Différences entre un nébuliseur à maille vibrante et un nébuliseur ultrasonique

INTRODUCTION : LA TECHNOLOGIE MICRONICE® DE TEKCELEO, UNE AVANCÉE TECHNOLOGIQUE PAR RAPPORT À LA NÉBULISATION PAR ULTRASON CONVENTIONNELLE

1.     LES NÉBULISEURS TEKCELEO MICRONICE® : UNE TECHNOLOGIE SUR LA BASE D’UNE MEMBRANE VIBRANTE

La nébulisation par membrane vibrante utilise un principe simple : la tension de surface d’un liquide fait que quand celui-ci entre en contact avec une membrane microperforée vibrante il est « extrudé » en un nuage de gouttelettes.

Ainsi, c’est la vibration de la membrane sur la surface du liquide qui expulse des gouttelettes, dont la taille dépend directement du diamètre des trous microperforés. La génération de l’aérosol est alors faite de manière calibrée, ce qui permet une nébulisation dite « monodispersée ».

Par conséquence, dans le cadre d’une atomisation par membrane vibrante l’aérosol n’est pas généré par une projection du liquide, par sa montée en pression ou en vitesse ou encore par sa chauffe. Le liquide n’étant atomisé que par le principe d’une vibration ultrasonique (fréquence vibratoire au-dessus des fréquences audibles pour l’homme, soit au-dessus de 40 kHz) de la membrane, celui-ci n’est absolument pas altéré ni chauffé dans le processus, de plus l’aérosol généré sort de la buse avec très peu d’inertie (vitesse en sortie quasi nulle).

2.     NOTRE PARTICULARITÉ : L’UTILISATION D’UN TRANSDUCTEUR MÉTALLIQUE ACCROISSANT LA FACILITÉ DE PRISE EN MAIN, LA PERFORMANCE ET LA DURÉE DE VIE DU DISPOSITIF

La technologie de nébulisation par membrane vibrante est maîtrisée par toute une gamme d’acteurs industriels maîtrisant l’effet piézoélectrique. En effet, c’est l’excitation électrique d’un anneau en céramique piézoélectrique qui vient faire vibrer une membrane à son contact à des fréquences ultrasoniques.

La nébulisation par membrane vibrante est aujourd’hui particulièrement répandue en usage d’aérosolthérapie, de fait de ses forces évidentes :

• Pas d’altération du liquide (et donc de son principe actif)
• La possibilité de générer des aérosols monodispersés très fins (4 microns)
• La possibilité de nébuliser des suspensions
• Une vitesse de sortie de l’aérosol quasi nulle.
• Un débit maîtrisé
• Une consommation électrique très faible, qui permet la création de dispositif portables « à main »

Néanmoins, les fabricants actuels ont une conception qui possède des faiblesses : la céramique piézoélectrique alimentée en haute tension, partie active du dispositif, est directement en contact, ou doit-être très proche, du liquide nébulisé. Ainsi, si ce liquide est corrosif, chauffé ou tout simplement si la durée d’utilisation dépasse une certaine limite, ce type de conception conduit à des durées de vie conformes à des applications « grand public » ou médicales mais limitées pour des applications professionnelles industrielles.

La technologie Micronice® se distingue de ses concurrents par une innovation brevetée qui transforme le corps métallique en un transducteur piézoélectrique amplifié, qui vient lui-même faire vibrer la membrane. Le transducteur amplifié améliore à la fois la robustesse de l’ensemble (les parties actives sont isolées du liquide) et augmente la vitesse vibratoire de la membrane permettant un meilleure débit rapporté à la taille du dispositif.

Notre technologie, en fiabilisant la partie électronique du dispositif, permet également un contrôle très simple et précis du débit, au microlitre près.

3.     COMMENT S’Y RETROUVER AVEC L’ENSEMBLE DES TECHNOLOGIES DITES « À ULTRASONS » AUJOURD’HUI ?

A l’heure actuelle de nombreuses technologies cohabitent dans la génération d’aérosols :

• Technologie utilisant la pression :
  • Générateur liquide haute pression (pulvérisateur)
  • Générateur pneumatique (effet Venturi)
  • Générateur à gaz comprimé/liquéfié
• Technologie utilisant les vibrations ultrasoniques (piézoélectrique) :
  • Technologie à ultrasons de puissance haute fréquence (1,6 MHz)
  • Technologie à membrane vibrante
• Technologie par vaporisation

Chaque technologie utilise des propriétés physiques différentes et présente des avantages et inconvénients venant faciliter son usage vers certains marchés.

