Brevet FR2325406A1 — publié le 19770422

La présente invention Èi laquelle ont collabore Messieurs Michel CRONENBERGER et Rober MARTINI concerne un intercalaire pour appareil échan- geur et/ou séparateur à membrane semi perméable. Ces appareils peuvent être utilisés pour des opÉrations de séparation ou d'échange entre tous fluides liquides ou gazeux. ils conviennent particulièrement bien pour réaliser des échangeurs employés notamment dans le domaine médical comme hémodialyseur ou oxygénateur à membranes. Ces appareils sont habituellement constitués par un ensemble d'une pluralité d'intercalaires séparés l'un de l'autre par au moins une membrane. Les intercalaires constituant ces appareils peuvent etre plans, ils peuvent aussi avoir la forme de surfaces développables, par exemple cylindriques, avec une directrice circulaire ou en spirale. L'ensemble formé par les intercalaires et la ou les membranes est alors disposé dans un dispositif de contention ap proprié de tout type connu. Dans les appareils échangeurs et/ou séparateurs à membrane deux fluides. distincts circulent de part et d'autre de la membrane, généralement sous des -pressions inégales. Cette différence de pression provoquerait le dépla- cement intempestif de la membrane si des points d'appui ne venaient s'y opposer. Ces points d'appui sont généralement fournis par des structures de soutien appartenant à des intercalaires. Ces intercalaires peuvent etre pourvus sur l1une- et l'autre face de reliefs assurant des points d'appui à la membrane. Ces reliefs peuvent etre des nervures et/ou des saillies. Dans les appareils échangeurs et/ou séparateurs, il est nécessaire de renouveler le fluide circulant entre une face de l'intercalaire et la membrane adjacente. Le fluide est amené et/ou drainé par des conduits alimentant et/ou évacuant une zone de distribution et/ou de collecte, généralement aménagée dans l'épaisseur de l'intercalaire et communiquant avec les interstices élé- mentaires situés entre les reliefs de l'intercalaire. Gèr.éralement les deux faces d'un intercalaire sont baignées par le meme fluide. Dans la suite du texte on se limitera à décrire l'alimentation du fluide, étant entendu que l'evacuation se fait de façon analogue. Les zones de distribution et/ou de collecte des intercalaires selon l'art antérieur peuvent etre telles que celle représentée figure 1. t'intercalaire (1) représenté figure 1 comporte des nervures (2) qui s'infléchissent dans la zone de distribution. La distribution de fluide#est réalisée entre les deux membranes (4) et (5) par deux canaux (573 qui communiquent entre eux. Un tel intercalaire est aisé à réaliser m#ais -presente l'in convénient de mal soutenir les membranes dans la zone de distribution. Les membranes risquent ainsi de se rompre, notamment a l'intersection des nervures (2) et du canal (7). Un but de la présente invention est un intercalaire pour appareil à membrane qui évite les inconvénients de ltart antérieur. Un autre but de l'invention est un intercalaire qui peut être obtenu directement par injection. Il a maintenant été trouvé un intercalaire pour appareil échangeur et/ou séparateur à membrane semi-perméable, comportant au moins deux orifices éloignés pour l'introduction et l'évacuatisn d'un fluide circulant entre l'une des faces de l'intercalaire et la membrane adjacente, lesdites faces limitant l'âme dudit intercalaire et ledit intercalaire comportant au moins un canal de distribution et/ou de collecte et/ou de répartition, ladite face comportant des moyens pour soutenir la membrane et pour permettre au fluide de cir culer entre la membrane et l'intercalaire, la surface pourvue de moyen de sou- tien constituant la zone utile dudit intercalaire.Un tel intercalaire est caractérisé en ce qu'il comporte entre ledit canal et les moyens de soutien de la membrane une zone de transition pourvue de bossages. On entendra par la suite par zone de transition une zone limitée par le canal de distribution et/ou de collecte et/ou de répartition et stétendant vers l'intérieur de l'intercalaire jusqu'à ce que la surface de celui-ci ne soit pourvue que de moyens de soutien ordinaires, c'est à dire conformes par leur forme, leur disposition, leur hauteur, à ceux existants sur les faces de l'interealaire. La compréhension de L'invention sera facilitée par les figures cijointes qui illustrent à titre d'exemples, schématiquement et sans échelle déterminée, un intercalaire selon l'art antérieur et divers modes de re#ali- sation de l'intercalaire