Brevet FR2525333A1 — publié le 19831021

1.- "Réfrigérateur cryogénique hybride L'invention concerne un réfrigérateur cryogé- nique hybride destiné à améliorer le cycle de Gifford-Mc Mahon qu'on supposera bien connu Parmi les brevets de l'art antérieur décrivant ce cycle, on peut citer les bre- vets U S A 2 966 035, 3 188 818, 3 218 815, et 4 305 741. Pour obtenir le maximum de rendement et de fiabilité, il est important d'utiliser un transfert de vo- lume de gaz maximum à travers le régénérateur; Pour obte- nir ce résultat, il est important de pouvoir inverser le sens du débit de gaz lorsque le piston atteint son point mort haut ou son point mort bas L'invention a pour but d'apporter une solution à ce problème en utilisant un mo- teur électrique pour commander la position du piston au voisinage du point mort haut et du point mort bas, en as- sociation avec la pression provenant d'une source indépen- dante et avec une soupape glissante sensible à la pression permettant de contr 8 ler le débit du fluide. A cet effet, l'invention concerne un réfrigé- rateur cryogénique dans lequel des moyens de piston mobile définissent à l'intérieur d'un carter, une première et une seconde chambre de volumes variables, et dans lequel on fait circuler un fluide réfrigérant dans un passage de fluide compris entre la première chambre et la seconde chambre, grâce aux moyens de piston commandés en partie par l'introduction de fluide à haute pression et par 2.- l'évacuation de fluide à basse pression, le réfrigérateur comprenant en outre, un élément de soupape en forme de bo- bine permettant de contrôler le débit du fluide haute pres- sion et du fluide basse pression, des moyens de chambre de guidage d'une glissière reliée aux moyens de piston, cette glissière comportant un passage axial en communication avec une extrémité des moyens de chambre située à l'opposé des moyens de piston, et un moteur couplé à la glissière pour commander le mouvement des moyens de piston au voisinage du'point mort haut et du point mort bas, réfrigérateur ca- ractérisé en ce qu'il comprend une surface de réaction au fluide prévue sur la glissière entre ses extrémités, des moyens permettant d'appliquer une pression à cette surface pour surpasser le moteur lorsque la glissière s'écarte du point mort haut, le passage ménagé dans la glissière présen- tant un étranglement et des moyens comprenant un conduit faisant communiquer une extrémité de l'élément de soupape en forme de bobine avec l'extrémité des moyens de chambre, de manière à introduire du fluide haute pression dans le conduit pour déplacer l'élément de soupape en forme de bo- bine lorsque les moyens de piston sont à l'une des extré- mités de leur mouvement. Le réfrigérateur cryogénique selon l'inven- tion permet ainsi d'améliorer le rendement et la fiabilité en contrôlant le mouvement du piston par un moteur comman- dant ce piston lorsqu'il se trouve au point mort haut et au point mort bas, ce moteur étant au contraire surpassé par la pression du fluide pour toutes les autres positions du piston. 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 selon l'invention, le piston se trou- vant au point mort haut, la figure 2 est une vue semblable à celle 3.- de la figure 1, mais avec le piston au point mort bas. En se référant en détail aux dessins dans lesquels les mêmes éléments sont repérés par les mêmes ré- férences, le réfrigérateur selon l'invention, repéré dans son ensemble par la référence 10, comporte un premier éta- ge 12 En cours d'utilisation, cet étage 12 est placé à llintérieur d'un carter sous vide, non représenté. L'invention concerne aussi bien le cas d'un étage unique que le cas d'étages multiples Chaque étage comporte un carter tel que le carter 16 dans lequel est monté un piston 18 Ce piston 18 présente une longueur in- férieure à celle du carter 169 de manière à définir une chambre chaude 20 au-dessus du piston et une chambre froide 22 au-dessous de celui-ci Les appellations de chambre chau- de et de chambre froide sont 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, en matériau bon conducteur de la chaleur, est fixé au carter 16 et en- toure la chambre froide 22 Le poste de chaleur 24 peut être réalisé sous d'autres formes bien connues des spécia- listes de la question. A l'intérieur du pieton 18 est prévu un régé- nérateur 26 contenant une matrice Des orifices 28 font communiquer l'extrémité supérieure de la matrice du régéné- rateur 26 avec la chambre chaude 20, comme on peut le voir sur la figure 2 Des orifices radiaux 30 font communiquer l'extrémité inférieure de la matrice du régénérateur 26 avec un intervalle de jeu 32 prévu entre le pourtour ex- térieur de l'extrémité