Brevet FR2750481A1 — publié le 19980102

REFROIDISSEUR A GAZ PULSE L'invention concerne un refroidisseur à gaz pulsé et plus particulièrement un micro-refroidisseur à tubes. 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 Peitier. Parmi les machines fonctionnant en continu, seuls les Stirling et les éléments Peltier se prêtent à la miniaturisation. Le réfrigérateur Stirling ("Bat") 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 systèmes refroidisseurs exploitant les transformations thermodynamiques cycliques d'un gaz (e.g. cycle de Carnot) sont très utilisés actuellement pour leurs rendements énergétiques. Le cycle de Carnot est conceptuellement le plus simple, mais sa mise en oeuvre conduit rapidement à des pressions très élevées. Les autres cycles (Gifford Mac Mahon, Stirling, Brayton, Vuillemier ...) ont résolu ce problème par déformation du cycle de Carnot, mais nécessitent de ce fait un élément de stockage et restitution de la chaleur au cours du cycle en utilisant un régénérateur. Les figures la à le montrent en exemple le cycle de Stirling, et définit les phases successives (figures la à I d) de compression (pI), transfert de chaleur du gaz vers le régénérateur (p2), détente (p3) et transfert de chaleur du régénérateur vers le gaz (p4). Le diagramme de la figure le illustre le diagramme de Stirling par comparaison aux diagrammes de Carnot et d'Ericson. Le régénérateur doit avoir une capacité calorifique dimensionnée par rapport au volume de gaz qui le traversera, ainsi qu'une surface d'échange très grande pour une bonne efficacité du transfert. Cet élément apparaît souvent comme une limitation, surtout dans les systèmes où il est inséré comme une pièce mobile à froid. L'invention permet de résoudre ce problème. L'invention concerne donc un refroidisseur à gaz pulsé comportant deux refroidisseurs élémentaires comportant chacun un tube creux dont une première extrémité est équipée d'un premier échangeur de chaleur destiné à être couplé à un élément à refroidir (charge) et dont une deuxième extrémité est équipée d'un deuxième échangeur de chaleur destiné à évacuer la chaleur ; la première extrémité du tube de chaque refroidisseur élémentaire étant couplée hydrauliquement à un générateur alternatif de pression par l'intermédiaire d'un système de régénération de la chaleur qui provoque la circulation d'un fluide de refroidissement de la première extrémité d'un tube à travers le premier échangeur vers le deuxième échangeur et inversement ; ia deuxième extrémité du tube de chaque refroidisseur étant couplée à un réservoir; et les deux refroidisseurs élémentaires étant couplés entre eux par leurs systèmes de régénérations de la chaleur etlou leurs réservoirs. Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent: - les figures la à le, un système de refroidissement à cycle de Stirling décrit précédemment; - la figure 2, un système refroidisseur à gaz pulsé connu dans la technique; - la figure 3, un système à deux refroidisseurs à gaz pulsé couplés par des moyens d'échange de chaleur (entre eux). - la figure 4, un système à deux refroidisseurs à gaz pulsé couplé par les sorties des l'échangeurs de refroidissement; - la figure 5, une combinaison des systèmes des figures 3 et 4; - la figure 6, un exemple de réalisation d'un générateur de pression compact applicable à l'invention; - les figures 7 et 8, des exemples de schémas de réalisation de refroidisseurs selon l'invention; - les figures 9a à 9n, un exemple détaillé de réalisation d'un refroidisseur conforme au schéma de la figure 7. En se reportant à la figure 2, on va tout d'abord décrire un refroidisseur à gaz pulsé connu dans la technique tel que celui faisant l'objet de la demande de brevet français n" 94 03185 déposée ie 18 Mars 1994. Le système de la figure 2 comporte: - un tube 1 aux extrémités duquel sont disposés des échangeurs de chaleur 2 et 3, est 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 maintient une onde de pression dans le tube 1 en agissant au travers du régénérateur 4; - un radiateur 8 permet d'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 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 3 représente une première forme de réalisation d'un refroidisseur selon l'invention. Ce refroidisseur comporte des refroidisseurs élémentaires similaires chacun au refroidisseur de la figure 2. Chaque refroidisseur élémentaire comporte un tube à gaz pulsé (1, 1'), un réservoir (5, 5'), un serpentin (4, 4') et un générateur de pression (7, 7'). Les serpentins (4, 4') sont couplés thermiquement entre eux, ce qui permet un échange de chaleur entre les deux refroidisseurs élémentaires. Cela est schématisé sur la figure 3 par l'élément 14. Le système est ainsi divisé en deux sous-systèmes fonctionnant en opposition de phase, lorsque l'un des sous-systèmes est dans la phase (2) (transfert de chaleur du gaz vers le régénérateur), L'autre est alors dans la phase (4) (transfert