Brevet FR2662114A1 — publié le 19911122

PROCEDE DE FABRICATION D'UN CADRE SEPARATEUR POUR EMPILEMENT DANS UN DISPOSITIF D'ECHANGE La présente invention concerne la fabrication d'un cadre séparateur qui sépare deux membranes échangeuses et qui permet la circulation des fluides dans des dispositifs d'échange, du type dialyse, électrodialyse, osmose inverse ou ultra-filtration. Dans les dispositifs d'échange par membrane, les membranes échangeuses sont placées sous forme d'empilement, parallèlement les unes aux autres, séparées et maintenues par les cadres séparateurs Ces cadres sont composés d'une pièce rigide et imperméable aux fluides dont l'évidement central comporte une structure ajourée par exemple une grille La pièce rigide appelée plan de joint assure l'étanchéité du dispositif Elle est percée d'orifices qui, dans l'empilement, assurent l'écoulement des fluides; ce sont les conduits d'alimentation et d'évacuation du fluide La structure ajourée permet la circulation du fluide dans la partie centrale évidée et entre cette partie centrale et l'un ou l'autre des orifices d'écoulement des fluides par l'intermédiaire d'évidements dénommés diffuseurs. Chaque zone d'échange est constituée par un empilement d'une première membrane échangeuse perméable à certains éléments, d'un cadre séparateur et d'une seconde membrane échangeuse perméable aux mêmes ou à d'autres éléments. Il existe deux types de cadres séparateurs Dans le premier type les cadres sont constitués d'éléments non solidaires les uns des autres, à savoir le plan de joint, la structure ajourée correspondant à l'évidement central et les structures ajourées correspondant aux diffuseurs Ainsi la formation d'un empilement nécessite la mise en oeuvre précise d'un nombre important de pièces, ce qui rend cette opération fort délicate et longue. Le second type de cadre remédie à cet inconvénient en ce que les cadresséparateurs sont d'une seule pièce La fabrication d'un tel cadre est réalisée en particulier par assemblage de plusieurs feuilles thermoplastiques découpées à la forme du plan de joint, entre lesquelles les structures ajourées sont prises en sandwich. Cependant ce second type de cadre présente des inconvénients Pour obtenir l'assemblage du plan de joint et de la structure ajourée, il est nécessaire de sélectionner certains matériaux thermoplastiques L'élasticité de ces matériaux est généralement plus faible que celle du plan de joint traditionnel en caoutchouc, mais de plus la présence des structures ajourées dans l'assemblage diminue considérablement cette élasticité, à la manière de ce qui se passe dans un matériau armé Cette élasticité réduite du plan de joint conduit à augmenter la pression de serrage appliquée à l'empilement pour obtenir une bonne étanchéité, avec le risque de flambage que cela comporte. Le but que s'est fixé le demandeur est de proposer un procédé de fabrication d'un cadre séparateur du second type qui permet de pallier en grande partie l'inconvénient précité en ce qu'il permet de limiter la perte d'élasticité due à la présence des structures ajourées dans l'assemblage constitutif du plan de joint. Ce but est atteint conformément au procédé de l'invention. Ce procédé concerne la fabrication d'un cadre séparateur, pour empilement dans un dispositif d'échange, qui comporte d'une part un plan de joint imperméable ayant un évidement central, des orifices de circulation des fluides et des diffuseurs reliant l'évidement central auxdits orifices et d'autre part au moins une structure ajourée s'étendant sur l'évidement central et les diffuseurs De manière connue il consiste à assembler des films thermoplastiques, ayant la configuration du plan de joint, entre lesquels est intercalée la structure ajourée. Selon l'invention, de manière caractéristique, la ajourpe structure qui est dans un matériau thermoplastique est soumise préalablement à l'assemblage à un écrasement, par compression à chaud, qui est localisé à la surface correspondant au moins à celle du plan de joint. Cet écrasement a pour effet d'aplatir les éléments unitaires constitutifs de la structure ajourée, ayant généralement au départ une section sensiblement circulaire Cet aplatissement conduit à une réduction de l'épaisseur de la structure ajourée dans le plan de joint, c'est-à-dire dans la zone o la structure ajourée est ensuite assemblée avec les films thermoplastiques Il s'ensuit que la perte d'élasticité due à la présence de la structure ajourée est en terme relatif nettement moindre qu'avec une structure ajourée non aplatie On comprend qu'il n'est pas envisageable de partir d'une structure ajourée ayant des éléments unitaires de diamètre plus petit; en effet il importe que dans le cadre séparateur l'épaisseur du