Brevet FR2945214A1 — publié le 20101112

Dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets La présente invention concerne un dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets destiné à la réalisation de traitements tels que la désinfection de fluides, leur inactivation et la dégradation des matières organiques qu'ils renferment sous l'action d'une lampe à ultraviolets; elle a plus précisément trait à un tel dispositif UV capable d'irradier uniformément les liquides à traiter avec des rayons ultraviolets tout en réalisant les conditions d'une maintenance facilitée. Dans la technique divulguée par la demande de brevet japonais n°2005-534475 publiée non examinée basée sur la demande internationale (technique antérieure 1), une lampe à rayons ultraviolets est implantée extérieurement à un conduit parcouru par un fluide. Les rayons ultraviolets délivrés par la lampe UV sont concentrés par une paire de réflecteurs de manière à venir frapper à bon rendement le fluide qui s'y écoule. Cette technique antérieure 1 dévoile ainsi une structure à réflecteurs disposés autour d'un conduit. Or, les difficultés rencontrées dans cet agencement pour augmenter la taille (le diamètre) du conduit ont l'inconvénient de limiter la quantité de fluide à traiter au détriment du rendement de traitement. Par ailleurs et outre les exigences en temps et efforts qu'imposent la conception des réflecteurs et leur réglage, toute augmentation du nombre de lampes UV en vue d'accélérer le traitement aboutit à une augmentation de encombrement du système d'ensemble dont les réflecteurs eux-mêmes doivent être agrandis en conséquence. L'invention a donc pour objet de proposer un dispositif d'irradiation capable d'irradier uniformément les liquides à traiter avec des rayons 30 ultraviolets tout en améliorant la maintenabilité. La figure 1 est une vue en perspective conceptuelle illustrant un mode de réalisation du dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe latérale du dispositif d'irradiation par 5 rayons ultraviolets de la figure 1. La figure 3 est une vue en coupe latérale du dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets de la figure 1. 10 La figure 4A est une représentation schématique descriptive du mode de réflexion auquel le réflecteur soumet les rayons ultraviolets émis par la lampe à rayons ultraviolets de la figure 3. La figure 4B est un schéma descriptif de l'intensité lumineuse des rayons ultraviolets à différentes profondeurs dans l'eau. 15 La figure 5 est un diagramme descriptif de la transmittance dans l'eau de rayons ultraviolets de différentes longueurs d'onde. La figure 6 est un diagramme descriptif d'un exemple de distribution 20 d'intensité lumineuse à 254 nm des rayons ultraviolets émis par la boîte à lumière. La figure 7 est une représentation schématique décrivant la relation entre différentes intensités lumineuses des rayons ultraviolets et la forme du 25 récipient de traitement, en fonction de la profondeur dans l'eau à traiter selon l'invention. La figure 8 est un schéma descriptif illustrant un autre mode de réalisation du dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets selon l'invention. 2 Les figures 9A et 9B sont des schémas illustrant la relation entre l'intensité lumineuse des rayons ultraviolets sous la surface de l'eau à traiter et la géométrie du récipient de traitement. L'invention est décrite ci-après en plus amples détails dans ses modes de réalisation préférentiels, en référence aux figures annexées. Les figures 1 à 3 illustrent un mode de réalisation du dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets selon l'invention. La figure 1 en est une vue en perspective conceptuelle, dont la figure 2 propose une vue en coupe latérale; la figure 3 est une vue en coupe partielle suivant le plan IûI' de la figure 2. Comme l'indiquent les figures 1 et 2, le dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets 100 associé à ce mode de réalisation est constitué par une boîte à lumière 11 émettant des rayons ultraviolets et par un récipient de traitement 15 servant par exemple à désinfecter l'eau du robinet sous l'action de ces rayons ultraviolets. En forme de caisson, la boîte à lumière 11 fait place à sa base à une ouverture 14. Une lampe à rayons ultraviolets 12 capable d'émettre des rayons ultraviolets de longueur d'onde comprise entre 180 et 400 nm est installée à l'intérieur de la boîte à lumière 11. Un réflecteur 13 est monté face à l'ouverture 14 en arrière de cette lampe UV 12. Ce réflecteur 13 va alors réfléchir vers l'ouverture 14 les rayons ultraviolets que la lampe UV 12 aura émis dans la direction opposée à cette dernière. La lampe UV 12 doit simplement pouvoir émettre des rayons ultraviolets de longueur d'onde comprise entre 180 et 400 nm. À titre d'exemple, il pourra ainsi s'agir aussi bien d'une lampe à décharge haute pression que d'une lampe tubulaire sans électrodes contenant une substance dont l'excitation par des micro-ondes produit des rayons ultraviolets. 