EP0672873A1 - Refroidisseur à gaz pulsé - Google Patents

Refroidisseur à gaz pulsé Download PDF

Info

Publication number
EP0672873A1
EP0672873A1 EP95400546A EP95400546A EP0672873A1 EP 0672873 A1 EP0672873 A1 EP 0672873A1 EP 95400546 A EP95400546 A EP 95400546A EP 95400546 A EP95400546 A EP 95400546A EP 0672873 A1 EP0672873 A1 EP 0672873A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
exchanger
cooler according
tube
membrane
regenerator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP95400546A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Denis Crete
Régis Cabanel
Alain Friederich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thomson CSF SA filed Critical Thomson CSF SA
Publication of EP0672873A1 publication Critical patent/EP0672873A1/fr
Ceased legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1402—Pulse-tube cycles with acoustic driver
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1406—Pulse-tube cycles with pulse tube in co-axial or concentric geometrical arrangements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1412—Pulse-tube cycles characterised by heat exchanger details
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1413—Pulse-tube cycles characterised by performance, geometry or theory
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1417—Pulse-tube cycles without any valves in gas supply and return lines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/15—Microelectro-mechanical devices

Definitions

  • the invention relates to a pulsed gas cooler and more particularly to a tube micro-cooler.
  • the most widely used refrigeration devices are based on "Stirling" machines, liquid nitrogen cryostats, Joule-Thomson expansion ports, condensing machines and Peltier elements.
  • the remarkable Stirling refrigerator in this area (“Bat”) has a cooling power of 150 mW at 80 K, for an input power of 6 W and a weight of 0.4 kg.
  • the principle of the Stirling cycle generates vibrations, and limits the lifespan to 2000 hours (due to cold moving parts).
  • Peltier element coolers require a minimum of 3 stages to obtain a power flow at 200 K equal to 50 mW, assuming that the hot radiator is only 300 K. Under these conditions, the electrical power required is around 5 W (or 4 W with 6 stages). Thermoelements making it possible to reach temperature differentials of more than 130 K are rare: they are therefore not efficient enough if the temperature of the radiator is above 60 ° C.
  • the first exchanger being intended to be coupled to an element (load) to be cooled.
  • the exchanger 2 located on the side of the regenerator 4 yields heat to the gas which cools down on expansion, before being thermalised by regenerator 4: it therefore constitutes the cold point of the cooling system.
  • a load shedding circuit 9 can be used to improve the performance of the system by directly diverting part of the flux transmitted to the regenerator 4 to the tube 6.
  • such a cooler can be produced in miniature form and can be intended to cool an element of small dimensions.
  • microelectronics techniques makes it possible to maintain a low production cost, a reduction in "dead” volumes (thermodynamically, and even from the standpoint of space) and technological compatibility with the majority of electronic circuits (infrared detectors, sensor magnetic field or low noise amplifier).
  • FIG. 2 represents a detailed embodiment of such a pulsed tube micro-cooler according to the invention.
  • the cooler according to the invention is made compact and can be miniaturized due to the arrangement of its constituent elements in the following manner:
  • the tube 1 is attached to the regenerator 4.
  • the exchanger 2 is at the upper outlet end of the tube 1 and communicates with a charging device 20 designed to be coupled with a device to be cooled (not shown) and to be capable of capture the heat from this device.
  • the upper end of the regenerator 4 communicates with the exchanger 2.
  • the opposite end of the regenerator 4 has a cavity 71 closed by a device capable of compressing the air contained in the cavity.
  • This device is a membrane 70.
  • a device such as a piezoelectric 72 periodically presses on the membrane 70 to compress the gas contained in the cavity 71.
  • the production of the membrane can take other embodiments. It can be made of piezoelectric material and carry, on its two faces, electrodes. It will be able to deform and act as a pump.
  • the oscillation of the membrane can also be generated by an electrostatic effect.
  • the membrane is provided with a voltage control electrode and a second voltage control electrode is provided either inside the cavity (on the face 73 for example) or outside of the cavity on a fixed part not shown.
  • the exchanger 3 communicates with a reservoir 5 which is also attached to the tube 1.
