Brevet FR2688469A1 — publié le 19930917

Dispositif d'injection séquencée d'une dose d'un liquide cryogénique La présente invention concerne un dispositif d'injection séquencée d'une dose d'un liquide cryogénique, notamment d'azote liquide, du type comprenant un réservoir de liquide cryogénique muni d'une conduite à orifice calibré. Elle s'applique notamment à la pressurisation et à l'inertage de récipients, par vaporisation d'azote liquide. Les fabricants de récipients, en particulier de boîtes métalliques pour liquides de grande consommation, tels que les boissons, ont été amenés, pour des raisons de prix de revient, à utiliser des épaisseurs de matière, en particulier de métal, de plus en plus réduites. Il en résulte une diminution de la résistance mécanique de ces récipients et un danger d'écrasement lorsqu'on les empile les uns sur les autres. Un problème similaire se pose avec des récipients, tels des bouteilles en matière plastique, notamment en PET, dont la rigidité est insuffisante. Si les récipients contenant un produit dégageant un gaz par lui-même, par exemple une boisson carbonatée, résistent relativement bien à l'écrasement, il n'en est pas de même pour les récipients renfermant un liquide non gazeux, par exemple une boisson plate telle que l'eau minérale, un jus de fruit, etc. On procède dans ce cas à une pressurisation artificielle des récipients, avant la fermeture ou le sertissage de leur couvercle, par introduction d'une dose de gaz liquéfié, généralement de l'azote, voire de l'argon, ce qui permet de résoudre le problème de l'écrasement. Par ailleurs, l'introduction d'un tel liquide cryogénique dans un récipient permet d'en éliminer l'oxygène, ce qui résulte en une prolongation de la durée de conservation du produit, dans la mesure où la prolifération microbienne et les phénomènes d'oxydation sont réduits ou abolis. Toutefois, on a rencontré certaines difficultés pour injecter des doses égales de liquide cryogénique dans des récipients qui défilent sur des convoyeurs à une cadence très élevée, de l'ordre de plusieurs milliers ou dizaines de milliers de récipients par heure. Il est en effet important d'une part que chaque récipient reçoive une dose égale et la plus précise possible de liquide cryogénique, de sorte que la pression interne ne varie pas d'un récipient à l'autre. Si les récipients sont sous-pressurisés ou sur- pressurisés, ils se déformeront facilement soit lors de leur manipulation, et notamment lors de leur gerbage, soit en raison de la pression interne y régnant. On a déjà proposé d'injecter du liquide cryogénique dans des récipients au moyen d'un dispositif délivrant un filet continu dudit liquide cryogénique. Cependant, une partie du liquide cryogénique tombe sur les parois externes du récipient, ce qui peut avoir pour conséquence de tacher et d'endommager le récipient et entraîne une consommation excessive du liquide cryogénique. On a également proposé un dispositif permettant l'injection séquencée d'une dose de liquide cryogénique dans un récipient, le séquençage étant assuré par une électrovanne interrompant et autorisant alternativement l'écoulement de liquide cryogénique contenu dans un réservoir. L'utilisation de ces électrovannes est cependant très limitée dans la mesure où comme elles sont au contact d'un liquide cryogénique, elles ne réussissent pas à maintenir des cadences suffisamment élevées, et surtout, elles s'usent très rapidement. Leur durée de vie est en effet limitée à quelques certaines de milliers d'injections, après quoi il devient nécessaire de les remplacer. La présente invention obvie aux inconvénients précités en permettant d'injecter des doses de liquide cryogénique précises et égales d'un récipient à l'autre, et de traiter un très grand nombre de récipients par unité de temps, et ce, sans endommager les parois externes desdits récipients. Par ailleurs, les moyens mis en oeuvre selon l'invention, ne souffrant pas d'une usure due au contact avec un liquide cryogénique, peuvent être utilisés pour réaliser plusieurs millions d'injections. A cet effet, l'invention