EP2794117B1 - Dispositif de génération d'un aérosol à granulométrie contrôlée - Google Patents

Dispositif de génération d'un aérosol à granulométrie contrôlée Download PDF

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EP2794117B1
EP2794117B1 EP12805701.5A EP12805701A EP2794117B1 EP 2794117 B1 EP2794117 B1 EP 2794117B1 EP 12805701 A EP12805701 A EP 12805701A EP 2794117 B1 EP2794117 B1 EP 2794117B1
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container
aerosol
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channel
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Audrey ROYNETTE
François GENSDARMES
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Institut de Radioprotection et de Surete Nucleaire (IRSN)
Original Assignee
Institut de Radioprotection et de Surete Nucleaire (IRSN)
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/0012—Apparatus for achieving spraying before discharge from the apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/14—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas designed for spraying particulate materials
    • B05B7/1404—Arrangements for supplying particulate material
    • B05B7/144—Arrangements for supplying particulate material the means for supplying particulate material comprising moving mechanical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/14—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas designed for spraying particulate materials
    • B05B7/1404—Arrangements for supplying particulate material
    • B05B7/1463—Arrangements for supplying particulate material the means for supplying particulate material comprising a gas inlet for pressurising or avoiding depressurisation of a powder container
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B07—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS; SORTING
    • B07B—SEPARATING SOLIDS FROM SOLIDS BY SIEVING, SCREENING, SIFTING OR BY USING GAS CURRENTS; SEPARATING BY OTHER DRY METHODS APPLICABLE TO BULK MATERIAL, e.g. LOOSE ARTICLES FIT TO BE HANDLED LIKE BULK MATERIAL
    • B07B4/00—Separating solids from solids by subjecting their mixture to gas currents

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for generating an aerosol from a powder.
  • An aerosol is a set of solid or liquid particles of a chemical substance suspended in a gaseous medium.
  • a powder is mixed with bronze balls in a test tube.
  • the suspension of the particles for the generation of the aerosol is carried out by shaking the tube (either by rotating or by vibration) while injecting a flow of air from the top of the test tube, the aerosol being extracted from the top of the tube as well.
  • a problem with these techniques is that the reproducibility over time of the generated aerosol is not guaranteed.
  • the particle size of the aerosol particles is very variable, in particular because of the presence of aggregates.
  • the invention proposes a device for generating an aerosol whose particle size is controlled, in particular the maximum size of the particles extracted.
  • the arrangement of the pipe makes it possible to inject air directly into the production zone, at the point where the particles are suspended.
  • the rising airflow in the selection zone allows sorting of the particle sizes by vertical elutriation.
  • the upper container is conical in shape which provides a stable upward flow without turbulence at the connection with the dispersion zone.
  • the lower container is removable, allowing easy cleaning and powder filling without disassembling the entire dispersion system.
  • the invention makes it possible to control the rate of suspension of the particles, independently of the flow rate of air injected.
  • a device for generating a controlled particle size aerosol, from a powder P is composed of a dispersion system 1, 2 of the particles comprising a lower container 1 said zone in which a powder P to suspend is deposited and an upper container 2 said selection area.
  • the production zone means the zone in which the particles are suspended and, by zone of selection, the zone in which particles originating from the powder P having a certain particle size are selected to generate a certain type of aerosol.
  • the upper container 2 comprises an upper base 2a having an inlet port 2e and a lower base 2b in aeraulic connection with the lower vessel 1 and an intermediate portion 2d between the upper base 2a and the lower base 2b.
  • the intermediate portion 2d includes an aerosol outlet port 2c disposed in the upper portion of the upper base 2a.
  • the outlet 2c is in particular arranged on one side of the upper part of the upper container 2.
  • the upper part is understood to mean an area that extends from the top of the upper container 2 to the half of the upper container 2, preferably to one third of the upper container 2.
