Brevet FR2781209A1 — publié le 20000121

- 1 - DISTRIBUTEUR DE PRODUITS CREMEUX SOUS PRESSION MUNI D'UN PISTON ETANCHE DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne des boîtiers distribuant sous pression des produits de forte viscosité avec ou sans gaz émulsifiant, devant être séparés du gaz propulseur. Il s'agit par exemple de boîtiers distributeurs de produits pâteux ou crémeux, notamment de crèmes alimentaires. Les boîtiers visés plus particulièrement doivent répondre à un cahier des charges contraignant: a) ils doivent avoir une grande capacité, tout en respectant les réglementations nationales en vigueur concernant les appareils à pression. En l'occurrence, la réglementation européenne limite le volume maximal de tels boîtiers à un litre. b) il doit y avoir une séparation entre le produit et le gaz propulseur. Cela est particulièrement important lorsque le produit est mélangé intimement avec un gaz émulsifiant sous une pression de plusieurs atmosphères: I'injection du gaz émulsifiant doit s'effectuer très progressivement de telle sorte que le mélange acquiert une consistance caractéristique qui donne au produit l'onctuosité et la douceur recherchées. Le gaz émulsifiant utilisé ne peut être utilisé comme gaz de propulsion. Une injection brutale à une pression supérieure en fin de conditionnement entraînerait une modification brutale de la structure du produit et rendrait le distributeur totalement inefficace, en tout état de cause dénaturerait I'onctuosité recherchée du produit. Il faut donc un deuxième gaz, utilisé comme gaz propulseur et parfaitement séparé du produit intimement mélangé au gaz émulsifiant. Lorsqu'il s'agit de distribuer des produits pâteux ou crémeux alimentaires, on choisit l'azote comme gaz propulseur. c) le produit, éventuellement mélangé à un gaz émulsifiant, se présente sous la forme d'une pâte ou d'une crème fortement visqueuse, la viscosité étant comprise entre 100 et 100 000 centipoises dans le domaine de température visé. Il faut donc exercer un effort de propulsion suffisant pour faire sortir ce produit -2 - particulièrement visqueux du boîtier et le faire s'écouler au travers de la valve de distribution. d) Pour distribuer le produit visqueux, on introduit le gaz propulseur sous une pression comprise entre 6 et 20 atmosphères à la température ambiante. L'étanchéité de la séparation doit permettre de maintenir, tout au long de l'utilisation du boîtier et lorsque la valve est actionnée, une différence de pression suffisante entre la chambre contenant le produit et la chambre du gaz propulseur. Si un gaz émulsifiant a été introduit dans le produit, la séparation doit permettre également de respecter les spécificités des deux gaz. e) Dans le cas de produits alimentaires, le conditionnement peut imposer une phase de stérilisation avant remplissage du produit, le boîtier étant nettoyé par exemple à l'eau oxygénée, et une phase succédant au remplissage et à la mise sous pression, o le boîtier peut être porté à des températures très basses, notamment lorsqu'il s'agit de boîtiers distributeurs de crèmes glacées. Typiquement, le boîtier doit pouvoir assurer une bonne séparation entre produit et gaz propulseur dans le domaine de température: -40 C, +120 C. f) Il est envisagé pour ces boîtiers, dans le cas de leur utilisation par les professionnels du circuit alimentaire, qu'ils soient rechargeables, c'est-à-dire réutilisables après stérilisation et nouveau remplissage. ETAT DE LA TECHNIQUE Deux solutions sont envisagées pour réaliser une séparation entre le produit et le gaz propulseur: on réalise soit un boîtier à poche soit un boîtier à piston. En ce qui concerne le boîtier à poche, on peut choisir soit une poche métallique, soit une poche en matière plastique. En raison des dimensions relatives aux boîtiers de grande capacité (diamètre voisin de 80 mm, hauteur voisine de 300 mm), il n'est pas avantageux économiquement de choisir des poches métalliques: soit elles sont fabriquées classiquement par filage par choc et dans ce cas elles sont épaisses, transmettent imparfaitement la pression exercée par le gaz propulseur et augmentent fortement le poids total du boîtier, soit elles sont fabriquées par emboutissage-étirage -3- selon le procédé décrit dans la demande française FR 98 06560 déposée par la demanderesse mais le coût de la mise au point du procédé et des outillages n'est pas compatible avec le marché limité correspondant à ce type de boîtier. En ce qui concerne la poche plastique, il faut trouver un matériau polymérique qui puisse résister aux conditions thermiques particulières du cahier des charges décrites plus haut. Le polyéthylène Basse Densité présente l'avantage d'être un polymère bon marché avec une bonne résistance à la fissuration à basse température mais il présente l'inconvénient de fluer sous une faible charge - de l'ordre du MPa - à 100 C. io Mais la poche à réaliser a un tel diamètre (typiquement 40 mm à 80 mm) qu'il n'est pas possible de la réaliser séparément puis de l'enfiler dans le boîtier déjà conifié (diamètre d'ouverture d'un pouce): il est nécessaire soit de la réaliser in situ, soit d'enfiler une ébauche cylindrique dans l'ébauche cylindrique de boîtier et de conifier ensuite l'assemblage, par exemple en suivant le procédé décrit dans le brevet EP 0 547 982 de la demanderesse. Outre ces difficultés techniques et économiques, la poche se révèle peu étanche en raison de la perméabilité aux gaz élevée du polyéthylène. En ce qui concerne les boîtiers à piston, bien que nombre d'entre eux aient été décrits depuis de longues années, aucune solution industrielle convaincante n'a été trouvée. En effet, aucun piston connu à ce jour ne peut, pendant toute l'utilisation du boîtier, c'est-à-dire pendant au moins 6 mois après le conditionnement, coulisser librement à l'intérieur du boîtier tout en maintenant une séparation effective entre le produit et le gaz propulseur, en raison des fortes sollicitations mécaniques et thermiques imposées par le cahier des charges exposé plus haut. Le brevet américain US 3 255 936 décrit un boîtier destiné notamment à la distribution de crèmes à raser, de crèmes fouettées et de glaçages au sucre, muni d'un piston en forme de cuvette renversée, dont la périphérie est prolongée par une jupe cylindrique recouverte d'un hydrogel qui lui permet de coulisser dans le boîtier. -4- Le brevet GB 2 015 655 révèle d'autre part les difficultés rencontrées pour obtenir un piston qui puisse coulisser parfaitement à l'intérieur du boîtier tout en maintenant une certaine étanchéité entre produit et gaz propulseur. Il propose un piston également en forme de cuvette renversée prolongée par une jupe cylindrique rigide munie, à ses deux extrémités, de bossages annulaires et, en son milieu, de deux collerettes entourant un anneau en mousse. Le premier bossage, situé à la périphérie du fond, racle la paroi interne du boîtier. L'ensemble des collerettes et de l'anneau en mousse est destiné à maintenir une séparation aussi étanche que possible entre la chambre contenant le produit et la chambre contenant le gaz propulseur, soumis à une w pression inférieure à 9 atmosphères. De tels boîtiers ne peuvent pas garantir une séparation étanche du produit et du gaz propulseur dans les conditions extrêmes de contrainte et de température du cahier des charges. Pour illustrer la difficulté technique, on peut évoquer le fait qu'à l'heure actuelle, il n'est pas rare de rencontrer des boîtiers, initialement destinés à distribuer du gel à raser, qui distribuent en fait une mousse, ladite mousse étant le résultat de la fuite du gaz propulseur dans le gel. Ces boîtiers sont pourtant nettement moins sollicités thermiquement et mécaniquement que les boîtiers visés dans le cadre de la présente invention. PROBLEME POSE La demanderesse a cherché à surmonter ces difficultés et à réaliser dans des conditions industrielles économiquement satisfaisantes un boîtier qui permette de distribuer sous pression un produit dont la viscosité est supérieure à 100 centipoises (soit 0,1 Pa.s) - en particulier les crèmes pâtissières et glacières dont la viscosité est comprise entre 20 000 et 100 000 centipoises - tout en maintenant séparés de façon étanche le produit et le gaz propulseur rempli sous une pression initiale comprise entre 6 et 20 atmosphères à la température ambiante, ladite séparation devant rester effective pendant au moins 6 mois, ledit boîtier