1 DESCRIPTIF TECHNIQUE La présente invention concerne les procédésTECHNICAL DESCRIPTION The present invention relates to the processes
utilisant les plasmas non thermiques, encore appelés plasmas hors équilibre ou décharge CORONA pulsée qui peuvent être utilisée pour dissocier les molécules d'oxygène et d'azote de l'air conduisant soit à une stimulation de la réaction d'oxydation grâce à la création d'oxygène atomique excité (hyper oxydant), soit à la création d'azote atomique capable de réduire certains oxydes comme par exemple les Nox présents dans les gaz de combustion. Dans les systèmes connus de ce genre, on provoque apparition de streamers dans l'air soit par intensification locale du champ électrique grâce à des géométries adaptées (fils, pointes, lames) soit par l'exploitation d'un mécanisme bien connu de claquage dans les appareils à haute tension où il est très néfaste ; le point triple interface métal, isolant, air. Par exemple le brevet N GB2003003910-2003-09-09 décrit un réacteur exploitant ce principe.Tous les systèmes précédent ont en commun de nécessiter une alimentation impulsionnelle à temps de montée très bref car c'est dans cette phase, pendant laquelle les streamers se forment et se déplacent, qu'il y a émission d'électrons d'énergie assez élevée pour ioniser les molécules gazeuses. Pour réaliser ces impulsions, les systèmes connus de ce genre utilisent des générateurs à base de switches de type éclateur (à gaz ou à liquide) qui ont l'inconvénient d'être peu fiables et surtout d''avoir une durée de vie très limitée. ce qui est généralement incompatible avec les exigences des process industriels dans lesquels il faut souvent des durées de vie de plusieurs années en fonctionnement 24 heures sur 24. Le dispositif suivant l'invention évite cet inconvénient puisqu'il permet des durées de vie quasi illimitées. L'invention concerne un générateur de plasmas non thermique comportant un réacteur à décharge CORONA pulsée et un générateur d'impulsion à switching magnétique. Suivant une autre caractéristique, les points triples sont réalisés par dépôt de céramique ou de diélectrique quelconque sur des fils ou des plaques métalliques dans lesquelles ont été ménagés des canaux convenablement gravés dans le métal. using non-thermal plasmas, also known as non-equilibrium plasmas or pulsed CORONA discharge which can be used to dissociate oxygen and nitrogen molecules from air leading to either stimulation of the oxidation reaction through the creation of excited atomic oxygen (hyperoxidant), or the creation of atomic nitrogen capable of reducing certain oxides such as NOx present in the combustion gases. In known systems of this kind, streamers are caused to appear in the air either by local intensification of the electric field thanks to suitable geometries (wires, tips, blades) or by the exploitation of a well-known mechanism of breakdown in high-voltage devices where it is very harmful; triple point metal interface, insulating, air. For example patent GB2003003910-2003-09-09 describes a reactor exploiting this principle.All the previous systems have in common to require a pulsed supply with a very short rise time because it is in this phase, during which the streamers are form and move, that there is emission of electrons of energy high enough to ionize the gaseous molecules. To achieve these pulses, the known systems of this kind use generators based switches spark gap type (gas or liquid) which have the disadvantage of being unreliable and especially to have a very limited life . which is generally incompatible with the requirements of industrial processes in which it often takes lifetimes of several years in operation 24 hours 24. The device according to the invention avoids this disadvantage since it allows for almost unlimited life time. The invention relates to a non-thermal plasma generator comprising a pulsed CORONA discharge reactor and a magnetic switching pulse generator. According to another characteristic, the triple points are made by depositing any ceramic or dielectric wire son or metal plates in which have been formed channels suitably etched in the metal.
Suivant une autre caractéristique, le générateur d'impulsion (2) comporte deux condensateurs identiques (C et C") connectés en série et chargés en parallèle par un générateur d'impulsion convenable avantageusement au moyen d'un transformateur (T) via une chaîne de diodes (D) pour ce qui concerne le condensateur à la sortie (C") et dont l'autre condensateur C est connecté aux bornes d'un switch magnétique Ls. According to another characteristic, the pulse generator (2) comprises two identical capacitors (C and C ") connected in series and charged in parallel by a suitable pulse generator, advantageously by means of a transformer (T) via a chain of diodes (D) with respect to the capacitor at the output (C ") and whose other capacitor C is connected to the terminals of a magnetic switch Ls.
