Brevet FR2548341A1 — publié le 19850104

Réfrigérateur cryogénique ". La présente invention concerne un réfrigérateur cryogénique constituant un perfectionnement au cycle C Gifford-McMahon Ce cycle est supposé connu Dans un tel cycle, on utilise un compresseur distinct qui augmente considérablement le poids, l'encombrement et le coût Le compresseur est nécessaire pour transformer le gaz basse pression en un gaz haute pression. La présente invention concerne une solution aux problèmes de la réduction du nombre de pièces mobiles, à la diminution de l'encombrement, à la diminution des dimensions etc dans un réfrigérateur cryogénique. La présente invention concerne un réfrigé15 rateur cryogénique dans lequel un moyen de déplacement mobile coopère avec une première et une seconde chambre de volume variable Un fluide réfrigérant circule dans un chemin de circulation de fluide comportant un régénérateur entre la première chambre et la seconde chambre sous l'effet du mouvement du moyen de déplacement Un organe coulissant est relié au moyen de déplacement Un moyen d'entraînement est associé à l'organe coulissant pour commander le mouvement alternatif de l'organe coulissant et du moyen de déplacement, comme un ensemble entre le point 25 mort haut et le point mort bas. L'organe coulissant présente un passage axial reliant la première chambre à la seconde chambre. L'organe coulissant ou le moyen de déplacement, par exemple l'organe coulissant comporte un piston modifiant le volume de gaz dans la troisième chambre au cours du mouve5 ment alternatif Il est prévu une vanne pour régler le débit du fluide haute pression et du fluide basse pression entre la troisième chambre et la première chambre lorsque le moyen de déplacement se trouve à l'une de ses fins de course, et entre la troisième chambre et la seconde cham10 bre lorsque le moyen de déplacement est à l'autre fin de course La vanne se compose d'un élément de vanne mobile qui est soit l'organe coulissant, soit le moyen de déplacement. La présente invention a pour but de créer 15 un réfrigérateur cryogénique ne nécessitant pas de source distincte de haute pression telle qu'un compresseur. L'invention a également pour but de réduire le nombre de pièces mobiles dans un réfrigérateur cryogénique tout en augmentant la surface du diagramme P-V de 20 façon à augmenter la puissance frigorifique disponible. La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide d'un exemple non limitatif représenté dans les dessins annexes, dans lesquels: la figure 1 est une coupe verticale d'un 25 réfrigérateur correspondant à un premier mode de réalisation de l'invention, le moyen de déplacement se trouvant au point mort haut. la figure 2 est une vue analogue à celle de la figure 1 montrant le moyen de déplacement dans une 30 position intermédiaire. la figure 3 est une vue analogue à celle de la figure 1 montrant le moyen de déplacement au point mort bas. la figure 4 est le diagramme P-V de la 35 seconde chambre. -3 la figure 5 est une vue analogue à celle de la figure 1 montrant un autre mode de réalisation de l'invention. la figure 6 est un schéma du circuit. 5 Description détaillée du premier mode de réalisation de l'invention. Selon les dessins dans lesquels les mêmes références numériques désignent les mêmes éléments, la figure 1 représente un réfrigérateur cryogénique selon la 10 présente invention portant globalement la référence 10 Le réfrigérateur 10 comporte seulement un premier étage 12. En fonctionnement, l'étage 12 se trouve dans un boltier à vide 14 fixé à la tête 15 Toutefois, la présente invention englobe également le cas de plusieurs étages Chaque 15 étage comporte un boltier 16 dans lequel se trouve un moyen de déplacement 18 Une chambre chaude 20 est prévue à l'extrémité supérieure de la tête 15 Une chambre froide 22 se trouve à l'extrémité inférieure de l'étage 12, à l'intérieur du bottier 16 Les qualificatifs "chaud " et 20 "froid" doivent être pris au sens relatif comme cela est bien connu dans la technique. Un poste de chaleur 24 sous la forme d'un tube avec