FR2947873A1

FR2947873A1 - Pump e.g. micro pump, assembly for pumping e.g. insulin, has rotary motor for driving drive wheel of toothed rack in rotation, and reducer for transmitting rotational movement of output shaft of motor to drive wheel of toothed rack

Info

Publication number: FR2947873A1
Application number: FR0954808A
Authority: FR
Inventors: Henri Lescher
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2011-01-14
Anticipated expiration: 2029-07-10
Also published as: FR2947873B1

Abstract

The assembly has a cylinder (12) i.e. flexible hollow capillary cylinder, supplied with liquid. A flexible piston (14) i.e. wire-piston, is mounted slidingly and axially in the cylinder in a sealed manner. A toothed rack (18) controls displacements of the piston in the cylinder. A drive wheel (26) drives the toothed rack. A rotary motor (22) i.e. electric stepper motor, drives the drive wheel of the toothed rack in rotation. A reducer (24) transmits rotational movement of an output shaft of the motor to the drive wheel of the toothed rack. A control unit controls the motor. The cylinder is made of a plastic or synthetic material.

Description

i "Ensemble de Micro Pompe" i "Micro Pump Set"

La présente invention concerne un ensemble de pompe. The present invention relates to a pump assembly.

DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION

Elle concerne notamment une pompe pour l'injection ou l'aspiration d'un très petit volume de liquide. Cette quantité peut notamment être de l'ordre de un millionième ou un milliardième de io millimètre cube (10-9 mm). Une telle pompe est alors appelée une micro-pompe ou une nano-pompe. Par exemple, une pompe selon l'invention peut être utilisée dans le domaine médical. Pour l'administration de produits à usage médical, tels que des médicaments ou autres traitements, il 15 peut être nécessaire de fournir, de manière répétitive ou non, une très faible dose d'un liquide, et ceci pendant une période de temps très longue. C'est notamment le cas pour des traitements de chimiothérapie localisée ou pour l'injection régulière et régulée 20 d'insuline. Un micro-volume ou un nano-volume est administré selon une cadence déterminée. It relates in particular to a pump for injecting or aspirating a very small volume of liquid. This amount may in particular be of the order of one millionth or one billionth of a cubic millimeter (10-9 mm). Such a pump is then called a micro-pump or a nano-pump. For example, a pump according to the invention can be used in the medical field. For the administration of medicinal products, such as drugs or other treatments, it may be necessary to provide, in a repetitive or non-repetitive manner, a very low dose of a liquid for a very long period of time. . This is particularly the case for localized chemotherapy treatments or for regular and controlled injection of insulin. A micro-volume or nano-volume is administered at a fixed rate.

RÉSUMÉ DE L'INVENTION SUMMARY OF THE INVENTION

25 L'ensemble de pompe selon l'invention pour pomper un liquide est caractérisé en ce qu'il comporte au moins : - un cylindre alimenté en liquide ; - un piston monté coulissant axialement de manière étanche dans le cylindre ; 30 - une crémaillère de commande des déplacements du piston dans le cylindre qui est liée en translation axiale avec le piston ; - une roue d'entraînement de la crémaillère ; 30 2 - un moteur rotatif pour l'entraînement en rotation de la roue d'entraînement de la crémaillère ; - un réducteur pour transmettre le mouvement de rotation de l'arbre de sortie du moteur à la roue d'entraînement de la crémaillère. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le moteur d'entraînement est un moteur électrique pas à pas ; - l'ensemble comporte une unité de commande du moteur io pas à pas ; - le moteur pas à pas peut tourner à un régime de l'ordre de un degré d'angle par seconde ; - le réducteur est du type à roues et pignons comportant au moins un pignon d'entrée qui est lié en rotation à l'arbre de sortie 15 du moteur, et comportant au moins une roue de sortie liée en rotation à la roue d'entraînement de la crémaillère ; - le cylindre est un cylindre capillaire dont le diamètre intérieur est inférieur ou égal à un demi millimètre ; - le cylindre et le piston sont souples ; 20 - le débit est de l'ordre de un nano millimètre cube . - l'ensemble comporte au moins deux ensembles cylindrepiston-crémaillère et au moins deux réducteurs associés, et les deux pignons d'entrée respectifs des deux réducteurs sont liés en rotation à l'arbre de sortie d'un moteur commun ; 25 - les deux crémaillères sont entraînées simultanément dans le même sens ou dans des sens opposés, et à la même vitesse ou à des vitesses différentes. The pump assembly according to the invention for pumping a liquid is characterized in that it comprises at least: a cylinder supplied with liquid; a piston mounted sliding axially in a sealed manner in the cylinder; A rack for controlling the movements of the piston in the cylinder which is connected in axial translation with the piston; - a drive wheel of the rack; 2 - a rotary motor for driving the rotation of the rack drive wheel; - A gearbox for transmitting the rotational movement of the output shaft of the motor to the drive wheel of the rack. According to other characteristics of the invention: the drive motor is an electric stepper motor; the assembly comprises a motor control unit 10 step-by-step; - The stepper motor can rotate at a rate of about one degree of angle per second; - The gearbox is of the wheel and gear type having at least one input gear which is rotatably connected to the output shaft 15 of the engine, and having at least one output wheel rotatably connected to the drive wheel. the rack; the cylinder is a capillary cylinder whose inside diameter is less than or equal to half a millimeter; the cylinder and the piston are flexible; The flow rate is of the order of one cubic nano millimeter. the assembly comprises at least two piston-and-rack assemblies and at least two associated reducers, and the two respective input gears of the two reducers are connected in rotation to the output shaft of a common motor; The two racks are driven simultaneously in the same direction or in opposite directions, and at the same speed or at different speeds.

BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre 3 pour la compréhension de laquelle on se reportera au dessin annexé dans lequel : - la figure 1 représente de manière schématique, à titre non limitatif, un exemple de réalisation d'un ensemble de pompe qui est illustré en vue latérale ; et - la figure 2 est une représentation détaillée d'un ensemble moto-réducteur pour l'entraînement simultané de deux crémaillères d'un ensemble de pompe selon l'invention à deux pompes. io On a représenté à la figure 1 une pompe 10, proprement dite, comportant un cylindre 12 et un piston 14. Le cylindre 12 est par exemple un tube creux souple en matière plastique, ou en tout autre matériau synthétique. Le tube est du type capillaire avec un diamètre interne de très petite 15 dimension. Le piston 14 est par exemple un fil plein souple en matière plastique ou en tout autre matériau synthétique. Le diamètre externe du fil-piston 14 est complémentaire du diamètre interne du cylindre 12 pour constituer une pompe 10 du 20 type pompe-seringue. Le piston coulisse de manière étanche, dans les deux sens, pour provoquer le déplacement d'une quantité de liquide contenue dans le cylindre 12. L'extrémité libre, à gauche en considérant la figure, du cylindre 12 est ouverte et, selon des moyens de conception 25 générale connue et non représentés, le cylindre peut être relié à un réservoir de liquide à refouler ou à aspirer, par exemple à la manière d'un ensemble de mâitre-cylindre de freinage. Une extrémité libre 16 du piston 14 est reçue dans le cylindre 12. A droite, son autre extrémité opposée est solidaire en 30 translation axiale avec une tige d'entraînement dans les deux sens qui est une crémaillère 18 de commande des déplacements du piston 14 dans le cylindre 12.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other characteristics and advantages of the invention will appear on reading the detailed description which follows 3 for the understanding of which reference will be made to the appended drawing in which: FIG. 1 is a schematic representation of FIG. nonlimiting title, an exemplary embodiment of a pump assembly which is illustrated in side view; and FIG. 2 is a detailed representation of a geared motor assembly for simultaneously driving two racks of a pump assembly according to the invention with two pumps. FIG. 1 shows a pump 10, itself, comprising a cylinder 12 and a piston 14. The cylinder 12 is, for example, a flexible hollow tube made of plastic material, or of any other synthetic material. The tube is of the capillary type with a very small internal diameter. The piston 14 is for example a flexible solid wire made of plastic or any other synthetic material. The outer diameter of the piston wire 14 is complementary to the inner diameter of the cylinder 12 to form a pump 10 of the pump-syringe type. The piston slides in a sealed manner, in both directions, to cause the displacement of a quantity of liquid contained in the cylinder 12. The free end, on the left considering the figure, of the cylinder 12 is open and, according to means of general design known and not shown, the cylinder can be connected to a liquid tank to be discharged or sucked, for example in the manner of a brake master cylinder assembly. A free end 16 of the piston 14 is received in the cylinder 12. To the right, its other opposite end is integral in axial translation with a drive rod in both directions which is a rack 18 for controlling the displacements of the piston 14 in the cylinder 12.