Suivant une autre caractéristique, le réacteur (1) est de structure hi-filaire avec des formes convenables pour approcher au mieux et embrasser la flamme d'un brûleur quelconque. Suivant une autre caractéristique, le dispositif suivant l'invention est utilisé soit pour la destruction des composés organiques volatiles (COV) présents dans l'air en vue. notamment, de 2908954 -, G le purifier, soit pour allumer et maintenir allumée la flamme de divers brûleurs. y compris 40 lorsque le mélange combustible est très pauvre. L'invention sera de toute façon mieux comprise à partir des explications qui vont suivre, référencées aux dessins annexés dans lesquels la figure 1 représente très schématiquement l'invention et ses deux parties : la figure 2 représente une réalisation associant un réacteur à plaques et un générateur d'impulsion à switching magnétique doubleur la figure 3 représente 45 une batterie de réacteurs à fil et la figure 4 représente un réacteur de type hi-filaire immergé dans une flamme. Ainsi qu'il a été dit, l'invention consiste à associer deux dispositifs connus. le réacteur CORONA pulsé (1) avec un générateur d'impulsion à switching magnétique. technologie très performante aussi connue sous le terme de compression magnétique . C est véritablement 50 l'association de ces deux techniques qui donne tout son intérêt à l'invention. Suivant un premier mode préféré de réalisation de l'invention, on associe un réacteur à fil-cylindre (1) à un générateur classique à compression magnétique (2) capable de délivrer une impulsion de 50 à 1 50 kV suivant la capacité de traitement recherchée ayant u front avant de 5 à 30 ns contenant une énergie de 0,1 à 10 Joules et dont la fréquence de récurrence peut aller de 55 100 à 4000Hz. Son fonctionnement peut être facilement compris en se reportant à la figure 1. Le réservoir primaire d'énergie (C1) est chargé en mode résonant par le switch (Thl) via l'inductance (L). Ce switch peut être un thyristor, un 1GBT ou un MOSFET de puissance. Le courant de charge de C1 a aussi pour effet de démagnétiser et de pré-polariser magnétiquement le transformateur (T) ainsi que la chaîne d'inductances saturables (Lsi, Ls2, ...). Dès que la charge 60 de C1 est terminée, on active le deuxième switch (Th2) qui peut être de même nature que le précédent. Ainsi (Ci) se décharge en mode résonant via l'inductance de fuite du transformateur (T) dans le condensateur à haute tension (C2). Le transformateur (T) de rapport n l a pour rôle essentiel d'élever la tension. Son rapport de transformation peut aller de 10 à 100, accessoirement il permet d'isoler galvaniquement le circuit primaire. généralement lié au réseau, 65 du circuit secondaire référencé à la terre. Pendant la charge de (C2), l'inductance saturable (Lsi) est polarisée par la tension sinusoïdale V de charge de (C2). Un faible courant traverse Lsi en raison de sa valeur élevée. On ajuste son dimensionnement c'est à dire son nombre de tour N, sa section S de matériau ferromagnétique (fer-silucium. ferrite, matériau amorphe au nanocristallin présentant une variation d'induction (AB = Bsat ù [3t) de sorte que l'inducta nce se sature au 70 moment précis où la charge résonante de (C2) avec une période F se termine. ce qui revient à satisfaire la relation : f Vc/t=l =NSAB. Lorsque Lsi se sature. son inductance devient beaucoup phis faible (jusquà 1000 ou 1000 fois plus faible) ce qui provoque la décharge de C2 2908954 dans C3 mais cette fois beaucoup plus rapidement c'est à dire avec une période f, de 4 à 20 fois plus faible. Généralement dans le soucis d'un rendement optimal, on adopte la règle 75 C2=Cin2=C3...Cn. Dès lors, aux pertes près, la tension de charge de C3 est égale à V et il y a conservation de la charge électrique lors de ce transfer. On peut donc remarquer que si une même charge est transférée de 4 à 20 fois plus vite, ceci constitue une compression du temps (d'où le terme de compression magnétique) et en conséquence une multiplication en rapport inverse du courant, donc de la puissance, ce qui est le but fondamental d'un générateur 80 d'impulsion. On peut ainsi placer en cascade une série d'étages ; il y en a deus sur la figure l mais on pourrait en avoir beaucoup plus et en trouver en amont du transformateur (T) comme c'est, par exemple le cas, sur la figure 2. Le réacteur (1) est constitué d'une enceinte métallique externe connectée à la terre avantageusement de forme cylindrique sur l'axe de laquelle est tendu un fil métallique de tungstène ou d'inox au moyen de supports isolants. non représentés, 85 capables de supporter les tensions V de 50 à 200 kV que peut délivrer le générateur d'impulsion (2), le champ électrique E régnant sur le fil est donné par la formule : E= I/ rlagn Rlr avec R = rayon de l'électrode et r = rayon du fil. On voit que le champ à la surface du fil est d'autant plus intense que r est faible. Prenons un exemple correspondant à un usage fréquent : V=100kV, r=0,1mm, R=30mm ; On voit que le champ atteint 1.75 108V.m-1 soit encore 1,75 90 MV Cm-'. A ces valeurs, l'air s'ionise instantanément par effet de champ et une gaine se forme autour du fil. Ce phénomène, connu en électrostatique depuis très longtemps_ porte le nom d'effet CORONA. On a conservé ce terme pour les décharges qui nous occupent. bien que les mécanismes soient ici très différents, car ici à partir du plasma superficiel, des streamers, sorte de langues de plasma, vont partir du fil et se propager à très haute vitesse en direction de 95 l'électrode (6). Pendant ce temps de transit de quelques nanosecondes. l'interface plasma-gaz neutre, qui est soumise à un champ intense va émettre des électrons qui vont être accélérés par ce champ sur la distance d'un libre