Brevet FR2797046A1 — publié le 20010202

DIPOSITIF DE DOSAGE VOLUMETRIOUE DIFFFRFNTIEL L'invention concerne un dispositif de dosage volumétrique différentiel, notamment destiné à délivrer une quantité déterminée et dosée de liquide, tout particulièrement pour des volumes typiquement compris entre le microlitre et le millilitre. De nombreux secteurs industriels nécessite la mise en #uvre de dosage précis et en faible quantité de liquide, tout particulièrement dans les domaines de l'industrie pharmaceutique, cosmétique, chimique et également agro-alimentaire. Afin de réaliser le dosage de faibles quantités de liquide, il a notamment été proposé un dispositif mettant en #uvre le principe d'un dosage au moyen d'un piston à course alternative au sein d'une chambre cylindrique, la course du piston étant bien entendu fonction du volume à doser. De fait, la détermination du volume à doser est fonction soit de la longueur de la course du piston au sein de la chambre cylindrique, soit du diamètre de ladite chambre de dosage. Or, on observe que si la course du piston est diminuée de manière trop importante, cela impose une cinématique du piston ou de la chmabre cylindrique quasi-parfaite, et qui ne présente pas de dérivation dans le temps. De fait, l'expérience montre que l'on se heurte à des problèmes de reproductibilité et partant, de précision au niveau des quantités dosées et délivrées. Si au contraire on choisit de réduire le diamètre de la chambre et donc du piston, on observe qu'en dessous d'un diamètre d'une valeur typiquement voisine de 6 millimètres, le coût de fabrication du matériel correspondant augmente drastiquement, et par ailleurs, le dispositif s'avère d'une très grande fragilité, incompatible avec un bon nombre d'applications. Parmi ces différents dispositifs, l'un d'entre eux met en #uvre un piston pourvu sur sa périphérie d'une rainure de distribution longitudinale, ledit piston coulissant dans un cylindre creux définissant la chambre de dosage. La mise en #uvre de ce type de dispositif, compte-tenu du degré de précision de réalisation des éléments, permet de s'affranchir de tout joint d'étanchéité. L'ascension du piston dans le cylindre provoque l'aspiration du liquide à doser à partir d'une canalisation débouchant dans le corps du cylindre. En bout de course ascensionnelle, le piston subit une rotation d'un angle déterminé, par exemple de 180 degrés, afin de faire correspondre ladite rainure avec une autre canalisation, débouchant également dans le corps du cylindre, et située en position diamétralement opposée â la canalisation d'admission.. La course descendante du piston induit l'éjection du liquide hors de la rainure périphérique dans cette canalisation de délivrance ou d'éjection. En bout de course, le piston subit à nouveau une nouvelle rotation d'un angle de 180 degrés, et le cycle décrit recommence. Si cette architecture particulière permet de satisfaire les exigences en matière de dosage, il présente néanmoins les inconvénients suivants. Tout d'abord, une impureté au niveau de la rainure peut induire l'altération voire le blocage de l'aspiration ou de l'éjection du liquide contenu dans celle-ci. En outre, une telle impureté peut engendrer l'usure prématurée du piston ou du cylindre. Enfin, pour certaines applications, pharmaceutiques ou agro-alimentaires notamment, ce type de dispositif est soumis à des conditions d'hygiène et de stérilité sévères, nécessitant donc la mise en oeuvre d'organes facilement décontaminables. La présence d'une rainure ainsi que des canalisations d'admission et d'échappement induit une contamination relativement rapide du piston, et corollairement une décontamination rendue plus difficile, du fait de l'existence d'angles, de recoins, d'intersections. Lorsqu'il s'agit de doser des quantités très faibles de liquides, typiquement microniques ou submicroniques, on fait appel au phénomène d'inertie et à la mise en oeuvre de quartz piézo-électrique. Ce principe de dosage est notamment mis en oeuvre au niveau des imprimantes à jet d'encre. Cependant, un tel principe ne peut être mis en oeuvre pour des dosages de quantité