TITRE : Générateur de monoxyde d’azote

Domaine technique

La présente invention concerne un système de génération de monoxyde d’azote, et plus particulièrement un réacteur à effet corona configuré pour générer un flux gazeux qui est enrichi en monoxyde d’azote à partir d’un flux d’air.

L’invention trouve une application favorite, et non limitative, dans les domaines médical et biologique. Le monoxyde d’azote est notamment utilisé comme un gaz anesthésiant pour les insectes, ou encore en médecine comme vasodilatateur inhalé par exemple.

Etat de la technique

Il est connu de l’art antérieur d’utiliser un dispositif comportant au moins une électrode qui est présentée à proximité d’un flux d’air afin de générer du monoxyde d’azote ; l’électrode est alors alimentée par un courant à haute tension afin de transformer le flux d’air en plasma. Les dispositifs décrit dans l’art antérieur comportent généralement : une électrode dont la conception est basée sur une bougie d’allumage modifiée : la modification portant sur la suppression de l’électrode de masse, une chambre de réaction configurée pour recevoir l’électrode, un système d’alimentation en air configuré pour fournir de l’air dans la chambre de réaction, et un système d’alimentation électrique configuré pour alimenter au moins l’électrode.

A l’usage, il s’avère que les dispositifs de génération de monoxyde d’azote tels que décrit dans l’art antérieur présentent certains inconvénients. Le premier inconvénient réside dans la faible efficience énergétique ainsi que la dégradation de la chambre de réaction causée par l’arc électrique et le flux d’air à l’état de plasma. En effet la réaction à l’intérieur de la chambre de réaction consomme une grande quantité d’énergie qui est partiellement restituée sous forme de chaleur ce qui a pour conséquence l’endommagement de la chambre de réaction lors d’une utilisation prolongée. Par ailleurs, la difficulté d’utilisation des dispositifs tels que décrit dans l’art antérieur réside dans l’instabilité de la concentration en monoxyde d’azote en sortie de la chambre de réaction.

Résumé de l’invention

La présente invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients mentionnés ci-dessus.

Le problème technique à la base de l’invention consiste notamment à fournir un dispositif de génération de monoxyde d’azote qui soit de structure simple et économique, et dont les performances soient stables et durables lors d’une utilisation prolongée.

A cet effet, la présente invention concerne un réacteur à effet corona, configuré pour la génération de monoxyde d’azote, et utilisé notamment pour l’anesthésie d’animaux invertébrés, le réacteur comportant au moins : une chambre de réaction, laquelle comporte au moins un orifice d’alimentation en air, un orifice d’évacuation, un orifice d’électrode, et une cavité de réaction, l’orifice d’alimentation, l’orifice d’évacuation et l’orifice d’électrode débouchant chacun dans la cavité de réaction, l’orifice d’évacuation étant configuré pour assurer le passage fluidique d’un flux enrichi, un dispositif d’alimentation en air, lequel est configuré pour être relié fluidiquement à l’orifice d’alimentation en air au moyen d’un conduit de guidage, et pour alimenter en air la chambre de réaction, une électrode à haute tension qui est configurée pour être au moins en partie à l’intérieur de la chambre de réaction et pour coopérer avec l’orifice d’électrode, et une alimentation électrique configurée pour alimenter électriquement l’électrode à haute tension ainsi que le dispositif d’alimentation en air, le rapport entre une section transversale du conduit de guidage en direction de l’orifice d’alimentation et une section transversale de la cavité de réaction étant compris entre 0,2 et 0,3, et par exemple de 0, 25.

Avantageusement, le rapport sensiblement proche ou égal à 0,25 entre la section transversale de l’orifice d’alimentation en air et la section transversale de la cavité de réaction permet la création d’un effet venturi ainsi que l’expansion d’un flux d’air provenant du dispositif d’alimentation en air lors de son arrivé dans la chambre de réaction. L’effet venturi ainsi que l’expansion du flux d’air combiné avec l’alimentation électrique de l’électrode à haute tension permet de générer un effet corona et ainsi produire du monoxyde d’azote à partir du flux d’air entrant dans la chambre de réaction.