parcours élémentaire et ainsi atteindre des énergies de quelques dizaines d'eV, suffisantes pour dissocier les molécules de O2 et/ou de N2 qui vont ainsi donner naissance à des atomes excités extrêmement réactifs. According to another characteristic, the reactor (1) is of hi-wired structure with suitable shapes to approach the best and embrace the flame of any burner. According to another characteristic, the device according to the invention is used either for the destruction of volatile organic compounds (VOCs) present in the air in view. in particular, from 2908954 -, G purify it, either to turn on and keep lit the flame of various burners. including 40 when the fuel mixture is very poor. The invention will in any case be better understood from the explanations that follow, referenced to the accompanying drawings in which Figure 1 shows very schematically the invention and its two parts: Figure 2 shows an embodiment associating a plate reactor and a 2 is a wire reactor battery and FIG. 4 represents a hi-wired type reactor immersed in a flame. As has been said, the invention consists in associating two known devices. the pulsed CORONA reactor (1) with a magnetic switching pulse generator. high performance technology also known as magnetic compression. It is really the combination of these two techniques that gives full interest to the invention. According to a first preferred embodiment of the invention, a wire-cylinder reactor (1) is associated with a conventional magnetic compression generator (2) capable of delivering a pulse of 50 to 150 kV depending on the desired processing capacity. having a leading edge of 5 to 30 ns containing an energy of 0.1 to 10 Joules and whose frequency of recurrence can range from 55 to 4000 Hz. Its operation can be easily understood by referring to FIG. 1. The primary energy reservoir (C1) is charged in resonant mode by the switch (Th1) via the inductor (L). This switch can be a thyristor, a 1GBT or a power MOSFET. The charging current of C1 also has the effect of magnetically demagnetizing and pre-biasing the transformer (T) and the saturable inductance chain (Lsi, Ls2, ...). As soon as the load 60 of C1 is over, the second switch (Th2) which can be of the same nature as the previous one is activated. Thus (Ci) is discharged in resonant mode via the leakage inductance of the transformer (T) in the high voltage capacitor (C2). The transformer (T) report has the essential role of raising the voltage. Its transformation ratio can go from 10 to 100, incidentally it allows to galvanically isolate the primary circuit. generally connected to the network, 65 of the secondary circuit referenced to the ground. During the charging of (C2), the saturable inductance (Lsi) is biased by the sinusoidal voltage V of charge of (C2). A weak current flows through Lsi because of its high value. Its dimensioning is adjusted, that is to say its tower number N, its section S of ferromagnetic material (iron-silucium, ferrite, nanocrystalline amorphous material having an induction variation (AB = Bsat ù [3t)) so that the The inductance becomes saturated at the precise moment when the resonant charge of (C2) with a period F ends, which amounts to satisfying the relation: f Vc / t = l = NSAB When Lsi becomes saturated, its inductance becomes much phis weak (up to 1000 or 1000 times lower) which causes the discharge of C2 2908954 in C3 but this time much faster ie with a period f, 4 to 20 times lower. Optimum efficiency, we adopt the rule 75 C2 = Cin2 = C3 ... Cn Therefore, with losses close, the charging voltage of C3 is equal to V and there is conservation of the electric charge during this transfer We can therefore notice that if the same load is transferred from 4 to 20 times faster, i constitutes a compression of time (hence the term magnetic compression) and consequently a multiplication in inverse ratio of the current, and therefore of the power, which is the fundamental goal of a pulse generator 80. It is thus possible to cascade a series of stages; there is one in FIG. 1 but could be much more and found upstream of the transformer (T) as is, for example the case, in Figure 2. The reactor (1) consists of an outer metal enclosure connected to the earth advantageously of cylindrical shape on the axis of which is stretched a wire of tungsten or stainless steel by means of insulating supports. not shown, 85 able to withstand the voltages V of 50 to 200 kV that can deliver the pulse generator (2), the electric field E prevailing on the wire is given by the formula: E = I / rlagn Rlr with R = radius of the electrode and r = radius of the wire. We see that the field on the surface of the wire is all the more intense as r is weak. Let us take an example corresponding to frequent use: V = 100kV, r = 0.1mm, R = 30mm; We see that the field reaches 1.75 108V.m-1, which is still 1.75 90 MV Cm -1. At these values, the air ionizes instantly by a field effect and a sheath is formed around the wire. This phenomenon, known in electrostatic for a very long time, is called the CORONA effect. This term has been retained for the landfills that occupy us. although the mechanisms here are very different, because here from the superficial plasma, streamers, a kind of plasma tongues, go from the wire and propagate at very high speed towards the electrode (6). During this transit time of a few nanoseconds. the plasma-neutral gas interface, which is subjected to an intense field will emit electrons that will be accelerated by this field over the distance of a free elementary course and thus reach energies of a few tens of eV, sufficient to dissociate the molecules of O2 and / or N2 which will thus give rise to extremely reactive excited atoms.