3 Le récipient de traitement 15 schématisé sur les figures 1 à 3 est réalisé dans un matériau résistant à la corrosion tel qu'un acier inoxydable par exemple. Ce récipient de traitement 15 qui se présente sous la forme d'un prisme triangulaire renversé sur le côté revêt une géométrie dans laquelle l'une de ses trois faces, coïncidant avec l'ouverture 14, regarde vers le haut et l'arête (fond 15a) qui lui est opposée en occupe la position basse. Il accueille une zone de traitement 16 dans son espace intérieur. Un orifice d'arrivée d'eau 17 par lequel l'eau à traiter est admise dans la zone de traitement 16 est pratiqué dans la face du récipient de traitement 15 qui correspond à l'une des bases du prisme triangulaire. De la même façon, la face correspondant à son autre base reçoit un orifice de sortie d'eau 18 par lequel est évacuée l'eau traitée dans la zone de traitement 16. Les orifices d'arrivée et de sortie d'eau 17 et 18 sont respectivement raccordés à une canalisation d'alimentation d'eau à traiter (non représentée) et une canalisation d'évacuation de l'eau traitée dans la zone de traitement 16 (non représentée). Or, ces orifices d'arrivée et de sortie d'eau 17 et 18 sont respectivement implantés à proximité du fond 15a du récipient de traitement 15 et de sa partie supérieure 15b (face latérale du prisme triangulaire opposée au fond 15a). Dans cette configuration, l'eau à traiter introduite par son orifice d'arrivée 17 accède à son orifice de sortie 18 en empruntant un cheminement à deux niveaux, l'un situé en profondeur dans le récipient de traitement 15 et l'autre à faible profondeur. Une fenêtre 15c de taille adaptée à l'ouverture 14 de la boîte à lumière 11 est aménagée sur la partie supérieure 15b du récipient de traitement 15 (face du prisme triangulaire opposée au fond 15a, coïncidant avec l'ouverture 14). Cette fenêtre 15c est pourvue d'un matériau perméable aux rayons ultraviolets 19, le verre de quartz par exemple. Dans ces conditions, la lampe UV 12 irradie la zone de traitement 16 avec les rayons ultraviolets ayant traversé ce matériau 19 qui leur est perméable. 4 Dans le dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets ainsi constitué, l'eau à traiter admise dans la zone de traitement 16 par son orifice d'arrivée 17 est irradiée à la fois par la fraction des rayons ultraviolets émis par la lampe UV 12 qui vient directement frapper cette zone de traitement 16 à travers le matériau perméable aux UV 19 et par la fraction réfléchie par le réflecteur 13 qui lui est jointe et qui vient aussi frapper cette zone 16 à travers ce même matériau 19. Les figures 4A et 4B sont des schémas descriptifs de l'intensité lumineuse 10 des rayons ultraviolets en fonction de la profondeur dans l'eau, dans le cas où l'eau du robinet constitue le liquide à traiter. La figure 4A modélise l'état d'irradiation qui découle de l'émission directe par la lampe UV 12 de la figure 3 de rayons ultraviolets émis à 254 nm et de 15 leur réflexion par le réflecteur 13. La droite IIùII' tracée sur cette figure matérialise le niveau d'eau dans le récipient de traitement 16. La figure 4B rapporte à la profondeur dans l'eau à traiter l'intensité lumineuse des rayons ultraviolets irradiés dans la zone de traitement 16 à partir de la boîte à lumière 11. 