plan de joint soit sensiblement équivalente ou légèrement supérieure à l'épaisseur de la structure ajourée, faute de quoi les membranes ne seraient pas soutenues et présenteraient des déformations préjudiciables au bon fonctionnement du dispositif d'échange. La pression de serrage à appliquer à l'empilement est bien sûr fonction de l'élasticité intrinsèque des matières thermoplastiques mises en oeuvre pour l'assemblage du joint. Cependant ne bonne étanchéité a été obtenue avec des pressions équivalentes à celles appliquées avec des cadres séparateurs du premier type précité à plan de joint en caoutchouc dans le cas o l'écrasement de la structure ajourée est tel que son épaisseur est alors inférieure à 50 % de l'épaisseur de la structure ajourée avant écrasement. Un autre avantage tiré de l'écrasement de la structure ajourée réside dans une plus grande facilité de découpe. Cet avantage est mis à profit en réalisant l'écrasement non seulement sur la surface correspondant au plan de joint mais également sur les zones correspondant aux orifices de circulation des fluides; dans une étape subséquente, on effectue avant ou après assemblage les découpes desdits orifices Dans ce cas, la structure ajourée couvre, après assemblage, l'évidement central ainsi que les diffuseurs. Cependant dans les cadres séparateurs du premier type la 4 2662114 structure ajourée recouvrant les diffuseurs diffère le plus souvent de celle recouvrant l'évidement central, par un maillage plus dense et éventuellement une épaisseur plus grande. On a pallié cette difficulté due à la mise en oeuvre d'une structure ajourée en réalisant l'écrasement de la première structure ajourée sur toute sa surface exception faite de l'évidement central; on effectue dans la structure ainsi écrasée les découpes correspondant aux diffuseurs et aux zones prolongeant latéralement chaque diffuseur, puis on réalise l'assemblage après avoir placé à l'emplacement des découpes correspondant à chaque diffuseur et aux zones latérales un morceau de seconde structure ajourée dont les pattes latérales destinées à recouvrir les zones prolongeant latéralement le diffuseur ont été préalablement écrasées; les découpes correspondant aux orifices de circulation des fluides ayant été effectuées avant ou après l'assemblage. Ainsi l'assemblage réalise, en une seule opération, la constitution du plan de joint, la mise en place de la première structure ajourée dans l'évidement central et la mise en place de la seconde structure ajourée dans les diffuseurs, les pattes latérales assurant l'ancrage de cette seconde structure dans le plan de joint De plus, ces pattes latérales ayant également été écrasées, de manière à obtenir la même épaisseur que pour la première structure ajourée, il n'y a pas d'hétérogénéité au niveau de l'élasticité du plan de joint Bien sûr la configuration du morceau de seconde structure ajourée doit après écrasement être la plus proche possible de l'emplacement laissé libre par la découpe des diffuseurs et des zones latérales prolongeant les diffuseurs. De préférence l'assemblage est réalisé de manière connue par soudage haute-fréquence. Parmi les films thermoplastiques, ayant une élasticité convenable et soudables par haute fréquence, on a retenu particulièrement l'éthyl vinyl acétate Dans ce cas on utilise avantageusement comme structure ajourée une grille en polyéthylène; en effet l'éthyl vinyl acétate manifeste une bonne adhérence sur le polyéthylène de la structure ajourée lors de l'assemblage. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui va être faite d'un exemple de fabrication d'un cadre séparateur avec écrasement avant assemblage de deux structures ajourées, illustré par le dessin annexé dans lequel: La figure 1 est une représentation schématique de la première structure ajourée avant écrasement; La figure 2 est une représentation schématique de la première structure ajourée sur laquelle on a délimité la zone d'écrasement; La figure 3 est une représentation schématique de la première structure ajourée après écrasement et découpe; La figure 4 est une représentation schématique de la seconde structure ajourée, après écrasement; La figure 5 schématise la superposition des films thermoplastiques et des structures ajourées avant assemblage; La figure 6 est une vue de dessus du cadre séparateur de l'invention après assemblage; Les figures 7 et 8 sont des vues en coupe selon l'axe AA de la figure 6 respectivement avant et après assemblage; La figure 9 est une vue en coupe selon l'axe BB de la figure 6. Le cadre séparateur 1 dont la fabrication va être décrite ci-après est destiné à équiper une installation pilote Il a une forme rectangulaire de 20 cm x 51 cm. La première structure ajourée montrée à la