Brevet FR2904066A1 — publié le 20080125

La présente invention concerne une unité de pompage à durée de vie élevée, pouvant servir à de nombreux types de prélèvements en vue d'analyses. Elle s'applique plus particulièrement, mais non exclusivement, au pipetage, à la dilution, au rinçage et/ou à la distribution d'échantillons de substances liquides. 15 D'une manière générale, on sait qu'il a déjà été proposé de nombreux dispositifs permettant d'exécuter des cycles de pipetage et de rinçage notamment au sein d'un dispositif d'analyse. 20 Ces dispositifs font habituellement intervenir un module de pompage comportant un corps muni d'une chambre de travail, par exemple cylindrique, et un piston pouvant se présenter sous la forme d'un plongeur qui s'engage avec étanchéité dans la chambre de travail. L'actionnement du piston est alors assuré par un actionneur linéaire comportant un moteur électrique rotatif, par 25 exemple de type pas à pas et un organe de conversion du mouvement rectiligne en un mouvement de translation rectiligne. Il s'avère que les dispositifs de pompage de ce type actuellement réalisés présentent un certain nombre d'inconvénients : 1 30 2904066 2 - Tout d'abord, le système de conversion utlisé augmente d'une façon importante la complexité de l'ensemble du dispositif ainsi que son coût. Par ailleurs, on se heurte à des problèmes d'alignement entre l'organe 5 d'actionnement à déplacement linéaire et le piston : les défauts d'alignement à ce niveau conduisent à engendrer sur le joint qui réalise l'étanchéité entre le piston et le corps du module de pompage, des contraintes transversales et, en conséquence, des zones où se produisent des frictions anormalement élevées qui conduisent à une usure prématurée du joint. Il s'agit là d'un inconvénient relativement important qui augmente les frais de maintenance et qui, bien souvent, réduit la durée de vie des pompes. - En outre, un inconvénient des dispositifs de pompage existants réside dans l'absence de caractère modulaire et, en particulier, de possibilité d'interchangeabilité rapide du module de pompage et de l'actionneur. L'invention a donc plus particulièrement pour but de supprimer tous ces inconvénients. Elle propose à cet effet une unité de pompage réalisé en trois modules pouvant s'assembler ou se démonter aisément, à savoir : • un module de pompage du type susdit comportant un corps muni 25 d'une cavité constituant une chambre de travail, un piston mobile en translation et s'engageant de façon étanche dans la cavité par l'intermédiaire d'un joint disposé entre ledit corps et ledit piston, au moins un canal réalisé dans le corps de manière à pouvoir connecter la chambre de travail à un circuit d'utilisation, ledit corps 30 comprenant une face d'assemblage axée perpendiculairement à l'axe de déplacement du piston, 2904066 3 • un module d'actionnement linéaire comportant un organe d'actionnement mobile en translation coaxialement au piston, et 5 • un module de liaison et de guidage permettant d'assurer une liaison mécanique entre le module de pompage et le module d'actionnement linéaire et un guidage précis du piston coaxialement au joint d'étanchéité, ce guidage étant indépendant des moyens de guidage utilisés par le module d'actionnement. 10 Avantageusement, le couplage entre l'organe d'actionnement et le piston est assuré par l'assemblage, d'une part, d'un joint cylindro-sphérique faisant intervenir une tête sphérique centrée sur l'axe de l'organe d'actionnement et reliée à celui-ci par une portion sous tête de section inférieure au diamètre de 15 la sphère et, d'autre part, d'une gorge cylindrique réalisée dans l'extrémité du piston opposée à l'organe de pompage, perpendiculairement à l'axe dudit piston, cette gorge cylindrique débouchant axialement à l'extérieur par une fente de largeur inférieure au diamètre de la gorge et légèrement supérieur à ladite portion sous tête. La tête