Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2006/131629 PCT/FR2006/001263
DISPOSITIF AUTONOME D'ATOMISATION A DISQUE TOURNANT
La présente invention concerne un système portatif destiné à atomiser de façon
autonome
ou non un liquide contenu dans un réservoir. Ce système est composé d'un
disque, bol ou autre
objet à symétrie de révolution axiale en rotation atomisant le liquide, d'un
dispositif
d'alimentation en liquide du disque à partir d'un réservoir fixe ou amovible
et interchangeable et
si nécessaire d'un ventilateur destiné à orienter dans la direction souhaitée
les trajectoires des
gouttes issues du disque en rotation. Selon les applications, ce système est
mis en mouvement
par un moteur électrique alimenté par le secteur, pile, batterie ou toute
autre source d'énergie
telle que l'énergie solaire, un moteur pneumatique ou par une éolienne
entraînant le rotor
~ directement ou par l'intermédiaire d'un système multiplicateur ou
démultiplicateur.
Lorsque le système est mis en mouvement par un moteur électrique alimenté par
une pile
ou batterie, la présente invention est plus particulièrement destinée à
générer de façon autonome
des aérosols à usage domestique : cosmétiques, produits d'entretien, produits
pharmaceutiques,
produits alimentaires, peintures, vernis. Lorsque le système est mis en
mouvement par un moteur
électrique alimenté par le secteur ou un moteur pneunlatique permettant ainsi
un moindre coût de
fonctionnement, la présente invention est plus particulièrement destinée à
générer des aérosols
techniques à usage plus intensif. Lorsque le système est directement mis en
mouvement par une
éolienne ou lorsque la source d'énergie provient d'une énergie renouvelable
telle que l'énergie
solaire, l'invention est plus spécialement destinée à une utilisation
permanente ou semi-
>.o permanente en milieu isolé, par exemple l'oxygénation de l'eau dans les
installations de
lagunage ou la pulvérisation d'eau salée en vue de son dessalement. Les
applications et les
exemples donnés ici le sont uniquement à titre d'illustration et ne sônt pas
limitatifs ni exclusifs.
Il est connu que lorsqu'on veut pulvériser des liquides sous forme de gouttes
de petites
tailles et avec un débit important, on peut le faire de deux façons
différeiltes. La première
25 méthode, appelée atomisation par buse consiste à expulser un liquide
contenu dans un réservoir
sous pression au travers d'une buse. Au passage de cette buse il y a
pulvérisation du liquide et
formation de gouttelettes dont le débit et la taille dépendent de la pression
amont, de la forme des
buses et de la méthodologie de mise sous pression. La deuxième méthode,
appelée atomisation
par disque tournant, résulte de la fragmentation naturelle ou contrôlée en
gouttes d'un liquide
30 issu d'un disque en rotation rapide. Le débit et la taille des gouttes
dépendent principalement de
la vitesse de rotation et des dimensions de l'objet en rotation. Dans les
installations industrielles
fixes de pulvérisation, les deux techniques sont utilisées concurremment,
selon les produits à
pulvériser. Dans le cas où on utilise des disques tournants, les diamètres des
disques ont
couramment des diamètres supérieurs à 5 cm et sont entraînés par des moteurs
dont la puissance
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est principalement liée à la nature des produits à pulvériser. Dans le cas où
on utilise des buses,
la mise sous pression du liquide est faite dans la majorité des, cas par un
compresseur d'air dédié
à l'appareil ou par le réseau d'air comprimé de l'usine.
