Brevet FR3087677A1 — publié le 20200501

Description Titre de l'invention : Nouveau dispositif d'épuration d'air par plasma Domaine technique [0001] La présente invention concerne le domaine de l'émission de plasma par décharge corona et plus particulièrement celui des dispositifs d'épuration d'air par plasma. Technique antérieure [0002] Il est connu d'utiliser un dispositif plasma à effet corona pour produire, par décharge corona, un plasma et un flux ionique. Un tel dispositif permet avantageusement de produire un plasma permettant d'ioniser un fluide traversant l'ionisateur. Une telle ionisation trouve des fonctionnalités multiples et complémentaires, par exemple, dans le secteur du traitement d'un fluide, tel que l'air. [0003] Selon une première fonctionnalité, une ionisation permet, par dépôt d'ions, de charger une particule contenue dans le fluide. Cette particule ainsi chargée peut avantageusement être retenue par un filtre électrostatique, pouvant être disposé en aval de l'ionisateur. Selon une autre fonctionnalité, une ionisation possède une action neutralisante sur des organismes pathogènes, tels des virus, pouvant être véhiculés dans le fluide. Selon encore une autre fonctionnalité, une ionisation produit avantageusement des espèces chimiques oxydantes utiles à la décontamination d'un filtre mécanique, tel un filtre à charbon actif, pouvant être disposé en aval du dispositif. [0004] Il est connu pour réaliser un dispositif plasma à effet corona, d'employer ionisateur avec une électrode polarisée et une électrode de terre, disposée en regard de l'électrode polarisée, et d'appliquer entre ces deux électrodes une différence de potentiel importante, de l'ordre de plusieurs milliers de volts. Ceci crée un plasma ainsi que des décharges corona produisant des décharges ioniques. L'effet d'ionisation du fluide est obtenu en créant une circulation du fluide obligeant le fluide à traverser le plasma. Pour obtenir un tel plasma, selon l'effet corona, il est connu deux configurations : selon une première configuration, dite pointe-plan, une électrode polarisée présentant un faible rayon de courbure est disposée perpendiculairement à une électrode de terre sensiblement. plane ; selon une autre configuration dite fil-cylindre, une électrode polarisée filaire est disposée axialement dans une électrode de terre cylindrique. [0005] Le brevet FR 2818451 propose de combiner ces deux configurations en utilisant une électrode polarisée en forme d'aiguille et une électrode de terre comprenant un treillis métallique sensiblement plan, disposé perpendiculairement à l'électrode polarisée et un cylindre entourant l'électrode polarisée sur toute sa longueur. Cet ionisateur est traversé par le fluide selon une direction parallèle à l'axe confondu de l'électrode I polarisée et du cylindre. [0006] Il est toujours recherché une amélioration d'un dispositif plasma à effet corona, en termes d'efficacité de l'ionisation, de réduction du volume occupé, d'efficacité de l'épuration d'air ou encore de l'énergie électrique consommée. [0007] Descriptif détaillée de l'invention [0008] L'invention a pour objet un dispositif d'épuration d'air par plasma comprenant : [0009] i. Au moins une source de puissance électrique ; ü. Au moins un ionisatcur relié à la source de puissance ; iii. Au moins un filtre en aval de l'ionisatcur ; iv. Au moins un catalyseur en aval de r ionisatcur et du au moins un filtre en aval de l'ionisatcur, lequel catalyseur permet la décomposition de l'ozone ; et v. Au moins un moyen de mise en surpression de l'air pour assurer l'écoulement de l'air de l'ionisateur vers le catalyseur ; [0010] Caractérisé en ce que l' ionisatcur prend la forme d'au moins une cellule plasma à effet corona comprenant une électrode polarisée sensiblement en forme d'aiguille et une électrode de terre, disposée en regard de l'électrode de polarisée, comprenant un cylindre sensiblement centré sur l'électrode polarisée et un film poreux sensiblement plan perpendiculaire à