Brevet FR3029122A1 — publié le 20160603

PROCEDE DE DETECTION D'UNE INSUFFISANCE DE LIQUIDE DANS UN DISPOSITIF D'ATOMISATION PAR ULTRASONS La présente invention concerne les distributeurs de liquide, 5 communément nommés atomiseurs, qui permettent de diffuser de manière précise, au moyen d'émetteurs à ultrasons, typiquement des éléments piézoélectriques, des fluides sous forme de microgouttelettes ou d'aérosols. L'invention a plus particulièrement pour objet un procédé de détection d'une insuffisance de liquide dans un atomiseur. Elle a également pour objet un 10 dispositif d'atomisation de liquide par ultrasons permettant de mettre en oeuvre ledit procédé. La distribution de liquides, quelle que soit leur nature (huileuse, aqueuse ou alcoolique), qu'il s'agisse de solutions ou de suspensions (particules en suspension dans un liquide), s'effectue dans un grand nombre 15 d'applications par micronisation, atomisation, nébulisation ou génération d'aérosols. Les principales applications utilisant ces dispositifs de distribution de fluide concernent l'administration de médicaments, la diffusion de produits cosmétiques, en particulier les parfums, la désinfection, la génération d'odeur, l'humidification de l'air ou de supports tels que du papier ou des textiles et la 20 distribution de réactifs biologiques. L'invention concerne plus particulièrement l'utilisation de tels atomiseurs dans des systèmes de climatisation pour véhicule automobile. Il existe différents types d'atomiseurs de liquide. Dans un premier type d'atomiseurs, tel que décrit par exemple dans les documents EP 0 516 565 et 25 FR 2 899 135, un dispositif de pulvérisation de liquide comporte une cuve ouverte dans sa partie supérieure, apte à contenir un liquide à pulvériser, et un diffuseur de liquide pulvérisé agencé dans la cuve. Le diffuseur comprend une buse contenant du liquide provenant de la cuve, et un émetteur à ultrasons, typiquement un élément piézoélectrique, apte à émettre des ondes 30 ultrasonores dans ce liquide de façon à le pulvériser, ce dispositif étant couramment appelé fontaine acoustique. L'émetteur à ultrasons vibre à haute fréquence afin de générer les ondes ultrasonores, et doit donc être constamment refroidi afin d'éviter sa détérioration par surchauffe. A cet effet, on prévoit que cet émetteur à ultrasons est constamment immergé dans le liquide à pulvériser, ce liquide permettant de refroidir l'émetteur à ultrasons. Ainsi, la pulvérisation de liquide est habituellement interrompue avant que tout le liquide recouvrant l'émetteur à ultrasons ne soit pulvérisé, afin d'empêcher toute vibration de cet émetteur à ultrasons sans qu'il ne soit immergé dans le liquide. Généralement, le niveau minimum prédéterminé correspond au niveau minimum de liquide nécessaire pour que l'émetteur à ultrasons fonctionne sans surchauffer. Un capteur de niveau de liquide permet de s'assurer que la 10 quantité de liquide présente est suffisante. On connaît également, tel que décrit par exemple dans le document EP 2 091 663, un atomiseur de liquide par ultrasons comprenant un transducteur piézoélectrique et une membrane micro-perforée soumise à vibration. La membrane peut également ne pas être soumise à vibration, tel 15 que décrit dans le document US 2008/0217430. Les gouttelettes sont formées par éjection du liquide à travers les trous de la membrane lors de la variation de pression dynamique due à la vibration d'un transducteur piézoélectrique. Dans ce type d'atomiseur à membrane, il est important de protéger le transducteur de l'atomiseur. En effet, s'il n'y a plus de liquide, le transducteur 20 va se retrouver à l'air libre. Comme le signal de commande de l'élément piézoélectrique reste constant, l'amplitude de mouvement de la membrane oscillante va augmenter, ce qui entraîne un risque de cassure de la membrane. L'invention vise à remédier à ces inconvénients, et ceci sans capteur 25 additionnel, donc à moindre coût. L'invention a ainsi pour objet un procédé de détection d'une insuffisance de liquide dans un dispositif d'atomisation par ultrasons, le dispositif comprenant au moins un élément piézoélectrique apte à atomiser un liquide. 