Brevet FR2990142A1 — publié le 20131108

DIPOSITIF POUR SEPARER LES GOUTTES D'EAU LIQUIDE D'UN FLUX D'AIR TRANSPORTANT LESDITES GOUTTES La présente invention concerne en général les systèmes de ventilation des enceintes recevant un flux d'air frais de l'extérieur ; flux d'air pouvant être chargé de gouttes d'eau liquide telles que des gouttes d'eau de pluie. Elle s'applique plus particulièrement à la ventilation utilisée dans les groupes de climatisation équipant aujourd'hui la plupart des véhicules, notamment les véhicules automobiles. L'air frais injecté dans l'habitacle du véhicule est admis dans le groupe de climatisation via la zone de l'auvent. Cette zone est fermée par des grilles laissant passer l'air mais laissant passer également de l'eau liquide en cas de pluie. L'eau entrant dans l'auvent s'accumule dans le fond de l'auvent par gravité. Cette eau est ensuite évacuée via des vannes de purge s'ouvrant sous l'effet de la pression de l'eau. L'auvent a pour but de séparer l'eau liquide de l'air par gravité afin de n'admettre que de l'air dans le groupe de climatisation. Cependant, des gouttes sont quand même entraînées dans le groupe de climatisation ce qui a pour conséquence, dans les cas les plus extrêmes, l'entrée d'eau dans l'habitacle et, dans les cas les moins graves, la stagnation d'eau liquide dans le groupe de climatisation et particulièrement dans le filtre à air situé en aval ou en amont du ventilateur assurant le débit d'air. Cette stagnation d'eau liquide favorise le développement de bactéries qui sont à l'origine de mauvaises odeurs pouvant gêner le conducteur et les passagers. (Dégradation du confort olfactif) Des études expérimentales menées par la demanderesse, ont montré que les gouttes d'eau liquide entrant dans le groupe de climatisation sont majoritairement de petite taille (diamètre de l'ordre de 10 à 500 pm). Ces gouttes de faible masse ont une inertie négligeable par rapport à l'écoulement d'air. Elles sont donc entraînées par l'écoulement d'air et atteignent le filtre. Les gouttes de plus grosse taille, dont l'inertie n'est plus négligeable vis-à- vis du flux d'air, possèdent leur dynamique propre. Elles s'effondrent rapidement sous l'effet de la gravité et/ou entrent en contact avec les parois de la conduite coudée qui assure la jonction entre l'auvent et le ventilateur du groupe de climatisation. Partant de ce constat, la présente invention propose un dispositif permettant d'augmenter la taille des gouttes et par conséquent leur masse, de manière à les séparer naturellement, par gravité ou par des effets d'inertie, du flux d'air avant que ce dernier n'atteigne le filtre du groupe de climatisation. Ce dispositif exploite avantageusement le phénomène physique de coalescence (fusion) des petites gouttelettes afin de former des gouttes de plus grande taille. L'électrocoalescence des gouttelettes sous l'action d'un champ électrique est un mécanisme intervenant au sein des nuages, il participe à la formation de la pluie. Ce phénomène physique d'abord naturel, a été reproduit en laboratoire et son efficacité a été mise en évidence par les travaux expérimentaux de Dinh Van Phuoc dans le cadre d'une thèse publiée en 1977. (http://bibviruqac.ca/theses/1300460/1300460.pdf ) Dans le cadre de cette thèse, un brouillard de gouttelettes (taille inférieure à 10 pm) a été généré entre deux électrodes planes espacées de 8 cm. En l'absence de champ électrique entre les deux électrodes, la fréquence de coalescence est négligeable. Lorsqu'un champ électrique d'intensité 200 V/cm est appliqué entre les deux électrodes, 5 000 coalescences par seconde et par 3 - - cm ont été observées. Les gouttes d'eau de pluie sont électriquement conductrices. Elles se polarisent quand elles sont placées dans un milieu isolant (air) et soumises à un champ électrique (déplacement des charges sous l'action du champ électrique afin d'annuler le champ électrique à l'intérieur des gouttes). Les gouttes ainsi polarisées, se comportant comme des dipôles électriques, interagissent et tendent à se rapprocher, pour aboutir à la 30 coalescence. Ce procédé est utilisé notamment pour la manipulation de gouttelettes en microfluidique (biologie) et dans l'industrie pétrolière pour l'extraction des gouttes d'eau contenues dans le pétrole. L'invention consiste à exploiter ce phénomène et à l'adapter à la problématique particulière