Brevet FR2525331A1 — publié le 19831021

REFRIGERATEUR CRYOGENIQUE A FLUIDE L'invention concerne un réfrigé- rateur cryogénique à fluide permettant d'améliorer le cycle de GriffordMc Mahon qu'on supposera bien connu Les brevets de l'art antérieur décrivant ce cycle comprennent les brevets U S A 2 966 035; 3 188 818; 3 218 815 et 4 305 741. Dans certains types d'environne- ment, comme par exemple dans les dispositifs à inter- actions de quantités supra-conductrices, il n'est pas possible de tolérer le flux magnétique d'un moteur électrique On a donc proposé d'utiliser un élément fluidique pour provoquer le mouvement de l'élément mobile On pourra par exemple consulter sur ce sujet le brevet U S A 4 310 337 Les réfrigérateurs à fluide présentent un certain nombre d'iÂhconvénients et notamment l'absence de contrôle des éléments mobiles, de sorte qu'une pleine charge de gaz sous pression est introduite à chaque cycle et que l'élément mobile provoque un bruit insupportable en venant toucher le fond à l'extrémité de chaque course. L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et concerne à cet effet un réfrigérateur cryogénique dans lequel un dispositif d'élément mobile définit, à l'intérieur d'une enceinte, une première et une seconde chambres de volumes variables, et dans lequel un fluide réfrigérant circule, dans un passage de débit de fluide, entre la première et la seconde chambres, sous l'effet du mouvement de l'élément mobile commandé en partie par l'introduction de fluide haute pression et par l'échappement de fluide basse pression, une soupape munie d'un élément de soupape à bobine permet- tant de contrôler le débit du fluide haute pression et du fluide basse pression, un volume moyen permettant de guider une glissière reliée au dispositif d'élément mobile, cette glissière étant percée d'un passage axial, et un piston étant couplé à la glissière pour contrôler le mouvement de l'élément mobile, réfrigé- rateur caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de soupape destinés à mesurer le débit entre côtés opposés du piston, la section de la glissière étant plus petite d'un côté du piston que de l'autre c 8 té, le passage percé dans la glissière comportant un étran- glement, des moyens comprenant un conduit faisant communiquer une extrémité de l'élément de soupape à bobine avec le passage de la glissière pour introduire le fluide haute pression dans le conduit, de manière à déplacer l'élément de soupape à bobine lorsque l'élément mobile se trouve à l'une des extrémités de sa course. L'invention permet ainsi d'obtenir un réfrigérateur cryogénique à fluide dans lequel on améliore le rendement et la fiabilité en contrôlant le mouvement de l'élément mobile par un dispositif à fluide, servant d'amortisseur pendant la course d-e l'élément mobile et permettant d'absorber les chocs aux extrémités de cette course L'invention permet également d'obtenir un réfrigérateur cryogénique simple et fiable. L'invention sera décrite en détail au moyen des dessins ci-joints dans lesquels: la figure 1 est une vue en coupe verticale d'un réfrigérateur correspondant à une première forme de réalisation de l'invention, l'élément mobile se trouvant au point mort haut; la figure 2 est une vue sembla- ble à celle de la figure 1, mais dans laquelle l'élé- ment mobile se trouve en position intermédiaire; et la figure 3 est une vue semblable à celle de la figure 1, mais dans laquelle l'élément mobile se trouve au point mort bas. Les dessins dans lesquels les m 4 mes éléments sont repérés par les mêmes références, représentent en détail un réfrigérateur 10 selon l'invefntion Ce réfrigérateur 10 comporte un premier étage 12 et peut comporter un second étage En cours d'utilisation, ces étages sont logés dans une enceinte sous vide non représentée L'invention concerne un dispositif à un ou plusieurs étages, chaque étage comporte un carter tel que le carter 16 à l'intérieur duquel est monté un élément mobile 18 Un Joint d'étanchéité 19 est prévu sur l'élément mobile 18 pour venir en contact avec le carter 16. L'élément mobile 18 présente une longueur inférieure à celle du carter 16 de manière à définir une chambre chaude 20 au-dessus de l'élément mobile 18 et une chambre froide 22 au-dessous de celui-ci Les appellations de chambre chaude et chambre froide sont relatives et bien connues des spécialistes de la question. Un poste de chaleur 24, se présentant sous la forme d'un tube muni d'un rebord annulaire, et réalisé dans un matériau bon conducteur de la chaleur, est fixé au carter 16 et entoure la chambre troide 22 Le poste de chaleur 2 '4 peut être construit sous d'autres formes, comme cela est bien connu