Brevet FR2488522A1 — publié le 19820219

L'invention concerne des perfectionnements apportés à la fabrication de dispositifs de filtration. Elle concerne plus particulièrement des filtres de précision constitués de tubes bobinés comprenant des couches formées de bobinages hélicoïdaux de fil ou de mèche. On sait depuis longtemps qu'il est possible de produire des filtres par réalisation d'un élément tubulaire comprenant un noyau poreux sur lequel sont bobinés avec pré- cision plusieurs couches constituées d'un fil qui forme des spires espacées se croisant pour former plusieurs canaux de filtration en forme de losanges, traversant la paroi laté- rale de l'élément et dans lesquels on fait passer le fluide à filtrer. Le fluide traversant le filtre est éclairci par adhérence des particules contenues dans le liquide sur les fils fibreux. La cartouche peut être rendue laineuse pendant le bobinage afin de produire des fibres supplémentaires main- tenues librement, qui occupent les canaux et retiennent les particules de saletés. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N'Re 22 651 décrit un exemple d'un tel filtre. L'inconvénient de ces filtres est que, pendant leur utilisation, ils présen- tent des défaillances par suite d'une chute de pression exces- sive se produisant avant que les fibres soient revêtues tota- lement ou en grande partie des particules retenues du fluide. L'engorgement du filtre résulte généralement de la présence de grosses particules qui recouvrent et bloquent la partie extérieure du filtre. Le sens de la filtration est normale- ment orienté de l'extérieur vers l'intérieur du filtre. Il est également connu de bobiner des cartouches filtrantes en utilisant des fils réalisés à partir de films f ibrillés, généralementen polypropylène. Bien que ces cartouches de polypropylène soient avantageuses par le fait que leur fibre ne porte pas d'apprêt et qu'elles conviennent donc très bien à la filtration de produits alimentaires, elles ont pour in- convénient de ne pas pouvoir retenir dans la cartourche une quantité d'impuretés aussi grande que celle retenue dans une cartouche à mèche textile bobinée et, de plus, elles ne sont pas aussi efficaces, ce qui signifie qu'elles n'éliminent pas de la matière dirigée vers une telle cartouche autant d'impure- 24885.22 tés, en particulier de fines particules. souhaitables. En plus des cartouches bobinées utilisant un fil constitué d'un film fibrillé, on a également proposé, comme décrit dans le brevet des EtatsUnis d'Amérique N03 904 798, de former des filtres à densité variable par extrusion de fibres directement sur un dispositif collecteur rotatif. Cependant, ce procédé est coûteux en ce qui concerne la maîtrise de l'uniformité. Il est limité à des fibres extru- dées plutôt qu'à des mèches ou des fibres laineuses, et il demande un investissement important en équipement d'extrusion plutôt qu'en équipement de bobinage, actuellement disponible et utilisé pour former des cartouches bobinées et de précision. Il subsiste donc la nécessité de disposer une car- touche perfectionnée à film fibrillé bobiné, d'une plus grande efficacité, d'une plus longue durée de vie et d'une plus grande capacité de retenue des impuretés. L'invention a pour objet d'éliminer les inconvénients des filtres de l'art antérieur réalisésen fils de film fibrilles ainsi que les inconvénients des procédés d'utilisation de ces filtres. A cet effet, l'invention concerne une cartouche perfectionnée à film fibrillé bobiné en hélice, et plus par- ticulièrement une cartouche filtrante à film fibrillé bobiné, présentant une plus grande capacité de retenue des impuretés, une plus grande efficacité et une plus longue durée de vie. A cet effet, l'invention concerne d'une façon générale les filtres du type à bobinage de précision, dans lequel les brins sont constitués d'un fil formé à partir d'un film hau- tement fibrillé. Dans une forme particulièrement avantageuse de réali- sation de l'invention, une cartouche filtrante classique, ayant un diamètre hors-tout d'environ 62 mm, formée sur un noyau d'environ 28,6 mm de diamètre, est