  • the inlet port 2e may be disposed on the intermediate portion 2d and the outlet port 2c may be disposed on the upper base 2a.
  • the generating device comprises a channel 3 directly dipping into the lower container 1.
  • the channel 3 is for example made of metal and is in particular vertical to extend along an axis of longitudinal symmetry of the upper container 2 in the case of the figure 1 otherwise the channel 3 may be arranged in another way, especially if the inlet orifice 2e is disposed on the intermediate portion 2d and the outlet orifice 2c on the upper base 2a.
  • the channel 3 has an internal section which is dimensioned to obtain a turbulent air jet in the lower container 1.
  • the inner section of the channel 3 may be square, ellipsoidal or preferably circular.
  • the channel 3 is connected to an air supply (not shown) and the injected air is in particular clean air obtained from a conventional compressed air source, the air coming from the source of air. compressed air having been previously dried and filtered.
  • the internal section of channel 3 is dimensioned according to the air flow, so as to produce a turbulent air jet directly in the lower part 1.
  • a flow meter (not shown) between the 2nd inlet of the channel 3 and the air supply is used.
  • the generation device also comprises an agitator 4 which is for example of the Vortex Genius 3® type.
  • the stirrer 4 comprises a housing for maintaining the dispersion system via the lower container 1.
  • the agitator 4 makes it possible to rotate the dispersion system.
  • the channel 3 is arranged relative to the upper container 2 so that the dispersion system can have a rotational movement without being hindered by it.
  • the arrival of the air flow is by means of the channel 3 which is vertical and which directly plunges into the lower container 1 and which makes it possible to transport the suspended particles, thanks to the agitation powder P caused by the stirrer 4 in the lower container 1, to the outlet 2c.
  • the generating device comprises a sealing member 5 for sealing between the channel 3 and the contour of the orifice 2e.
  • the channel 3 is in particular integral with the upper container 2.
  • the outlet orifice 2c is disposed sufficiently far from the end of the channel 3 immersed in the lower container.
  • outlet orifice 2c must be located in the part where the section of the upper container is the largest because it is this section which is used to calculate the speeds in the system and which determines the size of the selected particles ( see below).
  • the upper container 2 is further dimensioned in a certain way. In Indeed, depending on the size and shape of the latter can be selected particles having a certain particle size.
  • the conical shape of the upper container 2 makes it possible to obtain a stable flow during the passage of the aerosol through the upper base 2b in connection with the lower container 1.
  • the diameter of the upper base 2a makes it possible to impose a specific upward flow velocity limiting the extraction of particles having an aerodynamic diameter greater than a critical value defined by the size of the upper base 2a and the air flow injected into the system through channel 3.
  • the upper container 2 is such that the intermediate portion 2d is convergent between the upper base 2a and the lower base.
  • the upper container 2 is conical. It is in particular the internal section of the upper container 2 which will make it possible to control the maximum particle size of the aerosol generated.
  • the latter has a bottom having a hemispherical section
  • Such a hemispherical section has the further advantage of being easily cleaned (no sharp angle).
  • this hemispherical section is suitable for adapting the lower container 1 to the stirrer 4.
  • the lower container has a section wider than the lower base of the upper container 2.
  • the lower container 1 is removable relative to the upper container 2.
  • the generation device has the following parameters: feed air flow rate between 0 , 1 L / min and 0.5 L / min; concentration variability less than 5% over one hour of production.

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Description

    DOMAINE TECHNIQUE GENERAL
  • L'invention concerne un dispositif et un procédé de génération d'un aérosol à partir d'une poudre.
    • ETAT DE LA TECHNIQUE
  • Un aérosol est un ensemble de particules solides ou liquides d'une substance chimique en suspension dans un milieu gazeux.
