FR2886559A1 - Dispositif autonome d'atomisation par disque tournant - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un atomiseur à disque tournant, miniaturisé et aisément portatif. De nombreux usages peuvent en être faits, selon la source d'énergie utilisée. Lorsque la source d'énergie est une pile ou batterie, ce système, autonome et portatif, est plus particulièrement destiné aux usages domestiques, lorsque la source d'énergie est le secteur ou la pneumatique, ce système, portatif, est plus particulièrement destiné aux usages industriels, enfin lorsque l'énergie utilisée est du type renouvelable, ce système, autonome, est plus spécialement destiné à des utilisations en milieu isolé, par exemple le dessalage de l'eau de mer ou l'oxygénation des lagunages.L'atomiseur est principalement composé d'un disque en rotation rapide, d'un système d'alimentation en liquide du disque, d'un ventilateur permettant de diriger l'aérosol dans la direction souhaitée, d'un moteur, de sa source d'énergie et des dispositifs de commande et de contrôle. Il est caractérisé par le fait que les fonctions d'atomisation, de pompage et de ventilation sont portées par le même rotor.
Description
La présente invention concerne un système portatif destiné à atomiser de
façon autonome ou non un liquide contenu dans un réservoir. Ce système est composé d'un disque, bol ou autre objet à symétrie de révolution axiale en rotation atomisant le liquide, d'un dispositif d'alimentation en liquide du disque à partir d'un réservoir fixe ou amovible et interchangeable et
si nécessaire d'un ventilateur destiné à orienter dans la direction souhaitée les trajectoires des gouttes issues du disque en rotation. Selon les applications, ce système est mis en mouvement par un moteur électrique alimenté par le secteur, pile, batterie ou toute autre source d'énergie telle que l'énergie solaire, un moteur pneumatique ou par une éolienne entraînant le rotor directement ou l'intermédiaire d'un système multiplicateur ou démultiplicateur.
Lorsque le système est mis en mouvement par un moteur électrique alimenté par une pile ou batterie, la présente invention est plus particulièrement destinée à générer de façon autonome des aérosols à usage domestique: cosmétiques, produits d'entretien, produits pharmaceutiques, produits alimentaires, peintures, vernis. Lorsque le système est mis en mouvement par un moteur électrique alimenté par le secteur ou un moteur pneumatique permettant ainsi un moindre coût de fonctionnement, la présente invention est plus particulièrement destinée à générer des aérosols techniques à usage plus intensif. Lorsque le système est directement mis en mouvement par une éolienne ou lorsque la source d'énergie provient d'une énergie renouvelable telle que l'énergie solaire, l'invention est plus spécialement destinée à une utilisation permanente ou semipermanente en milieu isolé, par exemple l'oxygénation de l'eau dans les installations de lagunage ou la pulvérisation d'eau salée en vue de son dessalement. Les applications et les exemples donnés ici le sont uniquement à titre d'illustration et ne sont pas limitatifs ni exclusifs.
Il est connu que lorsqu'on veut pulvériser des liquides sous forme de gouttes de petites tailles et avec un débit important, on peut le faire de deux façons différentes. La première méthode, appelée atomisation par buse consiste à expulser un liquide contenu dans un réservoir sous pression au travers d'une buse. Au passage de cette buse il y a pulvérisation du liquide et formation de gouttelettes dont le débit et la taille dépendent de la pression amont, de la forme des buses et de la méthodologie de mise sous pression. La deuxième méthode, appelée atomisation par disque tournant, résulte de la fragmentation naturelle ou contrôlée en gouttes d'un liquide issu d'un disque en rotation rapide. Le débit et la taille des gouttes dépendent principalement de la vitesse de rotation et des dimensions de l'objet en rotation. Dans les installations industrielles fixes de pulvérisation, les deux techniques sont utilisées concurremment, selon les produits à pulvériser. Dans le cas où on utilise des disques tournants, les diamètres des disques ont couramment des diamètres supérieurs à 5 cm et sont entraînés par des moteurs dont la puissance est principalement liée à la nature des produits à pulvériser. Dans le cas où on utilise des buses, la mise sous pression du liquide est faite dans la majorité des cas par un compresseur d'air dédié à l'appareil ou par le réseau d'air comprimé de l'usine.