La principale problématique est que souvent l’appellation de nébuliseur « à ultrason », d’humidificateur « à ultrason » ou de générateur d’aérosol « ultrasonique » ne permet pas d’identifier clairement le principe et la technologie utilisée. Cela rend difficile de comparer les différentes offres sur le marché, d’autant plus que dans le cadre de l’utilisation de l’effet piézoélectrique pour une nébulisation à ultrason les deux technologies sont très différentes.

C’est pourquoi nous vous proposons de comparer les deux technologies à ultrasons que sont :

• D’un côté, l’ultrason dit « de puissance haute fréquence (1,6 MHz)»
• De l’autre, la technologie à membrane vibrante Tekceleo, Micronice® (85 kHz).

COMPARATIF DES TECHNOLOGIES DE NÉBULISATION PAR ULTRASON ET LA TECHNOLOGIE MICRONICE®

1.     DIFFÉRENCES DANS LE PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT

La principale différence entre la nébulisation par ultrason de puissance et par membrane vibrante réside dans le principe de fonctionnement :

• Dans le cadre de l’ultrason de puissance, le transducteur se matérialise par une « pastille » directement intégrée à un bac de liquide. La vibration de cette pastille à une fréquence aux alentours de 1,6 MHz crée des ondes acoustiques qui se propagent à l’intérieur du liquide. A partir d’un certain seuil de puissance, ces ondes acoustiques créent un phénomène de « jet acoustique » dont la surface atomise le liquide en un aérosol .. La partie active (pastille) doit être impérativement  immergée dans le liquide qui constitue un grand volume « mort ».
• Dans le cadre de la technologie Micronice®, le transducteur vibre à une fréquence de 85 kHz en se couplant à un mode propre de vibration de la membrane microperforée. C’est la vibration de la membrane elle-même sur le liquide qui entraine la formation d’un aérosol. Le liquide est isolé de la partie active.

Les modes de vibrations sont donc différents :

• Dans le cas de la technologie par membrane vibrante Micronice® la membrane agit de manière mécanique par extrusion du liquide, dans le cas de l’ultrason de puissance haute fréquence, c’est le liquide lui-même qui est « fractionné » par l’énergie des ondes acoustiques générées.
• Les modes de vibrations ne sont donc pas de la même intensité : l’ultrason de puissance demande une fréquence 20 fois supérieure !
• L’impact est significatif : la nébulisation par ultrason de puissance demande une puissance bien supérieure (en moyenne 64W, contre 3W pour la technologie Micronice®), ce qui implique également un échauffement rapide du liquide. Cela implique pour l’ultrason de puissance haute fréquence un générateur électronique beaucoup plus complexe, moins fiable et plus cher.

2.     SIMPLICITÉ D’UTILISATION

Là aussi, la différence est significative. Les technologies par ultrason classiques étant basées sur un principe de puissance et une immersion de la partie active, celles-ci se trouvent limitée en termes d’intégration ou d’utilisation :

• Il est difficile de générer de bas débits, car l’atomisation se fait par puissance et un « palier » doit être atteint pour son fonctionnement.
• Par principe, la technologie implique la centralisation du liquide dans un réservoir afin de pouvoir être utilisée. L’aérosol généré doit ensuite être transporté par un système de ventilation.
• Le contrôle est complexe, due à l’inertie du système. Même en arrêtant la nébulisation, l’aérosol généré se sera accumulé.
• La chauffe du liquide et la présence d’un réservoir implique un contrôle de la contamination, une fonction de purge et une désinfection régulière du système.
• Un système de détection de liquide doit être implémenté, car le transducteur est immédiatement (# <1ms) détruit quand il n’est plus en présence de liquide (échauffement ultra-rapide du matériau).

Néanmoins, l’ultrason de puissance possède des avantages dans le cadre de la production d’une grande quantité d’aérosol en continue. Dans ce cas de figure, ce type de dispositif permet de générer un aérosol monodispersé en continue de manière économique. Cette différence repose plus dans la maturité de la technologie, qui lui permet de tabler sur d’importantes économies d’échelle en production. En effet, à termes, ce type de solution nécessite plus d’équipements (système fluidique complexe, ventilation, purge, filtrage, détection de liquide, etc.).

