Brevet FR2626939A1 — publié le 19890811

La présente invention concerne le domaine des pompes de précision, à piston. La présente invention trouve en particulier application dans la chromatographie de hautes performances en phase liquide (HPLC). Dans le cadre de cette application, les pompes destinées à injecter un échantillon et/ou un ou des solvant(s) choisi(s) dans le garnissage de l'installation de chromatographie, doivent être dépourvues de fluctuation de pression et/ou de débit et/ou de volume. On a déjà proposé de nombreuses pompes comportant au 1Q moins un corps de pompe comprenant une chambre communiquant par des valves d'entrée et de sortie avec une conduite d'entrée et une conduite de sortie respectivement, et un piston mobile de façon étanche dans cette chambre, ainsi qu'un actionneur cyclique du genre came rotative coopérant avec ce piston pour le faire coulisser, et un moteur entraiTnant la came (voir par exemple le document FR-A-2 461 126). Les pompes du type précité ont déjà rendu de grande services. Cependant, ces pompes ne donnent pas entière satisfaction, plus précisément ne présentent pas une reproductibilité satisfaisante,- lorsque les volumes unitaires d'échantillon et/ou de solvant à injecter sont de l'ordre de grandeur de la cylindrée de la pompe. En effet, si les fluctuations inévitables de volume injecté, dues par exemple aux valves d'entrée et de sortie et/ou à la compres- sibilité des liquides concernés, peuvent être intégrées lorsque le volume total injecté correspond à un grand nombre de cycles de pompage, ces fluctuations de volume ne sont plus intégrées lorsque le volume total injecté est de l'ordre de grandeur de la cylindrée de la pompe et correspond par exemple seulement à une partie d'un cycle de pompage. La présente invention a maintenant pour but d'éliminer ces incovénients et propose à cet effet une nouvelle pompe du type précité comportant au moins un corps de pompe comprenant une chambre communiquant par des valves d'entréee et de sortie avec une conduite d'entrée et une conduite de sortie respectivement, etun piston mobile de façon étanche dans cette chambre, ainsi qu'un actionneur cyclique du genre came rotative coopérant avec ce piston pour le faire coulisser, et un moteur entraînant la-carne, caractérisée par le fait qu'elle comprend des moyens aptes à ramener le piston dans une position d'initialisatlon prédéterminée après injection d'un volume requis et avant injection d'un volume suivant. 0l Grâce à la présente invention l'injection d'un volume requis d'éechantillon et/ou de solvant est toujours initiée, à partir de la position d'initialisation prédéterminée du piston. Les effets de fluctuations éventuelles de volume dus aux valves d'entree et de sortie et/ou à la compressibilité des liquides n'interviennent alors plus de façon aléatoire, mais au contraire de façon reproductible, donc aisément contrBlable. Selon une caractéristique avantageuse de la présente invention, la position d'initiallsation prédéterminée du piston correspond a la position initiale d'une course de refoulement. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, afin d'éviter toute injection accidentelle lors de l'initialisation du piston, la pompe comprend des moyens aptes à déterminer la position occupée par la came rotative lors de la détection de l'achèvement d'injection d'un volume requis afin de contrôler le sens de rotation du moteur entratnant la came, au cours du déplacement du piston vers la position d'initialisation prédéterminée, de telle sorte que lors de ce déplacement la came rotative soit toujours entrainée vers son point mort bas. Selon une autre caractéristique avantageuse de la présente invention, le moteur d'entranement est un moteur pas à pas et la course de refoulement du piston comprend une phase initiale de précompression, le nombre N de pas du moteur requis pour la course de précompression étant déterminé sur la base de la relation N=NK E PVo S dans laquelle NK représente le nombre de pas du moteur nécessaire pour assurer