Brevet FR3110082A1 — publié le 20211119

LUMINAIRE HYBRIDE ECLAIRANT DESINFECTANT, INTELLIGENT ET PILOTABLE SANS FIL L’invention concerne un luminaire hybride (10) constitué de deux parties, une première partie éclairante, ladite partie (13), constituée de sources et d’optiques d’éclairage étant située latéralement. La seconde partie désinfectante, ladite partie (12), constituée de sources ultraviolettes et d’optiques ultraviolettes destinée à émettre un flux d’environ 1W dans une longueur d’onde comprise entre 220 et 280nm destiné à aseptiser les surfaces et l’air exposé au flux ultraviolet. Figure 2. LUMINAIRE HYBRIDE ECLAIRANT DESINFECTANT, INTELLIGENT ET PILOTABLE SANS FIL L’invention concerne un luminaire d’éclairage destiné à être utilisé également comme dispositif de désinfection basée sur l’irradiation ultraviolette. L'invention concerne également la façon de gérer convenablement les deux fonctions en assurant à la fois la sécurité et l’efficacité du dispositif multifonction. L’invention trouve une application particulièrement avantageuse pour les luminaires intégrant des sources de lumière de type diodes électroluminescentes (LEDs). D’autres solutions à partir de sources à décharges sont cependant utilisables selon cette invention. Les technologies de désinfection basées sur les rayonnements ultraviolets existent depuis très longtemps. Découvertes à la fin du 19eme siècle, les techniques se sont améliorées progressivement pour être utilisées à grande échelle dans le traitement de l’eau par exemple. De nombreuses études scientifiques et médicales ont permis en parallèle d’en mesurer l’efficacité en laboratoire, fournissant également au travers de publications des renseignements précis sur les radiations à utiliser et les doses à employer dans la lutte contre les germes, virus et bactéries de toute nature. Deux facteurs essentiels doivent être respectés pour l’efficacité de cette technique : les longueurs d’ondes, à choisir dans la bande 220 – 280nm et le produit irradiance (W/m²) par le temps d’exposition (en seconde). Le développement de ces techniques de désinfection par exposition de flux ultraviolets est toutefois freiné par un inconvénient majeur que constitue le risque sanitaire pour les autres organismes vivants d’être exposés à ce type de rayonnements artificiels. En effet l’exposition de la peau humaine et des yeux, en particulier, à cette radiation peut présenter un danger de brulure ou de cancer a plus long terme. Pour cette raison, la mise en œuvre de cette technique a été limitée à des applications ou le risque n’existait pas, par exemple des dispositifs fermés, ou bien où le bénéfice était supérieur aux risques, notamment dans le milieu médical. Avec l’expansion des pandémies et de leurs conséquences sanitaires et économiques, l’intérêt de trouver des méthodes complémentaires pour limiter la propagation des virus et des germes est plus que jamais d’actualité. Le traitement de l’air et des plans de travail exposés à des rayonnements UV est possible à partir des plafonds de la plupart des locaux car la propagation de ces rayonnements n’est pas entravée par l’air à faible distance, typiquement 2 à 3 mètres. Par contre la réflexion de ces ondes électromagnétiques est en général extrêmement faible, la plupart des matériaux absorbant généralement en grande partie le rayonnement ultraviolet. L’exposition directe de tous les objets et surfaces situées sous les plafonds permet à contrario de considérer cette solution comme utile pour désinfecter de grandes surfaces, fournissant une méthode complémentaire et efficace pour diminuer, voire supprimer la présence de germes pathogènes, virus et bactéries dans les environnements de travail. L’intégration de ces techniques de désinfection dans les plafonds présente également un autre intérêt, l’éclairage artificiel y étant déjà présent il est possible de bénéficier d’alimentations électriques en place pour fournir l’énergie suffisante afin de produire les d’ultraviolets. Il existe déjà sur le marché des produits spécialisés dont le but unique est justement de produire ces rayonnements, généralement avec des lampes à décharge de forte puissance. Ces produits sont destinés aux salles stériles et aux blocs opératoires des établissements hospitaliers, moyennant des précautions très importantes d’usage. Par exemple la société ES France commercialise des luminaires germicides de 30W à 150W pour des