Brevet FR2959781A1 — publié le 20111111

B10215 1 POMPE VOLUMÉTRIQUE À MEMBRANE Domaine de l'invention La présente invention concerne des pompes volumétriques à membrane, c'est-à-dire des pompes adaptées à entraîner, à chaque déplacement d'une membrane, un volume très précis d'un fluide. La présente invention vise notamment des pompes de dimensions millimétriques, ou minipompes. Exposé de l'art antérieur La présente invention sera décrite dans le cadre d'exemples de minipompes destinées à être utilisées dans des dispositifs miniaturisés à usage médical. La présente invention vise notamment des dispositifs adaptés à réaliser de manière automatique une ou plusieurs injections d'une substance médicamenteuse et/ou un ou plusieurs prélèvements (par exemple sanguin) chez un être humain ou un animal. Un tel dispositif comporte par exemple, dans un boîtier, un réservoir raccordé à une aiguille, un système à ressorts pour déplacer l'aiguille et le réservoir dans le boîtier (par exemple en vue d'une auto-injection), et une pompe pour faire circuler une quantité précise de fluide du réservoir vers l'aiguille ou inversement. L'invention ne se restreint toutefois pas à ce domaine d'application particulier. B10215 2 On connait des pompes dans lesquelles une membrane, déformable dans sa partie centrale, forme une paroi d'une enceinte de pompage dans laquelle aboutissent des canaux d'entrée/sortie de fluide. Un organe d'actionnement de la membrane permet de faire varier le volume de l'enceinte de pompage, entraînant l'aspiration ou le refoulement du fluide via les canaux d'entrée/sortie. La membrane doit être suffisamment rigide pour garantir une bonne pression du fluide dans les canaux, et notamment pour pouvoir, lorsque l'enceinte de pompage est pleine, refouler le fluide vers le canal de sortie. Il s'agit par exemple d'une membrane métallique ou en matière plastique. Les pompes à membrane sont particulièrement adaptées aux dispositifs miniaturisés en raison de leur faible encombrement. Elles bénéficient en outre d'une durée de vie élevée. De plus, ces pompes ne nécessitent pas de lubrification, ce qui permet d'éviter toute pollution des fluides transportés. Toutefois, du fait de sa rigidité, la membrane est peu déformable et son déplacement ne peut correspondre qu'au passage de l'une à l'autre de deux formes privilégiées. Pour une surface de membrane donnée, le volume de fluide entraîné par le déplacement de la membrane est donc fixe, et de surcroît relativement faible. Pour moduler ce volume, il faudrait exercer, via l'organe d'actionnement, un effort très important sur la membrane, en tension ou en rappel, pour la contraindre à prendre une forme ne correspondant à aucune de ses deux formes de prédilection. En outre, dans le domaine des dispositifs d'injection médicale, on cherche généralement à réaliser une injection régulée, à vitesse et à pression constante, d'une dose très précise de substance médicamenteuse. Par conséquent, il est préférable que le transfert de la dose soit effectué, depuis l'enceinte de pompage vers l'aiguille (canal de sortie), en un seul déplacement de la membrane. Il serait donc souhaitable de pouvoir disposer d'une 35 pompe volumétrique à membrane de petites dimensions, adaptée à B10215 3 entraîner des volumes de fluide très précis, cette pompe présentant une plus grande souplesse d'utilisation que les pompes à membrane classiques. Il serait notamment souhaitable de pouvoir disposer d'une telle pompe permettant un réglage précis du volume de fluide entraîné à chaque déplacement de la membrane. Résumé Ainsi, un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une pompe volumétrique à membrane palliant au moins en partie certains des inconvénients des solutions existantes. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une telle pompe adaptée à entraîner, pour une surface de membrane donnée, des volumes de fluides plus importants, à chaque déplacement de la membrane, que les pompes actuelles. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une telle pompe permettant un réglage précis du volume de fluide entraîné à chaque déplacement de la membrane. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une telle pompe adaptée à fournir des pressions de transfert de fluide élevées. Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir une telle pompe peu onéreuse. Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un pompe volumétrique comprenant une enceinte dont une paroi correspond à une membrane élastique, des baleines de renfort flexibles, solidaires de la membrane, s'étendant à partir d'un point sensiblement central de la membrane, ce point étant relié à un organe de déplacement adapté à réduire/augmenter le volume de l'enceinte. