FR3139482A1 - Précipitateur/collecteur électrostatique pour purificateur d’air ou épurateur d’aérosols, à empilement de plaques à canaux débouchants et électrodes intercalées. - Google Patents
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Abstract
Précipitateur/collecteur électrostatique pour purificateur d’air ou épurateur d’aérosols, à empilement de plaques à canaux débouchants et électrodes intercalées. L’invention concerne un précipitateur/collecteur électrostatique (3) pour purificateur d’air (1) ou épurateur d’aérosols permettant la filtration particulaire de tous types d’écoulement d’air canalisé, comprenant : - au moins une plaque à canaux (5) en matériau substantiellement électriquement isolant, s’étendant selon un axe longitudinal (X), les canaux (50) de la plaque étant séparés de façon fluidique l'un de l'autre, chaque canal s’étendant selon l’axe longitudinal (X) et étant débouchant à ses deux extrémités opposées, vers l’extérieur de la plaque ; - au moins deux feuilles (6, 7) ou plaques (8, 9) ou couches électriquement conductrices, formant des électrodes dont au moins une portion est agencée sur chacune des faces principales de la plaque à canaux, les deux électrodes étant adaptées pour générer un champ électrique (E) selon une direction orthogonale à l’axe X dans les canaux de la plaque. Figure pour l’abrégé : Fig.8A
Description
La présente invention concerne le domaine de la purification d’air et d’épuration d’aérosols, susceptible de contenir des particules en suspension.
La présente invention vise à améliorer les performances et l’efficacité des purificateurs d’air et épurateurs d’aérosols existants et plus généralement de proposer une nouvelle solution innovante et performante pour la filtration haute efficacité des écoulements canalisés, notamment afin de diminuer leurs coûts de fabrication et de fonctionnement tout en garantissant une grande efficacité d’épuration, constante au cours du temps.
Bien que décrite en référence à une application de purification d’air, l’invention s’applique à toute épuration d’aérosols, plus spécialement la filtration des particules d’aérosol dans des milieux faiblement à modérément empoussiérés
Typiquement, une application privilégiée est le traitement de l’air intérieur des espaces confinés et des locaux, ou le traitement de l’air dans les systèmes de ventilation des immeubles résidentiels, bureaux, espaces recevant du public.
On entend par « aérosol » toute particule liquide ou solide dont le diamètre est compris entre 0,001 µm et 100 µm susceptible de rester en suspension dans l’air,
En pratique, la gamme visée correspond à celle qui est la plus accessible à la mesure et qui est également celle recherchée pour la filtration typiquement de 0,01 à 10 µm.
C’est notamment le domaine où, en pollution atmosphérique, se situent les particules dites « respirables » référencées PM10, PM2,5 et particules « fines » référencées PM1, c'est-à-dire les particules dont la taille est inférieure respectivement à 10 µm, 2,5 µm et 1 µm, ainsi que les « particules ultrafines » dont la taille est inférieure à 0,1 µm.
La nature de ces particules peut être extrêmement variable selon leur mode de formation, incluant les particules issues de l’activité humaine ou non :
- fumées de combustion, pollution particulaire liée à la circulation automobile (dont gaz d’échappement, particules issues de plaquettes de freins, de pneus)
- foyers domestiques
- process industriels
- matériaux de construction
- pollen, bactéries, virus, allergènes d’animaux, …).
La plupart des lieux de vie des individus sont des espaces clos, qu’il s’agisse de lieux accueillant du public (transports, administrations, écoles, hôpitaux, salles de sport et de cinéma, etc.), de bâtiments professionnels (bureaux et commerces) ou d’espaces privés (logements individuels ou collectifs).
A la pollution extérieure qui s’introduit dans les bâtiments via les ouvertures et les ventilations s’ajoutent les sources d’émission intérieure (fumée de tabac, résidus de combustion, amiante, radon, émission due au matériaux : particules et composés organiques volatils, allergènes d’origine biologique…).
Cela est devenu une préoccupation majeure ainsi, l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) alerte: « la pollution de l'air, à l'intérieur des locaux comme à l'extérieur, est un problème majeur de santé environnementale touchant aussi bien les pays développés que ceux en développement ».
Par exemple, la pollution de l’air due aux particules fines serait responsable de 48 000 morts chaque année en France. Le poids sanitaire de cette pollution liée aux activités humaines (transport, industrie, chauffage avec des énergies fossiles …) correspondrait à 9% de la mortalité en France continentale : [1].
Les particules fines et particulièrement la fraction PM2,5 sont celles pour lesquelles le coût socio-économique est le plus important parmi les polluants rencontrés en atmosphère intérieur: [2].
Ainsi, la commercialisation de purificateurs d’air promettant de filtrer la plupart de ces polluants de l’air intérieur a fait un bond.
Parmi les méthodes d’épuration connues pour filtrer les particules d’aérosol, on distingue usuellement deux grandes catégories :
- la filtration mécanique qui consiste à faire passer l’air chargé des particules d’aérosol dans des médias fibreux THE (acronyme de filtres à Très Haute Efficacité, ou en anglais HEPA pour «High Efficiency Particulate Air filter») : les particules se déposent sur les fibres par des mécanismes d’impaction, d’interception et de diffusion notamment.
- la filtration électrostatique qui consiste à charger électriquement les particules et à les précipiter sur des plaques de collection sous l’action d’un champ électrique intense. La charge se fait généralement par diffusion et bombardement d’ions, les ions étant créés par effet corona par des fils portés à haute tension ou par des pointes.
Par rapport à la filtration mécanique, la filtration électrostatique a le double avantage de présenter peu de résistance à l’écoulement (faible perte de charge dans un réseau de ventilation) et d’avoir une grande durée de vie car un filtre électrostatique peut être décolmaté et donc « ré-utilisé ».
Il existe différents types de dispositifs de filtration électrostatique et notamment ceux à « double étage », c’est-à-dire comprenant un étage formant un ioniseur prolongé d’un étage de précipitation ou collecte à proprement parler.
Les purificateurs à ioniseur et précipitateur/collecteur électrostatique, connus aussi sous les noms de filtre électrostatique et électrofiltre (ESP, acronyme anglais pour« ElectroStatic Precipitator») apparaissent comme des solutions prometteuses.
Un tel dispositif globalement désigné par la référence 1 est montré en : il comprend un ioniseur 2 en amont d’un précipitateur/collecteur électrostatique 3. Les particules de l’aérosol sont tout d’abord électriquement chargées par effet corona en passant au voisinage de fils 20 portés à haute tension Uf, qui sont tendus entre des plaques 4 reliées à la masse, puis elles sont collectées sur des plaques planes parallèles, électriquement conductrices, 30, 31 entre lesquelles un champ électrique est établi sous l’action d’une haute tension de polarisation Up. Cette géométrie est pratiquement toujours présentée dans des écoulements de section rectangulaire, les opérations de charge puis de collection s’effectuant entre des plaques 4, 30, 31 planes et parallèles.
Les particules incidentes sont préalablement chargées d’une polarité positive ou négative et sont collectées sur les plaques 30, 31 de polarité opposée.
Une variante d’ioniseur 2 est montré en : en lieu et place des fils 20, des fibres de carbone 21 sont agencées au même endroit, de préférence au centre du canal d’écoulement de l’aérosol.
Pour un débit et un état de charge donnés, il apparaît que l’efficacité de collection des particules est d’autant plus élevée que la surface des plaques de collecte est grande d’une part, que le champ électrique entre les plaques est important d’autre part (équation de Deutsch-Anderson).