le déplacement du piston sur un centimètre, E représente le paramètre de compressibilité du liquide injecté, p p représente la pression requise, Vo représente le volume de la chambre du corps de pompe en cm3 et S représente la surface du piston en cm2. D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va t suivre, et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels - - la figure I représente une vue en coupe horizontale d'une pompe conforme à la présente invention, - la figure 2 représente une vue schématique en coupe verticale de la même pompe, selon un plan de coupe référencé Il sur la figure 1, et - la figure 3 illustre sous forme d'ordinogramme le fonctionnement de la pompe conforme à la présente invention. La strucltrure générale de la pompe représentée sur les figures annexées, est identique à la structure générale de la pompe décrite et représentée dans la demande de brevet FR-2 461 126 au nom de la Demanderesse, qui correspond aux pompes commercialisées par la société GILSON MEDICAL ELECTRONICS (FRANCE), depuis de nombreuses années, sous les références pompe 302 et pompe 303. Pour cette raison, la structure générale de la pompe ne sera pas décrite en détail par la suite. 26269$9 On notera cependant que pour l'essentiel, la pompe illustrée sur les figures annexées comprend un corps de pompe i00, un bâti 200, un chariot 300, une came 400, un moteur 500 et des moyens de commande 600. Le corps de pompe est constitué de deux parties 102, 104, fixées l'une. sur l'autre, par exemple par des boulons tels que 106. Entre ces deux parties I02, 104, est ménagé un joint d'étanchéité 108. Les parties 102, 104 sont pourvues d'alésages cylindriques coaxiaux et communiquants. L'alésage 110 ménagé dans la pièce 102 est borgne. Il définit la chambre de pompage. L'alésage adjacent ménagé dans la pièce 104 reçoit une garniture cylindrique 112. Un piston 120 est monté à coulissement dans les alésages précités ménagés dans les pièces 102 et 104. Le piston 120 est guidé par la garniture 112. L'extrémité avant du piston 120 est déplacée en va-etvient dans la chambre de pompage 110 par des moyens qui seront décrits par la suite. Une conduite d'entrée 130 est fixée par un joint hermétique 132 sur une connexion d'entrée 134. Celle-ci est équipée d'une valve 136. La sortie de la valve 136 communique avec la cavité de pompage 110. De façon symétrique, côté sortie, la cavité de pompage 1 0 communique, par l'intermédiaire d'une valve 146 intégrée à une connexion 144, avec une conduite de sortie 140. Celle-ci est fixée sur la connexion 144 par un joint haute pression 142. Comme rappelé dans la demande de brevet FR-2 461 126 précitée, Il est important que l'étancheéte soit très bonne tant au niveau du joint 108, qu'à celui des valves 136 et 146. A cet effet, de préférence, le joint 108 est un joint circulaire dont la section droite est en forme de "U" enfermant un ressort annulaire. De plus, les valves 136 et 146 sont avantageusement des valves à billes de rubis sur siège saphir. A son extrémité opposée à la chambre de pompage 110, le piston 120 est muni d'une tête de piston 122, suivie d'un épaulement 124 de plus grand diamètre, puis d'une partie d'extrémité 126 de diamètre sensiblement identique à la tête de piston 122. La partie d'extrémité 126 porte une butée ajustable 128. Un ressort '121 est interposé entre l'épaulement 124 et- le fond 114 de l'alesage 116 logeant la tête de piston 122, en arrière de la garniture 112. Le ressort 121 sollicite constamment le piston 120 vers la gauche des figures 1 et 2, soit vers une position d'aspiration, c'est-à-dire de remplissage de la chambre de pompage 110. La butée ajustable 128 peut être formée par exemple d'une vis avec contre- écrou. La butée réglable 128 prend appui contre une plaque 302 portée par le chariot 300. Le bâti 200 comporte une bride circulaire 202 munie de pivots 204. Ceuxci supportent un étrier 206 équipé d'un bouton molleté 208. Le corps de pompe 100 comprenant les parties 102, 104 précitées, est adaptée pour être engagé