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UNIVERSITÉ DESHERBR OOKE
Facultéde génieDépartementde géniemécaniqueFabricationet caractérisation demicro
moteurs Stirlingà pistonslibres, pour la récupérationd"énergiethermique àbasse températureMémoire demaitrise
Spécialité: géniemécanique
Tigran AVETISSIAN
Sherbrooke(Québec) Canada
Novembre2018
MEMBRES DUJURY
Luc FRÉCHETTEDirecteur
FabienF ORMOSAÉvaluateur
Mathieu PICARDÉvaluateur
RÉSUMÉ
Ce mémoireexp oseletrav ailréalisé danslecadredela miseen oeuvredemicromoteurs à pistonslibres fonctionnant selonlecyclede Stirling,p ourla valorisation d"énergiether- mique àbasse température (T »200C). Cemoteur prendune formeplanaire, s"inséran t entreune sourceet unpuits dec haleur,p ourfonctionner pa rladifférencede température. Baptisé MISTIC(MicroSTIrling Cluster),cette technologie présente desavan tages,tant en termede densitéde puissancequ"en champs d"applications(capables de rivaliserav ec les systèmesactuellemen tdisponiblesdans lecommerce).Lestra vaux iciprésen tsvisen t à prouverlafaisabilité expérimen taled"un micromoteurimplémentantle cyclede Stir- ling avecunenouvell earc hitecturejamaisexploitéeaupara vant.Son dim ensionnemen tse base surune modélis ationmultiphysiqueréaliséeena vant-projet.Plusieursannées d"étude ontaussi étépréalablemen tmenées afind"optimisercertaines composan tesessen tiellesau fonctionnementdu moteur.Les conclusionson taidé àdresser lesrequisnousdonnan tles meilleurs outilsafin deréa liser unmoteurfonctionneldanscemémoire. Ilen adécoulé le choixdesmatériaux, lesconfigu rations pour chaquecomposant,ainsi queledévelopp e- mentde leurspro cessusde fabrication.Nou sa vons égalementmisenoeuvreunpro cédé d"assemblagevisan tàrépondre auxfortes exigencesdeprécisionimp oséesp arl"éc helledu micromoteur, touten nousp ermettan tdelecaractériser. La dynamiquein ternedumoteurrep osesur lav ibrationde troismasses, confinéesen tre deux membranespolymér iques.Selonlesmodèlesthéoriques,etcertai nescaractérisations préliminaires, ceta ssemblageprésentelescomportemen tsdynamiquesrequisau bon fonc- tionnementd"un modèle demicromoteurMISTIC. Cependan t,lesdéfisd eréalisation sont conséquentset doncnous av onsc hoisidedévelopperun actionneurexternepour "forcerle démarragedu moteur".Ce dernieraura lap ossibilitéd"être pilotéen tant querécupé-
rateur dutra vailmécaniquegénéréparle MISTICsi celui-civien tà produire uneénergie exploitable. Nous sommesdonc parven usàconstruiredeuxprototypes demicromoteurs MISTICen tenantcompte desrequis pré-établis.La conformitédes caractéristiquesmécaniques et structurelles dumoteur esttestée encomparaison av ecles donnéesthéoriques afindevali-der lespro cédésdefabricationet d"assemblage. Lespremiers essaiso ntrévélé desfacteurs
de qualitésup érieursà50p ourles assemblages masse-membraneetune résistanceconsé- quentedes membranes àlafatigue,tous deuxrép ondant auxrequis defonctionnemen t. Parla suite,les testsde démarragedu moteurcomplet ont aidéà quantifier exp érimenta- lementles pertes dechargein terneset ontmontré unebonnesymétrie defonctionnemen t entreles troiscylindres. Aussi,o na relevé descourb esde comportement,en fonctiondes variablesde démarrage, laissan tsupposeruneactivitéducyclethermodynamiqueet ainsi validantl"approc hesuivie.Cesrésultatscontribueron tà l"optimisationde lafuture géné- ration deprotot ypesMISTIC. Des caractérisationsplus approfondiesson tcep endantnécessaires.Mots-clés :Énergie, moteur,récup ération,chaleur,actionneur électromagnétique,facteur
