Distributeur aérosol muni d'un dispositif pour accélérer l'ébullition d'un gaz liquéfié agissant comme propulseur
La présente invention concerne un distributeur aérosol muni d'un dispositif visant à accélérer l'ébullition d'un gaz liquéfié sous pression, lorsque ce gaz est soumis à une dépression de nature à provoquer son ébullition.
Cette invention constitue un moyen nouveau pour accélérer l'ébullition du propulseur constitué par le gaz liquéfié sous pression.
L'invention permet la réalisation de distributeurs aérosols avec des propulseurs choisis parmi des gaz dont les caractéristiques physiques seraient autrement peu favorables à une telle destination.
On décrira plus spécialement, ci-après, des distributeurs aérosols du genre comportant: - un réservoir muni d'une valve à bouton-poussoir et
contenant un gaz liquéfié servant de propulseur; - un éjecteur assurant, sous l'action du gaz, I'aspiration,
l'éjection et la pulvérisation d'une phase liquide con
tenant au moins un agent actif; - un second réservoir contenant ce liquide, ce réser
voir pouvant être coaxial au précédent - et notam
ment le contenir - ou lui être juxtaposé.
De tels récipients, destinés à être utilisés normalement en position verticale, doivent débiter le gaz propulseur sous une pression motrice relativement constante pendant un temps prolongé et sans agitation, même en cas d'utilisation à une température ambiante relativement basse.
La valeur minimale de la pression motrice devant être assurée dépend de nombreux facteurs parmi lesquels on citera: - la qualité de la pulvérisation désirée (aérosol d'atmo
sphère ou pulvérisation de surface); - la nature du solvant plus ou moins volatil qu'il est
possible d'utiliser; - les quantités relatives de gaz et de liquides disponi
bles compte tenu des capacités de l'appareil.
En général, la valeur minimale de la pression motrice est d'environ 1 kglcm2 dans le cas des aérosols d'atmosphère. Or, les gaz dont on dispose pratiquement et économiquement pour l'assurer sont peu nombreux. Ce sont essentiellement: a) des hydrocarbures fluochlorés, entre autres: le
chlorodifluorométhane (F22) (point d'ébullition E =
40,80 C) et le dichlorodifluorométhane (F12) (E = - 27,80 C), b) le propane (E = - 42,20 C), c) I'isobutane (E = - 11,70 C), d) le butane (E = - 0,50 C), e) l'isobutylène (E = - 60 C), f) le chlorure de vinyle (E = - 140 C).
Cependant ces composés présentent tous des inconvénients: - les dérivés fluorochlorés sont des gaz lourds qui ne
permettent d'obtenir des pulvérisations d'atmosphère
qu'au prix d'une consommation importante de gaz; - le propane a une tension de vapeur de l'ordre de
20 bars à 500 C et pose de graves problèmes pour la
résistance et l'étanchéité des réservoirs; - les autres gaz cités ont un point d'ébullition trop pro
che de la température ambiante pour permettre le
maintien d'une pression suffisante notamment en cas
de conditions d'utilisation défavorables.
On a donc cherché à accélérer et à régulariser l'ébullition de ces derniers gaz pour permettre leur utilisation.
En particulier on a proposé les moyens suivants qui ont été utilisés dans l'industrie des distributeurs aérosols et du conditionnement de gaz sous pression.
Selon une première réalisation, un élément chauffant est introduit dans le réservoir du liquide à vaporiser. Un tel procédé est d'un coût élevé, inacceptable pour une bombe aérosol, de petit volume généralement, dont les différents éléments ne sont pas démontables en raison de ce que, une fois vide, une telle bombe n'est généralement pas réutilisée.
Selon une autre disposition connue, I'alimentation de la valve est réalisée non pas en gaz, mais en liquide. Par ce moyen le débit du gaz propulseur est régulier quelles que soient la position du réservoir et les manipulations dont il peut être l'objet. Ce système est complètement inapplicable dans le cas des distributeurs aérosols où le col de l'éjecteur doit être traversé d'une manière impérative par un courant gazeux.
Enfin il a été préconisé l'association au gaz liquéfié d'un gaz permanent qui serait soit dissous, soit formé in situ par exemple par action de l'eau oxygénée sur la fibrine. La réalisation pratique d'un tel procédé est très délicate.