une bride en un matériau bon conducteur de la chaleur est fixé à l'extrémité inférieure du bottier 16 et 25 entoure la chambre froide 22 Le poste de chaleur 24 peut avoir d'autres formes comme cela est bien connu dans la technique. A l'intérieur du moyen de déplacement 18 se trouve un régénérateur 26 contenant une matrice Des passages radiaux 30 font communiquer l'extrémité inférieure du régénérateur 26 avec l'intervalle de jeu 64 entre la périphérie extérieure de l'extrémité inférieure du moyen de déplacement 18 et la périphérie intérieure du bottier 16. Ainsi, l'extrémité inférieure du régénérateur 26 communi35 que avec la chambre froide 22 par les passages 30 et l'in- tervalle de jeu 32, ce qui constitue un échangeur annulaire de chaleur. La matrice du régénérateur 26 est de préférence une pile d'un matériau ayant 250 mailles avec une chaleur spécifique élevée, par exemple du cuir ne contenant pas d'oxygène La matrice présente une surface de vide, faible et une faible perte de charge La matrice peut également être constituée par d'autres matières telles que des sphères de plomb, du nylon, du verre etc. Un moteur électrique 32 est logé dans le bottier de moteur 34 Le boitier 34 comporte des ailettes 36 dirigées radialement vers l'extérieur au niveau de sa surface périphérique extérieure Un câble électrique 38 est relié au moteur 32 par l'intermédiaire d'un orifice 15 prévu dans la paroi d'extrémité 39, amovible du bottier 34 Le bottier 34 est relié de façon amovible de n'importe quelle manière appropriée à un boîtier 40 ayant des ailettes 42 dirigées radialement vers l'extérieur, ces ailettes étant prévues sur sa surface périphérique extérieure Le 20 bottier 40 comporte un alésage dans lequel est logé un palier de scellement 44 à jeu, en matière céramique L'extrémité supérieure de l'alésage du boîtier 40 est fermée de façon amovible par un couvercle 46. Un organe coulissant 48 est guidé dans le 25 palier 44 Le moteur 32 commande le mouvement alternatif de l'organe coulissant 48 L'axe de sortie du moteur 32 comporte une bielle 50 avec une broche excentrée-52 La broche 52 est entourée d'un roulement à billes et est logée dans une gorge périphérique 53 de la périphérie extérieure 30 de l'organe coulissant 48 Lorsque la bielle 50 tourne dans une direction, l'organe coulissant 48 effectue un mouvement alternatif entre le point mort haut et le point mort bas A la figure 1, l'organe coulissant 48 et le moyen de déplacement 18 se trouvent au point mort haut. L'organe coulissant 48 comporte un passage axial 54 Le moyen de déplacement 18 est muni d'un passage axial 55 Les passages 54 et 55 coïncident l'un avec l'autre L'organe coulissant 48 présente une partie de diamètre réduit, réunie par un collage métallurgique, par brasage ou soudage à une partie analogue de diamètre réduit à l'extrémité supérieure du moyen de déplacement 18 Ces dernières parties de diamètre réduit sont entourées par un palier de scellement de jeu 58 en matière céramique Comme l'organe coulissant 48 est relié au moyen de déplacement 18, 10 ces deux pièces se déplacent l'une avec l'autre dans leur palier 58. A l'extrémité inférieure de l'alésage du palier 44 se trouve la combinaison d'un palier et d'un élément de vanne 60 L'élément 60 présente un alésage axial en contact avec la périphérie extérieure du palier 58 L'extrémité supérieure de l'élément 60 est espacée de la face de piston 57, juxtaposée de l'organe coulissant 48 à la figure 1 de façon à former une chambre 62 La chambre 20 peut être considérée comme la première chambre, la cham20 bre 22 étant la seconde chambre et la chambre 62 la troisième chambre. L'extrémité supérieure de l'élément 60 présente des passages 64 dirigés axialement, à sa périphérie extérieure L'extrémité inférieure des passages 64 25 communique avec des passages 66 dirigés radialement La longueur des passages 64 correspond à la course du moyen de déplacement 18 Un passage 68 s'étend radialement à travers le palier 58 et la partie de diamètre réduit de l'organe coulissant 48 Comme représenté à la figure 1, le 30 