  • On connait diverses techniques pour générer un aérosol à partir d'une poudre et on connait notamment les techniques décrites dans les documents suivants :
    • Baron P., Maynard A. Foley M. : « Evaluation of aerosol release during the handling of unrefined single walled carbon nanotube material, » NIOSH DART-02-191 rev 1.1 April 2003 ;
    • Ku B.K., Maynard A.D., Baron P.A., Deye G.J.: « Observation and measurement of anomalous responses in a differential mobility analyzer caused by ultrafine fibrous carbon aerosols, » Journal of Electrostatics, 65, 542-548;
    • Maynard A., Baron P., Foley M., Shvedova A., Kisin E., Castranova V.: « Exposure to carbon nanotube material: aerosol release during the handling of unrefined single-walled carbon nanotube material, » J. Toxicol. Env. Health part A, 67, 87-107.
  • Dans ces documents, pour générer un aérosol, une poudre est mélangée avec des billes en bronze dans un tube à essais. La mise en suspension des particules pour la génération de l'aérosol est effectuée en agitant le tube (soit par mise en rotation soit par vibration) tout en injectant un débit d'air par le haut du tube à essais, l'aérosol étant extrait par le haut du tube également.
  • On connait de plus le document US 3 472 430 A qui montre un dispositif selon la préambule de la revendication 1.
  • Un problème avec ces techniques est que la reproductibilité dans le temps de l'aérosol généré n'est pas garantie. En particulier, la granulométrie des particules de l'aérosol est très variable, notamment du fait de la présence d'agrégats.
    • PRESENTATION DE L'INVENTION
  • L'invention propose un dispositif de génération d'un aérosol dont la granulométrie est contrôlée, notamment la taille maximale des particules extraites.
  • A cet effet, l'invention propose un dispositif de génération d'un aérosol à granulométrie contrôlée, à partir d'une poudre, le dispositif comprenant :
    • un système de dispersion des particules comprenant :
      • o un récipient inférieur dit zone de production adapté pour recevoir une poudre ;
      • o un récipient supérieur dit zone de sélection comprenant une base supérieure ; un orifice d'entrée ; une base inférieure en liaison aéraulique avec le récipient inférieur ; une partie intermédiaire entre la base supérieure et la base inférieure ; un orifice de sortie disposé en partie supérieure de la base supérieure ;
    • un canal plongeant de l'orifice d'entrée jusque dans le récipient inférieur pour acheminer de l'air directement dans ledit récipient inférieur, la section interne du canal étant dimensionnée pour obtenir un jet d'air turbulent dans le récipient inférieur.
    • le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre: un agitateur comprenant un logement adapté pour loger le récipient inférieur et mettre en rotation le système de dispersion ;
  • L'invention est avantageusement complétée par les caractéristiques suivantes, prises seules ou en une quelconque de leur combinaison - techniquement possible :
    • le récipient supérieur présente un axe de symétrie longitudinal le long duquel s'étend le canal ;
    • le récipient supérieur est dimensionné en fonction de la granulométrie souhaitée pour l'aérosol ;
    • l'orifice d'entrée est sur la base supérieure et dans lequel l'orifice de sortie est sur la partie intermédiaire ;
    • la partie intermédiaire est convergente entre la base supérieure et la base inférieure ;
    • le récipient inférieur présente une section hémisphérique ;
    • le récipient inférieur est amovible par rapport au récipient supérieur ;
    • il comprend en outre un élément d'étanchéité entourant le canal pour assurer l'étanchéité entre le canal et le contour de l'orifice d'entrée.
  • L'invention propose également un procédé de génération d'un aérosol au moyen d'un dispositif de génération selon l'invention, comprenant les étapes suivantes :
    • disposer une poudre dans le récipient inférieur ;
    • amener de l'air au moyen du canal dans le récipient inférieur pour mettre en suspension des particules issues de la poudre pour générer un aérosol ;
    • mettre en agitation/rotation le système de génération au moyen de l'agitateur ;
    • récupérer l'aérosol ainsi généré par l'orifice de sortie.
  • Les avantages de l'invention sont multiples.
