FR2643268A1 - Appareil de traitement de fluides a membrane plane - Google Patents

Abstract

Appareil de traitement de fluides à membrane plane comprenant une membrane pliée autour du bord longitudinal 15, 22 de plaques intercalaires 8, 21 nervurées rectangulaires, superposées. Des canaux transversaux 13, 13a, 13b, 14a s'ouvrent vers chaque extrémité du bord longitudinal des intercalaires. Selon l'invention, ces canaux s'ouvrent sur un bossage 25 situé dans leur prolongement, ayant pour but de réduire ou de supprimer dans la zone de ces canaux les plis qu'auraient tendance à former des membranes très minces, plus performantes. Applications au traitement du sang, notamment à l'hémodialyse, l'hémofiltration, l'hémodiafiltration, l'oxygénation, la plasmaphérèse et aux échanges thermiques.

Description

APPAREIL DE TRAITEMENT DE FLUIDES A MEMBRANE PLANE
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La présente invention concerne un appareil de traitement de fluides à membrane plane, du type séparateur de fluides ou échangeur de fluides. Elle concerne plus particulièrement un appareil constitué par un empilement d'intercalaires minces, de forme générale plane et sensiblement rectangulaire, essentiellement recouverts d'au moins une membrane repliée autour d'au moins un bord desdits intercalaires.

Elle concerne plus spécialement un appareil dans lequel l'un au moins des fluides accède et est évacué latéralement le long dudit bord, par exemple soit entre une membrane et l'intercalaire adjacent, soit entre deux membranes adjacentes.

Elle concerne en outre l'application d'un tel appareil au traitement de fluides et notamment de liquides biologiques tels que le sang. Des appareils selon l'invention conviennent particulièrement bien pour le traitement du sang par ultrafiltration, par hémofiltratíon, hémodiafiltration, oxygénation, plasmaphérèse, échanges thermiques et/ou traitements similaires.

Sans que la présente invention soit limitée en quoi que ce soit à une application préférentielle, elle sera décrite toutefois par la suite et pour la clarté de l'exposé, en vue d'une utilisation en hémodialyse.

Des appareils du type selon l'invention sont déjà bien connus, mais ils ont été progressivement remplacés par des appareils dont la membrane est sous forme de fines fibres creuses qui sont ainsi plus compacts, donc plus maniables, puisque généralement dépourvus d'intercalaire et se prêtant bien, soit à l'usage unique, soit à quelques réutilisations.

Cependant les appareils à membrane plane présentent sur les appareils à fibres creuses divers avantages, tels que des membranes généralement plus faciles à fabriquer, à laver, à mettre en place automatiquement, à relier de manière étanche et ceci avec moins ou pas de colle. Il a en outre été constaté qu'ils offrent au patient moins de risques de réactions dites "d'hypersensibilité".

Aussi le besoin existe-t-il de permettre aux patients de pouvoir bénéficier des avantages de ce type d'appareil à membrane plane, sans pour autant les gêner par un encombrement excessif de l'appareil.

Le technicien est donc conduit à chercher des appareils munis de membranes planes sensiblement plus performantes, disposées autour d'intercalaires plus minces.

On connait déjà des appareils munis d'intercalaires minces, par exemple ceux décrits dans le brevet américain no 4.786.411 et dans le brevet français no 2.534.485. En effet, dans de tels appareils, le liquide circulant notamment entre un intercalaire et la membrane adjacente ne pénètre et ne s'évacue plus dans des conduits ménagés à l'intérieur de l'intercalaire, dans son épaisseur, mais à l'intérieur de canaux découverts peu profonds qui peuvent en outre être élargis et/ou décalés par rapport au plan de symétrie de l'intercalaire, comme le montre par exemple la figure 3 du brevet français précité.

Par ailleurs, on peut s'efforcer de contenir les pertes de charge du sang et du liquide de dialyse, notamment dans les zônes d'échanges, à des valeurs usuelles et réduire cependant l'épaisseur totale des intercalaires jusqu'à environ 30% à 60%, c'est à dire l'encombrement de l'appareil de moitié environ.

