WO2000003933A1 - Distributeur de produits cremeux sous pression muni d'un piston etanche - Google Patents

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WO2000003933A1
WO2000003933A1 PCT/FR1999/001683 FR9901683W WO0003933A1 WO 2000003933 A1 WO2000003933 A1 WO 2000003933A1 FR 9901683 W FR9901683 W FR 9901683W WO 0003933 A1 WO0003933 A1 WO 0003933A1
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piston
housing
seal
cylindrical wall
diameter
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PCT/FR1999/001683
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Inventor
Jacques Granger
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Cebal S.A.
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B65—CONVEYING; PACKING; STORING; HANDLING THIN OR FILAMENTARY MATERIAL
    • B65D—CONTAINERS FOR STORAGE OR TRANSPORT OF ARTICLES OR MATERIALS, e.g. BAGS, BARRELS, BOTTLES, BOXES, CANS, CARTONS, CRATES, DRUMS, JARS, TANKS, HOPPERS, FORWARDING CONTAINERS; ACCESSORIES, CLOSURES, OR FITTINGS THEREFOR; PACKAGING ELEMENTS; PACKAGES
    • B65D83/00—Containers or packages with special means for dispensing contents
    • B65D83/14—Containers or packages with special means for dispensing contents for delivery of liquid or semi-liquid contents by internal gaseous pressure, i.e. aerosol containers comprising propellant for a product delivered by a propellant
    • B65D83/60—Contents and propellant separated
    • B65D83/64—Contents and propellant separated by piston

Definitions

  • the invention relates to housings dispensing pressure products of high viscosity with or without emulsifying gas, to be separated from the propellant gas.
  • These are, for example, dispenser boxes for pasty or creamy products, in particular food creams.
  • the emulsifying gas used cannot be used as propellant gas.
  • a sudden injection at a higher pressure at the end of packaging would cause a sudden change in the structure of the product and would make the dispenser completely ineffective, in any event would distort the desired smoothness of the product.
  • a second gas is therefore needed, used as a propellant gas and perfectly separated from the product intimately mixed with the emulsifying gas. When it comes to distributing pasty or creamy food products, nitrogen is chosen as the propellant.
  • the product, possibly mixed with an emulsifying gas is in the form of a paste or a highly viscous cream, the viscosity being between 100 and 100,000 centipoises in the temperature range targeted. It is therefore necessary to exert a sufficient propulsion effort to bring out this product.
  • the propellant is introduced under a pressure of between 6 and 20 atmospheres at room temperature.
  • the sealing of the separation must make it possible to maintain, throughout the use of the housing and when the valve is actuated, a sufficient pressure difference between the chamber containing the product and the chamber of the propellant gas.
  • the packaging may impose a sterilization phase before filling the product, the housing being cleaned for example with hydrogen peroxide, and a phase following filling and pressurization, where the housing can be brought to very low temperatures, especially when it comes to ice cream dispenser boxes.
  • the housing must be able to ensure good separation between product and propellant in the temperature range: -40 ° C, + 120 ° C.
  • these boxes in the case of their use by professionals of the food circuit, that they are refillable, that is to say reusable after sterilization and refilling.
  • the pocket case one can choose either a metal pocket or a plastic pocket. Due to the dimensions relating to large capacity boxes (diameter close to 80 mm, height close to 300 mm), it is not economically advantageous to choose metal bags: either they are conventionally produced by impact spinning and in this case they are thick, imperfectly transmit the pressure exerted by the propellant gas and greatly increase the total weight of the housing, or they are manufactured by stamping-stretching according to the method described in French application FR 98 06560 filed by the applicant but the cost of the development of the method and of the tools is not compatible with the limited market corresponding to this type of housing.
  • Low density polyethylene has the advantage of being an inexpensive polymer with good resistance to cracking at low temperature but it has the disadvantage of creeping under a low load - of the order of MPa - at 100 ° C.
  • the pocket to be produced has such a diameter (typically 40 mm to 80 mm) that it is not possible to make it separately and then to thread it into the already conified case (opening diameter of one inch): it is necessary either to carry it out in situ, or to thread a cylindrical blank into the cylindrical housing blank and then to conify the assembly, for example by following the process described in patent EP 0 547 982 of the applicant.
  • the bag is not very tight due to the high gas permeability of polyethylene.
  • piston housings Although many of them have been described for many years, no convincing industrial solution has been found. Indeed, no piston known to date can, during the entire use of the housing, that is to say for at least 6 months after packaging, slide freely inside the housing while maintaining effective separation between the product and the propellant, due to the high mechanical and thermal stresses imposed by the specifications set out above.
  • Patent 3,255,936 describes a housing intended in particular for the distribution of shaving creams, whipped creams and sugar icings, provided with a piston in the form of an inverted bowl, the periphery of which is extended by a cylindrical skirt covered a hydrogel which allows it to slide in the housing.
  • Patent GB 2 015 655 also reveals the difficulties encountered in obtaining a piston which can slide perfectly inside the housing while maintaining a certain seal between product and propellant. It offers a piston also in the form of an inverted bowl extended by a rigid cylindrical skirt provided at its two ends with annular bosses and, in the middle, with two flanges surrounding a foam ring. The first boss, located at the periphery of the bottom, scrapes the internal wall of the housing. The assembly of the flanges and the foam ring is intended to maintain a separation as tight as possible between the chamber containing the product and the chamber containing the propellant gas, subjected to a pressure of less than 9 atmospheres.
