APPLICATION NOTE SÉRIE ATM / ATM 221/D
Réf. GRANULOSHOP : GS-AN-ATM-221D-01
Révision DRAFT 0.3 · 11/09/2026 · Français
DRAFT — DONNÉES 221/D À CONFIRMER

Pourquoi l’ATM 221/D diffère des atomiseurs ATM Topas conventionnels

Atomisation bimodale, impaction sélective des grosses gouttes et génération de particules solides à partir de suspensions

Résumé

Les générateurs TOPAS de la série ATM destinés aux aérosols liquides utilisent une buse à deux fluides et, pour plusieurs modèles classiques, une géométrie fixe dans laquelle le jet est dirigé vers la paroi du récipient et/ou des déflecteurs (baffle plate) qui éliminent, par impaction, tout ou partie des grosses gouttes et stabilisent une distribution principalement submicronique, monodisperse. L’ATM 221/D répond à un besoin différent : il a été développé pour l’aérosolisation de suspensions de poudres, donc une fraction supermicronique à conserver, puis éventuellement un séchage aval. La présente note propose une lecture didactique de ces deux philosophies de génération.

Point important : les schémas théoriques relatifs à l’ATM 221/D ne constituent pas des courbes de qualification. Ils servent à expliquer le mécanisme attendu ; les distributions expérimentales récentes de l’ATM 221/D restent à confronter aux données non encore publiées.

ATM conventionnels (dont 226)Buse + géométrie d’impaction fixe : la fraction grossière est fortement atténuée.
ATM 226Optimisé pour les essais en ambulatoire de filtres / salles propres, dans la zone submicronique utile aux compteurs et au MPPS.
ATM 221/DSuspensions, fraction supermicronique, agitation magnétique et séchage possible pour obtenir l’aérosol solide.

1. Le point de départ : une buse pneumatique ne produit pas une seule taille

Une buse à deux fluides (ex: air + DEHS) fragmente le liquide par instabilités, formation de nappes et de ligaments, puis rupture en gouttelettes. En pratique, une buse réelle génère donc un spectre de tailles et non une taille unique. La littérature sur l’atomisation pneumatique montre que plusieurs mécanismes de rupture peuvent coexister et qu’une distribution bimodale peut apparaître lorsque deux familles de gouttelettes sont produites, par exemple une population principale et une population de gouttes satellites.[6][7]

Terminologie. « Monomodal » signifie qu’un seul maximum domine la distribution. Cela ne signifie pas « monodisperse » au sens strict. Les aérosols peuvent parfois êter qualifiés de polydisperses, même lorsque la courbe ne présente qu’un mode dominant (granulométrie étendue).
Schéma didactique d'une distribution bimodale primaire
Figure 1 — Modèle didactique d’une distribution primaire bimodale, pour l'aerosol primaire, juste à l'atomisation. Le premier mode représente la fraction fine ; un second mode grossier apparaît à plusieurs micromètres. Les positions indiquées sont didactiques et ne constituent pas une spécification instrumentale.

2. Le déflecteur (baffle plate) : une sélection inertielle assimilable à un filtre passe-bas en taille

Dans les ATM conventionnels considérés ici, TOPAS décrit explicitement une atomisation orientée vers une zone d’impaction : les grosses gouttes sont ne suivent pas suffisamment la déviation des lignes de courant et impactent la paroi : elles retombent et sont recyclées ; les gouttes fines restent davantage entraînées et poursuivent leur chemin vers la sortie de l'appareil.[1][2][3]

ATM conventionnel ATM 220 / 221 / 226 : sélection par impaction liquide buse 2 fluides air baffle / paroi impaction inertielle grosses gouttes impactées / recyclées fraction fine transmise Fonction didactique : filtre passe-bas en taille ATM 221/D aérosolisation de suspension + séchage aval suspension buse 2 fluides air gouttes fines + particules enrobées sécheur particule solide agitation magnétique / homogénéisation pas de section d'impaction « baffle plate » décrite dans le principe constructeur
Figure 2 — Principe comparatif. À gauche, la géométrie des ATM conventionnels met en œuvre une impaction sur paroi qui élimine préférentiellement les grosses gouttes. À droite, l’ATM 221/D est représenté dans sa logique de suspension puis séchage. Le schéma est volontairement simplifié et ne reproduit pas une coupe constructeur.