Dans le cas des applications domestiques ou des installations industrielles portatives, les seuls appareils existant actuellement sont les générateurs d'aérosols, souvent appelés bombes aérosols, constitués d'un réservoir contenant du liquide actif mis sous pression par un gaz et atomisé au travers d'une buse. Les gaz utilisés sont, soit des gaz comprimés sous des pressions de plusieurs bars (par exemple le CO2), soit des gaz dissous, soit dans certains cas des gaz liquéfiés. Ces gaz appelés gaz propulseurs sont accusés de participer à l'effet de serre (CO2) et/ou d'avoir une certaine dangerosité, ainsi le gaz dissous le plus souvent utilisé est le butane, hautement inflammable. Par ailleurs, les bombes aérosols sont soumises à la législation des appareils sous pression.
L'invention a pour but de proposer un atomiseur portatif et/ou autonome à usage domestique ou industriel, ne nécessitant aucun gaz propulseur, assurant toutes les fonctions pour produire un aérosol à partir d'un réservoir placé à la pression atmosphérique ou à une pression voisine de la pression atmosphérique, suffisamment faible pour ne pas être placée dans le champ réglementaire des appareils sous pression. Ce système est compatible avec les têtes d'atomisation d'aérosols contrôlés décrites dans le brevet français 04 03679. L'absence de gaz, la miniaturisation, la réunion dans un même ensemble de plusieurs fonctions habituellement séparées et la possibilité de contrôler efficacement la granulométrie constituent des avantages certains par rapport aux techniques actuellement utilisées.
Pour la bonne compréhension de la description des différentes réalisations, il est préalablement rappelé 1) que les fonctions à remplir pour atteindre un tel but sont de mettre en mouvement de rotation rapide un disque, bol ou toute autre objet à symétrie de révolution axiale, d'alimenter en liquide au moins une face de ce disque, bol ou objet à symétrie de révolution axiale avec un débit suffisant et, si nécessaire, de modifier la trajectoire des gouttes, naturellement dans le plan du disque, afin qu'elles atteignent aisément la cible recherchée; 2) que l'énergie à fournir pour disperser du liquide en gouttes au bord d'un disque en rotation est en régime permanent de l'ordre de quelques watts pour des débits de quelques cm3/s, débits usuellement utilisés dans ces applications; 3) que l'énergie à fournir pour alimenter le disque en liquide dépend de la différence de charge entre le réservoir et le disque, du débit et des pertes au niveau des écoulements et que typiquement la puissance à fournir pour élever de l'eau de quelques cm avec un débit de l'ordre de quelques cm3/s est de quelques milliwatts; 4) que le vortex créé lors de la mise en rotation d'un volume liquide dans un récipient à surface libre modifie la surface libre, lui donnant la forme d'un paraboloïde de révolution dont la hauteur près des parois est supérieure à la hauteur au repos, 5) qu'il existe une surpression dans le plan amont de l'hélice d'un ventilateur dont la valeur peut être approchée par la loi de Bernoulli.
L'invention atteint son but grâce à des perfectionnements apportés aux dispositifs du type pulvérisateur à disque, comportant un disque plan, coupelle ou objet à symétrie de révolution axiale entraîné par un moteur. Ces perfectionnements sont caractérisés par l'utilisation de disques de petits diamètres, de l'ordre du centimètre, par l'intégration sur l'axe moteur-disque, du dispositif d'alimentation en liquide et du ventilateur servant à orienter les aérosols produits, par le raccordement de cet ensemble au réservoir, par l'utilisation de la surpression créée à l'amont du ventilateur et par la possibilité de contrôler la taille des aérosols produits.
