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EP0672873A1 - Pulse tube refrigerator - Google Patents

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

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14Compression 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
    • F25B9/145Compression 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
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1402Pulse-tube cycles with acoustic driver
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1406Pulse-tube cycles with pulse tube in co-axial or concentric geometrical arrangements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1412Pulse-tube cycles characterised by heat exchanger details
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1413Pulse-tube cycles characterised by performance, geometry or theory
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1417Pulse-tube cycles without any valves in gas supply and return lines
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25BREFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/15Microelectro-mechanical devices

Definitions

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

Landscapes

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

Abstract

A hollow tube (1) has a heat exchanger (2) at one end which is connected to an element requiring cooling. The heat exchanger is also connected to a regenerator (4) which links it to a pressure oscillator (7) driven by a piezoelectric unit (72). A second heat exchanger (3) is located at the other end of the hollow tube (1) and is connected to a reservoir (5) through an orifice (6) of cross section 10-50000 um2, this being a little less than the corresponding orifice between the first heat exchanger and the regenerator. A cooling facility (8) is provided at the second heat exchanger.

Description

L'invention concerne un refroidisseur à gaz pulsé et plus particulièrement un micro-refroidisseur à tube.The invention relates to a pulsed gas cooler and more particularly to a tube micro-cooler.

Les dispositifs réfrigérateurs les plus utilisés sont basés sur des machines "Stirling", des cryostats à azote liquide, des orifices à détente Joule-Thomson, des machines à condensation et des éléments Peltier.The most widely used refrigeration devices are based on "Stirling" machines, liquid nitrogen cryostats, Joule-Thomson expansion ports, condensing machines and Peltier elements.

Parmi les machines fonctionnant en continu, seuls les Stirling et les éléments Peltier se prêtent à la miniaturisation.Among the machines operating continuously, only Stirling and Peltier elements are suitable for miniaturization.

Le réfrigérateur Stirling remarquable dans ce domaine ("Bat") a une puissance de refroidissement de 150 mW à 80 K, pour une puissance d'entrée de 6 W et un poids de 0,4 kg. Par contre, le principe du cycle Stirling est générateur de vibrations, et limite la durée de vie à 2 000 heures (à cause des pièces mobiles à froid).The remarkable Stirling refrigerator in this area ("Bat") has a cooling power of 150 mW at 80 K, for an input power of 6 W and a weight of 0.4 kg. On the other hand, the principle of the Stirling cycle generates vibrations, and limits the lifespan to 2000 hours (due to cold moving parts).

Les refroidisseurs à éléments Peltier nécessitent un minimum de 3 étages pour obtenir un flux de puissance à 200 K égal à 50 mW, en considérant que le radiateur chaud n'est qu'à 300 K. Dans ces conditions, la puissance électrique nécessaire est de l'ordre de 5 W (ou 4 W avec 6 étages). Les thermoéléments permettant d'atteindre des différentiels de température de plus de 130 K sont rares : ils ne sont donc pas assez performants si la température du radiateur est supérieure à 60°C.Peltier element coolers require a minimum of 3 stages to obtain a power flow at 200 K equal to 50 mW, assuming that the hot radiator is only 300 K. Under these conditions, the electrical power required is around 5 W (or 4 W with 6 stages). Thermoelements making it possible to reach temperature differentials of more than 130 K are rare: they are therefore not efficient enough if the temperature of the radiator is above 60 ° C.

L'invention concerne un refroidisseur qui permet une amélioration importante des machines basées sur ce principe. A puissance utile égale, il présente un certain nombre d'avantages :

  • autonomie et rendement comparables aux machines Stirling ;
  • durée de vie d'autant plus grande qu'il n'y a pas de pièce mobile à froid ;
  • utilisation en continu pendant toute la durée de vie du système ;
  • poids et volume restreints, ajustables en fonction de l'application (température et puissance) ;
  • absence de rechargement de fluide, la nature de celui-ci n'étant pas imposée par la température de fonctionnement ;
  • possibilité de miniaturisation pour les applications à faible puissance "froide", sans dégradation notable du rendement ;
  • vibrations mécaniques limitées en amplitude et sur une bande de fréquence très étroite.
The invention relates to a cooler which allows a significant improvement of machines based on this principle. At equal useful power, it has a number of advantages:
  • autonomy and performance comparable to Stirling machines;
  • longer service life since there is no moving part when cold;
  • continuous use throughout the life of the system;
  • weight and volume restricted, adjustable according to the application (temperature and power);
  • absence of fluid recharging, the nature of the latter not being imposed by the operating temperature;
  • possibility of miniaturization for applications with low "cold" power, without significant degradation of the yield;
  • mechanical vibrations limited in amplitude and over a very narrow frequency band.