On sait d'autre part que les performances des membranes, notamment au niveau des transferts par diffusion (perméabilité dialytique) et par convexion (pente d'ultrafiltration) sont inversement proportionnelles à son épaisseur. Aussi a t-on intérêt à équiper ces appareils des membranes les plus minces possible, compte tenu des limites offertes par leurs propriétés mécaniques, notamment lors de leur fabrication, de leur montage autour de chaque intercalaire, généralement automatique et à cadence élevée, de leurs conditions de stérilisation et d'utilisation, voire de réutilisation.

C'est ainsi que pour divers types de membrane, on a déjà souvent reconnu ces limites au delà desquelles on observe pour des membranes encore plus minces des comportements aléatoires inacceptables. En effet, on observe que si on cherche à imposer des positions prédéterminées à des membranes très minces, la plupart finissent par se déformer, par former des plis, voire des faisceaux de plis.

Ces plis peuvent obturer irrégulièrement les canaux ménagés sur les intercalaires, perturbant la circulation des fluides et nuisant au bon fonctionnement de l'appareil. Ces plis pourraient même amener la membrane à se retourner sur elle-même, pincée entre intercalaires adjacents, ce qui pourrait la cisailler et provoquer des déchirures évidemment inacceptables.

Aussi, pour éviter ces risques majeurs, les industriels sont-ils restés prudemment en deçà des performances potentielles offertes par les membranes planes et ont-ils même le plus souvent renoncé à exploiter ce type d'appareil pour se consacrer exclusivement aux appareils dont les membranes sont sous forme de fibres creuses.

Contrairement à cette tendance générale, nous nous sommes efforcés de surmonter ces difficultés.

C'est donc un objet de la présente invention de proposer un moyen de surmonter les difficultés et de pallier aux inconvénients rencontrés jusqu'ici, avec les appareils à membrane plane.

C'est un objet de la présente invention de proposer des moyens permettant d'éviter que des membranes très minces ne forment des plis nuisibles, lors de leur mise en oeuvre, montage ou utilisation autour de plaques intercalaires.

C'est un objet de la présente invention de permettre l'emploi de membranes plus minces qu'il n'était possible de le faire jusqu'à présent, toutes choses égales par ailleurs, et présentant donc des performances sensiblement améliorées
C'est un objet de la présente invention de proposer un appareil de traitement de fluides qui soit à la fois compact, à performances élevées, d'une fabrication aisée et d'un fonctionnement fiable et sûr.

D'autres objets de la présente invention apparaitront au cours de la description qui va suivre.

Il a maintenant été trouvé un appareil de traitement de fluide du type à membrane plane, comprenant à l'intérieur d'un boitier de contention zanni d'orifices pour l'introduction et l'évacuation de fluides, au moins une membrane séparant ledit appareil en deux compartiments, et une pluralité d'intercalaires de forme générale plane et sensiblement rectangulaire, ladite membrane étant pliée et maintenue légèrement tendue transversalement autour d'au moins un bord longitudinal de l'un au moins desdits intercalaires, au moins un canal transversal débouchant dudit intercalaire sur ledit bord longitudinal.

Cet appareil est caractérisé en ce que l'un au moins desdits intercalaires comporte des moyens pour répartir d'une manière sensiblement uniforme les tensions auxquelles est soumise ladite membrane, notamment dans la zône dudit canal transversal.

La présente invention sera mieux comprise à l'aide des figures ci-jointes qui illustrent à simple titre d'exemples et sans échelle déterminée, divers modes de réalisation.

La figure 1 est la vue extérieure en perspective d'un appareil selon l'invention, utilisable notamment comme hémodialyseur.

La figure 2 est la vue en perspective d'un intercalaire support de membrane selon l'invention.

La figure 3 est la vue schématique de profil de diverses disposi#tions relatives possibles, a, b, c, d, de la membrane plane disposée autour des intercalaires selon l'invention.

La figure 4 est une vue de face partielle de deux intercalaires adjacents coopérant avec, en traits mixtes, une paire de membranes, permettant d'offrir entre elles un passage pour le sang à traiter, selon un premier mode de réalisation.

La figure 5 est une vue de détail de l'angle gauche de l'intercalaire selon la figure 2, montrant en perspective un aménagement caractéristique de la présente invention.