pouvant être soumis plusieurs fois à des températures comprises dans l'intervalle (-40 C; +120 C). -5- OBJET DE L'INVENTION Le boîtier distributeur selon l'invention est un boîtier à piston métallique en forme de cuvette prolongée par une paroi globalement cylindrique, caractérisé en ce que ladite paroi globalement cylindrique est munie d'un bossage en une de ses extrémités et d'une gorge annulaire, destinée à recueillir un joint d'étanchéité en son autre extrémité. Le piston est métallique, ce qui offre une barrière efficace à la diffusion du gaz o propulseur en direction du produit. Il comprend un fond et une paroi globalement cylindrique. La forme du fond du piston est une cuvette renversée. De façon à augmenter le taux de restitution du produit, on peut choisir une forme épousant celle du dôme qui supporte la valve, en prévoyant une cavité permettant de loger la partie inférieure de la valve et des canaux radiaux permettant d'alimenter cette cavité en produit en fin de course du piston. La hauteur de la paroi globalement cylindrique du piston est telle qu'elle favorise le guidage axial du piston dans le boîtier. Cette paroi globalement cylindrique n'entre pas en contact avec la paroi interne du boîtier sur toute cette hauteur, car le contact est assuré au niveau du bossage et du joint torique, situés chacun en une extrémité de ladite paroi cylindrique. On peut accentuer cette configuration en ménageant un évidement entre le bossage et le joint, le diamètre à ce niveau étant inférieur au diamètre du fond du piston (appelé par la suite diamètre du piston). Ceci permet non seulement de diminuer les efforts de frottement mais aussi d'évacuer, en les emprisonnant, les aspérités ou particules rencontrées sur la paroi interne et susceptibles d'entraver le bon coulissement du piston. Le bossage peut être situé au niveau du fond en forme de cuvette renversée et le joint peut être situé au niveau de l'extrémité ouverte de la paroi cylindrique du piston. Mais la demanderesse a constaté que la configuration opposée - joint situé au niveau du fond et bossage au niveau de l'extrémité ouverte de la paroi cylindrique du piston - est plus avantageuse. Le joint, en contact direct avec le produit, agit non pas -6- comme une racle sur la paroi interne du boîtier mais avance en laissant une "chemise ", c'est-à- dire, en reprenant le vocabulaire des fileurs de profils métalliques, une mince pellicule de produit adhérant à la paroi du boîtier. Lorsque le produit est particulièrement visqueux (consistence supérieure à 20 000 centipoise), cette chemise, par sa présence, participe à la bonne étanchéité de l'ensemble. Le bossage est situé sur l'extrémité ouverte et sert essentiellement de guide axial, son diamètre maxi étant de préférence légèrement inférieur au diamètre du piston, de telle sorte que le bossage n'est pas en contact avec la paroi interne du boîtier sur toute sa circonférence. Le rôle principal du bossage est de guider axialement le piston, en 1 empêchant tout coincement dudit piston par pivotement intempestif. De façon à assurer un bon guidage axial, la distance entre le bossage et la gorge est de préférence supérieure au rayon du boîtier. La paroi cylindrique du piston est munie, de préférence à la jonction avec le fond, d'une gorge apte à recevoir un joint torique. La section du joint torique est quelconque, la forme la plus simple étant le cercle. L'intégrité du joint, donc la qualité de l'étanchéité, dépend également de la forme de la gorge. Il faut notamment éviter le coincement du joint au cours du coulissement du piston par" extrusion " entre la paroi interne du boîtier et la paroi cylindrique du piston, car ce coincement risque d'entraîner rapidement la déchirure du joint. Pour cela, la gorge doit avoir une profondeur supérieure au rayon du joint et une largeur telle que la surface de la section de la gorge soit supérieure à celle de la section du joint torique. De la sorte, le fond de la gorge annulaire a une partie droite cylindrique verticale. De plus, les parois latérales doivent avoir une géométrie défavorable à l'extrusion du joint entre boîtier et piston au cours de son déplacement, c'est-à-dire être perpendiculaires à la paroi interne du boîtier sur une longueur suffisante, par exemple en rendant les congés de raccordement de ces parois avec la paroi globalement cylindrique du piston aussi faibles que possible. 