L'invention concerne donc un refroidisseur miniature à gaz pulsé caractérisé en ce qu'il comporte :

  • un tube creux dont une première extrémité est fermée par un premier échangeur de chaleur et une deuxième extrémité est fermée par un deuxième échangeur de chaleur ;
  • un système de pompage alternatif relié à la première extrémité et provoquant une circulation de fluide de la première extrémité du tube à travers le premier échangeur vers la deuxième extrémité ;
  • un réservoir relié par un orifice calibré au deuxième échangeur et à la deuxième extrémité de façon à recevoir du fluide provenant de la deuxième extrémité du tube à travers le deuxième échangeur ;
  • un radiateur couplé thermiquement au deuxième échangeur ;
The invention therefore relates to a miniature pulsed gas cooler characterized in that it comprises:
  • a hollow tube, a first end of which is closed by a first heat exchanger and a second end of which is closed by a second heat exchanger;
  • an alternative pumping system connected to the first end and causing a circulation of fluid from the first end of the tube through the first exchanger to the second end;
  • a reservoir connected by a calibrated orifice to the second exchanger and to the second end so as to receive fluid coming from the second end of the tube through the second exchanger;
  • a radiator thermally coupled to the second exchanger;

le premier échangeur étant destiné à être couplé à un élément (charge) à refroidir.the first exchanger being intended to be coupled to an element (load) to be cooled.

Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre et dans les figures annexées qui représentent :

  • la figure 1, un schéma de principe général du refroidisseur à tube à gaz pulsé connu de l'homme du métier ;
  • la figure 2, un mode de réalisation détaillé du refroidisseur selon l'invention ;
  • la figure 3, une variante de réalisation du refroidisseur selon l'invention.
The various objects and characteristics of the invention will appear more clearly in the description which follows and in the appended figures which represent:
  • Figure 1, a general block diagram of the pulsed gas tube cooler known to those skilled in the art;
  • Figure 2, a detailed embodiment of the cooler according to the invention;
  • Figure 3, an alternative embodiment of the cooler according to the invention.

Le système de la figure 1 comporte :

  • un tube 1 aux extrémités duquel sont disposés des échangeurs de chaleur 2 et 3, en communication avec un espace régénérateur 4 d'une part, et d'autre part avec un réservoir 5 au travers d'un orifice 6 ;
  • un oscillateur de pression 7 qui maintient une onde de pression dans le tube 1 en agissant au travers du régénérateur 4 ;
  • un radiateur 8 pour évacuer la chaleur transmise par l'échangeur 3.
The system of FIG. 1 comprises:
  • a tube 1 at the ends of which are arranged heat exchangers 2 and 3, in communication with a regenerative space 4 on the one hand, and on the other hand with a reservoir 5 through an orifice 6;
  • a pressure oscillator 7 which maintains a pressure wave in the tube 1 by acting through the regenerator 4;
  • a radiator 8 to dissipate the heat transmitted by the exchanger 3.

Dans ces conditions, l'échangeur 2 situé du côté du régénérateur 4 cède de la chaleur au gaz se refroidissant à la détente, avant d'être thermalisé par le régénérateur 4 : il constitue donc le point froid du système refroidisseur.Under these conditions, the exchanger 2 located on the side of the regenerator 4 yields heat to the gas which cools down on expansion, before being thermalised by regenerator 4: it therefore constitutes the cold point of the cooling system.

Un circuit de délestage 9 peut être utilisé pour améliorer les performances du système en dérivant directement vers le tube 6 une partie du flux transmis au régénérateur 4.A load shedding circuit 9 can be used to improve the performance of the system by directly diverting part of the flux transmitted to the regenerator 4 to the tube 6.

