Brevet FR2516606A1 — publié le 19830520

Pompe à diaphragme à oommande piézo-électrique, notamment micro-pompe pour implantation dans-le corps humain. La présente invention se rapporte aux pompes d'une façon générale et a plus particulièrement une pompe destinée à etre implantée dans le corps humain. Dans le domaine des systèmes de distribution de fluides devant etre utilisés dans le corps humain, les dispositifs actuels ne peuvent pas être entièrement implantés ou ne peuvent pas être commandés directement ou encore ne sont pas en mesure d'éviter le refoulement traversant provoqué par une pression appliquée à l'admission de la pompe. Cette dernière caractéristique est pourtant indispensable pour garantir que des doses exagérées, potentiellement dangereuses, des médicaments ou d'hormones ne sont pas refoulées par inadvertance dans l'organisme, par une pression soudaine exercée sur le réservoir, ce qui pourrait etre provoqué par un choc. Le brevet antérieur des E.U.A. n0 3 963 380, auquel on se référera, décrit les caractéristiques et les avantages d'un organe de cintrage piézo-électrique agissant sur un disque pour la commande des micro-pompes En résumé, cette pompe et la pompe à diaphragme conforme à la présente invention font appel à une chambre à volume variable à commande piézo-électrique et à un ensemble d'électrovannes actionné de façon séquentielle. pour pomper de petits volumes de fluide, la séquence est produite en établissant une différence de phase entre les commandes de la chambre piézo-électrique et de l'ensemble à électrovanne. Conformément à la pratique de la présente invention, on a constaté qu'il était possible de transformer la micro-pompe décrite dans le brevet des E.U.A. n0 3 963 380 en une pompe à diaphragme en obtenant les meilleurs résultats. Dans le mode de réalisation particulier décrit dans le brevet des E.U.A. n0 3 963 380, une difficulté s'est présentée en ce que la pompe devenait sensible à la présence de bulles de gaz dans le liquide à pomper. Les bulles peuvent s'accumuler dans la pompe et, dans certains cas, la pompe peut être bloquée par le gaz. De plus, la micro-pompe salivant le brevet antérieur nécessite, relativement, une grande quantité de fluide pompé dans le réseau de la pompe. L'amorçage de la pompe exige un soin extrême. Le but principal de la présente invention consiste à créer une pompe à vessie à commande piézo-électrique à auto-amorçage et même capable de pomper un gaz. L'invention concerne à cet effet, une pompe du type ci-dessus caractérisée en ce quelle comporte un tube flexible disposé à l'intérieur de cette chambre à volume variable et relié à l'admission ainsi qu'au refoulementr un organe piézo-électrique constituant une paroi de la chambre pour en faire varier le volume, un liquide essentiellement non compressible disposé à l'intérieur de la chambre et agencé pour transmettre à l'intérieur de la chambre les forces produites pendant la variation de volume de-cette chambre, un ensemble d'électrovannes pour contrôler l'écoulement du liquide à travers l'admission et 17 échappement des moyens de commande reliés à l'organe piézo-electriqueetà ensemble d'électrovannes pour alimenter électriquement cet organe piézo-électrique et cet ensemble d'électrovannes suivant un ordre de succession voulu pour faire passer du fluide de l'admission au tube flexible et pour pomper du fluide du tube flexible vers le refoulement. Dans l'agencement de pompe envisagé ici, la chambre à volume variable, sur laquelle agissent l'organe ou les organes de cintrage de disque, est remplie avec un liquide essentiellement non compressible et elle- est scellée. Le remplissage en une seule fois, tel qu'il est actuellement utilisé, permet de prendre beaucoup de soins pour que le liquide non compressible soit exempt de bulles et même débarrassé d'air. A 11 intérieur de la chambre scellée est disposé un tube flexible à travers lequel s'écoule le fluide pompé. La présence de ce tube flexible transforme en fait la chambre à volume variable en une pompe à diaphragme ou à vessie. Les variations de pression provoqués par les organes de cintrage piézo-électriques sont transmises du tube flexible par l'intermédiaire du liquide non compréssible, ce qui provoque la dilatation et la contraction du-tube et ainsi le pompage du fluide qui y passe. On a constaté qu'il était possible d'utiliser les caractéristiques et la construction de la pompe piézo-électrique avec une disposition à vessie tqut en conservant la commande des volumes et d'autres possibilités de la commande piézo-électrique. L'invention sera mieux comprise en regard de la description ci-après et des dessins annexés représentant