Conversion thermomécanique par vaporisation brusque de fluide

La conversion liquide-vapeur constitue un des moyens classiques de transformation de la chaleur en énergie mécanique. Elle est à la base de la grande majorité des moteurs thermiques, que ce soit pour propulser des véhicules ou pour mettre en mouvement les turbines des centrales électriques. Pourtant, peu de travaux ont été réalisés pour utiliser la conversion liquide-vapeur pour la récupération de l’énergie ambiante.

L’idée innovante proposée par STMicroelectronics [24] consiste dans le couplage de la vaporisation explosive d’un liquide avec l’effet piézoélectrique. Une goutte de liquide est placée dans une enceinte fermée, en contact avec une surface chaude et une surface froide. La surface chaude est à une température supérieure à celle d’ébullition du liquide. Pour une différence suffisamment grande la goutte de liquide explose au contact avec la surface chaude (Figure 1.25). La vapeur générée remplit l’enceinte en créant une surpression. Elle se condense sur la surface froide et revient au point chaud par effet capillaire ou effet gravitationnel. Ceci ferme le cycle des oscillations, qui pourra ensuite reprendre.

La surpression créée dans la cavité agit sur une membrane piézoélectrique qui la recouvre. La membrane se déforme et génère des pics de tension cycliques. Ces pics peuvent être récupérés avec un circuit de gestion de puissance électrique et convertis en énergie stockée.

Plusieurs liquides s’apprêtent à l’utilisation dans un tel générateur. Leur température d’ébullition va déterminer le point de démarrage des dispositifs. L’eau est le choix le plus simple

Figure 1.25: Cycle de fonctionnement d’un dispositif à conversion thermo fluidique : a) explosion d’une goutte qui entre en contact avec la surface chaude ; b) condensation de la vapeur sur la surface froide ; c) retour et agglomération du liquide sur la surface chaude

pour des surfaces plus chaudes que 100 °C. On peut également utiliser d’autres liquides, tels l’acétone (Tébulition = 54°C), l’éthanol (78°C) ou le méthanol (65°C). Les liquides HFE-7100 et HFE-7200 présentent des propriétés intéressantes, car leur température d’ébullition est en dessous de 80°C et le rapport des masses volumiques liquide/vapeur est haut. Ceci permet de d’avoir un minimum de liquide mis en circulation pour créer les pics de surpression dans un volume donné.

Des travaux déroulés au CEA Liten ont permis de faire la preuve de concept pour le système thermo fluidique. La première démonstration a été faite avec une goutte d’eau placée entre une plaque métallique à 140°C et le corps froid d’un détecteur de pression. La goutte est entourée d’une paroi transparente pour l’observation du phénomène. Des oscillations autoentretenues ont été obtenues et à chaque explosion des variations de pression de 50 mbar et plus ont pu être observées (Figure 1.26).

Figure 1.26: Preuve de concept pour les oscillations autoentretenues d’une goutte d’eau entre une surface chaude et une surface froide écartées de 3 mm.

Des prototypes ont été construits à partir de cette configuration, en remplaçant le détecteur à piézoélectrique par une membrane de plus grande surface. La structure retenue est composées de deux chambres reliées par un canal. La chambre en contact avec la source chaude permet de vaporiser les gouttes. La vapeur passe par le canal et se condense dans la chambre du haut. Une goutte se forme et une fois une masse suffisante atteinte, elle s’écoule dans la chambre d’évaporation.

Les deux chambres doivent être fabriquées en utilisant un matériau conducteur thermiquement (inox dans ce cas). Elles sont séparées par un isolant thermique qui permet de garder le gradient de température (Figure 1.27).

Un régime de fonctionnement autoentretenu a été obtenu avec des cellules de dimensions centimétriques. Les amplitudes des pics générés sont autour de 3V pour une cellule de 3.5 cm de côté et 1.5 V pour une cellule de 2 cm de côté (Figure 1.28). La mise en marche a été faite avec de l’eau sur une plaque chaude à 130°C.

Figure 1.27: Prototype fonctionnant avec des gouttes de liquide : a) schéma montrant la séparation en deux chambres ; b) vue en perspective d’un prototype fabriqué (images offertes par U. Soupremanien/ CEA Liten).

Figure 1.28: Signaux générés par des cellules fonctionnant avec des gouttes d’eau (impédance de mesure de 1 MΩ) : a) grande cellule, 3.5 cm de côté ; b) petite cellule 2 cm de côté (données offertes par U. Soupremanien/ CEA Liten).

Des matrices ont été créées en assemblant plusieurs cellules. Un arrangement 2x2 est présenté dans la Figure 1.29. Les dimensions de la matrice sont de 80x80x12 mm³. La plaque conductrice de chaleur du haut a une surface supérieure à celle des cellules, ce qui favorise l’évacuation de la chaleur.

Figure 1.29: Matrice 2x2 fonctionnant avec de l’eau

Des travaux complémentaires ont été réalisés à l’Université de Sherbrooke, permettant la fabrication de prototypes à circulation horizontale de fluide [25]. Un prototype ayant une surface active de 1 cm² a été fabriqué (Figure 1.30). Il consiste d’une chambre d’expansion sur un substrat en silicium couverte par une membrane piézoélectrique. La hauteur interne de la chambre est de 0.5 mm et l’ensemble est encapsulé dans de l’époxy. Un tube capillaire permet d’introduire des gouttes de liquide qui explosent au contact avec le substrat chaud. La vapeur produite est évacuée par un second tube capillaire.

Des signaux supérieurs à 5 V ont été obtenus lors de la mise en marche du prototype (Figure 1.31). Le fonctionnement continu a été obtenu avec de l’eau déionisée, pour des débits de quelques dizaines de micro litres par seconde. Une puissance générée de 1.6 µW/cm² a été mesurée avec ce type de dispositif pour une résistance adaptée de 50 kΩ.

Figure 1.30: Schéma en section et photo d’un prototype a circulation horizontale de fluide. Des gouttes de liquide sont introduites par un tube capillaire et explosent au contact avec le substrat en silicium chauffé [25].

Figure 1.31: Signaux générés par un prototype à écoulement horizontal : a) phases de fonctionnement lors d’un pic, l’explosion induit une augmentation brusque de la tension ; b) pics répétitifs obtenus à 145°C avec un débit d’eau dé ionisée de 10 µL/min. Résistance de mesure de 50 kΩ [25].

Les développements liés à la thermo fluidique ont donc amené à des preuves de concept concluantes. Des améliorations sont possibles en augmentant le confinement des gouttes et en optimisant la membrane piézoélectrique. Un des défis de cette technologie est d’assurer l’étanchéité des dispositifs pour permettre un fonctionnement autonome sans perte de liquide.