EP0558609B1

EP0558609B1 - Dispositif de pulverisation ultrasonique de fluide

Info

Publication number: EP0558609B1
Application number: EP92900618A
Authority: EP
Inventors: Dominique Dubruque
Original assignee: DUBRUQUE Dominique
Current assignee: Sodeva
Priority date: 1990-11-22
Filing date: 1991-11-22
Publication date: 1995-08-02
Anticipated expiration: 2011-11-22
Also published as: DK0558609T3; FR2669561A1; DE69111824T2; WO1992009373A1; EP0558609A1; ATE125733T1; FR2669561B1; DE69111824D1; ES2077391T3; US5632445A

Description

La présente invention concerne un dispositif de pulvérisation ultrasonique de fluides.
Dans le cadre de la présente invention, le terme "fluides" entend désigner de façon très générale tous types de fluides traditionnels tels que des solutions à base de différents composés et/ou solvants minéraux ou organiques, des émulsions, des suspensions, des dispersions ou analogues, ainsi que des métaux et des alliages en fusion.
Par suite, ce type de pulvérisateur trouve des applications industrielles dans de très nombreux domaines. A titre d'exemples non limitatifs, il convient de citer les humidificateurs d'air, domestiques ou industriels, par exemple utilisés dans des installations de climatisation, les brûleurs à mazout, les pulvérisateurs de métallisation, notamment pour déposer les couches réfléchissantes par métallisation sous vide de pièces en matière plastique ou analogue.
Enfin, ce type de dispositif est également utilisé pour générer des poudres par vaporisation de la phase liquide associée.
Il est également possible d'utiliser ce type de pulvérisateur avec une alimentation de plusieurs liquides, pour assurer des mélanges intimes ou encore mettre en oeuvre des réactions à l'état vaporise.
Bien entendu, pour tel ou tel type d'application particulière, il est nécessaire d'associer au pulvérisateur des moyens de chauffage et/ou d'agencer ce pulvérisateur dans une chambre étanche dans laquelle règne une atmosphère contrôlée de gaz.
Il convient tout d'abord de rappeler que la pulvérisation ultrasonique est basée sur la génération d'ondes de surface stationnaires, à l'interface liquide-gaz, organisées en forme de treillis parfaitement régulier.
La distance entre deux pics consécutifs du treillis conditionne le diamètre moyen des gouttes formées.
Il a été constaté qi'il était important de disposer d'une grande surface active dans le but d'augmenter le débit du pulvérisateur tout en restant dans la zone de fonctionnement optimal.
Les pulvérisateurs ultrasoniques classiques de type axial sont limités en dimension par le fait que, pour fonctionner de façon conérente et homogéne, la surface de leur zone active ne peut excéder une valeur dépendant directement de la fréquence d'excitation.
C'est ainsi qu'un élément cylindrique en titane vibrant à 20 KHz ne peut pas avoir un diamètre de face active supérieur à 80 mm sous peine de faire apparaître en superposition une vibration radiale indésirée à cet endroit, ce qui a pour conséquence un échauffement suivi' d'une cassure de l'élément.
L'état de la technique antérieure peut être illustré par le brevet beige BE-A-888 375 qui décrit un type de pulvérisateur utilisant ces résonateurs de flexion. Ce type de dispositif, qui doit permettre d'augmenter les débits de manière significative, présente cependant l'inconvénient de vibrer de manière non homogène.
La face active de ces pulvérisateurs présente, selon ses dimensions et sa forme, une succession de ventres et de noeuds d'ondes et vibre avec une amplitude plus ou moins grande suivant que l'on s'éloigne ou que l'on se rapproche de l'axe d'excitation.
Ceci se traduit par une dispersion granulométrique plus grande : les zônes de forte amplitude génèrent des gouttes de grande taille et les zones de faible amplitude des gouttes de petite taille.
Par ailleurs, l'existence de zones de contraintes maximales dans des parties de forme inappropriée peut conduire à la rupture du système.
La présente invention a donc pour but de proposer un dispositif de pulvérisation radiale permettant de pulvériser de grands débits de fluides tout en conservant une répartition granulométrique serrée et en assurant une parfaite fiabilité au niveau de la tenue des matériaux constitutifs.
L'invention y parvient grâce aux caractéristiques énoncées dans la revendication 1.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée faite ci-après d'un certain nombre de modes de réalisation particuliers et notamment en regard des dessins annexés, sur lesquels :