En pratique, un précipitateur/collecteur électrostatique est constitué d’un empilement de plaques métalliques 30, 31, 4 en grand nombre pour avoir une grande surface de collecte. Comme montré en figures 1A et 1B, une plaque 30, 31 sur deux est alimentée en haute tension, les autres 4 sont à la masse. Elles doivent être équidistantes de telle manière qu’un champ électrique uniforme, le plus élevé possible, de l’ordre de 10 kV/cm, puisse être maintenu entre les plaques sans qu’il y ait claquage disruptif.
De nombreux purificateurs d’air déjà commercialisés fonctionnent sur ce principe électrostatique.
On peut citer par exemple celui commercialisé sous la dénomination « FEI » par la société France Air, dont le débit nominal est égal à 2200 m3/h.
On peut citer également celui commercialisé récemment sous la dénomination « OneLife X » par la société OneLife, dont le débit nominal est égal à 100 m3/h.
Les purificateurs d’air existants sont d’une grande complexité et sont coûteux du fait essentiellement de la fabrication des ensembles de plaques pour un épurateur à plaques, qui est en elle-même délicate et coûteuse. En effet, l’enchevêtrement avec alternance de pièces isolantes et électriquement conductrices et maintien mécanique est complexe pour garantir le positionnement à égale distance les unes des autres, des plaques polarisées tout en assurant leurs connexions électriques sous haute tension ou à la masse sans claquage disruptif.
Autrement dit, les inconvénients techniques majeurs, plus particulièrement ceux liés à la fabrication du précipitateur/collecteur électrostatique collection sont:
- une réalisation précise de très nombreuses pièces (isolantes et conductrices) ;
- un assemblage méticuleux ;
- une masse de matière métallique importante. Par exemple, pour traiter un débit d’air égal à 2200 m3/h, l’ensemble du précipitateur électrostatique du purificateur commercial FEI précité pèse 44 kg ;
- une efficacité de filtration bien qu’assez élevée qui demeure nettement inférieure à l' efficacité atteinte avec un filtre HEPA type H12 ou H13 ;
En conséquence, le prix des purificateurs existants est relativement élevé.
Il existe ainsi un besoin d’amélioration des précipitateurs/collecteurs électrostatiques notamment afin de simplifier leur fabrication, diminuer leur coût tout en conservant voire améliorant leur efficacité.
Le but général de l'invention est alors de répondre à ce besoin.
Pour ce faire, l’invention a tout d’abord pour objet un précipitateur/collecteur électrostatique pour purificateur d’air ou épurateur d’aérosols, comprenant:
- au moins une plaque à canaux en matériau substantiellement électriquement isolant, s’étendant selon un axe longitudinal (X), les canaux de la plaque étant séparés de façon fluidique l'un de l'autre, chaque canal s’étendant selon l’axe longitudinal (X) et étant débouchant à ses deux extrémités opposées, vers l’extérieur de la plaque ;
- au moins une plaque à canaux en matériau substantiellement électriquement isolant, s’étendant selon un axe longitudinal (X), les canaux de la plaque étant séparés de façon fluidique l'un de l'autre, chaque canal s’étendant selon l’axe longitudinal (X) et étant débouchant à ses deux extrémités opposées, vers l’extérieur de la plaque ;
- au moins deux feuilles ou plaques ou couches électriquement conductrices, formant des électrodes dont au moins une portion est agencée sur chacune des faces principales de la plaque à canaux, les deux électrodes étant adaptées pour générer un champ électrique selon une direction orthogonale à l’axe X dans les canaux de la plaque.
Avantageusement, le précipitateur/collecteur comprend un empilement de plaques à canaux, une électrode intermédiaire étant intercalée entre deux plaques adjacentes dans l’empilement, toutes les électrodes intermédiaires d’une même polarité étant reliées entre elles à une électrode de sortie formant une borne de sortie.
Ce précipitateur/collecteur est associé à tous types d’écoulement d’air canalisés et peut être positionné en amont comme en aval du dispositif générant un flux d’air (ventilateur, pompe ou autres dispositif de génération d’un flux d’air).
Selon un premier mode de réalisation avantageux, les électrodes intermédiaires d’une même polarité ont en outre chacune une portion qui épouse le bord latéral d’une plaque tandis que les bornes de sortie ont chacune une forme générale en L dont une branche épouse le bord latéral de l’empilement de plaque en étant en contact avec les portions des électrodes et l’autre branche épouse une des faces principales de la plaque à l’une des extrémités de l’empilement.
Selon un deuxième mode de réalisation avantageux, les électrodes intermédiaires d’une même polarité comprennent chacune une languette qui épouse le bord latéral d’une plaque, les languettes du même bord latéral se chevauchant l’une sur l’autre, de sorte à former une des bornes de sortie.
Selon ce deuxième mode, le précipitateur/collecteur comprend de préférence deux plaques d’extrémité en matériau isolant électrique, agencées de part et d’autre de l’empilement.
Pour une fabrication en petite série, les électrodes intermédiaires sont sous la forme de feuilles métalliques (type feuille d’aluminium alimentaire) recouvrant chacune au moins en partie une face principale d’une plaque. Chaque feuille métallique a de préférence une épaisseur comprise entre 10 et 50 µm. Avantageusement, pour une fabrication en grande série, les électrodes intermédiaires sont sous la forme de dépôt métallisés : la métallisation par un procédé de dépôt surfacique est ainsi préférable.
Selon le premier ou le deuxième mode, chaque électrode intermédiaire est de préférence scellée entre deux plaques à canaux de sorte à constituer un bloc étanche aux fluides entre plaques vis-à-vis des fluides et isolant électriquement entre deux électrodes intermédiaires. Le bloc étanche et isolant peut être complété par les plaques d’extrémité isolantes électriques. L’étanchéité du bloc conférée par le scellement est vis à vis des gaz à épurer et des liquides de lavage en phase de décolmatage ou nettoyage par exemple. Cela permet d’envisager un nettoyage du précipitateur/collecteur directement dans un lave-vaisselle par exemple. L’isolation électrique conférée par le scellement évite tout claquage disruptif par conduction de surface entre électrodes adjacentes.
De préférence, le matériau de la (des) plaque(s) présente une conductivité électrique transversale supérieure à 10-14S/m à température ambiante (résistivité volumique inférieure à 1014Ω.m et une rigidité diélectrique supérieure à 15 kV/mm).
Ainsi, le matériau de la (des) plaque(s) peut être choisi dans une large gamme de polymères thermoplastiques, en particulier ceux qui peuvent être facilement extrudés comme par exemple le polychlorure de vinyle (PVC) ou encore le polycarbonate (PC) dont la rigidité diélectrique est de 25 kV/mm. Seraient notamment à exclure le polyfluoroéthylène pur (PTFE) et le polypropylène pur (PP) dont la conductivité électrique transversale intrinsèque est très faible (de l’ordre de 10-16S/m ou moins), à moins d’y adjoindre des additifs susceptibles d’augmenter leur conductivité électrique transversale. Dans ces conditions, finalement, tout type de polymère thermoplastique pouvant être extrudé pourrait donc convenir. Notons que le polypropylène associé à une tension d’ionisation plus élevée et une distance inter-plaques plus faible serait une alternative possible.
Chaque plaque a de préférence une épaisseur comprise entre 1 et 20 mm.
Selon une caractéristique avantageuse, les canaux d’une même plaque sont identiques.
