EP4587190A1 - Système de filtration à très haute efficacité comprenant un préfiltre et un précipitateur/collecteur électrostatique en aval du préfiltre - Google Patents

Système de filtration à très haute efficacité comprenant un préfiltre et un précipitateur/collecteur électrostatique en aval du préfiltre

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EP4587190A1
EP4587190A1 EP23767916.2A EP23767916A EP4587190A1 EP 4587190 A1 EP4587190 A1 EP 4587190A1 EP 23767916 A EP23767916 A EP 23767916A EP 4587190 A1 EP4587190 A1 EP 4587190A1
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EP
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collector
ionizer
filtration system
plate
electrodes
Prior art date
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Application number
EP23767916.2A
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Inventor
Michel Pourprix
David LE DUR
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Individual
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Definitions

  • Very high efficiency filtration system including a pre-filter and an electrostatic precipitator/collector downstream of the pre-filter.
  • the present invention relates to the field of air purification and aerosol purification, likely to contain suspended particles.
  • the present invention aims to improve the performance and efficiency of existing air purifiers and aerosol purifiers and more generally to propose a new innovative and efficient solution for high efficiency or very high efficiency filtration of channeled flows, in particular in order to reduce manufacturing costs, size, mass and operating expenses from the point of view of energy consumption.
  • the invention applies to any aerosol purification, more especially the filtration of aerosol particles in lightly to moderately dusty environments.
  • a preferred application is the treatment of indoor air in premises or confined spaces, including underground spaces, or the treatment of air in the ventilation systems of residential buildings, offices, spaces open to the public, or the treatment of air in the passenger compartment of vehicles, or the treatment of channeled emissions from industrial processes and which are generally not very concentrated or in series with an upstream mechanical filtration stage.
  • Another preferred application is the filtration of outside air.
  • “Aerosol” means any liquid or solid particle whose diameter is between 0.001 pm and 100 pm capable of remaining suspended in the air
  • the targeted range corresponds to that which is most accessible to measurement and which is also that sought for filtration typically from 0.01 to 10 pm.
  • Fine particles and particularly the PM2.5 fraction are those for which the socio-economic cost is the greatest among the pollutants encountered in the indoor atmosphere: [2].
  • HEPA filtration which consists of passing the air loaded with aerosol particles through THE fibrous media (acronym for Very High Efficiency Filters, or in English HEPA for “High Efficiency Particulate Air filter”): the particles are deposited on the fibers by impaction, interception and diffusion mechanisms in particular.
  • the main advantage of HEPA filtration is the very high level of efficiency (99.97% for particles of 0.3 pm), and close to 100% for particles finer or larger than this size.
  • HEPA filtration has two major disadvantages: on the one hand a high resistance to flow, in other words a high pressure loss in a ventilation network, hence high energy consumption, on the other hand a relatively short duration of life because the filter cannot be cleaned and must be thrown away when clogged;
  • Charging is generally done by diffusion and bombardment of ions, the ions being created by corona effect by wires carried at high voltage or by tips.
  • electrostatic filtration Compared to mechanical filtration, electrostatic filtration has the double advantage of having little resistance to flow (low pressure loss in a ventilation network) and of having a long lifespan because an electrostatic filter can be unclogged and therefore re-used. On the other hand, electrostatic filtration is generally less effective and more expensive to purchase.
  • fibers are artificially electrically precharged at the time of their manufacture, which increases the efficiency of the filter, at least when it is new. This effect appears even if the incident particles are electrically neutral. But this increase in effectiveness decreases over time of use by progressive neutralization of the fibers.
  • the filter is called “single stage", the ionization of the particles and their collection taking place concomitantly between plate electrodes.
  • double-stage devices that is to say comprising a stage forming an ionizer upstream of a precipitation or collection stage strictly speaking.
  • Such a device generally designated by the reference 1 is shown in Figure 1 A: it comprises an ionizer 2 upstream of an electrostatic precipitator/collector 3.
  • the particles of the aerosol are first electrically charged by corona effect while passing in the vicinity of wires 20 carried at high voltage Uf, which are stretched between plates 4 connected to ground, then they are collected on parallel flat plates, electrically conductive, 30, 31 between which an electric field is established under the action of a high polarization voltage Up.
  • This geometry is practically always presented in flows of rectangular section, the loading then collection operations taking place between flat and parallel plates 4, 30, 31.
  • an electrostatic precipitator/collector is made up of a stack of metal plates 30, 31, 4 in large numbers to have a large collection surface. As shown in Figures IA and IB, every other plate 30, 31 is supplied with high voltage, the other 4 are grounded. They must be equidistant so that a uniform electric field, as high as possible, of the order of 10 kV/cm, can be maintained between the plates without there being a disruptive breakdown. Many air purifiers already on the market operate on this electrostatic principle.
  • electrostatic air purifiers are of great mechanical and electrical complexity, resulting in a high cost. Indeed, the intertwining with alternation of insulating and electrically conductive parts and the mechanical maintenance of the plates is complex to guarantee their positioning at an equal distance from each other while ensuring their electrical connections under high voltage or to ground without disruptive breakdown.
  • major technical disadvantages more particularly those linked to the manufacture of the electrostatic collector are:
  • the entire electrostatic precipitator of the FEI commercial purifier from the France-Air company weighs 44 kg.
  • the subject of the invention is a filtration system, intended for the filtration of air, in particular of a passenger compartment of a means of transport, such as a motor vehicle comprising:
  • the main ionizer of particles likely to be present in the air, comprising, as a device for ionization by corona effect of electrically conductive fibers,
  • At least one electrostatic precipitator/collector arranged downstream of the pre-filter and comprising:
  • At least one channel plate made of substantially electrically insulating material, extending along a longitudinal axis, the channels of the plate being separated fluidically from one another, each channel extending along the longitudinal axis and being opening at its two opposite ends, towards the outside of the plate;
  • the system according to the invention is intended for the filtration of air, whether indoor, outdoor and more generally all types of atmospheres with little or little dust and the flow of which is preferably channeled.
  • the system may include a fan which can be placed anywhere in the channeled flow, upstream or downstream of the elements described above, operating in blowing or suction, provided that the air flow is ensured in the direction going from the ionizer to the collector via the pre-filter.
  • the ionizer is advantageously provided with a device ensuring the emission of negative ions, preferably in very high concentration, by passive destruction of the ammonium nitrate produced on the surface of the electrodes, where the electric field is most intense .
  • ammonium nitrate is done thermally because this compound, solid at room temperature, evaporates from 210°C. This destruction can be carried out continuously or, preferably, discontinuously.
  • Heating of the ionizing electrodes is advantageously carried out by passive means, for example heating by the Joule effect or by induction.
  • Cleaning of these ionizing electrodes can be carried out by mechanical action or by blowing a burst of air.
  • the collector according to the invention comprises:
  • At least one channel plate made of substantially electrically insulating material, extending along a longitudinal axis (X), the channels of the plate being fluidically separated from each other, each channel extending along the longitudinal axis (X) and opening out at its two opposite ends, towards the outside of the plate;
  • the system comprises an additional ionizer, as an electrical precharger, arranged upstream of the main ionizer.
  • the main ionizer and therefore in series with the additional ionizer, at a distance which can be adjusted, depending on the applications.
  • This series connection of an additional ionizer makes it possible to greatly boost the performance of the electrostatic collector. In other words, we obtain a gain in efficiency.
  • the system comprises an electrical discharge device by grounding the electrode(s) of the electrostatic precipitator. Grounding allows intervention and maintenance on the honeycomb plates of the electrostatic precipitator, without risk for an operator.
  • the collector comprises a stack of channel plates, an intermediate electrode being interposed between two adjacent plates in the stack, all the intermediate electrodes of the same polarity being connected together to an output electrode forming an output terminal.
  • the intermediate electrodes of the same polarity each also have a flexible portion which matches the lateral edge of a plate while the output terminals each have a general L shape, one branch of which matches the lateral edge of the plate stack while being in contact with the portions of the electrodes and the other branch matches one of the main faces of the plate at one of the ends of the stack.
  • the collector preferably comprises two end plates made of electrical insulating material, arranged on either side of the stack.
  • the intermediate electrodes are in the form of metal sheets (food grade aluminum foil type) each covering at least partially one main face of a plate.
  • Each metal sheet preferably has a thickness of between 10 and 50 ⁇ m.
  • the intermediate electrodes are in the form of metallized deposition: metallization by a surface deposition process is thus preferable.
  • each intermediate electrode is preferably sealed between two channel plates so as to constitute a fluid-tight block between plates with respect to fluids and electrically insulating between two intermediate electrodes.
  • the waterproof and insulating block can be completed with electrical insulating end plates.
  • the sealing of the block provided by the sealing is vis-à-vis the gases to be purified and the washing liquids during the unclogging or cleaning phase, for example. This makes it possible to consider cleaning the collector directly in a dishwasher for example.
  • the electrical insulation provided by the sealing prevents any disruptive breakdown by surface conduction between adjacent electrodes.
  • Figure 2 illustrates in the form of curves the collection efficiency of electrostatic filters in turbulent regime and in laminar regime.
  • Figure 3 illustrates an example of an air filtration system 1 according to the invention, for example that of a vehicle passenger compartment.
  • This system 1' comprises, from upstream to downstream, in the direction of flow:
  • an ionizer 2 adapted to electrically charge the incident particles suspended in the air channeled in a conduit 100
  • Each plate 5 is made of substantially electrically insulating material, and extends along a longitudinal axis same plate are fluidically separated from each other.
  • Each channel extending along the longitudinal axis X and opening out at its two opposite ends.
  • the channels 50 have a rectangular cross section.
  • channels 50 with a rectangular or square section of between 2 and 40 mm.
  • An intermediate electrode 6, 7 is inserted between two adjacent plates 5 in the stack, all the intermediate electrodes of the same polarity being connected together to an output electrode forming an output terminal 8, 9.
  • the intermediate electrodes of the same polarity each also have a portion 60, 70 which matches the lateral edge of a plate 5.
  • the intermediate electrodes 6, 7 are preferably in the form of sheets or thin metal plates of which a portion 61, 71 each covers a main face of a plate 5 and of which a portion 60, 70 is folded against a side edge of the plate or an adjacent plate 5.
  • the output terminals 8, 9 are in the form of metal plates folded into an L.
  • the sheets or thin metal plates 6 are in direct electrical contact with the output terminal 8 to which a certain potential is applied.
  • the metal sheets 7 are in electrical contact with the output terminal 9 to which another potential is applied. This potential difference creates an electric field within the channels.
  • collector 3 Another example of collector 3 is shown in Figures 5 and 5A.
  • the electrodes 6, 7 are also made up of metal sheets whose main portion 60, 70 is applied against one of the main faces of a plate 5.
  • the surface dimensions of the main portion correspond substantially to those of a plate 5 at a distance of about "d" over the entire periphery of the portion 60, 70.
  • This withdrawal d for example of 5 mm, allows a gain in collection surface.
  • This indent “d” can be adjusted.
  • This varnish is for example a varnish of the type sold under the name RS 199-1480 with a dielectric resistance equal to 60 kV/mm.
  • the high voltage (HT) generator 11 powered by 12 volts direct, delivers a negative high voltage of 6500 volts or more as required.
  • HT high voltage
  • only one HV generator is used, for reasons of simplicity.
  • two separate generators are possible, in particular to supply the collector 3 at a very high voltage.
  • the HT 11 generator also powers a carbon fiber ionizer 2 whose principle and charging performance by ion diffusion are widely described in the literature: see in particular in the publication [7].
  • the high voltage (HT) supplying the carbon fiber ionizer 2 must remain fairly limited to avoid the formation of ozone in too high a concentration, especially if the air thus filtered must be recycled in occupied interior spaces.
  • Any other type of charger can also be used, particularly with conventional wires.
  • the carbon fiber ionizer 2 is arranged in the center of a volume which is delimited by two metal meshes 12 on the one hand, the four sides of the parallelepiped 13, portion of the channel 10, on the other hand, the whole being connected to the mass.
  • the ionizer 2 can be oriented in the opposite direction of the flow, as illustrated in Figure 5, or preferably in the opposite direction to avoid impaction or interception of particles at the level of the carbon fibers.
  • a fan 14 blows air from the experimental room into system 1, the inventors of which want to measure the filtration efficiency with respect to particles.
  • the inventors have obtained an efficiency which can reach 100% and can be adjusted according to the application, which is maintained over time. In fact, you have to wait several hundred hours of operation to begin to see a drop in efficiency linked initially to clogging of the ionizer.
  • electrode 6 is negative and electrode 7 is positive.
  • the potential difference applied between these electrodes creates an electric field E within the channels 50.
  • the electric field E is directed from top to bottom while in the channel 50 below, the field is directed from the bottom to the top.
  • the incident particles P which are previously negatively charged are deposited on one of the longitudinal walls of a channel 50 along it as a function of their electrical mobility, a function in particular of the number of charges they carry and their size.
  • the electric charge of each particle P is dissipated by passing through the thickness of one of the plates 5 due to its sufficient, although very low, electrical conductivity, then is collected by the positive electrode 7.
  • FIG. 9 Another example of an air filtration system 1 integrating a carbon fiber ionizer 2 and a downstream collector 3 is shown in Figure 9.
  • Ionizer 2 and collector 3 are here arranged vertically with collector 3 on top of ionizer 2.
  • the filtration system 1 is crossed by a flow of air sucked in by several fans 14 in fluidic parallel.
  • the air flow rate (CADR, English acronym for “Clean Air Delivery Rate”) purified of any particle greater than 0.3 pm is 150 m 3 /h.
