Filtre
La présente invention a pour objet un filtre, par exemple capable de séparer des particules ultrafines et des produits contaminants contenus dans un fluide.
Les conditions de pureté extrêmement grandes que doivent satisfaire les systèmes fluides utilisés actuellement dans les véhicules cosmiques et leurs appareils moteurs, par exemple, entraînent des exigences considérables en ce qui concerne le fonctionnement des appareils destinés à purifier les systèmes fluides. Les filtres connus jusqu'à maintenant ne permettent pas de satisfaire aux conditions posées et on a constaté que des défauts apparus dans le système fluide de ces appareils étaient dus, dans certains cas, à la présence de contaminants.
Lorsqu'il s'agit de filtrer des particules ultrafines de l'ordre de 0,005 à 5 microns, par exemple, les meilleurs filtres connus sont ceux du type à membrane. De telles membranes peuvent être obtenues dans le commerce et présentent un rendement relativement bon. Cependant, ces membranes sont fragiles, de sorte qu'elles exigent des limitations extrêmement strictes dans les conditions de fonctionnement du système fluide. Les filtres à membrane peuvent se rompre par perçage, sous l'effet d'un choc d'une particule entraînée par le fluide. Ce défaut se produit lorsque la vitesse du fluide, immédiatement avant le passage à travers la membrane est élevée.
Une autre condition que les filtres doivent remplir, est de ne créer qu'une perte de charge faible, relativement constante et indépendante de la charge du filtre. Cette condition est extrêmement importante dans le cas de systèmes fluides où des variations de pression ne peuvent pas être tolérées.
Pour cela, le filtre selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une entrée et une sortie de fluide, une membrane et une plaque de soutien parallèle à la membrane du côté de la sortie du fluide et présentant des bossages supportant la membrane, cette dernière étant capable de pénétrer dans l'espace compris entre les bossages de façon à bloquer l'écoulement du fluide lorsque la membrane est chargée.
Le dessin annexé représente, à titre d'exemple, une forme d'exécution du filtre selon l'invention.
La fig. 1 en est une vue en coupe,
la fig. 2 une vue en coupe partielle à plus grande échelle, de la partie 2 de la fig. 1,
la fig. 3 une vue en coupe selon la ligne 3-3 de la fig. 2,
la fig. 4 une vue en coupe selon la ligne 4-4 de la fig. 2,
la fig. 5 une vue en coupe selon la ligne 5-5 de la fig. 2,
la fig. 6 une vue en coupe selon la ligne 6-6 de la fig. 2,
la fig. 7 une vue en coupe partielle semblable à celle de la fig. 2 montrant le filtre en position de fermeture,
la fig. 8 une vue en coupe selon la ligne 8-8 de la fig. 7, et
la fig. 9 une vue partielle à plus grande échelle, de la partie 9 de la fig. 3.
Le filtre représenté au dessin comprend des éléments en forme de plaques assemblés les uns les autres pour limiter et diriger l'écoulement d'un fluide à travers des membranes filtrantes. Chaque élément comprend une plaque avant et une plaque arrière fixées de façon étanche l'une à l'autre. Les membranes filtrantes sont disposées entre la plaque avant et la plaque arrière de deux éléments adjacents. Les membranes utilisées dans le filtre décrit sont agencées de façon à pouvoir retenir sur une de leurs faces tous les contaminants que transporte le fluide. De telles membranes sont capables de filtrer des particules d'un diamètre de 0,005 à 5 microns.
On voit t à la fig. 1 un filtre 10 logé à l'intérieur d'un bâti 12. Ce dernier est de construction usuelle et comprend une paroi cylindrique 14 pourvue de plaques d'extrémité supérieures 16 et inférieures 18 fixées de façon étanche à la paroi 14. Des tubulures d'entrée et de sortie 20 et 22 sont raccordées à la paroi 14. Une plaque de montage 24 assure le maintien du filtre 10 à l'intérieur du bâti 12. Cette plaque appuie sur un épaulement interne 26 que présente la paroi 14. Un joint torique 28 assure l'étanchéité entre la plaque de montage 24 et la paroi 14.
Une tige filetée 30 s'étend verticalement à travers le centre du filtre 10. Elle traverse la plaque de contact 24 ainsi qu'une plaque inférieure 32. Cette dernière est sollicitée vers le haut par un écrou 34 appuyant contre un manchon intercalaire 36. La plaque 32 appuie le filtre 10 contre la plaque 24 de façon étanche.