La figure 6 est une vue en coupe selon AA de la figure 5 avec, en traits mixtes, les positions relatives de la membrane, d'une part reposant sur l'intercalaire, au delà des canaux 13a et 13b et d'autre part, située dans le plan de coupe.

Les figures 7, 8 et 9 représentent respectivement en perspective, en coupe selon AA et de face, partiellement, un second mode de réalisation de la présente invention.

Les figures 10 et 11, représentent, partiellement et en coupe des variantes d'un troisième mode de réalisation de la présente invention.

La figure 12 représente en perspective et partiellement un quatrième mode de réalisation de la présente invention.

Pour simplifier, les éléments homologues des différents modes de réalisation sont désignés par les mêmes références.

En se référant à la figure 1, l'appareil comprend un boitier de contention constitué par deux demi-coquilles 2, 3, assemblées par exemple par soudage. Elles portent des orifices 4, 5, 6, 7 permettant une distribution latérale des fluides, respectivement pour l'entrée et la sortie du sang et pour l'entrée et.la sortie du liquide de dialyse.

Ils permettent ainsi soit des échanges à contre-courant, soit des lavages à co-courant, sur les faces opposées de membranes supportées par des intercalaires.

L'un de ces intercalaires, 8, est représenté figure 2 :il offre une structure d'ensemble conventionnelle. Ainsi il a la forme générale d'une mince plaque plane, essentiellement rectangulaire, limitée par deux bords longitudinaux 15 et 16 et par deux bords transversaux 17 et 18. Il est constitué le plus souvent par un matériau plastique injectable, souple ou semi-rigide, tel que le polypropylène, le polyéthylène ou tout matériau similaire. Il présente des faces supérieure et inférieure semblables, complémentaires, voire identiques.

Sur la figure 2, la face supérieure de l'intercalaire 8 présente une zône d'échanges 9, généralement sensiblement rectangulaire et, de part et d'autre des traits mixtes, les zones de distribution de sang 10 et d'évacuation de sang, 11. La zône d'échanges 9 comporte un réseau 12, partiellement représenté, de rainures alternant avec des nervures et disposées longitudinalement en zig-zag. Ce réseau permet d'excellents échanges entre d'une part le liquide de dialyse circulant entre l'intercalaire et la membrane adjacente et d'autre part le sang circulant à contre-courant entre deux membranes adjacentes.

Chacune des zônes 10 et 11 es reliée au bord longitudinal 15 de l'intercalaire, vers chacune de ses extrémités, par un canal transversal, respectivement 13a et 14a.

Une nervure périphérique d'étanchéité 24 (voir figure 5) est avantageusement disposée le long des bords longitudinaux et transversaux. Elle n'est interrompue que pour permettre le passage du sang et du liquide de dialyse.

Une membrane peut être pliée successivement, comme indiqué fig 3b par exemple, d'abord autour du bord longitudinal 15 de l'intercalaire 8, puis sur elle-meme, le long du bord longitudinal opposé 16 de l'intercalaire 8, ensuite du bord longitudinal 22 de l'intercalaire adjacent 21, etc...

Le fonctionnement comme hémodialyseur est conventionnel : le sang qui a pénétré dans l'appareil par l'orifice 4 vient, comme cela est mieux représenté sur la figure 4, sous l'effet d'une pression transmembranaire positive, s'introduire entre les membranes adjacentes qu'il repousse symétriquement à l'intérieur et vers le fond du canal transversal 13a et du canal symétrique 23b de l'intercalaire adjacent 22. Puis il traverse successivement, toujours entre les membranes adjacentes, la zône de distribution de sang 10, la zône d'échanges 9, la zône d'évacuation du sang 11, et, par le canal transversal 14a, et du canal symétrique placé au dessus (non représenté), il gagne l'orifice de sortie 5.

De même, le liquide de dialyse pénètre par l'orifice 6, se répartit entre les intercalaires d'une part et les membranes adjacentes d'autre part, par un conduit 20a.

Il circule à contre courant du sang dans la zône d'échanges 9 et sort par le conduit l9a, puis l'orifice 7.

Des moyens connus, tels que des nervures (non représentées), assurent une étanchéité périphérique totale du sang, notamment au niveau des entrées et sorties du liquide de dialyse.

