WO1994013394A1 - Method for producing particles of a first fluid in a second fluid, said fluids being non-miscible, and device therefor - Google Patents

Method for producing particles of a first fluid in a second fluid, said fluids being non-miscible, and device therefor Download PDF

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WO1994013394A1
WO1994013394A1 PCT/FR1993/001188 FR9301188W WO9413394A1 WO 1994013394 A1 WO1994013394 A1 WO 1994013394A1 FR 9301188 W FR9301188 W FR 9301188W WO 9413394 A1 WO9413394 A1 WO 9413394A1
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fluid
membrane
holes
reservoir
cavity
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Application number
PCT/FR1993/001188
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French (fr)
Inventor
Olivier Lacour
Jean-Claude Soulie
Jan-Kristian Kruger
Gerhard Luther
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Thomson-Csf
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/16—Rotary, reciprocated or vibrated modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F23/00—Mixing according to the phases to be mixed, e.g. dispersing or emulsifying
    • B01F23/20—Mixing gases with liquids
    • B01F23/23—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids
    • B01F23/238—Mixing gases with liquids by introducing gases into liquid media, e.g. for producing aerated liquids using vibrations, electrical or magnetic energy, radiations
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/02—Aerobic processes
    • C02F3/12—Activated sludge processes
    • C02F3/20—Activated sludge processes using diffusers
    • C02F3/201—Perforated, resilient plastic diffusers, e.g. membranes, sheets, foils, tubes, hoses
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02W—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO WASTEWATER TREATMENT OR WASTE MANAGEMENT
    • Y02W10/00—Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/10—Biological treatment of water, waste water, or sewage

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing particles of a first fluid in a second fluid, the two fluids not being miscible with each other, and a device for its implementation.
  • a first field of application of the invention is that of improving the quality of the environment and in particular that of the oxygenation of natural waters and urban, industrial and domestic effluents.
  • gases can be used, in particular chlorine for the enrichment of drinking water in chlorine, carbon dioxide etc ....
  • droplets of a liquid in a gas can to be used, such as water droplets in the air for humidifying domestic air or in greenhouses for agriculture.
  • the applications are not limited to the field of the environment or agriculture and other applications are used, in particular in the automobile industry, where a mixture of air and fine gasoline droplets is injected into the engines .
  • Another field of application is that of the medical field, which requires the creation of oxygen bubbles in the blood to allow an acoustic tomography of the circulatory system.
  • the large number of applications shows that it is important to have an efficient and inexpensive process for dispersing a fluid f * 1 in another fluid f2, the two fluids being immiscible with each other, by producing small particles. of determined dimensions of the fluid fj in the fluid f2 *
  • a gas for example, oxygen
  • a liquid for example water
  • oxygen is relatively poorly soluble in water.
  • in another fluid f2 consists in blowing the fluid fj through a small pipe, or nozzle, in the fluid f2- It is possible to generate bubbles or droplets of the fluid f-
  • the pressure necessary to make a bubble or a drop drop and the size of this one are related to the surface tensions between the various interfaces: fluid interface f-
  • in f2 consists, in the particular case where the fluid f-
  • This method has several drawbacks:
  • the medium to be treated is the site of a chemical reaction which can be polluting for the environment
  • the gas evolution parameters such as the size of the bubbles depend closely on the experimental conditions such as temperature, pressure, etc.
  • a third method consists in mechanically dispersing one of the two fluids in the other:
  • a surface separates the two fluids f-
  • This third method is notably used for enriching water with oxygen in certain water treatment centers.
  • This method uses large paddle wheels which cross by rotating the water / air separation surface and thus generate water droplets in the air. During their suspension, the droplets enrich themselves with oxygen by simple dissolution at the water / air interface. However, this method is very poorly effective.
  • the object of the invention is to generate very small particles of given dimensions of a fluid f * 1 in another fluid f2, the two fluids being immiscible with each other, using vibration techniques and materials related to them.
  • the subject of the invention is a method for producing particles of a first fluid in a second fluid, the two fluids being immiscible with each other, characterized in that it consists in introducing the first fluid into a cavity closed by at least one membrane deformable under the effect of a magnetic field having a determined number of holes and separating the first fluid from the second fluid outside the cavity, to excite the membrane to make it vibrate at a frequency determined according to resonant frequency mechanics of the membrane, and under the combined effect of the pressure of the first fluid on the membrane and the vibrational movement of the membrane, to form particles of the first fluid in the second fluid when the first fluid passes through the holes of the membrane, the dimensions of which are determined as a function of the amplitude of the combined effect of the pressure and the vibration movement, and of the dimensions of the holes in the membrane, the particles of the first fluid being released from the membrane in the second fluid when they have reached dimensions close to those imposed by the holes.
  • FIG. 1 a block diagram of the method according to the invention
  • FIG. 2 a diagram of a first embodiment of a device for implementing the method according to the invention
  • FIG. 3 a detailed view of FIG. 2,
  • FIG. 4 a diagram of a second embodiment of a device for implementing the method according to the invention
  • FIG. 5 a diagram of a third embodiment of a device for implementing the method according to the invention.
  • FIG. 6, a detailed view of FIG. 5
  • FIG. 7 a diagram of a fourth embodiment of a device for implementing the method according to the invention.
  • FIG. 8 a fifth embodiment of a device for implementing the method according to the invention.
  • FIG. 9 a detailed view of FIG. 8, and
  • the homologous elements are designated by the same reference and the scales are not respected.
  • a contribution of mechanical energy is necessary to overcome the surface energy developed at the various interfaces involved, as well as that necessary to form a particle.
  • the present invention has the advantages that it allows, thanks to the mechanical energy supplied by vibration techniques, to form particles of a first fluid f-
  • the limit pressure necessary for the release of the particles from the separation surface is reduced compared to the pressure required without vibrational movement.
  • FIG. 1 briefly shows a block diagram of the method according to the invention.
  • is introduced into a cavity, or reservoir 1, via a supply pipe, or nozzle 2.
  • a separation surface 3 for example a membrane, represented by a thick broken line closing the upper part of the reservoir 1 is brought into vibration, vibration symbolized by a double vertical arrow, and under the combined effect of the pressure of the first fluid fj symbolized by an arrow at the inlet of the nozzle 2 and the vibration of the membrane 3, the process according to l
  • the invention produces small particles 4j represented in the figure by small circles, from the first fluid fj in the second fluid f2 outside the reservoir 1 to the passage of the first fluid f-
  • the pressure of the first fluid fj is determined so that the second fluid f2 cannot enter the tank 1 containing the fluid fj.
  • an overpressure of a few millibars is applied to the first fluid f-
  • the reservoir 1 containing the fluid fj must be large enough so as to make the variation in pressure negligible when the bubbles 4j are released from the membrane 3 in the second fluid f2.
  • the excitation frequency of the vibrations is determined to coincide with the mechanical resonance frequency of the membrane 3.
  • the amplitude of the vibrations is maximum for optimal efficiency of the method according to the invention.
  • FIG. 2 A first embodiment of a device for implementing the method according to the invention is illustrated by the diagram in FIG. 2.
  • the device comprises a reservoir 6, for example cylindrical, containing the first fluid f-
  • a membrane 9, of circular shape whose diameter is between the outside diameter and the inside diameter of the cylindrical tank 6 is deposited on a second lateral face 10, opposite the first lateral face 8, in the form of a crown corresponding to the thickness of the cylindrical wall of the reservoir 6 and closes the reservoir 6 containing the first fluid fj.
  • the membrane 9 corresponds to the separation surface between the first fluid f-
  • the membrane 9 is generally perforated with small holes 11 j so as to diffuse the first fluid f-
  • the porosity of the material is sufficient for the diffusion of the fluid fj in the fluid f2 *
  • the membrane 9 has a determined number of holes 11 j whose dimensions, shape and distribution over the surface of the membrane 9 are determined mainly as a function of the material used for the membrane 9, of the mode of excitation of the membrane 9 and of the fluids fj and f2 *
  • the membrane 9 is produced, for example, from a flat film in any polymer.
  • the cutting of the membrane 9 and the holes 11 j is obtained by conventional machining techniques used for thin materials.
  • the membrane 9 is fixed to the tank 6 by means of a fixing ring 12 of cylindrical shape whose diameters, outside and inside, correspond to those of the tank 6.
  • the sealing of the tank 6 is ensured by a seal 13 whose diameters, exterior and interior, correspond to those of the reservoir 6.
  • the seal 13 is crushed between the crown / membrane assembly and the reservoir 6.
  • the membrane 6 is also mechanically coupled to a device 14 transmitting a vibration movement to the membrane 9, movement symbolized by a double arrow.
