EP4575226A1 - Pompe piézoélectrique - Google Patents

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Publication number
EP4575226A1
EP4575226A1 EP24222681.9A EP24222681A EP4575226A1 EP 4575226 A1 EP4575226 A1 EP 4575226A1 EP 24222681 A EP24222681 A EP 24222681A EP 4575226 A1 EP4575226 A1 EP 4575226A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
resonator
central axis
cavity
pump
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24222681.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Jean-Pierre Nikolovski
Elisabeth Delevoye
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat a lEnergie Atomique CEA, Commissariat à l'Énergie Atomique et Aux Énergies Alternatives filed Critical Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Publication of EP4575226A1 publication Critical patent/EP4575226A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/006—Micropumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • F04B43/046—Micropumps with piezoelectric drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/003—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by piezoelectric means

Definitions

  • the technical field of the invention is a pump configured to be actuated by a piezoelectric transducer.
  • the request for patent WO2013/41700 describes a pump, which can be implantable, non-peristaltic, with piezoelectric actuation.
  • a sleeve placed in the center of a resonator, undergoes bending, under the effect of a rotating deformation of the resonator, generated by piezoelectric transducers activated according to an ultrasonic frequency.
  • the bending of the sleeve generates a pumping effect, which causes the expulsion of the fluid.
  • a reduction in the cross-section of the resonator, in the vicinity of the sleeve or along it, makes it possible to amplify the vibrations propagating to the sleeve. Such a pump is efficient.
  • the sleeve undergoes repeated bending, which can lead to wear.
  • the pump is intended to be coupled to a fluid circuit. Controlling the flow rate depends on the vibration amplitude of the sleeve which must be controlled by the mechanical load of the fluid circuit, which is not easy.
  • the aim is to make the pumping principle, the frequency and the amplitude of the ultrasonic pumping vibration less dependent on the mechanical coupling of the pump with the fluid circuit.
  • Another objective is to design a pump that can pump at a controlled flow rate, with optimized energy expenditure, and that can be particularly compact.
  • the first electrode is segmented into n angular sectors, n being greater than 2, the control unit being configured to polarize two angular sectors of the first electrode respectively by two phase-shifted voltages with a phase shift less than or equal to 2 ⁇ n or temporally shifted by an offset less than or equal to 2 ⁇ n .
  • the second sleeve may be coaxial with the central axis of the cavity.
  • the modulation frequency can be higher than 100 KHz.
  • the thickness of the cavity is less than 1 mm.
  • control unit is configured to bias the first electrode according to a frequency bias signal, by performing a frequency sweep according to a finite number of successive discrete frequencies.
  • the internal surface of the cavity comprises at least one hydrophobic part.
  • the capillary can extend around the sleeve, forming several turns, so that each turn is successively deformed, along the sleeve.
  • the first resonator may comprise a surface, in particular a flat surface, forming a support.
  • the capillary may be arranged against the support, such that the capillary undergoes a progressive deformation resulting from the deformation of the first resonator.
  • the capillary may form a turn around the central axis, such that under the effect of the deformation of the resonator, the turn is deformed by a deformation rotating around the central axis.
  • the pump may comprise two resonators, arranged one against the other;
  • the capillary may be arranged in a space between the two resonators, around the central axis, so that the capillary undergoes a progressive deformation resulting from the deformation of the first resonator and the second resonator.
  • the capillary may form a turn around the central axis, so that under the effect of the deformation of the first and second resonators, the turn is deformed by a deformation rotating around the central axis.
  • the first resonator 10 and the second resonator 20 are annular, around the central axis ⁇ . They thin towards the latter. Thus, their thickness, defined parallel to the central axis ⁇ , decreases as a function of the distance from the central axis ⁇ . The thinning makes it possible to increase the amplitude of the vibrations propagating in each resonator.
  • Each resonator extends from a planar portion to an end formed by a cylindrical sleeve 3 1 , 3 2 described below.
  • the planar portion allows mechanical coupling with a piezoelectric transducer.
  • each resonator defined around the central axis ⁇ , can extend up to 50 mm, or more.
  • the flat portion of each resonator extends beyond a first radius R 1 , less than the previously defined outer radius R .
  • each resonator has a portion that tapers towards the central axis ⁇ .
  • the first radius R 1 is for example equal to 50% of the outer radius R of the resonator.
  • the first resonator 10 is assembled facing the second resonator 20.
  • a cylindrical cavity 2 extends between the first resonator 10 and the second resonator 20.
  • the thickness of the cavity, parallel to the central axis, is preferably less than 2 mm and is for example of the order of 1 mm.
  • the first resonator and the second resonator are symmetrical along a median plane PM perpendicular to the central axis ⁇ .
  • the minimum thickness depends on the pumping force to be deployed to overcome so-called static forces opposing the movement of the fluid, for example forces related to friction or surface tension.
  • the minimum thickness may also depend on the operating conditions of the pump, for example movements to which the pump is subjected, for example when the pump is implanted in a living body or when the pump is embedded in a mobile system, for example a vehicle or a robot, subject to jerks.
  • the first resonator extends to a first sleeve 3 1 , cylindrical, coaxial with the central axis ⁇ , and opening into the cavity 2.
  • the diameter of the sleeve 3 1 is between approximately 0.2 mm and 2 mm and preferably close to 1 mm.
  • the first sleeve 3 1 can be formed by an extension of the first resonator.
  • the first sleeve 3 1 is open, so as to form a first inlet 1 i of the pump.
  • the radius of the first sleeve forms an internal radius of the first resonator 10.
  • the pump may comprise a second sleeve 3 2 , cylindrical, coaxial with the central axis ⁇ , opening into the cavity 2.
  • the diameter of the sleeve 3 2 may be identical to the diameter of the first sleeve 3 1 .
  • the second sleeve 3 2 may be formed by an extension of the second deformable resonator.
  • the second sleeve 3 2 may be open, so as to form a second inlet 1' i of the pump.
  • Each sleeve and cavity are sized so that the flow of liquid inside them is subject to capillary forces that are greater than gravity.
  • the liquid is kept stationary, in each sleeve and in cavity 2, by the action of capillary forces. This makes it possible to form a pump without moving parts, limiting the risk of leakage.
  • the cavity 2 is delimited, in a radial direction, perpendicular to the central axis ⁇ , by a rib 5, the latter connecting the first resonator 10 to the second resonator 20.
  • the inner wall of the cavity is coated with a hydrophobic material.
  • the presence of the hydrophobic material can facilitate the minimization of frictional forces and surface tension forces at the interface between the fluid and the material on or in which the ultrasonic waves propagate, so as to facilitate the fractionation of this fluid.
  • a hydrophobic coating allows a fractionation of the liquid into microdroplets, or liquid fractions, which increases the mobility of the liquid. This minimizes the pumping force.
  • the inner wall of each sleeve can be coated with a hydrophilic material. The height of each sleeve, along the central axis, is approximately 2 or 3 mm. This makes it possible to form a particularly flat pump.
  • the internal surface of the cavity is advantageously hydrophobic either following a functionalization of the parts of each resonator delimiting the cavity, or by a appropriate structuring of the latter, for example a grooving-type texturing or a formation of microchannels.
  • the pump design aims to optimize the surfaces along which energy is transmitted to the fluid: the design aims to distribute the fluid along the internal surfaces of the cavity, the latter preferably being made hydrophobic.
  • the geometric configuration used according to which the fluid is displaced in a cavity with a high surface area to volume ratio, favors the displacement of the fluid along the surface of the resonator.
  • the diameter of the cavity is greater than its thickness, and preferably at least 5 or 10 times greater than its thickness. This configuration, essentially surface-based, minimizes the energy to be supplied to the fluid. This avoids transmitting excess energy to a large volume of fluid, inducing a risk of cavitation.
  • the radius of the cavity perpendicular to the ⁇ axis, is greater than the radius of the sleeve or each sleeve.
  • the radius of the cavity is preferably at least twice to 10 times greater than the diameter of the sleeve or each sleeve.
  • a channel 4 extending between the first resonator 10 and the second resonator 20, opens into the cavity 2.
  • the channel 4 extends in the radial direction, perpendicular to the central axis ⁇ .
  • the channel 4 forms an outlet 1 o of the pump 1.
  • Each deformable solid material, forming the first and second resonator can be of the metal type (titanium, stainless steel, aluminum or aluminum alloy, brass, or other copper-based alloy, or nickel-based alloy), inorganic material (glass), organic material (PEEK), alumina without limitation of choice of other materials outside this non-exhaustive list.
  • the pump comprises a control unit 30, connected to the first electrode 12 and to the second electrode 22, and allowing a frequency-modulated bias voltage to be applied to them.
  • the modulation frequency depends on the size and the material forming each resonator. When the diameter of each resonator is 50 mm, the modulation frequency can be approximately 25 kHz. When the diameter of each resonator is 25 mm, the modulation frequency can be approximately 50 kHz. When the diameter of each resonator is 13 mm, the modulation frequency can be approximately 100 kHz. In all cases, the modulation frequency is ultrasonic, so as to avoid generation of an audible sound.
  • the first and/or the second electrode can be annular.
  • the first transducer and the second transducer are segmented, into angular sectors, so as to present, between two adjacent angular sectors, opposite electric dipole moments.
  • Each angular sector can extend according to an angular value pocket of 2 ⁇ M , where M denotes the number of different angular sectors of the transducer.
  • the first transducer and the second transducer are annular and the first and/or the second electrode is segmented according to angular sectors of 2 ⁇ N , where N denotes the number of angular sectors.
  • each angular sector can extend by a value a few degrees less than 2 ⁇ N , so as to promote isolation between two adjacent sectors of the electrode.
  • the control unit 30 is configured to apply a phase shift or a delay of the polarization voltage between two adjacent sectors 12 1 , 12 2 of 2 ⁇ N , where N corresponds to the numbers of the sectors of the first electrode.