Pour la mise en oeuvre de la présente invention, la ou les membranes peuvent occuper différentes positions relatives par rapport aux intercalaires. La figure 3 rassemble diverses solutions, en soi connues. Ainsi la figure 3a montre une membrane plane pliée en accordéon autour d'intercalaires introduits simultanément des deux cotés de la membrane. Le sang accède à la zône d'échanges selon les flèches F et le liquide de dialyse selon les flèches f. L'appareil est du type monomembranaire, ce qui n'est pas avantageux du point de vue compacité. Aussi préfère t-on les autres structures qui sont du type bi-membranaire, c'est à dire comportant une paire de membranes planes entre deux intercalaires consécutifs.

Figure 3b, les intercalaires sont introduits du même coté d'une membrane plane également pliée en accordéon. Il peut être encore plus avantageux de monter la membrane plane en accordéon simultanément sur deux appareils placés cote à cote, puis, après montage complet, de couper la membrane les reliant : on obtient alors la structure schématisée figure 3c.

Enfin, figure 3d1 à titre de variante, on peut introduire autour de chaque intercalaire un tronçon de membrane tubulaire aplatie, qui se comporte comme une membrane plane par rapport à l'intercalaire support. Le liquide de dialyse peut alors accéder à la zone d'échanges par les bords transversaux.

La figure 5 représente, fortement agrandi, l'angle gauche de l'intercalaire 8 de la figure 2. Le bord longitudinal 15 y apparait largement échancré par les canaux transversaux 13a et 13b qui débouchent sur l'extérieur. La nervure d'étanchéité périphérique 24 est interrompue par ce canal 13a, mais la continuité de l'étanchéité périphérique du sang est assurée par un joint latéral de type connu en soi (non représenté). La membrane, est pliée autour du bord longitudinal 15 et est maintenue légèrement tendue transversalement au-dessus de la surface de l'intercalaire 8 pour lui donner une forme plane dépourvue de plis, lors de la fabrication de l'appareil.

Cette forme essentiellement plane de la membrane est maintenue par serrage de l'empilement d'intercalaires avant introduction dans le boitier de contention, les joints d'étanchéité périphériques fixant la position précise de chaque membrane sur chaque intercalaire.

Lorsqu'on utilise des membranes de plus en plus minces, on finit par observer, généralement dans la zône proche des canaux 13a, 13b, la formation de plis, voire de faisceaux de plis de plus en plus importants, sans doute dus au fait que, au niveau des canaux 13a, 13b, la membrane généralement maintenue tendue sur l'intercalaire support, n'est plus fixée par la nervure d'étanchéité 24, ni soutenue par le bord 15, ni par les canaux 13a et 13b. Ces plis de membrane constituent localement des défauts pouvant être rédibitoires.

Ils paraissent être liés à la structure même de l'intercalaire qui résulte directement des fonctions qui lui sont imposées.

Ces plis paraissaient donc jusqu'à présent inévitables. Et ils semblent d'autant plus importants que la membrane est plus mince.

On a trouvé maintenant que l'on peut éviter l'existence de ces plis, ou au soins les réduire considérablement, toutes choses égales par a-lleurs, si l'on prolonge le fond des canaux transversaux 13a-et 13b vers l'extérieur, par un bossage 25 qui s'étend au delà du bord 15 de l'intercalaire sur une distance 1. Ce bossage 25 forme une saillie et constitue une sorte de lèvre à bords arrondis, pour ne pas risquer de déchirer la membrane tendue à son contact, et qui est localisé entre les canaux 13a et 13b et s'étend sensiblement sur une largeur L, comparable à la largeur moyenne des canaux.

Si l'on se réfère maintenant au second mode de réalisation représenté figures 7, 8 et 9, on constate que l'intercalaire ne posèce dans son épaisseur, au moins dans le plan de coupe selon AA qu'un seul canal 13, au lieu des deux canaux symétriques 13a et 13b.

Le fond du canal 13 est également prolongé par un bossage arrondi 25.