de qualitéABSTRACT
Fabricationand characterization offree-pistonStirlingmicro engines,for low temperatureheat energyharv esting This thesissta testhework doneon theexecutionof free-pistonmicro-engines, implement- ing theStirling cycle,for low temperature heatenergyharvesting (T200C). Thismotor
has aplanar shape, insertedbetw eena heatsourceandaheatsinktob eable toop erateb y the temperaturedifferential. NamedMISTIC(MicroSTIrlingCluster), thistec hnologyhas advantages,both intermsofp ow erdensit yand scope(beingabletocompete withcurrent devices availableintrade).The work presented hereaims sotomake theexperimental proofof conceptof amicro engineimplemen tingthe Stirling cycle,in suchanarc hitecture neverharnessed before. Itsoperationis basedon multyphisicmo dellingwh ich hasb een achievedbefore thisproject.Man yy earsofstudiesha vealsob eenperformed beforehand, in orderto make optimizationonfewessen tialcomp onents forthe engineoperation.That passed workhelped toestablishalis tsof requirements thatconditioned itscomponents, the fabricationand theassem bly, givingusthebestto olsto real isean operativeengine in thisth esis.Itfollow edfrom theabove,the ch oi ceofthematerials,thedesignfor each component,asw ellas thedevelopment oftheir fabricationpro cess.Likewise,weset up their assemblyprocess, aimingtorespect thehigh requirements imposedby thescale of the microengine, andat thesame time,to helpus toc haracteri ze it. The internaldynamicof theengine relieso nthe vibrationof itsthree pistons(masses), confined betweentwop olymericmembranes.Accordingto theestablishedtheoretical models,as well asfewprelimina ryc haracterizations,the currentassemblyhasthe dy- namic propertiesrequiredfor theprop erfunctioning ofa MISTICmicroengine.Ho wev er, the achievementrequirementsareconsisten t,sowe cho osetodevelop anexternal actuator to forceits start-up.This actuatorwill hav ethe possibilit ytobeoperated asa harvester to collectthe MISTICmec hanicalw orkifitcan produceexploitableenergy . So wesucceededon buildinga newgeneration ofMISTIC microengines conformingto the preestablishedrequiremen ts.Thecomplianceof theme chanical andstructural char- acteristics ofthe prototyp eiscomparedtothetheore tic alv aluesin orderto validatethe fabrication andassem blyprocesses.The firstexperiments revealed quality factorsupto50 forthe mass-membrane assembliesanda highfatigueresistanceof themem bra ne s,
bothcorresp ondingtotheop erationrequiremen ts.Then, theenginestart-uptests led to experimentallycharacterizethe pressurelossofthe engineand sho wed ago od oper- ation symmetryb etweenthethreecylinders.Also,w eestablished curves, depending on the startingv ariables,lettingsuggesta thermodynamic cycleactivit y, validatinginthis waythefollo wed approach.Theseresu ltswillcontributetotheoptimizationof then ext generation ofMISTIC prototyp es. It willho wevertakemorein-depthstudies tounderstandandto be ableto predictthe internaldynamic ofthe engineaccording toits multiph ysicparameters andits operation conditions. Keywords:Energy,engine, harvesting, heat,electromagneticactuator, quality factorÀ mafamille...