Dans le cas des applications domestiques ou des installations industrielles
autonomes et
portatives, les appareils les plus couramment utilisés sont les générateurs
d'aérosols, souvent
appelés bombes aérosols, constitués d'un réservoir contenant du liquide actif
mis sous pression
par un gaz et atomisé au travers d'une buse. Les gaz utilisés sont, soit des
gaz comprimés sous
des pressions de plusieurs bars (par exemple le C02), soit des gaz dissous,
soit dans certains cas
des gaz liquéfiés. Ces gaz appelés gaz propulseurs sont accusés de participer
à l'effet de serre
(C02) et/ou d'avoir une certaine dangerosité, ainsi le gaz dissous le plus
souvent utilisé est le
butane, hautement inflammable. Par ailleurs, les bombes aérosols sont soumises
à la législation
des appareils sous pression. Certains générateurs d'aérosols portables
utilisent des disques ou des
turbines pour atomiser les liquides. L'examen des brevets français 2 371 969,
FR 49092, US
6138925, US 5727 541 rnoiltre que dans tous les cas le tube d'alimentation du
liquide est
terminé par un ou des orifices de petites sections destinés à mettre sous
pression le liquide et que
finalement le disque ou la turbine est alimentée par un ou plusieurs jets, ne
permettant pas au
liquide de s'étaler directement de façon homogène sur le disque ou la turbine.
L'invention a pour but de proposer un atomiseur portatif et/ou autonome à
usage
domestique ou industriel, ne nécessitant aucun gaz propulseur, assurant toutes
les fonctions pour
0 produire un aérosol à partir d'un réservoir placé à la pression
atmosphérique ou à une pression
voisine de la pression atmosphérique, suffisamment faible pour ne pas être
placée dans le champ
réglementaire des appareils sous pression. Ce système est compatible avec les
têtes d'atomisation
d'aérosols contrôlés décrites dans le brevet français 04 03679. Il ne
nécessite pas la présence
d'orifices à l'amont du disque. L'absence de gaz propulseur, la
miniaturisation, la réunion dans
>.5 un même ensemble de plusieurs fonctions habituellement séparéés, l'absence
d'orifices ou de
buses, toujours susceptibles de se boucher et sources de perturbation des
écoulements ainsi que
la possibilité de contrôler efficacement la granulométrie constituent des
avantages certains par
rapport aux techniques actuellement utilisées.
Pour la bonne compréhension de la description des différentes réalisations, il
est
30 préalablement rappelé 1) que les fonctions à remplir pour atteindre un tel
but sont de mettre en
mouvement de rotation rapide un disque, bol ou toute autre objet à symétrie de
révolution axiale,
d'alimenter en liquide au moins une face de ce disque, bol ou objet à symétrie
de révolution
axiale avec un débit suffisant et, si nécessaire, de modifier la trajectoire
des gouttes,
naturellement dans le plan du disque, afin qu'elles atteignent aisément la
cible recherchée ; 2)
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que l'énergie à fournir pour disperser du liquide en gouttes au bord d'un
disque en rotation est
en régime permanent de l'ordre de quelques watts pour des débits de quelques
cm3/s, débits
usuellement utilisés dans ces applications ; 3) que l'énergie à fournir pour
alimenter le disque en
~
liquide dépend de la différence de charge entre le réservoir et le disque, du
débit et des pertes au
niveau des écoulements et que typiquement la puissance à fournir pour élever
de l'eau de
quelques cm avec un débit de l'ordre de quelques cm3/s est de quelques
milliwatts ; 4) que le
vortex créé lors de la mise en rotation d'un volume liquide dans un récipient
à surface libre
modifie la surface libre, lui donnant la forme d'un paraboloïde de révolution
dont la hauteur près
des parois est supérieure à la hauteur au repos, 5) que la pression statique
et la pression
0 dynamique qui existent de part et d'autre du plan de l'hélice du ventilateur
sont différentes de la
pression atmosphérique et ont une valeur qui peut être approchée par la loi de
Bernoulli.
L'invention atteint son but grâce à des perfectionnements apportés aux
dispositifs du type
pulvérisateur à disque, comportant un disque plan, coupelle ou objet à
symétrie de révolution
axiale entraîné par un moteur. Ces perfectionnements sont caractérisés par
l'utilisation de
i5 disques de petits diamètres, de l'ordre du centimètre, par l'intégràtion
sur l'axe moteur-disque,
du dispositif d'alimentation en liquide et du ventilateur servant à orienter
les aérosols produits,
par le raccordement de cet ensemble au réservoir, par l'absence de buses ou
orifices à l'amont du
disque plan, coupelle ou objet à symétrie de révolution, par l'utilisation de
la surpression créée
près du ventilateur et par la possibilité de contrôler la taille des aérosols
produits.