supérieure compris entre le micro et le millilitre. En effet, le nano ou le pico dosage, met en oeuvre des sous-multiples du micro dosage. Pour obtenir donc une microdose, il faudra additionner des nano ou des pico-doses, ce qui provoque par conséquent une addition d'erreurs. Outre cette fonction de dosage, l'industrie est également demandeuse d'une fonction simultanée de lavage et de stérilisation de ce type de dispositif, sans impliquer un quelconque démontage des organes le constituant. Parmi les dispositifs de lavage et de décontamination d'un système de dosage connus, l'un d'entre eux met en oeuvre une pompe munie d'une chambre de nettoyage accolée au cylindre du piston, et induisant l'injection de solvants de nettoyage chauds et/ou froids et de vapeurs sous pression. Cependant, dans la mesure où il n'y a pas agitation, l'expérience démontre que ce système de nettoyage est relativement peu efficace, notamment lorsque cette phase de lavage intervient après le dosage de fluide de viscosité relativement élevée. Par ailleurs, si ces deux fonctions, respectivement de dosage et de lavage sont aujourd'hui assurées indépendamment l'une de l'autre, aucun dispositif ne les rassemble simultanément, en tout cas, avec l'efficacité souhaitée. L'objet de l'invention est donc de proposer un dispositif susceptible d'offrir les deux fonctions simultanément, respectivement de dosage de quantités de liquides sensiblement comprises entre le microlitre et le millilitre, et de nettoyage et stérilisation sur place, dénommées par la profession selon l'expression CIP/SIP pour cleaning in place / sterilisation in place . Ce dipositif de dosage volumétrique différentiel comprend # un corps creux, définissant une chambre de dosage cylindrique, au niveau de laquelle débouchent respectivement une canalisation d'amenée et de délivrance ou d'éjection du liquide à doser; # un piston cylindrique, dont le diamètre externe correspond au jeu prés, au diamètre interne de la chambre de dosage, et susceptible de coulisser au sein de ladite chambre, le piston étant muni au niveau de sa périphérie d'une rainure longitudinale de distribution, susceptible de venir en regard de l'orifice débouchant, respectivement de la canalisation d'amenée et de délivrance ou d'éjection. Ce dispositif se caractérise # en ce que la chambre de dosage se prolonge au niveau de l'une de ses extrémités par une chambre secondaire, coaxiale avec cette dernière, mais de diamètre interne inférieur au diamètre interne de ladite chambre de dosage ; # et en ce que le piston présente un prolongement, coaxial avec ce dernier, également de diamètre externe inférieur au diamètre externe du piston et correspondant au jeu près, à celui de ladite chambre secondaire ; ledit piston étant susceptible d'être animé d'un mouvement de translation ascendante et descendante au sein du corps creux, simultanément ou non à un mouvement de rotation. En d'autres termes, le dispositif de dosage conforme à l'invention effectue un dosage différentiel, cette notion de différentialité étant inhérente à la mise en oeuvre d'un piston de double diamètre au niveau de la chambre de dosage. Selon l'invention, la rainure longitudinale de distribution est située au niveau de la périphérie de la zone du piston présentant le diamètre le plus important Selon une autre caractéristique de l'invention, la chambre de dosage est surmontée à son autre extrémité par une chambre de lavage, également coaxiale, de diamètre interne légèrement supérieur au diamètre externe du piston, et munie d'une cloison périphérique perforée, au niveau de laquelle est acheminée par une canalisation un fluide de lavage, ladite canalisation étant obturable, notamment pendant les phases de dosage, au moyen d'une vanne. Avantageusement, les perforations sont réparties sur toute ou partie de la hauteur de la chambre de lavage. Selon une autre caractéristique de l'invention, la chambre secondaire prolongeant la chambre de dosage est munie à son extrémité inférieure d'une canalisation, obturable par vanne, et susceptible de mettre en communication ladite chambre avec l'extérieur, et de permettre