L'invention concerne une pompe étanche à piston, dans laquelle le fluide à véhiculer est aspiré et refoulé dans une chambre à volume variable sous l'effet du déplacement alternatif d'un piston dans cette chambre et pour laquelle l'étanchéité entre la chambre de la pompe et une autre chambre doit être assurée. Cette étanchéité doit être compatible avec le mouvement des organes de la pompe tels que le piston et doit être conservée malgré d'éventuelles attaques chimiques dues par exemple à la nature chimique du fluide dans certaines conditions de température et de pression.
Dans une application particulière aux imprimantes à jet d'encre, la pompe à piston avec membranes décrite dans le brevet US 4 357 617 de Sharp K.K. présente un grand nombre de pièces empilées nécessaires à la réalisation de l'ensemble comprenant le corps de pompe, le piston et ses moyens d'étanchéité et de connexions fluides. Cette solution est coûteuse et peu fiable en raison de sa constitution: en effet, les membranes sont coincées entre deux éléments successifs du piston d'une part et deux brides sur le corps de pompe d'autre part, ce qui peut entraîner leur rupture lors de fonctionnements contraignants.
Pour renforcer ces membranes, les brevets FR 2 077 139, DE 1 231 584, FR 1 432 594 décrivent des systèmes de soutien de membranes dans des dispositifs à piston, tels que des anneaux concentriques prenant appui contre la membrane d'un côté et contre l'organe mobile de commande de l'autre, en coulissant les uns dans les autres. Ce sont aussi des nervures, solidaires du piston, sur lesquelles vient s'appuyer la membrane. Ces systèmes sont compliqués à monter et peu adaptés à l'application aux imprimantes à jet d'encre.
l'inconvénient d'utiliser des membranes d'étanchéité disponibles sur le marché est lié à leur mode de fabrication généralement par découpage d'un copeau régulier sur la périphérie d'un cylindre, ce qui laisse des traces d'outil sur la membrane ainsi réalisée, favorisant des zones de rupture.
De plus, les pompes à piston actuelle comportent habituellement un piston métallique dont les parois se rodent au contact du corps de pompe en générant de la limaille qui risque d'user ou de colmater certaines parties du circuit hydraulique dans lequel est intégrée la pompe.
Le document FR-A-1 412 473 propose une pompe à piston destinée à alimenter en combustible liquide le brûleur d'une pompe à chaleur. Cette pompe présente les caractéristiques définies dans le préambule de la revendication 1.
L'invention a pour but de pallier ces inconvénients en proposant une pompe étanche a piston de conception simple tout en garantissant un taux de compression optimal pour la pompe, quelle que soit la phase du fluide véhiculé, liquide - de l'encre par exemple -, gaz ou diphasique.
Pour cela, l'invention propose un ensemble monobloc piston-membrane-bride moulé dans une seule pièce d'un matériau synthétique.
Plus précisément, l'invention concerne une pompe étanche à piston comprenant :
Selon une autre caractéristique de l'invention, l'ensemble monobloc peut être réalisé par frittage de poudres fines donnant une matière homogène permettant d'obtenir un ensemble de très bonne qualité et de coût réduit quand il est réalisé en grandes séries. Préférentiellement, l'ensemble monobloc piston-membrane-bride est en polytétrafluorure d'éthylène, évitant ainsi les problèmes de rodage du piston car sa mise en forme dans le corps de pompe se fait essentiellement par matage.
Grâce à la simplicité du montage de la pompe selon l'invention, ses risques de défectuosité sont réduits ainsi que les coûts de fabrication;
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante de deux exemples particuliers de réalisation, cette description étant faite en relation avec les dessins dans lesquels :
Les éléments portant les mêmes références dans les différentes figures remplissent les mêmes fonctions en vue des mêmes résultats.
La pompe étanche à piston selon l'invention, telle que le montre la figure 1, comprend un corps de pompe 2 au centre d'une des faces 27 duquel est creusée une cavité 1 ouverte, destinée à recevoir un piston cylindrique, de dimensions sensiblement égales à celles de la cavité 1. Au moins deux trous 12 sont percés dans le corps de pompe, à l'extérieur de la cavité 1.
La pompe comprend également un piston cylindrique 6, qui fait partie intégrante d'un ensemble monobloc 7 de forme circulaire qui comprend également un anneau 4 destiné à se placer sur la face 27 du corps de pompe 2 et une partie amincie 5 déformable, reliant le pourtour supérieur 64 du piston central 6 à la circonférence intérieure de l'anneau 4. Ledit piston vient se loger dans la cavité 1 du corps de pompe 2. Cet ensemble monobloc 7 est réalisé en matériau synthétique souple, résistant aux agents chimiques et aux frottements, tel que du polytétrafluorure d'éthylène. Les différentes parties de l'ensemble sont obtenues par usinage ou par moulage de poudres thermocomprimées.
