Brevet FR2195474A1 — publié le 19740308

La présente invention concerne un piège à particules à traversée de courant pour séparer les particules contenues dans un courant gazeux. Il existe de nombreuses applications dans lesquelles il est souhaitable d'éliminer des particules des courants gazeux, par exemple dans le but d'empêcher les endommagements par la corrosion, le colmatage, etc..., à un matériel sur lequel peut frapper le courant gazeux ou dans le cas des courants gazeux d'échappement chauffés, afin d'éliminer les particules chauffées, c'est-à-dire les "étincelles" et, par conséquent, de réduire le risque d'incendie. Dans cette dernière application il est souvent souhaitable de maintenir la contre pression aussi basse que possible afin d'obtenir la performance optimale du moteur. L'invention est décrite plus particulièrement telle qu'elle est appliquée aux systèmes d'échappement des véhicules, mais il est évident que le piège à particules selon l'invention peut aussi s'appliquer aux turbines et aux installations fixes de grandes ou de petites dimensions, telles que les fours ainsi qu'aux moteurs à combustion interne, et qu on peut l'utiliser dans toutes les applications où il y a lieu de séparer des particules entraînées dans un courant gazeux. Selon la présente invention un piège à particules à traversée de courant pour séparer les particules entratnées dans un courant gazeux comprend une entrée, une sortie et un passage entre ladite entrée et ladite sortie qui comprend au moins un coude, une paroi dudit passage située dans la région dudit coude comprenant un élément réticulaire agencé pour dévier le courant gazeux et pour être pénétré par les particules entratnées dans le courant. Ledit élément est de préférence un élément réticulaire tridimensionnel, et il peut être de préférence en métal en mousse réticulée. Un organe de soutien imperméable aux gaz est de préférence positionné sur le côté aval dudit élément, et l'ensemble formé par ledit élément et l'organe de soutien peuvent délimiter entre eux une cavité isolée du passage. Le passage a de préférence une configuration en zig zag, chaque coude du passage étant formé par un élément réticulaire similaire agencé pour dévier le courant gazeux et pour être pénétré par les particules entratnées dans le courant gazeux. L'entrée et la sortie du passage à travers le piège ont de préférence la même dimension, et le passage a de préférence une surface généralement uniforme en coupe transversale sur toute sa longueur. L'invention concerne aussi l'ensemble d'un piège tel que décrit précédemment et d'un silencieux à traversée de courant pour un moteur à combustion interne, la sortie du piège étant reliée à l'entrée du silencieux. Le silencieux peut être un tuyau en métal perforé entouré par une couche absorbant les sons de métal en mousse enfermé dans une enveloppe métallique externe. L'agencement est de préférence tel que le passage pour le courant gazeux n'est pas réduit en coupe transversale entre l'entrée du piège et la sortie du silencieux. Ladite enveloppe peut être cylindrique et le tuyau peut être de section allongée à son extrémité d'entrée et de section circulaire à son extrémité de sortie, la forme de la section du tuyau variant progressivement entre ses extrémités d'entrée et de sortie sans réduction de la surface en coupe transversale du tuyau. Les figures du dessin annexé, donné à titre d'exemple non limitatif, feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est une coupe axiale d'un système d'échappement pour un véhicule, comprenant un piège à particules selon l'invention, la coupe étant suivant la ligne I-I de la figure 2. La figure 2 est une coupe du système de la figure 1 suivant la ligne Il-Il de cette figure. Les figures 3, 4, 5 sont des coupes respectives suivant les lignes III-III et IV-TV de la figure 1 et V-V de la figure 2. La figure 6 est une vue similaire à la figure 1 d'une variait e de système d'échappement comprenant une variante de pièges à particules selon l'invention. Le dispositif représenté comprend un piège à particules 10 comportant une extrémité d'entrée 