la figure 1 représente une vue en perspective de l'ensemble du dispositif de pulvérisation selon l'invention,
la figure 2 représente une vue schématique de côté du dispositif ce la figure 1,
la figure 3a représente un pulvérisateur dont la face latérale est cylindrique,
la figure 3b représente un pulvérisateur dont la face latérale est convexe,
la figure 4 représente une partie du dispositif de pulvérisation munie d'une alimentation externe, par rampe annulaire,
la figure 5 représente un dispositif de pulvérisation équipé d'un répartiteur de liquide,
la figure 6 représente un dispositif de pulvérisation équipé d'une alimentation par effet capillaire,
la figure 7 représente un dispositif de pulvérisation destine au traitement de liquides à haute température,
la figure 8 représente un dispositif de pulvérisation muni d'une alimentation interne, et
la figure 9 représente un dispositif de pulvérisation muni d'une double alimentation interne.

Le dispositif représenté sur la vue en perspective de la figure comporte, à sa partie supérieure, un convertisseur électroacoustique, du type à excitation piézoélectrique.
Il peut par exemple être du type "triplet et Langevin" comme décrit dans l'ouvrage High Intensity Ultrasonics de B. Brown et J.E. GOODMAN.
Dans l'ensemble de la présente description, ce convertisseur électroacoustique portera la référence 10.
Le dispositif de pulvérisation selon l'invention comprend eventuellement au moins un barreau de couplage 12, ainsi qu'un pulvérisateur agencé sous la forme d'une couronne radiale 14 en saillie par rapport à l'élément axial la supportant par construction.
La couronne radiale 14 est excitée à partir du mode axial de l'élément précité, sur lequel elle est centrée.
On notera que pendant la phase de compression axiale, la couronne radiale 14 s'expanse, et vice versa.
Tel que cela se trouve représenté sur la figure 2, la couronne radiale 14 du pulvérisateur est agencée au centre d'une demi-longueur d'onde de la vibration axiale.
On notera également que le diamètre externe D de la couronne radiale 14 est avantageusement déterminé pour assurer la vibration de ladite couronne en résonnance avec le système axial. Les méthodes de calcul de tels systèmes sont bien connues des hommes de l'art et notamment, décrites dans le brevet américain US-A-3.696.259.
Le diamètre de la couronne active est directement lié à la fréquence d'excitation qui peut aller de 10 à 100 KHz.
L'amplitude de vibration de la couronne radiale est homogéne sur toute la zone active.
Elle peut être adaptée à la viscosité du liquide à traiter en utilisant un barreau 12 de couplage au convertisseur 10 présentant une forme appropriée.
Selon une caractéristique particulière du dispositif selon la présente invention, la face latérale active de la couronne radiale 14 peut être agencée de façon cylindrique d'axe parallèle à la vibration axiale.
Ce mode de réalisation se trouve illustré à la figure 3a.
Conformément à un autre mode de réalisation décrit à la figure 3b. la face latérale active de la couronne radiale 14 peut affecter une forme convexe, l'amplitude de vibration variant dans ce cas légèrement d'un point de la face à un autre point de niveau différent.
L'alimentation du liquide à traiter peut être réalisée par l'extérieur du dispositif à proximité d'une zone nodale, c'est-à-dire peu active, au encore par l'intérieur du dispositif grâce à des perçages de faible diamètre pratiqués dans des zones de faibles contraintes.
Selon un mode de réalisation particulier, illustré à la figure 4 annexée, les moyens d'amenée du liquide sont constitués par une rampe annulaire 16 produisant un écoulement direct sur la zone de raccordement 18 à la face latérale active de la couronne 14.
Il ne s'agit là que d'un mode de réalisation particulier dans lequel le liquide s'écoule librement ou encore par surpression à partir de la rampe annulaire 16 vers la face latérale active de la couronne 14.
Dans le mode de réalisation particulier décrit, en référence à la figure 5, on observe que les moyens d'amenée du fluide sont constitués par un conduit 20 déversant le fluide dans une gorge annulaire de répartition 22 ménagée au voisinage de la partie supérieure du raccordement du pulvérisateur au barreau de couplage.
La présence de ce repartiteur 22 permet au liquide à traiter de s'écouler régulièrement et de façon continue vers la face active du pulvérisateur 14.
Conformément à un autre mode de réalisation du dispositif de pulvérisation selon l'invention, tel qu'illustré à la figure 6, le fluide est amené à la partie inférieure du pulvérisateur par effet capillaire et pompage acoustique.
On obtient ainsi une alimentation parfaitement régulière et homogène de la face active latérale de la couronne radiale 14.
Le mode de réalisation illustré à la figure 7 se rapporte à un dispositif de pulvérisation destine à assurer la pulvérisation ultrasonique de fluides portés à haute température. Il peut en particulier s'agir de métaux ou d'alliages liquides.
Dans pareil cas, la rampe externe permettant l'écoulement annulaire du liquide se trouve entourée d'un dispositif de chauffage par induction portant la référence 24.