des spécialistes de la question. Dans l'élément mobile 18 est prévu un régénérateur 26 contenant une matrice Des orifices 28 font communiquer l'extrémité supérieure de la matrice du régénérateur 26 avec la chambre chaude 20, comme on peut le voir sur la figure 2 Des orifices radiaux 30 t'ont communiquer l'extrémité inférieure de la matrice du régénérateur 26 avec un espace de jeu 32 prévu entre le pourtour extérieur de l'extrémité inférieure de l'élément mobile 18 et le pourtour intérieur du carter 16 Ainsi, l'extrémité inférieure de la matrice du régénérateur 26 communique avec la chambre froide 22 par les orifices 30 et l'espa- ce de jeu 32. La matrice du réfrigérateur 26 est de préférence constituée par un empilement de 250 couches d'un matériau maillé à forte chaleur spécifique tel que du cuivre réduit La matrice présente une faible surface de vides et une faible chute de pression Cette matrice peut encore être constituée par d'autres matériaux tels que des sphères de plomb, de nylon, de verre ou autres Une glissière 46 est reliée à l'extrémité supérieure de l'élément mobile 18 Cette glissière 46 'est entourée et guidée par des supports à douilles formant entre elles des espaces libres d'étanchéité 47, 48, et 49 fixés au carter 38 Les supports 47, 48, 49 sont de préférence réalisées en ceramique La douille 46 comporte des coussinets d'in- sertion cylindriques 50 en contact glissant avec le pourtour intérieur des manchons de support 47 et 49 Un passage de débit axial 52 est percé dans la glissière 46 Cette glissière 46 est plus longue que les manchons de support et comporte des passages radiaux 55 situés au-dessus d'un ttranglemert 54 du passage 52 Quand la glissière 46 se trouve au-dessous de son point mort haut, comme indiqué sur la figure v 2, la chambre moyenne formée au-dessus de cette glis- sière ZIG et à l'intérieur du support 49, sont repérés par la référence -6. Le carter 38 comporte un trou 58 parallèle à la glissière 46 Dans ce trou 58 est monté' une douille de support d'étanchéité à jeu de préférence en céramique Dans le manchon de support 60 est monté un élément de soupape à bobine 62 pouvant aller et venir, cet élément étant percé d'un passage de débit axial 64 On remarquera que la longueur de l'élément 62 est inférieure à celle du man- chon de support 60 de façon que le passage 64 communi- que avec la chambre 65 placée au-dessous. Au voisinage de l'extrémité supérieure de l'élément 62, le passage 614 comporte un étranglement 66 L'extrémité supérieure du passage 64 communique avec la chambre 56 par le conduit 67 Une rainure 68 est creusée dans le pourtour extérieur de l'élément de soupape à bobine 62 Dans la position de l'élément de soupape à bobine 62 représentée sur la figure 1, une extrémité de la rainure 68 communique avec la chambre chaude 20 par le passage 70 Un orifice haute pression 74 est prévu dans le carter 38 et se trouve bloqué par l'élément de soupape à bobine 62 lorsque celle-ci se trouve dans la position de la figure i Comme cela apparaitra plus clairement ci-après, l'orifice 74 est destiné à communiquer avec la chambre '-) par le passage 76 lorsque l'élément mobile 1 I se trouve à son point mort bas. Dans la position de l'élément de _ soupape a bobine 62 indique sur la ftigure 2, l'extrémité supérieure du passage (,9 est bloquée par l'éltment 62 L'orifice 65 de de la glissière l{ 6 comnmu- nique avec le passage 6) et la rainure 68 lorsque ) la glissière 146 se trouve à son point mort haut, comme on peut le voir sur la figure 1 L'orifice 82 communique avec le côté d'aspiration d'un compresseur 84 La sortie du compresseur 84 communique par un conduit 86 avec l'orifice haute pression 74. Le carter 38 est constitue d'un certain nombre d'éléments permettant de faciliter l'usinage du carter, le montage, et l'accès à l'élément de soupape à bobine 02 et à la glissière { 6 La manière de réaliser le carter 38 à partir de ces divers éléments, n'est pas illustrée ici, mais apparaitra à l'évidence aux specialistes de la ques- tion Le réfrigérateur 10 est de préférence conçu pour être utilisé avec de l'hélium comme fluide cryogénique, mais on peut également l'utiliser avec d'autres fluides tels que de l'air ou de l'azote La puissance de sortie de ce réfrigérateur I 0 est d'au moins 65 watts à 77 K, et d'un minimum de 5 watts à K. L'extrémité supérieure de la glissière 46 présente un diamètre plus petit que son extrémité inférieure Un piston 88 est fixé à la glissière '; 6 et porté par sa partie inférieure de plus grand diamètre Une surface de réaction différentielle 87 est prévue sur le piston 88, monté dans la chambre définie par le support 48 L'espace <> 2 compris