l'électrode polarisée, où le cylindre présente un profil bas, et où l'électrode polarisée ne pénètre pas dans le cylindre, la valeur du diamètre du cylindre correspondant à au moins deux fois, de préférence au moins 3 voir 5 fois, et de manière particulièrement au moins 10 fois la valeur de la hauteur du cylindre. [0011] La source de puissance électrique est choisie de manière à pouvoir délivrer une tension suffisante à l'ionisateur pour générer un plasma. [0012] Pour ce qui est de l'ionisateur, son film poreux est disposé, relativement à l'électrode polarisée, du côté opposé au cylindre. On préfèrera un film poreux fait d'un matériau métallique avec des pores présentant une taille allant de 0,1 mm à 500 mm de préférence de 5 mm à 50 mm et une épaisseur comprise entre 0,5 et 50 mm, de préférence entre 1 et 5 mm. Maintenant, ce film poreux prend la forme d'un maillage métallique, dont les mailles peuvent présenter différentes formes (carré, losange, etc.). Idéalement, le maillage métallique en question est une feuille de métal déployé. [0013] Selon un mode de réalisation préféré, l'ionisateur comprend au moins un élément dual plasma à effet corona, lequel élément dual plasma à effet corona comprend : [0014] - Une première électrode polarisée et une première électrode de terre, Une deuxième électrode polarisée et une deuxième électrode de ten-e, [0015] Où la première électrode polarisée et la deuxième électrode polarisée sont disposées de part et d'autre d'un même support, et où la première électrode de terre et la deuxième électrode de terre sont disposées de par et d'autre de ce même support et à proximité de la première électrode polarisée et de la deuxième électrode polarisée res- 3 pectivement. [0016] Avantageusement, la première électrode polarisée et la deuxième électrode polarisée sont reliées à un même premier potentiel et la première électrode de terre et la deuxième électrode de terre sont reliées à un même deuxième potentiel, différent du premier potentiel. De préférence, le premier potentiel est négatif et le dcuxièmc potentiel est la masse. A noter que dans le cas où la ou les électrodes polarisées sont reliées à un potentiel négatif, on parle alors d'électrodes de décharge. [0017] Avantageusement toujours, la première électrode polarisée et la dcuxièmc électrode polarisée sont sensiblement en forme d'aiguille et sont supportées par un support conducteur connecté à la première électrode polarisée, à la deuxième électrode polarisée et au premier potentiel, lequel support conducteur, qui est de préférence sensiblement plan, est connecté à la première électrode polarisée, à la deuxième électrode polarisée et au premier potentiel. [0018] Idéalement, la première électrode polarisée et la deuxième électrode polarisée sont axialement alignées et, de préférence, elles forment une seule et même pièce. [0019] De façon avantageuse, le support conducteur comprend un circuit imprimé comprenant au moins une piste conductrice connectée à la première électrode polarisée, à la deuxième électrode polarisée et au premier potentiel. De préférence, chacune des deux électrodes polarisées est disposée dans un via métallisé percé dans ladite au moins une piste conductrice. Ce circuit imprimé comprends des jours, préférentiellement en totalité à l'exclusion d'une bande étroite ménagée autour de ladite au moins une piste conductrice. [0020] La genèse d'ozone, qui constitue un puissant oxydant, par les systèmes de traitement d'air par plasma non thermique présente un intérêt important en ce qu'elle permet d'améliorer considérablement l'élimination des polluants résiduels après le traitement plasma. Maintenant, la présence de cet ozone dans l'atmosphère en sortie de ces systèmes de traitement génère un stress important des voies respiratoires et est donc problématique. Dès lors, il est impératif d'effectuer un posttraitement permettant d'éliminer ces sous-produits toxiques et plus particulièrement l'ozone dont la concentration en sortie peut dépasser 100 ppm(v) (soit 