Selon une autre caractéristique avantageuse, les canaux d’une même plaque peuvent être rectilignes, de préférence de section transversale carrée ou rectangulaire.
L’invention a également pour objet un purificateur d’air ou épurateur d’aérosols comprenant :
- un précipitateur/collecteur électrostatique tel que décrit précédemment,
- un ioniseur agencé en amont du collecteur électrostatique, comprenant en tant que dispositif d’ionisation des particules par effet corona, des fibres électriquement conductrices.
- un précipitateur/collecteur électrostatique tel que décrit précédemment,
- un ioniseur agencé en amont du collecteur électrostatique, comprenant en tant que dispositif d’ionisation des particules par effet corona, des fibres électriquement conductrices.
Il peut être prévu un dispositif optionnel d’air de balayage associé au ioniseur permettant d’éviter l’encrassement trop rapide de la partie ioniseur.
De préférence, les fibres sont des fibres de carbone. De préférence encore, les fibres de carbone présentent un diamètre de 10 à 20 µm, regroupées avantageusement pour former un pinceau d’environ 300 fibres sur 5 mm de longueur.
Selon un mode de réalisation avantageux, le purificateur comprend au moins un ventilateur agencé en amont ou en aval de l’ioniseur, ou en aval du précipitateur/collecteur électrostatique. A condition que le ventilateur ne soit pas lui-même générateur de particules (moteur sans balai dit « brushless »), le ventilateur peut donc être monté en soufflage ou en aspiration.
Avantageusement, la(les) plaque(s) à canaux du précipitateur/collecteur électrostatique est (sont) agencée(s) à la verticale, le(s) ventilateur(s) étant agencé sur le dessus de la (des) plaque(s) à canaux, le purificateur comprenant en outre un grillage en dessous de l’ioniseur en tant que préfiltre.
Le purificateur peut comprendre avantageusement une batterie et un boitier logeant les composants du purificateur d’air ou épurateur en constituant un appareil autonome.
L’invention a encore pour objet l’utilisation du purificateur d’air qui vient d’être décrit pour purifier l’air à travers les équipements de protection individuelle EPI ou NBC ou des pièces de bâtiment, notamment d’habitation ou des habitacles de véhicule automobile, ou des espaces souterrains utilisés pour le transport routier ou ferroviaire.
Ainsi, l’invention consiste essentiellement à remplacer les assemblages complexes de plaques planes métalliques et de pièces isolantes d’un précipitateur selon l’état de l’art, par au moins une plaque à canaux débouchants, de préférence un empilement de plaques dont les faces principales sont recouvertes par des feuilles ou couches métalliques.
Ces feuilles ou couches métalliques forment des électrodes constituant des surfaces équipotentielles.
Ces électrodes, de préférence une électrode négative sur une face principale d’une plaque à canaux et une électrode positive sur l’autre face principale de la plaque, qui génèrent un champ électrique orthogonal à la direction X selon laquelle s’étendent les canaux de la plaque, ne collectent pas les particules chargées, mais les charges électriques de ces particules. Les particules cèdent ainsi leur charge électrique et sont alors collectées sur l’une des parois longitudinales de chaque canal.
Les inventeurs ont réalisé des essais d’un purificateur d’air selon l’invention avec des plaques à canaux réalisées en polychlorure de vinyle) (PVC).
Ces essais ont montré une efficacité de filtration qui peut atteindre 100% ou tout du moins > 99%. De plus, cette efficacité se maintient au cours du temps. Cela dit, comme dans tout filtre électrostatique, l’efficacité d’épuration du purificateur selon l’invention commence à décroître lorsque l’encrassement devient significatif.
Ces résultats sont très surprenants pour un homme de l’art, compte-tenu de la nature substantiellement isolante électrique des plaques à canaux mises en œuvre.
En effet, le dépôt des particules chargées se faisant au sein de canaux aux parois électriquement isolantes, il est surprenant de constater une bonne efficacité d’épuration au cours du temps alors que les particules chargées se déposent sur lesdites parois qui sont donc des surfaces non conductrices. Un homme de l’art pourrait s’attendre de prime abord à ce qu’un dépôt permanent de particules chargées, c’est-à-dire une accumulation de charges, crée progressivement un champ répulsif qui repousse les particules incidentes. Or, les inventeurs n’ont constaté aucune répulsion de la sorte.
Après analyse, les inventeurs pensent que de fait la très faible conductivité électrique intrinsèque d’un matériau de plaque à canaux isolant électriquement, typiquement de 10-1 4siemens par mètre (S/m) pour le PVC, serait néanmoins suffisante pour écouler les charges électriques au travers de la faible épaisseur des parois délimitant les canaux.
Par conséquent, par « substantiellement électriquement isolant », on entend ici et dans le cadre de l’invention, un matériau réputé isolant électrique pour un très grand nombre d’applications et qui présente de fait une conductivité électrique transversale pouvant être considérée comme faible (résistivité volumique élevée) mais qui permet un écoulement des charges électriques cédées par les particules. Comme mentionné ci-avant, des matériaux de conductivité électrique transversale supérieure à 10-1 4S/m à température ambiante peuvent être envisagés. Par ailleurs, le champ électrostatique de collection peut être beaucoup plus intense que dans les précipitateurs selon l’état de l’art, puisqu’il n’y a pas de risque de claquage disruptif dans l’espace inter-électrodes car les parois isolantes des canaux limitent l’écoulement des charges. En restant en dessous de la tension de claquage, dépendant de la rigidité diélectrique de l’isolant utilisé pour la(les) plaque(s) à canaux, il n’y a donc aucun risque de formation d’une décharge électrique.
En effet, la rigidité diélectrique des matériaux qui peuvent être envisagés pour la constitution des plaques à canaux est supérieure à l’air qui est de 3kV/mm. Typiquement, la rigidité diélectrique moyenne du PVC est environ égale à 20kV/mm : en pratique elle peut aller de 10 à 40 kV/mm selon les adjuvants incorporés dans le PVC, tels que plastifiants, lubrifiants, pigments…
En outre, on sait que l’efficacité de collection Ec des filtres électrostatiques suit généralement l’équation de Deutsch-Anderson qui s’écrit, en régime d’écoulement turbulent:
[Equation 1] :
où w est la vitesse de dérive des particules chargées entre les électrodes dans le sens perpendiculaire à l’écoulement,
Ac est la surface de collection,
Q est le débit de passage.
Sur la , représentant l’efficacité E en fonction de w Ac /Q, l’équation de Deutsch-Anderson est donnée par la courbe A. En revanche, en régime d’écoulement laminaire, l’efficacité E atteint 100% lorsque le terme w Ac / Q > 1 (courbe B).
Or, une plaque à canaux débouchants peut facilement fonctionner dans ce régime laminaire. Cela résulte de la faible dimension que l’on peut conférer aux canaux dans lesquels le nombre de Reynolds de l’écoulement peut facilement être limité à 2000 ou moins, ce qui apporte un nouvel avantage par rapport aux précipitateurs selon l’état de l’art qui fonctionnent en régime turbulent.
