d'étanchéité fonctionne avec de l'air à 200C, le débit dans la pompe varie linéairement avec la vitesse de rotation (80 mg/s à 1.2 MRPM) et l'espacement entre le rotor et les
composantes est de 0.5 µ??.
2.3.2 Effets de la tension de surface dans le joint d'étanchéité
Dans ses travaux, Teo [Teo, 2006] analyse une composante de scellement pour une micropompe à partir d'un équilibre statique entre les pressions de part et d'autre de l'interface
gaz/liquide. Ladite composante de scellement est composée d'une géométrie annulaire avec des orifices (semblable au palier axial de la présente étude). Il identifie une valeur critique de l'espacement entre le rotor et le joint d'étanchéité afin de permettre un équilibre des pressions.
Après avoir expérimentalement validé son approche analytique, effectuée en constatant la présence de bulles d'air aux alentours des valeurs critiques établies, il en vient à la conclusion
que l'atteinte et le maintien de l'équilibre des pressions sont complexes et qu'une géométrie annulaire munie d'orifices ne devrait pas être utilisée comme joint d'étanchéité. De plus, il identifie une instabilité (nommée Rayleigh-Taylor) causée par les forces centrifuges qui, à haute vitesse, cause une alternance des couches liquides et gazeuses à l'interface gaz-liquide (force centrifuge » tension de surface). Afin d'éviter ce phénomène, Teo suggère d'éviter de positionner la pompe avec le fluide le plus dense à l'intérieur de l'interface. La Figure 2-13
illustre les forces en jeux à l'interface gaz/liquide où s représentent les forces de tension de surface par unité de longueur et ce l'angle de contact de l'interface.
roi or a /'*»<* gaz • joint ? 1 pompe liquide joint d'étanchéité s pompe
Figure 2-13 : Illustration des forces enjeux au joint d'étanchéité. La tension de surface et
les pressions enjeu maintiennent le fluide au centre du dispositif.
L'orientation des forces de tension de surface illustrée suppose que les surfaces du rotor et du joint d'étanchéité sont hydrophiliques (attirent l'eau). L'équation 2-8 permet de déterminer les pressions de part et d'autre de l'interface qui produisent un équilibre [Teo, 2006]. Pour de l'eau à 200C, la tension de surface s prend la valeur de 0.073 N/m et pour une interface air- eau-silicium l'angle a peut prendre une valeur entre 30° et 50° [Teo, 2006; Senturia, 2001].
2s cos a
P. . = P +¦
joint pompe
Pour un espacement entre le rotor et le joint d'étanchéité de 0.5µ??, les forces de tension de surface créent l'équivalent d'une pression variant entre 190 et 255 kPa, selon la valeur de a utilisée, ce qui ne peut être néglige. Le joint d'étanchéité ne peut induire une telle hausse de pression à basse vitesse et il semble inévitable, surtout pour un pompage vers l'intérieur, que l'eau s'étende radialement, du moins jusqu'aux rainures du joint d'étanchéité. L'équilibre des pressions à l'interface gaz/liquide est très complexe d'autant plus qu'il est très difficile d'avoir
un contrôle sur cet équilibre puisque les deux composantes concernées sont hydrodynamiques. Un doute persiste quant à l'implication réelle des forces de tension de surface car le joint d'étanchéité a permis la caractérisation de la micropompe à basse vitesse. Il est possible que lors des dernières étapes de microfabrication, la surface du rotor et la surface du joint
d'étanchéité aient subi un traitement les rendant hydrophobiques. Si tel est le cas, c'est donc dire que naturellement l'eau est repoussée par le joint d'étanchéité (voir Figure 2-14(b)) et cela pourrait être très bénéfique pour la composante de scellement. Il est également possible que les surfaces du rotor et du joint d'étanchéité n'aient pas le même comportement et l'effet des
forces de tension de surface serait alors atténué.
(a) surfaces hydrophiliques roior gaz joint d'étanchéité
2
liquide (b) surfaces hydrophobiques ioiorC
joint
^
d'étanchéité liquideFigure 2-14 : Illustration des forces de tension de surface selon la nature de la surface. La Figure 2-15 illustre la considération de la tension de surface à l'intérieur du joint
d'étanchéité. L'une des premières constatations est que pour des surfaces hydrophiliques, le
joint d'étanchéité ne peut pas remplir sa fonction principale à basse vitesse et ce, même au gap
nominal (0.5 µp?). Par contre, si les surfaces sont hydrophobiques, la tension de surface permet d'élever la pression d'équilibre à l'interface gaz/liquide. Ce dernier point devient très
avantageux lorsque le pompage s'effectue vers l'intérieur car la pression dans le liquide est à
pression ambiante. Dans ce cas, il est possible d'empêcher l'eau de s'étendre radialement
simplement en traitant les surfaces pour les rendre hydrophobiques.
800
cx:30,40et50
3 400
a- 200
800r
sans tension de surface
surfaces hydrophobiques surfaces hydrophiliques PPLENUM=101325Pa Omg/s 500 et 75OkRPM 1 1.5 gap (µ??) 0S (a) gap (µp?) (b)
Figure 2-15 : Considération de la tension de surface dans le joint d'étanchéité. La pression induite par la tension de surface à l'interface air-eau-silicium (a) s'additionne à la pression créée par le joint d'étanchéité (b). Un dP négatif indique que la pression à l'entrée du joint
d'étanchéité (Pplenum) doit être élevée.
2.4
Description et modélisation du palier axial hydrostatique au gaz
Le palier axial est composé d'une série d'orifices (nominalement 40 mais 34 à cause de
problèmes de fabrication) positionnés à l'intérieur d'une géométrie annulaire tel qu'illustré à
la Figure 2-16. Ces orifices ne sont pas distribués également à l'intérieur de l'anneau, mais sont regroupés en deux parties symétriques pour cause de contraintes de fabrication [Lee,
2006]. Cette composante a été positionnée près de la périphérie du rotor afin d'induire des pertes visqueuses pour simuler la présence d'un générateur électromagnétique qui serait en opération sous le rotor. La distance entre le palier axial et le rotor (gap) varie entre 0.5µp? et
1.5µ?? nominalement selon la position axiale du rotor. À l'origine, cette composante était
qualifiée comme étant un palier axial auxiliaire car ses fonctions principales étaient de fournir une partie de la force permettant de balancer axialement le rotor lors des opérations de démarrage et d'accélération du rotor. De plus, sa rigidité axiale devait être suffisante pour que le rotor soit opéré en régime sous-critique (fréquence naturelle > fréquence de rotation).
mmœ 1
IM
%<
rotor 1?0 um (conception) Éü. 85 um (fabrication) r = 17r>0 um I D 10 um °**«~w*s 33 ormce r = 18s7 um palier axial r = 1970 um #¦ ¦ »µ 2 ?positionnement des orifices du palier axial
Figure 2-16 : Présentation du palier axial et de sa géométrie.