Thermally insulated microturbopump for on-chip Rankine cycle
Microturbopompe avec isolation thermique pour cycle Rankine sur puce
Résumé
Les micromoteurs thermiques (Power-MEMS) pourraient offrir une alternative aux batteries pour répondre aux besoins d’énergie compacte et distribuée pour des applications telles que l'électronique portable, les robots, les drones et les systèmes embarqués, les capteurs et les actionneurs. La microturbine à vapeur de cycle thermodynamique de Rankine fait partie de ce domaine de micromoteurs. Ce dispositif est destiné à la génération d’électricité à petite échelle à partir de la récupération de la chaleur perdue. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail est la fabrication et la démonstration expérimentale d’une microturbopompe à haute température pour implémenter le cycle de Rankine. Une configuration originale qui intègre l’isolation thermique est, tout d’abord, proposée. Cette configuration est constituée d’un empilement de cinq tranches (silicium et verre) pour enfermer un rotor hybride (silicium et verre) supporté par des paliers hydrostatiques. Le rotor est un disque de 4 mm de diamètre et de 400 µm d’épaisseur avec des pales de turbine sur le dessus et une pompe visqueuse à rainures en spirale sur le dessous. Une technique de micromoulage de verre a été développée dans ce travail pour intégrer du verre dans le rotor comme un matériau isolant thermiquement. La microturbopompe est fabriquée avec succès en utilisant les méthodes de microfabrication des MEMS. Tout d'abord, les paliers hydrostatiques, la turbine et le fonctionnement de la pompe sont caractérisés, jusqu'à une vitesse de rotation de 100 kRPM. La turbine a fourni 0,16 W de puissance mécanique et le débit de la pompe était supérieur à 2.55 mg/s. Ensuite, la première démonstration d'une turbopompe MEMS fonctionnant à des températures élevées a été réalisée. Une comparaison a été faite avec un rotor non isolé pour prouver l'efficacité des stratégies d'isolation thermique. La turbopompe MEMS isolée a été démontrée à 160°C du côté de la turbine. Par extrapolation, la microturbopompe devrait fonctionner jusqu'à une température de 400°C avant que la température dans la pompe n'atteigne 100°C. Pour la première fois, une microturbopompe pour un fonctionnement à haute température est fabriquée et caractérisée.
Les micromoteurs thermiques (Power-MEMS) pourraient offrir une alternative aux batteries pour répondre aux besoins d’énergie compacte et distribuée pour des applications telles que l'électronique portable, les robots, les drones et les systèmes embarqués, les capteurs et les actionneurs. La microturbine à vapeur de cycle thermodynamique de Rankine fait partie de ce domaine de micromoteurs. Ce dispositif est destiné à la génération d’électricité à petite échelle à partir de la récupération de la chaleur perdue. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail est la fabrication et la démonstration expérimentale d’une microturbopompe à haute température pour implémenter le cycle de Rankine. Une configuration originale qui intègre l’isolation thermique est, tout d’abord, proposée. Cette configuration est constituée d’un empilement de cinq tranches (silicium et verre) pour enfermer un rotor hybride (silicium et verre) supporté par des paliers hydrostatiques. Le rotor est un disque de 4 mm de diamètre et de 400 µm d’épaisseur avec des pales de turbine sur le dessus et une pompe visqueuse à rainures en spirale sur le dessous. Une technique de micromoulage de verre a été développée dans ce travail pour intégrer du verre dans le rotor comme un matériau isolant thermiquement. La microturbopompe est fabriquée avec succès en utilisant les méthodes de microfabrication des MEMS. Tout d'abord, les paliers hydrostatiques, la turbine et le fonctionnement de la pompe sont caractérisés, jusqu'à une vitesse de rotation de 100 kRPM. La turbine a fourni 0,16 W de puissance mécanique et le débit de la pompe était supérieur à 2.55 mg/s. Ensuite, la première démonstration d'une turbopompe MEMS fonctionnant à des températures élevées a été réalisée. Une comparaison a été faite avec un rotor non isolé pour prouver l'efficacité des stratégies d'isolation thermique. La turbopompe MEMS isolée a été démontrée à 160°C du côté de la turbine. Par extrapolation, la microturbopompe devrait fonctionner jusqu'à une température de 400°C avant que la température dans la pompe n'atteigne 100°C. Pour la première fois, une microturbopompe pour un fonctionnement à haute température est fabriquée et caractérisée.