  • the exchanger 3 is thermally integral with a thermal evacuation device making it possible to evacuate the heat to the outside.
  • This thermal evacuation device can consist of a plate 30 and a cooling radiator 8 thermally coupled to the plate 30.
  • the plate 30 and the cooler 8 are made of a material which conducts heat well.
  • a material with low thermal conduction (for example fused silica or polymer resin) is used to make the tube 1, the regenerator 4 and the reservoir 5.
  • the exchangers 2 and 3 are made with a material with high thermal conduction and preferably usable by microfabrication technologies (for example silicon, sapphire, beryllium oxide, aluminum nitride, CuW or Mo).
  • the reservoir 5 is disposed at the end of the tube 1 and includes the membrane 70.
  • the walls of the reservoir 5 are made of a material which is a good thermal conductor and constitutes the cooling surface of the device. to which is optionally attached a cooling radiator such as a finned cooler 8.
  • the plate 20 to be cooled to which the component to be cooled is coupled contains in its body the heat exchanger 2. It is this heat exchanger 2 which makes the tube 1 communicate with the regenerator 4. The component to be cooled is placed or fixed on the upper face of the plate 20. This arrangement was applied to the embodiment of FIG. 3 but could also be applied to the embodiment of FIG. 2.
  • the exchanger 3 is placed on the face opposite to the exchanger 2 to avoid a thermal short circuit between the two exchangers.
  • the means 7 for maintaining pressure oscillations in the tube are, in these examples, also integrated into the cooling system: a membrane is kept in oscillation by electrostatic effect, the control circuit can also be integrated into the structure, in particular if the exchanger 3 is made of silicon.
  • V res is the volume of the reservoir
  • P0 the average pressure of the gas
  • x is the rate of modulation of the pressure
  • V res RT b T b is the temperature of the hot exchanger
  • R the constant of ideal gases
  • R0 is determined by the nature of the gas and the geometry of the exchanger.
  • the mass of gas injected into the tube during the compression phase is given by the following approximate relationship: where M is the molar mass of the gas. This makes it possible to express the capacity of the pressure oscillator by the volume flow D V corresponding to the ambient temperature T0:
  • the mechanical power to be supplied on the order of P0D V is therefore related to q by the relation.
  • the mechanical power of the pressure oscillator necessary to obtain 50 mW at 200 K is of the order of 0.4 W if a pressure modulation rate of 10% is chosen.
  • P0 1 Atmosphere
  • D v 4 cm3 / s.
  • the volume displaced per period at the level of the pressure oscillator, for a frequency of 100 Hz, is therefore 40 mm3. From the compression ratio chosen equal to 10%, it can be deduced that the total volume of gas to be used is of the order of cm3.
  • the orifice 6 is integrated into the exchanger 3 by etching slots or holes in the exchanger, these will be sized using suitable formulas of hydrodynamics, so as to obtain the desired impedance R0 . Optimization of this geometry will ensure heat transfer from the gas to the maximum exchanger.
  • R0 128 ⁇ I / ⁇ D4N.
  • the exchanger 2 As regards the exchanger 2, it must have a lower impedance than that of the exchanger 3. It must therefore have holes of cross-sectional dimensions (diameter) greater than those of the holes of the exchanger 3. Nevertheless , the holes in exchanger 2 will be as small as possible, so they will be very slightly larger than those in exchanger 3.
  • This system allows to locally cool any load requiring a low cooling power, with a high efficiency. It will be able to cool electronic circuits where the temperature intervenes either by thermal activation, for example cooling of infrared detector of the diode type; either by thermal noise, for example cooling of amplifier type device, infrared detector of pyroelectric type, or other devices and materials whose characteristics depend on temperature, for example magnetic field detectors (MMM).
  • thermal activation for example cooling of infrared detector of the diode type
  • thermal noise for example cooling of amplifier type device, infrared detector of pyroelectric type, or other devices and materials whose characteristics depend on temperature, for example magnetic field detectors (MMM).
  • MMM magnetic field detectors
  • Peltier elements can be mounted in a multi-stage system, and even combined with Peltier elements serving as the first stage.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cooling Or The Like Of Semiconductors Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