  • the second electrode which can be segmented into adjacent sectors 22 1 , 22 2 .
  • each pulse it is usual, but not necessary, for each pulse to be in the form of a square wave, with a duration less than or equal to a quarter of the resonance period T of the resonator.
  • the angle of ⁇ 2 between the X and Y axes, segmenting the transducers 13, 23, combined with the phase shift of ⁇ 2 bias voltages of the first and second electrodes, causes rotation of the cavity compression by angle dials ⁇ 2 , at the polarization frequency.
  • the resonators 10 and 20 deform periodically, each deformation causing a rotating compression of the cavity 2 with a maximum of the deformation located inside the radius R1.
  • cavity 2 rotates around the central axis ⁇ , due to the polarization voltages being out of phase with each other.
  • the compression of the cavity, propagating in a circular manner, causes centrifugation of the liquid.
  • the opposite sleeve can allow the admission of a complementary fluid.
  • the pump can mix the fluid and the complementary fluid.
  • one of the sleeves allows the admission of a liquid while the opposite sleeve can admit a gas, which then mixes with the pumped liquid.
  • This can, for example, be oxygen, to meet the oxygenation needs of a liquid.
  • a first fluid can be supplied, through the first sleeve, for a short time while a second fluid can be supplied, through the second sleeve, for a longer time.
  • the device's ability to pump gas allows for complete emptying of the cavity. This also allows the internal wall of the cavity to dry when gas is pumped.
  • cavity 2 can be cleaned and/or sanitized with liquid cleaning or antiseptic liquids. It can then be dried when gas is pumped. The pumping of gas induces a gas flush, which leads to drying. Drying is accelerated when the inner wall of the cavity is hydrophobic.
  • the pump can pump either liquid or gas.
  • Centrifugation tends to press the pumped liquid against the contour 5 of the cavity.
  • the liquid can be evacuated through channel 4.
  • the surface of the channel is hydrophilic, which facilitates the admission of the liquid into the channel, then its evacuation.
  • the first and second transducers are annular. Each transducer has, all around the ring, the same electric dipole moment.
  • the rotating deformation of the cavity is obtained by segmenting the first electrode 12 and the second electrode 22 respectively into two sectors 12 1 , 12 2 and two sectors 22 1 , 22 2 .
  • the first and second electrodes are respectively segmented along the X axis and the Y axis.
  • the respective sectors of the first and second electrodes, which face each other, are polarized by phase-shifted voltages of ⁇ 2 . As in the previous case, this induces a rotating deformation of the cavity, at an ultrasonic frequency, causing centrifugation of the liquid, and a pumping effect by forming a depression in the center of the cavity.
  • one of the sleeves can be closed.
  • the closure of the sleeve can be removable, so as to allow access, through the sleeve, for cleaning, or to functionalize the surfaces of the resonator delimiting the cavity.
  • the functionalization can consist of applying a hydrophobic coating on the internal surfaces of the cavity, and hydrophilic at the level of the inlet sleeve or the exhaust channel.
  • FIGS. 2A to 2B describe another embodiment in which a single resonator 10 is used.
  • the resonator 10 is as described in connection with the Figure 1A .
  • Each first electrode is obtained by segmenting a first annular electrode 12, forming angular sectors 12 1 , 12 2 , 12 3 , 12 4 extending according to an angular movement of ⁇ 2 .
  • each angular sector extends according to ⁇ 2 steradians.
  • Two diametrically opposed sectors 12 1 12 3 are polarized by a voltage Vsin(wt) out of phase by ⁇ 2 compared to the other two diametrically opposed sectors 12 2 12 4 .
  • the transducer 13 is divided into two half-rings whose electric moments are opposite, so that the sectors 12 1 , 12 2 polarize the half-ring with electric dipole moment -P, the other two sectors 12 3 , 12 4 polarizing the half-ring with opposite electric dipole moment.
  • the cavity 2 extends between the resonator 10 and a support 6, forming a bottom.
  • a rib 5 allows the connection between the resonator 10 and the support 6.
  • the thickness of the bottom can be 0.5 mm, and its diameter 7 mm.
  • the cavity 2 is deformed by a rotating deformation wave, around the central axis, during which the resonator presses towards the bottom 6. This results in a centrifugation of the liquid, causing a depression in the center of the cavity 2, facing the sleeve 3, as well as an evacuation of the pumped liquid through the channel 4, extending between the resonator and the bottom 6, perpendicular to the central axis.
  • the configurations described in connection with the Figures 1A And 2A may have several discharge channels 4, which allows distribution of the pumped liquid in different orientations, around the central axis.
  • the sleeve, or sleeves are preferably arranged at a vibration node of each resonator, which allows a connection with little damping loss with the fluid circuit connected to the sleeves.
  • the height of the sleeve can be adjusted accordingly.
  • the sleeve and the resonator to which it is connected are formed from a single piece, the sleeve extending the resonator: thus, the sleeve 3 1 described in connection with the Figure 1A is part of the resonator 10, and forms one end thereof.
  • the sleeve 3 2 is part of the resonator 20, and forms one end thereof. In the example given on the Figure 2A , sleeve 3 extends resonator 10.
  • the cavity 2 extends along a diameter larger than the sleeve, so as to be able to allow a centrifugation effect, resulting in sufficient depression, facing the sleeve, to cause suction of the liquid present in the sleeve. Suction is favored when the internal surface of the sleeve is hydrophilic. Centrifugation is favored when the internal surface of the cavity is hydrophobic.
  • piezoelectric transducers have a low thickness, typically between 0.05 mm and 5 mm, preferably 0.5 mm for a radius R of 25 mm and 0.2 mm for a radius R less than 10 mm, which maximizes the electric field, the latter being able to be of the order of 300 V/mm. This makes it possible to increase the mechanical stress, this being directly proportional to the electric field.
  • the peak/peak bias voltage can vary for example from a few volts to several hundred volts, the voltage playing on the amplitude of the out-of-plane deformation component of the resonator which itself plays on the volume of centrifuged fluid and therefore on the pumping pressure.
  • each piezoelectric transducer is preferably less than 10 mm
  • the internal diameter can be 5 mm.
  • the dimensions can be determined analytically, particularly for simple geometries, or by numerical simulation.
  • the liquid tends to adhere to the internal wall of the cavity.
  • the rotating ultrasonic wave generates, by shearing, an overall movement of the fluid is created, which is the origin of the pumping effect.
  • the pumping effect is obtained while the energy supplied is below an energy threshold generating a nebulization of the liquid. This is advantageous because a nebulization can cause aggressive mechanical effects on the walls.
  • the resonant frequency of the resonators can vary.
  • the control unit can be configured to apply a frequency sweep.
  • Figure 3 represents the modulus of the Fourier transform of one of the excitation signals, when it is made up of a succession of a finite number of sinusoidal periods with amplitude normalized to 1 and at frequencies increasing in frequency increments.
  • a frequency sweep was carried out between 195 kHz and 202 kHz in 3% frequency increments.
  • the frequency sweep allows the optimal frequency to be crossed, taking into account the variability affecting pumps, and in particular manufacturing processes: bonding, fixing systems.
  • the pumped fluid can also have an influence on the resonance frequency, because it causes a variation in the mechanical impedance of the system, through its viscosity as well as through its movement in the pump or its temperature.
  • the resonant frequency of the resonators may be 200 kHz under nominal operating conditions.
  • the resonant frequency may vary, within a predetermined spectral range, depending on the operating conditions, the latter including the nature and composition of the fluid, its homogeneity, its possible multiphase composition, the temperature, the quantity of fluid inside the cavity, or the viscosity of the fluid.
  • the spectral range may vary between a minimum resonant frequency, for example 195 kHz, and a maximum resonant frequency, for example 203 kHz.
  • the control unit is configured to apply an excitation signal by performing a spectral sweep in the predetermined spectral interval.
  • the excitation signal is thus formed by a succession of an integer number of sinusoidal periods between the minimum frequency 195 kHz and the maximum frequency 203 kHz, according to a predetermined frequency increment.
  • the excitation signals are at the same frequency, which allows rotation of the pumped fluid.
  • Frequency sweeping allows the resonant frequency to be addressed regardless of operating conditions, provided they are within predetermined limits.
  • the pump excitation frequency is not continuously centered on the optimum resonant frequency, but reaches the optimum frequency during each sweep.
  • the frequency sweep is renewed periodically.
  • the time interval separating two consecutive frequency sweeps can be adjusted to allow continuous pumping (zero time interval) or cyclic pumping, during which an excitation duty cycle is taken into account, corresponding to the duration of the frequency sweep over the duration of the time interval between two consecutive frequency sweeps.
  • each electrode when an electrical transducer is coupled to several segmented electrodes, the electrical excitation potential of each electrode, which is here called polarization, varies in the form of square waves, which are successively addressed to the electrodes, in a predetermined direction of rotation. If T is the period necessary to address all the sectors, each sector is polarized with a delay of 2 ⁇ N T compared to the previous electrode and the duration of this polarization is at most equal to 2 ⁇ N T . It can be shorter
  • the pump comprises a control unit 31, connected to each electrode, and programmed to carry out an analysis of control signals generated by a sector between two successive polarizations.
  • the control signal generated by the sector can be considered as an image of the operation of the pump. This makes it possible to obtain information on the vibration of the resonator, the latter being able to vary according to the operation of the pump or a filling level.
  • the mains-generated control signal can be connected to a low-impedance LZ input or a high-impedance HZ input of the control unit.
  • a connection to a low-impedance LZ input has the disadvantage of drawing charges from the piezoelectric transducer, which reduces the efficiency of actuation using another electrode.
  • Using such a low-impedance connection allows for resonant frequency monitoring using a “series” equivalent electrical model, based on collected charges.
  • Connecting to a high-impedance HZ input preserves actuation efficiency, at the expense of increased analysis complexity.
