EP3871792B1

EP3871792B1 - Buse de pulvérisation à jet plat et faible dérivé

Info

Publication number: EP3871792B1
Application number: EP21158812.4A
Authority: EP
Inventors: Hervé FOUBERT; Alexandre BILLOIR; Paul TOURNEROCHE
Original assignee: Solcera SAS
Current assignee: Solcera SAS
Priority date: 2020-02-28
Filing date: 2021-02-23
Publication date: 2023-06-07
Anticipated expiration: 2041-02-23
Also published as: ES2953954T3; EP3871792A1; US11865555B2; US20210268522A1; PL3871792T3; BR102021003626A2; FR3107659A1; FR3107659B1; AU2021201256A1; EP3871792C0

Description

L'invention concerne une buse de pulvérisation.
Une buse de pulvérisation se présente extérieurement comme un étui présentant un orifice d'entrée et un orifice de sortie. A l'intérieur, le corps de buse est agencé pour permettre la dispersion d'un liquide sous forme de gouttelettes, et pour former en sortie un jet de gouttelettes, ou spray, qui possède une distribution déterminée dans l'espace. Plus généralement, un corps de buse est agencé pour générer en sortie d'un orifice de sortie de la buse une dispersion de gouttelettes. De telles buses sont par exemple utilisées dans le domaine agricole pour pulvériser des produits phytosanitaires sur des cultures.
On distingue différents types de buses selon la forme particulière de leur jet : buses dites à jet droit, à jet plat, à jet en cône, qui peut être un cône creux, ou encore un cône plein.
La présente invention s'intéresse aux buses de pulvérisation du type à jet plat.
Les caractéristiques essentielles du jet plat sont son angle d'ouverture, et la loi de distribution des gouttelettes à l'intérieur de cet angle d'ouverture, de sorte que l'on obtienne une distribution cumulée uniforme des gouttes lorsque les buses sont associées sur une rampe et espacées entre elles.
Dans les pulvérisateurs, on place le plus souvent une buse tous les 50 cm. Et l'on choisit les caractéristiques des buses pour assurer une distribution sensiblement uniforme du produit à pulvériser sur la surface du terrain agricole concerné.
On sait réaliser cela avec des buses connues, mais il reste un problème. Cela marche bien sans vent. Mais, le vent peut faire que la zone de pulvérisation déborde la surface du terrain agricole concerné. C'est d'abord une perte d'efficacité. Mais c'est aussi potentiellement néfaste en cas de produits pulvérisés qui sont agressifs et/ou dangereux pour les êtres vivants. Il faut donc l'éviter.
La demanderesse a pensé qu'une solution serait d'augmenter la taille des gouttelettes pulvérisées, pour diminuer leur sensibilité au vent. Mais obtenir des buses qui possèdent le même angle d'ouverture, avec uniformité de la distribution cumulée des gouttelettes à l'intérieur de cet angle, et ce pour des gouttelettes plus grosses, n'est pas un problème simple.
De façon générale, une buse comprend un corps formant un étui et qui enferme un ou plusieurs organes et/ou éléments conçus pour perturber le jet, c'est-à-dire agir sur le flux de liquide et pour en modifier les caractéristiques avant son éjection par l'orifice de sortie, en fonction de la pulvérisation souhaitée et de la forme du jet de sortie voulue.
Le brevet US US5133502A , intitulé "FLAT-JET NOZZLE TO ATOMIZE LIQUIDS INTO COMPARATIVELY COARSE DROPS" soit « buse à jet plat pour atomiser des liquides en gouttes comparativement grosses » constitue une proposition en ce sens. Mais il n'obtient que des tailles de gouttes modestes (sa figure 6), qui restent en dessous de 500 micromètres, même avec une basse pression d'entrée descendant jusqu'à 1 bar.
Le document FR2838069 divulgue une buse de pulvérisation constituée d'un corps définissant une cavité axiale comprenant une pastille de calibration, une pièce dite "divergent" et une pièce dite "convergent".
Le document US5615836 divulgue une buse capable de produire des gouttes remplies d'air,
Le document US4128206 divulgue une buse de pulvérisation plate à faible dérive.
La Demanderesse produit une gamme de buses dite AVI qui arrivent aussi à des tailles médianes de goutte d'environ 500 micromètres.
Il s'agit de buses à jet plat dites à injection d'air, c'est-à-dire utilisant une aspiration autonome de la buse permettant d'augmenter beaucoup plus efficacement la taille de gouttes que le brevet US US5133502A , pour les pressions supérieures.
Dans une buse du type AVI, de l'entrée vers la sortie, le corps de buse peut enfermer d'abord un « noyau », qui est une pièce de forme générale cylindrique, définissant un passage interne de section droite intérieure croissante. Ce passage est mis en communication avec l'air extérieur, sensiblement au niveau de sa section droite la plus faible, d'où un effet Venturi. L'orifice de sortie central de ce noyau aboutit à une chambre de travail, qui va assurer la transition avec l'orifice de sortie de la buse. Afin de pouvoir produire un jet plat, il convient de prévoir un insert muni d'une fente de sortie. Cette fente forme l'orifice de sortie de la buse, dont elle définit aussi l'angle d'ouverture.
Mais cette buse procure aussi des tailles de gouttes limitées à 500 micromètres, sans permettre d'atteindre des tailles de gouttes supergrosses, qui auraient typiquement une taille moyenne de 800 micromètres, sur un intervalle s'étendant de 400 micromètres à 1,2 mm.
Autrement dit, la buse décrite à impaction directe possède une limitation qui dépend de la surface de contact du liquide avec la paroi du Venturi et donc de la longueur finale de la buse. Elle produit des gouttes dans le domaine des 500 - 600 µm selon le type d'injecteur à impaction. L'objectif est de dépasser cette limitation tout en conservant la taille de la buse.
L'invention vient améliorer les performances d'une telle buse.
De façon générale, la buse de pulvérisation proposée est du type comprenant un corps, qui possède une zone d'entrée de fluide et un orifice de sortie de fluide, le corps logeant

