Brevet FR2475643A1 — publié le 19810814

t'jnvention concerne les pompes débit-métriques de précision, et s'applique en particulier à la chromatographie liquide. En chromatographie liquide, il est souhaitable d'avoir un débit constant de solvant à l'entrée de la colonne de chromatographie. Les pompes å deux pistons ou plus opérant de manibre déphasée le permettent, mais elles posent de sérieux problèmes d'équilibrage, et nécessitent une tubulure importante. De plus, lorsque l'un des pistons est actif, la tubulure associée aux autres constitue un "volume mort", qui est source de difficultés, telles que des déphasages entre les veines liquides alternées refou lées successivement par les différents pistons. I1 a déjà été proposé d'utiliser une pompe à un seul piston, dont la course de refoulement, contrôlée, s'effectue à débit constant, tandis que la course d'admission, comparativement très brève, n'occupe qu'une faible partie du cycle temporel (demande de brevet français NO 78 35399 du 15 Décembre 1978). Cette solution élimine les problèmes rencontrés dans le cas de pompes à plusieurs pistons, notamment à cause du volume mort. A l'heure actuelle, la chromatographie en phase liquide évolue vers les hautes performances, et passe de l'application analytique traditionnelle aux applications préparatives, nécessitant des débits beaucoup plus importants. I1 apparaît alors une autredifficuleé : en en amont de la pompe, un fort débit est demandé pendant la course de retour du piston unique. I1 s'ensuit un risque de dégazage et/ou de cavitation du solvant liquide aspiré, risque d'autant moins négligeable que le liquide doit être filtré avant son admission dans la pompe (protection des valves, notamment). De surcroît, ces difficultés deviennent quasi rédhibitoires lorsque la pompe doit fonctionner en circuit fermé sur une charge de faible perméabilité, comme c'est le cas en chromatographie liquide préparative, lorsqu'on effectue un recyclage du solvant pour mieux séparer deux pics détectés en sortie de la colonne. La présente invention vient améliorer considE- rablement la situation. L'invention concerne à cet effet une tête de pompe, en particulier pour pompe mono-piston destinée a l'injection du solvant en chromatographie liquide, du type dans lequel un cylindre loge un piston qui coulisse à l'encontre d'un rappel élastique sous l'effet d'un pous- soir susceptible d'être actionné par une came laquelle donne au piston une course de retour rapide alternant avec une course de refoulement controlée, tandis que le cylindre comporte par ailleurs une valve d'admission et une valve de refoulement. Dans la tête de pompe proposée, les valves d'admission et de refoulement sont respectivement placées en communication avec les deux parties opposées du cylindre, et il est prévu entre les deux chambres définies dans le cylindre de part et d'autre du piston un passage unidirectionnel qui se ferme au refoulement et s'o au tcur du puton. Très avantageusement, le cylindre est alésé sous section constante en amont et en aval du piston. De préférence, le rappel élastique intervient sur le piston du côté opposé à son-poussoir. Dans un mode de réalisation préférentiel, le passage unidirectionnel est ménagé à travers le piston. Dans un mode de réalisation avantageux, le piston comporte un conduit axial formant siège de valve côté refoulement et un capuchon, placé également côté refoulement, et logeant une valve à bille ainsi que ses moyens de rappel élastique, ce capuchon comportant à son tour au moins un orifice traversant. Pour l'application préférentielle à la chromatographie, le piston comporte, côté admission un évidement en creux logeant un filtre sur lequel vient s'appuyer une entretoise qui reçoit l'appui de la butée sollicitée par la came, des filtres étant également incorporés aux valves d'admission et de refoulement. Dans un mode de réalisation particulier, le corps de cylindre est réalisé en trois pièces avec à chaque fois un joint étanche en interface, deux de ces pièces définissant l'alésage de cylindre, l'une côté admission, en recevant la valve d'admission, l'autre côté refoulement en recevant la valve de refoulement, tandis que la troisième, placée côté refoulement, reçoit une tige s'appuyant sur le piston, et loge un rappel élastique de cette tige, qui sollicite le piston en direction de sa course de retour. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, faite en référence aux dessins annexés, donnés pour illustrer à titre d'exemple non limitatif un mode de réalisation préférentiel de la présente invention, et sur lesquels : - la figure 1 illustre schématiquement une pompe de la technique antérieure ;; - la figure 2 est un diagramme temporel illustrant les phases d'admission et de refoulement de la pompe de la figure 1 - la figure 3 est un exemple de came convenant pour la pompe de la figure 1 - la figure 4 est une vue en coupe d'un mode de réalisation préférentiel de la tête de pompe selon la présente invention - la figure 5 est une vue partielle détaillée illustrant un piston de la pompe de la figure 4 - la figure 6 est un diagramme temporel illustrant les phases d'admission et de refoulement dans la pompe de la figure 4 ; - la figure 7 illustre le schéma de principe d'une installation complète de chromatographie ; - la figure 8 est un diagramme temporel-illus- trant la pression en un point situé entré la pompe et la colonne de chromatographie de la figure 7 ; et - la figure 9 est un diagramme temporel il les trant la séparation de deux pics d'élution en chromatographie à recyclage. Sur la figure 1, un cylindre 10 loge un piston 11, qui est animé d'un mouvement alternatif sous l'effet d'une came sollicitant un équipage mobile guidé 15 solidaire du piston. Un rappel élastique, non représenté, maintient le piston en butée sur la came. Sur le côté gauche de la figure, entre le cylindrez0 et le piston 11, apparaît une chambre de travail, connectée d'une part à une valve d'admission 12 et d'autre part à une valve de refoulement 13. Comme le montre la figure 3, la came 14 possède avantageusement un profil de refoulement (2700) plus grand que son profil d'aspiration (900). De plus, la came est avantageusement commandée par un moteur qui est accéléré pendant la course de retour. Cela diminue encore la durée relative consacrée à la phase de retour. Le résultat obtenu est donc une amélioration du débit refoulé, qui est plus constant et offre moins de pulsations, en même temps qu'une diminution du temps consacré à l'aspiration, cette dernière étant plus instantanée mais plus brutale. Sur la figure 2, la partie hachurée A représente le volume de liquide refoulé pendant le temps a, tandis que la partie hachurée B représente le volume de liquide aspiré pendant le temps b (avec naturellement A = B). La demande de brevet français NO 78 35 399, du 15 Décembre 1978, décrit une pompe particulièrement avantageuse, en ce sens que le moteur qui entraîne la came est un moteur pas à pas avec subdivision du pas, auquel sont adjoints des moyens de commande qui règlent son mouvement de manière très précise en fonction aes différents paramètres de travail.Cette pompe permet notamment de donner à la phase de retour du piston, illustrée en B sur la figure 2, une durée très brève rendue nécessaire pour éviter l'Scroula-sltent de la pression en aval de la pompe pendant le relouer du piston. Comme précédemment indiqué, il s'ensuit un risque de dégazage ou de cavitation du liquide véhiculé, risque d'autant plus réel que ce liquide doit être filtré avant son admission dans la pompe, le filtre agissant en tant que restricteur. Ce risque est d'autant plus grand que le débit est plus élevé, comme c'est le cas dans les applications de chromatographie préparative où le volume utile du cylindre de la tête de pompe est plus grand (d'un facteur dix, au moins). La figure 4 illustre la tête de pompe selon l'invention, qui est avantageusement prévue pour fonction ner avec la commande de moteur pas à pas précédemment décrite dans la demande de brevet NO 78 35399. A cet égard, le contenu de la demande de brevet antérieure est à considérer comme incorporé à la présente, afin d'en définir complètement la portée. Le corps de cylindre de la tête de pompe de la figure 4 se compose de trois parties principales 101, 102 et 103, dont les interfaces logent des joints toriques étanches 106 et 107. Les parois qui définissent l'interface entre les parties 101 et 102 sont traversées par des alésages 137 et 138. Les parties 102 et 103 définissent ensemble un alésage de section constante, le joint torique 107 étant prévu dans -cet alésage au niveau de la séparation entre les pièces 102 et 103. I1 s'ajoute au corps de pompe deux flasques d'extrémités 104 et 127. Le flasque 104 est tenu avec les