  • the device 14 is placed in the reservoir 6 containing the fluid f-
  • the vibrating device 14 is for example a fluid-tight motor f-j. By vibrating, it transmits the mechanical vibrations to the membrane 9 at a frequency coinciding with the mechanical resonance frequency of the membrane 9 for the production of particles 15j of the first fluid f-j in the second fluid f2 *
  • FIG. 3 represents a detail view of FIG. 2 delimited by a circle in broken lines.
  • This figure represents a part of the membrane 9 pierced with a hole 11 j separating the first fluid fj from the second fluid f2 *
  • the fluid f- j under the combined effect of its pressure, symbolized by a vertical arrow, on the membrane 9 and of the vibration movement of the membrane 9, symbolized by a double arrow, enters the hole 11 j, and a particle 15j of the first fluid f-
  • a membrane 16 is made of a metallic and / or magnetic material.
  • the vibrating device is, for example, an electromagnet 17 making it possible to transmit an oscillatory movement to the membrane 16, either by direct magnetic effect if the membrane 16 is an alloy with high magnetic permeability, or by secondary effect due to the currents of Eddy induced in the membrane 16 if it is made from an electrically conductive material.
  • the reservoir 6 being of the same type as for the previous embodiment, it is not redescribed, as is the case for the method of fixing the membrane 16 to the reservoir 6.
  • a device comprises a membrane 18 perforated with holes 19j made of a material whose main property is to deform mechanically when an electrical excitation is applied to it.
  • This material is for example of the piezoelectric type.
  • piezoelectric materials are particularly suitable for this application, in particular ferroelectric polymers, ferroelectric materials of all types, porous ferroelectric ceramics, electrostrictive materials, etc.
  • the device also comprises a reservoir 20, a fixing ring 21 and a seal 22 of identical shape to the previous embodiments.
  • the reservoir 20 and the fixing ring 21 are made of an electrically conductive material and the seal 22 in an electrically insulating material.
  • a first face 23 and a second face 24 of the membrane 18 are covered respectively over their entire surface, without obstructing the holes 19j of the membrane 18, with a metallization to respectively form a first electrode 25 and a second electrode 26.
  • the electrode 25 and 26 sandwich the piezoelectric membrane 18
  • the resumption of electrical contact between the first electrode 25 of the membrane 18 and the reservoir 20 is effected by means of a metal insert 27 in the form of crown whose internal diameter corresponds to the internal diameter of the reservoir 20 and the external diameter to the diameter of the membrane 18.
  • the insert 27 is clamped between the first electrode 25 of the membrane 18 and the reservoir 20 by means of the crown fastening 21 via the seal 22 and an excitation voltage V is applied to the membrane 18 via the insert 27 in contact with the first electrode 25.
  • An electric conducting wire 28 brings the excitation voltage V to the insert 27 by passing through the bottom 29 of the reservoir 20 via a sealed passage 30, inside the tank 20 containing the first fluid f -j.
  • a resumption of contact between the mechanical mass and a potential serving as a reference is carried out for example on the bottom 29 of the reservoir 20.
  • the reference potential for example the mass M, is brought back to the second electrode 26 of the membrane 18, by via the fixing ring 21, which is mechanically and electrically connected to the reservoir 20, for example by screws 31 j.
  • the excitation of the membrane 18 which will generate the formation of particles 32j is effected by means 33 of producing electrical signals, for example a generator of sinusoidal or square signals coupled to a power amplifier not shown.
  • the frequency and level of excitation depend on parameters
  • FIG. 6 represents a detail of FIG. 5 marked by a circle in broken lines. This detail represents a part of the membrane 18 perforated with a hole 19j.
  • the first face 23 and the second face 24 of the membrane 18 are metallized and serve as electrodes 25 and 26 between which is applied the excitation voltage V delivered by the means 33 for producing electrical signals.
  • the principle of particle formation remaining the same as that described for FIG. 3, it will therefore not be re-described.
  • FIG. 7 A fourth embodiment represented by FIG. 7 is a variant of the previous embodiment.
  • the membrane 18 is partially covered by the first electrode 25 and the second electrode 26 which form, respectively on the first face 23 and the second face 24 of the membrane 18, a crown on the perimeter of the membrane 18, of which the width should be sufficient for the amplitude of the vibrations to be optimal for the formation of the particles 32j, and for bringing the excitation voltage between the two electrodes 25 and 26 respectively via the insert 27 and the fixing ring 21.
  • FIG. 8 represents a fifth embodiment similar to the third embodiment illustrated by FIG. 5 but where the fluid contained in the reservoir 20 can be a conductive fluid f ′ -j.
  • the device comprises a membrane 34 pierced with holes 35j, a first electrode 36 and a second electrode 37 are electrically insulated from one another and from the conductive fluid f '-j.
  • the electrodes 36 and 37 of the membrane 34 are covered respectively with a first layer 38 and with a second layer 39 of electrical insulator, for example an insulating polymer, except in the area where an electrical contact must be maintained.
  • '' in other words in the part of the membrane 34 which is pinched between the fixing ring 21 and the metal insert 27.
  • are covered, for example, by a layer 40 of electrically insulating polymer.
  • the electrical conductor 28 will of course be isolated.
  • the layers 38 and 39 also serve as protective layers for the electrodes 36 and 37.
  • the metallization forming the electrodes 36 and 37 is set back with respect to the hole 35j and the layer of insulating polymer 38 and 39 fills this shrinkage without obstructing the holes 35j.
  • FIG. 9 A detail of the membrane identified by a circle in broken lines in FIG. 8 is represented by FIG. 9.
  • part of the membrane 34 pierced with a hole 35j is shown.
  • the first electrode 36 and the second electrode 37 are deposited respectively on each of the faces of the membrane 34 leaving a space 37j not metallized around the hole 35j to allow the layers 38 and 39 of insulating polymer, deposited on the metallization, to fill this space without obstructing hole 35j.
  • the training principle of particles being the same as for the previous embodiments, it is therefore not redescribed.
  • Figures 10a and 10b respectively illustrate a front view and a section along the axis A -A of a rectangular piece 40 of a film constituting a membrane.
  • Three holes 41, 42, 43 are drilled in the film on the same axis which is the cutting axis A -A.
  • the shape of the holes 41, 42, 43 is optimized according to the various configurations of the device according to the invention according to the type of oscillation used by the device, its geometry, etc.
  • those of FIGS. 10a and 10b represent, from left to right, cylindrical 41, conical 42 and star 43 shapes.
  • a circular membrane is produced in a flat film of piezoelectric polymer of the PVDF type, metallized on its two faces, the diameter of which is of the order of 50 millimeters and the thickness of the order of 25 micrometers .
  • the holes in the membrane have a diameter of about 0.2 millimeters.
  • is for example air, or oxygen, blown inside the tank containing the first fluid f * 1 and bubbles of air or oxygen of diameter equivalent to the diameter of the holes are produced in the second fluid f2, for example water.
  • the excitation frequency is a few KHz and the excitation voltage level of the membrane is between 50 V and 100 V.
  • the invention is not limited to the embodiments previously described.
  • the geometry and the dimensions of the elements constituting the device for implementing the method according to the invention must be adapted as a function of the fluids f-j and f2 used.

Abstract

A method for production particles of a first fluid (f1) in a second fluid (f2), said fluids (f1 and f2) being non-miscible, wherein the first fluid (f1) is fed into a cavity (1) sealed by at least one membrane (3) comprising a predetermined number of holes (5i) and separating the first fluid (f1) from the second fluid (f2) outside the cavity (1), the membrane (3) is energised so that it vibrates at a frequency determined according to the mechanical resonance of the membrane (3), and particles (4i) of the first fluid (f1) are formed in the second fluid (f2) when said first fluid (f1) flows through the holes (5i) in the membrane (3), by means of the combined effect of the pressure exerted by the first fluid (f1) on the membrane (3) and the vibration of said membrane (3). The size of the holes is determined according to the amplitude of the combined effect of pressure and vibration, and the size of the holes (5i) in the membrane (3), the particles (4i) of the first fluid (f1) being released into the second fluid (f2) from the membrane (3) once their size is close to that of said holes (5i). The method is useful in the field of the environment, in particular for oxygenating water, as well as in the field of medicine, particularly in vascular tomography, etc.

Description

Procédé de production de particules d'un premier fluide dans un deuxième fluide, les fluides étant non miscibles entre eux, et dispositif pour sa mise en oeuvre. Method for producing particles of a first fluid in a second fluid, the fluids being immiscible with each other, and device for its implementation.