  • the Applicant has sought to overcome these difficulties and to produce, under economically satisfactory industrial conditions, a housing which makes it possible to distribute under pressure a product whose viscosity is greater than 100 centipoise (or 0.1 Pa.s) - in particular pastry creams. and coolers with a viscosity of between 20,000 and 100,000 centipoises - while keeping the product and the propellant gas separated under an initial pressure of between 6 and 20 atmospheres at ambient temperature, said separation having to remain effective for at least 6 months, said housing being able to be subjected several times to temperatures comprised in the interval (-40 ° C; + 120 ° C).
  • the distributor housing according to the invention is a metal piston housing in the form of a bowl extended by a generally cylindrical wall, characterized in that said generally cylindrical wall is provided with a boss at one of its ends and an annular groove, intended to collect a seal at its other end.
  • the piston is metallic, which provides an effective barrier to the diffusion of the propellant towards the product. It includes a bottom and a generally cylindrical wall.
  • the shape of the bottom of the piston is an inverted bowl. In order to increase the rate of return of the product, it is possible to choose a shape matching that of the dome which supports the valve, by providing a cavity making it possible to accommodate the lower part of the valve and radial channels making it possible to supply this cavity with product. at the end of the piston stroke.
  • the height of the generally cylindrical wall of the piston is such that it favors the axial guidance of the piston in the housing.
  • This generally cylindrical wall does not come into contact with the internal wall of the housing over this entire height, since contact is ensured at the level of the boss and of the O-ring, each located at one end of said cylindrical wall.
  • This configuration can be accentuated by providing a recess between the boss and the seal, the diameter at this level being less than the diameter of the bottom of the piston (hereinafter called the diameter of the piston). This not only makes it possible to reduce the friction forces but also to evacuate, by trapping them, the roughness or particles encountered on the internal wall and liable to hinder the smooth sliding of the piston.
  • the boss can be located at the bottom of an inverted cup-shaped shape and the seal can be located at the open end of the cylindrical wall of the piston.
  • the Applicant has found that the opposite configuration - seal located at the bottom and boss at the open end of the cylindrical wall of the piston - is more advantageous.
  • the seal in direct contact with the product, does not act like a doctor blade on the internal wall of the housing but advances leaving a "shirt", that is to say, using the vocabulary of metal profile spinners, a thin film of product adhering to the wall of the housing.
  • this jacket by its presence, contributes to the good sealing of the assembly.
  • the boss is located on the open end and essentially serves as an axial guide, its maximum diameter preferably being slightly less than the diameter of the piston, so that the boss is not in contact with the internal wall of the housing over its entire length. circumference.
  • the main role of the boss is to guide the piston axially, preventing any jamming of said piston by untimely pivoting.
  • the distance between the boss and the groove is preferably greater than the radius of the housing.
  • the cylindrical wall of the piston is provided, preferably at the junction with the bottom, with a groove capable of receiving an O-ring.
  • the section of the O-ring is arbitrary, the simplest form being the circle.
  • the integrity of the seal, therefore the quality of the seal also depends on the shape of the groove. It is particularly necessary to avoid the jamming of the seal during the sliding of the piston by "extrusion" between the internal wall of the housing and the cylindrical wall of the piston, because this jamming risks quickly tearing the seal.
  • the groove must have a depth greater than the radius of the seal and a width such that the surface of the section of the groove is greater than that of the section of the O-ring. In this way, the bottom of the annular groove has a straight cylindrical vertical part.
  • the side walls must have a geometry unfavorable for the extrusion of the seal between housing and piston during its movement, that is to say be perpendicular to the internal wall of the housing over a sufficient length, for example in making the leave of connection of these walls with the generally cylindrical wall of the piston as low as possible.
  • the active part in contact with the internal wall of the housing retains a circular shape - the non-active part in contact with the groove of the piston follows the profile of the groove, the surface of the assembly not having to exceed the section of the groove.
  • the quality of the contact between the seal and the internal wall of the housing depends on the differences in hardness, or rather rigidity, between the seal and the piston on the one hand and between the seal and the housing on the other hand. Whether it is the piston or the casing, the Applicant has found that it is above all a question of seeking the best circumferential rigidity: the orthogonal sections of the casing and of the piston may possibly deform elastically, it suffices that the perimeters are retained, provided that the main axes of deformation of the piston and of the housing remain approximately identical. So preferably choose a housing and a piston in a material of the same kind.
  • the housing is preferably metallic, like the piston.
  • Aluminum alloys are well suited materials for both the housing and the piston. They are possibly different for the piston and the housing.
  • the alloys chosen for the piston are preferably part of the group comprising the alloys designated 5182, 5052, 3104, 3105, 3003 and 8011 by the Aluminum Association.
  • the piston is obtained for example by stamping or by stamping-drawing then knurling, which makes it possible to obtain, under satisfactory economic conditions, a thin cylindrical wall, of the order of 0.2 to 1 mm.
  • a thin cylindrical wall of the order of 0.2 to 1 mm.
  • Such a wall is easily elastically deformable but remains circumferentially rigid.
  • the O-ring has a section such that it compensates for the respective dimensional variations of the housing and the piston.
  • the metal housing is generally produced by impact spinning, or by stamping or stamping-drawing.
  • the piston is preferably produced by stamping or stamping- drawing. In this way, the cumulative manufacturing tolerances can reach for the geometries concerned (diameters close to 80 mm) a difference of 0.6 mm, which the O-ring must be able to "absorb" without loss of efficiency in terms of tight separation between the propellant and the product and without risk of pinching between the piston groove and the internal wall of the housing.