Le distributeur suivant l'invention qui accélère et régularise l'ébullition d'un propulseur liquéfié a en premier lieu pour but de remédier aux inconvénients des dispositifs antérieurs ci-dessus rappelés.
Le distributeur aérosol selon l'invention comprend une enceinte qui contient un gaz propulseur liquéfié sous pression et où s'est établi un régime d'équilibre des phases liquides et vapeur du propulseur, caractérisé en ce que le distributeur est pourvu d'un dispositif pour accélérer l'ébullition dudit gaz, ledit dispositif étant constitué par un corps insoluble dans ladite phase liquide et possédant au moins une cavité ayant un bout interne fermé et un orifice situé au-dessous du niveau dudit bout et du niveau de ladite phase liquide.
Il a été constaté en effet que la disposition indiquée dans l'enceinte contenant le gaz liquéfié d'un corps creux ouvert d'un côté et clos sur le reste de sa surface produisait le résultat surprenant d'accélérer et de régulariser l'ébullition du gaz lorsque la pression était modifiée dans l'enceinte, notamment du fait que cette dernière était mise en communication avec l'atmosphère.
Plus précisément, on a pu constater qu'au moment où des prélèvements sont effectués dans la phase vapeur il se produit à hauteur de l'ouverture de ladite cavité une surface d'ébullition à la fois génératrice de gaz et accélératrice de l'ébullition qui assure, en même temps que l'ébullition produite à la surface libre du liquide, une compensation de la baisse de pression dans le réservoir.
On peut donner, a posteriori , du phénomène ainsi constaté l'explication suivante, sans toutefois que l'in- vention soit liée à cette explication: dans une enceinte dépourvue du dispositif selon l'invention, en l'absence de toute agitation, la chaleur nécessaire à l'ébullition du liquide est fournie par une zone proche de la surface libre de ce liquide; l'ensemble de la masse liquide ne se refroidit pas d'une manière appréciable, et le débit gazeux se ralentit au fur et à mesure que l'ébullition se prolonge, en fonotion du refroidissement de la surface libre précitée.
Par l'adjonction du dispositif suivant l'invention, il est créé une nouvelle surface d'ébullition qui s'ajoute à celle de la surface libre et qui, de plus, provoque l'accélération de l'ébullition sur cette dernière grâce à l'apport de chaleur assuré par les bulles montantes qui brassent la masse liquide.
Le dispositif suivant l'invention est en outre particulièrement avantageux lorsqu'il est souhaitable d'éviter l'abaissement de la pression dans l'enceinte.
Dans une réalisation particulière de l'invention, la cavité est constituée par le volume intérieur d'un tube ouvert à une extrémité, fermé à l'autre et partiellement immergé dans le liquide, l'ouverture étant disposée à sa partie inférieure. Un tel tube sera appelé ci-après tube à bulles.
Dans une deuxième réalisation particulière de l'invention, la cavité qui est double est constituée par le volume intérieur d'un tube replié dont les deux extrémités sont situées contre le fond du réservoir.
Dans une troisième disposition de l'invention, la cavité qui est multiple est répartie au moins à la surface d'un corps caverneux ou poreux, celui-ci étant immergé dans le fond du réservoir.
Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples:
la fig. 1 représente en élévation une coupe arrachée d'un distributeur aérosol à double réservoir muni d'un tube à bulles;
la fig. 2 est un graphique de l'expérimentation comparée de plusieurs réservoirs dont l'un contient un tube à bulles;
la fig. 3 est une coupe en élévation d'un réservoir contenant un tube à bulles replié;
la fig. 4 est une coupe en élévation d'un réservoir contenant un corps poreux.
Dans les exemples particuliers de réalisation de l'invention qui vont être décrits ci-après, on montrera l'application de cette invention plus spécialement au domaine des distributeurs à bouton-poussoir du genre bombes aérosols.
On reconnaît ainsi, en se reportant à la fig. 1 des dessins annexés, en 1 le récipient extérieur d'un distributeur aérosol contenant un agent actif liquide 2 à pulvériser.
