EP0860667B1 - Système de conditionnement de composants fonctionnant à température cryogénique - Google Patents

Système de conditionnement de composants fonctionnant à température cryogénique Download PDF

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EP0860667B1
EP0860667B1 EP98400374A EP98400374A EP0860667B1 EP 0860667 B1 EP0860667 B1 EP 0860667B1 EP 98400374 A EP98400374 A EP 98400374A EP 98400374 A EP98400374 A EP 98400374A EP 0860667 B1 EP0860667 B1 EP 0860667B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
exchanger
block
gas
pressure
heat
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP98400374A
Other languages
German (de)
English (en)
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EP0860667A1 (fr
Inventor
Patrick Curlier
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 Cryogenie SA
Original Assignee
Thales Cryogenie SA
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Filing date
Publication date
Application filed by Thales Cryogenie SA filed Critical Thales Cryogenie SA
Publication of EP0860667A1 publication Critical patent/EP0860667A1/fr
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Publication of EP0860667B1 publication Critical patent/EP0860667B1/fr
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B45/00—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids
    • F04B45/04—Pumps or pumping installations having flexible working members and specially adapted for elastic fluids having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B45/047—Pumps having electric drive
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B35/00—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for
    • F04B35/04—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric
    • F04B35/045—Piston pumps specially adapted for elastic fluids and characterised by the driving means to their working members, or by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors, not otherwise provided for the means being electric using solenoids
    • 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 
    • F25B2309/1422—Pulse tubes with basic schematic including a counter flow heat exchanger instead of a regenerative heat exchanger

Definitions

  • the present invention relates to a system for packaging intended in particular for cooling electronic components during operation, from type comprising for this a cryogenic cooler suitable for implementing a thermodynamic cycle periodically involving alternative phases of compression and expansion of a working gas such as helium.
  • a cryogenic cooler suitable for implementing a thermodynamic cycle periodically involving alternative phases of compression and expansion of a working gas such as helium.
  • cryogenic temperature generally understood between 80 ° K and 200 ° K.
  • these components we can cite more particularly components based on materials high critical temperature superconductors, as well as magnetoelectric components, for which the bass temperatures lengthen the magnetic relaxation time.
  • the invention essentially aims to ensure the integration of components into a packaging which, while allowing their cooling at cryogenic temperature under particularly conditions advantageous, also constitutes their station reception, particularly from the point of view of resistance mechanical and thermal stability. It also has aim to always place better in the current race to miniaturization, by providing for a construction of the whole in an extremely compact form, and nevertheless solid, reliable for long periods of use, and competetive price. We will see later that it even allows escape from the classic arrangements where the component is placed at the end of a cold finger opposite a compressor generating pressure variations.
  • the invention responds better to the objectives set out here because, for a pneumatically controlled cooler as is the case with pulsed gas tube coolers derived from coolers more generally applying a Stirling cycle, it avoids the need for a gas buffer chamber maintained at constant pressure. It thus allows overcome the limitation of conventional solutions in this which concerns the volume of the cooler. Furthermore, such design removes most parts mobile mechanics, with the difficulties of their adjustment, which goes in the direction of better quality in reliability of construction and operation and in longevity.
  • thermodynamics applied in coolers of the kind considered consists, at the theoretical level, in subjecting gas a repetitive closed circuit cycle including a compression phase and an expansion phase, both on the other, a thermal regenerator which ensures delayed thermal recovery between gases relaxed cold and hot compressed gas.
  • the regenerator therefore constitutes a thermal sponge which, alternatively, retains heat from the gas resulting from the compression by accumulating it, and then restores it to gas from the relaxation phase.
  • the regenerator is conventionally produced in the form an elongated tube at one end of which is the area cold in thermal contact with the component to be cooled. It is filled with a porous structure, bringing great specific surface for heat exchange, which is made of a material with low thermal conductivity clean.
  • the solution of pulsed gas coolers basically consists of replace the displacer regenerator (then mounted mobile at sliding in the cold finger) by a regenerative exchanger fixed, and to complete the working gas circuit by a tube called pulsed gas, or pulsation, which receives the pressure change pulses from the pressure oscillator compressor via an appropriate pneumatic connection.
  • a corresponding dynamic pressure variation is established there to that of a gas piston, thanks to the introduction a phase shift between pressure variations and variations in flow created by reference to a low buffer tank pressure whose volume is constant.
  • valves on the connection circuit pneumatic between the pulsation tube and on the one hand the compressor generating pressure oscillations, other share the buffer tank at constant pressure and volume.
  • These valves are generally simple calibrated orifices, in the concern to avoid moving mechanical parts.
  • the invention therefore relates to a packaging system components operating at temperature cryogenic, cooled by subject working gas to a closed circuit thermodynamic cycle, according to a periodically repetitive cycle involving alternative phases compression and expansion, in a cooler of the pulsed gas type including the working gas circuit has a pulsation tube extending between an exchanger cold in thermal contact with the component to be cooled and a hot heat rejection exchanger to the outside.
  • the invention consists essentially in providing the tubes to pulsations in a block of parallelepiped shape or equivalent, constituting the core of the cooler and made of a thermally insulating material, which supports the cold heat exchanger and the hot heat exchanger attached respectively against two opposite lateral faces of said block, and which also supports, on a so-called face top of the same block, a transfer device thermal between expanded cold gas and compressed hot gas.
  • the invention proposes to avoid the conventional valves of flow / pressure regulation at a circuit supply single pulsed gas, by placing its tube in series pulsations and its thermal transfer device between cold expanded gas and compressed hot gas, consisting of a leads to delayed heat transfer regenerator in time, between two supply channels under periodically variable pressures in phase opposition.
  • the invention proposes that the cooler comprises two similar working gas circuits, operating in opposition phase, whose pulsation tubes are arranged at within a single block of thermally insulating material supporting the cold exchanger and the hot exchanger, these being common to both circuits, as well as a device for heat transfer between expanded cold gas and hot gas compressed, consisting of a recovery exchanger with counter-current between the two gas flows supplying the pulse tubes belonging to the two respectively working gas circuits.
  • the main block integrating the hot exchanger and the cold exchanger constitutes with the transfer device thermal (especially the recovery exchanger) what we will call here the passive module of the system. It is advantageously enclosed in an encapsulation module forming a waterproof and insulating housing, including a bottom wall supports the component to be cooled against the cold exchanger.
  • the recovery exchanger is preferably made integral with the main block, against a upper side of it which is oriented parallel to a common plane of the two pulsation tubes.
  • the block is then of rectangular shape, and the cold and hot exchangers are attached to its faces side.
  • a cover which at the same time constitutes a plate of heat rejection deviating from the block itself in the extension of the hot exchanger.
  • a flat plate of thermally material conductor which is mounted directly on the hot exchanger, insofar as this, in accordance with another characteristic of the invention, is produced in the form of a angled thermally conductive structure, covering the left side face of the block, and partially its face upper in its left part.
  • the cold heat exchanger is preferably formed by an angled structure thermally conductive covering the right side face of the cooler block, and partially its underside in its right part.
  • While the lower portion, called horizontal, of this bracket receives the component to be cooled, it is so particularly convenient to use the interface between its vertical portion and the main block to provide communication channels belonging to each of the circuits working gas between the countercurrent recovery exchanger and their respective pulse tubes, or the case if necessary, between regenerator and pulsation tube of the same circuit. It is always desirable that the flow (s) gaseous have to cross an area with exchange surface important against the end section of the gas tube, this which is advantageously obtained by appropriate micro-machining of the material of the cold exchanger at this location.
  • each circuit includes, as usual, an accumulation regenerator and delayed thermal restitution between expanded gas and gas compressed, which is placed in series in the extension of the tube pulsation on the corresponding circuit.
  • the configuration geometric may vary, especially depending on whether regenerative and pulse tube are in line on both sides of the cold exchanger, or that they are arranged in parallel one next to the other, according to the so-called U-shaped configuration, or that they are in a concentric arrangement.
  • the preferred solution in the context of the invention corresponding to the U-shaped configuration.
  • the two regenerators, belonging respectively to each of the circuits of working gas, are then arranged in parallel with one the other in the thickness of the recovery exchanger as that it has been defined above. In series with the tubes, they receive the pressure pulses in phase opposition.
  • the gas inlet channels and orifices are arranged at a same end, and the output ones at the other end, this which ensures the local effect of counter-current circulation.
  • the working gas circuits no longer have this kind of regenerator.