l'évacuation du fluide de lavage. La manière dont l'invention peut être réalisée et les avantages qui en découlent ressortiront mieux de l'exemple de réalisation qui suit donné à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées. La figure 1 est une représentation schématique en section longitudinale du dispositif de dosage conforme à l'invention, représenté en position intermédiaire de dosage. La figure 2 est une représentation analogue de la figure 1, mais montrant le dispositif de dosage en position de lavage ou de stérilisation. Les figures 3 à 7 sont également des représentations schématiques en section transversale représentant les différentes étapes de positionnement du piston par rapport au corps creux lors d'une phase de dosage. On a donc représenté au niveau de la figure 1 une vue schématique en section longitudinale du dispositif de dosage volumétrique conforme à l'invention. Fondamentalement, ce dispositif de dosage repose sur le principe de l'actionnement d'un piston au sein d'un cylindre, ledit cylindre définissant la chambre de dosage. Plus précisément, le cylindre est défini par un corps creux (1), définissant une chambre de dosage (2). Au sein de ce corps creux (1), un piston (3) est susceptible de se translater, dans l'exemple décrit, selon un mouvement ascendant ou descendant. Afin de rie pas inutilement surcharger les figures, l'organe assurant la translation ou la rotation du piston n'a pas été représenté. Ainsi qu'on peut bien l'observer, débouchent au niveau du corps creux, deux canalisations, respectivement d'amenée (4) et d'évacuation ou d'éjection (5) du liquide à doser. Ces deux canalisations débouchent à la même hauteur, mais dans l'exemple décrit, forment entre elles un angle de 180 degrés. Selon une caractéristique de l'invention, le piston (3), dont le diamètre Dl correspond au jeu près au diamètre interne du corps creux (1), présente au niveau de sa périphérie une rainure ou rigole longitudinale (6), dont la largeur est fonction du mode de fonctionnement dudit piston en mode pompage, et tel que décrit ci-après plus en détail. Selon une caractéristique de l'invention, le corps creux (1) se prolonge au niveau de son extrémité inférieure par une zone cylindrique, coaxiale avec la chambre de dosage (2), mais de diamètre interne inférieur, définissant une chambre secondaire (7). Corollairement, le piston (3) présente au niveau de son extrémité inférieure un prolongement cylindrique (10), coaxial avec ledit piston (3), et dont le diamètre externe D-2 correspond au jeu près, au diamètre interne de ladite chambre secondaire (7). De la sorte, dès lors que les diamètres D1 et D2 sont clairement définis et reproduits au niveau de ces différents organes, le volume généré au niveau de la chambre de dosage (2) devient de la même manière parfaitement défini et reproductible. En effet, dès lors que le diamètre j2 du prolongement (10) est connu avec précision, le volume occupé par ledit prolongement (10) au sein de la chambre de dosage (2) devient également parfaitement définissable en fonction de la hauteur de la course du piston (3) au sein du corps creux, puisque, par hypothèse, D-1 est lui-même également parfaitement connu. De fait, il va être décrit en liaison avec les figures 3 à 7, le mode de fonctionnement du dispositif de dosage conforme à l'invention. On a ainsi représenté en figure 3, le piston (3) au maximum de sa course descendante. Dans cette configuration, la rainure (6) est positionnée au regard de la canalisation d'amenée (4) du liquide à doser et, corollairement, la chambre de dosage (2) est complètement comblée par le piston. La canalisation (5) d'éjection est obturée par le piston: Lors de sa course ascensionnelle, il y a aspiration du liquide au sein de la chambre de dosage pour un volume, qui est fonction des diamètres Dl et D2 mentionnés précédemment, et de la hauteur de la course ascensionnelle dudit piston. On a représenté en figure 4, le piston au maximum de sa course ascensionnelle en mode dosage. II subit alors une rotation d'un angle déterminé, et par exemple de 180 , tel que représenté sur la figure, à l'issue