FR3043576A1 - Dispositif miniaturise de pulverisation a transducteur piezoelectrique - Google Patents

Abstract

Dispositif (1) de nébulisation à excitation piézo-électrique, comprenant un élément piézo-électrique (40) présentant une surface active (41) apte à émettre des ondes acoustiques dans un liquide en vue de la nébulisation de ce liquide, caractérisé en ce que le dispositif (1) comprend en outre des moyens d'alimentation en liquide aptes à délivrer une quantité contrôlée dudit liquide sur ladite surface active (41). Les moyens d'alimentation en liquide sont aptes à délivrer une succession de gouttes de liquide, de préférence d'une taille contrôlée et à un débit contrôlé.

Description

DISPOSITIF MINIATURISE DE PULVERISATION A TRANSDUCTEUR

PIEZOELECTRIQUE

Domaine technique de l’invention L’invention concerne le domaine technique des dispositifs de pulvérisation capables de produire un brouillard de microgouttelettes à partir d’un liquide, et plus particulièrement les dispositifs dans lesquels des microgouttelettes sont générées par un élément piézoélectrique. Plus particulièrement, l’invention concerne un tel dispositif miniaturisé, qui peut être intégré dans un petit volume, et/ou qui permet un dosage très fin de la quantité de brouillard généré.

Etat de la technique

Les dispositifs de pulvérisation capables de produire un brouillard de microgouttelettes à partir d‘un liquide par excitation piézoélectrique sont connus en tant que tels. Dans ces systèmes l’élément piézoélectrique peut être associé à une membrane micro-perforée ou à un concentrateur acoustique afin de favoriser la production de brouillard.

Dans les systèmes à membrane micro-perforée, le transducteur piézoélectrique est couplé à une membrane microperforée, qui est en contact avec le liquide à pulvériser. Ces systèmes sont décrits par exemple dans les documents WO 2013/110248 (Nebu Tec), WO 2012/020262 et WO 05/15822 (Technology Partnership), EP 2 244 314 (Zobele Holding), US 2006/213503 et US 2005/224076 (Pari Pharma), WO 2001/85240 (Pezzopane), FR 2 929 861 (L’Oréal), US 8 870 090 (Aptar), WO 2008/058941 (Telemaq), JP 2001/300375 (Panasonic). Ces systèmes sont simples et compacts, mais en règle générale leur débit est très faible, c’est-à-dire ils produisent une quantité de brouillard très faible. Leur durée de vie est assez limitée (souvent moins de 1000 heures). Ils peuvent convenir pour certaines utilisations (par exemple pour diffuser des parfums dans une pièce), mais pas pour d’autres. Par ailleurs, ces dispositifs nécessitent une maintenance attentive car la membrane risque de se colmater. Cela complique le contrôle de la quantité de brouillard générée par le système. Ces systèmes sont également relativement sensibles à la pression d’eau au-dessus de la membrane et à la pression d’air dans le volume de diffusion ; des problèmes de fuite d’eau peuvent apparaître. Ce manque de robustesse des dispositifs utilisant une membrane perforée peut limiter leur intérêt pour certains types d’applications, notamment industrielles et surtout les produits destinés au grand public (frigo, cave électrique), qui nécessitent une durée de vie importante (de l’ordre de 5 à 10 ans) et pour lesquels des procédures d’entretien complexes et fréquentes ne sont pas envisageables.

Dans les systèmes à concentrateur acoustique, le transducteur piézoélectrique est couplé directement au liquide à pulvériser, avec lequel il est en contact. Plus précisément, ces systèmes utilisent en règle générale une cuve pourvue d’une buse à concentration et d’un élément piézo-électrique, comme décrit par exemple dans les documents EP 0 691 162 A1 et EP 0 782 885 A1 (IMRA Europe). Cette cuve représente le réservoir de liquide à pulvériser. Ces dispositifs sont très fiables et sont utilisés couramment pour humidifier et rafraîchir des produits frais sur des étals de vente, comme décrit dans les documents FR 2 899 135 A1, FR 2 921 551 A1, WO 2014/023907 A1, WO 2013/034847 A1 (ARECO), FR 2 690 510 A1 (Techsonic). Leur débit est important et convient pour de nombreuses utilisations techniques et industrielles. Ne comportant pas de membranes perforées, ces dispositifs ne risquent pas d’être perturbés dans leur fonctionnement par des problèmes de colmatage. Ils présentent une durée de vie de l’ordre de 5000 à 10000 heures ; cette durée de vie dépend du type et de la qualité de l’élément piézoélectrique, de la qualité de ses électrodes (Ni, Ti ...), de la puissance électrique absorbée par l’élément piézoélectrique, du liquide nébulisé et notamment de la qualité de l’eau, si ce liquide est de l’eau). En revanche, ces dispositifs ont une certaine hauteur qui est principalement liée à l’épaisseur d’eau nécessaire pour le bon fonctionnement de l’élément piézo-électrique (généralement de 20 à 35 mm) et aussi à la hauteur de la buse de concentration nécessaire pour la création d’un jet acoustique puissant ; cette hauteur est généralement de l’ordre de 40 à 100 mm).

