Brevet FR2547031A1 — publié le 19841207

"Réfrigérateur cryogène" La présente invention concerne un réfrigérateur cryogène. Arrière-plan technologique La présente invention se distingue des réfri- gérateurs connus par un certain nombre d'éléments Le réfrigérateur selon l'invention est mixte en ce que le coulisseau relié à l'organe de déplacement est toujours soumis au niveau d'une extrémité, à une pression intermédiai: entre la haute pression et la basse pression agissant sur l'organe de déplacement Il n'y a pas de passage central axial dans l'organe coulissant D relié à l'organe de dépla- cement de l'invention La présente invention crée un organe de déplacement auquel s'applique uw minimum de forces excentrées lorsqu'il travaille en mode mixte et aucune force excentrée lorsqu'il travaille en mode fluidique, ce qui permet d'augmenter le diamètre avec un seul palier. Il faut qu'un réfrigérateur cryogène puisse travailler dans des champs magnétiques dont l'amplitude sera telle que le champ gênerait le fonctionnement correct d'un moteur électrique synchrone Un exemple d'un dispositif auquel est appliqué un tel champ est un dispositif de balayage (scanner) du corps, utilisant la résonance magné- tique nucléaire Dans un tel dispositif, le réfrigérateur refroidit les écrans autour d'un aimant supra-conducteur L( réfrigérateur connu ne peut travailler dans un tel champ alors que la présente invention permet de le faire'. Résumé de l'invention La présente invention concerne un réfrigérateur cryogène dans lequel un organe de déplacement, mobile, logé dans une enceinte, définit une première et une seconde chambres de volume variable Un fluide réfrigérant circule dans un chemin de fluide entre la première chambre et la seconde chambre sous l'effet du mouvement de l'organe de déplacement Un organe coulisseau ou piston est relié à l'organe de déplacement et est guidé pour effectuer un mouvement alternatif Un moteur est relié à l'organe coulis- sant ou piston pour entraîner celui-ci Une vanne ayant un élément de vanne à mouvement alternatif est prévu pour commander le débit du fluide haute pression et du fluide basse pression vers et en provenance des chambres Le moteur est prévu pour commander le mouvement alternatif de l'élément de vanne en synchronisme avec le mouvement alternatif du piston ou organe coulissant de façon que l'élément de vanne inverse l'introduction du fluide haute pression dans la première et la seconde chambres lorsque l'organe de déplace- ment est à l'une de ses fins de course Il est prévu une troisième chambre exposée à une face du piston ou organe coulissant Un moyen est prévu en combinaison avec les conduites des fluides haute pression et basse pression pour maintenir la pression dans la troisième chambre à un niveau intermédiaire entre la haute pression et le basse pression. La présente invention sera décrite de façon plus détaillée à l'aide des dessins annexés dans lesquels la figure 1 est une coupe verticale d'un réfrigérateur selon la présente invention, la figure 2 est une vue en coupe selon la ligne 2-2 de la figure 1, la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne 3-3 de la figure 1. Description détaillée En se reportant aux dessins dans lesquels les mêmes chiffres désignent les mêmes éléments, la figure 1 montre un réfrigérateur cryogène selon la présente invention, portant globalement la référence 10 Comme représenté, le réfrigérateur 10 comporte un premier étage 12 L'invention envisage toutefois également des réfrigérateurs à un ou plusieurs étages En fonctionnement, les étages sont logés dans un carter sous vide, non représenté Chaque étage se compose d'un boîtier 14 dans lequel se trouve un organe de déplacement 16 L'organe de déplacement 16 a une longueur inférieure à la longueur du boîtier 14 de façon à délimiter une chambre chaude 18 au-dessus de cet organe et une chambre froide 20 en-dessous de celui-ci Les expressions "chaude" et "froide" doivent être prises au sens relatif comme cela est bien connu des spécialistes A l'intérieur de l'organe de déplacement 16 il y a un régénérateur 22 contenant une matrice L'orifice 30 met en communication l'extrémité