12 et une extrémité de sortie 13, cette dernière communiquant avec l'extrémité d'entrée 14 d'un silencieux il du type à traversée de courant. L'extrémité d'entrée 12 du piège est agencé pour eAtre reliée au tuyau d'échappement d'un moteur à combustion interne de véhicule, de sorte que les gaz d'échappement traverseront le piège 10 et le silencieux il pour sortir à l'atmosphère à l'extrémité de sortie 15 du silencieux. Pendant son passage à travers le piège à particules 10 le courant de gaz d'échappement est obligé de suivre le trajet en zig zag indiqué par les flèches de la figure 1 par la présence de barrières 16, 17 et 18 qui s'étendent partiellement en travers de l'intérieur du piège et présentent des ouvertures 19, 20 et 21 non alignées entre elles ni avec l'entrée 14 du silencieux. Chaque barrière consiste en un disque plein 24, 25 et 26 en métal en feuille où sont pratiquées les ouvertures respectives, et soudé à sa périphérie, comme indiqué en 22 sur les figures 1 et 4, à un tube 23 en métal en feuille situé dans le piège à particules 10.Contre le côté amont de chaque disque est placé un bloc respectif 27, 28 et 29 en métal en mousse réticulée produit par pulvérisation, trempage ou électrodéposition du métal sur un substrat en mousse réticulée poreuse que l'on élimine ensuitewpar chauffage. Comme on le voit, les blocs 28 et 29 sont à côté généralement parallèles mais le bloc de tête 27 a une configuration effilée pour correspondre à l'extrémité d'entrée divergente de l'enveloppe du piège 10 et, par conséquent, présenter une surface 30 à nu qui est oblique par rapport à la direction suivant laquelle frappe le courant gazeux entrant et qui forme, avec la partie opposée, tronconique, de l'enveloppe du piège un passage d'entrée 31 pour ledit courant, de surface généralement uniforme en coupe transversale.Ladite surface est au moins approximativement égale aux dimensions de chaque ouverture ig, 20 et 21 et à la surface en coupe transversale des passages pour le courant g^ zux entre des parois adjacentes de barrières, avec le résultat que le passage à travers le piège 10 n'est nulle part étranglé de manière à créer une contre pression, dans le système d'échappement, qui pourrait affecter fâcheusement la performance du moteur. Chaque bloc de métal en mousse est fixé au disque respectif 24, 25 ou 26 par un rebord en métal en feuille 32, 33 ou 34 qui chevauche un bord du bloc associé 27, 28 ou 29 en métal en mousse. L'ensemble du silencieux il comprend une enveloppe externe 35 fixée à l'enveloppe externe du piège à particules 10 par des brides en contact 36. Dans l'enveloppe 35 est disposé coaxialement un tube 36 en métal perforé qui, à l'extrémité d'entrée 14 du silencieux, présente la configuration aplatie représentée sur la figure 5 de manière à s'étendre cote à cote avec l'enveloppe 35 mais qui s'évase comme représenté sur la figure 2 vers l'extrémité de sortie 15 du silencieux, où le tube 36 a une section circulaire. Slgré la convergence dans le plan de la figure 2, la surface en coupe transversale à l'intérieur du tube 36 est en général constante sur toute sa longueur, ce que l'on obtient en profilant inversement le tube dans le plan de la figure 1 pour qu'il se contracte dans le plan de la figure 2 et qu'il se dilate dans le plan de la figure 1. Une couche 37 de métal en mousse similaire à celui utilisé dans les barrières 16, 17 et 18 est placée dans le volume compris entre le tube 36 et l'enveloppe 35. Cette couche 37 sert à calorifuger et à absorber les sons et du fait de sa forme, un intervalle maximal de fréquences sonores est efficacement amorti, les différentes fréquences étant amorties par les différentes épaisseurs de la couche 37. Pour améliorer cet effet, le volume entre le tube 36 et l'enveloppe 35 peut être compartimenté par des barrières en métal en feuille (non représentées) s'étendant entre le tube 36 et l'enveloppe 35 à intervalles convenablement choisis sur la longueur du tube 36. La dimension des pores du métal en mousse réticulée compris dans la barrière 18 du piège à particules est choisie en relation avec la disposition