sphérique qui est solidaire de l'organe 20 d'actionnement s'engage dans la gorge sphérique et y est retenue axialement dans les deux sens. Néanmoins, elle peut rotuler dans la gorge tout en pouvant se déplacer dans l'axe de la gorge. Ainsi, grâce à ces dispositions, un défaut d'alignement entre l'organe d'actionnement et le piston n'engendrera aucune contrainte susceptible de provoquer une usure prématurée du joint d'étanchéité, voire même un défaut d'étanchéité. Par ailleurs, le susdit canal pourra être conformé de manière à pouvoir recevoir tout ou partie d'une vanne mono ou multivoies ou une aiguille creuse servant au pipetage. Dans ce dernier cas, l'unité de pompage pourra 2904066 4 comprendre des moyens permettant sa fixation sur un élément mobile d'un dispositif de pipetage automatique ou semi-automatique. Un mode d'exécution de l'invention sera décrit ci-après, à titre d'exemple non 5 limitatif, avec référence aux dessins annexés dans lesquels : La figure 1 est une vue de côté d'une unité de pompage selon l'invention ; 10 La figure 2 est une coupe axiale selon A/A d: la figure 1 ; La figure 3 est une vue de côté d'une variante d'exécution de l'unité de pompage ; 15 La figure 4 est une coupe axiale selon B/B de la figure 3 ; La figure 5 est une coupe partielle schématique montrant un module de pompage sur lequel peuvent se connecter une électrovanne multivoies ou une aiguille de pipetage. La figure 6 est une coupe axiale d'une autre variante d'exécution de l'unité de pompage. Dans l'exemple illustré sur les figures 1 et 2, l'unité de pompage 1 fait 25 intervenir un module d'actionnement 2 de type vérin à vis comportant : Un moteur électrique pas à pas dont le rotor comprend un alésage central coaxial taraudé dans lequel s'engage une tige 3 présentant une portion filetée qui coopère avec le taraudage. Cette tige 3 présente, par ailleurs, une portion 30 cannelée qui s'engage dans un palier coulissant de section intérieure complémentaire, solidaire de la partie statorique du moteur. L'une des deux 20 2904066 5 extrémités de la tige est prolongée par un embout 4 comportant une tête sphérique 5 reliée à une douille cylindrique 6 par l'intermédiaire d'une portion sous tête 7 de diamètre inférieur à celui de la tête 5 et de la douille cylindrique 6. La douille cylindrique 6 est munie d'un taraudage venant se visser sur un 5 filetage prévu au niveau de l'extrémité de la tige 3. La partie statorique du moteur comprend un manchon de couplage 8 dont la forme extérieure est celle d'un cylindre, étagée. Elle présente un passage central coaxial dans lequel coulisse la tige 3. L'unité de pompage 1 comprend un module de pompage 9 comportant un corps monobloc, par exemple cylindrique ou parallélépipédique rectangle réalisé en un matériau usinable et/ou moulable avec précision et possédant un très faible coefficient de dilatation. 15 Ce corps comporte une cavité cylindrique coaxiale 10 débouchant par un orifice situé au centre de l'une de ces faces 11 qui constitue une face d'assemblage. 20 Cette cavité 10, qui constitue la chambre travail de la pompe, communique avec l'extérieur grâce à deux canaux 12, 13 permettant un raccordement à des circuits d'utilisation respectifs. L'un de ces canaux 12 est disposé coaxialement à la cavité 10, à l'opposé de 25 l'orifice. Il débouche au sommet d'une surface conique coaxiale constituant le fond de la cavité. L'autre canal 13 s'étend, quant à lui, perpendiculairement à l'axe de la cavité 10, à proximité de la face 11. 10 30 2904066 -6- La cavité 10 comprend, au voisinage de son orifice, un étagement d'alésage dans lequel est engagé un joint d'étanchéité 14, au travers duquel coulisse avec étanchéité le piston 15 du module de pompage 9. 5 Ce piston 15, qui consiste en un plongeur de forme cylindrique, présente d'un côté, une extrémité conique 16, de forme sensiblement complémentaire à celle du fond de la cavité 10 et, de l'autre côté, une face terminale plane dans laquelle débouche par une fente une gorge cylindrique diamétrale 16' axée perpendiculairement à l'axe du piston 15. 