  • La présence des zones de production et de sélection se traduit par la présence de deux zones aérauliques dans le même système permettant respectivement la mise en suspension et la sélection en taille de l'aérosol.
  • La disposition du tuyau permet d'injecter de l'air directement dans la zone de production, à l'endroit de la mise en suspension des particules.
  • L'écoulement d'air ascendant dans la zone de sélection permet le tri des tailles de particule par élutriation verticale.
  • Le récipient supérieur est de forme conique ce qui permet d'obtenir un écoulement ascendant stable sans turbulence au niveau de la connexion avec la zone de dispersion.
  • Le récipient inférieur est démontable, ce qui permet un nettoyage et un remplissage de poudre facile sans démonter l'ensemble du système de dispersion.
  • Avec l'invention il est possible d'utiliser de très faibles débits d'air, inférieurs par exemple à 1 L/min, ce qui permet de créer facilement un confinement de la poudre par cascade de pression.
  • L'invention permet une maîtrise du taux de mise en suspension des particules, indépendamment du débit d'air injecté.
  • Enfin avec l'invention on obtient une très bonne stabilité et une très bonne reproductibilité de la concentration sur plusieurs heures de fonctionnement grâce à la combinaison de deux zones aérauliques.
    • PRESENTATION DE LA FIGURE
  • D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention ressortiront de la description qui suit, qui est purement illustrative et non limitative, et qui doit être lue en regard de la figure 1 annexée qui illustre un dispositif de génération d'un aérosol conforme à un mode de réalisation de l'invention.
    • DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
  • Un dispositif de génération d'un aérosol à granulométrie contrôlée, à partir d'une poudre P, conforme à un mode de réalisation de l'invention est composé d'un système de dispersion 1, 2 des particules comprenant un récipient inférieur 1 dit zone de production, dans lequel une poudre P à mettre en suspension est déposée et un récipient supérieur 2 dit zone de sélection.
  • On précise que l'on entend par zone de production, la zone dans laquelle les particules sont mises en suspension et par zone de sélection la zone dans laquelle des particules issues de la poudre P présentant une certaine granulométrie sont sélectionnées pour générer un certain type d'aérosol.
  • Le récipient supérieur 2 comprend une base supérieure 2a ayant un orifice d'entrée 2e et, une base inférieure 2b en liaison aéraulique avec le récipient inférieur 1 et une partie intermédiaire 2d entre la base supérieure 2a et la base inférieure 2b.
  • La partie intermédiaire 2d comprend un orifice de sortie 2c d'aérosol disposée dans la partie supérieure de la base supérieure 2a. La sortie 2c est en particulier disposée sur un côté de la partie supérieure du récipient supérieur 2.
  • On précise que l'on entend par partie supérieure, une zone qui s'étend du haut du récipient supérieur 2 jusqu'à la moitié du récipient supérieur 2, de préférence jusqu'au tiers du récipient supérieur 2.
  • De manière alternative l'orifice d'entrée 2e peut être disposé sur la partie intermédiaire 2d et l'orifice de sortie 2c peut être disposé sur la base supérieure 2a.
  • Afin d'amener l'air directement dans le récipient inférieur 1, le dispositif de génération comprend en canal 3 plongeant directement dans le récipient inférieur 1. Le canal 3 est par exemple en métal et est notamment vertical pour s'étendre selon un axe de symétrie longitudinal du récipient supérieur 2 dans le cas de la figure 1 sinon le canal 3 peut être agencé d'une autre manière notamment si l'orifice d'entrée 2e est disposé sur la partie intermédiaire 2d et l'orifice de sortie 2c sur la base supérieure 2a.
  • Le canal 3 présente une section interne qui est dimensionnée pour obtenir un jet d'air turbulent dans le récipient inférieur 1.
  • La section interne du canal 3 peut être carrée, ellipsoïdale ou de préférence circulaire.