angulaire de sa surface 30 de manière telle que le courant gazeux pénétrant dans le piège en 32 soit dévié par la surface 30 sans tendance à pénétrer beaucoup dans le métal en mousse. Le disque 24 derrière le métal en mousse facilite cette déviation du courant gazeux et permet à la dimension des pores d'être plus grande qu'il ne serait possible sans ce disque. On choisit la plus grande dimension possible des pores pour que même les plus grandes particules entralnées dans le courant gazeux puissent pénétrer dans le métal en mousse et puissent s'y loger. Par suite de leur poids supérieur par rapport aux molécules gazeuses séparées, les particules entratnées ne sont pas déviées aussi facilement que les gaz et, par conséquent, alors que la direction du courant gazeux change pour qu'il traverse les ouvertures des barrières, les particules pénètrent dans les blocs 27, 28 et 29 et s'y logent. Après avoir traversé le piège à particules 10, les gaz d'échappement, suffisamment débarrassés de particules entraînées ou étincelles, pénètrent dans l'ensemble du silencieux en 14 où ont lieu les phénomènes de calorifugeage et d'absorption des sons, puis ils sont mis à l'atmosphère à l'extrémité de sortie 15 du silencieux. Dans la variante de système d'échappement représentée sur la figure 6, le piège à particules 10 comporte une entrée 3 et une sortie 4. Entre l'entrée et la sortie sont positionnées plusieurs barrières 5. Ces barrières comprennent chacune une surface amont 6 en métal réticulé poreuse, une surface aval 7 en métal plein et une cavité 8 entre ces surfaces. Lorsque les gaz d'échappement traversent l'entrée 3, le courant gazeux frappe la surface amont 6 de la première barrière et est dévié vers le bas en direction de la surface amont 9 de la seconde barrière. Les "étincelles" ou particules chauffées transportées par les gaz d'échappement sont plus lourdes que les molécules gazeuses et, par suite de leur plus grande énergie cinétique, elles pénètrent dans la surface amont 6 de la barrière, elles sont arrêtées par la surface pleine 7 et elles sont piégées dans la cavité 8. Le courant gazeux dévié frappe alors la surface amont 9 de la seconde barrière et est par suite dévié vers la barrière suivante. De cette façon, les "étincelles" sont éliminées à chaque barrière jusqu a ce que le courant gazeux sorte par la sortie 4. Dans le mode de réalisation de la figure 6, un silencieux 11 est d'un seul tenant avec le piège à particules 10 le silencieux comprend un tuyau 10 en métal perforé entouré de laine minérale 11. L'ensemble du piège à particules et du silencieux est logé dans une enveloppe extérieure 13. Les surfaces amont des barrières du piège à particules selon l'invention doivent avoir une dimension de pores assez petite pour dévier l'écoulement du courant gazeux tout en permettant aux particules de les pénétrer. On peut utiliser toute matière poreuse, et la matière métallique peut être sous la forme de plaques perforées ou sous la forme de matière poreuse tridimensionnelles comme un tamis, au lieu du métal en mousse décrit. Lorsque l'on utilise des matières poreuses tridimensionnelles, par suite des collisions avec la structure interne de la matière poreuse, les particules ralentiront et aussi, dans le cas des "étincelles ", de la chaleur sera transférée des particules à la matière poreuse. Par conséquent, lorsque l'on utilise ces matières poreuses tridimensionnelles pour le bord amont d'une barrière, elles ont de préférence une épaisseur, derrière la surface amont, qui est suffisante pour augmenter le retard des particules et/ou le transfert de chaleur de celles-ci. On préfère utiliser du métal en mousse réticulée produit par électrodéposition du métal sur de la mousse de polyuréthane, que l'on élimine par chauffage afin de transformer en cendres le polyuréthane. Le substrat en mousse réticulée poreuse, c'est-à-dire une mousse dans laquelle la phase organique est un réseau tridimensionnel sans parties de cloisons importantes délimitant les cellules, peut en variante être produit en éliminant d'une mousse les parois relativement minces des cellules, par