10 Dans cet exemple, le module de liaison et de guidage 18 consiste ici en un bloc métallique 17 (par exemple en alliage d'aluminium) de forme parallélépipédique dont deux faces FI, F2 opposées servent de face d'assemblage respectivement pour le module de pompage 9 et pour le module 15 d'actionnement 2, et une face latérale 19 qui sert de face de fixation de l'unité de pompage sur un support (par exemple dans un at. tomate d'analyse). Le bloc 17 comprend un alésage central coaxial 20 débouchant dans les faces FI, F2. 20 Cet alésage 20 comprend du côté de la face F1 un étagement d'alésage s'étendant sur environ de sa longueur dans lequel est disposé un tronçon tubulaire 21 en matériau à faible coefficient de friction (tel que, par exemple, un composé fluocarboné, PTFE, FEP). Ce tronçon tubulaire 21 sert de palier 25 coulissant au piston 15. L'alésage 20 comprend, du côté de la face F2, des étagements dans lesquels s'engagent étroitement les étagements du manchon de couplage 8 du module d' actionnement 2. 30 2904066 7 Ainsi, en position assemblée des trois modules, avec accouplement de la tige 3 et du piston 15, tous les éléments animés par des déplacements en translation sont censés être coaxiaux. 5 Néanmoins, s'il subsiste un défaut d'alignement entre la tige 3 et le piston 15 (par exemple dû à la tolérance dimensionnelle des étagements du module d'actionnement, par exemple dans le cas où le module d'actionnement est acheté tel quel dans le commerce), ce défaut d'alignement ne peut pas avoir de conséquence sur le joint d'étanchéité en raison de la précision du guidage du 10 piston 15 et du type de couplage piston 15/tige 3 utilisé. Cette structure présente, par ailleurs, l'avantage de pouvoir être assemblée ou désassemblée très simplement (par exemple par vissage/dévissage de vis disposées parallèlement à l'axe de l'ensemble tige 3/piston 15). Cette structure permet une interchangeabilité des modules, par exemple pour adapter l'unité du pompage 9 à l'application dont elle fait l'objet. La fixation de l'unité de pompage 9 sur un support peut être assurée au moyen 20 de deux vis axées parallèlement à l'axe du piston. Des canaux 22, 23 réalisés dans le module 18 perpendiculairement à la face d'assemblage 19 servent à fixer la pompe. Bien entendu, l'invention ne se limite pas au mode d'exécution précédemment 25 décrit. Ainsi, par exemple, le module de pompage 9 pourrait comprendre au moins une électrovanne commandant le passage de fluide dans l'un des canaux 12, 13. Avantageusement, cette électrovanne pourrait être intégrée au bloc 30 constituant le module de pompage 9. 15 2904066 -8- Dans l'exemple illustré sur les figures 3 et 4, le module de pompage comprend un corps monobloc 30 similaire à celui décrit dans l'exemple précédent. D'une façon analogue, il comporte une cavité cylindrique coaxiale 31 5 débouchant au niveau de la face d'assemblage 32. Cette cavité 31, qui constitue la chambre de travail de la pompe, communique avec l'extérieur grâce à deux canaux, à savoir : un canal 33 disposé coaxialement à la cavité 31. et débouchant au sommet 10 d'une surface conique coaxiale 34 constituant le fond de la cavité 31, un canal 35 qui s'étend perpendiculairement à l'axe de la cavité 31, à proximité de la face d'assemblage 32. Dans cet exemple, chacun des canaux 33, 35 comporte successivement, en 15 partant de la cavité cylindrique 31, un tronçon cylindrique de petit diamètre raccordé à un tronçon cylindrique 36, 36' de plus grand diamètre par l'intermédiaire d'une portion conique 37, 37' servant de portée d'étanchéité. Le tronçon cylindrique de plus grand diamètre 36, 36' est prolongé par une portion taraudée 38, 38' débouchant à l'extérieur. 