Brevet FR2484868A1 — publié le 19811224

L'invention concerne les filtres magnétiques destinés à séparer ou récupérer des particules magnétiques (ou présentant une certaine susceptibilité magnétique), telles que de la poudre de fer ou autre, à partir d'un fluide, en permettant le passage de ce dernier à travers le filtre. Le type précité de filtre magnétique est lar- gement utilisé dans divers domaines. Le type classique de filtre magnétique est d'une réalisation dans laquelle la bobine d'un dispositif produisant un champ magnétique entoure l'élément filtrant. Dans un tel type classique de filtre magnétique, il est normal que la bobine doive avoir un grand diamètre et, lorsque l'élément filtrant est réalisé à un plus grand diamètre pour permettre le traitement d'une plus grande quantité de fluide, le dia- mètre d'enroulement de la bobine doit être augmenté en conséquence. Dans le cas o le diamètre d'enroulement de la bobine doit être augmenté, la réalisation de la bobine demande une plus grande longueur de fils électriques et lorsqu'une telle bobine est utilisée, la consommation d'énergie électrique augmente. L'invention a pour objet un dispositif destiné à séparer ou retirer des particules magnétiques (ou pré- sentant une certaine susceptibilité magnétique) d'un fluide en permettant à ce dernier de traverser un élément filtrant aimanté par un dispositif produisant un champ magnétique. L'invention a également pour objet un dispo- sitif comportant un élément filtrant largement dimqnsionné, mais aimantant cet élément filtrant au moyen d'un dispo- sitif faiblement dimensionné, produisant un champ magné- tique. En utilisant un élément filtrant d'un filtre magnétique de forme annulaire, de manière que cet élément ait une dimension suffisante pour présenter la capacité de filtration souhaitée, et en plaçant un dispositif de production d'un champ magnétique dans l'espace entouré par l'élément filtrant annulaire, on obtient un dispositif de production d'un champ magnétique ne demandant qu'une dimension très inférieure à celle d'un dispositif classi- que, de sorte que la bobine utilisée dans ce dispositif de production de champ magnétique n'exige qu'un faible diamètre. Dans une telle forme de réalisation, lorsque le diamètre extérieur de l'élément filtrant est augmenté de manière que la capacité de filtration soit plus élevée, il n'est pas nécessaire d'accroître le diamètre de la bobine du dispositif de production du champ magnétique proportionnellement à l'accroissement du diamètre exté- rieur de l'élément filtrant (comme c'est le cas avec le filtre magnétique de réalisation classique), mais le dis- positif de production du champ magnétique n'exige qu'un diamètre inférieur à celui du dispositif classique. L'avan- tage dû au fait que la bobine ne demande qu'une faible dimension entrained'autres avantages tels que l'économie de matière pouvant être obtenue en pouvant réaliser la bobine au moyen d'une plus faible longueur de fil électri- que et une diminution de l'énergie consommée par la bobine. 2G L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemples nullement limitatifs et sur lesquels: - la figure 1 est une coupe axiale partielle du filtre ou séparateur magnétique selon l'invention; - la figure 2 est une coupe suivant la ligne II-I1 de la figure 1; - la figure 3 est une coupe suivant la ligne III-III de la figure 1; - la figure 4 est une vue de dessus d'une va- riante des pièces polaires utilisées dans le filtre magné- tique de la figure 1, cette vue montrant en plan plusieurs tôles perforées destinées à être assemblées les unes avec les autres pour constituer la pièce polaire entière; et - la figure 5 est une coupe suivant la ligne V-V de la figure 4, montrant l'assemblage des toles perforées représentées sur la figure 4. La figure 1 représente une cuve cylindrique 1 de filtre, en forme de