de la translation ascensionnelle. Cependant, cette rotation peut s'effectuer en synchronisme avec la translation dudit piston, dans l'hypothèse où la rainure présente une largeur suffisante pour ne pas aboutir à l'obstruction de la zone de débouchement de la canalisation d'amenée (4) du liquide à doser dans la chambre de dosage (2). En fin de rotation (figure 5), la rainure (6) se situe alors en regard de la canalisation d'éjection ou de distribution (5) du liquide ainsi dosé. Corollairement, la canalisation (4) se trouve obturée par le piston . On fait alors subir au piston une translation descendante, de telle sorte à chasser le liquide contenu dans la chambre de dosage (2), remontant par la rainure (6) au niveau de ladite canalisation d'évacuation ou d'éjection (5) jusqu'à ce que la translation descendante du piston arrive en course maximum, ainsi que représentée en figure 6. Une nouvelle rotation du piston de 180 dans l'exemple décrit permet de redémarrer le cycle en repositionnant la rainure (6) au regard de l'orifice d'arrivée de la canalisation d'amenée (4). On notera que pendant ce mode de dosage, la chambre secondaire (7) est systématiquement obturée par le prolongement (10) émanant du piston (3). Selon une autre caractéristique de l'invention, le corps creux (1) est surmonté d'une zone également cylindrique (13), définissant chambre de lavage et de stérilisation, dont le diamètre, ainsi qu'on peut bien l'observer, notamment en figure 2, est supérieur au diamètre externe maximum p1 du piston (3). Cette chambre de lavage et de stérilisation (12) est également définie au moyen d'une cloison cylindrique (14), coaxiale avec la chambre de dosage. Cette cloison (14) est perforée d'orifices traversants (15), afin de permettre l'injection du fluide de lavage et de stérilisation en son sein, ledit fluide étant acheminé par une canalisation (16) obturable au moyen d'une vanne, par exemple une électrovanne (17). Parallèlement, l'extrémité inférieure de la chambre secondaire (7) mentionnée précédemment se prolonge par une canalisation (8) d'évacuation dudit fluide de lavage et de stérilisation, cette canalisation étant obturable au moyen d'une vanne (9). La mise en oeuvre de ces différents organes va permettre ainsi d'optimiser le lavage et la stérilisation du piston (3), de la chambre de dosage (2) ainsi que des canalisations d'amenée (4) et d'évacuation (5) du liquide à doser. Ainsi, en mode lavage, le piston (3) est tout d'abord retiré manuellement ou automatiquement au maximum de sa course ascensionnelle, ainsi que représentée sur la figure 2. Dans cette configuration, on observe que la périphérie tant du piston (3) que de son prolongement (10) n'est plus en contact avec l'une quelconque des parois de guidage du corps creux (1). Le fluide de nettoyage, notamment vapeur, eau chaude, alcool, solvant etc..., est introduit notamment par la canalisation (16) et la canalisation d'amenée (4), au sein du volume total ainsi défini par la chambre de lavage et la chambre de dosage, puis collecté par les canalisations (8) et (5). Le piston est redescendu de telle sorte à ce que l'extrémité inférieure du prolongement (10) vienne obturer la chambre secondaire (7). La vanne (9) fermant la canalisation (8) d'évacuation est alors fermée et le piston (3) est remonté, engendrant une dépression au sein du volume interne total défini précédemment. Cette dépression entraine donc une entrée rapide de solvant, et de manière générale du liquide de lavage dans la chambre secondaire (7), cette entrée rapide et brutale intervenant précisément au moment où l'extrémité (10) du piston sort de ladite chambre secondaire (7). La vanne (9) doit rester obturée pendant cette phase d'implosion . De fait une agitation énergique du liquide et du fluide de lavage présent à l'intérieur du volume défini par la chambre de dosage et de lavage s'effectue, permettant ainsi de par son effet mécanique, de nettoyer les impuretés in situ, optimisant de la sorte la fonction lavage. Dès la fin du phénomène, aussi bref soit- il, la vanne (9) est ouverte pour permettre l'évacuation de l'effluent de nettoyage. La