3o Une précaution supplémentaire permettant d'éviter que le joint ne sorte de la gorge au cours de son déplacement et qu'il ne se coince entre la paroi interne du boîtier et la -7- paroi externe du piston, consiste à donner au joint torique une section avec un profil spécifique: - la partie active de contact avec la paroi interne du boîtier conserve une forme circulaire - la partie non active en contact avec la gorge du piston épouse le profil de la gorge la surface de l'ensemble ne devant pas dépasser la section de la gorge. La qualité du contact entre le joint et la paroi interne du boîtier dépend des différences de dureté, ou plutôt de rigidité entre le joint et le piston d'une part et entre 1o le joint et le boîtier d'autre part. Qu'il s'agisse du piston ou du boîtier, la demanderesse a constaté qu'il s'agissait avant tout de rechercher la meilleure rigidité circonférentielle: les sections orthogonales du boîtier et du piston peuvent éventuellement se déformer élastiquement, il suffit que les périmètres soient conservés, sous réserve que les axes principaux de déformation du piston et du boîtier restent à peu près identiques. On choisit donc de préférence un boîtier et un piston dans un matériau de même nature. Le boîtier est de préférence métallique, comme le piston. Les alliages d'aluminium sont des matériaux bien adaptés autant pour le boîtier que pour le piston. Ils sont éventuellement différents pour le piston et le boîtier. Les alliages choisis pour le piston font de préférence partie du groupe regroupant les alliages désignés 5182, 5052, 3104, 3105, 3003 et 8011 par l'Aluminium Association. Le piston est obtenu par exemple par emboutissage ou par emboutissageétirage puis moletage, ce qui permet d'obtenir dans des conditions économiques satisfaisantes une paroi cylindrique peu épaisse, de l'ordre de 0,2 à 1 mm. Une telle paroi est facilement déformable élastiquement mais reste rigide circonférentiellement. Le joint torique a une section telle qu'elle permet de compenser les variations dimensionnelles respectives du boîtier et du piston. Le boîtier métallique est en général réalisé par filage par choc, ou encore par emboutissage ou emboutissage- étirage. Le piston est préférentiellement réalisé par emboutissage ou emboutissage- -8- étirage. De la sorte, le cumul des tolérances de fabrication peut atteindre pour les géométries concernées (des diamètres voisins de 80 mm) un écart de 0,6 mm, que le joint torique doit pouvoir " absorber" sans perte d'efficacité au niveau de la séparation étanche entre le gaz propulseur et le produit et sans risque de pincement par " extrusion " entre la gorge du piston et la paroi interne du boîtier. Dans ce but, avec les géométries visées, les congés extérieurs de la gorge du piston destinée à recevoir le joint ne doivent pas être supérieurs à 1,5 mm. De plus, le diamètre circonscrit de la section du joint torique dépasse de préférence 5 mm, de o10 façcon à ce que le joint ne soit pas trop comprimé lorsque le piston est fabriqué avec un diamètre maximum et le boîtier avec un diamètre interne minimum. De manière générale, il est préférable de choisir un joint torique dont le diamètre circonscrit de la section est supérieur à cinq fois le jeu admissible entre le diamètre du piston et le diamètre de la paroi interne du boîtier. Bien que ces matériaux aient en général des propriétés d'adhérence qui ne facilitent pas a priori le glissement du piston, la demanderesse préconise pour le joint torique une matière plastique élastomérique ou un silicone. La matière plastique élastomérique peut être choisie parmi les nitriles, butyles, nitriles hydrogénés, terpolymères (éthylène, propylène, diène), fluoroélastomères, etc.... ou leurs alliages ou leurs mélanges. Le joint peut également être en silicone ou en silicone mélangé avec les matériaux élastomériques précédents. Pour faciliter la formation de la chemise, le joint doit avoir une dureté minimale, supérieure à 45 Shore A., de préférence comprise entre 45 et 85 Shore A, suivant la viscosité