Contexte : Le Département des Systèmes Basses Températures (D-SBT) du CEA Grenoble développe une recherche en cryogénie à caractère principalement technologique dans une large gamme de températures depuis 120 K jusqu’à la dizaine de millikelvins. Au sein du D-SBT, l’équipe LCCS (Laboratoire Cryoréfrigérateurs et Cryogénie Spatiale) apporte ses solutions pour la réalisation d’instruments spatiaux et développe des systèmes de refroidissement pour des industrielles et des acteurs internationaux (ESA, NASA, JAXA).
Résumé : 
Parmi ces cryoréfrigérateurs, les tubes à gaz pulsé, sont un axe de développement important au sein de l’équipe. Ils sont utilisés dans des applications d’observation de la terre (comme le satellite de météorologie MTG) à des températures de l’ordre de 50 K. Les refroidisseurs les plus avancés opèrent à 15 K pour des missions d’observation de l’univers (ATHENA/X-IFU). Ils sont basés sur un cycle thermodynamique de type Stirling et ils utilisent de l’hélium comme gaz de cycle. Ces tubes à gaz pulsé fonctionnent à grâce à une onde de pression générée par un oscillateur à des fréquences comprises entre 30 et 60 Hz.
La production de puissance frigorifique dépend du bon déphasage entre le débit gazeux et ces variations de pression. Ainsi, l’optimisation des performances passe notamment par l’optimisation de son système de déphasage.
Pour les cryoréfrigérateurs produisant du froid à la température de l’azote liquide, un tuyau capillaire appelé inertance, est utilisé pour permettre ce déphasage en utilisant la perte de charge et l’inertie du gaz.
Pour les applications pour l’étude de l’univers, les cryoréfrigérateurs doivent travailler à plus basses températures (15 Kelvin) et l’inertance montre des limitations pour atteindre les déphasages optimums. Une solution alternative mis en place consiste à utiliser un second oscillateur de pression afin de contrôler activement ce déphasage. Cette méthode est celle qui permet de déphaser parfaitement le débit et la pression et d’obtenir les meilleures performances du tube à gaz pulsé. L’inconvénient est la nécessité d’utiliser un oscillateur supplémentaire, ce qui a un coût financier, en terme de fiabilité et de masse. Le développement de solutions alternatives est donc d’un enjeu majeur pour positionner ce type de machine dans le panorama spatial actuel. La suppression d’un oscillateur est un argument de force auprès des agences comme le CNES (Centre National des Etudes Spatiales) et l’ESA (European Spatial Agency).
Sujet : Lors de ce stage, on se propose, d’étudier expérimentalement ce phénomène de déphasage pour en comprendre les enjeux physique et technique, sur un tube à gaz pulsé de type 15K développé conjointement par le CEA, Air liquide et Thales cryogénie. L’étudiant(e) étudiera la sensibilité aux paramètres d’entrée de la machine, tel que la puissance électrique injectée, la fréquence et la température froide demandée, sur le déphasage et sur les performances de la machine et cela avec différentes configurations de systèmes de déphasage (actif ou passif).
Il(elle) devra mettre en place et faire évoluer son dispositif expérimental, définir et réaliser sa campagne de mesure et analyser les résultats pour en tirer des conclusions scientifiques.
Profil : Langues : Français ou Anglais
Le(La) candidat(e) recherché(e) doit être en dernière année d’école d’ingénieur ou bien en Master 2 (le sujet peut être adapté à une candidature de Master 1 ou 2
ème année d’école d’ingénieur) dans le domaine de la mécanique des fluides avec de bonnes connaissances en thermique et mécanique. Il(Elle) doit posséder un goût prononcé pour l’expérimentation et l’analyse de données.
Une poursuite en thèse au sein de l’équipe peut être envisagée.
Contact :
lucas.methivier@cea.fr
Liens : Film cryochaine XIFU