20 Les divers modes de réalisation décrits ci-après à titre d'illustration
pour atteindre le but
recherché ont en commun le fait qu'ils comportent d'une part un rotor mettant
en rotation le
disque, participant à son alimentation en liquide et portant l'hélice du
ventilateur si il est
nécessaire, et d'autre part un bâti, comportant les parties fixes du
ventilateur, du dispositif
d'alimentation en liquide, le réservoir ou le dispositif de fixation du
réservoir, diverses conduites
25 ainsi que les organes de commande et de contrôle. Ils différent
principalement par la nature du
dispositif d'alimentation en liquide du disque, par la position relative des
divers éléments, par le
mode d'entraînement et par la source d'énergie.
Selon un mode de réalisation du système selon l'invention tel qu'on peut le
voir sur la
figure 1, le rotor est constitué d'une tige (1) entraînée par le rotor (3) du
moteur, supportant un
30 joint tournant (2) et éventuellement le rotor (4) du ventilateur. Cette
tige (1) est à axe creux et
comporte à une de ses extrémités un disque plan, coupelle ou objet à symétrie
de révolution
axiale (5). Son autre extrémité (6) plonge dans le réservoir (7) contenant le
liquide à pulvériser
(8). Le bâti supporte le stator du moteur (9), le système de fixation du
réservoir (10), par
exemple par vissage, l'emplacement de la source d'énergie (11), les
connecteurs électriques et
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l'interrupteur (12). Ce bâti est traversé d'une part par le circuit
d'alimentation (13) en air de
l'hélice (4) du ventilateur et d'autre part, lorsque le système est muni d'un
ventilateur, par une
conduite dont l'extrémité proche du plan de l'hélice du ventilateur (14)
constitue une prise de
pression statique ou dynamique et dont l'autre extrémité débouche dans le
réservoir (7) au dessus
ou en dessous de la surface libre du liquide. Lorsque l'extrémité est au
dessus de la surface libre
du liquide, le réservoir est à pression constante, lorsque l'extrémité est en
dessous de la surface
libre, le réservoir fonctionne à la manière d'un vase de Mariotte. Cette
conduite peut être munie
à l'extrémité (7) d'un clapet anti-retour (15). Le bâti est placé dans uné
enveloppe (16) percée de
prises d'air (17) et assurant le design du système. Le bâti peut être muni
d'un capuchon (18)
0 protégeant le disque contre les chocs et la saleté et assurant l'étanchéité
du système. Lors de la
mise en rotation du disque par fermeture de l'interrupteur, un vortex forcé se
crée à l'intérieur de
l'axe. La surface libre monte le long des parois jusqu'à atteindre la surface
du disque (selon la
vitesse de rotation) et permettre ainsi l'écoulement sur le disque .
L'efficacité du pompage peut
être améliorée en vrillant la surface intérieure de l'axe à la manière d'une
vis d'Archimède, ainsi
que par la mise sous pression du réservoir dans le cas de la présence du
ventilateur grâce à la
conduite (14) reliant le plan proche du ventilateur au réservoir. Le clapet
anti-retour empêche
dans ce cas le remplissage de ce conduit par le liquide (8) de pulvérisation
en cas de fausse
manceuvre ou d'utilisation réservoir en haut.
Selon un autre mode de réalisation du système selon l'invention tel qu'on peut
le voir sur
la figure 2, mode de réalisation plus particulièrement destiné aux
applications de lagunage, de
traitement de l'eau et /ou de dessalage, dans lesquelles le réservoir (8) est
une grande étendue
d'eau à surface libre, comparée aux dimensions du système : le rotor est
constitué d'une tige (1)
entraînée par le rotor (3) du moteur. Cette tige est à axe creux et comporte à
une de ses
extrémités un disque plan, coupelle ou objet à symétrie de révolution axiale
(5). Son autre
extrémité (6) plonge dans le réservoir (7) contenant le liquide à pulvériser
(8). Le bâti est un
flotteur (19) percé d'un orifice (20) laissant passer la tige (1) et sur
lequel est fixé le moteur (9)
ainsi que sa source d'énergie (21), par exemple des cellules photovoltaïques.