Le récipient 1 est obturé par un bouchon 4 à l'intérieur duquel est monté un réservoir 5 contenant le propulseur 6 (gaz liquéfié) dont l'énergie cinétique permet la pulvérisation du liquide 2. Le bouchon 4 contient encore la valve comportant le ou les obturateurs nécessaires au fonctionnement et il est traversé par un éjecteur portant un bouton-poussoir 9 contenant une buse de pulvérisation dont l'orifice est vu en 10.
L'agent actif 2 est amené à l'éjecteur par un tube plongeur 3.
La surface libre AA du gaz liquéfié détermine dans le réservoir 5 la séparation entre les volumes, occupés respectivement par la phase liquide 6 et la phase vapeur 7.
Un tube à bulles 8 est disposé librement à l'intérieur du réservoir 5; son extrémité supérieure 11 est fermée mais son extrémité inférieure 10 est ouverte.
Le distributeur étant au repos, le tube à bulles 8 est rempli partiellement de liquide et partiellement de gaz.
Aux phénomènes de capillarité près et à la présence éventuelle d'air initialement emprisonné près, le niveau a du liquide dans le tube à bulles 8 est dans le plan de la surface libre AA du gaz liquéfié. Le gaz occupe le volume restant du tube à bulles 8 compris entre ce niveau a et l'extrémité supérieure 11.
D'une manière préférée le tube à bulles 8 est en polyéthylène ou en aluminium. Mais il peut être constitué en toute autre matière suffisamment solide pour ne pas se briser sous l'effet des chocs normaux dont le distributeur peut être l'objet, ne provoquant pas des phénomènes de corrosion dans le réservoir 5 ni dans les organes de l'obturateur, insoluble dans le gaz liquéfié et dépourvue d'affinité chimique à son égard. Des interactions limi tées peuvent néanmoins être admises, comme par exemple un gonflement léger du tube à bulles 8.
Le diamètre intérieur du tube à bulles 8 peut être inférieur à 1 mm mais d'une manière pratique le diamètre intérieur de ce tube 8 est compris entre 1 et 3,5 mm et d'une manière préférée entre 2 et 3 mm. De façon plus précise le diamètre intérieur du tube à bulles 8 doit être tel que le liquide contenu puisse être chassé sans retard lorsque la dépression se manifeste dans la phase vapeur 7; sa détermination précise exigerait en toute rigueur la prise en considération du volume de la phase vapeur 7, le volume du gaz isolé dans le tube 8 et la hauteur du liquide 6 dans le réservoir 5. Pour fixer les idées il convient de retenir que le diamètre intérieur du tube à bulles 8 ne dépasse pas en général 4 mm pour des réservoirs 5 de 50 ml et 5 mm pour des réservoirs 5 de 150ml.
L'épaisseur du tube à bulles 8 ne constitue pas un élément caractéristique; elle est calculée pour assurer une rigidité convenable compte tenu des phénomènes de gonflement cités plus haut qui peuvent éventuellement intervenir.
La longueur du tube à bulles 8 est inférieure ou égale à la longueur du tube 13 le plus long qui pourrait être introduit dans le réservoir 5 et supérieure à la plus grande hauteur de liquide pouvant être contenu dans ce réservoir 5, cette plus grande hauteur ne dépassant généralement pas les 4/5 de la distance H qui sépare le fond du réservoir 5 de l'orifice d'évacuation 12 du gaz propulseur. Cette réalisation préférée oblige le tube 8 à rester en partie immergé sans pouvoir aller complètement au fond du réservoir 5 ni flotter sur la surface libre du liquide 6. Le tube à bulles 8 a d'autre part son extrémité inférieure 10 à proximité du fond du réservoir 5, ce qui lui permet de remplir correctement son rôle.
Le tube à bulles 8 peut être droit ou légèrement cambré sans qu'il y ait lieu d'attacher une importance particulière à ces différences de forme.
En appuyant sur le bouton-poussoir 9 du distributeur, le gaz propulseur emmagasiné dans la chambre 7 du réservoir 5 s'échappe et provoque la pulvérisation de l'agent actif 2. De ce fait la pression dans la chambre 7 baisse ce qui provoque l'ébullition du liquide 6 au niveau de la surface libre AA. La baisse de pression se transmet instantanément par le liquide au gaz isolé dans la partie supérieure du tube à bulles 8.