des exemples de réalisation de l'inventions dessin#s dans lesquels - La fig.l est une vue en coupe d'une pompe conforme à l'in- vention lors d'une course d'admission; - La fig.2 est une vue générale, en partie schémathique, du circuit de commande de la pompe; - La fig.3 est un diagramme d'oscilloscope réprésentant la tension El appliquée à l'organe de cintrage de disque ainsi que les tensions appliquées E2 et E3 aux électrovannes d'ad mission et de refoulement, El étant travée à une échelle différente de E2 et de E3;; - La fig.4 est un graphique des caractéristiques d'une pompe en fonctionnement, représentant les variations du volume de refoulement de la pompe en tant que fonction linéaire du nombre des impulsions par train d'impulsions; - La fig.5 est un graphique des caractéristiques d'une pompe en fonctionnement, représentant les variations du volume de refoulement de la pompe en fonction de l'intervalle de temps (en millisecondes) entre les impulsions; - La fig.6 est un graphique des# caractéristiques d'une pompe en fonctionnement, représentant les variations du volume de refoulement de la pompe en fonction d'une pression re tenue (en mm de Hgf établie contre une résistance à plecou- lement;; - La fig 7 est un schéma d'un exemple de réalisation préféren tiel du circuit de commande de la3pompe. La Fig. 1 représente un exemple de réalisation préférentiel de la pompe avec la chambre à volume variable 12 et les électrovannes 14,15. La chambre à volume variable 12 comporte une partie cylindrique 20 présentant un épaulement intérieur 22. Un organe de cintrage de disque 23 dont la forme varie en réponse à un signal électrique repose sur l'épaulement 22 (et constitue le reste de la chambre). La partie. cylindrique 20 peut être réalisée en matière plastique, par exemple en Lexan, et l'organe de cintrage de disque peut-être constitué par un appareil disponible dans le commerce, par exemple un organe de cintrage de disque du type G*1500 que l'on peut se procurer chez Gulton Industries, à Fullerton, Ca.L'organe de cintrage de disque 23 est fixé sur la partie cylindrique 20 par un liant de contact, par exemple Eastman 910 L'organe de cintrage de disque est const#itué par une feuille mince 26 (0,23 mm d'épaisseur et 24,9 mm de diamètre), de matière piézo-électrique (matière piézo-céramique au zirconate titanate de plomb) liée par un adhésif à base d'exposy à un disque de calage 24 légèrement plus grand en laiton (2,5 mm d'épaisseur et 34,9 mm de diamètre). Une mince couche d'argent est déposée sur la surface de la feuille Les connexions électriques sont réalisées par brasage sur cette couche d'argent et sur le disque en laiton. Lorsqu'une tension électrique est appliquée entre le film en argent et le disque en laiton, le champ électrique résultant qui s'établit à l'intérieur du cristal provoque la# dilatation ou la contraction du diamètre de celui-ci en fonction de la direction d'application de la tension. Cependant, étant donné que le #périmètre du cristal ne peut pas augmenter en raison de son assemblage avec le disque en laiton 24, le déplacement résultant est un bombement dans la partie centrale avec formation d'une surface sphérique. L'amplitude de la déformation est proportionnelle à la tension appliquée. Conformément à la mise en pratique de la présente invention, la chambre à volume variable 12 est un système fermé et étanche rempli d'un liquide non compressible 17, par exemple, de l'eau débarrassée d'air et exempte de bulles ou de l'huile au silicone. La chambre 12 est remplie au moyen du tube de remplissage 19. Le tube 19 est ensuite scellé de façon étanche. La pression développée au sein du liquide 17 par l'organe de cintrage de disque piézo-électrique 23 dilate et contracte le diamètre d'un manchon intérieur flexible 35 disposé dans la chambre 12. La chambre à volume variable 12 est reliée à l'electrovanne 1.4 par un conduit 28 logé dans une ouverture 30 de la paroi 20. Un conduit similaire 29, logé dans une ouverture 31 de la paroi 20 relie la chambre 12 à l'électrovanne 15. Le manchon intérieur flexible 35 (constitué par exemple par un tube en téflon mou de 3,2 mm de diamètre et de 29u d'épaisseur de paroi) relie les conduits 28 et 29. L'électrovanne 15 comporte une admission 34 pour l'admission du fluide pompé dans le système, tandis que l'électrovanne 14 comporte un refoulement 32. La communication pour le fluide de l'admission 34 à la sortie 32 est assurée au moyen du manchon intérieur fléxible 35 traversant la chambre 12. Cette communication du fluide est commandée dans l'électrovanne 15 par l'armature 36 de l'électro-aimant 38 et dans l'électrovanne 14 par l'armature 37 de