Brevet FR2492008A1 — publié le 19820416

La présente invention concerne une pompe doseuse sans soupapes, à deux pistons, dans laquelle l'effet d' aspiration et celui de refoulement, ainsi que la commande, sont provoqués par deux pistons déplacés dans le même sens dans un alésage cylindrique commun, dont l'un, en tant que piston lié, exécute régulièrement la course entière, tan- dis que l'autre, en tant que piston libre, est amené en re- lation avec la commande de telle façon qu'il n'accompagne le piston lié que sur une partie de sa course, la diffé- rence entre les courses respectives des deux pistons et le diamètre de l'alésage commun définissant la cylindrée. Lors d'un dosage volumétrique, on incorpore A un courant primaire, formé de substance qui peuvent être aus- si bien solides que liquides et/ou gazeuses, à des inter- valles de temps égaux, des volumes égaux d'un ou de plu- sieurs fluides secondaires liquides ou gazeux. Cette in- corporation peut être effectuée de façon, soit continue, soit discontinue. Lorsqu'on travaille en discontinu, il faut répartir les fluides secondaires en volumes égaux individuels et incorporer ceux-ci à des intervalles de temps égaux ou déterminés. Le dosage peut avoir lieu en modifiant, soit les volumes, soit les intervalles, d'une incorporation à l'autre. Lorsqu'on travaille en continu, le courant secondai- re est mesuré par des procédés connus de mesure de débit et amené au courant primaire. Pour le mode discontinu, qui s'est révélé nécessai- re pour le dosage de petites quantités, on a constaté que les pompes à déplacement volumétriques sont celles qui conviennent le mieux. Une pompe à plongeur connue est fabriquée avec des diamètres de piston de 3mm à 100 mm, ce qui permet d'obte- nir des débits horaires qui varient entre quelques centi- mètres cubes et plusieurs mètres cubes. Le volume débité peut être modifié de façon continue, généralement aussi sur la pompe en marche, en modifiant la course du piston. On y parvient en déplaçant le centre de rotation d'un cul- buteur qui transmet au piston, déjà transformé en mouve- ment alternatif rectiligne par une biellette d'excentri- que, le mouvement qu'il reçoit d'un moteur par l'intermé- diaire d'un arbre excentrique. Le déplacement du centre de rotation est conçu de façon que le piston se déplace tou- jours jusqu'à un point mort avant constant, quel que soit le réglage. De ce fait, la pompe doseuse a toujours le mê- me espace mort, quelle que soit la course du piston. La précision du dosage dépend essentiellement de cet espace mort, c'est-à-dire du volume restant en position de point mort avant, volume qui ne sera pas refoulé. Si ce volume est important, la compressibilité du fluide dosé doit ê- tre prise en compte dans la quantité débitée, spécialement lorsqu'on travaille à des pressions élevées. La quantité débitée par la pompe dépend donc de la contre-pression. Ceci sera d'autant plus gênant que le rapport entre l'es- pace mort et la cylindrée sera élevé. On peut penser qu'une autre difficulté réside dans les soupapes sur le côté aspiration et refoulement de la cylindrée, donc directement dans les tubulures d'amenée et d'évacuation de l'espace mort. Lors d'une pression exagé- rée dans le fluide dosé sur le côté amené, il peut se pro- duire par ouverture de la soupape sur le côté refoulement un écoulement incontrôlé du fluide, indépendant du mouve- ment du piston (Hengstenberg-Sturm-Winkler "Messen und Regeln in der chemischen Technik", Springer 1964, pages4o7 et 408) Une autre pompe doseuse connue pour fluides, la pompe d'injection Bosch, utilise un piston à course cons- tante. Elle ne comporte pas-de clapet d'aspiration, mais seulement un clapet de refoulement sur le côté par lequel sort le fluide à doser. Le réglage du volume débité, donc du dosage, s'effectue par rotation du piston, rotation qui permet de modifier de façon continue le retour à la cham- bre d'aspiration d'une partie du contenu du cylindre, au- dessus de la face en bout du piston. Cette pompe doseuse fonctionne de la manière