du produit à conditionner. En effet, pour conserver une bonne souplesse permettant de maintenir la séparation malgré le jeu variable entre boîtier et piston, il est souhaitable que la dureté du joint ne dépasse pas 85 Shore A. Pour faciliter le glissement, des additifs tels que des stéarines, stéarates, érucamides, etc... peuvent éventuellement être employés mais ils ne sont en général pas nécessaires. En ce qui concerne les distributeurs de crèmes alimentaires, le matériau du joint doit de plus être adapté aux conditions exigées d'hygiène alimentaire. -9- Une telle configuration a été développée pour les boîtiers de grande contenance mais reste tout à fait adaptée aux boîtiers de plus faible capacité (moins de 1 litre), devant distribuer sous pression des produits de forte viscosité et devant être protégés du gaz propulseur. De même, ces boîtiers peuvent tout à fait convenir également à des utilisations associées à des sollicitations thermiques et mécaniques moins contraignantes. MODES DE REALISATION DE L'INVENTION - EXEMPLE Le procédé selon l'invention sera mieux compris par la description détaillée d'un boîtier distributeur de crème pâtissière, cette dernière ayant une viscosité voisine de 000 centipoises, exposé ici à titre d'exemple non limitatif. La figure 1 représente le piston utilisé pour un boîtier distributeur selon l'invention. La figure 2 illustre le boîtier distributeur muni du piston métallique de la figure 1 et d'un joint d'étanchéité. Le piston 1 illustré en figure 1 comporte un fond 2 en forme de cuvette renversée et une paroi 3 globalement cylindrique. Les extrémités de cette paroi sont munies d'un bossage 4 du côté de l'extrémité ouverte 6 et, à la jonction avec le fond 2, d'une gorge annulaire 5. Destinée à accueillir un joint torique (repéré 10 sur la figure 2) dont la section circulaire a un diamètre voisin de 5,5 mm, cette gorge annulaire 5 a une profondeur radiale de 4,6 mm environ et une largeur L supérieure à 6 mm de telle sorte que le fond de la gorge annulaire 5 présente une partie cylindrique. La surface de la section de la gorge est supérieure à celle de la section du joint torique 10. Les parois latérales 9 de la gorge 5 sont droites et horizontales sur une longueur suffisante, grâce à des congés 11 de raccordement avec la paroi cylindrique 3 de quelques dixièmes de millimètre. -10- Le diamètre du fond D1 est supérieur au diamètre D2 de la paroi extérieure de l'évidement 7 situé entre le bossage 4 et le joint torique 10. Le bossage 4 a un diamètre maxi D3 légèrement inférieur au diamètre D1 du fond, appelé diamètre du piston. Le boîtier 20, illustré en figure 2, a une capacité de 1,25 litre. On réalise d'abord une ébauche en filage par choc. Le boîtier 20 est en alliage 1050, a un diamètre de 80 mm et une hauteur finale de 280 mm. L'épaisseur de la paroi cylindrique est voisine de 0,46 mm. Sa paroi interne est recouverte d'un vernis époxy. Un piston 1 identique à celui illustré en figure 1 est placé dans l'ébauche de boîtier qui est ensuite conifiée pour obtenir un orifice 21 délimité par un bord roulé 22, sur lequel une coupelle de valve (non représentée) est sertie. Le piston divise le volume interne du boîtier en deux chambres: la chambre inférieure 26 destinée à recevoir le gaz de propulsion et la chambre supérieure 23, destinée à recueillir le produit à distribuer. La crème est versée dans la chambre 23, alors que le piston repose sur le fond 24 du boîtier. La coupelle munie de la valve de distribution est sertie sur le bord roulé 22 puis le gaz de propulsion est injecté sous une pression de 15 atmosphères dans la chambre inférieure 26 par l'intermédiaire du trou aménagé dans le fond 24 du boîtier, bouché ensuite à l'aide d'un bouchon de gazage 25. Le piston a été obtenu par emboutissage d'une tôle vernie en 8011. Son épaisseur est voisine de 35 centièmes de millimètres. La forme finale est obtenue par étirage puis moulurage pour obtenir le profil voulu. Grâce à cette forme épousant celles du col du boîtier et du fond de la valve, le fond 2 permet un taux de restitution du produit très élevé, supérieur à 95%. La hauteur de la paroi cylindrique du piston, imposant la distance entre le joint et le bossage, est