rencontrée dans le domaine automobile et en particulier, dans les groupes de climatisation des véhicules destinés à apporter un confort thermique au conducteur et aux passagers du véhicule. Les groupes de climatisation reçoivent un flux d'air frais qui est d'abord prélevé à l'extérieur du véhicule et qui est ensuite injecté dans l'habitacle. La présente invention apporte une solution efficace dans le cas où le flux d'air véhicule transporte des gouttes d'eau de pluie. A cet effet, la présente invention a pour premier objet un dispositif pour séparer les gouttes d'eau liquide d'un flux d'air transportant lesdites gouttes, caractérisé en ce qu'il comporte un conduit d'entrée d'air et au moins deux plaques métalliques parallèles disposées dans le conduit d'entrée d'air et définissant entre elles un espace apte à être traversé par le flux d'air, des moyens de génération d'un potentiel électrique distinct pour chaque plaque et des moyens d'application de ces potentiels sur chaque plaque ; les deux plaques se comportant comme deux électrodes générant un champ électrique au sein de l'espace traversé par le flux d'air de manière à soumettre le flux d'air au champ électrique et provoquer la coalescence des gouttes qui par gravité, ou par des effets d'inertie, se séparent du flux d'air. Selon une caractéristique, l'espace minimal séparant les électrodes est déterminé pour que l'effet de gravité soit prédominant par rapport à l'effet capillaire risquant de créer des ponts liquides entre les électrodes. Selon une autre caractéristique, la différence de potentiel entre les deux électrodes est inférieure à un seuil déterminé par la valeur de champ électrique maximal généré entre les deux électrodes avant atomisation des gouttes. Selon une autre caractéristique, le nombre et la disposition des électrodes à l'intérieur du conduit d'entrée d'air est déterminé en fonction de la section de l'ouverture du conduit d'entrée d'air et pour que le maximum du flux d'air traverse les espaces entre les électrodes. Selon une autre caractéristique, les électrodes sont des plaques métalliques planes. Selon une autre caractéristique, les potentiels appliqués aux électrodes sont variables afin d'inverser alternativement le sens du champ électrique, et en opposition de phase pour maximiser l'intensité du champ électrique. La présente invention a pour deuxième objet un système de ventilation d'une enceinte comportant un dispositif pour séparer les gouttes d'eau liquide d'un flux d'air transportant lesdites gouttes tel que décrit ci-dessus, disposé à l'entrée de l'enceinte. La présente invention a pour troisième objet un groupe de climatisation comportant un système tel que décrit ci-dessus. Selon une caractéristique, le groupe de climatisation comporte en outre un moyen d'évacuation de l'eau disposé entre le dispositif pour séparer les gouttes d'eau liquide d'un flux d'air transportant lesdites gouttes et l'enceinte. La présente invention a pour quatrième objet un véhicule comportant un système de ventilation ou un groupe de climatisation tels que décrits ci-dessus. Le dispositif pour séparer les gouttes d'eau liquide d'un flux d'air transportant lesdites gouttes selon l'invention, permet ainsi de limiter le débit de gouttelettes entrant en contact avec le filtre à air du groupe de climatisation réduisant ainsi les risques de mauvaises odeurs. Le dispositif pour séparer les gouttes d'eau liquide d'un flux d'air transportant lesdites gouttes selon l'invention, peut être en outre intégré dans un groupe de climatisation de l'état de l'art sans modification majeure et donc sans augmentation majeure du coût de ce dernier. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages ressortiront à la lecture de la description qui suit, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en référence aux dessins sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement et partiellement un dispositif selon l'invention disposé à l'entrée d'un groupe de climatisation; et - la figure 2 illustre une vue partielle en perspective d'un exemple de mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention. Sur les figures, les éléments communs sont désignés par les mêmes références. Un groupe de climatisation comportant un dispositif pour séparer les gouttes d'eau liquide d'un flux d'air transportant lesdites gouttes selon l'invention, est illustré partiellement