Brevet FR2445163A1 — publié le 19800725

L t invention se rapporte à un dispositif échangeur dans lequel deux types de fluides sont mis mutuellement en contact à travers une membrane échangeuse de telle sorte qutun échange de substances s'effectue à travers la membrane, et en particulier à un dispositif utilisable pour la purification du sang dans lequel le sang est débarrassé de ses déchets et de ses substances toxiques et reçoit des substances utiles à travers la membrane. On sait qu'un organe artificiel tel qu'un rein, un poumon ou un foie artificiel se présente en général sous la forme dtun dispositif de purification du sang. Dans un rein artificiel, le sang est mis en contact avec un dialysat à travers une membrane échangeuse perméable, par exemple une membrane en Gaprophafle, afin d'en éliminer vers le dialysat les déchets tels que l'urée, la créattlne et autres substances contenues dans le sang. Dans un poumon artificiel, le sang est mis en contact avec un courant d'oxygène à travers une membrane échangeuse telle qu'une membrane silicone pour évacuer le dioxyde de carbone du sang et y introduire de 1 t oxygène. Les dispositifs de purification du sang qui ont été employés Jusqu'ici sont classés suivant leur structure en différents types, savoir les types "bobine", "squille" et "fibres creuses". Le type "bobine" est réalisé en enroulant un certain nombre de fois une membrane échangeuse tubulaire (du type enveloppe) autour d'un mandrin de telle sorte qu'un échange de substances s'effectue entre le catie intérieur et le c#té extérieur de la membrane tubulaire. Le type "quille" fflt réalisé en empilant des membranes échangeuses de telle manière qu'un passage pour le sang et un passage pour le dialysat ou le gaz apparaissent alternativement entre les membranes adjacentes pour opérer une action d'échange. Le type "fibres creuses" est réalisé en réunissant un grand nombre de membranes à fibres creuses de telle manière que des passages pour différents fluides apparaissent du côté intérieur et du c8té extérieur des fibres creuses, respectivement, pour l'opération d'échange. Cependant, les types précités de dispositifs de purification du sang présentent des inconvénients respectifs et un dispositif satisfaisant n'a jamais été proposé. Dans le type "bobine", par exemple, une unique membrane tubulaire est habituellement enroulée plusieurs fois; il en résulte un chemin excessivement long pour obtenir la surface de membrane requise et une grande perte de charge sur le chemin d'écoulement à l'intérieur du tube faisant apparattre une pression interne extr#mement élevée. Par suite, lorsqu'on le fait s'écouler à l'intérieur du tube, le sang subit des dommages malencontreux en raison de la pression interne élevée. Lorsqu'on utilise un dispositif de ce type dans un rein artificiel et lorsqu'on fait s'couler le dialysat à l'intérieur du tube, le contrale de la quantité d'ultrafiltration devient difficile. Lorsque le dispositif est utilisé dans un poumon artificiel et que l'on fait s'écouler le gaz à l'intérieur du tube, d'autre part, le long trajet qu'il y parcourt rend élevée la concentration de dioxyde de carbone dans le courant de gaz vers l'aval, ce qui abaisse le taux d'élimination du dioxyde de carbone. Dans le type "quille", la perte de charge peut titre attriste, mais l'écoulement de fluide devient désordonné et le degré de purification du sang ne peut être augmenté. Dans ce cas, en outre il y a un sérieux inconvénient en ceci qu'une cloison séparatrice entre les deux passages est formée par une fine membrane, de même que dans le type "bobine", qui risque de se déformer aisément de sorte qu'une légère différence de pression entre les deux faces de la membrane peut faire varier l'épaisseur des passages et par suite le degré d'échange. La plus grande épaisseur du chemin d'écoulement réduit la force de cisaillement et augmente la résistance de pellicule limite vis-à-vis de la diffusion d'où résulte un moindre rendement d'échange. Dans le type "fibres creuses", chaque fibre creuse présente une résistance vis-à-vis des déformations sous pression et par suite la variation du rendement d'échange n'est pas si grande que dans les autres types décrits précédemment. Cependant, puisqutune application de force centrifuge est requise durant la phase de cuisson de l'adhésif au cours de la fabrication, un équipement de valeur relativement élevée est nécessaire. De plus, il est difficile de grouper convenablement et de tasser en masse compacte des fibres creuses et la résistance de pellicule dans le passage extérieur est grande, de sorte que le rendement d'échange n'est pas suffisamment prononcé. Après