voisine du rayon du boîtier, ce qui permet un bon guidage axial. Le bossage a une hauteur radiale de 2 mm par rapport à la surface de l'évidement 7. Les diamètres D1, D2 et D3 sont respectivement égaux à 78,6 mm, 74 mm et 78 mm. - 11 - Le bossage a un diamètre D3 légèrement inférieur au diamètre du piston Dl: il n'est pas en contact continu sur toute la périphérie avec la paroi interne du boîtier. Le joint est un tore de section circulaire, de diamètre voisin de 5,5 mm. Il est en silicone et a une dureté Shore 60 A. La séparation entre produit et gaz de propulsion est maintenue dans des conditions satisfaisantes au cours du temps. Un mois après le conditionnement, la pression dans la chambre 26 n'a diminué que de 0,05 atmosphère. Au bout de 6 mois, la pression a chuté de 0,5 atmosphères et la crème pâtissière n'est pas altérée. AVANTAGES * La hauteur de la paroi cylindrique du piston est telle qu'elle permet au piston de reposer sur le fond du boîtier dans une position stable au moment du remplissage du produit et de l'injection du gaz émulsifiant. * Le joint torique de grande section assure une bonne séparation entre le produit et le gaz propulseur, quel que soit le jeu dû aux tolérances de fabrication. La grande surface occupée par le fond métallique du piston et la faible surface occupée par le joint torique permettent de respecter les spécificités du gaz propulseur et du gaz émulsifiant tout au long de l'utilisation du boîtier, c'est-à-dire pendant au moins 6 mois. - 12- REVENDICATIONS 1. Piston (1) pour boîtier distributeur (20) sous pression de produits visqueux, comportant un fond (2) en forme de cuvette renversée prolongée par une paroi cylindrique (3), caractérisé en ce que ladite paroi cylindrique (3) est munie d'un bossage (4) en une de ses extrémités (6) et d'une gorge annulaire (5), destinée à recueillir un joint d'étanchéité (10), en son autre extrémité. 2. Piston selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est métallique. 3. Piston selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est en un alliage d'aluminium appartenant au groupe regroupant les alliages 5182, 5052, 3104, 3105, 3003 et 8011 selon la désignation normalisée de l'Aluminium Association. 4. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il existe sur la paroi cylindrique (3) un évidement (7) entre ledit bossage (4) et ledit joint d'étanchéité (10). 5. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le joint (10) se trouve à la jonction entre ledit fond (2) et ladite paroi cylindrique (3) et en ce que le bossage (4) est situé sur l'extrémité ouverte (6) de ladite paroi cylindrique. 6. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la gorge (5) destinée à accueillir ledit joint torique (10) a une profondeur radiale supérieure au rayon de la section du joint et une hauteur L supérieure au diamètre de la section du joint. 7. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la paroi du piston a une épaisseur inférieure à 1 mm. 8. Piston selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est obtenu par emboutissage ou emboutissage-étirage d'une tôle mince vernie puis moletage. - 13- 9. Boîtier (20) distributeur sous pression de produits de forte viscosité, caractérisé en qu'il est muni d'un piston (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 et d'un joint torique (10) en une matière appartenant au groupe regroupant les matières plastiques élastomériques et les silicones, ainsi que leurs mélanges. 10. Boîtier distributeur selon la revendication 9, caractérisé en que ledit joint torique (10) a une section, dont le diamètre du cercle circonscrit est supérieur à 5 fois le jeu admissible entre le diamètre du piston et le diamètre du boîtier. 11. Boîtier distributeur selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que ledit joint d'étanchéité (10) a une dureté supérieure à 45 Shore A. 12. Boîtier distributeur (20) caractérisé en qu'il permet de distribuer sous pression des i5 produits de viscosité supérieure à 100 centipoises, en particulier ceux dont la viscosité est comprise entre 20 000 et 100 000 centipoises, tout en maintenant une séparation effective pendant au moins six mois entre le produit et le gaz propulseur.