l'électro-aimant 39. L'une quelconque des armatures 36,37, ou ces deux armatures, sont maintenues en position fermée par un ressort 40 lorsque les électro-aimants 38,39 sont désexcités. L'admission 34 est reliée à un réservoir contenant le fluide à distribuer et le refoulement 32, est reliée à la partie du corps qui reçoit le fluide. La fig. 1-- représente la phase d'admission de la pompe, lorsque le volume de la chambre 12 augmente et que l'électrovanne 15 est ouverte. L'åbsence d'une pression de liquide sur le manchon 35 permet l'écoulement du liquide dans ce manchon 35. Lorsque le circuit est commuté (pour fermer l'électrovanne 15, ouvrir l'électrovanne 14 et actionner llorgance de cintrage de disque 23 dans l'autre direction), la pression accrue du liquide 17 est appliquée au manchon 35. Il en résulte que ce manchon est comprimé et que le fluide est pompé à l'intérieur et évacué au refoulement 32 par le conduit 23 et L'électrovanne 14 qui est alors ouverte. Les avantages d'une micro-pompe piézoélectrique sont conservés dans la pompe à vessie conforme à la présente invention. Les forces qu'effectuent un travail utile sont developpées par voie électrostatique àl'intérieur d'un cristal. L'usure par frottement est essentiellement éliminée en-raison de l'absence de paliers et d'éléments coulissants. La seule surface d'usure est celle du manchon flexible 35 et, pour cet élémert, la technologie des matières plastiques a depuis longtemps fourni des matières résilientes capable de subir un nombre élevé de millions de cycles de flexion. Il est avantageux que le taux de réponse du disque porteur 24 aux forces développées par l'organe piézo-électrique de cintrage de disque 23 soit raisonnablement voisin du taux de réponse à la flexion du manchon intérieur 25 vis-à-vis des variations de pression, ces deux éléments répondant convenablement aux impulsions ne durant que quelques millisecondes, par exemple environ dix millisecondes Il en résulte que la pompe à vessie conforme à l'invention présente les caractéristiques de fonctionnement de la micro-pompe à commande piézo-électrique décrite dans le brevet des E.U.A. n0 3 963 380. Les éléments principaux du circuit de commande de la pompe sont représentés sur la fig. 2, tandis que la fig. 7 représente en détail un exemple de réalisation préférentiel du circuit de commande de la pompe. Conformément à la fig.2, un oscillateur 1 à onde rectangulaire, dont la fréquence peut être contrôlée dans la gamme de 40 à 70 Hz environ par une résistance variable R8, branche alternativement les couples de transistors Qi, Q2 et Q3, Q4. Ainsi, Q1 et Q3 relient alternativement V et V à la terre, ce qui provoque alternativement l'établissement de courant d'excitation de sens opposés dans l'enroulement primaire du transformateur élévateur 2. De même, Q2 et Q 4 actionnent alternativement l'un des multivibrateurs monostables IC5 et IC6, ce qui provoque alternativement le passage d'un courant dans les bobines 38,39 des électrovannes 14,15.Les périodes de passage du courant (par exemple -2à 10 m sec.) dans les bobines 38,39 peuvent être commandées respectivement-par des résistances variables R9, R10 Les connexions de l'enroulement secondaire du transformateur 2 sont respectivement reliées aux cristaux piézo-électriques 26 et au disque en laiton 24. Ces connexions à organe de cintrage de disque 23 sont telles que ce disque se cintre vers le manchon intérieur flexible 35 ou à l'écart de celui-ci en réponse à une tension positive ou à une tension négative induites dans l'enroulement secondaire. L'enroulement secondaire du transformateur 2 produit une tension suffisamment élevée pour provoquer une déformation efficace de la feuille piézo-électrique 26 en coopération avec la commande des électrovannes 14,15 en donnant ainsi une séquence appropriée des impulsions de fluide dans la chambre à volume variable 12 par l'intermédiaire du tube flexible 35. Le générateur de signaux 16 peut fournir, de façon continue, des impulsions périodiques pour le fonctionnement continu de la pompe ou peut fournir un nombre fixé d'impulsions pour le fonctionnement intermittent de la pompe. Un exemple de réalisation préférentiel du circuit de commande est représenté schématiquement sur la fig. 7 dans laquelle on a utilisé les mêmes références que dans la fig.2, sauf que le générateur à onde rectangulaire est remplacé par IC4, et que l'organe de cintrage da disque 23 est désigné par P. le générateur à onde rectangulaire IC4 peut-êtme un amplificateur opérationnel classique 741 dont la fréquence peut-être commandée de 40 à 70 Hz par une résistance variable R8. On peut cependant utiliser tout autre type