passage 68 fait communiquer la chambre 62 avec la chambre 22 par l'intermédiaire des passages 54 et 55 et du régénérateur 26 Le passage 68 pourrait être situé dans la partie de diamètre réduit de l'organe de déplacement 18, si sa longueur était augmentée et si la longueur de l'organe 35 coulissant 48 était diminuée d'autant Ainsi, il n'y a aucune différence entre un passage 68 prévu dans l'organe coulissant 48 ou dans le moyen de déplacement 18. Le boîtier 40 est muni d'une plaque de fond 70 fixée de façon amovible à celui-ci La plaque 70 5 comporte une cavité dans sa surface supérieure, dans laquelle vient l'élément 60 Cette disposition permet à la plaque 70 et à l'élément 68 d'être toujours placés coaxialement. Le réfrigérateur 10 peut être associé à 10 une pompe cryogénique comportant des vannes en chevron qui sont denses d'un point de vue optique et font que des gaz tels que de l'oxygène ou de l'azote adhèrent sur ces éléments Les gaz nobles peuvent être absorbés par du charbon dans une cuvette associée au poste de chaleur 24 15 comme un second étage. Le premier mode de réalisation décrit cidessus fonctionne comme suit: A la figure 1, le volume de la chambre 20 est au minimum alors que le volume inférieur à la basse pression de la chambre 62 est au maximum; le volume haute pression, froid de la chambre 22 est au maximum Le passage 68 est complètement ouvert et permet aux gaz à haute pression du régénérateur 26 et de la chambre 22 de s'échapper par les passages 55, 54 et d'arriver dans la chambre 25 62 Après expansion du gaz froid à haute pression à travers Ie régénérateur, la pression dans la chambre 62 est au même niveau que dans la chambre 22 La pression dans la chambre 22 chute du niveau Pl au niveau P 2 pendant cette variation de pression comme représenté à la figure 4. 30 Comme le moyen de déplacement 18 commence à descendre, étant donné la liaison entre le moteur 32 et l'organe coulissant 48, le volume de la chambre 20 augmente (comparer les figures 1 et 2) Comme représenté à la figure 2, le passage 68 est fermé et le volume de la cham35 bre 62 diminue Le gaz à basse pression de la chambre 22 étant refoulé vers le haut à travers le régénérateur 26 et dans la chambre 20, son volume augmente Comme le volume déplacé augmente, la pression dans la chambre 22 continue à diminuer Le gaz à basse pression de la chambre 62 est comprimé par la surface 57 du piston Comme le moyen de déplacement 18 continue à descendre, la pression du gaz contenu dans les chambres 20 et 22 diminue et celle du gaz contenu dans la chambre 62 augmente de plus en plus La pression dans la chambre 22 est maintenant au niveau P 3 selon la figure 4 Immédiatement avant que l'organe coulissant 48 et le moyen de déplacement 18 atteignent le point mort bas, le gaz contenu dans la chambre 62 est complètement comprimé Le gaz froid a une pression inférieure à la basse pression, dans la chambre 22, est alors à un niveau 15 minimum et la pression du gaz dans la chambre 20 a un niveau maximum. Lorsque l'organe coulissant 48 et le moyen de déplacement 18 arrivent au point mort bas (figure 3), le passage 68 communique avec le passage 66 Le gaz à haute 20 pression de la chambre 62 se développe alors dans les chambres 20 et 22 et le régénérateur 26 La pression dans la chambre 22 a ainsi augmenté du niveau P 3 au niveau P 4 selon la figure 4. Comme le moyen de déplacement 18 remonte 25 à partir du point mort bas, le gaz dans la chambre 20 est refoulé vers le bas à travers les passages 54 55 et le régénérateur 26 dans la chambre 22 La pression dans la chambre 62 diminue du fait de cette augmentation de volume. La chambre 62 est coupée des passages 54 et 55. A mesure que le moyen de déplacement 18 et l'organe coulissant 48 se rapprochent du point mort haut, tout le gaz à haute pression de la chambre 20 occupe la colonne vide du régénérateur 26 et la chambre froide 22. La pression dans la chambre 22 est alors au niveau Pl selon 35 la figure 4 La pression dans la chambre 62 est dans ces conditions à un minimum Le passage 68 est sur le point de communiquer