REMERCIEMENTS
Je voudraisremer ciertoutparticulièrement mondir ecteurderecherche,le professeurLuc Fr échette,del"UniversitédeSherbrooke, pour son encadr e- ment etsa pé dagogiequim"ontpermisdedévelopp erde nombreuses compé- tencesau cours demestravaux. Cefut pour moiunevéritable opportunité que detr availlersurunprojet aussic aptivantet aussienrichissant! Je remercieaussilepr ofesseurF abienF ormosa,del"UniversitéSavoie Mont Blanc, poursonenc adrem entsupplémentaireetsesidéesbienpr écieusesqui m"ont aussiguidé durant cettemaîtrise. Je tiensà remer cieraussiMarc-André Hacheyet ÉtienneLéveilléqui sont des professionnelsder echer cheavecquij"aieula chancedetr availler etqui m"ont beaucoupaidésurce projet. Je remercieparail leurstouslesc ollèguesde tousnive auxd"études quim"ont accompagnéetsoutenudur antmes études,ainsi quel"équipe technique de l"Institut Interdisciplinaired"InnovationTechnologique(3IT)de l"Université de Sherbrooke(UdeS)pourleur disponibilité etleur aide. Enfin, j"accordeungrandm er ciàtoutema familleettouslesamisquim"ont moralementsoutenu durant cesdeuxanné esetsansqui certains moments auraientété nettementplus difficiles.Ce futune bel leexp érience etc efûrent des rencontresinoubliables!TABLED ESMATIÈRES
1 INTRODUCTION1
1.1 Miseen contexte etproblématique.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .1
1.1.1 Questionde recherc he..... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 4
1.1.2 Objectifs.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .4
1.2 Contributionsoriginales.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 5
1.3 Plande mémoire. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .6
2 ÉTATDEl"AR T9
2.1 Lesmicromac hines... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 9
2.1.1 Lesdifféren tesmicromachines .. .... .. .. .. .. .. .. .. .10
2.1.2 Lespro cédésdefabrication. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 14
2.1.3 Conclusions. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 18
2.2 Lemoteur Stirling. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 18
2.2.1 Lefonctionn ementdesmoteursStirling.. .. .. .. .. .. .. .. 19
2.3 Modèlesthéoriques. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 20
2.3.1 Méthodedupremier ordre. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 21
2.3.2 Méthodedusecond ordre. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .22
2.3.3 Méthodedutroisième ordre. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .25
2.3.4 Méthodeduquatrième ordre. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .26
2.3.5 Conclusions. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 26
2.4 L"actionneur. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 27
2.4.1 Différentstyp esd"actionnement... .... .. .. .. .. .. .. .27
2.4.2 L"actionneurélectr omagnétique... .. .. .. .. .. .. .. .. .31
2.4.3 Exemplesd"actionneurs électromagnétiqueslinéaires .. .. .. .. .34
2.4.4 Fabricationetin tégration. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. 37xi
xiiTABLEDES MATIÈRES 3 LEMICR OMOTEURMISTIC 393.1 Fonctionnement... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 39
3.2 Lesrequis d"unmicromoteur MISTIC. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 40
3.2.1 Auniv eaucomposant. ...... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .40
3.2.2 Auniv eauassemblage.. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .41
3.2.3 Configurationc hoisie.... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 42
3.3 Méthodesdefa brica tion......... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .43
3.3.1 Échangeursetsupp ortsde membran es. .......... .. .. .44
3.3.2 Pistons. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .45
3.3.3 Châssisisolan t... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 49
3.4 Assemblage.... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .50
3.4.1 Procédédecollage .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .51
3.4.2 Séquenced"assem blage..... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 55
3.5 Remplissageet étanchéité .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .57
3.5.1 Étanchéité.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 57
3.5.2 Remplissage. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 58
3.6 Caractérisationspréliminaires.... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .61