ballon, réalisée en tôle d'acier ordinaire ou d'acier inoxydable et du type pouvant être divisé en parties supérieure et inférieure, au niveau d'une bride lc. La cuve 1 du filtre est réalisée de pré- férence en matière non magnétique (ou non aimantable), par exemple de l'acier inoxydable non magnétique, dans sa totalité ou dans la partie adjacente à un élément filtrant (décrit plus en détail ci-après). La cuve 1 du filtre présente des trous la et lb de communication situés sur ses côtés de sortie et d'entrée, respectivement. Un con- duit 3 d'écoulement de sortie et un conduit 2 d'écoulement d'entrée sont reliés aux trous la et lb de communication, respectivement, afin de communiquer avec l'intérieur de la cuve 1 du filtre par ses trous la et lb, respective- ment. Quatre supports 4 sont fixés au fond de la cuve 1 du filtre. Une cuve intérieure 5, ayant la forme d'un ballon cylindrique-et fi5cée sur les supports 4, est dis- posée à l'intérieur de la cuve 1, coaxialement à cette dernière. De même que pour la cuve 1, la cuve intérieure est réalisée en tôle d'acier ordinaire ou en tôle d'acier inoxydable, et elle est conçue de manière à pou- voir être divisée en moitiés supérieure et inférieure au niveau d'une bride 5a. La cuve intérieure 5 est également réalisée de manière à être étanche à l'eau. De même que pour la cuve 1, il est préférable de réaliser la cuve intérieure 5 dans son ensemble, ou dans sa partie adja- cente à l'élément filtrant, en matière non magnétique (ou non aimantable), par exemple en tôle d'acier inoxy- dable non magnétique. Un canal 6 d'écoulement est ménagé entre la cuve 1 du filtre et la cuve intérieure 5 et il présente une entrée 7 et une sortie 8. La cuve 1 comporte un support annulaire ou plusieurs supports 9 qui sont fixés à la surface intérieure de la cuve 1 par soudage ou autre. Une pièce polaire annulaire 10 est disposée dans le canal 6 d'écoulement de manière à reposer sur le ou les supports 9. Cette pièce polaire annulaire 10 est cons- tituée de plusieurs tôles perforées 10' (réalisées en matière magnétique ou aimantable, généralement du fer doux ou de l'acier inoxydable magnétique), assemblées les unes au-dessus des autres et présentant plusieurs ouvertures iQa d'écoulement permettant le passage d'un fluide (à filtrer). Le taux de perforation (c'est-à-dire la proportion de surface occupée par les ouvertures d'écou- le-ment) de la pièce polaire 10 est d'environ 15 à 60 %. Une entretoise annulaire 11, réalisée en matière non ma- gnétique (ou non aimantable), par exemple en acier inoxy- dable non magnétique, est placée sur la pièce polaire 10. Une autre pièce polaire 12, analogue à la pièce polaire 10, est disposée en face de cette dernière de laquelle elle est séparée par l'entretoise ir. La pièce polaire 12 est constituée de plusieurs tôles perforées 12' (ana- logues aux plaques 10' de la pièce polaire 10) assemblées les unes audessus des autres et présentant plusieurs ouvertures 12a d'écoulement (analogues aux ouvertures 10a de la pièce polaire 10) afin de permettre le passage d'un fluide (devant être filtré). De même que pour la pièce polaire '10, la pièce polaire 12 présente un taux de per- foration (c'est-à-dire une proportion d'ouvertures d'écou- lement par rapport à la surface de la pièce polaire 12) d'environ 15 à 60 %. A l'intérieur de l'entretoise annu- laire 11, l'élément filtrant 13 (de forme annulaire) est disposé entre les pièces polaires 10 et 12. Cet élément filtrant 13, réalisé en fibres ou billes magnétiques, peut être aimanté afin d'attirer des particules magnéti- ques provenant d'un fluide le traversant. En variante, l'élément filtrant 13 peut être constitué de plusieurs toiles métalliques (réalisées en acier inoxydable magné- tique) assemblées de manière à être superposées, ou bien il peut être constitué de laine d'acier. L'élément fil- trant 13 peut