Egalement, les caractéristiques spécifiques de l’invention décrite ci-dessus permettent de récupérer par l’orifice d’évacuation, un flux enrichi qui est enrichi en monoxyde d’azote par rapport au flux d’air et dont la concentration en monoxyde d’azote est comprise entre 450 et 1000 ppm.

Par électrode à haute tension, on entend une électrode dont la plage de fonctionnement est comprise en 4 KV et 12 KV, et de façon avantageuse entre 6 KV et 9 KV volts, et comme par exemple 7 KV, l’électrode à haute tension étant par ailleurs soumise à une intensité comprise entre 20 mA et 40 mA.

Le réacteur à effet corona peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, qui peuvent être prises seules ou en combinaison.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le réacteur à effet corona est également configuré pour réaliser la génération de monoxyde d’azote par l’effet corona ainsi que par un effet d’arc électrique. Les deux phénomènes étant simultanés à l’intérieur de la chambre de réaction.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif d’alimentation en air est relié fluidiquement à l’orifice d’alimentation en air au moyen du conduit de guidage, le conduit de guidage pouvant être cylindrique par exemple. Une telle caractéristique du conduit de guidage permet de générer un effet venturi localisé et ainsi détendre le flux d’air lorsque celui-ci arrive dans la chambre de réaction.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le conduit de guidage présente une section de passage dont le rapport entre la section de passage et la section transversale de la cavité de réaction est comprise en 1/5 et 3/10, et par exemple de 1/4.

Selon un mode de réalisation de l’invention, la cavité de réaction est sensiblement cylindrique et s’étend selon un axe d’extension A.

Selon un mode de réalisation de l’invention, l’orifice d’alimentation en air et l’orifice d’électrode sont sensiblement centrés autour de l’axe d’extension A

Selon un mode de réalisation de l’invention, l’orifice d’électrode est un orifice taraudé, et l’électrode à haute tension possède au moins une partie filetée. L’orifice taraudé étant configuré pour coopérer par complémentarité avec la partie filetée de l’électrode à haute tension.

Selon un mode de réalisation de l’invention, l’électrode à haute tension est par exemple une bougie d’allumage modifiée. Selon un mode de réalisation de l’invention, la bougie d’allumage modifiée consiste en une bougie d’allumage dont l’électrode de masse est retirée, les parois de la chambre de réaction jouant le rôle de masse.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif d’alimentation en air est configuré pour alimenter la chambre de réaction en un flux d’air dont l’écoulement est laminaire.

Le flux d’air passe d’abord par le conduit de guidage et l’orifice d’alimentation en air dont le diamètre est inférieur au diamètre de la chambre de réaction. Ces dimensions ont été trouvées empiriquement après de multiples essais afin d’arriver à un rapport optimum entre le diamètre des éléments d’alimentation en air et celui de la chambre de réaction. Ce rapport a été défini par un diamètre du conduit de guidage qui serait % de celui de la chambre de réaction. Si maintenant on se réfère à la section transversale en calculant l’aire de celle-ci, le rapport entre la section transversale du conduit de guidage et la section transversale de la chambre de réaction est proche de %. Lorsque l’air continu traverse le tuyau de conduction et la chambre de réaction un effet Venturi se produit avec une augmentation de pression d’air laminaire dans la chambre de réaction.

Avantageusement, l’écoulement laminaire du flux d’air en entrée de la chambre de réaction permet une génération de monoxyde d’azote qui soit stable et efficiente. L’état laminaire du flux d’air obtenu par l’effet Venturi généré permet de garantir l’homogénéité de la réaction et par conséquent la stabilité de la concentration en monoxyde d’azote à la sortie de la chambre de réaction.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif d’alimentation en air est une pompe électrique, telle qu’une pompe à membrane par exemple.