objet de l'invention. La figure 1 est une vue en coupe, par un plan parallèle aux nervures, de la zone de distribution d'un intercalaire selon l'art antérieur. La figure 2 est une vue partielle en perspective d'un mode de réalisation d'un intercalaire selon l'invention. La figure 3 est une vue partielle en coupe par un plan III III paral rible aux nervures d'un intercalaire selon la figure 2. La figure 4 est une vue partielle en coupe par un plan IV IV perpendiculaire aux nervures d'un intercalaire selon la figure 2. Les figures 5 et 6 sont des vues de dessus partielles de deux modes de réalisation d'un intercalaire selon l'invention. Les figures 7 et 8 sont des vues partielles en coupe par un plan paral lèle aux nervures de deux modes de réalisation de zones de répartition. L'intercalaire objet de l'invention sera décrit par la suite en se référas plus particulièrement à un appareil dont les intercalaires ont une forme générale plane. En outre, l'invention sera décrite en se référant aussi plus particulièrement à un intercalaire dont les structures de soutien sont constituées par des nervures sensiblement parallèles de section uniforme. L'intercalaire (1) selon l'invention et représenté figures 2, 3 et 4, a ses deux faces (8,9) sensiblement parallèles et pourvues chacune de structures de soutien, qui sont ici des nervures, constituant les points d'appui des membranes enserrant l'intercalaire. Les structures de soutien sont isolées des bords de l'intercalaire par une zone sensiblement lisse que l'on appellera par la suite trottoir (10). L'étanchéité entre deux intercalaires adjacents est assurée au niveau des trottoirs face à face. Les trottoirs peuvent porter de fines nervures qui par écrasement, lors de la mise en contention de l'appareil améliorent ltétanchéité. Les trottoirs délimitent latéralement la zone utile de ##Intercalaire. La zone utile de l'intercalaire représenté figures 2, 3 et 4 est constituée d'une âme pleine (11) pourvue sur ses deux faces, de nervures espacées telles que (12) et (13) sur une face et (14) et (15) sur la face opposée. t'alimentation ou ltévacuation du fluide est assurée par exemple a laide du conduit (16) qui traverse le trottoir (10) et débouche dans un canal de distribution (17) ; de préférence ledit canal est perpendiculaire aux nervures, et chaque face de l'intercalaire comporte un tel canal. Des plots tels que (18), de forme allongée sont situés dans le canal de distribution (17) de façon telle que leur plus grande dimension soit sensiblement perpendiculaire aux nervures. Habituellement ils sont régulièrement répartis selon la longueur du canal et ménagent avec les bords longitudinaux de ce canal des couloirs(17a) et (17b) suffisants pour permettre la circulation du fluide. Les plots (18) assurent une meilleure répartition du fluide entre les interstices éiémentaires tels que (19) situés entre deux nervures consécutives, ils améliorent ainsi le soutien de la membrane à son passage au-dessus du canal (17). Entre le canal de distribution (17) et la surface pourvue de nervures se trouve la zone de transition (30). La largeur de la zone de transition comptée perpendiculairement au canal de distribution est généralement comprise entre 0,01 % et 10 % de la longueur de la zone utile, elle est de préférence comprise entre 0,05 et 5 %. Dans la zone de transition de l'intercalaire représenté figures 2 et 3 les nervures ne sont plus régulières niais s'abaissent progressivement comme on peut le constater en (20, 21). On a alors trouvé avantageux de leur substituer progressivement ou non dans cette zone de transition des bossages allon gés tels que (23, 24).Les faces d'appui (27) des bossages peuvent être planes, elles peuvent alors être parallèles aux faces (8, 9) de l'intercalaire ou bien etre inclinées par exemple de la zone utile de l'intercalaire vers le canal de distribution. Les faces d'appui (27) peuvent aussi éventuellement être convexes ou memes concaves. De préférence les bossages et les nervures admettent le meme plan de symétrie, ce plan est perpendiculaire aux faces (8, 9) et contient l'arete (22) de la nervure, ainsi les bossages sont répartis avec le même pas que les nervures. En se référant au plan P (figure 3) parallèle aux faces (8, 9) de l'intercalaire, on définit la position préférentielle de l'arete (A) du bossage au droit de la rive du couloir (17a) . Pour l'intercalaire représenté le plan P est plan de symétrie. La distance de l'arête (A) au plan P est de préférence comprise