préparée par bobi- nage d'un fil constitué d'un film hautement fibrillé, dont la masse linéique totale du faisceau de fibrilles est de 1110 g/km, la masse linéique d'une fibrille étant inférieure à 5,5 g/km et le bobinage comportant plus de 3 % de fibrilles coupées,sur une cartouche ayant toute longueur souhaitée. Cette cartouche présente une durée de vie et une efficacité très supérieures à celles des cartouches filtrantes à films fibrillésdisponibles jusqu'à présent. La cartouche filtrante et le procédé de filtration selon l'invention présentent un avantage prépondérant sur les cartouches à film fibrillé de l'art antérieur. La car- touche selon l'invention présente une durée de vie environ trois fois plus grande que celle des cartouches précédentes, tout en étant d'une plus grande efficacité. La cartouche selon l'invention présente une plus grande capacité de retenue d'impuretés et elle peut retenir du fluide la tra- versant des particules de matières plus fines que celles pouvant être retenues avec les cartouches de l'art antérieur. En outre, la cartouche selon l'invention présente l'avantage d'utiliser, pour sa fabrication, la même technique que celle employée pour les cartouches bobinées antérieures, ce qui permet d'obtenir des meilleurs résultats sans investissement de capitaux pour l'équipement. On utilise dans le présent mémoire les termes suivants dont les définitions sont données ci-après, conformément à leur signification reconnue dans le domaine des cartouches filtrantes: efficacité - rapport du nombre ou du poids de particules nombre de bobinage rapport de bobinage vie capacité de retenue d'impu- retés (DÉC) d'une dimension particulière, retenues par un filtre, au nombre ou poids de ces parti- cules de dimension particulière dans le fluide de charge; - nombre de losanges circonférentiels présents à la surface d'une cartouche, à l'emplacement des points formant un cercle dans un plan perpendiculaire à l'axe du filtre; - Il est égal à la vitesse de rotation de la broche divisée par la fréquence des courses (cycles complets du mécanisme de commande de courses allant et revenant au point de départ); - la quantité de fluide contenant des impuretés pouvant passer à travers une cartouche; - la quantité d'impuretés présentes dans un - fluide de charge d'une cartouche (corres- pond directement à la vie de la cartouche) capacité en - impuretés réellement présentes dans le impuretés filtre (la capacité en impuretés est con- sidérée comme difficile ou impossible à mesurer directement); chute de pres- - la différence entre la pression du fluide sion arrivant à une cartouche et du fluide sor- tant de cette cartouche pendant la filtra- tion; losange - un losange est la zone ouverte, mesurée entre les axes de fils adjacents d'un réseau de losanges bobinés avec précision sur une cartouche filtrante; réseau de losan- - les lignes de bobinage complet pour former ges une couche de losanges circonférentiels; c'est-à-dire 13 cycles de la course sont nécessaires pour former un réseau complet de losanges pour une cartouche ayant un "nombre de bobinage" de 13; fils de film - un fil obtenu par l'orientation suffisan- fibrillé te d'un film de polymère pour provoquer sa séparation en une structure fibreuse (fibrilles); la géométrie et le degré de séparation en fibrilles peuvent être maîtrisés et/ou augmentés par plusieurs techniques connues de l'homme de l'art, telles que le gaufrage ou la perforation. Il ressort des définitions précédentes qu'à effica- cité égale, un accroissement de la capacité de retenue d'im- puretés égale l'accroissement de charges d'impuretés. Il est connu que dans un filtre bobiné de précision, un accroisse- ment du nombre de losanges circonférentiels (bobinage plus fin) élève l'efficacité, mais raccourcit la vie de la car- touche. Inversement, une diminution du nombre de losanges circonférentiels (bobinage plus gros) augmente la durée de vie de la cartouche, mais diminue son efficacité. Il est bien connu qu'en réduisant l'aire moyenne de la section droite (titre) d'un assemblabe fibreux, on réduit son module de flexion (raideur) . Les