  • the recovery exchanger thermal against the current only has its proper role in fill.
  • Such an exchanger can advantageously be produced by a three-layer composite assembly, comprising a intermediate layer of conductive material forming separator between appropriate corrugations dug into two outer layers to form the desired paths.
  • this generator or oscillator of pressure advantageously attached to the housing or encapsulation module, in particular against a plate of heat rejection forming the cover face of the housing, is preferably of the type comprising a flexible element dividing a cavity formed within it into two chambers different, complementary volumes, which are in pneumatic communication with the supply channels, therefore preferably with each of the tubes respectively pulsations through the heat exchanger recovery against the current.
  • Such a flexible element whether in the form a pivoting blade or under that of a fixed disc in sound perimeter, can be ordered in particular in its deformations (on either side of a middle position in said cavity) by any appropriate electrical means in relation with its constitution.
  • a constant pressure tank can be provided in the active module containing the pressure generator, in particular behind a simple moving piston compressor.
  • the communication channels between the generator pressure and cooler can be adapted for offer a calibrated passage section ensuring a phase shift between flow and pressure in the gas circuit and put the two tubes in series.
  • the system of the invention responding to above features can be adapted to a single circuit working gas, as soon as it passes through a tube pressure pulsations formed in the heart block of the cooler and by a regenerative tube attached against it block in the passive module.
  • the notion of tube must be understood here to extend to all forms of sections for a tubular conduit.
  • the tube or integrated regenerative material conduit in the form of a plate attached to the main block will preferably present a rectangular section.
  • FIGS 1 to 4 relate to a system with two coupled pulsed gas circuits.
  • cooler and pressure generator define in actually two separate working gas circuits, which operate according to the same thermodynamic cycle, but in phase opposition to each other.
  • the two circuits combine with multiple levels, mainly through an interaction of their effects thermal in the cooler and their connections respective to the same oscillator generating variations pressure, but also at the heat exchangers on the one hand with the component to be cooled, on the other hand with the outside in heat rejection, plus the case which is common to them.
  • the core of the cooler is essentially formed by a parallelepipedic block 11, made of a solid material with good properties thermal insulation. Glass can be used for this purpose such as Pyrex or a ceramic material.
  • each of tubes constitutes the pulsation tube of its own circuit, by transmitting pressure waves from one end to the other generated from the oscillator, according to the operation of a gas piston in a cycle thermodynamics of the pulsed gas type.
  • the cooler integrates with it two exchangers, one 14 in the area hot, the other 16 in the cold zone.
  • these two exchangers are common to the two working gas circuits. They are both made of a material with strong thermal conductivity, made in particular of a metal or a metallic compound, such as aluminum, silicon, sapphire, oxide beryllium, aluminum nitride, cupro-tungsten, molybdenum.
  • the cold exchanger 16 is in direct contact thermal with the component to be cooled 40, the latter being applied to it, and possibly attached to it by gluing. Naturally, it could be several components of the same electronic circuit.
  • a particularly material well suited to constitute this exchanger is silicon monocrystalline orientation (110).
  • This conductive support can also be pierced with micro-machined channels improving the heat exchange conditions. This is so in the example described for its zone which is located against the section end of the pulsation tubes.
  • the hot exchanger 14 has the role, as it is conventional to provide heat rejection to outside. Like the cold heat exchanger, it is attached flat on one side of the block it at the end of the tubes 1a-1b, but at its opposite compared to these. For a cooler two horizontal tubes like the one in figure 1, the exchangers 14 and 16 cover the side faces of the block 11, respectively the one on the right, and the one on the left, here of the closed side of the pulsation tubes.
  • the passive module 10 additionally includes a third exchanger 13. Its function first is to ensure heat transfer between gases hot compressed and cold gas relaxed. It is therefore a thermal recovery.
  • this exchanger of recovery is a counter-current exchanger between two parallel conduits guiding the gas flows supplying the two pulsation tubes.
  • the gas pipes internal to the exchanger 13 are pneumatically connected, by communication channels which will be discussed later, with tube 1a or 1b of the same circuit on its open side, so right on figure 1.
  • this exchanger 13 is in the form of a flat plate, more or less thick depending on the passage section necessary for gas flows. And this plate is attached fixed on one of the faces of block 11. It therefore forms part integral of the cooler, i.e. of the passive module 10. It can even be formed directly by machining the same material as block 11 in some cases.
  • the exchanger 13 plays simultaneously the role which is devolved, in a conventional manner, to the regenerator of Stirling cycle coolers.
  • Such a cycle with thermal regeneration implies storage and return of heat so alternative during the cycle within the same tube, on each individual working gas circuit.
  • the tube is filled with glass beads, or a structure analogous to high ⁇ Cp offering a large specific surface in a reduced space, so as to constitute a "sponge thermal".
  • the tubes regenerators are formed in two parallel conduits formed within the exchanger. Like gas flows circulate in phase opposition (from right to left one in one direction the other in the other in Figure 1), the effect regenerative combines with the specific regenerative effect that exchange provides against the tide. This is insured for example by microchannels which locally increase the thermal conduction through the mass of the exchanger.
  • the exchanger is in practical in the form of a mass of material thermally conductor in which two conduits are formed describing parallel serpentine paths. These two conduits are defined for a flow essentially laminar licking suitably oriented corrugations.
  • the exchanger 13 of miniature construction, consists of a plate composite in three layers.
  • the conduits 6a-6b are dug on the surface of the outer layers facing the intermediate layer.
  • the latter serves as separator and conductor between the two circuits.
  • the two layers exterior need not be conductive.
  • the square structure forming the exchanger cold 16 extends from the right lateral face of block 11 to the right side of its underside.
  • the component to cool 40 is fixed in thermal contact above, preferably by gluing.
  • the square structure 14 forming a hot exchanger envelops the block on its part left, covering both a fraction of its face upper and all of its lateral face.
  • the left side of block 11 on the side where tubes la and 1b are closed, constitutes the hot zone of the cooler.
  • the area cold is the opposite of the right side of block 11, where the tubes la and 1b open to be put in communication with the means which make it possible to generate pulsations of pressure (oscillator 20) via the exchanger against the current 13.
  • the core of the cooler, integral exchangers forming with it the passive module 10, and with the component glued on its underside, is mounted inside the encapsulation module 30.
  • the latter forms a waterproof case which is closed by a cover constituted by the plate 15 for rejection of heat.
  • the dimensions of the latter are sufficient for cover the upper edge 31 of the walls of the housing shown vertical.
  • the wall forming its bottom 32 supports a circuit printed 33 which provides the electrical connections between the component 40 and outlet tabs 34, via of waterproof insulating bushings 36. It is schematically illustrated that outside of the assembly, the legs 34 are connect to a printed circuit 35 supplying the component 40 and electronic signal processing that it provides.
  • the dimensions of the housing 30 match those of block 11 in width (depth in FIG. 1), plus the thickness of the exchangers in width. Subject a tight bond between the facing surfaces, can fill the environment closed by the hot exchanger a heavy inert gas, such as a mixture of xenon and krypton. However, it is preferable to have the empty in the space below block 11. As a variant, we can also plan to fill these empty spaces with a filling material or by height variations the rectangular section of the main block.
  • orifices and channels 2a and 2b are delimited in the structure of the cold exchanger 16, more precisely here at its interface with the block main, so as to ensure communication between each of the open ends of the tubes la and 1b respectively and the right end of the counterflow heat exchanger 13.
  • holes 3a and 3b are drilled from him through the cover plate 15 up the pressure oscillator.
  • Figure 1 shows the channels and orifices 2a and 3a in the same plane diametral of the pulsation tube la, before and after the convolutions in the exchanger 13. Their counterparts in the other working gas circuit are assumed to be located behind. For reasons of parallelism of the paths to inside the exchanger 13 and identity between their lengths, we may prefer a distribution of inputs and outputs.
  • the active module 20, generating the pulsations of pressure, is mounted on the cover plate 15 as it is shown in the figures. It is made up of a mass of thermally conductive material, generally in shape parallelepiped which is applied on the face upper side of the encapsulated passive module. However, it extends beyond the housing 30 on the hot side of the cooler, and it is notched in this place to form fins 22 which contribute effectively to the evacuation of heat towards outside.
  • the mass 21 encloses a sealed cavity 23, which contains a flexible element which divides it into two chambers of variable volume in addition to each other, in part and on the other side of a median position of rest of said element where they are in pressure balance.