avoir un taux de perforation d'environ 50 %. Un dispositif 14 de production ou de généra- tion d'un champ magnétique, placé dans la cuve intérieure , est destiné à appliquer un champ magnétique à l'élé- ment filtrant 13. Le générateur 14 de champ magnétique comprend un noyau 15 de fer placé sur un support annulaire 19 situé à la partie inférieure de la surface circonfé- rentielle du dispositif 14. Le support annulaire 19 est fixé à la surface intérieure de la moitié inférieure de la cuve intérieure 5 par soudage ou autre. Le noyau 15 de fer comprend plusieurs tôles 15' de fer doux ou d'acier inoxydable magnétique (ou aimantable), assemblées de manière à être superposées, et il comprend une partie cen- trale 15b de diamètre réduit, cette partie étant située centralement par rapport à la direction axiale du noyau de fer. La partie centrale 15b de diamètre réduit pré- sente un évidement circonférentiel ou logement annulaire 15a destiné à recevoir une bobine. Comme représenté sur la figure 1,. la partie 15b de diamètre réduit présente sensiblement la même épaisseur que l'élément filtrant 13. Des parties supérieure et inférieure 15d et 15c de grand diamètre du noyau 15 de fer, séparées l'une de l'autre par la partie centrale 15b de diamètre réduit, présentent des surfaces extérieures opposées aux surfaces circonfé- rentielles intérieures des pièces polaires supérieure et inférieure 12 et 10, respectivement. Une bobine 16 est disposée dans l'évidement 15a destiné à la recevoir. La disposition fonctionnelle de la bobine 16, du noyau 15 de fer, des pièces polaires 10 et 12 et de l'élément fil- trant 13 est la même que celle utilisée dans un électro- aimant. Autrement dit, lorsque la bobine 16 est excitée, elle produit un champ magnétique qui est appliqué à l'élé- ment filtrant 13 par l'intermédiaire des pièces polaires et 12 de manière à exciter cet élément filtrant 13. Lorsque l'excitation de la bobine 16 est coupée, l'élé- ment filtrant 13 est désaimanté. Une source 17 d'alimentation en courant conti- nu est disposée à l'extérieur de la cuve 1 du filtre afin -d'alimenter la bobine 16 et elle est reliée à cette der- nière par un cable électrique 18 pénétrant dansla cuve 1 du filtre au moyen d'un tube 20 qui est disposé trans- versalement au canal 6 d'écoulement ménagé à l'intérieur de la cuve 1. Un trou d'homme 21 est relié à la cuve 1, mais fermé en temps normal par un couvercle 22. Le fonctionnement du filtre magnétique réalisé comme décrit précédemment sera d présent décrit. Lorsque la bobine 16 du dispositif 14 de génération de champ magné- tique est excitée, elle produit un champ magnétique qui se répand alors uniformément-sur l'ensemble de l'élément filtrant 13 par l'intermédiaire du noyau 15 de fer et les pièces polaires 10 et 12, de manière que l'élément filtrant 13 soit aimanté uniformément. Lorsque l'élément filtrant 13 est ainsi soumis à une force magnétique, un fluide contenant les particules ferromagnétiques est introduit dans le filtre magnétique par l'intermédiaire du conduit 2 d'admission. Un courant de ce fluide introduit dans le filtre peut circuler dans le canal 6 et passer par les ouvertures lOa de la pièce polaire 10. Lorsque le fluide traverse l'élément filtrant 13, les particules ferromagné- tiques en suspension dans ce fluide sont attirées par l'élément filtrant 13 de manière qu'un courant de fluide purifié s'écoule par les ouvertures 12a de la pièce po- laire 12 et par le canal 6 et sorte par le conduit 3 d'écoulement. Lorsque le fluide est filtré comme décrit ci- dessus, une certaine partie des particules ferromagnéti- ques peut être attirée par la pièce polaire 10 ou 12 plu- tôt que par l'élément filtrant 13. Le courant de fluide à filtrer peut avoir incidemment, par exemple en un point P, une vitesse d'écoulement de l'ordre de 200 à 1000 mètres par heure, par exemple. Lorsque