  • the flow rate of the fans 14 is preferably controlled by the measured concentrations, which can go as far as stopping the fans if the air is particularly well purified.
  • a filtration system 1 can be used in numerous applications in indoor atmospheres, that is to say enclosed spaces in the broad sense, whether they are places welcoming the public (transport, administrations, schools, hospitals, etc. sports and cinema halls, etc.), professional buildings (offices and shops) or private spaces (individual or collective housing).
  • electrostatic collectors within equipment or living spaces in environments that are very restrictive due to their atmosphere.
  • life bases in desert environments or NBC (acronym for Nuclear, Biological, Chemical) personal protection systems can be considered as applications.
  • such a cellular electrostatic collector has a filtration efficiency close to 100% for particles with sizes between 50 nanometers (0.05 pm) and 10 micrometers (10 pm), as shown in Figure 10.
  • the measurements for fine and ultrafine particles up to 10 nm were carried out using an electrical mobility spectrometer (or “Scanning Mobility Particle Sizer” in the acronym SMPS) while those for the largest particles (in particular greater than 0.2 pm) were carried out using an Optical Particle Counter (OPC).
  • electrical mobility spectrometer or “Scanning Mobility Particle Sizer” in the acronym SMPS
  • OPC Optical Particle Counter
  • Figures 11A to 11D schematically represent the efficiency of each of the main filtration elements of a filtration system as a function of particle size.
  • the efficiency of charging particles smaller than 0.05 pm by diffusion of unipolar ions is less efficient: in fact, only a fraction of these particles is correctly charged. At this small size, the probability that the particles acquire an electric charge is not 100%. In other words, some of these particles are electrically neutral and, consequently, cannot be trapped under the effect of the electric field in the alveoli.
  • Curve A in Figure 11B shows the effectiveness of a conventional fiber pre-filter. This figure 11B is taken from the work [8]. A minimum of efficiency is observed for particles of size close to 0.1 to 0.3 pm, where the deposition mechanisms by diffusion and by interception are the weakest. This is explained by the mechanisms of particle deposition on the fibers, where there is competition between the mechanisms of particle deposition by Brownian diffusion for the finest on the one hand, and deposition by impaction and interception for the larger particles. on the other hand.
  • Curve B in Figure 11B gives the efficiency of the same fiber pre-filter when the particles are electrically charged by the ionizer 2, the charged particles being more easily captured on the fibers of the pre-filter under the effect of electrostatic forces.
  • the efficiency of the pre-filter is increased.
  • this curve B, with ionization shows schematically that the thermophoresis deposition mechanism significantly increases the collection efficiency of the prefilter as already reported in the state of the art [4],
  • Figure 11C illustrates the result of the combination of an ionizer, a pre-filter and a cellular electrostatic collector, the efficiency of this entire filtration system reaching almost 100% efficiency over the entire range. particle size studied, i.e. between 0.01 pm and 10 pm.
  • this curve C gives the efficiency of the cellular collector, without pre-filter, when the particles are electrically charged. It is visible that the collector efficiency tends to drop for ultra-fine particles (see experimental results in Figure 10). This comes from the fact that the ionizer 2 is not capable of electrically charging very fine particles, a phenomenon that is well known elsewhere. A proportion of them remains neutral and therefore cannot be trapped by any electrostatic technique.
  • Curve D in Figure 11D is the characteristic curve of a filtration system according to the invention with ionizer, prefilter consisting of a fiber filter downstream of the ionizer and cellular collector downstream of the prefilter. We see that the efficiency of such a system is close to 100% over the entire particle size range.
  • such a system therefore makes it possible to obtain very high efficiency but with a pressure loss much lower than that of a HEPA filter.
  • this pressure loss typically remains less than 100 Pa with a system according to the invention, while it is typically between 250 Pa for a HEPA filter according to the state of the art, in the state new and worth 500 Pa or more with a HEPA filter according to the state of the art, in the clogged or close to clogged state
  • a cellular electrostatic collector 3 with a small inlet section S and a large length L.
  • the collector according to the invention has the advantage of being easily integrated into structures of various shapes, whether cylindrical or, preferably, rectangular.
  • Figure 18B gives the filtration efficiency E at different points of a filtration system according to the state of the art and according to the invention, for different possible component integrations.
  • a filtration system 1 In the automotive sector, or transport in general, another advantageous example of integration of a filtration system 1 according to the invention is located in the air distribution ducts downstream of the HVAC unit. This integration can, if necessary, be combined with advantageous management as described previously. This integration can be considered in particular if the space available in the HVAC unit itself is too limited to position the filtration system previously described.
  • the inventors propose using the air distribution conduits 101, elongated with a very flat shape, by adding a filtration function by the integration of one or more collectors 3 according to the invention.
  • the conduits 101 could become conduits with a filtration function as desired, that is to say only in the event of applied electrical voltage.
  • the inventors believe that a filtration efficiency greater than 99% for particles of sizes over a very wide range, between 0.05 and 10 pm, is expected.
  • Another application of the filtration system 1 can be considered, for reducing the concentration of fine particles in underground environments where people are likely to breathe very dusty air.
  • a cellular collector 3 has a unit section equal to 25 cm x 50 cm, a depth 25 cm and has a weight of 7 kg,
  • Figure 24 shows cellular collectors 3 with plates, in accordance with the invention positioned near the tracks V of passage of the trains of a metro, therefore in the immediate vicinity of the emission of particles due to braking, which is a source of major pollution for users leaving the train or those present on the platform when the train arrives at the station.
  • no ionizer(s) are provided. Indeed, the particles emitted by friction which come from the brakes of a metro are electrically charged naturally, which may prove sufficient to allow the collection of particles in the cells of the channel plates of the collectors 3.
  • a filtration system according to the invention can be suitable for any air filtration, whether indoors, outdoors and more generally for all types of atmospheres with little or little dust such as the passenger compartment of a means of transport, such as a motor vehicle

Landscapes

  • Electrostatic Separation (AREA)

Abstract

Système de filtration comprenant : - au moins un ioniseur (2) des particules susceptibles d'être présentes dans l'air, comprenant des fibres électriquement conductrices (21), - au moins un préfiltre (40), agencé en aval de l'ioniseur (2), - au moins un précipitateur/collecteur électrostatique (3), agencé en aval du préfiltre et comprenant : • au moins une plaque à canaux (5) en matériau substantiellement électriquement isolant, s'étendant selon un axe longitudinal (X), les canaux (50) étant séparés de façon fluidique l'un de l'autre, chaque canal s'étendant selon l'axe X et étant débouchant à ses deux extrémités opposées, vers l'extérieur de la plaque; • au moins deux feuilles (6, 7) ou plaques (8, 9) ou couches électriquement conductrices, formant des électrodes dont au moins une portion est agencée sur chacune des faces principales de la plaque, les deux électrodes étant adaptées pour générer un champ électrique (E) selon une direction orthogonale à l'axe X dans les canaux.

Description

Description
Titre : Système de filtration à très haute efficacité comprenant un préfiltre et un précipitateur/collecteur électrostatique en aval du préfiltre.
Domaine technique
La présente invention concerne le domaine de la purification d’air et d’épuration d’aérosols, susceptible de contenir des particules en suspension.
La présente invention vise à améliorer les performances et l’efficacité des purificateurs d’air et épurateurs d’aérosols existants et plus généralement de proposer une nouvelle solution innovante et performante pour la filtration haute efficacité ou très haute efficacité des écoulements canalisés, notamment afin de diminuer les coûts de fabrication, l’encombrement, la masse et les dépenses de fonctionnement du point de vue de la consommation énergétique.
Bien que décrite en référence à une application de purification d’air, l’invention s’applique à toute épuration d’aérosols, plus spécialement la filtration des particules d’aérosol dans des milieux faiblement à modérément empoussiérés.
Typiquement, une application privilégiée est le traitement de l’air intérieur des locaux ou des espaces confinés, y compris les espaces souterrains, ou le traitement de l’air dans les systèmes de ventilation des immeubles résidentiels, bureaux, espaces recevant du public, ou le traitement de l’air dans l’habitacle de véhicules, ou encore le traitement d’émissions canalisées issues de procédés industriels et qui sont en général peu concentrées ou en série avec un étage de filtration mécanique en amont.
Une autre application privilégiée est la filtration de l’air extérieur.
On entend par « aérosol » toute particule liquide ou solide dont le diamètre est compris entre 0,001 pm et 100 pm susceptible de rester en suspension dans l’air,
En pratique, la gamme visée correspond à celle qui est la plus accessible à la mesure et qui est également celle recherchée pour la filtration typiquement de 0,01 à 10 pm.
C’est notamment le domaine où, en pollution atmosphérique, se situent les particules dites « respirables » référencées PM 10, PM2,5 et particules « fines » référencées PMI, c'est-à- dire les particules dont la taille est inférieure respectivement à 10 pm, 2,5 pm et 1 pm, ainsi que les « particules ultrafines », dites aussi « nanoparticules », ou PMO,1 dont la taille est inférieure à 0,1 pm.
La nature de ces particules peut être extrêmement variable selon leur mode de formation, incluant les particules issues de l’activité humaine ou non :
- fumées de combustion, pollution particulaire liée à la circulation automobile (dont gaz d’échappement, particules issues de plaquettes de freins, de pneus)
- foyers domestiques
- process industriels
- matériaux de construction
- pollen, bactéries, virus, allergènes d’animaux, ...).
Technique antérieure
La plupart des lieux de vie des individus sont des espaces clos, qu’il s’agisse de lieux accueillant du public (halls, stations de métro et couloirs de transferts, administrations, écoles, hôpitaux, salles de sport et de cinéma, etc.), de bâtiments professionnels (bureaux et commerces), d’espaces privés (logements individuels ou collectifs), ou de moyens de transport mobiles lors du déplacement des individus individuels ou collectifs (cabines d’avions, de bateaux, trains, bus, autocars, automobiles).
A la pollution extérieure qui s’introduit dans les bâtiments via les ouvertures et les ventilations s’ajoutent les sources d’émission intérieure (fumée de tabac, résidus de combustion, amiante, radon, émission due aux matériaux : particules et composés organiques volatils, allergènes d’origine biologique...).
Cela est devenu une préoccupation majeure. Ainsi, l’Organisation Mondiale de la Santé (OMS) alerte : « la pollution de l'air, à l'intérieur des locaux comme à l'extérieur, est un problème majeur de santé environnementale touchant aussi bien les pays développés que ceux en développement ».
Par exemple, la pollution de l’air due aux particules fines serait responsable de 48000 morts chaque année en France. Le poids sanitaire de cette pollution liée aux activités humaines (transport, industrie, chauffage avec des énergies fossiles ...) correspondrait à 9% de la mortalité en France continentale : [1]. Les particules fines et particulièrement la fraction PM2,5 sont celles pour lesquelles le coût socio-économique est le plus important parmi les polluants rencontrés en atmosphère intérieure : [2].
Ainsi, la commercialisation de purificateurs d’air promettant de filtrer la plupart de ces polluants de l’air intérieur a fait un bond.
Parmi les méthodes d’épuration connues pour filtrer les particules d’aérosol, on distingue usuellement deux grandes catégories :
- la filtration mécanique qui consiste à faire passer l’air chargé des particules d’aérosol dans des médias fibreux THE (acronyme de filtres à Très Haute Efficacité, ou en anglais HEPA pour « High Efficiency Particulate Air filter ») : les particules se déposent sur les fibres par des mécanismes d’impaction, d’interception et de diffusion notamment. Le principal avantage de la filtration HEPA est le très haut niveau d’efficacité (99,97% pour des particules de 0,3 pm), et voisin de 100% pour des particules plus fines ou plus grosses que cette taille. La filtration HEPA présente toutefois deux inconvénients majeurs: d’une part une grande résistance à l’écoulement, autrement dit une perte de charge élevée dans un réseau de ventilation, d’où une forte consommation énergétique, d’autre part une relativement faible durée de vie car le filtre n’est pas nettoyable et doit être mis aux déchets lorsqu’il est colmaté ;
- la filtration électrostatique qui consiste à charger électriquement les particules et à les précipiter sur des plaques de collection sous l’action d’un champ électrique intense. La charge se fait généralement par diffusion et bombardement d’ions, les ions étant créés par effet corona par des fils portés à haute tension ou par des pointes.
Par rapport à la filtration mécanique, la filtration électrostatique a le double avantage de présenter peu de résistance à l’écoulement (faible perte de charge dans un réseau de ventilation) et d’avoir une grande durée de vie car un filtre électrostatique peut être décolmaté et donc ré-utilisé . En revanche, une filtration électrostatique est généralement moins efficace et plus onéreuse à l’achat.
En réalité, cette distinction entre filtration mécanique et filtration électrostatique n’est pas toujours nette car des effets électriques naturels sont également présents lors d’une filtration mécanique conventionnelle. Il est d’ailleurs possible d’accentuer artificiellement ces effets électriques comme indiqué ci-après.
Par exemple, dans les filtres dits « à électrets », des fibres sont artificiellement préchargées électriquement au moment de leur fabrication, ce qui augmente l’efficacité du filtre, du moins lorsqu’il est neuf. Cet effet apparaît même si les particules incidentes sont électriquement neutres. Mais ce regain d’efficacité décroit au cours du temps d’utilisation par neutralisation progressive des fibres.
