Brevet FR2557276A1 — publié le 19850628

La présente invention concerne un dispositif de réfrigération de gaz à cycle fermé qui convient pour une cryopompe. Il y a deux sortes de dispositifs de réfrigération de gaz, le type à entraînement par moteur et le type à entraînement par gaz. La figure 1 montre un dispositif de réfrigération de gaz à entraînement par moteur. Dans un dispositif d'expansion 1, un piston 3 est déplacé avec un mouvement alternatif dans un cylindre 4 par un vilebrequin 2 qui est mis en rotation par un moteur. Le piston 3 divise le cylin- dre 4 pour former une chambre à la température ambiante 5 à l'extrémité supérieure du cylindre et une chambre d'expan- sion 6 à l'extrémité inférieure. Un régénérateur 7 et un échangeur de chaleur 8 sont placés en série entre la chambre à température ambiante 5 et la chambre d'expansion 6. Un compresseur 9 comporte une soupape de haute pression 10 et une soupape de basse pression 11 consistant en soupapes à champignon, placées respectivement dans un passage d'alimentation à haute pression et dans un passage de retour à basse pression, et le côté d'évacuation de la soupape 10 et le côté d'entrée de la soupape 11 sont reliés au point auquel la chambre à température ambiante 5 communi- que avec le régénérateur 7. Les soupapes 10, 11 sont ouver- tes et fermées par la force d'entraînement du moteur. Ce type de dispositif de réfrigération à entraîne- ment par moteur fonctionne parfaitement avec le cycle de réfrigération qui est représenté sur la figure 2(a). A un point de départ A du cycle de réfrigération, le piston 3 est à la partie la plus basse du cylindre 4, ce qui fait que la chambre à température ambiante 5 à un volume maximal et la chambre d'expansion 6 a un volume minimal. Lorsque dans cet état la soupape 11 se ferme et la soupape s'ouvre, le gaz à haute pression est introduit à partir du compresseur 9 dans les chambres 5, 6, et la pression à l'intérieur du cylindre 4 devient une pression élevée prédé- terminée. Du fait que le volume de la chambre d'expansion 6 est à un minimum et est constant, le cycle passe au point B immédiatement audessus du point A. Le piston 3 se déplace ensuite vers le haut et, au fur et à mesure que la taille de la chambre à température ambiante 5 diminue et que celle de la chambre d'expansion 6 augmente, le gaz à haute pression dans la chambre à tempéra- ture ambiante 5 est transféré vers la chambre d'expansion 6, en étant refroidi par le régénérateur 7. Pendant ce temps, la pression dans la chambre d'expansion 6 est maintenue cons- tante, ce qui fait que le cycle passe horizontalement du point B au point C. Lorsque le piston 3 atteint la partie supérieure du cylindre 4 et que le volume de la chambre d'expansion 6 est à un maximum, au point C, la soupape 10 se ferme et la soupape 11 s'ouvre, ce qui fait que le gaz à haute pression dans la chambre d'expansion 6 retourne rapidement vers le côté à basse pression du compresseur 9, en traversant l'échangeur de chaleur 8 et le régénérateur 7. Pendant ce temps, un refroi- dissement est produit par l'expansion adiabatique du gaz, ce qui fait que l'échangeur de chaleur 8 produit une réfrigéra- tion, et la pression dans la chambre d'expansion 6 devient minimale. Cette diminution rapide de la pression fait passer le cycle du point C au point D, directement au-dessous du point C. Lorsque le piston 3 descend, le gaz détendu à basse pression dont la température à diminué retourne vers le côté à haute pression du compresseur 9, en refroidissant le régénérateur 7. Du fait que la pression dans la chambre d'expansion 6 demeure à un niveau bas constant, le cycle retourne horizontalement du point D vers le point A. En résumé, le cycle de réfrigération idéal forme un rectangle sur un diagramme P - V. Cependant, en pratique, le diagramme P - V est celui qui est représenté sur la figure 2(b). Il est inévita- ble que les points qui correspondent au point situé au point de départ et au troisième point du cycle soient déplacés, comme il est indiqué en A', C', du fait qu'on ne peut pas changer simultanément la position des deux soupapes. En outre, du fait que le mouvement alternatif du piston est continu, le piston commence à