  • Using such a high-impedance connection allows for resonant frequency monitoring using a “parallel” equivalent electrical model, based on a measured voltage.
  • control signal allows observation of the pump operation. This allows, for example, to follow a resonance frequency. Indeed, a sampling of the voltage (measurement in high impedance) or the electrical load (measurement in low impedance) which appears in a sector reflects the electrical impedance of the sector. Whatever the measurement, the resonance frequency depends on the temperature and the fluid load conditions.
  • the control signal makes it possible to estimate an electrical impedance at the angular sector level. The latter varies according to the temperature and the fluid load conditions.
  • the control signal thus makes it possible to control the resonance frequency, by maintaining the voltage (measured in high impedance mode) or the measured electrical load (measured in low impedance mode, oscilloscope) at a certain setpoint value.
  • performing a frequency sweep makes it possible to reconstruct a transfer function of the actuator in real time at each scan with precise identification of the optimal electro-mechanical coupling frequency corresponding to the minimum impedance of the sector.
  • the radius R of the resonator can extend up to 50 mm.
  • the resonator has an outer portion of constant thickness, beyond a first radius R 1 , less than the radius R previously defined. Below the first R1 i , the resonator has a portion thinning in the direction of the central axis ⁇ .
  • the first radius R 1 is for example equal to 50% of the radius R of the resonator.
  • the pump comprises a sleeve 3, cylindrical, coaxial with the central axis, formed by an extension of the first resonator.
  • the diameter of the sleeve 3 can be of the order of 1 mm.
  • the sleeve and the resonator form a single part, as described in connection with the Figures 1A And 2A
  • the foot of the sleeve is a vibration node as it vibrates by a rocking or bending motion and its end is chosen to define a vibration antinode of the resonator 10.
  • the sleeve can undergo a deformation forming a bending wave unfolding along the axis of the sleeve, according to a resonance frequency which corresponds to the activation frequency of the first and second electrodes.
  • the amplitude of the bending is preferably greater than 1 ⁇ m.
  • the pump comprises a capillary 8, wound fixedly around the sleeve 3, and preferably clamped around the latter on a portion which is close to its end, where the amplitude of the tilting is high.
  • the capillary preferably comprises several turns, pressed against the external surface of the sleeve.
  • FIG. 5B is a sectional view of the sleeve 3, showing a few turns of the capillary 8, preferably contiguous, applied against the sleeve.
  • each turn of the capillary is progressively deformed, which causes the liquid to progress in the capillary. This results in peristaltic pumping, without any rotating moving parts.
  • the bending creates a periodic rotating mechanical stress applied to the turns, a part of the turns being periodically compressed while the diametrically opposite part being periodically stretched.
  • This type of pump can be very compact, with a diameter of less than 10 mm and a maximum resonator thickness of 0.5 mm.
  • the resonator can be made of metal or plastic.
  • the capillary can be made of silicone. Only one coil can be provided around the sleeve, but operation is more efficient with multiple coils.
  • FIGS. 6A and 6B show another configuration of a peristaltic pump.
  • the pump includes a resonator 10 as described in connection with the Figure 5A .
  • the resonator is connected to an annular piezoelectric transducer 11, as previously described.
  • the resonator extends between a base 10 b and a flat support face 10 a .
  • the capillary 8 is arranged on a flat portion of the flat support face. The reduction in the thickness of the resonator is obtained by moving the base closer to the flat support face.
  • FIG. 6A shows a segmentation of the first electrode 12 into 4 angular sectors, of angle ⁇ 2 .
  • the transducer is configured to cause a deformation of the resonator which rotates about the central axis, according to an ultrasonic frequency.
  • the capillary 8 forms at least one turn around the central axis. Under the effect of the rotating deformation of the resonator, the capillary 8 undergoes rotating compression, which allows pumping to be carried out by peristaltic effect. Depending on the direction of rotation of the deformation, pumping can be carried out in two opposite directions.
  • FIG. 7 represents an embodiment based on a principle similar to that governing the pump described in connection with the Figures 6A to 6C .
  • a capillary 8 is arranged between a first resonator 10, as described in connection with the Figures 6A and 6C , and a second resonator 20.
  • the second resonator 20 is symmetrical to the first resonator with respect to a median plane PM perpendicular to the central axis ⁇ .
  • the first resonator 10 is coupled to a first piezoelectric transducer 11.
  • the second resonator 20 is coupled to a second piezoelectric transducer 21.
  • Each piezoelectric transducer is arranged to cause compression of the capillary 8, rotating around the central axis ⁇ . This results in peristaltic pumping. The pumping direction depends on the direction of rotation of the deformation.
  • Each resonator can extend to a diameter of 50 mm, and a thickness of 3.8 mm, the resonant frequency being 26.6 kHz.
  • the resonant frequency is of the order of 50 kHz.
  • the resonant frequency is of the order of 100 kHz.
  • the excitation voltage that defines the inertial compression level of the capillary can range from a few volts to several hundred volts peak-peak.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Reciprocating Pumps (AREA)

Abstract

Pompe (1) destinée à pomper un fluide entre une admission et une évacuation, comportant: un transducteur piézoélectrique (11) annulaire s'étendant autour d'un axe central (Δ) et comportant une électrode (12); un résonateur (10) relié au transducteur piézoélectrique (11) et s'étendant autour de l'axe central (Δ), le résonateur s'amincissant vers l'axe central (Δ) et se déformant sous l'effet d'une polarisation du transducteur piézoélectrique (11); et une unité de commande (30) configurée pour polariser la électrode selon une tension de polarisation. Le résonateur (10) délimite une cavité (2) s'étendant autour de l'axe central (Δ) et configurée pour recevoir le fluide. La pompe comporte également au moins un canal (4) débouchant de la cavité (2). Sous l'effet de la polarisation du transducteur piézoélectrique (11), une déformation du résonateur (10) se produit, réduisant localement et transitoirement l'épaisseur de la cavité, autour de l'axe central (Δ), la propulsion induisant un effet d'aspiration au centre de la cavité (2), face à l'admission.

Description

    DOMAINE TECHNIQUE
  • Le domaine technique de l'invention est une pompe configurée pour être actionnée par un transducteur piézoélectrique.
    • ART ANTERIEUR
  • La plupart des pompes mettent en oeuvre des pièces mobiles, ce qui peut générer un problème de fiabilité, d'usure, et de limitation de la compacité. Dans le domaine de la santé, des pompes péristaltiques sont d'usage courant. Cependant, l'écrasement répété d'un tuyau, qui entraîne le déplacement du liquide, peut entraîner une usure prématurée du tuyau.
  • La demande de brevet WO2013/41700 décrit une pompe, pouvant être implantable, non péristaltique, à actionnement piézoélectrique. Un manchon, disposé au centre d'un résonateur subit une flexion, sous l'effet d'une déformation tournante du résonateur, engendrée par des transducteurs piézoélectriques activés selon une fréquence ultrasonique. La flexion du manchon génère un effet de pompage, qui entraîne l'expulsion du fluide. Une réduction de la section transversale du résonateur, au voisinage du manchon ou le long de ce dernier, permet d'amplifier les vibrations se propageant jusqu'au manchon. Une telle pompe est efficace. Cependant, il a été constaté que le manchon subit une flexion répétée, ce qui peut entraîner une usure. D'autre part, la pompe est destinée à être couplée à un circuit fluidique. La maîtrise du débit dépend de l'amplitude de vibration du manchon qui doit être asservie à la charge mécanique du circuit fluidique, ce qui n'est pas aisé.
  • On recherche une pompe, la plus compacte possible, et de préférence la plus plate possible.
  • En particulier, on cherche à ce que le principe de pompage, la fréquence et l'amplitude de la vibration ultrasonore de pompage soient moins dépendants du couplage mécanique de la pompe avec le circuit fluidique.
  • Un autre objectif est de concevoir une pompe, permettant d'effectuer un pompage, selon un débit maîtrisé, avec une dépense énergétique optimisée, et pouvant être particulièrement compacte.
    • EXPOSE DE L'INVENTION
  • Un premier objet de l'invention est une pompe, destinée à pomper un fluide entre une admission et une évacuation, comportant :
    • un premier transducteur piézoélectrique annulaire, s'étendant autour d'un axe central, et comportant une première électrode;
    • un premier résonateur, relié au premier transducteur piézoélectrique, et s'étendant autour de l'axe central, le premier résonateur étant formé d'un matériau solide déformable s'amincissant vers l'axe central, le premier résonateur étant configuré pour se déformer sous l'effet d'une polarisation du premier transducteur piézoélectrique ;
    • une unité de commande, configurée pour polariser la première électrode selon une tension de polarisation, modulée selon une fréquence de modulation supérieure à 20 KHz ;
    la pompe étant caractérisée en ce que :
    • le premier résonateur délimite une cavité, s'étendant autour de l'axe central, et configurée pour recevoir le fluide, la cavité s'étendant, le long de l'axe central, selon une épaisseur ;
    • la pompe comporte un premier manchon, relié au premier résonateur, débouchant au centre de la cavité, formant l'admission de la pompe ;
    • la pompe comporte au moins un canal, débouchant de la cavité, le canal s'étendant, le long du premier résonateur, autour d'un axe perpendiculaire à l'axe central, le canal formant l'évacuation de la pompe ;
    • de façon que sous l'effet de la polarisation du premier transducteur piézoélectrique, une déformation du résonateur se produit, réduisant localement et transitoirement l'épaisseur de la cavité, la déformation se propageant autour de l'axe central, et entraînant une propulsion d'un fluide, admis dans la cavité, autour de l'axe central, la propulsion induisant un effet d'aspiration au centre de la cavité, face à l'admission.
  • Selon une possibilité, le premier transducteur comporte au moins deux portions angulaires distinctes configurées pour se déformer différemment, sous l'effet de la polarisation appliquée à la première électrode, de façon à engendrer une déformation du premier résonateur se propageant autour de l'axe central.
