DESCRIPTION
Pompe péristaltique linéaire à doigts ainsi qu'une membrane et un doigt pour une telle pompe
L'invention concerne une pompe péristaltique linéaire à doigts comprenant une membrane placée entre les doigts de pompage et la tubulure, ainsi qu'une membrane et des doigts pour une telle pompe.
Les pompes péristaltiques sont constituées d'une série de doigts parallèles mus d'un mouvement de va-et-vient vertical. Le mouvement de chaque doigt est décalé par rapport au précédent de telle sorte que les extrémités des doigts forment une sinusoïdale qui se déplace dans le sens du pompage. L'extrémité de doigts vient appuyer sur une tubulure souple placée entre ceux-ci et une plaque d'appui. Le doigt le plus bas provoque une occlusion qui migre vers l'aval de la pompe de doigt en doigt jusqu'au dernier. Lorsque le dernier doigt est en position d'occlusion, le premier doigt au moins est à nouveau en position d'occlusion provoquant ainsi le mouvement du fluide contenu dans la tubulure.
Pour protéger le bloc de pompage des agressions extérieures, telles que la pénétration de liquides ou de corps étrangers, il est habituel de placer entre l'extrémité des doigts et la tubulure une membrane souple fixée au boîtier de la pompe.
Ces membranes ont deux inconvénients principaux : leur usure due au frottement des doigts et l'effet de leur élasticité sur le retour de la tubulure à sa forme normale.
La membrane est compressée entre les doigts de pompage et la surface de contre appui (généralement la porte recouverte d'un matériau plastique dur), tout comme la tubulure. On peut fréquemment observer que les membranes, après plusieurs années de fonctionnement, sont endommagées au niveau de la zone de contact des doigts. Ceci est dû à la fatigue du matériau qui est soumis à des cycles répétés de contraintes en compression et de frottements (micro déplacements). Sur la surface de contre appui, au contraire, on n'observe aucun endommagement. Ceci montre que les matériaux plastiques durs résistent bien mieux aux contraintes de compression que les plastiques mous. Pendant la durée de vie de l'appareil, il est courant de changer la membrane au moins une fois. Évidemment, le problème principal est celui du coût de la pièce, mais aussi celui du coût de la main-d'œuvre
(celui-ci peut être relativement important selon la façon dont la membrane est assemblée et selon s'il est nécessaire de calibrer à nouveau la pompe après un tel remplacement). Avec l'usure de la membrane, on constate une diminution de la précision de la pompe ce qui peut être un inconvénient majeur pour les pompes péristaltiques destinées à des usages médicaux.
Par ailleurs, la tubulure est successivement compressée et relâchée durant le pompage. Au cours de la phase où la tubulure n'est pas compressée, elle doit reprendre sa forme cylindrique initiale de manière à pouvoir faire circuler le liquide. Pour reprendre sa forme initiale, la tubulure est généralement aidée d'une part par sa propre élasticité et d'autre part par la pression du fluide en amont de la pompe (qui correspond à la hauteur de liquide). Cependant, la membrane souple, qui est normalement plane, s'oppose elle-même à la remise en forme du tube. En effet, pour revenir à sa forme d'origine, le tube doit pousser et déformer la membrane. On peut constater ce phénomène après de longues périodes de pompage : l'élasticité du tube est dégradée et l'on observe une baisse de ses propriétés élastiques.
L'objectif de l'invention est donc de développer une membrane qui d'une part soit plus résistante à l'usure due au frottement des doigts sur l'une de ses faces et qui d'autre part n'appuie pas par elle-même sur la tubulure pour ne pas la gêner lorsqu'elle reprend sa forme cylindrique normale.