monter ou à descendre avant que la pression dans la chambre d'expansion n'atteigne la pression maximale ou minimale prédéterminée. Le volume de la chambre d'expansion change plus tôt, et les parties qui correspondent aux côtés a, c sont inclinées vers l'intérieur du cycle et deviennent a', c'. Par conséquent, l'aire défi- nie par un cycle est plus petite, considérée dans son ensem- ble, ce qui conduit à une réduction de la valeur limite de la capacité de réfrigération. De plus,dansce gme de dispoEifide éfrigtaticn à entraî- nement par moteur, il est nécessaire d'augmenter la puissan- ce du moteur du fait que ce dernier entratne le piston et change les positions des soupapes. Un autre inconvénient consiste en ce que les soupapes sont des soupapes à champi- gnon qui ont une structure complexe et présentent des diffi- cultés d'entretien. Des disposititd. rd igéatim a entrainemen par pz sont repré- sentés sur les figures 3 et 4.Dans chacun de ces dispositifs de réfrigération, un piston est entraîné par un gaz moteur. Les éléments identiques à ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes symboles de référence et on ne répétera pas leur description. Dans le dispositif de réfrigération de la figure 3, une chambre à haute pression V1 et une chambre à basse pres- sion V2 sont formées dans la partie supérieure d'un cylindre 31 d'un dispositif d'expansion 32, et les chambres sont reliées au côté de haute pression et au côté de basse pres- sion du compresseur 9 par des orifices respectifs 33, 34. Les aires de section droite de la chambre à haute pression V1 et de la chambre à basse pression V2 sont égales, et une pres- sion intermédiaire est toujours appliquée à la surface supé- rieure d'un piston 35. On décrira ci-après brièvement le fonctionnement de ce dispositif de réfrigération. Lorsque le piston 35 est à l'extrémité inférieure du cylindre 32, la soupape 10 s'ouvre et la soupape 11 se ferme, ce qui fait que du gaz à haute pression est introduit dans la chambre d'expansion 6, en étant refroidi par le régénérateur 7. Lorsque la pression à l'intérieur de la chambre d'expansion 6 dépasse la pression intermédiaire, le piston commence à s'élever et se déplace vers l'extrémité supé- rieure du cylindre 32 à une vitesse constante, proportionnel- lement à la quantité de gaz qui passe par les orifices 33, 34. Lorsque le piston 35 atteint l'extrémité supérieure du cylindre 32, la soupape 10 se ferme et la soupape 11 s'ouvre. Une expansion adiabatique du gaz dans la chambre d'expansion 6 produit un refroidissement. Lorsque la pression dans la chambre d'expansion 6 tombe au-dessous de la pression intermédiaire, le piston 35 descend. Le gaz qui a suivi une expansion adiabatique et qui a refroidi son environnement est chassé de la chambre d'expansion 6 par la course descendante du piston 35 et il retourne vers le côté de basse pression du compresseur 9, tout en refroidissant le régénérateur. Le piston 35 atteint la partie la plus basse du cylindre 32 pour terminer le cycle. Dans le dispositif de réfrigération de la figure 4, deux chambres de pression V1 et V2 qui communiquent mutuelle- ment par un orifice 43 sont formées dans la partie supérieure d'un cylindre 42 d'un dispositif d'expansion 41. Un gaz à haute pression provenant du compresseur 9 est appliqué à la chambre de pression V1 par un orifice 44, et un gaz à haute pression ou à basse pression est appliqué à cette chambre par un orifice 45, ce qui fait qu'au début du cycle, un gaz ayant une pression intermédiaire entre les valeurs haute et basse est appliqué à la chambre V1. On décrira ci-après sommairement le fonctionnement de ce dispositif de réfrigération. Au début du cycle, un piston 46 est dans la partie la plus basse du cylindre 42, et la pression à l'intérieur de la chambre de pression V2 est à une valeur intermédiaire. Lorsque la soupape 10 est ouverte, du gaz à haute pression est introduit dans la cham- bre d'expansion 6, en étant refroidi par le régénérateur 7. Lorsque la pression à l'intérieur de la chambre d'expansion 6 dépasse la pression intermédiaire, le piston monte, en comprimant le gaz dans la chambre de pression V2 pour le transformer en gaz à haute pression. Lorsque le