Selon l'invention, un tel refroidisseur peut être réalisé sous forme miniature et peut être destiné à refroidir un élément de petites dimensions. L'utilisation des techniques de la microélectronique permet de conserver un faible coût de production, une réduction des volumes "morts" (thermodynamiquement, et même du point de vue encombrement) et une compatibilité technologique avec la majorité des circuits électroniques (détecteurs infrarouges, capteur de champ magnétique ou amplificateur faible bruit).According to the invention, such a cooler can be produced in miniature form and can be intended to cool an element of small dimensions. The use of microelectronics techniques makes it possible to maintain a low production cost, a reduction in "dead" volumes (thermodynamically, and even from the standpoint of space) and technological compatibility with the majority of electronic circuits (infrared detectors, sensor magnetic field or low noise amplifier).

La figure 2 représente un exemple de réalisation détaillé d'un tel microrefroidisseur à tube pulsé conformément à l'invention.FIG. 2 represents a detailed embodiment of such a pulsed tube micro-cooler according to the invention.

Dans la figure 2, nous avons utilisé les mêmes références que celles de la figure 1 pour désigner les mêmes éléments.In Figure 2, we have used the same references as those in Figure 1 to designate the same elements.

On voit donc sur la figure 2 que le refroidisseur selon l'invention est rendu compact et peut être miniaturisé en raison de la disposition de ses éléments constitutifs de la manière suivante :It can therefore be seen in FIG. 2 that the cooler according to the invention is made compact and can be miniaturized due to the arrangement of its constituent elements in the following manner:

Le tube 1 est accolé au régénérateur 4. L'échangeur 2 est à l'extrémité de sortie supérieure du tube 1 et communique avec un dispositif de charge 20 conçu pour être couplé avec un dispositif à refroidir (non représenté) et pour être capable de capter la chaleur de ce dispositif. L'extrémité supérieure du régénérateur 4 communique avec l'échangeur 2. L'extrémité opposée du régénérateur 4 comporte une cavité 71 fermée par un dispositif capable de comprimer l'air contenu dans la cavité. Ce dispositif, selon la figure 2, est une membrane 70. Un dispositif tel qu'un piézoélectrique 72 appuie périodiquement sur la membrane 70 pour comprimer le gaz contenu dans la cavité 71.The tube 1 is attached to the regenerator 4. The exchanger 2 is at the upper outlet end of the tube 1 and communicates with a charging device 20 designed to be coupled with a device to be cooled (not shown) and to be capable of capture the heat from this device. The upper end of the regenerator 4 communicates with the exchanger 2. The opposite end of the regenerator 4 has a cavity 71 closed by a device capable of compressing the air contained in the cavity. This device, according to FIG. 2, is a membrane 70. A device such as a piezoelectric 72 periodically presses on the membrane 70 to compress the gas contained in the cavity 71.

La réalisation de la membrane peut prendre d'autres formes de réalisation. Elle peut être réalisée en matériau piézoélectrique et porter, sur ses deux faces, des électrodes. Elle va pouvoir se déformer et faire office de pompe.The production of the membrane can take other embodiments. It can be made of piezoelectric material and carry, on its two faces, electrodes. It will be able to deform and act as a pump.

L'oscillation de la membrane peut aussi être générée par effet électrostatique. Par exemple, dans ce cas la membrane est munie d'une électrode de commande en tension et une deuxième électrode de commande en tension est prévue soit à l'intérieur de la cavité (sur la face 73 par exemple) soit à l'extérieur de la cavité sur une pièce fixe non représentée.The oscillation of the membrane can also be generated by an electrostatic effect. For example, in this case the membrane is provided with a voltage control electrode and a second voltage control electrode is provided either inside the cavity (on the face 73 for example) or outside of the cavity on a fixed part not shown.

L'échangeur 3 communique avec un réservoir 5 qui est également accolé au tube 1.The exchanger 3 communicates with a reservoir 5 which is also attached to the tube 1.