100 Suivant un autre mode préféré de réalisation de l'invention donné. là encore. titre indicatif et bien entendu nullement limitatif, on utilise un générateur de type doubleur auquel est couplé un réacteur à plaques sur lesquelles on a avantageusement placé des structures isolant/métal destinées à multiplier les points triples et ainsi multiplier les points de départ de streamers. Le fonctionnement du générateur d'impulsions peut: être compris de la façon suivante : dès la mise 105 en conduction du thyristor (Thi). le condensateur Ci se charge en résonance puis. à la saturation de Ls3. se décharge via le transformateur (T) dans les condensateurs à haute tension C et C", La 2908954 4 charge de C est directe tandis que la charge de C" se réalise grâce à la chaine de diodes (D) en nombre suffisant pour supporter la tension de sortie, soit le double de la tension de charge, par exemple 601(V. L'inductance saturable Ls4 est dimensionnée de telle sorte qu'elle se sature juste 110 à l'instant de la fin de charge. On détermine ainsi en fonction de la tension de charge VO. qui s'effectue en mode résonant avec une période T, la section S du noyau ferromagnétique caractérisé par une excursion magnétique AB ainsi que le nombre de tours N, grâce à la relation : fi/2 =NSAB. Pour une meilleure compréhension, prenons à titre indicatif et bien entendu nullement limitatif l'exemple numérique suivant fondé sur l'utilisation d'un noyau 115 nanocristallin à base fer ayant une excursion efficace AB = L5 T et un nombre de tour N = 1, si on charge à une tension VO afin d'obtenir en sortie une impulsion de 60 kV et si la période de charge vaut T=200 ns, on obtient en appliquant la relation ci-dessus, la valeur de S soit : S=10cm2. Pour réaliser cette inductance, on pourra avantageusement empiler 10 tores de diamètre intérieur 15mm et de diamètre extérieur 35mm. Ce générateur est couplé à un réacteur à 120 plaques. Il alimente en haute tension impulsionnelle, par exemple de 60kV avec une durée de 100 à 200ns ayant un front avant raide (avantageusement avec un front de montée inférieur à 20ns) un peigne de plaques (3) possédant des incrustations de diélectrique sur les deux faces, qui s'intercale entre les lames d'un deuxième peigne (4) relié à la terre. La circulation de l'air à traiter s'effectue au moyen d'un ventilateur convenable pour assurer sa circulation entre les 125 plaques. Suivant un autre mode préféré de réalisation de l'invention, le générateur d'impulsion alimente une batterie de réacteur fil (7) ù tube (6), ces derniers étant empilés de façon la plus compacte possible. Pour cela. on peut par exemple, empiler des tubes carrés (6) comme schématisé sur la figure 3. Suivant l'axe de ces tubes on tend axialement des fils (7) qui sont tenus à leurs deux 130 extrémités par des plaques (8) reliées à la sortie du générateur d'impulsions. Avantageusement les fils métalliques de faible diamètre, par exemple de 0,5 à lmm. sont tapissés d'incrustations de faible épaisseur de diélectriques (9) de façon à former une grande quantité de points triples desquels se forment les streamers dans l'air qui traverse les tubes axialement. Suivant un dernier mode préféré de réalisation de l'invention, donné là encore à titre purement 135 indicatif et aucunement limitatif, on utilise la décharge CORONA initiée dans le réacteur (1) en vue d'allumer, de réallumer ou d'entretenir une flamme (10) sortant d'un brâileur (11) (voire figure 4). Ceci est intéressant dans tous les cas où on veut assurer la combustion d'un mélange pauvre qui présente généralement l'inconvenient de ne pas pouvoir s'auto-entretenir. On sait en effet que pour assurer la stabilité d'une flamme en sortie de brûleur, il faut injecter un excès de 140 carburant ce qui a cieux inconvénients majeurs : 1) un mauvais rendement énergétique puisque 2908954 5 tout le carburant nest pas brûlé et 2) une température de flamme trop élevée ce qui produit des Nox et donc pollue. Le réacteur (1) constitué par exemple de deux fils parallèles (12) et (13) disposés à proximité du volume occupé par la flamme (l0) sans toutefois se trouver immergés dans celle-ci.According to another preferred embodiment of the given invention. here again. By way of indication and of course in no way limiting, a