FR2760075A1 - Systeme de conditionnement de composants fonctionnant a temperature cryogenique - Google Patents

Abstract

Ce système le refroidisseur (30) comporte de préférence deux circuits de gaz de travail similaires, qui sont alors opératifs en opposition de phase. Leurs tubes à pulsations (1a) sont ménagés au sein d'un même bloc (11) de matériau isolant thermiquement. Ce bloc supporte l'échangeur froid (16) portant le composant à refroidir (40) , ainsi que l'échangeur chaud (14) de réjection thermique vers l'extérieur. Les échangeurs sont communs aux deux circuits. Il s'y ajoute un échangeur de récupération (13) assurant 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.

Description

I

SYSTEME DE CONDITIONNEMENT DE COMPOSANTS

FONCTIONNANT A TEMPERATURE CRYOGENIQUE

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 que10 l'hélium.

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 général15 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 direc-

tement de leur maintien à des températures aussi basses, il est apparu hautement souhaitable de concevoir des systèmes et dispositifs de refroidissement cryogénique spécialement25 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 carac-30 téristiques 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 particu-

lièrement 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 o le composant est disposé en bout d'un doigt froid à l'opposé d'un compresseur15 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 refroi-20 disseurs 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 telle25 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-l à 11. Cet article restant souvent au niveau des principes, on pourra35 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 gaz10 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 est20 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 à25 remplacer le régénérateur déplaceur (alors monté mobile à coulissement dans le doigt froid) par un échangeur régé-

nérateur 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 du30 compresseur oscillateur de pression par l'intermédiaire d'une liaison pneumatique appropriée. En fonctionnement il s'y instaure une variation dynamique de pression corres- pondant 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 condi-

tionnement 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 alter- natives 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 et20 un échangeur chaud de réjection de chaleur vers l'extérieur.

Pour satisfaire aux objectifs principaux exposés précédemment et à d'autres qui ressortiront plus loin, le

système suivant l'invention présente une série de caractéristiques qui sont à considérer séparément ou dans25 leurs différentes combinaisons technologiquement opérantes.

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 princi- pales, 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 dans10 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 deux15 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'encapsulation30 formant boîtier 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 faces5 latérales.

Par ailleurs, et suivant un mode de mise en oeuvre préféré de l'invention, il est prévu de fermer le boîtier par un couvercle qui constitue en même temps une plaque de réjection de chaleur s'écartant du bloc lui-même dans le10 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 o celui-ci, conformément à une autre carac- téristique de l'invention, est réalisé sous la forme d'une15 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 inférieure30 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 contrecourant et leurs tubes à pulsations respectifs, ou le cas5 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 approprié10 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 régé-

nérateurs, 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 tel30 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 récupération5 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 de10 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 de25 travail.

Pour l'essentiel, ce générateur ou oscillateur de pression, avantageusement accolé solidaire avec le boîtier ou module d'encapsulation, notamment contre une plaque de réjection de chaleur formant la face couvercle du boîtier,30 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.

En cas de besoin, on pourra d'ailleurs trouver des explications et précisions sur ce type de générateur de pression pour refroidisseur cryogénique dans la demande de

brevet déposée le même jour par la demanderesse, sous le titre "Dispositif de refroidissement cryogénique à deux circuits thermodynamiques couplés".

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 o 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 pour30 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 du5 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'une10 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 les15 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 une20 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 réalisation25 particuliers, non limitatifs, 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; l1 - 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 alter-

natives du gaz de travail dans ce circuit, - celles d'un boîtier 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 bottier qui5 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 b10 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 refroi-

disseur proprement dit, - un module dit actif 20, qui comporte l'oscillateur de pression intégré,

- et un module d'encapsulation 30 formant boîtier 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 la et lb 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,30 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 silicium20 monocristallin d'orientation (110). Ce support conducteur peut en outre être percé de canaux microusinés 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 11 en bout des tubes la-lb, mais à son opposé par rapport à ces derniers. Pour un refroidisseur à30 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'une5 récupération thermique. Toutefois, dans la mesure o 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 les10 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 la ou lb 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 partie20 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 thermo- dynamique 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 pCp 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 spécifique10 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 parallèles20 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 essentiellement30 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 inter-

médiaire. 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. Par5 usinage photolithographique et assemblagedes 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 o les tubes la et lb sont fermés, constitue la zone chaude du refroidisseur. La zone25 froide se situe à l'inverse du côté droit du bloc 11, là o les tubes la et lb 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 électro- chimique ou par collage. Elle se situe donc en prolongement5 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, et10 portant le composant collé sur sa face inférieure, est monté

à l'intérieur du module d'encapsulation 30.

Ce dernier forme un boîtier étanche qui est fermé par un couvercle constitué par la plaque 15 de réjection de

chaleur. Les dimensions de celle-ci sont suffisantes pour15 recouvrir la tranche supérieure 31 des parois du boîtier 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'intermédiaire20 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 boîtier 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 chaud30 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 lb respec- tivement et l'extrémité droite de l'échangeur à contre- courant 13. A l'extrémité gauche du même échangeur, on10 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 leurs20 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 lb, là o ils sont fermés borgnes à gauche, sont néanmoins reliés25 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 des30 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 forme5 parallélépipédique qui vient s'appliquer sur la face supérieure du module passif encapsulé. Toutefois, il s'étend

en débord du boîtier 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 vers10 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 o15 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 la20 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 du25 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 o 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 couple15 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 en20 attraction et répulsion de la lame 26.

On a fait apparaître 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 les30 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 piézorésistif 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 face10 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 mm15 par 25 mm par:25 mm, avec un boîtier 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 gaz25 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 à30 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 son5 boîtier, 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 o sa matière est micro-usinée pour augmenter sa surface15 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 plaque25 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, surtout10 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 les15 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)

REVENDICATIONS

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 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, 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 sont ménagés au sein d'un même bloc de matériau isolant thermiquement supportant ledit échangeur froid et ledit échangeur chaud, ceux-ci étant communs aux deux circuits, ainsi qu'un dispositif de récupération 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, carac-

térisé en ce que ledit bloc est enfermé, avec ledit échangeur chaud et ledit échangeur froid, dans un module d'encapsulation formant boîtier 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 reven-

dications 2 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une paroi formant couvercle en fermeture dudit boîtier 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 reven-

dications 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 reven-

dications 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, carac-

térisé 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 (la, lb) 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 reven-

dications 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 boîtier.

12. Système suivant la revendication 11, carac-

térisé en ce que ledit oscillateur de pression est accolé contre une plaque de réjection de chaleur (15) formant la paroi couvercle du boîtier 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, carac-

térisé 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, carac-

térisé 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 boîtier (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 de pression 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, caractérisé en ce que ledit tube à pulsations est ménagé au sein d'un bloc de matériau isolant thermiquement 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 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 boîtier 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 boîtier, 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 boîtier 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 o ils sont

en communication l'un avec l'autre.

21. Système selon la revendication 20, carac-

térisé 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.