un noyau, définissant intérieurement un passage, de section transversale croissante, en communication avec l'extérieur sensiblement au niveau de sa section transversale la plus faible, d'où un effet Venturi, ladite section transversale la plus faible commençant à proximité de la zone d'entrée de fluide,
un insert, muni d'une fente de sortie formant l'orifice de sortie (16) de la buse et définissant l'angle d'ouverture de celle-ci,

Elle est caractérisée en ce que la buse comporte en outre une pièce additionnelle dite éclateur, logée dans la chambre de travail, aménagée pour former un obstacle à l'écoulement du fluide, cet éclateur comprenant deux orifices axiaux traversants, formant chacun un passage fluidique, de part et d'autre d'un plan radial, de sorte que les deux flux passés par les orifices de l'éclateur se regroupent et viennent ensuite impacter la surface de la fente de sortie de l'insert, engendrant finalement un jet plat.
D'un autre point de vue, la buse de pulvérisation proposée est du type comprenant un corps formant étui, qui possède un orifice d'entrée et un orifice de sortie, et qui présente, du côté de l'orifice d'entrée, une zone d'entrée de fluide. De l'entrée vers la sortie, le corps de buse peut enfermer d'abord un « noyau Venturi », qui est une pièce de forme générale cylindrique, définissant un passage interne de section droite intérieure croissante. Ce passage est mis en communication avec l'air extérieur, sensiblement au niveau de sa section droite la plus faible, d'où l'effet Venturi. L'orifice de sortie central de ce noyau aboutit à une chambre de travail, qui va assurer la transition avec l'orifice de sortie de la buse. Afin de pouvoir produire un jet plat, il convient de prévoir un insert muni d'une fente de sortie. Cette fente forme l'orifice de sortie de la buse, dont elle définit aussi l'angle d'ouverture.
La buse proposée est caractérisée en ce qu'elle comprend, dans la chambre de travail, et en amont de l'insert, une pièce additionnelle nommée ici éclateur. Cette pièce forme un obstacle à l'écoulement du flux liquide. Elle comporte deux passages ou orifices longitudinaux traversants, de part et d'autre d'un plan central. En sortie de l'éclateur, les deux flux qui sont passés par les orifices de l'éclateur vont se regrouper. Et ils vont venir ensuite impacter la surface de la fente de sortie de l'insert, pour engendrer finalement un jet plat.
L'invention prévoit en sortie de l'éclateur une lame, dans le plan central. En sortie de l'éclateur, les deux flux vont circuler le long de cette lame et en suivre la surface par « effet théière » (parfois dénommé à tort effet Coanda), avant de se regrouper pour impacter la surface de la fente de sortie de l'insert.
La lame de l'éclateur est ajustée ou « indexée » sur la fente de l'insert. C'est-à-dire que le plan de la lame se confond sensiblement avec le plan de la fente de sortie de l'insert.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés, sur lesquels :