20 Dans les portions taraudées 38, 38' viennent se visser avec étanchéité les corps 39, 39' d'un dispositif d'obturation d'électrovanne 40, 40' comportant un obturateur qui se présente sous la forme d'un pointeau 41, 41' dont l'extrémité conique présente la même conicité que la portion conique 37, 37'. Ce pointeau 41, 41' est actionné par une bobine électrique (non représentée) située à l'intérieur de l'électrovanne 40, 40'. Le tronçon cylindrique 36, 36' délimite une chambre d'obturation qui 30 communique à l'extérieur grâce à un canal 42, 43 débouchant dans une cavité 25 2904066 -9- cylindrique 44, 45 munie d'un taraudage servant à la connexion d'un tube souple, de préférence en matière plastique transparente. Dans cet exemple, le canal 43 qui débouche dans, le tronçon cylindrique 36 5 s'étend perpendiculairement à l'axe de la cavité cylindrique 31 de manière à ce que la cavité 45 soit formée dans une face latérale du bloc. Le canal 42 qui débouche dans le tronçon cylindrique 36' s'étend parallèlement à l'axe de la cavité cylindrique 31 de manière à ce que la cavité 44 soit formée 10 dans la face (supérieure) du corps 30 située à l'opposé de la motorisation. L'intérêt de la solution précédemment décrite consiste en ce que dans la mesure où le corps 30 est réalisé en matière transparente, tout le parcours du liquide à travers la pompe est visible. Par ailleurs, les connexions des tubes 15 s'effectuent dans un plan parallèle à la face antérieure du corps (plan de la figure 4) de sorte que l'on peut également observer la circulation du liquide à l'intérieur de ces tubes. En outre, grâce à l'intégration des électrovannes 40, 40' au corps 30, on obtient 20 un ensemble compact et peu volumineux qui peut être facilement logé dans un appareil, éventuellement sur une partie mobile. Dans l'exemple illustré sur la figure 5, la cavité cylindrique 50 du corps 51 ne communique à l'extérieur que grâce à un seul canal 52 disposé coaxialement à 25 la cavité 50, dans une position analogue à celle du canal 38. Ce canal 52 est prolongé par une cavité cylindrique coaxiale 53 dans laquelle peut venir s'assembler, avec étanchéité : - soit une aiguille de pipetage 54 dotée d'un embout de connexion, par 30 exemple par vissage, 2904066 - 10- - soit un obturateur multivoies, par exemple une électrovanne trois ou quatre voies 55 présentant des sorties d'aspiration et/ou de refoulement sur lesquelles peuvent être connectés des conduits souples 56, 57. 5 Dans la variante d'exécution représentée figure 6, à l'intérieur de la cavité 60 du corps 61 coulisse avec étanchéité un piston 62 muni d'une garniture d'étanchéité 63. Ce piston 62 est lui-même entraîné par un module d'actionnement 64 du type 10 de celui décrit au regard des figures 1 et 2. Ici également, la cavité cylindrique 60 ne communique avec l'extérieur que grâce à un seul canal 64 disposé coaxialement à la cavité 60. 15 Ce canal 64 est prolongé par une cavité cylindrique 65 coaxiale qui débouche sur la face supérieure 66 du corps 61. Il débouche également à l'extérieur par un ensemble canal/cavité 68 centré perpendiculairement à l'axe de la cavité cylindrique 60. La cavité 68 débouche 20 au niveau d'une face latérale du corps 61. Les cavités 65 et 68 sont conçues de manière à pouvoir recevoir des électrovannes et/ou des conduits souples. Eventuellement, l'une de ces cavités pourra être bouchée par un obturateur, l'autre cavité pouvant alors recevoir par 25 exemple une aiguille de pipetage ou un stylet. Revendications 1. Unité de pompage à durée de vie élevée, caractérisée en ce qu'elle est réalisée par l'assemblage d'au moins trois 5 modules interchangeables à savoir : un module de pompage (9) comportant un corps muni d'une cavité (10) constituant une chambre de travail, un piston (15) mobile en translation et s'engageant de façon étanche clans la cavité (10) par l'intermédiaire d'un 10 joint (14) disposé entre ledit corps et ledit piston (15), au moins un canal (12, 13) réalisé