et schématiquement aux figures 1 et 2. Il comporte de l'amont vers l'aval, soit de l'auvent A vers l'habitacle H du véhicule : - un conduit d'entrée d'air 2 comportant une première partie droite 21 dont l'ouverture 22 d'entrée, de section déterminée, - une partie coudée 23 contigüe à la première partie droite 21; - une deuxième partie droite 24 contigüe à la partie coudée 23 et s'étendant sensiblement suivant une direction perpendiculaire à la première partie droite 21; - un ventilateur 3 disposé transversalement dans et à l'entrée de la deuxième partie droite 24 ; et - un filtre à air 4 disposé transversalement dans et en sortie de la deuxième partie droite 24. A titre de variante, un filtre à air peut également se trouver en amont du ventilateur. Le groupe de climatisation comporte en outre un dispositif de séparation des gouttes d'eau de pluie comportant : - une pluralité de plaques métalliques planes définissant une pluralité d'électrodes 5i (quatre électrodes dans l'exemple de la figure 1 et sept électrodes dans l'exemple de la figure 2) régulièrement espacées et disposées parallèlement à la direction principale de la première partie droite 21 et répartie sur toute sa largeur ; - un générateur électrique 6 apte à fournir autant de potentiels distincts (quatre potentiels dans l'exemple de la figure 1 et sept potentiels dans l'exemple de la figure 2) que d'électrodes 5i ; et - des moyens d'application 7i des différents potentiels sur les électrodes. Le générateur de potentiels 6 peut être relié à une batterie du véhicule non représentée. Le fonctionnement est maintenant décrit en référence aux modes de réalisation des figures 1 et 2 dont les principaux éléments viennent d'être introduits. L'air frais, symbolisé par une flèche, injecté dans l'habitacle du véhicule, est admis dans le groupe de climatisation via la zone de l'auvent A et pénètre dans le conduit d'entrée d'air 2 via son ouverture 22, laissant passer l'air mais également des gouttes d'eau liquide en cas de pluie. Le ventilateur 3 amplifie le débit d'air entrant mais ce dernier n'est pas obligatoirement activé dans la mesure où le débit du flux d'air entrant est suffisant du fait du déplacement du véhicule, notamment quand ce dernier roule à grande vitesse. Chaque électrode 5i, est maintenue à un potentiel distinct des autres électrodes 5i, exprimé en Volt. Ces potentiels sont délivrés par le générateur de potentiels 6 et appliqués aux électrodes 5i via les moyens d'application 7 de type filaires, reliant le générateur 6 aux électrodes 5i. La différence de potentiel entre deux électrodes adjacentes 5i génère un champ électrique entre les deux électrodes 5i exprimé en V/cm. La répartition et l'orientation des électrodes 5i définissent un passage obligé du flux d'air entrant entre les électrodes 5i. Le flux d'air traverse donc tous les espaces « e » inter-électrode. Il est donc soumis au champ électrique et lorsque des gouttes d'eau de pluie, présentes dans le flux d'air, traversent le champ électrique, le principe d'électrocoalescence s'opère et les gouttes d'eau ainsi alourdies s'effondrent rapidement sous l'effet de la gravité et/ou entrent en contact avec les parois de la première partie droite 21 du conduit d'entrée d'air 2. L'eau est ensuite récupérée dans la partie coudée 23 avant qu'elle n'atteigne le filtre 4. L'eau est évacuée, par exemple, via des vannes de purge, non représentées, s'ouvrant sous l'effet de la pression de l'eau. Le dimensionnement et la disposition des électrodes 5i sont déterminés de telle manière que la majorité du flux d'air entrant dans le groupe de climatisation est soumis à un champ électrique. Le générateur de potentiels 6 (passage d'un potentiel électrique nul à un potentiel électrique non nul) peut être couplé à un détecteur de pluie, non représenté, de manière à n'être activé qu'en cas de pluie, afin de limiter son fonctionnement aux situations pour lesquelles il est réellement utile. L'intensité du champ électrique peut également varier en fonction de l'intensité de la pluie. Un exemple de dimensionnement d'un dispositif selon l'invention est donné ci-après. Dans cet exemple, l'ouverture 22 du conduit d'entrée 2 définit une section rectangulaire dont la largeur « 1 » est d'environ 20 cm et la hauteur « h » est d'environ 15 cm. L'espace « e» minimum entre deux plaques adjacentes est de 2,5 mm. En dessous de 2,5 