Etude des performances thermiques d'un échangeur réticulaire

Study of the thermal performances of a reticular type regenerator

• Auteur / Autrice : Samuel Bonnet
• Direction : Nicolas Luchier, Frédéric Ayela
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Inscription en doctorat le 16/12/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Service des Basses Températures

Mots clés

Mots clés libres

Transferts Thermiques

Mecanique des fluides

Très Basses Températures

Heat Transfers

Fluid Mechanics

Very Low Temperatures

Résumé

CONTEXTE SOCIÉTAL Les satellites d'astrophysique ou d'observation de la terre nécessitent des Cryo réfrigérateurs pour refroidir leurs détecteurs. Ces dispositifs doivent répondre aux exigences d'un encombrement et masse réduites, entre autres. Les tubes à gaz pulsé (TGP) sont des Cryo réfrigérateurs adaptés aux applications spatiales par sa fiabilité. Une réduction de sa taille passe par une hausse de la fréquence de travail. Le cœur du fonctionnement d'un TGP est constitué par un régénérateur. Des chercheurs soutiennent qu'une hausse de la fréquence de travail (normalement située entre 30 et 50 Hz) amplifie les pertes mécaniques à l'intérieur du régénérateur, en dégradant les performances du TGP. Les travaux de Lopes et Vanapalli montrent qu'une diminution du diamètre hydraulique interne et du volume mort du régénérateur favorise l'augmentation de la fréquence de travail. Les structures classiques des régénérateurs (des tissus métalliques ou des billes) laissent très peu de marge à la miniaturisation et à l'optimisation géométrique. Selon des études numériques, des nouveaux types de régénérateurs composés d'un réseau d'éléments profilés peuvent dépasser les performances des régénérateurs classiques. Ce type de régénérateur peut être reproduit par des techniques de micro fabrication en silicium. Lors de deux précédent travaux de thèse [Sochinskii 2018 (financé par LANEF) et Bataille 2023 (co-financé par le CNES)], nous avons réalisé la caractérisation hydraulique des micro structures gravés en silicium en régime stationnaire, en régime oscillatoire et en régime transitoire. Dans ce nouveau projet, nous proposons l'étude des échanges thermiques à l'intérieur de ces structures (entre la matrice solide et le gaz de travail). CONSORTIUM Ce projet sera mené par le SBT en collaboration avec le LEGI. PROGRAMME SCIENTIFIQUE ET STRUCTURATION DU PROJET Ce travail va se focaliser sur les aspects thermiques d'un écoulement stationnaire et oscillant à l'intérieur d'un régénérateur de type réticulaire. Il va se dérouler en suivant les étapes ci-après : - Étude expérimentale préliminaire des performances thermiques de micro-régénérateur en régime stationnaire avec de l'eau comme fluide de travail et comparaison aux simulations d'A. Sochinskii. Les mesures pourront être réalisés à l'aide de capteur de température. La distribution spatiale de la chaleur dans l'échantillon sera apprécié grâce à l'emploi d'une caméra thermique (accès au champ 2D de température sur une face de l'échangeur), ce qui est difficilement possible en conditions cryogéniques. Ce travail permettra de préparer la suite de l'étude. - Étude numérique préliminaire de la thermique en régime oscillant sera réalisée en simulant le comportement d'une trentaine de motifs. Les simulations seront réalisées sous OpenFoam sur le cluster du LEGI. - Fabrication de nouveaux échantillons compatibles avec une étude en écoulement oscillant, diminution de masse non utile (diminution de l'enveloppe de l'échangeur, maximisation de la surface d'échange), passage à l'utilisation de connectique brasées pour éliminer le porte échantillon - Etude expérimentale des performances thermiques de micro-régénérateur avec de l'hélium en conditions cryogéniques en régime stationnaire puis en régime oscillant : expériences réalisées sous vide dans un cryostat déjà présent au SBT/CEA.

Next-generation astrophysics or earth observation satellites use cryocoolers to cool detectors to cryogenic temperatures. These low temperatures make it possible to achieve unequaled sensitivities, particularly for observation in the infrared or X-ray domain. Devices intended for space missions must meet the following requirements: reliability, efficiency and reduced size and mass. Scientific context: Pulsed tube cryocoolers (PTC) are suitable for space applications due to their reliability and low level of induced mechanical vibrations. The oscillator is the most bulky element of a PTC. It has been shown that a reduction in its size necessarily leads to an increase in work frequency (Lopes et al. 2012). The PTC heart consists of a regenerator. It is a porous medium which alternately absorbs and release the sensible heat of a gas which oscillates in its interior. When designing a regenerator, in order to obtain the best performance, we mainly seek to reduce pressure losses and maximize heatmetallic fabrics or metallic spheres. The flow in this type of porous media depends on the average compactness of the network, the average size of the pores. Under these architectures, the operating frequency is between 30 and 50 Hz. Several researchers have observed a degradation in the efficiency of PTC at high frequencies with this type of technical solution (Ju et al 1998; Nam and Jeong 2003; Zhao and Cheng 1996). Authors maintain that this loss of performance may be the result of an amplification of mechanical losses by effects of compressibility of the gas in oscillating regime. Other work has shown that the internal structure of the regenerator plays a decisive role in limiting the loss of efficiency of the regenerator, in particular a reduction in its diameter hydraulic is more favorable to an increase in frequency. In this sense, Lopes et al (2012) and Vanapalli (2007a) succeeded in manufacturing PTCs which work at frequencies above 100 Hz using a regenerator in metallic fabrics of very fine wires -below 25 um-. Unfortunately, this type of architecture has a very limited level of miniaturization and let very little opportunity for geometric optimization. For several years, in order to overcome these limits imposed by conventional structures, several research teams are working on the development of a new generation of regenerators innovative solutions based on perfect control of the geometry of the network composing the porous medium.