La physique de l’impaction s’exprime classiquement avec le nombre de Stokes, rapport entre le temps de relaxation de la particule et le temps caractéristique de déviation de l’écoulement :[8]

Stk = τp U / L     avec     τp = ρp dp2 Cc / (18 μ)

Toutes choses égales par ailleurs, Stk augmente comme le carré du diamètre. Une petite augmentation de taille accroît donc fortement la tendance à l’impaction. On peut décrire la transmission de manière didactique par :

nsortie(d) = nprimaire(d) × [1 − ηimp(d)]

où ηimp(d) est l’efficacité d’impaction, faible pour les petites tailles et croissante pour les grosses. Ce comportement est l’équivalent fonctionnel d’un filtre passe-bas en taille de particules.

Effet de coupure didactique des ATM 221 et 226 sur une distribution bimodale
Figure 3 — Effet de coupure didactique. La distribution primaire bimodale est représentée en pointillés ; les courbes ATM 221 et ATM 226 montrent conceptuellement la conservation de la fraction fine et l’atténuation du mode grossier. Les axes sont dilatés.

3. ATM 220 / ATM 226 : pourquoi la zone voisine de 0,3 µm est importante

TOPAS indique que l’ATM 220 et l’ATM 226 sont particulièrement adaptés aux essais de filtres et aux applications de salles propres. Avec des huiles telles que DEHS ou DOP, l’ATM 226 produit principalement des particules dans la plage 0,1 à 0,5 µm et sa distribution est orientée vers la zone du MPPS (Most Penetrating Particle Size) des filtres.[1][3]

Dans les applications de comptage en salle propre, la zone voisine de 0,3 µm est particulièrement utile. Le schéma didactique représente donc l’ATM 226 avec une distribution légèrement décalée et asymétrique vers les tailles plus élevées que l’ATM 221. Il s’agit ici d’une interprétation fonctionnelle cohérente avec l’application cleanroom où l'on cherche à exploiter le canal de comptage le plus bas: 0,3 µm.

Courbes réelles DEHS ATM 221 selon la pression
Figure 4a — ATM 221, DEHS. Courbes expérimentales fournies : la pression agit fortement sur la production, tandis que le mode reste stabel, voisin de 0,15 µm. La distribution reste essentiellement submicronique.
Distribution historique DEHS ATM 226
Figure 4b — ATM 226, DEHS. Courbe servant de calibre métrologique fournie pour comparaison ; la figure source indique une mesure par Scanning Mobility Particle Sizer (TSI). Le maximum est voisin de 0,2 µm et la distribution présente une épaule vers les tailles supérieures.

4. ATM 221 : même logique, sans l'objectif spécifique de 0,3 µm (salle blanche/cleanroom)

L’ATM 221 appartient encore à la philosophie des atomiseurs liquides conventionnels : TOPAS décrit la même section d’impaction sur la paroi que pour l’ATM 220, mais avec une buse immergée afin de permettre de faibles débits massiques avec une forte reproductibilité. Sa courbe DEHS disponible est légèrement plus fine que celle utilisée classiquement pour les générateurs cleanroom.[2]

Cette stabilité de la géométrie est importante : un ATM conventionnel correctement maintenu possède une signature granulométrique reproductible dans des conditions définies. Une évolution anormale de la distribution peut donc constituer un indice de contamination, d’usure, de modification de débit ou de besoin de maintenance.