Les divers modes de réalisation décrits ci-après à titre d'illustration pour atteindre le but recherché ont en commun le fait qu'ils comportent d'une part un rotor mettant en rotation le disque, l'alimentant en liquide et portant l'hélice du ventilateur si il est nécessaire, et d'autre part un bâti, comportant les parties fixes du ventilateur, du dispositif d'alimentation en liquide, le réservoir ou le dispositif de fixation du réservoir, diverses conduites ainsi que les organes de commande et de contrôle. Ils différent principalement par la nature du dispositif d'alimentation en liquide du disque, par la position relative des divers éléments, par le mode d'entraînement et par la source d'énergie.
Selon un mode de réalisation du système selon l'invention tel qu'on peut le voir sur la figure A, le rotor est constitué d'une tige (1) entraînée par le rotor (3) du moteur, supportant un joint tournant (2) et éventuellement le rotor (4) du ventilateur. Cette tige (1) est à axe creux et comporte à une de ses extrémités un disque plan, coupelle ou objet à symétrie de révolution axiale (5). Son autre extrémité (6) plonge dans le réservoir (7) contenant le liquide à pulvériser (8). Le bâti supporte le stator du moteur (9), le système de fixation du réservoir (10) , par exemple par vissage, l'emplacement de la source d'énergie (11), les connecteurs électriques et l'interrupteur (12). Ce bâti est traversé d'une part par le circuit d'alimentation (13) en air de l'hélice (4) du ventilateur et d'autre part, lorsque le système est muni d'un ventilateur, par une conduite (14) reliant une prise d'air pratiquée dans le plan amont de l'hélice et le réservoir (7). Cette conduite (14) est munie à une extrémité d'un clapet anti-retour (15). Le bâti est placé dans une enveloppe (16) percée de prises d'air (17) et assurant le design du système. Le bâti peut être muni d'un capuchon (18) protégeant le disque contre les chocs et la saleté et assurant l'étanchéité du système. Lors de la mise en rotation du disque par fermeture de l'interrupteur, un vortex forcé se crée à l'intérieur de l'axe. La surface libre monte le long des parois jusqu'à atteindre la surface du disque (selon la vitesse de rotation) et permettre ainsi l'écoulement sur le disque. L'efficacité du pompage peut être améliorée en vrillant la surface intérieure de l'axe à la manière d'une vis d'Archimède, ainsi que par la mise sous pression du réservoir dans le cas de la présence du ventilateur grâce à la conduite (14) reliant le plan amont du ventilateur au réservoir. Le clapet anti-retour empêche dans ce cas le remplissage de ce conduit par le liquide (8) de pulvérisation en cas de fausse manoeuvre ou d'utilisation réservoir en haut.
Selon un autre mode de réalisation du système selon l'invention tel qu'on peut le voir sur la figure B, mode de réalisation plus particulièrement destiné aux applications de lagunage et /ou de dessalage, dans lesquelles le réservoir (8) est une grande étendue d'eau à surface libre, comparée aux dimensions du système: le rotor est constitué d'une tige (1) entraînée par le rotor (3) du moteur. Cette tige est à axe creux et comporte à une de ses extrémités un disque plan, coupelle ou objet à symétrie de révolution axiale (5). Son autre extrémité (6) plonge dans le réservoir (7) contenant le liquide à pulvériser (8). Le bâti est un flotteur (19) percé d'un orifice (20) laissant passer la tige (1) et sur lequel est fixé le moteur (9) ainsi que sa source d'énergie (21), par exemple des cellules photovoltaïques. Le moteur (3, 9) est placé dans une enveloppe (22) le protégeant. Le bâti peut être fixé par exemple par une ancre au fond du réservoir ou dériver librement. Lors de la mise en rotation du disque, un vortex forcé se crée à l'intérieur de l'axe. La surface libre monte le long des parois jusqu'à atteindre la surface du disque (selon la vitesse de rotation) et permettre ainsi l'écoulement sur le disque. L'efficacité du pompage peut être améliorée en vrillant la surface intérieure de l'axe à la manière d'une vis d'Archimède.