  • the external leaves of the groove of the piston intended to receive the seal must not be greater than 1.5 mm. So that the seal is not too compressed when the piston is manufactured with a maximum diameter and the housing with a minimum internal diameter, it is preferable to choose an O-ring whose circumscribed diameter of the section is greater than five times , preferably 8 times, the allowable play between the diameter of the piston and the diameter of the internal wall of the housing. Thus for a maximum clearance of 0.6 mm, the circumscribed diameter of the section of the joint must be greater than 3 mm and preferably it will be chosen greater than 4.8 mm.
  • the seal must remain housed at the bottom of the piston groove, held between the horizontal side walls of the groove so that it does not roll on itself locally as this would cause significant twists and weaken it.
  • the external part of the seal must be able to deform easily under the effect of contact with the internal wall of the housing.
  • the section of the seal has a rounded tip, projecting from the diameter of the piston when the seal is placed in the groove. This rounded point shape facilitates radial compression of the joint and the material of the joint can move freely towards the empty part of the groove.
  • the volume occupied by the groove must be greater than that of the seal.
  • the Applicant recommends for the O-ring an elastomeric plastic or a silicone.
  • the elastomeric plastic can be chosen from nitriles, butyls, hydrogenated nitriles, terpolymers (ethylene, propylene, diene), fluoroelastomers, etc., or their alloys or their mixtures.
  • the seal can also be made of silicone or of silicone mixed with the preceding elastomeric materials.
  • the joint must have a minimum hardness, greater than 45 Shore A., preferably between 45 and 85 Shore A, depending on the viscosity of the product to be packaged. Indeed, to maintain good flexibility allowing the separation to be maintained despite the variable clearance between the housing and the piston, it is desirable that the hardness of the joint does not exceed 85 Shore A.
  • seal material To facilitate sliding, additives such as stearins, stearates, erucamides, etc. may possibly be used but they are generally not necessary. With regard to distributors of food creams, the seal material must also be adapted to the requirements of food hygiene.
  • Figure 1 shows the piston used for a distributor housing according to the invention.
  • Figure 2 illustrates the distributor housing with the metal piston of Figure 1 and a seal.
  • Figures 3 to 5 show sections of seals according to the invention. The latter are at rest, juxtaposed with the detail drawing of the groove of the piston and of the wall of the housing, the rounded tip overlapping a part of the housing.
  • the piston 1 illustrated in FIG. 1 comprises a bottom 2 in the form of an inverted bowl and a generally cylindrical wall 3. The ends of this wall are provided with a boss 4 on the side of the open end 6 and, at the junction with the bottom 2, an annular groove 5. Intended to receive an O-ring (marked 10 in FIG. 2 ), this annular groove 5 has a radial depth of approximately 4.6 mm and a width L equal to that of the seal 10.
  • the surface of the section of the groove is greater than that of the section of the O-ring 10.
  • the side walls 9 of the groove 5 are straight and horizontal over a sufficient length, thanks to fillets 11 for connection with the cylindrical wall 3 of several tenths of a millimeter. They keep the internal part of the seal 10 stable at the bottom of the groove 5, that is to say that there is no risk of it rolling over itself locally and of twisting.
  • the diameter of the bottom D1 is greater than the diameter D2 of the outer wall of the recess 7 located between the boss 4 and the O-ring 10.
  • the boss 4 has a maximum diameter D3 slightly less than the diameter D1 of the bottom, called the diameter of the piston .
  • the housing 20, illustrated in FIG. 2 has a capacity of 1.25 liters.
  • a shock spinning blank is produced.
  • the housing 20 is made of 1050 alloy, has a diameter of 80 mm and a final height of 280 mm.
  • the thickness of the cylindrical wall is close to 0.46 mm. Its internal wall is covered with an epoxy varnish.
  • a piston 1 identical to that illustrated in FIG. 1 is placed in the housing blank which is then conified to obtain an orifice 21 delimited by a rolled edge 22, on which a valve cup (not shown) is crimped.
  • the piston divides the internal volume of the housing into two chambers: the lower chamber
  • the dispenser 26 intended to receive the propellant gas and the upper chamber 23, intended to collect the product to be distributed.
  • the cream is poured into the chamber 23, while the piston rests on the bottom 24 of the housing.
  • the cup fitted with the dispensing valve is crimped on the rolled edge 22 then the propellant gas is injected under a pressure of 15 atmospheres into the lower chamber 26 via the hole in the bottom 24 of the housing, then plugged with a stopper gassing 25.
  • the piston was obtained by stamping a sheet painted in 8011. Its thickness is close to 35 hundredths of a millimeter.
  • the final shape is obtained by stretching and then molding to obtain the desired profile. Thanks to this shape matching those of the neck of the housing and the bottom of the valve, the bottom 2 allows a very high product restitution rate, greater than 95%.
  • the height of the cylindrical wall of the piston, imposing the distance between the seal and the boss, is close to the radius of the housing, which allows good axial guidance.
  • the boss has a radial height of 2 mm relative to the surface of the recess 7.
  • the diameters D1, D2 and D3 are respectively equal to 78.6 mm, 74 mm and 78 mm.
  • the boss has a diameter D3 slightly smaller than the diameter of the piston D1: it is not in continuous contact over the entire periphery with the internal wall of the housing.
  • the seal is made of silicone and has a Shore 60 A hardness.
  • Three types of seal, shown in FIGS. 3, 4 and 5, have been produced in the context of the invention.
  • the joint of Figure 3 has a large section with an outer part with a rounded point, the radius being equal to 2 mm. This seal resists wear well and makes it possible to make up for significant piston-housing clearances. Its seat in the groove gives it good stability and prevents the risks of kinking and pinching of the joint. However, its cost is quite high due to the material used.