Dans d’autres cas, les fibres sont neutres, mais les particules sont artificiellement chargées. L’efficacité du filtre est ainsi nettement améliorée. Mis en évidence pour la première fois dans les années 1950 : [3], cet effet est notamment mis à profit dans des systèmes hybrides filtre mécanique avec filtre électrostatique , mentionnés dans la littérature, par exemple [4], ou dans l’industrie automobile par exemple dans des véhicules commercialisés par la société VOLVO, où est recherchée une augmentation de l’efficacité de filtres d’habitacle.
Mais si ces systèmes de filtration ne sont pas suffisamment efficaces, alors des particules chargées peuvent s’en échapper.
Cet inconvénient majeur se retrouve dans des générateurs d’ions négatifs qui visent à améliorer la qualité de l’air dans les habitacles de véhicules automobiles ou plus généralement dans un volume clos. Ces générateurs d’ions chargent électriquement les particules en suspension dans un habitacle, et les particules ainsi chargées de même signe, par répulsion électrostatique, se déposent ensuite plus rapidement contre les parois intérieures du véhicule, ce qui permet d’assainir un habitacle.
Cela étant, comme souligné dans le rapport [5], il apparait un risque sanitaire car les particules fines électriquement chargées comme celles qui seraient issues d’un système à filtre habitacle en aval d’un ioniseur dont l’efficacité serait nettement inférieure à 100%. pourraient passer à travers et être inhalées
Il existe différents types de dispositifs de filtration électrostatique.
Dans la publication [4] mentionnée ci-dessus, le filtre est dit à « simple étage », l’ionisation des particules et leur collecte se faisant de manière concomitante entre des électrodes à plaques. H existe aussi des dispositifs à « double étage », c’est-à-dire comprenant un étage formant un ioniseur en amont d’un étage de précipitation ou collecte à proprement parler.
Les purificateurs à ioniseur et précipitateur/collecteur électrostatique, connus aussi sous les noms de filtre électrostatique et électrofiltre (ESP, acronyme anglais pour «ElectroStatic Precipitator ») apparaissent comme des solutions prometteuses.
Un tel dispositif globalement désigné par la référence 1 est montré en figure 1 A: il comprend un ioniseur 2 en amont d’un précipitateur/collecteur électrostatique 3. Les particules de l’aérosol sont tout d’abord électriquement chargées par effet corona en passant au voisinage de fils 20 portés à haute tension Uf, qui sont tendus entre des plaques 4 reliées à la masse, puis elles sont collectées sur des plaques planes parallèles, électriquement conductrices, 30, 31 entre lesquelles un champ électrique est établi sous l’action d’une haute tension de polarisation Up. Cette géométrie est pratiquement toujours présentée dans des écoulements de section rectangulaire, les opérations de charge puis de collection s’effectuant entre des plaques 4, 30, 31 planes et parallèles.
Les particules incidentes sont préalablement chargées d’une polarité positive ou négative et sont collectées sur les plaques 30, 31 de polarité opposée.
Une variante d’ioniseur 2 est montré en figure IB : en lieu et place des fils 20, des fibres de carbone 21 sont agencées au même endroit, de préférence au centre du canal d’écoulement de l’aérosol.
Pour un débit et un état de charge donnés, il apparaît que l’efficacité de collection des particules est d’autant plus élevée que la surface des plaques de collecte est grande d’une part, que le champ électrique entre les plaques est important d’autre part (équation de Deutsch- Anderson) .
En pratique, un précipitateur/collecteur électrostatique est constitué d’un empilement de plaques métalliques 30, 31, 4 en grand nombre pour avoir une grande surface de collecte. Comme montré en figures IA et IB, une plaque 30, 31 sur deux est alimentée en haute tension, les autres 4 sont à la masse. Elles doivent être équidistantes de telle manière qu’un champ électrique uniforme, le plus élevé possible, de l’ordre de 10 kV/cm, puisse être maintenu entre les plaques sans qu’il y ait claquage disruptif. De nombreux purificateurs d’air déjà commercialisés fonctionnent sur ce principe électrostatique.
On peut citer par exemple celui commercialisé sous la dénomination « FEI » par la société France Air, dont le débit nominal est égal à 2200 m3/h.
On peut citer également celui commercialisé récemment sous la dénomination « OneLife X » par la société OneLife, dont le débit nominal est égal à 100 m3/h.
Généralement, les purificateurs électrostatiques d’air sont d’une grande complexité mécanique et électrique, d’où un coût élevé. En effet, l’enchevêtrement avec alternance de pièces isolantes et électriquement conductrices et le maintien mécanique des plaques est complexe pour garantir leur positionnement à égale distance les unes des autres tout en assurant leurs connexions électriques sous haute tension ou à la masse sans claquage disruptif. Autrement dit, les inconvénients techniques majeurs, plus particulièrement ceux liés à la fabrication du collecteur électrostatique sont:
- une réalisation précise de très nombreuses pièces (isolantes et conductrices) ;
- un assemblage méticuleux ;
- une masse de matière métallique importante. Par exemple, pour traiter un débit d’air égal à 2200 m3/h, l’ensemble du précipitateur électrostatique du purificateur commercial FEI de la société France- Air pèse 44 kg.
- une efficacité de filtration qui, bien qu’ assez élevée, demeure nettement inférieure à l'efficacité atteinte avec un filtre HEPA type H12 ou H13.
Pour pallier une partie de ces inconvénients, tout en cherchant à atteindre le niveau d’une une filtration HEPA, des solutions ont déjà été proposées dans les demandes de brevets/brevets US 6749669B 1, EP1262239A2, WO 2006/012520A2, CN103301943A, CN104368444A, CN1126576782, CN106179751B et EP3338893A1.
Plutôt que d’établir un écoulement d’air au travers d’un empilement de plaques métalliques parallèles électrisées, ces solutions consistent à établir l’écoulement au travers d’un empilement de plaques alvéolaires en matériau électriquement isolant, chaque plaque étant revêtue d’une couche électriquement conductrice portée à un certain potentiel électrique dans le but d’établir un champ électrique dans les alvéoles. Les particules incidentes qui sont électriquement chargées, se déposent alors dans les alvéoles selon les lois classiques de la précipitation électrostatique.
Il existe toujours un besoin de trouver un système de filtration permettant d’atteindre des niveaux d’efficacité d’un filtre HEPA, stables au cours du temps, sans avoir les inconvénients d’un filtre HEPA.
Le but général de l'invention est alors de répondre à ce besoin.
Exposé de l’invention
Pour ce faire, l’invention a pour objet un système de filtration, destiné à la filtration de l’air, notamment d’un habitacle d’un moyen de transport, tel qu’un véhicule automobile comprenant :
- au moins un ioniseur, dit ioniseur principal, des particules susceptibles d’être présentes dans l’air, comprenant, en tant que dispositif d’ionisation par effet corona des fibres électriquement conductrices,
- au moins un filtre mécanique ou une mousse, en tant que préfiltre, agencé en aval de l’ioniseur,
- au moins un précipitateur/collecteur électrostatique, agencé en aval du préfiltre et comprenant :
• au moins une plaque à canaux en matériau substantiellement électriquement isolant, s’étendant selon un axe longitudinal, les canaux de la plaque étant séparés de façon fluidique l'un de l'autre, chaque canal s’étendant selon l’axe longitudinal et étant débouchant à ses deux extrémités opposées, vers l’extérieur de la plaque ;
• au moins deux feuilles ou plaques ou couches électriquement conductrices, formant des électrodes dont au moins une portion est agencée sur chacune des faces principales de la plaque à canaux, les deux électrodes étant adaptées pour générer un champ électrique (E) selon une direction orthogonale à l’axe X dans les canaux de la plaque.
Le système selon l’invention est destiné à la filtration d’air qu’il soit intérieur, extérieur et plus généralement de tous types d’atmosphères peu ou faiblement empoussiérées et dont l’écoulement est de préférence canalisé. Le système peut comprendre un ventilateur qui peut être placé n’importe où dans l’écoulement canalisé, en amont ou en aval des éléments décrits précédemment, fonctionnant en soufflage ou en aspiration, à condition que le flux d’air soit assuré dans le sens allant de l’ioniseur vers le collecteur en passant par le préfiltre.
L’ioniseur est avantageusement pourvu d’un dispositif assurant l’émission d’ions négatifs, de préférence en très forte concentration, par destruction passive du nitrate d’ammonium produit à la surface des électrodes, là où le champ électrique est le plus intense.
La destruction du nitrate d’ammonium se fait thermiquement car ce composé, solide à température ambiante, s’évapore à partir de 210°C. Cette destruction peut être réalisée en continu ou, préférentiellement, en discontinu.
Le chauffage des électrodes ionisantes est avantageusement effectué par des moyens passifs, par exemple de chauffage par effet Joule ou par induction.
Le nettoyage de ces électrodes ionisantes peut être réalisée par action mécanique ou par soufflage d’un puise d’air.
De préférence, l’ioniseur est constitué de fibres de carbone. De préférence encore, les fibres de carbone présentent un diamètre de 10 à 20 pm, regroupées avantageusement pour former un pinceau d’environ 300 fibres sur 5 mm de longueur.
Le préfiltre peut être standard, et préférentiellement constitué d’éléments fibreux plissés et poreux pour présenter une faible perte de charge, typiquement de quelques dizaines de Pascals, mais suffisamment efficaces vis-à-vis des particules incidentes électriquement chargées. Un préfiltre classé G4, M6 ou encore type F7 à F9 constitué par exemple de fibres synthétiques en polypropylène, modacrylic et polyester peut avantageusement être envisagé [6].
Par rapport à l’état de l’art, le collecteur selon l’invention comprend:
- au moins une plaque à canaux en matériau substantiellement électriquement isolant, s’étendant selon un axe longitudinal (X), les canaux de la plaque étant séparés de façon fluidique l'un de l'autre, chaque canal s’étendant selon l’axe longitudinal (X) et étant débouchant à ses deux extrémités opposées, vers l’extérieur de la plaque ;
- au moins deux feuilles ou plaques ou couches électriquement conductrices, formant des électrodes dont au moins une portion est agencée sur chacune des faces principales de la plaque à canaux, les deux électrodes étant adaptées pour générer un champ électrique selon une direction orthogonale à l’axe X dans les canaux de la plaque.
Selon un mode de réalisation avantageux, le système comprend des moyens de régulation de la tension électrique à l’ioniseur principal, et de préférence de manière simultanée, aux électrodes du(des) précipitateur(s)/collecteur(s) électrostatique(s). Pour une application ou la variation des débits d’air à traiter est importante, comme dans un habitacle de véhicule automobile, une modulation de la haute tension électrique d’ionisation tout comme celle appliquée sur les alvéoles des plaques du collecteur permet d’obtenir un compromis entre efficacité de filtration et débit d’air confortable pour les personnes. Par exemple, pour une filtration d’un habitacle de véhicule automobile, on peut envisager une augmentation crescendo de cette tension pour un débit d’air élevé, typiquement égal à 200 m3/h, 300 m3/h, 400 m3/h), suivie d’une diminution de cette tension tout en conservant une efficacité de filtration de niveau HEP A pour un débit de confort de 50 à 150 m3/h.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, le système comprend un ioniseur supplémentaire, en tant que préchargeur électrique, agencé en amont de l’ioniseur principal. L’ioniseur principal et donc en en série avec l’ioniseur supplémentaire, à distance qui peut être ajustée, suivant les applications. Cette mise en série d’un ioniseur supplémentaire permet de fortement dopé les performances du collecteur électrostatique. Autrement dit, on obtient un gain d’efficacité.
Selon un autre mode de réalisation avantageux, le système comprend un dispositif de décharge électrique par mise à la masse de la (des) électrodes du précipitateur électrostatique. Réaliser une mise à la masse permet une intervention et maintenance sur les plaques alvéolaires du précipitateur électrostatique, sans risque pour un opérateur.
Avantageusement, le collecteur comprend un empilement de plaques à canaux, une électrode intermédiaire étant intercalée entre deux plaques adjacentes dans l’empilement, toutes les électrodes intermédiaires d’une même polarité étant reliées entre elles à une électrode de sortie formant une borne de sortie.
Selon un premier mode de réalisation avantageux, les électrodes intermédiaires d’une même polarité ont en outre chacune une portion souple qui épouse le bord latéral d’une plaque tandis que les bornes de sortie ont chacune une forme générale en L dont une branche épouse le bord latéral de l’empilement de plaque en étant en contact avec les portions des électrodes et l’autre branche épouse une des faces principales de la plaque à l’une des extrémités de l’empilement.
Selon un deuxième mode de réalisation avantageux, les électrodes intermédiaires d’une même polarité comprennent chacune une languette souple ou autre point de contact électrique qui épouse le bord latéral d’une plaque, les languettes du même bord latéral se chevauchant l’une sur l’autre, de sorte à former une des bornes de sortie.
Selon ce deuxième mode, le collecteur comprend de préférence deux plaques d’extrémité en matériau isolant électrique, agencées de part et d’autre de l’empilement.
Pour une fabrication en petite série, les électrodes intermédiaires sont sous la forme de feuilles métalliques (type feuille d’aluminium alimentaire) recouvrant chacune au moins en partie une face principale d’une plaque. Chaque feuille métallique a de préférence une épaisseur comprise entre 10 et 50 pm. Avantageusement, pour une fabrication en grande série, les électrodes intermédiaires sont sous la forme de dépôt métallisés : la métallisation par un procédé de dépôt surfacique est ainsi préférable.
