FR3109893A1 - Appareil de filtration de l'air avec réservoir d'eau - Google Patents

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Abstract

Appareil (1) de filtration de l’air comprenant un boîtier (2) dans lequel sont agencés un réservoir (3) à eau de filtration avec une zone de fluide (13) et une zone de dépression (14), un tube (4) d’admission d’air à filtrer en communication fluidique entre l’air ambiant (12) à filtrer et ledit réservoir (3) à eau de filtration, une pompe (5) à vide en communication fluidique d’une part avec la zone de dépression (14) du réservoir (3) par l’entremise d’un clapet (6) d’aspiration d’air filtrée, et d’autre part avec le milieu ambiant (12) par l’entremise d’un clapet (7) d’expulsion d’air filtrée. FIGURE 1

Description

Appareil de filtration de l’air avec réservoir d’eau
L’invention concerne un dispositif ou appareil de filtration de l’air comprenant un boîtier dans lequel sont agencés un réservoir à eau de filtration avec une zone immergée, un tube d’admission d’air à filtrer en communication fluidique entre l’air ambiant à filtrer et ledit réservoir à eau de filtration, une pompe.
Depuis longtemps, de très nombreux types de dispositifs de filtration de l’air ont été mis au point, du plus simple au plus performant. Plus récemment, suite à une demande intense des consommateurs pour des produits permettant d’améliorer les performances tout en simplifiant l’utilisation, plusieurs familles de dispositifs de filtration de l’air ont été mis au point. Toutefois, la recherche scientifique a montré que l’optimisation des performances de dites systèmes peut encore être améliorée.
En outre, du fait des performances limités des systèmes utilisant des filtres secs classiques, plusieurs documents illustrent des systèmes de filtration d’air utilisant une réserve d’eau servant de milieu filtrant. Ces systèmes permettent de bénéficier des grandes capacités d’absorption de l’eau. La plupart des solutions décrites utilisent des pompes immergées ou des ventilateurs qui « poussent » l’air vers la réserve d’eau de filtration.
D’autres documents décrivent des modes de filtration ou dépollution en utilisant des filtres avec des plantes (biofiltres). Ces systèmes ont surtout une vocation décorative, de part leurs performances limitées, si les plantes sont simplement placées dans un pot. Des meilleures performances sont obtenues avec des parois spécifiques, de grande surface, pour permettre aux racines des plantes une plus importante interaction avec les polluants. Ces systèmes sont généralement de large dimension (murs végétaux). L’un des problèmes des « biofiltres » est la difficulté de concilier un flux d’air important avec le besoin d’humidité des plantes, ce qui oblige à un arrosage constant.
Le document WO2020045803 décrit un système de filtration miniature et portatif pourvu d’un réservoir d’eau. L’air en provenance du filtre est envoyé dans l’eau en « poussant » l’air grâce à une pompe immergée. L’air est ensuite envoyé dans un second réservoir d’eau par une deuxième pompe, avant d’être ensuite poussé dans un tube d’évacuation. Des chambres d’air sont prévues au-dessus des réservoirs d’eau. Bien que compact, ce dispositif n’en demeure pas moins relativement complexe et coûteux à mettre en œuvre du fait de nombreuses pièces, en particulier les deux pompes. Ces deux pompes rendent le dispositif énergivore.
Le document FR3070608 présente une variante de la technologie des « murs végétaux ». Cette technologie se base sur le passage de l’air à travers une paroi humide, sur laquelle sont positionnés des plantes. Les racines des plantes et la flore microbiologique y présente permettent d’obtenir des effets bénéfiques sur la qualité de l’air. Ce type de système est efficace mais pas portatif.
Pour pallier ces différents inconvénients, l’invention prévoit différents moyens techniques.
Tout d’abord, un premier objectif de l’invention consiste à prévoir un système de filtration de l’air qui soit compacte et efficace.
Un autre objectif de l’invention consiste à prévoir un système de filtration de l’air permettant de récupérer de façon efficace certains polluants difficiles à récupérer à l’aide de filtres classiques.
Encore un autre objectif de l’invention consiste à prévoir un système de filtration de l’air qui soit économique et écologique.
Encore un autre objectif de l’invention consiste à prévoir un système de filtration de l’air qui soit peu encombrant et simple à installer.