Du coté de la technologie Micronice®, la simplicité d’utilisation est au centre du design :

• Le contrôle électronique du débit est natif à ce type de solution. La vibration de la membrane est contrôlable en ON/OFF avec un temps de réponse inférieur à la milliseconde.
• Ce type de système peut être décentralisé, l’aérosol est généré à la sortie de la buse et le liquide peut être « circulant », ce qui permet une utilisation en dehors de la présence d’un réservoir stagnant.
• Ainsi, le dispositif est « plug & play », la buse peut être intégrée dans n’importe quel dispositif et un débit facilement contrôlé par PWM.

3.     PERFORMANCES

En termes de performances, plusieurs paramètres peuvent être revus :

• La performance énergétique
• Le débit
• La qualité de l’aérosol

La comparaison s’effectuera entre deux dispositifs identiques pour l’ensemble des paramètres. A ce titre, les deux familles de technologies à ultrasons comparées sont bien différentes :

• Performance énergétique :
  • Ultrason de puissance : 62W pour une buse
  • Micronice : 3W pour une buse

• Débit :
  • Ultrason de puissance : 0,5 L/h (soit 8 ml/min) pour une buse. Souvent les dispositifs sur le marché comportent 2 buses et affichent donc un débit cible de 1L/h. (la taille des gouttes est centrée sur 8 µm).
  • Micronice®: dépend de la taille des gouttes de  l’aérosol. Pour un débit équivalent à 0,5 L/h pour une buse, la taille des gouttes sera de 20 microns. La technologie Micronice, par sa faible taille et consommation permet également d’utiliser facilement plusieurs buses en série, ce qui permet de créer des configurations avec de très hauts débits comme de très bas débits.  Néanmoins, dans le cadre de la technologie Micronice, la taille des gouttes jouera directement sur les débits max atteignables par buse :
    • 04 microns : 1,2 ml/mn
    • 10 microns : 2ml/min
    • 15 microns : 3,5 ml/min
    • 20 microns : 8 ml/min
    • 50 microns : 40 ml/min

• Qualité de l’aérosol :
  • Ultrason de puissance : aérosol centré sur une taille de goutte de 8 microns. Pas de possibilité de moduler la taille de goutte. Le liquide est altéré par effet de chauffe.
  • Membrane vibrante Micronice®: taille des gouttes dépendante de la taille des trous de la membrane micro-perforée. Un large éventail d’aérosol est donc possible, tout en restant monodispersé et sans altérer le liquide (pas de chauffe ni de montée en pression).

4.     CONTRÔLE

Le principal avantage de l’ensemble des technologies de nébulisation à ultrason est le contrôle via électronique, ce qui facilite leur intégration au sein de systèmes plus complexes, par exemple via des automates industriels. Dans le cadre de notre comparatif nous allons regarder l’étendue des paramètres contrôlables pour chaque technologie :

• Ultrason de puissance :
  • Contrôle ON/OFF, latence faible de l’électronique, mais temps de réaction liée au jet acoustique de l’ordre de plusieurs secondes. La latence liée au principe acoustique de génération de l’aérosol fait que le contrôle n’est pas assez précis pour contrôler des microvolumes. A cela s’ajoute que le débit varie en fonction de la quantité de liquide et de sa température.
  • Le principe physique en lui-même exploite un effet non linéaire : seuil ou palier. Il est donc difficile de moduler le débit.
• Membrane vibrante Micronice®:
  • Contrôle électronique à très faible latence (<1ms). Le temps de réaction mécanique de la membrane est de 10ms, aucune inertie.
  • Possibilité de contrôle ON/OFF, mais aussi de moduler le débit via PWM (effet linéaire de la vibration sur le débit). La modulation du débit est linéaire et peut se faire par incrément très précis (1%).

Le contrôle électronique est un avantage générique des technologies de nébulisation par ultrason, comparativement aux autres technologies. Dans ce cadre, la technologie Micronice® se distingue encore d’avantage en permettant une latence très faible et un contrôle de débit extrêmement précis. Cela ouvre notamment la porte à des applications de très haute précision (recherche en laboratoire, environnements contrôlés, économie de matière, etc.).