20 La figure 4B précise, pour l'intensité lumineuse dans le plan IIùII' (au niveau de la surface d'eau) prise à 100%, la manière dont s'y distribuent en-dessous (sous la surface de l'eau) les intensités lumineuses ramenées à 80, 60 et 20% des rayons ultraviolets émis directement à 254 nm par la lampe UV 12 25 et de ceux de 254 nm réfléchis par le réflecteur 13. On sait que l'intensité lumineuse dans l'eau décroît de manière exponentielle suivant la loi de Lambert-Beer. Le diagramme de la figure 5 transcrit graphiquement la transmittance dans l'eau du robinet de rayons 30 ultraviolets émis aux longueurs d'onde de 240 nm, 260 nm, 280 nm et 300 nm en fonction de la profondeur dans l'eau. 5 Or, le récipient de traitement 15, ainsi qu'il a été indiqué précédemment, se présente sous la forme d'un prisme triangulaire renversé sur le côté (agencement dans lequel les deux bases du prisme triangulaire sont disposées latéralement) et dont l'arête opposée à la face supérieure en constitue la partie basse. La description suivante, faite en référence aux figures 6 et 7, porte sur les relations qui s'établissent entre l'irradiation des rayons ultraviolets dirigée vers l'intérieur du récipient de traitement 15 et sa géométrie. La figure 6 représente un exemple de distribution d'intensité lumineuse des rayons ultraviolets émis à 254 nm qui irradient le récipient de traitement 15 depuis la boîte à lumière 11. La figure 7 transcrit graphiquement les relations entre différentes intensités lumineuses UV et la géométrie du récipient de traitement, en fonction de la profondeur dans l'eau à traiter selon l'invention. La figure 7 associe au repère [a] la géométrie du récipient de traitement 15 qui permet d'assurer une intensité lumineuse d'au moins 20 mW/cm2 dans l'eau du robinet irradiée dans la zone de traitement 16 avec les rayons ultraviolets émis par la lampe UV 12 et présentant la distribution d'intensité lumineuse de la figure 6. De même, le repère [b] correspond à la géométrie du récipient de traitement 15 pour laquelle est assurée une intensité lumineuse d'au moins 10 mW/cm2. En d'autres termes, le recours à un récipient de traitement 15 de géométrie [a] en désinfection d'eau du robinet par des rayons ultraviolets d'intensité lumineuse égale ou supérieure à 20 mW/cm2 permet à l'ensemble de la zone de traitement 16 d'être irradiée à l'intensité lumineuse requise. En désinfection d'eau du robinet par des rayons ultraviolets d'intensité lumineuse égale ou supérieure à 10 mW/cm2, il est ainsi possible, en conférant la géométrie [b] au récipient de traitement 15, d'irradier tout l'espace de la zone de traitement 16 avec des rayons ultraviolets d'intensité lumineuse 6 requise. En outre, l'adoption pour le récipient de traitement de la géométrie [a] permet par rapport à la géométrie [b] de doubler l'intensité lumineuse UV garantie en cas d'irradiation totale de la zone de traitement 16 par des rayons ultraviolets d'intensité lumineuse égale ou supérieure à 10 mM/cm2. Ainsi le temps de traitement unitaire de l'eau aux intensités lumineuses UV d'au moins 10 mM/cm2 peut-il être réduit de moitié en adoptant la géométrie [a] au lieu de la géométrie [b]. Des traitements d'eau adaptés peuvent dès lors être réalisés à partir de rayons ultraviolets délivrant l'intensité lumineuse nécessaire dans l'intégralité de la zone de traitement 16. De la sorte, l'eau du robinet affluant dans le récipient de traitement 15 par son orifice d'arrivée 17 peut être traitée en toute certitude grâce à la possibilité d'obtenir des rayons ultraviolets délivrant, à l'échelle de la zone de traitement 16, l'intensité lumineuse souhaitée nécessaire au bon déroulement du traitement. De plus, l'orifice d'arrivée d'eau 17 étant situé en position basse du récipient de traitement 15 et l'orifice de sortie d'eau 18 en position haute, l'eau y est donc traitée à la fois dans sa portion de grande hauteur d'eau et dans sa portion de faible hauteur d'eau. Le traitement de l'eau peut donc être réalisé avec plus de certitude car l'eau à traiter l'est à la fois à un niveau bas sous la surface où l'intensité lumineuse des rayons ultraviolets est faible et à un niveau proche de celle-ci où l'intensité lumineuse des rayons ultraviolets est forte. L'eau traitée est donc évacuée par l'orifice de sortie 18 après avoir été traitée en toute fiabilité car elle parcourt uniformément un domaine à faible intensité lumineuse UV distant de la surface à proximité de l'orifice d'arrivée d'eau 17 et un domaine à forte intensité lumineuse UV proche de la surface, au voisinage de l'orifice de sortie d'eau 18. 