fils normaux de film fibrillé sont généralement produits de manière que le module de flexion soit réduit tout en assurant le main- tien des propriétés de traction des fils. Les fils de film hautement fibrillé utilisés pour la réalisation de la cartou- che selon l'invention sont produits par étirage du film à un degré tel que seules des propriétés de traction suffisantes pour permettre le bobinage subsistent, alors que l'aire moyenne de la section droite (titre) des fibrilles individuelles di- minue sensiblement. Ainsi, les fils préférés de film haute- ment fibrillé ont des fibrilles dont le titre moyen est infé- rieur à environ 5,5 g/km, et plus de 3 % des fibrilles sont rompues. Le titre total du faisceau de fibrilles peut prendre toute valeur assurant une bonne filtration. Il est apparu satisfaisant d'utiliser un titre total du faisceau de fibrilles égal à environ 1110 g/km. Des cartouches filtrantes réalisées en fils hautement fibrilles se sont révélés beaucoup plus efficaces, dans l'éli- mination de particules, que des cartouches ayant le même nombre de bobinage, mais réalisées en fils de film normalement fibrillé. De plus,la durée de vie de la cartouche en fils de film hautement fibrillé est généralement supérieure à celle des cartouches réalisées en fils constitués d'un film normalement fibrillé. Il est apparu qu'un accroissement sensible de la durée de vie, sans perte d'efficacité, est obtenu avec des fils prove- nant d'un film hautement fibrillé lorsque le nombre de bobinage est réduit (bobinage plus gros). Il est possible d'obtenir une vie égale jusqu'à trois fois celle obtenue avec un fil prove- nant d'un film normalement fibrillé. Ce degré d'amélioration de la vie et de l'efficacité peut en général être obtenu par formation des cartouches hautement fibrillées avec des nombres de bobinage inférieursde une ou deux unités (bobinage plus gros) que ceux utilisés avec un fil provenant d'un film norma- lement fibrillé. Les fils de film hautement fibrillé préférés selon l'invention peuvent être produits à partir de tout polymère filmogène. Des polymères typiques comprennent des polyesters, des polyéthylènes, des polyacryliques, des chlorures de poly- vinyle, des polypropylènes, des styrènes caoutchoutés et des polyamides. Il est apparu particulièrement avantageux d'utili- ser des polyoléfines dont le coût est très bas, qui peuvent être aisément fibrillées et qui conviennent aux applications à des produits alimentaires. Il est apparu que la meilleure matière est un polypropylène en raison de son co t le plus bas, de sa grande facilité de travail pour former des films fibrilles et de la sécurité qu'il apporte pour les produits alimentaires. Il est apparu que dans le cas des cartouches clas- siques d'un diamètre d'environ 62 mm, un nombre de bobinage compris entre environ 10 et 13 est préféré, pour de la pous- sière d'essai grossière du type "A.C.", car le meilleur comportement apparaît dans cette plage, avec une durée de vie notablement accrue et une plus grande efficacité. Ainsi qu'il ressort des définitions données précédemment, une car- touche présentant un nombre particulier de bobinage possède le même nombre particulier de losanges circonférentiels sur tout cercle circonférentiel, c'est-à-dire qu'une cartouche dont le nombre de bobinage est égal à 13 possède 13 losanges circonférentiels. Le rapport de losanges axiaux aux losanges circonférentiels, sur 25 cm de longueur de la cartouche, est en général maintenu entre environ 2 et 5. Le rapport préféré est compris entre environ 2,5 et 4 pour l'obtention d'une bonne filtration. Le rapport optimal est compris entre environ 3 et 3,5, car il permet d'obtenir la meilleure filtration et la plus grande facilité de bobinage. Bien que l'on ne souhaite pas se limiter à toute théorie particulière pour expliquer les résultats très supé- rieurs obtenus avec la cartouche selon l'invention, il semble que l'utilisation de polypropylène hautement fibrillé dans les bobinages relativement grossiers rend disponible un nom- bre de fibrilles, retenant les impuretés traversant les car- touches, supérieur