30 Le procédé selon l'invention comprend : - une étape de mise sous tension temporaire de l'élément piézoélectrique, de manière à provoquer une déformation de l'élément piézoélectrique, - une étape de mesure de l'intensité du courant électrique produit par l'élément piézoélectrique sous l'action de sa déformation, et - une étape de comparaison de ladite intensité avec une valeur seuil prédéterminée, une insuffisance de liquide dans le dispositif d'atomisation 5 étant détectée si ladite intensité est inférieure à ladite valeur seuil. Ainsi, en comparant l'intensité du courant électrique renvoyé par l'élément piézoélectrique à une valeur seuil prédéterminée correspondant à un fonctionnement du dispositif en présence suffisante de liquide, on peut détecter si du liquide est présent ou non en quantité suffisante dans le 10 dispositif d'atomisation. Grâce à ce procédé, on peut ainsi détecter une insuffisance voire une absence de liquide dans le dispositif. L'étape de mise sous tension temporaire de l'élément piézoélectrique peut comprendre une étape d'application d'une tension électrique aux bornes de l'élément piézoélectrique, de manière à provoquer 15 une déformation de l'élément piézoélectrique, suivie d'une étape de commande de l'arrêt de l'application de la tension électrique. L'étape de mesure de l'intensité du courant électrique produit par l'élément piézoélectrique sous l'action de sa déformation peut-être effectuée pendant la période suivant ledit arrêt et au cours de laquelle l'élément 20 piézoélectrique continue à se déformer. Le dispositif d'atomisation par ultrasons peut comprendre un transducteur piézoélectrique muni dudit élément piézoélectrique et d'une membrane perforée fixée sur le transducteur et mise en vibration par l'élément piézoélectrique de manière à atomiser un liquide en contact avec 25 ladite membrane. L'invention peut toutefois s'appliquer à tout type de dispositif d'atomisation piézoélectrique. L'invention est ainsi applicable à un système piézoélectrique de type fontaine acoustique, ou encore à un système piézoélectrique à membrane ou grille sans transducteur, c'est-à-dire sans support intermédiaire entre la membrane et l'élément piézoélectrique, dont 30 une des faces est directement en contact avec de l'eau, l'autre face étant en contact avec de l'air. Le procédé peut comprendre en outre, dans le cas où une insuffisance de liquide est détectée, une étape de commande de l'arrêt définitif de l'application de la tension électrique. Le procédé peut comprendre en outre, dans le cas où une insuffisance 5 de liquide est détectée, une étape de déclenchement d'un signal sonore et/ou d'un signal lumineux. L'élément piézoélectrique est typiquement une céramique piézoélectrique. L'invention a également pour objet un dispositif d'atomisation de 10 liquide par ultrasons, comprenant au moins un élément piézoélectrique apte à atomiser un liquide. Le dispositif selon l'invention comprend des moyens aptes à mettre sous tension temporairement l'élément piézoélectrique, de manière à provoquer une déformation de l'élément piézoélectrique, des moyens aptes à 15 mesurer l'intensité du courant électrique produit par l'élément piézoélectrique sous l'action de sa déformation, des moyens aptes à comparer ladite intensité avec une valeur seuil prédéterminée, et des moyens aptes à détecter une insuffisance de liquide dans le dispositif d'atomisation si ladite intensité est inférieure à ladite valeur seuil. 20 Le dispositif peut comprendre un réservoir de liquide fermé par un bouchon. Le réservoir peut être une bouteille d'eau minérale. Le système peut ainsi intégrer un circuit d'eau, une pompe, et une bouteille d'eau minérale servant de réservoir. Le dispositif peut comprendre un transducteur piézoélectrique muni 25 d'au moins un élément piézoélectrique apte à atomiser le liquide, le transducteur comprenant une cavité contenant le liquide à atomiser. En particulier, le dispositif peut comprendre un transducteur piézoélectrique muni dudit élément piézoélectrique et d'une membrane perforée fixée sur le transducteur et mise en vibration par l'élément 30 piézoélectrique de manière à atomiser un liquide en contact avec ladite membrane. Le rapport de la longueur totale du transducteur sur le diamètre ou la largeur de l'élément piézoélectrique est avantageusement supérieur ou égal à 1. L'invention a également pour objet un système de climatisation 5 comprenant un dispositif décrit ci-dessus. Le système de climatisation peut être un système de climatisation pour véhicule automobile. D'autres buts, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre 10 d'exemple non limitatif, et fait en référence aux dessins annexés, sur lesquels : - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale d'un dispositif d'atomisations par ultrasons apte à mettre en oeuvre le procédé selon l'invention, 15 - la figure 2 est une vue partielle en perspective éclatée du transducteur du dispositif de la figure 1, - la figure 3 est un schéma électronique du dispositif de la figure 1 permettant la mise en oeuvre du procédé, et - la