applications professionnelles et médicales. L’utilisation de ces dispositifs à grande échelle est limitée par la nécessité d’avoir à retirer des câbles dans tous les plafonds pour pouvoir les utiliser. Le problème technique de l'invention est donc de trouver comment utiliser un luminaire d’éclairage traditionnel, typiquement de dimension 600x600mm, correspondant aux dimensions d’encastrement des plafonds, pour réaliser un produit hybride capable d'être utilisé pour éclairer et également pour exposer l’environnement à des doses de rayonnements ultraviolets suffisants afin d’assurer un niveau de désinfection nécessaire et suffisant et réaliser le traitement dans des conditions de sécurité optimales. De cette manière, un tel dispositif pourra remplacer en lieu et place un autre luminaire de flux comparable afin d’assurer en plus la fonction de désinfection. Pour répondre à ce problème technique, l'invention propose d’ajouter dans un produit d’éclairage utilisant des sources LEDs produisant de la lumière blanche, des LEDs ultraviolettes émettant dans le domaine 220nm-275nm pour constituer un luminaire hybride capable de produire à la fois l’éclairage artificiel nécessaire aux activités et également un flux ultraviolet suffisamment énergétique pour atteindre les doses nécessaires à une action germicide significative sur les surfaces exposées à l’aplomb des produits. En outre, l’utilisation de matériaux appropriés permettra de ne pas dégrader le flux des sources ultraviolettes, les techniques utilisées pour le contrôle du flux seront la réflexion totale sur des surfaces très réfléchissantes de type aluminisées. Il existe sur le marché de l’aluminium extra pur (99,9%) dont les états de surface optiques permettent d’atteindre des réflexions totales de 80%, également des matières développées pour ces longueurs d’onde permettent d’atteindre plus de 90% (par exemple VEGA UV). La réfraction qui utilise des matériaux plus dense que l’air est une technique à éviter car les radiations ultraviolettes sont en grande partie absorbées par la plupart des matériaux transparents utilisables (verre, silicone, PMMA) Un soin particulier doit être apporté à la maitrise du flux ultraviolet afin que celui-ci soit émis le plus possible en totalité au travers des optiques primaires (et secondaires s’il y a lieu), sans être absorbé par l’intérieur du dispositif. En effet l’exposition prolongée et à très courte distance de certains matériaux internes, tels que les polymères thermoplastiques peut dénaturer leurs propriétés mécaniques et nuire à la durée de vie du produit, de sorte que la fonction éclairage peut s’en trouver dégradée. A cet effet, selon un premier aspect, l’invention concerne une répartition bien distincte des sources, la lumière étant placée en position extérieure du produit et la production des UV dans une partie centrale du même produit. Le mélange de lumière et de radiations ultraviolettes au sein du même dispositif est totalement contre intuitif dans le sens ou les UV ne peuvent pas être utilisés en présence des utilisateurs, alors que justement l’éclairage artificiel leur est destiné. L’invention se caractérise en ce que ladite zone d’émission de ces ultraviolets intègre des LEDs UV de faible puissance (moins de 2W) organisées en réseau série/parallèle sur une carte électronique dont le support est un PCB en aluminium d’au moins 1mm d’épaisseur. Compte tenu des contraintes thermiques que doivent assurer les matériaux par rapport à la puissance totale à dissiper et la surface de métal disponible sur le produit, le nombre total de LEDs devra être ajusté de façon à ce que la puissance totale des sources UV ne dépasse pas 150W/m² sans dissipateur additionnel, en effet la conversion de puissance des sources ultraviolettes est telle que 98% de la puissance est émise sous forme de chaleur qu’il faut dissiper dans l’enveloppe du luminaire. Au sens de l’invention, l’éclairage n’est pas comptabilisé dans le calcul de la puissance à dissiper, étant entendu qu’il n’est pas envisager de faire fonctionner simultanément l’éclairage et le flux de désinfection. La puissance électrique nécessaire pour l’éclairage est dans l’état actuel de l’art bien inférieur à ce qui est nécessaire de mettre en œuvre pour la désinfection. Pour obtenir l’efficacité aseptique recherchée, et pour ne pas augmenter les durées d’exposition au-delà d’une ou deux heures, il est nécessaire de prévoir une