inférieure du piston 18 et le pour- tour intérieur du carter 16 Ainsi, l'extrémité inférieure de la matrice du régénérateur 26 communique avec la cham- bre froide 22 par les orifices 30 et le jeu 32 Cet inter- valle de jeu 32 constitue un échangeur de chaleur à inter- valle annulaire. ,- La matrice du régénérateur 26 est, de préfé- rence, constituée par un empalement de 250 couches d'un matériau maillé à grande chaleur spécifique tel que du cui- vre réduit (exempt d'oxygène) La matrice a une faible sur- face libre et une faible chute de pression La matrice est, de préférence, en cuivre, mais on peut également utiliser d'autres matériaux tels que du plomb, du nylon, du verre, etc Un mcteur pas à pas synchrone 40 est monté dans un carter de moteur 38 Le carter 16 dépasse vers le bas à partir du carter 38 La sortie du moteur 40 est re- liée à une came 44 associée à un suiveur de came monté dans une fente transversale de la glissière 46 Cette glissière 46 est reliée à l'extrémité supérieure du piston 18. La glissière 46 est entourée et guidée par un manchon de support à joint d'étanchéité à jeu 48 fixé au carter 38 Ce support 48 est de préférence réalisé en cé- ramique La glissière-46 comporte des manchons de support cylindriques intérieurs 50 en contact glissant avec le pour- tour intérieur du manchon de support à joint d'étanchéité à jeu 49 Un passage de fluide axial 52 est prévu dans la glissière 46, laquelle est plus longue que le manchon de support 48 et comporte des orifices radiaux 55 situés au- dessus d'un étranglement 54 du passage 52 Quand la glis- sière 46 est au-dessous de son point mort haut, comme indi- qué sur la figure 2, la chambre formée au-dessus de celle- ci et à l'intérieur du support 48, est repérée par la réfé- rence 56. Le carter 38 comporte un trou 58 parallèle à la glissière 46 Dans le trou 58 est prévu-un manchon de support à joint d'étanchéité à jeu 60 réalisé de préféren- ce en céramique Dans le manchon de support 60 est monté un élément de soupape en forme de bobine pouvant aller et venir 62, cet élément 62 étant percé d'un passage de fluide axial 64 On remarquera que l'élément 62 présente une lon- 5.- gueur inférieure à celle du manchon de support 60, de fa- çon que le passage 64 communique avec la chambre 65 placée au-dessous. Au voisinage de l'extrémité supérieure de l'élément 62, se situe un étranglement 66 du passage 64. L'extrémité supérieure du passage 64 communique avec la chambre 56 par le conduit 67 Une rainure 68 est prévue sur le pourtour extérieur de l'élément de soupape en forme de bobine 62 Dans la position de l'élément de soupape 62 indiquée sur la figure 1, une extrémité de la rainure 68 communique avec la chambre chaude 20 par le passage 70. L'autre extrémité de la rainure 68 communique avec les orifices 55 par le passage 72 Un orifice haute pression 74 est ménagé dans le carter 38 et se trouve bloqué, par l'élément de soupape en forme de bobine 62, dans sa posi- tion indiquée sur la figure 1 Comme cela apparaîtra plus clairement ciaprès, l'orifice 74 est destiné à communiquer avec les moyens de chambre 56 par le passage 76, lorsque le piston 18 se trouve à son point mort bas. Dans la position de l'élément de soupape en forme de bobine 62 indiquée sur la figure 1, l'extrémité supérieure de la rainure 68 communique avec un orifice 78 en communication directe avec le c 8 té d'aspiration d'un compresseur 84 par un conduit 85 La sortie du compresseur 84 communique par un conduit 86, avec l'orifice haute pres- sion 74. Une chambre 80 entoure une partie de la glis- sière 46 La chambre 80 communique avec le passage 81 re- lié à la source de pression 82 par une soupape de régula- tion à pression de sortie constante 88 Cette soupape 88 est réglée à une pression intermédiaire entre la haute pres- sion et la basse pression associées aux orifices 74 et 78. La partie d'extrémité supérieure de la glissière 46 est de diamètre réduit de manière à définir un épaulement 90 cons- tituant une surface de réaction au fluide La chambre 80 6.