gaz à haute pression situé dans la chambre de pression V2 traverse l'orifice 43 en direction de la chambre de pression V1, le piston 46 s'élève à une vitesse constante. Lorsque le piston 46 atteint le point mort haut, la soupape 10 se ferme et la soupape 11 s'ouvre. Le gaz con- tenu dans la chambre d'expansion 6 se détend de façon adia- batique pour produire un refroidissement. Lorsque la pression dans la chambre d'expansion 6 diminue, le gaz à haute pression présent dans la chambre de pression V1 entre dans la chambre de pression V2 et pousse le piston 46 vers le bas. Ceci chasse le gaz à basse tempé- rature présent dans la chambre d'expansion 6 vers le côté à basse pression du compresseur 9, tout en refroidissant le régénérateur 7. Le piston 46 atteint la partie la plus basse du cylindre 42 pour terminer le cycle. La courbe du cycle idéal de ce genre de dispositif de réfrigération à entraînement par gaz, sur un diagramme P - V, est celle représentée sur la figure 5(a), comme il est évident d'après la description du fonctionnement. Le point B1 indique le point de pression intermédiaire. Cependant, le diagramme P - V qu'on obtient en pra- tique est celui représenté sur la figure 5(b). Comme indiqué en relation avec la figure 2(b), les coins des parties cor- respondant aux points A, C sont déplacés et viennent en A' et C', et la partie qui correspond au côté c est inclinée vers l'intérieur pour former le côté c'. Ceci est dû au fait que le gaz présent dans la chambre d'expansion 6 se détend de façon adiabatique, ce qui fait que la pression tombe à une valeur inférieure à la pression intermédiaire, et le piston descend avant que la pression n'atteigne la pression minimale prédéterminée, si bien que le volume de la chambre d'expan- sion change plus tôt. Il en résulte que l'aire englobée par un cycle est réduite. Un inconvénient de ce dispositif de réfrigération à entraînement par gaz consiste en ce qu'on ne peut pas com- mander le piston de façon précise pour qu'il s'arrête au point mort haut et au point mort bas, ce qui fait que l'extrémité supérieure ou inférieure du piston heurte le cylindre en produisant un niveau élevé de vibration et de bruit. Pour éviter ceci, dans l'état actuel de la technique, on prévoit des moyens d'amortissement à l'intérieur du cylindre. Un but de l'invention est donc d'éliminer cet inconvénient du piston heurtant le cylindre, tout en conser- vant les avantages du dispositif de réfrigération à entraî- nement par gaz, et en faisant en sorte que son cycle de réfrigération soit plus proche de la corbe idéae d'un dioitf de réfrigération à entraînement par moteur, sur un diagramme P - V. Dans ce but, l'invention procure un dispositif de réfrigération à entraînement par gaz comportant un piston qui est entraîné de manière alternative à l'intérieur d'un cylindre par la différence de pression d'un gaz moteur qui est introduit alternativement dans des première et seconde chambres à volume variable séparées par le piston, un moteur, une valve rotative fixée à un arbre de sortie du moteur et qui fait communiquer alternativement un passage pour le gaz moteur, formé entre les première et seconde chambres à volu- me variable, avec un côté d'alimentation à haute pression et un côté de retour à basse pression, et simultanément bloque le passage, et une came qui est montée sur l'arbre de sortie du moteur et qui guide le mouvement alternatif du piston, conformément au mouvement de la valve rotative qui est fixée à la tige de piston. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre d'un mode de réalisation préféré, et en se référant aux dessins annexes sur lesquels: La figure 1 est un schéma synoptique d'un disposi- tif de réfrigération à entraînement par moteur de type clas- sique; Les figures 2(a) et 2(b) sont des diagrammes P - V du dispositif de réfrigération de la figure 1, dans lesquel- les la figure 2(a) montre le cycle idéal et la figure 2(b) montre le cycle qui est obtenu en pratique; Les figures 3 et 4 sont des schémas synoptiques de dispositifs de réfrigération à entraînement par gaz de type classique; Les figures 5(a) et 5(b) sont des diagrammes P - V des dispositifs de réfrigération représentés sur les