doubler-type generator is used, to which is coupled a plate reactor on which isolating / metal structures have been advantageously placed for multiplying the triple points and thus multiplying the starting points of streamers. The operation of the pulse generator can be understood as follows: as soon as the thyristor (Thi) is turned on. the capacitor Ci is charged in resonance then. at the saturation of Ls3. is discharged via the transformer (T) into the high-voltage capacitors C and C ", the load of C is direct while the load of C" is realized thanks to the chain of diodes (D) in sufficient number to support the output voltage is twice the charging voltage, for example 601 (V. The saturable inductance Ls4 is dimensioned so that it just saturates at the moment of the end of charging. according to the charging voltage VO, which is effected in resonant mode with a period T, the section S of the ferromagnetic core characterized by a magnetic excursion AB and the number of revolutions N, thanks to the relation: fi / 2 = NSAB For a better understanding, let us take as an indication and of course by no means limiting the following numerical example based on the use of an iron-based nanocrystalline core 115 having an effective excursion AB = L5 T and a number of turns N = 1, if charging at a voltage VO so to output a pulse of 60 kV and if the charging period is T = 200 ns, we obtain by applying the above relationship, the value of S is: S = 10cm2. To achieve this inductance, it will advantageously stack 10 cores of internal diameter 15mm and outer diameter 35mm. This generator is coupled to a 120-plate reactor. It feeds high impulse voltage, for example 60kV with a duration of 100 to 200ns having a steep front edge (advantageously with a rising edge less than 20ns) a plate comb (3) having dielectric inlays on both sides , which is inserted between the blades of a second comb (4) connected to the ground. The circulation of the air to be treated is effected by means of a suitable fan to ensure its circulation between the 125 plates. According to another preferred embodiment of the invention, the pulse generator supplies a reactor battery wire (7) tube (6), the latter being stacked as compact as possible. For that. For example, square tubes (6) can be stacked as shown diagrammatically in FIG. 3. According to the axis of these tubes, wires (7) are held axially and held at their two ends by plates (8) connected to the output of the pulse generator. Advantageously, the small diameter metal wires, for example from 0.5 to 1 mm. are lined with inlays of small dielectric thickness (9) so as to form a large amount of triple points which form the streamers in the air passing through the tubes axially. According to a last preferred embodiment of the invention, again given purely by way of indication and in no way limiting, the CORONA discharge initiated in the reactor (1) is used for lighting, re-lighting or maintaining a flame. (10) coming out of a jammer (11) (see Figure 4). This is interesting in all cases where we want to ensure the combustion of a lean mixture which usually has the disadvantage of not being able to self-maintain. It is known that to ensure the stability of a flame at the burner outlet, it is necessary to inject an excess of 140 fuel which has two major disadvantages: 1) a poor fuel efficiency since 2908954 5 all the fuel is not burned and 2 ) a flame temperature too high which produces Nox and therefore pollutes. The reactor (1) consists for example of two parallel son (12) and (13) disposed near the volume occupied by the flame (10) without being immersed therein.
145 L'invention peut être utilisée : 1) pour la purification de l'air par combustion de composés organiques volatiles (COV) et aussi par réduction de certains oxydes par exemple les Nox. 2) Pour l'assistance des flammes de brûleurs divers (chaufferies, fours. moteurs d'avions à réaction) mais aussi pour remplacer les bougies dans les moteurs à explosion.The invention can be used: 1) for the purification of air by combustion of volatile organic compounds (VOC) and also by reduction of certain oxides, for example Nox. 2) For the assistance of the flames of various burners (furnaces, furnaces, jet engines) but also to replace the spark plugs in the engines.