En résumé, par rapport à un précipitateur/collecteur électrostatique selon l’état de l’art et pour un débit d’épuration fixé, l’invention apporte les avantages suivants :
- efficacité de collection pouvant atteindre 100% grâce à un régime d’écoulement laminaire dans les canaux des plaques ;
- possibilité d’utiliser des champs électriques de collection importants, sans risque de claquage électrique, grâce à la rigidité diélectrique de l’isolant de(s) plaque(s) supérieure à celle de l’air ;
- l’absence de production d’ozone ;
- réduction drastique du nombre de composants à assembler ;
- réduction drastique de la masse des matériaux utilisés ;
- extrême facilité de fabrication et d’assemblage ;
- en conséquence, réduction drastique du coût de réalisation ;
- possibilité d’implanter un précipitateur/collecteur selon l’invention dans des structures de formes variées, ou des appareils variés, y compris dans ceux miniaturisés, ce qui n’est pas facile, voire impossible, à faire avec des précipitateurs/collecteurs selon l’état de l’art.
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes.
Dans l’ensemble de la présente demande, les termes « entrée », « sortie », « amont » et « aval » sont à comprendre par référence par rapport au sens du flux d’aspiration au travers d’un précipitateur électrostatique selon l’invention. Ainsi, l’orifice d’entrée désigne l’orifice du dispositif par lequel l’air à purifier est aspiré tandis que celui de sortie désigne celui par lequel le flux d’air sort.
Les figures 1A à 2 ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont pas détaillées ci-après.
Un même élément selon l’état de l’art et selon l’invention est désigné par une même référence numérique.
On a représenté en figures 3 et 3A, un exemple de précipitateur électrostatique 3 selon l’invention.
Il comprend tout d’abord un empilement de plaques 5, de préférence identiques à canaux débouchant 50. Chaque plaque 5 est en matériau substantiellement électriquement isolant, et s’étend selon un axe longitudinal X. Les canaux 50, de préférence identiques d’une même plaque sont séparés de façon fluidique l'un de l'autre. Chaque canal s’étendant selon l’axe longitudinal X et est débouchant à ses deux extrémités opposées. Dans l’exemple illustré, les canaux 50 ont une section transversale rectangulaire.
Les propriétés et paramètres suivants peuvent être envisagés pour une plaque 5 :
- une épaisseur comprise entre 1 et 20 mm ;
- un matériau isolant électrique constitutif choisi parmi le poly(chlorure de vinyle) (PVC), le polycarbonate (PC) ou autres matériaux dont les propriétés électriques sont conformes fonctionnement de l’invention ;
- des canaux 50 de section rectangulaire ou carrée compris entre 2 et 40 mm.
Une électrode intermédiaire 6, 7 est intercalée entre deux plaques adjacentes 5 dans l’empilement, toutes les électrodes intermédiaires d’une même polarité étant reliées entre elles à une électrode de sortie formant une borne de sortie 8, 9.
Les électrodes intermédiaires d’une même polarité ont en outre chacune une portion 60, 70 qui épouse le bord latéral d’une plaque 5.
Les bornes de sortie 8, 9 ont chacune une forme générale en L dont une branche 80, 90 épouse le bord latéral de l’empilement de plaque en étant en contact avec les portions des électrodes et l’autre branche 81, 91 épouse une des faces principales de la plaque à l’une des extrémités de l’empilement.
Comme illustré en figures 3 et 3A, les électrodes intermédiaires 6, 7 sont de préférence sous la forme de feuilles métalliques dont une portion 61, 71 recouvre chacune une face principale d’une plaque 5 et dont une portion 60, 70 est rabattue contre un bord latéral de la plaque ou d’une plaque adjacente 5.
Les bornes de sorties 8, 9 sont sous la forme de plaques métalliques pliées en L.
Ainsi, les feuilles métalliques 6 sont en contact électrique direct avec la borne de sortie 8 sur laquelle est appliqué un certain potentiel. Les feuilles métalliques 7 sont en contact électrique avec la borne de sortie 9 sur laquelle est appliqué un autre potentiel. Cette différence de potentiel crée un champ électrique au sein des canaux.
Pour montrer les performances d’un précipitateur 3, les inventeurs ont réalisé un module de purificateur 1 à géométrie à double étage, i.e. un ioniseur 2 et un précipitateur électrostatique 3 dans la continuité de l’ioniseur 2.
Le précipitateur 3 est donc agencé dans un canal étanche de section rectangulaire 10.
Un boîtier haute tension 11 alimente l’une des bornes de sortie 8.
L’autre borne de sortie 9 est à la masse, au potentiel zéro.
Le boîtier haute tension 11 alimente également un ioniseur à fibres de carbone 2, qui est agencé placé au centre d’un volume qui est délimité par deux grillages métalliques 12 d’une part, les quatre côtés du parallélépipède 13, portion du canal 10, d’autre part, le tout étant relié à la masse.
Un ventilateur 14 insuffle l’air du local expérimental dans le module de purificateur 1 dont les inventeurs veulent mesurer l’efficacité de filtration vis-à-vis des particules.
Les inventeurs ont réalisé les essais avec feuilles d’aluminium d’épaisseur égale à 12 µm en tant qu’électrodes 6, 7 et des plaques 5 commercialisées à ce jour avec les caractéristiques suivantes :
- épaisseur x longueur x largeur : 5mm x 2,6 m x 35 cm ;
- matériau: PVC ;
- section transversale d’un canal 50 s’étendant sur toute la longueur de plaque: 7,2 mm x 4,3 mm ;
- épaisseur de paroi séparant deux canaux 0,35 mm.
En mesurant par prélèvement la concentration C en particules de taille supérieure à 0,3 µm à l’aide d’un compteur approprié, en amont Camont et en aval Caval, les inventeurs en ont déduit l’efficacité de filtration du précipitateur 3, soit, en % :
Ec = (Camont – Caval / Camont) x 100
Les inventeurs ont obtenu une efficacité qui peut atteindre 100% (et peut être ajustée suivant l’application) qui se maintient au cours du temps. En effet, il faut attendre plusieurs centaines d’heures de fonctionnement pour commencer à voir apparaître une baisse d’efficacité liée principalement à un encrassement du ioniseur et non pas du collecteur selon l’invention.
De plus, les inventeurs ont constaté qu’une haute tension continue de 20 kV peut être établie sans claquage.
Les figures 5 et 5A montrent un épurateur 1 selon l’invention, plus spécialement optimisé pour en faciliter la maintenance.
L’épurateur 1 comprend un boîtier 15 en matériau isolant, dont le couvercle supérieur peut être escamoté pour faciliter la maintenance des composants internes.
Le boitier 15 loge un précipitateur 3 avec les caractéristiques données précédemment pour les plaques 5 à canaux 50, empilées les unes sur les autres, et les feuilles 6, 7 formant les électrodes intermédiaires. Avec ces caractéristiques, le précipitateur 3 est un cube de 12 cm d’arête.
La connexion électrique des électrodes 6, 7 est réalisée par contact direct avec une borne de sortie 9 à la masse et une borne 8 pouvant être mise sous haute tension par un générateur HT (haute tension) 11 logé dans le canal fluidique 10 délimité entre les deux grillages métalliques 12 en amont du précipitateur 3.
Le générateur HT 11, alimenté sous 12 volts continu, délivre une haute tension négative de 6500 volts ou plus suivant le besoin. Dans l’exemple illustré, un seul générateur HT est mis en œuvre, pour des raisons de simplicité. Toutefois, deux générateurs séparés sont envisageables, notamment pour alimenter le précipitateur 3 à une très haute tension.
