Brevet FR2874976A1 — publié le 20060310

Description La présente invention concerne une pompe piézoélectrique haute pression et haute fréquence permettant de manipuler des fluides de manière précise. La manipulation de fluide pour des débits de l'ordre de quelques nano litres par seconde à quelques millilitres par secondes requiert des micro pompes ou des mini pompes qui utilisent le plus souvent des technologies d'actionnement de type piézoélectrique. L'avantage des pompes piézoélectriques sur d'autres types d'actionnement réside dans leur capacité de miniaturisation et leur temps de réponse qui permet une grande précision dans le dosage des fluides. Les pompes piézoélectriques connaissent actuellement un certain développement dans le domaine de la manipulation de fluide pour des fonctions de dosage, de nébulisation, d'éjection ou de distribution. Dans ces domaines, on peut citer des applications industrielles relatives aux échantillonnages dans le domaine médical, la délivrance de médicament, l'injection de carburant, la diffusion de produit cosmétique et toute sorte de dosage ou de distribution de fluide dans l'industrie. A titre d'exemple, on peut citer le brevet US 20040021398 qui décrit la réalisation d'une pompe piézoélectrique à membrane destinée à des applications de refroidissement de dispositifs électroniques. Dans un autre domaine d'application, le brevet US 4553059 décrit le fonctionnement d'une pompe d'injection piézoélectrique pour les applications automobiles. Le brevet US 6592825 décrit une pompe piézoélectrique destinée à distribuer des micros volumes de fluide de manière précise. Dans le domaine des micros pompes, l'actionnement piézoélectrique est souvent utilisé grâce à sa capacité de miniaturisation. Les brevets tels que US 3963380, US 4344743 ou US 4944659 sont de bons exemples de cette utilisation. D'autre part, les micro pompes sur silicium de type MEMS (Micro electromechanical systems) utilisent largement ce concept. Les brevets suivants US 6033191 et US 6368079 décrivent de tels dispositifs. Il est cependant important de remarquer que la plupart de ces pompes piézoélectriques utilisent une membrane ou un diaphragme sur les quels sont collés des disques de fine épaisseur de matériaux piézoélectriques. Dans le cas des micros pompes, le matériau piézoélectrique est parfois déposé directement sur la membrane. Dans toutes ces conceptions, la pompe comprend une membrane vibrante sur la quelle sont couplés mécaniquement un ou plusieurs disques ou lames piézoélectriques. Cette même pompe comprend une chambre de compression dont le volume varie en fonction du mouvement de la membrane. La membrane est soumise à un mouvement vibratoire dû à l'action des éléments piézoélectriques qui se déforment en flexion. D'autre part, la pompe possède des valves ou des mécanismes permettant d'assurer la mise en pression et de privilégier un seul sens de circulation du fluide. Ce type de pompe est décrit, par exemple dans les brevets EP 0398583, JP61043283 ou JP61123782. L'inconvénient de ce type de pompe résulte de la faible capacité de la structure bi morphe (membrane et élément piézoélectrique en flexion) à générer de la pression. D'autre part, ces structures sont fragiles et les céramiques piézoélectriques sont souvent endommagées ou détruite en flexion sous l'effet de la contre pression. Ce type de pompe ne peut générer que quelques kPa de pression. A l'inverse, le dispositif de pompe selon la présente invention est destiné à générer des pressions de quelques kPa à quelques Mpa tout en assurant des débits de quelques nano litres par seconde à quelques millilitres par seconde. Ce dispositif de pompe piézoélectrique comporte selon une première caractéristique, un actionneur piézoélectrique qui vibre suivant son axe longitudinal et qui entraîne une membrane ou une paroi flexible. Cette paroi flexible fait varier le volume d'une chambre de compression dans la quelle se situe un fluide. Le dispositif comporte également des mécanismes contrôlant l'entrée et la sortie du fluide dans la chambre afin d'effectuer la mise en compression du fluide dans la chambre en privilégiant un sens de circulation du fluide. Ces mécanismes peuvent être des valves à bille ou des clapets permettant à la pompe un fonctionnement haute fréquence ( > 50 Hz). L'avantage de ce dispositif réside dans la capacité de l'élément piézoélectrique de générer des efforts et donc des pressions importantes sans s'endommager ou se détruire. D'autre part, l'utilisation du mode longitudinal de l'élément piézoélectrique permet de fonctionner à haute fréquence. Ce fonctionnement haute fréquence permet de fournir des débits suffisants pour les applications concernées en compensant les faibles déplacements de la membrane.Pour fonctionner à faible tension électrique et accéder ainsi à des applications portables, il sera utilisé avantageusement des actionneurs piézoélectriques multicouches. Selon des modes particuliers de réalisation : L'actionneur piézoélectrique peut être un multicouche permettant de réduire la tension d'alimentation de l'actionneur comme peuvent en fournir, par exemple les