7 En maintenance, ce mode de réalisation se prête à faciliter le remplacement de la lampe UV car celle-ci se trouve à l'extérieur du récipient de traitement, un tel agencement permettant au demeurant d'éviter que les débris provenant d'une éventuelle détérioration de la lampe UV ne pénètrent dans le récipient de traitement. À cela, il faut ajouter qu'en conférant à la zone de traitement du récipient de traitement une géométrie adaptée à la distribution d'intensité lumineuse à partir de la boîte à lumière, il est possible de soumettre la totalité de l'eau à traiter passant dans cette zone de traitement à l'action des rayons ultraviolets délivrant l'intensité lumineuse nécessaire, lui garantissant ainsi un traitement à la fois sûr et efficace. La figure 8 est un schéma descriptif illustrant un autre mode de 15 réalisation du dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets selon l'invention. Le récipient de traitement 15, équipant le dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets de ce mode de réalisation, possède une géométrie [c] adaptée au profil de distribution d'intensité lumineuse sous la surface de l'eau 20 du robinet qui correspond à l'intensité lumineuse désirée (au moins 10 mW/cm2 par exemple). Le récipient de traitement de la figure 8 se distingue de la géométrie [b] de la figure 7 par la présence au niveau du fond 15a du récipient de traitement 15 d'une partie plane 81 de forme adaptée à l'élargissement de la distribution d'intensité lumineuse des rayons 25 ultraviolets, mais aussi par la présence de secteurs légèrement inclinés 82a,82b au niveau des faces de ce même récipient de traitement 15. Dans ce cas, la possibilité d'adopter une géométrie de nature à maximiser le domaine de la zone de traitement 16 au sein duquel est obtenue une 30 intensité lumineuse des rayons ultraviolets d'au moins 10 mW/cm2 sous la surface quand l'eau du robinet admise dans le récipient de traitement 15 est frappée par des rayons ultraviolets émis à 254 nm, permet d'en augmenter la 8 capacité de traitement. Selon le même principe, on peut aussi concevoir une géométrie qui tendra à maximiser le domaine de la zone de traitement 16 dans lequel est obtenue une intensité lumineuse des rayons ultraviolets d'au moins 20 mW/cm2. Soit d (cm) la distance verticale de la surface de l'eau à traiter contenue dans la zone de traitement 16 au fond du récipient de traitement 15 qui lui est opposé (face inférieure du prisme triangulaire formant le récipient de traitement 15). Un traitement d'eau à bon rendement est possible si les conditions pour lesquelles l'expression suivante où A est l'absorbance (cm-1) par centimètre d'eau à traiter à la longueur d'onde d'émission des rayons ultraviolets, X l'intensité lumineuse nécessaire (mW/cm2) et Y l'intensité lumineuse à la surface de l'eau, peuvent être satisfaites. L'absorbance par centimètre à 260 nm s'établit à 0,0642 pour l'eau du robinet. dûA logo Les figures 9A et 9B représentent respectivement des récipients de traitement 151,152 de géométrie différente obtenus en sélectionnant convenablement l'intensité lumineuse des rayons ultraviolets dans l'eau à traiter d'après la profondeur dans l'eau, sur la base de leur distribution d'intensité lumineuse pour l'eau à traiter. Pour une même lampe UV 12, le récipient de traitement 15 peut être doté, en sélectionnant l'intensité lumineuse des rayons ultraviolets dans l'eau à traiter sur la base de conditions de traitement particulières, d'une géométrie adaptée ainsi que l'illustrent les figures 9A et 9B notamment, de manière à réaliser encore plus assurément un traitement d'eau de grande efficacité. X Y 9 La présente invention n'est pas circonscrite à ces seuls modes de réalisation puisque la géométrie de la zone de traitement du récipient de traitement 15 par exemple peut être adaptée au profil d'intensité lumineuse UV souhaité. De plus, la longueur d'onde d'émission de la lampe UV 12 a été prise à 254 nm à titre d'exemple, mais de semblables effets peuvent être obtenus en optant pour une géométrie de la zone de traitement 16 fondée sur l'intensité lumineuse UV souhaitée dès lors que les rayons ultraviolets sont émis sur l'intervalle des longueurs d'onde de 180 à 400 nm tenues pour efficaces en traitement de l'eau. Les géométries [a] et [b] du récipient de traitement 15 qui permettent d'assurer des intensités lumineuses sous la surface de l'eau d'au moins 20 mW/cm2 et d'au moins 10 mW/cm2 respectivement ont été données à titre d'exemple. En effet, la géométrie du récipient de traitement 15 du dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets 100 peut être étudiée librement en s'appuyant sur la distribution d'intensité lumineuse souhaitée. Par ailleurs, la concentration à laquelle ont été soumis les rayons ultraviolets émis par la boîte à lumière 11 a