4 Pour la commande des déplacements axiaux dans les deux sens de la crémaillère 18 (et donc du piston 14), l'ensemble de pompe selon l'invention comporte un sous ensemble moto-réducteur 20 comportant un moteur rotatif d'entraînement 22 et un réducteur 24 pour transmettre le mouvement de rotation de l'arbre de sortie du moteur à la crémaillère 18. A titre d'exemple, le moteur 22 est un moteur électrique pas à pas qui est associé à une unité de commande (non représentée) et à des moyens d'alimentation en énergie io électrique, tels que par exemple une batterie d'alimentation en courant continu. L'unité de commande peut ainsi provoquer la rotation au coup par coup de l'arbre de sortie du moteur 22 selon un pas égal à un degré d'angle et selon une cadence de un coup (un pas) par 15 seconde. Le réducteur 24 permet de démultiplier la course angulaire de l'arbre de sortie du moteur 22 pour entraîner en rotation une roue 26 d'entraînement de la crémaillère 18. En démultipliant la transmission du mouvement de rotation 20 par le réducteur comportant un ou plusieurs étages, on peut obtenir des débits dix, cent ou mille fois plus faibles avec par exemple un, deux ou trois étages de démultiplication par dix. On obtient ainsi aisément des débits de l'ordre de un millionième ou de un milliardième de mm3 par pas du moteur, soit 25 10-9 mm3 par seconde. Par exemple, si l'arbre de sortie tourne au pas de un degré d'angle par seconde, après deux étages de démultiplication, chacun dans un rapport égal à dix, on obtient une rotation de 3,6 degrés d'angle en 360 secondes, etc.4 For the control of the axial displacements in both directions of the rack 18 (and therefore of the piston 14), the pump assembly according to the invention comprises a geared motor sub-unit 20 comprising a rotary drive motor 22 and a gearbox 24 for transmitting the rotational movement of the output shaft of the motor to the rack 18. For example, the motor 22 is an electric stepper motor which is associated with a control unit (not shown) and to electrical power supply means, such as for example a DC power supply battery. The control unit can thus cause the rotational rotation of the motor output shaft 22 at a pitch equal to a degree of angle and at a rate of one stroke (one step) per second. The gearbox 24 makes it possible to reduce the angular travel of the output shaft of the motor 22 in order to drive a wheel 26 for driving the rack 18 by multiplying the transmission of the rotational movement 20 by the gearbox having one or more stages. it is possible to obtain flow rates ten, one hundred or one thousand times lower with, for example, one, two or three stages of reduction by ten. Flow rates of the order of one millionth or one billionth of a mm3 are thus easily obtained at engine speeds of 10-9 mm3 per second. For example, if the output shaft rotates at a degree of angle per second, after two stages of reduction, each in a ratio equal to ten, a rotation of 3.6 degrees of angle in 360 seconds is obtained. etc.