Il existe des dispositifs dont le rendement « débit d’eau / puissance électrique » a été optimisé. Ces systèmes sont généralement équipés des buses agissant comme concentrateurs des ondes acoustiques générées par l’élément piézoélectrique travaillant à très haute fréquence (de l’ordre de quelques MHz), d’une pompe de circulation d’eau, d’un ventilateur, d’une alimentation électrique spécifique, d’un capteur de niveau et d’une électrovanne. L’intégration de tous ces éléments dans un petit volume reste un point bloquant pour de nombreuses applications qui nécessitent un système très performant (rapport débit / puissance électrique) et d’une très grande fiabilité de chacun des composants, surtout de l’élément piézo-électrique, des générateurs à haute fréquence, du ventilateur et de la pompe.

Dans un système de nébulisation par excitation piézoélectrique il est toujours nécessaire de surveiller la présence et l’épaisseur de l’eau devant le transducteur piézoélectrique, pour les deux raisons suivantes (qui s’appliquent à la technologie à membrane perforée et à la technologie à concentrateur acoustique) : D’une part, il faut protéger le transducteur d’un manque d’eau, qui peut conduire à la destruction de l’élément piézoélectrique, surtout dans les cas des fortes puissances électriques absorbées. En effet, les gaz (tels que l’air) présentent une impédance acoustique beaucoup plus importante pour les ondes acoustiques que les liquides (tels que l’eau). Si la céramique piézoélectrique n’est pas recouverte d’un liquide l’énergie acoustique se dissipe donc dans la céramique piézoélectrique elle-même, conduisant à son échauffement. Si cet échauffement est important ou prolongé cela peut conduire à la dégradation voire à la destruction fonctionnelle de l’élément piézoélectrique.

Le manque d’eau peut être momentané, par exemple lorsque le niveau d’eau système bouge suite au mouvement permanent ou occasionnel du système ; ce problème peut se poser pour des systèmes de nébulisation embarqués dans des véhicules. Le manque d’eau peut être aussi lié au manque d’approvisionnement en eau. Le réapprovisionnement en eau peut être automatique ou manuel. En tous les cas, le volume de liquide dans le réservoir est un volume mort, ce qui nécessite plusieurs remplissages (automatiques ou manuelles) et une maintenance spécifique afin d’éviter des problèmes d’hygiène liés à l’eau stagnante et à la formation d’un biofilm. D’autre part, il faut également garantir une bonne stabilité de la densité de nébulisation au cours du temps ; cet aspect est particulièrement important dans les applications qui nécessitent un niveau d’humidité bien précis et maîtrisé. On sait que le débit en brouillard généré par un système de nébulisation à excitation piézoélectrique dépend, à puissance dissipée égale, du niveau d’eau dans le réservoir.

Pour répondre à ces problématiques, la plupart des systèmes de nébulisation à excitation piézoélectrique sont équipés d’un capteur de niveau d’eau. Ces capteurs peuvent être de type optique, capacitif, à ultrasons, électromécanique, magnétique, etc. Ils présentent typiquement un problème d’encombrement, de précision, de prix et de fiabilité. Plus précisément : l’encombrement du capteur peut devenir un problème dans des systèmes miniaturisés. La précision peut devenir un problème car de nombreux capteurs de niveau présentent un phénomène d’hystérésis : ils ont un point de déclenchement bas et un point de déclenchement haut. Le prix peut devenir un problème dans le cas de systèmes miniaturisés qui ouvrent des applications nouvelles à condition d’être peu onéreux. La fiabilité peut devenir un problème à cause de l’inévitable encrassement de la surface active du capteur.

En pratique on constate que le débit des nébuliseurs, que ce soit à membrane ou à buse de concentration, varie d’au moins ± 10% au cours du temps, en fonction notamment de la variation du niveau d’eau dans le réservoir et de l’hystérésis des capteurs. Cela limite la précision du dosage que l’on peut atteindre pour régler une valeur cible d’humidité relative ou pour diffuser une quantité donnée d’un produit. A titre d’exemple, on peut utiliser un tel nébuliseur pour diffuser un brouillard de H2O2 qui agit comme désinfectant. Pour cette application, une variation de ± 10% de la quantité de liquide nébulisé peut avoir un impact important sur l’efficacité et sur la reproductibilité du cycle de désinfection : si le cycle est sous-dosé, il est potentiellement inefficace, si le cycle est surdosé, cela engendre un risque de corrosion sur les surfaces traitées et peut nécessiter un rinçage.

Il existe donc un besoin pour un système robuste, fiable et compact permettant de nébuliser une quantité très bien définie d’un liquide en très fines gouttelettes, de manière répétable et reproductible. Ce système doit pouvoir être miniaturisé pour donner accès à des applications nouvelles pour lesquelles les systèmes existants sont trop volumineux et/ou ont un débit de nébulisation trop important.