puissance unitaire totale dans le domaine spectral ultraviolet actif (bande 220-280nm) d’environ 100mW/m². En effet à cette valeur d’irradiance, en considérant qu’un luminaire éclaire une surface moyenne de 10 à 12m², la puissance à émettre par le luminaire sera donc de 1W environ (d’ultraviolet). Le nombre de LEDs ultraviolettes découle directement de cette valeur, la puissance unitaire de chaque LED étant de quelques mW, il faudra utiliser suffisamment de diodes émettant dans l’UV pour atteindre cette puissance totale de 1W. Cette irradiance est à multiplier par le temps d’exposition (en seconde) pour déterminer la dose d’exposition délivrée par le dispositif. Cette formule permet ainsi très simplement de trouver le temps minimal à appliquer pour désinfecter un local. Des tables très complètes existent pour la plupart des germes et virus indésirables et fournissent les doses à appliquer pour détruire avec un pourcentage minimal chaque microorganisme (en mJ/cm² ou J/m²). Par exemple, la référence suivante expose les valeurs pour la famille des coronavirus à plus de 90% : https://www.researchgate.net/publication/339887436 L’utilisateur peut ainsi calculer le temps d’exposition en secondes en divisant la valeur à atteindre par l’irradiance du luminaire sur chacune des surfaces exposées (100mW en moyenne). En pratique il pourra être utile de vérifier par calcul d’éclairement sur des logiciels appropriés l’irradiance ponctuelle sur certaines surfaces plus propices à des contaminations. Ce calcul à l’avantage de prendre en compte la photométrie dans l’ultraviolet du luminaire, les incidences angulaires des surfaces a aseptiser et les absorptions des éléments du mobilier environnant. De préférence, la longueur d’onde des LEDs émettant dans l’ultraviolet sera centrée sur 275nm à +/-5nm. Cette longueur d’onde à l’avantage d’avoir sensiblement la même efficacité sur l’absorption des UV par les nucléotides présents dans l’ADN et l’ARN des organismes à détruire que les lampes à décharge à 254nm. En outre l’efficacité des LEDs est supérieure à cette valeur de 275nm par rapport à des LEDs de plus courtes longueurs d’ondes. Il sera possible d’utiliser pour cette invention des lampes à décharge de 254nm, étant entendu que les LEDs confèrent des avantages indéniables. Par exemple, les LEDs ne contiennent pas de mercure que les lampes à décharge utilisent et qui posent des problèmes environnementaux. Les LEDs UV produisent leur flux dès la mise sous tension et peuvent être rallumées à chaud, ce qui n’est pas le cas des lampes traditionnelles. Enfin les LEDs permettent une émission monochromatique, efficace car la conversion de puissance est exclusivement utilisée pour émettre sur la fréquence utile à la désinfection, et évitent de produire de l’ozone en situant la longueur d’onde au-delà de 242nm. Selon un second aspect, l’invention concerne un luminaire comportant : - une cellule de détection de présence basée sur une surveillance de mouvements dans l’infrarouge. Cette cellule pourra également être un capteur de mouvement utilisant des micro-ondes; et - un dispositif de connectivité sans fil pilotant à la fois le système d’éclairage et le système de désinfection selon le premier aspect de l’invention dans lequel ledit système de désinfection sera commandé par le dispositif sans fil et simultanément par la cellule intégrée au luminaire. Ce dispositif sans fil peut être de type Zigbee, Bluetooth ou équivalent de nature à faire fonctionner plusieurs luminaires à l’intérieur d’un même réseau. Le dispositif de connectivité sans fil pourrait être remplacé par un bus de communication filaire assurant les mêmes fonctions de pilotage, en DALI par exemple. Pour limiter au maximum les risques d’exposition du personnel lorsque le dispositif de désinfection fonctionne, il est nécessaire de pouvoir l’activer lorsque les locaux sont vides. Par exemple au milieu de la nuit, ou dans des tranches horaires adaptées. L’éclairage et la désinfection fonctionnent indépendamment, chaque fonction étant alimentée par un driver de LEDs séparé et programmé pour fonctionner dans des tranches horaires différentes. La fonction éclairage devra être activée en dehors des périodes de désinfection et pourra être pilotée de manière similaire aux luminaires classiques pendant les phases de présence, la cellule pouvant adapter le niveau lumineux, déclencher l’allumage et l’extinction sur absence ou être