Brevet FR2791050A1 — publié le 20000922

BEC DE REMPLISSAGE A CLAPET ADAPTE NOTAMMENT POUR L'EAU, INTEGRE DANS UN DISPOSITIF A CARROUSEL La présente invention concerne un bec de remplissage à clapet, notamment pour le remplissage de bouteilles d'eau, monté dans un dispositif à carrousel à très haute cadence. Dans les sociétés de mise en bouteilles de liquides notamment d'eau de source, le remplissage doit être d'une grande précision, d'une grande rapidité et doit éviter les pertes d'eau pour ne pas gaspiller des ressources naturelles. De plus, compte tenu de la pureté de l'eau mise en bouteille il convient que cette eau soit conduite jusque dans la bouteille sans qu'il y ait un retour d'air environnant dans la cuve d'alimentation. La grande précision concerne le volume délivré qui se traduit dans la bouteille par un niveau à une hauteur donnée et constante d'une bouteille à l'autre. Un procédé bien connu consiste à utiliser la gravité ou une légère surpression dans la cuve d'alimentation pour permettre l'écoulement gravitaire ou sous légère pression du liquide à travers un bec de remplissage. Un tel bec comprend des moyens d'étanchéité avec le goulot de la bouteille, un tube de remplissage avec une tête de fermeture, ce tube étant mobile entre deux positions l'une ouverte, décollé de la tête dans laquelle le liquide s'écoule et l'autre fermée, en appui étanche sur la tête, dans laquelle l'écoulement est interrompu. Pour que l'écoulement soit possible, il faut aussi, en plus du mouvement du tube de remplissage, que l'air contenu dans la bouteille puisse s'échapper hors de la bouteille, à travers un conduit dit de retour d'air. Dès que le liquide disposé dans la bouteille atteint le niveau de l'entrée de ce conduit, il y a interruption de l'écoulement. Dans la pratique, le problème n'est pas aussi simple car d'autres paramètres comme le temps d'emplissage, les volumes des bouteilles, la conformation de ces bouteilles peuvent avoir une importance primordiale pour atteindre les cadences recherchées, surtout quand elles sont à très hautes cadences. C'est ainsi que dans le cas o les bouteilles défilent à 40 000 unités à l'heure, le temps de remplissage d'une bouteille d'un litre et demi, même en multipliant le nombre de becs sur les carrousels, doit être de l'ordre de quelques secondes, sauf à prévoir des installations démesurées. Aussi, l'écoulement du liquide dans la bouteille doit s'effectuer dans les meilleures conditions et simultanément, I'arrêt de l'écoulement doit être très précis. On note que pour une mise à niveau il serait possible de procéder de façon connue. Selon cette méthode, après remplissage en surplus au-dessus du niveau requis dans la bouteille, on procède à une aspiration du trop plein d'eau au moyen d'une canule de mise à niveau réglée à une hauteur donnée. Dans le cas de l'eau de source par exemple, une telle aspiration est possible mais il est interdit de réintroduire cette eau aspirée dans le réservoir d'alimentation sous peine de polluer l'eau de source directement puisée. Si le procédé utilise une canule, cette eau aspirée doit être rejetée et considérée comme une perte, ce qui n'est pas souhaitable pour des raisons financières mais aussi à cause des limites des ressources naturelles. Il faut donc procéder à un arrêt de l'écoulement avec une mise à niveau simultanée à cet arrêt et non à une opération particulière ultérieure dans le carrousel. Il convient aussi de prévoir un mécanisme simple en sorte d'éviter toute perte de fiabilité d'une telle machine de remplissage car tout arrêt intempestif d'une telle chaîne est en effet fortement préjudiciable à l'utilisateur. Pour que l'écoulement de l'eau soit aussi rapide que possible, il faut aussi que l'échappement de l'air soit adapté. Il convient que l'air évacué ne perturbe pas l'écoulement de l'eau en déviant les veines d'eau, voire en mettant en torche ledit bec, c'est à dire que de l'eau est directement aspirée dans le flux d'air. Dans le domaine de la mise en bouteille, particulièrement pour l'eau, I'aspect pollution bactérienne est à prendre en compte de façon très pointue. Ainsi, le bec doit éviter de présenter des zones de rétention susceptibles de permettre la prolifération de bactéries et de préférence le bec doit être facile à nettoyer, notamment par un simple passage de fluide de désinfection. Le bec selon la présente invention vise à répondre à l'ensemble des conditions indiquées ci-avant. A cet effet, selon l'invention, le bec de remplissage de liquide, à clapet, notamment prévu pour être monté sur des machines à carrousel et à haute cadence, se caractérise en ce qu'il comprend