a pour but un dispositif d'injection séquencée dans des récipients d'une dose de liquide cryogénique, notamment d'azote liquide, du type comprenant un réservoir de liquide cryogénique muni d'une conduite à orifice calibré, caractérisé en ce que ladite conduite à orifice calibré débouche au-dessus d'un siège situé dans une enceinte comportant une chambre de remplissage pourvue d'une tubulure de sortie du liquide cryogénique débouchant à l'air libre, ledit siège formant la partie supérieure de la chambre de remplissage et coopérant avec un moyen d'obturation mobile disposé dans la chambre de remplissage et actionné par un flux gazeux acheminé par une conduite d'amenée dont l'extrémité aval est située dans la chambre de remplissage, ladite conduite d'amenée étant équipée d'un moyen autorisant ou non, alternativement et à la demande, l'envoi dudit flux gazeux vers son extrémité aval, en fonction du passage des récipients sous l'extrémité aval de ladite tubulure de sortie. Avantageusement, ledit moyen autorisant ou non, alternativement et à la demande, l'envoi d'un flux gazeux vers l'extrémité aval de la conduite d'amenée est une vanne d'arrêt, de préférence une électrovanne. Quelques exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale du dispositif selon l'invention ; - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale à plus grande échelle d'un détail de ce dispositif. Le dispositif représenté à la figure 1 est destiné à l'injection séquencée d'une dose d'azote liquide dans des récipients 18 tel des boîtes cylindriques en aluminium de faible épaisseur ou des bouteilles en matière plastique, qui défilent à grande vitesse sous l'extrémité d'une tubulure de sortie 7 d'azote liquide, en étant supportés par un convoyeur, par exemple un tapis roulant. Le dispositif de la figure 1 comporte un réservoir 1 isolé thermiquement, contenant de l'azote liquide 2, muni d'un couvercle 3 et dont le fond est fermé par une plaque 4 sur laquelle est fixée une enceinte 5. La plaque 4 est isolée par un capot 6, tous deux traversés par une tubulure de sortie 7. Cette dernière délimite au niveau du capot 6, une zone de confinement 8 dans laquelle débouche une conduite d'amenée 9 d'un flux de gaz comprimé, équipé d'une vanne 10 et, en amont de celle-ci, d'un détendeur 11 relié à une source de gaz (non représentée). Du détendeur 11 débouche également, en dérivation, de la conduite d'amenée 9, une autre conduite d'amenée 12, d'un flux gazeux comprimé, équipée d'une électrovanne 13, traversant le couvercle 3, l'azote liquide 2 contenu dans le réservoir 1 et pénétrant dans l'enceinte 5. L'électrovanne 13 est reliée à des moyens de signalisation du passage des récipients 18, ici des cellules photoélectriques 14 et 15. La cellule photo-électrique 15 est située au-dessous de la tubulure de sortie 7 et très légèrement en amont de celle-ci, selon le sens du défilement des récipients 18. La cellule photo-électrique 14 est située en amont, à une distance déterminée, de la cellule photoélectrique 15, et est mobile sur un axe substantiellement parallèle à celui du défilément des récipients 18, de sorte à pouvoir se positionner par exemple aux points marqués 16 et 17. Après passage des récipients 18, sous la tubulure de sortie 7, et injection d'une dose d'azote liquide 19 qui s'évapore progressivement 19' et 19", les récipients 18 sont sertis par un couvercle 20 au moyen d'un appareil adéquat, connu en lui-même (non représenté).La partie supérieure de l'enceinte 5 est traversée par une conduite 24 à orifice calibré 32, munie d'une électrovanne 25, et dont la partie haute est disposée dans le réservoir 1 d'azote liquide. Le niveau d'azote liquide dans le réservoir 1 est maintenu constant par un détecteur de niveau 21 relié à une électrovanne 22 équipant une conduite d'amenée 23 d'azote liquide provenant d'une source non représentée. Le maintien d'un niveau constant d'azote liquide dans le réservoir 1 assure à l'orifice calibré 32 une pression constante d'azote liquide égale à la colonne de liquide surmontant cet orifice. Le détail du