Une plaque supérieure 40 maintenue à une certaine distance de la plaque 24 par des colliers 42 et 44 est assujettie à l'ensemble par des vis 46 et 48 traversant les colliers 42 et 44. Un écrou 50 à tenon présentant une portion supérieure filetée 52 est vissé sur la partie supérieure 54 de la tige 30 afin de comprimer le filtre 10 entre les plaques 24 et 32.
La portion filetée 52 est destinée à recevoir un élément d'extraction du filtre (non représenté).
Comme on le voit à la fig. 1, l'écoulement du fluide dans le filtre 10 se fait radialement vers l'intérieur puis axialement à travers un passage central.
Ensuite, l'écoulement se dirige de nouveau radialement vers l'extérieur entre la plaque 24 et la plaque 40.
Le filtre 10 comprend une série d'éléments 60 entre lesquels sont interposées des membranes de filtre 62 et des membranes de soutien 64. Chaque membrane 62 est constituée d'un papier filtre à l'acétate de cellulose. Chaque membrane de soutien est constituée d'un papier à fibre synthétique. Les membranes 62 et 64 assurent l'étanchéité entre les éléments adjacents 60 tout en remplissant une fonction de filtrage. Tous les éléments 60 sont identiques de sorte qu'un seul d'entre eux sera décrit en détail.
L'élément 60 comprend une plaque inférieure ou plaque de sortie 70 et une plaque supérieure ou plaque d'entrée 72. Ces plaques sont, de préférence, constituées d'une matière plastique moulée, insensible à l'action chimique du fluide à filtrer. La plaque arrière 70 présente deux nervures de soudage concentriques 74 et 76 qui sont engagées dans un logement complémentaire 78 de forme annulaire pratiqué dans la plaque supérieure 72 de façon à faciliter le soudage par points des plaques 70 et 72 l'une à l'autre. Ce soudage par points empêche le passage du fluide radialement à l'intérieur de l'élément décrit.
A la fig. 5, on voit que la plaque d'entrée 72 présente une surface inférieure 80 pourvue d'une série de canaux 82 répartis à sa périphérie et s'étendant radialement vers l'intérieur, ces canaux communiquant avec les ouvertures 84 dirigées dans le sens axial. Ces ouvertures 84 traversent graduellement la plaque d'entrée 72 et assurent la communication entre la surface latérale du filtre 10 et un logement annulaire plat et relativement large 86 pratiqué dans la surface supérieure de la plaque d'entrée 72. Le logement 86 s'étend entre deux nervures annulaires 88 et 90 formées le long du bord extérieur et du bord intérieur de la plaque supérieure 72.
Le fluide entrant par les passages 82 en contact avec la plaque supérieure 72 traverse les ouvertures 84 et s'écoule radialement vers l'intérieur du filtre 10 dans le logement 86 qui s'étend immédiatement en dessous de la membrane 62, son fond étant parallèle à cette membrane.
L'espace compris entre la membrane 62 et le fond du logement 86 est tel que le fluide tend à s'écouler radialement vers l'intérieur du filtre 10, de sorte que la membrane 62 se charge, tout d'abord, à sa partie centrale, les contaminants se déposant progressivement sur la membrane vers l'extérieur.
La plaque inférieure 70 ou plaque arrière présente deux nervures annulaires 98 et 99 le long de ses bords internes et externes. Ces nervures sont complémentaires aux nervures 90 et 88 de la plaque supérieure 72, de l'élément 60 adjacent et assurent le maintien étanche des membranes 62 et 64 entre ces éléments.
On voit aux fig. 3 à 9 que la plaque arrière 70 présente une série de bossages 100 répartis sur son pourtour et radialement. Les faces supérieures 102 de ces bossages sont en contact avec la membrane arrière 64 et la soutiennent. Les séparations entre les bossages 100 dans le sens circonférentiel sont formées par des gorges radiales 104 qui s'étendent de la nervure extérieure 99 à la nervure intérieure 98. Une bride 112 qui s'étend axialement à partir de la nervure 98 de la plaque arrière 70 facilite la mise en place des plaques 70 et 72 l'une par rapport à l'autre en vue du soudage de l'élément 60.
Les gorges radiales 104 communiquent avec une série d'ouvertures 120 réparties selon une circonférence dans la plaque arrière 70 et traversant cette dernière axialement, ce qui assure une communication du fluide entre les gorges 104 et des passages radiaux dirigés vers l'intérieur 122, pratiqués dans la plaque arrière 70.