dans la bride 202. Il est immobilisée dans cette dernière grâce au bouton molleté 208 venant en appui sur la partie 102 du corps de pompe comme illustré sur les figures annexées. Le bâti 200 supporte deux paires de galets 210, 212, 214, 216 dont les axes déterminent les angles d'un rectangle ayant ses grands côtés parallèles à l'axe du piston 120. Le chariot 300 comprend deux tiges cylindriques parallèles 304, 306. Les tiges 304, 306 s'étendent parallèlement à l'axe du piston; 120. Elles sont guidées sur l'extérieur des galets précités. Sur les tiges 304, 306 sont fixées transversalement deux barres 308, 310, qui complètent le chariot. La plaque 302 servant d'appui à la butée ajustable 128 est portée par la barre 310. De plus, cette barre 310 porte un galet 312 qui coopère avec la came 400. Le galet 312 tourillonne sur la barre 310 autour d'un axe vertical parallèle à l'axe des galets 210. 212, 214, 216 et transversal à l'axe du piston 120. La came 400 est guidée à rotation sur le bMti 200 autour d'un axe parallèle à l'axe du galet 312. La came 400 est montée sur un arbre 402. La came 400 porte un drapeau 404 dont la structure sera décrite plus en détail par la suite. Le drapeau 404 est adapté pour passer entre les deux branches d'une fourchette de détection optique 220 portée par le bâti 200. La fourchette 220 comprend, d'une part, un émetteur de faisceau optique, de préférence infrarouge, d'autre part, un récepteur associé placé en regard. La réception du faisceau optique sur le récepteur est interrompue lorsque le drapeau 404 est placé entre les deux branches de la fourche. La fourche 220 permet par conséquent de détecter la position de la came d'entratnement 400. La fourchette de détection 220, et plus précisément le récepteur intégré à celle-ci, est reliée aux moyens de commande 600 par une liaison 602. L'arbre 402 portant la came 400 est entraîné par le moteur 500. De préférence, celui-ci est formé d'un moteur pas a pas, tel que le moteur SLO-SYN (marque déposée) M.O 91-FD-O6, fabriqué par la société américaine SUPERIOR ELECTRIC. Les moyens de pioratage du moteur pas à pas 500, intégrés aux moyens de commande 600, sont de.préférence adaptés pour assurer un déplacement fin du moteur 500. Ces moyens dé pilotage pourront être conformes aux dispositions décrites et repre- sentées dans la demande de brevet FR-A-2 440 642 au nom de la Demanderesse. En fonctionnement normal, le moteur 500 et la came associée 400 sont entratnés toujours dans le même sens, correspondant au sens des aiguilles d'une montre selon la figure 1. L'homme de l'ar.t comprendra aisément que la périphérie extérieure de la came' 400 n'étant pas cylindrique de révolution autour de l'axe de l'arbre 402, la rotation de la came 400 induite par le moteur 500 provoque le déplacement en va-et-vient du chariot 300, et donc le déplacement alternatif en va-et-vient du piston 120 dans la chambre de pompage I10. De préférence, la came 400 possède un point mort bas (point le plus proche radialement de l'axe de l'arbre 402) et un point mort haut (point le plus éloigné de l'axe de l'arbre 402), la périphérie extérieure de la came 400 divergeant progressivement entre le point mort bas et le point mort haut par rapport à l'axe de l'arbre 402. Lorsque la came 400 est déplacée du point mort haut vers le point mort bas (par référence au point de contact du galet 312), le chariot 300 et le piston 120 sont déplacés vers la gauche des figures I et 2. Le piston 120 est ainsi déplacé vers l'extérieur de la chambre de pompage 110. Ce déplacement correspond à une phase d'aspiration et de remplissage de la chambre de pompage 110, par l'intermédiaire de la valve d'entrée 136. Inversement, lorsque la cam 4t00 est déplacée de son point mort bas vers le point mort haut, le chariot 300 et le piston 120 sont déplacés vers la droite des figures 1 et 2. Le piston est alors déplacé vers l'intérieur de la chambre de pompage 110 et tend à vider celle-cl. Le' fluide aspiré précédemment dans la chambre de pompage 110 est alors évacué par