La présente invention concerne un procédé de production de particules d'un premier fluide dans un deuxième fluide, les deux fluides n'étant pas miscibles entre eux, et un dispositif pour sa mise en oeuvre.The present invention relates to a method for producing particles of a first fluid in a second fluid, the two fluids not being miscible with each other, and a device for its implementation.
Un premier domaine d'application de l'invention est celui de l'amélioration de la qualité de l'environnement et notamment celui de l'oxygénation des eaux naturelles et des effluents urbains, industriels et domestiques.A first field of application of the invention is that of improving the quality of the environment and in particular that of the oxygenation of natural waters and urban, industrial and domestic effluents.
Pour les eaux naturelles, certaines étendues d'eau comme les lacs et les rivières s'appauvrissent régulièrement en oxygène à la suite de fortes chaleurs estivales s' ajoutant à la pollution environnante. Ce phénomène perturbe profondément la faune, et la flore, par asphyxie et favorise le développement de certaines espèces anaérobies très envahissantes.For natural waters, certain bodies of water such as lakes and rivers are regularly depleted of oxygen following strong summer heat adding to the surrounding pollution. This phenomenon deeply disturbs the flora and fauna by asphyxiation and promotes the development of certain highly invasive anaerobic species.
Pour les eaux industrielles, de nombreuses matières oxydables de type minérales ou organiques sont présentes et quand elles sont rejetées dans les eaux naturelles, ces matières s'oxydent et pompent l'oxygène dissout provoquant de graves perturbations de l'environnement tels que ceux cités précédemment. Concernant les eaux domestiques, certains pays d'Europe envisagent de récupérer certaines eaux domestiques, quelquefois appelées "eaux grises", afin de les réutiliser pour certains travaux ne demandant pas une grande qualité de l'eau. Pour ce faire, il est nécessaire de pouvoir stocker ces eaux dans de grands réservoirs qui devront être oxygénés afin d'éviter certaines dégradations et odeurs. D'autres fluides peuvent être utilisés pour le traitement des eaux, notamment d'autres gaz que l'oxygène pour une nitrification ou une denitrification etc.. Dans ce domaine d'application ce sont surtout des petites bulles d'air ou d'oxygène qui sont utilisées. D'autres gaz peuvent être utilisés, en particulier le chlore pour l'enrichissement de l'eau potable en chlore, le dioxyde de carbone etc.... A l'inverse, la création de gouttelettes d'un liquide dans un gaz peut être utilisée, comme par exemple des gouttelettes d'eau dans l'air pour l'humidification de l'air domestique ou dans les serres pour l'agriculture.For industrial waters, many oxidizable materials of mineral or organic type are present and when they are rejected in natural waters, these materials oxidize and pump dissolved oxygen causing serious disturbances of the environment such as those mentioned above. . Regarding domestic water, some European countries plan to recover certain domestic water, sometimes called "gray water", in order to reuse it for certain works that do not require a high quality of water. To do this, it is necessary to be able to store this water in large tanks which will have to be oxygenated in order to avoid certain degradations and odors. Other fluids can be used for water treatment, in particular other gases than oxygen for nitrification or denitrification etc. In this field of application, these are mainly small bubbles of air or oxygen that are used. Other gases can be used, in particular chlorine for the enrichment of drinking water in chlorine, carbon dioxide etc .... Conversely, the creation of droplets of a liquid in a gas can to be used, such as water droplets in the air for humidifying domestic air or in greenhouses for agriculture.
Les applications ne se limitent pas au domaine de l'environnement ou de l'agriculture et d'autres applications sont utilisées, notamment dans l'industrie automobile, où un mélange d'air et de fines gouttelettes d'essence est injecté dans les moteurs.The applications are not limited to the field of the environment or agriculture and other applications are used, in particular in the automobile industry, where a mixture of air and fine gasoline droplets is injected into the engines .
Un autre domaine d'application, est celui du domaine médical, qui nécessite la création de bulles d'oxygène dans le sang pour permettre une tomographie acoustique du système circulatoire. Le nombre important d'applications montre qu'il est important de disposer d'un procédé efficace et peut coûteux de dispersion d'un fluide f*1 dans un autre fluide f2 les deux fluides étant non miscibles entre eux, en produisant de petites particules de dimensions déterminées du fluide f-j dans le fluide f2* Dans l'exemple d'un gaz, par exemple, l'oxygène, à disperser dans un liquide, par exemple l'eau, il est connu que l'oxygène est relativement peu soluble dans l'eau. Lorsqu'une bulle d'oxygène est présente dans l'eau, la poussée d'Archimède, qui tend à faire remonter la bulle d'oxygène vers la surface de l'eau à une vitesse proportionnelle à son volume, ne favorise pas sa mise en solution. Par conséquent, des bulles de très petites tailles typiquement de diamètre inférieur à 0,2 mm ayant une durée de vie très courte soit une dissolution rapide, permettent d'obtenir une efficacité optimale ; dans le cas optimal de dissolution aucune bulle n'atteindra la surface. Ce problème est d'autant plus important dans le domaine médical, où afin d'éviter un risque d'embolie dans le cas de tomographie acoustique, les bulles introduites dans le sang ne doivent pas dépasser un diamètre supérieur à quelques dizaines de micromètres tout en ayant un diamètre suffisant pour modifier l'impédance acoustique du sang. Une première méthode pour générer des bulles ou des gouttelettes d'un fluide f-| dans un autre fluide f2, consiste à insuffler le fluide f-j à travers un petit tuyau, ou buse, dans le fluide f2- Il est possible de générer des bulles ou des gouttelettes du fluide f-| dans le fluide f2 à condition que les deux fluides f-| et f2 soient non miscibles entre eux. Il est observé expérimentalement qu'une force est nécessaire pour augmenter la surface d'un premier fluide f-| en contact avec un deuxième fluide f2 . Cette force, appelée tension superficielle, correspond à un travail, ou énergie superficielle, nécessaire pour créer la nouvelle surface. La pression nécessaire pour faire jaillir une bulle ou une gouttelette et la taille de celle-ci sont liées aux tensions superficielles entre les différentes interfaces : interface fluide f-| /matériau de la buse, interface fluide f-j /fluide \ interface fluide f2/matériau de la buse, ainsi qu'aux masses volumiques des deux fluides et au rayon du trou de la buse. Par conséquent il existe un seuil de pression et une dimension de bulle au delà de laquelle il ne se passe rien. Pour que la bulle ou la gouttelette se détache de la buse, il faut que l'apport d'énergie mécanique dE, défini par la formule dE = P.dV, où P définit la pression exercée sur le fluide et dV l'augmentation de volume de la bulle ou de la gouttelette, soit suffisant pour vaincre l'énergie superficielle ainsi que celle nécessaire pour refermer la bulle ou la gouttelette.Another field of application is that of the medical field, which requires the creation of oxygen bubbles in the blood to allow an acoustic tomography of the circulatory system. The large number of applications shows that it is important to have an efficient and inexpensive process for dispersing a fluid f * 1 in another fluid f2, the two fluids being immiscible with each other, by producing small particles. of determined dimensions of the fluid fj in the fluid f2 * In the example of a gas, for example, oxygen, to be dispersed in a liquid, for example water, it is known that oxygen is relatively poorly soluble in water. When an oxygen bubble is present in the water, Archimedes' push, which tends to cause the oxygen bubble to rise towards the surface of the water at a speed proportional to its volume, does not favor its setting in solution. Consequently, bubbles of very small sizes typically with a diameter of less than 0.2 mm having a very short lifetime, ie rapid dissolution, allow optimum efficiency to be obtained; in the optimal case of dissolution no bubble will reach the surface. This problem is all the more important in the medical field, where in order to avoid a risk of embolism in the case of acoustic tomography, the bubbles introduced into the blood must not exceed a diameter greater than a few tens of micrometers while having a diameter sufficient to modify the acoustic impedance of the blood. A first method for generating bubbles or droplets of a fluid f- | in another fluid f2, consists in blowing the fluid fj through a small pipe, or nozzle, in the fluid f2- It is possible to generate bubbles or droplets of the fluid f- | in the fluid f2 provided that the two fluids f- | and f2 are immiscible with each other. It is observed experimentally that a force is necessary to increase the surface of a first fluid f- | in contact with a second fluid f2. This force, called surface tension, corresponds to work, or surface energy, necessary to create the new surface. The pressure necessary to make a bubble or a drop drop and the size of this one are related to the surface tensions between the various interfaces: fluid interface f- | / nozzle material, fluid interface fj / fluid \ fluid interface f2 / nozzle material, as well as the densities of the two fluids and the radius of the nozzle hole. Consequently there is a pressure threshold and a bubble dimension beyond which nothing happens. For the bubble or the droplet to detach from the nozzle, it is necessary that the contribution of mechanical energy dE, defined by the formula dE = P.dV, where P defines the pressure exerted on the fluid and dV the increase in volume of the bubble or droplet, sufficient to overcome the surface energy as well as that necessary to close the bubble or the droplet.
