Brevet FR2717563A1 — publié le 19950922

REFROIDISSEUR A GAZ PULSE L'invention concemrne un refroidisseur à gaz pulsé et plus particulièrement un micro-refroidisseur à tube. Les dispositifs réfrigérateurs les plus utilisés sont basés sur des machines "Stirling", des cryostats à azote liquide, des orifices à détente Joule-Thomson, des machines à condensation et des éléments Peltier. Parmi les machines fonctionnant en continu, seuls les Stirling et les éléments Peltier se prêtent à la miniaturisation. Le réfrigérateur Stirling remarquable dans ce domaine ("Ba't") a une puissance de refroidissement de 150 mW à 80 K, pour une puissance d'entrée de 6 W et un poids de 0,4 kg. Par contre, le principe du cycle Stirling est générateur de vibrations, et limite la durée de vie à 2 000 heures (à cause des pièces mobiles à froid). Les refroidisseurs à éléments Peltier nécessitent un minimum de 3 étages pour obtenir un flux de puissance à 200 K égal à 50 mW, en considérant que le radiateur chaud n'est qu'à 300 K Dans ces conditions, la puissance électrique nécessaire est de l'ordre de 5 W (ou 4 W avec 6 étages). Les thermoéléments permettant d'atteindre des différentiels de température de plus de 130 K sont rares: ils ne sont donc pas assez performants si la température du radiateur est supérieure à 60 C. L'invention concerne un refroidisseur qui permet une amélioration importante des machines basées sur ce principe. A puissance utile égale, il présente un certain nombre d'avantages: - autonomie et rendement comparables aux machines Stirling; - durée de vie d'autant plus grande qu'il n'y a pas de pièce mobile à froid; - utilisation en continu pendant toute la durée de vie du système; - poids et volume restreints, ajustables en fonction de l'application (température et puissance); - absence de rechargement de fluide, la nature de celui- ci n'étant pas imposée par la température de fonctionnement; - possibilité de miniaturisation pour les applications à faible puissance "froide", sans dégradation notable du rendement; - vibrations mécaniques limitées en amplitude et sur une bande de fréquence très étroite. L'invention concemrne donc un refroidisseur miniature à gaz pulsé caractérisé en ce qu'il comporte: - un tube creux dont une première extrémité est fermée par un premier échangeur de chaleur et une deuxième extrémité est fermée par un deuxième échangeur de chaleur; - un système de pompage alternatif relié à la première extrémité et provoquant une circulation de fluide de la première extrémité du tube à travers le premier échangeur vers la deuxième extrémité; - un réservoir relié par un orifice calibré au deuxième échangeur et à la deuxième extrémité de façon à recevoir du fluide provenant de la deuxième extrémité du tube à travers le deuxième échangeur; - un radiateur couplé thermiquement au deuxième échangeur; le premier échangeur étant destiné à être couplé à un élément (charge) à refroidir. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un schéma de principe général du refroidisseur à tube à gaz pulsé connu de l'homme du métier; - la figure 2, un mode de réalisation détaillé du refroidisseur selon l'invention; la figure 3, une variante de réalisation du refroidisseur selon l'invention. Le système de la figure 1 comporte: - un tube I aux extrémités duquel sont disposés des échangeurs de chaleur 2 et 3, en communication avec un espace régénérateur 4 d'une part, et d'autre part avec un réservoir 5 au travers d'un orifice 6; - un oscillateur de pression 7 qui maintient une onde de pression dans le tube 1 en agissant au travers du régénérateur 4; - un radiateur 8 pour évacuer la chaleur transmise par l'échangeur 3. Dans ces conditions, I'échangeur 2 situé du côté du régénérateur 4 cède de la chaleur au gaz se refroidissant à la détente, avant d'être thermalisé par le régénérateur 4: il constitue donc le point froid du système refroidisseur. Un circuit de délestage 9 peut être utilisé pour améliorer les performances du système en dérivant directement vers le tube 6 une partie du flux transmis au régénérateur 4. Selon l'invention, un tel refroidisseur peut être réalisé sous forme miniature et peut être destiné à refroidir un élément de petites dimensions. L'utilisation des techniques de la microélectronique permet de conserver un faible coût de production, une réduction des volumes "morts" (thermodynamiquement, et même du point de vue encombrement) et une compatibilité technologique avec la majorité des circuits électroniques (détecteurs infrarouges, capteur de champ magnétique ou