Brevet FR2525332A1 — publié le 19831021

Réfrigérateur cryogénique ". L'invention concerne un réfrigérateur cryogénique permettant d'améliorer le cycle de Gifford Mc Mahon qu'on supposera bien connu Parmi les brevets de l'art anté- térieur décrivant ce cycle, on peut citer les brevets U.S A 2 966 035; 3 188 818; 3 218 815 et 4 305 741. Pour obtenir le maximum de rendement et de fiabi- lité, il est important d'utiliser un transfert de volume de gaz maximum dans le régénérateur. Pour obtenir ce résultat, il est important d'inver- ser le sens du débit de gaz lorsque le piston se trouve au point mort haut ou au point mort bas L'invention a pour but d'apporter une solution à ce problème en utili- sant un moteur électrique pour contrôler la position du piston au voisinage du point mort haut et du point mort bas, en association avec une soupape glissante sensible à la pression, destinée à commander le débit du fluide. A cet effet, l'invention concerne un réfrigérateur cryogénique dans lequel un piston mobile définit, à l'intérieur d'un carter, une première et une seconde chambres 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, cette circulation étant obtenue par déplacement du pis- ton, le réfrigérateur comprenant en outre des moyens de chambre de guidage d'une glissière reliée au piston, et 2 255-332 un moteur couplé à cette glissière pour contrôler le mou- vement du piston à son point mort haut et à son point mort bas, réfrigérateur caractérisé en ce que la glis- sière comporte un passage axial communiquant avec une extrémité des moyens de chambre située à l'opposé du piston, le passage de cette glissière comportant un étranglement, une soupape munie d'un élément de soupape en forme de bobine servant à contrôler le débit de fluide haute pression et basse pression, et des moyens compre- nant un conduit servant à mettre en communication une extrémité de l'élément de soupape en forme de bobine avec l'extrémité des moyens de chambre, de manière à intro- duire du fluide haute pression dans le conduit pour dé- placer l'élément de soupape lorsque le piston se trouve à l'une des extrémités de sa course. L'invention permet ainsi d'améliorer le rendement et la fiabilité du réfrigérateur cryogénique en comman- dant le mouvement du piston par un moteur contrôlant ce piston à son point mort haut et à son point mort bas. L'invention permet également d'obtenir un réfrigé- rateur cryogénique travaillant à la fois en mode de ré- frigération et en mode de génération de chaleur. 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, le piston se trouvant au point mort haut; la figure 2 est une vue semblable à celle de la figure 1, mais avec le piston approchant du point mort bas; la figure 3 est une vue semblable à celle de la figure 1, mais représentant le piston au point mort bas la figure 4 est une vue semblable à celle de la figure 1, mais représentant une autre forme de réalisa- tion de l'invention la figure 5 est une vue semblable à celle de la figure 4, mais avec le piston approchant du point mort bas; la figure 6 est une vue semblable à celle de la figure 4, mais représentant le piston au point mort bas la figure 7 est une vue semblable d ce(le de la figure 4, mais avec le piston approchant du point lort bas; la figure 8 est une vue semblable à celle de la figure 4, mais avec le piston au point mort bas. Sur les dessins dans lesquels les memes élémernts sont repérés par les memes références, un réfrigérateur selon l'invention comporte un premier étage 12 et un second étage 14 Enoùrs d'utilisation, ces étages sont placés à l'intérieur d'un carter sous vide non représen- té L'invention concerne aussi bien le cas d'un seul étage que de plusieurs étages Chaque étage comporte un carter 16 à l'intérieur duquel est monté un piston L 8 dont la longueur est inférieure à celle du carter 16, 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 chaude 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, réalisé dans un matériau bon conducteur de la chaleur, est fixé au car- ter 16 et entoure la chambre froide 22 Le poste de cha- leur 24 peut être réalisé sous d'autres formes bien con- nues des spécialistes de la question. Dans le piston 18 est prévu un régénérateur 26 contenant une matrice Les 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 font communiquer l'ex- trémité inférieure de la matrice du régénérateur 26 avec un intervalle de jeu 32 prévu entre le pourtour exté- rieur de l'extrémité inférieure du piston 18 et le pour- tour intérieur du carter 16 Ainsi, l'extrémité infé- rieure de la matrice du générateur 26 communique avec la chambre