de chaleur du régénérateur vers le gaz). Puisque l'on utilise un système d'échange de chaleur entre les deux sous-systèmes, la phase décrite ci-dessus peut se résumer à un transfert de chaleur du gaz du premier sous-système vers celui du second. Le rôle de stockage de la chaleur est alors rempli par les gaz eux-mêmes, et la capacité calorifique du système n'est plus essentielle: son seul rôle étant de permettre l'échange de chaleur entre les gaz des deux sous-systèmes, cet élément devient un échangeur. Un tel système présente l'avantage d'avoir des performances subordonnées à l'efficacité d'échange de chaleur entre les deux circuits de l'échangeur ainsi qu'à la quantité de gaz le traversant. La capacité calorifique du composant (régénérateur) n'étant plus nécessaire elle peut être réduite au maximum, gagnant ainsi sur le poids et le volume de l'ensemble. De plus, les techniques de microfabrication permettent actuellement de faire des échangeurs à faible coût, ce qui est moins facile pour les régénérateurs. La figure 4 représente un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel les deux refroidisseurs élémentaires sont couplés par les sorties des échangeurs 3 et 3'. Dans certains systèmes, par exemple les tubes à gaz pulsés, la nécessité de fermer le circuit pour éviter les contaminations impose de placer à l'extrémité du tube un réservoir. Celui-ci stocke le gaz après traversée de l'échangeur "chaud", et son volume, fonction de la puissance de refroidissement nécessaire, est en général supérieur à 10 fois le volume du tube. Dans l'exemple de réalisation de la figure 4, les réservoirs ont été supprimés et les sorties des tubes 1 et 1' du côté des échangeurs 3 et 3' ont été raccordées entre elles par une canalisation 15. Par rapport au système de la figure 2, cela revient à avoir deux tubes de volume moitié en communication avec le même réservoir mais en opposition de phase, la pression dans le réservoir reste constante et dans ce cas, le volume du réservoir n'intervient plus, car le rôle de stockage du gaz est rempli par un des deux tubes pulsés. Les réservoirs peuvent donc être supprimés. Un tel système présente l'avantage d'obtenir une réduction de volume du système très importante. De plus, la réduction des éléments constitutifs conduit à la réduction des volumes morts de communication entre eux. Les systèmes des figures 3 et 4 sont commandés par des générateurs de pression 7, 7' fonctionnant en opposition de phases. Ils peuvent être également commandés par un générateur commun fournissant sur deux sorties des cycles d'aspirationlcompression en opposition de phases comme cela est réalisé sur la figure 5. Le système de la figure 5 est une combinaison des systèmes des figures 3 et 4. Il possède deux tubes à gaz pulsés 1 et 1' dont les sorties vers les échangeurs 3, 3' sont couplées par une canalisation 15 et dont les régénérateurs sont remplacés par des serpentins d'échange de chaleur à contre-courant. Les deux serpentins peut être couplés par une paroi (Si) jouant le rôle de pont thermique. Le générateur de pression 17 de la figure 5 peut être réalisé comme représenté en figure 6. Il comporte une enceinte 20 contenant deux membranes 21, 22 déterminant dans l'enceinte un volume 23 et un ou plusieurs volumes 24, 24'. Une sortie 25 est raccordée au volume 23 et une sortie 26 est raccordée aux volumes 24, 24'. Les membranes 21, 22 sont à commande piézoélectrique par exemple et leurs mouvements induisent des effets complémentaires sur le volume 23 d'une part et sur les volumes 24, 24' d'autre part. II s'ensuit que les phases des pressions aux sorties 25, 26 sont en opposition. La figure 7 représente un schéma simplifié d'un mode de réalisation de l'invention construit autour d'un générateur de pression tel que celui de la figure 6. On retrouve sur cette figure le générateur de pression 17 de la figure 6. Les sorties 25 et 26 du générateur de pression sont raccordées respectivement aux serpentins d'échange de chaleur 4 et 4'. Ces serpentins connectent les sorties 25, 26 aux tubes 1 et 1'. Pour avoir une compacité du système, les tubes 1 et 1' sont disposés parallèlement à une face du générateur de pression. De même, les serpentins sont arrangés dans des plans parallèles au plan de cette face. Les échangeurs de chaleur 3 et 4 sont accolés à une face du générateur de pression. Un tel exemple de réalisation correspond au système de la figure 5. L'avantage du système à double membranes est que les volumes déplacés sont plus importants et que les vibrations générées par le système sont moindres parce qu'il y a un effet de compensation parce que les commandes sont en opposition de phase. La figure 8 représente une variante de la figure 7 dans laquelle le générateur de pression ne comporte qu'une seule membrane définissant deux volumes 23, 24. En se reportant aux figures 9a à 9n, nous allons maintenant décrire un exemple de réalisation détaillé du dispositif