Il est bien clair qu'il s'agit là d'un moyen de chauffage particulier et qu'en réalité, le pulvérisateur peut être chauffé localement par tout autre moyen au voisinage des moyens d'amenée de fluide.
Dans pareil cas, il convient toutefois d'assurer une protection thermique du convertisseur 10.
A cet effet, il est tout d'abord possible d'interposer entre le convertisseur 10 et la couronne radiale 14 plusieurs éléments de barreau de couplage 12,12'.
Ceci permet d'assurer un éloignement et donc une protection du convertisseur par rapport à la zone de chauffage par induction 24.
Lorsque le dispositif selon l'invention est appliqué à la pulvérisation de métaux liquides, il conviendra en outre de placer le convertisseur électroacoustique dans une chambre étanche assurant son refroidissement, par exemple par une circulation de fluides de refroidissement au-travers des double-parois de ladite chambre portant la référence générale 26.
Il est clair que lorsque l'on interpose plusieurs éléments de barreau de couplage entre le convertisseur et la couronne de pulvérisation, il présenteront chacun avantageusement une longueur égale à une demi-longueur d'onde de la vibration axiale, la longueur d'onde tenant compte du gradient de température dans le barreau.
Les dimensions exactes de l'élément radial et du barreau de couplage seront avantageusement choisies pour conserver la fréquence propre du convertisseur à la température visée.
Par exemple, un pulvérisateur en alliage de titane utilisant un convertisseur à 20 KHz et destiné à fonctionner à une température de 650°C, sous 10 »m d'amplitude de crête à crête, sera accordé à froid sur une fréquence de l'ordre de 21.200 Hz.
Les matériaux seront choisis en fonction du niveau de température et des amplitudes nécessaires.
Comme cela avait déjà été indiqué précédemment, l'alimentation en liquide peut également être réalisée par l'intérieur même du dispositif de pulvérisation.
Les modes de réalisation des figures 8 et 9 illustrent une telle alimentation interne.
Il s'agira en particulier de canaux 28, de préférence des canaux radiaux, ménagés dans le plan médian de la couronne radiale 14.
Ces canaux 28 sont raccordés à un canal central d'alimentation 30 débouchant dans une zone de faible contrainte 32 d'un ces éléments de barreau de couplage 12.
L'alimentation proprement dite en liquide, s'effectue par un conduit 34 pénétrant dans le barreau 12 au voisinage précisément d'une zone de faible contrainte du barreau 32.
Le pulvérisateur illustré à la figure 9 est du type à double-alimentation 34,36. Il est plus particulièrement destiné à être appliqué au cas de deux liquides qui ne doivent pas être mis en contact à l'état liquide longtemps avant la phase de pulvérisation, de séchage et/ou de solidification.
Dans le mode de réalisation particulier illustré à la figure 9, on constate que les deux alimentations de liquides 34 et 36 sont de type interne, c'est-à-dire que le mélange s'effectue au niveau du canal central 30 couplé aux canaux radiaux 28.
Pour le cas où la durée de contact entre les deux liquides doit encore être raccourcie, il est possible d'avoir recours à deux types d'alimentation différents, par exemple une alimentation interne du type illustré à la figure 8, associée à n'importe quel autre type d'alimentation externe illustré sur les figures précédentes.
Le pulvérisateur ultrasonique conforme à l'invention peut être appliqué à la pulvérisation de métaux et d'alliages, de produits chimiques, minéraux ou organiques (pharmaceutiques, cosmétiques) pouvant être mis sous forme liquide ou en solution, sous forme d'émulsions ou de suspensions cristallines.
Il peut être mis en oeuvre notamment dans une chambre étanche, sous pression de gaz inerte ou actif ou sous dépression, refroidie ou chauffée (cas du séchage par spray-drying). Les dimensions et la forme de la chambre peuvent être adaptées selon la forme du pulvérisateur qui peut être à face plane, tronconique ou convexe.
Les avantages obtenus grâce à l'invention résident essentiellement dans le fait que les débits peuvent être élevés grâce à la grande surface active de la couronne, la répartition granulométrique serrée grâce à l'homogénéité d'amplitude, la fiabilité conservée en ce sens que l'ensemble vibre en masse et de manière cohérente.
De plus, dans le cas d'alimentation par l'intérieur, les orifices d'amenée du liquide ne seront jamais obstrués du fait de l'activité ultrasonique y régnant.
A titre d'exemple, un pulvérisateur radial fonctionnant à 20 KHz peut générer un brouillard de gouttes d'eau d'environ 50 microns pour un débit de l'ordre de 300 litres/heure au moins et sous ne amplitude de 10 microns.
Un autre exemple de mise en oeuvre selon le procédé concerne la fabrication de poudres d'alliages étain/plomb. Un alliage du type 62/36/2 fondant à 179°C est pulvérisé à l'aide d'un pulvérisateur radial fonctionnant à 30 kHz avec une amplitude de 6 microns crête à crête et un débit de 30 kg/heure. On obtient 95% de poudre inférieure à 80 microns et 56% inférieure à 40 microns.