Selon le premier ou le deuxième mode, chaque électrode intermédiaire est de préférence scellée entre deux plaques à canaux de sorte à constituer un bloc étanche aux fluides entre plaques vis-à-vis des fluides et isolant électriquement entre deux électrodes intermédiaires. Le bloc étanche et isolant peut être complété par les plaques d’extrémité isolantes électriques. L’étanchéité du bloc conférée par le scellement est vis à vis des gaz à épurer et des liquides de lavage en phase de décolmatage ou nettoyage par exemple. Cela permet d’envisager un nettoyage du collecteur directement dans un lave-vaisselle par exemple. L’isolation électrique conférée par le scellement évite tout claquage disruptif par conduction de surface entre électrodes adjacentes.
De préférence, le matériau de la (des) plaque(s) présente une conductivité électrique transversale supérieure à 10 14 S/m à température ambiante (résistivité volumique inférieure à 1014 Q.m et une rigidité diélectrique supérieure à 15 kV/mm).
Ainsi, le matériau de la (des) plaque(s) peut être choisi dans une large gamme de polymères thermoplastiques, en particulier ceux qui peuvent être facilement extradés comme par exemple le polychlorure de vinyle (PVC) ou encore le polycarbonate (PC) dont la rigidité diélectrique est de 25 kV/mm. Tout type de polymère thermoplastique pouvant être extradé peut donc convenir. Le polypropylène associé à une tension d’ionisation optimale et une distance inter-plaques plus faible est une alternative possible.
Chaque plaque a de préférence une épaisseur comprise entre 1 et 20 mm.
Selon une caractéristique avantageuse, les canaux d’une même plaque sont identiques.
Selon une autre caractéristique avantageuse, les canaux d’une même plaque peuvent être rectilignes, de préférence de section transversale carrée ou rectangulaire droite, de côté de longueur inférieure à 10 mm, de préférence comprise entre 2 et 4 mm.
Comme précisé avant, le système comprend au moins un ventilateur agencé en amont ou en aval de l’ioniseur principal ou en aval du précipitateur/collecteur électrostatique.
Selon une configuration d’installation, la(les) plaque(s) à canaux du précipitateur/collecteur électrostatique est(sont) agencée(s) à la verticale, le(s) ventilateur(s) étant agencé sur le dessus de la (des) plaque(s) à canaux, le= système comprenant en outre un grillage en dessous de l’ioniseur en tant que préfiltre.
Le système peut comprendre une batterie et un boitier logeant les composants en constituant un appareil autonome.
L’invention a également pour objet un procédé de fonctionnement d’un système de filtration tel que décrit précédemment, comprenant les étapes suivantes : a/ détection automatique ou action volontaire d’au moins un individu dans un habitacle d’un moyen de transport ; b/ en cas de détection automatique ou d’action volontaire d’un individu selon l’étape a/, application d’une tension électrique à l’ioniseur principal, et de préférence de manière simultanée, aux électrodes du(des) précipitateur(s)/collecteur(s) électrostatique(s).
Avantageusement, la tension appliquée selon l’étape b/ à l’ioniseur principal et/ou au(x) précipitateur(s)/collecteur(s) électrostatique(s) est comprise entre 5 et 15 kV ou -5 et -15 kV.
De préférence, le champ électrique généré selon l’étape b/ dans les canaux de plaque du(des) précipitateur(s)/collecteur(s) électrostatique(s) est supérieur ou égal à 20 kV/cm.
Selon une variante avantageuse, le procédé comprend, lors de l’étape b/, une étape bl/, d’inversion des polarités d’électrodes du(des) précipitateur(s)/collecteur(s) électrostatique/ s) telles que celles initialement mises à la masse électrique soient mises au potentiel du champ électrique à générer et vice-et- versa. Le nombre de Reynolds (Re) d’écoulement d’air dans les canaux de plaque du(des) précipitateur(s)/collecteur(s) électrostatique(s), lors de l’étape b/, est de préférence inférieur ou égal à 2000.
Selon une autre variante avantageuse, le procédé comprend, lors de l’étape b/, une étape b2/ d’alimentation en air propre ou en autre gaz neutre, par exemple N2, de l’ioniseur principal et/ou chauffe ponctuel de ce dernier. Cela permet de maintenir la performance d’ionisation, au cours du temps.
Selon une autre variante avantageuse, le procédé comprend, même en cas de non-détection automatique ou d’action volontaire d’un individu selon l’étape a/, et en l’absence d’étape b/, une étape c/ de mise à la masse électrique des d’électrodes du(des) précipitateur(s )/collecteur(s ) électro statique/ s) .
Selon une autre variante avantageuse, le procédé comprend, lors de l’étape b/, une étape b3/ de régulation de la tension électrique à l’ioniseur, et de préférence de manière simultanée, aux électrodes du(des) précipitateur(s)/collecteur(s) électrostatique(s) en fonction du débit d’air à traiter.
L’invention a encore pour objet un moyen de transport, notamment véhicule automobile, comprenant :
- une ou plusieurs gaines de distribution d’air dans l’habitacle du moyen de transport ;
- au moins un système de filtration tel que décrit précédemment avec au moins précipitateur/collecteur électrostatique agencé dans la section d’une ou de plusieurs des gaines de distribution d’air.
Dans le système de filtration selon l’invention, l’utilisation avantageuse d’un collecteur électrostatique alvéolaire par rapport à un filtre électrostatique classique à plaques apparait clairement en examinant le régime d’écoulement laminaire ou turbulent qui les parcourt.
On sait que l’efficacité de collection Ec des filtres électrostatiques suit généralement l’équation de Deutsch-Anderson qui s’écrit, en régime d’écoulement turbulent:
[Equation 1] : où w est la vitesse de dérive des particules chargées entre les électrodes dans le sens perpendiculaire à l’écoulement,
Ac est la surface de collection,
Q est le débit de passage.
Sur la figure 2, représentant l’efficacité E en fonction de wAc /Q, l’équation de Deutsch- Anderson est donnée par la courbe A. En revanche, en régime d’écoulement laminaire, l’efficacité E atteint 100% lorsque le terme w Ac / Q > 1 (courbe B).
Or, une plaque à canaux débouchants peut facilement fonctionner dans ce régime laminaire. Cela résulte de la faible dimension que l’on peut conférer aux canaux dans lesquels le nombre de Reynolds de l’écoulement peut facilement être limité à 2000 ou moins, ce qui apporte un nouvel avantage par rapport aux précipitateurs électrostatiques classiques qui fonctionnent en régime turbulent.
En résumé, par rapport à un système avec collecteur électrostatique classique et pour un débit d’épuration fixé, un système de filtration avec ioniseur et collecteur électrostatique alvéolaire apporte les avantages suivants :
- efficacité de collection pouvant atteindre 100% grâce à un régime d’écoulement laminaire dans les canaux des plaques ;
- du fait de cette efficacité à 100%, absence d’exposition des personnes à des ions (négatifs ou positifs) ;
- possibilité d’utiliser des champs électriques de collection importants, sans risque de claquage électrique, grâce à la rigidité diélectrique de l’isolant de(s) plaque(s) supérieure à celle de l’air ;
- absence de production d’ozone ;
- réduction drastique du nombre de composants à assembler ;
- réduction drastique de la masse des matériaux utilisés ;
- extrême facilité de fabrication et d’assemblage ;
- en conséquence, réduction drastique du coût de réalisation ; - possibilité d’implanter un collecteur selon l’invention dans des structures de formes variées, ou des appareils variés, y compris dans ceux miniaturisés, ce qui n’est pas facile, voire impossible, à faire avec des précipitateurs électrostatiques selon l’état de l’art.
Ainsi, pour un même débit d’air à traiter, l’invention permet de réaliser un gain conséquent de perte de charge, d’encombrement, de masse, de durée de vie, de dépenses de fabrication, de maintenance et de fonctionnement. En corollaire, l’invention permet de réaliser une économie significative sur la facture énergétique globale comparativement aux systèmes selon l’état de l’art.
D'autres avantages et caractéristiques de l’invention, ressortiront mieux à la lecture de la description détaillée, faite à titre illustratif et non limitatif, en référence aux figures suivantes.
Brève description des dessins
[Fig IA] la figure IA est une vue schématique en coupe longitudinale d’un précipitateur électrostatique à double étage, i.e. avec un étage formant un ioniseur et un étage formant un collecteur des particules, dans la continuité de l’ioniseur.
[Fig IB] la figure IB est une vue schématique en coupe longitudinale d’un précipitateur électrostatique à double étage, selon une variante d’ ioniseur à fibres de carbone
[Fig 2] la figure 2 illustre sous forme de courbes l’efficacité de collecte de filtres électrostatiques en régime turbulent et en régime laminaire.
[Fig 3] la figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale d’un système de filtration selon l’invention.
[Fig 4] la figure 4 est une vue schématique en perspective d’un premier exemple de collecteur électrostatique selon l’invention.
[Fig 4A] la figure 4A est une vue schématique en éclaté du collecteur électrostatique selon la figure 4.
[Fig 5] la figure 5 est une vue schématique en perspective d’un deuxième exemple de collecteur électrostatique selon l’invention. [Fig 5A] la figure 5A est une vue schématique en éclaté du collecteur électrostatique selon la figure 5.
[Fig 6] la figure 6 est une vue schématique en perspective d’un prototype expérimental intégrant un système de filtration conforme à l’invention à des fins d’essais.
[Fig 7] la figure 7 est une vue schématique en coupe longitudinale d’une partie de l’empilement de plaques à canaux d’un précipitateur/collecteur électrostatique selon l’invention, la figure 7 montrant la trajectoire des particules chargées électriquement lors de leur collecte au sein des canaux.
[Fig 8] la figure 8 est une vue schématique en coupe transversale longitudinale d’une partie de l’empilement de plaques à canaux d’un précipitateur/collecteur électrostatique selon l’invention, la figure 8 montrant des particules collectées au sein des canaux.
[Fig 9] la figure 9 est une vue schématique en perspective et en arraché partiel d’un deuxième exemple de système de filtration en tant que purificateur d’air, intégrant un ioniseur à fibres de carbone et un collecteur électrostatique conforme à l’invention.
[Fig 10] la figure 10 indique sous forme graphique l'efficacité de filtration d’un prototype expérimental réalisé comme sur la figure 6 en fonction de la taille des particules pour différents débits de ventilateur.
[Fig 1 IA] la figure 1 IA indique sous forme graphique la courbe d’efficacité d’un collecteur alvéolaire en fonction de la taille des particules lorsque le collecteur est à son point de fonctionnement optimal.
[Fig 11B] la figure 11B indique sous forme graphique la courbe d’efficacité typique d’un préfiltre à fibres de moyenne efficacité en fonction de la taille de particules, sans ou avec ionisation des particules.
[Fig 11C] la figure 11C indique sous forme graphique la courbe d’efficacité du système de filtration selon l’invention.
[Fig 11D] la figure 11D résume sous formes de courbes la mise œuvre de l’invention pour atteindre une efficacité HEP A. [Fig 12] la figure 12 est une vue schématique en perspective et en éclaté d’un réseau de distribution d’air neuf dans un appartement ou un espace de bureaux, à l’intérieur duquel est positionné au moins un collecteur électrostatique selon l’invention.
[Fig 13] la figure 13 est une vue schématique en perspective d’un collecteur électrostatique selon l’invention, intégré dans un conduit de ventilation à profil longiligne.
[Fig 14] la figure 14 est une vue schématique en coupe longitudinale d’un montage expérimental permettant de tester le collecteur électrostatique selon l’invention tel qu’illustré en figure 13.
[Fig 15] la figure 15 donne le résultat expérimental des essais de longue durée avec le montage de la figure 14, obtenu sous forme d’une courbe donnant l’efficacité de collection des particules en fonction du temps.
[Fig 16] la figure 16 donne d’autres résultats expérimentaux d’essais de longue durée avec le montage de la figure 6, obtenu sous forme d’une courbe donnant l’efficacité de collection au cours du temps, interrompue par des étapes de nettoyage de l’ioniseur et du collecteur.
[Fig 17A] la figure 14A illustre en perspective un dispositif de chauffage par induction d’un ioniseur à fibres de carbone.
[Fig 147] la figure 17B illustre en perspective un dispositif de chauffage par effet Joule d’un ioniseur à fibres de carbone.
[Fig 18A] la figure 18A est une vue schématique en coupe longitudinale d’un système de filtration selon l’invention, visant à optimiser l’emplacement des ioniseurs.
[Fig 18B] la figure 18B indique les différentes efficacités de filtration obtenues lorsque l’ioniseur est positionné en gaine, en amont du préfiltre.
[Fig 18C] la figure 18C indique les différentes efficacités de filtration obtenues lorsque l’ioniseur est positionné hors gaine, en amont de l’aspiration.
[Fig 19A] la figure 19A donne les résultats expérimentaux d’efficacité d’un collecteur électrostatique de faible épaisseur, en fonction du temps, pour mettre en évidence l’influence de périodes d’arrêt. [Fig 19B] la figure 19B donne les résultats expérimentaux d’efficacité d’un collecteur électrostatique de faible épaisseur, en fonction du temps, pour mettre en évidence l’influence du changement de polarité des électrodes.
[Fig 20] la figure 20 est une vue schématique en perspective et en éclaté d’un réseau de distribution d’air dans l’habitacle d’un véhicule automobile, à l’intérieur duquel sont positionnés des collecteurs électrostatiques selon l’invention.
[Fig 21] la figure 21 est une vue schématique en coupe longitudinale de collecteurs électrostatiques selon l’invention intégrés dans un réseau de distribution d’air dans l’habitacle d’un véhicule.
[Fig 22] la figure 22 est une vue schématique en perspective d’un système de filtration visant à traiter de grands débits d’air par assemblages modulaires de collecteurs standardisés.