mm, la demanderesse a observé que les effets capillaires sont prédominants par rapport à la gravité et qu'il y a donc un risque important de formation de ponts liquides entre deux plaques adjacentes et donc un risque d'obstruction pour l'air rentrant. Partant de ces données/contraintes, on peut dimensionner le système comme suit : Le nombre de plaques est compris entre n = 2 et un nombre maximal n = N de plaques tel que l'espace « e» entre deux plaques adjacentes est de 2,5 mm. Soit pour des plaques verticales (parallèles à la hauteur « h ») : N = 57 et pour des plaques horizontales (parallèles à la largeur « 1 ») : N = 43. Le calcul est réalisé en considérant que l'épaisseur des plaques est de 1 mm. Pour n plaques, l'encombrement est donné par : n x 1 + (n - 1) x 2,5 = I ou h). La différence de potentiel entre deux plaques adjacentes est exprimée par unité de distance séparant les plaques. Cette différence de potentiel est supérieure à 50 V/cm et inférieure à 400 kV/cm (au-delà de cette valeur maximale de champ électrique, il y a un risque d'atomisation des gouttes ce qui irait à l'encontre de l'effet recherché). Les plaques sont parallèles entre elles et préférentiellement planes. Leurs dimensions sont telles que tout le flux d'air traverse les espaces inter-électrodes. Les électrodes peuvent aussi être positionnées horizontalement. Le potentiel des électrodes peut évoluer dans le temps ou être stable. En cas de potentiel variable, il est préférable que les potentiels de deux électrodes adjacentes soient en opposition de phase afin d'assurer un champ électrique d'intensité maximale. L'utilisation d'un potentiel variable permet d'inverser alternativement le sens du champ électrique. Il est également préférable que la fréquence du courant parcourant les électrodes soit inférieure à 1 MHz. 10 15 20 25 30 REVENDICATIONS1. Dispositif pour séparer les gouttes d'eau liquide d'un flux d'air transportant lesdites gouttes, caractérisé en ce qu'il comporte un conduit d'entrée d'air (21) et au moins deux plaques métalliques parallèles (5i) disposées dans le conduit d'entrée d'air (21) et définissant entre elles un espace (e) apte à être traversé par le flux d'air, des moyens (6) de génération d'un potentiel électrique distinct pour chaque plaque (5i) et des moyens (7i) d'application de ces potentiels sur chaque plaque (5i) ; les deux plaques (5i) se comportant comme deux électrodes générant un champ électrique au sein de l'espace traversé par le flux d'air de manière à soumettre le flux d'air au champ électrique et provoquer la coalescence des gouttes qui par gravité, ou par des effets d'inertie, se séparent du flux d'air. 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'espace minimal séparant les électrodes (5i) est déterminé pour que l'effet de gravité soit prédominant par rapport à l'effet capillaire risquant de créer des ponts liquides entre les électrodes (5i). 3. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la différence de potentiel entre les deux électrodes (5i) est inférieure à un seuil déterminé par la valeur de champ électrique maximal généré entre les deux électrodes (5i) avant atomisation des gouttes. 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le nombre et la disposition des électrodes (5i) à l'intérieur du conduit d'entrée d'air (21) est déterminé en fonction de la section de l'ouverture (22) du conduit d'entrée d'air (21) et pour que le maximum du flux d'air traverse les espaces entre les électrodes (5i). 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les électrodes (5i) sont des plaques métalliques planes. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les potentiels appliqués aux électrodes (5i) sont variables afind'inverser alternativement le sens du champ électrique, et en opposition de phase pour maximiser l'intensité du champ électrique. 7. Système de ventilation d'une enceinte (H) comportant un dispositif selon l'une des revendications précédentes disposé à l'entrée de l'enceinte (H). 8. Groupe de climatisation comportant un système selon la revendication précédente. 9. Groupe de climatisation selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un moyen d'évacuation de l'eau disposé entre le dispositif et l'enceinte (H). 10. Véhicule comportant un système de ventilation selon la revendication 7 ou un groupe de climatisation selon l'une des revendications 8 ou 9.