pièces 101 et 102 par deux vis telles que 125 qui se vissent dans la pièce'102 (acces au joint 106). Deux autres vis telles que 126 logées dans des alésages du flasque 104 relient les pièces 101, 102 et 103, se vissant dans cette dernière (accès au joint 107).A l'autre extrémité, le flasque 105 est relié solidairement par deux > vis telles que 127 à la pièce 103 (accès au joint 108). I1 porte une pièce d'appui susceptible de venir se loger dans un alésage homologue du bâti 100 supportant la tête de pompe. A l'autre extrémité, une bride 109 vient assurer l'immobilisation complète de la tête de pompe sur son bâti. A 11 intérieur de l'alésage défini dans les pièce s 102 et 103 coulisse un piston qui est ici avantageusement en deux parties 110 et 116. On définit.ainsi dans 11 alésage deux chambres 120 et 130, de part et d'autre du piston, à droite et à gauche. En communication avec la chambre 120, il est prévu une canalisation qui vient communiquer avec une valve d'admission 121, du type à bille et rappel élastique éventuel, munie d'un filtre 122. L'autre chambre 130 comporte de même une canalisation qui vient aboutir à une valve de refoulement à bille 131, munie elle aussi d'un filtre 132. Le piston 110 est muni d'un passage unidirectionnel de fluide, qui comporte avantageusement un alésage central 111, pratiqué sur l'axe du piston 110. Sur le côté droit du piston, il est prévu un évidement en creux, dans lequel vient se loger un filtre 112, suivi d'une entretoise 113, percée d'au moins un orifice 124, et sur laquelle s'appuie une tige de poussée 118, qui coopère avec la surface 142 sollicitée par la came 140, éventuellement par l'intermédiaire d'un galet à billes 141. Ainsi, la came 140 commande précisément le piston. On notera que la tige 118 comporte un épaulement 119 qui est enfermé dans un logement définissant ses limites de course. De l'autre côté du piston, à gauche, la tubulure axiale 111 se termine en forme de siège de valve pour une valve à bille 114 sollicitée par un rappel élastique 115, défini pas un ressort logé dans l'évidement interne d'un capuchon 116. Le capuchon 116 vient s'ajuster extérieurement sur le corps de piston 110, tandis qu'il comporte au moins un orifice 117 permettant le passage de liquide. A l'extérieur, le capuchon 116 est sollicité par une tige 135, dont un épaulement 136 reçoit le rappel élastique défini par un ressort 128 enfermé dans un alésage de la pièce 101, et s'appuyant contre le flasque d'extrémité 104. La tige 135, de même section que la tige 118,sollicite en permanence le piston 111 dans la direction de sa course de retour. Cela maintient en permanence le piston en butée sur sa tige 118, et celle-ci à son tour en butée sur la came 140, qui donc va contrôler effectivement l'ensemble des mouvements du piston. On notera incidemment que l'alésage pratiqué dans les pièces 103 et 127, et dans lequel passe la tige de poussée 118 est également muni d'un joint d'étanchéité torique 108 au niveau de l'interface entre les pièces 105 et 103. La pompe proposée présente l'avantage essentiel que l'admission et le refoulement se produisent simultanément, la première dans la chambre 120, et le second dans la chambre 130. Ces deux phases interviennent pendant la course de refoulement du piston. Pendant la course de retour du piston, c'est le passage unidirectionnel 111 qui assure, la valve 114 s'ouvrant, le transfert du contenu de la chambre 120 dans la chambre 130, en vue d'un nouveau refoulement. Comme on le voit sur la figure 6, l'admission et le refoulement se produisent donc en phase. Les risques de dégazage et de cavitation sont donc éliminés pendant la phase de retour du piston, car pendant cette course de retour, le liquide présent dans la chambre 120 est comprimé avant de lutter contre la valve 114 et de passer dans la chambre 130, par l'alésage central 111. Corrélativement, il en résulte que l'intervalle de temps consacré à la course de retour peut être rendu très faible, la limite étant due au problème lié au passage du-fluide à l'intérieur du conduit axial 111 et au niveau de la valve 114, compte tenu de la présence du filtre 112. On notera que, dans l'utilisation selon la pré- sente invention, les valves 121 et 131 s'ouvrent simultanément, les pertes de charge en série étant alors définies par la charge elle-même, ainsi que -les filtres 122 et 132, pour l'essentiel. Au contraire, pendant