au- dessus du piston 88 est minimum lorsque l'télément mo- bile 18 est à son point mort haut, comme indiqué sur la figure 1, et maximum lorsque l'élément mobile 18 est à sonl point mort bas commre indiqué sur la figure 3 L'espace situé au-dessous du piston 88 est repféeré par la référence 94. L'espace 92 est en communication permanente avec l'espace 94 par les passages 9)6, 97, 98 Une soupape à aiguille 100 commande le débit de fluide entre les passages 96, 97 Tne soupape à aiguille 102 commande le débit de fluide entre les passages 97, 98 Le passage 96 communique avec l'espace 92 en un point piégeant le gaz entre le piston 88 et l'extrémité supérieure de la chambre 90, de manière à agir en amortisseur de choc Le passage 98 communique avec l'espace 94 de manière analogue. Les soupapes à aiguilles 100 et 102 sont réglées au même débit et comportent un élément de soupape taillé avec un léger biseau de l'or- dre de 20 Un index est prévu sur l'élément de soupape pour correspondre à des graduations de la plaque 104 Un index analogue est prévu sur l'élément de sou- pape 102 pour correspondre à des graduations de la plaque 106 Les soupapes à aiguilles 100, 102 commandent le débit de gaz entre les espaces 92, 94 et servent d'amortisseurs On peut ainsi faire varier le nombre de cycles par minute en réglant chaque soupape à la même valeur Le passage 97 communique avec une source de pression intermédiaire débitant par exemple de l'hélium à une pression de 14 bars/cm par un conduit 108 contenant une soupape 110 La valeur g 30 particulière de la pression intermédiaire dépend de la haute pression à la sortie du compresseur 84 qui peut être de l'ordre de 21 bars/cm, et de la basse pression à l'entrée du compresseur 84 qui peut être de 7 bars/cm 2. Fonctionnement ('omme indiqué sur la figure 1, l''élment mobile 18 se trouve à son point mort haut L'élément de soupape à bobine 62 vielit d'atteindre sa position haute maximum dans laquelle la chambre 20 communique avec le côté d'aspiration du compresseur 814 par le passage 7 (, la rainure 68 et l'orifice 82 L'échappement de la chambre ( 5 audessous de l'élément de soupape à bobine 62 est également assuré par le passage 64, le conduit 67, le passage 52 et le passage ' - Lorslque l'élément mobile comnmence à se déplacer vers le bas sous l'effet de la difference de pression agissant sur la surface de piston 87, le gaz froid à basse pression contenu dans la chambre 22 se déplace vers le haut à travers le régénérateur 26 et s'échappe Lorsqu'il monte dans le régénérateur 26, le gaz basse pression absorbe la chaleur du régénérateur en refroidissant ainsi ce dernier Comme indiqué sur la figure 2, l'élément mobile se déplace vers le bas et vers son point mort bas Quand l'extrémité supérieure de la glissière 46 découvre le passage 76, l'élément mobile 18 se trouve à son point mort bas, comme indiqué sur la figure 3 La précision de position du passage 76 affecte directement le rendement Le gaz haute pression provenant de l'orifice 74 peut maintenant passer du passage 76 à la chambre 56 et au conduit 67. Juste avant que le passage 7 f soit découvert, le piston 88 coupe le passage 98 et piège le gaz à pression intermédiaire dans l'espace 94 situé au-dessous de celui- ci I Le gaz ainsi piégé se trouve comprimé et absorbe l'énergie ciné- tique de l'élément mobile 18 en stoppant ainsi son mouvement vers le bas La pression entre les étranglements *,) F et ()) augmente Quand le gaz haute pression dpa I)sse la basse pression du fluide piègé dians la chambre 63, ljtélément 62 descend pour venir dans la position indiquée sur la figure 2 I a totalité du système, sauf' le passage 6) contient alors du gaz haute pression et l'élément mobile IX se trouve i son point mort bas. Le rôle du rtégénérateur '() est de refroidir le gaz descendant à travers celui-ci I() et de réchauffer le gaz montant à travers celui-ci. I.e gaz est refroidi en descendant à travers le régénérateur, ce qui provoque une diminution de la pression et l'admission d'une quantité dle gaz supplémentaire dans le système, pour maintenir la pression maximum du cycle de fonctionnement La diminution de température du gaz dans la chambre 22 constitue la réfrigération utile que l'appareil doit produire à l'endroit du poste de chaleur 21 i. Lorsqu'il monte à travers le régénérateur 26, le gaz est chauffé par la matrice au voisinage de la température ambiante, ce qui refroidit cette matrice. La glissière /46 se déplace vers le haut à partir du point mort bas, comme indi- que sur la figure 3, tandis que l'élément mobile 18, sous l'effet de la différence de pression produite sur le piston 88 par le gaz haute pression, se déplace vers