[Fig 1] est une vue éclatée en perspective avant d'une buse de pulvérisation à jet plat connue.
[Fig 2] est une vue assemblée de la buse de la figure 1, en coupe selon un plan qui passe par la fente de sortie.
[Fig 3] est une vue assemblée de la buse de la figure 1, en coupe selon un plan perpendiculaire au plan de la fente de sortie.
[Fig 4] est une vue éclatée en perspective avant de la buse de pulvérisation à jet plat ici proposée.
[Fig 5] est une vue assemblée de la buse de la figure 4, en coupe selon un plan qui passe par la fente de sortie.
[Fig 6] est une vue assemblée de la buse de la figure 4, en coupe selon un plan perpendiculaire au plan de la fente de sortie.
[Fig 7] illustre en perspective un premier mode de réalisation de la pièce ajoutée dite éclateur.
[Fig 8] illustre en perspective un second mode de réalisation de la pièce ajoutée dite éclateur.
[Fig 9] illustre en perspective un troisième mode de réalisation de la pièce ajoutée dite éclateur.
[Fig 10] illustre en perspective un quatrième mode de réalisation de la pièce ajoutée dite éclateur.
[Fig 11] est un graphique illustrant les performances de la buse avec l'éclateur de la figure 10.
[Fig 12] est un graphique illustrant les performances de la buse avec l'éclateur de la figure 9.
[Fig 13] est un graphique illustrant les performances de la buse avec l'éclateur de la figure 8.
[Fig 14] est une vue agrandie de la fente de sortie de la buse.

Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l'essentiel, des éléments à caractère certain, qu'il est difficile de rendre autrement que par le dessin. En conséquence, les dessins font partie intégrante de la description et pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
Les figures 1 à 3 montrent une buse de pulvérisation à jet plat connue, comme la buse AVI-110-04 de la Demanderesse.
La buse comprend un corps 1 qui définit intérieurement un étui creux, de forme générale cylindrique, avec :

Un premier alésage 11, muni d'une collerette 10, côté entrée, et un suivi d'un second alésage 12 un peu plus étroit,
Un troisième alésage 13, suivi d'un quatrième alésage 14 un peu plus étroit,
Enfin, un alésage de sortie 15.