Objet de l’invention

Les inventeurs ont trouvé que le problème posé peut être résolu d’une manière surprenante par un système de nébulisation à excitation piézoélectrique qui ne comporte ni membrane microperforée ni concentrateur acoustique, ni volume mort, ni capteur de niveau. Dans un tel système, on nébulise le liquide à nébuliser par gouttes successives ou par un écoulement d’un film d’eau : des gouttes du liquide à nébuliser sont générées par un moyen de génération de gouttes et sont placées sur la surface active d’un élément piézoélectrique où elles sont transformées, intégralement ou en partie, en brouillard. Typiquement, les gouttes tombent une par une sur ladite surface active ; un éventuel surplus de liquide sur ladite surface active peut être évacué par écoulement, et dans ce cas la surface est avantageusement inclinée. L’élément piézoélectrique peut être excité avec une puissance suffisante pour nébuliser la goutte au moins en partie (et de préférence totalement) ; cette excitation eut avoir lieu pendant une durée assez courte pour éviter ou limiter réchauffement dudit élément piézoélectrique. La durée de l’excitation peut être fixe (possiblement préprogrammée), ou elle peut être déterminée par une boucle de rétroaction à partir d’au moins un paramètre mesuré, et/ou son début peut être synchronisé avec la génération de la goutte. Un éventuel surplus de liquide sur la surface de l’élément piézoélectrique peut être recueilli dans un réservoir.

Dans un mode de réalisation la surface dudit élément piézoélectrique est inclinée, et le surplus de liquide tombe dans un réservoir, à partir duquel le liquide évacué pour être écarté ou pour être réutilisé par le moyen de génération de gouttes.

Les inventeurs ont découvert que la pulvérisation totale d’une goutte de liquide sur la surface d’un élément piézo-électrique est possible si la puissance d’excitation est adaptée suffisamment forte, et que cette puissance d’excitation ne conduit pas à un échauffement significatif de la surface dudit élément piézoélectrique lorsque la dite puissance d’excitation est appliquée pendant une durée assez courte. Ainsi l’élément piézoélectrique n’est pas dégradé par le fait qu’il ne plonge pas dans un liquide mais qu’il est en contact avec l’air dont l’impédance acoustique est très élevée par rapport à cette d’un liquide.

Ainsi un premier objet de l’invention est un dispositif de nébulisation à excitation piézo-électrique, comprenant un élément piézo-électrique présentant une surface active apte à émettre des ondes acoustiques dans un liquide en vue de la nébulisation de ce liquide, caractérisé en ce que le dispositif comprend en outre des moyens d’alimentation en liquide aptes à délivrer une quantité contrôlée dudit liquide sur ladite surface active.

Les moyens d’alimentation en liquide sont avantageusement aptes à délivrer une succession de gouttes de liquide, de préférence d’une taille contrôlée et à un débit contrôlé.

Le dispositif peut comprendre en plus des moyens aptes à déterminer le courant consommé par l’élément piézo-électrique, et/ou : - des moyens de calcul de la variation dudit courant consommé, - des moyens de commande d’arrivée de liquide à travers les moyens d’alimentation, aptes à être activés par les moyens de calcul.

Les moyens d’alimentation en liquide ou moyens d’arrivé de liquide peuvent comprendre une pompe péristaltique ; cela facilite le contrôle fin du débit, et notamment le débit en mode « goutte à goutte ». La pompe péristaltique peut délivrer du liquide à travers un conduit dont la sortie est située au-dessus de l’élément piézo-électrique. Elle peut puiser le liquide à travers un conduit d’aspiration dont l’extrémité libre plonge dans un récipient de réception.

Un autre moyen d’arrivé de liquide qui peut être utilisé est un récipient (par exemple une poche souple) disposé à un niveau supérieur par rapport à l’élément piézo-électrique ; ce récipient, rempli de liquide à nébuliser, se vide (par exemple par gravité) à travers un conduit qui présente un moyen de réglage du débit ; ce conduit peut comporter en plus une électrovanne pour couper rapidement l’alimentation. Ce récipient peut être relié à une alimentation en eau externe, ou il peut être rempli manuellement.

Dans un mode de réalisation l’élément piézo-électrique présente une face active horizontale ; ce mode de réalisation convient en particulier pour le mode « goutte à goutte ». Dans un autre mode de réalisation la face active est inclinée par rapport à l’horizontale, de préférence selon un angle compris entre 10° et 80°.

Un autre mode de réalisation est un procédé de mise en œuvre d’un dispositif de nébulisation selon l’invention, comprenant - un récipient de réception du liquide à nébuliser ; - un élément piézoélectrique destiné à l’excitation du liquide, en vue de la nébulisation de ce liquide ; - des moyens d’alimentation en liquide vers la surface active de l’élément piézo-électrique, propres à alimenter une quantité de liquide contrôlée ; - des moyens de mesure du courant consommé par l’élément piézoélectrique ; - des moyens de calcul de la variation dudit courant consommé ; - des moyens de commande d’arrivée de liquide dans le récipient, aptes à être activés par les moyens de calcul ; ce procédé comprenant les étapes suivantes : - on mesure le courant consommé par l’élément piézo-électrique ; - on calcule la variation dudit courant consommé ; - on active les moyens de commande d’arrivée de liquide, lorsque la variation dudit courant consommé est en dehors d’une plage prédéterminée.

Lesdits moyens d’arrivée de liquide comprennent avantageusement une pompe, qui peut être une pompe péristaltique.