- est isolée de la chambre 56 par le joint d'étanchéité à jeu prévu entre la glissière 46 et le support 48. Le carter 38 est construit en plusieurs élé- ments de manière à faciliter l'usinage de celui-ci ainsi que le montage et l'accès à l'élément de soupape en forme de bobine 62 et à la glissière 46 La manière selon la- quelle le carter 38 est réalisé en plusieurs éléments n'est pas illustrée ici, mais semblera évidente aux spécialistes de la question Le réfrigérateur 10 est, de préférence, conçu pour être utilisé avec un fluide cryogénique tel que de l'hélium, mais on peut également utiliser d'autres flui- des, tels que de l'air ou de l'azote Ce réfrigérateur 10 est également conçu pour une puissance de sortie d'au moins watts pour 770 X à la sortie de l'étage 12 et d'au moins 5 watts pour 200 K à la sortie de l'étage 14. La longueur de la course des éléments mobiles se réduit à 12 mm pour l'élément de soupape 62 et 30 mm pour le piston 18 L'élément de soupape 62 n'a pas besoin de comporter un passage de fluide axial 64, mais peut, au contraire, être constitué par un élément de soupape en for- me de bobine pleine sensible à une différence de pression. On décrira maintenant le fonctionnement de l'appareil Comme indiqué sur la figure 1, le piston 18 se trouve à son point mort haut et se trouve commandé par le moteur 40 L'élément de soupape en forme de bobine 62 vient d'atteindre sa position haute maximum dans laquelle la chambre 20 communique avec le côté d'aspiration du com- presseur 84 par le passage 70, l'orifice 78 et le conduit L'échappement de la chambre 65 au-dessous de l'élément de soupape en forme de bobine 62, est également assuré par le passage 64, le conduit 67 et les passages 52, 72 Le gaz à pression intermédiaire est retenu dans la chambre 80. Lorsque le piston commence à se déplacer vers le bas sous l'action du moteur 40, le gaz froid à basse pression contenu dans les chambres 22, 34, monte à travers 7.- le régénérateur 26 et s'échappe Le gaz présent dans la chambre 80 agit sur l'épaulement 90 et pousse la glissière 46 vers le bas en surpassant ainsi le moteur' 40, Lorsque le gaz monte à travers le régénérateur, ce gaz absorbe la chaleur du régénérateur 26 en refroidissant ainsi ce der- nier Dans son mouvement vers le bas, la glissière 46 at- teint le passage 76 Lorsque l'extrémité supérieure de la glissière 46 découvre le passage 76, le piston 18 se trouve à son point mort bas, comme indiqué sur la figure 2 La précision de localisation du passage 76 affecte directement le rendement. Le fluide haute pression arrivant par l'ori- fice 74 circule alors du passage 76 à la chambre 56 et au conduit 67 La pression entre les étranglements 54 et 66 augmente Lorsque le gaz à haute pression surpasse le flui- de à basse pression emprisonné dans la chambre 65, l'élé- ment 62 descend jusqu'à la position indiquée sur la figure 2 La totalité du système contient alors du gaz haute pres- sion, sauf le passage 72 qui se trouve bloqué à ses deux extrémités Le piston 18 se trouve au point mort bas. Le r Cle du régénérateur 18 est de refroidir le gaz qui le traverse en circulant vers le bas, et de ré- chauffer le gaz qui le traverse en circulant vers le haut. Le gaz ainsi refroidi en circulant vers le bas à travers le régénérateur, provoque une diminution de pression et l'introduction d'une quantité de gaz supplémentaire dans le système pour maintenir la pression maximum du cycle de fonctionnement La diminution de température du gaz conte- nu dans la chambre 22 produit l'effet de réfrigération uti- le attendu de l'appareil Lorsqu'il monte à travers le ré- générateur, le gaz est chauffé par la matrice jusqu'à une température voisine de la température ambiante, ce qui a pour résultat de refroidir la matrice. Le côté 46 est entraîné vers le haut en mê- me temps que le piston 18, par le moteur 40, lorsque le gaz 8. à haute pression descend dans les chabres 20 et 34 L'ori- fice 55 s'aligne avec le passage 72 juste avant que le point mort haut soit atteint Cúla meet immédiatement le passage 52 et le conduit 67 en com- rnication avec le c 8 té d'aspiration du compresseur 84 Le gazs hrate pression emprisonné dans la chambre 65 ai-dessous de l' léémeni de soupape en forme de bobilne 62, fait monter cet élemerït de soupape de la po>sition indiuée -ur la figire 2 à la po- sition indiquée sur la figure 1, lorsque les pistons artei- glent le point mort haut Un cy 3 le zomplet est alors ter- miné. On décrira mairntenant la manière selon la- quelle le fluide sous pression surpasse la commande de la glissière 46 et du piston 18 La foroe verticale agissant sur le bras de manivelle de la came 44, est le quotient de la force tangentielle par le sinrus de ltangle de manivelle. On supposera que la force tangentielle est de 4,53 kg, que la pression du gaz à haute pression est de 21,1 kg/cm 2, que la pression du gaz à basse pression est de 7,03 kg/cm 2, que la pression de la source 82 est de 14, 07 kg/cm 2, et que la différence de surface de l':paulement 90 est de 2,58 cm 2 Le moteur 40 est la seule commande de la glis- sière 46 dans la zone de 150 autour du point mort haut et autour du point mort bas lorsque le couple est à sa va- leur maximum Lorsque le bras de manivelle se déplace de 15 à partir du point mort haut, la glissière 46 se dépla- gant vers le bas, la force appliquée à l'épaulement 90 est de 18 kg ( ( 14-7) kg/Dm 2 x 2,58 _m 2) La force verticale appliquée par le moteur 40 sur la glissière 46 à 150 au- dessous du point mort haut, est de 0,453 divisé par 0,25 soit 18 kg Entre 15 et 165 au-dessous du point mort haut, la pression appliquée à l'épaulement 90 dépasse la force verticale du moteur 40. Ainsi, la force exercée par la pression du fluide sur l'épaulement 90 surpasse la force du moteur 40 en provoquant l'accélération de celui-ci pendant environ 9.