L'échangeur 3 est solidaire thermiquement d'un dispositif d'évacuation thermique permettant d'évacuer la chaleur vers l'extérieur. Ce dispositif d'évacuation thermique peut être constitué d'une plaque 30 et d'un radiateur de refroidissement 8 couplés thermiquement à la plaque 30. La plaque 30 et le refroidisseur 8 sont en matériau conduisant bien la chaleur.The exchanger 3 is thermally integral with a thermal evacuation device making it possible to evacuate the heat to the outside. This thermal evacuation device can consist of a plate 30 and a cooling radiator 8 thermally coupled to the plate 30. The plate 30 and the cooler 8 are made of a material which conducts heat well.

Un matériau de faible conduction thermique (par exemple silice fondue ou résine polymère) est utilisé pour réaliser le tube 1, le régénérateur 4 et le réservoir 5. Les échangeurs 2 et 3 sont réalisés avec un matériau à forte conduction thermique et de préférence utilisable par les technologies de microfabrication (par exemple silicium, saphir, oxyde de béryllium, nitrure d'aluminium, CuW ou Mo).A material with low thermal conduction (for example fused silica or polymer resin) is used to make the tube 1, the regenerator 4 and the reservoir 5. The exchangers 2 and 3 are made with a material with high thermal conduction and preferably usable by microfabrication technologies (for example silicon, sapphire, beryllium oxide, aluminum nitride, CuW or Mo).

L'intégration de l'échangeur 2 à la charge (par exemple au dos du substrat d'un circuit électronique) constitue un couplage thermique intime entre le gaz et la charge, si la conduction thermique de la charge est grande. Dans le cas contraire, la charge sera posée sur la surface extérieure de l'échangeur 2, suffisamment grande pour assurer un bon contact thermique. La figure 3 montre un exemple de disposition dans ce dernier cas. Elle montre aussi par ailleurs une réalisation du circuit de délestage 9 (de la figure 1) sous la forme d'une paroi séparant le réservoir en deux zones dont l'une joue en plus le rôle de cavité résonante pour le système oscillateur.The integration of the exchanger 2 with the load (for example on the back of the substrate of an electronic circuit) constitutes an intimate thermal coupling between the gas and the load, if the thermal conduction of the load is high. Otherwise, the load will be placed on the outer surface of the exchanger 2, large enough to ensure good thermal contact. Figure 3 shows an example of arrangement in the latter case. It also also shows an embodiment of the load shedding circuit 9 (of FIG. 1) in the form of a wall separating the tank into two zones, one of which also plays the role of resonant cavity for the oscillator system.

Dans cette forme de réalisation de la figure 3, le réservoir 5 est disposé en bout du tube 1 et englobe la membrane 70. Selon une réalisation préférée, les parois du réservoir 5 sont en matériau bon conducteur thermique et constitue la surface de refroidissement du dispositif à laquelle est accolé éventuellement un radiateur de refroidissement tel qu'un refroidisseur à ailettes 8.In this embodiment of FIG. 3, the reservoir 5 is disposed at the end of the tube 1 and includes the membrane 70. According to a preferred embodiment, the walls of the reservoir 5 are made of a material which is a good thermal conductor and constitutes the cooling surface of the device. to which is optionally attached a cooling radiator such as a finned cooler 8.

Sur la figure 3, la platine 20 à refroidir à laquelle est couplé le composant à refroidir contient dans son corps l'échangeur thermique 2. C'est cet échangeur thermique 2 qui fait communiquer le tube 1 avec le régénérateur 4. Le composant à refroidir est posé ou fixé sur la face supérieure de la platine 20. Cette disposition a été appliquée au mode de réalisation de la figure 3 mais pourrait être appliquée également au mode de réalisation de la figure 2.In FIG. 3, the plate 20 to be cooled to which the component to be cooled is coupled contains in its body the heat exchanger 2. It is this heat exchanger 2 which makes the tube 1 communicate with the regenerator 4. The component to be cooled is placed or fixed on the upper face of the plate 20. This arrangement was applied to the embodiment of FIG. 3 but could also be applied to the embodiment of FIG. 2.

L'échangeur 3 est placé sur la face opposée à l'échangeur 2 pour éviter un court-circuit thermique entre les deux échangeurs.The exchanger 3 is placed on the face opposite to the exchanger 2 to avoid a thermal short circuit between the two exchangers.