Le moteur (3, 9)
est placé dans une enveloppe (22) le protégeant. Le bâti peut être fixé par
exemple par une ancre
au fond du réservoir ou dériver librement. Lors de la mise en rotation du
disque, un vortex forcé
se crée à l'intérieur de l'axe. La surface libre monte le long des parois
jusqu'à atteindre la
surface du disque (selon la vitesse de rotation) et permettre ainsi
l'écoulement sur le disque.
L'efficacité du pompage peut être améliorée en vrillant la surface intérieure
de l'axe à la manière
d'une vis d'Archimède. Cette précaution s'avère en particulier nécessaire
lorsqu'on veut pomper
de l'eau à une certaine profondeur.
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Selon un autre mode de réalisation du système selon l'invention tel qu'on peut
le voir sur
la figure 3, mode de réalisation plus particulièrement destiné aux
applications de lagunage, de
traitement de l'eau et /ou de dessalage, dans lesquelles le réservoir (8) est
une grande étendue
d'eau à surface libre, comparée aux dimensions du système : le rotor est
constitué d'une tige (1)
supportant un joint tournant (2), entraînée par le rotor d'une éolienne (23) à
axe vertical,
directement ou par l'intermédiaire d'un système multiplicateur-
démultiplicateur tel un système
d'engrenages. Cette tige (1) est à axe creux et comporte à une de ses
extrémités un disque plan,
coupelle ou objet à symétrie de révolution axiale (5). Son autre * extrémité
(6) plonge dans le
réservoir (7) contenant le liquide à pulvériser (8). Le bâti est un flotteur
(19) percé d'un orifice
~ (20) recevant le joint tournant et supportant éventuellement le bâti de
l'éolienne (23). Le bâti
peut être fixé par exemple par une ancre au fond du réservoir ou dériver
librement. Lors de la
mise en rotation du disque, un vortex forcé se crée à l'intérieur de l'axe. La
surface libre monte
le long des parois jusqu'à atteindre la surface du disque (selon la vitesse de
rotation) et permettre
ainsi l'écoulement sur le disque. L'efficacité du pompage peut être améliorée
en vrillant la
surface intérieure de l'axe à la manière d'u.ne vis d'Archimède.
Selon un autre mode de réalisation du système selon l'invention tel qu'on peut
le voir sur
la figure 4, le rotor est constitué d'une tige (1) entraînée par le rotor (3)
du moteur, supportant
deux joints tournants (2) et (24) et éventuellement le rotor (4) du
ventilateur. Cette tige (1)
comporte à une de ses extrémités (5) un disque plan, coupelle ou objet à
symétrie de révolution
20 axiale et est à axe creux dans la partie comprise entre le joint tournant
(24) le plus proche du
moteur et l'extrémité supportant le disque plan, coupelle ou objet à symétrie
de révolution axiale
(5). La tige est pleine dans la partie traversant le moteur. Elle est percée
d'un certain nombre
d'orifices (25) dans une ou plusieurs sections situées entre les deux joints
tournants (2) et (24).
Ces orifices sont uniquement destinés à permettre au liquide de passer de la
chambre (26) au
25 tube (1). La surface interne de la tige creuse et/ou la surface interne du
disque plan, coupelle ou
ôbjet à symétrie de révolution axiale peuvent être munies de strïes facilitant
l'écoulement vers
l'extrémité du disque ou objet à symétrie de révolution. Le bâti supporte le
stator du moteur (9),
le système de fixation du réservoir (10), l'emplacement de la source d'énergie
(11), les
connecteurs électriques et l'interrupteur (12). Ce bâti supporte également le
stator du dispositif
30 d'alimentation en liquide qui est une chambre (26) concentrique au rotor
(1) et reliée à celui-ci
par les joints tournants (2) et (24). Cette chambre est ouverte sur la surface
en regard avec la tige
et munie d'un ou plusieurs orifices sur sa face opposée permettanï une liaison
au réservoir par un
ou plusieurs tubes (28). Une vanne (29) permet l'ouverture et la fermeture du
circuit
d'alimentation en liquide. Le bâti est traversé d'une part par le circuit
d'alimentation en air (13)
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de l'hélice (4) du ventilateur et d'autre part, lorsque le système est muni
d'un ventilateur, par une
conduite (14) dont l'extrémité proche du plan de l'hélice du ventilateur
constitue une prise de
pression statique ou dynamique et dont l'autre extrémité débouche dans le
réservoir, au dessus
ou en dessous de la surface libre du liquide. Lorsque l'extrémité est au
dessus de la surface libre
du liquide, le réservoir est à pression constante, lorsque l'extrémité est en
dessous de la surface
libre, le réservoir fonctionne à la manière d'un vase de Mariotte. Cette
conduite (14) peut être
munie à une extrémité d'un clapet anti-retour (15). Le bâti est placé dans une
enveloppe (16)
percée de prises d'air (17), assurant le design et la protection du système.