figures 3 et 4, dans lesquelles la figure 5(a) montre le cycle idéal et la figure 5(b) montre la courbe qui est obtenue en prati- que; La figure 6 est un schéma synoptique d'un mode de réalisation du dispositif de réfrigération conforme à l'in- vention; La figure 7 est une coupe latérale des chambres d'expansion du mode de réalisation de la figure 6; La figure 8 est une vue en perspective éclatée de la valve rotative de ce mode de réalisation; La figure 9 est un graphique du déplacement de la surface de guidage de la came; et La figure 10 est un diagramme P - V qu'on obtient en pratique avec le mode de réalisation de la figure 6. En se référant à la figure 6, on voit qu'une cham- bre d'entraînement 64 et une chambre d'expansion 65 sont formées dans un dispositif d'expansion en étant séparées par un piston 63 qui se déplace d'un mouvement alternatif dans un cylindre 62. La chambre d'entraînement 64 est reliée par une valve rotative 66 à des côtés à haute pression et à basse pression d'un compresseur 67. La chambre d'expansion est reliée au côté à basse pression et au côté à haute pression du compresseur 67 par l'intermédiaire d'un échan- geur de chaleur 68 et d'un régénérateur 69. La différence de pression entre la chambre d'entraînement 64 et la chambre d'expansion 65 déplace le piston 63 d'un mouvement alterna- tif dans le cylindre 62, et ce mouvement alternatif est gui- dé par une came 70. Le dispositif d'expansion 61 a la structure qui est représentée sur la figure 7. Sur la figure 7, un cylindre 62 est formé de façon à faire saillie à partir de la partie inférieure du corps principal 71, et une tige de piston 63a du piston 63 qui est logé dans le cylindre 62 est supportée par deux paliers 72a, 72b dans la partie supérieure du corps principal 71, de façon à pouvoir se déplacer verticalement. La chambre d'entraînement 64 est formée dans l'extrémité supérieure de la partie supérieure du cylindre 62, et une chambre intermédiaire 73 est formée dans celle-ci, un étage plus bas que le cylindre. Une première chambre d'expansion 65a est formée dans une partie intermédiaire de la partie inférieure du cylindre 62, et une seconde chambre d'expansion 65b est formée dans la partie la plus basse du cylindre. Une première chambre de régénération 74 est formée dans une partie intermédiaire du piston 63, et une seconde chambre de régénération 75 est formée dans sa partie la plus basse. La seconde chambre de régénération 75 fait communiquer la première chambre d'expansion 65a et la seconde chambre d'expansion 65b. De la matière de régénération constituée par un treillis ou des particules d'un métal, comme du cuivre ou du fer, est logée dans les première et seconde chambres de régénération 74, 75 et remplit la fonction du régénérateur 69. Une chambre de moteur 76, une chambre de came 77 et une chambre de valve 78 sont formées en étant alignées hori- zontalement dans cet ordre, de droite à gauche, dans la par- tie supérieure du corps principal 71. Ces chambres sont reliées les unes aux autres et elles sont également réliées au côté à basse pression du compresseur 67 par l'intermédiai- re d'un trou 76a dans la paroi de la chambre de moteur 76. Un arbre de sortie 79a d'un moteur 79 fait saillie dans la chambre de came 77, et la came 70 est fixée à l'extrémité de cet arbre. La surface de guidage de la came fait face à la tige de piston 63a qui se déplace vertica- lement en traversant la chambre de came 77, et un doigt de came 81 faisant saillie à partir de la tige de pistQn 63a glisse le long de la surface de guidage de la came. Un arbre de came 80 fait saillie à partir de la surface de guidage de la came 70, sur le même axe que l'arbre de sortie 79a, et son extrémité fait face à la chambre de valve 78. Une enco- che d'accouplement est formée à l'extrémité de l'arbre de came 80. Une valve rotative 66 montée dans la chambre de valve 78 est constituée par une valve 66a comportant une section d'axe 66c qui est introduite dans l'encoche d'accou- plement 82 et est supportée par l'arbre de came 80, et par un siège de valve 66b qui est monté sur la paroi latérale de la chambre de valve 78. La section d'axe 66c est constam- ment sollicitée vers l'extérieur par un