figure 4 illustre sous forme de schémas-blocs les différentes étapes 20 du procédé. Tel qu'illustré à la figure 1, un dispositif 1 d'atomisation par ultrasons comprend un réservoir de liquide 2 refermé par un bouchon 3. Le bouchon 3 peut être muni d'une tige 4 favorisant l'évacuation des bulles d'air. A l'intérieur du réservoir 2 est disposé, outre le liquide, un transducteur 25 piézoélectrique 5. Dans un mode de réalisation non représenté, le transducteur piézoélectrique 5 est disposé à l'extérieur du réservoir 2 et le dispositif comprend un conduit permettant d'amener le liquide du réservoir 2 vers ledit transducteur piézoélectrique 5. Le dispositif 1 comprend, par ailleurs, un connecteur 6 électrique qui 30 permet d'alimenter électriquement le transducteur piézoélectrique 5. Tel qu'illustré à la figure 2, le transducteur piézoélectrique 5 comprend un corps de transducteur 7, que l'on fait vibrer, de préférence dans un intervalle de fréquence allant de 50 kHz à 200 kHz. Le corps de transducteur 7 comprend une cavité contenant le liquide à atomiser. Un ou plusieurs éléments piézoélectriques 8, constitués de préférence d'une céramique piézoélectrique monobloc ou multicouche, sont disposés sur le corps de transducteur 7. Une membrane micro-perforée 9 ou une grille, de faible épaisseur (par exemple entre 20 à 200 pm) est fixée mécaniquement au bout du corps de transducteur 7 où sa vitesse vibratoire est maximale. Les gouttelettes de liquide sont formées par éjection du liquide à travers les trous de la membrane 9. Cet ensemble constitue le transducteur piézoélectrique 5 qui est un convertisseur électromécanique vibrant suivant un mode longitudinal. Un mode longitudinal est défini par le fait que le transducteur 5 se déforme suivant son axe de symétrie par élongation ou contraction de sa section (l'axe de symétrie du transducteur 5 est notamment ici un axe sensiblement orthogonal au plan d'extension principal du transducteur 5). Le comportement vibratoire de ce type de transducteur est gouverné essentiellement par sa longueur, de telle manière que le ratio longueur total du transducteur sur le diamètre ou largeur de la céramique piézoélectrique 8 est, préférentiellement, supérieur ou égal à 1. Un nébuliseur composé d'un actionneur piézoélectrique est basé sur l'effet piézoélectrique inverse : l'application d'une tension électrique aux bornes de l'élément piézoélectrique provoque une déformation mécanique dudit élément. C'est le fait de faire osciller la membrane 9 qui est d'un côté en contact 25 avec de l'air et de l'autre avec le liquide, par exemple de l'eau, ce qui a pour effet de provoquer la nébulisation. Une des particularités des éléments piézoélectriques est qu'ils possèdent une fréquence de résonance bien précise qui peut se modéliser électriquement. 30 On peut modéliser électriquement un élément piézoélectrique par une simple capacité. Toutefois, la particularité de la technologie piézoélectrique réside dans le couplage électromécanique. Du fait qu'on s'intéresse ici à une application d'oscillateur mécanique, on rajoute en parallèle un circuit RLC série modélisant l'oscillation mécanique. Voici l'expression de l'impédance équivalente de l'élément piézoélectrique (s=jw) : )+ (Co » Ci) On observe ici deux pulsations particulières : - ws : pulsation série qui correspond à la fréquence dite d'antirésonance. La pulsation série correspond au minimum du module de 10 l'amplitude de l'impédance équivalente de l'élément piézoélectrique. - (op : pulsation parallèle qui correspond à la fréquence dite de résonance. La pulsation parallèle correspond au maximum du module de l'amplitude de l'impédance équivalente de l'élément piézoélectrique. On observe qu'a partir du moment où l'on s'éloigne de cette fréquence 15 de résonance, le déphasage entre l'intensité et la tension évolue. Il est important de protéger le transducteur 5 du nébuliseur. En effet s'il n'y a plus suffisamment d'eau, le transducteur 5 va se retrouver totalement ou partiellement à l'air libre, cependant le signal de commande de l'élément piézoélectrique 8 ne changeant pas, l'amplitude de mouvement de la 20 membrane oscillante 9 va alors augmenter et il y aura un risque de cassure. Lorsqu'il n'y a plus d'eau, la fréquence de résonance change également. En effet, du fait de l'insuffisance ou de l'absence d'eau, la fréquence d'oscillation augmente ce qui a une influence sur l'intensité du courant électrique produit par l'élément piézoélectrique sous l'action de sa 25 déformation. On peut donc détecter le fait qu'il n'y ait plus d'eau ou plus suffisamment d'eau par ce décalage en fréquence : le