sociétés Epcos, Fuji, Noliac, Morgan Matroc. L'actionneur piézoélectrique peut être collé ou précontraint mécaniquement sur la membrane. L'actionneur piézoélectrique peut fonctionner soit en déplacement pseudo-statique soit en dynamique à la résonance de l'assemblage membrane-actionneur. L'actionneur piézoélectrique peut comporter un amplificateur de déplacement de type trompe . L'actionneur piézoélectrique utilisé à la fréquence de résonance de l'ensemble membraneactionneur comporte une contre-masse dynamique. La pompe fonctionnant en haute fréquence (> 300 Hz), les valves et les clapets mécaniques ne sont plus efficaces. L'effet de pompage est alors réalisé par des pertes de charges sélectives et des effets inertiels du fluide. La pompe fonctionnant en haute fréquence (> 300 Hz), les valves et les clapets mécaniques ne sont plus efficaces. L'effet de pompage est réalisé par une grille de micro trous en sortie de chambre de compression. Les dessins annexés illustrent l'invention. La figure 1 représente en coupe, le dispositif suivant l'invention. Les figures 2, 3 ,4 et 5 représentent en coupe, des variantes de ce dispositif En référence à ces dessins, le dispositif comporte un boîtier (1) sur lequel est fixé une membrane (3) activée en flexion par un élément piézoélectrique (2) en appui sur le boîtier (1). Au boîtier (1) est associé un capot (4) de telle manière qu'une chambre de compression (5) soit créée entre la membrane (3) et le capot (4). L'orifice (6) permet d'aspirer le fluide dans la chambre de compression et l'orifice (7) correspond au refoulement du fluide mis en pression. Les dispositifs de valves actives ou passives ne sont pas mentionnés sur la figure.Lorsque l'élément piézoélectrique (2) est excité par un champ électrique de manière impulsionnelle ou alternative, la membrane (3) se déforme sous la poussée de l'actionneur créant ainsi une dépression permettant de remplir la chambre de pression et d'expulser le fluide via l'orifice (7). Dans la forme de réalisation selon la figure 2, l'élément piézoélectrique est un multicouche qui permet de réduire avantageusement la tension d'alimentation de l'élément piézoélectrique. Dans la forme de réalisation selon la figure 3, l'élément piézoélectrique n'est plus en appui statique sur le boîtier (1). Pour obtenir des déplacements maxima sur la membrane, l'actionneur piézoélectrique comprend une masse dynamique (ou contre-masse) (8) qui se meut très faiblement lors du fonctionnement du dispositif Cette forme de réalisation apparaît avantageuse par le fait que le fonctionnement du dispositif ne dépend plus de la qualité de l'assemblage entre l'élément piézoélectrique et le boîtier. Dans la forme de réalisation selon la figure 4, l'actionneur piézoélectrique présente un amplificateur de déplacement (9) couplé à la membrane. Cette conception permet d'augmenter, lors du fonctionnement dynamique du dispositif, le déplacement de la membrane et donc le débit du dispositif Dans la forme de réalisation selon la figure 5, la valve de l'orifice (7) est constituée d'une grille (10) munie d'une grande quantité de micro trous de diamètres de quelques microns. Le comportement dynamique de la membrane, de la grille et du fluide est tel que le fluide ne peut être qu'expulsé de la chambre de compression à travers les micros trous. Selon une variante non illustrée, la forme des orifices (6) et (7) et la section des conduits correspondants sont tels que par effet inertiel du fluide combiné à des pertes de charge sélectives, le fluide est mis sous pression dans l'orifice (7) sans que le dispositif nécessite de valves. Le dispositif suivant l'invention est particulièrement destiné à la manipulation de fluides pharmaceutiques, biologiques ou cosmétiques. Revendications 1. Dispositif de pompe haute pression et haute fréquence de fluide caractérisé en ce qu'il comporte un boîtier (1) sur le quel est fixé une membrane (3) créant avec le capot (4) une chambre de compression (5) et dans lequel l'actionneur piézoélectrique (2) vient déformer alternativement la membrane (3) permettant une variation de volume de la chambre de compression (5) conduisant à un effet de pompage du fluide au travers des orifices (6) et (7). 2. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'élément piézoélectrique est un actionneur multicouche pouvant être alimenté en basse tension. 3. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'actionneur piézoélectrique comporte une masse dynamique (ou contre masse). 4. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que l'actionneur piézoélectrique comporte un amplificateur de déplacement lié à la membrane. 5. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la valve située sur l'orifices de sortie du fluide est réalisée par une grille comportant des micro trous. 6. Dispositif suivant la revendication 1 caractérisé en ce que la forme des orifices ainsi que la section des conduits sont tels que, au dessus d'une fréquence critique, les effets inertiels du fluide combinés aux pertes de charge sélectives imposent un seul sens de circulation du fluide remplaçant en cela tout dispositif de valve.