Ce refroidisseur à gaz pulsé est conçu sous forme miniaturisée. Il comporte : un tube (1) creux équipé d'un échangeur de chaleur (2 et 3) à ses extrémités ; un régénérateur (4) couplant une première extrémité du tube (1) et le premier échangeur (2) à un oscillateur de pression (7) ; un réservoir (5) relié au deuxième échangeur (3) et à la deuxième extrémité de façon à recevoir du fluide provenant de la deuxième extrémité du tube à travers le deuxième échangeur (3) ; 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 µm² ; 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). Applications : Refroidissement de composants électroniques notamment à semiconducteurs. <IMAGE>

Description

  • L'invention concerne 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 ("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 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 concerne 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 1 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, l'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 1 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 :
    Figure imgb0001
       où Vrés est le volume du réservoir, f = ω/2π est la fréquence de l'oscillateur de pression, P₀ est la pression moyenne du gaz, x est le taux de modulation de la pression ; τ est la constante de temps d'équilibre de la pression du réservoir au travers de l'orifice 6 d'impédance R₀ : τ = R₀.3/5. V rés R.T b
    Figure imgb0002
       où 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 η R₀ = 128 η I/πD⁴
    Figure imgb0003
  • En prenant q de l'ordre de 50 mW et ωτ>>1, on trouve D = 30 µm pour I = 50 µm.
  • Par ailleurs, la masse de gaz injectée dans le tube au cours de la phase de compression est donnée par la relation approchée suivante :
    Figure imgb0004
       où 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 T₀ :
    Figure imgb0005
  • La puissance mécanique à fournir de l'ordre de P₀DV, est donc reliée à q par la relation.
    Figure imgb0006
  • Son inverse, correspondant au rendement peut être approximé par 2xT a T₀
    Figure imgb0007
     pour les faibles valeurs de x.
  • 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 cm³/s. 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 µm (D = 30 µm dans le calcul précédent) et de toute façon inférieur à 100 à 200 µm. 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 µm² et quoi qu'il en soit inférieur à environ 50 000 µm² = 0,05 mm² (inférieur à 10 000 à 50 000 µm²).
  • 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 précédente R₀ = 128 ηI/πD⁴N. Par exemple au lieu d'un trou cylindrique de diamètre 100 µm 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 où 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.

Claims (19)

  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 µm² ; 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 µm.
  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 50 000 µm² (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.
EP95400546A 1994-03-18 1995-03-14 Refroidisseur à gaz pulsé Ceased EP0672873A1 (fr)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR9403185 1994-03-18
FR9403185A FR2717563B1 (fr) 1994-03-18 1994-03-18 Refroidisseur à gaz pulsé.

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP0672873A1 true EP0672873A1 (fr) 1995-09-20

Family

ID=9461184

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP95400546A Ceased EP0672873A1 (fr) 1994-03-18 1995-03-14 Refroidisseur à gaz pulsé

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP0672873A1 (fr)
FR (1) FR2717563B1 (fr)

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0860667A1 (fr) * 1997-02-21 1998-08-26 Cryotechnologies S.A. Système de conditionnement de composants fonctionnant à température cryogénique
FR2760076A1 (fr) * 1997-02-21 1998-08-28 Cryotechnologies Dispositif de refroidissement cryogenique a oscillateur de pression a double effet
EP1072851A1 (fr) * 1999-07-29 2001-01-31 CSP Cryogenic Spectrometers GmbH Dispositif frigorifique
WO2001031987A1 (fr) * 1999-10-27 2001-05-03 Abb Research Ltd. Dispositif situé dans un appareil électronique ou électrique
WO2002046665A1 (fr) * 2000-12-09 2002-06-13 Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh Expanseur d'un etage de refroidisseur tubulaire a impulsions
EP1431682A1 (fr) * 2001-08-30 2004-06-23 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Machine de refrigeration pour tube de pulsation
EP2239590A1 (fr) * 2009-04-08 2010-10-13 Société Française de Détecteurs Infrarouges - SOFRADIR Dispositif pour réaliser la caractérisation des performances électro-optiques d'un composant semi-conducteur
CN103808057A (zh) * 2014-01-23 2014-05-21 浙江大学 一种回收声功的级联型脉管制冷机
CN104613664A (zh) * 2015-02-10 2015-05-13 浙江大学 一种可达卡诺效率的多级级联型脉管制冷机及制冷方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1511438A (fr) * 1966-02-21 1968-01-26 British Oxygen Co Ltd Procédé de réfrigération des gaz par tube à impulsions
US4722201A (en) * 1986-02-13 1988-02-02 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Acoustic cooling engine

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1511438A (fr) * 1966-02-21 1968-01-26 British Oxygen Co Ltd Procédé de réfrigération des gaz par tube à impulsions
US4722201A (en) * 1986-02-13 1988-02-02 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Acoustic cooling engine

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
C. WANG, P. WU AND Z. CHEN: "MODIFIED ORIFICE PULSE TUBE REFRIGERATOR WITHOUT A RESERVOIR", CRYOGENICS, vol. 34, no. 1, pages 31 - 36, XP000426909 *
CHAO WANG, PEIYI WU AND ZHONGQI CHEN: "NUMERICAL MODELLING OF AN ORIFICE PULSE TUBE REFRIGERATOR.", CRYOGENICS, vol. 32, no. 9, pages 785 - 790, XP000316594 *
ZHU SHAOWEI, WU PEIYI AND CHEN ZHONGQI: "DOUBLE INLET PULSE TUBE REFRIGERATORS: AN IMPORTANT IMPROVEMENT.", CRYOGENICS, vol. 30, no. 6, pages 514 - 520, XP000127929 *