exemple par des moyens chimiques tels que l'hy- droxyde de sodium aqueux dans le cas des mousses de polyuréthane Lorsqu'il faut électrodéposer le métal, il est évidement nécessaire d'utiliser une mousse poreuse réticulée électriquement conductrice ou de rendre conducteur le métal au moyen d'une couche superficielle conductrice. On peut rendre auto-conductrices des matières non conductrices au moyen d'un additif tel que le graphite ou un métal en poudre.On peut appliquer une couche superficielle conductrice en revêtant la matière d'une matière résineuse durcissable comprenant un additif conducteur ou en déposant sur elle un métal par voie chimique, par exemple par réduction in situ de nitrate d'argent ammoniacal. En général, lorsqu'on utilise le dépôt chimique, la surface doit être traitée avec un ou plusieurs sensibilisateurs tels que le chlorure stanneux, suivi du chlorure de palladium pour l'argent. Les métaux que l'on peut électrodéposer sont l'argent, le cuivre, le nickel et le fer. Des mousses d'alliage peuvent être produites dans certains cas par placage direct et, dans d'autres cas, on peut électrodéposer successivement deux ou plusieurs métaux et former l'alliage en chauffant la structure résultante. On peut produire des mousses d'acier par incorporation des quantités requises de carbone et/ou d'azote. Le carbone peut dériver de la matière organique formant la mousse de base ou être ajouté à un bain d'électroplacage. On peut évidemment traiter par la chaleur la mousse d'alliage résultante pour lui donner des propriétés physiques souhaitables. De tels traitements thermiques sont bien connus dans la technique. Dans le but de conserver à un minimum la contrepression produite par le piège à particules, la dimension globale du piège perpendiculairement à la direction du courant, et la dimension et la forme des barrières doivent être -choisies pour que l'aire en coupe transversale du trajet libre du gaz soit maintenu aussi proche que possible de l'aire en coupe transversale de l'entrée et de la sortie du piège à particules. REVENDICATIONS 1.- Piège à particules à traversée de courant pour séparer les particules entratnées dans un courant gazeux, ledit piège comprenant une entrée, une sortie et un passage, entre ladite entrée et ladite sortie, qui comprend au moins un coude, caractérisé en ce que ledit passage, dans la région dudit coude, comprend un élément réticulaire agencé et adapté pour dévier le courant gazeux et pour être pénétré par les particules entratnées dans le courant. 2.- Piège selon la revendication 1v caractérisé en ce que ledit élément est un élément réticulaire tridimensionnel. 3.- Piège selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit élément est une matière en mousse réticulée. 4.- Piège selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un organe de soutien imperméable aux gaz est positionné sur le côté aval dudit élément. 5.- Piège selon la revendication 4, caractérisé en ce que ledit élément et l'organe de soutien associé délimitent entre eux une cavité isolée du passage. 6.- Piège selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le passage est de configuration en zig zag, chaque coude du passage étant formé par un élément réticulaire agencé et adapté pour dévier le courant gazeux et pour être pénétré par les particules entratnées dans le courant gazeux. 7.- Ensemble d'un piège selon l'une quelconque des revendication 1 à 6 et d'un silencieux à traversée de courant pour un moteur à combustion interne, la sortie du piège étant reliée à l'entrée du silencieux, caractérisé en ce que le silencieux est un tuyau en métal perforé entouré par une couche absorbant les sons de métal en mousse enfermé dans une enveloppe métallique externe. 8.- Ensemble selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite enveloppe est cylindrique et le tuyau est de section allongée à son extrémité d'entrée et de section circulaire à son extrémité de sortie, la forme de la section du tuyau variant progressivement entre ses extrémités d'entrée et de sortie sans réduction de la surface en coupe transversale du tuyau.