Brevet FR2835912A1 — publié le 20030815

DISPOSITIF DE DOSAGE VOLUMETRIQUE DIFFERENTIEL. 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 nécessitent la mise en oeuvre de dosage précis et en faible quantité de liquide, tout particulièrement dans les domaines de l'industrie pharmaceutique, cosmétique, chimique et également agroalimentaire. Afin de réaliser le dosage de faibles quantités de liquide, il a notamment été proposé un dispositif mettant en oeuvre 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 chambre 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 six 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 oeuvre 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 oeuvre 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 à 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 agroalimentaires 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. On a décrit dans le document FR-A-2 797 046 du Demandeur, un dispositif rassemblant les deux fonctions, respectivement de dosage et de lavage. Ce dispositif permettant donc d'offrir respectivement la possibilité de dosage de quantités de liquides sensiblement comprises entre le microlitre et le millilitre, et la possibilité d'un nettoyage et stérilisation sur place, dénommé par la profession selon l'expression CIP/SIP pour cleaning in place/sterilisation in place comprend fondamentalement : - un corps creux, définissant une chambre de dosage cylindrique au niveau de laquelle débouche respectivement une canalisation d'amenée et de délivrance de d'éjection du liquide à doser ; ledit corps creux se prolonge au niveau de l'une de ses extrémités par une chambre secondaire coaxiale avec la chambre de dosage, mais d'un diamètre inférieur au diamètre interne de la chambre de dosage ; - un piston cylindrique, dont le diamètre externe correspond au jeu près au diamètre interne de la chambre de dosage, et susceptible de coulisser au sein de cette dernière, 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 ; ledit piston se prolonge par une partie coaxiale avec celui-ci, également de diamètre externe inférieur au diamètre externe dudit piston, et correspondant au jeu près à celui de ladite chambre secondaire. Ce piston est susceptible d'être animé d'un mouvement de translation ascendante et descendante au sein dudit corps creux, simultanément ou non à un mouvement de rotation. Selon ce document, 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. Si ce dispositif permet ainsi d'assurer de manière satisfaisante les fonctions de dosage et de lavage, en revanche, il présente l'inconvénient suivant. En phase de lavage, une partie importante du piston est escamotée hors de la chambre de lavage. En d'autres termes, cette partie émergente n'est pas nettoyée lors de ladite phase de lavage. Qui plus est, lors de sa réintroduction pour effectuer les phases de dosage, cette zone externe non nettoyée est susceptible d'introduire des impuretés, microparticules, poussières etc... qui peuvent s'avérer rédhibitoires dans le cadre du dosage volumétrique recherché, en vue, notamment, des analyses ultérieures, outre engendrer des phénomènes d'usure du type de ceux précités. La présente invention a pour objectif de pallier cet inconvénient. Pour ce faire, elle reprend en partie l'architecture du dispositif précité. Elle se caractérise en ce que le dosage proprement dit s'effectue en partie supérieure du corps creux, et en ce que lors de l'étape de lavage, le piston est intégralement inséré au sein dudit corps creux, de telle sorte que l'intégralité du piston subisse l'étape du lavage et de nettoyage. A cet effet, la chambre de dosage présente un diamètre inférieur à la chambre de lavage, les portions correspondantes du piston présentant, au jeu près, des diamètres complémentaires. Ainsi, la rainure longitudinale de distribution est située au niveau de la périphérie de la zone du piston présentant le diamètre le plus faible. 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 schématique analogue à la figure 1, mais montrant le dispositif de dosage en position de lavage ou de stérilisation. Les figures 3 à 7 sont des représentations schématiques analogues aux figures 1 et 2, représentant les différentes étapes de positionnement du piston par rapport au corps creux pendant une phase de dosage. La figure 1 représente donc une vue en section longitudinale du dispositif de dosage volumétrique conformément à l'invention, en position de dosage. 