Pour ce faire, l’invention prévoit appareil de filtration de l’air comprenant un boîtier dans lequel sont agencés :
-un réservoir à eau de filtration avec une zone immergée;
-un tube d’admission d’air à filtrer en communication fluidique entre l’air ambiant à filtrer et ledit réservoir à eau de filtration;
-une pompe ;
-dans lequel la pompe est agencée en aval du réservoir d’eau de filtration.
On obtient ainsi une architecture innovante, sans ventilateur ou pompe immergée disposé en entrée du réservoir. L’architecture obtenue procure un mode de fonctionnement dans lequel l’air à filtrer est aspiré ou tiré du réservoir de filtration plutôt que poussé dans ce réservoir par un ventilateur ou une pompe selon les agencements classiques.
Selon un mode de réalisation avantageux, la pompe est une pompe à vide en communication fluidique d’une part avec une zone non immergée de dépression du réservoir par l’entremise d’un clapet d’aspiration d’air filtrée, et d’autre part avec le milieu ambiant par l’entremise d’un clapet d’expulsion d’air filtrée.
L’agencement spécifique de la pompe, du clapet d’aspiration en communication avec la zone sans eau au niveau de la portion supérieure du réservoir d’eau de filtration, permet de générer une dépression dans la zone sans eau du réservoir (la chambre à dépression) et d’éjecter l’air vers le milieu ambiant. La dépression créée au-dessus du réservoir d’eau produit un effet d’aspiration de l’air qui est admise par le tube d’admission pour se disperser ensuite dans l’eau du réservoir. L’eau du réservoir absorbe les polluants, en particuliers les particules polluantes. L’air filtré récupéré par la zone de dépression peut ensuite être retourné au milieu ambiant. Une telle architecture permet un fonctionnement avec une seule pompe. Il permet en outre de supprimer le besoin d’une pompe immergée. Le mode d’aspiration de l’air permet un fonctionnement efficace, avec un débit élevé, avec une consommation faible.
Selon encore un mode de réalisation avantageux, la pompe à vide est une pompe à soufflet. Ce type de pompe est particulièrement adapté pour produire un bon niveau de dépression et d’aspiration de l’air.
Selon un mode de réalisation avantageux, le moteur de la pompe à vide est agencé dans un logement situé sous le niveau de remplissage du réservoir. Cet agencement permet de réduire le niveau sonore du filtre.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, le clapet d’expulsion d’air est agencé pour envoyer l’air vers un filtre végétal aérien. Ce filtre est avantageusement disposé en aval de la pompe.
De manière avantageuse, le réservoir d’eau de filtration comprend un filtre végétal marin.
Egalement de manière avantageuse, le réservoir d’eau de filtration est nettoyé par phytoremédiation avec un filtre végétal terrestre.
On obtient ainsi un filtre à air hybride, avec filtration/dépollution par eau, et filtration/dépollution par végétaux. Les filtres végétaux procurent un effet d’absorption de certains éléments polluants comme par exemple les Composés Organiques Volatils ou COV (VOC en anglais), tels que Formaldéhyde et Toluène.
De manière avantageuse, le filtre végétal comporte un substrat poreux, apte à permettre le passage du flux d’air humide en provenance du soufflet, dans lequel des plantes sont disposées. On utilise par exemples des plantes telles que Monstera deliciosa (Faux philodendron), Epipremnum aureum (Pothos), Davallia mariesii (Fougère « patte de lapin ») assez bien connues pour leur effet bénéfique sur l’air.
De manière avantageuse, le réservoir d’eau de filtration est nettoyé par phytoremédiation avec un filtre végétal terrestre. Ce filtre permet de nettoyer l’eau et évite une concentration des polluants dans le réservoir. Un substrat plus dense, apte à plonger dans l’eau, est agencé avec des plantes de phytoremédiation susceptibles de décomposer les polluants organiques, telles que le Populus tricho-carpa (Peuplier), le Salix schwerinii x viminalis (Saule). Pour des raisons de dimension, des jeunes plantes seront plus adaptées.
Selon un exemple de réalisation, le filtre végétal marin comprend au moins une plante dépolluante, capable de décomposer les substances organiques, comme par exemple le Ceratophyllum demersum (Cornifle immergé) ou le Spirodela oligorrhiza (Lentille d’eau).