avec la chambre 62 et cela commence l'évacuation du gaz froid à haute pression dans la chambre 22. Le cycle est ainsi terminé. Le réfrigérateur selon l'invention présente un nombre minimum de pièces mobiles L'organe coulissant 48 et le moyen de déplacement 18 se déplacent teus deux comme un seul ensemble et constituent une seule pièce de travail Le moteur 32 et la bielle 50 constituent deux pièces mobiles supplémentaires, ce qui donne un total de seulement trois pièces mobiles Du fait des paliers de scellement de jeu en matière céramique 44 et 58, il ne faut aucun joint statique L'appareil 10 est une unité étanche puisqu'il n'y a aucune connexion pour communiquer avec une 15 source de pression externe. Le transfert du fluide de travail entre le volume de compression et le volume d'expansion dans la chambre 62 permet de déplacer ce fluide à pression constante Le résultat sur le volume utile, froid, est une augmen20 tation de la surface dans le diagramme P-V, ce qui se traduit par une augmentation de puissance frigorifique disponible par comparaison avec un cycle Sterling, seul autre cycle connu et sans nécessiter de compresseur distinct. Lorsque le cycle Sterling n'utilise pas de compresseur dis25 tinct, I'onde de pression y est déphasée de 90 par rapport au moyen de déplacement, ce qui diminue le diagramme P-V. Un mode de réalisation caractéristique fonctionne à une fréquence d'environ 200 cycles par minute. La longueur de la course des éléments mobiles c'est-à-dire 30 du moyen de déplacement 18 et de l'organe coulissant 48 est courte et correspond à environ 30 mm Comme le moyen de déplacement 18 ou l'organe coulissant 48 fonctionne comme un élément b soupape, il n'est pas nécessaire d'avoir une vanne distincte On remarque ainsi que l'organe coulis35 sant 48 joue un grand nombre de fonctions y compris celles de relier le moyen de déplacement 18 au moteur 32, à établir la communication par le passage 54 entre la chambre chaude 20 et le moyen de déplacement 18, à permettre l'écoulement entre la chambre 62 et les chambres 20, 22 etc. Pour augmenter au maximum la pression pendant le refroidissement et l'état de fonctionnement permanent, il faut une source supplémentaire de gaz Lorsqu'on démarre un refroidissement, tous les volumes internes logés 10 dans le bottier 34 du moteur sont à une certaine pression de départ Lorsque le refroidissement est terminé, la pression globale chute Le gaz dans le boltier 34 du moteur ou de toute autre source peut fuire dans les volumes de travail pour augmenter la pression globale de travail Une 15 telle fuite du bottier 34 du moteur lors du refroidissement et du bottier du moteur 34 lors du chauffage peut se réaliser de différentes façons Par exemple, on peut avoir du Jeu entre l'extrémité supérieure de l'organe coulissant 48 et le palier 44 ou encore avoir un petit orifice 20 dans le boitier 40 entre la chambre 20 et le boîtier 34 du moteur ou encore une paire de soupape de contrôle chargées par des ressorts, montées de façon antagoniste dans les passages d'écoulement entre la chambre 20 et le bottier 34 du moteur. Description d'un second mode de réalisation. Les figures 5 et 6 montrent un autre mode de réalisation de l'invention dans lequel le réfrigérateur cryogénique porte globalement la référence 10 ' Le réfrigérateur 10 ' est le même que le réfrigérateur 10 à l'excep30 tion des points développés ciaprès Les éléments correspondants des deux réfrigérateurs portent les mêmes références numériques avec dans le second cas un prime ('). A la place du moteur 32, le réfrigérateur 10 ' comporte un enroulement à moteur linéaire 78 logé dans 35 le bottier 40 ' sur l'épaulement 80 Le moteur 78 est relié à une source de potentiel alternatif 82 par l'intermédiaire d'une diode 84 (voir figure 6) Le moteur 78 déplace le moyen de déplacement 18 ' et l'organe coulissant 48 ' entre la position de point mort haut et la position de point mort bas et comprime le ressort 86 Le moyen de déplacement I 8 ' et l'organe coulissant 48 ' se déplacent du point mort bas au point mort haut sous l'effet de la force développée par le ressort 86 Il y a dans ce cas une seule pièce mobile dans le réfrigérateur 10 ' à savoir le moyen de déplacement 10 18 ' et l'organe coulissant 48 ' qui se déplacent comme un ensemble unique Le réfrigérateur 10 ' est pour le reste identique au réfrigérateur 10. 