  • Selon une possibilité, la première électrode est segmentée en n secteurs angulaires, n étant supérieur à 2, l'unité de commande étant configurée pour polariser deux secteurs angulaires de la première électrode respectivement par deux tensions déphasées d'un déphasage inférieur ou égal à 2 π n
    Figure imgb0001
     ou temporellement décalées d'un décalage inférieur ou égal à 2 π n
    Figure imgb0002
    .
  • Selon une possibilité, le premier matériau piézoélectrique comporte au moins deux portions différentes, dans lesquelles le moment dipolaire électrique est orienté de façon opposée. Selon une possibilité, le premier résonateur est disposé face à un support, formant un fond de la cavité, la cavité s'étendant entre le premier résonateur et le fond.
  • Selon une possibilité, le premier manchon est coaxial de l'axe central.
  • Selon une possibilité, la pompe comporte
    • un deuxième transducteur piézoélectrique annulaire, s'étendant autour de l'axe central, et comportant une deuxième électrode, reliée à l'unité de commande ;
    • un deuxième résonateur, relié au deuxième transducteur piézoélectrique, et s'étendant autour de l'axe central, le deuxième résonateur étant formé d'un solide déformable, le deuxième résonateur s'amincissant vers l'axe central, le deuxième résonateur étant configuré pour se déformer sous l'effet d'une polarisation du deuxième transducteur piézoélectrique ;
    • le deuxième résonateur s'étend face au premier matériau solide déformable ;
    • la cavité s'étend entre le premier résonateur et le deuxième résonateur.
  • Selon une possibilité, le deuxième transducteur comporte au moins deux portions angulaires distinctes configurées pour se déformer successivement, sous l'effet de la polarisation appliquée à chaque deuxième électrode, de façon à engendrer une déformation du deuxième résonateur, la déformation se propageant autour de l'axe central.
  • Selon une possibilité, la deuxième électrode est segmentée en n secteurs angulaires, n étant supérieur ou égal à 2, l'unité de commande étant configurée pour polariser deux secteurs angulaires de la deuxième électrode respectivement par deux tensions déphasées d'un déphasage de 2 π n
    Figure imgb0003
     ou temporellement décalées d'un décalage de 2 π n
    Figure imgb0004
    .
  • Selon une possibilité, le deuxième matériau piézoélectrique comporte au moins deux portions différentes, dans lesquelles le moment dipolaire électrique est orienté de façon opposée Selon une possibilité :
    • la première électrode est segmentée en secteurs angulaires symétriques, par rapport à un premier axe de symétrie, et activés en opposition de phase ;
    • la deuxième électrode est segmentée en secteurs angulaires symétriques, par rapport à un deuxième axe de symétrie, et activés en opposition de phase ;
    • le premier axe de symétrie est orthogonal au deuxième axe de symétrie.
  • La pompe peut comporter un deuxième manchon, relié au deuxième résonateur, et débouchant au centre de la cavité.
  • Le deuxième manchon peut être coaxial de l'axe central de la cavité.
  • La fréquence de modulation peut être supérieure à 100 KHz.
  • Selon une possibilité:
    • la première électrode est segmentée en n secteurs angulaires, n étant supérieur ou égal à 2,
    • l'unité de commande est configurée pour adresser un signal de polarisation successivement à chaque secteur angulaire ;
    • la pompe comporte une unité de contrôle, reliée à au moins un secteur angulaire de la première électrode, l'unité de contrôle étant configurée pour détecter un signal de contrôle entre deux signaux de polarisation successifs.
  • De préférence, l'épaisseur de la cavité est inférieure à 1 mm.
  • Selon une possibilité, l'unité de commande est configurée pour polariser la première électrode selon un signal de polarisation fréquentiel, en effectuant un balayage en fréquence selon un nombre fini de fréquences discrètes successives.
  • Selon une possibilité, la surface interne de la cavité comporte au moins un partie hydrophobe.
  • Un deuxième objet de l'invention est une pompe péristaltique, destinée à pomper un liquide le long d'un capillaire, le pompage résultant d'une compression du capillaire exercée successivement, dans une direction de pompage, la pompe comportant :
    • un premier transducteur piézoélectrique annulaire, s'étendant autour d'un axe central, et configuré pour être polarisé par une première électrode;
    • un premier matériau solide déformable, relié au premier transducteur piézoélectrique, et s'étendant autour de l'axe central, le premier matériau solide déformable s'amincissant vers l'axe central, le premier matériau solide déformable formant un premier résonateur configuré pour se déformer sous l'effet d'une polarisation du transducteur piézoélectrique ;
    • une unité de commande, configurée pour polariser la première électrode selon une tension de polarisation, modulée selon une fréquence de modulation supérieure à 20 KHz;
    la pompe étant caractérisée en ce que :
    • le capillaire est disposé contre le résonateur, autour de l'axe central ;
    • de façon que sous l'effet de la polarisation de la première électrode, une déformation du premier résonateur se produit, la déformation se propageant autour de l'axe central, et entraînant la compression du capillaire rempli d'un liquide autour de l'axe central, la propulsion induisant un effet d'aspiration au centre de la cavité, face à l'admission.
  • Le capillaire peut s'étendre autour du manchon, en formant plusieurs spires, de façon que chaque spire est successivement déformée, le long du manchon.
  • Le premier résonateur peut comporter une surface, notamment plane, formant un support. Le capillaire peut être disposé contre le support, de façon que le capillaire subit une déformation progressive résultant de la déformation du premier résonateur. Le capillaire peut former une spire autour de l'axe central, de façon que sous l'effet de la déformation du résonateur, la spire est déformée par une déformation tournant autour de l'axe central.
  • La pompe peut comporter deux résonateurs, disposés l'un contre l'autre ; Le capillaire peut être disposé dans une espace entre les deux résonateurs, autour de l'axe central, de façon que le capillaire subit une déformation progressive résultant de la déformation du premier résonateur et du deuxième résonateur. Le capillaire peut former une spire autour de l'axe central, de façon que sous l'effet de la déformation du premier et du deuxième résonateur, la spire est déformée par une déformation tournant autour de l'axe central.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés, dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous.
    • FIGURES
    • Les figures 1A à 1E décrivent un premier mode de réalisation de l'invention.
    • Les figures 2A et 2B décrivent un deuxième mode de réalisation de l'invention.
    • La figure 3 illustre un balayage en fréquence.
    • La figure 4A représente une segmentation d'une électrode en secteurs angulaires.
    • La figure 4B montre une séquence temporelle de commande de l'électrode décrite en lien avec
    • la figure 4A.
    • Les figures 5A et 5B montrent un mode de réalisation d'une pompe péristaltique.
    • Les figures 6A, 6B et 6C montrent un autre mode de réalisation d'une pompe péristaltique.
    • La figure 7 illustre une variante de la pompe décrite en lien avec les figures 6A à 6C.
    EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS
  • Les figures 1A à 1E décrivent un premier mode de réalisation d'une pompe selon l'invention. Il s'agit ici d'une pompe comportant:
    • un premier transducteur piézoélectrique 11 annulaire, s'étendant autour d'un axe central Δ comportant une première couche d'un matériau piézoélectrique 13 entre au moins une première électrode 12 et une première contre électrode 14 d'autre part.
    • un premier matériau solide déformable 10, s'étendant, autour de l'axe central Δ, qui, sous l'action du premier transducteur piézoélectrique 11 forme un premier résonateur. Le premier résonateur 10 est symétrique par rapport à l'axe central Δ.
    • un deuxième transducteur piézoélectrique 21 annulaire, autour de l'axe central Δ, comportant une première couche d'un matériau piézoélectrique 23 entre au moins une deuxième électrode 22 et une deuxième contre électrode 24 d'autre part.
    • un deuxième matériau solide déformable 20, s'étendant autour de l'axe central Δ, qui, sous l'action du deuxième transducteur piézoélectrique 21 forme un deuxième résonateur. Le deuxième résonateur est symétrique par rapport à l'axe central Δ.
  • Le premier résonateur 10 et le deuxième résonateur 20 sont annulaires, autour de l'axe central Δ. Ils d'amincissent vers ce dernier. Ainsi, leur épaisseur, définie parallèlement à l'axe central Δ, diminue en fonction de la distance à l'axe central Δ. L'amincissement permet d'augmenter l'amplitude des vibrations se propageant dans chaque résonateur.
  • Chaque résonateur s'étend, à partir d'une portion plane, jusqu'à une extrémité formée par un manchon cylindrique 31, 32 décrit par la suite. La portion plane permet un couplage mécanique avec un transducteur piézoélectrique.
  • Le rayon externe R de chaque résonateur, défini autour de l'axe central Δ, peut s'étendre jusqu'à 50 mm, ou davantage. La portion plane de chaque résonateur s'étend au-delà d'un premier rayon R1, inférieur au rayon externe R précédemment défini. En deçà du premier rayon R1, chaque résonateur présente une portion s'amincissant en direction de l'axe central Δ. Le premier rayon R1 est par exemple égal à 50% du rayon externe R du résonateur.
  • Le premier résonateur 10 est assemblé face au deuxième résonateur 20. Une cavité cylindrique 2 s'étend entre le premier résonateur 10 et le deuxième résonateur 20. L'épaisseur de la cavité, parallèlement à l'axe central, est de préférence inférieure à 2 mm et est par exemple de l'ordre de 1 mm. Dans l'exemple représenté, le premier résonateur et le deuxième résonateur sont symétriques selon un plan médian PM perpendiculaire à l'axe central Δ. L'épaisseur minimale dépend de la force de pompage à déployer pour vaincre des forces, dites statiques, s'opposant au déplacement du fluide, par exemple des forces liées au frottement ou à la tension superficielle. L'épaisseur minimale peut également dépendre des conditions d'opération de la pompe, par exemple à des mouvements à laquelle la pompe est soumise, par exemple lorsque la pompe est implantée dans un corps vivant ou lorsque la pompe est embarquée dans un système mobile, par exemple un véhicule ou un robot, soumis à des saccades.