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), se translate un piston (3) selon un mouvement ascendant ou descendant, ledit piston étant en outre susceptible d'effectuer un mouvement de rotation. Afin de ne pas inutilement surcharger les figures, l'organe assurant la translation et la rotation du piston n'a pas été représenté. Ainsi qu'on peut bien l'observer au sein des figures 1 et 2, le corps cylindrique creux (1) définit deux zones de diamètre différent, respectivement une zone supérieure (4), désignée ci-après comme participant à la chambre de lavage, et une zone inférieure (5), de diamètre plus important et plus spécifiquement désignée au dosage, notamment en coopération avec la partie (10) du piston (3). On observe ainsi en zone supérieure (4), deux canalisations, respectivement d'amenée (7) et d'évacuation ou d'éjection (8) du liquide à doser. Ces deux canalisations débouchent à la même hauteur, mais dans l'exemple décrit, forment entre elles un angle de 1800. Des tuyauteries spécifiques sont susceptibles de s'emmancher au niveau de ces canalisations, et sont fixées au niveau de leur extrémité respective par un écrou de fixation, selon un principe en soi connu. Le piston (3) proprement dit comporte différentes portions. Tout d'abord, il présente une portion extrême inférieure (9), dont le diamètre correspond au jeu près, au diamètre de la zone (5) du corps cylindrique (1). Cette portion (9) se prolonge par la zone (10), plus particulièrement dévolue au dosage, et présente un diamètre inférieur au diamètre de la zone (10). En outre, cette zone (10) présente tout d'abord, un diamètre extérieur correspondant au jeu près au diamètre interne de la zone (4) supérieure du cylindre creux. De plus, cette portion (10) présente au niveau de sa périphérie une rainure ou rigole longitudinale (11), dont le fonctionnement sera décrit plus en détail ultérieurement. Cette zone (10) se prolonge par une zone supérieure (12) de diamètre légèrement inférieur par rapport à la zone (10), et a seule fonction de transmettre à l'ensemble du piston le mouvement de translation et de rotation. Cette zone (12) se prolonge par une zone (13), de diamètre plus élevé correspondant sensiblement au diamètre de l'extrémité supérieure du cylindre creux, et destinée à coopérer avec un joint torique (14), afin d'assurer l'étanchéité en période de lavage de l'ensemble, tel qu'on peut l'observer sur la figure 2. En outre, la paroi de la zone (4) du corps cylindrique présente en aval, respectivement des canalisations d'amenée (7) et d'évacuation (8) du liquide à doser, également une rainure longitudinale, respectivement (15) et (16), destinée à se positionner face à la rainure longitudinale (11), dont est pourvue la partie (10) du piston lors des phases de dosage. Ainsi, dès lors que le volume de ces rainures respectives (15) et (16) est connu et clairement défini, et par ailleurs, que le diamètre respectif de la partie (5) du corps cylindrique (1) et du diamètre de la partie (10) du piston (3) est également clairement défini, le volume généré au niveau de la chambre de dosage (2) devient parfaitement défini et reproductible en fonction de la course conférée au piston lors de la phase de dosage. Enfin, le corps cylindrique (1) est muni d'un épaulement (17), destiné à coopérer avec la partie (9) du piston (3), de telle sorte à limiter sa course ascensionnelle. Il va être décrit succinctement en relation avec les figures 3 à 7, le mode de fonctionnement du dispositif de dosage conforme à l'invention. Ainsi en figure 3, le piston (3) est situé au maximum de sa course ascendante. Dans cette configuration, la rainure longitudinale (11) dont il est pourvu, est positionnée au regard de la canalisation d'amenée (7) du liquide à doser. En revanche, la canalisation (8) d'éjection est obturée par la zone (10) du piston. Lors de sa course descendante, (figure 4) il y a aspiration du liquide à doser, au sein de la chambre de dosage pour un volume fonction du diamètre de la zone (5) du corps cylindrique (1), du diamètre de la partie (10) du piston, et de la hauteur de la course descendante dudit piston. On observe que