Le générateur HT 11 alimente également un ioniseur 2 à fibres de carbone dont le principe et les performances de charge par diffusion d’ions sont largement décrits dans la littérature : voir notamment dans la publication [3]. La haute tension (HT) alimentant l’ioniseur 2 à fibres de carbone, doit rester assez limitée pour éviter la formation d’ozone en trop grande concentration, surtout si l’air ainsi filtré doit être recyclé dans des espaces intérieurs occupés.
Un tel ioniseur 2 d’une très grande simplicité et de nettoyage très facile, permet de charger efficacement des particules par diffusion d’ions unipolaires tout en produisant extrêmement peu ou pas d’ozone. On peut aussi mettre en œuvre tout autre type de chargeur, notamment à fils conventionnels, comme montré en .
A titre illustratif, les caractéristiques d’un tel épurateur d’air 1 sont les suivantes :
- débit d’air par le ventilateur 14 : 58 m3/h
- dimensions hors tout : 13 cm x 13 cm x 21 cm
- poids : 670 g
- alimentation électrique : 12 Volts en continu
- consommation électrique : 1,5 W
Ces caractéristiques rendent l’épurateur d’air 1 plus particulièrement destiné, en tant que dispositif autonome, à la purification de l’air présent dans une salle de faible volume ou un habitacle de véhicule, par recyclage de l’air intérieur.
Au débit d’aspiration nominal d’environ 60 m3/h, un tel épurateur 1 présente une efficacité de filtration supérieure à 98% en nombre soit >99% en masse pour des particules de tailles comprises entre 50 nanomètres (0,05 µm) et 10 micromètres (10 µm), comme illustré à la . De cette , il ressort également une efficacité de filtration décroissante pour des débits supérieurs à 60 m3/h d’une part, pour des particules de taille < 0,05 µm d’autre part.
Dans les conditions expérimentales qui ont été décrites ci-avant, il a été constaté que cette bonne efficacité se maintient pendant plusieurs centaines d’heures.
Au-delà, alors qu’un simple dépoussiérage des fibres de carbone peut paraître suffisant dans un premier temps, il s’avère qu’après un millier d’heures de fonctionnement, un nettoyage du collecteur 1 à plaques 5 est à recommander pour revenir aux performances initiales. Il peut se faire préférentiellement en milieu liquide selon les procédures habituelles utilisées pour le nettoyage des collecteurs électrostatiques selon l’état de l’art.
Les figures 6 et 7 illustrent le transfert de charges électriques ainsi que la collecte qui se produisent au sein de canaux 50.
Comme visible sur les figures 6 et 7, l’électrode 6 est négative et l’électrode 7 est positive. La différence de potentiel appliquée entre ces électrodes crée un champ électrique E au sein des canaux 50. Dans le canal 50 du dessus, le champ électrique E est dirigé du haut vers le bas tandis que dans le canal 50 du dessous, le champ est dirigé du bas vers le haut.
Les particules incidentes P qui sont préalablement chargées négatives se déposent sur une des parois longitudinales d’un canal 50 le long de celui-ci en fonction de leur mobilité électrique, fonction notamment du nombre de charges qu’elles portent et de leur taille. La charge électrique de chaque particule P est dissipée en traversant l’épaisseur d’une des plaques 5 du fait de sa conductivité électrique suffisante, bien que très faible, puis est collectée par l’électrode positive 7.
Un autre exemple de précipitateur 3 est montré aux figures 8 et 8A. Les électrodes 6, 7 sont également constituées par des feuilles métalliques dont la portion principale 60, 70 est appliquée contre une des faces principales d’une plaque 5.
Les dimensions surfaciques de la portion principale correspondent sensiblement à celles d’une plaque 5 à une distance de retrait près d sur tout le pourtour de la portion 60, 70. Ce retrait d est de l’ordre de 5mm et permet un gain de surface de collecte. Ce retrait d est avantageusement revêtu d’un vernis isolant électrique avant assemblage de l’empilement. Ce vernis est par exemple un vernis de type de celui commercialisé sous la dénomination RS199-1480 de résistance diélectrique égale à 60 kV/mm.
Chaque électrode 6, 7 comprend en outre une languette 62, 72 qui émerge de la portion principale 60, 70 et qui est pliée pour épouser le bord latéral d’une plaque 5. Comme montré sur la , les languettes 62, 72 du même bord latéral se chevauchent l’une sur l’autre de sorte à former une des bornes de sortie 8, 9.
Quel que soit l’exemple de réalisation, chaque électrode intermédiaire 6, 7 est scellée entre deux plaques 5 à canaux 50 de sorte à constituer un bloc étanche aux fluides entre plaques vis-à-vis des fluides (gaz à épurer, liquide de nettoyage) et isolant électriquement entre deux électrodes intermédiaires. L’isolation électrique du bloc conférée par le scellement évite tout claquage disruptif par conduction de surface entre électrodes adjacentes 6, 7.
Dans l’exemple des figures 9 et 9A, deux plaques pleines 16, en matériau isolant électrique sont agencées de part et d’autre aux extrémités de l’empilement. Ainsi, une fois l’empilement assemblé avec le scellement des toutes les électrodes 6,7 et des plaques 5 à canaux 50 intercalées, et les plaques d’extrémité 16, le précipitateur 3 est sous la forme du bloc étanche et isolant électrique. Un tel bloc peut être aisément décolmaté/nettoyé notamment dans un lave-vaisselle si ses dimensions lui permettent ou dans tout autre dispositif de lavage.
Un autre exemple de purificateur/épurateur d’air 1 intégrant un ioniseur 2 à fibres de carbone et un précipitateur 3 en aval est montré en .
L’ioniseur 2 et le précipitateur 3 sont ici agencés à la verticale avec le précipitateur 3 sur le dessus de l’ioniseur 2.
Le purificateur 1 est traversé par un flux d’air aspiré par plusieurs ventilateurs 14 en parallèle fluidique.
Comme symbolisé par les flèches, le flux d’air est introduit en dessous du boitier 15 au travers d’un grillage en partie basse, jouant le rôle de préfiltre, l’air épuré étant extrait verticalement sur le dessus du boitier 15.
Avec un nombre de trois ventilateurs 14 en parallèle fluidique, le débit d’air (CADR, acronyme anglais pour « Clean Air Delivery Rate ») épuré de toute particule supérieure à 0,3 µm est de 150 m3/h.
Un panneau 17 du boitier 15 regroupe diverses interfaces, parmi lesquelles :
- un bouton marche-arrêt,
- un afficheur de concentration en particules,
- des boutons permettant de passer en comptage de µg/m3(PM10, PM2,5 et PM1) ou de spectre granulométrique dans la gamme de 0,3 à 10 µm,
- un bouton permettant de mettre en œuvre une désinfection interne par rayonnement UVC et/ou génération d’ozone.
Des barrettes de LED 18 s’éclairent selon le code de couleur normalisé relatif aux concentrations en PM 2,5.
Le débit des ventilateurs 14 est de préférence asservi aux concentrations mesurées pouvant aller jusqu’à l’arrêt des ventilateurs si l’air est particulièrement bien épuré.
Le purificateur 1 peut être connecté notamment par un protocole de communication sans fil, réseau local Wi-Fi ou réseau mobile, d’une part pour une mise en action préventive à distance afin d’entrer ultérieurement dans un espace pré-épuré, d’autre part pour collecter des données et suivre l’efficacité d’épuration en fonction du temps, notamment pour prévoir le nettoyage si une baisse d’efficacité apparaît.
