Premier pas vers la miniaturisation des cryoréfrigérateurs spatiaux

Next step towards the miniaturisation of space cryocoolers

• Auteur / Autrice : Arkadii Sochinskii
• Direction : Nicolas Luchier, Frédéric Ayela
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique appliquée
• Date : Soutenance le 26/10/2018
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département des systèmes basses températures (Grenoble ; 1957-....) - Laboratoire des écoulements géophysiques et industriels (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gian Luca Morini, Manuel Medrano Munoz, Damien Colombet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Irina Graour, Arnaud Cockx

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cryotechnique

Réfrigération et appareils frigorifiques

Transfert de chaleur

Mécanique des fluides

Mots clés libres

MEMS

Régénérateur

Tube à gaz pulsé

Microfabrication

Regenerator

MEMS

Friction factor

Nusselt number

DRIE

Pulse tube

Résumé

Ce travail a été effectué dans le cadre d’études de la miniaturisation d’un cryo-réfrigérateur de type tube à gaz pulsé (TGP) et particulièrement pour mieux comprendre l’écoulement et le transfert de chaleur dans un régénérateur, l’élément clé du TGP.Nous présentons les études numérique et expérimentale du facteur de frottement et du nombre de Nusselt pour les écoulements stationnaires et continus à nombre de Reynolds modéré O(1 − 100) au sein d’un régénérateur micro-fabriqué. L’influence de la porosité et de la géométrie est étudiée. La micro-structure précisément contrôlée représente des canaux incurvés de largeur de 10, 20 et 40 μm et de profondeur de 100 à 300 μm qui forment un réseau de colonnes ayant des profiles de losanges ou sinusoïdaux. Les micro-canaux sont gravés sur un substrat de silicium par la technologie DRIE. Une technologie d’implantation de thermomètres à l’intérieur de la micro-structure de régénérateur a été développée et mise en œuvre. Les performances des micro-régénérateurs ont été étudiées selon deux approches : la première se base sur le rapport des pertes de charges dans l’écoulement et de l’efficacité du transfert thermique (NPH/NTU) ; la deuxième, sur le coefficient de transfert de chaleur globale proposé par Bejan. L’étude numérique de ces deux critères montre tout le potentiel des micro-structures proposées.

This research is done in the framework of miniaturisation of pulse tube cryocoolers studies and especially to gain a better understanding of the mass flow and heat transfert in the regenerator, which is a crucial component of these type of cryocoolers.In this work we present a numerical and experimental study of the Darcy-Weisbach friction factor and Nusselt number for a continuous and steady flow at moderate Reynolds number O(1−100) in a micro-machined regenerators. The influence of porosity from 40 to 80 % and of the geometry parameters are studied. Well-controlled microstructures represent convoluted channels of 10, 20 or 40 μm width and 100 or 300 μm depth generated by rhombic- or sinusoidal-shaped columns.The channels are etched in Silicon wafers using DRIE MEMS technology. The thermometers are integrated inside the regenerator’s micro-structure to measure the temperature evolution. The efficiency of the regenerators is estimated using two different approaches : the first, as a ratio of pressure drop losses and heat transfer efficiency (NPH/NTU) ; the second, as a volumetric heat transfer density coefficient proposed by Bejan. The numerical study of the efficiency shows theinterest of proposed micro-structures.