ressort 83 qui est logé dans l'encoche d'accouplement 82, de façon que la valve 66a tourne en étant pressée contre la surface latérale du siège de valve 66b, en liaison avec la rotation de la came 70. Le siège de valve 66b et la valve 66a sont représentés en détail sur la figure 8. Trois orifices A, B et C sont for- més dans le siège de valve 66b. L'orifice B au centre est relié à un passage b qui conduit au côté de haute pression du compresseur 67, et les orifices A, C du côté droit et du côté gauche de l'orifice central sont reliés à des passages a, c qui conduisent respectivement à la chambre intermédiai- re 73 et à la chambre d'entrainement 64. Une fente 84 est formée dans la moitié supérieure de la valve 66a et une encoche 85 est formée dans sa moitié inférieure. Lorsque la valve 66a tourne, conjointement à la rotation de la came , la fente 84 peut faire communiquer l'orifice B avec l'orifice A, et l'encoche 85 peut faire communiquer l'ori- fice C avec le côté à basse pression du compresseur 67. Selon la position en rotation de la fente 84, l'orifice B peut être isolé de l'orifice A comme de l'orifice C. On va maintenant décrire le fonctionnement du dis- positif de réfrigération conforme à l'invention, en se réfé- rant aux figures 9 et 10. Au point de départ A du cycle de réfrigération, le piston 63 est au point mort bas, et l'angle de déplacement de la surface de guidage de la came est de 0 . Lorsque la came 70 tourne légèrement à partir de cette position, la valve rotative 66 fait communiquer les passages b et a, et elle fait donc communiquer la chambre intermédiai- re 73 avec le côté à haute pression, et la chambre d'entrai- nement 64 avec le côté à basse pression. Le gaz à haute pression qui est introduit dans la chambre intermédiaire 73 entre dans la première chambre d'expansion 65a, en étant refroidi lorsqu'il traverse la première chambre de régénéra- tion 74, et le gaz à haute pression qui est introduit dans la première chambre d'expansion 65a entre dans la seconde chambre d'expansion 65b en étant refroidi dans la seconde chambre de régénération 75. Il en résulte que la pression dans les première et seconde chambres d'expansion 65a et 65b augmente. Cependant, lorsque la came 70 continue à tourner, le piston 63 reste au point mort bas du fait du contact entre le doigt de came 81 et la surface de guidage de la came, jusqu'à ce que l'angle de déplacement de la surface de guida- ge de la came atteigne le point B. Ceci augmente la pression dans les première et seconde chambres d'expansion 65a et 65b, par un déplacement vertical depuis la valeur située au point de départ A jusqu'à une valeur prédéterminée au point B. Lorsque la came 70 tourne davantage et que l'angle de dépla- cement de la surface de guidage de la came passe au-delà du point B, le piston 63 commence à monter, en étant poussé par la pression dans les première et seconde chambres d'expansion a, 65b. Pendant cette course montante, la vitesse ascen- sionnelle est régulée par le contact entre le doigt de came 81 et la surface de guidage de la came. Les volumes des pre- mière et seconde chambres d'expansion 65a, 65b augmentent donc successivement, mais l'admission continuelle de gaz à haute pression maintient la pression dans ces chambres à une valeur constante, et le cycle passe horizontalement du point B au point C en suivant la ligne dans le diagramme P - V. Lorsque le piston 63 monte, immédiatement avant qu'il atteigne le point mort haut, c'est-à-dire le point C, la communication entre l'orifice B et l'orifice A est interrompue par le déplacement rotatif de la fente 84. Ceci signifie que du fait que l'admission de gaz à haute pression dans les première et seconde chambres d'expansion 65a, 65b est interrompue, la pression dans ces chambres diminue. Simultanément, la communication entre l'orifice C et le côté à basse pression du compresseur 67 est interrompue, ce qui arrête l'évacuation de gaz à basse pression à partir de la chambre d'entraînement 64, et la pression dans cette chambre s'élève. Il en résulte que la vitesse de montée du piston 63 diminue. Le cycle passe donc en diagonaledu point C au point D sur le diagramme P - V. - Au point D, lorsque le piston atteint le point mort haut, la valve rotative 66 change de position de façon à faire communiquer les passages B et C pour fournir du gaz à la chambre d'entraînement 64, et elle fait communiquer la chambre intermédiaire 63 avec le côté à basse pression. Cependant, lorsque l'angle de déplacement de la surface de guidage de la came atteint 180 , le piston 63 demeure au point mort haut à cause du contact entre le doigt de came 81 et la surface de guidage de la came. Cet état est maintenu jusqu'.