Le gaz isolé entre le niveau a et l'extrémité supérieure 1 1 du tube à bulles 8 se détend et chasse le liquide vers l'extrémité inférieure 10 du tube à bulles 8.
Lorsque le tube 8 est occupé totalement par le gaz, il se crée une surface de contact liquide gaz au sein du liquide 6 et à l'extrémité 10 du tube 8 qui devient génératrice de bulles de gaz. Cette petite surface assure en effet par l'ébullition qui y règne un appoint complémentaire de gaz qui vient s'ajouter à celui produit à la surface libre AA du liquide 6.
L'efficacité de ce premier mode de réalisation suivant l'invention a été vérifiée au cours d'expériences dont les résultats apparaissent sur les graphiques de la fig. 2 sur lesquels les pressions P évaluées en kg/cm2 sont portées en ordonnées et les temps t évalués en secondes sont portés en abscisses.
Il a été mesuré à la température ambiante, vers 18 C, les pressions en amont d'une buse ayant un diamètre au col de 0,5 mm, alimenté par quatre flacons de verre de 150 ml chacun emplis d'isobutane, lors de 5 pulvérisations successives de 10 sec, espacées de 2 mn.
Le flacon I a été agité pendant les essais.
Des copeaux métalliques ont été introduits dans le flacon II.
- Le flacon III a été modifié conformément à l'invention par addition d'un tube à bulles 8.
- Le flacon IV a été utilisé sans agitation.
Les courbes de pression obtenues avec le flacon I montrent un bon comportement du distributeur qui a pu fonctionner pendant toutes les pulvérisations à une pression supérieure à 1 kg/cm2. Le débit gaz a été régularisé par l'agitation régulière du flacon I, ce qui a ainsi provoqué un apport continu et suffisant de la chaleur interne du liquide vers sa surface libre où se produisait l'ébullition.
A l'inverse les courbes de pression obtenues avec le flacon IV qui était tenu verticalement sans agitation montrent que la pression tombe rapidement à 300 g/cm2 et varie ensuite irrégulièrement avec l'apparition brusque et aléatoire de bulles de vapeur dans le liquide.
Le flacon III porteur du tube à bulles 8 donne une courbe de pressions relativement ordonnée dont les valeurs se situent au-dessus de 1 kg/cm2, comme dans le cas du flacon I. Le tube à bulles 8, simple tube renversé agit ici comme un générateur permanent et régulier de bulles et il a presque le même effet que le procédé par agitation.
Enfin le comportement du flacon II est très irrégulier.
La courbe des pressions baisse très rapidement vers 300 g/cm2 et même moins et ne se relève qu'au cours de 2 pulvérisations seulement.
Ces expériences montrent que l'application d'un tube à bulles permet d'utiliser sans agitation continue, ce qui est très important pour des pulvérisateurs portatifs, des gaz propulseurs à tension de vapeur moins élevée que celle du propane, comme l'isobutane, le chlorure de vinyle, l'isobutylène et le butane. Il s'ensuit que les réalisations du réservoir 5 peuvent être moins coûteuses qu'avec le propane.
Selon un deuxième mode de réalisation représenté à la fig. 3, le tube à bulles est double.
Ce tube à bulles double est constitué par un tube souple 14 de polyéthylène par exemple, coupé à une longueur double de la longueur voulue pour un tube unique, plié en son milieu jusqu'à ce que ses extrémités 15 se touchent et qui est placé dans le réservoir 5, les extré- mités 15 reposant sur le fond de ce dernier.
On a ainsi réalisé avantageusement un tube à bulles très efficace dont le diamètre intérieur peut varier de 1 à 3,5mm.
Le fonctionnement du tube plié 14 est identique à celui du tube à bulles 8 qui a été décrit précédemment.
La troisième réalisation représentée à la fig. 4 comporte un corps poreux 16 déposé sur le fond du réservoir 5. Le corps poreux 16 présente sur sa surface extérieure un grand nombre de cavités telles que 17 qui sont fermées vers l'intérieur et qui peuvent retenir par adsorption des fractions de gaz.