[Fig 23] la figure 23 est une vue schématique en coupe longitudinale du système de filtration selon la figure 22, agencé dans un caisson protégé dans un espace recevant du public tel qu’un quai de métro.
[Fig 24] la figure 24 est une vue schématique en perspective de collecteurs électrostatiques alvéolaires selon l’invention, destinés à filtrer l’air au niveau de voies ferroviaires en milieu souterrain pour réduire la concentration en particules issues du freinage des rames.
Description détaillée
Dans l’ensemble de la présente demande, les termes « entrée », « sortie », « amont » et « aval » sont à comprendre par référence par rapport au sens du flux d’aspiration au travers d’un système de filtration selon l’invention. Ainsi, l’orifice d’entrée désigne l’orifice du dispositif par lequel l’air à purifier est aspiré tandis que celui de sortie désigne celui par lequel le flux d’air sort.
Les figures IA, IB et 2 ont déjà été commentées en préambule. Elles ne sont pas détaillées ci-après.
Un même élément selon l’état de l’art et selon l’invention est désigné par une même référence numérique. On a illustré à la figure 3, un exemple de système de filtration d’air 1 selon l’invention, par exemple celui d’un habitacle de véhicule. Ce système 1’ comprend, d’amont en aval, dans le sens de l’écoulement :
- un ioniseur 2 adapté pour charger électriquement les particules incidentes en suspension dans l’air canalisé dans un conduit 100,
- un préfiltre à fibres 40, de type filtre habitacle d’automobile qui peut être standard,
- un collecteur 3 à plaques formant des canaux tel que décrit ci-après,
- un ventilateur d’extraction 14 qui induit l’écoulement au sein du conduit 100.
On a représenté en figures 4 et 4A, un exemple de collecteur électrostatique 3 selon l’invention.
Il comprend tout d’abord un empilement de plaques 5, de préférence identiques à canaux débouchant 50. Chaque plaque 5 est en matériau substantiellement électriquement isolant, et s’étend selon un axe longitudinal X. Les canaux 50, de préférence identiques d’une même plaque sont séparés de façon fluidique l'un de l'autre. Chaque canal s’étendant selon l’axe longitudinal X et est débouchant à ses deux extrémités opposées. Dans l’exemple illustré, les canaux 50 ont une section transversale rectangulaire.
Les propriétés et paramètres suivants peuvent être envisagés pour une plaque 5 :
- une épaisseur comprise entre 1 et 20 mm ;
- un matériau isolant électrique constitutif choisi parmi le poly (chlorure de vinyle) (PVC), le polycarbonate (PC), le polypropylène (PP) ou autres matériaux dont les propriétés électriques sont conformes au fonctionnement de l’invention ;
- des canaux 50 de section rectangulaire ou carrée comprise entre 2 et 40 mm.
Une électrode intermédiaire 6, 7 est intercalée entre deux plaques adjacentes 5 dans l’empilement, toutes les électrodes intermédiaires d’une même polarité étant reliées entre elles à une électrode de sortie formant une borne de sortie 8, 9.
Les électrodes intermédiaires d’une même polarité ont en outre chacune une portion 60, 70 qui épouse le bord latéral d’une plaque 5.
Les bornes de sortie 8, 9 ont chacune une forme générale en L dont une branche 80, 90 épouse le bord latéral de l’empilement de plaque en étant en contact avec les portions des électrodes et l’autre branche 81, 91 épouse une des faces principales de la plaque à l’une des extrémités de l’empilement.
Comme illustré en figures 4 et 4A, les électrodes intermédiaires 6, 7 sont de préférence sous la forme de feuilles ou fines plaques métalliques dont une portion 61, 71 recouvre chacune une face principale d’une plaque 5 et dont une portion 60, 70 est rabattue contre un bord latéral de la plaque ou d’une plaque adjacente 5.
Les bornes de sorties 8, 9 sont sous la forme de plaques métalliques pliées en L.
Ainsi, les feuilles ou fines plaques métalliques 6 sont en contact électrique direct avec la borne de sortie 8 sur laquelle est appliqué un certain potentiel. Les feuilles métalliques 7 sont en contact électrique avec la borne de sortie 9 sur laquelle est appliqué un autre potentiel. Cette différence de potentiel crée un champ électrique au sein des canaux.
Un autre exemple de collecteur 3 est montré aux figures 5 et 5A. Les électrodes 6, 7 sont également constituées par des feuilles métalliques dont la portion principale 60, 70 est appliquée contre une des faces principales d’une plaque 5.
Les dimensions surfaciques de la portion principale correspondent sensiblement à celles d’une plaque 5 à une distance de retrait près « d » sur tout le pourtour de la portion 60, 70. Ce retrait d, par exemple de 5 mm, permet un gain de surface de collecte. Ce retrait « d » peut être ajusté. Il est avantageusement revêtu d’un vernis isolant électrique avant assemblage de l’empilement. Ce vernis est par exemple un vernis de type de celui commercialisé sous la dénomination RS 199- 1480 de résistance diélectrique égale à 60 kV/mm.
Chaque électrode 6, 7 comprend en outre une languette souple 62, 72 qui émerge de la portion principale 60, 70 et qui est pliée pour épouser le bord latéral d’une plaque 5. Comme montré sur la figure 8A, les languettes 62, 72 du même bord latéral se chevauchent l’une sur l’autre de sorte à former une des bornes de sortie 8, 9.
Quel que soit l’exemple de réalisation, chaque électrode intermédiaire 6, 7 est scellée entre deux plaques 5 à canaux 50 de sorte à constituer un bloc étanche aux fluides entre plaques vis-à-vis des fluides (gaz à épurer, liquide de nettoyage) et isolant électriquement entre deux électrodes intermédiaires. L’isolation électrique du bloc conférée par le scellement évite tout claquage disruptif par conduction de surface entre électrodes adjacentes 6, 7. Dans l’exemple des figures 5 et 5A, deux plaques pleines 16, en matériau isolant électrique sont agencées de part et d’autre aux extrémités de l’empilement. Ainsi, une fois l’empilement assemblé avec le scellement de toutes les électrodes 6, 7 et des plaques 5 à canaux 50 intercalées, et les plaques d’extrémité 16, le collecteur 3 est sous la forme du bloc étanche et isolant électrique. Un tel bloc peut être aisément décolmaté/nettoyé notamment dans un lave- vais selle si ses dimensions lui permettent ou dans tout autre dispositif de lavage.
Pour montrer les performances d’un collecteur électrostatique alvéolaire 3 du type de celui décrit en figure 4 et 4A, qui se présente sous la forme d’un cube de 12 cm d’arête, les inventeurs ont réalisé un système de filtration 1 à géométrie à double étage, i.e. un ioniseur 2 et un collecteur électrostatique alvéolaire 3 en aval de l’ioniseur. Un tel système à double étage est montré à la figure 6.
Le collecteur 3 est donc agencé dans un canal étanche de section rectangulaire 10.
Un boîtier haute tension 11 alimente l’une des bornes de sortie 8.
L’autre borne de sortie 9 est à la masse, au potentiel zéro.
Le générateur haute tension (HT) 11, alimenté sous 12 volts continu, délivre une haute tension négative de 6500 volts ou plus suivant le besoin. Dans l’exemple illustré, un seul générateur HT est mis en œuvre, pour des raisons de simplicité. Toutefois, deux générateurs séparés sont envisageables, notamment pour alimenter le collecteur 3 à une très haute tension.
Le générateur HT 11 alimente également un ioniseur 2 à fibres de carbone dont le principe et les performances de charge par diffusion d’ions sont largement décrits dans la littérature : voir notamment dans la publication [7]. La haute tension (HT) alimentant l’ioniseur 2 à fibres de carbone, doit rester assez limitée pour éviter la formation d’ozone en trop grande concentration, surtout si l’air ainsi filtré doit être recyclé dans des espaces intérieurs occupés.
Un tel ioniseur 2 d’une très grande simplicité et dont le nettoyage sera discuté plus loin, permet de charger efficacement des particules par diffusion d’ions unipolaires tout en produisant extrêmement peu ou pas d’ozone. On peut aussi mettre en œuvre tout autre type de chargeur, notamment à fils conventionnels. L’ioniseur à fibres de carbone 2 est agencé au centre d’un volume qui est délimité par deux grillages métalliques 12 d’une part, les quatre côtés du parallélépipède 13, portion du canal 10, d’autre part, le tout étant relié à la masse. L’ioniseur 2 peut être orienté dans le sens inverse de l’écoulement, comme illustré sur la figure 5, ou préférentiellement dans le sens inverse pour éviter l’impaction ou l’interception de particules au niveau des fibres de carbone.
Un ventilateur 14 insuffle l’air du local expérimental dans le système 1 dont les inventeurs veulent mesurer l’efficacité de filtration vis-à-vis des particules.
Les inventeurs ont réalisé les essais avec feuilles d’aluminium d’épaisseur égale à 12 pm en tant qu’électrodes 6, 7 et des plaques 5 commercialisées à ce jour avec les caractéristiques suivantes :
- épaisseur x longueur x largeur : 5 mm x 2,6 m x 35 cm ;
- matériau : PVC ;
- section transversale d’un canal 50 s’étendant sur toute la longueur de plaque: 7,2 mm x 4,3 mm ;
- épaisseur de paroi séparant deux canaux 0,35 mm.
En mesurant par prélèvement la concentration C en particules de taille supérieure à 0,3 pm à l’aide d’un compteur approprié, en amont Camont et en aval Caval, les inventeurs en ont déduit l’efficacité de filtration du précipitateur 3, soit, en % :
Ec = (Camont - Caval / Camont) x 100
Les inventeurs ont obtenu une efficacité qui peut atteindre 100% et peut être ajustée suivant l’application, qui se maintient au cours du temps. En effet, il faut attendre plusieurs centaines d’heures de fonctionnement pour commencer à voir apparaître une baisse d’efficacité liée dans un premier temps à un encrassement de l’ioniseur.
De plus, les inventeurs ont constaté qu’une haute tension continue jusqu’à 20 kV peut être établie entre électrodes sans claquage disruptif, alors que l’épaisseur entre électrodes n’est que de 5 mm, ce qui montre bien l’avantage de ce collecteur alvéolaire par rapport aux précipitateurs électrostatiques à plaques métalliques qui ne supporteraient pas un champ électrique aussi intense. Les figures 7 et 8 illustrent le transfert de charges électriques ainsi que la collecte qui se produisent au sein de canaux 50.
Comme visible sur les figures 7 et 8, l’électrode 6 est négative et l’électrode 7 est positive. La différence de potentiel appliquée entre ces électrodes crée un champ électrique E au sein des canaux 50. Dans le canal 50 du dessus, le champ électrique E est dirigé du haut vers le bas tandis que dans le canal 50 du dessous, le champ est dirigé du bas vers le haut.
Les particules incidentes P qui sont préalablement chargées négatives se déposent sur une des parois longitudinales d’un canal 50 le long de celui-ci en fonction de leur mobilité électrique, fonction notamment du nombre de charges qu’elles portent et de leur taille. La charge électrique de chaque particule P est dissipée en traversant l’épaisseur d’une des plaques 5 du fait de sa conductivité électrique suffisante, bien que très faible, puis est collectée par l’électrode positive 7.
Un autre exemple de système de filtration d’air 1 intégrant un ioniseur 2 à fibres de carbone et un collecteur 3 en aval est montré en figure 9.
L’ ioniseur 2 et le collecteur 3 sont ici agencés à la verticale avec le collecteur 3 sur le dessus de l’ioniseur 2.
Le système de filtration 1 est traversé par un flux d’air aspiré par plusieurs ventilateurs 14 en parallèle fluidique.
Comme symbolisé par les flèches, le flux d’air est introduit en dessous du boitier 15 au travers d’un grillage en partie basse, jouant le rôle de préfiltre, l’air épuré étant extrait verticalement sur le dessus du boitier 15.
Avec un nombre de trois ventilateurs 14 en parallèle fluidique, le débit d’air (CADR, acronyme anglais pour « Clean Air Delivery Rate ») épuré de toute particule supérieure à 0,3 pm est de 150 m3/h.
Un panneau 17 du boitier 15 regroupe diverses interfaces, parmi lesquelles :
- un bouton marche-arrêt,
- un afficheur de concentration en particules,
- des boutons permettant de passer en comptage de pg/m3 (PM10, PM2,5 et PMI) ou de spectre granulométrique dans la gamme de 0,3 à 10 pm, - un bouton permettant de mettre en œuvre une désinfection interne par rayonnement UVC et/ou génération d’ozone.
Des barrettes de LED 18 s’éclairent selon le code de couleur normalisé relatif aux concentrations en PM2,5.
Le débit des ventilateurs 14 est de préférence asservi aux concentrations mesurées pouvant aller jusqu’à l’arrêt des ventilateurs si l’air est particulièrement bien épuré.
Le purificateur 1 peut être connecté notamment par un protocole de communication sans fil, réseau local Wi-Fi ou réseau mobile, d’une part pour une mise en action préventive à distance afin d’entrer ultérieurement dans un espace pré-épuré, d’autre part pour collecter des données et suivre l’efficacité d’épuration en fonction du temps, notamment pour prévoir le nettoyage si une baisse d’efficacité apparaît.
A pleine puissance, le bruit dont celui du ventilateur est très faible, typiquement inférieur à 30 dB La consommation est également très faible, 4,5 W (375 mA sous 12 V). Cette faible consommation autorise une alimentation par batterie, ici intégrée sous le panneau 16. Un tel épurateur est donc entièrement autonome, facilement déplaçable dans une pièce sans avoir l’inconvénient d’être relié à un fil d’alimentation vers le secteur. Une autonomie de 6 à 8 heures est facilement envisageable. La recharge de la batterie est prévue par un connecteur approprié 19.