5. ATM 221/D : changement de philosophie

L’ATM 221/D a été spécialement développé pour l’aérosolisation de suspensions aqueuses contenant des particules jusqu’à 25 µm. Le manuel indique que la taille cible et la concentration peuvent être influencées par la pression de fonctionnement et la concentration massique de la suspension. Le générateur possède en outre un agitateur magnétique destiné à stabiliser et homogénéiser la suspension.[4][5]

La documentation TOPAS actuelle présente précisément l’ATM 221/D comme une alternative à la dispersion sèche lorsque l’on souhaite produire des aérosols polydispersés avec une proportion accrue de particules supermicroniques (≥ 1 µm), par aérosolisation de suspension suivie d’un séchage. Cette fonction est donc fondamentalement différente de celle d’un ATM conventionnel optimisé pour nettoyer la fraction grossière d’une atomisation liquide.[4][5]

Fiche produit ATM 221/D — GRANULOSHOP Documentation, caractéristiques et accès à la page produit :
www.granuloshop.com/TO/fr/products/generation/product_atm-221-d.html
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QR code — fiche produit ATM 221/D

5.1 Pourquoi une suspension peut devenir bimodale

La littérature sur l’atomisation de suspensions décrit deux régimes. Lorsque les particules solides sont très petites devant les gouttes, elles restent incorporées dans les gouttelettes. Lorsque la taille des particules solides devient importante, une séparation solide–liquide peut apparaître pendant l’atomisation : on obtient alors simultanément de petites gouttes de liquide relativement pur et des particules solides entourées d’une quantité variable de liquide. Cette coexistence conduit naturellement à une distribution bimodale.[9]

5.2 Ce que fait le séchage

Le séchage retire le liquide volatil. La population de gouttes fines constituées uniquement du liquide disparaît, tandis que les gouttes contenant une particule solide laissent subsister la particule sèche — éventuellement avec un résidu non volatil ou une légère couche de matière dissoute. Pour une solution homogène, la relation classique de conservation de matière donne approximativement :[6][10]

dsec ≈ dgoutte × [φs ρliq / ρsolide]1/3

Cette loi en puissance 1/3 est adaptée aux solutions ou aux gouttes où la matière solide est répartie dans le volume. Pour une suspension contenant déjà des particules solides individualisées, la taille finale tend au contraire vers celle du noyau solide, modulée par l’agglomération et les résidus non volatils.

Schéma théorique ATM 221/D avant et après séchage
Figure 5 — ATM 221/D, modèle théorique didactique. Avant séchage (bleu), une fraction fine de liquide peut coexister avec un mode plus grossier de particules solides enrobées. Après séchage (rouge), la fraction liquide pure disparaît et il subsiste la distribution des particules solides. Les valeurs 0,18 / 1 / 2 / 3 µm sont illustratives, non contractuelles et non issues d’une mesure ATM 221/D publiée.

6. Ce que cela implique pour une cible proche de 1 µm

Conclusion provisoire Le mécanisme de l’ATM 221/D montre pourquoi il est risqué de déduire, à partir du seul fonctionnement de la buse, qu’un liquide pur produira spontanément une distribution grossière étroite et centrée vers 1 µm. L’ATM 221/D est avant tout conçu pour exploiter une suspension et, après séchage, retrouver la fraction solide recherchée.

En revanche, la question pratique reste ouverte : quelle distribution obtient-on avec du DEHS pur dans l’ATM 221/D, et quels réglages permettent d’approcher 1 µm ? Le manuel autorise l’utilisation du DEHS et indique une plage de pression jusqu’à 6 bar, mais il ne fournit pas dans sa version actuelle une courbe granulométrique DEHS permettant de répondre quantitativement à cette question.

Il serait donc prématuré de promettre une distribution monomodale grossière autour de 1 µm sans données expérimentales correspondant à une configuration définie. Des résultats TOPAS récents existent ou sont en cours d’évaluation ; ils devront être intégrés à cette note lorsqu’ils seront disponibles.

7. Perspective historique : de l’ATM 220 modifié à un générateur dédié

Avant l’apparition de l’ATM 221/D, la génération d’un aérosol solide à partir d’une suspension pouvait déjà être réalisée avec un atomiseur liquide conventionnel, à condition de rester dans un domaine de tailles suffisamment fin. Avec un ATM 220, par exemple, il est possible de charger le liquide avec des particules submicroniques, puis de sécher l’aérosol en aval. Après évaporation du liquide, il reste alors essentiellement la fraction solide.

