Brevet FR2667798A1 — publié le 19920417

i FILTRE COLLECTEUR D'AEROSOLS AUTOCHAUFFANT POUR PYROLYSE DESCRIPTION L'invention se rapporte à un filtre autochauffant destiné à capter et à pyrolyser des aérosols IL peut être utilisé dans le domaine spatial pour des expériences d'analyse de l'atmosphère et plus particulièrement pour des expériences embarquées o les volumes et les masses accordés sont très limités parce que très chers; c'est le cas des expériences d'analyse de l'atmosphère d'une planète dans le cadre de L'exploration du système solaire. En général, les dispositifs connus servant à capter et à pyrolyser des aérosols sont constitués d'un capteur proprement dit dont le rôle est de piéger les aérosols; ce capteur est un filtre métallique dont le diamètre des pores est choisi en fonction du diamètre des aérosols que l'on veut retenir pour l'analyse Le second élément est une résistance chauffante. Pour obtenir le meilleur rendement de chauffage, la résistance chauffante est logée à L'intérieur du filtre métallique; cet ensemble est alors placé dans une enceinte thermiquement isolée pour permettre au filtre contenant les aérosols d'atteindre la température de pyrolyse qui, selon les cas, peut s'élever à près de 1000 C. Pour des raisons technologiques pratiquement incontournables, ce concept conduit à réaliser un filtre cylindrique de section circulaire et une résistance chauffante lovée en hélice à l'intérieur du filtre cylindrique. Ces dispositifs présentent un certain nombre d'inconvénients En particulier, ils représentent une part importante en masse de l'intrumentation relative à l'expérience, embarquée sur un satellite ou tout autre engin spatial et présentent un temps relativement grand pour atteindre la température de pyrolyse désirée sur le filtre, une consommation importante d'énergie électrique pour le chauffage du filtre et une surface de captation des aérosols trop petite pour un encombrement donné. La présente invention a justement pour objet un filtre collecteur d'aérosols autochauffant pour pyrolyse permettant de remédier à ces différents inconvénients Ce filtre permet une amélioration des performances des dispositifs connus par une diminution de poids, de temps et d'énergie nécessaire au chauffage ainsi qu'une augmentation de la surface active pour un même encombrement que les dispositifs connus. Le principe de l'invention permettant ces améliorations consiste à s'affranchir de la résistance chauffante indépentante du filtre métallique, en faisant jouer à ce dernier le rôle d'élément chauffant et de tirer profit du volume ainsi libéré à l'intérieur du filtre pour lui donner une forme permettant d'augmenter sa surface de captation des aérosols. De façon plus précise, l'invention a pour objet un filtre autochauffant pour capter et pyrolyser des aérosols, comportant un corps cylindrique pourvu d'un axe de révolution et dont la section est une étoile, les faces latérales du cylindre rejoignant les côtés des branches de l'étoile étant réalisées en un matériau conducteur de l'électricité, et comportant des pores pour L'entrée des aérosols, ce corps comportant une première extrémité fermée et une seconde extrémité pourvue d'ouvertures en regard des branches de l'étoile, et des moyens d'alimentation électrique pour réaliser par effet Joule le chauffage des faces latérales du corps cylindrique. De façon avantageuse, le corps cylindrique est conçu de façon que le courant circule en sens inverse dans deux faces latérales adjacentes, des joints isolants électriquement étant prévus entre les arêtes contigues des faces latérales adjacentes, parallèles à l'axe pour rendre ces faces latérales solidaires. La continuité électrique est assurée en réalisant Les branches de l'étoile à la première extrémité ainsi que les surfaces prévues entre les branches de l'étoile à la seconde extrémité en un matériau conducteur de l'électricité, sauf cependant la surface située entre les branches de l'étoile o arrive et sort le courant électrique qui est alors réalisée en un matériau isolant électrique. Cette architecture présente l'avantage d'augmenter le chemin parcouru par le courant électrique dans le filtre, augmentant ainsi la valeur de la résistance