Cet objectif est atteint conformément à l'invention du fait que des moyens sont prévus pour maintenir la partie de la membrane sur laquelle appuient les doigts, partie appelée chenille, en contact permanent avec l'extrémité des doigts durant toute la durée du cycle de pompage, même en l'absence de tubulure. Ainsi, il est possible de choisir un matériau plus résistant pour la partie appelée chenille. Ce matériau sera plus rigide que le caoutchouc habituellement utilisé, mais grâce aux moyens de maintien en contact, la chenille ne restera pas en appui contre la tubulure, mais sera au contraire soulevée par le doigt. Ainsi, on pourra choisir un matériau plus résistant qui ne s'usera pas. La précision de la pompe sera garantie plus longtemps et on évitera des changements de membrane fastidieux et coûteux en temps et en personnel.
Il est préférable que les moyens pour mettre en contact permanent la chenille avec les extrémités de doigts soient constitués par des moyens pour coupler mécaniquement la
chenille et l'extrémité d'au moins un doigt. Il est bien sûr possible de coupler mécaniquement la chenille à l'extrémité de tous les doigts. Cependant, il peut suffire de la coupler seulement à l'extrémité de certains doigts, en particulier à l'extrémité d'un seul doigt, par exemple un des doigts du milieu.
Pour permettre l'usage d'un matériau non élastique, il est préférable qu'au moins les moyens pour mettre en contact permanent la chenille avec les extrémités de doigts ayant deux voisins aient un degré de liberté parallèle à la direction de pompage pour permettre à la chenille d'avoir un mouvement de translation de va-et-vient sensiblement parallèle à la direction de pompage par rapport à l'extrémité desdits doigts durant un cycle de pompage.
Afin d'éviter que la chenille ne migre en même temps que le liquide sous l'effet de pompage des doigts, il est préférable de prévoir dans la pompe des moyens de blocage du mouvement général de la chenille dans la direction de l'écoulement.
Dans la pratique, la membrane peut être munie dans la partie sur laquelle appuient les doigts lors de l'utilisation, partie appelée chenille, de moyens pour coupler mécaniquement cette dernière à l'extrémité d'au moins un doigt, lesquels moyens de couplage constituent une partie des moyens pour maintenir en contact permanent les extrémités des doigts avec la chenille.
Il est préférable qu'au moins les moyens pour coupler mécaniquement la chenille aux extrémités de doigts ayant deux voisins aient un degré de liberté parallèle à la direction de pompage pour permettre à la chenille d'avoir un mouvement de translation de va-et-vient sensiblement parallèle à la direction de pompage par rapport à l'extrémité desdits doigts durant un cycle de pompage. En jouant sur sa géométrie et/ou sur son matériau, on pourra choisir une chenille qui soit flexible sans être élastique. Ainsi, la chenille peut être réalisée dans un matériau flexible, mais non élastique.
La membrane est de préférence constituée d'un cadre rigide muni de moyens pour la fixation de la membrane dans la pompe, de la chenille et d'une membrane intermédiaire souple reliant la chenille au cadre de sorte que la membrane forme une surface continue étanche, ladite membrane intermédiaire étant de préférence surmoulée sur le cadre et la chenille. Grâce à la membrane intermédiaire souple, la chenille peut se déplacer non seulement pour suivre les mouvements de va-et-vient des doigts, mais également dans la
direction d'écoulement selon un mouvement relatif par rapport aux extrémités des doigts. Le choix d'un matériau plus résistant pour la chenille est compensé par la souplesse de la membrane intermédiaire.
Afin d'assurer un jeu suffisant pour permettre le déplacement de la chenille dans les trois directions de l'espace tout en évitant que la membrane intermédiaire ne soit étirée, il est prévu de dimensionner cette dernière de sorte à repousser la chenille en direction opposée aux moyens de couplage en absence de contrainte notamment de la part des doigts de pompage.
Dans un premier mode de réalisation, les moyens de couplage sont constitués par des éléments en forme de champignon pouvant s'engager dans des gorges s'étendant dans la direction de pompage et placées à l'extrémité d'un ou plusieurs doigts de pompage.