Selon un autre mode de réalisation du système selon l'invention tel qu'on peut le voir sur la figure C, mode de réalisation plus particulièrement destiné aux applications de lagunage et /ou de dessalage, dans lesquelles le réservoir (8) est une grande étendue d'eau à surface libre, comparée aux dimensions du système: le rotor est constitué d'une tige (1) supportant un joint tournant (2), entraînée par le rotor d'une éolienne (23) à axe vertical, directement ou par l'intermédiaire d'un système multiplicateur-démultiplicateur tel un système d'engrenages. Cette tige (1) est à axe creux et comporte à une de ses extrémités un disque plan, coupelle ou objet à symétrie de révolution axiale (5). Son autre extrémité (6) plonge dans le réservoir (7) contenant le liquide à pulvériser (8). Le bâti est un flotteur (19) percé d'un orifice (20) recevant le joint tournant et supportant éventuellement le bâti de l'éolienne (23). Le bâti peut être fixé par exemple par une ancre au fond du réservoir ou dériver librement. Lors de la mise en rotation du disque, un vortex forcé se crée à l'intérieur de l'axe. La surface libre monte le long des parois jusqu'à atteindre la surface du disque (selon la vitesse de rotation) et permettre ainsi l'écoulement sur le disque. L'efficacité du pompage peut être améliorée en vrillant la surface intérieure de l'axe à la manière d'une vis d'Archimède.
Selon un autre mode de réalisation du système selon l'invention tel qu'on peut le voir sur la figure D, le rotor est constitué d'une tige (1) entraînée par le rotor (3) du moteur, supportant deux joints tournants (2) et (24) et éventuellement le rotor (4) du ventilateur. Cette tige (1) comporte à une de ses extrémités (5) un disque plan, coupelle ou objet à symétrie de révolution axiale et est à axe creux dans la partie comprise entre le joint tournant (24) le plus proche du moteur et l'extrémité supportant le disque plan, coupelle ou objet à symétrie de révolution axiale (5). La tige est pleine dans la partie traversant le moteur. Elle est percée d'un certain nombre d'orifices (25) dans une ou plusieurs sections situées entre les deux joints tournants (2) et (24). Le bâti supporte le stator du moteur (9), le système de fixation du réservoir (10) , l'emplacement de la source d'énergie (11), les connecteurs électriques et l'interrupteur (12). Ce bâti supporte également le stator du dispositif d'alimentation en liquide qui est une chambre (26) concentrique au rotor (1) et reliée à celui-ci par les joints tournants (2) et (24). Cette chambre est ouverte sur la surface en regard avec la tige et munie d'un ou plusieurs orifices sur sa face opposée permettant une liaison au réservoir par un ou plusieurs tubes (28) . Une vanne (29) permet l'ouverture et la fermeture du circuit d'alimentation en liquide. Le bâti est traversé d'une part par le circuit d'alimentation en air (13) de l'hélice (4) du ventilateur et d'autre part, lorsque le système est muni d'un ventilateur, par une conduite (14) reliant une prise d'air pratiquée dans le plan amont de l'hélice et le réservoir (7). Cette conduite (14) est munie à une extrémité d'un clapet antiretour (15). Le bâti est placé dans une enveloppe (16) percée de prises d'air (17), assurant le design et la protection du système. Le bâti peut être muni d'un capuchon (18) protégeant le disque contre les chocs et la saleté. Le système fonctionne comme suit: à la fermeture de l'interrupteur (12) mettant en marche le rotor, la vanne (29) de communication entre le réservoir et la chambre d'alimentation s'ouvre et le liquide initialement dans le réservoir remplit la chambre (26), soit sous l'effet de la pesanteur, si le réservoir est placé au dessus de la chambre, soit sous l'effet de la mise sous pression du réservoir par le fonctionnement du ventilateur si le réservoir est placé dans une autre position. Le liquide de la chambre passe par les orifices (25) à l'intérieur du tube creux et atteint le disque sous l'effet conjugué du vortex et de la pression générée. II s'étale alors sur le disque et se fragmente en gouttelettes à sa périphérie ou près de sa périphérie. Comme on peut le comprendre aisément, ce système fonctionne quelle que soit la position relative du réservoir par rapport au disque.