Selon un mode de réalisation de l’invention, la chambre de réaction est réalisée en un matériau amagnétique.

Selon un mode de réalisation de l’invention, la chambre de réaction est réalisée en un matériau qui soit capable de conduction électrique et de créer un arc électrique avec l’électrode.

Selon un mode de réalisation de l’invention, la chambre de réaction est réalisée en un matériau qui est amagnétique, capable de conduction électrique et qui soit également capable de dissiper au moins en partie l’énergie thermique générée par le réacteur à effet corona lors de l’alimentation électrique de l’électrode à haute tension et donc la génération de monoxyde d’azote, la chambre de réaction étant réalisée en aluminium par exemple. Avantageusement, l’utilisation de l’aluminium afin de réaliser la chambre de réaction permet de créer un effet corona mais également un arc électrique à l’intérieur de la chambre de réaction. En outre, les propriétés de conductivité thermique de l’aluminium représentent un avantage dans les différences de températures atteintes pendant la formation de l’effet corona avec l’arc électrique et l’évacuation de la chaleur dans l’intermittence de l’alimentation électrique.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le diamètre du rayonnement corona est de 1 cm.

Selon un mode de réalisation de l’invention, la longueur de l’arc électrique est comprise entre 0,5 et 2,5 cm

Selon un mode de réalisation de l’invention, l’orifice d’alimentation en air est situé en regard de l’orifice d’évacuation.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le réacteur à effet corona comporte en outre un élévateur de tension configuré pour alimenter électriquement l’électrode à haute tension.

Selon un mode de réalisation de l’invention, l’élévateur de tension est un régulateur de tension à découpage. Avantageusement, le régulateur de tension à découpage présente un rendement compris entre 60% et 90%. Ce rendement est à comparer avec un rendement de l’ordre de 40% à 50% lors de l’utilisation d’un régulateur de tension linéaire. Par ailleurs, l’encombrement du régulateur à découpage est inférieur à l’encombrement du régulateur de tension linéaire.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le réacteur à effet corona comporte également une interface homme-machine configurée pour alimenter simultanément l’électrode haute tension et le dispositif d’alimentation en air lorsqu’un utilisateur actionne l’interface homme-machine.

Selon un mode de réalisation de l’invention, l’interface homme machine peut être un interrupteur de type contact pneumatique par exemple.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le réacteur à effet corona comporte en outre un dispositif de régulation prévu en aval de l’orifice d’évacuation.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif de régulation est prévu directement à la sortie de l’orifice d’évacuation.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif de régulation est un obturateur qui est prévu en aval de l’orifice d’évacuation. Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif de régulation est configuré pour occuper une pluralité de position entre une position de fermeture dans lequel le dispositif de régulation obture totalement le passage d’au moins une partie du flux enrichi provenant de la chambre de réaction, et une position d’ouverture dans lequel le dispositif de régulation n’obture pas le passage de ladite au moins partie du flux enrichi provenant de la chambre de réaction.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif de régulation est une vanne de régulation dont l’ouverture et/ou la fermeture est pilotée électriquement, telle qu’une électrovanne par exemple.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le réacteur à effet corona comporte en outre un système de contrôle et de régulation configuré pour contrôler la production de monoxyde d’azote dans la chambre en agissant, aux besoins, sur l’alimentation électrique : de l’électrode haute tension, du dispositif d’alimentation en air, du dispositif de régulation, et de l’élévateur de tension.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le réacteur à effet corona comporte en outre un dispositif de sélectivité prévu en aval de l’orifice d’évacuation, le dispositif de sélectivité étant configuré pour agir sur la concentration de monoxyde d’azote ainsi que sur les produits dérivés de l’oxyde d’azote pouvant être présents dans le flux enrichi.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif de sélectivité est composé au moins en partie d’un matériau capable d’effectuer une réaction de réduction du monoxyde d’azote ainsi que des produits dérivés de l’oxyde d’azote.

Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif de sélectivité est composé au moins en partie de chaux sodée par exemple.

Avantageusement, la concentration en monoxyde d’azote dans le flux enrichi en aval du dispositif de sélectivité peut varier en fonction des besoins de l’utilisateur, entre 50 ppm et 400 ppm par exemple.

Selon un mode de réalisation de l’invention, la chambre de réaction présente un volume externe dont l’encombrement est inférieur à 30 cm3.

Selon un mode de réalisation de l’invention, la cavité de réaction présente une forme générale en forme de T.

Selon un mode de réalisation, la masse du réacteur à effet corona peut être comprise par exemple entre 60 à 100 grammes. Avantageusement, le faible encombrement, le poids contenu, ainsi que la faible consommation électrique nécessaire pour le fonctionnement rendent le réacteur à effet corona portatif, c’est à dire transportable à la main par l’utilisateur.

Brève description des figures

On comprendra mieux les buts, aspects et avantages de la présente invention, d’après la description donnée ci-après d’un mode particulier de réalisation de l’invention présenté à titre d’exemple non limitatif, en se référant aux dessins annexés dans lesquels :

Figure 1 est une représentation schématique d’un réacteur à effet corona selon un mode de réalisation de l’invention ;

Figure 2 est une représentation d’une électrode à haute tension selon le mode de réalisation de l’invention ;

Figure 3 est une représentation schématique du réacteur à effet corona selon une première variante du mode de réalisation de l’invention ;

Figure 4 est une représentation schématique du réacteur à effet corona selon une deuxième variante du mode de réalisation de l’invention ;

Figure 5 est une vue en perspective de côté du réacteur à effet corona selon le mode de réalisation de l’invention.

Description détaillée

Les figures 1 , 2 et 5 représentent un réacteur à effet corona 1 ainsi que les éléments le constituant configuré pour la génération de monoxyde d’azote selon un mode de réalisation de l’invention, ainsi que certains des éléments le constituant. Le réacteur à effet corona 1 comporte une chambre de réaction 2, un dispositif d’alimentation en air 3, une électrode à haute tension 4, et une alimentation électrique 5.

La chambre de réaction 2 est réalisée en un matériau amagnétique et capable de conduction électrique, tel que l’aluminium par exemple. La chambre de réaction 2 comporte un orifice d’alimentation en air 6, un orifice d’évacuation 7, un orifice d’électrode 8, et une cavité de réaction 9. L’orifice d’alimentation en air 6, l’orifice d’évacuation 7 et l’orifice d’électrode 8 débouchent chacun dans la cavité de réaction 9. Le dispositif d’alimentation en air 3 est relié fluidiquement à l’orifice d’alimentation en air 6 au moyen d’un conduit de guidage 100 pouvant être cylindrique par exemple. Une telle caractéristique du conduit de guidage 100 permet de générer un effet venturi localisé et ainsi détendre le flux d’air lorsque celui-ci arrive dans la chambre de réaction.

Le rapport entre une section transversale de l’orifice d’alimentation en air 6 et une section transversale de la cavité de réaction 9 étant compris entre 1/5 et 3/10, et est par exemple de 1/4. L’orifice d’alimentation en air 6 est situé en regard de l’orifice d’électrode 8. Par section transversale, on entend une section qui coupe perpendiculairement un axe d’extension A. La chambre de réaction 2 présente une forme extérieure assimilable à un parallélépipède rectangle dont le volume est inférieur à 30 cm3 ; tandis que l’intérieur de la chambre de réaction 2 formant la cavité de réaction est sensiblement cylindrique et s’étend selon l’axe d’extension A.

Selon le mode de réalisation de l’invention tel que représenté sur les figures, la cavité de réaction 9 présente une forme générale qui peut être assimilé à un T. La cavité de réaction 9 est délimitée par la chambre de réaction 2, l’orifice d’alimentation en air 6, l’orifice d’évacuation 7, ainsi que par l’orifice d’électrode 8.