30 Si la roue de sortie 26 qui entraîne la crémaillère a un diamètre d'environ 25 millimètres, son périmètre ou développé est égal à environ 78,5 millimètres pour un tour soit pour 360 degrés d'angle, c'est-à-dire encore 0,785 millimètre pour 3,6 degrés d'angle. Une rotation de 3,6 degrés d'angle en 360 secondes de la roue 26 correspond ainsi à environ 0,0022 millimètre (22.10-4 mm) 5 de déplacement de la crémaillère par seconde. Si le diamètre externe du piston est par exemple égal à 0,3 millimètre, sa section est égale à 0,07065 mm2 et le volume alors déplacé par seconde est égal à environ 0,07065 mm2 x 0,0021 mm, soit 0,0015 mm3 (15.10-4 mm3) par seconde. io Trois étages supplémentaires de réduction dans un rapport à chaque fois de dix (0,0036 degré d'angle en 360 secondes), permettent d'obtenir un débit de 0,00000015 mm3 par seconde, etc. D'autres paramètres de réglage des volumes et des débits 15 sont possibles, tels que par exemple le diamètre du piston 14. La cadence de rotation du moteur peut aussi varier, par exemple entre 0,2 et 2 coups par seconde. On a représenté schématiquement à la figure 2 un ensemble moto-réducteur 20 à deux étages consécutifs de 20 démultiplication. De plus, l'ensemble est double pour l'entraînement simultané de deux crémaillères et donc de deux pompes (non représentées à la figure 2). Le moteur électrique 22 comporte un arbre de sortie 28 qui 25 est lié en rotation avec un pignon de sortie 30 qui tourne donc au même régime que celui de l'arbre28. Le pignon 30 comporte par exemple dix dents et il attaque une première roue 32 de démultiplication qui comporte par exemple cent dents et qui est montée à rotation autour d'un axe 30 34 parallèle à l'axe de rotation 36 de l'arbre de sortie 28 du moteur 22 et du pignon 28. La roue 32 est liée en rotation à un pignon intermédiaire 38 qui comporte par exemple dix dents. Le pignon intermédiaire 38 6 entraîne en rotation la roue dentée de sortie 26 du réducteur 24, qui est aussi la roue d'entraînement de la crémaillère associée 18. La roue 26 comporte par exemple cent dents et les deux étages (30-32 et 38-26) réalisent ainsi une démultiplication de cent. A gauche de la figure 2, l'ensemble réducteur est "doublé" pour l'entraînement simultané d'une deuxième crémaillère 18' au moyen du moteur commun 22. A cet effet, l'arbre 28 est lié en rotation à un deuxième io pignon de sortie 30' qui coopère avec une deuxième roue 32'. La roue 32' est liée en rotation avec un deuxième pignon intermédiaire 38' qui coopère avec une deuxième roue de sortie 26' qui entraîne une deuxième crémaillère 18'. A titre d'exemple, et si les rapports de démultiplication sont 15 les mêmes, les deux crémaillères 18 et 18', et donc les deux pompes (non représentées), sont entraînées simultanément à la même vitesse. Ceci peut permettre deux injections simultanées, mais aussi une injection et une aspiration simultanée pour prélever en 20 un point d'un patient par exemple la même quantité de liquide que celle qui est injectée simultanément en un autre point d'un patient. Les connaissances générales dans le domaine des réducteurs permettent de nombreuses variantes dans le cadre de 25 l'invention, et notamment quant aux rapports de démultiplication et/ou aux sens de déplacement des crémaillères. Les crémaillères peuvent aussi être entraînées simultanément dans des sens opposés (c'est à dire une pour aspirer et l'autre pour refouler), soit en les montant de manière 30 opposée, soit au moyen d'une roue supplémentaire d'inversion. Bien entendu, lorsque le moteur tourne en sens inverse, le travail d'une pompe entraînée est lui aussi inversé.If the output wheel 26 which drives the rack has a diameter of about 25 millimeters, its perimeter or developed is equal to about 78.5 millimeters for one turn, ie 360 degrees of angle, i.e. another 0.785 millimeters for 3.6 degrees of angle. A 360 degree 360 degree rotation of the wheel 26 thus corresponds to about 0.0022 millimeters (22.10-4 mm) of rack movement per second. If the external diameter of the piston is for example equal to 0.3 millimeters, its cross section is equal to 0.07065 mm 2 and the volume then displaced per second is equal to approximately 0.07065 mm 2 x 0.0021 mm, ie 0.0015 mm3 (15.10-4 mm3) per second. Three additional stages of reduction in a ratio each time of ten (0.0036 degrees of angle in 360 seconds), allow to obtain a flow rate of 0.00000015 mm3 per second, etc. Other parameters for adjusting the volumes and flow rates are possible, such as, for example, the diameter of the piston 14. The rate of rotation of the motor may also vary, for example between 0.2 and 2 pulses per second. FIG. 2 shows diagrammatically a motor-reduction unit 20 with two consecutive stages of reduction. In addition, the assembly is double for the simultaneous drive of two racks and therefore two pumps (not shown in Figure 2). The electric motor 22 has an output shaft 28 which is rotatably connected to an output pinion 30 which therefore rotates at the same speed as that of the shaft 28. The pinion 30 comprises, for example, ten teeth and it attacks a first gear wheel 32 which has for example one hundred teeth and which is rotatably mounted about an axis 34 parallel to the axis of rotation 36 of the output shaft. 28 of the motor 22 and the pinion 28. The wheel 32 is rotatably connected to an intermediate gear 38 which comprises for example ten teeth. The intermediate gear 38 6 rotates the output gearwheel 26 of the gearbox 24, which is also the drive wheel of the associated rack 18. The wheel 26 has for example one hundred teeth and the two stages (30-32 and 38). -26) achieve a reduction of one hundred. On the left of FIG. 2, the reduction unit is "doubled" for the simultaneous driving of a second rack 18 'by means of the common motor 22. For this purpose, the shaft 28 is linked in rotation to a second one. output gear 30 'which cooperates with a second wheel 32'. The wheel 32 'is connected in rotation with a second intermediate gear 38' which cooperates with a second output wheel 26 'which drives a second rack 18'. By way of example, and if the gear ratios are the same, the two gear racks 18 and 18 ', and thus the two pumps (not shown), are driven simultaneously at the same speed. This may allow two simultaneous injections, but also simultaneous injection and aspiration to collect at one point of a patient for example the same amount of liquid as that which is injected simultaneously at another point of a patient. The general knowledge in the field of gearboxes allows numerous variants within the scope of the invention, and in particular with regard to the gear ratios and / or the directions of movement of the racks. The racks can also be driven simultaneously in opposite directions (ie, one for sucking and the other for pushing back), either by mounting them in opposite directions or by means of an additional reversing wheel. Of course, when the motor rotates in the opposite direction, the work of a driven pump is also reversed.

