EP2019919A1 - Dispositif miniaturisé apte à fonctionner comme moteur ou refroidisseur selon un cycle thermodynamique de stirling - Google Patents

Dispositif miniaturisé apte à fonctionner comme moteur ou refroidisseur selon un cycle thermodynamique de stirling

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EP2019919A1
EP2019919A1 EP07766056A EP07766056A EP2019919A1 EP 2019919 A1 EP2019919 A1 EP 2019919A1 EP 07766056 A EP07766056 A EP 07766056A EP 07766056 A EP07766056 A EP 07766056A EP 2019919 A1 EP2019919 A1 EP 2019919A1
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EP
European Patent Office
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chamber
compression chamber
complementary
displacer
piston
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EP07766056A
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EP2019919B1 (fr
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Fabien Formosa
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2250/00—Special cycles or special engines
    • F02G2250/31—Nano- or microengines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—Component parts or details not otherwise provided for in this subclass
    • F25B2400/15—Microelectro-mechanical devices

Definitions

  • the invention relates to the field of mechanical microelectronic systems, also called MEMS for "Microelectromechanical System". It relates more particularly microsystems or miniaturized devices for ensuring a conversion of mechanical energy into heat and vice versa. It relates more specifically to miniaturized devices operating according to a Stirling thermodynamic cycle, and in particular according to the so-called ⁇ and ⁇ configurations of this type of thermal machine.
  • a thermal machine operating according to a Stirling thermodynamic cycle comprises an expansion chamber and a compression chamber which are connected via a regenerator, allowing the passage of a working fluid, which is generally a gas, from the expansion chamber to the compression chamber and vice versa, under the effect of the movement of a piston commonly called “displacer”.
  • a piston "motor” for the transfer of energy in the form of mechanical work is movable in a fraction of the compression chamber, to change the volume.
  • the movements of the displacer piston and the engine piston are synchronized and their phase shift is maintained by a synchronizing device, to ensure optimal operation according to a Stirling cycle.
  • thermodynamic cycle of Stirling for an operation in motor mode, connects four phases during which the working fluid, undergoes the following transformations: namely, constant volume heating, isothermal expansion, then cooling to constant volume, followed by isothermal compression.
  • the compression chamber is thermally connected to a source of heat, so that the working fluid in the compression chamber is at a lower temperature than in the expansion chamber.
  • the compression chamber may incorporate a fraction of a heat exchanger for exchanging heat with the lateral region of the device. The presence of this exchanger fraction separates the compression chamber into two parts which are, however, at the same temperature because of the high thermal conductivity of the exchanger fraction, necessary for a good exchange coefficient.
  • thermodynamic efficiency of a Stirling engine is equal to 1-T D / T C , where T D is T c are the temperatures that prevail respectively in the expansion and compression chambers. It is therefore conceivable that the efficiency is even higher than the temperature difference between the expansion chamber and the compression chamber is important.
  • T D is T c are the temperatures that prevail respectively in the expansion and compression chambers. It is therefore conceivable that the efficiency is even higher than the temperature difference between the expansion chamber and the compression chamber is important.
  • the more a device is miniaturized the more the expansion chamber is close to the compression chamber, so that the thermal insulation between the two chambers can not be effectively maintained.
  • the heat dissipated at the expansion chamber causes an increase in the temperature in the compression chamber by thermal conduction through the elements of the system, and therefore a reduction of the temperature difference, synonymous with yield reduction.
  • a problem to be solved by the invention is that of maintaining satisfactory performance in terms of thermodynamic efficiency, while allowing a particularly compact configuration.
  • US 5,941,079 discloses several combinations of elementary structures of Stirling devices. Such architectures impose special provisions to be controlled. Indeed, in steady state, the adjustment of the phase shift between the movement of the displacer piston connected to the expansion chamber, and the engine piston connected to the compression chamber is obtained by an appropriate design of the dynamic characteristics of the displacer piston and the engine piston associated with dissipation phenomena of viscous origin within the regenerator. In the case of engine-type operation, starting and then synchronizing movements of the displacer piston and the engine piston can only be obtained by controlling through an actuating device thereof. The converter used can then be of the electromechanical, piezoelectric, electrostatic or electrostrictive type. Another object of the invention is to provide a Stirling engine or cooler structure that does not require simultaneous control of the displacer mechanism and the engine piston to obtain the desired operation.
  • the invention therefore relates to a miniaturized device, which is able to function as a motor or as a cooler, according to a Stirling thermodynamic cycle.
  • a miniaturized device which is able to function as a motor or as a cooler, according to a Stirling thermodynamic cycle.
  • a device comprises an expansion chamber and a compression chamber, which are connected by means of a regenerator allowing the fluid to pass from the expansion chamber to the compression chamber and vice versa, under the effect of the movement of a displacer mechanism, also called simply displacer.
  • a fraction of the compression chamber is movable, in order to change the volume, in the manner of a piston.
  • this device is characterized in that it also comprises a complementary chamber, which is connected to the compression chamber via a complementary connection channel.
  • This complementary chamber is separated from the expansion chamber by the displacer mechanism.
  • This complementary chamber is at an intermediate temperature between the temperature of the compression chamber and the temperature of the expansion chamber.
  • the device according to the invention comprises an additional chamber, which makes it possible to reduce the pressure effect existing in the compression chamber on the face of the displacer opposite to the expansion chamber.
  • the device according to the invention is remarkable in that the displacer is in indirect contact with the chamber compression through the characteristic complementary chamber.
  • this complementary chamber may be at a temperature intermediate between that of the expansion chamber and the compression chamber.
  • the difference in temperature between the two faces of the displacer is less than in conventional systems, at constant temperature difference between expansion chamber and compression chamber.
  • connection channel connecting the complementary chamber to the compression chamber may include a specific thermal arrangement, so as to maintain a temperature difference between the compression chamber and the complementary chamber, and thus promote a significant temperature difference between the compression chamber and the relaxation chamber.