transducteur 5 n'est plus situé à la fréquence de résonance du matériau piézoélectrique. Cela a pour conséquences : le déphasage entre la tension et l'intensité va évoluer, et l'intensité du courant électrique produit par l'élément piézoélectrique sous l'action de sa déformation va diminuer. Le procédé selon l'invention utilise cette constatation : si l'intensité du courant électrique produit par l'élément piézoélectrique sous l'action de sa 5 déformation est inférieure à une valeur seuil, on considère qu'il y a une insuffisance de liquide dans le dispositif d'atomisation. En effet, l'intensité étant proportionnelle à la tension (U=Z.I) et la tension étant proportionnelle à la pression exercée sur l'élément piézoélectrique (U=S.P avec S =constante de sensibilité = S = k.h avec k = 10 constante piézoélectrique et h= largeur du cristal), l'intensité est donc proportionnelle à la pression exercée sur l'élément piézoélectrique ; il est à noter que cette pression diminue davantage quand le milieu en contact de l'élément piézoélectrique n'est plus de l'eau, mais de l'air. Un moyen de détection du changement de milieu est par exemple la 15 lecture de l'intensité à l'aide d'un shunt. Un shunt est un dispositif de très faible impédance qui permet au courant de passer d'un point à un autre d'un circuit électrique en utilisant très peu d'énergie. On peut utiliser comme shunt de mesure une résistance de faible valeur permettant de mesurer le courant électrique la traversant. Un shunt est une résistance calibrée et connue utilisée 20 pour la mesure de courants forts. Pour ce faire, on mesure la tension à ses bornes à l'aide d'un voltmètre branché en parallèle, l'utilisation de la loi d'Ohm permettant de déduire le courant traversant le shunt. En comparant la valeur de l'intensité à une valeur seuil correspondant au fonctionnement normal de la membrane en contact avec de l'eau, on 25 détecte le décalage en fréquence et donc la chute de la consommation du courant. Après avoir détecté l'absence ou l'insuffisance d'eau, il est important de mettre le matériau piézoélectrique en protection, mais aussi de prévenir l'utilisateur à l'aide d'un avertisseur sonore et/ou d'un signal lumineux (par exemple une diode électroluminescente). Pour ce faire, un signal électronique 30 de commande est généré qui permet de commander, par exemple, le déclenchement d'un signal sonore et/ou d'un signal lumineux. La figure 3 est un schéma électronique de principe illustrant un dispositif 10 permettant la mise en oeuvre d'un procédé selon l'invention. Un élément piézoélectrique 11 de résistance R est connecté à un amplificateur de courant 12. La valeur de l'intensité étant assez faible, il est en effet préférable de l'amplifier avant de la comparer à une valeur seuil (en pratique, c'est la tension mesurée, représentative du courant, qui est 5 amplifiée). Un comparateur 13 de type shunt permet de comparer la tension aux bornes du shunt à une tension de référence V. De manière équivalente, le comparateur 13 peut comparer l'intensité traversant le shunt à une intensité de référence. Un microprocesseur 14 permet alors de commander l'arrêt de l'élément piézoélectrique 11 si la tension mesurée ou l'intensité mesurée est 10 inférieure à une valeur seuil correspondant à un fonctionnement normal de la membrane 9 en contact avec du liquide. Le microprocesseur 14 peut en outre commander le déclenchement d'un signal sonore 15 et/ou d'un signal lumineux 16 pour avertir l'usager de l'insuffisance de liquide. Le dispositif 10 d'atomisation de liquide par ultrasons selon l'invention 15 peut ainsi comprendre au moins un élément piézoélectrique 11 apte à atomiser un liquide, des moyens aptes à mettre sous tension temporairement l'élément piézoélectrique 11, de manière à provoquer une déformation de l'élément piézoélectrique 11, des moyens aptes à mesurer l'intensité du courant électrique produit par l'élément piézoélectrique 11 sous l'action de sa 20 déformation, des moyens (par exemple le comparateur 13) aptes à comparer ladite intensité avec une valeur seuil prédéterminée, et des moyens (par exemple le microprocesseur 14) aptes à détecter une insuffisance de liquide dans le dispositif d'atomisation 1 si ladite intensité est inférieure à ladite valeur seuil. 