Volants thermiques cryogéniques liquide vapeur pour applications spatiales

Avec le développement des réfrigérateurs cryogéniques mécaniques et des capteurs de plus en plus sensibles, l’emploi d’un volant thermique (Energy Storage Unit ou ESU) doit permettre de stopper temporairement le cryoréfrigérateur et de fonctionner en l’absence de vibration. L'utilisation d'un ESU limite également la nécessité de surdimensionner le système cryogénique pour absorber les éventuelles surcharges thermiques transitoires; ce qui est particulièrement utile pour les applications spatiales. Dans tous les cas, la dérive en température doit rester limitée pour garantir la bonne performance du détecteur. Dans cette thèse, des ESUs basés sur la chaleur latente associée au changement de phase liquide-vapeur ont été étudiés. Afin de limiter la dérive en température, tout en maintenant un volume réduit pour la cellule à basse température, une solution possible consiste à séparer l'ESU en deux volumes: une cellule à basse température reliée au doigt froid du cryoréfrigérateur à travers un interrupteur thermique et un volume d'expansion à la température ambiante permettant de réduire l’augmentation de température liée à l'évaporation du liquide. Pour diminuer encore la dérive en température, une nouvelle amélioration a été testée avec de l'azote: elle consiste en la mise en place d'une vanne commandée entre les deux volumes permettant de contrôler la pression de la cellule froide (remplie d’azote liquide-vapeur). De plus, un matériau poreux a été introduit à l'intérieur de la cellule pour rendre l'ESU indépendant de la gravité et donc approprié aux applications spatiales. Dans ce cas, les expériences révèlent des résultats inattendus concernant le stockage d'énergie et la différence de température entre le liquide et les parois. Pour caractériser l'influence des milieux poreux sur les transferts thermiques d’un volant thermique liquide-vapeur chauffé, une cellule dédiée avec des parois latérales non conductrices a été construite et testée avec de l'hélium diphasique liquide-vapeur. Après caractérisation complète de cette cellule en dehors des conditions de saturation (conduction, convection), des expériences ont été effectuées avec ou sans milieu poreux, en chauffant la cellule en haut ou en bas de la cellule et pour différents flux de chaleur et températures de saturation. En parallèle, un modèle décrivant la réponse thermique d'une cellule contenant liquide et vapeur avec un milieu poreux chauffée en haut (contre la gravité) a été mis en œuvre. L'ensemble des données a ensuite été utilisé comme référence pour ce modèle qui repose sur un équilibre de trois forces: la force de capillarité, la force de gravité et la perte de pression induite par l'écoulement du liquide.