Dans un mode de réalisation on active les moyens de commande d’arrivée de liquide, lorsque la variation dudit courant consommé est supérieure à une valeur prédéterminée. En particulier, on peut activer les moyens de commande d’arrivée de liquide lorsque la variation dudit courant consommé est supérieure d’au moins 10 à 15% à une valeur nominale de consommation.

Le système selon l’invention présente de nombreux avantages. Il permet une maîtrise parfaite de la quantité et du débit de nébulisation ; ce réglage se fait par le nombre de gouttes par unité de temps générées par le générateur de gouttes. Une génération unitaire de gouttes est possible. Le système est très stable, et il n’est pas sensible à une variation du volume de liquide à pulvériser. Il ne nécessite pas l’utilisation d’un capteur de niveau. La génération unitaire de gouttes peut être coordonnée avec l’interruption de l’alimentation de l’élément piézoélectrique. Le moyen de génération de gouttes peut être intégré dans une boucle de rétroaction avec un détecteur de brouillard ou d’humidité, qui mesure par exemple l’humidité relative ou la densité optique dans l’environnement à humidifier. Le système est très compact et très simple car il n’a pas besoin d’un concentrateur acoustique, ni d’une membrane microperforée, ni d’un réservoir en contact avec l’élément piézoélectrique. Le réservoir de liquide peut être déporté. Le moyen de génération de gouttes peut être une pompe péristaltique ; cette dernière peut être déportée.

Le système selon l’invention est utilisé de manière avantageuse pour la nébulisation dans des situations où, soit, le dosage du produit nébulisé est critique, soit le système doit être miniaturisé. A titre d’exemple, il peut être utilisé pour la désinfection répétitive et contrôlée d’un volume d’air déterminé (par exemple préalablement au remplissage de bouteilles, flacons, poches ou d’autres récipients destinés à contenir des produits pharmaceutiques, médicaux, ou d’autres produits manipulés dans des conditions d’hygiène contrôlées).

Description des figures L’invention sera décrite ci-après en référence aux six figures qui sont données uniquement à titre d’illustration d’exemples non limitatifs.

La figure 1 est une vue schématique de face du dispositif illustrant une installation permettant la mise en oeuvre d’un procédé de nébulisation goutte à goutte conforme à l’invention.

La figure 2 est une vue schématique de la carte électronique du dispositif de nébulisation goutte à goutte.

La figure 3 est une vue de la constitution d’un signal PWM.

La figure 4 est une vue schématique du procédé du dit dispositif de nébulisation goutte à goutte.

La figure 5 montre, pour un exemple concret, la dépendance du débit de nébulisation de la puissance électrique moyenne et de la fréquence des impulsions.

La figure 6 montre, pour un exemple concret, la dépendance du débit de nébulisation en fonction de la fréquence de répétition à puissance fixe.

Les références numériques suivantes sont utilisées dans la présente description:

Description détaillée

La figure 1 montre un mode de réalisation avantageux du dispositif 1 selon l’invention. Il comprend un élément piézoélectrique 40 dont la surface active 41 reçoit, de préférence par gravité, une quantité définie 90 de liquide à nébuliser. Cette quantité définie de liquide peut être une succession de gouttes ou un écoulement permanent ; elle peut former sur la surface active 41 des gouttes individuelles ou un film de liquide. Le liquide provient d’un réceptacle 10 et est

acheminé par une pompe 60 à travers des conduits 80,81 ; la lettre H indique le niveau dudit liquide dans ledit réceptacle 10. Cette quantité de liquide peut être délivrée sous la forme de gouttes 90 par un générateur de gouttes.

Dans le mode de réalisation de la figure 1 ledit générateur de gouttes comprend une pompe 60. Ladite pompe est alimentée en liquide à nébuliser à travers un conduit d’entrée 80 et libère les gouttes au-dessus de la surface active 41 de l’élément piézo-électrique 40 à partir d’un conduit de sortie 81. Ledit générateur de gouttes (par exemple ladite pompe 60) est alimenté en courant électrique par une alimentation électrique 50.

De manière préférée, le générateur de gouttes comprend une pompe 60 de type péristaltique, qui permet de quantifier de manière précise le liquide sur la surface active 41 de l’élément piézo-électrique 40. Le liquide transite par des conduits 80,81 de type tuyau souple. Le liquide arrive en quantité bien défini sur la surface active 41 de l’élément piézo-électrique 40, dans un mode de réalisation très préféré en mode « goutte à goutte ».

Sous l’effet des ondes acoustiques émises par la surface active 41 de l’élément piézo-électrique 40 la goutte est au moins partiellement transformée en gouttelettes formant un brouillard fin 82. La taille des gouttelettes est typiquement comprise entre 2 pm et 10 pm pour une fréquence acoustique comprise entre 0,5 MHz et 5 MHz.