le bas dans les chambres 2 mouvement vers le haut. Le gaz haute pression piég' dans la chambre ()5 la it monter 1 l' élément dle soupape à bobine (v 2 de la position indiquée sur la figure a la position indiquée sur la figure 1, lorsque l'élément mobile 18 atteint son point mort haut Un () cycle complet est alors terminé I e gaz haute pression s'é chappe vers le haut à travers le régénrratellr en refroidissant -ainsi la matrice 1-ne forme typique de réalisation fonctionne à un rythme de 72 à 80 cycles par minute La longueur de la course des 1) é 1 éments mobiles est courte et de l'ordre de 12 mm pour l'élément de soupape 62 et 30 mm pour l'élément mobile 18 Il n'est pas nécessaire que l'élement de soupape 62 soit percé d'un passage de fluide axial 64, mais cet élément peut au contraire être un élément de soupape à bobine plein répondant à la différence de pression. Lors que le piston 88 descend avec l'élément mobile 18, le gaz contenu dans l'espace 94 s'écoule dans l'espace 92 par les passages 98, 97, 96 De plus, le gaz sortant du conduit 108 passe dans l'espace 92 Lorsque le piston 88 se déplace vers le haut, le gaz sortant de l'espace 932 passe dans l'espace 9 l:, une partie de ce Paz s' écoulant par le conduit 18 vers la source intermédiaire Au 3 dans la même position. REV Ii-l-NI) CAT l ONS 1 Réfrigérateur cryogénique dans lequel un dispositif d'élément mobile définit, à l'intérieur d'une ernceinte, une première et une seconde chal-Lmbres de volumes variables, et dans lequel un l'luide réfrigéerant circule, dans un passage de dé,bit de fluide, entre la première et la seconde chlim- bres, sous l'effet dlu mouvement de l'éltément mobile On commandé en partie par l'introduction dle fluide haute pression et par l'échappement de 1 fluide basse pression, une soupape munie d'un él'ment de soupape à bobine permettant de contrôler le debit du fluide haute pression et du fluide basse pression, un volume moyen permettant de guider une glissière reliée au dispositif d'élément d'élément mobile, cette glissière étant percée d'un passage axial, et un piston étanrt coupl; à la glissière pour contrôler le mouvement de l'él,%nent mobile, r(frigéirateur caractéris, en cf, u' l cnlpólrte des moyens de soupape ( 97, 100, 102) destinés àa mesurer le débit entre côtés opposés du piston ( 88), la section de la glissière ( 146) étant plus petite d'un côté du piston que de l'autre côté, le passage ( 52) percé dans la glissière comportant un étranglement ( 54), des moyens comprenant un conduit ( 67) faisant communiquer une extrémité de l'élément de soupape à bobine avec le passage ( 52) de la glissière pour introduire le fluide haute pression dans le conduit, de maniè?re à déplacer l'élément de soupape à bobine ( 62) lorsque l'élément mobile ( 18) se trouve à l'une des extrém Iités de sa course. 2 Rl I'rigérateur cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de soupape comprennent une paire de soupapes à aiguilles séparées ( 100, 102), un conduit d(le soupape ('08) communicant avec chaque soupape à aiguille et destiné à communiquer avec une source de gaz à pression intermédiaire. 3 Réfrigérateur cryogénique selon l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisé en ce que le piston est conçu pour piéger le fluide situé audessus de celui-ci, lorsque l'élément mobile se trouve à son point mort haut, de façon que le gaz piégé se comporte en amortisseur de chocs (figure 1). 4 Réfrigérateur cryogénique selon l'une quelcompe des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le piston est conçu pour piéger le fluide situé au-dessous de celui-ci lorsque l'élé- ment mobile se trouve à son point mort bas, de façon que le gaz piégé se comporte en amortisseur de chocs (figure 3). Réfrigérateur cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément de soupape à bobine comporte un passage axial ( 64) contenant un étranglement ( 66) au voisinage de sce extrémité communicant avec le conduit ( 67). 6 Réfrigérateur cryogénique selon l'une quelconque, des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les soupapes à aiguilles sont réglées au même débit. 7 Réfrigérateur cryogénique selon l'une quelconque des revendications I à 6, caractérisé en ce qu'il comporte des douilles de support séparés, en céramique, formant entre elles des espaces libres d'étanchéité à jeu ( 47, 49, 48, 60) destinés à la glissière, au piston et à l'élément de soupape à bobine. 8 Réfrigérateur cryogénique zsv 11 iti I ' itii cara t 'r Lene ce qu'il I comprend des moyens pas sages ( 557 09 67, bînest i n( aassurer 1 ' chapii- pe-iient du passagfe percé' dans La lisîre et dii conduit, lorsque 1 ' aux pressions lhaute et biasse.