suivan- te: lors de la descente du piston, le liquide à doser pé- nètre dans le cylindre par des orifices latéraux. Lorsque le piston remonte, le refoulement commence, après ouver- ture du clapet de refoulement sur le côté sortie, dès que le piston masque les deux orifices latéraux. Il ne dure toutefois que jusqu'à ce qu'une rampe hélicoLdale,qui ter- mine un fraisage latéral dans la paroi du piston et com- munique par une rainure avec la face en bout de celui-ci, a franchi un des orifices latéraux. La pression tombe a- lors dans le cylindre, dans la chambre de refoulement, le clapet se ferme et le fluide à doser qui est encore dépla- cé par le piston jusqu'à la fin de sa course retourne par la rainure et la rampe hélicoïdale dans la chambre d'aspi- ration. Dans cette pompe également, la quantité débitée absolu dépend, en raison de la présence inévitable de 1' espace mort, de la compressibilité du fluide à doser et de la pression qui s'établit dans celui-ci. Le clapet de refoulement ne doit s'ouvrir que lorsque la surpression provoquée par la course du piston l'oblige à s'ouvrir. U- ne surpression excessive dans le fluide peut provoquer un écoulement indésirable du côté aspiration vers le côté refoulement 'HengstenbergSturm -Winkler "Messen und Regeln in der chemischen Technik, Springer 1964, pages 409 et 410). Une pompe sans soupapes connue, pour des liquides, possède deux pistons, qui sont tous deux guidés dans un alésage commun d'un cylindre. Les deux pistons sont dépla- cés dans le même sens et de façon que l'un d'eux exécute régulièrement une course entière, tandis que l'autre pis- ton, poussé par le mécanisme de transmission, glisse d'un côté à l'autre de l'orifice d'admission, mais n'exécute qu'une partie de la course. La différence entre les cour- ses respectives des deux pistons et le diamètre de l'alé- sage définissent ensemble le volume débité à chaque aller et retour des pistons. L'un des pistons, en tant que piston lié, est fixé sans jeu axial sur un coulisseau qui entoure le cylindre à la manière d'un U, tandis que l'autre piston, grâce à la présence vers l'une de ses extrémités de deux collets qui lui permettent de se déplacer axialement relativement au coulisseau, joue le rôle de piston libre.Lorsque le cou- lisseau, sous l'action d'un mécanisme moteur et de trans- mission, exécute un mouvement alternatif rectiligne dans le sens de sa longueur, le piston libre, par suite de la résistance due au frottement, reste en arrière par rap- port au dit coulisseau et donc par rapport au piston lié qui est solidaire de ce dernier. De ce fait, dans un sens du mouvement alternatif du coulisseau, une de ses faces en bout est appliquée contre la face en bout adjacente du piston lié, tandis que dans le sens inverse, il se forme entre ces deux faces un espace libre qui représente le volume débité à chaque aller et retour. L'espace vide se forme à l'un des points morts et disparaît à l'autre. C' est en ces points de la course que sont placés respecti- vement les orifices d'admission et de refoulement dans la paroi du cylindre. On peut, en engageant plus ou moins un coin entre le collet intérieur et le coulisseau diminuer ou augmenter la course du piston libre et donc le débit de la pompe. Cette pompe, conçue pour débiter des liquides, ne peut être utilisée pour des gaz. Le frottement nécessai- re entre le cylindre et le piston libre conduit rapidement à une usure et remet bientôt en question la précision du volume débité. Les matériaux utilisés jouent dans ce cas un rôle déterminant. En outre, le freinage du piston li- bre par le frottement d'un presse-étoupe constitue un in- convénient. Les forces de freinage ne sont pas définies, elles peuvent se modifier facilement et ces modifications se répercutent dans la volume débité (brevet allemand NI 79 345). L'invention a donc pour objet de réaliser une pompe doseuse dans laquelle la quantité débitée par course aller et retour des pistons est réglable entre 1 et 5 mm3, et est indépendante de la pression dans le fluide à doser, pompe