froide 22 par les orifices 30 et l'intervalle de jeu 32, constituant un échangeur de chaleur à inter- valle annulaire. La matrice du régénérateur 26 est de préférence constituée par un empilement de 250 couches d'un matériau maillé à forte chaleur spécifique tel que du cuivre ré- duit (libéré d'oxygène) La matrice présente une faible surface de vides et une faible chute de pression Cette matrice peut être réalisée dans d'autres matériaux tels que des sphères de plomb, de nylon, de verre etc Le second étage 14 est exactement le même que le premier étage 12 Dans ce second étage, la chambre froide 34 est entourée par le poste de chaleur 36, et la chambre chaude de ce second étage 14 est constituée par la cham- bre 22 Le piston 37 du second étage 14 est relié de façon fixe au piston 18 Le régénérateur du second étage 14 communique avec la chambre 22 par les orifices 39 et contient une matrice de sphères de plomb. Un moteur électrique 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 reliée à une came 44 associée à un suiveur de came placé dans une fente transversale de la glissière 46 Cette glissière 46 est de diamètre constant et se relie à l'extrémité supérieu- re du piston 18. La glissière 46 est entourée et guidée par des manchons de support à joint d'étanchéité à jeu 48 et 49 attachés au carter 38, et de préférence réalisés en cé- ramique La glissière 46 comporte des garnitures cylin- driques intérieures de support 50 en contact glissant avec le pourtour intérieur du manchon de support 48 Un passage de fluide axial 52 est prévu dans la glissière 46 Cette glissière 46 est plus longue que le manchon de support 48 et comporte des orifices radiaux 55 placés au- dessus d'un étranglement 54 du passage 52 Quand la glissière 46 se trouve au-dessous du point mort haut, comme indiqué sur la figure 2, les moyens de chambre situés au-dessus de cette glissière et à l'intérieur du manchon de support 48, sont repérés par la référence 56. Le carter 38 comporte un trou 58 parallèle à la glissière 46 Dans ce trou 58 est monté un manchon de support à joint d'étanchéité à jeu 60, de préférence réalisé en céramique Dans le manchon de support 60 est prévu un élément de soupape 62 en forme de bobine, pou- vant aller et venir, cet élément 62 étant percé d'un passage de fluide axial 64 On remarquera que la longueur de l'élément 62 est inférieure à celle du manchon de support 60, de façon que le passage 64 communique avec la chambre 65 placée au-dessous. Au voisinage de l'extrémité supérieure de l'élément 62 est prévu un étranglement 66 de passage 64. L'extrémité supérieure du passage 64 communique avec les moyens de 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 posi- tion de l'élément 62 indiquée sur la figure 1, une ex- trémité de la rainure 68 communique avec la chambre chaude 20 par le passage 70, lequel communique avec la chambre 65 par le passage 71 Un orifice haute pression 74 est prévu dans le carter 38 et se trouve bloqué, par l'élément de soupape 62, dans la position indiquée sur la figure 1. Comme cela appara Ttra plus clairement ci-après, l'orifice 74 est destiné à communiquer avec les moyens de chambre 56 par le passage 76 lorsque le piston 18 se trouve au point mort bas. Dans la position de l'élément de soupape en forme de bobine 62 de la figure 1, l'extrémité supérieure de la rainure 68 communique avec un orifice 78 du pourtour intérieur du manchon de support 60 L'orifice 78 commu- nique directement avec la chambre 80 Les orifices 55 de la glissière 46 communiquent avec ld chambre SO lorsque la glissière 46 se trouve à son point mort haut, comme on peut le voir sur la figure 1 La chambre 80 communi- que directement avec la chambre 42 à l'intérieur de la- quelle se trouve le moteur 40 La chambre 42 communique avec le côté d'aspiration d'un compresseur 84, par l'ori- fice 82 La sortie du compresseur 84 communique par le conduit 86 avec l'orifice haute pression 74. Le carter 38 est construit en plusieurs éléments de manière à faciliter l'usinage de celui-ci, ainsi que le montage et l'accessibilité de l'élément de soupape 62 et de la glissière 46 La manière de réaliser le carter 38 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 uti- lisé avec un fluide cryogénique tel que de l'hélium; maison peut également utiliser d'autres fluides tels que de l'air ou de l'azote Le réfrigérateur 10 est conçu pour une puissance de sortie d'au moins 65 Watts à 771 K pour l'étage 12, et d'au moins 5 Watts à 201 K pour l'étage 14. La réalisation en plusieurs étages est un procédé à excellent rendement thermodynamique pour obtenir dif- férents