dans le condensateur à haute tension (C2). Le transformateur (T) de rapport n l a pour rôle essentiel d'élever la tension. Son rapport de transformation peut aller de 10 à 100, accessoirement il permet d'isoler galvaniquement le circuit primaire. généralement lié au réseau, 65 du circuit secondaire référencé à la terre. Pendant la charge de (C2), l'inductance saturable (Lsi) est polarisée par la tension sinusoïdale V de charge de (C2). Un faible courant traverse Lsi en raison de sa valeur élevée. On ajuste son dimensionnement c'est à dire son nombre de tour N, sa section S de matériau ferromagnétique (fer-silucium. ferrite, matériau amorphe au nanocristallin présentant une variation d'induction (AB = Bsat ù [3t) de sorte que l'inducta nce se sature au 70 moment précis où la charge résonante de (C2) avec une période F se termine. ce qui revient à satisfaire la relation : f Vc/t=l =NSAB. Lorsque Lsi se sature. son inductance devient beaucoup phis faible (jusquà 1000 ou 1000 fois plus faible) ce qui provoque la décharge de C2 2908954 dans C3 mais cette fois beaucoup plus rapidement c'est à dire avec une période f, de 4 à 20 fois plus faible. Généralement dans le soucis d'un rendement optimal, on adopte la règle 75 C2=Cin2=C3...Cn. Dès lors, aux pertes près, la tension de charge de C3 est égale à V et il y a conservation de la charge électrique lors de ce transfer. On peut donc remarquer que si une même charge est transférée de 4 à 20 fois plus vite, ceci constitue une compression du temps (d'où le terme de compression magnétique) et en conséquence une multiplication en rapport inverse du courant, donc de la puissance, ce qui est le but fondamental d'un générateur 80 d'impulsion. On peut ainsi placer en cascade une série d'étages ; il y en a deus sur la figure l mais on pourrait en avoir beaucoup plus et en trouver en amont du transformateur (T) comme c'est, par exemple le cas, sur la figure 2. Le réacteur (1) est constitué d'une enceinte métallique externe connectée à la terre avantageusement de forme cylindrique sur l'axe de laquelle est tendu un fil métallique de tungstène ou d'inox au moyen de supports isolants. non représentés, 85 capables de supporter les tensions V de 50 à 200 kV que peut délivrer le générateur d'impulsion (2), le champ électrique E régnant sur le fil est donné par la formule : E= I/ rlagn Rlr avec R = rayon de l'électrode et r = rayon du fil. On voit que le champ à la surface du fil est d'autant plus intense que r est faible. Prenons un exemple correspondant à un usage fréquent : V=100kV, r=0,1mm, R=30mm ; On voit que le champ atteint 1.75 108V.m-1 soit encore 1,75 90 MV Cm-'. A ces valeurs, l'air s'ionise instantanément par effet de champ et une gaine se forme autour du fil. Ce phénomène, connu en électrostatique depuis très longtemps_ porte le nom d'effet CORONA. On a conservé ce terme pour les décharges qui nous occupent. bien que les mécanismes soient ici très différents, car ici à partir du plasma superficiel, des streamers, sorte de langues de plasma, vont partir du fil et se propager à très haute vitesse en direction de 95 l'électrode (6). Pendant ce temps de transit de quelques nanosecondes. l'interface plasma-gaz neutre, qui est soumise à un champ intense va émettre des électrons qui vont être accélérés par ce champ sur la distance d'un libre parcours élémentaire et ainsi atteindre des énergies de quelques dizaines d'eV, suffisantes pour dissocier les molécules de O2 et/ou de N2 qui vont ainsi donner naissance à des atomes excités extrêmement réactifs. 100 Suivant un autre mode préféré de réalisation de l'invention donné. là encore. titre indicatif et bien entendu nullement limitatif, on utilise un générateur de type doubleur auquel est couplé un réacteur à plaques sur lesquelles on a avantageusement placé des structures isolant/métal destinées à multiplier les points triples et ainsi multiplier les points de départ de streamers. Le fonctionnement du générateur d'impulsions peut: être compris de la façon suivante : dès la mise 105 en conduction du thyristor (Thi). le condensateur Ci se charge en résonance puis. à la saturation de Ls3. se décharge via le transformateur (T) dans les condensateurs à haute tension C et C", La 2908954 4 charge de C est directe tandis que la charge de C" se réalise grâce à la chaine de diodes (D) en nombre suffisant pour supporter la tension de sortie, soit le double de la tension de charge, par exemple 601(V. L'inductance saturable Ls4 est dimensionnée de telle sorte qu'elle se sature juste 110 à l'instant de la fin de charge. On détermine ainsi en fonction de la tension de charge VO. qui s'effectue en mode résonant avec une période T, la section S du noyau ferromagnétique caractérisé par une excursion magnétique AB ainsi