Contribution à la conception et à la réalisation d'une micro-machine thermique à cycle de Stirling

par Alpha Dassimou Diallo

Thèse de doctorat en Sciences pour l'Ingénieur

Soutenue le 11-10-2019

à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; Dijon ; Belfort) , en partenariat avec FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) (laboratoire) , Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies (UMR 6174) / FEMTO-ST (laboratoire) et de Université de Franche-Comté (Etablissement de préparation) .


  • Résumé

    En France, on estime que plus de 27 TWh de chaleur à une température comprise entre 100 et 200°C sont perdus chaque année. La récupération de cette chaleur perdue est donc un enjeu important pour réduire la consommation globale d'énergie. La récupération de la chaleur peut se faire à l'aide de machines de Stirling, qui sont des machines thermodynamiques réversibles convertissant la chaleur en mouvement mécanique - lequel pourrait ensuite être converti en électricité - à partir de deux sources de température suffisamment différentes. La récupération de la chaleur produite par les systèmes électroniques pourrait être faite avec une machine de Stirling miniaturisée capable de produire de l'électricité à partir de n'importe quelle source de chaleur. Une telle micro-machine peut aussi fonctionner en mode "réfrigérateur" (transport de la chaleur d'une source chaude vers une source froide grâce à un travail mécanique) et pourrait être utilisée pour refroidir des composants électroniques. Le rendement énergétique des machines Stirling peut atteindre 38% (avec une source chaude à 200°C) et leur entretien est réputé être minimal. Cependant, aucune machine Stirling n'a encore été démontrée avec un volume inférieur à un centimètre cube. En 2015, une architecture de micromachine Stirling triphasée pouvant être miniaturisée grâce aux technologies MEMS a été proposée et testée avec succès en macro-volume (avec une taille d'une vingtaine de centimètres). Le présent travail de thèse a été consacré à la miniaturisation de ce nouveau concept de micromachine Stirling pour la récupération de chaleur entre 50 et 200°C, en utilisant les technologies MEMS. Cette approche permettrait la production simultanée de grandes quantités de micro-machines et donc la création éventuelle de réseaux de micromachines à faible coût par watt d'électricité produite. Les micromachines sont constituées d'un empilement de tranches de silicium et de verre. Leurs défis de conception ont été étudiés en détail et leur puissance mécanique de sortie attendue a été estimée. Les procédés de fabrication nécessaires ont été développés et la caractérisation de chaque élément a été effectuée avant l'assemblage. Elles comportent notamment des membranes hybrides de 5 mm de diamètre et de 200 microns d'épaisseur qui jouent le rôle des pistons en micro-volumes et sont des éléments clés de la micro-machine. Ces membranes sont constituées de pièces en silicium (spirales et disques) noyées dans une membrane souple en élastomère de silicone dont les propriétés mécaniques ont donc été étudiées en détail. Des simulations numériques du comportement mécanique et dynamique de ces membranes hybrides ont été présentées. L'accord entre les simulations numériques et les caractérisations a été considéré comme très satisfaisant. Ces membranes se sont révélées très robustes et le déplacement de leur centre peut atteindre 1 à 2 mm sans dommage. Leurs fréquences de résonance vont de 850 Hz à 2800 Hz et il a été montré qu'elles peuvent fonctionner à 200°C sans vieillissement. De plus, l'optimisation d'un procédé d'assemblage par thermocompression d'or (Au) a permis d’obtenir des contraintes de rupture en traction d'environ 20 à 30 MPa, parmi les meilleures rapportées dans la littérature. Des prototypes de micromachines triphasées de 20x20x8mm ont été assemblés, mais leur fonctionnement en mode moteur n'a pas pu être observé, même pour une différence de température de 100 °C. Cependant, en insérant des aimants pour provoquer le déplacement des membranes par excitation électromagnétique, il a été possible d'observer un effet de refroidissement encourageant. Grâce aux travaux réalisés, les principaux éléments de base sont maintenant disponibles et devraient permettre des optimisations ultérieures dans des conditions beaucoup plus favorables.

  • Titre traduit

    Contribution to the design and fabrication of a Stirling cycle thermal micromachine with stirling cycle


  • Résumé

    In France, it is estimated that more than 27 TWh of heat at a temperature between 100 and 200°C is lost each year. The recovery of this lost heat is therefore an important issue in reducing overall energy consumption. Heat recovery can be done using Stirling machines, which are reversible thermodynamic machines that convert heat into mechanical motion, which could then be converted into electricity from two sufficiently different temperature sources. The recovery of the heat produced by electronic systems could be done with a miniaturized Stirling machine capable of producing electricity from any heat source. Such a micro-machine can also operate in "refrigerator" mode (transporting heat from a hot source to a cold source through mechanical work) and could be used to cool electronic components. The energy efficiency of Stirling machines can reach 38% (with a hot source at 200°C) and their maintenance is considered minimal. However, no Stirling machine has yet been demonstrated with a volume of less than one cubic centimeter. In 2015, a three-phase Stirling micromachine architecture that can be miniaturized using MEMS technologies has been proposed and successfully tested in macro-volume (with a size of about twenty centimeters). The present thesis work was devoted to the miniaturization of this new Stirling micromachine concept for heat recovery between 50 and 200°C, using MEMS technologies. This approach would allow the simultaneous fabrication of large quantities of micro-machines and thus the possible creation of micromachine networks at low cost per watt of electricity produced. The studied micromachines are made up of a stack of silicon and glass wafers. Their design challenges have been studied in detail and their expected mechanical output power has been estimated. The necessary manufacturing processes were developed and the characterization of each element was carried out prior to assembly. In particular, they include hybrid membranes 5 mm in diameter and 200 microns thick that act as micro-volume pistons and are key elements of the machine. These membranes are made up of silicon parts (spirals and discs) embedded in a flexible silicone elastomer membrane whose mechanical properties have therefore been studied in detail. Numerical simulations of the mechanical and dynamic behavior of these hybrid membranes were presented. The agreement between the numerical simulations and the characterizations was considered to be very satisfactory. These membranes proved to be very robust and the displacement of their center can reach 1 to 2 mm without damage. Their resonance frequencies range from 850 Hz to 2800 Hz and it was shown that they can operate at 200°C without aging. In addition, the optimization of a gold thermocompression assembly process has resulted in tensile breaking stresses of about 20-30 MPa, among the best reported in the literature. Prototype of 20x20x8mm three-phase micromachines were assembled, but their operation in motor mode could not be observed, even for a temperature difference of 100°C. However, when magnets were inserted to induce the displacement of the membranes by electromagnetic excitation, it was possible to observe an encouraging cooling effect. As a result of the work carried out, the main basic elements are now available and should allow further optimization under much more favorable conditions.


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