niveaux de températures de refroidissement cryo- géniques Pour un niveau de réfrigération déterminé, il conduit à une moins grande consommation de puissance. On décrira maintenant le fonctionnement de la pre- mière forme de réalisation de l'invention Sur la figure 1, les pistons 18 et 37 sont au point mort haut et sont commandés 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 compresseur 84 par le passage 70, les orifices 78 et les chambres 80 et 42 Le moteur 40 est refroidi par le gaz traversant la chambre 42 La chambre 65 située au-dessous de l'élément de soupape en forme de bobine 62 se vide également par le passage 64, le conduit 67, le passage 52 et la chambre 80. Lorsque les pistons commencent à se déplacer vers le bas sous l'action du moteur 40, le gaz froid à basse pression contenu dans les chambres 22, 34, se déplace vers le haut à travers les régénérateurs correspondants, puis s'échappe Lorsqu'il se déplace vers le haut par le pas- sage 32 des régénérateurs, le gaz absorbe la chaleur du poste de chaleur 24 et des régénérateurs qu'il contribue ainsi à refroidir Comme indiqué sur la figure 2, les pistons se déplacent vers le bas pour atteindre le point mort bas Quand l'extrémité supérieure de la glissière 46 découvre le passage 76, les pistons se trouvent au point mort bas La précision de position du passage 76 affecte directement le rendement Le gaz haute pression arrivant par l'orifice 74 passe alors par le passage 76 pour arriver à la chambre 56 et au conduit 67 La pres- sion entre les étranglements 54 et 66 augmente Quand la poussée du gaz haute pression dépasse celle du fluide basse pression emprisonné dans la chambre 65, l'élément 62 descend jusqu'à la position indiquée sur la figure 3. La totalité du système contient alors du gaz haute pres- sion et les pistons se trouvent au point mort bas. Le r 6 le des régénérateurs contenus dans les pis- tons 18 et 37 est de refroidir le gaz circulant vers le bas à travers ceux-ci, et de réchauffer le gaz circulant vers le haut à travers ceux-ci Le refroidissement du gaz passant vers le bas à travers les régénérateurs pro- voque une diminution de pression de ce gaz et l'intro- duction d'une quantité de gaz supplémentaire dans le système pour maintenir la pression maximum du cycle de fonctionnement La diminution de température du gaz dans les chambres 22 et 34 constitue la réfrigération utile qu'on veut obtenir dans l'appareil à l'endroit des postes de chaleur 24, 36 Lorsqu'il circule vers le haut à tra- vers les régénérateurs, le gaz est chauffé par la matrice au voisinage de la température ambiante, ce qui refroidit la matrice. Le côté 46 est entraîné vers le haut à partir du point mort bas, comme indiqué sur la figure 3, de même que les pistons 18 et 37, sous l'action du moteur 40, tandis que le gaz haute pression pénètre vers le bas dans les chambres 20 et 34 L'orifice 55 communique avec la chambre 80 juste avant qu'on atteigne le point mort haut. On peut retirer et usiner l'extrémité supérieure du sup- port 49, ou la rendre réglable verticalement, pour régler avec précision la synchronisation de communication entre l'orifice 55 et la chambre 80 Cela met immédiatement le passage 52 et le conduit 67 en communication avec le côté d'aspiration du compresseur 84 Le gaz haute pres- sion emprisonné dans la chambre 65 fait monter l'élément de soupape en forme de bobine 62 de la position de la figure 3 à la position de la figure 1, lorsque les pis- tons atteignent le point mort haut Le cycle de fonction- nement est alors terminé Une forme de réalisation typi- que fonctionne à un rythme de 72 à 80 cycles par minute. La longueur de la course des éléments mobiles est faible et de l'ordre de 12 mm par-exemple pour l'élément de soupape 62, la course des pistons étant par exemple de mm L'élément de soupape 62 n'a pas besoin de compor- ter un passage de fluide axial 64, mais peut au contraire être réalisé sous la forme d'un élément de soupape en forme de bobine pleine répondant à une différence de pressions. Le refroidissement obtenu à l'endroit des postes de chaleur 24 et 36 peut s'utiliser dans une grande variété de dispositifs Comme indiqué sur la figure 1, le poste de chaleur 24 est utilisé pour refroidir des ailettes en chevrons 90 montées sur un carter de pompe cryogénique 92, et le poste de chaleur 36 est utilisé pour refroidir du charbon de bois 94 dans un réservoir 96 Dans une pompe cryogénique, les ailettes 90 sont optiquement denses et provoquent l'adhérence des gaz tels que l'oxygène et l'azote Les gaz nobles sont absorbés par le charbon de bois 94. On décrira maintenant à