25 A titre d'exemple, l'élément piézoélectrique 11 peut être alimenté normalement pendant 0,9 s, par effet piézoélectrique. Le signal électrique va alors exciter l'élément piézoélectrique 11 et générer le mouvement vibratoire. Ensuite, pendant 0,1 s, l'élément piézoélectrique 11 n'est plus alimenté, mais continue à vibrer, par inertie. Il se comporte alors comme un capteur résistif 30 (jauge de contrainte). C'est à ce moment que la « réponse » de l'élément piézoélectrique 11 est mesurée par effet piézoélectrique inverse : l'élément piézoélectrique 11, encore en mouvement, génère un signal électrique dont le courant est mesuré, et qui est comparé à une valeur de référence correspondant à un fonctionnement normal de la membrane 9 en contact avec le liquide. Si l'écart dépasse une valeur seuil, alors on arrête la mise sous tension de l'élément piézoélectrique 11 et l'alerte est donnée. Les différentes étapes du procédé sont ainsi reprises sur la figure 4. Le 5 procédé débute par une étape El de mise sous tension temporaire de l'élément piézoélectrique, de manière à provoquer une déformation de l'élément piézoélectrique. Cette étape El est suivie d'une étape E2 de mesure de l'intensité du courant électrique produit par l'élément piézoélectrique sous l'action de sa déformation. Le procédé se poursuit par une étape E3 10 comparaison de ladite intensité avec une valeur seuil prédéterminée, une insuffisance de liquide dans le dispositif d'atomisation étant détectée si ladite intensité est inférieure à ladite valeur seuil (étape E4). REVENDICATIONS1. Procédé de détection d'une insuffisance de liquide dans un dispositif (1) d'atomisation par ultrasons, le dispositif (1) comprenant au moins un élément piézoélectrique (8) apte à atomiser un liquide, le procédé étant caractérisé en ce qu'il comprend : - une étape (El) de mise sous tension temporaire de l'élément piézoélectrique (8), de manière à provoquer une déformation de l'élément piézoélectrique (8), - une étape (E2) de mesure de l'intensité du courant électrique produit par l'élément piézoélectrique (8) sous l'action de sa déformation, et - une étape (E3) de comparaison de ladite intensité avec une valeur seuil prédéterminée, une insuffisance de liquide dans le dispositif d'atomisation (1) étant détectée si ladite intensité est inférieure à ladite valeur seuil (E4). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'étape de mise sous tension temporaire de l'élément piézoélectrique (8) comprend une étape d'application d'une tension électrique aux bornes de l'élément piézoélectrique (8), de manière à provoquer une déformation de l'élément piézoélectrique (8), suivie d'une étape de commande de l'arrêt de l'application de la tension électrique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'étape de mesure de l'intensité du courant électrique produit par l'élément piézoélectrique (8) sous l'action de sa déformation est effectuée pendant la période suivant ledit arrêt et au cours de laquelle l'élément piézoélectrique (8) continue à se déformer. 4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, dans le cas où une absence de liquide est détectée, une étape de commande de l'arrêt définitif de l'application de la tension électrique. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend en outre, dans le cas où une absence de liquide est détectée, une étape de déclenchement d'un signal sonore et/ou d'un signal lumineux. 6. Dispositif (10) d'atomisation de liquide par ultrasons, comprenant au moins un élément piézoélectrique (8) apte à atomiser un liquide, le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend des moyens aptes à mettre sous tension temporairement l'élément piézoélectrique (8) de manière à provoquer une déformation de l'élément piézoélectrique (8), des moyens aptes à mesurer l'intensité du courant électrique produit par l'élément piézoélectrique (8) sous l'action de sa déformation, des moyens (13) aptes à comparer ladite intensité avec une valeur seuil prédéterminée, et des moyens (14) aptes à détecter une insuffisance de liquide dans le dispositif d'atomisation (1) si ladite intensité est inférieure à ladite valeur seuil. 7. Dispositif (10) selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend un transducteur piézoélectrique (5) muni dudit élément piézoélectrique (8) et d'une membrane perforée (9) fixée sur le transducteur (5) et mise en vibration par l'élément piézoélectrique (8) de manière à atomiser un liquide en contact avec ladite membrane (9). 8. Dispositif (10) selon la revendication 7, caractérisé en ce que le transducteur (5) comprend une cavité contenant le liquide à atomiser. 9. Dispositif (10) selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que le rapport de la longueur totale du transducteur (5) sur le diamètre ou la largeur de l'élément piézoélectrique (8) est supérieur ou égal à 1. 10. Système de climatisation, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif (10) selon l'une des revendications 6 à 9.