Le système de filtration 1 de la figure 9 est plutôt dédié à épurer l’air dans de plus grands volumes que les habitacles de véhicule, par exemple dans des pièces d’habitation.
Un système de filtration 1 peut être utilisé dans de nombreuses applications en atmosphères intérieures, c’est-à-dire des espaces clos au sens large, qu’il s’agisse de lieux accueillant du public (transports, administrations, écoles, hôpitaux, salles de sport et de cinéma, etc.), de bâtiments professionnels (bureaux et commerces) ou d’espaces privés (logements individuels ou collectifs).
Outre ces applications citées dans le domaine de la filtration de l'air à température ambiante dans les espaces intérieurs, d’autres applications peuvent être envisagées, comme notamment l’épuration d’aérosols dans des gaz de procédés industriels, le traitement de l’air à plus petits débits (équipements de protection individuelle (EPI)) ou à plus grands débits (gaines de ventilation), la filtration de l’air dans les tunnels routiers ou ferroviaires ventilés, ou dans les gares souterraines par exemple.
On peut aussi envisager de mettre en œuvre des collecteurs électrostatiques selon l’invention au sein d’équipements ou de lieux de vie dans des environnements très contraignants par leur atmosphère. Par exemple, les bases de vie en milieu désertique ou les systèmes de protection individuelle NBC (acronyme pour Nucléaire, Biologique, Chimique) peuvent être envisagées comme applications.
En termes d’efficacité de filtration, un collecteur électrostatique alvéolaire optimisé présente à lui seul des performances se rapprochant de celles d’un filtre HEPA.
Ainsi, au débit d’aspiration nominal d’environ 60 m3/h pour un cube de 12x12x12 cm3 conforme au collecteur montré aux figures 4 et 4A, un tel collecteur électrostatique alvéolaire présente une efficacité de filtration voisine de 100% pour des particules de tailles comprises entre 50 nanomètres (0,05 pm) et 10 micromètres (10 pm), comme illustré à la figure 10.
Les mesures pour des particules fines et ultrafines jusqu’à 10 nm ont été réalisées au moyen d’un spectromètre de mobilité électrique (ou « Scanning Mobility Particle Sizer » en langage anglo-saxon d’acronyme SMPS) tandis que celles pour les plus grosses particules (notamment supérieur à 0,2 pm) ont été réalisées au moyen d’un Compteur Optique de Particules (COP).
De cette figure 10, il ressort également une efficacité de filtration décroissante pour des débits supérieurs à 60 m3/h d’une part, pour des particules de taille < 0,05 pm d’autre part. Les figures 11 A à 11D représentent schématiquement l’efficacité de chacun des principaux éléments de filtration d’un système de filtration en fonction de la dimension des particules.
Avec un collecteur électrostatique alvéolaire avec un ioniseur agencé en amont tel que présentés dans ce système de filtration selon l’invention, il sera toujours possible de déterminer des conditions de fonctionnement optimales qui vont permettre d’obtenir des courbes d’efficacité de collection du type de celles présentées schématiquement sur la figure 11 A, à savoir : efficacité de collection voisine de 100% pour des particules > 0,05 pm, efficacité de collection décroissante pour des particules < 0,05pm mais généralement > 90%
L’efficacité de charge de particules de taille inférieure à 0,05 pm par diffusion d’ions unipolaires est moins efficace : de fait, seule une fraction de ces particules est correctement chargée. A cette faible taille, la probabilité que les particules acquièrent une charge électrique n’est pas de 100%. Autrement dit, certaines de ces particules sont électriquement neutres et, en conséquence, ne peuvent pas être piégées sous l’effet du champ électrique dans les alvéoles.
La courbe A de la figure 11B montre l’efficacité d’un préfiltre à fibres classique. Cette figure 11B est extraite de l’ouvrage [8]. Un minimum d’efficacité est observé pour des particules de taille voisine de 0,1 à 0,3 pm, là où les mécanismes de dépôt par diffusion et par interception sont les plus faibles. Cela s’explique par les mécanismes de dépôt de particules sur les fibres, où il y a compétition entre les mécanismes de dépôt des particules par diffusion brownienne pour les plus fines d’une part, de dépôt par impaction et interception pour les particules plus grosses d’autre part.
La courbe B de la figure 11B donne l’efficacité du même préfiltre à fibres lorsque les particules sont électriquement chargées par l’ioniseur 2, les particules chargées étant plus facilement captées sur les fibres du préfiltre sous l’effet de forces électrostatiques. L’efficacité du préfiltre s’en trouve augmentée. Autrement dit, cette courbe B, avec ionisation, montre schématiquement que le mécanisme de dépôt par thermophorèse accroît significativement l’efficacité de collection du préfiltre comme déjà signalé dans l’état de l’art [4],
La figure 11C illustre le résultat de l’association d’un ioniseur, d’un préfiltre et d’un collecteur électrostatique alvéolaire, l’efficacité de l’ensemble de ce système de filtration atteignant quasiment 100% d’efficacité sur toute la gamme granulométrique étudiée, soit entre 0,01 pm et 10 pm. Ainsi, cette courbe C, donne l’efficacité du collecteur alvéolaire, sans préfiltre, lorsque les particules sont électriquement chargées. Il est visible que l’efficacité du collecteur a tendance à chuter pour les particules ultra-fines (voir résultats expérimentaux sur la figure 10). Cela provient du fait que l’ioniseur 2 n’est pas capable de charger électriquement des particules très fines, phénomène bien connu par ailleurs. Une proportion d’entre elles reste neutre et ne peut donc pas être piégée par toute technique électrostatique.
La courbe D de la figure 11D est la courbe caractéristique d’un système de filtration selon l’invention avec ioniseur, préfiltre constitué filtre à fibres en aval de l’ioniseur et collecteur alvéolaire en aval du préfiltre. On voit que l’efficacité d’un tel système est voisine de 100 % sur toute la gamme granulométrique.
Selon l’invention, un tel système permet donc d’obtenir une très haute efficacité mais avec une perte charge très inférieure à celle d’un filtre HEPA. Pour un même débit traité, cette perte de charge reste typiquement inférieure à 100 Pa avec un système selon l’invention, alors qu’elle est typiquement entre 250 Pa pour un filtre HEPA selon l’état de l’art, à l’état neuf et vaut 500 Pa ou plus avec un filtre HEPA selon l’état de l’art, à l’état colmaté ou proche du colmatage
Par conséquent, en mettant en œuvre un système de filtration selon l’invention, des économies de fonctionnement sont possibles car l’organe déprimogène (le ventilateur souffleur ou extracteur) est beaucoup moins consommateur d’énergie qu’avec un filtre HEPA selon l’état de l’art.
D’autres variantes et améliorations peuvent être apportées sans pour autant sortir du cadre de l’invention.
Par exemple, on peut réaliser un collecteur électrostatique alvéolaire 3 avec une petite section d’entrée S et une grande longueur L.
En effet, le collecteur selon l’invention a l’avantage de s’intégrer facilement dans des structures de formes variées, qu’elles soient cylindriques ou, de préférence, rectangulaires.
De plus, pour un débit de passage donné, la résistance à l’écoulement ou perte de charge est très faible au travers du milieu alvéolaire, contrairement à celle rencontrée dans les médias filtrants fibreux selon l’état de l’art. Dans certains cas, il est donc particulièrement avantageux d’intégrer voir de réaliser intégralement un collecteur électrostatique selon l’invention à l’intérieur d’un conduit de circulation d’air déjà existant pour bénéficier de son volume le plus souvent déjà disponible.
La figure 12 schématise un exemple d’intégration d’un collecteur électrostatique 3 dans une gaine CVC (Chauffage, Ventilation, Climatisation) de locaux utilisée à des fins de filtration de l’air. Plus précisément, ici le collecteur électrostatique 3 est intégré dans un réseau R de distribution d’air neuf dans un espace de bureaux. Comme illustré, il est connu que pour gagner de la place dans les combles ou entre les cloisons, des conduits 100 en PVC extraplats sont de plus en plus souvent utilisés pour véhiculer les différents flux d’air.
En pratique, les inventeurs ont réalisé une expérience de démonstration à partir d’un conduit 100 dans lequel est agencé un collecteur électrostatique 3 comme illustré à la figure 13. La section rectangulaire du conduit 100 a une section standard longueur x épaisseur égale à 220 mm x 55 mm.
Pour intégrer à l’intérieur de ce conduit 100 standard un collecteur électrostatique 3, un nombre de six plaques 5 à canaux, en PVC, d’épaisseur 8 mm et d’une longueur L égale à 1 m ont été insérées à l’intérieur du conduit 100. Ainsi, le dispositif comprenant le collecteur électrostatique 3 délimité extérieurement par la paroi du conduit standard 100 comporte au total 84 canaux, connectés électriquement selon l’invention.
L’expérience a été réalisée pour déterminer l’évolution de l’efficacité de ce dispositif vis-à- vis des particules atmosphériques de taille comprise principalement entre 0,2 pm et 10 pm.
Le schéma du montage expérimental est montré en figure 14.
Un aérosol atmosphérique est pulsé dans un volume 10 par un ventilateur 14. Les particules d’aérosol sont électriquement chargées par un ioniseur 2 porté à une tension Ui de -6500 volts. Une partie du flux d’aérosol est introduite avec un débit Q2 = 80 m3/h dans le dispositif 3, 100 dont les électrodes sont soumises à une tension de collection Uc = Ui = - 6500 volts.
L’efficacité de collection E est déterminée 2 fois par jour en mesurant la concentration amont Cl et aval C2 au dispositif 3, 100 : E = 1 - C2 / C1.
Les résultats de l’expérience sont montrés à la figure 15. Il a été constaté qu’une efficacité supérieure à 99% se maintenait pendant plusieurs centaines d’heures.
On constate qu’au fil du temps un encrassement progressif apparaît notamment au niveau de F ioniseur. L’efficacité de collection E reste supérieure à environ 95% pour un fonctionnement continu pendant plus de 900 heures.
En considérant que dans une installation réellement commercialisée, l’air neuf est d’abord conditionné et filtré dans une centrale de traitement d’air (CTA) avant d’être pulsé dans les locaux, l’encrassement du dispositif 3, 100 sera d’autant moindre que la qualité des préfiltres montés en amont dans la CTA sera bonne.
Ainsi, pour ce qui concerne l’application à la filtration de l’air dans les gaines CVC des locaux, on peut considérer qu’un tronçon d’une gaine 100 équipé d’un système de filtration 1 selon l’invention (ioniseur 2 suivi d’un préfiltre 40 et d’un collecteur 3) pourrait filtrer très efficacement les particules de toutes tailles, comme vu précédemment, et ceci pendant une longue période avant nettoyage. Il en serait de même après remplacement par un nouveau tronçon équipé ou par un autre tronçon ayant été nettoyé au préalable.
L’intégration du système 1 dans des gaines de ventilation, en complément à l’action d’une CTA, est donc particulièrement avantageuse pour améliorer la qualité de l’air dans les locaux vis-à-vis des particules fines jusqu’aux tailles nanométriques, ce qu’aucun filtre en CTA classique n’est capable d’assurer, sauf à utiliser des filtres HEPA comme dans les hôpitaux ou certaines industries de pointe, à mettre aux déchets lorsqu’ils sont colmatés, et dont le coût d’achat et de fonctionnement est par ailleurs élevé.
Concernant l’encrassement du dispositif en fonction du temps, en complément des résultats d’expérience montrés à la figure 15, la courbe de la figure 16 permet de comprendre comment optimiser le nettoyage de T ioniseur et/ou du collecteur. L’expérience consiste à prélever de l’air atmosphérique avec un collecteur alvéolaire neuf 3 précédé par un ioniseur neuf 2, dans la configuration décrite à la figure 6. L’alimentation de l’ioniseur et du collecteur est réalisée à l’aide d’un boîtier haute tension négative fournissant -6500V. Il s’agit d’essais de très longue durée pour observer certains phénomènes. On précise ici qu’il n’y a pas de préfiltre dans le montage d’essais, ni en amont de l’ioniseur, ni en amont du collecteur, ceci afin d’accélérer l’encrassement des dispositifs à étudier.
Sur cette figure 16, une première zone correspond au fonctionnement du collecteur sans intervention (Zone 1). En A, l’expérience est arrêtée et un nettoyage des fibres de carbone de l’ioniseur est effectué avec un pinceau. Puis les essais se poursuivent (Zone 2). En B, l’expérience est de nouveau arrêtée et un nettoyage des canaux du collecteur est effectué, au moyen d’ écouvillon de petites dimensions. Puis, les essais se poursuivent (Zone 3) et sont arrêtés au bout d’un millier d’heures de fonctionnement.
On constate, au début, une efficacité supérieure à 98% pendant 150 heures environ, qui chute progressivement, atteignant 50% vers 600 heures de fonctionnement. Après nettoyage des fibres de carbone de l’ioniseur, l’efficacité remonte momentanément vers 75%.
Après écouvillonnage de l’intérieur des canaux du collecteur, l’efficacité remonte vers 95% ce qui laisse à penser qu’un nettoyage en milieu liquide, par exemple dans un lave-vaisselle pour des collecteurs de petites dimensions, serait encore plus efficace.