l'élément filtrant 13 a attiré une grande quantité de particules ferromagnétiques des flui- des, il doit être lavé. La première étape de lavage de l'élément 13 consiste à couper l'excitation de la bobine 16 de manière à désaimânter l'élément 13. L'étape suivante consiste à introduire de l'eau avec de l'air comprimé dans le canal 6 d'écoulement par le conduit 3 de sortie. L'eau et l'air comprimé peuvent s'écouler en sens opposé à celui du courant de fluide à filtrer, et ils pénètrent dans les ouvertures 12a d'écoulement de la pièce polaire 12. L'eau, en passant alors à travers l'élément 13, détache les particules attirées par ce dernier, mais à présent libérées de la force d'attraction de l'élément 13 (car cet élément 13 n'est à présent plus aimanté) et elles peuvent être entraînées par l'eau en passant par les ou- vertures 10a d'écoulement de la pièce polaire 10, par le canal 6 et par le conduit 2 d'entrée. Le lavage précité de l'élément 13 peut être réa- lisé de manière très efficace, car l'air comprimé introduit avec l'eau de rinçage provoque un bouillonnement lorsque l'eau retire les particules de l'élément 13. Par conséquent, le lavage de l'élément 13 demande peu de temps et s'effectue aisément. En variante, l'eau de rinçage et l'air comprimé utilisés pour le lavage de l'élément 13 peuvent être introduits par le conduit 2 d'entrée. Lors de la conception du filtre magnétique réalisé comme décrit ci-dessus, la dimension de la surface filtrante de l'élément 13, c'est-à-dire la dimension de la surface de l'élément 13 orientée perpendiculairement à la direction d'écoulementd'un fluide à filtrer, est déter- minée conformément à la capacité de filtration souhaitée pour le filtre magnétique à réaliser. Il est alors néces- saire de déterminer les diamètres de la cuve 1 du filtre, de la cuve intérieure 5 et d'autres éléments afin que l'élé- ment filtrant 13 présente la surface filtrante déterminée et afin également que le générateur 14 de champ magnéti- que puisse être placé dans la cuve intérieure 5. Il est également nécessaire de déterminer la dimension de l'aire, en section droite, et le diamètre de la partie 15b de faible diamètre du noyau 15 de fer du générateur 14 de champ magnétique, c'est-à-dire la partie entourée par la bobine 16. Etant donné que le générateur 14 de champ magné- tique, comprenant le noyau 15 de fer et la bobine 16 en- tourant la partie 15b de faible diamètre, est disposé à l'intérieur de l'élément filtrant annulaire 13, la section droite et le diamètre de la partie 15b de faible dia- mètre entourée par la bobine 16 sont déterminés de manière à être très inférieurs à ceux d'une forme de réalisation classique dans laquelle le générateur de champ magnétique n'est pas entouré de l'élément filtrant, mais entoure ce dernier. Conformément à la forme de réalisation décrite, le diamètre d'enroulement de la bobine 16 peut donc être notablement réduit, ce qui présente l'avantage de pouvoir réaliser la bobine 16 avec une longueur de fil électrique très réduite. L'avantage précité peut s'exprimer d'une manière quantitative. Si l'on suppose un filtre magnétique ayant une densité de flux magnétique de 0,3 Wb/m2 appliquée à un élément filtrant ayant une surface filtrante de 20 m2, dans l'art antérieur, on utilise un élément filtrant ayant un diamètre d'environ 5 m avec une bobine dont le diamètre -de l'enroulement est également égal a environ 5 m. Par contre, selon l'invention, le nombre total de flux magné- tiques nécessaire pour atteindre l'objectif précité est égal à 20, de sorte que l'on a = 20 x 0,3 = 6 (Wb). Lors- que la densité du flux magnétique du noyau 15 de fer est d'environ 1,5 Wb/m2, la section droite de la partie du noyau 15 de fer entourée par la bobine 16 est donc de 6: 1,5 = 4 (m2), et le diamètre de la bobine 16 est d'en- viron 2,3 m. Par conséquent, le diamètre de l'enroulement