à celui pouvant être obtenu avec un fil normal à film fibrillé. Il semble que les cartouches à bobina- ge serré, hautement f ibrillé, ne se comportent pas aussi bien, car le regroupement serré des fibrilles fait décroître les ouvertures laissant passer le fluide, ce qui entraîne un en- gorgement précoce et diminue la durée de vie. Cependant, on pense que des fils hautement fibrilles, de faible titre, pour- raient être utilisés avec de plus grandsnombresde bobinage, car les fils plus fins ne seraient pas alors aussi serrés. Les exemples suivants montrent l'amélioration nota- ble du comportement et des résultats obtenus avec la présente invention. Dans ces exemples, les parties et pourcentages sont donnés en poids et les températures sont en degrés Celsius, sauf indications contraires. Exemples1-13 On réalise dans ces exemples 1-13, une série de car- touches utilisant une âme en acier étamé et perforé d'un dia- mètre d'environ 28,6 mm. Des filtres sont bobinés sur des lon- gueurs de 25,4 cm et à un diamètre hors tout d'environ 62 mm. Dans chacune des cartouches d'essai, les bobinages sont cons- titués d'une matière fibrillée à base de polypropylène. Les cartouches des exemples 1-7 utilisent des fils de polypropylè- ne hautement fibrilles. Les cartouches des exemples 8-13 sont des cartouches témoins constituées de fils fibrilles normaux et elles sont destinées à une comparaison mettant en évidence la supériorité des cartouches de l'invention réalisées confor- mément aux exemples 1-7. Les cartouches de l'exemple 8-13 sont réalisées au moyen d'une matière fibrillée normale définie comme étant un fil fibrillé de polypropylène utilisé dans des cartouches filtrantes de l'art antérieur. Le fil normal, pro- duit à partir d'un film fibrillé, présente un titre moyen de fibrille de 6,94 g/km et ne comporte pratiquement aucune fi- brille rompue, le titre du faisceau de fibrilles étant j'en- viron 1110 g/km. Les fils de polypropylène hautement fibrilles des cartouches des exemples 1, 5 et 6 ont un titre moyen de fibrille d'environ 1,33 g/km et comprennent entre 40 et 50 % de fibrilles rompues; le titre total du faisceau de fibrilles est d'environ 1110 g/km; la longueur des fibrilles est d'en- viron 16 mm et la fréquence des fibrilles est d'environ 3,15 fibrilles par centimètre de f il.Les fils de polypropylène haute- ment fibrillésdes cartouches des exemples 2,3,4 et 7 présen- tent un titre moyen de fibrilles d'environ 2,49 g/km, un titre total d'environ 1110 g/km, une fréquence de fibrilles d'environ 3,15 fibrilles par centimètre de longueur de fil, et environ à 10 % de fibrilles rompues. Les fibrilles rompues sont re- liées au fil par une seule extrémité. Le fil normal comporte des fibrilles d'environ 9,5 mm de longueur et il présente une fréquence de fibrilles d'environ 1,6 fibrille par centi- mètre de fil. Moins d'environ 1 % de fibrilles auxiliaires sont rompues dans des fils fibrilles normaux. Toutes les cartouches sont réalisées à une vitesse de broche d'environ 650 tours par minute. Les cartouches sont produites de manière à présenter un nombre total de losanges tel que le rapport du nombre de losanges axiaux au nombre de losanges circonférentiels, sur une cartouche de 25,4 cm, soit compris entre 3 et 3,5. La tension de mèche utilisée pour le bobinage de toutes les cartouches est comprise entre envi- ron 0,4 et 0,8 daN. Le bobinoir est du type "Leesona" utili- sant une contre-plaque appliquée contre la cartouche en rota- tion après la formation des 20 premiers centimètres de bobi- nages. Le poids moyen du fil des cartouches est d'environ 220 g. La pression de la contre-plaque est réglée pour donner des cartouches finies ayant une densité d'air indiquée dans le tableau ci-après. La densité d'air est la chute de pression mesurée en pascalsà un débit d'écoulement d'air de 110,5 dm3 par minute. Après réalisation, chaque cartouche est essayée dans de l'eau courante contenant de la poussière d'essai grossière du type "A.C." provenant de la firme A.C.Spark Plug Company. Cette poussière d'essai grossière, disponible auprès de la firme A.C. Spark Plug