Les moyens 7 pour entretenir des oscillations de pression dans le tube sont, dans ces exemples, eux aussi intégrés au système refroidisseur : une membrane est maintenue en oscillation par effet électrostatique, le circuit de commande pouvant aussi être intégré à la structure, notamment si l'échangeur 3 est en silicium.The means 7 for maintaining pressure oscillations in the tube are, in these examples, also integrated into the cooling system: a membrane is kept in oscillation by electrostatic effect, the control circuit can also be integrated into the structure, in particular if the exchanger 3 is made of silicon.

Dimensionnement :Sizing:

En supposant que le gaz utilisé est monoatomique (hélium), la relation liant la puissance q extraite au niveau de l'échangeur froid aux dimensions du système est :

Figure imgb0001

   où Vrés est le volume du réservoir, f = ω/2π est la fréquence de l'oscillateur de pression, P₀ est la pression moyenne du gaz, x est le taux de modulation de la pression ; τ est la constante de temps d'équilibre de la pression du réservoir au travers de l'orifice 6 d'impédance R₀ : τ = R₀.3/5. V rés R.T b
Figure imgb0002

   où Tb est la température de l'échangeur chaud, R la constante des gaz parfaits, et R₀ est déterminé par la nature du gaz et la géométrie de l'échangeur. Pour un trou cylindrique de longueur I et de diamètre D, et un gaz de viscosité η R₀ = 128 η I/πD⁴
Figure imgb0003
Assuming that the gas used is monoatomic (helium), the relation linking the power q extracted at the level of the cold exchanger to the dimensions of the system is:
Figure imgb0001

where V res is the volume of the reservoir, f = ω / 2π is the frequency of the pressure oscillator, P₀ is the average pressure of the gas, x is the rate of modulation of the pressure; τ is the equilibrium time constant of the reservoir pressure through the orifice 6 of impedance R₀: τ = R₀.3 / 5. V res RT b
Figure imgb0002

where T b is the temperature of the hot exchanger, R the constant of ideal gases, and R₀ is determined by the nature of the gas and the geometry of the exchanger. For a cylindrical hole of length I and diameter D, and a gas of viscosity η R₀ = 128 η I / πD⁴
Figure imgb0003

En prenant q de l'ordre de 50 mW et ωτ>>1, on trouve D = 30 µm pour I = 50 µm.By taking q of the order of 50 mW and ωτ >> 1, we find D = 30 µm for I = 50 µm.

Par ailleurs, la masse de gaz injectée dans le tube au cours de la phase de compression est donnée par la relation approchée suivante :

Figure imgb0004

   où M est la masse molaire du gaz. Ceci permet d'exprimer la capacité de l'oscillateur de pression par le débit volumique DV correspondant à la température ambiante T₀ :
Figure imgb0005
Furthermore, the mass of gas injected into the tube during the compression phase is given by the following approximate relationship:
Figure imgb0004

where M is the molar mass of the gas. This makes it possible to express the capacity of the pressure oscillator by the volume flow D V corresponding to the ambient temperature T₀:
Figure imgb0005

La puissance mécanique à fournir de l'ordre de P₀DV, est donc reliée à q par la relation.

Figure imgb0006
The mechanical power to be supplied on the order of P₀D V , is therefore related to q by the relation.
Figure imgb0006

Son inverse, correspondant au rendement peut être approximé par 2xT a T₀

Figure imgb0007
pour les faibles valeurs de x.Its inverse, corresponding to the yield, can be approximated by 2xT at T₀
Figure imgb0007
for low values of x.

Donc la puissance mécanique de l'oscillateur de pression nécessaire à obtenir 50 mW à 200 K est de l'ordre de 0,4 W si on choisit un taux de modulation de pression de 10 %. Prenons P₀ = 1 Atmosphère, alors Dv = 4 cm³/s. Le volume déplacé par période au niveau de l'oscillateur de pression, pour une fréquence de 100 Hz, est donc de 40 mm³. D'après le taux de compression choisi égal à 10 %, on en déduit que le volume total de gaz à utiliser est de l'ordre du cm³.Therefore the mechanical power of the pressure oscillator necessary to obtain 50 mW at 200 K is of the order of 0.4 W if a pressure modulation rate of 10% is chosen. Take P₀ = 1 Atmosphere, then D v = 4 cm³ / s. The volume displaced per period at the level of the pressure oscillator, for a frequency of 100 Hz, is therefore 40 mm³. From the compression ratio chosen equal to 10%, it can be deduced that the total volume of gas to be used is of the order of cm³.