la course de retour du piston, ces deux valves sont fermées, et c'est la valve 114 qui s ouvre alors. De préférence, les valves à billes sont réalisées en saphir et rubis et les filtres sont réalisés en acier inox fritté, ou téflon poreux. La figure 7 illustre une application avantageuse de l'invention à la chromatographie à recyclage. La référence PS indique un réservoir de solvant, qui fournit un solvant pur ou un mélange de solvants, avec dans ce dernier cas une possibilité de gradient variable dans le temps. Une vanne à quatre-voies V4 peut relier le préparateur de solvant a la pompe selon l'invention, notée maintenant PF. Celle-ci alimente en solvant un injecteur d'échantillons IJ, a son tour relié à la colonne de chromatographie CC. En sortie de celle-ci est prévu un détecteur DE, qui est capable de renvoyer les éluants vers la vanne à quatre voies V4, cette dernière pouvant alors les transmettre soit vers un collecteur de fractions CF, soit vers la pompe selon l'invention dans le cas d'une chromatographie à recyclage. La figure 8 illustre la courbe de pression du liquide délivré par la pompe dans la colonne de chromatographie, en fonction du temps. Comparée à la courbe de débit (figure 6), on voit que la courbe de pression ne comporte que de petites chutes de pression, dues à la course de retour. I1 en résulte une pression constante en tête de colonne de chromatographie. Lorsque la vanne a 4 voies V4 est en position de recyclage, le liquide â la sortie du détecteur DE est renvoyé ers la pompe PF. On observera que le volume interne de la boucle constituée de la pompe, de la valve d'injection IJ, de la colonne CC, de la cuve du détecteur DE, de la vanne V4 et des tubulures de liaison est constant avec la pompe selon l'invention, à tout moment du cycle de pompage : la somme des volumes utiles des chambres 120 et 130 est constante a tout instant, l'un des volumes étant nul lorsque l'autre est maximal. La figure 9 illustre très schématiquement les courbes fournies par le détecteur DE dans le cas d'une chromatographie à recyclage. Au premier passage (partie 1 de la courbe), les deux pics A et B sont très proches, et il est pratiquement impossible de séparer les deux substances concernées. Au second passage (partie 2), les pics A et B commencent à se séparer plus nettement. Au troisième passage (partie 3), les pics sont déjà suffisamment séparés pour que l'on puisse envoyer les substances dans le collecteur de fraction d'une manière sélective. Comme précédemment indiqué, cette application à la chromatographie à recyclage est particulièrement délicate, car tout volume mort dans le circuit hydraulique lors du recyclage risque de stocker temporairement du solvant, et par là de perturber le fonctionnement en recyclage en "remélangeant" les pics. I1 faut par ailleurs des pulsations de pression minimes, et assurer une différence de pression permanente entre l'entrée et la sortie de la colonne. La tête de pompe de la présente invention répond bien à ces conditions, en fournissant un volume utile constant de la tête de pompe, et en même temps une aspiration et un refoulement simultanés. En plus, chaque valve a bille est protégée par un filtre, ce qui est par ticulièrement important lors du recyclage, lequel peut amener en suspension des particules solides qui risqueraient de se loger entre la bille et son siège, et par la d'empêcher la bonne étanchéité de la valve. Enfin, la tête de pompe selon l'invention présente un volume faible, ce qui convient particulièrement bien au passage de pics déjà partiellement séparés par la colonne de chromatographie. Indépendamment de la chromatographie à recyclage, ce volume de tête de pompe faible permet aussi le pompage d'un gradient de solution sans altérer ce gradient par le mélange intervenant dans une capacité de fort volume. En particulier, la tête de pompe selon l'invention est remarquable par son absence de volume mort, ainsi que par le fait qu'elle répond aux applications susvisées en évitant tout problème d'équilibrage entre deux têtes de pompe travaillant en parallèle, et de déphasage dans les veines liauides issues des deux têtes de pompe. On notera par ailleurs que la conception autopurgeable de la pompe selon l'invention, ainsi que sa grande facilité de démontage pour accès aux joints toriques, la rendent extrêmement satisfaisante pour les applications de chromatographie, notamment de chromatographie préparative. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée par le mode de réalisation décrit, mais s'étend à toute variante conforme à son esprit. En particulier, on a déjà indiqué que la tête de pompe décrite se combine avantageusement avec la commande par moteur pas a pas décrite dans la demande de brevet NO 78 35 399 déjà citée. Cela étant, cette tête peut également être commandée par d'autres dispositifs, éventuellement des cames du type illustré. sur la figure 3, voire même en mouvement purement sinusoldal, dans des applications autres que la chromatographie.Dans certains cas, également, on pourra donner aux deux deux chambres 120 et 130 des diamètres légèrement différents : de tels cas existent lorsque l'on supprime la tige de rappel élastique 135 en solidarisant le piston 110 et la tige 118, commandée alors par une came à double profil, qui assure son contrôle positif dans les deux sens de déplacement, ou lorsque l'on place le ressort de rappel 128 à l'intérieur de la chambre de refoulement 130. D'un autre côté, le passage unidirectionnel 111 peut également être aménagé dans le corps de cylindre (pièces 102 et 103), ou même à rextérieur, en reliant les chambres 120 et 130, d'un côté à l'autre du joint 107. Par ailleurs, dans le mode de réalisation de la figure 4, c'est le joint 107 qui délimite les chambres 120 et 130. Les valves 121 et 131 peuvent donc être placées en tout point de part et d'autre de ce joint. REVENDICATIONS 1 - Tête de pompe, en particulier pour pompe mono-piston destinée à alimenter en solvant des colonnes de chromatographie liquide, du type dans lequel un cylindre loge un piston qui coulisse à l'encontre d'un rappel élastique sous l'effet d'un poussoir susceptible d'être actionné par une came laquelle donne au piston une course de retour rapide alternant avec une course de réfoulement contrôlée, tandis que le cylindre comporte. par ailleurs une valve d'admission et une valve de refou.le- ment, caractérisée par le fait que les valves d'admission (121) et de refoulement (131) sont respectivement placées en communication avec les deux parties opposées (120, 130) du cylindre (102, 103), et qu'il est prévu entre les deux chambres (120, 130) définies dans le cylindre (102, 103) de part et d'autre du piston (110, 116) un passage unidirectionnel (111, 114) qui se ferme au refoulement et s'ouvre au retour du piston. 2 - Tête de pompe selon la revendication 1, caractérisée par le fait que le cylindre est alésé sous section constante en amont (120) et en aval (130) du piston (111). 3 - Tête de pompe selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée par le fait que le rappel élastique (128, 135) intervient sur le piston (110, 114) du côté opposé à son poussoir (118). 4 - Tête de pompe selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée par le fait que le passage unidirectionnel (111) est ménagé à travers le piston (110). 5 - Tête de pompe selon la revendication 4, caractérisée par le fait que le piston comporte un conduit axial (111) formant siège de valve côté refoulement et un capuchon (116), placé également côté refoulement, et logeant une valve à bille (114) ainsi que ses moyens de rappel plastique (115), ce capuchon comportant à son tour au moins un orifice traversant (117). 6 - Tête de pompe selon la revendication 5, caractérisée par le fait que le piston (110) comporte, côté admission un évidement en creux logeant un filtre (112) sur lequel vient s'appuyer une entretoise (113), comportant au moins un orifice (124) et qui reçoit l'appui de la butée (118) sollicitée par la came (140), des filtres (122, 132) étant également incorporés aux valves d'admission (121) et de refoulement (131). 7 - Tête de pompe selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée par le fait que le corps de cylindre est réalisé en trois pièces (101, 102, 103) avec à chaque fois un joint étanche (106, 107) en interface, deux de ces pieces (102, 103) définissant l'alésage de cylindre, l'une (103) côté admission, en recevant la valve d'admission (121), l'autre (102) côté refoulement, en recevant la valve de refoulement (131), tandis que la troisiÈme (101), placée côté refoulement, reçoit une tige (135) s'appuyant sur le piston (116, 110), et loge un rappel élastique (128) de cette tige, qui sollicite le piston (116, 110) en direction de sa course de retour.