A titre d'exemple, pour générer des bulles d'air dans de l'eau avec un faible débit, le rayon d'une bulle étant voisin de 2.10~3 mètres, au travers d'un trou de rayon voisin de 10~3 mètres, il faut une pression minimale d'environ 150 Pascals pour une distance normale parcourue avant dissolution supérieure à une cinquantaine de mètres. Pour un trou de seulement 10~6 mètres de rayon il faut une pression d'environ 150.000 Pascals pour générer des bulles de rayon proche de 2,2.10"4 mètres pour une distance normale parcourue avant dissolution de 0,5 mètre. Pour générer de très petites bulles, il est donc nécessaire d'utiliser des trous de très faibles dimensions avec tous les inconvénients qui leur sont liés. Parmi ces inconvénients il faut citer les principaux, comme une mise en oeuvre difficile, une forte pression de gaz nécessaire en plus de la pression statique du fluide f2, et le fait que plus le trou est petit et plus le risque qu'il se bouche est grand.For example, to generate air bubbles in water with a low flow rate, the radius of a bubble being close to 2.10 ~ 3 meters, through a hole with a radius close to 10 ~ 3 meters, a minimum pressure of approximately 150 Pascals is required for a normal distance traveled before dissolution greater than fifty meters. For a hole of only 10 ~ 6 meters in radius it takes a pressure of about 150,000 Pascals to generate bubbles with a radius close to 2.2.10 "4 meters for a normal distance traveled before dissolution of 0.5 meters. very small bubbles, it is therefore necessary to use very small holes with all the drawbacks which are linked to them. Among these drawbacks, the main ones must be mentioned, such as difficult implementation, high gas pressure required in addition of the static pressure of the fluid f2, and the fact that the smaller the hole, the greater the risk of it becoming blocked.
Une deuxième méthode connue pour générer des bulles de petites dimensions de f-| dans f2 consiste, dans le cas particulier ou le fluide f-| est un gaz, à utiliser une réaction chimique mettant en jeu un dégagement gazeux. Cette méthode présente plusieurs inconvénients :A second known method for generating bubbles of small dimensions of f- | in f2 consists, in the particular case where the fluid f- | is a gas, to use a chemical reaction involving the release of gas. This method has several drawbacks:
- le milieu à traiter est le siège d'une réaction chimique pouvant être polluante pour l'environnement,- the medium to be treated is the site of a chemical reaction which can be polluting for the environment,
- les paramètres du dégagement gazeux comme la taille des bulles dépendent étroitement des conditions d'expérimentation telles que la température, la pression etc.,- the gas evolution parameters such as the size of the bubbles depend closely on the experimental conditions such as temperature, pressure, etc.,
- les produits chimiques en réaction s'épuisent et il faut prévoir un renouvellement périodique.- the chemicals in reaction are exhausted and provision must be made for periodic renewal.
Une troisième méthode consiste à disperser mécaniquement l'un des deux fluides dans l'autre :A third method consists in mechanically dispersing one of the two fluids in the other:
Une surface sépare les deux fluides f-| et f2 non miscibles entre eux et sous une action mécanique du type agitation une partie du fluide f| traverse la surface de séparation des deux fluides pour se disperser dans le fluide f2* Cette troisième méthode est notamment utilisée pour l'enrichissement des eaux en oxygène dans certains centres de traitement des eaux. Cette méthode utilise de grandes roues à ailettes qui traversent en tournant la surface de séparation eau/air et permet ainsi de générer des gouttelettes d'eau dans l'air. Pendant la durée de leur suspension, les gouttelettes s'enrichissent en oxygène par simple dissolution à l'interface eau/air. Cette méthode est toutefois d'une efficacité très médiocre.A surface separates the two fluids f- | and f2 immiscible with each other and under a mechanical action of the stirring type, part of the fluid f | crosses the separation surface of the two fluids to disperse in the fluid f2 * This third method is notably used for enriching water with oxygen in certain water treatment centers. This method uses large paddle wheels which cross by rotating the water / air separation surface and thus generate water droplets in the air. During their suspension, the droplets enrich themselves with oxygen by simple dissolution at the water / air interface. However, this method is very poorly effective.
Pour pallier les inconvénients précités, le but de l'invention est de générer de très petites particules de dimensions déterminées d'un fluide f*1 dans un autre fluide f2 les deux fluides étant non miscibles entre eux, en utilisant des techniques de vibration et des matériaux qui leurs sont liés.To overcome the aforementioned drawbacks, the object of the invention is to generate very small particles of given dimensions of a fluid f * 1 in another fluid f2, the two fluids being immiscible with each other, using vibration techniques and materials related to them.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de production de particules d'un premier fluide dans un deuxième fluide, les deux fluides étant non miscibles entre eux, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire le premier fluide dans une cavité fermée par au moins une membrane déformable sous l'effet d'un champ magnétique comportant un nombre déterminé de trous et séparant le premier fluide du deuxième fluide extérieur à la cavité, à exciter la membrane pour la faire vibrer à une fréquence déterminée en fonction de la fréquence de résonance mécanique de la membrane, et sous l'effet conjugué de la pression du premier fluide sur la membrane et du mouvement de vibration de la membrane, à former des particules du premier fluide dans le deuxième fluide au passage du premier fluide au travers des trous de la membrane, dont les dimensions sont déterminées en fonction de l'amplitude de l'effet conjugué de la pression et du mouvement de vibration, et des dimensions des trous de la membrane, les particules du premier fluide se libérant de la membrane dans le deuxième fluide quand elles ont atteint des dimensions voisines de celles imposées par les trous . D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite en regard des figures annexées qui représentent :To this end, the subject of the invention is a method for producing particles of a first fluid in a second fluid, the two fluids being immiscible with each other, characterized in that it consists in introducing the first fluid into a cavity closed by at least one membrane deformable under the effect of a magnetic field having a determined number of holes and separating the first fluid from the second fluid outside the cavity, to excite the membrane to make it vibrate at a frequency determined according to resonant frequency mechanics of the membrane, and under the combined effect of the pressure of the first fluid on the membrane and the vibrational movement of the membrane, to form particles of the first fluid in the second fluid when the first fluid passes through the holes of the membrane, the dimensions of which are determined as a function of the amplitude of the combined effect of the pressure and the vibration movement, and of the dimensions of the holes in the membrane, the particles of the first fluid being released from the membrane in the second fluid when they have reached dimensions close to those imposed by the holes. Other characteristics and advantages of the present invention will appear more clearly on reading the description which follows, made with reference to the appended figures which represent:
- la figure 1 , un schéma de principe du procédé selon l'invention,FIG. 1, a block diagram of the method according to the invention,
- la figure 2, un schéma d'un premier mode de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention,FIG. 2, a diagram of a first embodiment of a device for implementing the method according to the invention,
- la figure 3, une vue de détail de la figure 2,FIG. 3, a detailed view of FIG. 2,
- la figure 4, un schéma d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention,FIG. 4, a diagram of a second embodiment of a device for implementing the method according to the invention,
- la figure 5, un schéma d'un troisième mode de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention,FIG. 5, a diagram of a third embodiment of a device for implementing the method according to the invention,
- la figure 6, une vue de détail de la figure 5,FIG. 6, a detailed view of FIG. 5,
- la figure 7, un schéma d'un quatrième mode de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention,FIG. 7, a diagram of a fourth embodiment of a device for implementing the method according to the invention,
- la figure 8, un cinquième mode de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention,FIG. 8, a fifth embodiment of a device for implementing the method according to the invention,
- la figure 9, une vue de détail de la figure 8, etFIG. 9, a detailed view of FIG. 8, and
- les figures 10a et 10b, des exemples de trous.- Figures 10a and 10b, examples of holes.