  • On décrit, par la suite, des conditions de surface permettant de réduire les forces statiques.
  • Le premier résonateur s'étend jusqu'à un premier manchon 31, cylindrique, coaxial de l'axe central Δ, et débouchant dans la cavité 2. Le diamètre du manchon 31 est compris entre environ 0.2 mm et 2 mm et préférentiellement proche de 1 mm,. Le premier manchon 31 peut être formé par un prolongement du premier résonateur. Le premier manchon 31 est ouvert, de façon à former une première admission 1i de la pompe. Le rayon du premier manchon forme un rayon interne du premier résonateur 10.
  • La pompe peut comporter un deuxième manchon 32, cylindrique, coaxial de l'axe central Δ, débouchant dans la cavité 2. Le diamètre du manchon 32 peut être identique au diamètre du premier manchon 31. Le deuxième manchon 32 peut être formé par un prolongement du deuxième résonateur déformable. Le deuxième manchon 32 peut être ouvert, de façon à former une deuxième admission 1'i de la pompe.
  • Chaque manchon et la cavité sont dimensionnés de façon que l'écoulement du liquide, à l'intérieur, subisse des forces de capillarité qui soient supérieures à la gravité. Ainsi, en l'absence d'activation de chaque résonateur, le liquide est maintenu immobile, dans chaque manchon et dans la cavité 2, par l'action des forces de capillarité. Cela permet de former une pompe sans pièce mobile, en limitant le risque de fuite.
  • La cavité 2 est délimitée, selon une direction radiale, perpendiculaire à l'axe central Δ, par une nervure 5, cette dernière reliant le premier résonateur 10 au deuxième résonateur 20.
  • De préférence, la paroi interne de la cavité est revêtue d'un matériau hydrophobe. La présence du matériau hydrophobe peut faciliter la minimisation des forces de frottement et des forces de tensions superficielles à l'interface entre le fluide et le matériau sur ou dans lequel se propagent les ondes ultrasonores, de sorte à faciliter le fractionnement de ce fluide. Combiné à des vibrations ultrasoniques, un revêtement hydrophobe permet un fractionnement du liquide en microgouttelettes, ou fractions de liquide, ce qui accroît la mobilité du liquide. Cela minimise la force de pompage. Autour de l'axe central, par effet de centrifugation, comme décrit par la suite. La paroi interne de chaque manchon peut être revêtu d'un matériau hydrophile. La hauteur de chaque manchon, selon l'axe central, est d'environ 2 ou 3 mm. Cela permet de former une pompe particulièrement plate.
  • De façon plus générale, la surface interne de la cavité est avantageusement hydrophobe soit suite à une fonctionnalisation des parties de chaque résonateur délimitant la cavité, ou par une structuration appropriée de ces dernières, par exemple une texturation de type rainurage ou une formation de microcanaux.
  • D'une façon générale, la conception de la pompe vise à optimiser les surfaces le long desquelles de l'énergie est transmise au fluide : la conception vise à répartir le fluide le long des surfaces interne de la cavité, ces dernières étant de préférence rendues hydrophobes. La configuration géométrique utilisée, selon laquelle le fluide est déplacé dans une cavité à rapport surface sur volume élevé privilégie le déplacement du fluide le long de la surface du résonateur. A cet effet, le diamètre de la cavité est supérieur à son épaisseur, et de préférence au moins 5 ou 10 fois supérieur à son épaisseur. Cette configuration, essentiellement surfacique, minimise l'énergie à apporter au fluide. Cela permet d'éviter de transmettre un surplus d'énergie à un volume important de fluide, induisant un risque de cavitation.
  • Notons qu'il s'agit d'une configuration contre-intuitive, car la pratique usuelle est de pousser un volume épais. Lorsque le fluide se réparti selon un film mince, on obtient un effet de reptation du fluide sur la paroi interne de la cavité.
  • Le rayon de la cavité, perpendiculairement à l'axe Δ, est supérieur au rayon du manchon ou de chaque manchon. Le rayon de la cavité est de préférence au moins deux fois à 10 fois supérieur au diamètre du manchon ou de chaque manchon.
  • Un canal 4, s'étendant entre le premier résonateur 10 et le deuxième résonateur 20, débouche dans la cavité 2. Le canal 4 s'étend selon la direction radiale, perpendiculaire à l'axe central Δ. Le canal 4 forme une évacuation 1o de la pompe 1.
  • Chaque matériau solide déformable, formant le premier et le deuxième résonateur peut être de type métal (titane, inox, aluminium ou alliage d'aluminium, laiton, ou autre alliage à base de cuivre, ou alliage à base de nickel), matériau inorganique (verre), matériau organique (PEEK), alumine sans limitation de choix d'autres matériaux en dehors de cette liste non exhaustive.
  • Chaque couche de matériau piézoélectrique peut être formée d'un matériau de type PZT (Zirconate titanate de plomb), en particulier les références PZ26, PZ27, PZ46 et PZ29 de Ferroperm. De préférence, les coefficient d33 et d31, qui rendent compte du coefficient de la déformation observée pour un champ électrique appliqué (également perçu comme une densité de charges récoltées pour une contrainte appliquée), sont respectivement :
    • d'au moins 200 pC/N et de préférence au-delà de 570 pC/N pour le coefficient d33 quantifiant la réponse du matériau piézoélectrique dans une direction parallèle à la direction du champ électrique appliqué.
    • moins de -50 pC/N et préférentiellement de l'ordre de -240 pC/N. pour d31, qui quantifie la réponse du matériau piézoélectrique dans une direction perpendiculaire à la direction du champ électrique appliqué.
  • La pompe comporte une unité de commande 30, reliée à la première électrode 12 et à la deuxième électrode 22, et permettant de leur appliquer une tension de polarisation modulée en fréquence. La fréquence de modulation dépend de la dimension et du matériau formant chaque résonateur. Lorsque le diamètre de chaque résonateur est de 50 mm, la fréquence de modulation peut être d'environ 25 kHz. Lorsque le diamètre de chaque résonateur est de 25 mm, la fréquence de modulation peut être d'environ 50 kHz. Lorsque le diamètre de chaque résonateur est de 13 mm, la fréquence de modulation peut être d'environ 100 kHz. Dans tous les cas, la fréquence de modulation est ultrasonique, de façon à éviter une génération d'un son audible.
  • Les contre-électrodes 14, 24 peuvent être laissées à un potentiel flottant ou reliées à un potentiel fixe, par exemple une masse.
  • Selon une possibilité, la première et/ou la deuxième électrode peut être annulaire. Dans ce cas, le premier transducteur et le deuxième transducteur est segmenté, en secteurs angulaires, de façon à présenter, entre deux secteurs angulaires adjacents, des moments dipolaires électriques opposés. Chaque secteur angulaire peut s'étendre selon une valeur angulaire poche de 2 π M
    Figure imgb0005
    , où M désigne le nombre de secteurs angulaires différents du transducteur.
  • Selon une possibilité, le premier transducteur et le deuxième transducteur sont annulaires et la première et/ou la deuxième électrode est segmentée selon des secteurs angulaires de 2 π N
    Figure imgb0006
     , où N désigne le nombre de secteurs angulaires. Selon une possibilité, chaque secteur angulaire peut s'étendre selon une valeur de quelques degrés inférieur à 2 π N
    Figure imgb0007
     , de façon à favoriser l'isolement entre deux secteurs adjacents de l'électrode. L'unité de commande 30 est configurée pour appliquer un déphasage ou un retard de la tension de polarisation entre deux secteurs adjacents 121, 122 de 2 π N
    Figure imgb0008
    , où N correspond aux nombres des secteurs de la première électrode. Il en est de même pour la deuxième électrode, qui peut être segmentée en secteurs adjacents 221, 222. Lorsque la tension de polarisation est sinusoïdale, 2 π N
    Figure imgb0009
     correspond à un déphasage. Lorsque la tension de polarisation est impulsionnelle, 2 π N
    Figure imgb0010
     le déphasage correspond à un retard temporel T N
    Figure imgb0011
     par rapport à un temps caractéristique qui est la période principale T de résonance de l'actionneur. Lorsque la tension de polarisation est impulsionnelle, il est usuel, mais non nécessaire, que chaque impulsion soit en forme de créneau, d'une durée inférieure ou égale au quart de la période T de résonance du résonateur.
  • Sur le figures 1B et 1C, on a représenté une première possibilité d'agencement de la pompe. Dans cet exemple :
    • le premier transducteur piézoélectrique comporte une première portion 131 et une deuxième portion 132, formant deux demi secteurs angulaires, et présentant respectivement des moments dipolaires électriques permanents orientés selon des directions opposées : M = 2. Les moments dipolaires électriques sont notés -P et +P. Le premier transducteur piézoélectrique 13 est polarisé par une première électrode 11 annulaire, non segmentée, selon la tension Vcos(wt). Le premier transducteur piézoélectrique est segmenté selon un axe X parallèle au plan médian PM.
    • le deuxième transducteur piézoélectrique 23 comporte une première portion 231 et une deuxième portion 232, formant deux demi secteurs angulaires, et présentant respectivement des moments dipolaires électriques permanents -P et +P orientés selon des directions opposées : M = 2. Le deuxième transducteur piézoélectrique 23 est polarisé par une deuxième électrode 22 annulaire, non segmentée, selon la tension Vsin(wt). Le deuxième transducteur piézoélectrique est segmenté selon un axe Y parallèle au plan médian PM, perpendiculaire à l'axe X.