de la figure 7. Ce dispositif comporte un empilement de plaques ou couches telles que représentées par les figures 9a à 9k. La partie supérieure du dispositif de la figure 8 est représentée par la figure 9a et la partie inférieure par la figure 9k. La réalisation du dispositif se fait en empilant les différentes plaques pa à pk représentées par les figures 9a à 9k selon l'ordre de numérotation des figures. Nous allons décrire les rôles des différentes plaques du dispositif. Dans la mesure du possible on retrouve sur ces figures les mêmes références que celles de la figure 7 pour désigner les mêmes éléments. La plaque pa de la figure 9a est une plaque de fermeture étanche du dispositif et est très bonne conductrice de la chaleur. La plaque pb de la figure 9b comporte des nervures 3, 3' délimitant des espaces de circulation du fluide et constituant les échangeurs de chaleur 3, 3'. Cette plaque est en matériau bon conducteur de la chaleur. On peut prévoir de réaliser cette plaque par gravure des nervures sur une face de la plaque pa de la figure 9a. Cette plaque comporte des zones cl et c'l de communication du fluide situées aux extrémités des nervures. La plaque pc de la figure 9c est accolée à la plaque pb de la figure 9b. Elle est en matériau isolant thermiquement et possède deux trous c2, c'2 de passage de fluide qui communiquent avec les zones cl, c'l. L'empilement des plaques des figures 9a à 9c est représenté en figure 91. Les trois plaques pd à pf des figures 9d à 9f sont réalisées sous forme de couronnes et déterminent les cavités 23, 24 et 24' du dispositif de la figure 7. Entre les plaques pd et pe d'une part et entre les plaques pe et pf d'autre part sont prévues les membranes 21 et 22 de la figure 7 (non représentées sur les figures 9a à 9k). Les membranes sont en matériau piézoélectrique de telle façon qu'elles peuvent être déformées sous la commande d'un signal électrique ou bien de manière générale, elles sont conçues de façon à être déformables. Les plaques pd à pf des figures 9d à 9f possèdent des trous c3, c4, c5, c'3, c'4, c'5 communiquant avec les trous c2 et c'2. De même, des ouvertures dl, d2, d3 et el, e2 permettent de communiquer avec les cavités 23, 24, 24' à travers les épaisseurs des plaques pd à pf. Ces plaques sont en matériau isolant thermiquement. L'empilement des plaques des figures 9d à 9f est représenté en figure 9m. La plaque pg de la figure 99, en matériau isolant thermique, possède une face lisse qui permet de fermer la cavité 24'. La face opposée à cette face lisse possède un sillon 4' en forme d'hélice et communiquant par un trou e3 et par les trous el, e2, avec la cavité 23. La plaque Si de la figure 9h est une plaque mince bonne conductrice de la chaleur. Elle correspond à la plaque Si de la figure 7 et est par exemple en silicium. La plaque pi de la figure 9i, en isolant thermique, possède sur sa face en contact avec la plaque Si, un sillon 4 en forme d'hélice. Ce sillon communique, par les ouvertures d5, d4, d3, d2, dl des plaques précédentes, avec les cavités 24 et 24'. Les sillons 4, 4' des plaques pg et pi coïncident l'un avec l'autre lorsque les plaques sont empilées. La plaque pj de la figure 9j, en matériau bon comducteur thermique, comporte des gravures de formes allongées réalisant les tubes 1 et 1'. A une extrémité de chaque tube sont prévues des nervures faisant office de filtre ou d'échangeurs de chaleur 2, 2'. Ces nervures sont situées sous des ouvertures des plaques précédentes communiquant avec les sillons 4, 4'. C'est ainsi que les nervures de l'échangeur 2 communiquent par l'ouverture fl avec le sillon 4 et que les nervures de l'échangeur 2' communiquent par les ouvertures f '2,f '1 avec le sillon 4'. Les gravures constituant les tubes 1 et 1' sont fermées par la plaque pk de la figure 9k qui est de préférence en matériau bon conducteur de la chaleur. Les plaques pj et pk des figures 9j et 9k peuvent être fabriquées dans une même plaque par gravure d'une plaque en matériau bon conducteur de la chaleur. Les gravures des tubes 1 et 1' communiquent à travers les différentes plaques par les trous c1 à c8 et c'l à c'8 avec les échangeurs 3 et 3' de la figure 9b. Les plaques des figures 9g à 9k sont empilées comme cela est représenté en figure 9n. En empilant les différentes plaques selon l'ordre de numérotation des figures on réalise ainsi un refroidisseur tel que celui de la figure 7 et on obtient une structure compacte. A titre d'exemple, le diamètre des plaques peut être de 1 à 3 cm (2 cm par exemple). La hauteur de l'empilement peut être de 0,5 à 2 cm (1 cm par exemple). On peut alors réaliser des tubes 1, 1' de section 30 mm2 et de longueur 30 mm. Pour l'utilisation d'un tel refroidisseur on prévoit un ou des radiateurs sur la face supérieure de la plaque de la figure 9a et le ou les composants à refroidir seront plaqués contre la plaque de la figure 9k dans la zone des échangeurs 2, 2'. REVENDICATIONS 