entre la distance à ce plan d'une part du point B correspondant à ltextrémité (21) de l'arete (22) et d'autre part de l'arete (C) du plot (18) sur l'autre rive du couloir (ira). Pour des intercalaire ne comportant pas de plots dans le canal de distribution au lieu de la distance de l'arène (C) du plot (î8) on considérera la distance de l'arete (D) du trottoir (10). Eventuellement la distance de l'arete (A) au plan P peut aussi être égale à la distance du point B et/ou de L'arête (C) et/ou de l'arête (D) à ce plan. On pourra généraliser en considérant les distances de A, B, C ou D à un plan de référence quelconque, parallèle aux faces (8, 9) en valeurs algébriques. L'arête (A) du bossage est déterminée par l'intersection de la face d'appui (27) avec le prolongement de la paroi (33) du canal. Pour un bossage dont la face d'appui est arrondie vers le canal on considérera l'arete fictive déterminée par l'intersectiondesprolongements de la face d'appui (27) et de la paroi (33) du canal. Les positions respectives des aretes A et C ou D et du point B sont ainsi telles que le soutien de la membrane est assuré efficacement et sans contraintes excessives pour celle-ci lors du passage des moyens de soutien vers le canal de distribution. Les bossages peuvent avoir des formes diverses, de préférence la face d'appui (27) se termine au droit du canal de distribution par une arete (A) sensiblement rectiligne. La largeur maximum des bossages comptée parallèlement au canal de distribution est inférieure au pas des nervures et de préférence inférieure à 0,8 fois le pas desdites nervures, tout en conservant à l'arete (A) une longueur d'au moins 0,1 mm et de préférence d'au moins 0,2 mm. ta longueur des bossages comptée perpendiculairement au canal de distribution est au plus egale à la largeur de la zone de transition et au moins égale à 0,1 mm et de préférence à 0,5 mm. De préférence le fond (26) des passages (25) s'incline vers le canal (17) et le passage (25) est ainsi creusé dans l'amie (11) de l'intercalaire pour ménager une section suffisante pour ltécoulement de fluide vers les interstices élémentaires tels que (19). Sur une face et sur l'autre de l'intercalaire selon l'invention, les nervures peuvent etre symétriques par rapport à lteme de l'intercalaire ou être éventuellement décalées, de ce fait les bossages-peuvent etre symétriques par rapport à l'amie de l'intercalaire ou etre éventuellement décalés. Le profil des nervures peut etre de tout type connu ; par exemple les nervures peuvent avoir un profil semi-elliptique ou en forme de parabololde ou de secteur circulaire ; elles seront avantageusement de profil sensiblement triangulaire à sommet arrondi. Les nervures peuvent aussi éventuellement être lamellaires, ou présenter des épaulements ou etre telles que les aretes de deux nervures voisines soient raccordées par des surfaces courbes concaves. Les nervures d'une face d'un intercalaire peuvent aussi éventuellement etre telles qu'elles viennent en butez contre l'amie de l'intercalaire adåacent par l'intermédiaire de la membrane. L'intercalaire peut présenter sur sa surface des reliefs sous forme de saillies de tout type connu. Un tel intercalaire est représenté figure 5. Il est muni de bossages (23) analogues à ceux que l'on a décrit ci-avant associés a' des reliefs sous forme de nervures. On peut, de façon analogue définir comme précédemment la largeur maximum et la longueur des bossages et la position de l'arête (A) par rapport au point (B) (ici B est le sommet d'une saillie) et à l'arete (C). L'intercalaire peut aussi éventuellement comporter sur une meme face à la fois des reliefs sous forme de saillies et sous forme de nervures. Il peut également comporter sur une face des saillies et sur l'autre face des nervures. Il est bien entendu que les dispositions décrites ci-dessus pour une zone de distribution de fluide sur un intercalaire peuvent être étendues à la zone de collecte de fluide d'un intercalaire selon l'invention. Il est aussi bien entendu que l'on ne sort pas du cadre de l'invention en réalisant des intercalaires comportant plusieurs orifices d'alimentation et/ou d1évacuation raccordés respectivement par un ou plusieurs canaux de communication ES une ou plusieurs zones de distribution et/ou de collecte. Des variantes de réalisation à la portée du technicien font partie de la présente invention. Les variantes décrites ci-après ne sont données qu'à titre d'exemples et ne sont nullement limitatives. L'intercalaire peut comporter