répétition de ce cycle un certain nombre de fois permet donc de laver complètement tant le piston (3) que son prolongement (10), mais également la chambre de dosage et les canalisations d'amenée (4) et d'évacuation (5) du liquide à doser. II est alors procédé à la phase de stérilisation proprement dite, consistant principalement à soumettre le piston et les différentes chambres, le piston étant en position de translation ascendante maximum, à un flux de vapeur sous pression, à 130 C pendant une durée déterminée, définie par les normes en vigueur pour aboutir à une stérilisation. On conçoit dès lors tout l'intérêt du dispositif de dosage conforme à l'invention. Tout d'abord, on notera la grande précision du dosage grâce à la fonction différentielle inhérente au double diamètres, respectivement M et D2 du piston et de son prolongement. De la sorte, il devient ainsi aisé de jouer sur des courses de déplacement du piston plus importantes, facilitant dès lors la précision des mesures sans pour augmenter le coût de fabrication des différents éléments entrant dans la constitution de ce dispositif, ni en augmenter la fragilité mécanique. Parallèlement, on notera la fonction simultanée au sein de ce même dispositif de la fonction de dosage et de la fonction de lavage et de stérilisation, et ce de manière très efficace. REVENDICATIONS 1. Dispositif de dosage volumétrique différentiel comprenant # un corps creux (1), définissant une chambre de dosage cylindrique (2), au niveau de laquelle débouchent respectivement une canalisation d'amenée (4) et de délivrance ou d'éjection (5) du liquide à doser ; # un piston cylindrique (3), dont le diamètre externe Dl correspond au jeu près, au diamètre interne de la chambre de dosage (2), et susceptible de coulisser au sein de ladite chambre, le piston étant muni au niveau de sa périphérie d'une rainure longitudinale de distribution (6), susceptible de venir en regard de l'orifice débouchant, respectivement de la canalisation d'amenée (4) et de délivrance ou d'éjection (5), caractérisé # en ce que la chambre de dosage (2) se prolonge au niveau de l'une de ses extrémités par une chambre secondaire (7), coaxiale avec cette dernière, mais de diamètre interne inférieur au diamètre interne de ladite chambre de dosage ; # et en ce que le piston (3) présente un prolongement (10), coaxial avec ce dernier, de diamètre externe D2 inférieur au diamètre externe DI du piston, et correspondant au jeu près, à celui de ladite chambre secondaire (7) ; ledit piston (3) étant susceptible d'être animé d'un mouvement de translation ascendante et descendante au sein du corps creux (1), simultanément ou non à un mouvement de rotation. 2. Dispositif de dosage volumétrique différentiel selon la revendication 1, caractérisé en ce que la rainure longitudinale de distribution (6) est située au niveau de la périphérie de la zone du piston présentant le diamètre le plus important Dl. 3. Dispositif de dosage volumétrique différentiel selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la chambre de dosage (2) est surmontée à son autre extrémité par une chambre de lavage (12), également coaxiale avec la chambre de dosage (2), de diamètre interne légèrement supérieur au diamètre externe Dl du piston (3), et munie d'une cloison périphérique interne perforée (14), au niveau de laquelle est acheminée par une canalisation (16) un fluide de lavage, ladite canalisation (14) étant obturable, notamment pendant les phases de dosage, au moyen d'une vanne (17). 4. Dispositif de dosage volumétrique différentiel selon la revendication 3, caractérisé en ce que les perforations (15) ménagées au sein de la cloison interne (14) sont réparties sur toute ou partie de la hauteur de la chambre de lavage (12). 5. Dispositif de dosage volumétrique différentiel selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la chambre secondaire (7) prolongeant la chambre de dosage (2) est munie à son extrémité inférieure d'une canalisation d'évacuation du fluide de lavage et de stérilisation (8), obturable par vanne (9), et susceptible de mettre en communication ladite chambre avec l'extérieur.