inhibée. La fonction désinfection sera activée pendant les périodes ou les locaux sont inoccupés et doit être conditionnée à l’absence de personnels dans l’entourage immédiat du luminaire. Pour cette exigence il est nécessaire d’activer en permanence la cellule de détection qui en cas de présence est programmée pour éteindre le circuit de désinfection et rallumer l’éclairage par sécurité. La programmation horaire de ces deux modes et l’association de la cellule de détection de présence est réalisable à partir de produits disponibles sur le marché et de suites logicielles telles que CASAMBI par exemple, et également accessibles sur Smartphones ou tablettes. Un logigramme horaire donne par exemple un mode programmé tel que le disposif est prévu. La manière de réaliser l’invention ainsi que les avantages qui en découlent, ressortiront bien du mode de réalisation qui suit, donné à titre indicatif mais non limitatif, à l’appui des figures annexées dans lesquelles les figures 1 à 3 représentent : Figure 1 : une vue en perspective éclatée d’un luminaire selon un mode de réalisation de l’invention Figure 2 : une vue en coupe du luminaire de la figure 1 Figure 3 : un exemple de logigramme et programmation horaire des deux fonctions du dispositif Dans la description qui suit, un luminaire 10 est décrit avec une forme carrée destinée à être encastrée dans un faux plafond. Bien entendu, l’invention peut s’adapter à d’autres formes de luminaires, notamment un luminaire avec une forme rectangulaire ou des luminaires présentant des faces lisses et un fond destiné à fixer le luminaire sur un plafond. Ce luminaire comporte quatre optiques dans cette description, l’invention n’est pas limitative à ce nombre, et peut se concevoir à partir de deux optiques. Tel qu’illustré sur les figures 1 et 2, le luminaire 10 présente une forme encastrable obtenue par un châssis 11 supportant les éléments internes, et alimentant des sources lumineuses 12 . La source lumineuse 12 est réalisée par des diodes électroluminescentes ultraviolettes (LEDs UV) montées en deux lignes parallèles sur une carte électronique en aluminium et régulièrement espacées. En variante, la source UV peut être réalisée par une autre topologie de LEDs ou par une source lumineuse à décharge. Pour diriger le flux, deux optiques réflectives 16 forment une enceinte fermée autour des sources UV 12 . Ladite optique 16 est conçue pour réfléchir un maximum du flux ultraviolet dans le demi-angle solide inférieur (2π stéradian) avec un maximum dans l’axe du luminaire 10 . Les matériaux de cette optique sont en aluminium anodisé ou en aluminium avec un traitement de surface garantissant une réflexion ultraviolette supérieure à 90%. Le châssis 11 porte également deux autres sources d’éclairage 13. La source lumineuse 13 est réalisée par des diodes électroluminescentes produisant de la lumière blanche (LEDs d’éclairage) montées en deux lignes parallèles sur une carte électronique et régulièrement espacées. En variante, la source d’éclairage peut être réalisée par une autre source lumineuse fluorescente à décharge. Pour diriger l’éclairage, deux optiques réflectives 17 forment une enceinte fermée autour des sources lumineuses 13 . Ladite optique 17 est conçue pour réfléchir un maximum du flux ultraviolet dans le demi-angle solide inférieur (2π stéradian) avec un maximum dans l’axe du luminaire 10 . Les matériaux de cette optique sont en aluminium anodisé ou en aluminium avec un traitement de surface garantissant une réflexion lumineuse supérieure à 90%. L’optique réflective 17 pourra être remplacée par une optique diffractive, telle qu’une lentille en PMMA par exemple, étant entendu que le flux UV n’interagit pas avec ce matériau. Le châssis 11 porte deux alimentations électroniques 14 et 15 indépendantes fournissant respectivement un courant constant aux sources 12 et 13 . Ces alimentations électroniques 14 et 15 sont commandées par un deux émetteurs/récepteurs radioélectriques soit intégrées aux alimentations, soit externes à ces alimentations. Le châssis 11 porte également en sous face une cellule de détection de présence 19 (et éventuellement de détection de lumière). Ce capteur 19 est utilisé en premier lieu pour détecter la présence et fournir au réseau sans fil l’information permettant d’inhiber la fonction de désinfection pendant les phases ou les radiations ultraviolettes sont émises. Selon l’invention, tel qu’illustré