Pourquoi l’ATM 221/D est différent des atomiseurs ATM 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 : cette baffle plate constitue une section d’impaction qui élimine une partie des grosses gouttes et stabilise une distribution principalement submicronique. L’ATM 221/D répond à un besoin différent : il a été développé pour l’aérosolisation de suspensions, avec une fraction supermicronique importante, 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 TOPAS non encore publiées.

ATM conventionnelsBuse + géométrie d’impaction fixe : la fraction grossière est fortement atténuée.

ATM 226Optimisé pour les essais 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 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.

Terminologie. « Monomodal » signifie qu’un seul maximum domine la distribution. Cela ne signifie pas « monodisperse » au sens strict. Les fiches TOPAS qualifient d’ailleurs les aérosols des ATM conventionnels de polydisperses, même lorsque la courbe ne présente qu’un mode dominant.

Schéma didactique d'une distribution bimodale primaire — **Figure 1 — Modèle didactique d’une distribution primaire bimodale.** Le premier mode représente la fraction fine ; un second mode grossier peut apparaître à plusieurs micromètres. Les positions indiquées sont didactiques et ne constituent pas une spécification instrumentale.

2. La baffle plate : une sélection inertielle assimilable à un filtre passe-bas en taille

Dans les ATM conventionnels considérés ici, TOPAS décrit explicitement une sortie de buse orientée vers la paroi du récipient. La paroi agit comme plaque d’impaction : les grosses gouttes, plus inertielles, ne suivent pas suffisamment la déviation des lignes de courant et impactent la paroi ; les gouttes fines restent davantage entraînées par le gaz et poursuivent leur chemin vers la sortie.

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 :

Stk = τ_p U / L avec τ_p = ρ_p d_p² C_c / (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 :

n_sortie(d) = n_primaire(d) × [1 − η_imp(d)]

où η_imp(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 normalisés.

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.

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 et avec les courbes historiques disponibles, et non d’une affirmation que 0,3 µm serait un diamètre monodisperse imposé par construction.

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 voisin de 0,15 µm. La distribution reste essentiellement submicronique.

Distribution historique DEHS ATM 226 — **Figure 4b — ATM 226, DEHS.** Courbe historique 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 d’impaction, mais sans la contrainte spécifique 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.

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.

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’un spray liquide.

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.

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 :

d_sec ≈ d_goutte × [φ_s ρ_liq / ρ_solide]^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. Comparaison synthétique

Point	ATM 220 / 221 / 226	ATM 221/D
Fonction principale	Aérosols à partir de liquides, solutions ou suspensions ; forte part submicronique	Aérosolisation de suspensions, notamment pour PM sensors et fraction supermicronique
Traitement du mode grossier	Impaction sur paroi / baffle plate décrite par TOPAS	Pas de section d’impaction « baffle plate » décrite dans le principe actuel
Distribution	Stable, principalement < 1 µm ; géométrie fortement déterminante	Dépend davantage de la suspension, de la pression, de la concentration et du séchage
Particules solides	Possible avec solutions/suspensions, mais la géométrie retire la fraction grossière	Application centrale : suspension → atomisation → séchage → particules solides
Agitation	Non centrale dans le principe standard	Agitateur magnétique fourni pour homogénéiser la suspension
Interprétation « filtre passe-bas »	Oui, bonne représentation didactique de l’impaction	Non : l’objectif est de conserver / générer une fraction supermicronique utile

8. Statut des informations

Niveau	Éléments
Documenté constructeur	Buse 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 littérature	Spray 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 / interprétation	Schémas 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.
À confirmer expérimentalement	Distribution 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.

9. Références

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.
TOPAS GmbH — ATM 221. Buse immergée ; faible débit massique ; même principe d’impaction décrit pour la famille ATM. topas-gmbh.de — ATM 221.
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.
TOPAS GmbH — ATM 221/D. Aérosolisation de suspensions ; fraction supermicronique ; route suspension + séchage. topas-gmbh.de — ATM 221/D.
TOPAS GmbH. Instruction Manual — Atomizer Aerosol Generator ATM 221/D, version 221/DV1E_0724, 2024.
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.
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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.
Solid–liquid separation in suspension atomization, Chemical Engineering Science 61 (2006), 2582–2589. DOI: 10.1016/j.ces.2005.11.035.
Pawar et al. “Air-jet atomization for preparation of lipid nanoparticles: dependence of size on solute concentration”, discussion de la loi de mise à l’échelle en puissance 1/3 pour le résidu après séchage.

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.