Selon un autre mode de réalisation du système selon l'invention tel qu'on peut le voir sur la figure E, le rotor est constitué d'une tige (1) entraînée par le rotor (3) du moteur, supportant un joint tournant (24), et éventuellement le rotor (4) du ventilateur. Cette tige (1), à axe plein, comporte à une de ses extrémités un disque plan, coupelle ou objet à symétrie de révolution axiale (5). Le bâti supporte le stator du moteur (9), le système de fixation du réservoir (10), par exemple par vissage, l'emplacement de la source d'énergie (11), les connecteurs électriques et l'interrupteur (12). Ce bâti supporte également le stator du dispositif d'alimentation en liquide (26) qui est une chambre concentrique au rotor et reliée à celui-ci par le joint tournant (24) situé entre la chambre et le moteur. Dans la partie située entre le disque et le joint tournant, la chambre se termine par un tube concentrique (30) à la tige et de diamètre intérieur légèrement supérieur au diamètre de la tige, laissant ainsi le liquide s'écouler hors de la chambre. Cette chambre est munie d'un ou plusieurs orifices sur sa surface extérieure permettant une liaison par un ou plusieurs tubes (28) au réservoir. Le bâti est traversé d'une part par le circuit d'alimentation en air (13) de l'hélice (4) du ventilateur et d'autre part, lorsque le système est muni d'un ventilateur, par une conduite (14) reliant une prise d'air pratiquée dans le plan amont de l'hélice et le réservoir (7). Cette conduite (14) est munie à une extrémité d'un clapet anti-retour (15). Le bâti est placé dans une enveloppe (16) percée de prises d'air (17), assurant le design et la protection du système. Le bâti peut être muni d'un capuchon (18) protégeant le disque contre les chocs et la saleté. Le système fonctionne comme suit: à la fermeture de l'interrupteur (12) mettant en marche le rotor, la vanne de communication (29) entre le réservoir et la chambre d'alimentation s'ouvre et le liquide initialement dans le réservoir remplit la chambre, soit sous l'effet de la pesanteur, si le réservoir est placé au dessus de la chambre, soit sous l'effet de la mise sous pression du réservoir par le fonctionnement du ventilateur si le réservoir est placé dans une autre position. Le liquide de la chambre s'écoule à travers l'orifice annulaire constitué entre la tige (1) et le tube (30) et s'étale sur la face arrière du disque par effet centrifuge. Il se fragmente en gouttelettes à sa périphérie ou près de sa périphérie.
Claims (13)
1. Système générant un aérosol, du type atomiseur à disque tournant, comportant un disque plan ou objet à symétrie de révolution axiale (5) mis en grande vitesse de rotation par un moteur, un dispositif d'alimentation en liquide et un réservoir (7) fixe ou amovible caractérisé en ce que l'axe du rotor (1) du dispositif d'alimentation en liquide du disque est confondu avec l'axe de rotation du disque.
2. Système générant un aérosol, du type atomiseur à disque tournant, comportant un disque plan ou objet à symétrie de révolution axiale (5) mis en grande vitesse de rotation par un moteur, un dispositif d'alimentation en liquide, un réservoir (7) fixe ou amovible, selon la revendication 1 et comportant un ventilateur permettant d'orienter les aérosols à la sortie du disque caractérisé en ce que l'axe du rotor (4) du ventilateur est confondu avec l'axe du disque et du tube d'alimentation.
3. Système générant un aérosol, du type atomiseur à disque tournant, comportant un disque plan ou objet à symétrie de révolution axiale (5) mis en grande vitesse de rotation par un moteur, un dispositif d'alimentation en liquide (1), selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moteur permettant la mise en rotation du disque plan ou objet à symétrie de révolution axiale (5) est une éolienne à axe vertical (23) en prise directe sur l'axe du disque et du tube d'alimentation ou couplée à cet axe par un dispositif multiplicateur ou démultiplicateur de vitesse.