Selon le mode de réalisation de l’invention tel que représenté sur la figure 1 , le dispositif d’alimentation en air 3 est relié fluidiquement à l’orifice d’alimentation en air 6 et est configuré pour alimenter en air la cavité de réaction 9. Le dispositif d’alimentation en air 3 est configuré pour alimenter la chambre de réaction 2 par un flux d’air F1 dont l’écoulement est laminaire. Avantageusement, le dispositif d’alimentation en air 3 est composé par une pompe électrique, telle qu’une pompe à membrane par exemple.

Selon le mode de réalisation de l’invention et comme montré plus spécifiquement sur la figure 2, l’électrode à haute tension 4 comporte une partie filetée 10 qui est configurée pour coopérer par complémentarité de forme avec une partie taraudée de l’orifice d’électrode 8. Egalement, l’électrode à haute tension 4 comporte une extrémité de décharge 11 qui est prévu du côté de la partie filetée 10. L’extrémité de décharge 11 est configurée pour délimiter au moins en partie la cavité de réaction 9. Par électrode à haute tension 4, on entend une électrode dont la plage de fonctionnement est comprise en 4 KV et 12 KV, et de façon avantageuse entre 6 KV et 9 KV, et comme par exemple 7 KV, et dont l’intensité de fonctionnement est comprise entre 20 et 40 mA. Avantageusement et afin de limiter les coûts, l’électrode à haute tension 4 est une bougie d’allumage modifiée dont l’électrode de masse est retirée.

L’alimentation électrique 5 est configurée pour alimenter électriquement l’électrode à haute tension 4 ainsi que le dispositif d’alimentation en air 5. Avantageusement, l’alimentation électrique 5 de l’électrode à haute tension 4 permet de générer un effet corona à l’intérieur de la cavité de réaction 9. L’effet corona permet de transformer le flux d’air F1 provenant de l’orifice d’alimentation en air 6 en plasma, et permet également de récupérer par l’orifice d’évacuation 7 un flux enrichi F2 qui est enrichi en monoxyde d’azote par rapport au flux d’air F1 et dont la concentration en monoxyde d’azote est comprise entre 450 et 1000 ppm.

Avantageusement, le rapport entre la section transversale de l’orifice d’alimentation en air 6 et la section transversale de la cavité de réaction 9 permet une expansion du flux d’air F1 provenant du dispositif d’alimentation en air 3. Egalement, l’écoulement laminaire du flux d’air F1 en entrée de la chambre de réaction 2 permet une génération de monoxyde d’azote qui soit stable et efficiente. L’état laminaire du flux d’air F1 permet de garantir l’homogénéité de la réaction et par conséquent la stabilité de la concentration en monoxyde d’azote en aval de l’orifice d’évacuation 7. Par ailleurs, la chambre de réaction 2 qui est réalisée en un matériau amagnétique et capable de conduction électrique tel que l’aluminium, permet de dissiper au moins en partie l’énergie thermique générée par le réacteur à effet corona 1 lors de la réaction.

Selon une première variante du mode de réalisation de l’invention qui est représentée sur la figure 3, le réacteur à effet corona 1 comporte en outre un élévateur de tension 12, un dispositif de régulation 13, et une interface homme-machine 14.

L’élévateur de tension 12 est configuré pour alimenter électriquement l’électrode à haute tension 4. L’élévateur de tension 12 utilisé est un régulateur de tension à découpage. Avantageusement, le régulateur de tension à découpage présente un rendement compris entre 60% et 90%. Ce rendement est à comparer avec le rendement de l’ordre de 40% à 50% lors de l’utilisation d’un régulateur de tension linéaire. Par ailleurs, l’encombrement du régulateur à découpage est inférieur à l’encombrement du régulateur de tension linéaire.