amplificateur faible bruit). La figure 2 représente un exemple de réalisation détaillé d'un tel microrefroidisseur à tube pulsé conformément à l'invention. Dans la figure 2, nous avons utilisé les mêmes références que celles de la figure I pour désigner les mêmes éléments. On voit donc sur la figure 2 que le refroidisseur selon l'invention est rendu compact et peut être miniaturisé en raison de la disposition de ses éléments constitutifs de la manière suivante: Le tube 1 est accolé au régénérateur 4. L'échangeur 2 est à l'extrémité de sortie supérieure du tube 1 et communique avec un dispositif de charge 20 conçu pour être couplé avec un dispositif à refroidir (non représenté) et pour être capable de capter la chaleur de ce dispositif. L'extrémité supérieure du régénérateur 4 communique avec l'échangeur 2. L'extrémité opposée du régénérateur 4 comporte une cavité 71 fermée par un dispositif capable de comprimer l'air contenu dans la cavité. Ce dispositif, selon la figure 2, est une membrane 70. Un dispositif tel qu'un piézoélectrique 72 appuie périodiquement sur la membrane 70 pour comprimer le gaz contenu dans la cavité 71. La réalisation de la membrane peut prendre d'autres formes de réalisation. Elle peut être réalisée en matériau piézoélectrique et porter, sur ses deux faces, des électrodes. Elle va pouvoir se déformer et faire office de pompe. L'oscillation de la membrane peut aussi être générée par effet électrostatique. Par exemple, dans ce cas la membrane est munie d'une électrode de commande en tension et une deuxième électrode de commande en tension est prévue soit à l'intérieur de la cavité (sur la face 73 par exemple) soit à l'extérieur de la cavité sur une pièce fixe non représentée. L'échangeur 3 communique avec un réservoir 5 qui est également accolé au tube 1. L'échangeur 3 est solidaire thermiquement d'un dispositif d'évacuation thermique permettant d'évacuer la chaleur vers l'extérieur. Ce dispositif d'évacuation thermique peut être constitué d'une plaque 30 et d'un radiateur de refroidissement 8 couplés thermiquement à la plaque 30. La plaque 30 et le refroidisseur 8 sont en matériau conduisant bien la chaleur. Un matériau de faible conduction thermique (par exemple silice fondue ou résine polymère) est utilisé pour réaliser le tube 1, le régénérateur 4 et le réservoir 5. Les échangeurs 2 et 3 sont réalisés avec un matériau à forte conduction thermique et de préférence utilisable par les technologies de microfabrication (par exemple silicium, saphir, oxyde de béryllium, nitrure d'aluminium, CuW ou Mo). L'intégration de l'échangeur 2 à la charge (par exemple au dos du substrat d'un circuit électronique) constitue un couplage thermique intime entre le gaz et la charge, si la conduction thermique de la charge est grande. Dans le cas contraire, la charge sera posée sur la surface extérieure de l'échangeur 2, suffisamment grande pour assurer un bon contact thermique. La figure 3 montre un exemple de disposition dans ce dernier cas. Elle montre aussi par ailleurs une réalisation du circuit de délestage 9 (de la figure 1) sous la forme d'une paroi séparant le réservoir en deux zones dont l'une joue en plus le rôle de cavité résonante pour le système oscillateur. Dans cette forme de réalisation de la figure 3, le réservoir 5 est disposé en bout du tube 1 et englobe la membrane 70. Selon une réalisation préférée, les parois du réservoir 5 sont en matériau bon conducteur thermique et constitue la surface de refroidissement du dispositif à laquelle est accolé éventuellement un radiateur de refroidissement tel qu'un refroidisseur à ailettes 8. $ Sur la figure 3, la platine 20 à refroidir à laquelle est couplé le composant à refroidir contient dans son corps l'échangeur thermique 2. C'est cet échangeur thermique 2 qui fait communiquer le tube 1 avec le régénérateur 4. Le composant à refroidir est posé ou fixé sur la face supérieure de la platine 20. Cette disposition a été appliquée au mode de réalisation de la figure 3 mais pourrait être appliquée également au mode de réalisation de la figure 2. L'échangeur 3 est placé sur la face opposée à l'échangeur 2 pour éviter un court-circuit thermique entre les deux échangeurs. Les moyens 7 pour entretenir des oscillations de pression dans le tube sont, dans ces exemples, eux aussi intégrés au système refroidisseur: une membrane est maintenue en oscillation par effet électrostatique, le circuit de commande pouvant aussi être intégré à la structure, notamment si l'échangeur 3 est en silicium. Dimensionnement: En supposant