Dans un deuxième mode de réalisation, les moyens de couplage sont constitués par des anneaux placés sur la chenille parallèlement à la direction de pompage et dans lesquels peuvent pénétrer des tenons placés à l'extrémité d'un ou plusieurs doigts de pompage, les anneaux devant coopérer avec des doigts ayant deux doigts voisins étant de préférence oblongs avec leur grand axe parallèle à la direction de pompage et/ou les anneaux devant coopérer avec les doigts amont et aval étant de préférence circulaires.
Dans les deux cas, la chenille bien qu'accrochée aux extrémités des doigts, peut avoir un mouvement relatif par rapport à ceux-ci, mouvement sensiblement parallèle à la direction d'écoulement. Cela permet de compenser la différence de distance entre les extrémités de deux doigts successifs en fonction de l'avancement du cycle de pompage. Selon le mode de réalisation, on peut distinguer les doigts amont et aval et les doigts intermédiaires se caractérisant par la présence de deux doigts voisins.
Afin d'éviter que la chenille ne migre en même temps que le liquide sous l'effet de pompage des doigts, il est préférable de prévoir sur la chenille des moyens de blocage du mouvement général de la chenille dans la direction de l'écoulement.
Dans le deuxième mode de réalisation, ceci est obtenu en choisissant des anneaux circulaires pour les doigts amont et aval. Ainsi, la chenille est bloquée en translation longitudinale par rapport aux doigts amont et aval. Une autre solution consiste à placer une
languette centrale entre deux moyens de couplage successifs, perpendiculairement à la direction de pompage, de préférence au milieu de la chenille.
Afin d'augmenter la résistance de la membrane, il est préférable de prolonger la chenille de part et d'autre des moyens de couplage par deux languettes d'extrémité.
L'invention concerne également des doigts de pompage pour la pompe péristaltique conforme à l'invention. Un tel doigt peut être muni de moyens pour coopérer avec les moyens de couplage de la membrane, les moyens de coopération constituant une partie des moyens pour maintenir en contact permanent les extrémités des doigts et la chenille.
Dans un premier mode de réalisation, les moyens de coopération sont constitués par une gorge s'étendant dans la direction de pompage. Dans un second mode de réalisation, les moyens de coopération sont constitués par un tenon s'étendant perpendiculairement au plan de pompage.
L'invention est décrite ci-dessous à l'aide de deux exemples de réalisation présentés sur les figures qui montrent :
Figure 1 : une vue en perspective d'un premier mode de réalisation de la membrane conforme à l'invention, vue du côté des moyens de couplage ;
Figure 2 : vue en perspective de la membrane de la figure 1 , vue du côté opposé aux moyens de couplage ;
Figure 3 : vue en perspective de la chenille de la membrane de la figure 1 montée sur les doigts de la pompe ;
Figure 4 : vue en perspective d'un second mode de réalisation de la membrane conforme à l'invention, vue du côté des moyens de couplage ; Figure 5 : vue en perspective de la membrane de la figure 4, vue du côté opposé aux moyens de couplage ; Figure 6 : vue agrandie des moyens de couplage de la membrane de la figure 4 ;
Figure 7 : vue en perspective d'un doigt muni de moyens pour coopérer avec les moyens de couplage de la membrane de la figure 4 ; Figure 8 : vue en coupe du doigt de la figure 7 et de la membrane de la figure 4 clipsée dessus ; Figure 9 : vue éclatée de la membrane de la figure 4 ;
Figure 10 : vue en coupe du bloc de pompage d'une pompe péristaltique mettant en évidence les différentes distances entre deux doigts successifs.