Dans le mode de réalisation de la figure 1, la surface active 41 de l’élément piézoélectrique 40 est inclinée, de préférence d’un angle compris entre environ 10° et environ 80° (de préférence entre 20° et 70°) par rapport à l’horizontale, afin d’éviter que le surplus non nébulisé de la goutte 90 ne stagne sur la surface active 41, ce qui pourrait perturber la nébulisation et conduire à une variation temporelle non souhaitable du brouillard 82 généré. Si ladite surface active 41 est inclinée, le surplus 91 peut s’évacuer par gravité. Il peut soit être écarté, soit être recueilli, directement (comme sur la figure 1) ou indirectement, dans le réceptacle 10 dans lequel s’alimente la pompe 60 en liquide à travers le conduit d’entré 80. Ainsi le liquide peut circuler en boucle fermée, à l’exception de la partie de liquide qui part sous la forme de brouillard 82. Le réceptacle 10 peut aussi être déporté, afin de permettre une construction du dispositif 1 qui soit la moins haute possible, si cela est désiré pour certaines applications. L’élément piézo-électrique 40 est excité par un courant alternatif de haute fréquence fourni sous la forme d’impulsions. Ces impulsions sont générées par un générateur de signal 20 et amplifiées par un amplificateur de signal 30. Ce dernier permet de calibrer le signal ; cela sera décrit en plus grand détail ci-dessous.

Dans une variante, le générateur exerce un rôle complémentaire d’autorégulation du dispositif. Dans la mesure où il commande également le fonctionnement de la pompe 60, de préférence en agissant sur l’alimentation 50 de ladite pompe 60.

Le dispositif 1 comprend également un moyen 70 permettant de mesurer le courant consommé par l’élément piézo-électrique 40, tel qu’un ampèremètre. Ce dernier envoie une information relative au courant absorbé par l’élément piézoélectrique au générateur de signal 20.

Dans un mode de réalisation particulier, le débit de la pompe 60, c’est-à-dire le nombre de gouttes par unité de temps, est réglé de manière à ce qu’une nouvelle goutte n’est générée que lorsque la goutte précédente a été nébulisée complètement. Cela veut dire qu’il n’y a pas de surplus 91 à évacuer ; cela permet de disposer la surface active 41 à l’horizontale (ou à un angle très proche de l’horizontale) et permet de limiter encore plus la hauteur totale du dispositif. La disparition (effective ou imminente) de la goutte 90 sur la surface active 41 de l’élément piézo-électrique 40 par nébulisation peut être détectée par une variation de la consommation de courant ; en effet les inventeurs ont observé que le courant absorbé par l’élément piézoélectrique augmente quand la goutte s’évapore totalement.

La figure 2 montre un ensemble de composants électroniques utilisés pour contrôler le fonctionnement du dispositif 1 de la figure 1 ou de certaines de ses variantes et modes de réalisation et/ou modes d’utilisation. Le pilotage du dispositif 1 de la figure 1 peut être réalisé par une carte 190 dont l’alimentation se fait de manière déportée par un module 180 d’alimentation. La tension continue fournie peut typiquement être comprise entre 6 et 40 Volts.

Cette carte 190 est conçue autour du microcontrôleur 200 permettant la gestion applicative des étapes énoncées ci-dessus. Ce microcontrôleur 200 gère aussi la connectivité des modules d’entrée/sortie.

Plus précisément, cette carte 190 comprend un module 210 d’entrées analogique tout ou rien (TOR) et un module sortie 220. Ces modules permettent de commander l’alimentation 50 de la pompe péristaltique 60 qui alimente en eau l’élément piézo-électrique.

Un sous-ensemble 20 est configuré pour constitue l’élément de commande 250 de l’élément piézoélectrique, celle-ci permet de définir notamment la fréquence d’excitation, le voltage et le rapport cyclique de son excitation. Ce sous-ensemble 20 permet aussi d’obtenir les informations 260 sur le courant consommé par l’élément piézo-électrique 40.

La carte 190 comprend également un module 30 de contrôle et de commande de l’élément piézo-électrique 40 qui permet d’alimenter ce dernier avec des signaux 290 impulsionnels de fréquence et séquence adaptées pour l’exciter de manière à ce qu’il puisse émettre des ondes acoustiques ultrasoniques de forte puissance dans un laps de temps extrêmement court (de l’ordre de quelques millisecondes). Lesdits signaux impulsionnels sont caractérisés typiquement par leur largeur d’impulsion (PWM - Puise Width Modulation, désignée aussi par le sigle MLI -Modulation de Largeur d’impulsion).

La figure 3 montre un exemple d’un signal MLI, dont la fréquence est typiquement comprise, dans cet exemple, entre 0,1 kHz et 50 kHz (zone a) de la figure). Ce signal est caractérisé par une intensité (puissance) crête-à-crête et un rapport cyclique, qui représente la durée (en pourcent) pendant laquelle cette intensité est délivrée. Ce signal est utilisé pour moduler le signal d’excitation de l’élément piézo-électrique (qui est en général à base d’une céramique piézo-électrique). Ce signal d’excitation est choisi proche de la fréquence de résonance de ladite céramique. Dans l’exemple de la figure 3 cette fréquence de résonance est typiquement de l’ordre 1700 kHz (zone b) de la figure). La puissance moyenne délivrée peut être ajustée grâce au rapport cyclique qui peut varier de 0 à 100 % (zone c) sur de la figure).

