Réfrigérateur thermoacoustique "compact" (modélisation, conception, évaluation)

Abstract

La conception et réalisation de nouveaux réfrigérateurs thermoacoustiques de petites dimensions et à faible coût a compté parmi les axes d études dans ce domaine ces dernières années. Le développement de ces systèmes repose essentiellement sur la réduction d échelle des réfrigérateurs classiques et l usage de sources piézoélectriques. Mais la demande de systèmes miniaturisés pour l évacuation de la chaleur des composants microélectroniques ouvre la voie à de nouvelles études en vue de leur modélisation et de leur conception. C est ainsi que le travail effectué sur ce sujet comporte trois volets : -i- Etude analytique de sources piézoélectriques couplées aux résonateurs thermoacoustiques, faisant usage d une description améliorée du système piézoélectriques et de sa charge acoustique, qui a révélé des comportements non prévus, -ii- Présentation par extension des résultats analytiques de la littérature, d une méthode qui permet de mieux identifier les paramètres influant sur le comportement du cœur des systèmes thermoacoustiques en vue de son optimisation de fonctionnement (ici le maximum du gradient de température dans le stack), -iii- Conception et réalisation sur la base des résultats théoriques mentionnés ci-dessus, d un réfrigérateur thermoacoustique compact, et étude expérimentale confirmant en première approche les résultats théoriques. Les résultats de ces travaux et les idées qu ils ont portées permettent d ores et déjà d énoncer les exigences essentielles qu il convient de satisfaire dans la réalisation de ce nouveau type de réfrigérateur thermoacoustique compact, réalisation par technique MEMS pour le cœur du système et faisant usage de transducteurs piézoélectriques.In recent years, there has been a strong motivation for designing new thermoacoustic refrigerators involvong smaller dimensions and lower power consumption. Attempts to develop practical devices have been concentrated on both reducing th escale of the classical refrigerators and adapting piezoelectric sources. But the need for providing advances in modelling and designing miniaturized systems arises when dealing with the heat transfert from microelectronic components. Therefore, the aim of the work done on this subject is threefold : -i- To invistigate analytically the behaviour of the coupling between piezoelectric sources and thermoacoustic resonators, using a revisited description for the acoustically loaded piezoelectric system which conveys significant improvements and new (unexpected) results, -ii- To derive a method, extending analytical results available in the literature, to identify more deeply the parameters which govern the optimal behaviour of the core of the thermoacoustic systems (here the highest temperature gradient allowed in the stack), -iii- To design a miniaturized compact thermoacoustic refrigerator using the theoretical results obtained from the method mentioned above, and to show agreements and discrepancies between theoretical and experimental results. Requirements that have to be taken into account in the design of new kind of miniaturized compact thermoacoustic refrigerators (using MEMS techniques for the core and adapted piezoelectric transducers) can be adressed from results obtained and the ideas conveyed in this work.LE MANS-BU Sciences (721812109) / SudocSudocFranceF