une étude sérieuse des posibilités d'élaboration d'un dispositif échangeur efficace qui puisse pallier les inconvénients décrits précédemment tout en offrant une structure simple, une absence de variation du rendement d'échange et de la perte de charge et une fabrication aisée, on a maintenant constaté que, avec une membrane échangeuse d'épaisseur déterminée et comportant intérieurement un grand nombre de longs canaux (capillaires) de diamètre déterminé qui passent à travers des sections droites opposées, les longs canaux et les surfaces extérieures de la membrane étant respectivement utilisés pour former deux passages différents pour les fluides, un rendement d'échange stable peut titre maintenu en-raison du faible degré de déformation des longs canaux en fonction des pressions indrnes et externes et la résistance de pellicule peut titre abaissée en raison de la force de cisaillement appliquée à un courant de fluide en dépit de l'empilement des membranes, d'où résulte une capacité d'échange extr8mement élevée. Par conséquent, le but principal de l'invention est de créer un dispositif échangeur qui puisse éliminer les variations du rendement d'échange et de la perte de charge et offre une structure simple permettant une fabrication aisée. Ce but est atteint selon l'invention dans un dispositif échangeur pour fluides caractérisé par le fait qu'il comprend une pluralité de membranes échangeuses superposées dont chacune comporte en son sein une pluralité de fins canaux disposés parallèlement à une direction déterminée > lesdits canaux et les intervalles formés entre lesdites membranes échangeuses formant des passages respectifs pour les différents fluides. Les intervalles séparant les membranes échangeuses sont de préférence garnis de supports poreux ou réticulaires. Les membranes échangeuses et les supports peuvent avoir une forme rectangulaire et des dimensions déterminées et titre empilés en alternance. Dans une forme d'exécutionss une unique membrane échangeuse est pliée suivant des lignes de pliage parallèles à la direction des fins canaux pour former un empilement de membranes, les supports étant insérés entre lesdites membranes. Cette unique membrane échangeuse peut titre tenue entre deux supports et pliée conjointement avec ceux-ci. En variante, les membranes échangeuses et les supports peuvent titre empilés et enroulés ensemble autour d'un mandrin cylindrique en une forme bobinée, les fins canaux étant parallèles à l'axe central du mandrin cylindrique. Dans un dispositif selon l'invention, destiné 8 la purification du sang, les fins canaux des membranes échangeuses peuvent entre utilisés pour former la voie de passage du sang et les intervalles séparant les membranes pour former la voie de passage d'un fluide de purification du sang. Un dispositif à membrane repliée selon 1'inventXn peut offrir une fonction d'échange de chaleur en plus de la fonction de purification du sang. Les fins canaux de la membrane échangeuse sont alors utilisés pour former la voie de passage du sang et, parmi les surfaces de la membrane repliée, les unes sont utilisées pour former un passage pour un fluide de purification du sang tandis que les autres sont utilisées en tant que passage pour un agent de chauffage, assurant ainsi une fonction d'échange de chaleur. La description qui va suivre, en regard des dessins annexés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de bien comprendre comment l'invention peut titre mise en pratique. La figure 1 représente une vue en perspective partielle, avec arrachement, montrant la structure d'une membrane échangeuse qui constitue l'élément principal du dispositif échangeur selon l'invention. La figure 2 représente en coupe une forme d'exé- cution du dispositif échangeur selon l'invention. La figure 3 représente une coupe suivant la ligne III-III de l'objet de la figure 2. La figure 4 représente en coupe, à la manière de la figure 2, une autre forme d'exécution d'un dispositif échangeur selon l'invention. La figure 5 représente une coupe suivant la ligne V-V de l'objet de la figure 4. La figure 6 représente en perspective une autre forme d'exécution d'un dispositif selon l'invention, en cours de fabrication. On voit sur la figure 1 une membrane échangeuse 10 qui constitue l'élément principal d'un dispositif selon l'invention. Cette membrane est faite d'une matière ayant la propriété d'strie perméable seulement à certaines substances. Dans cette membrane sont prévus un certain nombre de canaux 12 fins et longs débouchant dans les sections droites extrêmes opposées 10a et lOb. L'épaisseur d de la membrane et le diamètre ~ des canaux ne comportent pas de