supé- rieure de la matrice du régénérateur 22 avec la chambre chaude 18 Des orifices 24 disposés radialement font commu- niquer l'extrémité inférieure de-la matrice du régénérateur 22 avec un intervalle de jeu 26 entre la périphérie extérieure de l'extrémité inférieure de l'organe de déplacement 16 et la périphérie intérieure du boîtier 14 Ainsi, l'extrémité inférieure de la matrice du régénérateur 22 communique avec la chambre froide 20 par l'intermédiaire d'orifices 24 et du jeu 26 constituant un échangeur de chaleur à intervalles annulaires. La matrice du régénérateur 22 est de préférence une pile d'un matériau à 250 mailles ayant une chaleur spé- cifique élevée, par exemple du cuivre sans oxygène La matrice présente une zone à faible vide et une faible chute de pression La matrice peut être réalisée en d'autres matériaux tels que des sphères de plomb, de nylon, de verre, etc. Un poste de chauffage 26 est fixé à l'extrémité inférieure du boîtier 14 L'extrémité supérieure du boîtier 1 est fixée à un collecteur 32 Le collecteur 32 est vissé de façon amovible au boîtier 34 Le bottier 34 a un perçage fermé à une extrémité par un couvercle amovible 37 et peut recevoir un moteur électrique synchrone 36. Le moteur 36 a un axe de sortie 38 Un galet 42 est claveté sur l'axe 38 et présente une broche excentrée Le galet 42 a un palier 44 fixé à sa périphérie exté- rieure pour le contact avec l'alésage 46 Un volant d'inertie est fixé à l'axe 38. Une broche 40 vient dans un roulement à billes, annulaire, fixé à l'extrémité supérieure d'une bielle 48. L'extrémité inférieure de la bielle 48 comporte un palier à billes entourant une broche 49 de l'extrémité supérieure d'un organe coulissant ou piston 50 L'extrémité inférieure du piston 50 est fixée à l'organe de déplacement 16 Un palier à manchon d'étanchéité en matière céramique, avec du jeu 54, est fixé à la périphérie extérieure du piston 50 Un palier à manchon 52, analogue, est logé dans une gorge du perçage 51 et est maintenu en place par un épaulement du bottier 34 et un épaulement du collecteur 32. Une came 56 est fixée de façon réglable à l'axe 38 du moteur par une vis de réglage ou autre dispositif équivalent Un palier à galets 58 est fixé à la périphérie extérieure de la came 56 Lorsque la came 56 tourne, elle commande le fonctionnement d'une vanne ayant un élément de vanne 60 à mouvement alternatif La came 56 touche une extrémité de l'élément de vanne 60 Un ressort hélicoïdal 62 est logé dans une chambre en regard de l'élément de vanne Cette dernière chambre communique avec un perçage 56 par l'intermédiaire d'un passage central 64 dans l'élément de vanne 60. L'élément de vanne 60 comporte une gorge périphérique 66 La longueur axiale de la gorge 66 est suffisante pour enjamber l'orifice d'entrée haute pression 68 et un orifice faisant communiquer le passage 70 avec la chambre chaude 18 comme le montre la figure 1 Une conduite d'entrée haute pression 72 communique avec l'orifice 68. Une conduite basse pression 74 communique avec l'orifice basse pression 76 Lorsque la came 56 est déphasée de 1800 par rapport à la position représentée à la figure 1, la gorge 66 fait communiquer l'orifice 76 avec le passage 70. En se reportant à la figure 3, on remarquera que les conduites 72 et 74 communiquent avec un compresseur 78 Une valve 80 assure la communication entre la conduite haute pression 72 et l'intérieur d'un perçage 46, ainsi que de n'importe quelle partie du perçage 51 au-dessus du piston Un élément à vanne 82, analogue, assure la communication entre les perçages et la conduite basse pression 74 Chaque élément de vanne 78, 82 est une vanne auto-contrôlée, logée de façon réglable dans le bottier 34 La pression de ressort s'exerçant sur chaque élément de vanne à bille est réglable à l'aide d'un élément fileté 82 La vanne 78 communique avec le perçage 51 par l'intermédiaire de l'orifice 84 De la même manière, l'élément de vanne 82 communique avec le perçage 51 par l'intermédiaire de l'orifice 86 (voir les figures 1 et 3) Comme les vannes de contrôle sont dirigées dans des directions opposées, la pression dans le perçage 51, le perçage 46 