Selon la présente invention, on observe de particulièrement bons résultats lorsque, d'une part les canaux 13, 13a ou 13b, sont largement évasés, c'est à dire présentent une section droite dont la largeur m vers l'extérieur est nettement supérieure à celle k de leur fond, par exemple lorsque la largeur à l'extérieur est supérieure jusqu'à 150% à la largeur du fond ; et d'autre part lorsque en outre le bossage 25 présente une longueur L comprise entre ces deux largeurs du sommet et du fond, respectivement m et k.

De plus, selon la présente invention, on observe de particulièrement bons résultats lorsque l'extension du bossage 25 sur une distance l est voisine de la moitié de la profondeur totale des canaux, soit 13, 13a et 13b réunis. Donc soit lorsque 1 est sensiblement égal à ha, hb ou plus généralement à ha + hb ; soit lorsque I est sensiblement égal à L . Généralement, on préfère que
2 l'extension 1 du bossage 25, soit comprise entre le quart de la profondeur totale des canaux débouchant sur ce bossage et cette profondeur totale.

Soit, si :; h désigne la somme des profondeurs des canaux se prolongeant par un bossage 25 ; on a donc
1 D h < 1 # h
4
Dans le cas de la circulation de sang, on préfère des bossages peu proéminents pour ne pas perturber son écoulement lors de sa distribution entre les membranes.

Donc tout se passe comme si, grâce au bossage 25, on compensait localement l'absence de tension sur la membrane couvrant la zone des canaux 13 ou 13a, 13b, par une tension sensiblement équivalente, créé artificiellement. Autrement dit, le bossage 25 apparait comme un moyen pour répartir d'une manière sensiblement uniforme les tensions auxquelles est soumise la membrane, notamment dans la zône des canaux transversaux 13, ou 13a, 13b. Cette fonction peut être mise en oeuvre par la réalisation d'intercalaires munis de bossages 25. Elle peut l'être aussi avec d'autres moyens complémentaires comme indiqué ci-après.

En effet, les modes de réalisation décrits ci-avant concernent des intercalaires dont les bords 15, 16, 17, 18 sont sensiblement perpendiculaires à leurs faces principales opposées. On a trouvé, selon l'invention, que l'on peut réduire sensiblement les tensions auxquelles est soumise la membrane dans la zône du canal transversal (13, 13a, 13b, 14a, etc) et donc le risque de plis si, toutes choses égales par ailleurs, on arrondit sensiblement le profil du bord longitudinal 15 de l'intercalaire autour duquel est#pliée la membrane.

La figure 10 montre ainsi un troisième mode de réalisation d'un intercalaire selon l'invention, vue en coupe, d'une façon homologue des figures 6 et 8. Le bossage 25 prolonge le fond des canaux transversaux opposés 13a, 13b, et le bord longitudinal 15 de l'intercalaire 8, en retrait par rapport au bossage 25, prend un profil essentiellement arrondi, dt préférence sensiblement demi-circulaire.

En variante, la figure Il montre un intercalaire 8 dont le bord longitudinal 15 est incliné par rapport aux faces inférieure et supérieure de l'intercalaire, par exemple en formant avec ces faces un angle compris entre 300 et 600.

On offre ainsi un moyen complémentaire pour réduire localement les tensions auxquelles est soumise la membrane, donc pour réduire ou éviter la formation locale de plis.

La figure 12 illustre un quatrième mode de réalisation de la présente invention. On peut en effet avoir intérêt à partager le canal transversal 13 en plusieurs canaux parallèles. La figure 12 représente ainsi deux canaux transversaux 13c, 13d, prolongés chacun par un bossage 25c et 25d. Ces canaux sont séparés par une nervure 26 dont la hauteur est sensiblement égale à l'épaisseur de l'intercalaire 8.

Comme cette nervure 26 supporte localement la membrane, il peut être avantageux de réduire et même de supprimer le bossage 25 dans le prolongement de la nervure 26, afin d'éviter localement tout pli intempestif de la membrane.

La nervure 26 peut également avoir une hauteur inférieure à la profondeur des canaux adjacents et elle peut être située en retrait du bord longitudinal de l'intercalaire.