L'objet de l'invention comprend d'une part une membrane (1 10, 210) servant à séparer le bloc de pompage de l'extérieur, et notamment de la tubulure dans laquelle se trouve le liquide à pomper, et d'autre part les doigts (151 , 152, 155, 250) devant coopérer avec la membrane (1 10, 210). Pour garantir que la membrane reste en contact permanent avec les doigts et donc suit leur mouvement de va-et-vient, on a prévu des moyens de maintien en contact qui sont constitués d'une part de moyens de couplage situés sur la face de la membrane dirigée vers les doigts et d'autre part de moyens pour coopérer avec ces moyens de couplage et placés à l'extrémité des doigts dirigée vers la membrane.
Pour simplifier la description, on se référera à la « direction d'écoulement » ou au « plan d'écoulement ». Il s'agit de la direction prise par la tubulure lors de l'utilisation et du plan parallèle à cette direction et aux doigts de pompage. Des « directions transversales » ou des « plans transversaux » sont des directions ou des plans perpendiculaires à la « direction d'écoulement » ou au « plan d'écoulement ». Lors de la description de la membrane ou des doigts, la référence à ces repères se rapporte à leur état monté.
La membrane de l'invention (1 10, 210) est constituée d'un cadre rigide (1 1 1 , 21 1 ), d'une chenille (1 12, 212) et d'une membrane intermédiaire (1 13, 213). La membrane est étanche au liquide et sert à protéger le bloc de pompage contre l'intrusion d'objets étrangers et de poussière. Elle est placée entre les doigts de pompage et la tubulure contenant le liquide à pomper.
Le cadre (11 1 , 21 1 ) est réalisé de préférence dans un matériau relativement rigide, par exemple du polyamide 6. Il est muni de moyens de fixation (1 14, 214) pour le fixer à la pompe. Il peut s'agir de trous (1 14) pour le passage de vis de fixation comme dans le premier exemple de réalisation, ou bien de languettes (214) d'encliquetage comme dans le second exemple de réalisation. Sur la face destinée en être en contact avec la tubulure, le cadre (1 1 1 , 21 1 ) peut être également muni de moyens (215) pour fixer ladite tubulure.
La membrane intermédiaire (113, 213) est réalisée dans un matériau très souple, par exemple du TPE (élastomère thermoplastique). Elle est de préférence surmoulée sur le cadre (11 1 , 211 ) et sur la chenille (1 12, 212). La forme de la membrane intermédiaire (1 13,
213) est choisie de telle sorte, qu'en absence de contrainte extérieure, la chenille (1 12, 212) se trouve dans un plan décalé du côté de la tubulure par rapport au plan du cadre (1 1 1 , 21 1 ) comme le montre par exemple la coupe de la figure 8. La souplesse de la membrane intermédiaire (1 13, 213) doit être telle qu'elle n'offre pratiquement pas de résistance au mouvement de translation vertical et horizontal de la chenille (1 12, 212).
La chenille (1 12, 212) est réalisée dans un matériau suffisamment flexible pour accompagner les mouvements des doigts (151 , 152, 155, 250), tout en étant suffisamment résistant pour ne pas s'user sous l'effet du frottement des doigts. La flexibilité de la pièce peut être obtenue par deux moyens : soit on choisit une pièce très fine avec un matériau de haute raideur (par exemple une feuille d'acier d'épaisseur 0,1 mm pourrait convenir), soit une pièce épaisse avec un matériau mou ou à faible module d'élasticité. Par exemple, on pourra choisir pour la chenille un composé de la famille des polyéthylènes haute densité ou des polyamides. Le polyamide 12 Grilamid® L 20 W 20 de la société EMS-Chemie fait très bien l'affaire. Il se caractérise notamment par les caractéristiques mécaniques suivantes :
Module d'élasticité à l'essai de traction (1 mm/min) : 500 MPa
Résistance à la traction au seuil de fluage (50 mm/min) : 30 MPa
Allongement à la traction au seuil de fluage (50 mm/min) : 20 % Charge de rupture (50 mm/min) : 40 MPa
Allongement à la rupture (50 mm/min) : > 50 % Résistance sur éprouvette entaillée
(Charpy, 23° C) : 40 kJ/m2
(Charpy, -30 0C) : 3 kJ/m2 Dureté Shore D : 65
La membrane de l'invention est munie sur la chenille (1 12, 212) de moyens de couplage pour la coupler à chacun des doigts (151 , 152, 155, 250) du bloc de pompage. L'objectif de l'invention est en effet que la chenille suive les mouvements des doigts. En d'autres termes, la chenille doit non seulement être appuyée sur la tubulure lorsqu'un doigt est en position d'occlusion, mais elle doit également suivre le mouvement de retrait du doigt pour ne pas exercer de pression sur la tubulure lorsqu'un doigt est en position haute.