tout le long de cette course, le liquide peut toujours être aspiré en passant respectivement par la rainure (15) située à l'aplomb de la canalisation d'amenée (7) du liquide à doser, puis par la rigole (11) dont est pourvu le piston à ce niveau (voir figure 4). On peut observer sur la figure 4, en noir, le volume occupé par le liquide à doser, volume comme déjà dit, clairement défini en fonction d'une part, des diamètres respectifs de la chambre de dosage (5), de la partie (10) du piston et de la hauteur de la course dudit piston. Lorsque le volume à doser souhaité est atteint, on stoppe la course descendante du piston, et l'on opère une rotation de 180 dudit piston (figure 5), de telle sorte à faire coïncider la rainure (11) du piston avec la rainure (16) dont est pourvue la paroi de la chambre (4) du corps cylindrique. Corollairement, la canalisation (7) d'amenée du liquide se retrouve obturée par ledit piston. Ce dernier subit alors une translation ascendante, de telle sorte à chasser le liquide contenu dans la chambre de dosage (5), remontant par les deux rainures respectivement (11) et (16), au niveau de la canalisation d'évacuation et d'éjection (8), jusqu'à ce que le piston atteigne le maximum possible de sa course ascendante. Une nouvelle rotation du piston (figure 7) de 1800 dans l'exemple décrit, permet de redémarrer le cycle, en repositionnant la rainure (11) au regard de la canalisation d'amenée du liquide à doser (7). Il peut être observé que pendant toute cette période de dosage, l'extrémité inférieure de la chambre de dosage (5), qui se prolonge par une canalisation (18) d'évacuation, est obturée par la portion (9) du piston (3). Corollairement, l'extrémité supérieure de la zone (4) du corps cylindrique est obturée par la portion (10) dudit piston. En fait, l'extrémité supérieure du corps creux (1) est également munie d'une canalisation (19) d'amenée d'un fluide de lavage, conformément à une autre caractéristique de la présente invention. Ainsi, entre deux dosages successifs, notamment de composés différents, il peut être procédé à une phase de lavage et de stérilisation, notamment de la chambre de dosage, mais également du piston, outre des canalisations d'amenée (7) et d'évacuation (8) du liquide à doser. Ainsi en mode lavage, le piston est inséré en course descendante maximum à l'intérieur du corps cylindrique (1), ainsi qu'on l'a représenté en figure 2. Dans cette configuration, on observe que la périphérie de l'intégralité du piston, à l'exception de sa partie supérieure (13) obturant ledit corps cylindrique (1), n'est plus en contact avec l'une quelconque des parois de guidage constituées par le corps creux (1). Le fluide de nettoyage, notamment vapeur, eau chaude, alcool, solvant etc... est introduit par ladite canalisation (19), au sein du volume total ainsi défini dans la chambre de lavage et la chambre de dosage, puis collecté par la canalisation d'évacuation principale (18), mais également par les canalisations (7) et (8). Ce faisant, l'intégralité de la surface extérieure du piston et de sa rainure (11) subit cette phase de nettoyage. A cet effet, il peut être souligné que l'extrémité inférieure de la zone (5) du corps cylindrique (1), présente un diamètre interne légèrement supérieur au diamètre externe de la portion extrême (9) du piston (3). La structure du dispositif permet également de procéder à une agitation du fluide de lavage ou de nettoyage pendant la phase de lavage. A cet effet, on munit respectivement la canalisation d'évacuation principale (18) du fluide de lavage, et la canalisation (19), d'introduction dudit fluide, d'une vanne d'obturation, respectivement (20) et (21), destinée à obturer les canalisations correspondantes. Ainsi, lorsque le fluide a été introduit au sein des chambres (2,4, 5), il est possible de procéder à différentes translations du piston (3). Compte tenu d'une part, de la correspondance des diamètres respectifs au jeu près de la zone (10) du piston (3) et de la chambre (4), et d'autre part de la correspondance des diamètres respectifs au jeu près de la zone (9) du piston (3) et de la chambre (5), la translation dudit piston induit une dépression au sein du volume respectif de chacune des deux chambres (4,5), entraînant un déplacement rapide du fluide de lavage au sein de