  • L'angle de π 2
    Figure imgb0012
     entre les axes X et Y, segmentant les transducteurs 13, 23, combiné au déphasage de π 2
    Figure imgb0013
     des tensions de polarisation de la première et de la deuxième électrodes, entraîne une rotation de la compression de la cavité par cadrans d'angle π 2
    Figure imgb0014
    , à la fréquence de polarisation. Ainsi, sous l'effet des polarisations respectives de la première électrode et de la deuxième électrode, combinées à la segmentation spatiale des moments électriques des premier et deuxième transducteurs piézoélectriques, les résonateurs 10 et 20 se déforment périodiquement, chaque déformation entraînant une compression tournante de la cavité 2 avec un maximum de la déformation située à l'intérieur du rayon R1.
  • La déformation de la cavité 2 tourne autour de l'axe central Δ, du fait des tensions de polarisation déphasées l'une par rapport à l'autre. La compression de la cavité, se propageant de façon circulaire, entraîne une centrifugation du liquide. Il en résulte une dépression se formant au niveau de la partie centrale de la cavité 2, face aux manchons. Cela favorise l'admission d'un fluide, liquide ou gaz dans la cavité, par un des manchons. Le manchon opposé peut permettre l'admission d'un fluide complémentaire. Dans ce cas, la pompe permet d'effectuer un mélange du fluide et du fluide complémentaire. De façon alternative, l'un des manchons permet l'admission d'un liquide tandis que le manchon opposé peut admettre un gaz, qui se mélange alors au liquide pompé. Il peut par exemple s'agir d'oxygène, pour répondre à des besoins d'oxygénation d'un liquide.
  • Lorsque deux fluides sont mélangés, un premier fluide peut être apporté, par le premier manchon, pendant selon une courte durée alors qu'un deuxième fluide peut être apporté, par le deuxième manchon, selon une durée plus longue.
  • La faculté du dispositif à pomper un gaz permet d'effectuer une vidange totale de la cavité. Cela permet également, lorsque du gaz est pompé, de sécher la paroi interne de la cavité.
  • Après utilisation, la cavité 2 peut être nettoyée et/ou aseptisée par des liquides nettoyants ou antiseptiques liquides. Elle peut ensuite subir un séchage lorsque du gaz est pompé. Le pompage du gaz induit un balayage gazeux induisant séchage. Le séchage est accéléré lorsque la paroi interne de la cavité est hydrophobe.
  • Il est donc avantageux que la pompe puisse pomper indifféremment du liquide ou du gaz
  • La centrifugation tend à plaquer le liquide pompé contre le contour 5 de la cavité. Le liquide peut être évacué par le canal 4. De préférence la surface du canal est traitée hydrophile, ce qui facilite l'admission du liquide dans le canal, puis son évacuation.
  • Une autre configuration de transducteur est représentée sur les figures 1D et 1E. Sur ces figures, le premier et le deuxième transducteur sont annulaires. Chaque transducteur présente, tout autour de l'anneau, un même moment dipolaire électrique. La déformation tournante de la cavité est obtenue par une segmentation de la première électrode 12 et de la deuxième électrode 22 respectivement en deux secteurs 121, 122 et deux secteurs 221, 222. Les première et deuxième électrodes sont respectivement segmentées selon l'axe X et l'axe Y. Les secteurs respectifs des première et deuxième électrodes, qui se font face, sont polarisés par des tensions déphasées de π 2
    Figure imgb0015
    . De même que dans le cas précédent, cela induit une déformation tournante de la cavité, à une fréquence ultrasonore, entraînant la centrifugation du liquide, et un effet de pompage par formation d'une dépression au centre de la cavité.
  • Dans la configuration décrite en lien avec la figure 1A, un des manchons peut être fermé. La fermeture du manchon peut être amovible, de façon à permettre un accès, à travers le manchon, pour effectuer un nettoyage, ou encore pour fonctionnaliser les surfaces du résonateur délimitant la cavité. La fonctionnalisation peut consister à appliquer un revêtement hydrophobe sur les surfaces internes de la cavité, et hydrophile au niveau du manchon d'admission ou du canal d'évacuation.
  • Les figures 2A à 2B décrivent un autre mode de réalisation dans lequel un seul résonateur 10 est utilisé. Le résonateur 10 est tel que décrit en lien avec la figure 1A.
  • Chaque première électrode est obtenue par segmentation d'une première électrode annulaire 12, en formant des secteurs angulaires 121, 122, 123, 124 s'étendant selon un débattement angulaire de π 2
    Figure imgb0016
    . Dans l'exemple représenté sur les figures 2A et 2B, chaque secteur angulaire s'étend selon π 2
    Figure imgb0017
     stéradians. Deux secteurs diamétralement opposés 121 123 sont polarisés par une tension Vsin(wt) déphasée de π 2
    Figure imgb0018
     par rapport aux deux autres secteurs 122 124 diamétralement opposés.
  • Le transducteur 13 est divisé en deux demi-anneaux dont les moments électriques sont opposés, de façon que les secteurs 121, 122 polarisent le demi anneau de moment dipolaire électrique -P, les deux autres secteurs 123, 124 polarisant le demi anneau de moment dipolaire électrique opposé.
  • La cavité 2 s'étend entre le résonateur 10 et un support 6, formant un fond. Une nervure 5 permet la liaison entre le résonateur 10 et le support 6. Lorsque le fond est en alliage d'aluminium duralumin, pour une fréquence de 100 kHz, l'épaisseur du fond peut être de 0.5 mm, et son diamètre de 7 mm.
  • Sous l'effet d'une déformation du résonateur 10, tournant autour de l'axe central, compte tenu des polarisations décrites et de la structure du transducteur piézoélectrique, la cavité 2 est déformée par une onde de déformation tournante, autour de l'axe central, durant laquelle le résonateur s'appuie vers le fond 6. Il en résulte une centrifugation du liquide, entraînant une dépression au centre de la cavité 2, face au manchon 3, ainsi qu'une évacuation du liquide pompé par le canal 4, s'étendant entre le résonateur et le fond 6, perpendiculairement à l'axe central.
  • Les configurations décrites en lien avec les figures 1A et 2A peuvent comporter plusieurs canaux d'évacuation 4, ce qui permet une distribution du liquide pompé selon différentes orientations, autour de l'axe central.
  • Quelles que soient les configurations, le manchon, ou les manchons, sont disposés de préférence au niveau d'un noeud de vibration de chaque résonateur, ce qui permet un raccordement avec peu de pertes par amortissement avec le circuit fluidique connecté aux manchons. La hauteur du manchon peut être ajustée en ce sens. Il est préférable que le manchon et le résonateur auquel il est relié soient formés d'une même pièce, le manchon prolongeant le résonateur : ainsi, le manchon 31 décrit en lien avec la figure 1A fait partie du résonateur 10, et en forme une extrémité. Le manchon 32 fait partie du résonateur 20, et en forme une extrémité. Dans l'exemple donné sur la figure 2A, le manchon 3 prolonge le résonateur 10.
  • Quelles que soient les configurations décrites dans les figures 1A et 2A, la cavité 2 s'étend selon un diamètre plus large que le manchon, de façon à pouvoir permettre un effet de centrifugation, entraînant une dépression suffisante, face au manchon, pour entraîner une aspiration du liquide présent dans le manchon. L'aspiration est favorisée lorsque la surface interne du manchon est hydrophile. La centrifugation est favorisée lorsque la surface interne de la cavité est hydrophobe.
  • Quelles que soient les configurations, les transducteurs piézoélectriques ont une faible épaisseur, typiquement comprise entre 0.05 mm et 5 mm, préférentiellement 0.5 mm pour un rayon R de 25 mm et 0.2 mm pour un rayon R inférieur à 10 mm, ce qui maximise le champ électrique, ce dernier pouvant être de l'ordre de 300 V/ mm. Cela permet d'augmenter la contrainte mécanique, celle-ci étant directement proportionnelle au champ électrique.
  • Quelles que soient les configurations, la tension de polarisation crête / crête peut varier par exemple de quelques volts à plusieurs centaines de volts, la tension jouant sur l'amplitude de la composante de déformation hors plan du résonateur qui elle-même joue sur le volume de fluide centrifugé et donc sur la pression de pompage.
  • Les configurations décrites en lien avec les figures 1A et 2A peuvent être particulièrement compactes : le diamètre externe de chaque transducteur piézoélectrique est de préférence inférieur à 10 mm, le diamètre interne pouvant être de 5 mm. Des diamètres externes plus courts, par exemple 7 mm, sont envisageables. Les dimensions peuvent être déterminées analytiquement, en particulier pour les géométries simples, ou par simulation numérique.
  • Les configurations décrites en lien avec les figures 1A et 2A entraînent une prédominance des effets de surface sur ceux de volume : A vitesse de centrifugation nulle, les forces de gravité sont moins fortes que les effets de surface et le liquide se conforme aux effets de surface. En énergisant le fluide par application des ondes ultrasonores on réduit la mouillabilité du liquide, qui tend s'organiser en microgouttelettes sphériques de plus petites tailles. Cela entraîne une plus faible cohésion d'ensemble. La distribution spatiale des forces de surface s'en trouve modifiée. Lorsque le liquide est mis en mouvement, en raison de sa viscosité, par l'onde de ultrasonore tournante, l'adhésion à la surface se réduit. Au-delà d'une certaine vitesse angulaire, les effets inertiels induits par l'onde ultrasonore engendrent un effet de pompage par création d'une dépression centrale et une surpression périphérique. Ainsi, en régime statique, le liquide tend à adhérer à la paroi interne de la cavité. L'onde tournante ultrasonore engendre, par cisaillement, un mouvement d'ensemble du fluide est créé, qui est à l'origine de l'effet de pompage. L'effet de pompage est obtenu alors que alors que l'énergie apportée est inférieure à un seuil d'énergie générant une nébulisation du liquide. Cela est avantageux car une nébulisation peut engendrer des effets mécaniques agressifs sur les parois.