5.     FIABILITÉ ET DURÉE DE VIE

La fiabilité et la durée de vie d’un nébuliseur ne sont pas forcément des éléments discriminants pour certaines applications (aérosolthérapie par exemple), mais peuvent être un préalable à l’atteinte de marchés exigeants, notamment l’agroalimentaire ou l’humidification industrielle. En effet, dans ces industries, la panne du système d’humidification peut avoir des conséquences économiques significatives.

• Ultrason de puissance :
  • Bonne fiabilité dans un cadre d’utilisation maîtrisé et avec maintenance suivie. Le fait que le liquide soit très proche de l’électronique nécessite un contrôle régulier, de même la partie active doit constamment être immergée. La durée moyenne de tel dispositif avant panne est en moyenne de 5000 heures (avec de l’eau). Il est à noter que le remplacement de la partie active peut se faire par le biais d’une intervention curative relativement simple.
  • La forte puissance et consommation électrique induit néanmoins une complexité et une fragilité sur la partie électronique du dispositif, qu’il s’agit de maintenir sur de longues périodes d’utilisation.
• Membrane vibrante Micronice®:
  • Le fait d’isoler la partie active du liquide permet d’assurer une durée de vie très élevée, supérieure à 20 000 heures en opération avec de l’eau. Le dispositif résiste également aux liquides corrosifs, qu’ils soient acides ou basiques.
  • La très faible puissance nécessaire fait que l’électronique est très robuste et peut fonctionner en continu durant des milliers d’heures sans échauffement ni usure.
  • L’un des inconvénients possibles est le bouchage de la membrane, ce qui implique d’avoir un cycle de nettoyage pour des utilisations impliquant des liquides pouvant générer des dépôts. Des traitements pourront être nécessaires pour des eaux très calcaires, par exemple (filtre, additifs…).

6.     PRIX

A l’heure actuelle le prix est un des éléments différenciant entre les deux technologies, car celles-ci ne possèdent pas la même structure de coûts et la même maturité :

• L’ultrason de puissance est à un coût inférieur si on le rapporte au débit. Cela le rend plus attractif pour des utilisations en humidification simple, par exemple. Cependant ce coût plus bas est à relativiser avec la maintenance qu’un tel dispositif implique :
  • Maintenance liée à son entretien, notamment en termes d’hygiène (bac de liquide stagnant à environ 40-50 °C).
  • Maintenance curative liée à la durée de vie des équipements actifs immergés et de la partie électronique
  • Coût de la consommation électrique du dispositif.
• La technologie de membrane vibrante Micronice® est actuellement plus chère en coût facial, due à une production moins tournée vers le volume, mais plus fiable, ce qui représente une logique d’investissement durable :
  • Très faible consommation électrique.
  • Pas de défaillance électronique ou du transducteur avec le temps.
  • Très longue durée d’opération sans maintenance (logique « set and forget »).
  • Possibilité d’utilisation avec des liquides corrosifs (désinfection, recherche, dépôt de surface…).

CONCLUSION : MICRONICE®, UNE TECHNOLOGIE PERMETTANT DE GÉNÉRALISER LES AVANTAGES DE LA NÉBULISATION PAR ULTRASON EN ÉLARGISSANT L’ÉVENTAIL DES POSSIBLES

Ce comparatif permet de comprendre que la technologie par membrane vibrante Micronice® est une amélioration du principe de nébulisation ultrasonique classique. En faisant vibrer un transducteur métallique, couplé au mode d’une membrane microperforée, l’effet est amplifié et permet d’utiliser moins de puissance et de rendre le dispositif plus robuste.

Le fait que la membrane définisse le débit et la taille de la goutte permet également de rendre cette technologie plus adaptable. Il s’agit alors d’adapter la membrane, qui est une partie passive, plutôt que de changer l’ensemble du dispositif.  Ainsi, la technologie Micronice® se démarque pas les points suivants :

• Robustesse et très faible coût de maintenance.
• Simplicité de contrôle et modularité.
• Une variété unique de taille de goutte possible avec le même système (seule la buse change), allant de 4 microns à 50 microns.
• Très faible contrainte opérationnelle : compacte (20mmx46mm), faible consommation (<3W) et inaudible (<35db).