Contribution to the design and fabrication of a Stirling cycle thermal micromachine with stirling cycle

Contribution à la conception et à la réalisation d'une micro-machine thermique à cycle de Stirling En France, on estime que plus de 27 TWh de chaleur à une température comprise entre 100 et 200°C sont perdus chaque année. La récupération de cette chaleur perdue est donc un enjeu important pour réduire la consommation globale d'énergie. La récupération de la chaleur peut se faire à l'aide de machines de Stirling, qui sont des machines thermodynamiques réversibles convertissant la chaleur en mouvement mécanique - lequel pourrait ensuite être converti en électricité - à partir de deux sources de température suffisamment différentes. La récupération de la chaleur produite par les systèmes électroniques pourrait être faite avec une machine de Stirling miniaturisée capable de produire de l'électricité à partir de n'importe quelle source de chaleur. Une telle micro-machine peut aussi fonctionner en mode "réfrigérateur" (transport de la chaleur d'une source chaude vers une source froide grâce à un travail mécanique) et pourrait être utilisée pour refroidir des composants électroniques. Le rendement énergétique des machines Stirling peut atteindre 38% (avec une source chaude à 200°C) et leur entretien est réputé être minimal. Cependant, aucune machine Stirling n'a encore été démontrée avec un volume inférieur à un centimètre cube. En 2015, une architecture de micromachine Stirling triphasée pouvant être miniaturisée grâce aux technologies MEMS a été proposée et testée avec succès en macro-volume (avec une taille d'une vingtaine de centimètres). Le présent travail de thèse a été consacré à la miniaturisation de ce nouveau concept de micromachine Stirling pour la récupération de chaleur entre 50 et 200°C, en utilisant les technologies MEMS. Cette approche permettrait la production simultanée de grandes quantités de micro-machines et donc la création éventuelle de réseaux de micromachines à faible coût par watt d'électricité produite. Les micromachines sont constituées d'un empilement de tranches de silicium et de verre. Leurs défis de conception ont été étudiés en détail et leur puissance mécanique de sortie attendue a été estimée. Les procédés de fabrication nécessaires ont été développés et la caractérisation de chaque élément a été effectuée avant l'assemblage. Elles comportent notamment des membranes hybrides de 5 mm de diamètre et de 200 microns d'épaisseur qui jouent le rôle des pistons en micro-volumes et sont des éléments clés de la micro-machine. Ces membranes sont constituées de pièces en silicium (spirales et disques) noyées dans une membrane souple en élastomère de silicone dont les propriétés mécaniques ont donc été étudiées en détail. Des simulations numériques du comportement mécanique et dynamique de ces membranes hybrides ont été présentées. L'accord entre les simulations numériques et les caractérisations a été considéré comme très satisfaisant. Ces membranes se sont révélées très robustes et le déplacement de leur centre peut atteindre 1 à 2 mm sans dommage. Leurs fréquences de résonance vont de 850 Hz à 2800 Hz et il a été montré qu'elles peuvent fonctionner à 200°C sans vieillissement. De plus, l'optimisation d'un procédé d'assemblage par thermocompression d'or (Au) a permis d’obtenir des contraintes de rupture en traction d'environ 20 à 30 MPa, parmi les meilleures rapportées dans la littérature. Des prototypes de micromachines triphasées de 20x20x8mm ont été assemblés, mais leur fonctionnement en mode moteur n'a pas pu être observé, même pour une différence de température de 100 °C. Cependant, en insérant des aimants pour provoquer le déplacement des membranes par excitation électromagnétique, il a été possible d'observer un effet de refroidissement encourageant. Grâce aux travaux réalisés, les principaux éléments de base sont maintenant disponibles et devraient permettre des optimisations ultérieures dans des conditions beaucoup plus favorables.