Claims

Dispositif pour la pulvérisation ultra-sonique de fluides, comprenant : dans un élément axial (12)
- un convertisseur électro-acoustique (10) délivrant/une vibration axiale de longueur d'onde donnée,

- éventuellement au moins un élément de barreau de couplage (12, 12'),

- un pulvérisateur (14) qui est en saillie par rapport à l'élément axial, qui est accordé à la fréquence du convertisseur (10) et qui est supporté par construction par l'élément axial (12), et

- des moyens pour amener lesdits fluides à pulvériser au voisinage immédiat de la zone active dudit pulvérisateur (14), caractérisé en ce que le pulvérisateur (14) est agencé sous la forme d'une couronne radiale située sur un noeud d'onde de vibration axiale, au centre d'une demi-longueur d'onde de ladite vibration axiale.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face latérale active de la couronne (14) est cylindrique, d'axe parallèle à la vibration axiale, et qu'elle vibre sur toute sa surface avec une amplitude quasi constante, assurant de ce fait une pulvérisation avec un spectre resserré.
Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la face latérale active de la couronne (14) est convexe.
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'amenée dudit fluide à pulvériser sont agencés a l'extérieur du dispositif.
Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'amenée de fluide sont constitués par une rampe annulaire (16) produisant un écoulement direct sur la zone de raccordement (18) à la face latérale active de la couronne (14).
Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens d'amenée de fluide comportent une gorge annulaire (22) de répartition de fluide ménagée à proximité d'une zone nodale de la zone de raccordement à la face latérale active de la couronne (14).
Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le fluide est amené à la partie inférieure du pulvérisateur par effet capillaire et pompage acoustique.
Dispositif selon l'une des revendications 4 à 7, caractérisé en ce que le pulvérisateur est chauffé localement au voisinage des moyens d'amenée de fluide.
Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le convertisseur électro-acoustique est éloigné du pulvérisateur par interposition de plusieurs éléments de barreau de couplage (12, 12') ayant chacun une longueur égale à une demi-longueur d'onde de la vibration axiale, déterminée en tenant compte du gradient de température.
Dispositif selon l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre de refroidissement dans laquelle est monté le convertisseur électro-acoustique (10)
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'amenée dudit fluide à pulvériser comportent des canaux, de préférence radiaux (28), ménagés dans le plan médian de la couronne radiale (14), lesdits canaux étant raccordés à un canal central d'alimentation (30) débouchant dans une zone de faibles contraintes d'un élément de barreau de couplage (12).
Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte une chambre étanche dans laquelle est placé le pulvérisateur (14), la chambre étanche renfermant une atmosphère de gaz contrôlée.
Utilisation d'un dispositif selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisée en ce que plusieurs fluides sont amenés simultanément au niveau de la zone active de la même couronne radiale du pulvérisateur.