et le passage 66,sera toujours à un niveau intermédiaire entre la pression dans la conduite 72 et la pression dans la conduite 74 Pour faciliter l'accès à la bielle 86 et à la broche 40, on a fixé un bouchon 88, de façon amovible, au perçage 90 dans le boîtier 34 (voir figure 1). Fonctionnement Premier mode: L'organe de déplacement 16 se déplace alterna- tivement entre un point mort haut et un point mort bas, sous l'effet du piston 50 et de la bielle 48 Du fait de la structure telle que décrite et représentée, il n'y a pas de force excentrée ou une force excentrée minimale s'exerçant sur le piston 50 suivant le mode de fonctionnement Il est à remarquer que la bielle 48 se déplace entre la position en traits pleins et la position en traits mixtes selon la figure 2 Dans la position représentée à la figure 1, l'organe de déplacement 16 est déplacé vers le bas jusqu'au point mort bas sous l'effet du gaz à haute pression de la conduite 72 L'élément de vanne 60 en forme de tiroir est maintenu dans la position basse comme cela est représenté à la figure l par la came 56. Le but du régénérateur 22 est de refroidir le gaz qui descend à travers celui-ci et de réchauffer le gaz qui remonte Dans le passage descendant à travers le régénérateur, le gaz ainsi refroidi diminue de pression et fait entrer plus de gaz dans le système pour maintenir la pression maximum du cycle La diminution de la température du gaz dans la chambre 20 est une réfrigération utile, recherchée pour l'appareil couplé à un poste de chauffage 28. Lorsque le gaz remonte à travers le régéné- rateur 22, il est chauffé par la matrice, à une température pratiquement voisine de la température ambiante de façon à refroidir la matrice Lorsque l'organe de déplacement 16 est soulevé à partir du point mort bas, la came 56 règle la partie admission du cycle L'élément de vanne 66 remonte sous l'effet de la pression exercée par le ressort 62 et ferme l'orifice 68 tout en assurant la communication entre le passage 70 et l'orifice 76 lorsque l'organe de déplacement 16 se rapproche du point mort haut La synchronisation de la partie d'échappement du cycle est commandée par le contour de la came 56 Lorsque l'organe de déplacement 16 se rapproche du point mort haut, le-passage 70 communique avec l'orifice 76 de façon à débuter la partie d'échappement du cycle. Dans le premier mode décrit ci-dessus, on suppose que le moteur 36 travaille à pleine tension et du fait de ses faibles dimensions il développe seulement un couple de l'ordre de 8-10 kg m La fréquence du cycle correspond à une vitesse de l'ordre de 200 tours par minute pour le moteur 36 - Second mode fonctionnement mixte: Si la tension appliquée au moteur 36 est diminuée de façon que le couple de sortie corresponde -2 à-3,5-10 kg m, le moteur 36 agit alors seulement sur l'organe de déplacement 16 au point mort haut et au point mort bas La pression intermédiaire qui règne dans les perçages 46 et 51 est comprise entre la haute pression et la basse pression correspondant respectivement aux conduites 72 et 74 Cette pression intermédiaire participe au mouvement descendant du piston 50 lorsque l'organe de déplacement 16 se déplace du point mort haut vers le point mort bas et inversement Cela réduit les forces nécessaires au moteur 36 pour déplacer vers le bas le piston 50 et l'organe de déplacement 16 La vitesse du cycle dépasse la vitesse du moteur 36 En modulant la vitesse du moteur, on peut avoir un réfrigérateur 10 à capacité variable entre le point mort haut et le point mort bas. Troisième mode mode fluidique: Si l'on diminue encore plus la tension appliquée au moteur 36 pour que le couple de sortie soit inférieur à 1,710 2 kg m, le réfrigérateur 10 fonctionne en mode fluidique Dans ce mode, la pression du fluide entraîne le moteur 36 et commande le mouvement alternatif de l'organe de déplacement 16 aussi longtemps que cette basse tension est appliquée au moteur 36 Le moteur 36 ne fonctionne pas du fait qu'il ne commande pas le mouvement alternatif du piston Au point mort haut et au point mort bas, le volant d'inertie 45 fournit l'énergie cinétique pour inverser le sens de déplacement de l'organe