limites particulières, mais se situent de préférence dans la gamme de 50 à 300 ps pour d et 40 à 250 pm pour ~, respectivement. Le diamètre ss des canaux est évidemment inférieur à l'épaisseur d de la membrane.Pour confectionner la membrane 10, on dispose en parallèle une pluralité de fils dont chacun a le diamètre désiré et sur lesquels on coule la matière de la membrane pour former une pellicule enrobant les fils; puis on retire les fils de la pellicule et l'on obtient ainsi aisément une membrane échangeuse 10 iale que représentée sur la figure I. La matière de la membrane échangeuse peut être choisie en fonction des applications respectives. Pour un rein artificiel, par exemple, on peut utiliser de préférence un acétate de cellulose, un polyvinylformal, le poîyacrylonitrile, le polyméthacrylonitrile ou les produits connus dans le commerce sous les dénominations de Caprophane, Uval, Hydron. Pour un poumon artificiel, on utilise de préférence des caoutchoucs silicone, des caoutchoucs naturels, des poîyalkylsuîfones, de l'éthyî- cellulose, du polytétrafluoroéthylène ou une substance analogue.Une pellicule micro-poreuse possédant une pluralité de pores de taille non supérieure à 0,5 pm en direction verticale peut aussi autre utilisée avantageusement. Dans d'autres applications telle que la déminéralisation de l'eau de mer > le traitement de purtri- cation des eaux résiduaires, la récupération de métaux à partir d'eaux résiduaires industrielles, etc, on peut utiliser de préférence des membranes échangeuses d'ions en polyamide, triacétate de cellulose, alcool polyvinylique, polybenzimidazole, etc. Le dispositif échangeur mettant en oeuvre la membrane 10 que l'on vient de définir va maintenant être décrit dans des formes d'exécution non limitatives. Les figures 2 et 3 montrent une membrane échangeuse 10 rectangulaire de taille déterminée > possédant des canaux 12 longitudinaux. Une pluralité de membranes 10 et de supports 14 poreux ou réticulaires sont empilés en alternance, et l'empilement 16 résultant est placé dans un bottier 18 et est pourvu sur ses bords extrSmes de blocs de scellement et d'étanchéité 20 constitués par exemple par un adhésif ou un garnissage. Aux extrémités opposées du bottier 18 sont ménagés des espaces collecteurs 22 et 24 qui communiquent avec les canaux 12 des membranes échangeuse 10 de l'empilement 16, tandis que sur les catés longitudinaux du bottier 18 sont ménagés des espaces collecteurs 26 et 28 qui sont séparés de manière étanche des espaces collecteurs 22 et 24 par les blocs de scellement 20.Le bottier 18 est pourvu de tubulures 30, 32, 34 et 36 permettant de mettre en communication les espaces collecteurs 22, 24, 26 et 28 avec les circuits extérieurs transportant les fluides. Dans une forme d'exécution de l'invention, les supports poreux ou réticulaires 14 empilés en alternance avec les membranes échangeuses 10 fournissent un certain espacement entre les surfaces en regard des membranes échangeuses adjacentes. Chaque support 14 peut titre de préférence une feuille non tissée, un filet, un grillage, une feuille perforée ou t'ne feuille gaufrée et sert d'élément intercalaire pour éviter tout engorgement du passage de surface 37 corresHondant à l'extérieur de la membrane échangeuse 109 en tant que plaque à chicane produisant une turbulence dans le passage de surface 37 pour réaliser un mélange des fluides, et en tant qu'élément de renfor cément des membranes Le support 14 le meilleur pour produire une turbulence dans les fluides est un grillage réalisé par tissage de mono filaments, dans lequel le rapport du diamètre des filaments à la taille des mailles est compris de préférence entre lidetl!lO. Dans le dispositif échangeur ainsi réalisé, lorsque la première voie de fluide 30, 22, 12, 24 et 32 formée suivant la direction longitudinale du bottier 18 est reliée à un circuit de sang et la seconde voie de fluide 54, 26, 37, 28 et 36 formée dans la direction transversale à la première voie est reliée à un circuit de dialysat, une action d'échange ou de dialyse est obtenue entre les canaux 12 et les surfaces des membranes échangeuses 10, de sorte que le dispositif peut Outre effecti- vement utilisé pour réaliser un rein artificiel. De manière similaire, lorsque la première voie de fluide est reliée au circuit de sang et la seconde voie de fluide à un circuit d'oxygène, le dispositif peut strie effectivement utilisé pour réaliser un poumon artificiel. Les figures 4 et 5 représentent une autre forme d'exécution du dispositif échangeur selon ltinvention, dans lequel une unique bande de membrane échangeuse 10 est pliée en zigzag et placée dans le bottier 18 comme