des bossages dont les faces d'appui sont situées dans le mese plan que les faces (8, 9) de l'intercalaire. Eventuellement l'intercalaire peut comporter des bossages tels que les faces d'appui soient situées dans un plan compris entre les plans des faces (8, 9), les bossages sont alors sensiblement creusés dans l'amie de l'intercalaire. L'intercalaire représenté figure (6) en vue de dessus partielle comporte des bossages (23) dont la face d'appui (27) et les arêtes de nervures telles que (22) sont situées dans le meme plan sensiblement parallèle aux faces (8, 9) de l'intercalaire. Les flancs(3j)des arêtes et les faces latérales des bossages forment ici une surface continue. Eventuellement la face d'appui (27) peut etre inclinée. On peut, de façon analogue, définir comme précédemment, la longueur, la largeur maximum des bossages ainsi que la position de l'arete (A) par rapport au point (B) et aux aretes (C) ou (D). L'intercalaire objet de l'invention peut éventuellement comporter outre les zones de distribution et/ou de collecte, des zones de répartition. Deux modes de réalisation de zone de répartition de tels intercalaires sont représentées figures 7 et 8. L'intercalaire (1) représenté figure 7 comporte dans la zone de répartition un canal de répartition (28)sensiblement perpendiculaire aux nervures (12) portées par la face (8). Les nervures s'abaissent progressivement dans la zone de répartition et pilleur est substitue un bossage (23). Cette disposition est analogue à celle décrite ci-avant pour une zone de distribution. L'intercalaire (i) représenté figure 8 comporte en outre dans le canal de répartition (28) des plots (18) analogues à ceux décrits précédemment. Ces plots régulièrement répartis selon la longueur du canal (28) ménagent avec les bords longitudinaux de celui-ci des couloirs (28a) et (28b). Les intercalaires représentés figures 7 et 8 comportent des bossages (23) analogues à ceux décrits précédemment pour une zone de distribution et/ou de collecte. Comme ci-avant on peut définir la longueur et la largeur maximum du bossage. On peut situer la position de l'arete A par rapport à l'arete C pour l'intercalaire représenté figure 8. L'intercalaire représenté figure 7 a des bossages face à face, les arêtes de ceux-ci au droit du canal (28) sont ici de préférence au meme niveau par rapport au plan P. Les dispositions décrites pour les faces (8) des intercalaires (t) représentés figures 7 et 8 peuvent bien entendu concerner également la face (9) de cet intercalaire. Les zones de répartition sont de préférence perpendiculaires au sens d'écoulement du fluide sur l'intercalaire et également réparties sur le trajet dudit fluide. Les zones de répartition favorisent l'équilibrage des débits sur une meme face de l'intercalaire en faisant communiquer les interstices élémentaires perpendiculairement au sens d'écoulement du fluide. L'invention a été décrite en se référant plus particulièrement à un intercalaire comportant une âme plane. L'invention n'est nullement limitée aux intercalaires plans. En effet on peut associer une zone de distribution de fluide telle que celle décrite ci-dessus à un intercalaire cylindrique. Eventuellement un appareil pourra aussi etre constitué avec un intercalaire selon l'invention enroulé sur lul-meme. Un appareil pourra éventuellement etre constitué de plusieurs intercalaires selon l'inventionenroulés sur eux-memes de telle façon qu'en coupe par un plan perpendiculaire à l'axe d'enroulement les intercalaires se présentent comme une famille de spirales de même pâle. Il est bien entendu que des intercalaires selon la présente invention peuvent etre employés pour la construction d'appareils tels que deux intercalaires adjacents enserrent une seule membrane. Dans ce type d'appareil deux intercalaires adjacents ont leurs deux faces baignées par le meme fluide, ces fluides étant différents pour chaque intercalaire. Les intercalaires objets de la présente invention peuvent être construits en matériaux très divers en fonction de l'utilisation à laquelle on les destine. Les intercalaires se prêtent- bien à une construction en matière plastique, par exemple en chlorure de polyvinyle ou en copolymère éthylène acétate de vinyle. Ils peuvent ètre construits en matériaux de qualité alimen taire ou médicale. I - ,- - Dans le cas d'intercalaires pour hémodialyseur ou oxygénateurs ils sont de préférence réalisés en thermoplastiques, par exemple en polyéthylène basse densité, en polystyrène ou en polystyrène