électrique, et permet donc finalement de diminuer l'intensité à délivrer pour le chauffage. En effet, la résistivité électrique du filtre, bien que plus élevée que celle du métal à cause de sa structure poreuse, est malgré tout assez faible; il faut donc ajuster la longueur du chemin parcouru par le courant électrique pour augmenter la résistance. La première extrémité du filtre peut être fermée par une pièce rapportée sur le corps du filtre présentant une forme en étoile superposable à celle du corps La continuité électrique entre cette pièce et le corps cylindrique du filtre est alors assurée par soudure, les branches de cette pièce étant réalisées bien entendu en matériau conducteur. De même, les surfaces conductrices prévues entre les branches de l'étoile à la seconde extrémité du filtre peuvent être réalisées en un matériau différent de celui du corps cylindrique La continuité électrique est alors assurée à nouveau par soudures de ces surfaces conductrices sur les branches de l'étoile du corps cylindrique. Toutefois, de façon avantageuse, les branches de l'étoile de la première extrémité, les faces latérales du corps cylindrique et les surfaces interbranches de la seconde extrémité sont réalisées dans une seule et même pièce conductrice de l'électricité En effet, l'ensemble de ces branches, faces latérales et surfaces interbranches conductrices constitue une surface déployable Il est alors possible de réaliser ces différentes parties dans une plaque plate, d'y découper la surface déployable et de la plier pour former les différentes parties du filtre. Cette technique permet une simplification de fabrication par suppression de soudures et donc une réduction du coût du filtre. Les polygones centraux qui portent les branches de l'étoile à ces deux extrémités peuvent en revanche, être en matériau isolant électrique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront mieux de la description qui va suivre, donnée à titre illustratif et non limitatif, en référence aux dessins dans lesquels: la figure 1 est une vue partielle en perspective du filtre autochauffant conforme à l'invention, la figure 2 est une vue de dessus du filtre de la figure 1, la figure 3 est une vue de dessous du filtre de la figure 1, la figure 4 est une coupe selon le plan IV- IV de la figure 1, la figure 5 illustre la continuité électrique, schématiquement, entre les faces latérales du filtre de l'invention, et la figure 6 illustre schématiquement la fabrication du filtre de l'invention dans une même plaque conductrice. En référence aux figures 1 à 3, le filtre autochauffant conforme à l'invention comporte un corps cylindrique 2 dont la section est une étoile La référence 3 indique les branches de l'étoile et la référence 4 indique l'axe de révoluton du cylindre. Le nombre de branches 3 de l'étoile dépend de l'encombrement disponible pour le filtre et de différentes contraintes extérieures Sur les figures, le nombre de branches est égal à six. La partie active du filtre est constituée par les faces latérales 6 du cylindre 2, ayant la forme de rectangles et rejoignant les côtés des branches 3 de l'étoile constituant respectivement l'extrémité supérieure 8 et l'extrémité inférieure 10 du corps 2. Ces faces latérales 6 sont réalisées en un matériau chauffant, conducteur de l'électricité, et comportent des pores choisis en fonction du diamètre des aérosols que l'on veut piéger en vue de les analyser. Les faces latérales 6 du filtre sont solidaires les unes des autres A cet effet, des joints intérieurs 12, isolants électriquement, sont prévus entre les arêtes internes des faces latérales 6 adjacentes et des joints externes 14 entre les arêtes externes des faces latérales adjacentes Ces joints 12 et 14 s'étendent tout le long des arêtes des faces 6, parallèlement à l'axe 4 du corps 2. L'extrémité supérieure 8 du corps 2, sur le dessin, est fermée alors que l'extrémité inférieure 10, sur le dessin, est ouverte. Les branches 3 de l'étoile à l'extrémité supérieure 8 du corps sont fermées et réalisées en matériau 16, chauffant conducteur de l'électricité alors que la partie centrale polygonale 17 de l'étoile, fermant cette extrémité supérieure, est réalisée en un matériau