dont la fréquence de mouvement peut atteindre 20 Hz, ne doit pas laisser écouler de fluide vers le côté refoule- ment même lorsqu'il y a une surpression sur le côté aspi- ration et peut doser des liquides toxiques, corrosifs et non lubrifiants. A cet effet, dans la pompe selon l'invention, le cylindre, maintenu dans un carter extérieur, est constitué par un manchon, dans lequel sont montées à force des ba- gues faites d'un matériau dur, étanche, résistant à l'usu- re et apte à être poli, séparées les unes des autres par trois interstices qui, d'une part, conjointement à un ori- fice d'entrée, servent à l'amenée du fluide, d'autre part, conjointement à un orifice de sortie, servent au départ du fluide et enfin servent à loger un ressort de freinage qui est tangent au piston libre, sur les deux côtés de celui-ci. Les bagues, le piston lié et le piston libre sont avantageusement en saphir, en carbure ou en nitrure de si- licium. La commande peut être constituée par une patte soli- daire du piston lié, par un tube dont on peut modifier la longueur de travail grâce à une liaison par vissage, et par une plaque de butée. Dans une autre forme d'exécution, la commande est constituée par le tube, dont la longueur est fixe, entre la patte, dans laquelle le piston lié est main- tenu avec interposition d'une entretoise interchangeable, et la plaque de butée. Il est avantageux que la patte et la plaque de butée présentent des éléments amortisseurs élastiques sur leur face tournée vers le manchon. Le tube et le manchon peuvent être en matière céramique faite d'oxyde d'aluminium. La pompe selon l'invention est avantageusement con- formée de façon que le montage des éléments durs, nécessai- res pour qu'elle résiste à l'usure, soit parfaitement réa- lisable. Les raccords pour l'arrivée et la sortie des flui- des à doser sont constitués par les interstices entre les bagues. Il en résulte des ouvertures maximales d'arrivée et de départ et donc de très faibles résistances à l'écou- lement; ceci contribue à la précision du dosage (degré de remplissage), notamment pour les gaz. Le ressort, qui est tangent au piston libre sur deux côtés opposés de celui-ci, assure un effet de freina- ge toujours égal et donc un volume débité toujours cons- tant. Les caractéristiques qui viennent d'être indiquées confirment les avantages de la pompe doseuse selon l'inven- tion. Elles permettent d'obtenir une pompe de configuration compacte et peu encombrante et d'un agencement clair. On peut facilement modifier la cylindrée. L'utilisation d'un matériau comme le saphir ou d'autres substances dures pour les pistons et les bagues garantit une très grande résistan- ce à l'usure et donc un ajustement extrêmement précis.L' utilisation d'une matière céramique faite d'alumine pour le manchon et le tube de la commande garantit la précision de la cylindrée par une dilatation égale et empêche en ou- tre le grippage des pièces coulissantes. De toute façon, l'invention sera bien comprise à 1' aide de la description qui suit, en référence au dessin schématique annexé, représentant, à titre d'exemple non li- mitatif, une forme d'exécution de cette pompe: Fig. la est une vue en coupe longitudinale de la pom- pe doseuse selon l'invention; Fig. lb est une vue en coupe suivant B-B de fig. ta; Fig. lc est une vue en coupe suivant C-C de fig. la; Fig. Id est une vue en coupe suivant D-D de fig. la; Fig. 2a à 2d sont des vues fortement schématisées qui montrent les diverses phases du cycle de travail de la pompe selon l'invention. Les figures la à Id montrent clairement la construc- tion de la pompe doseuse. Le carter extérieur 1, fermé à ses deux extrémités axiales par les couvercles 2 et.3, con- tient les organes de la pompe positionnés avec précision, ainsi que l'orifice d'entrée 4 et celui de sortie 5 pour le fluide à doser. Les éléments de la pompe proprement di- te sont le manchon 6, qui s'étend axialement dans le car- ter extérieur 1 et contient les moyens de guidage des pis- tons, à savoir le piston lié 7, le piston libre 8, et la