Le bâti peut être muni
d'un capuchon (18) protégeant le disque contre les chocs et la saleté. Le
système fonctionne
0 comme suit : à la fermeture de l'interrupteur (12) mettant en marche le
rotor, la vanne (29) de
communication entre le réservoir et la chambre d'alimentation s'ôuvre et le
liquide initialement
dans le réservoir remplit la chambre (26), soit sous l'effet de la pesanteur,
si le réservoir est placé
au dessus de la chambre, soit sous l'effet de la mise sous pression du
réservoir par le
fonctionnement du ventilateur si le réseivoir est placé dans une autre
position. Le liquide de la
5 chambre passe par les orifices (25) à l'intérieur du tube creux et atteint
le disque sous l'effet
conjugué du vortex et de la pression générée. Il s'étale alors sur le disque
et se fragmente en
gouttelettes à sa périphérie ou près de sa périphérie. Comme on peut le
comprendre aisément, ce
système fonctionne quelle que soit la position relative du réservoir par
rapport au disque.
Selon un autre mode de réalisation du système selon l'invention tel qu'on peut
le voir sur
z0 la figure 5, le rotor est constitué d'une tige (1) entraînée par le rotor
(3) du moteur, supportant un
joint tournant (24), et éventuellement le rotor (4) du ventilateur. Cette tige
(1), à axe plein,
comporte à une de ses extrémités un disque plan, coupelle ou objet à symétrie
de révolution
axiale (5). La surface externe de la tige et/ou la surface du disque plan,
coupelle ou objet à
symétrie de révolution axiale peuvent être munies de stries facilitant
l'écoulement du disque vers
25 l'extrémité du disque plan, coupelle ou objet à symétrie de révolution
axiale. Le bâti supporte le
stator du moteur (9), le système de fixation du réservoir (10), par exemple
par vissage,
l'emplacement de la source d'énergie (11), les connecteurs électriques et
l'interrupteur (12). Ce
bâti supporte également le stator du dispositif d'alimentation en liquide (26)
qui est une chambre
concentrique au rotor et reliée à celui-ci par le joint tournant (24) situé
entre la chambre et le
30 moteur. Dans la partie située entre le disque et le joint tournant, la
chambre se prolonge par un
tube concentrique (30) à la tige et de diamètre intérieur légèrement supérieur
au diamètre de la
tige, laissant ainsi le liquide s'écouler hors de la chambre le long de l'axe
tournant. La chambre
est munie d'un ou plusieurs orifices sur sa surface extérieure permettant une
liaison par un ou
plusieurs tubes (28) au réservoir. Le bâti est traversé d'une part par le
circuit d'alimentation en
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air (13) de l'hélice (4) du ventilateur et d'autre part, lorsque le système
est muni d'un ventilateur,
par une conduite (14) dont l'extrémité proche du plan de l'hélice du
ventilateur constitue une
prise de pression statique ou dynamique et dont l'autre extrémité débouche
dans le réservoir, au
dessus ou en dessous de la surface libre du liquide. Lorsque l'extrémité est
au dessus de la
surface libre du liquide, le réservoir est à pression constante, lorsque
l'extrémité est en dessous
de la surface libre, le réservoir fonctionne à la manière d'un vase de
Mariotte. Cette conduite
(14) peut être munie à une extrémité d'un clapet anti-retour (15). Le bâti est
placé dans une
enveloppe (16) percée de prises d'air (17), assurant le design et la
protection du système. Le bâti
peut être muni d'uii capuchon (18) protégeant le disque contre les chocs et la
saleté. Le systéme
fonctionne comme suit : à la fermeture de l'interrupteur (12) mettant en
marche le rotor, la vanne
de communication (29) entre le réservoir et la chainbre d'alimentation s'ouvre
et le liquide
initialement dans le réservoir remplit la chambre, sous l'effet de la
pesanteur, si le réservoir est
placé au dessus de la chambre, sous l'effet de la mise sous pression du
réservoir par le
fonctionnement du ventilateur si le réservoir est placé dans une aûtre
position et/ou sous l'effet
de pompage créé par la rotation du liquide entre le stator et le rotor. Le
liquide de la chambre
s'écoule à travers l'orifice annulaire constitué entre la tige (1) et le tube
(30) et s'étale sur la face
arrière du disque par effet centrifuge. Il se fragmente en gouttelettes à sa
périphérie ou près de sa
périphérie.