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les baleines de renfort n'atteignent pas la périphérie de la 35 membrane. B10215 4 Selon un mode de réalisation de la présente invention, les baleines de renfort sont en un matériau flexible et élastique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 5 les baleines de renfort sont constituées du même matériau que la membrane et présentent une épaisseur plus importante que celle de la membrane. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les baleines de renfort sont en un matériau flexible et non-10 élastique. Selon un mode de réalisation de la présente invention, les paires de baleines de renfort voisines forment, entre elles des angles identiques, dans une position de repos de la membrane. 15 Selon un mode de réalisation de la présente invention, la pompe comprend huit baleines de renfort. Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'organe de déplacement est motorisé. Selon un mode de réalisation de la présente invention, 20 l'enceinte est délimitée par deux membranes symétriques, chaque membrane étant reliée à un organe d'actionnement motorisé par un point sensiblement central de la membrane. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la pompe est adaptée à être utilisée dans un dispositif médical 25 d'injection. Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non-limitatif 30 en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : la figure 1 est une vue en coupe représentant de façon schématique un mode de réalisation d'une pompe volumétrique à membrane, dans un état de fonctionnement dans lequel l'enceinte de pompage ne contient pas de fluide ; B10215 la figure 2 est une vue en coupe de la pompe volumétrique à membrane de la figure 1, représentant la pompe dans un état de fonctionnement dans lequel l'enceinte de pompage contient un fluide ; 5 la figure 3 est une vue en coupe de la pompe des figures 1 et 2 selon le plan F3 représenté par un trait en pointillés en figure 1 ; la figure 4 est une vue en coupe représentant de façon schématique un autre mode de réalisation d'une pompe volumétrique à membrane, dans un état de fonctionnement dans lequel l'enceinte de pompage ne contient pas de fluide ; et la figure 5 est une vue en coupe de la pompe volumétrique à membrane de la figure 4, représentant la pompe dans un état de fonctionnement dans lequel l'enceinte de pompage contient un fluide. Description détaillée Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, les diverses figures ne sont pas tracées à l'échelle. La figure 1 est une vue en coupe représentant de façon schématique un mode de réalisation d'une pompe volumétrique à membrane 1, dans un état de fonctionnement dans lequel l'enceinte de pompage ne contient pas de fluide. La pompe 1 comprend un boîtier 3 ayant approxi- mativement la forme d'une portion de cylindre, par exemple à section carrée. A titre d'exemple, la longueur de la portion de cylindre est comprise entre 5 et 15 mm, et la largeur de sa section est comprise entre 0,5 et 10 mm. Du côté de faces opposées 4 (à gauche sur la figure) et 8 (à droite sur la figure) du boîtier, correspondant aux extrémités de la portion de cylindre, il est prévu des embouts 5 et 9, respectivement d'arrivée et de sortie de fluide. Les embouts 5 et 9 sont par exemple destinés à être reliés respectivement à un réservoir d'une substance médicamenteuse et à une aiguille d'injection. L'embout 5 est muni d'un dispositif 7 adapté à laisser entrer un B10215 6 fluide par l'embout 5 et à empêcher toute sortie de fluide par ce même embout, et l'embout 9 est muni d'un dispositif 11 adapté à laisser sortir un fluide par l'embout 9 et à empêcher toute entrée de fluide par ce même embout. Les dispositifs 7 et 11 peuvent être des clapets anti-retour à ressort ou à bille, ou tout autre dispositif adapté. Dans cet exemple, les embouts 5 et 9 sont disposés dans la partie centrale des faces 4 et 8 du boîtier, selon un axe correspondant approximativement à l'axe du cylindre. Sur la figure 1 ainsi que sur toutes les figures suivantes, on a représenté une minipompe en position horizontale, c'est-à-dire que l'axe comprenant les embouts d'arrivée et de sortie de fluide est horizontal. En pratique, lors d'une utilisation normale, la minipompe est de préférence en position approximativement verticale, l'embout d'arrivée 5 étant situé au dessus de l'embout de sortie 9, de façon que la gravité facilite les transferts de fluide. A l'intérieur du boîtier 3, deux membranes 15a et 15b, approximativement parallèles à l'axe de cylindre et symétriques par rapport à cet axe, forment les