  • the joint of Figure 5 has a significantly smaller section, with an outer part also in a rounded point, the radius of the rounding being equal to 1 mm.
  • the height of the cylindrical wall of the piston is such that it allows the piston to rest on the bottom of the housing in a stable position when filling the product and injecting the emulsifying gas.
  • the large surface occupied by the metal bottom of the piston and the small surface occupied by the O-ring make it possible to respect the specific characteristics of the propellant gas and the emulsifying gas throughout the use of the housing, that is to say during the minus 6 months.

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Abstract

Boîtier distributeur sous pression de produits visqueux muni d'un piston (1) comportant un fond (2) en forme de cuvette renversée prolongée par une paroi globalement cylindrique portant un joint d'étanchéité (10). Le piston est métallique, de préférence en alliage d'aluminium, sa paroi cylindrique est munie d'un joint en l'une de ses extrémités et d'un bossage en son autre extrémité. Le joint est en élastomère ou en silicone, il est placé de préférence au niveau de la jonction entre le fond du piston et la paroi globalement cylindrique. Le piston est avantageusement obtenu par emboutissage ou emboutissage-étirage d'une tôle mince vernie puis moletage de l'ébauche cylindrique permettant d'obtenir le profil désiré de la paroi globalement cylindrique.

Description

DISTRIBUTEUR DE PRODUITS CREMEUX SOUS PRESSION MUNI D'UN
PISTON ETANCHE
DOMAINE TECHNIQUE
L'invention concerne des boîtiers distribuant sous pression des produits de forte viscosité avec ou sans gaz émuisifiant, devant être séparés du gaz propulseur. Il s'agit par exemple de boîtiers distributeurs de produits pâteux ou crémeux, notamment de crèmes alimentaires.
Les boîtiers visés plus particulièrement doivent répondre à un cahier des charges contraignant : a) ils doivent avoir une grande capacité, tout en respectant les réglementations nationales en vigueur concernant les appareils à pression. En l'occurrence, la réglementation européenne limite le volume maximal de tels boîtiers à un litre. b) il doit y avoir une séparation entre le produit et le gaz propulseur. Cela est particulièrement important lorsque le produit est mélangé intimement avec un gaz émuisifiant sous une pression de plusieurs atmosphères: l'injection du gaz émuisifiant doit s'effectuer très progressivement de telle sorte que le mélange acquiert une consistance caractéristique qui donne au produit l'onctuosité et la douceur recherchées. Le gaz émuisifiant utilisé ne peut être utilisé comme gaz de propulsion. Une injection brutale à une pression supérieure en fin de conditionnement entraînerait une modification brutale de la structure du produit et rendrait le distributeur totalement inefficace, en tout état de cause dénaturerait l'onctuosité recherchée du produit. Il faut donc un deuxième gaz, utilisé comme gaz propulseur et parfaitement séparé du produit intimement mélangé au gaz émuisifiant. Lorsqu'il s'agit de distribuer des produits pâteux ou crémeux alimentaires, on choisit l'azote comme gaz propulseur. c) le produit, éventuellement mélangé à un gaz émuisifiant, se présente sous la forme d'une pâte ou d'une crème fortement visqueuse, la viscosité étant comprise entre 100 et 100 000 centipoises dans le domaine de température visé. Il faut donc exercer un effort de propulsion suffisant pour faire sortir ce produit particulièrement visqueux du boîtier et le faire s'écouler au travers de la valve de distribution, d) Pour distribuer le produit visqueux, on introduit le gaz propulseur sous une pression comprise entre 6 et 20 atmosphères à la température ambiante. L'étanchéité de la séparation doit permettre de maintenir, tout au long de l'utilisation du boîtier et lorsque la valve est actionnée, une différence de pression suffisante entre la chambre contenant le produit et la chambre du gaz propulseur.
Si un gaz émuisifiant a été introduit dans le produit, la séparation doit permettre également de respecter les spécificités des deux gaz. e) Dans le cas de produits alimentaires, le conditionnement peut imposer une phase de stérilisation avant remplissage du produit, le boîtier étant nettoyé par exemple à l'eau oxygénée, et une phase succédant au remplissage et à la mise sous pression, où le boîtier peut être porté à des températures très basses, notamment lorsqu'il s'agit de boîtiers distributeurs de crèmes glacées. Typiquement, le boîtier doit pouvoir assurer une bonne séparation entre produit et gaz propulseur dans le domaine de température : -40°C, +120°C. f) Il est envisagé pour ces boîtiers, dans le cas de leur utilisation par les professionnels du circuit alimentaire, qu'ils soient rechargeables, c'est-à-dire réutilisables après stérilisation et nouveau remplissage.
ETAT DE LA TECHNIQUE
Deux solutions sont envisagées pour réaliser une séparation entre le produit et le gaz propulseur : on réalise soit un boîtier à poche soit un boîtier à piston.
En ce qui concerne le boîtier à poche, on peut choisir soit une poche métallique, soit une poche en matière plastique. En raison des dimensions relatives aux boîtiers de grande capacité (diamètre voisin de 80 mm, hauteur voisine de 300 mm), il n'est pas avantageux économiquement de choisir des poches métalliques : soit elles sont fabriquées classiquement par filage par choc et dans ce cas elles sont épaisses, transmettent imparfaitement la pression exercée par le gaz propulseur et augmentent fortement le poids total du boîtier, soit elles sont fabriquées par emboutissage-étirage selon le procédé décrit dans la demande française FR 98 06560 déposée par la demanderesse mais le coût de la mise au point du procédé et des outillages n'est pas compatible avec le marché limité correspondant à ce type de boîtier.