que le gaz utilisé est monoatomique (hélium), la relation liant la puissance q extraite au niveau de l'échangeur froid aux dimensions du système est: _ o x Il+x -2/ q =31 Vré Po fl0 i+1{G-i1 O Vrés est le volume du réservoir, f = o/2c est la fréquence de l'oscillateur de pression, P0 est la pression moyenne du gaz, x est le taux de modulation de la pression; x est la constante de temps d'équilibre de la pression du réservoir au travers de l'orifice 6 d'impédance Ro: = R0.3/5. VrY R.Tb o Tb est la température de l'échangeur chaud, R la constante des gaz parfaits, et R0 est déterminé par la nature du gaz et la géométrie de l'échangeur. Pour un trou cylindrique de longueur I et de diamètre D, et un gaz de viscosité n Ro = 128 l /T0D4 En prenant q de l'ordre de 50 mW et e">>l, on trouve D = 30 pm pour l = 50 pm. Par ailleurs, la masse de gaz injectée dans le tube au cours de la phase de compression est donnée par la relation approchée suivante: M 3M ve x 12x ++(1+x 2/5$ Nu ?g Vrés Pb i++i-1ii+ J- o M est la masse molaire du gaz. Ceci permet d'exprimer la capacité de l'oscillateur de pression par le débit volumique Dv correspondant à la température ambiante To: Dv RTb TO x o 12x +1+x2/5 v Ta2,R =+ oaIo + l1 s -x La puissance mécanique à fournir de l'ordre de PODv, est donc reliée à q par la relation. 12x (1+_-)2/5 -+1+1 PFOD v/q= TO 5 1-x Ta +25 (l-- x -1 Son inverse, correspondant au rendement peut être approximé par 2xTa pour les faibles valeurs de x. TO0 Donc la puissance mécanique de l'oscillateur de pression nécessaire à obtenir 50 mW à 200 K est de l'ordre de 0,4 W si on choisit un taux de modulation de pression de 10 %. Prenons P0 = 1 Atmosphère, alors Dv = 4 cm31s. Le volume déplacé par période au niveau de l'oscillateur de pression, pour une fréquence de 100 Hz, est donc de 40 mm3. D'après le taux de compression choisi égal à 10 %, on en déduit que le volume total de gaz à utiliser est de l'ordre du cm3. Si l'orifice 6 est intégré à l'échangeur 3 par gravure de fentes ou de trous dans l'échangeur, ceux-ci seront dimensionnés à l'aide des formules adéquates de l'hydrodynamique, de façon à obtenir l'impédance R0 désirée. Une optimisation de cette géométrie assurera un transfert de chaleur du gaz vers l'échangeur maximum. De manière générale si l'on considère que l'échangeur 3 ne possède qu'un seul trou et que ce trou est cylindrique, son diamètre sera de l'ordre de 50 pm (D = 30 pm dans le calcul précédent) et de toute façon inférieur à 100 à 200 pm. Il sera donc réalisé selon les techniques de la microélectronique. Si ce trou n'est pas cylindrique, son impédance R0 et donc la surface de sa section droite doit être équivalente à celle du trou cylindrique, c'est-à-dire de l'ordre de 500 pm et quoi qu'il en soit inférieur à environ 50 000 pm2 = 0,05 mm2 (inférieur à 10 000 à 50 000 pm2). Si l'on prévoit n trous, leur surface d'échange thermique globale doit être équivalente à celle d'un trou unique au sens de la formule s précédente R0 = 128 UiI/D4N. Par exemple au lieu d'un trou cylindrique de diamètre 100 pm on pourra avoir 256 trous de diamètre 25 pour chacun. En ce qui concerne l'échangeur 2, il doit avoir une impédance plus faible que celle de l'échangeur 3. Il doit donc avoir des trous de dimensions de section droite (diamètre) supérieures à celles des trous de l'échangeur 3. Néanmoins, les trous de l'échangeur 2 seront aussi petits que possible, ils seront donc très légèrement plus grands que ceux de l'échangeur 3. Ce système permet de refroidir localement toute charge demandant une faible puissance de refroidissement, avec un grand rendement. Il pourra refroidir des circuits électroniques o la température intervient soit par activation thermique, par exemple refroidissement de détecteur infrarouge du type diode; soit par le bruit thermique, par exemple refroidissement de dispositif de type amplificateur, détecteur infrarouge de type pyroélectrique, ou d'autres dispositifs et matériaux dont les caractéristiques dépendent de la température par exemple détecteurs de champ magnétique (MMM). Il peut être monté dans un système à plusieurs étages, et même associé à des éléments Peltier servant de premier étage. REVENDICATIONS 1. Refroidisseur à gaz pulsé miniature comportant: - un tube (1) creux dont une première extrémité est équipée d'un premier échangeur de chaleur (2) destiné à être couplé à un élément (charge) à refroidir, et une deuxième extrémité est équipée d'un deuxième échangeur de chaleur (3); un régénérateur (4) couplant la première extrémité du tube (1) à un oscillateur de pression (7); - un réservoir (5) relié au deuxième échangeur et à la deuxième extrémité de façon à recevoir du fluide provenant de la deuxième extrémité du tube à travers le deuxième échangeur; - un radiateur (8) couplé thermiquement au deuxième échangeur (3); caractérisé en ce que le deuxième échangeur (3) possède au moins un trou faisant communiquer le tube (1) avec le réservoir (5), la surface de la section droite de ce trou étant inférieure à une valeur de l'ordre de 10 000 à 50 000 pm2; le premier échangeur (2) possède au moins un trou faisant communiquer le tube (1) avec le système de pompage, la dimension de la section droite de ce trou étant légèrement supérieure à celle du trou du deuxième échangeur (3). 2. Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trous sont cylindriques et que le deuxième échangeur (3) possède au moins un trou de diamètre maximal de l'ordre de 100 à 200 pm. 3. Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les échangeurs possèdent plusieurs trous dont l'impédance globale est équivalente à celle correspondant à un seul trou de section inférieure à 000 pm2 (ou 0,05 mm2). 4. Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur de pression comporte un système de pompage alternatif (7) relié au régénérateur (4) et provoquant une circulation de fluide de la première extrémité du tube à travers le premier échangeur vers la deuxième extrémité 5. Refroidisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tube (1), le réservoir (5) et le système de pompage (7) sont accolés et en ce que le tube (1) est en matériau isolant thermique. 6. Refroidisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le tube (1), le régénérateur (4), le réservoir (5) sont en matériau à faible conduction thermique et en ce que les échangeurs (2, 3) et le radiateur sont à forte conduction thermique. 7. Refroidisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'orifice calibré (6) est intégré dans le deuxième échangeur (3). 8. Refroidisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'orifice calibré (6) est constitué de fentes ou de trous pratiqués dans le deuxième échangeur (3). 9. Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque échangeur comporte une plaque (20, 30) en matériau bon conducteur thermique dont une zone de la plaque comporte des perforations reliant les deux faces opposées de la plaque et servant d'échangeur thermique, le reste de la plaque étant au moins en partie couplé thermiquement soit à la charge à refroidir soit au radiateur selon que l'échangeur correspondant de la plaque est le premier ou le deuxième échangeur. 10. Refroidisseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les plaques sont disposées dans deux plans parallèles et délimitent un volume dans lequel sont disposés le tube (1) et le réservoir (5). 11. Refroidisseur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le régénérateur (4) est juxtaposé audit volume. 12. Refroidisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le système de pompage comporte une membrane (70) fermant un espace (71) communiquant par le régénérateur avec la première extrémité du tube. 13. Refroidisseur selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif piézoélectrique (72) générant un déplacement périodique de la membrane (70). 14. Refroidisseur selon la revendication 12, caractérisé en ce que la membrane (70) comporte une première électrode de commande en tension et en ce qu'une deuxième électrode de commande est située en vis- à-vis de la première électrode sur une partie fixe du refroidisseur. 15. Refroidisseur selon la revendication 14, caractérisé en ce que la deuxième électrode est située dans la cavité sur une surface (73) faisant face à la membrane. 16. Refroidisseur selon la revendication 12, caractérisé en ce que le régénérateur (4) est couplé à l'espace (71) fermé par la membrane (70) selon un plan sensiblement parallèle au plan de la membrane et possède une section selon ce plan de surface nettement inférieure à la surface de la membrane. 17. Refroidisseur selon la revendication 12, caractérisé en ce que le réservoir (5) communique avec la face de la membrane opposée à celle fermant l'espace (71). 18. Refroidisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau à faible conduction thermique est de la silice ou une résine polymère. 19. Refroidisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau à forte conduction thermique est du silicium, du saphir, un oxyde de béryllium, un nitrure d'aluminium, du CuW ou du molybdène.