parois principales d'une enceinte de pompage étanche 17, dans laquelle aboutissent les embouts 5 et 9 d'arrivée et de sortie de fluide. Comme cela sera exposé plus en détail ci-après en relation avec la figure 3, les membranes 15 sont en une matière élastique relativement souple, et comportent, du côté de leur surface extérieure à l'enceinte de pompage, des baleines de renforts 19 (respectivement 19a et 19b) plus rigides. En position de repos, les membranes 15 forment deux surfaces approximativement planes, s'étendant dans le boîtier, respectivement de part et d'autre des embouts 5 et 9. La région périphérique de chaque membrane est fixée au boîtier 3 par tout moyen adapté. Dans cet exemple, les membranes superposées sont pincées entre deux parties séparables du boîtier. Sur la figure 1, les membranes sont en position de repos. Le volume de l'enceinte de pompage 17 est alors réduit à des dimensions minimales, et ne contient pas de fluide ou seulement une quantité infime. B10215 7 Chaque membrane 15 est fixée, sensiblement en son centre, par l'intermédiaire des renforts 19, à un barreau rigide 21 (respectivement 21a et 21b), s'étendant parallèlement à la membrane, jusqu'à proximité des faces 4 et 8 du boîtier 3. Sur la figure, on a représenté schématiquement le système de fixation de la membrane 15 au barreau 21 par une demi-sphère 22 (respectivement 22a et 22b). Il peut s'agir d'un point de colle, d'un système "à clip" dans lequel des prolongements des renforts 19 viennent s'emboîter dans un trou prévu à cet effet dans le barreau 21, ou de tout autre système de fixation. Chaque barreau 21 est déplaçable, en translation selon un axe orthogonal au plan de la membrane, via un système d'actionnement motorisé. Dans cet exemple, chaque barreau 21 est relié à des arbres de guidage 23 (respectivement 23a et 23b) du côté de la face 4 du boîtier, et 25 (respectivement 25a et 25b) du côté de la face 8 du boîtier, les arbres 23 et 25 étant sensiblement orthogonaux au plan de la membrane. Les arbres de guidage 23 et 25 sont par exemple des tiges munies d'un pas de vis et susceptibles d'être mises en rotation par des micromoteurs 27 (respectivement 27a et 27b) et 29 (respectivement 29a et 29b). Il résulte du déplacement des barreaux 21 selon les axes des arbres de guidage 23 et 25 un étirement des membranes 15 par leur centre, et donc une augmentation du volume de l'enceinte de pompage 17. Selon une variante de réalisation non représentée, les arbres de guidage 23a et 23b sont entraînés par un unique moteur 27, et les arbres de guidage 25a et 25b sont entraînés par un unique moteur 29. En effet, on peut réaliser les pas de vis des arbres de façon que les barreaux 21a et 21b soient entraînés dans des directions opposées sous l'action d'un même moteur. Plus généralement, la partie centrale de chaque membrane 15 est reliée, par l'intermédiaire des renforts 19, à un organe de déplacement adapté à étirer/relâcher la membrane de façon à augmenter/réduire le volume de l'enceinte de pompage 17. On pourra également prévoir un mode de fonctionnement dans B10215 8 lequel l'organe de déplacement sera adapté à presser la membrane pour accélérer la réduction de l'enceinte. La figure 2 est une vue en coupe de la pompe volumétrique de la figure 1 dans le même plan qu'en figure 1, la pompe étant cette fois dans un état de fonctionnement dans lequel l'enceinte de pompage 17 contient un fluide. Sur la figure 2, les barreaux 21 ont été déplacés, sous l'action des micromoteurs 27 et 29, vers les extrémités des arbres de guidage 23 et 25 opposées à l'axe du cylindre formé par le boîtier 3. L'étirement des membranes 15, résultant du déplacement des barreaux 21, conduit à une augmentation du volume de l'enceinte de pompage 17 et donc à une aspiration de fluide par l'embout 5. Comme cela sera expliqué plus en détail ci-après en relation avec la figure 3, la structure des renforts 19 est telle que, lorsqu'elles sont étirées par leur centre, les membranes 15 prennent une forme bombée (concave/convexe). Ceci permet de maximiser le volume de l'enceinte de pompage 17. Dans cet exemple, les membranes disposent d'une certaine liberté de mouvement au niveau de la zone 31 de fixation de leur région périphérique au boîtier 3. Ceci permet de maximiser les possibilités de déformation des membranes. La figure 3 est une vue en coupe de la pompe 1 des figures 1 et 2, selon le plan F3 représenté par un trait en pointillés en figure 1. La figure 3 comprend notamment une vue de dessus de la membrane 15a de la pompe 1. Dans cet exemple, la membrane 15a présente une périphérie de forme ovale. L'invention ne se restreint toutefois pas à ce cas particulier. La