En ce qui concerne la poche plastique, il faut trouver un matériau poiymérique qui puisse résister aux conditions thermiques particulières du cahier des charges décrites plus haut. Le polyéthylène Basse Densité présente l'avantage d'être un polymère bon marché avec une bonne résistance à la fissuration à basse température mais il présente l'inconvénient de fluer sous une faible charge - de l'ordre du MPa - à 100°C. Mais la poche à réaliser a un tel diamètre (typiquement 40 mm à 80 mm) qu'il n'est pas possible de la réaliser séparément puis de l'enfiler dans le boîtier déjà conifié (diamètre d'ouverture d'un pouce) : il est nécessaire soit de la réaliser in situ, soit d'enfiler une ébauche cylindrique dans l'ébauche cylindrique de boîtier et de conifier ensuite l'assemblage, par exemple en suivant le procédé décrit dans le brevet EP 0 547 982 de la demanderesse. Outre ces difficultés techniques et économiques, la poche se révèle peu étanche en raison de la perméabilité aux gaz élevée du polyéthylène.
En ce qui concerne les boîtiers à piston, bien que nombre d'entre eux aient été décrits depuis de longues années, aucune solution industrielle convaincante n'a été trouvée. En effet, aucun piston connu à ce jour ne peut, pendant toute l'utilisation du boîtier, c'est-à-dire pendant au moins 6 mois après le conditionnement, coulisser librement à l'intérieur du boîtier tout en maintenant une séparation effective entre le produit et le gaz propulseur, en raison des fortes sollicitations mécaniques et thermiques imposées par le cahier des charges exposé plus haut.
Le brevet américain US 3 255 936 décrit un boîtier destiné notamment à la distribution de crèmes à raser, de crèmes fouettées et de glaçages au sucre, muni d'un piston en forme de cuvette renversée, dont la périphérie est prolongée par une jupe cylindrique recouverte d'un hydrogel qui lui permet de coulisser dans le boîtier. Le brevet GB 2 015 655 révèle d'autre part les difficultés rencontrées pour obtenir un piston qui puisse coulisser parfaitement à l'intérieur du boîtier tout en maintenant une certaine étanchéité entre produit et gaz propulseur. Il propose un piston également en forme de cuvette renversée prolongée par une jupe cylindrique rigide munie, à ses deux extrémités, de bossages annulaires et, en son milieu, de deux collerettes entourant un anneau en mousse. Le premier bossage, situé à la périphérie du fond, racle la paroi interne du boîtier. L'ensemble des collerettes et de l'anneau en mousse est destiné à maintenir une séparation aussi étanche que possible entre la chambre contenant le produit et la chambre contenant le gaz propulseur, soumis à une pression inférieure à 9 atmosphères.
De tels boîtiers ne peuvent pas garantir une séparation étanche du produit et du gaz propulseur dans les conditions extrêmes de contrainte et de température du cahier des charges. Pour illustrer la difficulté technique, on peut évoquer le fait qu'à l'heure actuelle, il n'est pas rare de rencontrer des boîtiers, initialement destinés à distribuer du gel à raser, qui distribuent en fait une mousse, ladite mousse étant le résultat de la fuite du gaz propulseur dans le gel. Ces boîtiers sont pourtant nettement moins sollicités thermiquement et mécaniquement que les boîtiers visés dans le cadre de la présente invention.
PROBLEME POSE
La demanderesse a cherché à surmonter ces difficultés et à réaliser dans des conditions industrielles économiquement satisfaisantes un boîtier qui permette de distribuer sous pression un produit dont la viscosité est supérieure à 100 centipoises (soit 0,1 Pa.s) - en particulier les crèmes pâtissières et glacières dont la viscosité est comprise entre 20 000 et 100 000 centipoises - tout en maintenant séparés de façon étanche le produit et le gaz propulseur rempli sous une pression initiale comprise entre 6 et 20 atmosphères à la température ambiante, ladite séparation devant rester effective pendant au moins 6 mois, ledit boîtier pouvant être soumis plusieurs fois à des températures comprises dans l'intervalle (-40°C ; +120°C). OBJET DE L'INVENTION
Le boîtier distributeur selon l'invention est un boîtier à piston métallique en forme de cuvette prolongée par une paroi globalement cylindrique, caractérisé en ce que ladite paroi globalement cylindrique est munie d'un bossage en une de ses extrémités et d'une gorge annulaire, destinée à recueillir un joint d'étanchéité en son autre extrémité.
Le piston est métallique, ce qui offre une barrière efficace à la diffusion du gaz propulseur en direction du produit. Il comprend un fond et une paroi globalement cylindrique. La forme du fond du piston est une cuvette renversée. De façon à augmenter le taux de restitution du produit, on peut choisir une forme épousant celle du dôme qui supporte la valve, en prévoyant une cavité permettant de loger la partie inférieure de la valve et des canaux radiaux permettant d'alimenter cette cavité en produit en fin de course du piston.
La hauteur de la paroi globalement cylindrique du piston est telle qu'elle favorise le guidage axial du piston dans le boîtier. Cette paroi globalement cylindrique n'entre pas en contact avec la paroi interne du boîtier sur toute cette hauteur, car le contact est assuré au niveau du bossage et du joint torique, situés chacun en une extrémité de ladite paroi cylindrique. On peut accentuer cette configuration en ménageant un évidement entre le bossage et le joint, le diamètre à ce niveau étant inférieur au diamètre du fond du piston (appelé par la suite diamètre du piston). Ceci permet non seulement de diminuer les efforts de frottement mais aussi d'évacuer, en les emprisonnant, les aspérités ou particules rencontrées sur la paroi interne et susceptibles d'entraver le bon coulissement du piston.