un tube de retour d'air avec un canal central avec une tête solidaire de ce tube, et un tube d'écoulement du liquide, coaxial extérieur, le tube de retour d'air et le tube d'écoulement étant mobiles l'un par rapport à l'autre en sorte de prendre deux positions l'une fermée, le tube étant en contact étanche avec la tête et l'autre ouverte dans laquelle le liquide peut s'écouler entre le tube et la tête ainsi que des moyens de mise à niveau à clapet. Selon un mode de réalisation préférentiel, les moyens de mise à niveau à clapet comprennent: - un logement interne ménagé dans la tête, débouchant dans le canal central, ce logement comprenant un siège inférieur et un siège supérieur, - au moins un canal latéral de circulation d'air et d'eau, chaque canal débouchant vers l'extérieur en un point situé en dessous du tube d'écoulement, et - une bille de densité inférieure à celle du liquide, prévue pour reposer sur le siège inférieur lorsque le logement est vide et pour venir en appui sur le siège supérieur lorsque le logement est rempli d'eau. Selon une autre caractéristique, chaque canal latéral de circulation d'air et d'eau fait un angle (a avec l'axe longitudinal du tube de retour d'air et débouche intérieurement immédiatement au-dessus de la bille lorsque celle-ci repose sur le siège inférieur. Le logement comporte aussi un trou inférieur, de diamètre d, situé dans le siège inférieur, débouchant sous la bille. L'agencement décrit une tête particulière qui comprend deux cônes liés par leurs bases, le cône supérieur présentant une rampe d'écoulement débouchant sur un joint d'étanchéité périphérique porté par la tête et disposé sensiblement au droit du plan de liaison des deux cônes. Plus particulièrement, le joint est à section rectangulaire. Il est aussi prévu des moyens de guidage du tube d'écoulement par rapport au tube de retour d'air. Le bec selon la présente invention est maintenant décrit en détail selon un mode de réalisation particulier non limitatif, ceci en regard des dessins annexés sur lesquels les différentes figures représentent: figure 1, une vue en coupe longitudinale du bec selon l'invention, figure 2, une vue du bec de la figure 1, après rotation partielle autour de son axe longitudinal, - figure 3, une vue en coupe transversale suivant la ligne 3-3 de la figure 1, et - figures 4A à 4D, une vue d'un synoptique des différentes étapes de fonctionnement du bec selon l'invention. La figure 1 montre un tube 10 d'écoulement, une tête 12 et un tube 14 de retour d'air ainsi que des moyens 16 de mise à niveau avec un clapet 17. Le tube 10 d'écoulement est relié à une membrane 18, en forme d'entonnoir, objet du brevet français N 2 466 433, qui assure simultanément le guidage du liquide provenant de la cuve 20 d'alimentation et l'effort de rappel élastique pour plaquer l'extrémité du tube 10 d'écoulement sur la tête 12 comme cela sera expliqué ultérieurement. Le tube est aussi solidaire de moyens 22 de retenu permettant l'appui du goulot 24 de la bouteille, moyens qui assurent, sous l'effet de déplacement de la bouteille, les mouvements du tube 10 par rapport à la tête 12, à l'encontre de l'effort de rappel de la membrane. Le diamètre du tube est adapté pour coopérer de façon étanche avec la tête lorsqu'il est en position fermée. A cet effet, un joint 26 périphérique, porté par cette tête, sert de siège à l'extrémité du tube 10. Ce joint est préférentiellement à section rectangulaire. Cette tête 12 s'inscrit sensiblement dans une enveloppe comprenant deux cônes 28 et 30 liés par leur base. Le joint 26 est disposé à proximité immédiate du plan de liaison de ces deux cônes liés par leurs bases. Le cône inférieur présente un logement 32 avec une partie du clapet 17 à savoir un siège 34 inférieur recevant une bille 36. Ce logement comprend à sa partie inférieure un trou 38 d'extrémité, de diamètre d, ainsi que des canaux 40 latéraux de circulation d'air et d'eau, inclinés d'un angle a par rapport à l'axe longitudinal, mettant en communication l'extérieur avec l'intérieur du logement. Ces canaux débouchent au niveau ou immédiatement au-dessus de la bille lorsque celle-ci repose dans son siège. Ces canaux sont, dans le mode de réalisation représenté, répartis en 2 séries de 3 canaux juxtaposés et le diamètre de chaque canal est de l'ordre de i à 3 mm pour un diamètre de canal central de 5 à 10 mm, dans le cas d'un remplissage avec de l'eau. La bille est réalisée en un matériau ayant une densité inférieure à celle de l'eau dans le cas du même exemple retenu, et pour fixer un ordre de grandeur, la densité de ce matériau est de 0,6 g/cm3. Cette bille présente également