membrane peut également avoir une périphérie de forme circulaire, ou de toute autre forme adaptée. Dans cet exemple, le barreau rigide 21a, fixé à la partie centrale de la membrane 15a, n'est pas disposé parallèlement à l'axe du cylindre, mais forme un angle avec cet axe. Ceci permet d'avoir la place de disposer les arbres de guidage 23a et 25a du barreau et les micromoteurs 27a et 29a associés, sans être géné par les embouts d'arrivée 5 et de sortie 9 de la pompe. Les baleines de renfort 19a ont ici la B10215 9 forme de plaques longilignes s'étendant à partir d'un point sensiblement central de la membrane, ce point étant relié au barreau 21a. Les renforts 19a sont plus rigides que la membrane élastique 15a, mais suffisamment flexibles pour pouvoir se courber lorsque la membrane est étirée par son centre, via le barreau 21a. Plus généralement, les renforts sont tels que la membrane 15a prend une forme bombée, tel que représenté en figure 2, lorsqu'elle est étirée par son centre. Selon un mode de réalisation, les renforts 19 sont en un matériau élastique. Ils sont par exemple constitués du même matériau élastique que la membrane, mais présentent une épaisseur plus importante que la membrane. Selon un autre mode de réalisation, les renforts 19 sont flexibles mais ne sont pas élastiques. Il s'agit par exemple de minces plaques longilignes métalliques ou en matière plastique, collées sur la membrane. Dans ce cas, on veillera, comme cela est représenté sur la figure 3, à ce que les renforts ne s'étendent pas jusqu'à la périphérie de la membrane, de façon que l'ensemble formé par la membrane et les renforts conserve une certaine élasticité. La figure 3 illustre un mode de réalisation préféré dans lequel chaque membrane 15 est munie de huit renforts 19, les paires de renforts voisins formant entre eux des angles sensiblement identiques (d'approximativement 45°), lorsque la membrane est en position de repos. Plus généralement, la membrane comprendra de préférence au moins trois renforts 19, les paires de renforts voisins formant entre eux des angles sensiblement identiques lorsque la membrane est en position de repos. Un avantage de la structure de membrane proposée est qu'elle présente une plus grande déformabilité que les membranes rigides classiques. Ainsi, à surfaces de membrane identiques, la structure proposée permet de déplacer des volumes de fluide plus importants que les membranes classiques. B10215 10 En outre, la grande déformabilité de la membrane permet un réglage facile et très précis, via les micromoteurs, du volume de fluide à déplacer, ainsi que de la vitesse/pression de l'aspiration et/ou du refoulement (injection). De plus, outre le fait qu'ils permettent de maximiser le volume de l'enceinte de pompage en donnant à la membrane une forme bombée, les renforts 19 permettent à la pompe de fournir une pression élevée de fluide dans les canaux d'entrée/sortie, et ce malgré la relative souplesse des membranes. En particulier, lorsque l'enceinte de pompage contient un fluide (figure 2), l'élasticité de la membrane et la raideur des renforts 19, génèrent des forces de rappel qui facilitent le refoulement du fluide vers l'embout de sortie. En effet, la structure de la membrane est telle qu'une fois étirée, elle tend naturellement à vouloir reprendre sa position de repos. Par ailleurs, du fait de sa structure à deux membranes, la pompe proposée présente une plus grande capacité de pompage et des possibilités de réglage de volume plus étendues que les pompes classiques. On notera en particulier qu'il est possible d'actionner les deux membranes de façon dissymétrique pour augmenter la précision des réglages de volume. On notera aussi que dans le mode de réalisation décrit en relation avec les figures 1 à 3, l'enceinte de pompage 17 est essentiellement délimitée par les membranes 15a et 15b, et par les embouts d'entrée 5 et de sortie 9. Ainsi, pour une utilisation dans le domaine médical, la pompe pourra être utilisée de multiples fois, sans risque de contamination ou de pollution, par simple remplacement de l'ensemble formé par les membranes et les embouts d'entrée/sortie. La figure 4 est une vue en coupe représentant de façon schématique un autre mode de réalisation d'une pompe volumétrique à membrane, dans un état de fonctionnement dans lequel l'enceinte de pompage ne contient pas de fluide. Comme la pompe 1 des figures 1 à 3, la pompe 41 de la figure 4 comprend B10215 11 un boîtier 43 de forme cylindrique, et du côté des extrémités 44 et 48 du cylindre, des embouts d'entrée 45 et de sortie 49 de fluide, munis de dispositifs anti-retour 47 et 51. La pompe 41 comprend, à l'intérieur du boîtier 43, une