On rappelle que lorsqu’un ioniseur à effet corona par pointe négative est alimenté en haute tension négative, un dépôt de nitrate d’ammonium (NH4NO3) se forme à la surface de la pointe et dégrade son profil, ce qui conduit à une baisse de l’intensité d’ionisation. Dans l’expérience rapportée ici, les fibres de carbone sont particulièrement blanchies par le dépôt de nitrate d’ammonium, ce qui explique très probablement la chute d’efficacité observée à la figure 16 en zone 1 et le regain d’efficacité en début de zone 2.
Sachant que le nitrate d’ammonium est un solide cristallin à température ambiante, qu’il fond à 170°C et qu’il se décompose à partir de 210°C, une technique permettant de nettoyer les pointes d’électrodes négatives consisterait à les chauffer à une température supérieure à 210°C, par exemple 230 à 250°C. Cette opération pourrait s’effectuer de manière séquentielle, à une cadence à définir en fonction du besoin, et pour certaines applications demandant un fonctionnement continu et stable pendant de très longues durées.
Pour ce faire, les inventeurs ont envisagé un dispositif de chauffage 22 des pointes d’ionisation 21, qui fonctionne de manière passive, et qui est agencé autour de celles-ci. Un tel dispositif 22 peut fonctionner par exemple par induction (figure 17A) ou par effet Joule (figure 17B).
D’autres techniques de nettoyage des pointes d’ionisation peuvent être proposées. Elles ont déjà été testées et sont efficaces (époussetage par moyen mécanique, nettoyage par puise d’air comprimé) et peuvent être automatisées.
Comme montré à la figure 18A. à l’ioniseur principal 2 peut être ajouté un ioniseur supplémentaire positionné en différents 2’, 2” par rapport à la position de référence, autrement dit par rapport à la position en gaine de ventilation 100 : on peut donc avoir un ioniseur supplémentaire en amont ou en aval du préfiltre 40.
Les expériences suivantes ont été réalisées dans une gaine de ventilation où circule un débit de 300 m3/h. Elles concernent plus spécialement l’application du système 1 selon l’invention, à la filtration de l’air dans l’habitacle des véhicules. Ces résultats peuvent être étendus à toute autre application.
Un filtre d’habitacle 40 expérimental a une section de 21 cm x 20 cm et une épaisseur de 3 cm.
Le collecteur alvéolaire 3 présente la même section et une longueur de 15 cm. Il comprend un empilement de plaques alvéolaires 5, i.e. à canaux, en polypropylène, d’épaisseur 4 mm entre lesquelles sont placées les électrodes 6, qui sont des feuilles d’aluminium de 12 pm d’épaisseur.
Concernant la position de référence, la figure 18B donne l’efficacité de filtration E en différents points d’un système de filtration selon l’état de l’art et selon l’invention, pour différentes intégrations possibles de composant. Les mesures d’efficacité, vis-à-vis de l’aérosol atmosphérique pour des particules de taille supérieure à 0,18 pm, ont été réalisées avec un compteur granulomètre optique commercialisé sous la dénomination Fidas Frog par la société Palas Gmbh. L’ionisation est effectuée par un pinceau 2 de fibres de carbone 20, alimenté sous -6500 V.
Comme illustré sur cette figure 18B, es mesures d’efficacité (E en %) sont les suivantes :
- Filtre habitacle, sans ioniseur, selon l’état de l’art : E = 30%
- Filtre habitacle, avec ioniseur en amont : E = 60%
- Collecteur alvéolaire, avec ioniseur en amont: E = 99,6%
- Système selon l’invention, i.e. avec un filtre habitacle et un collecteur alvéolaire à plaques à canaux, et ioniseur agencé entre eux : E = 99,85%.
Un agencement d’un ioniseur supplémentaire2’ en gaine de ventilation 100, entre le filtre 40 et le collecteur 3, permet d’accroître encore l’efficacité du collecteur par une recharge complémentaire des particules, tout en assurant une plus grande durée de vie à l’ioniseur principal 2 car l’air qui circule en son voisinage a déjà été préfiltré par le préfiltre 40.
Un agencement 2’d’un ioniseur supplémentaire 2” en amont de la gaine ventilation 100, elle permet d’accroître davantage les performances d’un système comme illustré par les la figure 18C :
- Filtre habitacle, sans ioniseur, selon l’état de l’art : E = 30% - Filtre habitacle, avec ioniseur : E = 90%
- Collecteur alvéolaire, avec ioniseurs 2, 2’t : E = 100%
- Système selon l’invention, i.e. avec un filtre habitacle et un collecteur alvéolaire à plaques à canaux, et ioniseurs 2, 2” : E = 100%.
Au vu de ces résultats, il apparaît qu’un collecteur alvéolaire 3 sans filtre habitacle 40 en amont, avec ioniseurs, pourrait atteindre l’objectif visé, autrement dit atteindre une efficacité d’un filtre HEPA selon l’état de l’art.
Selon l’invention, on prévoit pour préserver la durée de vie du collecteur alvéolaire 3 le préfiltre 40 en amont du collecteur, notamment un préfiltre constitué par un filtre d’habitacle pour automobiles actuellement commercialisé, , avec en amont un ioniseur principal 2, et de préférence un ioniseur supplémentaire2” agencé entre le préfiltre 40 et le collecteur 3.
Grâce à cela, on peut envisager d’avoir un collecteur alvéolaire 3 qui ne nécessite pas de maintenance et donc qui pourrait avoir la durée de vie d’un véhicule automobile. Seuls les filtres d’habitacles, en tant que préfiltres, seraient à changer périodiquement comme recommandé aujourd’hui par les constructeurs et équipementiers automobiles.
D’autres expériences ont été réalisées dans la même configuration que celle de la figure 18 A, mais avec des collecteurs alvéolaires 3 de même section et de moindre épaisseur pour chercher à comprendre les mécanismes de dépôt de particules chargées dans les premiers centimètres de pénétration au sein des alvéoles délimitées par les canaux 50 des plaques 5.
Deux collecteurs de forme très plate ont ainsi été testés, l’un ayant une épaisseur de 3 cm (épaisseur identique au filtre habitacle précité), l’autre une épaisseur de 4,7 cm. Une sélection de résultats d’efficacité pour le collecteur d’épaisseur 4,7 cm est montrée en figures 19A et 19B. On précise que dans ces collecteurs testés, les électrodes internes dans le sens de l’écoulement n’ont qu’une longueur de 3 cm, pour éviter les claquages disruptifs entre électrodes sur les faces d’entrée et de sortie, et que le débit de passage dans la section de 21 cm x 20 cm est de 150 m3/h.
La figure 19A montre l’évolution de l’efficacité de ce collecteur très plat en fonction du temps. Alors que l’efficacité est continuellement décroissante, on note que des périodes d’arrêt de fonctionnement (21 h, puis 12 h) permettent de retrouver momentanément des efficacités importantes après ces périodes d’arrêt. La figure 19B montre l’évolution de l’efficacité du même collecteur, en fonction du temps, en permutant instantanément la polarité des électrodes. Pour une polarité fixée, comme sur la figure 19A, l’efficacité est décroissante en fonction du temps. Mais, dans tous les cas, il est constaté une remontée immédiate et très importante de l’efficacité lorsque la polarité des électrodes est inversée.
. La mise en œuvre de ces collecteurs de forme très plate permet d’accroître encore plus leur efficacité de collection intrinsèque en pilotant la tension électrique et polarité, comme montré sur la figure 19B, c’est-à-dire en introduisant une période d’arrêt suivie d’une période de fonctionnement, et/ou un changement de polarité des électrodes. Avec un tel pilotage des électrodes, pour certaines applications, telles que la filtration d’un habitacle de véhicules automobiles qui, par définition, ne fonctionne pas en continu, on peut envisager une gestion automatique du fonctionnement optimal du système de filtration selon l’invention. Un ou plusieurs capteurs de concentration en particules, , peuvent fournir les données pour assurer ce fonctionnement optimal devant conduire, par exemple, à une efficacité de filtration d’un niveau HEPA pour une dépense énergétique minimale au niveau du bloc « HVAC » d’un véhicule automobile (acronyme anglais de Heating, Ventilation and Air-Condilionning), appelé aussi bloc « CVC » (acronyme de Chauffage, Ventilation, Climatisation).
Dans le secteur de l’automobile, ou du transport en général, un autre exemple avantageux d’intégration d’un système de filtration 1 selon l’invention se situe dans les gaines de distribution d’air en aval du bloc CVC. Cette intégration peut le cas échéant être combinée avec un pilotage avantageux comme décrit précédemment. Cette intégration peut être envisagée en particulier si l’espace disponible dans le bloc CVC lui-même est trop restreint pour y positionner le système de filtration précédemment décrit.
Dans un véhicule automobile moderne, il existe un réseau assez dense de canalisations assurant la distribution de l’air dans l’habitacle. Ce réseau est particulièrement discret visuellement dans l’habitacle d’un véhicule, puisqu’il n’est décelable que par ses extrémités, matérialisées par les bouches de diffusion d’air, judicieusement réparties, comme illustrées à titre d’exemple sur la figure 20.
Plus avantageusement encore, les inventeurs proposent d’utiliser les conduits 101 de distribution d’air, longilignes de forme très plate en y ajoutant une fonction de filtration par l’intégration d’un ou plusieurs collecteurs 3 selon l’invention. Autrement dit, les conduits 101 pourraient devenir des conduits avec une fonction de filtration à souhait, c’est-à-dire seulement en cas de tension électrique appliquée. Les inventeurs pensent qu’une efficacité de filtration supérieure à 99% pour des particules de tailles comprises sur une très large gamme, entre 0,05 et 10 pm, est attendue.
Concrètement, un mode actif de fonctionnement en filtration pourrait avantageusement être activé pour des conduits 101 pendant les épisodes de forte pollution atmosphérique, par exemple en cas d’exposition à de fortes concentrations de particules fines dans un embouteillage en milieu urbain. Ce mode actif , en recyclage habitacle ou non, pourrait d’ailleurs s’actionner automatiquement en cas de dépassement d’un seuil prédéterminé.
On peut envisager d’intégrer un ou plusieurs collecteurs électrostatiques selon l’invention dans tous types de véhicules modernes, quelle que soit leur gamme de confort. En particulier, ils peuvent avantageusement prendre des formes quelconques pour s’adapter aux contraintes imposées par les surfaces et volumes disponibles dans un habitacle d’un véhicule.
Par ailleurs, si le filtre habitacle lui-même est de haute efficacité, notamment à 97% à 98% d’efficacité pour des particules de taille supérieure à 0,5 pm, la durée de vie de conduits 101 intégrant un ou plusieurs collecteurs électrostatiques selon l’invention pourrait correspondre à la durée de vie du véhicule car l’encrassement qui serait dû aux particules ultrafines collectées, même en très grand nombre, pourrait ne pas être problématique.
On peut envisager aussi d’appliquer l’invention aux moyens de transport collectifs (bus, métros, trains, avions, ...), et d’autant mieux s’appliquer que l’intégration dans des conduits à profil longiligne serait particulièrement adaptée.
En sus de ce qui précède, on rappelle qu’un écoulement laminaire dans un filtre électrostatique est préférable à un écoulement turbulent en termes d’efficacité de collection (figure 2). Par conséquent, un conduit 101 d’habitacle selon l’état de l’art, au volume intérieur vide parcouru par un écoulement turbulent collecte moins les particules qu’un conduit 101 intégrant des plaques 5 à alvéoles d’un collecteur 3 selon l’invention parcouru par un écoulement laminaire. La figure 20 représente de manière schématique le montage qui pourrait être utilisé dans un habitacle de véhicule pour le traitement de l’air : l’air à épurer est d’abord pulsé au débit Q et les particules d’aérosol sont électriquement chargées dans un ioniseur 2. Cet air est ensuite préfiltré par un filtre d’habitacle 40 connu, puis distribué dans un réseau de gaines en passant dans des collecteurs électrostatiques 3 selon l’invention, aux débits Qi.
Une autre application du système de filtration 1 peut être envisagée, pour la réduction de la concentration en particules fines dans les milieux souterrains où des personnes sont susceptibles de respirer un air très empoussiéré.
La figure 22 montre l’ agencement d’ un bloc 1000 de filtration d’ air prévu pour être implanté sur un quai du métro. Le bloc 1000 illustré comprend un nombre de quatre systèmes de filtration l,de préférence identiques, sous la forme de modules, montés en parallèle fluidique. La section d’entrée d’un module 1 est de 50 cm x 50 cm. Sa longueur hors tout est de 90 cm.
Chaque module 1 comprend, dans le sens de l’écoulement,:
- un grillage à large maille 41 permettant le piégeage d’objets de relativement grosse dimension, qui sont en suspension dans l’air, tels que des feuilles, de longues fibres, ...,
- un ioniseur à fibres de carbone 2,
- un préfiltre mécanique 40 d’efficacité de filtration moyenne, en aval de l’ioniseur 2
- deux collecteurs alvéolaire3 à plaques à canaux, de préférence identiques, accolés l’un à l’autre en aval du préfiltre 40. Un collecteur alvéolaire 3 présente une section unitaire égale à 25 cm x 50 cm, une profondeur 25 cm et a un poids de 7 kg,
- un ventilateur 14 capable d’aspirer, à vide, un débit de 4500 m3/h.
Sans préfiltre 40, le bloc 1000 peut traiter 15000 m3/h d’air avec une efficacité de 98% vis- à-vis des particules de taille supérieure à 0,18 pm. Ces mesures ont été réalisées au moyen d’un compteur granulomètre optique commercialisé sous la dénomination Fidas Frog (par la société Palas Gmbh.
