Pompes de Knudsen et Leur Application Potentielle à l'Actionnement de Micro-Muscles Pneumatiques Artificiels

Knudsen Pumps and Their Potential Application to Artificial Pneumatic Micro-Muscles Actuation

• 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 (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICA-Institut Clément Ader - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Irina Graour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marcos javier Rojas cardenas, Gwenn Ulliac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Irina Graour, Gian Luca Morini

Mots clés

Mots clés contrôlés

Gaz raréfiés, Dynamique des

Microfluidique

Mots clés libres

Microfluidique

Pompes de Knudsen

Gaz raréfiés

Polymérisation à deux photons

Micro-Muscles artificiels

Microfluidics

Knudsen pumps

Rarefied gas

Two-Photon polymerization

Artificial micro-Muscles

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.

Knudsen micropumps are micropumps without any moving part, which are also known as thermal transpiration micropumps or Knudsen compressors. They are able to pump gases with a flow generated by only a temperature gradient applied along the solid walls of the pump, i.e. without need of any pressure gradient. On the other hand, they can create a pressure difference and generate vacuum. These micropumps can be used for a variety of applications, such as vacuum generation, gas separation, gas chromatography, gas sampling, heat dissipation, etc. For this reason, they have attracted the interest of various researchers in the past few decades. Different designs of Knudsen pumps have thus been proposed, in an attempt to optimize performances in terms of pressure difference and mass flowrate.The present work aims to design and path the way to manufacture a specific Knudsen micropump for the actuation of artificial pneumatic micro-muscles controlled by a level of vacuum.Artificial muscles, also known as muscle-like actuators, can be driven by external stimuli leading to different deformations. One kind of artificial muscle is the so-called pneumatic artificial muscle (PAM); it is actuated by a pressure difference imposed between the inner volume of the muscle and the external environment. In recent years, a new kind of PAM has been developed. It is controlled by a level of vacuum, instead of being inflated like conventional pneumatic muscles. As Knudsen pumps are suitable for generating vacuum and have very small dimensions, they could be powerful tools for the control of micro-PAM. Coupling Knudsen pumps with pneumatic artificial micro-muscles appears as an original and innovative field of investigation with interesting scientific and technical challenges. The potential applications could concern micro swimmers, micro robots and micro grippers, or more complex microsystems designed for energy conversion and storage.In the present work, an original design of multistage Knudsen pump is proposed and analyzed numerically with a tool able to optimize the design according to the desired performances of the controlled pneumatic muscle. Each stage of the Knudsen pump is made of several parallel microchannels connected to small reservoirs. Different kinds of microchannels are designed, successfully manufactured and experimentally characterized with rarefied gas flows, to demonstrate the suitability of the fabrication process to manufacture the complete Knudsen pump, which should be leak free and reliable. Some 3D printed mini- and micro-muscles are also designed, and their behavior is numerically and experimentally investigated. The combination of Knudsen pumps and artificial micro-muscles is then analyzed. An initial concept and preliminary calculations of the dynamic performances of such a combination are proposed, leading to perspectives for a future complete microdevice.