  • Le canal 3 est connecté à une alimentation d'air (non représentée) et l'air injecté est en particulier de l'air propre obtenu à partir d'une source d'air comprimée classique, l'air issu de la source d'air comprimé ayant été préalablement séché et filtré. Ainsi, la section interne du canal 3 est dimensionnée en fonction du débit d'air, de façon à produire un jet d'air turbulent directement dans la partie inférieure 1.
  • En outre, pour contrôler le débit d'air injecté, un débitmètre (non représenté) entre l'orifice d'entrée 2e du canal 3 et l'alimentation en air est utilisé.
  • Le dispositif de génération comprend également un agitateur 4 qui est par exemple du type Vortex Génius 3®. L'agitateur 4 comprend un logement pour maintenir le système de dispersion via le récipient inférieur 1.
  • L'agitateur 4 permet de mettre en rotation le système de dispersion.
  • De manière avantageuse, le canal 3 est agencé par rapport au récipient supérieur 2 pour que le système de dispersion puisse avoir un mouvement rotationnel sans être gêné par celui-ci.
  • Ainsi, comme on le comprend, l'arrivée du débit d'air se fait au moyen du canal 3 qui est vertical et qui plonge directement dans le récipient inférieur 1 et qui permet de transporter les particules mises en suspension, grâce à l'agitation de la poudre P provoquée par l'agitateur 4 dans le récipient inférieur 1, vers la sortie 2c.
  • Pour assurer l'étanchéité au niveau de l'orifice d'entrée 2e, le dispositif de génération comprend un élément d'étanchéité 5 pour assurer l'étanchéité entre le canal 3 et le contour de l'orifice 2e.
  • Le canal 3 est notamment solidaire du récipient supérieur 2.
  • De manière avantageuse, l'orifice de sortie 2c est disposé suffisamment loin de l'extrémité du canal 3 plongeant dans le récipient inférieur.
  • En outre, l'orifice de sortie 2c doit être situé dans la partie où la section du récipient supérieur est la plus grande car c'est cette section qui est utilisée pour calculer les vitesses dans le système et qui détermine la taille des particules sélectionnées (voir ci-après).
  • Afin de pouvoir sélectionner une certaine taille de particules, le récipient supérieur 2 est en outre dimensionné d'une certaine manière. En effet, en fonction des dimensions et de la forme de ce dernier on peut sélectionner des particules ayant une certaine granulométrie.
  • La forme conique du récipient supérieur 2 permet d'obtenir un écoulement stable lors du passage de l'aérosol par la base supérieure 2b en liaison avec le récipient inférieur 1.
  • Le diamètre de la base supérieure 2a permet d'imposer une vitesse d'écoulement ascendant spécifique limitant l'extraction des particules ayant un diamètre aérodynamique supérieur à une valeur critique définit par la taille de la base supérieure 2a et le débit d'air injecté dans le système par le canal 3.
  • De manière préférée, le récipient supérieur 2 est tel que la partie intermédiaire 2d est convergente entre la base supérieure 2a et la base inférieure. Le récipient supérieur 2 est dans ce cas conique. C'est en particulier la section interne du récipient supérieur 2 qui va permettre de contrôler la taille maximale des particules de l'aérosol généré.
  • Ainsi, en ayant une partie intermédiaire 2d convergente entre la base supérieure 2a et la base inférieure 2b la section interne s'élargie de la base inférieure 2b vers la base supérieure 2b du récipient supérieur 2.
  • Pour favoriser la mise en suspension des particules dans le récipient inférieur 1, ce dernier présente un fond ayant une section hémisphérique
  • Une telle section hémisphérique présente en outre l'avantage d'être facilement nettoyable (pas d'angle vif).
  • Par ailleurs, cette section hémisphérique est permet de bien adapter le récipient inférieur 1 à l'agitateur 4.