Sur ces figures, les éléments homologues sont désignés par le même repère et les échelles ne sont pas respectées. Comme cela a été décrit précédemment, un apport d'énergie mécanique est nécessaire pour vaincre l'énergie superficielle développée aux divers interfaces mis en jeu, ainsi que celle nécessaire pour former une particule. La présente invention a pour avantages qu'elle permet grâce à l'énergie mécanique fournie par des techniques de vibration de former des particules d'un premier fluide f-| dans un deuxième fluide f2 , et qu'elle permet de détacher les particules du premier fluide f-| de la surface de séparation des deux fluides dans le deuxième fluide f2 avant que les particules n'atteignent leur taille limite, et qu'elle permet ainsi d'obtenir des particules du premier fluide f-j dont les dimensions sont quasiment identiques à celles des trous de la surface de séparation lors de leur passage au travers de cette surface. De plus, la pression limite nécessaire à la libération des particules de la surface de séparation se trouve réduite par rapport à la pression nécessaire sans mouvement de vibration.In these figures, the homologous elements are designated by the same reference and the scales are not respected. As described above, a contribution of mechanical energy is necessary to overcome the surface energy developed at the various interfaces involved, as well as that necessary to form a particle. The present invention has the advantages that it allows, thanks to the mechanical energy supplied by vibration techniques, to form particles of a first fluid f- | in a second fluid f2, and that it makes it possible to detach the particles from the first fluid f- | of the separation surface of the two fluids in the second fluid f2 before the particles reach their size limit, and that it thus makes it possible to obtain particles of the first fluid fj whose dimensions are almost identical to those of the holes the separation surface during their passage through this surface. In addition, the limit pressure necessary for the release of the particles from the separation surface is reduced compared to the pressure required without vibrational movement.
La figure 1 représente sommairement un schéma de principe du procédé selon l'invention. Un premier fluide f-| est introduit dans une cavité, ou réservoir 1 , par l'intermédiaire d'un tuyau d'alimentation, ou buse 2. Une surface de séparation 3 par exemple une membrane, représentée par un trait épais discontinu fermant la partie supérieure du réservoir 1 est amenée en vibration, vibration symbolisée par une double flèche verticale, et sous l'effet conjugué de la pression du premier fluide f-j symbolisé par une flèche à l'entrée de la buse 2 et de la vibration de la membrane 3, le procédé selon l'invention produit de petites particules 4j représentées sur la figure par des petits ronds, du premier fluide f-j dans le deuxième fluide f2 extérieur au réservoir 1 au passage du premier fluide f-| au travers de la membrane 3, par des trous 5j symbolisés par les interruptions du trait épais représentant la membrane 3.FIG. 1 briefly shows a block diagram of the method according to the invention. A first fluid f- | is introduced into a cavity, or reservoir 1, via a supply pipe, or nozzle 2. A separation surface 3 for example a membrane, represented by a thick broken line closing the upper part of the reservoir 1 is brought into vibration, vibration symbolized by a double vertical arrow, and under the combined effect of the pressure of the first fluid fj symbolized by an arrow at the inlet of the nozzle 2 and the vibration of the membrane 3, the process according to l The invention produces small particles 4j represented in the figure by small circles, from the first fluid fj in the second fluid f2 outside the reservoir 1 to the passage of the first fluid f- | through the membrane 3, by holes 5j symbolized by the interruptions of the thick line representing the membrane 3.
Dans le procédé selon l'invention la pression du premier fluide f-j est déterminée pour que le deuxième fluide f2 ne puisse pas pénétrer dans le réservoir 1 contenant le fluide f-j . En pratique, une surpression de quelques millibars est appliquée sur le premier fluide f-| . D'autre part, si une production ininterrompue de particules 4j, de bulles par exemple, est souhaitée, le réservoir 1 contenant le fluide f-j doit être suffisamment grand de façon à rendre négligeable la variation de pression lorsque les bulles 4j se libèrent de la membrane 3 dans le deuxième fluide f2. A l'inverse, si une génération séquencée de particules 4j est souhaitée, il est possible d'optimiser le volume du réservoir 1 contenant le premier fluide f-| . Il est toutefois possible d'intervenir sur la pression du premier fluide f-| et/ou sur l'excitation des vibrations.In the method according to the invention, the pressure of the first fluid fj is determined so that the second fluid f2 cannot enter the tank 1 containing the fluid fj. In practice, an overpressure of a few millibars is applied to the first fluid f- | . On the other hand, if an uninterrupted production of particles 4j, of bubbles for example, is desired, the reservoir 1 containing the fluid fj must be large enough so as to make the variation in pressure negligible when the bubbles 4j are released from the membrane 3 in the second fluid f2. Conversely, if a sequenced generation of 4j particles is desired, it it is possible to optimize the volume of the reservoir 1 containing the first fluid f- | . It is however possible to intervene on the pressure of the first fluid f- | and / or on the excitation of vibrations.
Avantageusement, la fréquence d'excitation des vibrations est déterminée pour coïncider avec la fréquence de résonance mécanique de la membrane 3. Ainsi l'amplitude des vibrations est maximale pour une efficacité optimale du procédé selon l'invention.Advantageously, the excitation frequency of the vibrations is determined to coincide with the mechanical resonance frequency of the membrane 3. Thus the amplitude of the vibrations is maximum for optimal efficiency of the method according to the invention.
Un premier mode de réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention est illustré par le schéma de la figure 2.A first embodiment of a device for implementing the method according to the invention is illustrated by the diagram in FIG. 2.
Le dispositif comporte un réservoir 6, par exemple cylindrique, contenant le premier fluide f-| introduit dans le réservoir 6 par l'intermédiaire d'une buse 7 couplée à une première face latérale 8 du réservoir 6. Une membrane 9, de forme circulaire dont le diamètre est compris entre le diamètre extérieur et le diamètre intérieur du réservoir cylindrique 6 est déposée sur une deuxième face latérale 10, opposée à la première face latérale 8, en forme de couronne correspondant à l'épaisseur de la paroi cylindrique du réservoir 6 et vient fermer le réservoir 6 contenant le premier fluide f-j . La membrane 9 correspond à la surface de séparation entre le premier fluide f-| et le deuxième fluide f2 extérieur au réservoir 6.The device comprises a reservoir 6, for example cylindrical, containing the first fluid f- | introduced into the tank 6 via a nozzle 7 coupled to a first lateral face 8 of the tank 6. A membrane 9, of circular shape whose diameter is between the outside diameter and the inside diameter of the cylindrical tank 6 is deposited on a second lateral face 10, opposite the first lateral face 8, in the form of a crown corresponding to the thickness of the cylindrical wall of the reservoir 6 and closes the reservoir 6 containing the first fluid fj. The membrane 9 corresponds to the separation surface between the first fluid f- | and the second fluid f2 outside the reservoir 6.
La membrane 9 est généralement perforée de petits trous 11 j de manière à diffuser le premier fluide f-| dans le deuxième fluide f2 au travers de la membrane 9 par les trous 11 j de faible diamètre de l'ordre de 0,2 mm. Toutefois pour certains matériaux tels que les céramiques ferroélectriques poreuses, la porosité du matériau suffit à la diffusion du fluide f-j dans le fluide f2* La membrane 9 comporte un nombre déterminé de trous 11 j dont les dimensions, la forme et la répartition sur la surface de la membrane 9 sont déterminées principalement en fonction du matériau utilisé pour la membrane 9, du mode d'excitation de la membrane 9 et des fluides f-j et f2* La membrane 9 est réalisée, par exemple, à partir d'un film plan en polymère quelconque. La découpe de la membrane 9 et des trous 11 j est obtenue par des techniques classiques d'usinage utilisées pour des matériaux de faible épaisseur. La membrane 9 est fixée sur le réservoir 6 par l'intermédiaire d'une couronne de fixation 12 de forme cylindrique dont les diamètres, extérieur et intérieur, correspondent à ceux du réservoir 6. L'étanchéïté du réservoir 6 est assurée par un joint 13 dont les diamètres, extérieur et intérieur, correspondent à ceux du réservoir 6. Le joint 13 est écrasé entre l'ensemble couronne/membrane et le réservoir 6. La membrane 6 est en outre couplée mécaniquement à un dispositif 14 transmettant un mouvement de vibration à la membrane 9 , mouvement symbolisé par une double flèche. Le dispositif 14 est placé dans le réservoir 6 contenant le fluide f-| et il est par exemple centré par rapport à la membrane 9 et repose sur la première face latérale 8, ou fond, du réservoir 6.The membrane 9 is generally perforated with small holes 11 j so as to diffuse the first fluid f- | in the second fluid f2 through the membrane 9 through the holes 11 j of small diameter of the order of 0.2 mm. However for certain materials such as porous ferroelectric ceramics, the porosity of the material is sufficient for the diffusion of the fluid fj in the fluid f2 * The membrane 9 has a determined number of holes 11 j whose dimensions, shape and distribution over the surface of the membrane 9 are determined mainly as a function of the material used for the membrane 9, of the mode of excitation of the membrane 9 and of the fluids fj and f2 * The membrane 9 is produced, for example, from a flat film in any polymer. The cutting of the membrane 9 and the holes 11 j is obtained by conventional machining techniques used for thin materials. The membrane 9 is fixed to the tank 6 by means of a fixing ring 12 of cylindrical shape whose diameters, outside and inside, correspond to those of the tank 6. The sealing of the tank 6 is ensured by a seal 13 whose diameters, exterior and interior, correspond to those of the reservoir 6. The seal 13 is crushed between the crown / membrane assembly and the reservoir 6. The membrane 6 is also mechanically coupled to a device 14 transmitting a vibration movement to the membrane 9, movement symbolized by a double arrow. The device 14 is placed in the reservoir 6 containing the fluid f- | and it is for example centered with respect to the membrane 9 and rests on the first lateral face 8, or bottom, of the reservoir 6.