Autrement dit, le signal d’excitation transmis à l’élément piézoélectrique est composé de trains d’impulsions (zone c) de la figure 3) composés chacun d’impulsions individuelles à une première fréquence (zone b) de la figure 3) qui est proche de la fréquence de résonance de l’élément piézo-électrique, lesdits trains d’impulsions étant espacés dans le temps, ledit espacement étant défini par une deuxième fréquence (zone a) de la figure 3) et par un rapport cyclique (zone a) de la figure 3). A titre d’exemple, pour une fréquence f=50 kHz et un rapport cyclique de 50 %, la puissance envoyée au piézo-électrique est distribuée par des paquets d’impulsion en mode « ON /OFF » à une fréquence de 50 kHz, c’est à dire 17 000 périodes à puissance maximale pour une durée de 10 ms, chaque période étant suivie d’une période à puissance zéro période pour une durée de 10 ms.

En ce qui concerne la puissance crête-à-crête des impulsions, elle peut être élevée. A titre d’exemple, un train d’impulsions individuel peut représenter une puissance comprise entre 30 W et 70 W (cette valeur se réfère à un régime d’excitation en continu, c’est-à-dire sur 100% des cycles) pour une surface active d’un diamètre compris entre 0,5 et 1,5 cm, et cette puissance élevée permet de nébuliseur le liquide sur la surface active 41, mais compte tenu de l’espacement entre deux trains d’impulsions (correspondant à quelques pourcent des cycles) la puissance totale absorbée n’est que de l’ordre de 1 W à 5 W, et pour cette raison l’absence de liquide sur la surface active n’entraîne pas une dégradation de l’élément piézoélectrique 40. On note que la délivrance d’une puissance de l’ordre de 1 W à 5 W en puissance crête-à-crête ne permettrait pas de nébuliser le liquide.

Dans un mode de réalisation typique on détermine expérimentalement, pour un type de dispositif et un type de liquide donnés, le seuil de puissance ainsi que la fréquence de répétition nécessaire pour nébuliser une seule goutte d’eau en une durée donnée, par exemple une seconde. Dans un exemple typique on a ainsi trouvé une fréquence de répétition d’impulsion de 200Hz avec un nombre de périodes de 120 d’impulsions soit environ 1,5% du temps en impulsion ON et 98,5% du reste du temps en OFF. La puissance électrique moyenne était de l’ordre de 1 Watt.

Ce mode de fonctionnement permet de faire fonctionner le piézo-électrique avec une épaisseur d’au très faible de l’ordre de 1 à 2 mm, ou avec une goutte individuelle. Compte tenu de la faible puissance dissipée, le risque d’échauffement de l’élément piézo-électrique 40 est faible, la température se stabilise à un niveau qui n’entraine pas d’altération irréversible pouvant entraîner sa destruction fonctionnelle. En effet la puissance est quasiment intégralement absorbée par la goutte, et ensuite restitué en fines gouttelettes de nébulisation. Ce phénomène est extrêmement rapide car la goutte (en l’occurrence de l’eau) est nébulisée en moins d’une seconde.

Afin de réaliser ce type de pilotage du piézo-électrique 40, on ajuste donc le dispositif de manière à ajouter une goutte de liquide 90 sur la surface du piézoélectrique 40 de manière répétitive et constante, la fréquence de la goutte en mode « goutte à goutte » étant adaptée aux paramètres d’excitation de manière à ce que chaque goutte soit nébulisée complètement. On peut ainsi déterminer empiriquement des conditions opératoires d’excitation de l’élément piézoélectrique 40 qui peuvent convenir à une utilisation donnée.

Dans une variante le fonctionnement de la pompe 60, et en particulier son débit, est contrôlé par un générateur de signal 20 de manière à coordonner ou synchroniser la génération des gouttes et les conditions d’excitation de l’élément piézo-électrique 40. Ce mode de fonctionnement se base sur une régulation totale du système décrit dans la figure 1. Cette coordination suppose la détection au niveau de l’élément piézo-électrique 40 de la disparition effective ou imminente de la goutte 90.

Cette détection peut se faire sur la base de la découverte par les inventeurs que l’absorption de courant par l’élément piézo-électrique 40 dépend de la quantité de surface active 41 en contact avec un liquide, sachant que l’impédance acoustique de l’air et d’un liquide sont très différentes.

On décrit ici un exemple concret du pilotage du dispositif selon l’invention.

Dans un mode de fonctionnement mettant en oeuvre l’ampèremètre 70 de la figure 1 et/ou les informations sur le courant consommé 260 (voir la figure 2), on a déterminé que le signal du courant absorbé par l’élément piézo-électrique (mesuré aux bornes de l’élément piézo-électrique 40) au cours de la nébulisation de la goutte de liquide 90 (de l’eau en occurrence) est caractérisé par une valeur du courant crête-crête d’environ 2,13 A en fonctionnement normal.

Lorsque la surface active 41 de l’élément piézo-électrique céramique ne comporte plus de goutte de liquide, le changement d’impédance acoustique entraîne une augmentation de la valeur crête-crête d’environ 10 à 15% : une valeur de 2,49 A été mesurée.