  • an active device for regulating the temperature of the gas flowing in the connection channel can be provided.
  • This device may comprise thermo-elements that heat or cool this gas, depending on the needs.
  • the regulating device may be formed by a complementary regenerator.
  • the displacer has two contact surfaces, respectively with the expansion chamber and the complementary chamber, which have different areas. In other words, the contact surface between the displacer and the expansion chamber is typically greater than the contact area between the complementary chamber and the same displacer.
  • the start can be obtained by the appropriate choice of the dynamic characteristics of the displacer and the element acting as a piston engine.
  • the dynamic system formed by the displacer mechanism and the piston element which is stable until the temperature differential between the expansion chamber and the compression chamber, becomes dynamically unstable beyond this temperature differential thanks to the feedback. in pressure on the surface of the displacer in contact with the fluid contained in the complementary chamber. This instability causes the movement of the displacer and the element acting as a piston at the slightest disturbance.
  • the amplitude of the displacements increases so that nonlinear dissipation phenomena modify the dynamics of the system to reach a stable operating point.
  • the synchronization of the movements of the displacer and the element acting as a piston is then dependent on the dynamic characteristics of the displacer mechanism and the piston as well as the dissipation phenomena of viscous origin in the regenerator and the complementary channel.
  • a mechanical limitation of the amplitude of the movement of the element acting as a piston engine can also be implemented so as to obtain the desired thermodynamic characteristics.
  • regenerator as well as possibly the connection channel can be arranged in different ways, depending on the properties of the working fluid, the desired thermal performance and available technologies.
  • the circulation of the working fluid in the regenerator and the connection channel or channels can be effected in a direction parallel to the direction defined between the expansion chamber and the compression chamber.
  • the regenerator and the connection channel may be composed of several tubular channels dug in the thickness of the component material.
  • this regenerator may allow the circulation of the working fluid in a plane perpendicular to this same direction defined between the expansion and compression chambers.
  • the surface of the regenerator may be larger.
  • the expansion chamber and the compression chamber are arranged in two distinct components, and connected by pipes connecting the different chambers in an appropriate manner.
  • the distance between the compression chamber and the expansion chamber is further increased so as to increase the temperature difference between these two chambers and thus the efficiency of the device.
  • the device according to the invention may comprise a synchronization mechanism between the movement of the displacer of the element acting as a piston.
  • This synchronization mechanism comprises non-compulsorily a pressure chamber arranged so that the surface of the element acting as a piston, opposite the compression chamber is subjected to this pressure.
  • the frequency associated with the element acting as a piston engine can then be modified by the adjustment of this pressure by a suitable device.
  • This synchronization mechanism may also comprise non-compulsorily stops which limit the displacement amplitude of the element acting as piston to a value ensuring the optimal operation of the device used in motor mode.
  • a device for controlling the element acting as a piston engine can also be added. He then understands electromechanical converter associated with a control circuit that controls the amplitude and / or the frequency and / or the damping associated with the element acting as a piston.
  • the design of the device according to the invention allows it to be used as a motor, in order to transform a thermal energy into a mechanical energy, or as a cooler, that is to say in order to transform a mechanical energy in thermal energy.
  • the mechanical energy produced at the element acting as piston can be used and converted in various ways, for example into electrical energy, by the use of converters of varied type such as electrostatic, electromagnetic or piezoelectric for example. It may be noted that in this case, the converter used may be part of the engine control device.
  • the piston acting on the compression chamber may be associated with a member capable of causing displacement by the use of converters of various types such as electrostatic, electromagnetic or piezoelectric for example.
  • Figure 1 is a schematic sectional view of the main part of the device according to the invention, shown only with respect to the essential elements in connection with the invention.
  • Figures 2 and 3 are sectional views of alternative solutions for the positioning and orientation of the regenerator and the embodiment of the displacer.
  • Figure 4 is a sectional view along the plane IV-IV of Figure 3, showing specific arrangements of the regenerator and the connection channel.
  • Figures 5 and 6 are schematic sectional views of two alternative embodiments showing the device made in the form of two interconnected components.
  • Figure 7 is a sectional view of an alternative embodiment relating to the location of the various characteristic chambers of the invention.
  • Figures 8 and 9 are sectional views of Figure 7 along the plane respectively VIII-HIV 'and IX-IX'.
  • FIG. 1 illustrates such a device (1), in which only the elements essential to the understanding of the invention are shown, and in which the entire environment of the invention, which may be necessary for the operation, is not represented. of the invention.
  • the device (1) illustrated in FIG. 1 comprises an expansion chamber (2), a compression chamber (3), which are connected by a regenerator (4).
  • the device (1) also comprises a complementary chamber (5) which is separated from the expansion chamber (2) by a displacer mechanism (6).
  • This complementary chamber (5) is connected to the compression chamber (3) via a connection channel (7), or generally by a specific connection.
  • the compression chamber (3) has one of its walls
  • the displacer (6) has its upper face (12) which is in contact with the expansion chamber (2), whereas the lower face (13) of this same displacer (6) is in contact with the complementary chamber ( 5), connected to the compression chamber (3).
  • the specific connection (7) maintains a temperature difference between the intermediate chamber (5) and the compression chamber (3), so that the temperature gradient inside the displacer (6) is smaller than in traditional systems, assuming the same theoretical yield.
  • the lower face (13) of the displacer (6) has a smaller area than the surface of the upper face (12) of the same regenerator, which is in contact with the expansion chamber (2).
  • This dissymmetry between the two faces of the displacer is advantageous with regard to starting and maintaining an optimum phase shift between the movement of the displacer and that of the piston associated with the compression chamber.
  • This asymmetry can be generated by different geometries of the two faces (12) and (13) of the displacer (6), or the presence of specific stiffeners present on one of its two faces.