isolant électrique La fixation de la plaque polygonale 17 sur le matériau conducteur 16 des branches de l'étoile est assurée par les joints 12 isolants électriques à chaque sommet du polygone. La pièce isolante polygonale 17 est inscrite dans l'étoile et les côtés du polygone sont accolés aux bases des triangles conducteurs 16 de l'étoile. La plaque polygonale 17 (ici un hexagone) est pleine alors que les triangles conducteurs 16 peuvent être poreux comme les faces latérales 6 du corps cylindrique 2 Elles font alors partie intégrante de la surface active du filtre. A l'extrémité inférieure 10, on trouve aussi une plaque polygonale 18 (ici hexagonale) en matériau isolant électrique inscrite dans l'étoile Les branches 3 de l'étoile sont ouvertes à cette extrémité inférieure Le polygone inférieur 18 est solidaire du corps 2 à l'aide des joints isolants 12 à chaque sommet du polygone Les côtés du polygone 18 sont contigus à la base des branches ouvertes 3 de l'étoile Les espaces ouverts triangulaires des branches 3 portent la référence 20. L'écoulement du gaz contenant les aérosols, à travers le filtre, est indiqué par les flèches F Ce gaz entre par les pores des faces latérales 6 et par les pores des surfaces triangulaires conductrices 16 de l'extrémité supérieure du filtre, de l'extérieur vers l'intérieur du filtre, puis sort par les ouvertures 20 à l'extrémité inférieure 10 du filtre. Les écoulements de gaz circulant individuellement dans Les branches 3 du corps en étoile sont rassemblés, comme représenté sur la figure 4, dans un collecteur 22 rendu solidaire de l'extrémité inférieure 10 du corps 2 par exemple par vissage selon l'axe de révolution 4 du corps Ce collecteur 22 est muni d'une conduite Latérale de sortie 24 sur laquelle est montée une pompe (non représentée) servant à l'évacuation vers l'extérieur des gaz et à la compensation des pertes de charges du filtre. Afin d'assurer le chauffage du filtre, des fils électriques 28 et 30, destinés respectivement à être branchés aux bornes + et d'une source continue d'alimentation électrique (non représentée), sont soudés sur deux branches 3 successives de l'étoile, à l'extrémité inférieure 10. Afin de mieux voir l'écoulement des gaz dans le filtre, Les joints externes 14 ont été omis sur la figure 1, aux extrémités des branches 3 de l'étoile équipées des amenée et sortie de courant 28 et 30. Le courant électrique destiné au chauffage du filtre parcourt l'ensemble du filtre en montant dans une face latérale 6 puis en redescendant par La face Latérale 6 adjacente La circulation du courant est représentée par les flèches I sur la figure 1. La continuité électrique entre deux faces latérales 6 accolées par un joint externe 14, fixant en fait la forme des branches 3 de l'étoile, est assurée par la surface conductrice triangulaire 12 des branches de l'étoile à l'extrémité supérieure du corps 2. Afin d'assurer la continuité électrique entre deux branches 3 de l'étoile à l'extrémité inférieure 10 du corps, une surface triangulaire 32 conductrice de l'électricité est prévue entre les branches 3 de l'étoile à l'exception d'une surface triangulaire isolante 34 entre les branches équipées des fils électriques de chauffage 28 et 30. La figure 5 permet d'illustrer le cheminement électrique dans le filtre. Les faces latérales 6, les triangles conducteurs 12 des branches 3 de l'étoile et les surfaces triangulaires conductrices 32 sont réalisés par exemple en acier inoxydable Ils sont fabriqués, comme représenté sur la figure 6, par découpage dans une plaque poreuse en acier inoxydable appropriée puis formés par pliage pour obtenir le filtre Enfin, l'assemblage des faces 6 est réalisé par les joints isolants 12 et 14 Ces joints isolants sont constitués en particulier par un ciment réfractaire isolant. Afin d'éviter un court-circuit entre les faces adjacentes 6 du filtre, il est possible d'équiper les branches 3 de l'étoile de cloisons 36 isolantes électriquement, disposées selon la médiane des branches triangulaires 3 (direction radiale) Ces cloisons 36 s'étendent de la pointe à la base des branches triangulaires 3 et de l'extrémité 8 à l'extrémité 10 du corps 2 Ces cloisons 36 sont réalisées en un matériau