Le dispositif de régulation 13 est prévu en aval de l’orifice d’évacuation 7. Le dispositif de régulation 13 est configuré pour occuper une pluralité de position entre une position de fermeture dans lequel le dispositif de régulation 13 obture totalement le passage d’au moins une partie du flux enrichi F2 provenant de la chambre de réaction 2, et une position d’ouverture dans lequel le dispositif de régulation 13 n’obture pas le passage de ladite au moins partie du flux enrichi F2 provenant de la chambre de réaction 2. Le dispositif de régulation 13 selon la première variante du mode de réalisation est une vanne de régulation dont l’ouverture et/ou la fermeture est pilotée électriquement, telle qu’une électrovanne par exemple.

Comme visible plus spécifique sur la figure 3, le dispositif de régulation 13 peut être un obturateur, tel qu’un pistolet 13P ou une soufflette à air par exemple, qui est prévu en aval de l’orifice d’évacuation 7. Tant que l’obturateur est fermé, l’alimentation électrique 5 et / ou l’élévateur de tension 12 ne fonctionnent pas. Au moment où l’obturateur s’ouvre, en appuyant sur le pistolet par exemple, le système est ouvert et le l’alimentation électrique 5 et / ou l’élévateur de tension 12 fonctionnent afin de produire le monoxyde d’azote qui sort par le pistolet 13P. Inversement, un relâchement de la gâchette du pistolet, et donc la fermeture de l’obturateur, conditionne l’arrêt de la production de monoxyde d’azote.

L’interface homme-machine 14 est configurée pour alimenter simultanément l’élévateur de tension 12 et le dispositif d’alimentation en air 3 lorsqu’un utilisateur actionne l’interface homme- machine 14. Egalement, l’actionnement de l’interface homme-machine 14 par l’utilisateur initie le passage en la position d’ouverture du dispositif de régulation 13 et / ou du pistolet 13P. A l’inverse, le dispositif de régulation 13 et / ou le pistolet 13P occupe sa position de fermeture lorsqu’il n’est pas sollicité par l’interface homme-machine 14. Avantageusement, l’interface homme machine peut-être un interrupteur de type contact pneumatique par exemple.

Selon une deuxième variante du mode de réalisation de l’invention représentée sur la figure 4, le réacteur à effet corona 1 comporte également un dispositif de sélectivité 15 prévu en aval de l’orifice d’évacuation 7. La variante de réalisation de l’invention présentée sur la figure 4 diffère de la variante présentée sur la figure 3 notamment en ce que le système est toujours ouvert. La régulation de production de monoxyde d’azote est obtenue notamment par l’activation de l’élévateur de tension 12 de façon séquentielle. Le dispositif de sélectivité 15 est configuré pour agir sur la concentration de monoxyde d’azote ainsi que sur les dérivés de l’oxyde d’azote présents dans le flux enrichi F2. Le dispositif de sélectivité 15 est composé au moins en partie d’un matériau capable d’effectuer une réaction de réduction du monoxyde d’azote et des dérivés de l’oxyde d’azote, tel que la chaux sodée par exemple. Avantageusement, la concentration en monoxyde d’azote d’un flux sortant F3 en aval du dispositif de sélectivité 15 peut varier entre 50 et 400 ppm, en fonction des besoins de l’utilisateur et de la dilution dans l’air d’un circuit de ventilation par exemple.

Selon un mode de réalisation, la masse du réacteur à effet corona peut être comprise par exemple entre 50 et 100 grammes.

Avantageusement, le faible encombrement, le poids contenu, ainsi que la faible consommation électrique nécessaire pour le fonctionnement rendent le réacteur à effet corona portatif, c’est-à- dire transportable à la main par l’utilisateur.

La transformation de l’air ambiant en un gaz enrichi en monoxyde d’azote permet, entre autre, de procéder à l’anesthésie des animaux invertébrés tel que les mouches de laboratoires, mais également d’utiliser le monoxyde d’azote à des fins thérapeutiques par exemple. Bien entendu, l’invention n’est nullement limitée au mode de réalisation décrit et illustré qui n’a été donné qu’à titre d'exemple. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.