D'une manière préférée, le corps poreux 16 est de la vermiculite, de la pierre ponce, du charbon de bois ou un fragment d'os brut.
Tous ces corps se présentent avec une surface extérieure dont les rugosités sont perceptibles à l'oeil; ils possèdent une structure alvéolaire et des alvéoles ouverts vers l'extérieur et fermés vers l'intérieur; ils sont chimiquement inertes à l'égard des organes de l'appareil distri buteur et du gaz liquéfié; leur résistance mécanique est suffisante pour résister aux chocs normaux et leur densité est telle qu'ils restent au fond du réservoir 5.
Les corps poreux préférés présentent l'avantage de provoquer l'ébullition plus d'un mois après leur introduction dans le réservoir 5 et sans agitation préalable.
Cette caractéristique les différencie d'autres corps poreux comme le bois tendre, le bois aggloméré, le bois résineux, le verre fritté, le ciment, le plâtre coulé, l'ardoise, le soufre cristallisé et la céramique pour lesquels il est nécessaire, en cas de non-,utilisation du distributeur pendant un laps de temps prolongé (15 jours par exemple), de procéder à une agitation du distributeur ayant pour but de remettre ainsi physiquement en contact le corps poreux et la phase vapeur.
Cette différence de comportement entre les deux catégories de corps provient vraisemblablement, sans toutefois que cette explication soit liée d'une manière certaine à l'invention, de ce que les corps poreux préférés ne sont pas mouillés par le gaz liquéfié et que par suite les gaz adsorbés par eux ne sont pas dissous dans le liquide.
Les dimensions des fragments de corps poreux sont telles qu'il n'y a pas lieu de descendre pour des raisons pratiques au-dessous d'un volume équivalent à celui d'un grain de blé. D'une manière préférée, pour des réservoirs de 50 à 150 le fragment introduit a approximativement le volume d'une sphère de 5 mm de diamètre,
sa forme pouvant être quelconque et pouvant aller des formes sphéroïdales qui correspondent à une immersion complète à des formes très allongées en tiges avec lesquelles l'immersion n'est alors que partielle. I1 est évident que le fragment peut avoir des dimensions supérieures et que l'on peut utiliser plusieurs fragments en même temps. I1 convient toutefois que ces fragments ne puissent en aucune manière s'engager dans la valve du distributeur ni occuper un volume trop grand dans le réservoir 5 au détriment du propulseur 6.
Au moment de leur préparation, on s'efforcera de tailler les corps poreux de telle sorte qu'ils présentent dans toutes les positions une face alvéolaire ayant aptitude pour la génération de bulles de gaz lorsque cette face est tournée vers le fond. En particulier, dans le cas où les alvéoles se développent dans une direction privi légiée, ou s'appuient contre un noyau interne compact, le matériau doit être taillé de telle sorte que le corps puisse présenter, dans toutes les positions qu'il peut prendre, une face alvéolaire tournée vers le fond du réservoir.
Les corps poreux fonctionnent de la même manière que les tubes. Lorsqu'on actionne la valve du distributeur, la pression du gaz au-dessus de la surface libre du réservoir 5 diminue. Cette baisse de pression est transmise par le liquide aux petites bulles de gaz retenues dans les alvéoles de la partie inférieure du corps poreux 16 qui se détendent jusqu'à ce qu'elles débordent de leurs cavités 17. Les surfaces de contact liquide-gaz en bordure de ces cavités 17 deviennent des surfaces d'ébullition où se produisent des bulles de gaz qui montent vers la surface libre en amenant avec elles une certaine quantité de chaleur qui accélère l'ébullition produite à la surface libre.
Il est bien évident que ces corps poreux ne peuvent jouer leur rôle, que dans la mesure où les parcelles de gaz ont été préalablement adsorbées par eux. L'amor çage se produit d'une façon naturelle en raison du pouvoir adsorbant même du corps poreux en contact avec le liquide. Si pour une raison quelconque telle qu'un stockage prolongé, l'amorçage ne se produit pas, une simple agitation mettant le corps poreux en contact avec la phase gazeuse suffit pour provoquer l'ébullition dès l'ouverture de l'obturateur.
L'efficacité de ce troisième dispositif d'accélération de l'ébullition est comparable à celle du tube à bulles.