dans le corps de manière à pouvoir connecter la chambre de travail à un circuit d'utilisation, ledit corps comprenant une face d'assemblage (11) axée perpendiculairement à l'axe de déplacement du piston (15), 15 un module d'actionnement linéaire comportant un organe d'actionnement (3) mobile en translation coaxialement au piston (15), et un module de liaison et de guidage (18) permettant d'assurer une liaison 20 mécanique entre le module de pompage (9) et le module d'actionnement linéaire (2) et un guidage précis du piston (15) coaxialement au joint d'étanchéité, ce guidage étant indépendant des moyens de guidage utilisés par le module d'actionnement (2), 25 et en ce que le couplage entre l'organe d'actionnement (3) et le piston (15) est assuré, par l'assemblage d'une part, d'un joint cylindro-sphérique faisant intervenir une tête sphérique (5) centrée sur l'axe de l'organe d'actionnement (3) et reliée à celui-ci par une portion sous tête (7) de section inférieure au diamètre de la sphère et, d'autre part, une gorge cylindrique (16') réalisée dans 30 l'extrémité du piston opposée à l'organe de pompage, perpendiculairement à l'axe dudit piston (15), cette gorge cylindrique (16') débouchant axialement à 2904066 -12- l'extérieur par une fente de largeur inférieure au diamètre de la gorge et légèrement supérieur à ladite portion sous tête (7). 2. Unité de pompage selon la revendication 1, caractérisée en ce que le module d'actionnement (2) comprend un moteur électrique pas à pas dont le rotor est muni d'un alésage central coaxial taraudé dans lequel s'engage une tige (3) constituant le susdit organe d'actionnement, cette tige (3) comportant une portion filetée qui coopère avec le taraudage, ainsi qu'une portion cannelée qui s'engage dans un palier coulissant, de section complémentaire, solidaire de la partie statorique du moteur, l'une des extrémités de la tige étant prolongée par un embout portant ladite tête sphérique. 3. Unité de pompage selon la revendication 2., caractérisée en ce que la tête sphérique (5) est reliée à une douille cylindrique (6) par l'intermédiaire d'une portion sous tête (7) de diamètre inférieur à celui de la tête (5) de la douille cylindrique (6), et en cep que la douille cylindrique (6) est munie d'un taraudage venant se visser sur un filetage prévu au niveau de l'extrémité de la tige (3). 4. Unité de pompage selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la partie statorique du moteur comprend un manchon de couplage (8) dont la forme extérieure est étagée, et en ce que le module de liaison et de guidage comprend un alésage comportant, d'un côté des étagements d'alésage dans lesquels s'engagent étroitement les étagements du manchon de couplage (8) du module d'actionnement 2. 5. Unité de pompage selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cavité du corps du module de pompage (9) consiste en un alésage comprenant, au niveau de la face d'assemblage du corps sur le module de liaison et de guidage (18), un étagement d'alésage dans lequel est 2904066 - 13 - engagé un joint d'étanchéité (14) au travers duquel coulisse avec étanchéité le piston (15). 6. Unité de pompage selon l'une des revendications précédentes, 5 caractérisée en ce que la cavité du module de pompage communique avec l'extérieur grâce à au moins un canal (12, 13) permettant un raccordement à un circuit d'utilisation. 7. Unité de pompage selon la revendication 6, 10 caractérisée en ce que le module de pompage comprend au moins une électrovanne mono ou multivoies commandant le passage de fluide dans le susdit canal (12, 13), cette électrovanne étant intégrée en partie ou en totalité audit module. 15 8. Unité de pompage selon la revendication 6, caractérisée en ce que le susdit canal est conformé de manière à pouvoir recevoir une aiguille creuse servant au pipetage. 