l'intermédiaire de la valve de sortie 146. De préférence, les points morts bas et haut de la came 400 sont décalés angulairement de 90* par rapport à l'axe de la came 402. Plus précisément, le profil extérieur de la came 400 allant du point mort haut au point mort bas et correspondant à la phase d'aspiration, donc de remplissage de la chambre de pompe 110, présente une ouverture angulaire de l'ordre de 90. Par contre le profil extérieur de la came 400 allant du point mort bas au point mort haut et correspondant à la phase de refoulement du liquide à l'extérieur de la chambre de pompage 110 présente une ouverture angulaire de l'ordre de 2700. Le drapeau 404 précité est avantageusement formé d'un secteur annulaire centré sur l'axe 402 et présentant une ouverture angulaire identique à l'un des deux profils précités c'est-à-dire soit 900 pour coïncider avec le profil d'aspiration allant du point mort haut au point mort bas, soit 270Q pour coTncider avec le profil de refoulement allant du point mort bas au point mort haut. Le drapeau 404 est solidaire de la came 400. Il est cependant déphasé par rapport au profil d'aspiration associé d'un angle identique au déphasage existant entre la fourchette de détection 220 et le point de contact du galet 312 sur la came 400. Selon le mode de réalisation préférentiel représenté sur les figures annexées, le drapeau 404 présente une ouverture angulaire.de 90 , correspondant à l'ouverture angulaire du profil d'aspiration de la came 400 allant du point mort haut au point mort bas et le drapeau 404 est décalé de 900 par rapport au profil d'aspiration de la came 400 allant du point mort haut au point mort bas, dans la mesure o Ila fourchette de détection 220 est décalée de 90: par rapport au point de contact du galet 312 sur la came 400, en référence à l'axe de l'arbre 402. Comme indiqué précédemment, selon la présente invention, les moyens de commande 600 sont conçus pour ramener le piston 120 dans- une position d'initialisation prédéterminée, après injection d!un volume requis, et avant toute injection d'un volume suivant. De préférence, la position d'initialisation prédéterminée du piston correspond à la position Initiale d'une course de refoulement, c'est-à-dire au point mort bas de la came 400e tel qu'illustré sur les. figures annexées. Cependant, afin d'éviter toute injection accidentelle par la valve de sortie 146 lors de Il'initialisation du piston, les moyens 600 sont adaptés, en coopération avec le fourchette 220, pour déterminer. la position occupée par la came rotative 400 lors de la détection de l'achèvement d'injection d'un volume requis. Les moyens de commande 600 contrôlent alors le sens de rotation du moteur 500 entrainant la came 400 de telle sorte que lors du déplacement du piston 120 vers sa position d'initialisation, la came rotative 400 soit toujours entrainée vers son point mort bas. Plus précisément encore, lorsqu'à la détection de l'ache- vement de l'injection d'un volume requis, la came 400 est positionnée sur son profil de refoulement (cest-à-dire que le galet 312 repose contre le profil de la came compris entre le point mort bas et le point mort haut) le sens de rotation du moteur 500 est Inversé pour ramener le piston 120 vers sa position d'initialisation. Par contre, lorsqu'à la détection de l'achèvement de l'injection d'un volume requis, la came 400 est positionnée sur son profil d'aspiration (cest-à-dire que le galet 312 repose contre le profil de la came 400 compris entre le point mort haut et le point mort bas), le sens de rotation du moteur. est maintenu identique au sens normal de rotation illustré sur la figure 1, pour assurer le déplacement du pîstoff- 120 vers la position d'initialisation. Selon le mode de réalisation particulier du drapeau 404, précédemment décrit et illustré sur les figures annexées, selon lequel le drapeau 404 est formé d'un secteur annulaire de même ouverture angulaire que le profil d'aspiration de la came 400, c'est-à-daire que le profil allant du point mort haut au point mort bas, le contr8ôle du moteur. 