Company, comprend des particules dont la distribution des dimensions est la suivante (pourcentages en poids en fonction des dimensions données en am)> 12 % à 0-5; 12 % à 5-10; 14 % à 10-20; 23 % à 20-40; 30 % à -80-; et 9 % à 80-200. L'eau s'écoule à un débit d'environ 13,25 litres par minute au cours de l'essai et ce dernier est arrêté lorsque la chute de pression à travers la cartouche atteint environ 210kPa.ou lorsque la chute de pression n'augmen- te plus. Les résultats des essais effectués sur toutes les cartouches sont donnés dans le tableau suivant. Ce tableau montre que les cartouches filtrantes en fils constitués de film hautement fibrillé présentent une efficacité supérieure et une capacité de retenue des impuretés généralement supéri- eure à celles des cartouches réalisées en film f ibrillé nor- mal. De plus, lorsque le nombre de bobinage des cartouches filtrantes en fil de film hautement fibrillé est abaissé à une valeur pouvant atteindre deux unités, l'efficacité et la capacité de retenue des impuretés restent supérieures à celles des cartouches en film fibrillé normal à bobinage plus fin. On peut comparer à cet effet l'exemple 1 à l'exemple 11, l'exemple 4 à l'exemple 10, l'exemple 7 à l'exemple 9, et l'exemple 6 à l'exemple 8. Il est probable que les cartou- ches des exemples 6 et 7 réalisent une meilleure filtration des particules plus grossières que celles contenues dans la poussière d'essai. Il convient de noter que l'une des meilleu- res cartouches en fil fibrillé normal, à savoir la cartouche de l'exemple 11, ne retient que 19 g, ce qui est d'une faible efficacité, alors que la cartouche de l'exemple 2, en fil réalisé à partir de film hautement fibrillé, retient 79 g, ce qui correspond à des efficacités supérieures à 50 %. La cartouche selon l'invention se comporte notablement mieux avec une durée de vie pouvant atteindre jusqu'à trois foiS celle des cartouches témoins des exemples 8-13 et avec une efficacité notablement supérieure. Les cartouches selon l'invention sont beaucoup plus efficaces et ont une meilleure aptitude à retenir les impuretés que prévu, aux faibles nombres de bobinage. degré de nombre densi- fibrillation de té de Exemple du fil bobinage l'air Efficacité capacité (% pour les valeurs en rm) de retenue d' impuretés * (g) 5mm 10in 20mm 30nmm 50rmm 1 Elevé 2 Elevé 3 Elevé 4 Elevé Elevé 6 Elevé 7 Elevé 8 Normal 9 Normal Normal 11 Normal 12 Normal 13 Normal 13 5,1 12 2,0 1,0 11 1,5 17,1 8 0,4 9 0,6 0,4 11 0,6 13 3,3 5,1 19 - 8 0,3 (14 kPa) (35 kPa) (1,4 kPa) (21 kPa) Pas d'éléva- tion 68 94 99, 54 65 76 40 55 89 96 99 74 84 14 20 25 30 - 9 12 23 28 37 44 54 38 44 51 66 66 65 trop faible mesuré 8 100 100 79 89 62 75 99,4 99,9 97 30 38 56 18 32 35 58 64 54 60 -66pour être66 pour être * La capacité de retenue des impuretés est exprimée en grammes de charge pour obtenir une chute de pression de 210 kPa. Certaines cartouches sont inefficaces et ne peuvent atteindre une telle valeur de chute de pression. Dans ces cas, les cartouches atteignant une chute de pression supérieure sont considérées comme ayant une plus grande capacité de retenue d'impuretés. Les cartouches n'atteignant pas la chute de pression de 21OkPa cessent pratiquement de réaliser la filtration et permettent simplement le passage de la pous- sière après en avoir retenu une quantité initiale. Dans la colonne donnant les valeurs de la capacité de retenue des impuretés, les valeurs auxquelles s'élèvent les chutes de pression sont indiquées entre parenthèses. Il va de soi que de nombreuses modifications peu- vent être apportées à la cartouche décrite et représentée sans sortir du cadre de l'invention. Par exemple, les car- touches peuvent être réalisées en des formes irrégulières plutôt que sur des tubes. En outre, bien que l'invention soit conçue principalement pour un tube filtrant d'un dia- mètre nominal classique de 62 mm, elle convient à tout diamètre de tube. De plus, l'invention convient également à des filtres tubulaires de toute longueur et elle peut être utilisée avec des fils hautement fibrilles constitués de matières autres que les polypropylènes