Si l'orifice 6 est intégré à l'échangeur 3 par gravure de fentes ou de trous dans l'échangeur, ceux-ci seront dimensionnés à l'aide des formules adéquates de l'hydrodynamique, de façon à obtenir l'impédance R₀ désirée. Une optimisation de cette géométrie assurera un transfert de chaleur du gaz vers l'échangeur maximum.If the orifice 6 is integrated into the exchanger 3 by etching slots or holes in the exchanger, these will be sized using suitable formulas of hydrodynamics, so as to obtain the desired impedance R₀ . Optimization of this geometry will ensure heat transfer from the gas to the maximum exchanger.

De manière générale si l'on considère que l'échangeur 3 ne possède qu'un seul trou et que ce trou est cylindrique, son diamètre sera de l'ordre de 50 µm (D = 30 µm dans le calcul précédent) et de toute façon inférieur à 100 à 200 µm. Il sera donc réalisé selon les techniques de la microélectronique. Si ce trou n'est pas cylindrique, son impédance R₀ et donc la surface de sa section droite doit être équivalente à celle du trou cylindrique, c'est-à-dire de l'ordre de 500 µm² et quoi qu'il en soit inférieur à environ 50 000 µm² = 0,05 mm² (inférieur à 10 000 à 50 000 µm²).In general if we consider that the exchanger 3 has only one hole and that this hole is cylindrical, its diameter will be of the order of 50 µm (D = 30 µm in the previous calculation) and any way less than 100 to 200 µm. It will therefore be produced using microelectronics techniques. If this hole is not cylindrical, its impedance R₀ and therefore the surface of its cross section must be equivalent to that of the hole cylindrical, that is to say of the order of 500 μm² and in any case less than about 50,000 μm² = 0.05 mm² (less than 10,000 to 50,000 µm²).

Si l'on prévoit n trous, leur surface d'échange thermique globale doit être équivalente à celle d'un trou unique au sens de la formule précédente R₀ = 128 ηI/πD⁴N. Par exemple au lieu d'un trou cylindrique de diamètre 100 µm on pourra avoir 256 trous de diamètre 25 pour chacun.If n holes are provided, their overall heat exchange surface must be equivalent to that of a single hole within the meaning of the previous formula R₀ = 128 ηI / πD⁴N. For example, instead of a cylindrical hole with a diameter of 100 μm, one could have 256 holes with a diameter of 25 for each.

En ce qui concerne l'échangeur 2, il doit avoir une impédance plus faible que celle de l'échangeur 3. Il doit donc avoir des trous de dimensions de section droite (diamètre) supérieures à celles des trous de l'échangeur 3. Néanmoins, les trous de l'échangeur 2 seront aussi petits que possible, ils seront donc très légèrement plus grands que ceux de l'échangeur 3.As regards the exchanger 2, it must have a lower impedance than that of the exchanger 3. It must therefore have holes of cross-sectional dimensions (diameter) greater than those of the holes of the exchanger 3. Nevertheless , the holes in exchanger 2 will be as small as possible, so they will be very slightly larger than those in exchanger 3.

Ce système permet de refroidir localement toute charge demandant une faible puissance de refroidissement, avec un grand rendement. Il pourra refroidir des circuits électroniques où la température intervient soit par activation thermique, par exemple refroidissement de détecteur infrarouge du type diode ; soit par le bruit thermique, par exemple refroidissement de dispositif de type amplificateur, détecteur infrarouge de type pyroélectrique, ou d'autres dispositifs et matériaux dont les caractéristiques dépendent de la température par exemple détecteurs de champ magnétique (MMM).This system allows to locally cool any load requiring a low cooling power, with a high efficiency. It will be able to cool electronic circuits where the temperature intervenes either by thermal activation, for example cooling of infrared detector of the diode type; either by thermal noise, for example cooling of amplifier type device, infrared detector of pyroelectric type, or other devices and materials whose characteristics depend on temperature, for example magnetic field detectors (MMM).