de dispositif fournissant des impulsions de tension à onde rectangulaire avec une puissance suffisante et permettant un réglage de la fréquence et de la durée des impulsions dans la gamme de fréquences allant de 20 à 70 Hz.Un organe de temps programmable IC1 pour ce circuit comporte un multivibrateur mqnostable qui, lorsqu'il est actionné, commandé le transistor Q5 dank l'état conducteur pendant quelques dixièmes de seconde pour brancher le convertisseur continu ÏC2.' Le multivibrateur-monostable de l'organe de temps ICi est actionné à des intervalles de temps déterminés par ses organes de commande numériques qui sont réglés au moyen de 83. L'interva3le entre leR trains d'impulsions est ainsi déterminé. Le transformateur 2 peut-être constitué par deux éléments branchés en série du type miniature à admission audio tels que ceux du n0 272 1376 du catalogue Archer de Allieds Electronics. Ces éléments sont représentés sur la fig.7 et désignés par T1 et T2, l'organe de cintrage de disque P1 étant branché entre les enroulements à impédance élevée. Un régulateur de tension IC3 fournit des tensions réglées V et V . La puissance d'admission requise pour cet exemple de réalisation est approximativement comprise entre 2,3 et 2,5 watts. Il est à remarquer qu'aucun des circuits décrits précédemment n'est absolument néçessaire et qu'on peut utiliser pour le même but des agencements électroniques variés. Le#debit volumétrique de la pompe, repré senté sur la fig.4, est une fonction linéaire du nombre d'implusions n dans un train d'impulsions Pour régler le débit de la pompe, on a utilisé en pratique le nombre dtimpulsions dans un train d'impulsions ainsi que la fréquence à laquelle se présente le train d'impulsions. Ce mode de commande double donne une étendue de débits théoriquement infinie.En superposition au réglage ci-dessus, on peut obtenir un " accord fin " supplémentaire en réglant la fréquence de l'oscillateur (c'est-à-dire l'intervalle entre les impulsions d'un train d'impulsion voir fig.5) ainsi que la durée d'ouverture de L'électrovanne bt sa relation avec la pression de retenue, comme représentd sur la fig.6). Comme représenté sur la fig.5, le débit de la pompe (pour un nombre donné d'impulsions dans un train d'impulsions) est sensiblement constant lorsque I1 intervalle de temps entre les impulsions varie de 16 à 24 m sec., ce qui correspond à une gamme de fréquences s'étendant de 42 à 62 Hz environ. En ré#glant la durée d'ouverture de l'électrovanne, on modifie le volume débité par la pompe à chaque impulsion ainsi que la pression de retenue qui agit contre l'écoulement. Gomine représenté sur la fig 6 tCercles pleins), le système formé par la pompe et l'électrovanne peut être optimisé pour débiter un volume maximal dans des conditions de faibles variations de la pression de retenue en réglant R9 et R10 (fig.2 et fig.7) de manière que les électrovannes restent ouvertes pendant une période de temps relativement longue. D'autre part, la pompe peut aussi être optimisée pour améliorer le maintien à une valeur constante et la possibilité de répétition du débit (cercles blancs), si des variations notables de la pression de retenue peuvent se produire en réduisant la durée d'ouverture de l'électrovanne. Ce dernier point constitue une caractéristique de sécurité importante car on peut régler le débit de la pompe pour qu'il soit le moins sensible possible à la pression de retenue.La possibilité de commande de l'action des électrovannes indépendamment de la fréquence de la pompe (comme représenté sur le fig. 5) constitue une amélioration considérable par rapport à la solution par l'électrovanne seule. Cependant, comme c'était le cas avec la solution par l'électrovanne seule, la caractéristique de sécurité la plus importante est la disposition des électrovannes de'tanière à éviter le passage du fluide à travers la po#mpe avec coupure de puissance et à provoquer la fermeture des électrovannes si une pression extérieure est appliquée. Bien que l'on ait décrit en détail un mode de réalisation préférentiel en-utilisant des composants disponibles dans le commerce, il ne s'agit là que d'exemples diélE- ments piézo électriques, d'électrovannes à commande électrique, de générateur de signaux et de circuits de déphasage. En agencant la pompe piézo-électrique en tant que pompe à vessie, on obtent plusieurs avantagés dic- tincts. La pompe est à auto-amorçage et est même capable de pomper de l'air. Le mode de~réalisation décrit à ti- tre d'exemple a été capable de pomper de l'air avec une contrepression de 60 mm de mercure. La correspondante a été ca pah.le de pomper des liquides avec une contre-pressnorw de 200 m