A pleine puissance, le bruit est très faible, inférieur à 30 dB. La consommation est également très faible, 4,5 W (375 mA sous 12 V). Cette faible consommation autorise une alimentation par batterie, ici intégrée sous le panneau 16. Un tel épurateur est donc entièrement autonome, facilement déplaçable dans une pièce sans avoir l’inconvénient d’être relié à un fil d’alimentation vers le secteur. Une autonomie de 6 à 8 heures est facilement envisageable. La recharge de la batterie est prévue par un connecteur approprié 19.
Le purificateur 1 de la est plutôt dédié à épurer l’air dans de plus grands volumes que les habitacles de véhicule, par exemple dans des pièces d’habitation.
Un purificateur 1 avec un précipitateur 3 à empilement de plaques à canaux 50 en matériau électriquement isolant peut être utilisé dans de nombreuses applications en atmosphères intérieures, c’est-à-dire des espaces clos au sens large, qu’il s’agisse de lieux accueillant du public (transports, administrations, écoles, hôpitaux, salles de sport et de cinéma, etc.), de bâtiments professionnels (bureaux et commerces) ou d’espaces privés (logements individuels ou collectifs).
Outre ces applications envisagées dans le domaine de la filtration de l'air à température ambiante dans les espaces intérieurs, d’autres applications peuvent être envisagées, comme notamment l’épuration d’aérosols dans des gaz de procédés industriels,, le traitement de l’air à plus petits débits (équipements de protection individuelle (EPI)) ou à plus grands débits (gaines de ventilation), la filtration de l’air dans les tunnels routiers ou ferroviaires ventilés, ou dans les gares souterraines par exemple.
On peut aussi envisager de mettre en œuvre des précipitateurs/collecteurs électrostatiques selon l’invention au sein d’équipements ou de lieux de vie dans des environnements très contraignants par leur atmosphère. Par exemple, les bases de vie en milieu désertique ou les systèmes de protection individuelle NBC (acronyme pour Nucléaire, Biologique, Chimique) peuvent être envisagées comme applications.
Une autre application intéressante peut être la collecte de particules émises au cours de freinage de véhicules, qui sont la source d’une pollution atmosphérique. Typiquement, il est connu que la qualité de l'air dans les espaces souterrains, est dégradée par la présence de particules émises lors de freinage de métro entre autres. Et ces particules émises sont naturellement chargées électriquement par triboélectricité.
On peut ainsi envisager d’intégrer un précipitateur/électrostatique selon l’invention au sein d’un boitier à proximité des systèmes de freinage, sans qu’il y ait de nécessité d’implanter en amont un ionisateur. Par exemple, un boîtier-filtre tel que décrit dans la demande de brevet US 2014/0054121 A1, pourrait tout-à-fait convenir comme boitier de logement d’un précipitateur/collecteur électrostatique selon l’invention.
D’autres variantes et améliorations peuvent être apportées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.
Par exemple, on peut réaliser un précipitateur/collecteur avec une petite section d’entrée S et une grande longueur L.
En effet, le précipitateur/collecteur selon l’invention a l’avantage de s’intégrer facilement dans des structures de formes variées, qu’elles soient cylindriques ou, de préférence, rectangulaires.
De plus, pour un débit de passage donné, la résistance à l’écoulement ou perte de charge est très faible au travers du milieu alvéolaire, contrairement à celle rencontrée dans les médias filtrants fibreux selon l’état de l’art. Dans certains cas, il est donc particulièrement avantageux d’intégrer voir de réaliser intégralement un précipitateur/collecteur électrostatique selon l’invention à l’intérieur d’un conduit de circulation d’air déjà existant pour bénéficier de son volume le plus souvent déjà disponible.
La schématise un exemple d’intégration d’un précipitateur/collecteur électrostatique 3 dans une gaine CVC (Chauffage, Ventilation, Climatisation) de locaux utilisée à des fins de filtration de l’air. Plus précisément, ici le précipitateur/collecteur électrostatique 3 est intégré dans un réseau R de distribution d’air neuf dans un espace de bureaux. Comme illustré, il est connu que pour gagner de la place dans les combles ou entre les cloisons, des conduits 100 en PVC extra-plats sont de plus en plus souvent utilisés pour véhiculer les différents flux d’air.
En pratique, les inventeurs ont réalisé une expérience de démonstration à partir d’un conduit 100 dans lequel est agencé un précipitateur/collecteur électrostatique 3 comme illustré à la . La section rectangulaire du conduit 100 a une section standard l x e égale à 220 mm x 55 mm.
Pour intégrer à l’intérieur de ce conduit 100 standard un précipitateur/collecteur électrostatique 3, un nombre de six plaques 5 à canaux, en PVC, d’épaisseur 8 mm et d’une longueur L égale à 1 m ont été insérées à l’intérieur du conduit 100. Ainsi, le dispositif comprenant le précipitateur/collecteur électrostatique 3 délimité extérieurement par la paroi du conduit standard 100 comporte au total 84 canaux, connectés électriquement selon l’invention.
L’expérience a été réalisée pour déterminer l’évolution de l’efficacité de ce dispositif vis-à-vis des particules atmosphériques de taille comprise principalement entre 0,2 µm et 10 µm de manière à encadrer le minimum d’efficacité observé sur la .
Le schéma du montage expérimental est donné .
Un aérosol atmosphérique est pulsé dans un volume 10 par un ventilateur 14. Les particules d’aérosol sont électriquement chargées par un ioniseur 2 porté à une tension Ui de - 6500 volts. Une partie du flux d’aérosol est introduite avec un débit Q2 = 80 m3/h dans le dispositif 3, 100 dont les électrodes sont soumises à une tension de collection Uc = Ui = - 6500 volts.
L’efficacité de collection E est déterminée 2 fois par jour en mesurant la concentration amont C1 et aval C2 au dispositif 3, 100: E = 1 - C2 / C1.
Les résultats de l’expérience sont montrés à la . On constate qu’au fil du temps, un encrassement progressif apparaît, mais l’efficacité de collection E reste supérieure à environ 95% pour un fonctionnement continu pendant plus de 900 heures.
En considérant que dans une installation réellement commercialisée, l’air neuf est d’abord conditionné et filtré dans une centrale de traitement d’air (CTA) avant d’être pulsé dans les locaux, l’encrassement du dispositif 3, 100 sera d’autant moindre que la qualité des filtres montés en amont dans la CTA sera bonne.
Ainsi, pour ce qui concerne l’application à la filtration de l’air dans les gaines CVC des locaux, on peut considérer qu’un tronçon d’une gaine 100 équipé d’un ioniseur suivi d’un précipitateur/collecteur 3 selon l’invention pourrait filtrer très efficacement les particules de tailles comprises entre 0,05 µm et 10 µm, et ceci pendant une longue période avant nettoyage. Il en serait de même après remplacement par un nouveau tronçon équipé ou par un autre tronçon ayant été nettoyé au préalable.
L’intégration de dispostif 3, 100 dans des gaines de ventilation, en complément à l’action d’une CTA, est donc particulièrement avantageuse pour améliorer la qualité de l’air dans les locaux vis-à-vis des particules fines jusqu’aux tailles nanométriques, ce qu’aucun filtre en CTA classique n’est capable d’assurer, sauf à utiliser des filtres HEPA (acronyme anglo-saxon pour « High Efficiency Particulate Air Filter » ) comme dans les hôpitaux ou certaines industries de pointe, à mettre aux déchets lorsqu’ils sont colmatés, et dont le coût d’achat et de fonctionnement est par ailleurs élevé.