une sphéricité de grande précision. Avantageusement, le matériau utilisé est un polymère de grande dureté pour éviter une usure prématurée au contact des sièges inférieur et surtout supérieur. Le logement 32 se prolonge dans le cône 30 supérieur qui présente un siège 42 supérieur, à la jonction de ce logement avec un canal 44 intérieur, ménagé dans le tube 14 de retour d'air. De façon préférentielle, ce siège 42 fait un angle de 45 avec la verticale. La bille 36 peut ainsi prendre deux positions, l'une basse dans laquelle elle repose dans son siège 34 et l'autre haute, dans laquelle elle vient en appui sur le siège 42 supérieur, obturant le canal 44 du tube 14 de retour d'air. On note aussi que le cône 30 supérieur présente un profil extérieur particulier, en forme de rampe 46. Le pied de la rampe débouche sur le joint 26 d'étanchéité du tube d'écoulement avec la tête 12. Le tube 14 de retour d'air comprend dans sa partie située immédiatement au-dessus de la tête 12, des moyens 48 de guidage du tube d'écoulement, intérieurs à ce tube. Ces moyens 48 de guidage comportent essentiellement un anneau 50, soutenu par des ailes 52, ledit anneau ayant une forme en tonneau avec un très grand rayon de courbure en sorte d'assurer un contact essentiel et préférentiel dans la partie médiane de cet anneau. Les ailes 52 et l'anneau 50 sont profilés en sorte de perturber le moins possible l'écoulement du liquide. La figure 3 montre les éléments constitutifs en section qui donnent une bonne approximation des rapports, notamment en épaisseur. La partie haute du tube 14 de retour d'air est muni de moyens 54 de fixation, adaptés pour le bec concerné de la machine de remplissage. Le fonctionnement d'un tel bec de remplissage est maintenant indiqué en sorte de faire ressortir tous les rôles précis et complémentaires des différents éléments ainsi que la synergie qui en résulte. Pour cette description, on se reporte aux figures 4A à 4D. Sur la figure 4A, le bec est en position d'attente. Le tube 10 de remplissage est en appui par son extrémité sur le joint 26, ce qui interdit tout écoulement du liquide en provenance de la cuve 20 tampon. La bouteille B est en attente, dans l'axe du bec. La bille 36 repose par simple gravité dans son siège 34 inférieur, ménagé dans le cône 28 inférieur, la bille, dans l'air n'est soumise à aucune autre contrainte. Le tube 14 de retour d'air est relié de préférence à un collecteur, non représenté, qui collecte l'air évacué de la bouteille, par souci de confinement. L'étape suivante représentée sur la figure 4B voit un mouvement relatif de la bouteille par rapport au bec qui provoque la venue du goulot de la bouteille en appui étanche sur les moyens 22 de retenue. De ce fait le déplacement relatif provoque le soulèvement du tube 10 d'emplissage par rapport à la tête, à l'encontre de l'effort de rappel élastique de la membrane 1 8, ce qui libère l'écoulement de l'eau de façon gravitaire. Durant le déplacement du tube 10 de remplissage, les moyens de guidage comprenant l'anneau 50 en forme de tonneau, assurent le guidage, y compris lorsque le déplacement n'est pas parfaitement parallèle à l'axe vertical, par exemple sous l'effet d'une poussée très légèrement dissymétrique des moyens de rappel élastique. On remarque l'admission de l'eau dans la bouteille sous forme de parapluie, sur toute la périphérie, avec un décollement de la veine d'eau sur le joint 26, grâce à la rampe 46 de la partie supérieure 30 de la tête 12. Pour que l'eau pénètre, il faut que l'air de la bouteille ait la possibilité d'être évacué par le canal 44 intérieur du tube 14 de retour d'air. L'air passe à travers les canaux 40 latéraux. Le débit de ces canaux doit être suffisant pour permettre l'évacuation de l'air mais il faut aussi que, au confluent de l'arrivée de l'air, au-dessus de la bille, le canal central accepte ce débit pour ne pas freiner la vitesse, ce qui diminuerait le débit. Il faut aussi que la vitesse d'évacuation soit adaptée pour ne pas créer un vortex immédiatement au- dessus de la bille en sorte de ne pas l'entraîner dans l'appel d'air généré, la bille venant alors boucher le canal central. Dans le mode de réalisation, on note que les flux d'air ont tendance à passer immédiatement au-dessus de la bille dans son siège, en étant tout au plus tangentiel à la sphère, bien au- dessus de son plan diamétral horizontal, assurant alors plutôt un plaquage. Le trou 38, de diamètre d est de dimensions réduites, de l'ordre de 1 à 2 mm pour ne pas privilégier le passage d'air afin d'éviter tout soulèvement intempestif de la bille 36. Dans la phase suivante illustrée sur la