0,2 g/m1). Pour ce faire, on intègre un catalyseur qui est choisie parmi le charbon actif, la zéolithe ou l'oxyde de manganèse (Mn02) et qui permet une décomposition très rapide de l'ozone et des oxydes d'azote à température ambiante. En l'espèce, on préfèrera utiliser un catalyseur prenant la forme d'un substrat en nid d'abeille, par exemple en aluminium, lequel est recouvert d'oxyde de manganèse. Typiquement un tel substrat en nid d'abeille devra présenter une épaisseur d'au moins 10 mm pour présenter une efficacité suffisante dans la neutralisation de l'ozone. [0021] Pour ce qui est du au moins un filtre situé en aval de l'ionisateur (mais en amont du 4 catalyseur), celui-ci devra être réalisé dans un matériau lui permettant de résister à l'atmosphère fortement oxydante résultant de la présence d'ozone en quantité en sortie d'ionisatcur. [0022] De préférence, le filtre sera réalisé en matière minérale tel que le verre ou la céramique et, de manière particulièrement préféré, le filtre sera à base de fibre de verre. Pour être efficace, ledit au moins un filtre devra présenter au moins une épaisseur d'au moins 10 mm notamment de fibres de verre. [0023] Maintenant, outre sa fonction de filtration, le filtre permet avantageusement également de délimiter un espace d'oxydation entre l' ionisateur et le catalyseur. Dans cet espace, les particules sortant de l'ionisateur sont piégées jusqu'à leur dégradation quasi-complète du fait de leur réaction avec l'ozone. [0024] Pour ce faire, ledit au moins un filtre présente une hauteur inférieure ou égale à 100 mm, de préférence inférieure ou égale à 200 mm et, de manière particulièrement préférée inférieure ou égale à 300 mm. [0025] Typiquement, le filtre pourra comprendre la superposition d'au moins deux couches, de préférence d'au moins trois ou quatre couches, et de manière particulièrement préférée, d'au moins cinq ou six couches successives de matière minérale, typiquement de fibres de verre. [0026] Chacune de ces couches présentera une épaisseur d'au moins 10 mm, de préférence d'au moins 20 mm et, de manière particulièrement préférée, d'au moins 30 mm. Maintenant, chacune de ces couches présentera une épaisseur inférieure à 50 mm. [0027] Les couches en question pourront présenter un profil linaire ou en V de sorte d'augmenter la surface de filtration/retenue. [0028] Pour ce qui est du moyen de mise en surpression de l'air pour assurer l'écoulement de l'air à travers l'ionisateur, puis à travers le filtre vers le catalyseur, il peut prendre la forme d'un ventilateur, d'une turbine. De préférence, ce moyen de mise en surpression de l'air est une turbine. [0029] D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention ressortiront plus clairement de la description détaillée donnée ci-après à titre indicatif en relation avec des dessins sur lesquels : [0030] - la figure 1 illustre, en vue schématique, un mode de réalisation préféré d'un dispositif d'épuration d'air selon l'invention, [0031] - la figure 2 illustre en vue de profil coupée, un ionisateur comprenant élément dual avec deux cellules, [0032] - la figure 3 illustre, en vue perspective, un réacteur plasma, [0033] - la figure 4 illustre, en vue de dessus, un circuit imprimé support d'électrodes po- larisées pour un tel ionisateur. [0034] Selon un premier aspect, illustré à la figure 1, l'invention concerne un dispositif d'épuration d'air comprenant un ionisateur (10) tel que représenté à la figure 1. Un tel dispositif comprend un moyen de mise en surpression de l'air (1) dans le dispositif qui prend là la forme d'un ventilateur (1) qui assure l'écoulement de l'air dans le dispositif, d'abord dans l'ionisateur (10), puis dans le filtre (40) comprenant des couches successives de fibres de verre (41,42,43), et enfin dans le catalyseur (50) pour permettre d'éliminer l'ozone des effluents de sortie. L'ionisateur comprend deux cellules accolées et inversées avec une électrode polarisée (12,22), une électrode de masse (13,23). La première