  • the embodiment of the displacer (6) can integrate the taking into account of the stiffness parameters that it is desired to give the displacer.
  • the expansion chamber (2) is thermally connected to a heat source (not shown), which can be of very different natures.
  • a heat source not shown
  • it may be a contact with a room of combustion, or a thermal sensor, capable of receiving energy by conduction, convection or radiation.
  • the piston (8), mobile during operation of the device can be associated with various electrical converters for transforming the movement of the piston (8) into an electrical energy acting according to different principles, depending on the applications.
  • the conversion can take place by a piezoelectric, electrostatic or electromagnetic effect for example.
  • the device according to the invention can be made within the same component, as illustrated in FIGS. 2 and 3.
  • the expansion chamber (22) is connected to the chamber compression (23) via the regenerator (24).
  • the complementary chamber (25) is itself connected to the compression chamber (23) via the connection channel (27).
  • regenerator and the connection channel (24, 27) have a multi-tubular configuration, parallel to the direction (28) connecting the compression chamber (23) to the expansion chamber (22).
  • these regenerators are constituted by channels dug in the thickness of the material (26) separating the complementary chamber (25) from the compression chamber (23).
  • the expansion chamber (32) is connected to the compression chamber (33) via the regenerator composed of a first portion (34) tubular, parallel to the direction
  • FIG. 4 illustrates the geometry that can adopt the different elements that constitute the active part of the regenerator.
  • a first fraction of this active part of the regenerator is illustrated with channels (40) separated by quasi-rectilinear portions (41). These channels (40) make it possible to define a relatively large contact area, and to limit the pressure drops caused by the passage of the working fluid within the active part of the regenerator.
  • the elements making it possible to play the thermal buffer effect are in the form of studs (43) distributed in staggered rows, in the event that it is desired to create turbulences in the to improve the heat exchange between the working fluid and the active elements of the regenerator.
  • the device according to the invention can be realized by conventional techniques in the field of the embodiment of MEMS.
  • membranes can be made from films that are stretched to generate a uniform tension in the thickness thereof.
  • the stretched films thus claimed will be assembled on the device so as to obtain the displacer on the one hand and the piston on the other hand.
  • this voltage will be such that the dynamic behavior of the device according to the invention depending on the resonant frequencies of the membranes acting as piston and displacer is adapted to the operating conditions.
  • the configuration illustrated in Figures 5 and 6 has an advantage in terms of thermal insulation between the expansion chamber and the compression chamber. More specifically, the expansion chamber (52) illustrated in Figure 5 is separated from the complementary chamber (55) via the displacer (56), which has an asymmetrical configuration.
  • the expansion chambers (52) and complementary (55) are formed inside a first component (51), which comprises different pipes (58), (59) for connection with a second component (60) which encloses the compression chamber (53), the regenerator (54) and the specific connection (57).
  • the pipes (62, 63) connecting the two components (51, 60) have the geometry and in particular the desired length, depending on the distance between the two components (51, 60).
  • the two components (51, 60) are shown side by side, and may in particular be made at the same substrate.
  • the pipes (66) connecting the expansion chamber (52) and the regenerator (54), as well as the pipe (67) connecting the complementary chamber (55) and the connecting channel (57) are made appropriate, either outside the two components (51, 60), or can be formed in the thickness of the material to achieve both components and geometric implantation constraints.
  • FIG. 7 Such a configuration is particularly described in Figure 7 in which the expansion chamber (72) is formed above the complementary chamber (75) from which it is separated by the displacer (76).
  • the compression chamber (73) is formed in an offset portion of the overall component, and has a piston (78) defining the upper portion. This piston (78) can move between abutments (79, 80) formed respectively in the compression chamber (73) and the volume (81) located on the other side of the piston (78).
  • the compression chamber is connected to the complementary chamber by a pipe (83), which could include a thermal device (not shown).
  • the compression chamber (73) is connected to the expansion chamber (72) via the regenerator, a part (84) of which appears in FIG. 8, and which is extended by an additional fraction (85).
  • the two portions (84, 85) of the main regenerator are connected by a portion passing through the thickness which separates the two section planes VIII-HIV ', IX-IX'.
  • the compression and expansion chambers have a circular geometry, favorable to their mechanical strength.
  • the device according to the invention has the major advantage of allowing miniaturization Stirling machines, while maintaining a satisfactory level of performance, by maintaining a significant temperature difference between the chamber of relaxation and the compression chamber.
  • the absence of complex kinematics and connections makes it possible to overcome the problems of mechanical wear of parts in relative movement and the appearance of play generating shocks and vibrations.
  • the low inertia in motion also limit the vibrations transmitted by the device to its environment thus limiting the noise generated.
  • the device according to the invention can find multiple applications, among which include the micro generation of electrical energy, the recovery and recovery of thermal energy, as well as the cooling of electronic systems in particular.
  • the necessary thermal energy is generated by catalytic combustion and the device according to the invention allows the efficient conversion of heat energy into mechanical energy finally converted into usable electrical energy by a converter built into the device.
  • Electrical generation may also be envisaged by operating the device according to the invention in series and arranged in such a way that the thermal energy of the environment (solar radiation, thermal energy dissipated by a process) is converted efficiently. in electrical energy.
  • the device according to the invention used in cooler mode can be applied to the cooling of electronic computer components that require temperature control.
  • the range of temperature difference accessible by the use of a device operating in the Stirling cycle makes it possible to envisage its use in low temperature cooling applications for thermal camera infrared sensors for example.

