Essais avec le prototype Alpha

Trois prototypes issus du pulse tube Alpha original, qui ont un r´eg´en´erateur plus petit que Beta, permettent d’´etudier l’influence de chacun des composants (r´eg´en´erateur et tube d’expansion) sur le fonctionnement de la machine. Leurs dimensions sont pr´esent´es dans le tableau 5.2.

R ´eg ´en ´erateur (mm) Tube (mm) Pertes cond. (W)

Alpha 1.0 30Ø12 36Ø8 0.52

Alpha 1.1 30Ø12 36Ø6 0.52

Alpha 2.0 50Ø12 36Ø8 0.39

TAB. 5.2 – Dimensions des prototypes de la famille Alpha et pertes par conduction `a la paroi, `a 80 K.

Le prototype Alpha 1.1 garde le r´eg´en´erateur de l’Alpha original mais il a un tube plus fin. Ainsi, pour les mˆemes conditions d’´ecoulement au r´eg´en´erateur , l’inertance arrive `a imposer un d´ephasage plus favorable avec un tube plus petit. Seulement son diam`etre est modifi´e, pour ne faire varier qu’un param`etre `a la fois. Ce choix permet aussi de conserver le capillaire de retour de l’inertance (voir photo 5.1) et les serpentins de refroidissement de l’´echangeur chaud. Son tube a donc un diam`etre de 6 mm. Quoique le volumes mort diminue et, par cons´equent, l’inertance r´eussisse `a atteindre un meilleur d´ephasage, on risque de trop augmenter l’Ardans le tube et donc

les pertes. Avec cette g´eom´etrie le code montre que l’Arest juste au-dessus de 10%.

Si l’Alpha 1.1 a un tube diff´erent, le Alpha 2.0 aura un diff´erent r´eg´en´erateur mais il partage le tube d’expansion de l’Alpha 1.0. Avec cette modification du r´eg´en´erateur on peut estimer si l’on est limit´es par les pertes de charge ou si les performances sont passibles d’ˆetre am´elior´ees par l’augmentation de la surface d’´echange.

Le banc d’essais du pulse tube Alpha est similaire `a celui du Beta (fig. 5.2), sauf en termes d’instrumentation : on ne dispose pas de thermom`etre dans l’aftercooler, ce qui n’est pas gˆenant vu que, d’apr`es les exp´eriences pr´ec´edentes, il est quasiment isotherme avec l’´echangeur chaud du tube.

Le prototype Alpha original

Les conditions de l’essai sont les mˆemes que pour le pulse tube Beta : 20 bar et 20 W_dispo. Dans les r´esultats fig. 5.6 l’effet de la r´eduction des volumes morts et d’une paroi de tube plus mince (pour les pertes par conduction, voir le tab. 5.1) est tr`es ´evident : si vers 60 Hz ce prototype ne montre pas des am´eliorations, `a 100 Hz la temp´erature froide a baiss´e `a 127 K (comparer avec 210 K pour le Beta). Qui plus est, la courbe elle mˆeme a une allure typique sans remonter soudainement `a tr`es hautes fr´equences (c’est- `a-dire,la performance `a 100 Hz est comparable `a celles entre 60 et 80 Hz) et ce quel que soit le capillaire.

La r´eduction des volumes morts fait que les inertances arrivent `a mieux jouer leur rˆole, et en plus augmentent l’onde de pression en entr´ee (le compresseur «voit» en amont un volume plus petit, donc le d´eplacement du piston diminue et l’onde de pression augmente pour un PV similaire), ce qui est, d’apr`es les simulations (chapitre 2), favorable au fonctionnement du r´eg´en´erateur.

Bien qu’il ait ´et´e optimis´e pour travailler sans inertance, les r´esultats du prototype Alpha `a 100 Hz sont tr`es encourageants et montrent que le r´eg´en´erateur du Beta ´etait effectivement sur-

dimensionn´e, les r´eg´en´erateurs de petit diam`etres ´etant plus ad´equats aux fr´equences o `u l’on veut travailler.

FIG. 5.6 – Comparaison entre les temp ´erature limites des deux prototypes en fonction de la fr ´equence, pour divers capillaires. La temp ´erature la plus basse est atteinte `a 90 Hz (99 K), avec l’inertance 1400Ø2.

FIG. 5.7 – Puissance disponible pour le pulse tube Alpha en fonction de la temp ´erature selon la fr ´equence (en haut, avec l’inertance 800Ø2, en bas avec 1400Ø2). Les chiffres affich ´es correspondent au r ´eciproque des pentes des courbes.

Modification du tube d’expansion - le prototype Alpha 1.1

Les mˆemes essais, avec divers capillaires, on ´et´e faits avec l’Alpha 1.1 ; ils sont pr´esent´es dans les fig. 5.8 et 5.9. Les conditions sont les mˆemes : 20 bar de remplissage et 20 Wdispo.

FIG. 5.8 – Temp ´erature limite du pulse tube Alpha 1.1 en fonction de la fr ´equence, pour diverses inertances (20 Wdispo, 20 bar).

FIG. 5.9 – Puissance disponible pour le pulse tube Alpha 1.1 avec l’inertance 1400Ø2 en fonction de la temp ´erature, pour diverses fr ´equences.

Tout d’abord, on observe que, comme pour l’Alpha original, l’allure typique d’une courbe d’iner- tance. Tel que l’on s’attendait, l’inertance optimale a chang´e (maintenant, `a 100 Hz, on a 1400Ø2) sans que, pourtant, la temp´erature plus basse atteinte `a 100 Hz ait trop chang´ee. En revanche, sur la fig. 5.9 on voit qu’ `a cette fr´equence la puissance dissip´ee a diminu´e : avant la temp´erature montait 47 K pour chaque watt de plus (fig. 5.7, maintenant elle augmente 57.1 K ; de plus, la temp´erature `a 90 Hz ne descend pas au-dessous de 120 K, tandis que l’on avait mesur´e 99 K avec la configuration originale.

Modification du r´eg´en´erateur - le prototype Alpha 2.0

Toujours en gardant les mˆemes conditions, l’Alpha 2.0 a ´et´e caract´eris´e (fig. 5.10 et 5.11). Bien que `a 80 et 90 Hz ses performances se comparent assez bien avec celles du pulse tube alpha original, on observe `a 100 Hz un d´ecrochement de la temp´erature, un ph´enom`ene d´ej `a vu lors des essais avec le pulse tube Beta ; il semble, donc, y avoir une relation avec la volumetrie du r´eg´en´erateur puisque il se manifeste pour les deux prototypes o `u le r´eg´en´erateur est grand.

Apr`es ces premiers r´esultats, on a ´et´e confront´es `a des instabilit´es de temp´erature et des probl`emes d’irr´eproductibilit´e de r´esultats (ils ont ´et´e observ´es aussi en mode actif, voir section suivante). Ce sujet est d´ecrit dans sa propre section (5.1.6).

FIG. 5.10 – Temp ´erature limite en fonction de la fr ´equence pour les prototypes Alpha et Alpha 2.0 avec deux inertances diff ´erentes.

FIG. 5.11 – Puissance disponible pour le pulse tube Alpha 2.0 avec l’inertance 800Ø2 en fonction de la temp ´erature, pour diverses fr ´equences.