Le bossage peut être situé au niveau du fond en forme de cuvette renversée et le joint peut être situé au niveau de l'extrémité ouverte de la paroi cylindrique du piston. Mais la demanderesse a constaté que la configuration opposée - joint situé au niveau du fond et bossage au niveau de l'extrémité ouverte de la paroi cylindrique du piston - est plus avantageuse. Le joint, en contact direct avec le produit, agit non pas comme une racle sur la paroi interne du boîtier mais avance en laissant une " chemise ", c'est-à-dire, en reprenant le vocabulaire des fileurs de profils métalliques, une mince pellicule de produit adhérant à la paroi du boîtier. Lorsque le produit est particulièrement visqueux (consistence supérieure à 20 000 centipoise), cette chemise, par sa présence, participe à la bonne étanchéité de l'ensemble. Le bossage est situé sur l'extrémité ouverte et sert essentiellement de guide axial, son diamètre maxi étant de préférence légèrement inférieur au diamètre du piston, de telle sorte que le bossage n'est pas en contact avec la paroi interne du boîtier sur toute sa circonférence. Le rôle principal du bossage est de guider axialement le piston, en empêchant tout coincement dudit piston par pivotement intempestif. De façon à assurer un bon guidage axial, la distance entre le bossage et la gorge est de préférence supérieure au rayon du boîtier.
La paroi cylindrique du piston est munie, de préférence à la jonction avec le fond, d'une gorge apte à recevoir un joint torique. La section du joint torique est quelconque, la forme la plus simple étant le cercle. L'intégrité du joint, donc la qualité de l'étanchéité, dépend également de la forme de la gorge. Il faut notamment éviter le coincement du joint au cours du coulissement du piston par " extrusion " entre la paroi interne du boîtier et la paroi cylindrique du piston, car ce coincement risque d'entraîner rapidement la déchirure du joint. Pour cela, la gorge doit avoir une profondeur supérieure au rayon du joint et une largeur telle que la surface de la section de la gorge soit supérieure à celle de la section du joint torique. De la sorte, le fond de la gorge annulaire a une partie droite cylindrique verticale. De plus, les parois latérales doivent avoir une géométrie défavorable à l'extrusion du joint entre boîtier et piston au cours de son déplacement, c'est-à-dire être perpendiculaires à la paroi interne du boîtier sur une longueur suffisante, par exemple en rendant les congés de raccordement de ces parois avec la paroi globalement cylindrique du piston aussi faibles que possible.
Une précaution supplémentaire permettant d'éviter que le joint ne sorte de la gorge au cours de son déplacement et qu'il ne se coïnce entre la paroi interne du boîtier et la paroi externe du piston, consiste à donner au joint torique une section avec un profil spécifique :
- la partie active de contact avec la paroi interne du boîtier conserve une forme circulaire - la partie non active en contact avec la gorge du piston épouse le profil de la gorge la surface de l'ensemble ne devant pas dépasser la section de la gorge.
La qualité du contact entre le joint et la paroi interne du boîtier dépend des différences de dureté, ou plutôt de rigidité entre le joint et le piston d'une part et entre le joint et le boîtier d'autre part. Qu'il s'agisse du piston ou du boîtier, la demanderesse a constaté qu'il s'agissait avant tout de rechercher la meilleure rigidité circonférentielle : les sections orthogonales du boîtier et du piston peuvent éventuellement se déformer élastiquement, il suffit que les périmètres soient conservés, sous réserve que les axes principaux de déformation du piston et du boîtier restent à peu près identiques. On choisit donc de préférence un boîtier et un piston dans un matériau de même nature. Le boîtier est de préférence métallique, comme le piston.
Les alliages d'aluminium sont des matériaux bien adaptés autant pour le boîtier que pour le piston. Ils sont éventuellement différents pour le piston et le boîtier. Les alliages choisis pour le piston font de préférence partie du groupe regroupant les alliages désignés 5182, 5052, 3104, 3105, 3003 et 8011 par l'Aluminium Association.
Le piston est obtenu par exemple par emboutissage ou par emboutissage-étirage puis moletage, ce qui permet d'obtenir dans des conditions économiques satisfaisantes une paroi cylindrique peu épaisse, de l'ordre de 0,2 à 1 mm. Une telle paroi est facilement déformable élastiquement mais reste rigide circonférentiellement.
Le joint torique a une section telle qu'elle permet de compenser les variations dimensionnelles respectives du boîtier et du piston. Le boîtier métallique est en général réalisé par filage par choc, ou encore par emboutissage ou emboutissage- étirage. Le piston est préférentiellement réalisé par emboutissage ou emboutissage- étirage. De la sorte, le cumul des tolérances de fabrication peut atteindre pour les géométries concernées (des diamètres voisins de 80 mm) un écart de 0,6 mm, que le joint torique doit pouvoir "absorber" sans perte d'efficacité au niveau de la séparation étanche entre le gaz propulseur et le produit et sans risque de pincement entre la gorge du piston et la paroi interne du boîtier.
Dans ce but, avec les géométries visées, les congés extérieurs de la gorge du piston destinée à recevoir le joint ne doivent pas être supérieurs à 1 ,5 mm. De façon à ce que le joint ne soit pas trop comprimé lorsque le piston est fabriqué avec un diamètre maximum et le boîtier avec un diamètre interne minimum, il est préférable de choisir un joint torique dont le diamètre circonscrit de la section est supérieur à cinq fois, de préférence 8 fois, le jeu admissible entre le diamètre du piston et le diamètre de la paroi interne du boîtier. Ainsi pour un jeu maxi de 0,6 mm, la diamètre circonscrit de la section du joint doit être supérieur à 3 mm et de préférence il sera choisi supérieur à 4,8 mm.
