Fabrication et caractérisation de micro moteurs Stirling à pistons libres, pour la récupération d’énergie thermique à basse température

Abstract

Ce mémoire expose le travail réalisé dans le cadre de la mise en oeuvre de micromoteurs à pistons libres fonctionnant selon le cycle de Stirling, pour la valorisation d’énergie thermique à basse température (T< 200° C). Ce moteur prend une forme planaire, s’insérant entre une source et un puits de chaleur, pour fonctionner par la différence de température. Baptisé MISTIC(Micro STIrling Cluster), cette technologie présente des avantages, tant en terme de densité de puissance qu’en champs d’applications (capables de rivaliser avec les systèmes actuellement disponibles dans le commerce). Les travaux ici présents visent à prouver la faisabilité expérimentale d’un micro moteur implémentant le cycle de Stirling avec une nouvelle architecture jamais exploitée auparavant. Son dimensionnement se base sur une modélisation multiphysique réalisée en avant-projet. Plusieurs années d’étude ont aussi été préalablement menées afin d’optimiser certaines composantes essentielles au fonctionnement du moteur. Les conclusions ont aidé à dresser les requis nous donnant les meilleurs outils afin de réaliser un moteur fonctionnel dans ce mémoire. Il en a découlé le choix des matériaux, les configurations pour chaque composant, ainsi que le développement de leurs processus de fabrication. Nous avons également mis en oeuvre un procédé d’assemblage visant à répondre aux fortes exigences de précision imposées par l’échelle du micromoteur, tout en nous permettant de le caractériser. La dynamique interne du moteur repose sur la vibration de trois masses, confinées entre deux membranes polymériques. Selon les modèles théoriques, et certaines caractérisations préliminaires, cet assemblage présente les comportements dynamiques requis au bon fonctionnement d’un modèle de micromoteur MISTIC. Cependant, les défis de réalisation sont conséquents et donc nous avons choisi de développer un actionneur externe pour "forcer le démarrage du moteur". Ce dernier aura la possibilité d’être piloté en tant que récupérateur du travail mécanique généré par le MISTIC si celui-ci vient à produire une énergie exploitable. Nous sommes donc parvenus à construire deux prototypes de micromoteurs MISTIC en tenant compte des requis pré-établis. La conformité des caractéristiques mécaniques et structurelles du moteur est testée en comparaison avec les données théoriques afin de valider les procédés de fabrication et d’assemblage. Les premiers essais ont révélé des facteurs de qualité supérieurs à 50 pour les assemblages masse-membrane et une résistance conséquente des membranes à la fatigue, tous deux répondant aux requis de fonctionnement. Par la suite, les tests de démarrage du moteur complet ont aidé à quantifier expérimentalement les pertes de charge internes et ont montré une bonne symétrie de fonctionnement entre les trois cylindres. Aussi, on a relevé des courbes de comportement, en fonction des variables de démarrage, laissant supposer une activité du cycle thermodynamique et ainsi validant l’approche suivie. Ces résultats contribueront à l’optimisation de la future génération de prototypes MISTIC. Des caractérisations plus approfondies sont cependant nécessaires.

Abstract: This thesis states the work done on the execution of free-piston micro-engines, implementing the Stirling cycle, for low temperature heat energy harvesting (T 200 C). This motor has a planar shape, inserted between a heat source and a heat sink to be able to operate by the temperature differential. Named MISTIC(Micro STIrling Cluster), this technology has advantages, both in terms of power density and scope (being able to compete with current devices available in trade). The work presented here aims so to make the experimental proof of concept of a micro engine implementing the Stirling cycle, in such an architecture never harnessed before. Its operation is based on multyphisic modelling which has been achieved before this project. Many years of studies have also been performed beforehand, in order to make optimization on few essential components for the engine operation. That passed work helped to establish a lists of requirements that conditioned its components, the fabrication and the assembly, giving us the best tools to realise an operative engine in this thesis. It followed from the above, the choice of the materials, the design for each component, as well as the development of their fabrication process. Likewise, we set up their assembly process, aiming to respect the high requirements imposed by the scale of the micro engine, and at the same time, to help us to characterize it. The internal dynamic of the engine relies on the vibration of its three pistons (masses), confined between two polymeric membranes. According to the established theoretical models, as well as few preliminary characterizations, the current assembly has the dynamic properties required for the proper functioning of a MISTIC micro engine. However, the achievement requirements are consistent, so we choose to develop an external actuator to force its start-up. This actuator will have the possibility to be operated as a harvester to collect the MISTIC mechanical work if it can produce exploitable energy. So we succeeded on building a new generation of MISTIC micro engines conforming to the preestablished requirements. The compliance of the mechanical and structural characteristics of the prototype is compared to the theoretical values in order to validate the fabrication and assembly processes. The first experiments revealed quality factors up to 50 for the mass-membrane assemblies and a high fatigue resistance of the membranes, both corresponding to the operation requirements. Then, the engine start-up tests led to experimentally characterize the pressure loss of the engine and showed a good operation symmetry between the three cylinders. Also, we established curves, depending on the starting variables, letting suggest a thermodynamic cycle activity, validating in this way the followed approach. These results will contribute to the optimization of the next generation of MISTIC prototypes. It will however take more in-depth studies to understand and to be able to predict the internal dynamic of the engine according to its multiphysic parameters and its operation conditions.