Selon encore une variante avantageuse, afin de limiter la prolifération de microorganismes dans le réservoir d’eau, celui-ci est maintenu dans le noir et un capteur surveille la température de l’eau, afin qu’elle ne dépasse pas une température maximale préalablement sélectionnée, de préférence inférieure à 25°c, et encore plus préférentiellement autour de 20°C. Un refroidisseur d’eau peut être prévu afin d’assurer un maintien à une température idéale. Pour la même raison, le tube d’admission d’air est revêtu avec une peinture noire, ce qui limite l’entrée de la lumière et favorise un flux laminaire de l’air en entrée.
Selon encore une variante avantageuse, le tube d’admission d’air termine par une structure fractale, imitant les alvéoles pulmonaires, ce qui permets de repartir l’air dans tout le volume d’eau et produire des échanges fins entre l’air et l’eau. En effet, les bulles d’air doivent être de petite taille, pour obtenir, à parité de flux d’air, plus de surface d’échange entre l’eau et l’air. Ceci permet aussi de bien oxygéner l’eau, ce qui réduit fortement le développement de microorganismes.
Des structures allongées sont placées à l’entrée du tube d’admission d’air, afin de limiter le risque que des particules de dimension importante puissent encrasser ou obturer le tube.
Le bac est facilement vidangeable et peut être nettoyé facilement en cas de besoin.
Tous les détails de réalisation sont donnés dans la description qui suit, complétée par les figures 1 à 4, présentées uniquement à des fins d’exemples non limitatifs, et dans lesquelles:
Fig.1
la figure 1 est une représentation schématique d’un exemple de réalisation d’un dispositif de filtration avec réservoir d’eau de filtration;
Fig.2
la figure 2 illustre une variante de réalisation du dispositif de filtration de la figure 1 dans lequel le moteur d’actionnement de la pompe est agencé dans un emplacement entouré par l’eau du réservoir;
Fig.3
la figure 3 montre une autre variante du dispositif de filtration de la figure 1 comportant par ailleurs un filtre végétal aérien;
Fig.4
la figure 4 montre une autre variante du dispositif de filtration de la figure 1 comportant par ailleurs un filtre végétal marin et terrestre.
La technologie présentée consiste en un système de filtration de l’air ambiant utilisant un réservoir d’eau servant de milieu filtrant. Une chambre à dépression est agencée au-dessus d’un réservoir d’eau. Grâce à la dépression créée dans cette chambre, l’air est aspiré par un tube d’entrée d’air. L’air du tube pénètre dans le réservoir d’eau pour une phase de filtration. L’air filtré passe ensuite par la chambre à dépression et est ensuite rejeté dans le milieu ambiant. En variante, des étapes de dépollution à l’aide de végétaux sont prévues en aval de la pompe, au niveau de la sortie d’air, et/ou dans le réservoir d’eau.
La figure 1 illustre un exemple de réalisation d’un dispositif ou appareil 1 de filtration comportant un boîtier 2 de forme rectangulaire dans l’exemple illustré. Un réservoir 3 occupe la portion inférieure du boîtier 2. Dans l’exemple illustré, le réservoir 3 a une hauteur correspondant à moins de la moitié de celle du boîtier. D’autres proportions sont toutefois possibles. En opération, le réservoir contient de l’eau dans une zone 13 immergée délimitée par le niveau 8 de remplissage du réservoir de façon à libérer la portion supérieure du réservoir dans laquelle une zone 14 de dépression est formée lorsque le dispositif est en opération.
Le réservoir est étanche et comporte deux ouvertures. Une première ouverture, dans la paroi supérieure, permet à un tube 4 d’admission d’air de pénétrer dans le réservoir. Le tube se prolonge avantageusement vers le bas, sous le niveau 8 de remplissage du réservoir, de façon à ce que son extrémité soit en communication fluidique avec l’eau du réservoir. Le tube 4 d’admission se prolonge vers le haut du boîtier 2, jusqu’à la paroi supérieure 19 de ce dernier. Le tube traverse cette dernière de façon à être en communication fluidique avec le milieu ambiant 12 dans lequel se trouve l’air à filtrer. La portion supérieure du boîtier permet de loger une pompe 5 à vide, connectée à la zone 14 de dépression du réservoir par l’entremise d’un clapet 6 d’admission d’air filtré. Le clapet est agencé pour ne pas interférer avec la zone 13 de remplissage du réservoir. La sortie de la pompe comporte un clapet 7 d’expulsion d’air filtré, par lequel l’air filtré en provenance du réservoir 3 est dirigé vers la paroi supérieure 19 du boîtier, pour ensuite sortir du dispositif de filtration et rejoindre le milieu ambiant 12. A cet effet, la paroi supérieure du boîtier comporte une pluralité d’ouvertures ou fentes, permettant l’expulsion de l’air filtré. La pompe 5 à vide est de préférence une pompe à soufflet. D’autres types de pompes peuvent aussi être utilisés.