  • the two bedrooms 4a and 4b belong respectively to each of the gas circuits of work.
  • the bottom wall of the module is pierced by two holes 5a and 5b which are placed exactly in correspondence with the homologous orifices 3a-3b of the plate 15.
  • the element flexible that separates the two complementary chambers is consisting of a pivoting blade 26. It is a blade rectangular which is embedded waterproof in the mass of the module at one of its ends, at 27 right on the Fig. Its other end is free; during deformations of the blade, it slides in contact on the wall opposite internal cavity 23, which is curved for this purpose.
  • the blade 26 On either side of its median rest position, the blade 26 goes to symmetrical extreme positions where it is applied against the wall of the cavity 23.
  • a shape adapted from this wall reduces the corresponding room to a zero volume at maximum pressure in its circuit.
  • functional play on the three free slots of the slide is of the order of 50 microns.
  • the blade 26 is replaced by a disc circular which is flexible to be deformed by its center and which is built-in waterproof all around its perimeter wall of the cavity 23, which is then of section circular, at least in this place, that is to say in its vertical median plane.
  • the blade 26 is associated with control means electric which give it a deformation movement periodic, alternately on either side of the plane median of the cavity 23.
  • control means electric which give it a deformation movement periodic, alternately on either side of the plane median of the cavity 23.
  • These means are illustrated on the Figure 2 by two pairs of electrodes. Each couple comprising an electrode 27a-27b integral with the blade 26 which is brought to the reference voltage, and an electrode in look 28a-28b in the wall of the cavity 23.
  • the electrodes of each pair, 28a and 28b are subject to opposite periodic voltages, which combine their effects in blade attraction and repulsion 26.
  • wires 24 and 29 for the electrical supply of electrodes.
  • a control circuit not shown, ensures the regulation of the deformations of the blade 26; it is fixed plated on the oscillator housing.
  • the external electrodes appear in volume in the mass of the oscillator housing, but they are preferably made by simple conductive coatings deposited on the surface of the cavity walls 23, and supplied as the internal electrodes from the right side of the oscillator.
  • the mode of control of the deformations of the element flexible generating pressure oscillations can be materialize under different variants.
  • the casing 21 of the active module is for example in alumina, material with good thermal conduction and high electrical resistance. It is metallic on its face lower to be sealed by welding on the plate 15.
  • a packaging system such as described and illustrated by the figures can be achieved, by view of a cooling power of 100 mW at 180 ° K for a ambient temperature of 30 ° C, in dimensions of 35 mm by 25 mm by: 25 mm, with a ceramic case with a wall thickness of 1.5 to 2 millimeters, and an oscillator providing pressure pulses at a maximum excursion of 20% compared to a pressure of loading of 2 bars.
  • the invention is not limited to the mode of preferred embodiment described above with reference to Figures 1 to 4, it will be recalled that the exchanger 13, described in part of a purely regenerative cycle, can be replaced by a delayed heat transfer device between gases relaxed cold and hot compressed gas, involving filling gas conduits of energy-storing material thermal to then restore it during the phases of the cycle.
  • the conduit belonging to each circuit then plays the role of a regenerative tube, in series with the corresponding pulses between communication channels with the associated chamber of the pressure generator. Yes necessary, the different channels can be calibrated in the passage section they offer to the working gas.
  • FIG. 5 of the accompanying drawings illustrates a variant of the system of the invention in which the oscillator as already described is used in combination with a passive module similarly encapsulated in its case, but in which the core of the cooler does not has more than one working gas circuit, including a pulsation tube in series with a device for regenerative type thermal recovery.
  • the cooler core has a tube single pulsation 51 dug longitudinally in the block principal 11.
  • the general structure of the passive module is constructed as above.
  • the tube 51 opens out the interface with the cold exchanger 16, in an area where its material is micro-machined to increase its surface specific in communication with a vertical channel 52. From opposite side, we see the hot exchanger 14, which is formed here in one piece with the plate 53 of the recovery over block 11.
  • the tube 51 opens also on the left side of block 11, in a channel 54 which closes the gas circuit by communication with one of the pressure oscillator chambers (chamber 4a of the figure 2).
  • the other bedroom via channel 55, communicates with the left end of the regenerator 56 formed in the plate 53, on the hot side of the cooler.
  • the gas circuit closes between regenerator 56 and tube 51 via channel 52 already mentioned.
  • Regenerator 56 forms a section duct flattened in the plate 53.
  • the regeneration effect by recovery from the work developed at the hot spring is obtained by constituting it by a material made of a mosaic of glass blocks micro-machined by photolithography in surface of a glass plate, in dimensions from 100 to 200 microns.
  • the plate 53 is therefore actually constituted by two glass plates assembled, with a full plate 58 covering the micromachined plate 57.
  • the operation in accordance with a regenerative pulsed gas cycle is provided by the oscillator as it would be by a second double-acting compressor piston instead phase shift valves and solution buffer tank classics.
  • this thus removes dead volumes, which are always penalizing, especially at miniature scales.

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Description

La présente invention a pour objet un système de conditionnement destiné notamment au refroidissement des composants électroniques pendant leur fonctionnement, du type comportant pour cela un refroidisseur cryogénique propre à mettre en oeuvre un cycle thermodynamique impliquant périodiquement des phases alternatives de compression et de détente d'un gaz de travail tel que l'hélium. Un tel système est connu des documents EP-A-0 672 873 et US-A-5 275 002.
Elle trouvera avantageusement application dans tous les équipements utilisant des composants électroniques qui voient leurs performances améliorées quand ils sont maintenus à température cryogénique, comprise en général entre 80 °K et 200 °K. Parmi ces composants, on peut citer plus particulièrement les composants à base de matériaux supraconducteurs à température critique élevée, ainsi que les composants magnétoélectriques, pour lesquels les basses températures allongent le temps de relaxation magnétique.
Pour tirer le plein profit de l'amélioration des performances des composants telle qu'elle résulte directement de leur maintien à des températures aussi basses, il est apparu hautement souhaitable de concevoir des systèmes et dispositifs de refroidissement cryogénique spécialement adaptés. Il convient que, plutôt que de risquer de limiter ou perturber ces performances, ils soient aptes à recevoir les composants dans des conditions qui apportent leur propre contribution dans le même sens tendant à l'accroissement des performances, notamment par l'amélioration des caractéristiques électriques, l'augmentation de la sensibilité pour des signaux faibles, la réduction du bruit de fond.
Pour ce faire, l'invention vise essentiellement à assurer l'intégration des composants dans un système de conditionnement qui, tout en permettant leur refroidissement à température cryogénique dans des conditions particulièrement avantageuses, constitue également leur station d'accueil, du point de vue notamment de la résistance mécanique et de la stabilité thermique. Elle a aussi pour objectif de se placer toujours mieux dans la course actuelle à la miniaturisation, en prévoyant une construction de l'ensemble sous forme extrêmement compacte, et néanmoins solide, fiable pour de longues durées d'utilisation, et à prix compétitif. On verra plus loin qu'elle permet même de s'évader des dispositions classiques où le composant est disposé en bout d'un doigt froid à l'opposé d'un compresseur générant les variations de pression.
Dans ses modes de réalisation préférés, l'invention répond d'autant mieux aux objectifs énoncés ici que, pour un refroidisseur à pilotage pneumatique comme c'est le cas des refroidisseurs à tube de gaz pulsé, dérivés des refroidisseurs appliquant plus généralement un cycle de Stirling, elle permet d'éviter le recours à une chambre tampon de gaz maintenu à pression constante. Elle permet ainsi de s'affranchir de la limitation des solutions classiques en ce qui concerne le volume du refroidisseur. En outre, une telle conception permet de supprimer l'essentiel des pièces mécaniques mobiles, avec les difficultés de leur ajustement, ce qui va dans le sens d'une meilleure qualité en fiabilité de construction et fonctionnement et en longévité.
Pour trouver des explications sur les solutions connues à ce jour, on pourra se référer utilement à un article de Damien Feger intitulé "Refroidissement des détecteurs optoélectroniques" paru dans "Techniques de l'Ingénieur, traité Electronique" pages E4070-1 à 11. Cet article restant souvent au niveau des principes, on pourra avoir intérêt à se reporter en plus à des réalisations concrètes décrites dans des textes de brevet déposés par la société demanderesse.