Un autre exemple avantageux d’intégration d’un précipitateur/collecteur électrostatique 3 selon l’invention est dans les gaines CVC d’habitacle de véhicules automobiles utilisées à des fins de filtration de l’air.
Au sein d’un bloc qui assure à la fois chauffage, ventilation et climatisation à bord des véhicules, appelé « bloc CVC », on trouve généralement un filtre à air dénommé « filtre d’habitacle ». Le plus souvent, il est constitué d’un médium fibreux plissé, escamotable, à remplacer tous les ans ou tous les 15 000 km d’après les recommandations des fabricants.
L’efficacité de filtration des filtres d’habitacle est très variable selon les gammes de produits, depuis les « filtres à pollen » assez classiques et bon marché jusqu’aux filtres dits « haute efficacité » capables de piéger 97 % à 98% des particules > 0,5 µm.
En aval du bloc CVC, il existe un réseau assez dense de canalisations assurant la distribution de l’air dans l’habitacle. Ce réseau est particulièrement discret visuellement dans l’habitacle d’un véhicule, puisqu’il n’est décelable que par ses extrémités, matérialisées par les bouches de diffusion d’air, judicieusement réparties, comme illustrées à titre d’exemple sur la .
Les recherches en cours portent essentiellement sur l’amélioration des performances des filtres au niveau du bloc CVC. Bien que l’encombrement soit extrêmement limité du fait de la compacité de ce bloc CVC, les inventeurs ont montré qu’il pouvait être avantageux de remplacer les filtres existants par des précipitateurs/collecteurs 3 selon l’invention car ils seraient plus efficaces pour piéger les particules fines notamment, et avec une moindre perte de charge.
Plus avantageusement encore, les inventeurs proposent d’utiliser les conduits 101 longilignes et extra-plats de distribution d’air en y ajoutant une fonction de filtration par l’intégration d’un ou plusieurs précipitateurs/collecteurs 3 selon l’invention, comme illustré à la . Autrement dit, les conduits 101 pourraient devenir des conduits avec une fonction de filtration à souhait, c’est-à-dire seulement en cas de tension électrique appliquée. Les inventeurs pensent qu’une efficacité de filtration supérieure à 95% pour des particules de tailles comprises sur une très large gamme, entre 0,05 et 10 µm, est attendue.
Concrètement, un mode actif de fonctionnement en filtration pourrait avantageusement être activé pour des conduits 101 pendant les épisodes de forte pollution atmosphérique, par exemple en cas d’exposition à de fortes concentrations de particules fines dans un embouteillage en milieu urbain. Ce mode actif , en recyclage habitacle ou non, pourrait d’ailleurs s’actionner automatiquement en cas de dépassement d’un seuil prédéterminé.
On peut envisager d’intégrer un ou plusieurs précipitateurs/collecteurs électrostatiques selon l’invention dans tous types de véhicules modernes, quelle que soit leur gamme de confort. En particulier, ils peuvent avantageusement prendre des formes quelconques pour s’adapter aux contraintes imposées par les surfaces et volumes disponibles dans un habitacle d’un véhicule.
Par ailleurs, si le filtre habitacle lui-même est de haute efficacité (notamment 97% à 98% d’efficacité pour des particules de taille > 0,5 µm), il est fort probable que la durée de vie de conduits 101 intégrant un ou plusieurs précipitateurs/collecteurs électrostatiques selon l’invention pourrait correspondre à la durée de vie du véhicule car l’encrassement qui serait dû aux particules ultrafines collectées, même en très grand nombre, pourrait ne pas être problématique.
On peut envisager aussi d’appliquer l’invention aux moyens de transport collectifs (bus, métros, trains, avions, …), et d’autant mieux s’appliquer que l’intégration dans des conduits à profil longiligne serait particulièrement adaptée.
En sus de ce qui précède, on rappelle qu’un écoulement laminaire dans un filtre électrostatique est préférable à un écoulement turbulent en termes d’efficacité de collection ( ). Par conséquent, un conduit 101 d’habitacle selon l’état de l’art, au volume intérieur vide parcouru par un écoulement turbulent collecte moins les particules qu’un conduit 101 intégrant des plaques 5 à alvéoles d’un précipitateur/collecteur 3 selon l’invention parcouru par un écoulement laminaire.
La représente de manière schématique le montage qui pourrait être utilisé dans un habitacle de véhicule pour le traitement de l’air : l’air à épurer est d’abord pulsé au débit Q et les particules d’aérosol sont électriquement chargées dans un ioniseur 2. Cet air est ensuite préfiltré par un filtre d’habitacle 40 connu, puis distribué dans un réseau de gaines en passant dans des précipitateurs/collecteurs électrostatiques 3 selon l’invention, aux débits Qi.
Les inventeurs ont réalisé une expérience de démonstration de l’intérêt d’intégration de précipitateurs/collecteurs électrostatiques 3 selon l’invention pour réaliser la filtration de l’air au sein d’un habitacle en sus des filtres du commerce déjà implantés.
Le schéma du montage expérimental est donné .
Le collecteur peut potentiellement être positionné en lieu et place du filtre à air habitacle actuel que ce soit en amont ou en aval du ventilateur de soufflage.
Un caisson 10 loge un ventilateur/pulseur 14, un ioniseur à fibres de carbone 2 pouvant être alimenté avec une tension Ui de – 6500 volts, un filtre d’habitacle connu 40 de dimensions 215 mm x 200 mm x 30 mm.
A l’arrière de ce caisson 10 est raccordé un conduit 101 intégrant en son sein un précipitateur/collecteur 3. Le conduit 101 a une section égale à 20 mm x 90 mm, et une longueur égale à 750 mm. Il loge un précipitateur 3 avec un nombre de quatre plaques 5 à canaux, en PVC, d’épaisseur 5 mm, soit un nombre de 40 canaux raccordés électriquement.
La tension de collection Uc est également fixée à - 6500 volts (Uc = Ui), pour des raisons de commodité, un seul boîtier HT alimenté en 12 volts étant utilisé. La consommation électrique de l’ioniseur 2 et du précipitateur 3 est inférieure à 1 W.
Les débits sont fixés aux valeurs suivantes :
- débit d’air ionisé Q traversant le filtre d’habitacle 40 égal à 100 m3/h,
- débit d’excès d’air Q1 égal à 80 m3/h,
- débit d’air Q2 dans le conduit 101 égal à 20 m3/h.
L’aérosol d’essai est l’aérosol atmosphérique local. Les concentrations en particules de taille > 0,3 µm sont mesurées en différents points : C en amont du filtre, C1 en aval du filtre d’habitacle 40, c’est-à-dire en amont du précipitateur 3, C2 en aval du précipitateur 3.
Les résultats expérimentaux représentant les efficacités de collection obtenues pour les différents types de filtration testés sont donnés en .
Il ressort de cette que :
- un filtre d’habitacle 40 seul capte 30% du nombre de particules incidentes > 0,3 µm. Ce résultat n’est pas anormal car il s’agit d’un filtre bas de gamme, de type filtre à pollen ;
- avec un ioniseur 2 placé en amont du filtre d’habitacle, 60 % des particules sont captées. Ce type de résultat corrobore ce qui est connu car on sait que l’efficacité de filtration d’un médium fibreux est plus élevée avec des particules électriquement chargées qu’avec des particules neutres : [4]. Ce principe d’ionisation est d’ailleurs utilisé dans le bloc CVC de certains véhicules automobiles notamment ceux commercialisés par la société Volvo.