En opération, la pompe 5 à vide aspire l’air de la zone 14 de dépression du réservoir, créant ainsi un appel d’air au niveau du tube 4 d’admission. L’air du milieu ambiant 12 passe dans le tube 4 est pénètre dans l’eau du réservoir 3, créant des bulles 16 dans la zone 13 immergée. Ces bulles remontent à la surface de l’eau et l’air est libéré dans la zone 14 de dépression pour être ensuite aspiré par la pompe 5 à vide. L’air est ensuite expulsé vers le milieu ambiant. Lors de son passage dans l’eau du réservoir, l’air aspiré par le tube 4 est filtré, les particules et polluants en suspension dans l’air étant absorbés par l’eau de filtration. Après plusieurs heures de filtration de l’air, l’eau du réservoir, contenant les particules et polluants absorbés, peut être remplacée par une eau propre. Un bouchon de vidange (non montré) peut être prévu pour faciliter la vidange de l’eau usée. Cette eau usée peut à son tour être filtrée par un filtre à eau, afin de retirer les particules et dépôts.
La figure 2 illustre une variante de réalisation de l’appareil de filtration de la figure 1 dans lequel le moteur 15 de la pompe est agencé dans un logement 17 aménagé dans le réservoir 3 d’eau de filtration. Cet agencement permet d’avoir une architecture dans laquelle le moteur 15 est entouré par l’eau du réservoir 3. Cette disposition est particulièrement avantageuse pour réduire le niveau sonore du dispositif de filtration.
La figure 3 illustre une variante de réalisation de l’appareil de filtration de la figure 1 comprenant par ailleurs un filtre 9 végétal aérien. Ce filtre 9 végétal est dans cet exemple constitué d’un substrat 11 dans lequel des végétaux sont disposés. Le substrat est maintenu par un support tel qu’un grillage ou plaque perforée. Le substrat, par exemple sous forme de granulés, permet l’expulsion de l’air filtré du clapet 7 d’expulsion vers le milieu ambiant 12. Cet agencement procure un moyen de filtration ou dépollution complémentaire à la filtration par l’eau, pour un maximum d’efficacité.
La figure 4 illustre une variante de réalisation de l’appareil de filtration de la figure 1 comprenant par ailleurs un filtre 10 végétal marin ainsi qu’un filtre végétal dont le sol plonge dans l’eau, afin d’héberger des plantes qui puissent exercer une fonction nettoyante sur l’eau du réservoir. Ce filtre 10 végétal est dans cet exemple constitué d’un substrat 11 dans lequel des végétaux aquatiques sont disposés. Le substrat est adapté au milieu aquatique. Cet agencement procure un moyen de filtration ou dépollution complémentaire à la filtration par l’eau, pour une efficacité augmentée. La figure 4 montre par ailleurs une variante du tube 4 d’admission d’air dans lequel ce dernier comporte une pluralité de ramifications 18 favorisant une bonne répartition de l’air entrant dans tout le volume du réservoir. Ce design permet de produire des échanges fins entre l’air et l’eau.
Selon une autre variante, non illustrée, une lumière ultraviolette est placée entre le clapet 7 d’expulsion d’air et le substrat 11. La lumière ultraviolette permet de traiter des polluants biologiques (bactéries, microorganismes, virus) en provenance de l’air externe ou de l’eau du réservoir.
Le tube 4 d’admission présente une entrée de l’air asymétrique pour éviter des phénomènes de résonance désagréables.
PERFORMANCES
Des essais réalisés avec un dispositif de filtration d’air tel que préalablement décrit ont permis d’obtenir un débit d’air de 15 litres/min, pour un volume d’eau de 30 litres (réservoir circulaire de diamètre 40 cm et hauteur 30 cm), avec une pompe à soufflet d’une puissance maximale de 90 watts.
