Comment les pompes à membrane peuvent fonctionner pour les appareils sensibles

19 mars 2020 Par Nancy Crotti

Les pompes à membrane fonctionnent comme des pompes à vélo, avec un cycle d'admission et un cycle de sortie par révolution du moteur d'entraînement, ce qui produit un flux pulsatile inhérent. Dynaflo en a développé un pour l'armée américaine qui élimine pratiquement cet effet.

Lorenzo Maine, Dynaflo

(Image de Dynaflo)

Les pompes à membrane offrent un certain nombre de caractéristiques qui pourraient être utiles aux concepteurs de produits nécessitant le mouvement de gaz et de fluides : elles sont relativement peu coûteuses ; capable de niveaux de débit, de pression et de vide adaptés aux applications mobiles ou fixes ; et ils sont configurables, efficaces et durables, sans joints coulissants.

Ces pompes sont utilisées dans la ventilation et pourraient fonctionner dans d'autres applications de compresseur qui nécessitent une entrée non pulsée. L'un de leurs plus grands avantages est que le chemin du fluide est complètement isolé de l'environnement, ce qui les rend idéaux pour la manipulation de gaz et de fluides sensibles. Les plus petites mesurent environ 30 mm (1 ") de long et tiennent dans la paume de votre main, ne pesant qu'une douzaine de grammes (moins d'une demi-once) pour déplacer ou échantillonner de petites quantités d'air ou de gaz. Les pompes à membrane industrielles à usage intensif peuvent peser des centaines de livres pour les applications de processus impliquant des produits chimiques, des fluides et des gaz.

Leur fonctionnement est assez simple : un moteur électrique à vitesse variable convertit le mouvement de rotation en mouvement linéaire (de pompage) en entraînant une bielle à partir d'un emplacement décentré, un peu comme un vilebrequin automobile et la bielle en un piston. Le déplacement résultant de l'extrémité libre de la bielle est utilisé pour pousser et tirer sur un diaphragme en élastomère, un peu comme pousser et tirer sur une paroi flexible d'une boîte autrement rigide.

Cette boîte est communément appelée la "tête" de la pompe. Le mouvement du diaphragme provoque un changement volumétrique dans la tête et crée ainsi alternativement un vide (lorsque le diaphragme est tiré vers l'extérieur) et une pression lorsqu'il est poussé vers l'intérieur. Une soupape d'admission assure que pendant la course vers l'extérieur du diaphragme, le gaz ou le fluide pénètre dans la tête. Lors de la course vers l'intérieur, le gaz ou le fluide sort de la soupape d'échappement. Ainsi, ces pompes peuvent être utilisées pour créer du vide ou de la pression, selon la façon dont elles sont raccordées. Ils sont également intrinsèquement auto-amorçants.

Les pompes à membrane ont une vaste gamme d'utilisations, des cafetières aux aspirateurs médicaux en passant par les systèmes d'échantillonnage d'air et les instruments de mesure de la pression artérielle. Mais ils ont aussi des inconvénients :

Pour la plupart des applications, la nature pulsatile du flux n'est pas un problème, mais c'est le cas dans les ventilateurs médicaux, qui aident les patients qui peuvent ne pas être en mesure de respirer par eux-mêmes. Dynaflo s'est vu confier le défi de concevoir un compresseur pour ventilateur avec les avantages des pompes à membrane mais sans pulsation, et avec la capacité de fonctionner sur une large plage de débit de sortie pour convenir à un large éventail de patients ventilés.

La solution était une pompe à membrane multi-têtes avec 12 pompes à orientation radiale entraînées par un excentrique central commun. Cette approche amène chaque pompe à effectuer son cycle habituel une fois par rotation, comme dans les pompes à tête unique. Cependant, avec 12 têtes connectées en série, chacune des 12 pompes est à seulement 30 degrés de sa voisine à tout moment, créant ainsi un effet de moyenne de 12 points sur le débit de sortie. La conception symétrique et équilibrée élimine pratiquement les vibrations et présente une charge de couple relativement constante sur le moteur.

Les 12 têtes radiales de la pompe ont été optimisées pour le débit de sortie et la pression requis : 140 l/min (4,9 cfm) et 140 mbar (~2 psi), respectivement. Cette conception radiale et symétrique a efficacement résolu les problèmes de pulsation et de vibration et a facilité la mise en œuvre du moteur : un moteur à courant continu sans balais à profil bas et à longue durée de vie pouvant fonctionner sur une large plage de vitesses. La charge symétrique du moteur lui permet également de fonctionner plus efficacement qu'il ne le ferait contre la charge inégale d'une conception à une ou deux têtes.

Le débit et la pression de sortie non pulsés de la pompe facilitent également le contrôle en boucle fermée, dans lequel un capteur de débit ou de pression en aval peut être utilisé comme entrée d'un circuit de contrôle pour contrôler soigneusement la façon dont le patient est ventilé. Ceci, ajouté à son poids léger (1,5 lb/0,7 kg), le rend idéal pour les applications mobiles dans lesquelles les appareils alimentés par batterie doivent durer le plus longtemps possible, en particulier dans les appareils médicaux de terrain tels que les ventilateurs.

L'efficacité de fonctionnement est essentielle pour les applications alimentées par batterie. Dans les pompes à membrane, cela signifie concentrer la puissance du moteur d'entraînement électrique sur la création d'autant de pression ou de vide que possible, au lieu de surmonter les obstacles mécaniques tels que le frottement, l'accélération des masses ou l'étirement du diaphragme. Une attention particulière portée au profil de la membrane permet également d'obtenir un rendement élevé : au lieu d'une pièce plate en élastomère qui devrait être étirée à chaque cycle, les membranes sont conçues pour fléchir en roulant au lieu de s'étirer. Cela réduit considérablement le travail requis par le moteur et prolonge la durée de vie du diaphragme.

Des milliers de ces compresseurs sont aujourd'hui déployés dans des systèmes de ventilation mobiles pour l'armée américaine, et ils peuvent avoir d'autres applications dans des dispositifs médicaux sensibles.

Lorenzo Majno est vice-président de Dynaflo (Reading, Pennsylvanie). Il a récemment rejoint la société après 39 ans dans le secteur de l'instrumentation de laboratoire chez Instron. Il est titulaire d'un diplôme en génie mécanique et en science des matériaux de l'Université Brown.

Les opinions exprimées dans ce billet de blog sont celles de l'auteur uniquement et ne reflètent pas nécessairement celles de Medical Design and Outsourcing ou de ses employés.