Le joint doit rester logé au fond de la gorge du piston, maintenu entre les parois latérales horizontales de la gorge de façon à ce qu'il ne roule pas sur lui-même localement car cela entraînerait des torsions importantes et le fragiliserait. Par contre, la partie extérieure du joint doit pouvoir se déformer facilement sous l'effet du contact avec la paroi interne du boîtier. La section du joint présente une pointe arrondie, en saillie par rapport au diamètre du piston lorsque le joint est mis en place dans la gorge. Cette forme de pointe arrondie facilite la compression radiale du joint et la matière du joint peut se déplacer librement vers la partie vide de la gorge. De façon à éviter les pincements du joint entre piston et paroi, le volume occupé par la gorge doit être supérieur à celui du joint.
Bien que ces matériaux aient en général des propriétés d'adhérence qui ne facilitent pas a priori le glissement du piston, la demanderesse préconise pour le joint torique une matière plastique élastomérique ou un silicone. La matière plastique élastomérique peut être choisie parmi les nitriles, butyles, nitriles hydrogénés, terpolymères (éthylène, propylène, diène), fluoroélastomères, etc.... ou leurs alliages ou leurs mélanges. Le joint peut également être en silicone ou en silicone mélangé avec les matériaux élastomériques précédents. Pour faciliter la formation de la chemise, le joint doit avoir une dureté minimale, supérieure à 45 Shore A., de préférence comprise entre 45 et 85 Shore A, suivant la viscosité du produit à conditionner. En effet, pour conserver une bonne souplesse permettant de maintenir la séparation malgré le jeu variable entre boîtier et piston, il est souhaitable que la dureté du joint ne dépasse pas 85 Shore A.
Pour faciliter le glissement, des additifs tels que des stéarines, stéarates, érucamides, etc.. peuvent éventuellement être employés mais ils ne sont en général pas nécessaires. En ce qui concerne les distributeurs de crèmes alimentaires, le matériau du joint doit de plus être adapté aux conditions exigées d'hygiène alimentaire.
Une telle configuration a été développée pour les boîtiers de grande contenance mais reste tout à fait adaptée aux boîtiers de plus faible capacité (moins de 1 litre), devant distribuer sous pression des produits de forte viscosité et devant être protégés du gaz propulseur. De même, ces boîtiers peuvent tout à fait convenir également à des utilisations associées à des sollicitations thermiques et mécaniques moins contraignantes.
MODES DE REALISATION DE L'INVENTION - EXEMPLE
Le procédé selon l'invention sera mieux compris par la description détaillée d'un boîtier distributeur de crème pâtissière, cette dernière ayant une viscosité voisine de
50 000 centipoises, exposé ici à titre d'exemple non limitatif.
La figure 1 représente le piston utilisé pour un boîtier distributeur selon l'invention.
La figure 2 illustre le boîtier distributeur muni du piston métallique de la figure 1 et d'un joint d'étanchéité. Les figures 3 à 5 représentent des sections de joints selon l'invention. Ces derniers sont au repos, juxtaposés au dessin de détail de la gorge du piston et de la paroi du boîtier, ia pointe arrondie se superposant sur une partie du boîtier. Le piston 1 illustré en figure 1 comporte un fond 2 en forme de cuvette renversée et une paroi 3 globalement cylindrique. Les extrémités de cette paroi sont munies d'un bossage 4 du côté de l'extrémité ouverte 6 et, à la jonction avec le fond 2, d'une gorge annulaire 5. Destinée à accueillir un joint torique (repéré 10 sur la figure 2), cette gorge annulaire 5 a une profondeur radiale de 4,6 mm environ et une largeur L égale à celle du joint 10. La surface de la section de la gorge est supérieure à celle de la section du joint torique 10. Les parois latérales 9 de la gorge 5 sont droites et horizontales sur une longueur suffisante, grâce à des congés 11 de raccordement avec la paroi cylindrique 3 de plusieurs dixièmes de millimètre. Elles permettent de maintenir la partie interne du joint 10 stable au fond de la gorge 5, c'est-à-dire qu'il ne risque pas de rouler sur lui-même localement et de se vriller.
Le diamètre du fond D1 est supérieur au diamètre D2 de la paroi extérieure de l'évidement 7 situé entre le bossage 4 et le joint torique 10. Le bossage 4 a un diamètre maxi D3 légèrement inférieur au diamètre D1 du fond, appelé diamètre du piston.
Le boîtier 20, illustré en figure 2, a une capacité de 1 ,25 litre. On réalise d'abord une ébauche en filage par choc. Le boîtier 20 est en alliage 1050, a un diamètre de 80 mm et une hauteur finale de 280 mm. L'épaisseur de la paroi cylindrique est voisine de 0,46 mm. Sa paroi interne est recouverte d'un vernis époxy.
Un piston 1 identique à celui illustré en figure 1 est placé dans l'ébauche de boîtier qui est ensuite conifiee pour obtenir un orifice 21 délimité par un bord roulé 22, sur lequel une coupelle de valve (non représentée) est sertie.