électrode polarisée 12 et la deuxième électrode polarisée 22 sont reliées à un même premier potentiel 8 et la première électrode de terre 13 et la deuxième électrode de terre 23 sont reliées à un même deuxième potentiel 9, différent du premier potentiel 8 ; lesquels potentiels sont obtenus aux bornes d'une source de puissance électrique. [0035] Les signes des premier et deuxième potentiels 8,9 peuvent être quelconques. Cependant il est connu que l'ionisation obtenue par effet corona est plus efficace lorsque l'électrode polarisée est reliée à un potentiel négatif (on parle alors d'électrode de décharge). Aussi, préférentiellement le premier potentiel 8 est négatif et le deuxième potentiel 9 est la masse. [0036] La structure préférée de cet ionisateur 10 est donnée plus en détail aux figures 2 et 3. Dans cette structure préférée, l'ionisateur présente deux cellules 11,21 qui sont assemblées symétriquement (selon une configuration inversée). Aussi, l' ionisateur 10 présente une première cellule 11 plasma à effet corona et une deuxième cellule 21 plasma à effet corona. La première cellule 11 comprend une première électrode polarisée 12 et une première électrode de terre 13, disposée en regard de la première électrode de polarisée 12. La deuxième cellule 21 comprend une deuxième électrode polarisée 22 et une deuxième électrode de terre 23, disposée en regard de la deuxième électrode polarisée 22. [0037] Chacune électrode polarisée 12,22 est sensiblement en forme d'aiguille et présente une électrode de terre 13,23, disposée en regard de son électrode polarisée 12,22. Chaque électrode de terre 13,23 comprend un cylindre 14,24 sensiblement centré sur son électrode polarisée 12,222 et un film poreux 15,25 sensiblement plan perpendiculaire à son électrode polarisée 12,22 respective. Chaque électrode polarisée 12,21 est typiquement fixée sur un support 16,26 avantageusement ajouré pour permettre le passage d'un flux de fluide. La distance entre chaque électrode polarisée 12,22 et chaque électrode de terre 13,23 est maintenue par au moins une entretoise 17,27. [0038] Une cellule 11,21 est améliorée en ce que le cylindre 14,24 est conformé de manière à présenter un profil bas. Ceci signifie que la hauteur du cylindre 14,24 est négligeable devant son diamètre. Typiquement, le diamètre du cylindre est compris entre 20 et 100mm, de préférence entre 25 et 75mm, par exemple entre 30 et 60 mm et, de 6 manière particulièrement préférée entre 35 et 55 mm. Pour ce qui est de l'épaisseur du cylindre, elle est inférieure à 10 mm, de préférence comprise entre 1 et 5 mm. De plus chaque électrode polarisée 12,22 est conformée suffisamment courte, de manière à ne pas pénétrer dans son cylindre 14,24. [0039] Le flux de fluide à ioniser au moyen de l'ionisatcur 10 est sensiblement vertical rela- tivement aux figures 2 et 3. [0040] Tl a été trouvé qu'une telle structure d'ionisatcur présentait de nombreux avantageux non évidents. Ainsi, le fait de doubler les cellules 11,21, permet d'améliorer fortement l'efficacité obtenue de même que sa durée de vie. En effet, un effet préjudiciable d'une cellule corona est que son électrode polarisée 12,22 précipite des cristaux diélectriques qui, isolant peu à peu ladite électrode polarisée 12,22, réduisent l'efficacité de la cellule 11,21. Le fait d'utiliser deux cellules au lieu d'une a permis de considérablement améliorer l'espérance de vie de r ionisatcur réacteur 10. La première cellule 11, présentant une orientation opposée de celle de la deuxième cellule 21, leur effets ionisants se combinent et se complètent, permettant ainsi d'augmenter l'effet ionisant global. L'orientation opposée, permet encore avantageusement d'appliquer une même polarisation aux deux cellules 11,21. Ces deux caractéristiques d'orientation et de polarisation combinées, permettent avantageusement de fixer la première électrode polarisée 12 sur un premier support 16 et la deuxième électrode polarisée 22 sur un deuxième support 26. Avantageusement, ces deux supports 