Cited By (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0860667A1 (fr) * 1997-02-21 1998-08-26 Cryotechnologies S.A. Système de conditionnement de composants fonctionnant à température cryogénique
FR2760075A1 (fr) * 1997-02-21 1998-08-28 Cryotechnologies Systeme de conditionnement de composants fonctionnant a temperature cryogenique
FR2760076A1 (fr) * 1997-02-21 1998-08-28 Cryotechnologies Dispositif de refroidissement cryogenique a oscillateur de pression a double effet
EP1072851A1 (fr) * 1999-07-29 2001-01-31 CSP Cryogenic Spectrometers GmbH Dispositif frigorifique
WO2001031987A1 (fr) * 1999-10-27 2001-05-03 Abb Research Ltd. Dispositif situé dans un appareil électronique ou électrique
WO2002046665A1 (fr) * 2000-12-09 2002-06-13 Forschungszentrum Karlsruhe Gmbh Expanseur d'un etage de refroidisseur tubulaire a impulsions
EP1431682A1 (fr) * 2001-08-30 2004-06-23 Aisin Seiki Kabushiki Kaisha Machine de refrigeration pour tube de pulsation
EP1431682A4 (fr) * 2001-08-30 2009-02-25 Aisin Seiki Machine de refrigeration pour tube de pulsation
EP2239590A1 (fr) * 2009-04-08 2010-10-13 Société Française de Détecteurs Infrarouges - SOFRADIR Dispositif pour réaliser la caractérisation des performances électro-optiques d'un composant semi-conducteur
FR2944357A1 (fr) * 2009-04-08 2010-10-15 Fr De Detecteurs Infrarouges S Dispositif pour realiser la caracterisation des performances electro-optiques d'un composant semi-conducteur
US8310266B2 (en) 2009-04-08 2012-11-13 Societe Francaise De Detecteurs Infrarouges-Sofradir Device for characterizing the electro-optical performance of a semiconductor component
CN103808057A (zh) * 2014-01-23 2014-05-21 浙江大学 一种回收声功的级联型脉管制冷机
CN103808057B (zh) * 2014-01-23 2016-01-20 浙江大学 一种回收声功的级联型脉管制冷机
CN104613664A (zh) * 2015-02-10 2015-05-13 浙江大学 一种可达卡诺效率的多级级联型脉管制冷机及制冷方法

Also Published As

Publication number Publication date
FR2717563B1 (fr) 1996-04-19
FR2717563A1 (fr) 1995-09-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6804967B2 (en) High frequency thermoacoustic refrigerator
EP0614059B1 (fr) Refroidisseur muni d&#39;un doigt froid du type tube pulsé
US5165243A (en) Compact acoustic refrigerator
EP0672873A1 (fr) Refroidisseur à gaz pulsé
US20040147056A1 (en) Micro-fabricated device and method of making
EP1581774A1 (fr) Procede et dispositif pour generer en continu du froid et de la chaleur par effet magneto-calorique
JP2000091672A (ja) 熱制御のための相転移物質を使用するレ―ザ―システム
CA2565573C (fr) Unite de transmission de puissance acoustique pour systemes thermoacoustiques
Cao et al. Progress in and outlook for cryogenic microcooling
US7240495B2 (en) High frequency thermoacoustic refrigerator
FR2638495A1 (fr) Compresseur de gaz
EP3196947B1 (fr) Dispositif refroidisseur comportant un doigt froid ameliore
BE1013463A3 (fr) Dispositif de refrigeration de cellules renfermant des echantillons liquides en particulier des echantillons de produits petroliers a analyser.
EP3671065A1 (fr) Dispositif de refroidissement comprenant une ceramique de grenat paramagnetique
EP0794396A1 (fr) Un appareil à génération de froid comportant un échangeur de chaleur à accumulation
EP0860667B1 (fr) Système de conditionnement de composants fonctionnant à température cryogénique
EP3548830B1 (fr) Dispositif de transfert thermique et engin spatial comportant un tel dispositif de transfert thermique
FR2750481A1 (fr) Refroidisseur a gaz pulse
EP1367561B1 (fr) Générateur d&#39;ondes thermo-acoustiques
EP0493208B1 (fr) Doigt de refroidissement d&#39;un circuit semi-conducteur et dispositif cryogénique pourvu d&#39;un tel doigt
FR2741940A1 (fr) Refroidisseur a moteur lineaire
EP0619919A1 (fr) Systeme de refroidissement pour module &#34;multi-puces&#34;
EP0116503B1 (fr) Procédé de réalisation d&#39;un dispositif de stockage d&#39;énergie thermique, et dispositif obtenu par ce procédé
FR2725779A1 (fr) Dispositif cryogenique pour equipements optroniques et/ou electroniques et equipements comprenant un tel dispositif
FR2760076A1 (fr) Dispositif de refroidissement cryogenique a oscillateur de pression a double effet

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): DE GB

17P Request for examination filed

Effective date: 19960105

17Q First examination report despatched

Effective date: 19970324

GRAG Despatch of communication of intention to grant

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS AGRA

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN REFUSED

18R Application refused

Effective date: 19980412