commande 9. Le manchon 6 contient comme moyens de guidage 41 pour le piston lié 7 et le piston libre 8 qu&tre bagues en saphir montées à force 10, 11, 12 et 13. Entre ces bagues sont ménagés des interstices 14, 15 et 16. L'interstice 14 se trouve en regard de l'orifice d'entrée 4, tandis que 1' interstice 15 se trouve en regard de l'orifice de sortie 5. Il y a communication entre les orifices et les interstices respectifs. De ce fait, l'interstice sert à l'entrée du fluide à doser et l'interstice 15 sert à sa sortie. Des joints 17 assurent l'étanchéité entre le manchon 6 et le carter 1. La détermination de la position axiale s'effectue au moyen de chevilles 18 montées dans le couvercle 2; l'im- mobilisation dans cette position est assurée par le couver- cle 3. Les deux couvercles sont maintenus par des vis 20. Les bagues 10, 11, 12 et 13 ont un alésage commun, dans le- quel le piston lié 7 et le piston libre 8 coulissent tous deux avec un ajustement précis (jeu de 2 à 10/um pour un diamètre de 2mm). Dans la forme d'exécution décrite, les deux pistons sont en saphir. Le mouvement est communiqué aux pistons par l'in- termédiaire d'une commande 9. Le piston lié 7 forme avec une patte 23 et une douille 22 coulissant dans un alésage 21 un ensemble qui est relié à la commande 9. La patte 23 est un élément de la commande 9 avec lequel, par l'inter- médiaire de l'organe de réglage de la course 24, de la plaque de butée 25 et du ressort hélicoïdal 26, on obtient un appui élastique contre le couvercle 2. Un embouti 27 as- sure l'étanchéité entre la douille 22 et la paroi de l'a- lésage 21. Celui-ci communique par une conduite 28 avec la source d'énergie motrice pour la commande 9. Dans la forme d'exécution décrite ici, il s'agit d'une pression de gaz qui alterne à la fréquence de la pompe. La longueur de course des pistons est réglable à l'aide de l'organe 24. Celui-ci est constitué par un tube 29 fermé à ses extrémités par des bouchons filetés 30 et 31. Avec le bouchon 31, le tube 29 est vissé dans un écrou 32 de la plaque de butée 25, avec l'autre bouchon O, il est enfilé dans une ouverture de la patte 3 et immobilisé au moyen d'un écrou. 33. Le jeu 34 entre le piston libre 8 appliqué contre le piston lié 7 et la plaque de butée 25 détermine le dosage. On peut modifier ce jeu 34 de façon simple et précise en desserrant tout d'abord l'écrou 33, puis en tournant le tube 29 dans l'écrou 32. On peut utiliser d'autres moyens pour modifier la longueur de la course des pistons; par exemple, le tube 29 peut être monté fixe entre la plaque de butée 25 et la pat- te 23. Il faut prévoir alors des entretoises interchangea- bles d'épaisseurs diverses entre le piston 7 et la patte 23. Le piston libre 8 subit l'effet de freinage d'un ressort 35, qui est enfoncé dans l'interstice 16 et se trouve en contact tangentiel avec le piston 8, sur deux côtés opposés de celui-ci. Ce ressort 35 comporte donc deux branches enfoncées dans deux alésages 36 du carter 1; son introduction dans l'interstice 16 est simplifié par la présence d'un évidement 37 dans le manchon 6 (fig. lc). Un autre évidement 38 d'une certaine longueur sur la face in- férieure du manchon (fig. Id), ainsi que dans le carter 1 permet le déplacement de la patte 23. Le fonctionnement de la pompe doseuse selon l'inven- tion est illustré par les figures 2a à 2d. Le mouvement est transmis à la pompe par un mécanisme à manivelle. La com- munication du mouvement par pression d'air ou d'un autre gaz dont il a été parlé en référence à la figure la ne change pratiquement rien à la commande 9. Il en est de mê- me pour l'utilisation de moyens moteurs électromagnétiques. L'axe de rotation du système à excentrique est dési- gné par la référence 39. La figure 2a illustre la position de point mort gau- che. La face en bout droite du piston libre 8 est appliquée contre la face en bout gauche du piston lié 7. L'espace mort en avant de l'interstice 14 et donc de l'orifice d'en- trée 4 est pratiquement nul. La rotation du système à excentrique a pour effet de