4. Système générant un aérosol, du type atomiseur à disque tournant, comportant un disque plan ou objet à symétrie de révolution axiale (5) mis en grande vitesse de rotation, selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dispositif multiplicateur ou démultiplicateur est composé d'engrenages
5. Système générant un aérosol, du type atomiseur à disque tournant, comportant un disque plan ou objet à symétrie de révolution axiale (5) mis en grande vitesse de rotation, selon la revendication 3 caractérisé en ce que le dispositif multiplicateur ou démultiplicateur est un dispositif à courroie.
6. Système générant un aérosol, du type atomiseur à disque tournant, comportant un disque plan ou objet à symétrie de révolution àxiale (5) mis en grande vitesse de rotation par un moteur, un dispositif d'alimentation en liquide, un réservoir (7) fixe ou amovible, selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le rotor (1) du dispositif d'alimentation en liquide est l'axe creux du disque, entraîné par un moteur à axe creux (3) et plongeant dans le réservoir de liquide (7).
7. Système générant un aérosol, du type atomiseur à disque tournant, comportant un disque plan ou objet à symétrie de révolution axiale (5) mis en grande vitesse de rotation par un moteur, un dispositif d'alimentation en liquide, un réservoir (7) fixe ou amovible, selon la revendication 6 caractérisé en ce que l'axe creux est garni sur sa face interne de stries hélicoïdales.
8. Système générant un aérosol, du type atomiseur à disque tournant, comportant un disque plan ou objet à symétrie de révolution axiale (5) mis en grande vitesse de rotation par un moteur, un dispositif d'alimentation en liquide, un réservoir (7) fixe ou amovible, selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le dispositif d'alimentation est constitué par une chambre (26) concentrique à l'axe de rotation, alimentée sous une légère pression par le réservoir (7) et alimentant en liquide par des orifices (25) la tige (1) creuse entre cette chambre et le disque (5).
9. Système générant un aérosol, du type atomiseur à disque tournant, comportant un disque plan ou objet à symétrie de révolution axiale (5) mis en grande vitesse de rotation par un moteur, un dispositif d'alimentation en liquide, un réservoir (7) fixe ou amovible, selon les revendications 1, 2 et 8 caractérisé en ce que la tige d' alimentation (1) comporte, à l'intérieur de sa partie creuse, des stries hélicoïdales.
10. Système générant un aérosol, du type atomiseur à disque tournant, comportant un disque plan ou objet à symétrie de révolution axiale (5) mis en grande vitesse de rotation par un moteur, un dispositif d'alimentation en liquide, un réservoir (7) fixe ou amovible, selon la revendication 2 caractérisé en ce que le réservoir de liquide (7) est mis sous une légère pression grâce à un tube (14) le reliant à la surface amont du ventilateur.
11. Système générant un aérosol, du type atomiseur à disque tournant, comportant un disque plan ou objet à symétrie de révolution axiale (5) mis en grande vitesse de rotation par un moteur, un dispositif d'alimentation en liquide, un réservoir (7) fixe ou amovible, selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le stator du dispositif d'alimentation est constitué par une chambre (26) concentrique à l'axe de rotation, alimentée sous une légère pression par le réservoir (7) et comportant à son extrémité un conduit (30) concentrique à la tige (1), de diamètre légèrement supérieur à la tige pleine (1), permettant au liquide d'atteindre le disque par l'orifice annulaire.
12. Système générant un aérosol, du type atomiseur à disque tournant, comportant un disque plan ou objet à symétrie de révolution axiale (5) mis en grande vitesse de rotation par un -moteur, un dispositif d'alimentation en liquide, un réservoir (7) fixe ou amovible, selon les revendications 1, 2 et 11 caractérisé en ce que la tige d' alimentation (1) comporte, à l'extérieur, des stries hélicoïdales.
13. Système générant un aérosol, du type atomiseur à disque tournant, comportant un disque plan ou objet à symétrie de révolution axiale (5) mis en grande vitesse de rotation par un moteur, un dispositif d'alimentation en liquide, un réservoir, selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que le réservoir (7) est amovible et interchangeable.
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