l'aide des figures 4 à 6, une seconde forme de réalisation de l'invention repérée par la référence 10 ' Le réfrigérateur 10 ' est le même que le réfrigérateur 10 sauf sur les points précisés ci- après Par suite, les éléments correspondants du réfri- gérateur 10 ' seront repérés par les références corre-spon- dantes primées. Une soupape de commande 100 est montée entre la glissière 46 ' et 1 ' élément de soupape 62 ' Cette soupape comporte un élément de soupape en forme de bobine 102 à l'intérieur d'un support en céramique 104 L'élé- ment de soupape 102 comporte une rainure circulaire 106 pouvant couper sélectivement la communication du passage 76 Comme illustré sur la figure 4, le fluide haute pres- sion est appliqué au conduit 77, à la rainure 106 et au passage 120, mais bloqué par la glissière 46 ' et 1 'élé- ment de soupape 52 ' Le reste du système est à basse pression. L'élément de soupape en forme de bobine 102 reste dans la position illustrée sur la figure 4 pendant toute la durée du cycle de refroidissement décrit ci-dessus. Quand le charbon de bois 94 ' ne peut plus absorber les gaz nobles par suite de sa saturation, ces gaz nobles ne peuvent s'échapper, donnent lieu à des collisions multi- ples et reviennent dans la pompe Cela amène une charge conductrice dans le second étage qui s'échauffe Quand la température du second étage atteint environ 201 K, une diode 108 se trouve déclenchée et ferme les contacts du solénoïde 110 Ce solénoïde 110 est relié à la tige 112 elle-même reliée à l'élément de soupape 102 Il en résul- te que l'élément de soupape 102 passe de la position de la figure 4 à celle de la figure 5, ce qui inverse immé- diatement l'effet de l'élément de soupape 62 ', de sorte que l'appareil se trouve maintenant en mode de chauffage. Comme indiqué sur la figure 5, on suppose que le déplacement de l'élément de soupape 102 s'est produit lorsque la glissière 46 ' se trouvait à son point mort haut Du fait de la légère différence de pression, le gaz haute pression du passage 67 ' fait passer l'élément de soupape glissant 62 ' de la position de la figure 5 à la position de la figure 6 L'appareil 10 ' se trouve maintenant en mode de chauffage au lieu d'être en mode de refroidissement, tandis que les pistons sont au point mort haut Le gaz haute pression règne dans tous les passages sauf les passages 114 et 116 Lorsque la pres- sion monte dans le volume froid, la température du gaz monte. Lorsque le piston commence à descendre vers l'ex- trémité froide, le gaz relativement chaud monte à travers la matrice du régénérateur en chauffant le matériau de cette matrice dans chacun des étages Lorsque les pistons continuent de descendre vers le point mort bas, l'orifice de commande basse pression est sur le point de s'ouvrir comme indiqué sur la figure 7 Comme indiqué sur la figure 8, les pistons se trouvent au point mort bas. Comme indiqué sur la figure 8, lorsque les pistons sont au point mort bas, la chambre 56 ' communique avec le passage 114 communiquant à son tour avec la chambre 80, de sorte que l'espace compris au-dessus de l'élément de 1 l soupape 62 ', le conduit 67 ', la chambre 56 ', et le pas- sage 52 ' en aval de l'étranglement, se trouvent à basse pression Le gaz haute pression est mis en communication avec les premier et second étages, par le passage 70 ' Du fait de la légère différence de pression momentanée de part et d'autre de l'élément de soupape 62 ', celle-ci se trouve poussée vers le haut pour passer de la position de la figure 8 à celle de la figure 5 A ce moment, tout le système est à basse pression, sauf le conduit 76 ' communiquant avec l'élément de soupape 102, mais se trou- vant bloqué à l'extrémité gauche par la glissière 46 '. Le gaz chaud à haute pression se trouvant au-dessus des pistons, se dilate par le passage 70 ', la rainure 68 ', le passage 118 ' conduisant à la chambre 80, et le carter du moteur, pour atteindre l'entrée ou le côté d'aspira- tion du compresseur 84 ' Ensuite, les pistons commencent à monter sous l'action du moteur 40 ' en faisant ainsi descendre de force les gaz chauds à relativement basse pression, dans les régénérateurs des premier et second étages. Lorsque les pistons se déplacent vers le haut, la glissière 46 ' ferme l'extrémité gauche du passage 114, puis poursuit son mouvement vers le point mort haut. Lorsque les pistons atteignent le point mort haut, comme indiqué sur la figure 4, la haute pression arrive par le conduit 76 ', pénètre dans la rainure 106, arrive à l'ori- fice 55 ' par le passage 120, passe dans le passage 52 ', la chambre 56 ', le conduit 67 ' et l'étranglement