Avec préfiltre 40, selon sa perte de charge et donc son efficacité intrinsèque, un bloc 1000 peut traiter environ 10000 m3/h avec une efficacité HEPA et une perte de charge qui n’excède pas 100 Pa. La figure 23 représente le système de filtration 1 tel que décrit sur la figure 21, agencé dans un caisson insonorisé 2000 destiné à être implanté dans un espace recevant du public, notamment un quai de métro en milieu souterrain. Le caisson 2000 logeant le bloc 1000 est protégé par les grilles 41 assurant une protection physique Comme montré sur cette figure 23, on peut agencer un ioniseur supplémentaire 2”, permet d’accroître très significativement l’efficacité de collecte des particules.
La figure 24 montre, des collecteurs alvéolaires 3 à plaques, conformes à l’invention positionnés à proximité des voies V de passage des rames d’un métro, donc à proximité immédiate de l’émission des particules dues au freinage, qui est une source de pollution majeure pour les usagers sortant de la rame ou à ceux présents sur le quai lorsque la rame arrive en station.
Ces collecteurs 3 peuvent fonctionner en mode passif (sans ventilateur), car les débits de passage de l’air dans les collecteurs sont créés par les mouvements d’air apportés par le trafic des rames et l’effet piston associé.
Dans cette application sous-terraine, plusieurs modes de réalisation peuvent être envisagés.
Dans un premier mode de réalisation, on ne prévoit pas d’ioniseur(s). En effet, les particules émises par friction qui proviennent des freins d’un métro sont chargées électriquement naturellement, ce qui peut s’avérer suffisant pour permettre la collecte des particules dans les alvéoles des plaques à canaux des collecteurs 3.
Dans un second mode de réalisation, on agence un ioniseur 2 en amont d’un collecteur 3, c’est-à-dire en amont dans le sens de circulation d’une rame de métro. Un ioniseur 2 garantit ainsi à coup sûr de charger artificiellement toutes les particules, indépendamment de leur charge initiale naturelle, qui peut être insuffisante.
Dans un troisième mode de réalisation, on agence un ioniseur 2 de part et d’autre d’un collecteur 3. Cela permet d’adapter le système de filtration au double sens éventuel des flux d’air, c’est-à-dire dans le sens du circulation d’une rame ou dans le sens inverse.
Dans un quatrième mode de réalisation, un système de filtration à collecteurs 3, fonctionnant de manière passive (sans ventilateurs) peuvent être avantageusement déployés à très grande échelle pour traiter des débits très importants, par exemple en sortie de ventilation de galeries souterraines pour épurer l’air avant rejet à l’atmosphère. Les débits à traiter s’expriment, dans ce cas, en centaine de milliers de m3/h.
Dans tous les modes de réalisation avantageux illustrés, les ioniseurs 2, 2’, 2” comprennent des fibres de carbone 21. On peut envisager toutes fibres électriquement conductrices de faibles dimensions ou tout élément permettant de produire des ions sans génération d’ozone, typiquement de 10 à 100 pm.
Certains boîtiers haute tension utilisés délivrent classiquement -6500 volts dans les exemples cités. Il a été montré que les résultats étaient encore meilleurs pour des tensions plus élevées, pour l’alimentation de l’ioniseur et/ou du collecteur. Une limite pratique vers 10 à 15 kV paraît raisonnable pour se placer nettement en dessous des risques de claquages disruptifs.
Les boîtiers haute tension utilisés dans les exemples cités délivrent une polarité négative, ce qui offre l’avantage important de produire une concentration d’ions supérieure aux boîtiers en polarité positive. De manière alternative, on peut envisager des boitiers délivrant une haute tension à polarité positive, ce qui a pour avantage une moindre création d’ozone et une absence de création de nitrate d’ammonium au niveau des pointes émissives d’ions. L’utilisation d’ ioniseurs à fibres de carbone ne produit pratiquement pas d’ozone du fait de la finesse des fibres : [9].
L’invention n’est pas limitée aux exemples qui viennent d’être décrits; on peut notamment combiner entre elles des caractéristiques des exemples illustrés au sein de variantes non illustrées.
Un système de filtration selon l’invention peut convenir pour toute filtration d’air, que ce soit en intérieur, extérieur et plus généralement pour tous types d’atmosphères peu ou faiblement empoussiérées comme un habitacle d’un moyen de transport, tel qu’un véhicule automobile
Liste des documents cités
[1] : Etude 2016 Santé Publique France.
[2] : Etude exploratoire du coût socio-économique des polluants de l’air intérieur, Avril 2014, rapport d’étude ANS ES -CS TB. [3] : Goyer G. G., Gruen R., LaMer V.K., « Filtration of Monodisperse Electrically charged Aerosols », Journal of Physical Chemistry, Vol 58, n° 2, pp 137-142 (1954).
[4] : Feng, Z., Long, Z., Yu, T., “ Filtration characteristics of fibrous filter following an electrostatic precipitator” , J. Electros., 83, 52-62 (2016). [5] : "Residential Air Cleaners - A technical Summary” , 3rd edition, EPA 402-F-09-002
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[6]: Shi, B., Ekberg. L.,” Ionizer assisted air filtration for collection of submicron and ultrafine particles”, Environ. Sci. Technol., 49, 6891-6898 (2015).
[7] : Han B., Kim Y.J., Sioutas C., "Unipolar Charging of Fine and Ultra-Fine Particles Using Carbon Fiber Ionizers”, Aerosol Sci. Technol, 42 : 793-800 (2008).
[8] : HINDS, Aerosol Technology, Second Edition, page 199, (1999).
[9] : Kim, H.J., Han, B., Woo, C.G., Kim Y.J., “Ozone emission and electrical characteristics of ionizers with different electrode materials, numbers, and diameters” , IEE Transaction on Industry Applications, 53, 1, January/February (2017)

Claims

Revendications
1. Système de filtration, destiné à la filtration de l’air notamment d’un habitacle d’un moyen de transport, tel qu’un véhicule automobile, comprenant : au moins un ioniseur (2), dit ioniseur principal, des particules susceptibles d’être présentes dans l’air , comprenant, en tant que dispositif d’ionisation par effet corona des fibres électriquement conductrices (21), au moins un filtre mécanique ou une mousse, en tant que préfiltre, agencé en aval de l’ioniseur (2), au moins un précipitateur/collecteur électrostatique (3), agencé en aval du préfiltre et comprenant :
• au moins une plaque à canaux (5) en matériau substantiellement électriquement isolant, s’étendant selon un axe longitudinal (X), les canaux (50) de la plaque étant séparés de façon fluidique l'un de l'autre, chaque canal s’étendant selon l’axe longitudinal (X) et étant débouchant à ses deux extrémités opposées, vers l’extérieur de la plaque ;
• au moins deux feuilles (6, 7) ou plaques (8, 9) ou couches électriquement conductrices, formant des électrodes dont au moins une portion est agencée sur chacune des faces principales de la plaque à canaux, les deux électrodes étant adaptées pour générer un champ électrique (E) selon une direction orthogonale à l’axe X dans les canaux de la plaque.
2. Système de filtration selon la revendication 1, comprenant des moyens de régulation de la tension électrique à l’ioniseur principale, et de préférence de manière simultanée, aux électrodes du(des) précipitateur(s)/collecteur(s) électrostatique(s).
3. Système de filtration selon la revendication 1 ou 2, comprenant un ioniseur supplémentaire, en tant que préchargeur électrique, agencé en amont de l’ioniseur principal.
4. Système de filtration selon l’une des revendications précédentes, comprenant un dispositif de décharge électrique par mise à la masse de la (des) électrodes du précipitateur électrostatique.
5. Système de filtration selon l’une des revendications précédentes, le précipitateur/collecteur électrostatique (3) comprenant un empilement de plaques à canaux, une électrode intermédiaire (6, 7) étant intercalée entre deux plaques adjacentes dans l’empilement, toutes les électrodes intermédiaires d’une même polarité étant reliées entre elles à une électrode de sortie formant une borne de sortie (8, 9).
6. Système de filtration selon la revendication 5, les électrodes intermédiaires d’une même polarité ayant en outre chacune une portion (60, 70) qui épouse le bord latéral d’une plaque tandis que les bornes de sortie ont chacune une forme générale en L dont une branche (80, 90) épouse le bord latéral de l’empilement de plaque en étant en contact avec les portions des électrodes et l’autre branche (81, 91) épouse une des faces principales de la plaque à l’une des extrémités de l’empilement.
7. Système de filtration selon la revendication 5, les électrodes intermédiaires d’une même polarité comprenant chacune une languette ou autre point de contact affleurant (62, 72) qui épouse le bord latéral d’une plaque, les languettes du même bord latéral se chevauchant l’une sur l’autre de sorte à former une des bornes de sortie (8, 9).
8. Système de filtration selon la revendication 7, comprenant deux plaques d’extrémité (16) en matériau isolant électrique, agencées de part et d’autre de l’empilement.
9. Système de filtration selon l’une des revendications 5 à 8, les électrodes intermédiaires étant sous la forme de feuilles métalliques ou dépôts métallisés recouvrant chacune au moins en partie une face principale d’une plaque.
10. Système de filtration selon l’une des revendications 5 à 8, chaque électrode intermédiaire étant scellée entre deux plaques à canaux de sorte à constituer un bloc étanche aux fluides entre plaques vis-à-vis des fluides et isolant électriquement entre deux électrodes intermédiaires.
11. Système de filtration selon l’une des revendications précédentes, le matériau de la(des) plaque(s) ayant une conductivité électrique transversale supérieure à 10 14 S/m à température ambiante.
12. Système de filtration selon l’une des revendications précédentes, le matériau de la (des) plaque(s) étant un polymère thermoplastique pouvant être extrudé, notamment le poly(chlorure de vinyle)(PVC), polycarbonate (PC), le polypropylène (PP) ou autres.
13.
14. Système de filtration selon l’une des revendications précédentes, les canaux (5) étant de section carrée ou rectangulaire droite de côté de longueur inférieure à 10 mm, de préférence comprise entre 2 et 4 mm.
15. Système de filtration selon l’une des revendications précédentes, les fibres d’ioniseur étant des fibres de carbone.
16. Système de filtration selon l’une des revendications précédentes, comprenant au moins un ventilateur agencé en amont ou en aval de l’ioniseur principal ou en aval du précipitateur/collecteur électrostatique.
17. Système de filtration selon la revendication 16, la(les) plaque(s) à canaux du précipitateur/collecteur électrostatique étant agencée(s) à la verticale, le(s) ventilateur(s) étant agencé sur le dessus de la (des) plaque(s) à canaux, le= système comprenant en outre un grillage en dessous de l’ioniseur en tant que préfiltre.
17. Système de filtration selon l’une des revendications précédentes, comprenant une batterie et un boitier logeant les composants en constituant un appareil autonome.
18. Procédé de fonctionnement d’un système de filtration selon l’une des revendications précédentes comprenant les étapes suivantes : a/ détection automatique ou action volontaire d’au moins un individu dans un habitacle d’un moyen de transport ; b/ en cas de détection automatique ou d’action volontaire d’un individu selon l’étape a/, application d’une tension électrique à l’ioniseur principal, et de préférence de manière simultanée, aux électrodes du(des) précipitateur(s)/collecteur(s) électrostatique(s).
19. Procédé de fonctionnement selon la revendication précédente, la tension appliquée selon l’étape b/ à l’ioniseur principal et/ou au(x) précipitateur(s)/collecteur(s) électrostatique(s) étant comprise entre 5 et 15 kV.
20 Procédé de fonctionnement selon la revendication 18 ou 19, le champ électrique généré selon l’étape b/ dans les canaux de plaque du(des) précipitateur(s)/collecteur(s) électrostatique(s) étant supérieur ou égal à 20 kV/cm.
21. Procédé de fonctionnement selon l’une des revendications 18 à 20, comprenant, lors de l’étape b/, une étape bl/, d’inversion des polarités d’électrodes du(des) précipitateur(s)/collecteur(s) électrostatique(s) telles que celles initialement mises à la masse électrique soient mises au potentiel du champ électrique à générer et vice-et- versa.
22. Procédé de fonctionnement selon l’une des revendications 18 à 21, le nombre de Reynolds (Re) d’écoulement d’air dans les canaux de plaque du(des) précipitateur(s)/collecteur(s) électrostatique(s), lors de l’étape b/, étant inférieur ou égal à
23. Procédé de fonctionnement selon l’une des revendications 18 à 22, comprenant, lors de l’étape b/, une étape b2/ d’alimentation en air propre ou en autre gaz neutre, par exemple N2, de l’ioniseur principal et/ou chauffe ponctuel de ce dernier.
24. Procédé de fonctionnement selon l’une des revendications 18 à 23, comprenant, même en cas de non-détection automatique ou d’action volontaire d’un individu selon l’étape a/, et en l’absence d’étape b/, une étape c/ de mise à la masse électrique des d’électrodes du(des) précipitateur(s )/collecteur(s ) électro statique/ s) .
25. Procédé de fonctionnement selon l’une des revendications 18 à 24, comprenant, lors de l’étape b/, une étape b3/ de régulation de la tension électrique à l’ioniseur, et de préférence de manière simultanée, aux électrodes du(des) précipitateur(s)/collecteur(s) électro statique/ s) en fonction du débit d’air à traiter.
26. Moyen de transport, notamment véhicule automobile, comprenant :
- une ou plusieurs gaines de distribution d’air dans l’habitacle du moyen de transport ;
- au moins un système de filtration selon l’une des revendications 1 à 17 avec au moins précipitateur/collecteur électrostatique agencé dans la section d’une ou de plusieurs des gaines de distribution d’air.
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