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Abstract

Dispositif miniaturisé (1), apte à fonctionner comme moteur ou refroidisseur selon un cycle thermodynamique de Stirling, comportant une chambre de détente (2) et une chambre de compression (3), reliées par l'intermédiaire d'un régénérateur (4) permettant le passage du fluide de travail de la chambre de détente (2) à la chambre de compression (3), et inversement, sous l'effet de mouvement d'un mécanisme déplaceur (6), une fraction (8) de la chambre de compression étant mobile pour modifier le volume de ladite chambre de compression à la manière d'un piston, caractérisé en ce qu'il comporte également une chambre complémentaire (5), reliée à la chambre de compression (3) par l'intermédiaire d'un canal de connexion complémentaire (7), ladite chambre complémentaire étant à une température intermédiaire entre la température de la chambre de compression et la température de la chambre de détente, ladite chambre complémentaire étant séparée de ladite chambre de détente (2) par le mécanisme déplaceur (6).

Description

DISPOSITIF MINIATURISE APTE A FONCTIONNER COMME
MOTEUR OU REFROIDISSEUR SELON UN CYCLE THERMODYNAMIQUE DE STIRLING
Domaine technique
L'invention se rattache au domaine des systèmes microélectroniques mécaniques, également appelés MEMS pour "Microelectromechanical System". Elle vise plus particulièrement des microsystèmes ou dispositifs miniaturisés permettant d'assurer une conversion d'énergie mécanique en chaleur et inversement. Elle concerne plus spécifiquement des dispositifs miniaturisés fonctionnant selon un cycle thermodynamique de Stirling, et en particulier selon les configurations dites α et β de ce type de machine thermique.
Techniques antérieures De façon générale, une machine thermique fonctionnant selon un cycle thermodynamique de Stirling comprend une chambre de détente et une chambre de compression qui sont reliées par l'intermédiaire d'un régénérateur, permettant le passage d'un fluide de travail, qui est généralement un gaz, de la chambre de détente à la chambre de compression et inversement, sous l'effet du mouvement d'un piston couramment appelé "déplaceur". Un piston "moteur" permettant le transfert d'énergie sous forme de travail mécanique est mobile dans une fraction de la chambre de compression, afin d'en modifier le volume. Les mouvements du piston déplaceur et du piston moteur sont synchronisés et leur déphasage est maintenu par un dispositif synchronisateur, pour assurer un fonctionnement optimal selon un cycle de Stirling.
En effet, un cycle thermodynamique idéal de Stirling, pour un fonctionnement en mode moteur, enchaîne quatre phases au cours desquelles le fluide de travail, subit les transformations suivantes : à savoir, un chauffage à volume constant, une détente isotherme, puis un refroidissement à volume constant, suivi d'une compression isotherme. Dans le cadre d'un fonctionnement en mode moteur, la chambre de compression est thermiquement reliée à une source de chaleur, de sorte que le fluide de travail dans la chambre de compression se trouve à une température plus faible que dans la chambre de détente.
Les moteurs dits "Stirling" ont déjà été développés pour des fonctions de locomotion et comme sous système pour la génération électrique. La réversibilité du moteur Stirling est également mise à profit afin de produire du froid de façon industrielle. Des développements ont également été réalisés pour miniaturiser ce type de moteur, et notamment pour le réaliser par des techniques utilisées dans le domaine de la microélectronique. De tels dispositifs appartiennent ainsi à la catégorie générale des systèmes microélectromécanique ou MEMS pour
"Microelectromechanical System" .
Ainsi, les documents US 5 457 956, US 5 749 226, US 6 385 973 décrivent les dispositifs MEMS fonctionnant selon des cycles de Stirling. De tels mécanismes regroupent donc dans un espace confiné très réduit l'ensemble des éléments permettant le fonctionnement du moteur ou du refroidisseur Stirling. Un autre exemple de moteur Stirling réalisé à partir de structure MEMS est décrit dans le document WO 97/13956. Dans certaines configurations envisagées dans ce document, la chambre de compression peut intégrer une fraction d'un échangeur thermique permettant d'échanger de la chaleur avec la région latérale du dispositif. La présence de cette fraction d'échangeur sépare la chambre de compression en deux parties qui sont toutefois à la même température du fait de la forte conductivité thermique de la fraction d'échangeur, nécessaire pour un bon coefficient d'échange.
Un problème se pose avec ce type de dispositif, dans la mesure où leur miniaturisation conduit inévitablement à une réduction de leur performance. Plus précisément, le rendement thermodynamique idéal d'un moteur de Stirling est égal à 1-TD/TC, où TD est Tc sont les températures qui régnent respectivement dans les chambres de détente et de compression. On conçoit donc que le rendement est d'autant plus élevé que l'écart en température entre la chambre de détente et la chambre de compression est importante. Or, plus un dispositif est miniaturisé, plus la chambre de détente se trouve à proximité de la chambre de compression, de sorte que l'isolation thermique entre les deux chambres ne peut pas être maintenue efficacement.
En d'autres termes, la chaleur dissipée au niveau de la chambre de détente provoque une augmentation de la température dans la chambre de compression par conduction thermique au travers des éléments du système, et donc une réduction de l'écart de température, synonyme de baisse de rendement.
Ainsi, avec les matériaux couramment utilisés dans l'industrie des MEMS, l'isolation thermique entre les deux chambres, lorsqu'elles sont séparées de quelques microns n'est pas satisfaisante.
Un problème que se propose donc de résoudre l'invention est celui de conserver des performances satisfaisantes en termes de rendement thermodynamique, et ce tout en autorisant une configuration particulièrement compacte.