Cette modification (en l’occurrence : augmentation) du courant absorbé signale donc un manque de liquide sur la surface 41 de l’élément piézo-électrique 40. Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, le microcontrôleur 200 de la carte électronique 190 est configuré pour détecter cette modification et ainsi rétroagir sur le pilotage de la pompe, soit en déclenchant individuellement la génération de la prochaine goutte, soit en modifiant le débit de liquide, ou encore en déclenchant une coupure momentanée de l’excitation de l’élément piézoélectrique 40, ces différents moyens d’actions pouvant le cas échéant être cumulés. Cela a pour conséquence de maximiser le rendement du système tout en évitant de faire fonctionner le piézo-électrique « à vide » c’est-à-dire sans eau.

Le procédé de régulation, décrit ici en relation avec la figure 4. se base sur la mesure du courant et de la tension de l’élément piézo-électrique 40 pour détecter la présence ou l’absence de la goutte de liquide 90. Le microcontrôleur 200 est configuré pour commander les étapes de fonctionnement comme décrit dans la figure 4.

Dans une première étape E1 on procède au calibrage de l’ensemble des éléments du dispositif 1. Les paramètres ajustés sont notamment la fréquence MLI, le voltage, le rapport cyclique, la fréquence résonance, l’angle d’inclinaison de la céramique, le débit de pompe péristaltique, le dimensionnement de la goutte de liquide 90.

Dans une deuxième étape E2 on met en marche le dispositif 1.

Dans une troisième étape E3 on envoie (par exemple en parallèle) l’ordre d’alimentation 50 de la pompe 60 et l’ordre de génération du signal par le générateur 20 ; ce signal est amplifié par un amplificateur 30, puis il arrive dans l’élément piézo-électrique 40.

Dans une quatrième étape E4 on observe le retour de l’information de consommation 260 de courant collecté par l’ampèremètre 70. Si cette information de consommation de courant 260 est correcte, on passe à l’étape E10 sinon on passe à l’étape E20. L’étape E10 permet, dans le cas où l’information de consommation 260 est correcte, d’ajuster le rapport cyclique de la fréquence MLI afin de limiter les excès de gouttelettes 91 non nébulisées. La prochaine étape est E4. L’étape E20 permet, dans le cas où l’information de consommation de courant 260 n’est pas correcte, de donner un ordre d’alimentation 50 de la pompe 60. L’étape E21 envoie en parallèle l’ordre d’alimentation 50 de la pompe 60 et de génération du signa au générateur 20. Le signal est amplifié par l’amplificateur 30 puis il arrive à l’élément piézo-électrique 40. L’étape E22 correspond au retour de l’information de consommation 260 collectée par l’ampèremètre 70. Si l’information de consommation de courant 260 est conforme, on passe à l’étape E30 sinon on passe à l’étape E240. L’étape E30 permet, dans le cas où l’information de consommation 260 est conforme, d’ajuster le rapport cyclique de la fréquence MLI afin de limiter les excès de gouttelettes 91 non nébulisé. L’étape suivante est E4. L’étape E40 permet, dans le cas où l’information de consommation de courant 260 n’est pas bonne, de donner une information à l’utilisateur qu’un défaut de liquide est en cours en utilisant le module 210 pour émettre un signal visuel. L’étape E41 correspond à l’utilisateur qui réapprovisionne le liquide dans le réceptacle 10. Il valide son action sur la carte électronique 190 et on revient à l’étape E1 ou E4.

Pour ajuster le fonctionnement du dispositif 1 selon l’invention, et notamment son débit, on dispose de six paramètres principaux, dont les deux premiers sont fixes pour un dispositif donné, et les quatre autres réglables : l’angle d’inclinaison de la surface active 41 de l’élément piézo-électrique 40, la taille des gouttes, le débit de la pompe 60 (dans le cas où elle délivre une succession de gouttes 90 sur la surface active 41, il s’agit de la fréquence de gouttes), la fréquence de répétition des impulsions envoyées à la fréquence de résonance de l’élément piézoélectrique 40, le nombre d’impulsions envoyées, et la puissance de crête à crête des impulsions.

Dans un mode de réalisation de l’invention, on a choisi comme paramètres fixes une tension d’alimentation de la carte d’excitation de 30 V, un débit de la pompe d’alimentation en eau de 1,2 litres/heure, un angle d’inclinaison de la surface active de l’élément piézoélectrique de 45°. On a choisi les paramètres variables suivants : - Fréquence de répétition des impulsion envoyées : 100 Hz, 333 Hz, 500 Hz, 1000 Hz ; - Nombre d’impulsion envoyées / nombre d’impulsions maximal : 3,4 % (puissance moyenne 3 W) ou 7,8 % (puissance moyenne 5,4 W).

Quelques résultats de ces essais sont montrés sur la figure 5. On a observé que pour la même puissance consommée, le débit de la nébulisation varie en fonction de la fréquence de répétition : - Pour une puissance moyenne de 3 W, le débit de nébulisation maximale est de 22 ml/h pour une fréquence de répétition de 333 Hz ; donc le rendement est de 135 Wh/litre ; - Pour une puissance moyenne de 5,4 W, le débit de nébulisation maximale est de 33 ml/h pour une fréquence de répétition de 333 Hz ; donc le rendement est de 135 Wh/litre.