réfractaire isolant De même, les surfaces polygonales 17 et 18 sont réalisées en céramique. La réalisation des polygones inférieur et supérieur 17 et 18 en matériau non conducteur de l'électricité permet au courant de bien passer d'une face à l'autre du filtre, sans court-circuit radial. A titre d'exemple, il a été réalisé un filtre autochauffant dans une plaque d'acier inoxydable de 0,5 mm d'épaisseur, poreuse à 60 % Ce filtre comportait 6 branches. La description donnée précédemment n'a bien entendu été donnée qu'à titre illustratif; toute modification sans pour autant sortir du cadre de L'invention pouvant être envisagée En particulier, le nombre de branches de l'étoile peut être inférieur ou supérieur à 6, l'extrémité inférieure 10 peut présenter une forme extérieure circulaire au lieu d'une forme hexagonale et les faces latérales, les triangles conducteurs 16 et les triangles conducteurs 32 être réalisés dans des pièces et matériaux différents soudés. O REVENDICATIONS 1 Filtre autochauffant pour capter et pyrolyser des aérosols, comportant un corps cylindrique ( 2) pourvu d'un axe de révolution ( 4) et dont la section est une étoile, les faces latérales ( 6) du cylindre rejoignant les côtés des branches ( 3) de l'étoile étant réalisées en un matériau conducteur de l'électricité, et comportant des pores pour l'entrée des aérosols, ce corps comportant une première extrémité ( 8) fermée et une seconde extrémité ( 10) pourvue d'ouvertures ( 20) en regard des branches ( 3) de l'étoile, et des moyens d'alimentation ( 28, 30) électrique pour réaliser par effet Joule le chauffage des faces latérales du corps cylindrique. 2 Filtre selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps est conçu de façon que le courant (I) circule en sens inverse dans deux faces latérales ( 4) adjacentes, des joints ( 12, 14) isolants électriquement étant prévus entre les arêtes contigues des faces latérales adjacentes, parallèles à l'axe ( 4) pour rendre ces faces latérales solidaires. 3 Filtre selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'alimentation consistent en une amenée de courant ( 28) et une sortie de courant ( 30) montée à la seconde extrémité ( 10), sur deux branches ( 3) successives de l'étoile. 4 Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que des cloisons ( 36) isolantes électriquement sont prévues dans les branches ( 3) de l'étoile, pour séparer les faces latérales adjacentes délimitant lesdites branches, ces cloisons ( 36) s'étendant de la première ( 8) à la seconde extrémité ( 10) du corps selon une direction radiale. 1 1 Filtre selon les revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les branches ( 3) de l'étoile à la première extrémité ( 8) sont réalisées en un matériau ( 16) conducteur de l'électricité assurant une continuité électrique avec les faces latérales ( 6) du corps. 6 Filtre selon la revendication 5, caractérisé en ce que la première extrémité ( 8) du corps comporte une surface polygonale ( 17) centrale fixée aux branches fermées ( 16) de l'étoile et réalisée en un matériau isolant électrique. 7 Filtre selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les branches ( 3) de l'étoile à la seconde extrémité sont totalement ouvertes et constituent lesdites ouvertures ( 20). 8 Filtre selon la revendication 7, caractérisé en ce que des surfaces conductrices ( 32) sont prévues entre chaque ouverture ( 20) formant les branches ( 3) de L'étoile, pour assurer une continuité électrique avec les faces latérales ( 6) du corps, à l'exception de la surface ( 34) située entre les branches successives de l'étoile o arrive et sort le courant électrique, qui est isolant électriquement. 9 Filtre selon la revendication 8, caractérisé en ce que les branches fermées ( 16) de l'étoile de la première extrémité, les faces latérales du corps ( 6) et les surfaces conductrices ( 32) interbranches de la seconde extrémité sont réalisées dans une seule et même pièce conductrice de l'électricité (figure 6). Filtre selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la seconde extrémité ( 10) comporte une surface polygonale centrale ( 18) fixée aux branches ouvertes ( 20) de l'étoile et réalisée en un matériau isolant électrique.