A noter que le mot alésage vise ici un élément femelle d'un ajustement circulaire, quel que soit son procédé d'usinage. En effet, les pièces n'étant pas métalliques, mais plutôt en matière synthétique ou en céramique, elle ne sont pas usinées par l'alésage classique pour les métaux.
Au niveau des alésages 11 et 12 est inséré un noyau Venturi 2, qui commence par un couvercle 20, s'appuyant sur la collerette 10. Le noyau Venturi 2 comporte intérieurement un premier volume cylindrique droit 21, suivi d'un volume conique 22. Ceci définit un passage interne de section droite intérieure croissante.
Le volume 21 est traversé par des passages radiaux 25A et 25 B, qui communiquent par l'intermédiaire d'un évidement annulaire 26 avec des entrées d'air extérieur 18 aménagées à travers la paroi du corps 1.
Enfin, le haut du noyau est équipé d'un élément de calibration de débit 29, qui est ici une pastille avec un orifice de calibration.
Dans le noyau 2 se produit un effet Venturi, en raison de la tuyère formée par la pastille de calibration 29, et les volumes 21 et 22. L'intensité de l'effet Venturi dépend de la pression du liquide à l'entrée. Et l'effet Venturi lui-même a pour conséquence la production d'un mélange liquide + air dans la cavité 23 située en aval du noyau Venturi.
Dans une nervure périphérique externe du noyau 2, il est prévu un joint torique 4, qui assure l'étanchéité entre l'évidement annulaire 26 et l'aval du noyau 2.
Plus bas, le corps 1 contient un insert de pulvérisation 3, qui comporte une cavité cylindrique 30 aboutissant à une fente 31, qui est dans le plan de la figure 2, et perpendiculaire au plan de la figure 3. Cette fente 31 constitue l'orifice de sortie de la buse.
L'insert 3 est mis en place et maintenu par vissage et possède pour ce faire une portion filetée périphérique située à proximité de son extrémité 16 et conçue pour coopérer avec un taraudage correspondant (non visible) de l'alésage 15 du corps 1. Dans un autre mode de réalisation, l'insert 3 est assemblé au corps 1 par sertissage. Pour cela. L'insert 3 est positionné dans le corps 1 puis enfoncé à l'aide d'une presse.
L'effet Venturi permet notamment d'obtenir des gouttes un peu plus grosses, en raison de la création du mélange air/liquide, mais sans faire nettement mieux que 500 micromètres.
On décrira maintenant la buse proposée, en référence aux figures 4 à 6.
Cette buse a la même structure générale que celle des figures 1 à 3.
On ne décrira donc pas à nouveau les points communs des figures 1 à 3 d'une part, et 4 à 6, d'autre part.
Sur les figures 4 à 6, l'espace interne 23 situé en amont de l'insert est occupé par une pièce additionnelle 7 dite ici éclateur.
Côté amont, l'éclateur comporte une coupole périphérique cylindrique 70, qui vient s'engager dans un évidement 28 pratiqué en périphérie externe aval du noyau 2, et bute sur un épaulement 29 de ce noyau 2. Dans sa partie radiale, la coupole 70 comporte deux passages ou orifices longitudinaux traversants 71 et 72, prévus symétriquement de part et d'autre d'un plan radial central 73.
L'éclateur se poursuit par une lame 75, elle aussi placée symétriquement par rapport au plan radial central 73.
En sortie de l'éclateur, les deux flux qui sont passés par les orifices 71 et 72 vont circuler le long de la lame 75 et en suivre la surface par « effet théière » pour se regrouper. Les deux flux ainsi regroupés vont venir impacter la surface de sortie de l'insert 3 et engendrer un jet plat de type « flat fan » (éventail plat).
La circulation du fluide à travers la buse 1 est la suivante.
Une alimentation en liquide à pulvériser est raccordée à la buse 1. Le flux entre par l'orifice de la pastille céramique de calibration 29 de section circulaire puis, dirigé par la pression, il se déplace dans le conduit du noyau 2, de section restreinte puis s'élargissant. La présence de prises d'air (25A, 25B, 26, 18) au niveau de la section la plus restreinte du noyau, combinée à la basse pression du flux à cet endroit (conséquence de son accélération), permet l'aspiration de l'air extérieur par effet Venturi et son mélange au flux.
A l'entrée dans l'éclateur, le mélange ainsi obtenu vient en contact de la surface entre les deux orifices de l'éclateur. L'impact va engendrer une forte chute de l'énergie du flux, qui sera par pression dirigé vers les deux orifices de sortie 71 et 72 de l'éclateur. En sortie de l'éclateur, les deux flux vont circuler le long de la lame 75 et en suivre la surface par « effet théière » pour se regrouper. Les deux flux ainsi regroupés vont venir impacter la surface de sortie 31 de l'insert 3 et engendrer un jet plat de type « flat fan » à l'angle et à la dispersion maîtrisés.