de l'élé- ment de soupape 62 ' Le reste du système communiquant avec l'entrée du compresseur 84, se trouve à basse pres- sion Le cycle de fonctionnement est alors terminé Dans un exemple typique de réalisation, on effectue environ 72 à 80 cycles par minute. Le cycle de chauffage se termine à chaque fois que le solénoïde 110 amène l'élément de soupape 102 dans la position de la figure 4 en ramenant ainsi l'appareil en mode de refroidissement La diode 108 déclenche le solé- noide 110 lorsqu'on désire inverser le fonctionnement pour revenir en mode de refroidissement Le mode de chauffage dure environ 35 minutes Tous les gaz et toute l'humidité libérés dans le carter 92 ' sont pompés vers l'extérieur La régénération du charbon de bois 94, qui dure environ 35 minutes dans le cas présent, constitue une amélioration très importante par rapport aux techni- ques actuelles nécessitant au moins 3 heures ' La forme de réalisation 10 ' utilise les passages de fluide exis- tants en association avec la soupape de commande 100, pour conduire à une exploitation plus efficace des tailles de passages et des débits de fluide associés. R E V E N D I C A T I O N S ) Réfrigérateur cryogénique dans lequel un piston mobile définit, à l'intérieur d'un carter, une première et une seconde chambres 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, cette circulation étant obtenue par déplacement du piston, le réfrigérateur comprenant en outre des moyens de chambre de guidage d'une glissière reliée au piston, et un moteur couplé à cette glissière pour contrôler le mouvement du piston à son point mort haut et à son point mort bas, réfrigérateur caractérisé en ce que la glissière ( 46) comporte un passage axial ( 52) communiquant avec une extrémité ( 52) des moyens de chambre située à l'opposé du piston ( 18), le passage de cette glissière comportant un étranglement ( 54), une sou- pape munie d'un élément de soupape en forme de bobine ( 62) servant à contrôler le débit de fluide haute pres- sion et basse pression, et des moyens comprenant un con- duit ( 67) servant à mettre en communication une extrémité de l'élément de soupape en forme de bobine avec l'extré- mité ( 56) des moyens de chambre, de manière à introduire du fluide haute pression dans le conduit pour déplacer l'élément de soupape lorsque le piston se trouve à l'une des extrémités de sa course. 2 ) Réfrigérateur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens de chambre sont conçus pour déplacer l'élément de soupape en forme de bobine lorsque le piston est à son point mort bas. 30) Réfrigérateur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens de chambre sont conçus pour déplacer l'élément de soupape en forme de bobine lorsque le piston est à son point mort haut. 4 ) Réfrigérateur selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on commande le débit de fluide entre l'élément de soupape en forme de bobine et l'extrémité des moyens de chambre, par des moyens ( 100) permettant de transformer sélectivement le réfrigérateur en appareil de chauffage. 50) Réfrigérateur selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément de sou- pape en forme de bobine comprend un passage axial pré- sentant un étranglement ( 66) au voisinage de son extré- mité communiquant avec le conduit ( 67). 60) Réfrigérateur selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 5, caractérisé en ce que le fluide basse pression est évacué par le carter du moteur, de manière à refroidir ce moteur. ) Réfrigérateur selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il utilise un man- chon de support en céramique ( 49, 60) à joint d'étanchéi- té à jeu, pour supporter la glissière et l'élément de soupape en forme de bobine. ) Réfrigérateur selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il utilise des moyens de passage ( 55, 80, 42) pour assurer l'échappement du passage ( 52) dans la glissière et dans le conduit ( 67) lorsque le piston arrive au point mort haut, de manière à permettre ainsi à l'élément de soupape en forme de bobine d'inverser sa position par rapport aux pressions haute et basse. ) Réfrigérateur selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 8, caractérisé en ce que le moteur est un moteur électrique relié à la glissière ( 46) par une came ( 44). ) Réfrigérateur selon la revendication 4, ca- ractérisé en ce que les moyens ( 100) comprennent une soupape de commande ( 102) sensible à la température. cette soupape étant montée dans une pompe cryogénique pour inverser la séquence de fonctionnement lorsqu'on introduit du fluide haute pression dans le conduit ( 67 ').