Le dispositif vibrant 14 est par exemple un moteur étanche au fluide f-j . En vibrant, il transmet les vibrations mécaniques à la membrane 9 à une fréquence coïncident avec la fréquence de résonance mécanique de la membrane 9 pour la production de particules 15j du premier fluide f-j dans le deuxième fluide f2*The vibrating device 14 is for example a fluid-tight motor f-j. By vibrating, it transmits the mechanical vibrations to the membrane 9 at a frequency coinciding with the mechanical resonance frequency of the membrane 9 for the production of particles 15j of the first fluid f-j in the second fluid f2 *
La figure 3 représente une vue de détail de la figure 2 délimitée par un cercle en trait interrompu.FIG. 3 represents a detail view of FIG. 2 delimited by a circle in broken lines.
Cette figure représente une partie de la membrane 9 percée d'un trou 11 j séparant le premier fluide f-j du deuxième fluide f2* Le fluide f-j sous l'effet conjugué de sa pression, symbolisée par une flèche verticale, sur la membrane 9 et du mouvement de vibration de la membrane 9, symbolisé par une double flèche, pénètre dans le trou 11 j , et une particule 15j du premier fluide f-| commence à se former dans le deuxième fluide f2*This figure represents a part of the membrane 9 pierced with a hole 11 j separating the first fluid fj from the second fluid f2 * The fluid f- j under the combined effect of its pressure, symbolized by a vertical arrow, on the membrane 9 and of the vibration movement of the membrane 9, symbolized by a double arrow, enters the hole 11 j, and a particle 15j of the first fluid f- | begins to form in the second fluid f2 *
Dans un deuxième mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention, représenté par la figure 4 une membrane 16 est constituée d'un matériau métallique et/ou magnétique. Dans ce cas le dispositif vibrant est, par exemple, un électroaimant 17 permettant de transmettre un mouvement oscillatoire à la membrane 16, soit par effet magnétique direct si la membrane 16 est un alliage à haute perméabilité magnétique, soit par effet secondaire dû aux courants de Foucault induits dans la membrane 16 si elle est réalisée à partir d'un matériau électriquement conducteur. Dans ce mode de réalisation il n'y a pas nécessairement de couplage mécanique entre l'électroaimant 17 et la membrane 16. Le réservoir 6 étant du même type que pour le mode de réalisation précédent il n'est pas redécrit, de même que pour le mode de fixation de la membrane 16 sur le réservoir 6. Dans un troisième mode de réalisation représenté par la figure 5, un dispositif selon l'invention comporte une membrane 18 perforée de trous 19j constituée d'un matériau dont la propriété principale est de se déformer mécaniquement lorsqu'une excitation électrique lui est appliquée. Ce matériau est par exemple de type piézoélectrique. Plusieurs types de matériaux piézoélectriques conviennent particulièrement à cette application notamment des polymères ferroélectriques, des matériaux ferroélectriques de tout type, des céramiques ferroélectriques poreuses, des matériaux electrostrictifs etc.. Ainsi lorsqu'un champ électrique alternatif de fréquence déterminée est appliquée entre des électrodes déposées sur la surface d'un matériau piézoélectrique, celui-ci subit une déformation à la même fréquence.In a second embodiment of a device according to the invention, represented by FIG. 4, a membrane 16 is made of a metallic and / or magnetic material. In this case the vibrating device is, for example, an electromagnet 17 making it possible to transmit an oscillatory movement to the membrane 16, either by direct magnetic effect if the membrane 16 is an alloy with high magnetic permeability, or by secondary effect due to the currents of Eddy induced in the membrane 16 if it is made from an electrically conductive material. In this embodiment there is not necessarily any mechanical coupling between the electromagnet 17 and the membrane 16. The reservoir 6 being of the same type as for the previous embodiment, it is not redescribed, as is the case for the method of fixing the membrane 16 to the reservoir 6. In a third embodiment represented by FIG. 5, a device according to the invention comprises a membrane 18 perforated with holes 19j made of a material whose main property is to deform mechanically when an electrical excitation is applied to it. This material is for example of the piezoelectric type. Several types of piezoelectric materials are particularly suitable for this application, in particular ferroelectric polymers, ferroelectric materials of all types, porous ferroelectric ceramics, electrostrictive materials, etc. Thus, when an alternating electric field of determined frequency is applied between electrodes deposited on the surface of a piezoelectric material, it undergoes deformation at the same frequency.
Le dispositif comporte également un réservoir 20, une couronne de fixation 21 et un joint d'étanchéïté 22 de forme identique aux modes de réalisation précédents. Le réservoir 20 et la couronne de fixation 21 sont réalisés dans un matériau conducteur de l'électricité et le joint d'étanchéïté 22 dans un matériau isolant électrique.The device also comprises a reservoir 20, a fixing ring 21 and a seal 22 of identical shape to the previous embodiments. The reservoir 20 and the fixing ring 21 are made of an electrically conductive material and the seal 22 in an electrically insulating material.
Dans ce mode de réalisation, une première face 23 et une deuxième face 24 de la membrane 18 sont recouverte respectivement sur toute leur surface, sans obstruer les trous 19j de la membrane 18, d'une métallisation pour former respectivement une première électrode 25 et une deuxième électrode 26. Les électrode 25 et 26 viennent prendre en sandwich la membrane piézoélectrique 18 La reprise de contact électrique entre la première électrode 25 de la membrane 18 et le réservoir 20 est effectuée par l'intermédiaire d'un insert métallique 27 en forme de couronne dont le diamètre intérieur correspond au diamètre intérieur du réservoir 20 et le diamètre extérieur au diamètre de la membrane 18. L'insert 27 est pincé entre la première électrode 25 de la membrane 18 et le réservoir 20 par l'intermédiaire de la couronne de fixation 21 via le joint d'étanchéïté 22 et une tension d'excitation V est appliquée à la membrane 18 par l'intermédiaire de l'insert 27 en contact avec la première l'électrode 25. Un fil conducteur électrique 28 amène la tension d'excitation V sur l'insert 27 en passant à travers le fond 29 du réservoir 20 par l'intermédiaire d'une traversée étanche 30, à l'intérieur du réservoir 20 contenant le premier fluide f -j . Une reprise de contact entre la masse mécanique et un potentiel servant de référence est effectuée par exemple sur le fond 29 du réservoir 20. Le potentiel de référence, par exemple la masse M, est ramené sur la deuxième électrode 26 de la membrane 18, par l'intermédiaire de la couronne de fixation 21 , qui est reliée mécaniquement et électriquement au réservoir 20, par exemple par des vis 31 j. L'excitation de la membrane 18 qui va engendrer la formation de particules 32j s'effectue par des moyens 33 de production de signaux électriques, par exemple un générateur de signaux sinusoïdaux ou carrés couplé à un amplificateur de puissance non représentés. La fréquence et le niveau de l'excitation dépendent de paramètres tels que :In this embodiment, a first face 23 and a second face 24 of the membrane 18 are covered respectively over their entire surface, without obstructing the holes 19j of the membrane 18, with a metallization to respectively form a first electrode 25 and a second electrode 26. The electrode 25 and 26 sandwich the piezoelectric membrane 18 The resumption of electrical contact between the first electrode 25 of the membrane 18 and the reservoir 20 is effected by means of a metal insert 27 in the form of crown whose internal diameter corresponds to the internal diameter of the reservoir 20 and the external diameter to the diameter of the membrane 18. The insert 27 is clamped between the first electrode 25 of the membrane 18 and the reservoir 20 by means of the crown fastening 21 via the seal 22 and an excitation voltage V is applied to the membrane 18 via the insert 27 in contact with the first electrode 25. An electric conducting wire 28 brings the excitation voltage V to the insert 27 by passing through the bottom 29 of the reservoir 20 via a sealed passage 30, inside the tank 20 containing the first fluid f -j. A resumption of contact between the mechanical mass and a potential serving as a reference is carried out for example on the bottom 29 of the reservoir 20. The reference potential, for example the mass M, is brought back to the second electrode 26 of the membrane 18, by via the fixing ring 21, which is mechanically and electrically connected to the reservoir 20, for example by screws 31 j. The excitation of the membrane 18 which will generate the formation of particles 32j is effected by means 33 of producing electrical signals, for example a generator of sinusoidal or square signals coupled to a power amplifier not shown. The frequency and level of excitation depend on parameters such as:
- les propriétés piézoélectriques du matériau utilisé,- the piezoelectric properties of the material used,
- le diamètre et l'épaisseur de la membrane 18,- the diameter and thickness of the membrane 18,
- la géométrie et la répartition des trous 19j,- the geometry and the distribution of the holes 19j,
- les conditions mécaniques d'encastrement de la membrane 18 sur le réservoir 20, etc..the mechanical conditions for embedding the membrane 18 on the tank 20, etc.