Il peut être monté dans un système à plusieurs étages, et même associé à des éléments Peltier servant de premier étage.It can be mounted in a multi-stage system, and even combined with Peltier elements serving as the first stage.

Claims (19)

Refroidisseur à gaz pulsé miniature comportant : - un tube (1) creux dont une première extrémité est équipée d'un premier échangeur de chaleur (2) destiné à être couplé à un élément (charge) à refroidir, et une deuxième extrémité est équipée d'un deuxième échangeur de chaleur (3) ; - un régénérateur (4) couplant la première extrémité du tube (1) à un oscillateur de pression (7) ; - un réservoir (5) relié au deuxième échangeur et à la deuxième extrémité de façon à recevoir du fluide provenant de la deuxième extrémité du tube à travers le deuxième échangeur ; - un radiateur (8) couplé thermiquement au deuxième échangeur (3) ;    caractérisé en ce que le deuxième échangeur (3) possède au moins un trou faisant communiquer le tube (1) avec le réservoir (5), la surface de la section droite de ce trou étant inférieure à une valeur de l'ordre de 10 000 à 50 000 µm² ; le premier échangeur (2) possède au moins un trou faisant communiquer le tube (1) avec le système de pompage, la dimension de la section droite de ce trou étant légèrement supérieure à celle du trou du deuxième échangeur (3).Miniature pulsed gas cooler comprising: - a hollow tube (1) of which a first end is equipped with a first heat exchanger (2) intended to be coupled to an element (charge) to be cooled, and a second end is equipped with a second heat exchanger ( 3); - a regenerator (4) coupling the first end of the tube (1) to a pressure oscillator (7); - a reservoir (5) connected to the second exchanger and to the second end so as to receive fluid coming from the second end of the tube through the second exchanger; - a radiator (8) thermally coupled to the second exchanger (3); characterized in that the second exchanger (3) has at least one hole communicating the tube (1) with the reservoir (5), the surface of the cross section of this hole being less than a value of the order of 10 000 at 50,000 µm²; the first exchanger (2) has at least one hole communicating the tube (1) with the pumping system, the dimension of the cross section of this hole being slightly greater than that of the hole of the second exchanger (3). Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trous sont cylindriques et que le deuxième échangeur (3) possède au moins un trou de diamètre maximal de l'ordre de 100 à 200 µm.Cooler according to claim 1, characterized in that the holes are cylindrical and that the second exchanger (3) has at least one hole with a maximum diameter of the order of 100 to 200 µm. Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les échangeurs possèdent plusieurs trous dont l'impédance globale est équivalente à celle correspondant à un seul trou de section inférieure à 50 000 µm² (ou 0,05 mm²).Cooler according to claim 1, characterized in that the exchangers have several holes, the overall impedance of which is equivalent to that corresponding to a single hole of section less than 50,000 µm² (or 0.05 mm²). Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'oscillateur de pression comporte un système de pompage alternatif (7) relié au régénérateur (4) et provoquant une circulation de fluide de la première extrémité du tube à travers le premier échangeur vers la deuxième extrémitéCooler according to claim 1, characterized in that the pressure oscillator comprises an alternative pumping system (7) connected to the regenerator (4) and causing a circulation of fluid from the first end of the tube through the first exchanger to the second end Refroidisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le tube (1), le réservoir (5) et le système de pompage (7) sont accolés et en ce que le tube (1) est en matériau isolant thermique.Cooler according to claim 4, characterized in that the tube (1), the reservoir (5) and the pumping system (7) are joined and in that the tube (1) is made of thermal insulating material. Refroidisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le tube (1), le régénérateur (4), le réservoir (5) sont en matériau à faible conduction thermique et en ce que les échangeurs (2, 3) et le radiateur sont à forte conduction thermique.Cooler according to claim 5, characterized in that the tube (1), the regenerator (4), the tank (5) are made of material with low thermal conduction and in that the exchangers (2, 3) and the radiator are strong thermal conduction. Refroidisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'orifice calibré (6) est intégré dans le deuxième échangeur (3).Cooler according to claim 5, characterized in that the calibrated orifice (6) is integrated in the second exchanger (3). Refroidisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'orifice calibré (6) est constitué de fentes ou de trous pratiqués dans le deuxième échangeur (3).Cooler according to claim 7, characterized in that the calibrated orifice (6) consists of slots or holes made in the second exchanger (3). Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que chaque échangeur comporte une plaque (20, 30) en matériau bon conducteur thermique dont une zone de la plaque comporte des perforations reliant les deux faces opposées de la plaque et servant d'échangeur thermique, le reste de la plaque étant au moins en partie couplé thermiquement soit à la charge à refroidir soit au radiateur selon que l'échangeur correspondant de la plaque est le premier ou le deuxième échangeur.Cooler according to claim 1, characterized in that each exchanger comprises a plate (20, 30) of material which is a good thermal conductor, one zone of the plate having perforations connecting the two opposite faces of the plate and serving as a heat exchanger, the rest of the plate being at least partially thermally coupled either to the load to be cooled or to the radiator depending on whether the corresponding exchanger of the plate is the first or the second exchanger. Refroidisseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que les plaques sont disposées dans deux plans parallèles et délimitent un volume dans lequel sont disposés le tube (1) et le réservoir (5).Cooler according to claim 9, characterized in that the plates are arranged in two parallel planes and delimit a volume in which the tube (1) and the reservoir (5) are arranged. Refroidisseur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le régénérateur (4) est juxtaposé audit volume.Cooler according to claim 10, characterized in that the regenerator (4) is juxtaposed with said volume. Refroidisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le système de pompage comporte une membrane (70) fermant un espace (71) communiquant par le régénérateur avec la première extrémité du tube.Cooler according to claim 5, characterized in that the pumping system comprises a membrane (70) closing a space (71) communicating by the regenerator with the first end of the tube. Refroidisseur selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif piézoélectrique (72) générant un déplacement périodique de la membrane (70).Cooler according to claim 12, characterized in that it comprises a piezoelectric device (72) generating a periodic movement of the membrane (70). Refroidisseur selon la revendication 12, caractérisé en ce que la membrane (70) comporte une première électrode de commande en tension et en ce qu'une deuxième électrode de commande est située en vis-à-vis de la première électrode sur une partie fixe du refroidisseur.Cooler according to claim 12, characterized in that the membrane (70) comprises a first voltage control electrode and in that a second control electrode is located opposite the first electrode on a fixed part of the cooler. Refroidisseur selon la revendication 14, caractérisé en ce que la deuxième électrode est située dans la cavité sur une surface (73) faisant face à la membrane.Cooler according to claim 14, characterized in that the second electrode is located in the cavity on a surface (73) facing the membrane. Refroidisseur selon la revendication 12, caractérisé en ce que le régénérateur (4) est couplé à l'espace (71) fermé par la membrane (70) selon un plan sensiblement parallèle au plan de la membrane et possède une section selon ce plan de surface nettement inférieure à la surface de la membrane.Cooler according to claim 12, characterized in that the regenerator (4) is coupled to the space (71) closed by the membrane (70) in a plane substantially parallel to the plane of the membrane and has a section along this surface plane significantly less than the surface of the membrane. Refroidisseur selon la revendication 12, caractérisé en ce que le réservoir (5) communique avec la face de la membrane opposée à celle fermant l'espace (71).Cooler according to claim 12, characterized in that the reservoir (5) communicates with the face of the membrane opposite to that closing the space (71). Refroidisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau à faible conduction thermique est de la silice ou une résine polymère.Cooler according to claim 6, characterized in that the material with low thermal conduction is silica or a polymer resin. Refroidisseur selon la revendication 6, caractérisé en ce que le matériau à forte conduction thermique est du silicium, du saphir, un oxyde de béryllium, un nitrure d'aluminium, du CuW ou du molybdène.Cooler according to claim 6, characterized in that the material with high thermal conduction is silicon, sapphire, beryllium oxide, aluminum nitride, CuW or molybdenum.
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