Cette approche atteint toutefois rapidement ses limites lorsque la suspension contient des particules de l’ordre du micromètre ou davantage. La section d’impaction qui fait précisément la qualité granulométrique des ATM classiques devient alors un obstacle : les gouttes chargées et les particules les plus grossières sont préférentiellement interceptées par les déflecteurs. Il en résulte un encrassement rapide de la zone d’impaction, une augmentation des dépôts internes et, à terme, un risque accru d’obstruction de la buse ou des passages de liquide.

Le paradoxe de l’ATM classique La fonction qui rend l’ATM 220 particulièrement performant avec un liquide pur — éliminer la fraction grossière pour obtenir une distribution fine reproductible — devient précisément la fonction gênante lorsqu’on souhaite conserver et disperser des particules solides de taille micrométrique.

7.1 Le contournement historique : supprimer la coupure

Une solution de terrain a parfois consisté à retirer les déflecteurs / éléments d’impaction d’un ATM 220 afin de laisser passer la fraction grossière. Le générateur devient alors utilisable avec des suspensions contenant des particules plus grandes, mais il cesse en même temps d’être un ATM 220 au sens granulométrique du terme : sa géométrie de sélection n’est plus celle qui définit sa performance d’origine.

Cette modification pose un problème important de traçabilité métrologique et technique. Une fois l’appareil volontairement modifié, son retour exact à la configuration initiale n’est pas nécessairement évident ; plus gênant encore, quelques années plus tard, un nouvel utilisateur peut ignorer qu’il travaille avec un appareil modifié et attendre de lui la distribution granulométrique normalement associée à la réputation des ATM TOPAS.

7.2 De la modification réversible au développement d’un appareil spécifique

L’étape suivante a logiquement consisté à envisager un kit réversible permettant de neutraliser temporairement la coupure granulométrique sans dégrader définitivement le générateur. Cette approche répondait mieux au besoin de conservation de la fraction grossière, tout en préservant la possibilité de revenir à la configuration ATM conventionnelle.

De cette évolution est née la logique d’un appareil véritablement dédié : l’ATM 221/D. Sa mission n’est plus d’obtenir, à partir d’un liquide pur, la distribution fine « nettoyée » caractéristique d’un ATM classique, mais de disperser une suspension contenant des particules solides, notamment au-delà de 1 µm, puis de permettre leur récupération sous forme d’aérosol solide après séchage. Le manuel actuel confirme cette orientation : l’appareil a été développé pour l’aérosolisation de suspensions aqueuses contenant des particules jusqu’à 25 µm et possède un agitateur magnétique pour maintenir la suspension homogène.

Statut historique. La séquence « ATM conventionnel → retrait des déflecteurs → recherche d’une solution réversible → générateur dédié » est présentée ici comme une perspective historique issue du retour d’expérience. Elle devra être complétée, dans une version finale, par les documents TOPAS historiques disponibles si l’on souhaite en faire une chronologie constructeur formellement référencée.

8. Prospective : pourquoi le besoin revient aujourd’hui avec les PM2.5 et PM10

Historiquement, la génération contrôlée de particules solides de quelques micromètres répondait surtout à des besoins de laboratoires spécialisés : développement ou caractérisation d’instruments, travaux de recherche sur les aérosols, validation de prototypes. Les volumes d’équipements concernés étaient faibles et les protocoles souvent spécifiques à chaque laboratoire.

Le contexte a profondément changé avec la diffusion des instruments destinés à la mesure environnementale des PM2.5 et PM10. Les capteurs optiques compacts et les systèmes dits « low-cost » sont aujourd’hui déployés en grand nombre pour la surveillance de l’air ambiant, des bâtiments et des environnements de travail. Leur faible coût facilite la multiplication des points de mesure, mais leur réponse dépend fortement de la taille, de la composition, de l’indice optique des particules, de l’humidité et des conditions d’étalonnage. La littérature récente souligne donc de manière récurrente la nécessité de procédures de calibration, validation et contrôle qualité adaptées à ces capteurs.[11][12][13]

PM2.5 et PM10 ne désignent pas deux tailles monodisperses. Ce sont des fractions conventionnelles définies par le comportement aérodynamique des particules. Pour caractériser correctement un capteur PM, il faut donc pouvoir générer non seulement une concentration donnée, mais aussi des distributions de tailles représentatives, comprenant une fraction supermicronique contrôlée.