décrit pour la forme d'exécution précédente. Les supports 14 sont insérés entre les membranes adjacentes et les extrémités opposées sont pourvues de blocs d'étanchéité 20 pour former l'empilement 16. Dans cette forme d'exécution, la membrane échangeuse 10 doit être pliée de telle manière que les lignes de pliage soient parallèles aux fins canaux. Dans cette forme d'exécution, deux passages de fluides 37a et 37b sont formés dans les surfaces extérieures opposées de la membrane échangeuse 10.Les espaces collecteurs 26 et 28 ménagés respectivement le long des ctéç longitudinaux fournissent les passages de fluides respectifs. E conséquence, les espaces collecteurs 26 et 28 sont pourvus d'une paire de tubulures 34a, 34b et 36a, 36b. Afin d'empocher un courtcircuit entre les tubulures 34a et 34b et les tubulures 36a et 36b et d'assurer l'écoulement des fluides à travers les passages respectifs 37a et 37b, des blocs de scellement 38 tels que des blocs d'adhésif ou des garnissages sont prévus entre les extrémités pliées de la membrane et la surface interne du bottier. Dans la forme d'exécution du dispositif échangeur que l'on vient de décrire en détail, lorsque la pre misère voie de fluide 30, 22, 24 et 32 est reliée au circuit de sang et la seconde voie de fluide 34a, 26, 37a, 26 et 34b et la troisième voie de fluide 36a, 28, 37b, 28 et 36b au circuit d'oxygène, le dispositif peut être effectivement utilisé pour réaliser un poumon artificiel. En particulier, lorsque la seconde et la troisième voie de fluide sont réalisées pour pouvoir Autre alimentées avec un agent de chauffage, le dispositif peut Titre effectivement utilisé en tant que dispositif d'échange incorporant un échangeur de chaleur, par exemple pour réaliser un poumon ou un rein artificiel. Dans une variante de cette forme d'exécution, une unique bande de membrane échangeuse peut Titre tenue entre deux bandes de support de meme dimension, l'ensembe étant plié pour former l'asssemblage empilé, ce qui conduit à la m#me structure pour le dispositif échangeur que la forme d'exEcution reprEsentOe aux figures 4 et 5. La figure 6 représente une autre forme d'exécution du dispositif échangeur selon l'invention, dans laquelle une unique bande de membrane échangeuse 10 et une unique bande de support 14 sont enroulées autour d'un mandrin cylindrique 40 pour former une bobine. Dans cette forme d'exécution, les canaux 12 de la membrane échangeuse 10 peuvent autre orientés soit parallèlement, soit perpendiculairement, c'est-à-dire circonférentiellement, à l'axe de la bobine. L'orientation parallèle est préférée, car l'orientation circonférentielle impose une beaucoup plus grande longueur aux canaux 12, d'où résulte une perte de charge néfaste.Dans la forme d'exécution de la figure 6, le support 14 est superposé à la membrane échangeuse 10 qui est entourée d'un élément adhésif ou d'un autre moyen de scellement 42, puis est enroulé autour du mandrin cylindrique 40, les canaux étant orientés parallèlement à l'axe dudit mandrin, de manière à former un corps bobiné contenant le support 14. Le corps bobiné ainsi réalisé est pourvu à ses extrémités de tubes 44a et 44b traversant des couches de l'élément de scellement 42. Les tubes 44a et 44b communiquent à l'une de leurs extrémités avec le passage de surface de membrane 37 qui est formé à l'intérieur du corps bobiné, tandis que leur autre extrémité peut Autre reliée au circuit de fluide extérieur par passage étanche à travers des joues 46 et 48 disposées aux extrémités du mandrin cylindrique 40.Le nombre de tubes 44a et 44b peut être augmenté si besoin est. Ensuite, le corps bobiné est placé dans un bottier cylindrique (non représenté) dont la surface interne est reliée hermétiquement à la surface de membrane la plus extérieure pour former des espaces collecteurs 50 et 52 entre les joues 46, 48 et le corps bobiné respectivement. Ces deux espaces collecteurs 50 et 52 communiquent ltun avec l'autre via les canaux 12 de la membrane échangeuse 10 et avec les circuits de fluides extérieurs à travers des tubulures 54 et 56 montées sur les joues 46 et 48. Dans cette forme d'exécution du dispositif échangeur, la première voie de fluide 44a, 37, 44b et la seconde voie de fluide 54, 50, 12, 52, 56 peuvent Entre reliées au circuit de fluide respectif voulu pour former un poumon ou un rein artificiel. Le dispositif échangeur selon l'invention peut conserver un fonctionnement stable en raison de la résistance des fins canaux formés dans la membrane échangeuse vis-àvis de la déformation sous l'action as pressions interne et externe, En outre, la membrane échangeuse contenant les canaux peut titre utilisée