de mercure, on estime que l'amélioration obtenue dans la pression de pompage est due, en partie, à la forte réduction du volume du fluide pompé à l'intérieur du système de pompage. Le volume pompé à l'intérieur de la chambre 12 est réduit à la quantité se trouvant à l'intérieur du tube flexible 35.L'amélioration peut être due, en partie, à l'aptitude du tube flexible à effectuer le pompage en éliminant les gaz; L'amélioration peut-être due, en partie, à la présence à l'intérieur de la chambre 12, d'une charge exempte de gaz et qui ne subit pas de modifications, constitue par exemple par de l'eau débarrassée d'air ou par de l'huile au silicone. il est difficile de rempl#ir la chambre 12 sans introduire des bulles ou en laissant des bulles après l'ô- pération. De plus, la dilatation de la chambre 12, sous l'effet piézo-électrique, peut provoquer un phénomène de cavitation sur la face de contact du liquide avec la paroi 24. En tout cas, la transformation de la chambre 12 en une zone fermée n'ayant à être remplie qu'une seule fois permet d'effectuer avec soin ce remplissage unique avec un liquide (débarrassé d'air). En conséquence, la pompe conforme à l'invention développe une pression de pompage supérieumde 50% environ à celle qui est obtenue à l'aide de la pompe décrite dans le brevet des E.U-.A. n0 3 963 380. REVENDICATIONS 1 ) - Pompe-présentant une admission (34) et un refoulement (32), caractérisé en ce qu'elle comporte une chambre étanche à volume variable (12) 20) - Pompe selon la.revendlication 1, -ca- ractérisée en ce que l'ensemble d'électrovannes comporte des moyens (40) de sollicitation à des électrovannes en position fermée, l'écoulement du fluide à travers la pompe étant arrêté lorqu'il nty a pas de pompage. 3 ) - Pompe selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'ensemble d'électrovannes (14,15) comporte une première electrovanne (15) et une seconde électrovanne(14) respectivement associées à l'admission (34) et au refoulement (32), ces électrovannes étant alternativement ouvertes lorsqu'elles sont actionnées par des moyens de commande, la seconde électrovanne (14) étant fermée et la première (15) ouverte pour permettre le pompage du fluide dans le tube flexible (35), tandis que la première électrovanne {15) est fermée et la seconde (14) ouverte pour permettre le pompage du fluide hors du tube flexible (35). 40) - Pompe selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de commande comportent - Un oscillateur (1) pour produire un signal de sortie elec trique de fréquence sélectivement fixée, un organe de com mande de durée d'ouverture d'électrovannes réglable ( IC5, 1C6 ) pour commander la durée d'excitation des électrovan nes (14,15), un transformateur élévateur (2) comportant un enroulement primaire agencé pour conduire alternative ment un courant dans des sens opposés en fonction-du si gnal de refoulement de l'oscillateur. - Un premier organe de commutation (Q1,Q3) actionné par le signal de refoulement de l'oscillateur pour fournir al ternativement un courant dans des sens opposés à l'enrou lement primaire, un second organe de commutation (Q2,Q4) pour actionner l'organe de commande de durée d'ouverture (IC5,IC6), en fonction de la fréquence de L'oscillateur, le volume du fluide pompé étant ainsi fonction de la fré quence de refoulement sélectivement fixée à l'oscillateur et la durée d'excitation réglable de l'ensemble d'électro vannes. 50) - Circuit de commande pour une pompe d volume variable à éïctovannes e à commande piézo-électrique comportant une admission et un refoulement, caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur (1) pour fournir un signal de refoulement électrique de fréquence sélectivement fixée, un organe de commande de durée d'ouverture d'électrovannes réglable (IC5, IC6) pour commander la durée d'excitation d'au moins l'une des électrovannes (14, 15 ), un transformateur élévateur (2) comportant un enroulement secondaire branché aux bornes de l'organe piézo-électrique (23) et un enroulement primaire agencé pour conduire alternativement un courant dans des sens opposés en fonction du signal de refoulement de l'oscillateur, un premier organe de commutation (Q1, Q3) pour fournir un courant dans des sens opposés à l'enroulement primaire, cet organe étant actionné par le signal de refoulement de l'oscillateur, un second organe de commutation (Q2, Q4) pour actionner l'organe de commande de durée d'ouverture en fontion de la fréquence de l'oscillateur, le volume du fluide pompé étant ainsi fonction de la fréquence de refoulement sélectivement fixée de l'oscilla- teur et de la durée d'excitation réglable de l'ensemble d'électrovannes.