Le document US 5 941 079 décrit plusieurs combinaisons de structures élémentaires de dispositifs Stirling. De telles architectures imposent des dispositions particulières afin d'être piloté. En effet, en régime permanent, le réglage du décalage de phase entre le mouvement du piston déplaceur lié à la chambre de détente, et du piston moteur lié à la chambre de compression est obtenu par une conception appropriée des caractéristiques dynamiques du piston déplaceur et du piston moteur associée aux phénomènes de dissipation d'origine visqueuse au sein du régénérateur. Dans le cas d'un fonctionnement de type moteur, le démarrage puis la synchronisation des mouvements du piston déplaceur et du piston moteur ne peut être obtenu que par la commande au travers d'un dispositif d'actionnement de ceux-ci. Le convertisseur utilisé peut être alors de type électromécanique, piézoélectrique, électrostatique ou electrostrictif. Un autre objectif de l'invention est de proposer une structure de moteur ou refroidisseur Stirling ne nécessitant pas le pilotage simultané du mécanisme déplaceur et du piston moteur pour obtenir le fonctionnement désiré.
Exposé de l'invention
L'invention concerne donc un dispositif miniaturisé, qui est apte à fonctionner comme moteur ou comme refroidisseur, selon un cycle thermodynamique de Stirling. De façon classique, un tel dispositif comporte une chambre de détente et une chambre de compression, qui sont reliées par l'intermédiaire d'un régénérateur permettant le passage du fluide de la chambre de détente à la chambre de compression et inversement, sous l'effet du mouvement d'un mécanisme déplaceur, également dénommé simplement déplaceur.
De façon classique, une fraction de la chambre de compression est mobile, afin d'en modifier le volume, à la manière d'un piston.
Conformément à l'invention, ce dispositif se caractérise en ce qu'il comporte également une chambre complémentaire, qui est reliée à la chambre de compression par l'intermédiaire d'un canal de connexion complémentaire. Cette chambre complémentaire est séparée de la chambre de détente par le mécanisme déplaceur. Cette chambre complémentaire est à une température intermédiaire entre la température de la chambre de compression et la température de la chambre de détente.
Autrement dit, par rapport aux configurations classiques le dispositif selon l'invention comporte une chambre supplémentaire, qui permet de ramener l'effet de pression existant dans la chambre de compression sur la face du déplaceur opposée à la chambre de détente. Le canal de connexion complémentaire ainsi que les dispositions et matériaux choisis permettent de maintenir une différence de température substantielle entre la chambre de compression et la chambre complémentaire. En d'autres termes, contrairement aux systèmes classiques dans lesquels les deux faces du déplaceur sont au contact respectif des chambres de détente et de compression, le dispositif conforme à l'invention est remarquable en ce que le déplaceur est au contact indirect de la chambre de compression par l'intermédiaire de la chambre complémentaire caractéristique.
De la sorte, cette chambre complémentaire peut être à une température intermédiaire entre celle de la chambre de détente et la chambre de compression. Ainsi, la différence de température entre les deux faces du déplaceur est moindre que dans les systèmes classiques, à écart de température constant entre chambre de détente et chambre de compression.
Il est donc possible de réaliser des dispositifs miniaturisés, possédant un rendement satisfaisant, malgré une très faible épaisseur du dispositif déplaceur pouvant alors être réalisé par des moyens classiques d'obtention de membranes micrométriques.
Avantageusement en pratique, le canal de connexion reliant la chambre complémentaire à la chambre de compression peut inclure une disposition thermique spécifique, de manière à maintenir une différence de température entre la chambre de compression et la chambre complémentaire, et ainsi favoriser une différence de température significative entre la chambre de compression et la chambre de détente.
En pratique, cette différence de température peut être maintenue par divers dispositifs. Ainsi, on peut prévoir un dispositif actif de régulation de la température du gaz circulant dans le canal de connexion. Ce dispositif peut comporter des thermo-éléments qui réchauffent ou refroidissent ce gaz, en fonction des besoins. Avantageusement, le dispositif de régulation peut être formé par un régénérateur complémentaire. Selon une autre caractéristique de l'invention, le déplaceur possède deux surfaces de contact, respectivement avec la chambre de détente et la chambre complémentaire, qui présentent des aires différentes. Autrement dit, la surface de contact entre le déplaceur et la chambre de détente est typiquement plus importante que la surface de contact entre la chambre complémentaire et le même déplaceur. Cette dissymétrie présente des avantages par rapport à la conception du mécanisme qui assure l'auto démarrage et le maintien d'un déphasage optimal entre le mouvement du déplaceur et celui du piston associé à la chambre de compression. En effet, dans un fonctionnement de type moteur, le démarrage peut être obtenu par le choix approprié des caractéristiques dynamiques du déplaceur et de l'élément jouant le rôle de piston moteur. Le système dynamique formé par le mécanisme déplaceur et l'élément jouant le rôle de piston, stable jusqu'au différentiel de température entre la chambre de détente et la chambre de compression devient dynamiquement instable au-delà de ce différentiel de température grâce à la rétroaction en pression sur la surface du déplaceur en contact avec le fluide contenu dans la chambre complémentaire. Cette instabilité entraîne la mise en mouvement du déplaceur et de l'élément jouant le rôle de piston à la moindre perturbation. L'amplitude des déplacements augmente de telle sorte que des phénomènes de dissipation non linéaires modifient la dynamique du système pour atteindre un point de fonctionnement stable. La synchronisation des mouvements du déplaceur et de l'élément jouant le rôle de piston est alors dépendante des caractéristiques dynamiques du mécanisme déplaceur et du piston ainsi que des phénomènes de dissipation d'origine visqueuse dans le régénérateur et le canal complémentaire. De plus, une limitation mécanique de l'amplitude du mouvement de l'élément jouant le rôle de piston moteur peut également être mise en œuvre de façon à obtenir les caractéristiques thermodynamiques souhaitées.
En pratique, le régénérateur, ainsi qu'éventuellement le canal de connexion peuvent être agencés de différentes manières, en fonction des propriétés du fluide de travail, des performances thermiques souhaitées et des technologies disponibles.
Ainsi, plus précisément, la circulation du fluide de travail dans le régénérateur et le ou les canaux de connexion peut s'effectuer selon une direction parallèle à la direction définie entre la chambre de détente et la chambre de compression. Dans ce cas, le régénérateur ainsi que le canal de connexion peuvent être composés de plusieurs canaux tubulaires creusés dans l'épaisseur de la matière du composant.