figure 4C, le niveau d'eau est arrivé au droit de la base du tube 10 de remplissage. De ce fait, I'eau ayant pénétré dans le logement 32, tant par le trou 38 d'extrémité que par les canaux 40 latéraux, la bille, de densité inférieure à celle de l'eau, flotte et vient obturer de façon étanche, le canal 44 intérieur du tube de retour d'air. La bille vient en appui sur le siège 42 supérieur. Le passage d'air étant interdit, I'admission d'eau par écoulement gravitaire est interrompue, le tube 10 de remplissage peut être fermé. Sur la figure 4D, la descente relative de la bouteille par rapport au bec relâche l'effort exercé, ce qui permet à l'effort de rappel élastique de la membrane de s'exercer. Dans d'autres réalisations avec interposition d'un ressort de rappel, le fonctionnement est strictement le même. Le tube 10 d'alimentation porte sur le joint 26 et assure l'étanchéité. Une fois le goulot dégagé, le niveau d'eau descend pour compenser le volume du bec retiré. On obtient ainsi une fermeture du bec avec une mise à niveau de grande précision et ceci avec zéro perte d'eau comme cela est qualifié dans le domaine de ces machines de mise en bouteille. L'absence de perte d'eau est obtenue par la présence du clapet, en l'occurrence la bille qui assure une fermeture étanche du canal intérieur de retour d'air, exactement au moment o le niveau de remplissage est atteint. On remarque aussi que dans le mode de réalisation représenté, le nettoyage du bec est facilité par l'absence de recoins dans lesquels il pourrait y avoir accumulation de particules et autres bactéries. Les différents canaux et trous d'extrémité sont en effet balayés par les différents flux. Combiné à l'utilisation d'une membrane et à l'absence de ressort, I'agencement est ainsi attractif et représente le mode de réalisation préférentiel. Les cadences obtenues permettent d'atteindre des temps de remplissage de l'ordre de quelques secondes pour des bouteilles d'eau d'un litre et demi. REVENDICATIONS 1. Bec de remplissage de liquide, notamment prévu pour être monté sur des machines à carrousel et à haute cadence, caractérisé en ce qu'il comprend: - un tube (14) de retour d'air avec un canal (44) central et avec une tête (12) solidaire de ce tube, - un tube (10) d'écoulement du liquide, coaxial extérieur, le tube de retour d'air et le tube d'écoulement étant mobiles l'un par rapport à l'autre en sorte de prendre deux positions l'une fermée, le tube étant en contact étanche avec la tête et l'autre ouverte dans laquelle le liquide peut s'écouler entre le tube et la tête, ainsi que - des moyens (16) de mise à niveau à clapet (17). 2. Bec de remplissage selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de mise à niveau à clapet comprennent: - un logement (32) interne ménagé dans la tête (12), débouchant dans le canal (44) central, ce logement comprenant un siège (34) inférieur et un siège (42) supérieur, au moins un canal (40) latéral de circulation d'air et d'eau, chaque canal débouchant vers l'extérieur en un point situé en dessous du tube d'écoulement, et - une bille (36) de densité inférieure à celle du liquide, prévue pour reposer sur le siège inférieur lorsque le logement est vide et pour venir en appui sur le siège supérieur lorsque le logement est rempli d'eau. 3. Bec de remplissage selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque canal (40) latéral de circulation d'air et d'eau fait un angle a avec l'axe longitudinal du tube (14) de retour d'air. 4. Bec de remplissage selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque canal (40) débouche intérieurement immédiatement au-dessus de la bille (36) lorsque celle-ci repose sur le siège inférieur. 5. Bec de remplissage selon la revendication 2, 3 ou 4, caractérisé en ce que le logement comporte aussi un trou (38) inférieur, de diamètre d, situé dans le siège (34) inférieur, débouchant sous la bille (36). 6. Bec de remplissage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête (12) comprend deux cônes (28, 30) liés par leurs bases, le cône (28) supérieur présentant une rampe (46) d'écoulement débouchant sur un joint (26) d'étanchéité périphérique porté par la tête et disposé sensiblement au droit du plan de liaison des deux cônes. 7. Bec de remplissage selon la revendication 6, caractérisé en ce que le joint (26) est à section rectangulaire. 8. Bec de remplissage selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (48) de guidage du tube d'écoulement par rapport au tube de retour d'air, ces moyens comprenant un anneau (50) soutenu par des ailes (52), ledit anneau ayant une forme en tonneau avec un très grand rayon de courbure.