Développement d'un tube à gaz pulsé très haute fréquences

Development of a pulse tube cooler working at very high frequency

• Auteur / Autrice : Diogo Carvalho Lopes
• Direction : Alain Ravex
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 27/09/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Tixador
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alain Ravex, Jean-Marc Duval, James Butterworth, Christophe Daniel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Grégoire Bonfait, Alphons De Waele

Mots clés

Mots clés libres

Cryogréfrigérateurs

Cryogénie

Hautes fréquences

Inertances

Régénérateur

Tube à gas pulsé

Cryocooler

Cryogenics

High Frequencies

Inertances

Regenerator

Pulse tube

Résumé

Les pulses tubes sont des cryoréfrigérateurs similaires aux machines Stirling mais sans pièce mobile à froid, ce qui diminue les vibrations et augmente leur fiabilité. Toutes ces caractéristiques sont les bienvenues pour les applications spatiales, un domaine où le poids et la taille de la machine sont critiques. C'est dans ce cadre qui s'insère la recherche sur la miniaturisation des pulses tubes ; pour le réussir, on peut diminuer le volume déplacé pendant un cycle de la machine, en augmentant simultanément la fréquence d'opération. Pour savoir quels sont les limitations à l'augmentation de fréquence, des simulations sur le comportement du régénérateur et l'inertance à très hautes fréquences ont été faits; une étude expérimentale sur les pertes thermiques dans le tube a été aussi élaborée; et, finalement, des prototypes de pulse tube ont été dimensionnés et caractérisés, l'un desquels satisfait les spécifications initialement données : 0.25 W à 120 K avec 20 W puissance mécanique, à 100 Hz.

Pulse Tubes are a kind of cryocoolers similar to Stirling refrigerators, apart from the cold mobile element, absent in the first, which lessens their exported vibrations and increases their reliability. Spatial applications seek these characteristics for the instruments embarked, along with small weight and size. These needs stimulate the research on pulse tube miniaturization; to achieve this reduction, one can decrease the swept volume per cycle, whilst increasing the frequency of operation. To understand the barriers to carry out very high frequency operation, simulations on the behavior of the regenerator and inertances were made, as well as an experimental study on the thermal losses of the expansion tube. Finally, several very high frequency pulse tube prototypes were built and benchmarked, one of which fulfills the requirements we had initially set : 0.25 W at 120 K, with 20 W of input power at 100 Hz.