De façon analogue et non représentée, des canaux transversaux parallèles et adjacents peuvent donner accès, le premier, sur la face supérieure de l'intercalaire et le second, sur la face inférieure. Le fond de chacun de ces canaux est avantageusement prolongé par un bossage tel que 25c et 25d. Cependant ces bossages seront alors dans des plans parallèles décalés, au lieu d'être dans le prolongement l'un de l'autre.

Naturellement, la présente invention n'est pas limitée aux seuls exemples décrits et illustrés ; elle peut faire l'objet d'autres variantes de réalisation à la portée du technicien. Par exemple, si on préfère que les canaux transversaux prolongés de bossages, soient disposés vers les deux extrémités opposées du bord longitudinal de l'intercalaire, il va de soi que d'autres canaux peuvent être ainsi équipés, qu'ils peuvent être disposés à d'autres endroits de l'intercalaire et que leur nombre r.'est-pas limité.

D'autre part, ces bossages font de préférence partie intégrante de chaque intercalaire. Mais on peut aussi les rapporter sur chaque bord longitudinal par tout moyen technique connu tel que collage, soudage, vissage, etc.

En outre ces bossages peuvent être de profils assymétriques, -ils peuvent avoir des épaisseurs relatives variées par rapport à l'épaisseur de l'intercalaire. Ils peuvent en outre avoir la forme d'augets pour mieux guider le- liquide depuis ou vers les canaux transversauxi Leurs extrémités peuvent se relever pour mieux se raccorder aux parois latérales des canaux transversaux, comme représenté figure 7, etc.

L'intercalaire utilisable selon l'invention est de préférence une plaque pleine, mais il peut aussi avoir la structure d'une grille munie d'une -pluralité, voire d'une multiplicité de perforations, dans la mesure où il est muni d'un bord longitudinal continu autour duquel peut être pliée une membrane.

Claims (9)

1. REVENDICATIONS

   *X*X**#ffff*# 1. Appareil de traitement de fluide du type à membrane plane, comprenant à l'intérieur d'un boîtier de contention (2,3) muni d'orifices 4, 5, 6, 7 pour l'introduction et l'évacuation de fluides, au moins une membrane séparant ledit appareil en deux compartiments, et une pluralité d'intercalaires (8, 22) de forme générale plane et sensiblement rectangulaire, ladite membrane étant pliée et maintenue légèrement tendue transversalement autour d'au moins un bord longitudinal (15) de l'un au moins desdits intercalaires (8), au moins un canal transversal (13, 13a, 13b, 14a) débouchant dudit intercalaire sur ledit bord longitudinal, caractérisé en ce que l'un au moins desdits intercalaires comporte des moyens (25) pour répartir d'une manière sensiblement uniforme les tensions auxquelles est soumise ladite membrane, notamment dans la zone dudit canal transversal.
2. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens pour répartir les tensions auxquelles est soumise ladite membrane sont constitues par au moins un bossage (25) qui prolonge vers l'extérieur le fond dudit canal transversal (13).
3. 3. Appareil selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit canal transversal a une section droite évasée vers l'extérieur et en ce que ledit bossage (25) s'étend longitudinalement sur une distance L comprise entre la largeur k du fond et la largeur maximum m dudit ca:.l transversal.
4. 4. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit bossage (25) prolonge le fond dudit canal transversal au delà du bord longitudinal de l'intercalaire sur une distance transversale maximum 1 comprise entre la profondeur dudit canal transversal et le quart de cette profondeur.
5. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que, substituant audit canal transversal 13, deux canaux transversaux 13a et 13b opposés dos à dos, ladite distance maximum transversale 1 est comprise entre la somme des profondeurs (ha + hb) desdits canaux opposés et le quart de cette somme.
6. 6. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit bossage (25) a des formes arrondies.
7. 7. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit bossage (21) s'étend au delà d'un bord longitudinal (15) de l'intercalaire, ledit bord ayant une section droite arrondie.
8. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendieations 1 à 6, caractérisé en ce que ledit bossage (25) s'étend au delà d'un bord longitudinal (15) de l'intercalaire, qui a un profil oblique par rapport aux faces opposées dudit intercalaire.
9. 9. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit bossage prolonge individuellement chacun de plusieurs canaux transversaux adjacents.

   la. Appareil selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit bossage fait partie intégrante dudit intercalaire.