Les figures 7 à 10 montrent quatre modes de réalisation de l'éclateur 7, essayés par la Demanderesse.
Sur la figure 7, l'éclateur n'a pas de lame.
Sur la figure 8, l'éclateur possède une lame sensiblement plate 75B, comme représenté sur les figures 4 à 6.
Sur la figure 9, l'éclateur possède aussi une lame plate 75C, mais munie de canaux en forme cylindrique à base d'arc de cercle, qui viennent en prolongement des orifices 71 et 72.
Sur la figure 10, l'éclateur possède encore une lame plate 75D, mais munie cette fois de striures transversales.
On se tournera maintenant vers l'une des applications préférentielles de l'invention, qui est l'épandage de produits à pulvériser sur la surface d'un terrain agricole, par exemple des produits phytosanitaires concernés.
Ces applications utilisent des rampes d'épandage, munies typiquement de buses distantes de 50 cm, suspendues à environ 50 cm (en pratique, de 40 à 60 cm) au-dessus du sol, ou plus particulièrement à environ 50 cm au-dessus des cultures. Les buses AVI connues, par exemple AVI-110-04, peuvent être utilisées pour ces applications. Mais elles produisent des gouttelettes, qui, en bordure de zone à pulvériser, peuvent être poussées par le vent, éventuellement se désagréger, et atteindre par exemple des surfaces habitées, ce qui est néfaste à leurs occupants, au moins dans le cas de produits phytosanitaires nocifs pour la santé. Il est maintenant souhaité d'avoir des buses classées antidérive à 90%, à débit et angle de pulvérisation comparables.
Sur les figures 11 à 13 est représentée une courbe théorique, d'allure gaussienne, qui représente la distribution souhaitée en volume de pulvérisation par la buse, en fonction de la distance horizontale à l'axe de celle-ci. L'écartement de la dispersion au sol est de +/- 50 cm. Avec la courbe théorique, deux buses distantes de 50 cm vont produire une pulvérisation sensiblement uniforme au sol.
La figure 14 illustre, en vue agrandie, la fente de sortie de la buse, qui est de largeur L.
La Demanderesse a cherché à améliorer la buse existante AVI-110-04 pour avoir des gouttelettes moins sensibles au vent. Elle a considéré que la taille des gouttes produites par une buse de type AVI est directement dépendante des paramètres géométriques de l'insert, en particularité de sa largeur de fente L. Cette largeur de fente a été augmentée, passant de L = 0,9 mm à L = 1,3 mm dans le cas de la buse AVI-110-04, afin d'agrandir le diamètre moyen des gouttes. Plus généralement, on augmente la taille de fente de 40 à 50 %.
Il a alors été observé que les buses ainsi obtenues présentaient d'importantes difficultés d'amorçage, du fait d'un flux de liquide de pression trop faible en sortie du noyau.
La Demanderesse a alors décidé de positionner une pièce intermédiaire, nommée « éclateur », entre le noyau et l'insert (assemblée sur le noyau).
Les buses ainsi obtenues se sont avérées fonctionnelles : leur amorçage s'effectue dès la mise en route de la buse et on obtient l'éclatement du flux et la formation d'un jet de type éventail plat.
Plusieurs modèles de buses ont été assemblés avec des éclateurs (ceux des figures 7 et 10) et sujets à des mesures de taille de gouttes.
Tous les modèles de buses avancés présentent des diamètres de goutte moyens d'environ 800 µm, soit un gain d'environ 50%. Ce résultat est considéré comme pleinement satisfaisant.
La solution proposée n'est pas uniquement de concilier répartition et taille de gouttes très grosse, mais de s'assurer de pouvoir travailler à des pressions de 2 bar et plus tout en obtenant le niveau de réduction de dérive requis.
Il semble ainsi que la géométrie de l'éclateur a un impact prépondérant sur la reformation du jet en sa sortie et donc sur le fonctionnement de la buse et sur sa conformité à la norme (débit, angle, répartition du fluide épandu).
Une multitude d'éclateurs, dont des exemples sont présentés en Figures 7 à 10, a été testée en faisant varier les solutions d'éclatement et les géométries propres à chacune de ces solutions. Les buses ont alors été caractérisées en angle, débit, observations visuelles et répartition au sol du fluide épandu.
Des résultats sont donnés en figures 11 à 13 pour trois types d'éclateur (ceux des figures 8 à 10), le reste de la buse étant le même.
La figure 13 indique la meilleure correspondance entre la courbe théorique et la distribution de débit de la buse.
Toutefois, les autres distributions (figures 11 et 12) sont également prometteuses, et pourraient servir dans certains cas, notamment si l'on s'écarte de la construction typique des rampes d'épandage en particulier de l'écartement inter-buses de 50 cm.
Dans un mode de réalisation particulier :