Le piston 6 cylindrique est percé d'un trou central dans lequel est logée solidairement une tige 3, qui doit être accouplée à un organe, non représenté sur la figure, d'entraînement du piston selon un mouvement alternatif de va et vient suivant l'axe longitudinal 9 dudit piston, avec une incidence angulaire autorisée. Ce déplacement du piston, entre une position extrême basse définie par le fond de la cavité et une position extrême haute, délimite une chambre à volume variable 20, comprise entre le fond de la cavité 1 et la base du piston 6. La figure 1 représente la pompe selon l'invention, le piston étant en position basse pour laquelle le volume de la chambre est minimal et la figure 2 la représente alors que le piston est en position haute pour laquelle le volume est maximal. Un épaulement 18 sur le pourtour de la base de la tige 3, en regard du corps de pompe 2 permet de solidariser ladite tige au piston 6, grâce à un écrou de serrage 17.
Selon une variante de l'invention, la tige 3 peut être réalisée dans le même matériau que l'ensemble monobloc 7, auquel cas elle est simplement une excroissance du piston 6, en dehors de la cavité 1 du corps de pompe 2. L'anneau 4 est creusé, sur sa face 40 opposée au corps de pompe 2, d'un canal annulaire 10 dont le fond est percé au niveau des trous 12 taraudés du corps de pompe, pour permettre le passage de moyens de fixation, tels que des vis 11 par exemple. Une bride annulaire 13 de renfort peut être placée dans le canal annulaire 10. Cette bride, qui permet de répartir les efforts de serrage des vis 11 uniformément sur le pourtour de l'anneau 4, est surtout rendue nécessaire par la plasticité du polytétrafluorure d'éthylène; on peut s'en affranchir quand l'ensemble monobloc 7 est en métal, par exemple en acier ou en nickel électrodéposé.
Dans le premier mode de réalisation décrit par les figures 1 et 2, la partie amincie 5, qui relie le pourtour supérieur 64 du piston 6 à la circonférence intérieure de l'anneau 4, est souple et déformable et sa forme initiale, lorsque le piston est en position basse, épouse parfaitement le col 22 de la cavité 1, légèrement arrondi sur les figures. Son intérêt vient de sa capacité de déformation pour suivre le mouvement du piston 6 alors que l'anneau 4 reste solidaire du corps de pompe 2. Lorsque le piston est en position basse, la partie amincie réduit au minimum le volume mort de la chambre 20, ce qui augmente ainsi le taux de compression de la pompe. Lorsque le piston est en position haute comme le montre la figure 2, la partie 5, qui joue le rôle de membrane d'une pompe classique, se déforme mais travaille essentiellement en flexion et presque pas en traction, ce qui augmente sa durée de vie.
L'étanchéité de la chambre à volume variable 20 peut être assurée par une pâte à joint déposée entre les faces en regard du corps de pompe 2 et l'ensemble monobloc 7, ou par un filetage périphérique de l'anneau 4 muni d'un joint oléoétanche. Dans l'exemple des figures 1 et 2, l'étanchéité est assurée par deux nervures 14 et 15 circulaires concentriques, qui sont disposées autour de la cavité 1, sur la face 27 du corps de pompe 2 et qui peuvent être réalisées selon deux modes.
Dans le premier mode, lesdites nervures sont creusées dans le corps de pompe 2, sous l'anneau 4 et au niveau de la bride de renfort 13. Un joint torique placé dans chacune de ces nervures assure l'étanchéité de la chambre à volume variable délimitée par la cavité 1 du corps de pompe 2, le piston 6 et la partie amincie 5 de l'ensemble monobloc 7.
Dans un second mode de réalisation, lesdites nervures sont réalisées en relief sur la face 27 du corps de pompe 2 ou sur la face 40 de l'anneau 4 en regard du corps de pompe, au niveau de la bride 13. Lors du serrage de la bride 13 au moyen des vis 11, les nervures 14 et 15 viennent mordre soit la face 27 du corps de pompe soit la face 40 de l'anneau 4 par contact très appuyé et permettent l'étanchéité de la même chambre à volume variable.
Selon l'invention, il est possible de créer une seconde chambre à volume variable 30, en disposant sur l'ensemble monobloc 7 un disque 16 circulaire de même diamètre que l'ensemble 7 et percé en son centre pour le passage de la tige 3. Cette seconde chambre 30 est créée entre l'ensemble monobloc 7 et le disque 16. Dans l'exemple de la figure 1, la face 160 de ce disque 16 en regard de l'ensemble 7 a une forme complémentaire de celle dudit ensemble 7, c'est-à-dire qu'il comporte une partie centrale réalisant un second piston 60 coaxial au premier, dont le col 23 arrondi en contact avec la partie amincie 5 possède un profil apte à soutenir en permanence le sommet de la convexité de ladite partie 5 pendant le déplacement du piston 6. En effet, la partie 5 participe au travail de compression du fluide pour assurer son écoulement le long des génératrices du cylindres formant le piston 6 et le sommet de la convexité de la partie 5 est alors à tout moment la partie la plus fragile, car elle est soumise simultanément à un effort de flexion et à l'effort du différentiel de pression entre sa face en regard du piston 6 et celle en regard du piston 60. L'essentiel du travail de compression est effectué par la base du piston 6. La forme du disque 16 ainsi définie présente l'avantage supplémentaire d'épouser parfaitement la partie amincie 5 lorsque le piston 6, donc le disque 16, sont en position basse, réduisant ainsi le volume mort en compression de la seconde chambre à volume variable 20. L'étanchéité de la seconde chambre 30 est assurée de façon classique par une membrane 21 fixée sur le disque 16 d'une part et au corps de pompe 2 d'autre part, par une bride 210 par exemple. Une plaque 201 est posée sur la membrane 21 pour assurer une bonne tenue mécanique de l'ensemble. Chacune des chambres à volume variable 20 et 30 communique avec le circuit fluide auquel est destinée la pompe selon l'invention grâce à des vannes logées dans des cavités C₂₆ représentées sur la figure 5 qui sera décrite ultérieurement.