  • La fréquence de résonance des résonateurs peut varier. Afin de prendre en compte une éventuelle dérive de la fréquence de résonance, l'unité de commande peut être configurée pour appliquer un balayage en fréquence. La figure 3 représente le module de la transformée de Fourier d'un des signaux d'excitation, lorsqu'il est constitué d'une succession d'un nombre fini de périodes sinusoïdales d'amplitude normalisée à 1 et à des fréquences croissantes par incréments de fréquence. Dans cet exemple, on a effectué un balayage en fréquence compris entre 195 kHz et 202 kHz par incréments de fréquence 3%. Le balayage en fréquence permet de traverser la fréquence optimale, tenant compte de la variabilité affectant des pompes, et en particulier les procédés de fabrication : collages, systèmes de fixation. Le fluide pompé peut également avoir une influence sur la fréquence de résonance, car il entraîne une variation de l'impédance mécanique du système, par sa viscosité ainsi que par son déplacement dans la pompe ou encore sa température.
  • Par exemple, la fréquence de résonance des résonateurs peut être de 200 kHz dans conditions de nominales de fonctionnement. Cependant, la fréquence de résonance peut varier, dans un intervalle spectral prédéterminé, en fonction des conditions de fonctionnement, ces dernières comportant la nature et la composition du fluide, son homogénéité, son éventuelle composition multiphasique, la température, la quantité de fluide à l'intérieur de la cavité, ou la viscosité du fluide. L'intervalle spectral peut varier entre une fréquence de résonance minimale, par exemple 195 kHz, et une fréquence de résonance maximale, par exemple 203 kHz. L'unité de commande est configurée pour appliquer un signal d'excitation en effectuant un balayage spectral dans l'intervalle spectral prédéterminé. Le signal d'excitation est ainsi formé d'une succession d'un nombre entier de périodes sinusoïdales entre la fréquence minimale 195 kHz et la fréquence maximale 203 kHz, selon un incrément fréquentiel prédéterminé. Lorsque plusieurs signaux d'excitation déphasés sont successivement appliqués à différents secteurs angulaires d'une électrode, les signaux d'excitation sont à la même fréquence, ce qui permet une mise en rotation du fluide pompé.
  • Le balayage en fréquence permet d'adresser la fréquence de résonance, quelles que soient les conditions de fonctionnement, sous réserve d'être situées dans les limites prédéterminées. La fréquence d'excitation de la pompe n'est pas continuellement centrée sur la fréquence de résonance optimale, mais atteint la fréquence optimale lors de chaque balayage.
  • Le balayage en fréquence est renouvelé périodiquement. L'intervalle temporel séparant deux balayages en fréquence consécutif peut être ajusté, de façon à permettre un pompage en continu (intervalle temporel nul) ou un pompage cyclique, au cours duquel on prend en compte un rapport cyclique d'excitation, correspondant à la durée du balayage fréquentiel sur la durée de l'intervalle temporel entre deux balayages fréquentiels consécutifs.
  • Selon une possibilité, lorsqu'un transducteur électrique est couplé à plusieurs électrodes segmentées, le potentiel électrique d'excitation de chaque électrode que l'on appelle ici polarisation, varie en forme de créneaux, qui sont successivement adressés aux électrodes, dans un sens de rotation prédéterminé. Si T est la période nécessaire pour adresser l'ensemble des secteurs, chaque secteur est polarisé avec un retard de 2 π N T
    Figure imgb0019
     par rapport à l'électrode précédente et la durée de cette polarisation est au plus égale à 2 π N T
    Figure imgb0020
     . Elle peut être plus courte
  • Pour pouvoir exciter la pompe en restant asservi sur la fréquence optimale d'excitation du dispositif, il est possible d'extraire une information utile d'un secteur, entre deux polarisations de façon à effectuer une analyse du fonctionnement de la pompe. Pour cela, la pompe comporte une unité de contrôle 31, reliée à chaque électrode, et programmée pour effectuer une analyse de signaux de contrôle générés par un secteur entre deux polarisations successives. Le signal de contrôle généré par le secteur peut être considéré comme une image du fonctionnement de la pompe. Cela permet d'obtenir des informations sur la vibration du résonateur, cette dernière pouvant varier en fonction du fonctionnement de la pompe ou d'un niveau du remplissage.
  • Le signal de contrôle généré par le secteur peut être relié à une entrée basse impédance LZ ou une entrée haute impédance HZ de l'unité de contrôle. Une connexion à une entrée basse impédance LZ a pour inconvénient de prélever des charges du transducteur piézoélectrique, ce qui réduit l'efficacité de l'actionnement à l'aide d'une autre électrode. Le recours à une telle connexion basse impédance permet d'effectuer un suivi de la fréquence de résonance de type modèle électrique équivalent « série » , sur la base de charges collectées. Une connexion à une entrée haute impédance HZ préserve l'efficacité de l'actionnement, au détriment d'une complexité accrue de l'analyse. Le recours à une telle connexion haute impédance permet d'effectuer un suivi de la fréquence de résonance de type modèle électrique équivalent « parallèle », sur la base d'une tension mesurée. On peut choisir d'effectuer une analyse du signal de type basse impédance et/ou haute impédance.
  • Sur la figure 4A, on a représenté une électrode 12 agencée en secteurs angulaires 121, 121, 124, 124 d'angle π 2
    Figure imgb0021
    . Sur la figure 4B, on a schématisé une connexion de chaque secteur angulaire durant une période de mesure T. La période de mesure est segmentée en quatre séquences temporelles (axe des abscisses), au cours desquelles chaque secteur est :
    • soit polarisé avec un signal d'actionnement V ;
    • soit raccordé à une entrée basse impédance LZ de l'unité de contrôle ;
    • soit raccordé à une entrée haute impédance HZ de l'unité de contrôle ;
    • soit inutilisé.
  • Sur la figure 4B, on a représenté, du haut vers le bas, les connexions successives, au cours de la période T, de chaque secteur 121, 122, 123 et 124.
  • Le recours à un signal de contrôle permet une observation du fonctionnement de la pompe. Cela permet par exemple de suivre une fréquence de résonance. En effet un échantillonnage de la tension (mesure en haute impédance) ou de la charge électrique (mesure en basse impédance) qui apparait dans un secteur rend compte de l'impédance électrique du secteur. Quelle que soit la mesure, la fréquence de résonance dépend de la température et des conditions de charge fluidique. Le signal de contrôle permet d'estimer une impédance électrique au niveau du secteur angulaire. Cette dernière varie en fonction de la température et des conditions de charge fluidique. Le signal de contrôle permet ainsi d'asservir la fréquence de résonance, en maintenant la tension (mesurée en mode haute impédance) ou la charge électrique mesurée (mesurée en mode basse impédance, oscilloscope) à une certaine valeur de consigne. En outre le fait de réaliser un balayage en fréquence, permet de reconstruire une fonction de transfert de l'actionneur en temps réel à chaque balayage avec identification précise de la fréquence optimale de couplage électro-mécanique correspondant à l'impédance minimale du secteur.
  • Les figures 5A à 7 illustrent différents modes de réalisation d'une pompe fonctionnant selon un mode péristaltique.
  • Sur la figure 5A, on a représenté une pompe, comportant :
    • un premier transducteur piézoélectrique 11 annulaire, s'étendant autour d'un axe central Δ tel que décrit en lien avec la figure 1A.
    • un matériau solide déformable 10, s'étendant, autour de l'axe central Δ, qui, sous l'action du premier transducteur piézoélectrique 11 forme un résonateur. Le résonateur 10 forme un disque autour de l'axe central Δ Il s'amincit vers ce dernier. Ainsi, son épaisseur, définie parallèlement à l'axe central Δ, diminue en fonction de la distance à l'axe central. Le résonateur 10 comporte une portion plane entourant une portion amincie, cette dernière étant centrée autour d'un manchon 3.
    • un deuxième transducteur piézoélectrique 21 annulaire, également relié au résonateur 10, et s'étendant autour d'un axe central Δ symétrique du premier transducteur piézoélectrique.
  • Le rayon R du résonateur, défini autour de l'axe central, peut s'étendre jusqu'à 50 mm. Dans l'exemple représenté, le résonateur présente une portion extérieure d'épaisseur constante, au-delà d'un premier rayon R1, inférieur au rayon R précédemment défini. En deçà du premier R1i, le résonateur présente une portion s'amincissant en direction de l'axe central Δ. Le premier rayon R1 est par exemple égal à 50% du rayon R du résonateur.
  • La pompe comporte un manchon 3, cylindrique, coaxial de l'axe central, formé par un prolongement du premier résonateur. Le diamètre du manchon 3 peut être de l'ordre de 1 mm. Le manchon et le résonateur forment une même pièce, comme décrit en lien avec les figures 1A et 2A. Le pied du manchon est un noeud de vibration tandis qu'il vibre par un mouvement de bascule ou de flexion et que son extrémité est choisie pour définir un ventre de vibration du résonateur 10.
  • Sous l'effet d'une activation cyclique du premier transducteur piézoélectrique 11 et du deuxième transducteur piézoélectrique 21, le manchon peut subir une déformation formant une onde de flexion se déployant le long de l'axe du manchon, selon une fréquence de résonance qui correspond à la fréquence d'activation des première et deuxième électrodes. L'amplitude de la flexion est de préférence supérieure à 1 µm.
  • La pompe comporte un capillaire 8, enroulé fixement autour du manchon 3, et de préférence serré autour de ce dernier sur une portion qui est proche de son extrémité, là où l'amplitude du basculement est forte. Le capillaire comporte de préférence plusieurs spires, plaquées contre la surface externe du manchon.
