Cryoréfrigérateur à tube à gaz pulsé pour applications spatiales travaillant à basses températures (4K-10K)

Pulse tube cryocooler for space applications working at low temperatures (4K-10K)

• Auteur / Autrice : Aurélia Charrier
• Direction : Bernard Rousset, Ivan Charles
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides, procédés, énergétique
• Date : Soutenance le 02/10/2015
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ingénierie - matériaux mécanique énergétique environnement procédés production (Grenoble ; 2008-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département des systèmes basses températures (Grenoble ; 1957-....)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Gandit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Bernard Rousset, Ivan Charles, Michel Piat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gaël Maranzana, François Pajot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Basses températures -- Recherche

Mots clés libres

Cryoréfrigérateur à tube à gaz pulsé

Régénérateur

Chaleur spécifique

Gaz réel hélium 4

Déphaseur actif

Pulse tube cryocooler

Regenerator

Specific heat

Real gas helium 4

Active phase shift

Résumé

Certaines missions d'astrophysique embarquent des détecteurs infrarouges ou X qui sont refroidis à des températures subkelvin via un système cryogénique qui comporte soit un bain d'hélium (comme pour Herschel), soit un réfrigérateur Joule-Thomson (comme pour Planck) pour le pré-refroidissement de l'étage subkelvin. Un doigt froid à tube à gaz pulsé ayant les mêmes performances qu'un Joule-Thomson pourrait offrir un certain nombre d'avantages pour les futures chaines cryogéniques (pas de pré-refroidissement nécessaire, simplicité d'intégration, fiabilité accrue).L'objectif de cette thèse concerne l'étude et la réalisation d'un doigt froid à tube à gaz pulsé 4K qui pourrait remplacer une machine Joule-Thomson. Deux principaux axes d'étude ont été menés parallèlement : des études sur les matériaux régénérateur et des études de performances. Des développements technologiques portant sur le régénérateur (étude et mise en forme de différents matériaux ayant des anomalies de chaleur spécifique à basse température) ont été menés afin d'améliorer les performances d'un doigt froid à tube à gaz pulsé haute fréquence (30Hz) travaillant avec de l'hélium 4.Cette thèse a permis d'obtenir la meilleure performance mondiale en terme de température limite en utilisant de l'hélium 4 et avec un pré-refroidissement à 20K. Une température limite de 3,86K a été obtenue et une puissance froide de 25mW est disponible à 5K. Cette thèse a également permis d'étudier l'effet du gaz réel sur le comportement de la machine, en particulier grâce à des mesures de profils de température du régénérateur. Cinq configurations différentes de régénérateur (variation de la répartition de chaleur spécifique le long du régénérateur froid) ont été testées. Elles ont permis de mieux comprendre le rôle de la répartition de la chaleur spécifique dans le régénérateur. Ces différentes mesures ont été complétées avec des études de fluctuations de températures pariétales réalisées à l'aide d'une centrale d'acquisition rapide (toutes les millisecondes).

Some astrophysics missions embark infrared or X detectors which are cooled down to subkelvin temperatures using a cryogenic cooling system that features helium bath (like for the Herschel satellite) or a Joule-Thomson cryocooler (like for the Planck satellite) for the precooling of the subkelvin cooling stage. A pulse tube cold finger which would have the same performances as a Joule-Thomson cryocooler could offer some advantages for future cryogenic chains (no need of precooling, simplicity of integration, increased reliability).The goal of this PhD is the making and the study of a pulse tube cold finger working at temperature around 4K which could replace a Joule-Thomson cryocooler. Two main lines have been worked on simultaneously : studies on materials for the cold regenerator and studies on the cold finger performances. Technological developments on the cold regenerator (including study and shaping of different materials with specific heat anomalies at low temperature) have been performed to enhance the performances of a cold finger working at high frequency (30Hz) with helium 4.The work done during this PhD led to the best no-load temperature never achieved using helium 4 and with a precooling of 20K. A no-load temperature of 3.86K has been obtained and 25mW of cooling power are available at 5K. In addition the effect of real gas on the cryorefrigerator operation has been studied in particular thanks to the measurement of regenerator thermal profiles. Five configurations with different regenerator fillings (variation of the distribution of the specific heat along the cold regenerator) have been tested. These five tests led to a better understanding of the role of the distribution of the specific heat in the regenerator. These measurements have been completed with studies of regenerator wall temperature fluctuations recorded thanks to a fast data acquisition system (each millisecond).