Selon une variante avantageuse, afin de limiter la consommation d’énergie électrique, on prévoit un soufflet, dont le volume totale est de 15 litres, qui est divisé en six secteurs de 2,5 litres chacun. Les secteurs sont positionnés pour former une disposition circulaire autour du tube 4 d’admission d’air. A l’intérieur de chaque secteur, un ressort permet de le maintenir en position « ouverte », même si le réservoir est déjà en dépression. Le moteur est utilisé uniquement pour mettre en rotation un poids qui comprime le ressort de chaque secteur et force l’air à sortir vers le haut, par le clapet 7 d’expulsion. La rotation constante du poids permet un flux d’air humide en continu vers le filtre 9 végétal aérien.
De ce fait, un besoin d’arrosage très limité a été constaté, au moins pour les plantes suivantes : Monstera deliciosa (Faux Philodendron), Chamaedorea (Palmier Nain), Nephrolepis exaltata (Fougère de Boston), Chlorophytum comosum (Plante araignée) et Pilea peperomioides (Plante à monnaie chinoise). Une évaporation de l’eau néanmoins contenue, dans l’ordre de 5 à 7 cm par semaine, a aussi été constatée et constitue un avantage par rapport à d’autres modes de réalisation. Cette valeur se réfère à un flux d’air de 30 litres/min, pendant 12h sur 24.
Des essais en laboratoire ont permis de quantifier le pourcentage de particules, de taille inférieure à 1 micron (PM1), retenues par le filtre à eau uniquement, à un taux d’environ 50%.
  1. Appareil de filtration de l’air
  2. Boîtier de l’appareil de filtration
  3. Réservoir à eau
  4. Tube d’admission d’air à filtrer
  5. Pompe à vide
  6. Clapet d’admission d’air filtré
  7. Clapet d’expulsion d’air filtré
  8. Niveau de remplissage du réservoir
  9. Filtre végétal aérien
  10. Filtre végétal marin
  11. Substrat
  12. Milieu ambiant
  13. Zone immergée du réservoir
  14. Zone de dépression
  15. Moteur d’entraînement de la pompe
  16. Bulles d’air
  17. Logement pour moteur
  18. Ramifications du tube d’admission d’air
  19. Paroi supérieure du boîtier
  20. Filtre végétal terrestre
  21. Préfiltre

Claims (9)

  1. Appareil (1) de filtration de l’air comprenant un boîtier (2) dans lequel sont agencés :
    • un réservoir (3) à eau de filtration avec une zone immergée (13);
    • un tube (4) d’admission d’air à filtrer en communication fluidique entre l’air ambiant (12) à filtrer et ledit réservoir (3) à eau de filtration;
    • une pompe;
    caractérisé en ce que la pompe est agencée en aval du réservoir (3) d’eau de filtration.
  2. Appareil de filtration selon la revendication 1, dans lequel la pompe est une pompe (5) à vide en communication fluidique d’une part avec une zone de dépression (14) du réservoir (3) par l’entremise d’un clapet (6) d’aspiration d’air filtrée, et d’autre part avec le milieu ambiant (12) par l’entremise d’un clapet (7) d’expulsion d’air filtrée.
  3. Appareil de filtration selon la revendication 2, dans lequel la pompe (5) à vide est une pompe à soufflet.
  4. Appareil de filtration selon la revendication 2, dans lequel le moteur (15) de la pompe (5) à vide est agencé dans un logement (17) situé sous le niveau (8) de remplissage du réservoir (3).
  5. Appareil de filtration selon la revendication 2, dans lequel le clapet (7) d’expulsion d’air est agencé pour envoyer l’air vers un filtre végétal aérien (9).
  6. Appareil de filtration selon la revendication 1, dans lequel le réservoir (3) d’eau de filtration comprend un filtre végétal marin (10).
  7. Appareil de filtration selon la revendication 1, dans lequel le réservoir (3) d’eau de filtration est nettoyé par phytoremédiation avec un filtre végétal terrestre (20).
  8. Appareil de filtration selon l’une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel le filtre végétal (9, 10) comporte un substrat (11) poreux dans lequel des plantes sont disposées.
  9. Appareil de filtration selon la revendication 6, dans lequel le filtre végétal marin (10) comprend au moins une plante dépolluante.
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