sur la , la fonction d’éclairage est programmable à distance selon un mode de fonctionnement diurne correspondant à un créneau horaire très large ou l’éclairage artificiel est nécessaire pour les activités humaines. Dans ce mode diurne, la cellule de détection 19 agit selon les standards de l’éclairage en vigueur : allumage en cas de présence et extinction au bout d’un délai d’absence. Si le capteur est équipé d’une cellule photoélectrique, il est possible de réguler le niveau de lumière, voire l’éteindre (ou ne pas l’allumer) si l’éclairage naturel est suffisant. La fonction de désinfection est programmable à distance selon un mode de fonctionnement nocturne correspondant à un créneau horaire réduit ou l’éclairage artificiel n’est pas nécessaire pour les activités humaines. Dans ce mode nocturne, la cellule de détection 19 agit pour la sécurité. Toute détection va éteindre le flux ultraviolet et allumer l’éclairage signalant l’arrêt du dispositif de désinfection. Dès lors que le capteur ne détecte plus une présence et que le délai d’extinction est expiré, le dispositif se remet en marche dans le mode nocturne (désinfection). Pour des raisons de sécurité, il peut être avantageux de localiser dans le châssis 11 un témoin lumineux de couleur 18 (et/ou un buzzer) signalant sans équivoque le mode dans lequel le luminaire produit son flux ultraviolet. Ce voyant fonctionne en série avec la source 12 . L’invention permet ainsi d’obtenir un luminaire 10 qui est à la fois un dispositif d’éclairage qui diffuse la lumière issue des sources lumineuses 13, et ce même luminaire est aussi un dispositif de désinfection qui diffuse un flux ultraviolet issu des sources lumineuses 12 . Contrairement aux luminaires de l’état de la technique cette invention permet à elle seule de remplacer un luminaire classique, et d’apporter simultanément et au même endroit sans nécessiter de modifier le câblage des installations une capacité de désinfection complémentaire des luminaires qui en sont équipés. Luminaire (10) d’éclairage comprenant déjà une ou plusieurs sources d’éclairage artificiel émettant dans le domaine visible, ledit luminaire (10) présentant une zone de diffusion ultraviolette (16) sous la forme d’une ou plusieurs optique(s) destinée(s) à venir en regard d’une source ultraviolette (12), Caractérisé en ce que ladite source ultraviolette (12) du luminaire (10) produit des rayonnements dans les longueurs d’ondes comprises entre 220 et 280nm (UV-C) avec une irradiance comprise entre 50 et 500 mW/m² d’ultraviolet. Luminaire selon la revendication 1, dans lequel les sources (12) sont réparties dans ledit châssis (11) sans en occuper toute la sous face Luminaire selon la revendication 1, dans lequel le flux des sources (12) est contrôlé par une optique (16). Luminaire selon l’une des revendications 1 à 3, dans lequel ladite optique (16) est réalisée à partir d’un matériau aluminium ou aluminisé à haute réflectivité aux rayonnements ultraviolets. Luminaire selon l’une des revendications 1 à 4, dans lequel le flux des sources d’éclairage (13) et le flux des sources UV(12) sont indépendants et lesdites sources sont alimentées par deux alimentations séparées ou une alimentation avec deux canaux indépendants pour chaque ensemble de source(s). Luminaire selon la revendication 5, dans lequel lesdites alimentations sont commandées indépendamment par un dispositif sans fil intégré aux alimentations électroniques ou bien un dispositif externe à ces alimentations électroniques. Luminaire selon la revendication 5, dans lequel lesdites alimentations sont commandées indépendamment par un dispositif filaire à deux canaux, un par alimentation électronique. Luminaire (10) selon les revendications de 1 à 7 comportant : - un capteur de présence (19) utilisant une technologie infrarouge ou onde électromagnétiques (micro-ondes) Luminaire (10) selon les revendications 1 à 8, dans lequel , lesdites alimentations (14), les alimentations (15) et le capteur (19) font partie du même réseau sans fil pour permettre la gestion à distance et le pilotage horaire des deux modes de fonctionnement (éclairage ou désinfection) 10. Luminaire selon les revendications 1 à 8, dans lequel , lesdites alimentations (14), les alimentations (15) et le capteur (19) font partie du même réseau filaire pour permettre la gestion à distance et le pilotage horaire des deux modes de fonctionnement (éclairage ou désinfection)