8.1 D’un besoin de recherche à un besoin de calibration récurrent

Le problème qui se présentait autrefois ponctuellement dans quelques laboratoires devient ainsi beaucoup plus général : il faut désormais disposer de sources d’aérosols capables de tester et comparer un grand nombre de capteurs dans les domaines PM1, PM2.5 et PM10. La génération d’un aérosol uniquement submicronique, même très propre et reproductible, ne suffit plus à explorer toute la réponse d’un instrument environnemental.

C’est précisément dans ce contexte que l’ATM 221/D prend son sens : la suspension permet d’introduire une matière particulaire connue dans le liquide, l’atomisation produit l’aérosol porteur, puis le séchage permet de retrouver une fraction solide dont la granulométrie est beaucoup plus directement liée au matériau de départ. On passe ainsi d’un appareil conçu pour éliminer la fraction grossière à un appareil conçu pour la produire et la conserver.

8.2 Une demande appelée à croître

Les revues récentes sur les capteurs PM à bas coût montrent que leur utilisation se développe rapidement, tandis que l’étalonnage reste l’une de leurs difficultés centrales. Cette évolution crée mécaniquement un besoin accru de bancs de test, de générateurs de particules de référence et de méthodes permettant de vérifier la réponse en fonction de la taille. L’ATM 221/D, longtemps correspondant à un besoin très spécialisé, devient ainsi pertinent pour un marché beaucoup plus large de caractérisation et validation de capteurs PM.[11][12][13]

Perspective L’intérêt actuel de l’ATM 221/D ne vient donc pas seulement d’une amélioration de conception. Il correspond à une évolution du besoin : les instruments PM se multiplient, leur calibration devient une opération récurrente, et les aérosols de test doivent désormais couvrir de façon contrôlée des tailles que les ATM liquides traditionnels avaient précisément été conçus pour éliminer.

9. Comparaison synthétique

PointATM 220 / 221 / 226ATM 221/D
Fonction principaleAérosols à partir de liquides, solutions ou suspensions ; forte part submicroniqueAérosolisation de suspensions, notamment pour PM sensors et fraction supermicronique
Traitement du mode grossierImpaction sur paroi / baffle plate décrite par TOPASPas de section d’impaction « baffle plate » décrite dans le principe actuel
DistributionStable, principalement < 1 µm ; géométrie fortement déterminanteDépend davantage de la suspension, de la pression, de la concentration et du séchage
Particules solidesPossible avec solutions/suspensions, mais la géométrie retire la fraction grossièreApplication centrale : suspension → atomisation → séchage → particules solides
AgitationNon centrale dans le principe standardAgitateur magnétique fourni pour homogénéiser la suspension
Interprétation « filtre passe-bas »Oui, bonne représentation didactique de l’impactionNon : l’objectif est de conserver / générer une fraction supermicronique utile

10. Statut des informations

NiveauÉléments
Documenté constructeurBuse à deux fluides ; baffle plate et impaction sur ATM 220/221/226 ; ATM 221/D développé pour suspensions ; particules jusqu’à 25 µm ; pression et concentration influencent la taille/concentration ; agitation magnétique ; route suspension + séchage.
Appuyé par la littératureSpray réel polydispersé ; bimodalité possible par mécanismes de rupture multiples ; sélection inertielle régie par Stokes ; séparation solide–liquide possible lors de l’atomisation de suspensions ; disparition des gouttes de liquide pur après séchage.
Didactique / interprétationSchémas de distribution bimodale, analogie « filtre passe-bas », formes normalisées des courbes superposées, positions illustratives 0,18 / 1 / 2 / 3 µm du modèle ATM 221/D.
Retour d’expérience historiqueUtilisation ancienne d’ATM 220 avec suspensions submicroniques ; retrait ponctuel des déflecteurs pour laisser passer des particules plus grosses ; difficultés de traçabilité et de restauration de la configuration d’origine. À documenter par archives TOPAS si disponible.
À confirmer expérimentalementDistribution DEHS pur de l’ATM 221/D ; possibilité et réglages pour obtenir un mode proche de 1 µm ; influence précise de la distance d’impaction / géométrie selon la configuration finale.