- 3000 d'un cycle complet Les mêmes conditions de différen- ce de pression existent lorsque la glissière se déplace vers le haut, car cette différence de pression est égale- ment de 7,03 kg/cm 2 ( 21,1 14,07 kg/cm 2) Par suite, le moteur 40 peut être beaucoup plus petit et beaucoup moins cher que celui qui serait nécessaire sans la présence de la pression intermédiaire et de la surface de réaction de l'épaulement 90. 10.- REVEND I CA T I ON S 1. Réfrigérateur cryogénique dans lequel des moyens de piston mobile définissent à l'intérieur d'un carter une première et une seconde chambr E de volu- mes variables, et dans lequel on fait circuler in fluide réfrigérant dans un passage de fluide compris entre la première chambre et la seconde chambre, grâce aux moyens de piston commandés en partie par l'introduction de fluide à haute pression et par l'évacuation de fluide à basse pression, le réfrigérateur comprenant, en outre, un élé- ment de soupape en forme de bobine permettant de contrôler le débit du fluide haute pression et du fluide basse pres- sion, des moyens de chambre de guidage d'une glissière re- liée aux moyens de piston, cette glissière comportant un passage axial en communication avec une extrémité des moyens de chambre située à l'opposé des moyens de piston, et un moteur couplé à la glissière pour commander le mouvement des moyens de piston au voisinage du point mort haut et du point mort bas, réfrigérateur caractérisé en ce qu'il comprend une surface de réaction au fluide ( 90) prévue sur la glissière ( 46) entre ses extrémités, des moyens ( 80, 81, 82) permettant d'appliquer une pression à cette surface pour surpasser le moteur ( 40) lorsque la glissière s'écarte du point mort haut, le passage ménagé dans la glissière présentant un étranglement ( 54) et des moyens com- prenant un conduit ( 67) faisant communiquer une extrémité de l'élément de soupape en forme de bobine ( 62) avec l'ex- trémité ( 56) des moyens de chambre, de manière à introduire du fluide haute pression dans le conduit pour déplacer l'élément de soupape en forme de bobine lorsque les moyens de piston ( 18) sont à l'une des extrémités de leur mouve- ment. 2. Réfrigérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de conduit ( 67) sont con- çus pour déplacer l'élément de soupape en forme de bobine l. lorsque les moyens de piston se trouvent au point mort bas. 3. Réfrigérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de conduit ( 67) sont con- çus pour déplacer l'élément de soupape en forme de bobine lorsque les moyens de piston sont au point mort haut. 4. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la surface de réaction est formée par une partie de diamètre réduit de la glissière à l'extrémité supérieure de celle-ci. 5. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément de soupape en forme de bobine est percé d'un passage axial ( 60) comportant un étranglement ( 56) au voisinage de son extrémité communiquant avec le conduit ( 67). 6. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte une source ( 82) de fluide à pression intermédiaire en com- munication avec une chambre ( 80) exposée à la surface de réaction. 7. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un manchon de support à joint d'étanchéité à jeu, en cérami- que ( 48, 49, 60) destiné à l'élément de glissière et à l'é- lément de soupape en forme de bobine. 8. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de passage ( 55, 72)destinés à l'échappement du pas- sage de la glissière et du conduit lorsque les moyens de piston atteignent le point mort haut, de manière à per- mettre ainsi à l'élément de soupape en forme de bobine d'inverser sa position par rapport aux pressions haute et basse. 9. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les moyens d'ap- 12.- plication de la pression à la surface de r 4 action, sont constitués par une source ( 82) dei gaz à -une pression com- prise entre les piressions hau et 'asse du fluide. 10. Réf-rigérateur selcr l'une quelconq ue des revendications 1 à 9, caractcr 2 se en ce que la glis- sière et les moyens de piston son oade uniquement jar le:_-ot Ieu-r dans les zo+ de W U Uo;, -u;int mort haut et du point zort bas.