Pompes de Knudsen et Leur Application Potentielle à l'Actionnement de Micro-Muscles Pneumatiques Artificiels
Auteur / Autrice : | Dingdong Zhang |
Direction : | Stéphane Colin, Bertrand Tondu, Marcos javier Rojas cardenas |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Dynamique des fluides |
Date : | Soutenance le 09/10/2023 |
Etablissement(s) : | Toulouse, INSA |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : ICA-Institut Clément Ader - Institut Clément Ader / ICA |
Jury : | Président / Présidente : Irina Graour |
Examinateurs / Examinatrices : Marcos javier Rojas cardenas, Gwenn Ulliac | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Irina Graour, Gian Luca Morini |
Mots clés
Mots clés contrôlés
Résumé
Les micropompes de Knudsen sont des micropompes sans aucune pièce mobile, également connues sous le nom de micropompes à transpiration thermique ou de compresseurs Knudsen. Elles sont capables de créer des écoulements de gaz avec un débit généré uniquement par un gradient de température appliqué le long des parois solides de la pompe, c'est-à-dire sans nécessiter de gradient de pression. En revanche, elles peuvent créer une différence de pression et générer du vide. Ces micropompes peuvent être utilisées pour diverses applications, telles que la production de vide, la séparation des gaz, la chromatographie en phase gazeuse, l'échantillonnage des gaz, la dissipation de la chaleur, etc. C'est pourquoi elles ont suscité l'intérêt de plusieurs chercheurs au cours des dernières décennies. Différentes conceptions de pompes de Knudsen ont ainsi été proposées, dans le but d'optimiser les performances en termes de différence de pression et de débit massique.Le présent travail vise à concevoir une micropompe de Knudsen spécifique pour l'actionnement de micro-muscles pneumatiques artificiels contrôlés par un niveau de vide, et à étudier la manière de la fabriquer.Les muscles artificiels, également connus sous le nom d'actionneurs de type musculaire, peuvent être actionnés par des stimuli externes conduisant à différentes déformations. Un type de muscle artificiel est le muscle artificiel pneumatique (PAM) ; il est actionné par une différence de pression imposée entre le volume interne du muscle et l'environnement externe. Ces dernières années, un nouveau type de PAM a été développé. Il est contrôlé par un niveau de vide, au lieu d'être gonflé comme les muscles pneumatiques conventionnels. Comme les pompes de Knudsen sont adaptées à la production de vide et ont des dimensions très réduites, elles pourraient être des outils particulièrement adaptés à la commande des micro-PAM. Le couplage des pompes de Knudsen avec des micro-muscles artificiels pneumatiques apparaît comme un champ d'investigation original et innovant, avec des défis scientifiques et techniques passionnants. Les applications potentielles pourraient concerner des micronageurs, des microrobots et des micro-préhenseurs, ou des microsystèmes plus complexes destinés à la conversion et le stockage d'énergie.Dans le présent travail, un design original de pompe de Knudsen à plusieurs étages est proposé et analysé numériquement à l'aide d'un outil capable d'optimiser le concept en fonction des performances souhaitées pour le muscle pneumatique contrôlé. Chaque étage de la pompe de Knudsen est constitué de plusieurs microcanaux parallèles reliés à de petits réservoirs. Différents types de microcanaux sont conçus, fabriqués avec succès et caractérisés expérimentalement avec des écoulements de gaz raréfiés, afin de démontrer la capacité du processus de fabrication à fabriquer une pompe de Knudsen complète, étanche et fiable. Des mini et micro-muscles réalisés par impression 3D sont également conçus et leur comportement est étudié numériquement et expérimentalement. La combinaison des pompes de Knudsen et des micro-muscles artificiels est ensuite analysée. Un concept initial et des calculs préliminaires des performances dynamiques d'une telle combinaison sont proposés, conduisant à des perspectives pour un futur microdispositif complet.