254834 1 RE VEND I CA T I O N S 1 %) Réfrigérateur cryogénique caractérisé en ce qu'il se compose d'un moyen de déplacement ( 18) mobile dans un boitier ( 16) et coopérant avec une première et,ine seconde chambre ( 20, 22) de volume variable avec une circ Juation de f 7 uide réfrigérant dans un circuit de fi- ide comrnenant un rgénéreateur ( 26) entre la première et la seconude ch&Ore 20 22) sous I 'efiet du mouvement du royen e dia cement *( 18), un moyen pour guider un or1 -0 gane c lissant L-:3 relié 7 au moyen de déplacement ( 18), un moyen d'entra Ine ent 32) associé à 1 organe coulissaint ( 48) pour commander le mouvement alternatif de l'organe ceulissant ( 4 $) et du moyen de déplacement ( 18) solidairemlent entre le, z nt mort haaut et le point mort bas, se trcuve à l, r rin de course, le vanne ( 60) comprenant ul Zrmezt' de so _pape al obiie CI ui est relié 3 l'organe coulissant (' ou au moyen de éplacement ( 18). 2 c) Réfrigérateur caractérisé en ce qu' cormporte un eitle r ayant un palier de scelleiment de jeu ( 56) en matière c 'ramique logé dans la première chambre ( 20), 1 'orgn e coulissant-( 48), la troisième chambre ( 62) et la vanne électrique linéaire ( 78) logé dans le boîtier, l'organe coulissant ( 48 ') et le moyen de déplacement ( 18 ') constituant les seuls éléments mobiles. ) Réfrigérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le piston et l'élément de soupape mobile font partie de l'organe coulissant ( 48). ) Réfrigérateur cryogénique caractérisé en ce qu'il se compose d'un moyen de déplacement ( 18) mobile logé dans un bottier et coopérant avec une première 10 et une seconde chambre ( 20, 22) de volume variable avec un fluide réfrigérant circulant dans un circuit de fluide comprenant un régénérateur ( 26) entre la première chambre ( 20) et la seconde chambre ( 22) sous l'effet du mouvement du moyen de déplacement ( 18), un bottier pour guider un organe coulissant ( 48) relié au moyen de déplacement, l'organe coulissant étant une surface mobile de la première chambre ( 20), le circuit d'écoulement comprenant des passages axiaux dans l'organe coulissant ( 48) et le moyen de déplacement ( 18), un moyen d'entraînement ( 32) étant-asso20 cié à l'organe coulissant pour commander le mouvement alternatif de l'organe coulissant ( 48) et du moyen de déplacement ( 18) sous la forme d'un ensemble entre le point mort haut et le point mort bas, l'organe coulissant ( 48) ou le moyen de déplacement ( 18) ayant un piston pour modi25 fier le volume de gaz dans une troisième chambre ( 62) au cours du mouvement alternatif, la troisième chambre ( 62) étant logée dans le bottier coaxialement avec l'organe coulissant ( 48) et une vanne ( 60) pour régler le débit du fluide haute pression et du fluide basse pression entre la 30 troisième chambre et le circuit de fluide lorsque le moyen de déplacement ( 18) est à l'une de ses fins de course. 6 ) Réfrigérateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le piston est une partie annulaire intégrale de l'organe coulissant ( 18). 7 ) Réfrigérateur selon la revendication 6, caractérise en ce que la soupape ( 60) comporte un élément de soupape mobile relié à une extrémité de l'organe coulissant ( 48) et du moyen de déplacement ( 18). 8 ) Réfrigérateur selon la revendication 7, 5 caractérisé en ce qu'il comporte un élément de palier annulaire qui entoure une partie de l'organe coulissant et définit une extrémité de la troisième chambre ( 62) , l'élément de palier étant une partie fixe de la soupape, un palier de scellement de jeu sur la partie de l'organe coulissant 10 ( 48), cet organe ( 48) ayant un passage d'écoulement radial s'étendant de la périphérie du palier de scellement de jeu vers le passage d'écoulement axial dans l'organe coulissant ( 48).