pour former l'assemblage empilé ou le corps bobiné en vue de son logement sous pression dans le bottier choisi de manière à assurer des passages stables pour les fluides, ce qui rend compact l'ensemble du dispositif.Ainsi, le dispositif échangeur selon l'invention peut titre sujet à une force de cisaillement plus élevée de la part des fluides que le dispositif échangeur classique du type "fibres creuses" et offre une résistance de pellicule limite moindre à cause de l'effet d'agitation causé par le support poreux ou réticulaire, d'où résulte un rendement d'échange extrtmement bon. L'exemple suivant illustre la fabrication d'un poumon artificiel selon l'invention. Exemple Une membrane de caoutchouc silicone ayant une largeur de 15 cm, une longueur de 30 cm et une épaisseur de 200 em est pourvue intérieurement de fins canaux de 100 de diamètre à un pas de 50 em pour former une membrane échangeuse. D'autre part, un grillage plan ayant une largeur d'environ 15 cm, une longueur d'environ 30 cm et une épaisseur de 240 um ainsi qu'une taille de maille de 600 em est utilisé pour former le support. Vingt deux membranes échangeuses et vingt trois supports sont utilisés pour confectionner un empilement ayant une épaisseur de 10 mm, au moyen duquel est réalisé un poumon artificiel comme montré à la figue a On fait s'écouler dans la première voie de fluide (les fins canaux) du poumon artificiel un courant de 800 chemin de sang de boeuf frais hé par misé ayant un indue hémataMAbe de 359% et dans la seconde voie de fluide (passages de suface de membrane) un courant de 1 1/min d'oxygène. Lorsque les pressions partielles d'oxygène et de dioxyde de carbone dans le sang à l'entrée du poumon artificiel sont égales à 35 mm Hg et 51 mm Hg respectivement, les valeurs correspondantes à la sortie s'élèvent à 125 mm Hg et 40 mm Hg respectivement. #me lorsqu'on rétrécit la sortie pour le sang afin d'augmenter la pression du courant de sortie du sang jusqu'à 300 mm Hg, les pressions partielles d'oxygène et de dioxyde de carbone dans le sang à la sortie du poumon artificiel restent sensiblement contantes. L'invention a été décrite ci-dessus en référence aux formes dtexêcution préférées, mais n'est pas limitée à ces formes d'exécution et diverses modifications peuvent titre apportées sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1.- Dispositif échangeur pour fluides, caraet6- risé par le fait qu'il comprend une pluralité de membranes échangeuses (10) superposées dont chacune comporte en son sein une pluralité de fins canaux (12) disposés parallèle ment à une direction déterminée, lesdits canaux (12) et les intervalles formés entre lesdites membranes échangeuses (10) formant des passages respectifs pour les différents fluides. 2.- Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait que les intervalles séparant les membranes échangeuses (10) sont garnis de supports (14) poreux ou réticulaires. 3.- Dispositif selon la revendication 2, carac péris par le fait que les membranes échangeuses (10) et les supports (14) ont une forme rectangulaire et des dimensions déterminées et sont empilés en alternance. 4. - Dispositif selon la revendication 2, caracté- risé par le fait qu'une unique membrane échangeuse (10) est pliée suivant des lignes de pliage parallèles à la direction des fins canaux (12) pour former un empilement de membranes, les supports (14) étant insérés entre lesdites membranes (10). 5. Dispositif selon la revendication 4, carac brisé par le fait que l'unique membrane échangeuse (10) est tenue entre deux supports (14) et pliée conjointement avec ceux-ci. 6.- Dispositif selon la revendication 2, caract*- risé par le fait que les membranes échangeuses (10) et les supports (14) sont empilés et enroulés ensemble autour d'un mandrin cylindrique (40) en une forme bobinée, les fins canaux (12) étant parallèles à l'axe central du mandrin cylindrique (40). 7.- Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, destiné à la purification du sang, carac térisé par le fait que les fins canaux (12) des membranes échangeuses (10) sont utilisés pour former la voie de passage du sang. 8.- Dispositif selon la revendication 4 ou 5, offrant une fonction d'échange de chaleur et destiné à la purification du sang, caractérisé par le fait que les fins canaux (12) de la membrane échangeuse (10) sont utilisés pour former la vote de passage du sang et que, pariai les surfaces de la membrane reliée, les unes sont utilisées pour former un passage pour un fluide de purification du sang tandis que les autres sont utilisées en tant que passage pour un agent de chauffage, assurant ainsi une fonction d'échange de chaleur.