Ce travail a été effectué dans le cadre d’études de la miniaturisation d’un cryo-réfrigérateur de type tube à gaz pulsé (TGP) et particulièrement pour mieux comprendre l’écoulement et le transfert de chaleur dans un régénérateur, l’élément clé du TGP.Nous présentons les études numérique et expérimentale du facteur de frottement et du nombre de Nusselt pour les écoulements stationnaires et continus à nombre de Reynolds modéré O(1 − 100) au sein d’un régénérateur micro-fabriqué. L’influence de la porosité et de la géométrie est étudiée. La micro-structure précisément contrôlée représente des canaux incurvés de largeur de 10, 20 et 40 μm et de profondeur de 100 à 300 μm qui forment un réseau de colonnes ayant des profiles de losanges ou sinusoïdaux. Les micro-canaux sont gravés sur un substrat de silicium par la technologie DRIE. Une technologie d’implantation de thermomètres à l’intérieur de la micro-structure de régénérateur a été développée et mise en œuvre. Les performances des micro-régénérateurs ont été étudiées selon deux approches : la première se base sur le rapport des pertes de charges dans l’écoulement et de l’efficacité du transfert thermique (NPH/NTU) ; la deuxième, sur le coefficient de transfert de chaleur globale proposé par Bejan. L’étude numérique de ces deux critères montre tout le potentiel des micro-structures proposées. / This research is done in the framework of miniaturisation of pulse tube cryocoolers studies and especially to gain a better understanding of the mass flow and heat transfert in the regenerator, which is a crucial component of these type of cryocoolers.In this work we present a numerical and experimental study of the Darcy-Weisbach friction factor and Nusselt number for a continuous and steady flow at moderate Reynolds number O(1−100) in a micro-machined regenerators. The influence of porosity from 40 to 80 % and of the geometry parameters are studied. Well-controlled microstructures represent convoluted channels of 10, 20 or 40 μm width and 100 or 300 μm depth generated by rhombic- or sinusoidal-shaped columns.The channels are etched in Silicon wafers using DRIE MEMS technology. The thermometers are integrated inside the regenerator’s micro-structure to measure the temperature evolution. The efficiency of the regenerators is estimated using two different approaches : the first, as a ratio of pressure drop losses and heat transfer efficiency (NPH/NTU) ; the second, as a volumetric heat transfer density coefficient proposed by Bejan. The numerical study of the efficiency shows theinterest of proposed micro-structures.

La mise en œuvre des réfrigérateurs à dilution implique la consommation d'4He liquide. Ces réfrigérateurs ne sont pas autonomes et leur utilisation devient ainsi contraignante et onéreuse lorsque les laboratoires ne disposent pas de système de reliquéfaction.<br />A la fin des années 1990, les tubes à gaz pulsé bi-étagés commerciaux ont atteint des performances telles, que l'idée de les utiliser à la place des bains d'4He classiques commençé à émerger. Quelques prototypes de laboratoire furent ainsi développés, dont un exemplaire commercialisé par l'Air Liquide en collaboration avec le CNRS-CRTBT.<br />Cette thèse, réalisée au CRTBT et cofinancée par l'Air Liquide, a permis d'étudier le couplage d'un réfrigérateur à dilution avec un tube à gaz pulsé afin de réaliser un appareil commercial offrant des performances comparables, en volume expérimental et puissance froide, aux réfrigérateurs classiques de moyenne puissance.<br />Dans un premier temps, nous avons porté notre attention sur la réalisation du cryostat. L'absence de fluides cryogéniques permettant la thermalisation homogène des diverses entités, ainsi que la puissance frigorifique limitée par les performances du tube à gaz pulsé et les vibrations générées par ce dernier constituaient les principales caractéristiques de notre étude.<br />Nous avons réalisé un cryostat offrant un volume expérimental de 750 mm sur un diamètre de 200 mm. Le temps de prérefroidissement est de 12 heures entre 300 K et 4,2 K.<br />Dans un second temps, nous avons étudié l'intégration du réfrigérateur à dilution.<br />Le prérefroidissement de l'injection d'3He entre 300 K et 4,2 K nous a amenés à développer un système de thermalisation spécifique permettant d'optimiser l'utilisation des ressources du tube à gaz pulsé. Ce développement a abouti à un brevet CNRS-Air Liquide. <br />Le prérefroidissement entre 4,2 K et la température de l'évaporateur a constitué un travail important concernant l'étude du principe de refroidissement par échangeurs Joule-Thomson.<br />Nous avons ainsi atteint des températures inférieures à 10 mK et obtenu des débits de circulation allant de 90 à 200 micromoles par seconde avec des temps de condensation de l'ordre de 2 heures pour un réfrigérateur à deux échangeurs discrets.