figure 1 est une grille 2 de polyéthylène dont les dimensions correspondent à celles du cadre Cette grille 2 est formée par l'entrecroisement d'éléments filiformes 3 de section sensiblement circulaire, formant un maillage en losange; l'écartement e entre deux éléments filiformes 4,5 parallèles et adjacents est sensiblement de 3 mm; l'angle le plus ouvert du losange est de l'ordre de 130 . Le diamètre de chaque élément filiforme 3 est de l'ordre de 0,425 mm. Sur la première grille 2 on réalise une compression à chaud de toute la surface périphérique 6 qui délimite une partie 6 2662114 centrale 7 rectangulaire selon la ligne continue 24 Les conditions du pressage sont fonctions du matériau constitutif de la grille et de l'épaisseur h (figure 7) qui est souhaitée comparativement à l'épaisseur H de la grille 2 avant pressage, la température étant proche du point de ramolissement dudit matériau, la hauteur h de la grille 2 aplatie était de 0,2 mm, tandis que celle H de la grille 2 avant pressage était de 0,85 mm. Dans la partie aplatie 6 de la grille 2, on découpe à l'emporte-pièce deux emplacements 8,9, disposés symétriquement par rapport à la partie centrale 7 et attenant à celle-ci Chaque découpe a la forme d'un rectangle dont l'un des grands côtés 10 est commun à la partie centrale 7 et dont l'autre côté est déformé dans sa partie médiane par un prolongement 17 extérieur partiellement arrondi, comme cela est montré sur la figure 3 On comprendra quelle doit être plus exactement la forme de chaque découpe 8,9 à la lecture de la suite de la description. On prépare des morceaux Il rectangulaires d'une seconde structure ajourée (figure 4) Cette seconde structure est une grille de polyéthylène obtenue à partir des mêmes éléments filiformes que la première grille 2 et qui a donc la même épaisseur totale H de 0,85 mm Cependant le maillage est plus serré, avec un écartement entre deux éléments filiformes parallèles et adjacents de 1,5 mm environ et un angle le plus ouvert de 120 Les dimensions du morceau 11 sont déterminées de façon qu'après écrasement des deux bandes latérales 12,13 le morceau 11 puisse se loger le plus exactement possible dans l'emplacement 8,9 laissé libre par la découpe réalisée dans la première grille 2 Dans l'exemple précité, le morceau 11 était un rectangle de 6 cm x 3 cm. L'écrasement des bandes latérales 12,13 du morceau 11 est réalisé dans des conditions similaires à celles décrites ci-dessus, délimitant une bande centrale 14 non aplatie selon les traits continus 15,16 sur la figure 4. Lorsque le morceau 11 est placé dans l'emplacement 8,9 de la découpe, le prolongement 17 extérieur est dans la continuation 7 2662114 de la bande centrale 14. On a représenté sur la figure 5 la superposition de deux films thermoplastiques 18,19 et de la grille 2 après placement de deux morceaux 11 comme décrit ci-dessus La grille 2 est placée entre les deux films 18, 19 Chaque film 18,19 est en éthyl-vinyl acétate Il a une forme rectangulaire de mêmes dimensions extérieures que le cadre 1 Il comporte une partie évidée 20 dont la disposition et la forme correspondent d'une part à celles de la partie centrale 7 non écrasée de la première grille 2 et d'autre part à celles des deux découpes 8,9 faites dans cette première grille 2 exception faite des deux zones correspondant à l'emplacement des deux bandes latérales 12,13 lorsque le morceau 11 est placé dans son logement. Comme on peut le voir sur la figure 7, dans la superposition, les films thermoplastiques 18,19 font face aux parties écrasées 6 de la grille 2. L'assemblage est réalisé par la technique bien connue de soudage hautefréquence Les films d'éthyl vinyl acétate 18,19 sont dans cette opération portés à la fois en température et en pression en sorte d'assurer la formation d'un ensemble cohérent constituant le plan de joint 21 du cadre séparateur 1; cet ensemble est d'autant plus cohérent que, les grilles 2, 11 étant en polyéthylène, il se produit un accrochage entre le polyéthylène et l'éthyl vinyl acétate. L'épaisseur du plan de joint (figure 8) est sensiblement la même que celle de la première grille 1 - Comme on peut le voir à l'examen de la figure 9, la seconde grille Il est solidement ancrée dans le plan de joint 21 par l'assemblage des films 18, 19 et des bandes latérales 12,13 aplaties La partie non aplatie de la seconde grille Il et donc non assemblée dans le plan de joint 21 correspond à un diffuseur 22 du cadre séparateur 1, tandis que la partie non aplatie de la première grille 2 et donc non assemblée dans le plan de joint 21 correspond à la zone d'échange 23 du cadre séparateur 1 Les zones des découpes 8,9 non recouvertes par l'une ou l'autre grille 2,11 correspondent aux orifices de circulation des fluides 25,26. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui a été décrit à titre d'exemple non exhaustif, mais en couvre toutes les variantes En particulier, les films thermoplastiques peuvent être dans un autre matériau, par exemple en polychlorure de vinyl, en éthyl butyl acétate ou en polyuréthanne, qui sont des matériaux soudables par la technique hautefréquence et présentant une certaine élasticité. Dans une autre variante de réalisation, la découpe des zones correspondant aux orifices de circulation peut n'avoir lieu qu'après l'assemblage Dans ce cas, les emplacements 8,9 seront rectangulaires, et aptes à recevoir les morceaux 11 de la seconde structure ajourée. Par ailleurs, afin d'obtenir un positionnement très précis des films thermoplastiques 18,19 et de la grille 2 en vue de leur assemblage, il est préférable que chacun de ces composants ait des dimensions supérieures à celles strictement décrites dans l'exemple ci-dessus, dégageant une zone périphérique de centrage, et de réaliser lors de la première découpe, des évidements disposés identiquement dans cette zone, de telle sorte que, lors de la superposition des deux films 18,19 et de la grille 2, on fait pénétrer lesdits évidements périphériques sur des ergots de centrage Après l'assemblage, on réalise le détourage du cadre séparateur en découpant les zones périphériques assemblées. REVENDICATIONS 1 Procédé de fabrication d'un cadre séparateur ( 1) pour empilement dans des dispositifs d'échange, ledit cadre ( 1) comportant d'une part un plan de joint ( 21) imperméable ayant un évidement central, des orifices de circulation des fluides ( 25,26) et deux diffuseurs reliant l'évidement central auxdits orifices et d'autre part au moins une structure ajourée ( 2,11) s'étendant sur l'évidement central et les diffuseurs, consistant à assembler des films thermoplastiques ( 18,19), ayant la configuration du plan de joint ( 21) entre lesquels est intercalée la structure ajourée, caractérisé en ce que, la structure ajourée, qui est dans un matériau thermoplastique, est soumise préalablement à l'assemblage à un écrasement, par compression à chaud, qui est localisé à la surface correspondant au moins à celle du plan de joint. 2 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'écrasement de la structure ajourée ( 2,11) est tel que son épaisseur est inférieure à 50 % de l'épaisseur de ladite structure avant écrasement. 3 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'écrasement est réalisé sur la surface correspondant à celle du plan de joint et aux orifices de circulation ( 25,26) des fluides et en ce que, avant ou après assemblage, on effectue dans la structure ajourée ( 2) ainsi partiellement écrasée les découpes correspondant aux orifices ( 25,26) de circulation des fluides. 4 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'écrasement est réalisé sur toute la surface d'une première structure ajourée ( 2), exception faite de l'évidement central ( 7), en ce qu'on effectue dans la structure ajourée ( 6) ainsi partiellement écrasée des découpes correspondant aux diffuseurs ( 22) et aux zones prolongeant latéralement chaque diffuseur ( 22) et en ce que on réalise l'assemblage après avoir placé à l'emplacement des découpes correspondant à chaque diffuseur et aux zones latérales des morceaux d'une seconde structure ajourée ( 11) dont les pattes latérales ( 15,16) destinées à recouvrir les zones prolongeant latéralement le diffuseur ont été écrasées, les 2662114 découpes correspondant aux orifices de circulation des fluides ( 25,26) ayant été effectuées avant ou après l'assemblage. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'assemblage est réalisé par soudage par haute-fréquence. 6 Procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que la ou les structures ajourées ( 2,11) est une grille de polyéthylène et les films thermoplastiques ( 18,19) constitutifs du plan de joint sont en éthyl vinyl acétate. 7 Procédé selon l'une des revendications 4 ou 6 caractérisé en ce que les structures ajourées respectivement du séparateur et du diffuseur sont des grilles maillées en losange, la grille ( 11) du diffuseur ( 22) ayant une densité de maillage plus élevée que celle ( 2) de l'évidement central ( 23). 8 Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, la structure ajourée ( 2) et les deux films thermoplastiques ( 18,19) ayant chacun une zone périphérique de centrage, on découpe, avant assemblage, des évidements de centrage disposés identiquement dans chacune de ces zones, on réalise la superposition en plaçant les évidements sur des ergots de centrage, puis, après assemblage, on réalise le détourage du cadre séparateur en découpant les zones périphériques assemblées.