de dépla- cement 16. Comparaison des modes de fonctionnement La dimension du réfrigérateur 10 correspond seulement à environ 50 % de la dimension des réfrigérateurs connus Dans le premier et le second modes de fonctionnement, les forces excentrées sont minimales et dans le troisième mode de fonctionnement il n'y a aucune telle force Cela réduit considérablement l'usure du palier 52 Dans le troisième mode de fonctionnement, le réfrigérateur 10 peut travailler dans un champ magnétique élevé Le réfri- gérateur 10 commencera dans le premier mode puis on passe au troisième mode avant la mise en oeuvre du champ magnétique. Le second mode a l'avantage de modifier la capacité du réfrigérateur Chaque mode se traduit par un bruit moindre et des vibrations réduites au minimum. La présente invention-permet d'autres modes de réalisation sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS 1) Réfrigérateur cryogène caractérisé en ce qu'il comporte un organe de déplacement ( 16) logé dans un bottier ( 14) et définissant une première et une seconde chambres de volume variable ( 18, 20), et dans lesquelles circule un fluide réfrigérant selon un chemin de fluide entre la première et la seconde chambres ( 18, 20) sous l'effet du mouvement de l'organe de déplacement ( 16), un piston ( 50) étant relié à l'organe de déplacement ( 16), un moteur ( 36) étant relié au piston ( 50) pour en commander le mouvement alternatif, une valve ayant un élément de valve ( 60) à mouvement alternatif commandant le débit du fluide haute pression et du fluide basse pression vers et en provenance des chambres ( 18, 20), le moteur ( 36) étant prévu pour commander le mouvement alternatif de l'élément de vanne ( 60) en synchronisme avec le mouvement alternatif du piston ( 50) de façon que l'élément de vanne ( 60) inverse l'introduction du fluide-haute pression dans la première et la seconde chambres ( 18, 20) lorsque l'organe de déplacement ( 16) est à l'une de ses fins de course, une troisième cham- bre étant exposée en regard du piston ( 50), un moyen étant associé auxfluideshaute pression et basse pression pour maintenir le niveau de la pression à la troisième chambre entre la haute pression et la basse pression. 2) Réfrigérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une came ( 56) entraînée par le moteur ( 36), un palier à billes( 58) entourant cette came ( 56), ce palier à billes( 58) étant en contact avec l'élément de vanne ( 60) et un moyen à ressort ( 62) appuyant l'élément de vanne ( 60) contre la came ( 56). 3) Réfrigérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte une bielle ( 48) reliée à une broche excentrée ( 40) portée par l'axe de sortie ( 38) du moteur ( 36), et la bielle ( 48) est reliée de façon pivotante à une extrémité du piston ( 50) en étant logée dans la troisième chambre. 4) Réfrigérateur selon la revendication 1, caracté- risé en ce que les fluides haute pression et basse pression communiquent avec la troisième chambre par l'intermédiaire d'une paire de vannes de contrôle ( 78, 82) disposées en opposition, cette paire de vannes de contrôle étant cons- tituée par une paire de vannes. ) Réfrigérateur cryogène caractérisé en ce qu'il se compose d'un organe de déplacement ( 16) qui définit dans un boîtier ( 14) une première et une seconde chambres ( 18, 20) de volume variable, le fluide réfrigérant circu- lant selon un chemin de fluide entre la première et la seconde chambres ( 18, 20) sous l'effet du mouvement de l'organe de déplacement ( 16), un piston ( 50) étant relié à l'organe de déplacement ( 16), un moteur électrique syn- chrone ( 36) étant relié au piston ( 50), une valve ( 60)- ayant un élément de valve pour commander le passage du fluide haute pression et du fluide basse pression entre les chambres ( 18, 20), le moteur ( 36) étant destiné à commander l'élément de vanne ( 60) en synchronisme avec le mouvement alternatif du piston ( 50) de façon que l'élément de vanne ( 60) inverse l'introduction du fluide haute pression dans la première et la seconde chambres ( 18, 20) lorsque l'or- gane de déplacement ( 16) est à l'une de ses fins de course, un moyen pour permettre au réfrigérateur ( 22) de fonctionner selon un mode pour lequel le moteur ( 36) commande le mouve- ment alternatif du piston ( 50) et un autre mode dans lequel le moteur ( 36) ne permet pas de commander le mouvement alternatif du piston ( 50), ce moyen se composant d'une troisième chambre exposée à une face du piston ( 50) et un élément de vanne associé aux fluides haute pression et basse pression pour maintenir la pression de la troisième chambre à un niveau intermédiaire entre la haute pression et la basse pression. 