choc. Les intercalaires selon l'invention ont de nombreux avantages par rapport aux intercalaires décrits dans l'art antérieur. En effet les intercalaires objets de la présente invention ont l'avantage de fournir > la membrane un appui efficace dans les zones de distribution et/ou de collecte et/ou de répartition. Les bossages qui sont larges diminuent la portee de membrane non soutenue ce qui est intéressant dans une zone ou elle est particulièrement sollicitée. De plus les bossages évitent à la membrane tout contact anguleux en accompagnant la membrane dans son flechissement vers les canaux de distribution et/ou de collecte et/ou de répartition, ainsi les risques de ruptures de celleci sont considérablement limités. Les intercalaires objets de la présente invention se prêtent particulièrement bien, de par leur structure, à une réalisation par injection ; ce procédé est aisé et économique à mettre en oeuvre, notamment pour des fabrications en séries importantes, comme les intercalaires pour hémodialyseurs. Les intercalaires selon la présente invention se prêtent particulièrement bien à la construction d'appareils à membranes semi-perm#abIes pour traitements de fluides, lesdits traitements sont essentiellement les sépara- tions, les échanges et les mélanges. Comme opérations de séparation on peut citer par exemple l'ultrafiltration, l'osmose inverse, la perméation gazeuse, la diffusion gazeuse,la pervaporation, notamment lorsque sont mises en jeu des pressions modérées par exemple inférieures à une dizaine de bars. Comme opérations de mélange on peut citer notamment la dissolution de gaz dans des liquides, la vaporisation des liquides dans des gaz et plus parti culièrement le conditionnement d'air, l'humidification des gaz, de l'air. Comme opérations d'échange on peut citer notammment la dialyse, l'osmose directe, les échanges gaz/gaz, liquide/liquide ou gaz/liquide, les échanges thermiques. L'hémodialyseur entre dans cette catégorie ainsi que ltoxygé- nateur. REVENDICATIONS 10/ Intercalaire pour appareil échnugeur et/ou séparateur à membrane aemi-permeable, comportant au moins deux orifices éloignés pour l'introduction et ltévacuation d'un fluide circulant entre l'une des faces de l'intercalaire et la membrane adjacente, lesdites faces limitant l'amie dudit intercalaire et ledit intercalaire comportant au moins un canal de distribution et/ou de collecte etilou de répartition,ladite face comportant des moyens pour soutenir la membrane et pour permettre au fluide de circuler entre la membrane et 1 'interca- aire la surface pourvue de moyens de soutien constituant la zone utile dudit ;;gtercalaireacaractérisé en ce qu'il comporte entre ledit canal et les moyens de soutien de la membrane une zone de transition pourvue de bossages. 2 / Intercalaire selon la revendication 1 caractérIsé en ce que la zone de transition à une largeur comprise entre 0,01 % et 10 % de la longueur de la zone utile, les dimensions étant comptées perpendiculairement au dit canal. 30/ Intercalaire selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la. longueur des bossages est comprise entre 0,1 mm et la largeur de la zone de transition. 40/ Intercalaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que la largeur maximum des bossages est comprise entre 0,1 mm et le pas des nervures. 50/ Intercalaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le bossage possède au droit du canal une arête réelle ou une arête fictive. 601 Intercalaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que en se référant à un plan quelconque parallèle aux faces de l'intercalaire, la distance de l'arete du bossage au dit plan est comprise entre les distances des moyens de soutien et de l'arete située sur 11 autre rive du canal, les distances étant comptées algébriquement. 70/ Intercalaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte des bossages de part et d'autre d'au moins un canal de répartition. 80/ Intercalaire selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le fond du passage situé entre deux bossages consécutifs est incliné vers le canal de distribution et/ou de collecte et/ou de répartition ledit passage étant alors creuse dans l'ami dudit intercalaire. 90/ Intercalaire selon ltune quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est en polyethylene basse densité. 300/ Appareil plan échangeur etloa se#parateur à membrane semi perméable, caractérisé en ce qu'il est muni d'au moins un intercalaire selon l'une quelconque des revendications 1 å 9.