3.6.1 Testsdetraction surles membranes .. .. .... .. .. .. .. .. 61
3.6.2 Caractérisationdu coeur duMISTIC.. .. .. .. .. .. .. .. .62
4 L"ACTIONNEURÉLECTROMA GNÉTIQUE65
4.1 Dimensionnementetconfiguration .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .65
4.1.1 Simulation.. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 65
4.1.2 Configurationc hoisie.... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 66
4.2 Caractérisationexpérimentale. ...... .. .. .. .. .. .. .. .. .. 67
5 BANCDE TESTPOUR MOTEURMISTIC 69
5.1 Bancde test. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 69
5.1.1 Compositionetinstrumen tation. .... .. .. .. .. .. .. .. .69
5.1.2 Chauffageet refroidissement .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. 71
TABLEDESMATIÈRES xiii5.1.3 Pressurisation. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .726 RÉSULTATSETDISCUSSION73
6.1 Prototypesanséchangeurs (caractérisationspréliminaires) .... .. .. .73
6.2 Prototypescelléàl" air etsous pressionatmosphérique. .. .. .......75
6.3 Prototypescellésouspression .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .77
6.4 Prototypeavec chauffage+refroidis sement,scellésous6barsd"hélium...78
6.5 Discussionssur lesrésultats .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 80
6.5.1 Écartsde mesurea vec l"actionneurélectromagnétique.... .. .. 80
6.5.2 Améliorationde lafabrication de spistons ...... .. .. .. .. 81
6.5.3 Caractérisationsu pplémentaire.... .. .. .. .. .. .. .. .. 81
7 CONCLUSION83
ANNEXES87
A CONCEPTION87
A.1 Exploitationdes jaugesde déformation. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .87 A.1.1 Fichetechnique dumoduleSGAMP-2 .. .... .. .. .. .. .. 88 A.2 Assemblagedu moteur... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 90 A.3 Designalternatif dela cham bred"alumine ...... .. .. .. .. .. .. 91 A.4 Détailsdu bancde test. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 91 A.4.1 Vuegénérale. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 91 A.4.2 Supportdecompression chaud .. .... .. .. .. .. .. .. .. .9 3 A.4.3 Supportdecompression froid. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 93B PROCÉDUREDETRA CTIONSUR ANALYSEURDETEXTURE
T.A.X.T.95
C SONDEOPTIQUE RC20 101
D DIMENSIONNEMENTDU REFROIDISSEUR 105
D.1 Donnéesconn ues... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .1 05xivTABLEDES MATIÈRES D.2 Estimationdes résistancesthermiques .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .105
D.3 Objectifdurefroidissemen t. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 106 D.4 Conformitédurefroidisseur... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .107LISTE DESRÉFÉRENCES 109
LISTE DESFIGURES
1.1 Statutdu projet MISTIC... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .3
1.2 Vueéclatéeisométrique duMISTIC .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 5
1.3 a.V uedeface,b. Vue encoup eA-A. .... .. .... .. .. .. .. .. .6
2.1 a)Micro turbinede 80Wb )V ueen coupedela microturbineàgaz géné-
ratrice [10]. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .1 22.2 a)Démonstrateur d"énergiespatiale -NASA, Doc hat,1987 [20]b) Naka-
jima, 1989[21] c)F ormosa,2014 [9]d)Kw ankaomeng, 2014[22] .. ....142.3 Exemplesde microturbines fabriquéespar destec hnologiesd"usinage 3D. 15
2.4 Exemplesde réalisationsen céramiquepar moulagea vec moul eSDM [24].16
2.5 Rotorde turbineà gaza vec turbine+ compresseur[25].... .. .. .. .16
2.6 Schémadebasedumoteur microfabriqué [26]. .. .. .. .. .. .. .. .17
2.7 Phasesde fonctionnement -machineStirling phasealpha .... .. .. .. 19
2.8 Cyclethéorique deStirling [29]. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .21
2.9 Corrélation" Rendem entmoteur/Régimemoteur/n atu redu gaz/ Puis-
sance moteur» [31]. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 232.10 Corrélation" Modèle d"actionneurplatparallèleplat à1 DDL[36] .. .. .27
2.11 Électrostatique: applicationau MISTIC. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 28
2.12 Piézoélectrique:application auMISTIC .. .. .. .. .. .. .. .. .. .29
2.13 Électromagnétisme: applicationau MISTIC. .. .. .. .. .. .. .. .. 30
2.14 Champmagnétique créépar uneb obine. .. .... .. .. .. .. .. .. 31
2.15 Interactiondesc hampsmagnétiques crééesparlab obineet l"aimant [44]. 32