9. Unité de pompage selon la revendication 8, 20 caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens permettant sa fixation sur un élément mobile d'un dispositif de pipetage automatique ou semi-automatique. 10. Unité de pompage selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que la cavité (31), qui constitue la chambre de travail, 25 communique avec l'extérieur grâce à un premier canal (33) disposé coaxialement à la cavité et un second canal (35) qui s'étend perpendiculairement à l'axe de la cavité, chacun desdits canaux (33, 35) comportant successivement, en partant de ladite cavité (31), un tronçon de petit diamètre raccordé à un tronçon de plus grand diamètre (36, 36') par 30 l'intermédiaire d'une portion conique (37, 37') servant de portée d'étanchéité, le tronçon cylindrique de plus grand diamètre étant prolongé par une portion 2904066 - 14 - taraudée (38, 38') débouchant à l'extérieur, et en ce que dans cette portion taraudée vient se visser le corps d'un dispositif d'obturation en forme de pointeau (41, 41') dont l'extrémité conique présente la même conicité que la portion conique (37, 37'). 5 11. Unité de pompage selon la revendication 10, caractérisée en ce que le tronçon cylindrique de plus grand diamètre délimite une chambre d'obturation qui communique avec l'extérieur grâce à un canal (42, 43) débouchant dans une cavité cylindrique (44, 45) munie d'un 10 taraudage, servant à la connexion d'un tube souple. 12. Unité de pompage selon la revendication 11, caractérisée en ce que le canal (43) qui débouche dans le tronçon cylindrique du premier canal (33) s'étend perpendiculairement à l'axe de la cavité 15 cylindrique (31), et en ce que le canal (42) qui débouche dans le tronçon cylindrique (36') du second canal (35), s'étend parallèlement à l'axe de ladite cavité cylindrique (31). 13. Unité de pompage selon la revendication 1, 20 caractérisée en ce que la cavité cylindrique (50) du corps qui constitue la chambre de travail communique à l'extérieur grâce à un canal (52) disposé coaxialement à la cavité (50), ce canal étant prolongé par une cavité cylindrique coaxiale (53) dans laquelle peut venir s'assembler avec étanchéité une aiguille de pipetage ou un obturateur multivoies. 25 14. Unité de pompage selon la revendication 1, caractérisée en ce que la cavité cylindrique (60) qui constitue la chambre de travail communique avec l'extérieur grâce à un canal (64) coaxial prolongé par une cavité cylindrique (65) coaxiale qui débouche au niveau de la face 30 supérieure (66) du corps (61), ledit canal (64) communiquant avec l'extérieur par un ensemble canal/cavité (68) centré perpendiculairement à l'axe de la 2904066 - 15 - cavité cylindrique (60), la cavité (68) débouchant au niveau d'une face latérale du corps. 15. Unité de pompage selon la revendication 14, 5 caractérisée en ce que les susdites cavités (65 et 68) sont conçues de manière à pouvoir recevoir des électrovannes et/ou des conduits souples. 16. Unité de pompage selon la revendication 14, caractérisée en ce que l'une des cavités (65, 68) est bouchée par un obturateur 10 tandis que l'autre reçoit une aiguille de pipetage ou un stylet. 17. Unité de pompage selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le piston présente une forme cylindrique, et en ce que le module de liaison et de guidage (18) consiste en un bloc dont deux faces 15 opposées (F1, F2) servent de face d'assemblage respectivement pour le module de pompage (9) et pour le module d'actionnement (2), et une face latérale qui sert de fixation de l'unité de pompage sur un support, ledit bloc (17) comprenant un alésage central coaxial (20) présentant du côté du module de pompage un étagement d'alésage dans lequel est disposé un tronçon tubulaire 20 (21) en un matériau à faible coefficient de friction qui sert de palier coulissant au piston. 18. Unité de pompage selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le susdit organe d'actionnement est sensiblement 25 coaxial au piston (15).