7 Deux crémaillères peuvent encore être entraînées simultanément à des vitesses différentes en fonction du nombre de dents des roues respectives d'entraînement. Les pignons et roues peuvent être dentées ou coopérer par 5 frottement sans jeu. Un pignon peut coopérer avec la périphérie externe convexe dentée d'une roue (tel que représenté), ou en variante coopérer avec la périphérie interne concave dentée d'une roue. Tous les composants peuvent être de très petites io dimensions pour réaliser un ensemble compact et peu encombrant. L'épaisseur axiale des pignons et roues est par exemple de l'ordre de cinq à huit dixièmes de millimètre (0,5 à 0,8 mm). On peut ainsi réaliser un ensemble moto-réducteur complet de 40 à 15 50 millimètres de diamètre extérieur et d'une épaisseur axiale de l'ordre de 4 à 5 millimètres. Un tel ensemble peut être implanté dans le patient pour des traitements de longue durée. Two racks can still be driven simultaneously at different speeds depending on the number of teeth of the respective drive wheels. The pinions and wheels may be toothed or cooperate by friction without play. A pinion may cooperate with the convex outer periphery toothed of a wheel (as shown), or alternatively cooperate with the inner concave periphery toothed wheel. All components can be very small in size to achieve a compact and space-saving package. The axial thickness of the pinions and wheels is for example of the order of five to eight tenths of a millimeter (0.5 to 0.8 mm). It is thus possible to produce a complete motor-reduction unit 40 to 50 millimeters in external diameter and with an axial thickness of the order of 4 to 5 millimeters. Such an assembly can be implanted in the patient for long-term treatments.

Claims

REVENDICATIONS1. Pump assembly for pumping a liquid comprising at least: - a cylinder (12) supplied with liquid; a piston (14) axially slidably mounted in a sealed manner in the cylinder (12); - A rack (18) for controlling the displacements of the piston (14) in the cylinder (12) which is linked in axial translation with the piston (14); a wheel (26) for driving the rack (18); - a rotary motor (22) for driving in rotation the drive wheel (26) of the rack (18); - A gear (24) for transmitting the rotational movement of the output shaft (28) of the motor (22) to the wheel (26) 15 of the rack (18).

Pump assembly according to claim 1, characterized in that the drive motor (22) is an electric stepper motor.

3. Pump assembly according to claim 2, characterized in that it comprises a control unit of the motor (22) step by step.

4. Pump assembly according to one of claims 2 or 3, characterized in that the motor (22) step can rotate at a rate of the order of one degree of angle per second. 25

Pump assembly according to one of the preceding claims, characterized in that the gear unit (24) is of the wheel and pinion type having at least one input pinion (30) which is rotatably connected to the shaft output shaft (28) of the motor (22) and at least one output wheel (32) rotatably connected to the drive gear (26) for driving the rack (18).

6. Pump assembly according to any one of the preceding claims, characterized in that the cylinder9 (12) is a capillary cylinder whose inner diameter is less than or equal to half a millimeter (0.5 mm).

7. Pump assembly according to any one of the preceding claims, characterized in that the cylinder (12) and the piston (14) are flexible.

8. An assembly according to any one of the preceding claims, characterized in that its flow is of the order of one cubic nano millimeter (10-9 mm3).

9. Pump assembly according to claim 2, characterized in that it comprises at least two cylinder-piston-rack assemblies and at least two associated reducers, and in that the two respective input gears (30, 30 ') ) of the two reducers are rotatably connected to the output shaft (28) of a common motor (22). 15

10. Pump assembly according to claim 9, characterized in that the two racks are driven simultaneously in the same direction or in opposite directions and at the same speed or at different speeds.