indiqués, par exemple des polyéthylènes ou des polyesters. En outre, il est possi- ble d'utiliser des fils hautement fibrilles dont le titre total du faisceau est supérieur ou inférieur aux valeurs indiquées, ce aui entraîne une variation des -valeurs du nom- bre de bobinage pour tenir compte des changements de dimen- sion des ouvertures en forme de losanges, ces changements résultant de la différence de dimension des fils. Par exemple, on peut prévoir que des fils hautement fibrilles, dont le titre du faisceau est plus bas, permettent d'obtenir des meilleurs résultats de filtration à des nombres de bobinages plus élevés. Les facteurs importants caractérisant les fils hautement fibrilles, à savoir le faible titre moyen des fi- brilles et la présence de fibrilles rompues, existent quel que soit par ailleurs le titre global du faisceau de fibrilles. Ces modifications ainsi que d'autres modifications sont évi- dentes à l'homme de l'art. Par exemple, il est également possible d'utiliser pour le noyau une matière autre qu'une matière étamée, par exemple une matière plastique, de l'acier inoxydable, ces deux matières étant particulièrement souhai- tables dans l'industrie alimentaire. R E V E N D I C A T I O N S 1. Filtre bobiné de précision, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un fil formé d'un film de polymère hautement fibrillé. 2. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fil formé d'un film hautement fibrillé est consti- tué d'une matière choisie parmi des polyoléfines, des poly- esters, des polyamides, des polyacryliques et leurs mélanges. 3. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fil comporte plus d'environ 3 % de fibrilles rompues, et notamment d'environ 5 à 50 % de fibrilles rom- pues. 4. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le titre moyen d'une fibrille du fil est inférieur à environ 5,5 g/km. 5. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente un nombre de bobinage compris entre environ 8 et 15, et plus particulièrement entre environ 10 et 13. 6. Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fil est constitué d'une matière choisie dans le groupe comprenant essentiellement un polypropylène, un poly- éthylène, un polyester et des mélanges de ces matières. 7. Procédé de filtration, caractérisé en ce qu'il consiste à faire passer un fluide contenant des impuretés à travers un filtre bobiné de précision constitué d'un film formé d'un film hautement fibrillé. 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le fil formé d'un film hautement fibrillé est en polyoléfine. 9. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le fil contient plus d'environ 3 % de fibrilles rompues, et plus particulièrement entre'environ 5 et 50 % de fibrilles rompues. 10. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le titre moyen d'une fibrille du fil est inférieur à environ 5,5 g/km. 11. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que le nombre de bobinage du filtre est compris entre environ 8 et 15, et plus particulièrement entre environ 10 et 13. 12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que le fil est réalisé en matière choisie dans le groupe comprenant essentiellement un polypropylène, un poly- éthylène, un polyester et un mélange de ces matières. 13. Filtre bobiné de précision, caractérisé en ce qu'il comporte un noyau ayant un diamètre d'environ 28,6 mm sur lequel est bobiné avec précision un fil constitué d'un film hautement fibrillé, afin de donner un diamètre hors tout d'environ 62 mm. 14. Filtre selon la revendication 13, caractérisé en ce que le fil est bobiné à un nombre de bobinage compris entre environ 8 et 15, et plus particulièrement entre environ et 13. 15. Filtre selon la revendication 13, caractérisé en ce que le fil est constitué de polypropylène et contient plus d'environ 3 % de fibrilles rompues, le titre moyen d'une fibrille étant inférieur à environ 5,5 g/km. 16. Filtre selon la revendication 13, caractérisé en ce que les fibrilles du fil ont un titre inférieur à en- viron 5,5 g/km et en ce que plus de 3 % des fibrilles sont rompues.