500 pour assurer la réinitialisation du piston 120 est assuré cormme suit. Lorsqu'à la détection de lachèvement de l'injection d'un volume requis, le drapeau 404 n'est pas placé entre les branches de la fourchette 22È, le sens de rotation du moteur 500 est inversé par rapport au sens normal, jusqu'à atteinte du point mort bas. Par contre, lorsqu'à la détection de I'achèvement de l'injection d'un volume requis le drapeau 404 est placé entre les branches de la fourchette 220, le sens de rotation du moteur 500 est maintenu identique au sens normal de rotation pour assurer la réinitialisation du moteur 120. 26269 39 Ce processus est illustré sur la figure 3. Tout pendant que l'obtention d'un volume requis n'est pas détectée à l'étape 702, l'injection d'un échantillon et/ou d'un solvant est opérée par aspiration et refoulement successifs à l'étape 700. Lorsque l'obtention du volume requis est déterniinée à l'étape 702, les moyens 600 examinent la position de la came rotative à l'étape 704. Si la came est positiorinée sur sa plage d'aspiration, c'est-àa-dire que le drapeau '404 est détecté au niveau de la fourchette 220, la réinitialisation du piston 120 est assurée sans inversion du sens de rotation du moteur, par les étapes 706 et 708. Par contre, si à - l'étape 704, la camrne rotative n'est pas détectée sur sa plage d'aspiration, c'est-à-dire que le drapeau 404 n'est pas détectéentre les deux branches de la fourchette 220, la réinitialisation du piston 120 est assurée par inversion du sens de rotation du moteur 500 par les étapes 707 et 708. On notera que les points morts bas et haut de la came 400 coïncident avec la détection des extrémités du drapeau 404 par la fourchette 220. De préférence et de façon connue en soi, le refoulement (déplacement de la came 400 de son point mort bas vers son point mort haut) comprend une phase initiale de pré-compression, ' vitesse rapide, du liquide contenu dans la chambre de pompage 110, afin d'atteindre rapidement la pression reqtiise en sortie de la valve 146, sur la colonne de chromatographie. Dans le cadre de la présente invention, le nombre N de pas requis pour assurer la course de pré-compression du piston 120, est déterminé sur la base de-la relation: N = NKP E P Vo dans laquelle NK représente le nombre de pas du moteur nécessaire pour assurer le déplacement du piston sur un centimètre, I1 E représente le paramètre de compressibilité du liquide injecté, P représente la pression requise, Vo représente le volume de la chambre du corps de pompe en cm5 et. S représente la surface du piston en cm2. Cette disposition permet l'obtention optimale de la pression requise quel que soit le liquide à injecter. La pression d'injection peut être contr&lee à l'aide d'un transducteur de pression placé en aval de la valve de sortie 146, et intrégé par exemple à la connexion de sortie 144, comme illustré sous la. référence 150 sur la figure 2. La valeur du paramètre de compressibilité E spécifique du liquide injecté peut être fournie aux moyens de commande 600, par- clavier, roue codeuse ou équivalent. Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit. En particulier la structure du corps de pompe précédemment décrit et illustré sur Ies figures annexées peut faire l'objet de nombreuses variantes. R E V E N D I C A T I O N S 1. Pompe comportant au moins un corps de pompe (160) comprenant une chambre (110) communiquant par des valves d'entrée (136) et de sortie (146)-avec une conduite d'entrée (130) et une conduite de sortie (140) respectivement, et un piston mobile (120) de façon étanche dans cette chambre, ainsi. qu'un actionneur cyclique du genre came rotative (400) coopérant avec ce piston (120) pour le faire coulisser, et un moteur (500) entraînant la came, caractérisée par le fait qu'elle comprend des moyens de contrôle (404, 220, 600) aptes à ramener le piston (120) dans une position d'initialisation prédéterminée après -10 l'injection d'un volume requis et avant injection d'un -volume suivant. 