celle-ci, et au contact du piston, dès lors que les vannes (20) et (21) sont obturées. Il se crée de fait une agitation énergique du fluide de lavage à l'intérieur du volume défini par lesdites chambres, permettant ainsi, de par l'effet mécanique ainsi engendré, de nettoyer les impuretés in situ, optimisant la fonction de lavage. La répétition de plusieurs cycles de lavage et d'agitation permet d'aboutir à un lavage ou nettoyage complet et efficace tant des chambres que du piston. Il peut alors être procédé, le cas échéant, à une phase de stérilisation, qui consiste essentiellement à soumettre le dispositif à un flux de vapeur sous pression à 130 C pendant une durée déterminée, définie par les normes en vigueur, afin d'aboutir à une stérilisation effective. On conçoit dès lors tout l'intérêt du dispositif de dosage conforme à la présente invention. Tout d'abord, outre la grande précision du dosage volumétrique différentiel découlant de son principe de fonctionnement, et de la fonction de lavage également disponible, on notera la possibilité de procéder à un lavage intégral du piston, sans engendrer une sortie de celui-ci hors du corps cylindrique (1) et partant, évitant l'introduction à l'intérieur du corps cylindrique, et notamment de la chambre de dosage, de toute particule, poussière, etc... susceptible de fausser les mesures voire de boucher les canalisations d'amenée et de sortie du liquide à doser. On notera également l'optimisation de la précision de par la diminution des volumes morts. REVENDICATIONS 1. Dispositif de dosage volumétrique différentiel, comprenant : un corps creux (1), définissant une chambre de dosage cylindrique (2), surmontée d'une zone (4) au niveau de laquelle débouchent à la même hauteur respectivement une canalisation d'amenée (7) et d'éjection (8) d'un liquide à doser ; * un piston cylindrique (3), comportant plusieurs parties coaxiales, respectivement inférieure (9), et intermédiaire (10), dont les diamètres respectifs correspondent au jeu près au diamètre interne de la chambre de dosage (2) et de la zone (4) du corps cylindrique, ledit piston présentant à la périphérie de sa partie (10) une rainure longitudinale de distribution (11), susceptible de venir se positionner en regard respectivement de l'arrivée de la canalisation d'amenée (7) et du départ de la canalisation (8) du liquide à doser, ledit piston étant en outre susceptible d'être animé d'un mouvement de translation ascendante et descendante au sein dudit corps creux (1), simultanément ou non à un mouvement de rotation, caractérisé : * en ce que le diamètre interne de la zone (4) du corps creux (1) est inférieur au diamètre de la zone de dosage (2) dudit corps ; en ce que le diamètre externe de la partie (10) du piston (3) est inférieur au diamètre externe de la partie (9) dudit piston ; et en ce que la paroi de ladite zone (4) est munie de deux rainures longitudinales, respectivement (15) et (16), s'étendant depuis la zone de débouchement des canalisations d'amenée (7) et d'éjection (8) du liquide à doser en direction de la chambre de dosage (2), et destinée à coopérer avec la rainure de distribution (11) de la partie (10) du piston (3). 2. Dispositif de dosage volumétrique différentiel selon la revendication 1, caractérisé en ce que le corps cylindrique (1) est muni d'un épaulement (17), destiné à coopérer avec la partie (9) du piston (3), de telle sorte à limiter sa course ascensionnelle. 3. Dispositif de dosage volumétrique différentiel selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la zone (4) du corps cylindrique (1) présente au voisinage de son extrémité supérieure une canalisation d'amenée d'un fluide de lavage et/ou de stérilisation, et en ce que la zone (5) dudit corps présente au voisinage de son extrémité inférieure une canalisation d'évacuation dudit fluide. 4. Dispositif de dosage volumétrique différentiel selon la revendication 3, caractérisé en ce que le voisinage de l'extrémité inférieure de la zone (5) du corps creux (1) présente un diamètre interne légèrement supérieur au diamètre externe de la partie (9) du piston (3), de telle sorte que lorsque le piston est intégralement escamoté à l'intérieur du corps creux (1), le fluide de lavage puisse entrer en contact avec l'intégralité de la surface périphérique dudit piston.