que le nombre de tours N, grâce à la relation : fi/2 =NSAB. Pour une meilleure compréhension, prenons à titre indicatif et bien entendu nullement limitatif l'exemple numérique suivant fondé sur l'utilisation d'un noyau 115 nanocristallin à base fer ayant une excursion efficace AB = L5 T et un nombre de tour N = 1, si on charge à une tension VO afin d'obtenir en sortie une impulsion de 60 kV et si la période de charge vaut T=200 ns, on obtient en appliquant la relation ci-dessus, la valeur de S soit : S=10cm2. Pour réaliser cette inductance, on pourra avantageusement empiler 10 tores de diamètre intérieur 15mm et de diamètre extérieur 35mm. Ce générateur est couplé à un réacteur à 120 plaques. Il alimente en haute tension impulsionnelle, par exemple de 60kV avec une durée de 100 à 200ns ayant un front avant raide (avantageusement avec un front de montée inférieur à 20ns) un peigne de plaques (3) possédant des incrustations de diélectrique sur les deux faces, qui s'intercale entre les lames d'un deuxième peigne (4) relié à la terre. La circulation de l'air à traiter s'effectue au moyen d'un ventilateur convenable pour assurer sa circulation entre les 125 plaques. Suivant un autre mode préféré de réalisation de l'invention, le générateur d'impulsion alimente une batterie de réacteur fil (7) ù tube (6), ces derniers étant empilés de façon la plus compacte possible. Pour cela. on peut par exemple, empiler des tubes carrés (6) comme schématisé sur la figure 3. Suivant l'axe de ces tubes on tend axialement des fils (7) qui sont tenus à leurs deux 130 extrémités par des plaques (8) reliées à la sortie du générateur d'impulsions. Avantageusement les fils métalliques de faible diamètre, par exemple de 0,5 à lmm. sont tapissés d'incrustations de faible épaisseur de diélectriques (9) de façon à former une grande quantité de points triples desquels se forment les streamers dans l'air qui traverse les tubes axialement. Suivant un dernier mode préféré de réalisation de l'invention, donné là encore à titre purement 135 indicatif et aucunement limitatif, on utilise la décharge CORONA initiée dans le réacteur (1) en vue d'allumer, de réallumer ou d'entretenir une flamme (10) sortant d'un brâileur (11) (voire figure 4). Ceci est intéressant dans tous les cas où on veut assurer la combustion d'un mélange pauvre qui présente généralement l'inconvenient de ne pas pouvoir s'auto-entretenir. On sait en effet que pour assurer la stabilité d'une flamme en sortie de brûleur, il faut injecter un excès de 140 carburant ce qui a cieux inconvénients majeurs : 1) un mauvais rendement énergétique puisque 2908954 5 tout le carburant nest pas brûlé et 2) une température de flamme trop élevée ce qui produit des Nox et donc pollue. Le réacteur (1) constitué par exemple de deux fils parallèles (12) et (13) disposés à proximité du volume occupé par la flamme (l0) sans toutefois se trouver immergés dans celle-ci. 145 L'invention peut être utilisée : 1) pour la purification de l'air par combustion de composés organiques volatiles (COV) et aussi par réduction de certains oxydes par exemple les Nox. 2) Pour l'assistance des flammes de brûleurs divers (chaufferies, fours. moteurs d'avions à réaction) mais aussi pour remplacer les bougies dans les moteurs à explosion. REVENDICATIONS 1 - Générateur de plasmas non thermiques caractérisé en ce qu'il comporte un réacteur à décharge CORONA pulsée (1) et un générateur d'impulsion à switching magnétique (2). 2 - Dispositif suivant la revendication l caractérisé en ce que les points triples sont réalisés par dépôt de céramique ou de diélectrique quelconque sur des fils ou des plaques métalliques 10 dans lesquelles ont été ménagés des canaux convenablement gravés dans le métal 3 û Dispositif suivant les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le generateur d'impulsions (2) comporte deux condensateurs identiques (C et C") connectés en série et chargés en parallèle par un générateur d'impulsion convenable avantageusement au moyen d'un transformateur (T) via une chaîne de diodes (D) pour ce qui concerne le condensateur 15 connecté à la sortie (Cl et dont l'autre condensateur (C) est connecté aux bornes d'un switch magnétique (Ls). 4 ù Dispositif suivant les revendications 1, 2 et 3 caractérisé en ce que le réacteur (l) est de structure bi-filaire forme convenable pour approcher au mieux et embrasser la flamme d'un brûleur quelconque. 20 5 ù Dispositif suivant l'une quelconque des revendications de 1 à 4 caractérisé en ce qu'il est utilisé soit pour la destruction des composés organiques volatiles (COV) présents dans l'air en vue notamment de le purifier, soit pour allumer et pour maintenir la flamme de divers brûleurs, y compris lorsque le mélange combustible est très pauvre.