enceinte de pompage étanche 57, principalement délimitée par une membrane 55 et par une face intérieure 56 du boîtier, dans laquelle aboutissent les embouts 45 et 49 d'arrivée et de sortie de fluide. Dans cet exemple, la face intérieure 56 a une forme approximativement parabolique. La membrane 55 est une membrane élastique relativement souple, du type décrit en relation avec les figures 1 à 3. Elle comporte notamment, du côté de sa surface extérieure à l'enceinte 57, des baleines de renfort 59. En position de repos, la membrane 55 forme une surface approximativement plane, orthogonale aux faces 44 et 48, et présente par exemple une périphérie de forme ovale ou circulaire. La région périphérique de la membrane 55 est fixée au boîtier 43 à proximité de l'axe du cylindre, du côté des embouts 45 et 49 opposé à la face 56. Comme dans la pompe 1 décrite en relation avec les figures 1 à 3, la membrane 55 est reliée, approximativement en son centre, à un organe d'actionnement adapté à étirer/relâcher et éventuellement presser la membrane pour augmenter/réduire le volume de l'enceinte de pompage 57. Dans cet exemple, l'organe d'actionnement comprend un barreau rigide 61 s'étendant à travers le boîtier 43, parallèlement à la membrane 55 (en position de repos). Le barreau 61 supporte, sensiblement en son centre (en regard du centre de la membrane), un micromoteur 62 adapté à étirer/relâcher la membrane 55 via un arbre 64 orthogonal à la membrane, cet arbre étant fixé à la membrane approximativement en son centre via les renforts 59. Le barreau rigide 61 est en outre déplaçable, en translation selon un axe orthogonal au plan de la membrane, via un système d'actionnement motorisé. Dans cet exemple, le barreau 61 est relié à un arbre de guidage 63 du côté de la face 44 du B10215 12 boîtier, et à un arbre de guidage 65 du côté de la face 48 du boîtier, les arbres 63 et 65 étant sensiblement orthogonaux au plan de la membrane. Le système de double actionnement motorisé permet d'augmenter les possibilités d'étirement de la membrane de façon à obtenir, avec une seule membrane, une capacité de pompage sensiblement identique à celle de la pompe décrite en relation avec les figures 1 à 3. La figure 5 est une vue en coupe de la pompe volumétrique à membrane 41 de la figure 4, dans le même plan qu'à la figure 4, représentant la pompe dans un état de fonctionnement dans lequel l'enceinte de pompage contient un fluide. Dans cet état, la membrane 55 est étirée (via les micromoteurs) de façon à prendre une forme sensiblement symétrique à la face 56 du boîtier, par rapport à l'axe du cylindre. Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, l'invention ne se restreint pas aux systèmes d'actionnement décrits ci-dessus. L'homme de l'art saura mettre en oeuvre le fonctionnement recherché en utilisant tout autre système d'actionnement adapté à étirer/relâcher, et éventuellement presser une membrane par son centre. REVENDICATIONS1. Pompe volumétrique (1 ; 41) comprenant une enceinte (17 ; 57) dont une paroi correspond à une membrane élastique (15 ; 55), des baleines de renfort flexibles (19 ; 59), solidaires de la membrane, s'étendant à partir d'un point sensiblement central de la membrane, ce point étant relié à un organe de déplacement (21 ; 61 ; 64) adapté à réduire/augmenter le volume de l'enceinte. 2. Pompe selon la revendication 1, dans laquelle les baleines de renfort n'atteignent pas la périphérie de la 10 membrane. 3. Pompe selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle les baleines de renfort sont en un matériau flexible et élastique. 4. Pompe selon la revendication 3, dans laquelle les 15 baleines de renfort sont constituées du même matériau que la membrane et présentent une épaisseur plus importante que celle de la membrane. 5. Pompe selon la revendication 2, dans laquelle les baleines de renfort sont en un matériau flexible et non-20 élastique. 6. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle les paires de baleines de renfort voisines forment, entre elles des angles identiques, dans une position de repos de la membrane. 25 7. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant huit baleines de renfort. 8. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans laquelle l'organe de déplacement est motorisé. 9. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 30 8, dans laquelle l'enceinte (17) est délimitée par deux membranes symétriques, chaque membrane étant reliée à un organe d'actionnement motorisé par un point sensiblement central de la membrane.B10215 14 10. Pompe selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, adaptée à être utilisée dans un dispositif médical d'injection.