dispositif selon l'invention représenté à la figure 2 permet de mieux voir que l'enceinte 5, disposée dans le réservoir 1 d'azote liquide, est fixée sur la plaque 4 par des moyens de fixation 26 et 27. L'enceinte 5 comporte une chambre de remplissage 28 dont la partie supérieure est constituée par un siège 29 coopérant avec un clapet 30. Ce dernier peut être de forme substantiellement tronconique et dans sa partie inférieure peut être aménagé un évidement. Le clapet 30 est également représenté en tireté en position basse 30'. Le clapet 30 est constitué d'un matériau de faible densité, par exemple du polyéthylène. Le clapet 30 est maintenu dans la partie supérieure de la chambre de remplissage 28 par l'extrémité aval 31 de la conduite d'amenée 12 du flux gazeux, qui débouche au-dessous dudit clapet 30 et peut s'inscrire dans l'évidement ménagé dans sa partie inférieure. La conduite 24 à orifice calibré 32, traverse la partie supérieure de l'enceinte 5, pour déboucher co-axialement au-dessus du siège 29. La partie haute de la conduite 24 est reliée à l'électro- vanne 25 par un raccord 33. Les parois internes 34 de la chambre de remplissage 28 sont, en partie, inclinées vers l'extrémité amont 35 de la tubulure de sortie 7. En vue de l'injection d'une dose d'azote liquide dans des récipients au moyen du dispositif décrit ci-dessus, on procède comme suit on ouvre la vanne 10 et l'électrovanne 22 et ultérieurement, après remplissage du réservoir 1 en azote liquide, on ouvre 1 'électrovanne 25. on fait défiler alors les récipients 18 à traiter vers le dispositif de l'invention. L'ouverture de l'électrovanne 13 autorise le passage d'un flux de gaz comprimé dans la conduite 12, qui va déboucher dans la chambre de remplissage 28 sous le clapet 30, ce dernier passant alors en position haute, de sorte à obturer le siège 29. Le gaz comprimé peut être de nature quelconque, mais de préférence il consiste en de l'azote ou un gaz ou un mélange de gaz dont le point de liquéfaction est inférieur ou égal à la température de l'azote liquide, à la pression atmosphérique. Le gaz comprimé est avantageusement sec, la conduite d'amenée 12 peut avantageusement suivre un trajet dans le réservoir 1 d'azote liquide défini, de sorte que le gaz qui y circule soit suffisamment refroidi pour ne pas vaporiser l'azote liquide pénétrant dans l'enceinte 5. Dans la mesure où le clapet 30 obstrue le siège 29, l'azote liquide provenant du réservoir 1 et s'écoulant au travers de la conduite 24 à orifice calibré, ne peut pénétrer dans la chambre de remplissage 28 par effet de contre-pression. Lorsque l'électrovanne 13 est fermée, le passage de flux de gaz comprimé dans la conduite 12 est interrompu, le clapet 30 passant alors en position basse 30'. L'azote liquide provenant du réservoir 1 passe dans la conduite 24 à orifice calibré, généralement après un temps de latence de l'ordre de 10 millisecondes, puis au travers du siège 29, s'écoule sur le clapet 30 en position basse 30' et vient se rassembler dans le fond de la chambre de remplissage 28. Le diamètre de l'orifice calibré 32 est choisi en fonction d'un débit déterminé en azote liquide.Lorsque l'électrovanne est à nouveau ouverte et donc qu'un flux de gaz comprimé vient repousser le clapet 30, de sorte qu'il obstrue le siège 29, le cheminement de l'azote liquide dans la chambre de remplissage 28 est à nouveau interrompu. Le flux de gaz comprimé pénétrant dans la chambre de remplissage 28 pousse l'azote liquide accumulé dans ladite chambre, dans la tubulure de sortie 7 dont le diamètre permet le contrôle de la contre-pression s' exerçant sur le clapet 30, outre le débit du flux gazeux provenant de la conduite d'amenée 12. Le diamètre interne de la tubulure de sortie 7 est, à cet effet, habituellement compris entre 1 et 5 mm. Par ailleurs, un flux de gaz provenant de la conduite d'amenée 9 pénètre dans la zone de confinement 8, de sorte à éviter les condensations ou le givrage au niveau de la tubulure de sortie 7. Comme indiqué plus haut, l'ouverture et la fermeture de l'électrovanne 13 sont commandées en fonction