Thèse soutenue le 13 mars 2024 pour obtenir le grade de docteur de l'Université Grenoble Alpes - Spécialité : MEP - Mécanique des fluides Energétique, Procédés

Résumé :
La conception et la disponibilité d’un refroidisseur miniature pour atteindre des températures inférieures à 2 Kelvin (-271 °C) sera une avancée importante pour faciliter l’utilisation de la cryogénie, notamment hors des laboratoires spécialisés. Aujourd’hui, les refroidisseurs les plus répandus sont limités à la température de 3 Kelvin environ et nécessitent des puissances électriques importantes, généralement de plusieurs kilowatts. De plus, ils génèrent une nuisance sonore importante et implique un fort encombrement. Notre objectif est à la fois d’atteindre des températures plus basse tout en réalisant un refroidisseur miniature. Pour ce faire le projet exploite le couplage d'un refroidisseur Joule-Thomson à 2 Kelvin avec un tube à gaz pulsé hautes fréquences en tant que pré-refroidisseur. Le développement du tube à gaz pulsé hautes fréquences constitue le cœur de cette thèse.
Ce dernier opèrera dans une configuration exploi​tant deux doigts froids en cascade que l’on appelle tube à gaz pulsé intercepté. Il est ainsi possible d’obtenir des basses températures, ici jusqu’à 15 Kelvin (-258 °C). Ce type de configuration a été mis au point dans le domaine du spatial. Pour une généralisation aux cryostats de laboratoire, un travail de redimensionnement pour fonctionner avec des oscillateurs de pression commerciaux a été nécessaire.
L’approche choisie pour optimiser le tube à gaz pulsé intercepté est essentiellement expérimentale, en s’appuyant sur une analyse phénoménologique des processus thermodynamiques ainsi que sur des modélisations numériques. L’accent a notamment été mis sur l’évaluation des pertes de chaleur à l’étage intermédiaire (intercepte). Une version préindustrielle du tube à gaz pulsé a été mise au point et testée. Ses performances vont jusqu’à 430 mW de puissance de refroidissement à partir d’une puissance mécanique de 100 W.
A titre d’exemple d’applications, dans les laboratoires de recherche, ce système permettra la détection de photon unique basé sur des détecteurs à nano-fils supraconducteurs ou la recherche sur les technologies quantiques.

Jury :
Président : Frédéric Ayela
Rapporteur : Yannick Bailly
Rapporteur : Gaël Maranzana
Examinateur : James Butterworth
Examinateur : Valéry Zwiller
Directeur de thèse : Jean-Marc Duval
Co-encadrant de thèse : Thomas Prouvé

Mots clés :
Sciences pour l’ingénieur, Cryogénie, Energétique, Génie des procédés, Mécanique

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