Cette fréquence représente un point de fonctionnement optimal par rapport au rendement énergétique. Dans cette configuration la fréquence est suffisante pour transmettre le maximum d’énergie au film de liquide pour nébuliser durant la période d’écoulement devant la surface active de l’élément piézoélectrique.

Cette fréquence optimale peut varier en fonction du débit de la pompe, de l’épaisseur du film de liquide et du nombre d’impulsions envoyées. La figure 6 montre à titre d’exemple le débit de nébulisation en fonction de la fréquence de répétition.

Comme indiqué ci-dessus, le dispositif 1 selon l’invention présente de nombreux avantages. Il permet de délivrer une quantité calibrée de brouillard, dans la mesure où le procédé permet la nébulisation en mode goutte à goutte, la fréquence des gouttes pouvant être ajustée, sachant que de préférence chaque goutte 90 est nébulisée complètement. Cela présente un grand intérêt pour la nébulisation de produits de désinfection ou d’autres principes actifs, ainsi que pour le maintien d’un taux d’humidité très précis dans un volume confiné ou dans une zone locale en environnement ouvert.

Par ailleurs, le dispositif 1 peut être réalisé de manière très compacte, et notamment avec une très faible hauteur. Cela facilite son intégration dans des réfrigérateurs, par exemple dans l’épaisseur d’un plateau, ou dans d’autres locaux, meubles et accessoires utilisés notamment pour le stockage de longue durée de produits sensibles (caves à cigares, cave à vin ; local de stockage de fruits et légumes ; matières premières, produits semi-finis ou produits finis d’origine artisanale ou industrielle (cuir, textile, cordage etc.)).

Les inventeurs ont également observé que le fait d’utiliser l’élément piézoélectrique seulement à une fraction de sa puissance maximale (par exemple 10% à 20%) a pour conséquence d’allonger sa durée de vie ; cela représente un autre avantage.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif (1) de nébulisation à excitation piézoélectrique, comprenant un élément piézoélectrique (40) présentant une surface active (41) apte à émettre des ondes acoustiques dans un liquide en vue de la nébulisation de ce liquide, caractérisé en ce que le dispositif (1) comprend en outre des moyens d’alimentation en liquide aptes à délivrer une quantité contrôlée dudit liquide sur ladite surface active (41).
2. 2. Dispositif de nébulisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d’alimentation en liquide sont aptes à délivrer une succession de gouttes de liquide, de préférence d’une taille contrôlée et à un débit contrôlé.
3. 3. Dispositif (1) selon la revendication 1, comprenant en plus des moyens (70) aptes à déterminer le courant consommé par l’élément piézoélectrique (40).
4. 4. Dispositif (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, comprenant en plus : - des moyens de calcul de la variation dudit courant consommé, - des moyens de commande d’arrivée de liquide à travers les moyens d’alimentation, aptes à être activés par les moyens de calcul.
5. 5. Dispositif (1) de nébulisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens d’alimentation en liquide comprennent une pompe péristaltique (60), ou un récipient disposé à un niveau supérieur par rapport à l’élément piézoélectrique (40) et qui se vide à travers un conduit qui présente un moyen de réglage du débit.
6. 6. Dispositif (1) de nébulisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que la pompe péristaltique (60) délivre du liquide à travers un conduit (81) dont la sortie est située au-dessus de l’élément piézoélectrique (40).
7. 7. Dispositif (1) de nébulisation selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la pompe péristaltique (60) puise le liquide à travers un conduit d’aspiration (80) dont l’extrémité libre plonge dans un récipient de réception (10).
8. 8. Dispositif (1) de nébulisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la surface active (41 ) de l’élément piézoélectrique (40) est incliné par rapport à l’horizontale, de préférence selon un angle compris entre 10° et 80°.
9. 9. Procédé de mise en œuvre d’un dispositif (1) de nébulisation selon l’une quelconque des revendications 1à 8, comprenant - un récipient (10) de réception du liquide à nébuliser ; - un élément piézo-électrique (40) destiné à l’excitation du liquide, en vue de la nébulisation de ce liquide ; des moyens d’alimentation en liquide vers la surface active (41) de l’élément piézo-électrique (40), propres à alimenter une quantité de liquide contrôlée ; - des moyens de mesure (70) du courant consommé par l’élément piézoélectrique 40) ; - des moyens de calcul de la variation dudit courant consommé ; - des moyens de commande d’arrivée de liquide dans le récipient (10), aptes à être activés par les moyens de calcul ; ce procédé comprenant les étapes suivantes : - on mesure le courant consommé par l’élément piézo-électrique (40) ; - on calcule la variation dudit courant consommé ; - on active les moyens de commande d’arrivée de liquide, lorsque la variation dudit courant consommé est en dehors d’une plage prédéterminée.
10. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce qu’on active les moyens de commande d’arrivée de liquide, lorsque la variation dudit courant consommé est supérieure à une valeur prédéterminée.
11. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce qu’on active les moyens de commande d’arrivée de liquide, lorsque la variation dudit courant consommé est supérieure d’au moins 10 à 15% à une valeur nominale de consommation.