du passage des récipients 18 sous l'extrémité aval de la tubulure de sortie 7. Selon le dispositif représenté à la figure 1, la fermeture de l'électrovanne 13 est commandée par la détection par la cellule photo-électrique 14 du passage d'un récipient 18 dans lequel on souhaite injecter une dose d'azote liquide. Comme précisé ci-dessus, la fermeture de l'électrovanne 13 autorise le passage de l'azote liquide dans la chambre de remplissage 28. L'ouverture de l'électrovanne 13 est commandée par la détection du début du passage du même récipient 18 par la cellule photo-électrique 15, de sorte à interrompre l'entrée de l'azote liquide dans la chambre de remplissage 28.Cette dernière est alors vidangée quasi-instantanément de l'azote liquide qu'elle contient et qui s'écoule dans la tubulure de sortie 7 pour être injectée dans ledit récipient 18. Ainsi, le temps de remplissage de la chambre 28, et donc le volume de la dose d'azote liquide injecté, est directement réglé par la position des cellules photo-électriques 14 et 15 et la distance les séparant. Si l'on souhaite ralentir le défilement des récipients, par exemple dans le cas où les récipients 18 sont de dimensions plus importantes, on peut adapter le temps de remplissage de la chambre 28 et le volume de la dose d'azote liquide à injecter, en déplaçant la cellule photo-électrique 15 en position 16 ou, si l'on met en oeuvre une vitesse de défilement plus basse encore, en position 17, de sorte à rapprocher les cellules photo-électriques 14 et 15. Bien entendu, si à l'inverse on veut accélérer le défilement des récipients, on éloignera l'une de l'autre lesdites cellules. Le déplacement de la cellule photo-électrique 14 peut être, le cas échéant, automatisé, par exemple au moyen d'un tachymètre relié à un servomoteur déplaçant la cellule photo-électrique 14 en translation. Il est également possible de déplacer cette cellule 14 en rotation par un même moyen. On peut également disposer de plusieurs cellules photoélectriques commandant l'ouverture de l'électrovanne 13, positionnées à des intervalles déterminés et à distance de la cellule photoélectrique 15, l'une ou l'autre de ces cellules étant mise en oeuvre en fonction de la vitesse de défilement choisi des récipients 18. Chacune de ces cellules peut être commandée, par exemple, par des relais à seuils eux-mêmes commandés par un tachymètre permettant de sélectionner la vitesse de défilement requise des récipients 18. Par ailleurs, il est également possible de commander l'ouverture et la fermeture de l'électrovanne 13 et donc de déterminer le temps de remplissage de la chambre 28 au moyen d'une ou plusieurs temporisation(s) reliée(s) à ladite électrovanne 13 et réglée(s) à une valeur constante et définie, additionnée à un temps de passage d'un récipient devant deux cellules photo-électriques disposées à une distance déterminée. En outre, on peut commander la fermeture de l'électrovanne 13 au moyen de la seule cellule photo-électrique 15, sa fermeture étant commandée au moyen d'une ou plusieurs temporisation(s) réglée(s) à une valeur constante et définie en fonction de la vitesse de défilement des récipients 18. Selon un autre mode de réalisation de l'invention, le moyen autorisant ou non, alternativement et à la demande, le passage du flux de gaz vers l'extrémité aval 31 de la conduite d'amenée 12, peut être constitué par un système mécaniquement synchronisé en fonction du passage des récipients 18 sous l'extrémité aval de la tubulure de sortie 7, comportant un boisseau tournant amenant un orifice d'arrivée de gaz comprimé devant un tiroir commandé par un servomoteur. L'exemple suivant illustre la présente invention. Exemple Au moyen du dispositif représenté aux figures 1 et 2, on injecte des doses d'azote liquide dans des boîtes métalliques défilant à des vitesses variables. La quantité d'azote injectée est fonction de la vitesse de défilement des boîtes métalliques. La fermeture de l'électrovanne 13 est commandée par la cellule photo-électrique 14 qui est déplacée en translation par rapport à la cellule photo-électrique 