La figure 6 représente un détail de la figure 5 repéré par un cercle en trait interrompu. Ce détail représente une partie de la membrane 18 perforée d'un trou 19j. La première face 23 et la deuxième face 24 de la membrane 18 sont métallisée et servent d'électrodes 25 et 26 entre lesquelles est appliquée la tension d'excitation V délivrée par les moyens 33 de production de signaux électriques. Le principe de formation de particules restant le même que celui décrit pour la figure 3, il ne sera donc pas redécrit.FIG. 6 represents a detail of FIG. 5 marked by a circle in broken lines. This detail represents a part of the membrane 18 perforated with a hole 19j. The first face 23 and the second face 24 of the membrane 18 are metallized and serve as electrodes 25 and 26 between which is applied the excitation voltage V delivered by the means 33 for producing electrical signals. The principle of particle formation remaining the same as that described for FIG. 3, it will therefore not be re-described.
Un quatrième mode de réalisation représenté par la figure 7 est une variante du mode de réalisation précédent. Dans ce mode de réalisation la membrane 18 est recouverte partiellement par la première électrode 25 et la deuxième électrode 26 qui forment, respectivement sur la première face 23 et la deuxième face 24 de la membrane 18, une couronne sur le périmètre de la membrane 18 dont la largeur doit être suffisante pour que l'amplitude des vibrations soit optimale pour la formation des particules 32j, et pour amener la tension d'excitation entre les deux électrodes 25 et 26 respectivement par l'intermédiaire de l'insert 27 et de la couronne de fixation 21. La figure 8 représente un cinquième mode de réalisation similaire au troisième mode de réalisation illustré par la figure 5 mais ou le fluide contenu dans le réservoir 20 peut être un fluide conducteur f '-j . Le dispositif comporte une membrane 34 percée de trous 35j dont une première électrode 36 et une deuxième électrode 37 sont isolées électriquement l'une par rapport à l'autre et vis-à-vis du fluide conducteur f '-j . Pour cela les électrodes 36 et 37 de la membrane 34 sont recouvertes respectivement d'une première couche 38 et d'une deuxième couche 39 d'isolant électrique, par exemple un polymère isolant, excepté dans la zone ou un contact électrique doit être maintenu c'est-à-dire dans la partie de la membrane 34 qui est pincée entre la couronne de fixation 21 et l'insert métallique 27. De même, la paroi interne du réservoir 20 et la partie de l'insert 27 en contact avec le fluide conducteur f '-| sont recouverts, par exemple, par une couche 40 de polymère isolant électrique. Le conducteur électrique 28 sera bien entendu isolé. Les couches 38 et 39 servent aussi de couches protectrices des électrodes 36 et 37.A fourth embodiment represented by FIG. 7 is a variant of the previous embodiment. In this embodiment, the membrane 18 is partially covered by the first electrode 25 and the second electrode 26 which form, respectively on the first face 23 and the second face 24 of the membrane 18, a crown on the perimeter of the membrane 18, of which the width should be sufficient for the amplitude of the vibrations to be optimal for the formation of the particles 32j, and for bringing the excitation voltage between the two electrodes 25 and 26 respectively via the insert 27 and the fixing ring 21. FIG. 8 represents a fifth embodiment similar to the third embodiment illustrated by FIG. 5 but where the fluid contained in the reservoir 20 can be a conductive fluid f ′ -j. The device comprises a membrane 34 pierced with holes 35j, a first electrode 36 and a second electrode 37 are electrically insulated from one another and from the conductive fluid f '-j. For this, the electrodes 36 and 37 of the membrane 34 are covered respectively with a first layer 38 and with a second layer 39 of electrical insulator, for example an insulating polymer, except in the area where an electrical contact must be maintained. '' in other words in the part of the membrane 34 which is pinched between the fixing ring 21 and the metal insert 27. Likewise, the internal wall of the reservoir 20 and the part of the insert 27 in contact with the conductive fluid f '- | are covered, for example, by a layer 40 of electrically insulating polymer. The electrical conductor 28 will of course be isolated. The layers 38 and 39 also serve as protective layers for the electrodes 36 and 37.
Pour éviter un contact électrique entre les deux électrodes 36 et 37 lors du passage du fluide conducteur f '-| dans les trous 35j, la métallisation formant les électrodes 36 et 37 est en retrait par rapport au trou 35j et la couche en polymère isolant 38 et 39 comble ce retrait sans pour autant obstruer les trous 35j.To avoid electrical contact between the two electrodes 36 and 37 during the passage of the conductive fluid f '- | in the holes 35j, the metallization forming the electrodes 36 and 37 is set back with respect to the hole 35j and the layer of insulating polymer 38 and 39 fills this shrinkage without obstructing the holes 35j.
Un détail de la membrane repéré par un cercle en trait interrompu sur la figure 8 est représenté par la figure 9.A detail of the membrane identified by a circle in broken lines in FIG. 8 is represented by FIG. 9.
Sur cette figure une partie de la membrane 34 percée d'un trou 35j est représentée. La première électrode 36 et la deuxième électrode 37 sont déposées respectivement sur chacune des faces de la membrane 34 en laissant un espace 37j non métallisé autour du trou 35j pour permettre aux couches 38 et 39 en polymère isolant, déposé sur la métallisation, de combler cet espace sans obstruer le trou 35j. Le principe de formation de particules étant le même que pour les modes de réalisation précédents, il n'est donc pas redécrit.In this figure, part of the membrane 34 pierced with a hole 35j is shown. The first electrode 36 and the second electrode 37 are deposited respectively on each of the faces of the membrane 34 leaving a space 37j not metallized around the hole 35j to allow the layers 38 and 39 of insulating polymer, deposited on the metallization, to fill this space without obstructing hole 35j. The training principle of particles being the same as for the previous embodiments, it is therefore not redescribed.
Les figures 10a et 10b illustrent respectivement une vue de face et une coupe selon l'axe A -A d'un morceau rectangulaire 40 d'un film constituant une membrane. Trois trous 41 , 42, 43 sont percés dans le film sur un même axe qui est l'axe de coupe A -A. La forme des trous 41 , 42, 43 est optimisée suivant les diverses configurations du dispositif selon l'invention en fonction du type d'oscillation utilisé par le dispositif, de sa géométrie etc.. Parmi les formes possibles, celles des figures 10a et 10b représentent, de gauche à droite, des formes cylindrique 41 , conique 42 et en étoile 43.Figures 10a and 10b respectively illustrate a front view and a section along the axis A -A of a rectangular piece 40 of a film constituting a membrane. Three holes 41, 42, 43 are drilled in the film on the same axis which is the cutting axis A -A. The shape of the holes 41, 42, 43 is optimized according to the various configurations of the device according to the invention according to the type of oscillation used by the device, its geometry, etc. Among the possible shapes, those of FIGS. 10a and 10b represent, from left to right, cylindrical 41, conical 42 and star 43 shapes.
A titre d'exemple, une membrane circulaire est réalisée dans un film plan en polymère piézoélectrique du type PVDF, métallisée sur ses deux faces, dont le diamètre est de l'ordre de 50 millimètres et l'épaisseur de l'ordre de 25 micromètres. Les trous de la membrane ont un diamètre d'environ 0,2 millimètre. Le premier fluide f-| , est par exemple de l'air, ou de l'oxygène, insufflé à l'intérieur du réservoir contenant le premier fluide f*1 et des bulles d'air ou d'oxygène de diamètre équivalent au diamètre des trous sont produites dans le deuxième fluide f2 par exemple de l'eau. Typiquement, pour la configuration qui vient d'être décrite, la fréquence d'excitation est de quelques KHz et le niveau de tension d'excitation de la membrane est compris entre 50 V et 100 V.By way of example, a circular membrane is produced in a flat film of piezoelectric polymer of the PVDF type, metallized on its two faces, the diameter of which is of the order of 50 millimeters and the thickness of the order of 25 micrometers . The holes in the membrane have a diameter of about 0.2 millimeters. The first fluid f- | , is for example air, or oxygen, blown inside the tank containing the first fluid f * 1 and bubbles of air or oxygen of diameter equivalent to the diameter of the holes are produced in the second fluid f2, for example water. Typically, for the configuration which has just been described, the excitation frequency is a few KHz and the excitation voltage level of the membrane is between 50 V and 100 V.
Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits. Notamment, la géométrie et les dimensions des éléments constituant le dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention doivent être adaptées en fonction des fluides f-j et f2 utilisés. Of course, the invention is not limited to the embodiments previously described. In particular, the geometry and the dimensions of the elements constituting the device for implementing the method according to the invention must be adapted as a function of the fluids f-j and f2 used.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de production de particules d'un premier fluide (f-j ) dans un deuxième fluide (f2), les deux fluides (f-| et f2) étant non miscibles entre eux, caractérisé en ce qu'il consiste à introduire le premier fluide (f-| ) dans une cavité (1 ) fermée par au moins une membrane (3) déformable sous l'effet d'un champ magnétique comportant un nombre déterminé de trous (5j) et séparant le premier fluide (f-|) du deuxième fluide (f2) extérieur à la cavité (1 ), à exciter la membrane (3) pour la faire vibrer à une fréquence déterminée en fonction de la fréquence de résonance mécanique de la membrane (3), et sous l'effet conjugué de la pression du premier fluide (f -j ) sur la membrane (3) et du mouvement de vibration de la membrane (3), à former des particules (4j) du premier fluide (f*) ) dans le deuxième fluide (f2) au passage du premier fluide (f-j ) au travers des trous (5j) de la membrane (3), dont les dimensions sont déterminées en fonction de l'amplitude de l'effet conjugué de la pression et du mouvement de vibration, et des dimensions des trous (5j) de la membrane (3), les particules (4j) du premier fluide (f-j ) se libérant de la membrane (3) dans le deuxième fluide (f2) quand elles (4j) ont atteint des dimensions voisines de celles imposées par les trous (5j).1. Method for producing particles of a first fluid (fj) in a second fluid (f2), the two fluids (f- | and f2) being immiscible with each other, characterized in that it consists in introducing the first fluid (f- |) in a cavity (1) closed by at least one membrane (3) deformable under the effect of a magnetic field comprising a determined number of holes (5j) and separating the first fluid (f- |) of the second fluid (f2) outside the cavity (1), to excite the membrane (3) to make it vibrate at a frequency determined as a function of the mechanical resonance frequency of the membrane (3), and under the combined effect the pressure of the first fluid (f -j) on the membrane (3) and the vibration movement of the membrane (3), to form particles (4j) of the first fluid (f *)) in the second fluid (f2 ) when the first fluid (fj) passes through the holes (5j) of the membrane (3), the dimensions of which are determined according to the amplitude ude of the combined effect of pressure and vibration movement, and of the dimensions of the holes (5j) of the membrane (3), the particles (4j) of the first fluid (fj) releasing from the membrane (3) in the second fluid (f2) when they (4d) have reached dimensions close to those imposed by the holes (5d).
2. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il comporte une cavité (6 ; 20) contenant le premier fluide (f-j ) percée d'au moins un trou permettant l'introduction du premier fluide (f-j ) dans la cavité (6 ; 20) et dont au moins une extrémité (10) est fermée par une membrane (16 ; 18 ; 34) comportant un nombre déterminé de trous (11 j ; 19j ; 35j) de dimensions déterminées, formant une séparation entre le premier fluide (f -j ) contenu dans la cavité (6 ; 20) et le deuxième fluide (f2) extérieur à la cavité (6 ; 20), et comporte en outre des moyens pour transmettre un mouvement de vibration à la membrane (16 ; 18 ; 34).2. Device for implementing the method of claim 1, characterized in that it comprises a cavity (6; 20) containing the first fluid (fj) pierced with at least one hole allowing the introduction of the first fluid (fj) in the cavity (6; 20) and of which at least one end (10) is closed by a membrane (16; 18; 34) comprising a determined number of holes (11d; 19d; 35d) of determined dimensions, forming a separation between the first fluid (f -j) contained in the cavity (6; 20) and the second fluid (f2) outside the cavity (6; 20), and further comprises means for transmitting a vibration movement to the membrane (16; 18; 34).
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la membrane (16) est constituée d'un matériau sensible à une excitation magnétique et en ce que les moyens pour lui transmettre un mouvement de vibration comporte un dispositif (17) produisant un champ magnétique. 3. Device according to claim 2, characterized in that the membrane (16) consists of a material sensitive to magnetic excitation and in that the means for transmitting to it a vibration movement comprises a device (17) producing a field magnetic.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau constituant la membrane (16) est un matériau conducteur électrique sensible à un effet magnétique secondaire dû aux courants de Foucault. 4. Device according to claim 3, characterized in that the material constituting the membrane (16) is an electrically conductive material sensitive to a secondary magnetic effect due to the eddy currents.
5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le matériau constituant la membrane (16) est un matériau magnétique sensible à un effet magnétique direct.5. Device according to claim 3, characterized in that the material constituting the membrane (16) is a magnetic material sensitive to a direct magnetic effect.
6. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que la cavité est un réservoir (20) conduisant l'électricité, en ce que la membrane (18 ; 34) est constituée d'un matériau piézoélectrique sensible à une excitation électrique (V), en ce que les moyens pour transmettre le mouvement de vibration à la membrane (18 ; 34) comportent un premier moyen (33) générant l'excitation électrique (V), un deuxième moyen (25 ; 36, 27, 28) transmet l'excitation électrique (V) sur la membrane (18 ; 34), et un troisième moyen (21 , 26 ; 37, 31 j) de fixation étanche de la membrane (18 ; 34) sur le réservoir (20) et de transmission d'un potentiel (M) servant de potentiel de référence à l'excitation électrique (V).6. Device according to claim 2, characterized in that the cavity is a reservoir (20) conducting electricity, in that the membrane (18; 34) consists of a piezoelectric material sensitive to electrical excitation (V) , in that the means for transmitting the vibration movement to the membrane (18; 34) comprise a first means (33) generating the electrical excitation (V), a second means (25; 36, 27, 28) transmits the electrical excitation (V) on the membrane (18; 34), and a third means (21, 26; 37, 31 j) for sealing the membrane (18; 34) tightly on the reservoir (20) and for transmitting 'a potential (M) serving as a reference potential for electrical excitation (V).
7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le premier moyen (33) comporte au moins un générateur de signaux électriques délivrant une tension (V) d'excitation de la membrane (18 ; 34), en ce que le deuxième moyen comporte une liaison électrique (28) amenant la tension d'excitation (V) sur une première électrode (25 ; 36) déposée sur une première face (23) de la membrane (18 ; 34) en regard du premier fluide (f-j ) et en ce que le troisième moyen comporte une couronne de fixation (21 ) conduisant l'électricité et fixant la membrane (18 ; 34) sur le réservoir (20) de façon étanche par l'intermédiaire d'un joint d'étanchéïté (22) isolant électrique pincé entre la membrane (18 ; 34) et le réservoir (20), la couronne (21 ) permettant en outre de transmettre le potentiel de référence (M) sur une deuxième électrode (26 ; 37) déposée sur une deuxième face (24) de la membrane (18 ; 34) en regard du deuxième fluide (f2), les deux électrodes étant isolée électriquement l'une de l'autre.7. Device according to claim 6, characterized in that the first means (33) comprises at least one generator of electrical signals delivering a voltage (V) excitation of the membrane (18; 34), in that the second means comprises an electrical connection (28) bringing the excitation voltage (V) to a first electrode (25; 36) deposited on a first face (23) of the membrane (18; 34) facing the first fluid (fj) and in that the third means comprises a fixing ring (21) conducting the electricity and fixing the membrane (18; 34) on the reservoir (20) in a leaktight manner by means of a seal (22) electrical insulator pinched between the membrane (18; 34) and the reservoir (20), the crown (21) also making it possible to transmit the reference potential (M) on a second electrode (26; 37) deposited on a second face ( 24) of the membrane (18; 34) opposite the second fluid (f2), the two electrodes being electrically isolated from each other.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que les électrodes (25 ; 36, 26 ; 37) et l'intérieur du réservoir (20) sont recouverts d'une couche d'isolant électrique (36, 39, 40) pour les isoler électriquement d'un fluide conducteur (f *-j ) contenu dans le réservoir (20). 8. Device according to any one of claims 6 and 7, characterized in that the electrodes (25; 36, 26; 37) and the interior of the reservoir (20) are covered with a layer of electrical insulator (36, 39, 40) to electrically isolate them from a conductive fluid (f * -j) contained in the reservoir (20).
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