On rappellera simplement ici que le procédé thermodynamique appliqué dans les refroidisseurs du genre considéré consiste, au niveau de la théorie, à faire subir au gaz un cycle répétitif en circuit fermé comprenant une phase de compression et une phase de détente, de part et d'autre d'un régénérateur thermique qui assure une récupération thermique différée dans le temps entre gaz froid détendu et gaz chaud comprimé. Le régénérateur constitue donc une éponge thermique qui, alternativement, retient de la chaleur du gaz résultant de la phase de compression en l'accumulant, et la restitue ensuite au gaz issu de la phase de détente.
Le régénérateur est classiquement réalisé sous forme d'un tube allongé à une extrémité duquel se situe la zone froide en contact thermique avec le composant à refroidir. Il est rempli d'une structure poreuse, apportant une grande surface spécifique pour les échanges thermiques, qui est constituée en un matériau à faible conductivité thermique propre.
La présence d'un tel régénérateur étant générale des refroidisseurs connus à cycle de Stirling, la solution des refroidisseurs à gaz pulsé consiste essentiellement à remplacer le régénérateur déplaceur (alors monté mobile à coulissement dans le doigt froid) par un échangeur régénérateur fixe, et à compléter le circuit du gaz de travail par un tube dit de gaz pulsé, ou à pulsations, qui reçoit les impulsions en variation de pression en provenance du compresseur oscillateur de pression par l'intermédiaire d'une liaison pneumatique appropriée. En fonctionnement il s'y instaure une variation dynamique de pression correspondant à celle d'un piston gazeux, grâce à l'introduction d'un déphasage entre variations de pression et variations de débit créé par référence à un réservoir tampon à basse pression dont le volume est constant.
En pratique, ce déphasage est assuré grâce à la présence d'une ou deux valves sur le circuit de liaison pneumatique entre le tube à pulsations et d'une part le compresseur générateur des oscillations de pression, d'autre part le réservoir tampon à pression et volume constants. Ces valves sont généralement de simples orifices calibrés, dans le souci d'éviter les pièces mécaniques mobiles.
Dans le cadre de l'art antérieur qui vient d'être rappelé, l'invention a donc pour objet un système de conditionnement de composants fonctionnant à température cryogénique, à refroidissement par un gaz de travail soumis à un cycle thermodynamique en circuit fermé, suivant un cycle périodiquement répétitif impliquant des phases alternatives de compression et de détente, dans un refroidisseur du type à gaz pulsé dont le circuit de gaz de travail comporte un tube à pulsations s'étendant entre un échangeur froid en contact thermique avec le composant à refroidir et un échangeur chaud de réjection de chaleur vers l'extérieur.
Pour satisfaire aux objectifs principaux exposés précédemment, le système suivant l'invention présente une série de caractéristiques selon les revendications 1 et 17.
Suivant l'une de ses caractéristiques principales, l'invention consiste essentiellement à ménager le tubes à pulsations dans un bloc de forme parallélépipédique ou équivalente, constituant le coeur du refroidisseur et réalisé en une matière thermiquement isolante, qui supporte l'échangeur froid et l'échangeur chaud accolés respectivement contre deux faces latérales opposées dudit bloc, et qui supporte également, sur une face dite supérieure du même bloc, un dispositif de transfert thermique entre gaz froid détendu et gaz chaud comprimé.
Suivant une autre de ses caractéristiques principales, l'invention propose d'éviter les valves classiques de régulation débit/pression à l'alimentation d'un circuit unique de gaz pulsé, en disposant en série son tube à pulsations et son dispositif de transfert thermique entre gaz froid détendu et gaz chaud comprimé, constitué par un conduit à régénérateur de transfert thermique différé dans le temps, entre deux canaux d'alimentation sous des pressions périodiquement variables en opposition de phase.
Suivant encore une autre de ses caractéristiques principales, qui aura généralement la préférence, l'invention propose que le refroidisseur comporte deux circuits de gaz de travail similaires, opératifs en opposition de phase, dont les tubes à pulsations sont ménagés au sein d'un même bloc de matériau isolant thermiquement supportant l'échangeur froid et l'échangeur chaud, ceux-ci étant communs aux deux circuits, ainsi qu'un dispositif de transfert thermique entre gaz froid détendu et gaz chaud comprimé, constitué par un échangeur de récupération à contre-courant entre les deux flux de gaz alimentant les tubes à pulsations appartenant respectivement aux deux circuits de gaz de travail.
Le bloc principal intégrant l'échangeur chaud et l'échangeur froid constitue avec le dispositif de transfert thermique (notamment l'échangeur de récupération) ce que l'on appellera ici le module passif du système. Il est avantageusement enfermé dans un module d'encapsulation formant boítier étanche et isolant, dont une paroi de fond supporte le composant à refroidir contre l'échangeur froid.
A l'opposé, l'échangeur de récupération est de préférence constitué solidaire du bloc principal, contre une face supérieure de celui-ci qui est orientée parallèle à un plan commun aux deux tubes à pulsations. En réalisation pratique, le bloc est alors de forme parallélépipédique, et les échangeurs froid et chaud sont accolés sur ses faces latérales.
Par ailleurs, et suivant un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, il est prévu de fermer le boítier par un couvercle qui constitue en même temps une plaque de réjection de chaleur s'écartant du bloc lui-même dans le prolongement de l'échangeur chaud. Ceci peut se concrétiser au mieux par une plaque plane de matériau thermiquement conducteur qui se monte directement sur l'échangeur chaud, dans la mesure où celui-ci, conformément à une autre caractéristique de l'invention, est réalisé sous la forme d'une structure thermiquement conductrice en équerre, recouvrant la face latérale gauche du bloc, et partiellement sa face supérieure en sa partie gauche.
Naturellement, il doit être entendu ici que toutes les expressions qui font référence à l'orientation (telles que supérieur ou inférieur, avant ou arrière, droite ou gauche, horizontal ou vertical) sont utilisées exclusivement pour faciliter la compréhension du lecteur. En effet, le fonctionnement reste le même quelle que soit la disposition du système dans l'espace.
Avec le même souci visant à une fabrication miniature compacte et à haut rendement, l'échangeur froid est formé, de préférence, par une structure en équerre thermiquement conductrice recouvrant la face latérale droite du bloc refroidisseur, et partiellement sa face inférieure en sa partie droite.
Tandis que la portion inférieure, dite horizontale, de cette équerre reçoit le composant à refroidir, il est alors particulièrement commode d'utiliser l'interface entre sa portion verticale et le bloc principal pour y ménager des canaux de communication appartenant à chacun des circuits de gaz de travail entre l'échangeur de récupération à contre-courant et leurs tubes à pulsations respectifs, ou le cas échéant, entre régénérateur et tube à pulsations d'un même circuit. Il est toujours souhaitable que le ou les flux gazeux aient à traverser un zone à surface d'échange importante contre la section d'extrémité du tube à gaz, ce qui s'obtient avantageusement par un micro-usinage approprié de la matière de l'échangeur froid en cet endroit.
Toutes les caractéristiques de l'invention qui viennent d'être mentionnées se prêtent à différentes variantes de configuration pour les deux circuits de gaz de travail couplés par les échangeurs.
Suivant une première variante, chaque circuit comporte, comme il est usuel, un régénérateur d'accumulation et restitution thermique différée entre gaz détendu et gaz comprimé, qui se place en série dans le prolongement du tube à pulsations sur le circuit correspondant. La configuration géométrique peut varier, notamment suivant que régénérateur et tube à pulsations sont en ligne de part et d'autre de l'échangeur froid, ou qu'ils sont disposés parallèlement l'un à côté de l'autre, suivant la configuration dite en U, ou encore qu'ils sont en disposition concentrique.
La solution préférée dans le cadre de l'invention correspondant à la configuration en U. Les deux régénérateurs, appartenant respectivement à chacun des circuits de gaz de travail, sont alors ménagés parallèlement l'un à l'autre dans l'épaisseur de l'échangeur de récupération tel qu'il a été défini ci-dessus. En série avec les tubes, ils reçoivent les impulsions de pression en opposition de phase. Les canaux et orifices d'entrée du gaz sont disposés à une même extrémité, et ceux de sortie à l'autre extrémité, ce qui assure l'effet local de circulation à contre-courant.