Le corps de buse 1 est en matière plastique,
L'insert 3 peut être en céramique, ou bien en matière plastique,
L'éclateur 7 est en matière plastique, mais peut aussi être en céramique,
Le noyau Venturi 2 peut être en matière plastique ou en céramique,
La pastille 1 est en matière plastique, ou encore en céramique.

La matière plastique est typiquement un polyoxyméthylène ou POM, qui est un polymère de la famille des polyacétals, pour sa facilité de mise en forme et les propriétés mécaniques associées, ou en tout autre matériau plastique équivalent, compatible chimiquement avec le fluide à épandre.
La céramique peut être l'alumine, également pour sa facilité de mise en forme et les propriétés mécaniques associées, ou une matière équivalente.
Le dimensionnement de l'éclateur 7 est choisi par rapport à deux contraintes principales. La première contrainte est une maîtrise du coefficient de décharge induit par l'éclateur 7, en rapport à celui induit par l'insert 3, qui passe par la maîtrise de la surface globale des deux orifices de l'éclateur. La deuxième contrainte est une impaction optimale des deux flux sortant de l'éclateur 7 dans l'insert 3. Cette impaction optimale est obtenue par :

La présence de la lame 75 qui, de par l'adhésion du fluide contre celle-ci va limiter les turbulences des jets en sortie d'éclateur d'une part, et d'autre part limiter les turbulences en sortie de buse (orifice de sortie); et
Un écartement des flux et le dimensionnement de la lame. Le fait que le diamètre extérieur des orifices soit proche ou tangent au diamètre de l'insert peut également jouer un rôle. L'écartement de flux, la largeur de la lame et sa longueur sont adaptés pour chaque modèle de manière à maximiser l'énergie d'impaction des deux flux, et de permettre un éclatement (produit par l'insert de décharge) optimal à faible pression.

La maitrise de ces éléments permet de produire un angle de pulvérisation suffisant pour optimiser les recouvrements de jet à plus faible pression en dessous de 3 bar, et ceci sans le besoin de dimensionner la hauteur de la fente de sortie 31 de l'insert 3 de manière notable. De cette manière on évite notamment un problème connu de l'état de la technique qui est la condition de devoir réaliser les deux parois de la fente de sortie de manière parallèles. Des parois parallèles ont pour conséquence de réduire la zone visible de rupture des ligaments formant les gouttes.

Claims

Buse de pulvérisation du type comprenant un corps (1), qui possède une zone d'entrée de fluide et un orifice de sortie de fluide, le corps (1) logeant
- un noyau (2), définissant intérieurement un passage, de section transversale croissante, en communication avec l'extérieur sensiblement au niveau de sa section transversale la plus faible, d'où un effet Venturi, ladite section transversale la plus faible commençant à proximité de la zone d'entrée de fluide,

- un insert (3), muni d'une fente de sortie (31) formant l'orifice de sortie (16) de la buse et définissant l'angle d'ouverture de celle-ci,
le noyau (2) et l'insert (3) étant distants l'un de l'autre et formant entre eux une chambre de travail (23) dans le corps (1),

la buse comportant en outre une pièce additionnelle (7) dite éclateur, logée dans la chambre de travail (23), aménagée pour former un obstacle à l'écoulement du fluide, cet éclateur comprenant deux orifices axiaux traversants (71, 72), formant chacun un passage fluidique, de part et d'autre d'un plan radial central (73), caractérisée en ce que l'éclateur comprend, en sortie, une lame (75), dans le plan radial central (73) de sorte que les deux flux passés par les orifices (71, 72) de l'éclateur circulent le long de cette lame et en suivent la surface avant de se regrouper et venir ensuite impacter la surface de la fente de sortie (31) de l'insert, engendrant finalement un jet plat.
Buse de pulvérisation selon la revendication 1, caractérisée en ce que la lame (75B) est sensiblement plate.
Buse de pulvérisation selon la revendication 2, caractérisée en ce que la lame plate (75C), est munie de canaux (750) en forme cylindrique à base d'arc de cercle, qui viennent en prolongement des orifices (71, 72).
Buse de pulvérisation selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce que la lame plate (75D), est munie de striures transversales (755).
Buse de pulvérisation selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisée en ce que la lame (75) est indexée parallèlement à la fente (31) de l'insert (3).