Dans une autre variante, ce régénérateur peut autoriser la circulation du fluide de travail dans un plan perpendiculaire à cette même direction définie entre les chambres de détente et de compression. Dans ce cas, la surface du régénérateur peut être plus importante. En fonction du type de conception de régénérateur, il est ainsi possible d'ajuster les pertes de charge prenant naissance à la traversée du ou des régénérateurs, ainsi que l'écart en température entre les deux extrémités du régénérateur.
Selon une autre caractéristique de l'invention, il est possible que la chambre de détente et la chambre de compression soient aménagées dans deux composants distincts, et reliées par des canalisations assurant la connexion entre les différentes chambres de façon appropriée. De la sorte, on augmente encore la distance entre la chambre de compression et la chambre de détente, afin donc d'accroître la différence de température entre ces deux chambres, et donc le rendement du dispositif.
En pratique, le dispositif conforme à l'invention peut comporter un mécanisme de synchronisation entre le mouvement du déplaceur de l'élément jouant le rôle de piston. Ce mécanisme de synchronisation comprend de manière non obligatoire une chambre sous pression aménagée de telle sorte que la surface de l'élément jouant le rôle de piston, opposée à la chambre de compression est soumise à cette pression. La fréquence associée à l'élément jouant le rôle de piston moteur peut alors être modifiée par l'ajustement de cette pression par un dispositif adapté. Ce mécanisme de synchronisation peut comprendre également de manière non obligatoire des butées qui limitent l'amplitude de déplacement de l'élément jouant le rôle de piston à une valeur assurant le fonctionnement optimal du dispositif utilisé en mode moteur. Un dispositif de pilotage de l'élément jouant le rôle de piston moteur peut également être ajouté. Il comprend alors un convertisseur électromécanique associé à un circuit de commande qui permet de piloter l'amplitude et/ou la fréquence et/ou l'amortissement associés à l'élément jouant le rôle de piston.
La conception du dispositif conforme à l'invention lui permet d'être utilisable en moteur, dans le but de transformer une énergie thermique en une énergie mécanique, ou bien en refroidisseur, c'est-à-dire en vue de transformer une énergie mécanique en énergie thermique.
De multiples configurations peuvent être envisagées pour la liaison thermique entre les chambres de détente et de compression et les sources de chaleur. Il est ainsi possible de prévoir des agencements particuliers tels que des ailettes, de manière à augmenter la surface d'échange avec les sources de chaleur.
Pour un fonctionnement en mode moteur, l'énergie mécanique produite au niveau de l'élément jouant le rôle de piston peut être utilisée et convertie de différentes manières, par exemple en énergie électrique, par l'emploi de convertisseurs de type varié tel qu'électrostatique, électromagnétique ou piézoélectrique par exemple. On peut noter que dans ce cas, le convertisseur utilisé peut faire partie du dispositif de pilotage du moteur.
A l'inverse, dans le cas d'un fonctionnement en mode refroidisseur, le piston agissant sur la chambre de compression peut être associé à un organe apte à en provoquer le déplacement par l'emploi de convertisseurs de type varié tel qu'électrostatique, électromagnétique ou piézoélectrique par exemple.
Description sommaire des figures
La manière de réaliser l'invention ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description du mode de réalisation qui suit, à l'appui des figures annexées dans lesquelles : La figure 1 est une vue en coupe schématique de la partie principale du dispositif conforme à l'invention, montrée uniquement dans ce qui concerne les éléments essentiels en rapport avec l'invention.
Les figures 2 et 3 sont des vues en coupe de solutions alternatives concernant le positionnement et l'orientation du régénérateur ainsi que la réalisation du déplaceur.
La figure 4 est une vue en coupe selon le plan IV-IV de la figure 3, montrant des agencements spécifiques du régénérateur et du canal de connexion.
Les figures 5 et 6 sont des vues en coupe schématiques de deux variantes de réalisation montrant le dispositif réalisé sous la forme de deux composants interconnectés.
La figure 7 est une vue en coupe d'une variante de réalisation concernant l'emplacement des différentes chambres caractéristiques de l'invention.
Les figures 8 et 9 sont des vues en coupe de la figure 7 selon le plan respectivement VIII-VIH' et IX-IX'.
Manière de réaliser l'invention
Comme déjà évoqué, l'invention concerne un dispositif miniaturisé, du type MEMS, fonctionnant selon un cycle thermodynamique de Stirling. La figure 1 illustre un tel dispositif (1), dans lequel sont uniquement montrés les éléments essentiels à la compréhension de l'invention, et dans laquelle n'est pas représenté tout l'environnement de l'invention, qui peut être nécessaire au fonctionnement de l'invention.
Ainsi, le dispositif (1) illustré dans la figure 1 comporte une chambre de détente (2), une chambre de compression (3), qui sont reliées par un régénérateur (4). Conformément à l'invention, le dispositif (1) comporte également une chambre complémentaire (5) qui est séparée de la chambre de détente (2) par un mécanisme déplaceur (6).
Cette chambre complémentaire (5) est reliée à la chambre de compression (3) par l'intermédiaire d'un canal de connexion (7), ou de manière générale par une connexion spécifique. La chambre de compression (3) présente une de ses parois
(8) qui est mobile, de manière à pouvoir faire varier son volume. Cette paroi jouant le rôle de piston (8) se déplace à l'intérieur d'un volume (9) prévu à cet effet. En fonction de la configuration de ce volume (9), de la pression qui y règne, et de la nature du gaz qu'il contient, on peut favoriser l'isolation thermique entre les chambres de compression et de détente.