Certaines missions d'astrophysique embarquent des détecteurs infrarouges ou X qui sont refroidis à des températures subkelvin via un système cryogénique qui comporte soit un bain d'hélium (comme pour Herschel), soit un réfrigérateur Joule-Thomson (comme pour Planck) pour le pré-refroidissement de l'étage subkelvin. Un doigt froid à tube à gaz pulsé ayant les mêmes performances qu'un Joule-Thomson pourrait offrir un certain nombre d'avantages pour les futures chaines cryogéniques (pas de pré-refroidissement nécessaire, simplicité d'intégration, fiabilité accrue).L'objectif de cette thèse concerne l'étude et la réalisation d'un doigt froid à tube à gaz pulsé 4K qui pourrait remplacer une machine Joule-Thomson. Deux principaux axes d'étude ont été menés parallèlement : des études sur les matériaux régénérateur et des études de performances. Des développements technologiques portant sur le régénérateur (étude et mise en forme de différents matériaux ayant des anomalies de chaleur spécifique à basse température) ont été menés afin d'améliorer les performances d'un doigt froid à tube à gaz pulsé haute fréquence (30Hz) travaillant avec de l'hélium 4.Cette thèse a permis d'obtenir la meilleure performance mondiale en terme de température limite en utilisant de l'hélium 4 et avec un pré-refroidissement à 20K. Une température limite de 3,86K a été obtenue et une puissance froide de 25mW est disponible à 5K. Cette thèse a également permis d'étudier l'effet du gaz réel sur le comportement de la machine, en particulier grâce à des mesures de profils de température du régénérateur. Cinq configurations différentes de régénérateur (variation de la répartition de chaleur spécifique le long du régénérateur froid) ont été testées. Elles ont permis de mieux comprendre le rôle de la répartition de la chaleur spécifique dans le régénérateur. Ces différentes mesures ont été complétées avec des études de fluctuations de températures pariétales réalisées à l'aide d'une centrale d'acquisition rapide (toutes les millisecondes). / Some astrophysics missions embark infrared or X detectors which are cooled down to subkelvin temperatures using a cryogenic cooling system that features helium bath (like for the Herschel satellite) or a Joule-Thomson cryocooler (like for the Planck satellite) for the precooling of the subkelvin cooling stage. A pulse tube cold finger which would have the same performances as a Joule-Thomson cryocooler could offer some advantages for future cryogenic chains (no need of precooling, simplicity of integration, increased reliability).The goal of this PhD is the making and the study of a pulse tube cold finger working at temperature around 4K which could replace a Joule-Thomson cryocooler. Two main lines have been worked on simultaneously : studies on materials for the cold regenerator and studies on the cold finger performances. Technological developments on the cold regenerator (including study and shaping of different materials with specific heat anomalies at low temperature) have been performed to enhance the performances of a cold finger working at high frequency (30Hz) with helium 4.The work done during this PhD led to the best no-load temperature never achieved using helium 4 and with a precooling of 20K. A no-load temperature of 3.86K has been obtained and 25mW of cooling power are available at 5K. In addition the effect of real gas on the cryorefrigerator operation has been studied in particular thanks to the measurement of regenerator thermal profiles. Five configurations with different regenerator fillings (variation of the distribution of the specific heat along the cold regenerator) have been tested. These five tests led to a better understanding of the role of the distribution of the specific heat in the regenerator. These measurements have been completed with studies of regenerator wall temperature fluctuations recorded thanks to a fast data acquisition system (each millisecond).