6) Réfrigérateur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une came ( 56) associée au moteur ( 36), un roulement à billes( 58) entourant la came ( 56), ce roulement à billesétant en contact avec l'élément de vanne ( 60) et un moyen ( 62) poussant l'élément de vanne ( 60) contre la came ( 56). 7) Réfrigérateur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte une bielle ( 48) reliée à une broche excentrée ( 40) portée par l'axe de sortie ( 38) du moteur, cette bielle étant reliée de façon pivotante à une extrémité du piston ( 50) en étant logée dans la troisième chambre. 8) Réfrigérateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que chacun des fluides haute pression et basse pression communique avec la troisième chambre par l'intermédiaire d'une paire de vannes de contrôle ( 78, 82) en opposition, ces vannes de contrôle étant constituées par une paire de vannes. 9) Réfrigérateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le moyen d'autorisation se compose d'un volant d'inertie ( 45) associé au moteur ( 36). ) Réfrigérateur cryogène susceptible de travailler suivant différents modes et caractérisé en ce qu'il se compose d'un organe de déplacement ( 16), mobile définissant dans un'boitier ( 14) une première et une seconde chambres ( 18) de volume variable et dans lesquelles circule un fluide réfrigérant selon un chemin de fluide entre la première chambre et la seconde chambre ( 18, 20) sous l'effet du mouvement de l'organe de déplacement ( 16), un piston étant relié à l'organe de déplacement ( 16), une troisième chambre étant exposée à une face du piston ( 50), une vanne ( 60) avec un élément de vanne à mouvement alter- natif pour commander le débit du fluide haute pression et du fluide basse pression entre les chambres ( 18, 20), un moyen étant prévu pour commander le mouvement alternatif de l'élément de vanne en synchronisme avec le mouvement alternatif du piston ( 60) de façon que l'élément de vanne inverse l'introduction du fluide haute pression dans la première et la seconde chambres ( 18, 20) lorsque l'organe de déplacement ( 16) est à l'une de ses fins de course, un moyen étant associé aux fluides haute et basse pression pour maintenir la pression de la troisième chambre à un niveau intermédiaire entre la haute pression et la basse pression, un moteur synchrone ( 36) commençant le mouvement alternatif du piston ( 50) et dont l'énergie fournie est réglable à un niveau interdisant au moteur d'entraîner le piston ( 50) et un moyen pour enregistrer l'énergie cinétique ( 45) pour déplacer le piston ( 50) au-delà des fins de course lorsque l'énergie fournie par le moteur ( 36) est réglée à ce niveau. 11) Réfrigérateur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte une came rotative ( 56), entourée d'un roulement à billes( 58), s'appuyant contre l'élément de vanne ( 60), un moyen élastique ( 62) poussant l'élément de vanne ( 60) contre la came ( 56). 12) Réfrigérateur selon la revendication 10, caractérisé en ce qu'il comporte une bielle ( 48) reliée à une broche excentrée ( 40) portée par l'axe de sortie ( 38) du moteur ( 36), la bielle ( 48) étant reliée de façon pivotante à une extrémité du piston ( 50) en étant disposée dans la troisième chambre. 13) Réfrigérateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que chacun des fluides haute et basse pression communique avec la troisième chambre par l'inter- médiaire d'une de vannes de contrôle ( 78, 82) opposées. 14) Réfrigérateur selon la revendication 10, caractérisé en ce que le moyen de stockage de l'énergie cinétique est un volant d'inertie ( 50) porté par l'axe ( 38) du moteur ( 36).