La courbe définie par l'extrémité des doigts correspond à une sinusoïdale comme le montrent clairement les figures 3 et 10. Quel que soit l'état d'avancement de la courbe, sa
longueur totale mesurée entre les deux doigts extérieurs (351 , 355) reste constante. Il n'est donc pas nécessaire que la chenille (112, 212) soit élastique, il suffit qu'elle soit suffisamment flexible pour suivre le mouvement sinusoïdale des doigts (151 , 152, 155, 250). Cependant, la distance entre deux doigts successifs (351 , 352 / 353, 354) varie en fonction de l'avancement du cycle de va-et-vient. Elle est plus petite lorsque les doigts (351 , 352) sont proches des extrémités de leur course et plus importante lorsque les deux doigts (353, 354) sont proches du centre de leur course. Dans l'exemple de la figure 10, la distance entre les deux premiers doigts (351 , 352) est d'environ 4,2 mm, tandis qu'entre le troisième et le quatrième doigts (353, 354) elle vaut environ 4,4 mm. Il est donc nécessaire, si la chenille n'est pas élastique que celle-ci puisse suivre le mouvement des doigts (151 , 152, 155, 250) en ayant la possibilité de se translater selon un faible mouvement de va-et-vient par rapport aux doigts (151 , 152, 155, 250). Les moyens de couplage ne doivent donc pas être trop rigides et présentent ainsi un degré de liberté dans la direction d'écoulement du fluide.
Dans le premier mode de réalisation représenté aux figures 1 à 3, les moyens de couplage (120) sont constitués par une série d'anneaux (121 , 122) dans lesquels peuvent pénétrer des tenons (161 ) placés aux extrémités des doigts (151 , 152, 155). Les anneaux (121 , 122) sont placés sur la face de la chenille qui à l'état montée se trouve du côté du bloc de pompage. Dans l'exemple présenté, ils sont partagés en deux groupes, le premier groupe étant placé sur un côté longitudinal de la chenille, l'autre étant disposé sur l'autre côté. Cela facilite le montage des anneaux (121 , 122) sur les tenons (161 ). Les tenons (161 ) sont placés sensiblement à l'extrémité des doigts (151 , 152, 155), perpendiculairement au plan d'écoulement. Ces anneaux sont bien visibles sur la figure 3 qui montre une chenille (112) dont tous les anneaux (121 , 122) sont de forme oblongue. Comme le montre la figure 1 , il est cependant préférable que les anneaux des extrémités (122) soient pratiquement circulaires, tandis que les anneaux intermédiaires (121 ) conservent une forme oblongue allongée dans le sens de l'écoulement. Cela permet de maintenir les extrémités amont et aval de la chenille pratiquement fixes par rapport à leur doigt respectif (151 , 155) tout en laissant la possibilité à la chenille (1 12) de glisser selon un mouvement de va-et-vient sur les doigts intermédiaires (152). On observe ainsi sur la figure 3 que les anneaux du 3eme doigt et du 9eme doigt (en partant de la gauche), doigts se situant en position extrême, sont quasiment centrés sur leur tenon respectif, tandis qu'on observe par exemple que l'anneau du 5eme doigt est décalé sur la gauche par rapport à son tenon. La chenille a donc un mouvement de translation relatif par rapport aux extrémités de doigts intermédiaires (152).