1. Refroidisseur à gaz pulsé comportant deux refroidisseurs élémentaires comportant chacun un tube creux (1, 1') dont une première extrémité est équipée d'un premier échangeur de chaleur (2, 2') destiné à être couplé à un élément à refroidir (charge) et dont une deuxième extrémité est équipée d'un deuxième échangeur de chaleur (3, 3') destiné à évacuer la chaleur; la première extrémité du tube de chaque refroidisseur élémentaire étant couplée hydrauliquement à un générateur alternatif de pression par l'intermédiaire d'un système de régénération de la chaleur (4, 4', 14), qui provoque la circulation d'un fluide de refroidissement de la première extrémité d'un tube à travers le premier échangeur vers le deuxième échangeur et inversement; la deuxième extrémité du tube de chaque refroidisseur étant couplée à un réservoir ; et les deux refroidisseurs élémentaires étant couplés entre eux par leurs systèmes de régénérations de la chaleur etlou par leurs réservoirs. 2. Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deuxièmes extrémités (3, 3') des deux tubes des deux refroidisseurs élémentaires étant couplées directement par une canalisation (15), les premières extrémités étant alimentées par deux générateurs alternatifs de pression dont les fonctionnements sont déphasés de 1800 I'un par rapport à l'autre ou étant alimentées par un générateur commun ayant deux accès d'alimentation de pression déphasées de 1800 connectées chacune à une première extrémité. 3. Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque première extrémité (2, respectivement 2') des deux tubes est connectée à un serpentin (4, respectivement 4'), les deux serpentins étant couplés thermiquement entre eux, ces premières extrémités étant alimentées par deux générateurs alternatifs de pression dont les fonctionnements sont déphasés de 1800 I'un par rapport à l'autre ou étant alimentées par un générateur commun ayant deux accès d'alimentation de pression déphasées de 180" connectées chacune à une première extrémité. 4. Refroidisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que chaque première extrémité (2, respectivement 2') des deux tubes est connectée à un serpentin, les deux serpentins étant couplés thermiquement entre eux, lesdits serpentins connectant les premières extrémités aux deux générateurs (ou au générateur commun). 5. Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deuxièmes échangeurs des deux refroidisseurs élémentaires possèdent chacun au moins un trou de communication vers le réservoir, la section de ce trou étant de l'ordre de 10 000 à 50 000 pm2, les premiers échangeurs possédant chacun au moins un trou de section supérieure à celui des trous des deuxièmes échangeurs. 6. Refroidisseur selon la revendication 5, 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 50 000 pm2 (ou 0,05 mm2). 7. Refroidisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que les tubes (1), les réservoirs (5) sont en matériau à faible conduction thermique et en ce que les échangeurs (2, 2', 3, 3') sont à forte conduction thermique. 8. Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque échangeur comporte une plaque en matériau bon conducteur thermique dont une zone est structurée de façon à améliorer l'échange thermique entre les deux faces de la plaque et sert 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. 9. Refroidisseur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte l'empilement de plaques ou de couches suivantes: - une plaque (pb) en matériau bon conducteur thermique, possédant deux zones creuses (cl, c'l) communiquant entre elles par une ou plusieurs rainures ou trous (3, 3'); - au moins deux plaques (pd, pe, pf) en matériau isolant thermique séparées par au moins une membrane déformable sur commande et définissant au moins deux volumes de fluide (23, 24), ces trois plaques réalisant le générateur de pression; - deux plaques (pg, pi) en matériau isolant thermique comprenant chacune une rainure (4s, 4) constituant un serpentin d'échange de chaleur, ces deux plaques étant séparées par une plaque (Si) d'échange de chaleur en matériau bon conducteur de la chaleur, une première extrémité de chaque rainure communiquant avec un desdits volumes de fluide; - une plaque (pj) en matériau bon conducteur de la chaleur comportant deux gravures de formes allongées et constituant chacune un desdits tubes (1, 1'), chaque gravure comportant à une extrémité des rainures ou des trous constituant un échangeur de chaleur (2, 2'), communiquant avec une deuxième extrémité d'une desdites rainures constituant un serpentin, et à une autre extrémité, une zone communiquant chacune avec une desdites zones creuses (cl, c'l) à travers des trous (c2 à c8 et c'2 à c'8) prévus dans les différentes plaques. 10. Refroidisseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les plaques ont une taille inférieure à 3 cm, I'empilement de plaques ayant une épaisseur comprise entre 0,5 et 2 cm.