tirer la commande 9 vers la droite. Celle-ci entraîne avec elle le piston lié 7, comme le montre la figure 2b, tandis que le piston libre 8, retenu par le ressort de freinage 35, conserve provisoirement sa position dans le manchon 6; seul le jeu entre lui et la plaque de butée dis- parait. Avec ce déplacement du piston lié 7 vers la droite il se forme entre les deux pistons une chambre d'aspiration 4O, dont le volume correspond au volume débit' par la pom- pe à chaque cycle et qui se remplit de fluide à doser. Le système à excentrique continuant sa rotation vers le point mort droit, la commande 9 tire ensemble les deux pistons vers la droite en consernant la chambre d'as- piration 40 et en l'amenant en regard de l'interstice 1 et donc de l'orifice de sortie 5. Cette position est repré- sentée à la figure 2c. La rotation du système au-delà du point mort droit a pour effet de repousser le piston lié 7 vers la gauche, tandis que le piston libre 8, toujours sous l'effet du res- sort 35, reste provisoirement immobile, le rapprochement des deux pistons refoulant alors le fluide à travers l'in- terstice 15 et l'orifice de sortie 5. Cette position est illustrée à la figure 2d. La chambre 40 a disparu, le jeu h s'est rétabli et la rotation du système peut continuer jusqu'au point mort gauche sans changement dans les posi- tions relatives des pistons et du système 9 jusqu'à ce que les pistons reprennent relativement aux bagues la position représentée à la figure 2a. - REVENDICATIONS - 1.- Pompe doseuse sans soupapes, à deux pistons, dans laquelle l'effet d'aspiration et celui de refoulement, ainsi que la commande, sont provoqués par deux pistons dé- placés dans le même sens dans un alésage de cylindre com- mun, dont l'un, en tant que piston lié, exécute régulière- ment la course entière, tandis que l'autre, en tant que piston libre, est amené en relation avec la commande de telle façon qu'il n'accompagne le piston lié que sur une partie de sa course, la différence entre les courses res- pectives des deux pistons et le diamètre de l'alésage com- mun définissant la cylindrée, caractérisée en ce que le cylindre, maintenu dans un carter extérieur (1), est cons- titué par un manchon (6), dans lequel sont montées à force des bagues (10, 11,12,13) faites d'un matériau dur, étanche, résistant à l'usure et apte à être poli, séparées les unes des autres par trois interstices (14,15,16) qui servent, tout d'abord, conjointement à un orifice d'entrée (4), à I' amenée du fluide, puis, conjointement à un orifice de sor- tie, au départ du fluide et enfin à loger un ressort de freinage (35) qui est en contact tangentiel avec le piston libre (8) sur deux côtés opposés de celui-ci. 2.- Pompe selon la revendication 1, caractérisé en ce que les bagues (10, 11,12,13), le piston lié (7) et le piston libre (8) sont en saphir. 3.- Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que les bagues (10, 11,12,13), le piston lié (7) et le piston libre (8) sont en carbure de silicium. 4.- Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que les bagues (10, 11,12,13), le piston lié (7) et le piston libre (8) sont en nitrure de silicium. 5.- Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que la commande (9) est consti- tuée par une patte (23) solidaire du piston lié (7), par un tube (29) dont on peut modifier la longueur utile grâce à une liaison par vissage et par une plaque de butée (25). 6.- Pompe selon l'une quelconque des revendications il i à 4, caractérisée en ce que la commande (9) est consti- tuée par un tube de longueur fixe, maintenu entre une pat- te, dans laquelle le piston lié est monté avec interposi- tion d'une entretoise interchangeable, et par une plaque de butée. 7.- Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la patte (23) et la plaque de butée (25) présentent des éléments amortisseurs élasti- ques sur leur face tournée vers le manchon (6). 8.- Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que le manchon (6) et le tube (29) sont en matière céramique faite d'oxyde d'aluminium.