Suivant une seconde variante, qui aura la préférence dans la plupart des applications de l'invention, les circuits de gaz de travail ne comportent plus ce genre de régénérateur. Dans ce cas, l'échangeur de récupération thermique à contre-courant n'a que son rôle propre à remplir. Conformément à l'un des modes de mise en oeuvre préférés de l'invention, il suffit qu'il soit configuré pour obliger le gaz de travail, dans chacun des deux circuits, à suivre un trajet laminaire en serpentin entre un orifice de communication avec des moyens oscillateurs de pression et un orifice de communication avec l'une des extrémités du tube à pulsations correspondant.
Un tel échangeur peut être avantageusement réalisé par un ensemble composite à trois couches, comprenant une couche intermédiaire en matériau conducteur formant séparateur entre des corrugations appropriées creusées dans deux couches extérieures pour former les trajets souhaités.
D'autres caractéristiques de l'invention concernent plus spécialement un module dit actif qui est combiné au système pour générer les oscillations de pression destinées à l'alimentation en pression périodiquement variable en opposition de phase, soit du régénérateur et du tube à pulsations d'un même circuit de gaz de travail, soit, de préférence, de l'un et l'autre des deux circuits de gaz de travail.
Pour l'essentiel, ce générateur ou oscillateur de pression, avantageusement accolé solidaire avec le boítier ou module d'encapsulation, notamment contre une plaque de réjection de chaleur formant la face couvercle du boítier, est de préférence de type comportant un élément flexible divisant une cavité ménagée en son sein en deux chambres différentes, de volumes complémentaires, qui sont en communication pneumatique avec les canaux d'alimentation, donc de préférence avec respectivement chacun des tubes à pulsations par l'intermédiaire de l'échangeur de récupération à contre-courant.
Un tel élément flexible, qu'il soit sous la forme d'une lame pivotante ou sous celle d'un disque fixe en son pourtour, peut être notamment commandé dans ses déformations (de part et d'autre d'une position médiane dans ladite cavité) par tous moyens électriques appropriés en relation avec sa constitution.
D'autres modes de mise en oeuvre de la présente invention se traduisent par un système de conditionnement cryogénique de composants répondant aux mêmes particularités en ce qui concerne le coeur du refroidisseur, avec ses échangeurs froid et chaud associés, et respectant les mêmes principes pour la combinaison des trois modules, mais où l'un des tubes ménagés dans le module passif sert de régénérateur pour l'autre, sur un même circuit de gaz de travail.
En l'absence d'un échangeur spécial de récupération, un réservoir à pression constante peut être ménagé dans le module actif contenant le générateur de pression, notamment à l'arrière d'un simple compresseur à piston mobile. D'autre part, les canaux de communication entre le générateur de pression et le refroidisseur peuvent être adaptés pour offrir une section de passage calibrée assurant un déphasage entre débit et pression dans le circuit de gaz et mettre les deux tubes en série.
Le système de l'invention répondant aux particularités ci-dessus peut être adapté à un seul circuit de gaz de travail, dès lors qu'il passe par un tube à pulsations de pression ménagé dans le bloc coeur du refroidisseur et par un tube régénérateur accolé contre ce bloc dans le module passif. La notion de tube doit être comprise ici comme s'étendant à toutes formes de sections pour un conduit tubulaire. En particulier, le tube ou conduit de matériau régénérateur intégré sous forme d'une plaque accolée au bloc principal présentera de préférence une section rectangulaire.
Ce même mode de réalisation à un seul circuit de gaz de travail tire profit, conformément à l'invention, non seulement des différentes caractéristiques concernant les dispositions mécaniques, la conception des pièces et leur mode d'assemblage, mais aussi de la combinaison avec un générateur de pression à deux chambres complémentaires. Il ne s'agit plus alors d'alimenter deux circuits en opposition de phase, mais d'alimenter le tube à pulsations par une chambre, le régénérateur par l'autre.
L'invention sera maintenant plus complètement décrite dans le cadre de ses caractéristiques préférées et de leurs avantages, en faisant référence aux figures des dessins annexés qui en illustrent deux modes de réalisation particuliers, et dans lesquelles :
  • la figure 1 représente schématiquement un système de conditionnement réfrigéré à deux circuits de gaz de travail, vu suivant une coupe longitudinale décalée par rapport à son axe médian ;
  • la figure 2 est une coupe schématique de son oscillateur de pression considéré en vue de dessus par rapport à la figure 1 ;
  • la figure 3 montre plutôt l'échangeur de récupération dans le même genre de coupe schématique ;
  • la figure 4 montre les trois modules principaux du système dans leur apparence extérieure suivant une vue éclatée avant assemblage ;
  • et la figure 5 illustre en perspective la constitution du module passif d'un système à un seul circuit de gaz de travail.
Les figures illustrent le système de conditionnement de composants suivant l'invention dans une réalisation particulièrement complète, intégrant dans un même ensemble mécanique, compact et solide, tous les moyens mécaniques et pneumatiques pour assurer :
  • les fonctions d'un refroidisseur cryogénique à cycle thermodynamique mis en oeuvre dans un circuit fermé de gaz de travail au voisinage immédiat d'un composant électronique à refroidir,
  • celles donc d'un générateur de pression associé, imposant périodiquement détentes et compressions alternatives du gaz de travail dans ce circuit,
  • celles d'un boítier de protection formant aussi station d'accueil thermiquement isolante pour le composant et supportant ses connexions électriques avec l'extérieur.
Les figures 1 à 4 concernent un système à deux circuits de gaz pulsé couplés. Conformément à l'invention, refroidisseur et générateur de pression définissent en réalité deux circuits distincts de gaz de travail, qui opèrent suivant le même cycle thermodynamique, mais en opposition de phase l'un par rapport à l'autre.
Les deux circuits se combinent à de multiples niveaux, principalement par une interaction de leurs effets thermiques dans le refroidisseur et par leurs liaisons respectives à un même oscillateur générateur des variations de pression, mais aussi au niveau des échangeurs de chaleur avec d'une part le composant à refroidir, d'autre part avec l'extérieur en réjection de chaleur, plus le boítier qui leur est commun.
Les deux circuits sont identiques dans leur définition hors fonctionnement, et ménagés parallèlement entre eux. Leurs différentes parties seront référencées par les mêmes chiffres, suivis de la lettre a ou b respectivement. Ils se placent l'un derrière l'autre dans la disposition de la coupe de la figure 1
Dans la conception mécanique de l'ensemble, on distingue :
  • un module dit passif 10, qui constitue le refroidisseur proprement dit,
  • un module dit actif 20, qui comporte l'oscillateur de pression intégré,
  • et un module d'encapsulation 30 formant boítier pour le refroidisseur avec ses échangeurs.
Dans le module passif 10, le coeur du refroidisseur est essentiellement formé par un bloc parallélépipédique 11, constitué en un matériau massif à bonnes propriétés d'isolation thermique. On peut utiliser à cette fin du verre tel le Pyrex ou une matière céramique.
Deux tubes borgnes 1a et 1b sont creusés dans ce bloc 11. Ils appartiennent respectivement à chacun des circuits de gaz de travail, seul le tube la étant visible sur la coupe de la figure 1. En fonctionnement, chacun des tubes constitue le tube à pulsations de son propre circuit, en transmettant d'un bout à l'autre les ondes de pression générées depuis l'oscillateur, suivant le mode de fonctionnement d'un piston gazeux dans un cycle thermodynamique du type à gaz pulsé.
Comme il se doit d'une construction miniaturisée pour la mise en oeuvre d'un tel cycle, le refroidisseur intègre avec lui deux échangeurs, l'un 14 dans la zone chaude, l'autre 16 dans la zone froide. Toutefois, il est à remarquer que, conformément à l'invention, ces deux échangeurs sont communs aux deux circuits de gaz de travail. Ils sont l'un et l'autre réalisés en un matériau à forte conductivité thermique, fait notamment d'un métal ou d'un composé métallique, tel aluminium, silicium, saphir, oxyde de béryllium, nitrure d'aluminium, cupro-tungstène, molybdène.
L'échangeur froid 16 est directement en contact thermique avec le composant à refroidir 40, ce dernier étant appliqué dessus, et éventuellement fixé à lui par collage. Naturellement, il pourrait s'agir de plusieurs composants d'un même circuit électronique. Un matériau particulièrement bien adapté pour constituer cet échangeur est le silicium monocristallin d'orientation (110). Ce support conducteur peut en outre être percé de canaux micro-usinés améliorant les conditions d'échange thermique. Il en est ainsi dans l'exemple décrit pour sa zone qui se situe contre la section d'extrémité des tubes à pulsations.
