Tubes à gaz pulsé

Introduction

Les tubes à gaz pulsé (pulse tube en anglais) sont des machines cryogéniques utilisées pour produire des températures allant de 4 Kelvin à 120 Kelvin environ. Ces machines peuvent être séparées en deux familles, les tubes à gaz pulsé basse fréquence, issues des machines de type Gifford-Mc Mahon et les tubes à gaz pulsé haute fréquence issu des refroidisseurs Stirling.
L’avantage des tubes à gaz pulsé par rapport aux autres machines cryogéniques est l’absence de pièce mobile à froid ce qui a pour conséquence un faible niveau de vibrations induites ainsi qu’une fiabilité et une durée de vie élevées. Les tubes à gaz pulsé sont donc destinés principalement aux applications où la fiabilité et les vibrations sont critiques comme le spatial ou le refroidissement de détecteurs sensibles. Le CEA/SBT a une expérience importante dans la conception, la fabrication et les tests de ces cryoréfrigérateurs.
Notre groupe a réalisé de nombreuses machines destinées à des organismes de recherche partenaires (CEA, CNRS, ESO, …) ou développées dans le cadre de collaborations industrielles (Air Liquide et Thalès Cryogenics BV, …).

Dans le domaine des basses fréquences, notre travail a entre autre débouché sur la fourniture du tube à gaz pulsé qui permet le refroidissement des détecteurs de la caméra Megacam, installés au CFHT à Hawaii.

Vu du CFHT à Hawaii où un pulse tube basse fréquence conçu et fabriqué au SBT est installé pour le refroidissement de la caméra MEGACAM ». Le tube à gaz pulsé basse fréquence utilisé à une capacité frigorifique de 90 W à 140 K avec une consommation électrique de 6 kW.


Dans le domaine des hautes fréquences, nous travaillons à la fois pour des applications sols et pour l’industrie spatial. Ainsi, d’un côté notre expertise nous a permis de transférer notre technologie à Thalès Cryogenics BV qui commercialise deux produits  sous licence CEA. D’un autre côté, nous sommes très impliqués dans le développement de tubes à gaz pulsé pour équiper les satellites de demain. La cryogénie est en effet nécessaire pour refroidir les détecteurs et ainsi améliorer leurs performances. Ces recherches sont financées en partie par les agences spatiales européennes (ESA) et française (CNES). Dans ce cadre nous sommes parfois associés avec Air Liquide DTA, Thalès Cryogenics BV ou encore EADS-Astrium.


Tube à gaz pulsé LPTC conçu en vue d’applications spatiales.
Capacité frigorifique 2.3 W à 50 K avec 160 W électrique.

 

Principe de fonctionnement

Les tubes à gaz pulsé fonctionnent sur un cycle proche du cycle de Stirling. Ils fonctionnent sur un cycle fermé avec un fluide, généralement de l’hélium gazeux. Ils nécessitent un compresseur qui engendre des variations de pression et de débit de gaz, un régénérateur qui joue le rôle de stockage thermique, un tube et un système de déphasage permettant d’ajuster les variations de débits et de pression.
La particularité des tubes à gaz pulsé est d’utiliser un moyen passif : des jeux de vannes ou d’inertances pour optimiser les déplacements de gaz et les variations de pressions dans le régénérateur, plutôt qu’un système de piston froid utilisé pour les machines Stirling.


Schéma de principe des tubes à gaz pulsé.

Thème de recherche

Le dimensionnement des tubes à gaz pulsé nécessite une optimisation de ces différents composants (générateur de pression, régénérateur, tube, système de déphasage, …). Ce sont donc tout un ensemble complexe de différents phénomènes physiques (échange et stockage de chaleur, dynamique des fluides en régime oscillant, convection, …) qu’il convient de comprendre, de modéliser et finalement de valider expérimentalement.
Nous avons au CEA/SBT une grande expertise dans ces domaines ce qui nous a permit la réalisation des projets ci-dessus et nous donne une compétence reconnue par la communauté internationale.

 

Maj : 05/11/2010 (277)

 

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