Selon une variante à ce mode de réalisation montrée figure 6, le tube (30)
peut être
o utilement prolongé le long de la partie divergente reliant le disque et le
tube et être muni de stries
(33). L'écoulement dans cette zone est alors comparable à celui existant dans
une pompe hélico
centrifuge.
Selon un autre mode de réalisation du système selon l'invention tel qu'on peut
le voir sur
la figure 7, le rotor est constitué d'une tige (1) entraînée par le rotor (3)
du moteur, et
:5 éventuellement du rotor (4) du ventilateur. Cette tige (1), à axe plein,
comporte à une de ses
extrémités un disque plan, coupelle ou objet à symétrie de révolution axiale
(5). Le bâti supporte
le stator du moteur (9), le système de fixation du réservoir (10), par exemple
par vissage,
l'emplacement de la source d'énergie (11), les connecteurs électriques et
l'interrupteur (12). Ce
bâti supporte également le dispositif d'alimentation en liquide (31) qui est
un tube annulaire
30 coaxial et concentrique au rotor, de diamètre intérieur légèrement
supérieur au rotor et relié au
réseivoir par un coude suivi d'un tube. Le bâti est traversé d'une part par le
circuit
d'alimentation en air (13) de l'hélice (4) du ventilateur et d'autre part,
lorsque le système est
muni d'un ventilateur, par une conduite (14) reliant une prise d'air pratiquée
dans le plan proche
de l'hélice et le réservoir (7). Cette conduite (14) peut être munie à une
extrémité d'un clapet
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anti-retour (15). Le bâti est placé dans une enveloppe (16) percée de prises
d'air (17), assurant le
design et la protection du système. Le bâti peut être muni d'un capuchon (18)
protégeant le
disque contre les chocs et la saleté. Le système fonctionne comme suit : à la
fermeture de
l'interrupteur (12) mettant en marche le rotor, la vanne de communication (29)
entre le réservoir
et la chambre d'alimentation s'ouvre et le liquide initialement dans le
réservoir remplit le tube
31, sous l'effet de la pesanteur, si le réservoir est placé au dessus de la
chambre, sous l'effet de la
mise sous pression du réservoir par le fonctionnement du ventilateur si le
réservoir est placé dans
une autre position. A la sortie du tube 31, le liquide s'écoule le long du
disque et s'étale sur sa
face arrière par effet centrifuge. Il se fragmente en gouttelettes à sa
périphérie ou près de sa
o périphérie.
Selon une variante à ce mode de réalisation montrée figure 8, ce tube coaxial
rectiligne
(31) peut se prolonger par une surface conique de révolution (32) située dans
le prolongement de
la paroi externe du tube. Cette surface conique enveloppe la zone de
raccordement entre l'axe de
rotation et le disque et peut être munie de stries (33). L'écoulement dans
cette zone est alors
[5 comparable à celui existant dans une pompe helico-centrifuge.
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