11. Références

  1. TOPAS GmbH — ATM 220. Principe de buse à deux fluides, baffle plate, impaction des grosses gouttes, distribution principalement < 1 µm. topas-gmbh.de — ATM 220.
  2. TOPAS GmbH — ATM 221. Buse immergée ; faible débit massique ; même principe d’impaction décrit pour la famille ATM. topas-gmbh.de — ATM 221.
  3. TOPAS GmbH — ATM 226. Application cleanroom / filtres ; DEHS principalement 0,1–0,5 µm ; distribution orientée vers la zone MPPS ; baffle plate / impaction. topas-gmbh.de — ATM 226.
  4. TOPAS GmbH — ATM 221/D. Aérosolisation de suspensions ; fraction supermicronique ; route suspension + séchage. topas-gmbh.de — ATM 221/D.
  5. TOPAS GmbH. Instruction Manual — Atomizer Aerosol Generator ATM 221/D, version 221/DV1E_0724, 2024.
  6. May, K.R. (1973). “The Collison Nebulizer: Description, Performance and Application”, Journal of Aerosol Science 4(3), 235–243. DOI: 10.1016/0021-8502(73)90006-2.
  7. Xu, Z., Zhao, H., Liu, H.-F. (2022). “Atomization model based on the ligament-mediated spray mechanism for coaxial two-fluid air-blast nozzle”, Chemical Engineering Journal 450, 137986. DOI: 10.1016/j.cej.2022.137986.
  8. Romay, F.J., García-Ruiz, E. (2023). “Design of Round-Nozzle Inertial Impactors Review with Updated Design Parameters”, Aerosol and Air Quality Research 23, 220436. DOI: 10.4209/aaqr.220436.
  9. Mulhem, B., Schulte, G., Fritsching, U. (2006). “Solid–liquid separation in suspension atomization”, Chemical Engineering Science 61(8), 2582–2589. DOI: 10.1016/j.ces.2005.11.035.
  10. Sapra, M., Mayya, Y.S., Venkataraman, C. (2016). “Air-jet atomization for preparation of lipid nanoparticles: Dependence of size on solute concentration”, Journal of Aerosol Science 100, 1–13. DOI: 10.1016/j.jaerosci.2016.05.007. Discussion de la loi classique en puissance 1/3 pour le résidu après séchage.
  11. Karagulian, F. et al. (2019). “Review of the Performance of Low-Cost Sensors for Air Quality Monitoring”, Atmosphere 10(9), 506. DOI: 10.3390/atmos10090506. Revue européenne montrant l’essor des capteurs à bas coût et les enjeux de performance et d’étalonnage.
  12. Liang, L. (2021). “Calibrating low-cost sensors for ambient air monitoring: Techniques, trends, and challenges”, Environmental Research 197, 111163. DOI: 10.1016/j.envres.2021.111163. Revue consacrée aux méthodes et aux limites de calibration des capteurs environnementaux à bas coût.
  13. Zhang, J. et al. (2025). “Low-Cost Particulate Matter Mass Sensors: Review of the Status, Challenges, and Opportunities for Single-Instrument and Network Calibration”, ACS Sensors 10(5), 3207–3221. DOI: 10.1021/acssensors.4c03293.
Limitation du présent draft. Cette note articule des données constructeur, des courbes expérimentales historiques et des schémas didactiques. Elle ne constitue pas encore une spécification de performance de l’ATM 221/D. La version finale devra intégrer les données expérimentales TOPAS correspondant au DEHS pur et, si possible, à une suspension de référence après séchage.