  • La figure 5B est une vue en coupe du manchon 3, montrant quelques spires du capillaire 8, de préférence jointives, appliquées contre le manchon. Sous l'effet de la flexion du manchon, et de sa propagation le long de l'axe central Δ, chaque spire du capillaire est progressivement déformée, ce qui entraîne une progression du liquide dans le capillaire. On obtient ainsi un pompage, de type péristaltique, sans pièce mobile en rotation. La flexion crée une contrainte mécanique périodique tournante s'appliquant sur les spires, une partie des spires étant périodiquement comprimée tandis que la partie diamétralement opposée étant périodiquement étirée.
  • Ce type de pompe peut être très compact, le diamètre pouvant être inférieur à 10 mm, l'épaisseur maximale du résonateur étant de 0.5 mm. Le résonateur peut être formé de métal ou de plastique. Le capillaire peut être formé de silicone. On peut ne prévoir qu'une seule spire autour du manchon, mais le fonctionnement est plus efficace avec plusieurs spires.
  • Les figures 6A et 6B montrent une autre configuration de pompe péristaltique. La pompe comporte un résonateur 10 tel que décrit en lien avec la figure 5A. Le résonateur est relié à un transducteur piézoélectrique annulaire 11, tel que précédemment décrit. Le résonateur s'étend entre une base 10b et une face support plane 10a. Le capillaire 8 est disposé sur une portion plane de la face support plane. La réduction de l'épaisseur du résonateur est obtenue par un rapprochement de la base vers la face support plane.
  • La figure 6A montre une segmentation de la première électrode 12 en 4 secteurs angulaires, d'angle π 2
    Figure imgb0022
    . De même que dans les modes de réalisation précédents, le transducteur est configuré pour engendrer une déformation du résonateur qui tourne autour de l'axe central, selon une fréquence ultrasonique.
  • La pompe comporte un capillaire 8, plaqué contre la face plane du résonateur, à l'aide d'une bague de serrage 9, au niveau d'un ventre de vibration. Le ventre est tel que la déformation hors plan est à chaque instant positive sur un demi-cercle passant par le maximum du ventre de vibration et négative sur l'autre demi-cercle. Sur la figure 6C, on a représenté la valeur absolue de l'amplitude de la vibration hors plan (axe des ordonnées) par rapport au plan 10a en fonction d'une coordonnée selon un axe radial (axe des abscisses). Un premier noeud de vibration s'étend au niveau d'une zone dans laquelle le transducteur est maintenu contre le résonateur. Un deuxième noeud de vibration est situé au centre du résonateur au niveau de la base du manchon. La hauteur du manchon permet de définir la position radiale du ventre de vibration, entre le premier noeud et le deuxième noeud de vibration.
  • Le capillaire 8 forme au moins une spire autour de l'axe central. Sous l'effet de la déformation tournante du résonateur, le capillaire 8 subit une compression tournante, qui permet d'effectuer un pompage par effet péristaltique. En fonction du sens de rotation de la déformation, le pompage peut être effectué dans deux directions opposées.
  • La figure 7 représente un mode de réalisation basé sur un principe similaire à celui régissant la pompe décrite en lien avec les figures 6A à 6C. Un capillaire 8 est disposé entre un premier résonateur 10, tel que décrit en lien avec les figures 6A et 6C, et un deuxième résonateur 20. Le deuxième résonateur 20 est symétrique du premier résonateur par rapport à un plan médian PM perpendiculaire à l'axe central Δ.
  • Le premier résonateur 10 est couplé à un premier transducteur piézoélectrique 11. Le deuxième résonateur 20 est couplé à un deuxième transducteur piézoélectrique 21. Chaque transducteur piézoélectrique est agencé de façon à engendrer une compression du capillaire 8, tournant autour de l'axe central Δ. Cela entraîne un pompage péristaltique. La direction de pompage dépend du sens de rotation de la déformation.
  • Chaque résonateur peut s'étendre selon un diamètre de 50 mm, et une épaisseur de 3.8 mmn la fréquence de résonance étant de 26.6 kHz. Plus le diamètre est petit, plus la fréquence de résonance est élevée. Pour un diamètre de 25 mm, la fréquence de résonance étant de l'ordre de 50 kHz. Pour un diamètre de 13 mm, la fréquence de résonance étant de l'ordre de 100 kHz. La tension d'excitation qui définit le niveau de compression inertiel du capillaire peut aller de quelques volts à plusieurs centaines de Volts crête-crête.

Claims (15)

  1. Pompe (1), destinée à pomper un fluide entre une admission et une évacuation, comportant :
    - un premier transducteur piézoélectrique annulaire (11), s'étendant autour d'un axe central (Δ), et comportant une première électrode (12) ;
    - un premier résonateur (10), relié au premier transducteur piézoélectrique, et s'étendant autour de l'axe central, le premier résonateur étant formé d'un matériau solide déformable s'amincissant vers l'axe central, le premier résonateur étant configuré pour se déformer sous l'effet d'une polarisation du premier transducteur piézoélectrique ;
    - une unité de commande (30), configurée pour polariser la première électrode selon une tension de polarisation, modulée selon une fréquence de modulation supérieure à 20 KHz ;
    la pompe étant caractérisée en ce que :
    - le premier résonateur délimite une cavité (2), s'étendant autour de l'axe central, et configurée pour recevoir le fluide, la cavité s'étendant, le long de l'axe central, selon une épaisseur ;
    - la pompe comporte un premier manchon (31), relié au premier résonateur, débouchant au centre de la cavité, formant l'admission de la pompe ;
    - la pompe comporte au moins un canal (4), débouchant de la cavité, le canal s'étendant, le long du premier résonateur, autour d'un axe perpendiculaire à l'axe central, le canal formant l'évacuation de la pompe ;
    - de façon que sous l'effet de la polarisation du premier transducteur piézoélectrique, une déformation du résonateur se produit, réduisant localement et transitoirement l'épaisseur de la cavité, la déformation se propageant autour de l'axe central, et entraînant une propulsion d'un fluide, admis dans la cavité, autour de l'axe central, la propulsion induisant un effet d'aspiration au centre de la cavité, face à l'admission.
  2. Pompe selon la revendication 1, dans laquelle le premier transducteur comporte au moins deux portions angulaires distinctes configurées pour se déformer différemment, sous l'effet de la polarisation appliquée à la première électrode, de façon à engendrer une déformation du premier résonateur se propageant autour de l'axe central.
  3. Pompe selon la revendication 2, dans laquelle la première électrode est segmentée en n secteurs angulaires (121, 122), n étant supérieur à 2, l'unité de commande étant configurée pour polariser deux secteurs angulaires de la première électrode respectivement par deux tensions déphasées d'un déphasage inférieur ou égal à 2 π n
    Figure imgb0023
     ou temporellement décalées d'un décalage temporel inférieur ou égal à 2 π n
    Figure imgb0024
    .
  4. Pompe selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, dans laquelle le premier matériau piézoélectrique comporte au moins deux portions différentes (131, 132), dans lesquelles le moment dipolaire électrique est orienté de façon opposée.
  5. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le premier résonateur (10) est disposé face à un support (6), formant un fond de la cavité, la cavité s'étendant entre le premier résonateur et le fond.
  6. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant
    - un deuxième transducteur piézoélectrique annulaire (21), s'étendant autour de l'axe central, et comportant une deuxième électrode (22), reliée à l'unité de commande ;
    - un deuxième résonateur, relié au deuxième transducteur piézoélectrique, et s'étendant autour de l'axe central, le deuxième résonateur étant formé d'un solide déformable, le deuxième résonateur s'amincissant vers l'axe central, le deuxième résonateur étant configuré pour se déformer sous l'effet d'une polarisation du deuxième transducteur piézoélectrique ;
    - le deuxième résonateur s'étend face au premier matériau solide déformable ;
    - la cavité s'étend entre le premier résonateur et le deuxième résonateur.
  7. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle le deuxième transducteur comporte au moins deux portions angulaires distinctes configurées pour se déformer successivement, sous l'effet de la polarisation appliquée à chaque deuxième électrode, de façon à engendrer une déformation du deuxième résonateur, la déformation se propageant autour de l'axe central.
  8. Pompe selon la revendication 8, dans laquelle la deuxième électrode est segmentée en n secteurs angulaires (221, 222), n étant supérieur ou égal à 2, l'unité de commande étant configurée pour polariser deux secteurs angulaires de la deuxième électrode respectivement par deux tensions déphasées de 2 π n
    Figure imgb0025
    .
  9. Pompe selon l'une quelconque des revendications 8 à 9, dans laquelle le deuxième matériau piézoélectrique comporte au moins deux portions différentes (231, 232), dans lesquelles le moment dipolaire électrique est orienté de façon opposée
  10. Pompe selon la revendication 10, dans laquelle :
    - la première électrode est segmentée en secteurs angulaires symétriques, par rapport à un premier axe de symétrie, et activés en opposition de phase ;
    - la deuxième électrode est segmentée en secteurs angulaires symétriques, par rapport à un deuxième axe de symétrie, et activés en opposition de phase ;
    - le premier axe de symétrie est orthogonal au deuxième axe de symétrie.
  11. Pompe selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, comportant un deuxième manchon (32), relié au deuxième résonateur, et débouchant au centre de la cavité.
  12. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle :
    - la première électrode est segmentée en n secteurs angulaires, n étant supérieur ou égal à 2,
    - l'unité de commande est configurée pour adresser un signal de polarisation successivement à chaque secteur angulaire ;
    - la pompe comporte une unité de contrôle, reliée à au moins un secteur angulaire de la première électrode, l'unité de contrôle étant configurée pour détecter un signal de contrôle entre deux signaux de polarisation successifs.
  13. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'épaisseur de la cavité est inférieure à 1 mm.
  14. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle l'unité de commande est configurée pour polariser la première électrode selon un signal de polarisation fréquentiel, en effectuant un balayage en fréquence selon un nombre fini de fréquences discrètes successives.
  15. Pompe selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la surface interne de la cavité comporte au moins un partie hydrophobe.
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