2.16 AELà reluctancelinéaire commutée .. .... .. .. .. .. .. .. .. .34
2.17 AELà inductionlinéaire .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 35
2.18 AELà inductionsync hrone. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .35
2.19 Classificationsomm airedesAELs. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 36
2.20 Intégrationdel"act io nneuraumicromoteur...... .. .. .. .. .. .. 37
3.1 a)Représen tationplanaireencoupe des3 cylindresb) Vuedehaut deMISTIC 39xv
xviLISTE DESFIGURES 3.2 Vueéclatéedu MISTIC. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 423.3 Procédédedécoup age laser..... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .43
3.4 Échangeursdechaleur..... .. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. 44
3.5 Supportsdemem brane. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 45
3.6 Étapesdefa brica tiond"unemembrane...... .. .... .. .. .. .. 46
3.7 a)Éc hantillonsdekapton préparésenSBb) Membranesch audesaprès
découpage .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 483.8 Conceptiondu châssis etdespistonsa vec leurs cales. ...... .... .. 50
3.9 Observationdesc hâssisau microscopeoptique. .. .... .. .. .. .. .51
3.10 Procédédecollage (1). .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 52
3.11 Procédédecollage (2). .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 52
3.12 a)Mauv aiscollage.b)Collage réussi. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 54
3.13 Étapesdecollages descales deprécon trainte .. .. ...... .. .. .. .55
3.14 Séquencec hronologiqued"assemblage. .... .. .. .. .. .. .. .. .. 55
3.15 a)Photo d"unpiston av ant letransfertd"époxy.b)Mise enplace d"unpiston
dans lemoteur. c)Photo d"assemb lage avantlacure del"époxy.... .. .563.16 a)Sup erpositionde3kaptons percés. .. .... .... .. .. .. .. .. .57
3.17 a)Disp ositifdetestp ourl" étanc héité.b)Schéma équivalentdeladiffusion
au traversdesmembranes .. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .583.18 a)P ositionnementdescapillaires.b)S chéma d"unesection decapillaire ..59
3.19 Procédédecollage d"uncapillaire deremplissage .. .. .. .. .. .. .. .60
3.20 Déformationd"une membrane dekaptonde 50
m enfonction dela force appliquée .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 613.21 Cyclaged"une memb ranedekaptonde50
m, à20 0HzsurT.A.X.T.. .. .623.22 a)Banc decaractérisation piézoélectrique b)Rép onsedynamiqued"unpis-
ton aprèsune impulsionsu rle bancpiézoélectrique .. .. ...... .. .634.1 SimulationducouplageAEM-MISTICsur lelogiciel FEMM. .. .. .. .65
4.2 Conceptionde l"AEM. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .66
4.3 Photod"un AEM .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 66
4.4 Forceexercéep ar unAEMsurunpistondu MISTIC. .. .. .. .. .. .67
LISTE DESFIGURES xvii5.1 a)V ueéclatéedesp ièces encompression surlebancdetest.b) Photo du MISTIC surle bancde test. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .7 05.2 Schémamultiphys iquedubancdetestduMISTIC..... .. .. .. .. 71
5.3 Circuitde purgeet deremplissage desprotot ypes .. .. ...... .. .. 72
6.1 Réponsedynamiquedu piston1 faceà lapressurisation interne desc hambre
de travail... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .746.2 Réponsedynamiquede chaque pistonaprès excitation... .. .. .. .. .74
6.3 Comportementdupiston1 av ecAEM etsans échangeurs.... .. .. .. 76
6.4 Réponsedynamiquedu piston1 aprèsarrêt d"excitationà résonance. .. .76
6.5 Réponsedynamiquedu piston1 faceà lapressurisation interne desc hambre
de travail... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .786.6 Réponsedynamiquedu piston1 faceau Tcréé entreles2 échangeurs .. 79
A.1 Sensd"assem blageduMISTIC. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 90 A.2 Chambred"a lumineV2..... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 91 A.3 Supportdecompreesion chaud .. .... .. .. .. .. .. .. .. .. .. .93 A.4 Supportdecompression froid. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. 93 D.1 Schémaélectriqueéq uiv alentdelaconductivitéthermiqueautravers du châssis. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .105 D.2 Schémaélectriqueéq uiv alentdelaconductivitéthermiqueautravers du banc detest .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .. .106 xviiiLISTE DESFIGURESLISTE DEST ABLEAUX
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