Question de recherche

Considérant la problématique dressée, comment peut-on procéder afin de parvenir à réali- ser expérimentalement un micro moteur basé sur le modèle théorique du MISTIC et ainsi observer un démarrage ?

1.1.2

Objectifs

Pour répondre à cette question, il aura fallu tirer conclusion sur la cause des précé- dents échecs. L’analyse des échecs a mené à plusieurs causes possibles. Tout d’abord, les contraintes de précision lors du montage du moteur n’ont pas été assez strictes, ce qui a pu affecter l’étanchéité du moteur ainsi que sa symétrie. Par symétrie on entend la confor- mité des caractéristiques géométrique et physiques entre les trois pistons du micromoteur. Ensuite, certains facteurs comme la longueur des pions schématisés sur la figure 1.3, leur centrage dans les cylindres, ainsi que l’alignement et la planéité des couches successives qui forment le châssis, ont pu être la cause probable de ces échecs. Aussi, après test, en découpant les échangeurs pour observation, une légère ondulation des membranes a été notée. En effet, ils n’ont pas été recuits lors du collage et ont ainsi pu voir apparaître des contraintes de dilatation thermique qui ont pu changer leur tension une fois mis sous 200◦ C sur le banc de test. De plus, les pions de centrage furent usinés en acier, élément très conducteur reliant la chambre chaude à la chambre froide, favorisant une homogénéisation des températures dans les chambres chaudes et froides. Sachant que le plus grand gradient de température entre les deux chambres est cherché, l’acier fut un mauvais choix pour cette application. Enfin, pour détecter le démarrage du moteur, une sonde optique a été insérée au travers d’un orifice usiné au préalable dans l’échangeur froid. Ceci a induit des volumes morts (volumes non balayés par le gaz) supplémentaires dans un cylindre sur 3 et a obligatoirement dû affecter le mouvement des gaz.

Il fallait alors concevoir un nouveau design pour la génération suivante de prototypes. Marc-André Hachey a travailler dessus et moi même j’ai pu apporter des modifications sur les membranes, le châssis, les échangeurs ainsi que les pions, en tenant compte des

1.2. CONTRIBUTIONS ORIGINALES 5 précédentes erreurs du mieux que possible. Ce nouveau design est présenté sur la figure 1.2 qui suit.

Figure 1.2 Vue éclatée isométrique du MISTIC

Il fallait alors développer les procédés de collage et d’assemblage nécessaires afin de ré- pondre aux fortes tolérances de positionnement des pièces. Il fallait par ailleurs penser au développement d’un actionneur externe au moteur, qui aurait été capable d’exciter celui-ci pour forcer son démarrage.

De plus, il aura fallu penser et mettre en oeuvre un banc de test adapté qui serait capable de simuler l’environnement de fonctionnement du moteur et en même temps d’acquérir les données nécessaires à sa caractérisation en fonctionnement.

L’objectif principal était en fait d’observer le démarrage du micromoteur, peu importe que ce dernier soit autonome ou forcé. À terme, l’optimisation du moteur aurait pour ambition de rendre son fonctionnement autonome.

1.2

Contributions originales

La configuration de la dernière génération de micromoteurs MISTIC est présentée sur la figure 1.3. Le micromoteur est fait d’un assemblage planaire de couches successives qui sont solidaires entre elles grâce à une colle époxy. À des fins de caractérisations, le moteur ne sera pas scellé de façon permanente. On peut alors repérer les 3 sous-ensembles non solidaires : l’échangeur chaud, l’échangeur froid et le coeur composé des 2 supports de membranes, des 2 membranes, du châssis, des 3 pistons et des 6 appuis de précontrainte en kapton. La dynamique de fonctionnement du moteur se base sur la résonance vibratoire des assemblages pion/membrane qui feront circuler le gaz des échangeurs chauds vers les échangeurs froids au travers des régénérateurs.

6 CHAPITRE 1. INTRODUCTION

Figure 1.3 a. Vue de face, b. Vue en coupe A-A.

Les procédés de collage et d’assemblage mis en place par M-A Hachey ont été adaptés au banc de test et améliorés par mes soins.

Nous avons par ailleurs pensé à l’élaboration d’un actionneur électromagnétique qui serait capable de forcer le démarrage du moteur si ce-dernier n’a pas lieu de lui même. Ainsi, nous pourrions être en mesure de caractériser sa dynamique dans une perspective d’amélioration du prototype. J’ai réalisé la revue de la littérature sur ce volet mais la conception et la fabrication ont été assurées par É. Léveillé.

J’ai par ailleurs pris le soin de répertorier les besoins du banc de test et de concevoir toutes les pièces requises mis à part l’actionneur. Par la suite, j’ai pu solliciter l’aide d’É. Léveillé pour le volet pilotage de ce-dernier, ainsi que l’acquisition des données. Suite à mes travaux, la totalité des pièces du MISTIC ont subi des changements mineurs dans l’optique d’améliorer le prototype et de l’adapter au banc de test.