15 en fonction de la vitesse de défilement des boîtes métalliques. Ce déplacement de la cellule 14 est assuré par un servomoteur piloté par un tachymètre. Les différents paramètres intervenant, figurent dans le tableau ci-après, en fonction de la vitesse de défilement et du nombre de boîtes traitées par heure Azote liquide Temps de rem- Distance Vitesse Nombre de boîtes injecté plissage de entre les 3 (m/s) traitées/heure (cm3/boîte) la chambre 28 cellules (millisecondes) 14 et 15 (mm) 1 36 000 0,15 83 83 0,5 18 000 0,21 90 45 0,25 9 000 0,34 121 30 REVENDICATIONS 1. Dispositif d'injection séquencée dans des récipients (18) d'une dose de liquide cryogénique, notamment d'azote liquide, du type comprenant un réservoir (1) de liquide cryogénique muni d'une conduite (24) à orifice calibré (32), caractérisé en ce que ladite conduite (24) à orifice calibré (32) débouche au-dessus d'un siège (29) situé dans une enceinte (5) comportant une chambre de remplissage (28) pourvue d'une tubulure de sortie (7) du liquide cryogénique débouchant à l'air libre, ledit siège (29) formant la partie supérieure de la chambre de remplissage (28) et coopérant avec un moyen d'obturation mobile disposé dans la chambre de remplissage (28) et actionné par un flux gazeux acheminé par une conduite d'amenée (12) dont l'extrémité aval (31) est située dans la chambre de remplissage (28), ladite conduite d'amenée (12) étant équipée d'un moyen (13) autorisant ou non, alternativement et à la demande, l'envoi dudit flux gazeux vers son extrémité aval, en fonction du passage des récipients sous l'extrémité aval de ladite tubulure de sortie (7). 2. Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le moyen (13) est un système mécaniquement synchronisé en fonction du passage des récipients (18) sous l'extrémité aval de la tubulure de sortie (7), et comportant un boisseau tournant. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen (13) est une vanne d'arrêt, de préférence une électrovanne, dont l'ouverture et la fermeture sont commandées par des moyens adéquats (14, 15) en fonction du passage des récipients (18) sous l'extrémité aval de la tubulure de sortie (7). 4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'enceinte (5) est disposée dans le réservoir (1) de liquide cryogénique. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la conduite (24) à orifice calibré (32) est coaxiale avec le siège (29). 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le moyen d'obturation mobile (30, 30') est un clapet. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le clapet est maintenu dans la partie supérieure de la chambre de remplissage (28) par l'extrémité aval (31) de la conduite d'amenée (12). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'une au moins des parois internes (34) de la chambre de remplissage (28) est inclinée sur tout ou partie de sa hauteur vers l'extrémité amont (35) de la tubulure de sortie (7). 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la conduite d'amenée (12) traverse le réservoir (1) de liquide cryogénique. 10. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 9, caractérisé en ce que lesdits moyens adéquats (14, 15) commandant l'ouverture et la fermeture de la vanne d'arrêt (13) consistent en des moyens de signalisation du passage des récipients (18) et/ou une ou plusieurs temporisations. 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que lesdits moyens de signalisation (14, 15) consistent en un ou plusieurs détecteur(s) de proximité et/ou, de préférence, une ou plusieurs cellules photoél ectri ques. 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que lesdits moyens de signalisation (14, 15) sont disposés de sorte que l'un d'eux commande l'ouverture de la vanne d'arrêt (13) tandis qu'au moins un autre en commande sa fermeture. 13. Dispositif selon l'une des revendications 10 à 12, caractérisé en ce que l'un au moins desdits moyens de signalisation (14, 15) est mobile, soit en rotation, soit, de préférence, sur un axe substantiellement parallèle à celui du défilement des récipients (18).