à ce que l'angle de déplacement de la surface de guida- ge de la came dépasse 180 , c'est-à-dire au point E. Du fait qu'au point D, le gaz comprimé à haute pression dans les pre- mière et seconde chambres d'expansion 65a et 65b est rapide- ment passé vers le côté à basse pression, la pression tombe de façon soudaine et le gaz se détend de façon adiabatique pour produire un refroidissement. Cette action est représen- tée sur le diagramme P - V de la figure 10 par le mouvement vertical descendant du point D vers le point E. Lorsque la came 70 continue à tourner et lorsque. l'angle de déplacement de la surface de guidage de la came passe au-delà du point D, le piston 63 commence à descendre. Sa vitesse de descente à ce moment est régulée par le con- tact entre le doigt de came 81 et la surface de guidage de la came. Les volumes des première et seconde chambres d'expansion 65a, 65b sont réduits pendant une courte durée, pendant que l'état correspondant à une pression basse pré- déterminée est maintenue. Lorsque le piston 63 atteint un point situé immédiatement avant le point mort bas, au point F, la valve rotative 66 interrompt la communication entre les passages B et C, ainsi que la communication entre le passage A et le côté à basse pression du compresseur 67, pour arrêter l'admission de gaz à haute pression dans la chambre d'entraînement 64 et l'évacuation de gaz à basse pression à partir des première et seconde chambres d'expan- sion 65a, 65b, ce qui réduit la vitesse de descente du pis- ton 63. De cette manière, le piston 63 atteint le point mort bas et la came 70 termine sa rotation sur 360 , pour retourner au point de départ A, ce qui termine le cycle. Il est évident d'après la description précédente que, pendant son mouvement alternatif, le piston 63 est commandé de façon précise pour s'arrêter au point mort haut et au point mort bas, ce qui empêche que le piston 63 heurte le cylindre 62. En outre, du fait que le moteur 79 doit seulement entraîner la came 70 et la valve rotative 66, on peut utili- ser un moteur de très faible puissance. Le cycle dans le diagramme P - V de la figure 10 est très proche du cycle idéal dans le diagramme P - V du dispositif de réfrigération à entraînement par moteur repré- senté sur la figure 2(a). Ceci signifie qu'il est possible d'augmenter la valeur limite de la capacité de réfrigération. L'invention permet d'obtenir un cycle de réfrigéra- tion qui est proche du cycle idéal, d'augmenter la capacité de réfrigération et donc de réduire le temps de réfrigéra- tion. Du fait que le piston ne heurte pas son cylindre, la vibration et le bruit sont considérablement réduits. En outre, du fait que le moteur entraîne seulement une came et une valve rotative, on peut utiliser pour ce moteur un moteur de très faible puissance. La structure simple de la valve rotative facilite également la maintenance. REVENDICATION Dispositif de réfrigération caractérisé en ce qu'il comprend un piston qui est entraîné d'une manière alternative à l'intérieur d'un cylindre par la différence de pression d'un gaz moteur qui est introduit alternativement dans des première et seconde chambres à volume variable séparées par ce piston, un moteur, une valve rotative qui est fixée sur un arbre de sortie du moteur et qui fait communiquer alternati- vement un passage pour le gaz moteur, formé entre les pre- mière et seconde chambres à volume variable, avec un côté d'alimentation à haute pression et un côté de retour à basse pression, et, simultanément, bloque ce passage, et une came qui est montée sur un arbre de sortie du moteur et qui guide le mouvement alternatif du piston conformément au mouvement de la valve rotative accouplée à la tige de piston.