Ce type de moteur a déjà été réalisé à l’échelle macro [9] et son démarrage en laboratoire a été observé. L’échelle du MISTIC est cependant inédite pour cette architecture et constitue la principale originalité du projet. Le champ d’application d’un tel dispositif est très vaste car il est conçu pour fonctionner simplement en mettant en contact son échangeur chaud avec une paroi chaude dont la température s’élève aux alentours de 200◦ C. Pour ne pas interférer dans le design du moteur, l’actionneur a été conçu pour agir depuis l’extérieur du moteur pour ainsi forcer son démarrage.

1.3

Plan de mémoire

La suite du document se déroulera comme suit :

La revue de la littérature montrera ce qui se fait à travers le monde en matière de mi- niaturisation de moteurs à combustion. Aussi, nous pointerons les différents outils de

1.3. PLAN DE MÉMOIRE 7 modélisation qui ont été établis à ce jour et qui sont nécessaires à l’élaboration d’une ma- chine de Stirling. Ces informations seront précieuses afin de dresser une liste d’exigences à remplir pour qu’un micromoteur MISTIC puisse être conçu, fabriqué et fonctionnel. Par ailleurs, nous chercherons les différents types d’actionnement qui peuvent être appliqués à notre micromoteur et justifierons le choix retenu suivant des critères de pertinence. Dans le chapitre micromoteur nous nous arrêterons sur les détails de chacune des compo- santes du moteur, de la conception à la fabrication. Nous exposerons alors les méthodes de collage et d’assemblage qui ont été spécifiquement mis en oeuvre pour répondre aux requis d’un moteur fonctionnel. Avec cela, nous établirons les caractérisations préliminaires que doit subir le coeur du moteur avant que le moteur assemblé puisse passer sur le banc de test. De plus, nous étudierons l’actionneur électromagnétique externe qui a été conçu, fa- briqué et intégré au MISTIC pour compenser les forces dissipatives intervenant lors de sa phase de démarrage, en le forçant à fonctionner à sa fréquence de fonctionnement nominale d’environ 2kHz.

Nous introduirons à ce stade le banc de test mis en oeuvre pour la caractérisation de pro- totypes MISTIC, ainsi que le plan d’expérience qui nous montrera les jalons importants de cette étape.

Après cela, nous interpréterons les résultats expérimentaux et discuterons sur leur signifi- cation vis à vis de ce qu’on pourrait s’attendre à observer.

Enfin, nous finirons par conclure sur les travaux qui ont été réalisés au cours de ce projet et proposer des pistes d’améliorations pour la suite.

CHAPITRE 2

ÉTAT DE l’ART

Le modèle du moteur Stirling à l’échelle micrométrique n’a auparavant jamais été réalisé, ce qui en fait son originalité. Dans le cadre de ce mémoire, nous exposons une nouvelle architecture pour un moteur miniaturisé implémentant le cycle de Stirling. La modélisation n’ayant pas fait l’objet de cette étude, nous nous concentrons sur le volet fabrication et caractérisation expérimentale de prorotypes.

Dans cette partie nous verrons ce que la littérature nous apprend à propos de la minia- turisation des machines thermiques, ainsi que les défis de conception et de fabrication qui en découlent. Ensuite, nous expliciterons brièvement les connaissances nécessaires à la conception d’une machine fonctionnant selon le cycle Stirling. Enfin, nous présenterons les technologies qui s’offrent à nous pour fabriquer un actionneur capable de forcer le démarrage du micromoteur étudié.

2.1

Les micromachines

La miniaturisation des machines a été au coeur des technologies de PowerMEMS émer- gentes dans les années 90. Ce terme revient au professeur du MIT, A.H. Epstein [10], et désigne au départ les générateurs thermiques-électriques et les systèmes de propulsion. Une définition plus élargie des PowerMEMS serait : des micro systèmes pour la génération et la conversion d’énergie, incluant la propulsion et le refroidissement, pouvant être classés en trois catégories :

– Les micro-machines thermodynamiques, incluant les micro moteurs à combustion interne comme les micro turbines, les micro refroidisseurs et on pourrait y classer également les micro moteurs tels que le MISTIC.

– La conversion d’énergie directe à l’état solide, incluant les micro systèmes thermo- électriques et les micro structures photovoltaïques.

– Les dispositifs de récupération d’énergie vibratoire comme les micro générateurs piézoélectriques, magnétiques ou électrostatiques ainsi que les micro propulseurs, utilisant généralement du carburant fossile.

La motivation principale qui amène à la miniaturisation des sources d’énergie est le besoin croissant de l’autonomie des systèmes embarqués. Souvent équipés de batteries, des tech- nologies nécessitant de gros apports énergétiques comme des micro-drones, des dispositifs

10 CHAPITRE 2. ÉTAT DE L’ART électriques autonomes ou des micro-robots nécessiteraient, pour une utilisation optimale, des récupérateurs d’énergie à densité de puissance conséquente. Les PowerMEMS sont des technologies qui pourraient apporter une solution.