Quant à l'échangeur chaud 14, il a pour rôle, comme il est classique, d'assurer la réjection de chaleur vers l'extérieur. Comme l'échangeur froid il est accolé à plat sur une face du bloc il en bout des tubes 1a-1b, mais à son opposé par rapport à ces derniers. Pour un refroidisseur à deux tubes horizontaux comme celui de la figure 1, les échangeurs 14 et 16 recouvrent les faces latérales du bloc 11, respectivement celle à droite, et celle à gauche, ici du côté fermé des tubes à pulsations.
Conformément à l'invention, le module passif 10 comporte en plus un troisième échangeur 13. Sa fonction première est d'assurer un transfert thermique entre gaz chaud comprimé et gaz froid détendu. Il s'agit donc d'une récupération thermique. Toutefois, dans la mesure où le système comporte deux circuits de gaz de travail couplés pour fonctionner en interaction, cet échangeur de récupération est un échangeur à contre-courant entre deux conduits parallèles guidant les flux de gaz alimentant les deux tubes à pulsations. A cet effet, les conduits de gaz internes à l'échangeur 13 sont en liaison pneumatique, par des canaux de communication dont il sera question plus loin, avec le tube 1a ou 1b du même circuit de son côté ouvert, donc à droite sur la figure 1.
Du point de vue de la fabrication mécanique, cet échangeur 13 se présente sous la forme d'une plaque plane, plus ou moins épaisse suivant la section de passage nécessaire pour les flux de gaz. Et cette plaque est accolée fixe sur l'une des faces du bloc 11. Elle fait donc partie intégrante du refroidisseur, c'est-à-dire du module passif 10. Elle peut même être constituée directement par usinage approprié du même matériau que le bloc 11 dans certains cas.
Dans l'une des formes de mise en oeuvre de l'invention, qui cependant ne fait pas l'objet d'une figure spéciale dans les dessins annexés, l'échangeur 13 joue simultanément le rôle qui est dévolu, de manière classique, au régénérateur des refroidisseurs à cycle de Stirling. On parle ici d'un régénérateur fixe, puisque le cycle thermodynamique appliqué est du type à gaz pulsé.
Un tel cycle avec régénération thermique implique emmagasinement et restitution de chaleur de manière alternative au cours du cycle au sein d'un même tube, sur chaque circuit de gaz de travail individuel. A cet effet, le tube est rempli de billes de verres, ou d'une structure analogue à fort ρCp offrant une grande surface spécifique dans un espace réduit, de manière à constituer une "éponge thermique".
Dans le cadre de l'invention, les tubes régénérateurs sont formés dans deux conduits parallèles ménagés au sein de l'échangeur. Comme les flux de gaz circulent en opposition de phase (de droite à gauche l'un dans un sens l'autre dans l'autre sur la figure 1), l'effet régénératif se combine avec l'effet récupératif spécifique que procure l'échange à contre-courant. Celui-ci est assuré par exemple par des microcanaux qui augmentent localement la conduction thermique à travers la masse de l'échangeur.
Cependant, la solution illustrée ici est celle d'un cycle exclusivement récupératif, afin d'éviter les contraintes du remplissage par un matériau régénérateur. On se contente alors d'imposer séparément aux deux flux de gaz des trajets de circulation respectifs à travers l'échangeur tels qu'il s'établisse un échange thermique efficace entre eux. En outre, les conduits dans l'échangeur sont parallèles par leurs entrées et sorties. De la sorte, l'échange se déroule à contre-courant du fait que dans le même temps, les deux flux de gaz s'y déplacent localement sous l'effet des impulsions de pression qu'ils reçoivent en opposition de phase.
Dans le cas de l'exemple choisi, l'échangeur est en pratique sous forme d'une masse de matériau thermiquement conducteur dans laquelle sont ménagés deux conduits décrivant des trajets parallèles en serpentin. Ces deux conduits sont définis pour un écoulement essentiellement laminaire léchant des corrugations convenablement orientées.
D'une manière plus précise, l'échangeur 13, de construction miniature, est constitué par une plaque composite en trois couches. Les conduits 6a-6b sont creusés en surface des couches extérieures face à la couche intermédiaire. Cette dernière sert de séparateur et de conducteur thermique entre les deux circuits. Les deux couches extérieures n'ont pas tant besoin d'être conductrices. Par usinage photolithographique et assemblage des couches par collage (chimique ou électrochimique), on a su réaliser l'échangeur sous une épaisseur ne dépassant pas 1 millimètre.
Revenant maintenant aux échangeurs froid et chaud, on peut observer des figures qu'ils sont construits de manière particulière. Chacun est en forme d'une structure plate pliée en équerre autour d'une arête du bloc 11 formant le coeur du refroidisseur.
Ainsi, la structure en équerre formant l'échangeur froid 16 s'étend de la face latérale droite du bloc 11 à la partie droite de sa face inférieure. Le composant à refroidir 40 est fixé en contact thermique dessus, de préférence par collage. A l'opposé, la structure en équerre 14 formant échangeur chaud enveloppe le bloc sur sa partie gauche, en recouvrant à la fois une fraction de sa face supérieure et la totalité de sa face latérale.
En effet, il est prévu qu'en fonctionnement, la partie gauche du bloc 11, du côté où les tubes la et 1b sont fermés, constitue la zone chaude du refroidisseur. La zone froide se situe à l'inverse du côté droit du bloc 11, là où les tubes la et 1b s'ouvrent pour être mis en communication avec les moyens qui permettent d'y générer des pulsations de pression (oscillateur 20) par l'intermédiaire de l'échangeur à contre-courant 13.
En outre, une plaque plane 15, réalisée en un matériau fortement conducteur thermique, est rapportée sur le bloc 11 pour mieux assurer la réjection de chaleur vers l'extérieur. Toujours dans la disposition de la figure 1. elle se situe en réalité à l'écart de la face supérieure du bloc 11 dans toute sa partie droite, alors que sur la gauche elle est scellée sur l'échangeur chaud, par procédé électrochimique ou par collage. Elle se situe donc en prolongement de l'échangeur chaud pour l'évacuation de la chaleur à partir du bloc 11.
Comme on peut le constater sur les figures, et comme on l'a déjà indiqué, le coeur du refroidisseur, solidaire des échangeurs formant avec lui le module passif 10, et portant le composant collé sur sa face inférieure, est monté à l'intérieur du module d'encapsulation 30.
Ce dernier forme un bottier étanche qui est fermé par un couvercle constitué par la plaque 15 de réjection de chaleur. Les dimensions de celle-ci sont suffisantes pour recouvrir la tranche supérieure 31 des parois du boítier représentées verticales.
La paroi formant son fond 32 supporte un circuit imprimé 33 qui assure les connexions électriques entre le composant 40 et des pattes de sortie 34, par l'intermédiaire de traversées isolantes étanches 36. Il est schématiquement illustré qu'à l'extérieur de l'ensemble, les pattes 34 se branchent sur un circuit imprimé 35 d'alimentation du composant 40 et d'exploitation des signaux électroniques qu'il fournit.
Par ailleurs, les dimensions du boítier 30 épousent celles du bloc 11 en largeur (profondeur sur la figure 1), plus l'épaisseur des échangeurs en largeur. Sous réserve d'un collage étanche entre les surfaces en vis-à-vis, on pourra remplir l'environnement fermé par l'échangeur chaud d'un gaz inerte lourd, tel un mélange de xénon et de krypton. Cependant, il est préférable de faire régner le vide dans l'espace situé en dessous du bloc 11. En variante, on peut aussi prévoir de combler ces espaces vides par un matériau de remplissage ou par des variations de hauteur appropriées de la section rectangulaire du bloc principal.
Du côté droit de ce bloc, des orifices et canaux 2a et 2b sont délimités dans la structure de l'échangeur froid 16, plus exactement ici à son interface avec le bloc principal, de manière à assurer la communication entre chacune des extrémités ouvertes des tubes la et 1b respectivement et l'extrémité droite de l'échangeur à contre-courant 13. A l'extrémité gauche du même échangeur, on trouve des orifices 3a et 3b respectivement, qui sont percés de lui à travers la plaque couvercle 15 jusqu'à l'oscillateur de pression.
Pour la commodité de l'interprétation, la figure 1 montre les canaux et orifices 2a et 3a dans le même plan diamétral du tube à pulsations la, avant et après les circonvolutions dans l'échangeur 13. Leurs homologues de l'autre circuit de gaz de travail sont supposés se situer derrière. Pour des raisons de parallélisme des trajets à l'intérieur de l'échangeur 13 et d'identité entre leurs longueurs, on pourra préférer cependant une répartition croisée des entrées et sorties.