2, Pompe selon la revendication 1, caractérisée par le fait que la position d'initialisation prédéterminée du piston (120) correspond à la position initiale d'une course de refoulement. 3. Pompe selon l'une des revendications I ou 2, caractérisée par le fait que les moyens decontrôle (404, 220, 600)' sont adaptés pour déterminer Ia.position occupée par la came rotative (400) lors de la détection de l'achèvement d'injection d'un volume requis afin de contrôler le sens de rotation du moteur (500) entraînant la came (400), au cours du déplacement du piston (120) vers la position d'initialisation prédé- terminée, de telle sorte que lors de ce déplacement la came rotative (400) soit toujours entraînée vers son point mort bas. 4. Pompe selon l'une des revendications I à' 3, caractérisée par le fait que les moyens de contrôle (404, 220, 600) sont adaptés pour déterminer la position occupée par la came rotative (400) lors de la détection de l'achèvement d'injection d'un volume requis, et pour inverser le sens de rotation du moteur (500), lors de la réinitialisation du piston (120) si la came rotative (400) est positionnnée sur son profil de refoulement lors de ladite détection, et au contraire ne pas Inverser le sens de rotation (500) lors de la réinitialisation du piston (120) si la came rotative (400) est positionnée sur son profil d'aspiration lors de ladite détection. 5. Pompe selon l'une.des revendications I à 4, caractérisée - par le fait que les moyens de contr8le comprennent un drapeau (404) solidaire de la came rotative (400), formé d'un secteur annulaire centré sur la came (400) et présentant une ouverture angulaire identique à l'ouverture angulaire du profil d'aspiration de la came, et une fourchette de détection optique (220) associée. 6. Pompe selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée par le fait que les moyens de contrôle comprennent. un drapeau (404) solidaire de la came rotative {400) formé d'un secteur annulaire centré sur la came (400) et présentant une ouverture angulaire identique à l'ouverture angulaire du profil de refoulement de la came (400) et une fourchette de détection optique associée (220). 7. Pompe selon la revendication 5, caractérisée par le fait que le drapeau (404) en forme de secteur annulaire présente une ouverture angulaire de l'ordre de 90%. L. Pompe selon l'une des revendications I à 5, caractérisée par le fait que les moyens de contrôle comprenne nt un drapeau (404) solidaire de la came rotative (400) formé d'un secteur annulaire centré sur la came et présentant une ouverture angulaire identique à l'ouverture angulaire du profil d'aspiration de la came, et une fourchette de détection optique (220) associée, et que les moyens de contrôle (600) sont adaptés pour inverser le sens de rotation du moteur lors de la réinitialisation du piston si le drapeau (404) n'est pas placé entre les branches de la fourchette (220) lors de la détection de l'achèvement de l'injection d'un volume requis, et pour assurer la réinitialisation du piston sans inverser le sens de rotation du moteur si au contraire le drapeau (404) est placé entre les branches de la fourchette (220) lors de la détection de l'achèvement de l'injection d'un volume requis. 9. Pompe selon l'une des revendications I à 8, caractérisée par le fait que le moteur est un moteur pas à pas (500). 10. Pompe selon l'une des revendications I à 9, caractérisée par le fait que le moteur d'entratnemerit (500) est un moteur pas à pas et la course de refoulement du piston comprend une phase initiale de prcompression, le nombre-de pas du moteur 'requis pour la phase de précompression étant déterminé par les moyens de contrôle (600) sur la base de la relation: N NK E P Vo - - s dans laquelle NK représente le nombre de pas du moteur nécessaire pour assurer le déplacement du piston sur un centimètre, E représente le paramètre de compressibilité du liquide injecté, P représente la pression requise, - Vo représente le volume de la chambre du corps de pompe en cm3 et S représente la surface du piston en cm2.