été donnée à titre d'exemple, ceux-ci pouvant très bien être diffus pour autant que soit obtenue dans l'eau à traiter l'intensité lumineuse UV souhaitée. La désinfection mais aussi l'élimination des matières organiques en suspension ou à l'état dissous sont autant d'exemples concrets de traitement d'eau. Par conséquent, l'invention concerne un dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets comprenant une boîte à lumière en caisson (11) dans la face inférieure de laquelle a été pratiquée une ouverture (14), une lampe à rayons ultraviolets (12) placée à l'intérieur de cette boîte à lumière et émettant des rayons ultraviolets à travers cette ouverture, un réflecteur (13) réfléchissant vers cette ouverture les rayons ultraviolets émis en sens opposé à cette ouverture, et un récipient de traitement (15) pourvu d'une zone de traitement (16) conçue de manière à recueillir l'eau à traiter et dans la partie 10 supérieure de laquelle, coïncidant avec l'opposé de l'ouverture de la boîte à lumière, est disposé un matériau perméable aux rayons ultraviolets (19) que ces derniers traversent, le dit dispositif étant caractérisé en ce que la zone de traitement possède une géométrie fondée sur la distribution d'intensité lumineuse des rayons ultraviolets nécessaire. En particulier, la zone de traitement (16) possède une géométrie telle que la distance verticale d (cm) de la surface de l'eau à traiter contenue dans la zone de traitement au fond du récipient de traitement (15) placé en regard de cette surface satisfait la relation: dû A logo i où A est l'absorbance (cm-1) par centimètre d'eau à traiter à la longueur d'onde d'émission des rayons ultraviolets, X l'intensité lumineuse nécessaire (mW/cm2) et Y l'intensité lumineuse à la surface de l'eau. Plus particulièrement, la zone de traitement (16) présente dans un plan horizontal distant de l'ouverture (14) une superficie plus resserrée que dans un plan horizontal proche de l'ouverture. Dans une mode de réalisation, le récipient de traitement (15) est percé d'un orifice d'arrivée d'eau (17) en position basse et, d'un orifice de sortie d'eau (18), en position haute, par lequel l'eau traitée est évacuée. X Y 11 REVENDICATIONS1. Dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets comprenant une boîte à lumière en caisson (11) dans la face inférieure de laquelle a été pratiquée une 5 ouverture (14), une lampe à rayons ultraviolets (12) placée à l'intérieur de cette boîte à lumière et émettant des rayons ultraviolets à travers cette ouverture, un réflecteur (13) réfléchissant vers cette ouverture les rayons ultraviolets émis en sens opposé à cette ouverture, et 10 un récipient de traitement (15) pourvu d'une zone de traitement (16) conçue de manière à recueillir l'eau à traiter et dans la partie supérieure de laquelle, coïncidant avec l'opposé de l'ouverture de la boîte à lumière, est disposé un matériau perméable aux rayons ultraviolets (19) que ces derniers traversent, le dit dispositif étant caractérisé en ce que la zone de traitement possède une 15 géométrie fondée sur la distribution d'intensité lumineuse des rayons ultraviolets nécessaire. 2. Dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de traitement (16) possède une géométrie telle 20 que la distance verticale d (cm) de la surface de l'eau à traiter contenue dans la zone de traitement au fond du récipient de traitement (15) placé en regard de cette surface satisfait la relation: dû A logo i où A est l'absorbance (cm-1) par centimètre d'eau à traiter à la longueur 25 d'onde d'émission des rayons ultraviolets, X l'intensité lumineuse nécessaire (mW/cm2) et Y l'intensité lumineuse à la surface de l'eau. 3. Dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le récipient de traitement (15) est percé d'un orifice X Y 12d'arrivée d'eau (17) en position basse et, d'un orifice de sortie d'eau (18), en position haute, par lequel l'eau traitée est évacuée. 4. Dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets (100) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la zone de traitement (16) présente dans un plan horizontal distant de l'ouverture (14) une superficie plus resserrée que dans un plan horizontal proche de l'ouverture. 5. Dispositif d'irradiation par rayons ultraviolets (100) selon la revendication 10 1, caractérisé en ce que la lampe à ultraviolets (12) émet des rayons ultraviolets de longueur d'onde comprise entre 180 et 400 nm. 13