16,26 peuvent être un unique support 36 commun, les électrodes polarisées 12,22 étant supportées respectivement chacune par une face du support 36. Ceci permet avantageusement, la polarité de la première électrode polarisée 12 et de la deuxième électrode polarisée 22 étant la même (préférentiellement négative), d'utiliser un connecteur commun, ainsi qu'une source de potentiel commune, pour polariser ces deux électrodes polarisée 12,22. Cette structure est donc particulièrement économique et avantageuse. Ainsi, selon un mode de réalisation avantageux, le support commun 36 peut être conducteur et être connecté à la première électrode polarisée 12, à la deuxième électrode polarisée 22 et au premier potentiel 8. [0041] Selon un autre mode de réalisation avantageux, le support commun 36 comprend un circuit imprimé 36 comprenant au moins une piste conductrice 31 connectée à la première électrode polarisée 12, à la deuxième électrode polarisée 22 et au premier potentiel 8. [0042] La polarisation d'un dispositif plasma à effet corona nécessite une différence de potentiel importante, entre électrode polarisée et électrode de terre, laquelle différence de potentiel est de l'ordre de plusieurs milliers de volts. Aussi le premier potentiel 8 est très élevé et pourrait s'avérer vulnérant pour un opérateur. La configuration selon l'invention assure avantageusement un confinement de ce premier potentiel 8 au milieu 7 de I' ionisateur 10. Le premier potentiel 8 élevé est ainsi hors de portée d'un opérateur. [0043] Lc support 16,26 étant un circuit imprimé 36, le premier potentiel 8 étant distribué au sein du support au moyen d'une piste conductrice 31, avantageusement disposée dans ledit circuit imprimé 36, selon une autre caractéristique, une électrode polarisée 12,22, sensiblement en forme d'aiguille, est avantageusement assemblée sur le support 16,26 au moyen d'un via 33 percé dans le circuit imprimé 36. Ceci permet avantageusement une fixation de l'électrode polarisée 12,22 au moyen d'une soudure. Avantageusement, le via 33 est métallisé et percé dans une piste conductrice 31. Le perçage est tel qu'il assure la connexion électrique. Ainsi la fixation de l'électrode polarisée 12,22 dans le via 33 de manière connectée assure la connexion entre l'électrode polarisée 12,22 et le premier potentiel 8. Ceci permet un mode de réalisation simple de la fixation et de la connexion de l'électrode polarisée 12,22. [0044] Lc circuit imprimé 36 étant disposé en travers du flux de fluide est avantageusement ajouré afin de permettre le passage de ce flux de fluide. Selon un mode de réalisation, au moins un jour 38 est réalisé à cette fin. Afin de maximiser le passage de fluide au travers, ledit au moins un jour 38 peut recouvrir la totalité de la surface du circuit imprimé 36 à l'exclusion d'au moins une bande étroite ménagée autour de ladite au moins une piste conductrice 31. [0045] Un mode de réalisation d'un circuit imprimé 36 destiné à un ionisateur utilisable dans un dispositif selon l'invention est illustré à la figure 4 qui présente un circuit imprimé 36 adapté à un arrangement en quadrillage carré. Ce circuit imprimé 36 comprend un réseau, par exemple rectangulaire de pistes conductrices 31. Ces pistes sont avantageusement noyées dans l'épaisseur isolante du circuit imprimé 36. Elles sont électriquement reliées au premier potentiel 8. Selon un arrangement sensiblement en quadrillage carré, sont percés des vins 33, dans lesquels sont installées les électrodes polarisées 12,22,32. Le circuit imprimé 36 est découpé de jours 38 occupant une surface maximale afin de maximiser la section de passage de fluide. Cette surface maximale est juste restreinte par l'épargne d'une bande étroite autour des pistes 31. Des trous 39 sont ménagés, avantageusement sans connexion électrique, de manière spatialement répartie, pour permettre une fixation des entretoises 17,27,37, avantageusement réalisées en matériau isolant. 8 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4]