Le piston divise le volume interne du boîtier en deux chambres : la chambre inférieure
26 destinée à recevoir le gaz de propulsion et la chambre supérieure 23, destinée à recueillir le produit à distribuer. La crème est versée dans la chambre 23, alors que le piston repose sur le fond 24 du boîtier. La coupelle munie de la valve de distribution est sertie sur le bord roulé 22 puis le gaz de propulsion est injecté sous une pression de 15 atmosphères dans la chambre inférieure 26 par l'intermédiaire du trou aménagé dans le fond 24 du boîtier, bouché ensuite à l'aide d'un bouchon de gazage 25.
Le piston a été obtenu par emboutissage d'une tôle vernie en 8011. Son épaisseur est voisine de 35 centièmes de millimètres. La forme finale est obtenue par étirage puis moulurage pour obtenir le profil voulu. Grâce à cette forme épousant celles du col du boîtier et du fond de la valve, le fond 2 permet un taux de restitution du produit très élevé, supérieur à 95%. La hauteur de la paroi cylindrique du piston, imposant la distance entre le joint et le bossage, est voisine du rayon du boîtier, ce qui permet un bon guidage axial.
Le bossage a une hauteur radiale de 2 mm par rapport à la surface de l'évidement 7. Les diamètres D1 , D2 et D3 sont respectivement égaux à 78,6 mm, 74 mm et 78 mm. Le bossage a un diamètre D3 légèrement inférieur au diamètre du piston D1 : il n'est pas en contact continu sur toute la périphérie avec la paroi interne du boîtier.
Le joint est en silicone et a une dureté Shore 60 A. Trois types de joints, représentés aux figures 3, 4 et 5, ont été réalisés dans le cadre de l'invention. Le joint de la figure 3 a une section importante avec une partie extérieure en pointe arrondie, le rayon étant égal à 2 mm. Ce joint résiste bien à l'usure et permet de rattraper des jeux piston-boîtier importants. Son assise dans la gorge lui donne une bonne stabilité et empêche les risques de vrillage et de pincement du joint. Par contre, son coût est assez élevé en raison de la matière utilisée. Le joint de la figure 5 a une section nettement plus faible, avec une partie extérieure également en pointe arrondie, le rayon de l'arrondi étant égal à 1 mm. Il est plus économique et permet de rattraper un jeu piston-boîtier aussi important (0,6 mm). Le diamètre de sa partie interne, égal à la largeur L de la gorge, est égal à 4 mm. Son diamètre circonscrit est voisin de 5,0 mm. Le joint de la figure 4 présente une géométrie également bien adaptée aux conditions d'emploi contraignantes du boîtier selon l'invention. La séparation entre produit et gaz de propulsion est maintenue dans des conditions satisfaisantes au cours du temps. Un mois après le conditionnement, la pression dans la chambre 26 n'a diminué que de 0,05 atmosphère. Au bout de 6 mois, la pression a chuté de 0,5 atmosphères et la crème pâtissière n'est pas altérée.
AVANTAGES
• La hauteur de la paroi cylindrique du piston est telle qu'elle permet au piston de reposer sur le fond du boîtier dans une position stable au moment du remplissage du produit et de l'injection du gaz émuisifiant.
• Le joint torique de grande section assure une bonne séparation entre le produit et le gaz propulseur, quel que soit le jeu dû aux tolérances de fabrication.
La grande surface occupée par le fond métallique du piston et la faible surface occupée par le joint torique permettent de respecter les spécificités du gaz propulseur et du gaz émuisifiant tout au long de l'utilisation du boîtier, c'est-à-dire pendant au moins 6 mois.

Claims

REVENDICATIONS
1. Piston (1) pour boîtier distributeur (20) sous pression de produits visqueux, comportant un fond (2) en forme de cuvette renversée prolongée par une paroi cylindrique (3), caractérisé en ce que ladite paroi cylindrique (3) est munie d'un bossage (4) en une de ses extrémités (6) et d'une gorge annulaire (5), destinée à recueillir un joint d'étanchéité (10), en son autre extrémité.
2. Piston selon la revendication 1 , caractérisé en ce qu'il est métallique.
3. Piston selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il est en un alliage d'aluminium appartenant au groupe regroupant les alliages 5182, 5052, 3104, 3105, 3003 et 8011 selon la désignation normalisée de l'Aluminium Association.
4. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il existe sur la paroi cylindrique (3) un évidement (7) entre ledit bossage (4) et ledit joint d'étanchéité (10).
5. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le joint (10) se trouve à la jonction entre ledit fond (2) et ladite paroi cylindrique (3) et en ce que le bossage (4) est situé sur l'extrémité ouverte (6) de ladite paroi cylindrique.
6. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la gorge (5) destinée à accueillir ledit joint torique (10) a des parois latérales (9) droites et horizontales permettant de maintenir la partie interne du joint (10) stable au fond de la gorge (5).
7. Piston selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la paroi du piston a une épaisseur inférieure à 1 mm.
8. Piston selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il est obtenu par emboutissage ou emboutissage-étirage d'une tôle mince vernie puis moletage.
9. Boîtier (20) distributeur sous pression de produits de forte viscosité, caractérisé en qu'il est muni d'un piston (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 et d'un joint torique (10) en une matière appartenant au groupe regroupant les matières
5 plastiques élastomériques et les silicones, ainsi que leurs mélanges.
10. Boîtier distributeur selon la revendication 9, caractérisé en que ledit joint torique (10) a une section dont la partie extérieure se présente sous la forme d'une pointe arrondie en saillie par rapport au diamètre du piston, le diamètre du cercle circonscrit w de ladite section étant supérieur à 5 fois, de préférence 8 fois, le jeu admissible entre le diamètre du piston et le diamètre du boîtier.
11. Boîtier distributeur selon la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce que ledit joint d'étanchéité (10) a une dureté supérieure à 45 Shore A.
15
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