Ainsi, le déplaceur (6) possède sa face supérieure (12) qui est au contact de la chambre de détente (2), tandis que la face inférieure (13) de ce même déplaceur (6) est au contact de la chambre complémentaire (5), reliée à la chambre de compression (3). La connexion spécifique (7) assure le maintien d'une différence de température entre la chambre intermédiaire (5) et la chambre de compression (3), de telle sorte que le gradient de la température à l'intérieur du déplaceur (6) est plus réduit que dans les systèmes traditionnels, à hypothèse de rendement théorique identique.
Comme illustré à la figure 1, la face inférieure (13) du déplaceur (6) présente une superficie inférieure à la superficie de la face supérieure (12) du même régénérateur, qui est en contact avec la chambre de détente (2). Cette dissymétrie entre les deux faces du déplaceur est avantageuse en ce qui concerne le démarrage et le maintien d'un déphasage optimal entre le mouvement du déplaceur et celui du piston associé à la chambre de compression.
Cette dissymétrie peut être générée par des géométries différentes des deux faces (12) et (13) du déplaceur (6), ou bien la présence de raidisseurs spécifiques présents sur l'une de ses deux faces. La réalisation du déplaceur (6) peut intégrer la prise en compte des paramètres de raideur que l'on souhaite donner au déplaceur.
Dans le cas où le dispositif (1) fonctionne en moteur, la chambre de détente (2) est thermiquement reliée à une source de chaleur (non représentée), qui peut être de natures très diverses. Ainsi, il peut s'agir d'un contact avec une chambre de combustion, ou bien un capteur thermique, susceptible de recevoir de l'énergie par conduction, convection ou radiation.
De même, le piston (8), mobile au cours du fonctionnement du dispositif peut être associé à divers convertisseurs électriques permettant de transformer le mouvement du piston (8) en une énergie électrique agissant selon différents principes, en fonction des applications. Ainsi, la conversion peut intervenir par un effet piézoélectrique, électrostatique ou électromagnétique par exemple.
En pratique, le dispositif conforme à l'invention peut être réalisé au sein d'un même composant, comme illustré aux figures 2 et 3. Ainsi, comme illustré à la figure 2, la chambre de détente (22) est reliée à la chambre de la compression (23) par l'intermédiaire du régénérateur (24). La chambre complémentaire (25) est elle- même reliée à la chambre de compression (23) par l'intermédiaire du canal de connexion (27).
Dans cette configuration, le régénérateur et le canal de connexion (24, 27) présentent une configuration pluritubulaire, parallèle à la direction (28) reliant la chambre de compression (23) à la chambre de détente (22). Autrement dit, ces régénérateurs sont constitués par des canalisations creusées dans l'épaisseur de la matière (26) séparant la chambre complémentaire (25) de la chambre de compression (23).
Dans une configuration alternative, illustrée à la figure 3, la chambre de détente (32) est reliée à la chambre de compression (33) par l'intermédiaire du régénérateur composé d'une première portion (34) tubulaire, parallèle à la direction
(38) reliant les chambres de compression (33) et de détente (32). Cette première portion (34) se prolonge par une portion plane (35), s'étendant dans un plan perpendiculaire à la direction (38) reliant les chambres de compression et de détente. Une troisième portion (36) parallèle à la direction (38) relie la portion plane (35) du régénérateur à la chambre de compression. La figure 4 illustre la géométrie que peut adopter les différents éléments qui constituent la partie active du régénérateur. Ainsi, une première fraction de cette partie active du régénérateur est illustrée avec des canaux (40) séparés par des portions quasi rectilignes (41). Ces canaux (40) permettent de définir une surface de contact relativement importante, et de limiter les pertes de charge occasionnées par le passage du fluide de travail au sein de la partie active du régénérateur.
Dans la fraction gauche du régénérateur illustrée à la figure 4, les éléments permettant de jouer l'effet tampon thermique se présentent sous la forme de plots (43) répartis en quinconce, dans l'hypothèse où l'on souhaite créer des turbulences dans le but d'améliorer l'échange thermique entre le fluide de travail et les éléments actifs du régénérateur.
De manière générale, le dispositif conformément à l'invention peut être réalisé par des techniques classiques dans le domaine de la réalisation des MEMS. Selon l'échelle des dispositifs, il est également possible d'employer d'autres techniques, permettant de réaliser des membranes. Ainsi, ces membranes peuvent être réalisées à partir de films qui sont étirés de manière à générer une tension uniforme dans l'épaisseur de ceux-ci. Les films étirés ainsi prétendus seront assemblés sur le dispositif de manière à obtenir le déplaceur d'une part et le piston d'autre part. Avantageusement, cette tension sera telle que le comportement dynamique du dispositif conformément à l'invention dépendant des fréquences de résonances des membranes jouant le rôle de piston et déplaceur soit adapté aux conditions de fonctionnement.
La configuration illustrée aux figures 5 et 6 présente un avantage en termes d'isolation thermique entre la chambre de détente et la chambre de compression. Plus précisément, la chambre de détente (52) illustrée à la figure 5 est séparée de la chambre complémentaire (55) par l'intermédiaire du déplaceur (56), qui présente une configuration dissymétrique. Les chambres de détente (52) et complémentaire (55) sont réalisées à l'intérieur d'un premier composant (51), qui comporte différentes canalisations (58), (59) permettant la liaison avec un second composant (60) qui renferme la chambre de compression (53), le régénérateur (54) et la connexion spécifique (57). Les canalisations (62, 63) qui relient les deux composants (51, 60) présentent la géométrie et notamment la longueur souhaitée, en fonction de l'éloignement des deux composants (51, 60).
Dans la configuration illustrée à la figure 6, les deux composants (51, 60) sont représentés cote à cote, et peuvent notamment être réalisés au niveau d'un même substrat. Dans ce cas, les canalisations (66) reliant la chambre de détente (52) et le régénérateur (54), ainsi que la canalisation (67) reliant la chambre complémentaire (55) et le canal de connexion (57) sont réalisés de manière appropriée, soit à l'extérieur des deux composants (51, 60), soit peuvent être formés dans l'épaisseur même du matériau permettant de réaliser les deux composants et des contraintes géométriques d'implantation.