D'un autre point de vue, on remarque sur les figures que du côté chaud, les deux tubes à pulsations la et 1b, là où ils sont fermés borgnes à gauche, sont néanmoins reliés entre eux par un perçage capillaire. Ce capillaire 61 est représenté percé à travers la matière du bloc 11. Il pourrait tout aussi bien être ménagé à l'interface entre ce bloc et la matière de l'échangeur chaud 14. Sa présence suffit à jouer un rôle de déphaseur analogue à celui des valves classiques des refroidisseurs à tubes pulsés, dans la régulation du déphasage entre débit et pression à l'alimentation du tube pulsé, compte tenu du fait que cette alimentation est elle-même déphasée dans l'un des tubes par rapport à l'autre.
Le module actif 20, générant les pulsations de pression, est monté sur la plaque couvercle 15 comme il est montré sur les figures. Il est constitué par une masse de matériau conducteur thermique, globalement de forme parallélépipédique qui vient s'appliquer sur la face supérieure du module passif encapsulé. Toutefois, il s'étend en débord du boítier 30 du côté chaud du refroidisseur, et il est échancré en cet endroit pour former des ailettes 22 qui contribuent efficacement à l'évacuation de chaleur vers l'extérieur.
La masse 21 enferme une cavité étanche 23, laquelle contient un élément flexible qui la divise en deux chambres de volume variable en complément l'une de l'autre, de part et d'autre d'une position médiane de repos dudit élément où elles sont en équilibre de pression. Les deux chambres 4a et 4b appartiennent respectivement à chacun des circuits de gaz de travail. Pour cela, la paroi inférieure du module est percée de deux orifices 5a et 5b qui se placent exactement en correspondance avec les orifices homologues 3a-3b de la plaque 15.
Dans le mode de réalisation représenté, l'élément flexible qui sépare les deux chambres complémentaires est constitué par une lame pivotante 26. Il s'agit d'une lame rectangulaire qui est encastrée étanche dans la masse du module à l'une de ses extrémités, en 27 à droite sur la figure. Son autre extrémité est libre ; au cours des déformations de la lame, elle glisse en contact sur la paroi interne opposée de la cavité 23, qui est courbe à cet effet.
De part et d'autre de sa position médiane de repos, la lame 26 va jusqu'à des positions extrêmes symétriques où elle s'applique contre la paroi de la cavité 23. Une forme adaptée de cette paroi réduit la chambre correspondante à un volume nul au maximum de pression dans son circuit. En pratique, le jeu fonctionnel sur les trois tranches libres de la lame est de l'ordre de 50 microns.
Suivant une variante de mise en oeuvre de l'invention, la lame 26 est remplacée par un disque circulaire qui est flexible pour être déformé par son centre et qui est encastré étanche sur tout son pourtour dans la paroi de la cavité 23, laquelle est alors de section circulaire, du moins en cet endroit, c'est-à-dire dans son plan médian vertical.
A la lame 26 il est associé des moyens de commande électriques qui lui impriment un mouvement de déformation périodique, alternativement de part et d'autre du plan médian de la cavité 23. Ces moyens sont illustrés sur la figure 2 par deux couples d'électrodes. Chaque couple comportant une électrode 27a-27b solidaire de la lame 26 qui est portée à la tension de référence, et une électrode en regard 28a-28b dans la paroi de la cavité 23. Les électrodes externes de chaque couple, 28a et 28b, sont soumises à des tensions périodiques opposées, qui combinent leurs effets en attraction et répulsion de la lame 26.
On a fait apparaítre schématiquement sur la figure 2, des fils 24 et 29 d'alimentation électrique des électrodes. Un circuit de commande non représenté assure la régulation des déformations de la lame 26 ; il est fixé plaqué sur le carter de l'oscillateur. Sur la figure 2, les électrodes externes apparaissent en volume dans la masse du carter de l'oscillateur, mais elles sont de préférence réalisées par de simples revêtements conducteurs déposés sur la surface des parois de cavité 23, et alimentés comme les électrodes internes depuis la face droite de l'oscillateur.
Tout en restant dans le cadre de la présente invention, le mode de commande des déformations de l'élément flexible générant les oscillations de pression peut se concrétiser sous différentes variantes. En particulier on peut utiliser une lame rectangulaire en matériau piézo-résistif multi-couches dans laquelle sont enchâssées deux électrodes en Kovar, les contacts électriques étant procurés par des dépôts métalliques au niveau de son encastrement dans le carter de l'oscillateur.
Le carter 21 du module actif est par exemple en alumine, matériau à bonne conduction thermique et à grande résistance électrique. Il est métallisé sur sa face inférieure pour être scellé par soudure sur la plaque 15.
A titre d'exemple, un système de conditionnement tel que décrit et illustré par les figures peut être réalisé, en vue d'une puissance frigorifique de 100 mW à 180 °K pour une température ambiante de 30 °C, sous des dimensions de 35 mm par 25 mm par :25 mm, avec un boítier en céramique présentant une épaisseur de parois de 1,5 à 2 millimètres, et un oscillateur assurant des impulsions de pression à une excursion maximale de 20 % par rapport à une pression de chargement de 2 bars.
L'invention n'étant pas limitée au mode de réalisation préféré décrit ci-dessus en référence aux figures 1 à 4, on rappellera que l'échangeur 13, décrit dans le cadre d'un cycle purement récupératif, peut être remplacé par un dispositif de transfert thermique différé entre gaz froid détendu et gaz chaud comprimé, impliquant de remplir les conduits de gaz d'un matériau emmagasinant l'énergie thermique pour la restituer ensuite au cours des phases du cycle. Le conduit appartenant à chaque circuit joue alors le rôle d'un tube régénérateur, en série avec le tube à pulsations correspondant entre des canaux de communication avec la chambre associée du générateur de pression. Si nécessaire, les différents canaux peuvent être calibrés dans la section de passage qu'ils offrent au gaz de travail.
La figure 5 des dessins annexés illustre une variante du système de l'invention dans laquelle l'oscillateur tel que déjà décrit est utilisé en combinaison avec un module passif similairement encapsulé dans son boítier, mais dans laquelle le coeur du refroidisseur ne comporte plus qu'un circuit de gaz de travail, incluant un tube à pulsations en série avec un dispositif de récupération thermique de type régénératif.
Le coeur du refroidisseur comporte un tube à pulsations unique 51 creusé longitudinalement dans le bloc principal 11. La structure générale du module passif est construite comme ci-dessus. Le tube 51 débouche à l'interface avec l'échangeur froid 16, dans une zone où sa matière est micro-usinée pour augmenter sa surface spécifique en communication avec un canal vertical 52. Du côté opposé, on voit l'échangeur chaud 14, qui est ici formé d'une seule pièce avec la plaque 53 du dispositif de récupération surmontant le bloc 11.
Contrairement au cas précédent, le tube 51 débouche également du côté gauche du bloc 11, dans un canal 54 qui ferme le circuit de gaz par communication avec l'une des chambres de l'oscillateur de pression (chambre 4a de la figure 2). L'autre chambre, par un canal 55, communique avec l'extrémité gauche du régénérateur 56 formé dans la plaque 53, du côté chaud du refroidisseur. Du côté froid, le circuit de gaz se ferme entre le régénérateur 56 et le tube 51 par le canal 52 déjà mentionné.
Le régénérateur 56 forme un conduit de section aplatie ménagé dans la plaque 53. L'effet de régénération par récupération du travail développé à la source chaude est obtenu en le constituant par un matériau fait d'une mosaïque de plots de verre micro-usinés par photolithographie en surface d'une plaque de verre, sous des dimensions de 100 à 200 microns. La plaque 53 est donc constituée en réalité par deux plaques de verre assemblées, avec une plaque pleine 58 recouvrant la plaque microusinée 57.
Dans le refroidisseur ainsi constitué, le fonctionnement conforme à un cycle régénératif à gaz pulsé est assuré par l'oscillateur comme il le serait par un second piston de compresseur à double effet en lieu et place des valves de déphasage et du réservoir tampon des solutions classiques. Parmi les avantages obtenus, on supprime ainsi les volumes morts, qui sont toujours pénalisants, surtout aux échelles miniatures.