Dans le second mode de réalisation d'une pompe étanche à piston selon l'invention, décrit par les figures 3 et 4, la partie amincie 5 de l'ensemble monobloc 7 comporte au moins deux plis 50 entre le pourtour 64 du piston 6 et l'anneau 4, concentriques à l'axe 9 du piston 6. Lors du déplacement du piston 6, la déformation de la partie 5 se fait par enroulement de matière. L'avantage offert par ces plis 50 parallèles à l'axe 9 du piston et donc à l'axe de son déplacement réside dans la tolérance des variations angulaires du déplacement du piston, en raison de la grande souplesse de la partie 5 ainsi plissée. La face 27 du corps de pompe est dotée de bossages 25, en nombre égal à celui des plis 50, et de forme adéquat pour s'emboîter totalement dans les plis afin de minimiser le volume mort en compression lorsque le piston est en position basse, un volume mort ne participant pas à la compression du fluide par la pompe car il n'entraîne pas de déplacement du piston. De plus, ces bossages 25 soutiennent et guident la partie amincie 5 lors du déplacement du piston, pendant le fonctionnement de la pompe. Quand la pompe doit comporter deux chambres à volume variable, elle comprend de plus un disque 61 placé sur l'ensemble monobloc 7 et dont la face en regard de ce dernier est plate, donc facilement réalisable.
Ce type de pompe selon l'invention est particulièrement bien adapté pour véhiculer des fluides multiphasiques entre différents réservoirs en contrôlant précisément leurs pressions, notamment dans des circuits d'alimentation en encre d'imprimantes à jet d'encre tels que celui représenté sur la figure 5. Cette figure est une vue en perspective et en coupe longitudinale de la pompe selon l'invention, intégrée dans un circuit d'alimentation d'une tête d'impression à jet d'encre, tel que décrit dans le brevet français 2 624 795, déposé au nom de la demanderesse. La pompe étanche selon l'invention est située dans la partie basse d'un dispositif destiné à recevoir une combinaison de deux chambres à volume variable et coopère avec un bloc réservoir 300. Elle est placée dans un dispositif 100 constitué d'un bloc massif monolithique dans lequel on trouve les cavités suivantes. Tout d'abord la cavité 1 du corps de pompe 2 dans laquelle se déplace le piston 6 qui, combiné à la partie amincie 5 de l'ensemble monobloc 7, délimite la chambre à volume variable 20, ensuite la seconde chambre à volume variable 30 entre le disque 16 et l'ensemble monobloc 7 et une pluralité de cavités C26a dites radiales, de même forme et de même volume intérieur, disposées en étoile à la périphérie des chambres 20 et 30. Grâce à cette disposition, la chambre 20 a un volume mort aussi faible que possible, ce qui conduit à un taux de compression élevé. Une canalisation Cp met en communication un capteur de pression P avec la chambre à volume variable 20. Une bride maintient en place ce capteur P et comporte des profils 140 servant d'appuis aux valves électromagnétiques destinées à être logées dans les cavités C26a. Un jeu de vis traversant des trous ti maintient l'anneau 4 et la bride 210 qui pincent respectivement la partie amincie 5 et la membrane 21. Le piston 6 est relié par l'intermédiaire de l'embase 600 à une bielle 500 reliée par l'intermédiaire d'un excentrique 301 supporté par un pallier 181 à un moteur porté par un support de moteur 171. Le bloc réservoir 300 monobloc est disposé entre le bloc moteur 170 et la pompe, et comporte deux compartiments qui accomplissent la fonction de réservoirs de récupération de l'encre 71 et d'accumulation 81, et un passage 167 que traverse la bielle 500. Sur les côtés de la pompe sont disposés des porte-cartouches 157, recevant les cartouches d'encre et de solvant nécessaires au fonctionnement de l'imprimante et qui sont amovibles. La prise de l'encre est réalisée au niveau d'un trocart 90 dont la fonction est de pénétrer une membrane prévue à cet effet dans la cartouche.
Il est également possible d'envisager d'autres applications grâce à la miniaturisation possible d'une telle pompe. Ainsi, en actionnant le piston à l'aide d'un élément piézo-électrique ou électromagnétique, on peut intégrer une telle pompe dans une tête d'impression à jet d'encre.