Une telle configuration est notamment décrite à la figure 7 dans laquelle la chambre de détente (72) est réalisée au-dessus de la chambre complémentaire (75) dont elle est séparée par le déplaceur (76). La chambre de compression (73) est réalisée dans une portion décalée du composant global, et présente un piston (78) qui définit la partie supérieure. Ce piston (78) peut se déplacer entre des butées (79, 80) formées respectivement dans la chambre de compression (73) et le volume (81) situé de l'autre côté du piston (78).
Comme illustré à la figure 1, la chambre de compression est reliée à la chambre complémentaire par une canalisation (83), qui pourrait inclure un dispositif thermique (non représenté). De même, la chambre de compression (73) est reliée à la chambre de détente (72) par l'intermédiaire du régénérateur, dont une partie (84) apparaît sur la figure 8, et qui se prolonge par une fraction supplémentaire (85) visible à la figure 9. Les deux portions (84, 85) du régénérateur principal sont reliées par une portion traversant l'épaisseur qui sépare les deux plans de coupe VIII-VIH', IX-IX'. Bien entendu, beaucoup d'autres géométries peuvent être adoptées pour améliorer différents facteurs, liés soit aux performances du dispositif, soit à des contraintes technologiques de fabrication ou d'intégration. Dans la forme illustrée aux figures 7 à 9, les chambres de compression et de détente présentent une géométrie circulaire, favorable à leur robustesse mécanique.
Il ressort de ce qui précède que le dispositif conforme à l'invention présente l'avantage majeur de permettre une miniaturisation des machines Stirling, tout en conservant un niveau de rendement satisfaisant, par le maintien d'un écart de température important entre la chambre de détente et la chambre de compression. De plus, l'absence de cinématique complexe et de liaisons permet de s'affranchir des problématiques d'usure mécanique de pièces en mouvement relatif et de l'apparition de jeu générant chocs et vibrations. Les faibles inerties en mouvement limitent également les vibrations transmises par le dispositif à son environnement limitant ainsi le bruit généré.
Applications industrielles
Le dispositif conforme à l'invention peut trouver de multiples applications, parmi lesquelles on peut citer la micro génération d'énergie électrique, la récupération et valorisation d'énergie thermique, ainsi que le refroidissement de systèmes électroniques notamment.
Dans le cas de la génération électrique, à partir d'une source d'énergie chimique, l'énergie thermique nécessaire est générée par combustion catalytique puis le dispositif conforme à l'invention permet la conversion efficace de l'énergie thermique en énergie mécanique finalement convertie en énergie électrique exploitable par un convertisseur intégré au dispositif. La génération électrique pourra être également envisagée par l'exploitation du dispositif conforme à l'invention en série et disposé de telle façon à ce que l'énergie thermique de l'environnement (rayonnement solaire, énergie thermique dissipée par un processus) est convertie efficacement en énergie électrique. Le dispositif conforme à l'invention utilisé en mode refroidisseur peut être appliqué au refroidissement de composants électroniques informatiques qui nécessitent un contrôle en température. La gamme de différence de température accessible par l'utilisation de dispositif fonctionnant en cycle de Stirling permet d'envisager son utilisation dans les applications de refroidissement à basse température pour les capteurs infrarouge de caméra thermique par exemple.

Claims

REVENDICATIONS
1/ Dispositif miniaturisé (1), apte à fonctionner comme moteur ou refroidisseur selon un cycle thermodynamique de Stirling, comportant une chambre de détente (2) et une chambre de compression (3), reliées par l'intermédiaire d'un régénérateur (4) permettant le passage du fluide de travail de la chambre de détente (2) à la chambre de compression (3), et inversement, sous l'effet de mouvement d'un mécanisme déplaceur (6), une fraction (8) de la chambre de compression étant mobile pour modifier le volume de ladite chambre de compression à la manière d'un piston, caractérisé en ce qu'il comporte également une chambre complémentaire (5), reliée à la chambre de compression (3) par l'intermédiaire d'un canal de connexion complémentaire (7), ladite chambre complémentaire étant à une température intermédiaire entre la température de la chambre de compression et la température de la chambre de détente, ladite chambre complémentaire étant séparée de ladite chambre de détente (2) par le mécanisme déplaceur (6).
2/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le canal de connexion inclut un régénérateur complémentaire (7).
3/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mécanisme déplaceur (6) possède deux surfaces de contact (12, 13), respectivement avec la chambre de détente (2) et la chambre complémentaire (5), qui présentent des aires différentes.
4/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le régénérateur principal (24) et/ou le canal de connexion complémentaire (27) permettent une circulation du fluide de travail selon une direction parallèle à la direction (28) définie entre la chambre de détente (22) et la chambre de compression (23).
5/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le régénérateur principal (35) et/ou le canal de connexion complémentaire permettent une circulation du fluide de travail dans un plan perpendiculaire à la direction (38) définie entre les chambres de détente (32) et de compression (33).
6/ Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la chambre de détente (52) et la chambre de compression (53) sont aménagées dans deux composants distincts (51, 60) et reliés par des canalisations (62, 63).
Il Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un mécanisme de synchronisation entre le mouvement du déplaceur et le mouvement de l'élément jouant le rôle de piston.
8/ Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la chambre de détente est thermiquement reliée à une source de chaleur et comporte éventuellement des agencements augmentant la surface d'échange avec la source de chaleur.
9/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément jouant le rôle de piston ou l'élément jouant le rôle de déplaceur est associé à un organe apte à en provoquer le déplacement.
10/ Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément jouant le rôle de piston est associé à un organe apte à convertir son énergie mécanique en énergie électrique.
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