Enfin, on aura compris dans toutes les formes de réalisation décrites, il sera commode de faire largement appel aux techniques de collage chimique ou électrochimique pour assembler les différentes pièces constituant les modules du système de l'invention, aux techniques de photolithographie et perçage ultrasonique pour réaliser les usinages, et aux techniques de soudage verre/métal ou céramique/métal pour ce qui est des traversées électriques étanches.

Claims (24)

  1. Système de conditionnement de composants fonctionnant à température cryogénique, à refroidissement par un gaz de travail soumis à un cycle thermodynamique en circuit fermé, suivant un cycle périodiquement répétitif impliquant des phases alternatives de compression et de détente, dans un refroidisseur du type à gaz pulsé dont le circuit de gaz de travail comporte un tube à pulsations (1a, 1b) s'étendant entre un échangeur froid (16) en contact thermique avec le composant à refroidir et un échangeur chaud (14) de réjection de chaleur vers l'extérieur,
       caractérisé en ce que ledit refroidisseur (30) comporte deux circuits de gaz de travail similaires, opératifs en opposition de phase, dont les tubes à pulsations (1a, 1b) sont ménagés au sein d'un même bloc (11) de matériau isolant thermiquement supportant ledit échangeur froid (16) et ledit échangeur chaud (14), ceux-ci étant communs aux deux circuits,
       ainsi qu'un dispositif de récupération (13) pour un transfert thermique à contre-courant entre les deux flux de gaz alimentant les tubes à pulsations appartenant respectivement aux deux circuits de gaz de travail.
  2. Système suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit bloc est enfermé, avec ledit échangeur chaud et ledit échangeur froid, dans un module d'encapsulation formant boítier étanche et qui présente une paroi de fond formant support du composant à refroidir contre ledit échangeur froid.
  3. Système suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit dispositif de récupération est un échangeur configuré pour obliger le gaz de travail, dans chacun des deux circuits, à suivre en parallèle un trajet laminaire en serpentin entre un canal de communication avec des moyens oscillateurs de pression et un canal de communication avec l'une des extrémités du tube à pulsations correspondant.
  4. Système suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit dispositif de récupération (13) est constitué par une masse de matériau thermiquement conducteur intégrant des régénérateurs d'accumulation thermique et échange différé entre gaz chaud et gaz froid qui appartiennent respectivement à chacun desdits circuits de gaz de travail et qui sont disposés parallèles entre un orifice de communication avec des moyens oscillateurs de pression et un orifice de communication avec l'une des extrémités du tube à pulsations correspondant.
  5. Système suivant la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que ledit dispositif de récupération (13) est constitué solidaire dudit bloc (11) contre une face supérieure de celui-ci parallèle à un plan commun aux deux tubes à pulsations desdits circuits de gaz de travail.
  6. Système suivant l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une paroi formant couvercle en fermeture dudit boítier qui est formée par une plaque de réjection de chaleur (15) en matériau thermiquement conducteur s'écartant dudit bloc (11) dans le prolongement dudit échangeur chaud (14).
  7. Système suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit échangeur chaud (14) est formé par une équerre thermiquement conductrice recouvrant une face latérale gauche et, partiellement, une face supérieure dudit bloc en sa partie gauche.
  8. Système suivant la revendication 7 combinée à la revendication 6, caractérisé en ce que la plaque de réjection de chaleur (15) est montée sur l'échangeur chaud en équerre (14) en sa partie recouvrant partiellement ladite face supérieure du bloc (11).
  9. Système suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit échangeur froid (16) est formé par une équerre thermiquement conductrice recouvrant une face latérale droite et, partiellement, une face inférieure dudit bloc (11) en sa partie droite.
  10. Système suivant la revendication 9, caractérisé en ce que des canaux de communication appartenant à chacun des circuits de gaz de travail entre l'échangeur de récupération à contre-courant (13) et leurs tubes à pulsations respectifs (1a, 1b) sont ménagés à l'interface entre ledit bloc (11) et l'échangeur froid (16) en sa portion recouvrant sa face latérale droite.
  11. Système suivant l'une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un oscillateur de pression pour générer des impulsions en variation de pression dans chacun desdits circuits en opposition de phase, alternativement en compression et détente, qui est accolé solidaire avec ledit boítier.
  12. Système suivant la revendication 11, caractérisé en ce que ledit oscillateur de pression est accolé contre une plaque de réjection de chaleur (15) formant la paroi couvercle du boítier conformément à la revendication 6.
  13. Système suivant la revendication 11 ou 12, caractérisé en ce que l'oscillateur de pression est de type comportant un élément flexible (26) divisant une cavité (23) ménagée dans ledit oscillateur en deux chambres différentes (4a-4b), de volumes complémentaires, qui sont en communication pneumatique avec respectivement chacun des tubes à pulsations par l'intermédiaire de l'échangeur de récupération à contre-courant (15).
  14. Système suivant la revendication 13, caractérisé en ce que ledit élément flexible (26) est associé à des moyens électriques de commande de ses déformations de part et d'autre d'une position médiane dans ladite cavité (23), pour créer des impulsions périodiques de pression dans lesdits circuits qui sont alternativement en haute pression dans l'un et en basse pression dans l'autre.
  15. Système suivant la revendication 14, caractérisé en ce que lesdits moyens de commande électriques comportent des électrodes fixes (28a-28b) d'attraction respectivement d'électrodes opposées (27a-27b) portées par ledit élément flexible (26) et des circuits d'alimentation des électrodes et de régulation fixés sur ladite masse.
  16. Système l'une quelconque des revendications 11 à 15, caractérisé en ce que l'oscillateur de pression est sous la forme d'une masse (21) de forme parallélépipédique présentant des ailettes de diffusion thermique dans une partie se plaçant en débord du boítier (30) du côté de l'échangeur chaud quand il est accolé sur la plaque de réjection thermique (15) suivant la revendication 6.
  17. Système de conditionnement de composants fonctionnant à température cryogénique, à refroidisseur du type à gaz pulsé dont le circuit de gaz de travail comporte un tube à pulsations (51) de pression s'étendant entre un échangeur froid (14) en contact thermique avec le composant à refroidir et un échangeur chaud (14) de réjection de chaleur vers l'extérieur, caractérisé en ce que ledit tube à pulsations (51) est ménagé au sein d'un bloc de matériau isolant thermiquement (11) supportant ledit échangeur froid et ledit échangeur chaud, et en ce qu'un autre conduit tubulaire (56) ménagé parallèlement contre ledit bloc est connecté en série avec ledit tube à pulsations (51) sur ledit circuit et rempli d'un matériau régénérateur assurant une récupération thermique différée dans le temps.
  18. Système suivant la revendication 17, caractérisé en ce que ledit bloc (11) est enfermé dans un module d'encapsulation formant boítier étanche et qui présente une paroi de fond formant support du composant à refroidir contre ledit échangeur froid.
  19. Système selon la revendication 18, caractérisé en ce qu'il comporte une paroi formant couvercle en fermeture du boítier, formée par une plaque de rejection de chaleur (15) en matériau thermiquement conducteur s'écartant dudit bloc (11) dans le prolongement dudit échangeur chaud (14).
  20. Système selon l'une des revendications 18 ou 19, caractérisé en ce qu'il comporte, montés solidaires dudit boítier un oscillateur de pression à double effet pour générer des impulsions périodiques de pression, alternativement en compression et détente, qui parviennent en opposition de phase respectivement aux extrémités dudit tube à pulsation (51) et dudit conduit régénérateur (56) à l'opposé des extrémités où ils sont en communication l'un avec l'autre.
  21. Système selon la revendication 20, caractérisé en ce que ledit oscillateur de pression est accolé contre un couvercle de celui-ci formant également plaque de réjection de chaleur pour le bloc refroidisseur.
  22. Système selon l'une des revendications 17 à 21, caractérisé en ce que ledit échangeur chaud (14) est formé par une équerre thermiquement conductrice recouvrant une face latérale gauche et, partiellement, une face supérieure dudit bloc en sa partie gauche.
  23. Système selon la revendication 19 combinée à la revendication 22, caractérisé en ce que la plaque de réjection de chaleur (15) est montée sur l'échangeur chaud en équerre (14) en sa partie recouvrant partiellement ladite face supérieure du bloc (11).
  24. Système selon l'une des revendications 17 à 23, caractérisé en ce que ledit échangeur froid (16) est formé par une équerre thermiquement conductrice recouvrant une face latérale droite et, partiellement, une face inférieure dudit bloc (11) en sa partie droite.
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