de la bobine 16 est d'environ 2,3 m, c'est-à-dire infé- rieur à la moitié de celui demandé dans la forme de réa- lisation classique. Cet avantage en entraîne deux autres, à savoir la possibilité de réaliser la bobine avec une quantité de fil électrique inférieure à la moitié de celle nécessaire dans la forme de réalisation classique, et une diminution de la puissance électrique demandée pour exciter la bobine, cette puissance étant réduite à moins de la moitié de celle nécessaire dans la forme de réali- sation classique. La figure 4 représente quatre tôlés perforées identiques 31a, 31b, 31c et 31d qui constituent une forme de réalisation de pièce polaire différente de la pièce polaire 10 représentée sur la figure 1. Chacune des tôles perforées 31a à 31d présente plusieurs perforations carrées 32a, 32b, 32c et 32d permettant le passage d'un fluide. Chaque tôle perforée présente en outre une ouver- ture centrale 34 dont le diamètre correspond à celui de la cuve intérieure 5 afin que cette dernière puisse être placée dans l'ouverture 34. Chaque tôle perforée est dimensionnée de manière à pouvoir être disposée dans la cuve 1 du filtre, à proximité immédiate de la surface inté- rieure de cette cuve 1. La figure 5 représente en coupe, suivant la ligne V-V de la figure 4, la variante de pièce polaire montrée sur la figure 4. Comme mentionné précédemment, cette seconde forme de réalisation de la pièce polaire est constituée des tôles perforées 31a à 31d montrées sur la figure 4. Les tôles perforées 31a à 31d de la figure sont disposées ou assemblées les unes au-dessus des autres, coaxialement, c'est-à-dire de manière que leurs centres 33 (figure 4) soient reliés entre eux par la même ligne droite verticale, mais en formant des angles alpha qui diffèrent légèrement d'une tôle à l'autre. Par consé- quent, les perforations 32a à 32d des tôles ne sont pas en communication les unes avec les autres sur toute leur surface, mais elles communiquent entre elles de manière à présenter des parties qui ne communiquent pas avec les perforations adjacentes. En d'autres termes, les perfora- tions 32a à 32d ne sont pas alignées entre elles, lors- qu'elles sont considérées en coupe parallèlement à la ligne droite ou à l'axe commun précité des tôles 31a à 31d. Par conséquent, chacune des perforations de chaque tôle présente plusieurs bords 37 exposés au passage d'écou- lement formé par les perforations des tôles. Ce manque d'alignement des perforations 32a à 32d dans leurs positions relatives confère à la forme de réalisation décrite une capacité de filtration en- core plus élevée. En effet, lorsqu'un courant de fluide circule dans le sens indiqué par les flèches 35, il ne peut s'écouler normalement en ligne droite, mais il est dévié partiellement par les bords précités 37 des plaques perforées. Par conséquent, en traversant l'élément fil- trant 13, le courant de fluide est dans un état turbulent tel que le fluide entre en contact avec la surface attractive de l'élément filtrant 13 plus fréquemment, de sorte qu'une plus grande quantité de particules feriomagnetiques présentes dans ce fluide peut être attirée par l'élément filtrant 13. De plus, des parois 36 de chaque tôle perforée établissent un passage pour les lignes de force magnétique et, dans la disposition dans laquelle les perforations ne sont pas alignées, la fuite des lignes de force magnétique à partir des bords exposés 37 des tôles est accrue, de sorte que les particules ferromagnétiques contenues dans le fluide peuvent être aimantées et attirées par les bords 37 des tôles. Autrement dit, la pièce polaire elle-même peut filtrer, bien que grossièrement, le fluide afin de réduire la charge de fil- tration de l'élément filtrant et de retarder ainsi l'en- gorgement de cet élément filtrant 13. Bien que les perforations 32a à 32d montrées sur les figures 4 et 5 aient une forme carrée, elles peu- vent avoir d'autres formes, par exemple une forme circu- laire ou triangulaire. La pièce polaire peut être réali- sée par l'utilisation de tôles perforées en nombre quel- conque, différent de un. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au filtre magnétique décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Filtre magnétique, caractérisé en ce qu'il comporte une cuve (1) qui présente une entrée (2), une sortie (3) et un espace intérieur permettant à un fluide à filtrer de passer ou de s'écouler dans cette cuve, un élément filtrant annulaire (13) en matière aimantable, placé à l'intérieur de la cuve afin de filtrer le fluide, et un générateur (14) de champ magnétique entouré par l'élé- ment filtrant afin d'appliquer à ce dernier un champ ma- gnétique destiné à l'aimanter, le générateur de champ magnétique comprenant un noyau (15) de fer et une bobine (16) enroulée sur ce noyau. 2. Filtre magnétique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une cuve intérieure (5) du type étanche,placée à l'intérieur de la cuve (1), co- axialement à cette-dernière, l'élément filtrant annulaire étant disposé dans un espace annulaire (6) compris entre les deux cuves et le générateur de champ magnétique étant disposé dans la cuve intérieure. 3. Filtre magnétique selon l'une des revendi- cations 1 et 2, caractérisé en ce que deux pôles annu- laires (10, 12) sont placés à l'intérieur de la cuve (1)- afin de transmettre un champ magnétique, produit par le générateur de champ magnétique, audit élément filtrant, ces pièces polaires annulaires étant en contact avec les surfaces d'entrée et de sortie de l'élément filtrant, respectivement, et présentant plusieurs perforations (10a, 12a) qui permettent à un fluide introduit dans le filtre magnétique de traverser l'élément filtrant. 4. Filtre magnétique selon la revendication 3, caractérisé en ce que le noyau de fer du générateur de champ magnétique est plus épais que l'élément filtrant, mais comporte également une partie centrale (15b) de faible diamètre ayant sensiblement la-même épaisseur que l'élément filtrant, la bobine du générateur de champ magnétique étant enroulée autour du noyau de fer, sur la partie de faible diamètre de ce noyau, et l'une (12) des pièces polaires présentant une surface circonférentielle intérieure tournée vers la surface circonférentielle d'une première partie extrême (15d) du noyau de fer, tandis que l'autre (10) desdites pièces polaires présente une surface circonférentielle intérieure tournée vers la sur- face circonférentielle de l'autre partie extrême (15c) du noyau de fer, les parties extrêmes du noyau de fer étant séparées l'une de l'autre par ladite partie centrale de faible diamètre dudit noyau. 5. Filtre magnétique selon la revendication 4, caractérisé en ce que chaque pièce polaire comprend plu- sieurs tôles perforées (31a, 31b, 31c et 31d) assemblées les unes audessus des autres, dans la même direction que l'axe de l'élément filtrant, le noyau de fer comprenant plusieurs tôles (15') assemblées les unes audessus des autres, dans la même direction que celle de l'assemblage des tôles perforées. 6. Filtre magnétique selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'une des pièces polaires, située sur le côté d'entrée du filtre magnétique, comprend plu- sieurs tôles perforées (31a, 31b, 31c, 31d) assemblées les unes au-dessus des autres de manière que les perfora- tions (32a, 32b, 32c, 32d) des tôles ne soient pas en communication directe les unes avec les autres, sur toute leur surface, mais communiquent entre elles de manière que certaines parties de ces perforations ne communiquent pas avec les perforations adjacentes, une perforation de chaque.tôle perforée présentant ainsi plusieurs bords (37) exposés dans une ouverture d'écoulement formée par lesdites perforations des tôles.