Dans un deuxième exemple de réalisation de l'invention présenté aux figures 4 à 9, les moyens de couplage sont constitués d'éléments d'encliquetage en forme de champignon
(220). Ces champignons (220) sont constitués d'une tige (221 ) surmontée d'une plaque
(222). Cette plaque (222) est dimensionnée et placée sur la tige (221 ) de telle sorte qu'il se forme dans le plan transversal (fig. 6b) des épaulements (223).
Les doigts (250) destinés à coopérer avec ces champignons (220) sont munis à leur extrémité d'une gorge (260). Cette gorge (260) est disposée de telle sorte qu'à l'état monté, la gorge (260) soit parallèle au plan d'écoulement. Au niveau de son ouverture, la gorge est munie de deux épaulements (261 ). La largeur de la gorge (260) est au moins égale à la largeur (transversale) de la plaque (222) du champignon, et l'ouverture entre les deux épaulements (261 ) est au moins égale à la largeur (transversale) de la tige (221 ) du champignon. À l'état monté représenté à la figure 8, le champignon pénètre dans la gorge (260), les épaulements (223) des champignons (220) étant en appui contre les épaulements (261 ) de la gorge (260).
Pour faciliter l'encliquetage des champignons (220) dans les gorges (260), il est préférable que la plaque (222) soit en pointe ou arrondie sur la face opposée à la tige (221 ) et que l'une des parois au moins de la gorge (260) soit réalisée par une plaque élastique pouvant céder lors de l'introduction du champignon (220).
Grâce aux épaulements (223, 261 ), les champignons (220) peuvent se déplacer dans les gorges (260) selon un mouvement parallèle à la direction d'écoulement perpendiculaire au plan de la figure 8. Pour éviter que la chenille (212) ne migre sous l'effet du mouvement général des doigts, comme le fait le fluide dans la tubulure, il est préférable de prévoir une languette de retenue (217) qui viendra se placer entre deux doigts successifs. Il est préférable de la placer au centre comme dans la figure 9.
De même, pour éviter que la membrane intermédiaire (213) ne se déchire au niveau des extrémités amont et aval de la chenille (212), il est possible de prolonger cette dernière dans la direction d'écoulement par deux languettes d'extrémité (216) de sorte que la partie rigide de la chenille encaisse les sollicitations et fasse une transition plus douce avec la partie souple.
Grâce aux moyens de maintien en contact de l'invention, il est possible de choisir pour la partie de la membrane sur laquelle appuient les doigts un matériau relativement dur qui ne s'usera pas sous l'effet du frottement des doigts. La relative rigidité de cette chenille ne gêne cependant pas la tubulure lorsqu'elle revient à son état cylindrique ouvert, car les moyens de maintien en contact contraignent la chenille à suivre le mouvement de retrait des doigts en l'écartant de la tubulure.
Grâce au matériau plus résistant de la chenille, il n'est plus nécessaire de remplacer la membrane durant la durée de vie de la pompe. On évite ainsi des réétalonnages fastidieux.
Liste des références :
1 10 210 Membrane
1 1 1 21 1 Cadre de la membrane 1 12 212 Chenille de la membrane
1 13 213 Membrane intermédiaire de la membrane
1 14 214 Moyens de fixation de la membrane
215 Moyens pour fixer la tubulure
216 Languettes d'extrémité
217 Moyens de retenue
120 220 Moyens de couplage
121 Anneau de couplage intermédiaire
122 Anneau de couplage extérieur
221 Tige du champignon
222 Plaque du champignon
223 Épaulement du champignon
250 Doigt
151 351 Doigt extérieur
152 352, 353, 354 Doigts intermédiaires 155 355 Doigt extérieur
160 260 Moyens coopérant avec les moyens de couplage
161 Tenon de couplage
261 Épaulement