Instabilit´es de temp´erature

Lors des essais avec le pulse tube Alpha 2.0 (en mode actif et passif) on a trouv´e que, `a cer- taines fr´equences, la temp´erature froide ne se stabilisait pas compl`etement et que, `a long terme, elle d´erivait de plusieurs dizaines de degr´es (fig. 5.17). De plus, le syst`eme pr´esentait des signes d’hyst´er´esis (fig. 5.18) : un premier essai `a 90 Hz ´etait fait, o `u la temp´erature descendait jusqu’ `a 115 K ; un essai post´erieur `a 100 Hz ´etait fait, avec de moins bons r´esultats, et si l’on revenait `a 90 Hz, la temp´erature ´etait plus ´elev´ee qu’auparavant (et pas totalement stable).

(a) Fr ´equence = 80 Hz, ϕtensions= 187◦

(b) Fr ´equence = 60 Hz, ϕtensions= -190◦

FIG. 5.17 – Instabilit ´es dans la temp ´erature froide pour deux ensembles de param `etres.

La pollution du gaz a ´et´e la premi`ere solution propos´ee ; en fait, l’helium disponible dans le labo- ratoire est dit «technique», ce qui veut dire que des traces de polluants (surtout des hydrocarbures,

FIG. 5.18 – Irreproductibilit ´e des essais avec l’inertance 800Ø2. En partant `a 90 Hz (20 W<sub>dispo</sub>), on atteint 120 K (num ´ero 1 en rouge) et on peut m ˆeme faire un point en puissance (1 `a 2) dans ces conditions ; quand la fr ´equence est chang ´e `a 100 Hz, la temp ´erature monte sans jamais atteindre une valeur stable (2 `a 3). On baisse la fr ´equence `a 80 Hz (3 `a 4) et on remonte `a 90 Hz ( `a partir de 4), toujours avec 20 W, trouvant alors une valeur de temp ´erature stable `a une temp ´erature bien au-dessus du premier point `a 90 Hz : 188 K.

CxHy) peuvent s’y trouver. Ces hydrocarbures, m´elang´ees avec le He dans le pulse tube , peuvent

se condenser (voire solidifier) au bout froid, lorsque l’on d´epasse sa temp´erature de condensation, provoquant des instabilit´es de temp´erature : le polluant «g`ele», rendant la machine moins perfor- mante (r´eg´en´erateur ou ´echangeur partiellement bouch´es) et augmentant la temp´erature froide, ce qui fait ´evaporer le polluant ; une fois ´evapor´e et l’´echangeur ou le r´eg´en´erateur d´ebouch´es, la machine regagne alors ses performances et, `a la temp´erature d’´ebulition du polluant, il «reg`ele» `a nouveau, etc.

D’o `u le besoin de faire passer cet h´elium `a travers d’un adsorbant refroidi `a l’azote liquide (fig. 5.19) : les impuret´es sont ainsi adsorb´ees et on a un h´elium tr`es pur en sortie ; par contre, si le flux de He traversant la matrice est trop ´elev´ee, il se peut que les polluants n’y soient pas totalement pi´eg´es. Il faut donc utiliser une vanne de laminage lors du remplissage pour garantir un flux tr`es faible d’h´elium et donc l’absence d’impuret´es.

En vue de tout cela, le pulse tube a ´et´e pomp´e et rempli lentement avec de l’h´elium, mais les probl`emes ont persist´e. Suspectant que les polluants seraient rest´es dans le compresseur, celui-ci et le pulse tube ont ´et´e pomp´es et rinc´es avec de l’h´elium (on met environ 1 bar de pression dans le syst`eme, en laissant la pression se stabiliser et on pompe ensuite ; ceci est refait au moins 2 fois), sans aucun succ`es. Ult´erieurement, le pulse tube a ´et´e nettoy´e `a l’acetone (avec des ultra-sons) et ´etuv´e, sans que les instabilit´es aient disparu.

D’autres v´erifications on ´et´e faites : le nombre de redresseurs d’´ecoulement `a l’´echangeur chaud du tube a ´et´e v´erifi´e (un nombre insuffisant n’annule pas l’effet de jet et engendre des instabilit´es d’´ecoulement), ainsi que leur imobilit´e et les fentes des ´echangeurs ont ´et´e observ´ees pour exclure la possibilit´e d’obstruction. Aucun de ces contrˆoles ne nous a apport´e une r´eponse aux probl`eme en question.

Vu que ce comportement n’a ´et´e observ´e que dans ce prototype, tout m`ene `a croire qu’il a un d´efaut de fabrication qui, malgr´e nos longues investigations, reste encore inconnu. Il montre aussi que la performance des pulse tubes est sensible `a tous les d´etails de fabrication.

5.1.7

Conclusion

Les performances des deux prototypes sont assez diff´erentes de celles pr´evues par le code num´erique et il est difficile d’attribuer cet ´ecart `a un probl`eme pr´ecis. Il peut ˆetre li´e `a la validit´e du calcul des pertes thermiques ou de la loi de pertes de charge dans le r´eg´en´erateur , ou mˆeme des fac- teurs de frottement dans l’inertance. Cependant, il serait un travail int´eressant, dans le futur, de compl´ementer les simulations en imposant dans le code des grandeurs mesur´ees, p.ex., l’onde de pression en entr´ee du r´eg´en´erateur, et en comparant une autre grandeur mesur´ee, p.ex., l’onde de pression dans le tube. Ceci pourrait permettre d’am´eliorer les capacit´es pr´edictives du code.

La configuration de d´ephaseur actif am´eliore la performance du prototype Beta `a 100 Hz mais la temp´erature limite reste assez ´elev´ee vis- `a-vis nos sp´ecifications. Elle reste tout de mˆeme une bonne m´ethode de laboratoire pour ´evaluer rapidement un prototype, puisque elle permet de tester la mˆeme machine avec plusieurs inertances sans changer le gaz. Cependant, elle a besoin de deux compresseurs ce qui peut ˆetre tr`es gˆenant pour les applications spatiales.

Dans le tableau ci-dessous on r´esume les principaux r´esultats de chacun des prototypes. Dans tous les essais, W_dispo 20 W et la pression moyenne est 20 bar ; la pente donn´ee se rapporte `a la fr´equence optimal pour chaque prototype :

Prototype Inertance opt. `a 100 Hz T_lim(K) T_lim 100 Hz (K) Pente optimale (K/W) Pertes cond. (W)

Alpha 1.0 800Ø2 99 (90 Hz) 127 28.0 0.52

Alpha 1.1 1400Ø2 113 (80 Hz) 127 27.5 0.52

Alpha 2.0 1400Ø2 101 (80 Hz) 214 30.0 0.39

Beta 900Ø4 105 (60 Hz) 220 15.0 0.98

TAB. 5.3 – La T_lim est la plus basse temp ´erature obtenue `a n’importe quel fr ´equence et avec n’importe quelle inertance. Les pertes conductives par la paroi sont calcul ´ees entre 300 et 80 K.

D’apr`es ces r´esultats, la g´eom´etrie du futur prototype sera bas´ee essentiellement sur celle du pulse tube Alpha, avec lequel les meilleures performances ont ´et´e obtenues.