- avec un ioniseur 2 en amont d’un précipitateur 3 selon l’invention, 99,6 % des particules sont captées. Ce résultat montre clairement le bénéfice apporté par l’invention.
- avec un ioniseur 2 en amont du filtre d’habitacle, lui-même en amont d’un précipitateur 3 selon l’invention , 99,85 % des particules sont captées. A première vue, ce résultat ne paraît pas fondamentalement meilleur que le résultat précédent. Toutefois, d’après les inventeurs, la portée de ce résultat est très importante pour les raisons suivantes. Premièrement, il est prouvé que les particules non captées par un filtre d’habitacle peuvent rester électriquement chargées après avoir traversé ce dernier. En pratique, l’ioniseur peut donc être placé très en amont dans le circuit aéraulique d’un bloc CVC. Deuxièmement, si le filtre habitacle est changé régulièrement selon les prescriptions des fabricants, il est possible d’envisager que des précipitateurs 3 selon l’invention placés en aval d’un filtre d’habitacle puissent avoir une durée de vie de plusieurs milliers d’heures de fonctionnement avant qu’ils soient encrassés, ce qui pourrait avantageusement correspondre à la durée de vie d’un véhicule automobile. Enfin, l’efficacité globale d’un système associant un filtre d’habitacle et un ou plusieurs précipitateurs 3 selon l’invention pourrait avoisiner l’efficacité d’un filtre à très haute efficacité HEPA, égale à 99,97% pour des particules de taille supérieure à 0,3 µm, si le filtre d’habitacle lui-même est à haute efficacité, avec l’avantage de présenter une perte de charge plus faible que celle de filtres HEPA fibreux traditionnels et, par conséquent, de réduire la consommation énergétique du ventilateur/pulseur d’un véhicule automobile.
Dans le mode de réalisation avantageux illustré, l’ioniseur 2 comprend des fibres de carbone 21 mais toutes fibres électriquement conductrices de faibles dimensions ou tout système permettant de produire des ions sans génération d’ozone, typiquement de 1 à 100 µm, peuvent convenir.
Les boîtiers haute tension utilisés délivrent classiquement -6500 volts dans les exemples cités. Il a été montré que les résultats étaient encore meilleurs pour des tensions plus élevées, tant pour ce qui concerne la tension d’alimentation de l’ioniseur que celle du collecteur. Une limite pratique vers 15 kV paraît raisonnable pour se placer nettement en dessous des risques de claquages diruptifs.
Les boîtiers haute tension utilisés dans les exemples cités délivrent une polarité négative. Les résultats obtenus seraient quasiment identiques avec une polarité positive.
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.
Claims (15)
- Précipitateur/collecteur électrostatique (3) pour purificateur d’air (1) ou épurateur d’aérosols, comprenant :
- au moins une plaque à canaux (5) en matériau substantiellement électriquement isolant, s’étendant selon un axe longitudinal (X), les canaux (50) de la plaque étant séparés de façon fluidique l'un de l'autre, chaque canal s’étendant selon l’axe longitudinal (X) et étant débouchant à ses deux extrémités opposées, vers l’extérieur de la plaque ;
- au moins deux feuilles (6, 7) ou plaques (8, 9) ou couches électriquement conductrices, formant des électrodes dont au moins une portion est agencée sur chacune des faces principales de la plaque à canaux, les deux électrodes étant adaptées pour générer un champ électrique (E) selon une direction orthogonale à l’axe X dans les canaux de la plaque. - Précipitateur/collecteur électrostatique selon la revendication 1, comprenant un empilement de plaques à canaux, une électrode intermédiaire (6, 7) étant intercalée entre deux plaques adjacentes dans l’empilement, toutes les électrodes intermédiaires d’une même polarité étant reliées entre elles à une électrode de sortie formant une borne de sortie (8, 9).
- Précipitateur/collecteur électrostatique selon la revendication 2, les électrodes intermédiaires d’une même polarité ayant en outre chacune une portion (60, 70) qui épouse le bord latéral d’une plaque tandis que les bornes de sortie ont chacune une forme générale en L dont une branche (80, 90) épouse le bord latéral de l’empilement de plaque en étant en contact avec les portions des électrodes et l’autre branche (81, 91) épouse une des faces principales de la plaque à l’une des extrémités de l’empilement.
- Précipitateur/collecteur électrostatique selon la revendication 2, les électrodes intermédiaires d’une même polarité comprenant chacune une languette (62, 72) qui épouse le bord latéral d’une plaque, les languettes du même bord latéral se chevauchant l’une sur l’autre de sorte à former une des bornes de sortie (8, 9).
- Précipitateur/collecteur électrostatique selon la revendication 4, comprenant deux plaques d’extrémité (16) en matériau isolant électrique, agencées de part et d’autre de l’empilement.
- Précipitateur/collecteur électrostatique selon l’une des revendications 2 à 5, les électrodes intermédiaires étant sous la forme de feuilles métalliques ou dépôts métallisés recouvrant chacune au moins en partie une face principale d’une plaque.
- Précipitateur/collecteur électrostatique selon l’une des revendications 2 à 5, chaque électrode intermédiaire étant scellée entre deux plaques à canaux de sorte à constituer un bloc étanche aux fluides entre plaques vis-à-vis des fluides et isolant électriquement entre deux électrodes intermédiaires.
- Précipitateur/collecteur électrostatique selon l’une des revendications précédentes, le matériau de la(des) plaque(s) ayant une conductivité électrique transversale supérieure à 10-1 4S/m à température ambiante.
- Précipitateur/collecteur électrostatique selon l’une des revendications précédentes, le matériau de la (des) plaque(s) étant un polymère thermoplastique pouvant être extrudé, notamment le poly(chlorure de vinyle)(PVC), polycarbonate (PC) ou autres
- Purificateur d’air (1) ou épurateur d’aérosols comprenant :
- un précipitateur/collecteur électrostatique (3) selon l’une des revendications précédentes;
- un ioniseur (2) agencé en amont du collecteur électrostatique (3), comprenant tant que dispositif d’ionisation des particules par effet corona, des fibres électriquement conductrices (21). - Purificateur d’air (1) ou épurateur d’aérosols selon la revendication 10, les fibres étant des fibres de carbone.
- Purificateur d’air (1) ou épurateur d’aérosols selon la revendication 10 ou 11, comprenant au moins un ventilateur agencé en amont de l’ioniseur ou en aval de l’ioniseur ou en aval du précipitateur/collecteur électrostatique.
- Purificateur d’air (1) ou épurateur d’aérosols selon la revendication 12, la(les) plaque(s) à canaux du précipitateur/collecteur électrostatique étant agencée(s) à la verticale, le(s) ventilateur(s) étant agencé sur le dessus de la (des) plaque(s) à canaux, le purificateur comprenant en outre un grillage en dessous de l’ioniseur en tant que préfiltre.
- Purificateur d’air (1) ou épurateur d’aérosols selon la revendication 13, comprenant une batterie et un boitier logeant les composants du purificateur d’air ou épurateur en constituant un appareil autonome.
- Utilisation du purificateur d’air selon l’une des revendications 10 à 14 pour purifier l’air à travers les équipements de protection individuelle EPI ou NBC, ou des pièces de bâtiment, notamment d’habitation, ou des habitacles de véhicule automobile, ou des espaces souterrains utilisés pour le transport routier ou ferroviaire.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PLFP | Fee payment |
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| PLSC | Publication of the preliminary search report |
Effective date: 20240315 |