Comme on le voit à la fig. 9, ces passages 12 communiquent avec l'ouverture centrale du filtre 10 qui est limitée par les brides 112 lorsque les éléments 60 sont empilés.
L'espacement radial des bossages 100 est déterminé par une série de gorges concentriques 130 de même largeur dans le sens radial et de même profondeur dans le sens axial que les gorges radiales 104. Ces gorges 130 assurent l'écoulement du fluide dans le sens circonférentiel entre les gorges 104 afin d'égaliser la différence de pression sur chaque membrane 62.
Les bossages 100 sont légèrement arrondis, aussi bien le long des bords de leur surface supérieure qu'à la base de leurs flancs. Cette disposition évite la présence d'angles vifs ou d'arêtes susceptibles de venir en contact avec la membrane 64 et, par conséquent diminuent les risques de ruptures des membranes 64 et 62 au cours de leur charge.
Lorsque la surface intérieure de la membrane 62 est complètement recouverte de contaminants les deux membranes sont sollicitées vers le haut dans les gorges 104 et 130 de la plaque arrière 72 de l'élément de filtre. Lorsque ces conditions sont remplies, le passage 104 et le passage 130 sont effectivement obturés, ce qui empêche l'écoulement du fluide radialement à l'intérieur de la plaque 72 et à travers le filtre. Les membranes 62 et 64 jouent donc le rôle d'une soupape de fermeture qui vient en position de fermeture lorsqu'elles sont chargées.
Pour assurer l'intégrité des membranes 62 et 64 en position de fermeture, il est nécessaire que les caractéristiques du papier et la configuration de la plaque arrière telles qu'elles ont été décrites ci-dessus soient conservées. La profondeur des gorges 104 et 130 mesurée depuis les faces 102 peut atteindre, par exemple, 0,75 mm. La profondeur du canal d'entrée du fluide 86 peut être, dans ces conditions, également de 0,75 mm, cette profondeur étant mesurée depuis le plan défini par les nervures 88 et 90.
Le fluide utilisé dans un tel filtre peut être de l'huile.
La profondeur des canaux 86 doit être déterminée exactement car l'écoulement radial vers l'intérieur, dans ce canal, est plus facile que l'écoulement à travers la membrane 62, ce qui facilite au début de l'utilisation du filtre l'écoulement du fluide vers l'intérieur. I1 en résulte que les contaminants se déposent tout d'abord sur le bord interne de l'élément 62, le dépôt progressant radialement vers l'extérieur jusqu'à ce que la membrane 62 soit complètement chargée. A ce moment, les membranes 62 et 64 se trouvent en position de fermeture comme représenté à la fig. 7.
I1 résulte des indications ci-dessus, que le filtre décrit représente un progrès manifeste dans la construction des filtres. Ce filtre est capable de séparer des contaminants d'un diamètre de 0,005 à 5 microns sans risques de rupture de la membrane. Comme la direction de l'écoulement immédiatement avant la traversée de la membrane se fait dans une direction sensiblement perpendiculaire à celle du fluide qui traverse la membrane, les risques de perçage sous l'effet de chocs sont exclus. La vitesse du fluide immédiatement avant son passage à travers la membrane est extrêmement réduite.
La surface totale des bossages qui sont en contact avec les portions non chargées de la membrane filtrante augmente au fur et à mesure que l'on se déplace radialement vers l'extérieur de la plaque arrière et, par conséquent, au fur et à mesure de la charge de la membrane. L'écoulement est ainsi réglé de telle façon que la chute de pression à travers le filtre est réduite à une valeur minimum.
La fermeture complète de l'élément se produit au moment où la membrane est complètement chargée de contaminants grâce à l'action de cette membrane en tant que soupape, les déplacements de la membrane dans les passages de sortie de la plaque arrière assurant la fermeture de ces passages. Les mouvements de fluide qui se produisent dans le canal qui entoure les bossages de la plaque arrière ne risquent pas de détériorer la membrane.
On constatera que le filtre décrit permet de reconnaître le moment auquel le filtre est complètement chargé. Comme la coupure est relativement brusque, il se produit une augmentation relativement rapide de la chute de pression à travers le filtre, cette augmentation étant en rapport direct avec la charge du filtre.
On peut constituer des filtres de différentes capacités en ajoutant ou en enlevant des éléments et des membranes à l'ensemble du filtre. La construction représentée au dessin permet donc une grande flexibilité dans les applications au moyen d'un nombre de pièces différentes réduit au strict minimum.