  • En outre, toujours pour favoriser la mise en suspension des particules, entre la base inférieure du récipient supérieur 2 et le récipient inférieur 1 on a un changement de section pour favoriser la mise en suspension dans le récipient inférieur 1. En particulier, le récipient inférieur présente une section plus large que la base inférieure du récipient supérieur 2.
  • De cette façon, un tel récipient inférieur 1 combiné à une section interne du récipient supérieur 2 convergente de la base supérieure 2a à la base inférieure 2b et au canal 3 qui amène directement l'air dans le récipient inférieur 1 permet de confiner la mise en suspension des particules dans le récipient inférieur 1.
  • En outre, pour faciliter le dépôt de poudre P dans le récipient inférieur 1, le récipient inférieur 1 est amovible par rapport au récipient supérieur 2.
  • Enfin il est possible de mélanger la poudre avec des billes en bronze ou en cuivre pour contribuer à la dispersion des particules.
  • Grâce au dispositif de génération d'un aérosol ci-dessus décrit il est possible de générer un aérosol ayant des propriétés contrôlées.
  • Par exemple pour générer un aérosol d'alumine à partir d'une poudre d'alumine dont le diamètre médian des grains est de 0,65 µm, le dispositif de génération présente les paramètres suivants: débit d'air d'alimentation compris entre 0,1 L/min et 0,5 L/min ; variabilité de la concentration inférieure à 5 % sur une heure de production.

Claims (9)

  1. Dispositif de génération d'un aérosol à granulométrie contrôlée, à partir d'une poudre, le dispositif comprenant :
    - un système de dispersion (1, 2) des particules comprenant :
    ∘ un récipient inférieur (1) dit zone de production adapté pour recevoir une poudre (P) ;
    ∘ un récipient supérieur (2) dit zone de sélection comprenant une base supérieure (2a) ; un orifice d'entrée (2e) ; une base inférieure (2b) en liaison aéraulique avec le récipient inférieur (1) ; une partie intermédiaire (2d) entre la base supérieure (2a) et la base inférieure (2b) ; un orifice de sortie (2c) disposé en partie supérieure de la base supérieure (2a) ;
    le dispositif étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre :
    - un canal (3) plongeant de l'orifice d'entrée (2e) jusque dans le récipient inférieur (1) pour acheminer de l'air directement dans ledit récipient inférieur (1), la section interne du canal (3) étant dimensionnée pour obtenir un jet d'air turbulent dans le récipient inférieur (1) ;
    - un agitateur (4) comprenant un logement adapté pour loger le récipient inférieur (1) et mettre en rotation le système de dispersion (1,2).
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le récipient supérieur (2) présente un axe de symétrie longitudinal le long duquel s'étend le canal (3).
  3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le récipient supérieur (2) est dimensionné en fonction de la granulométrie souhaitée pour l'aérosol.
  4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel l'orifice d'entrée (2e) est sur la base supérieure (2a) et dans lequel l'orifice de sortie (2c) est sur la partie intermédiaire (2d).
  5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la partie intermédiaire (2d) est convergente entre la base supérieure (2a) et la base inférieure (2b).
  6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le récipient inférieur (1) présente une section hémisphérique.
  7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le récipient inférieur (1) est amovible par rapport au récipient supérieur (2).
  8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un élément d'étanchéité (5) entourant le canal (3) pour assurer l'étanchéité entre le canal et le contour de l'orifice d'entrée (2e).
  9. Procédé de génération d'un aérosol au moyen d'un dispositif selon l'une des revendications précédentes comprenant les étapes suivantes :
    - disposer une poudre (P) dans le récipient inférieur (1) ;
    - amener de l'air au moyen du canal (3) dans le récipient inférieur (1) pour mettre en suspension des particules issues de la poudre (P) pour générer un aérosol ;
    - mettre en agitation/rotation le système de génération au moyen de l'agitateur (4) ;
    - récupérer l'aérosol ainsi généré par l'orifice de sortie (2c).
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