Brevet FR2551189A1 — publié le 19850301

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT A COMPRESSION ET DETENTE DE GAZ SANS CHANGEMENT DE PHASE L'invention est relative à un dispositif de refroidissement à compression et détente de gaz sans changement de phase. On sait qu'un gaz comprimé rapidement s'échauffe et que, réciproquement, un gaz détendu de façon rapide se refroidit. C'est cette dernière propriété qui est généralement utilisée dans les machines frigorifiques qui doivent produire des températures très basses, notamment au-dessous de -100 C, par exemple dans des cryostats destinés à maintenir à basse température des détecteurs de rayonnement infrarouge. Un type courant de dispositif de refroidissement de ce genre, qui fait appel au cycle thermo-dynamique de Stirling, comprend une chambre cylindrique logeant un élément poreux pratiquement de même section que la chambre mais de plus courte longueur, de façon à ménager, de part et d'autre de cet élément, deux enceintes de volumes variables quand l'élément se déplace. Cette chambre est remplie d'un gaz et communique avec un générateur de pression variable. C'est la détente du gaz dans l'une des enceintes qui est utilisée pour engendrer l'énergie frigorifique. Cette enceinte est isolée de l'extérieur alors que l'autre enceinte, de l'autre côté de l'élément poreux est, au contraire, en contact thermique avec l'extérieur, cest-à-dire non isolée, pour permettre l'évacuation de la chaleur accumulée par le gaz lors de la compression.Pour déplacer l'élément poreux, c'est-à-dire pour faire varier les volumes des enceintes, on prévoit à celle des extrémités de cet élément qui délimite l'enceinte non isolée, une tige qui traverse cette dernière enceinte et sur laquelle agit un moyen permettant de déplacer cette tige et donc l'élément dont elle est solidaire. Le plus souvent ce moyen de commande est pneumatique; dans ce cas, la tige sort de la chambre active, logeant l'élément poreux, et pénètre dans une autre chambre, appelée chambre de commande; c'est la différence entre les pressions règnant dans la chambre de commande et dans la chambre active qui provoque le déplacement de l'élément poreux. Le mouvement alternatif de l'élément poreux est tel que la pression dans la chambre active croît lorsque le volume de l'enceinte non isolée est maximum et, inversement, la pression dans cette chambre active diminue lorsque le volume de l'enceinte isolée a sa valeur maximale. L'énergie frigorifique est produite lors de cette chute de pression. Lors de la montée en pression, le gaz de l'enceinte non isolée s'échauffe et les calories sont évacuées vers le milieu extérieur. Jusqu'à présent dans les dispositifs connus de ce type c'est-à-dire à commande pneumatique du déplacement de l'élément poreux de la chambre active - les chambres active et de commande sont séparées de façon pratiquement étanche. A cet effet la périphérie de la tige solidaire de l'élément poreux présente un joint d'étanchéité qui coulisse à frottement contre la face interne d'un cylindre reliant la chambre active à la chambre de commande. Une telle séparation étanche présente des inconvénients gênants. En particulier le frottement, entre le joint et la surface du cylindre séparant les chambres de commande et active, constitue une perte d'énergie qui diminue le rendement du dispositif ; en outre la fiabilité est limitée par l'usure de ce joint. L'invention, qui part de la constatation qu'une telle étanchéité n'est pas indispensable, remédie à ces inconvénients. Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que la tige solidaire de l'élément poreux coulisse de façon non étanche dans le cylindre séparant la chambre active de la chambre de commande avec un jeu de valeur suffisamment faible pour que soient calibrés les échanges de gaz entre chambre de commande et chambre active. Ainsi il n'y a pratiquement aucun frottement et aucune usure. Il en résulte, par rapport au dispositif antérieurement connu, un meilleur rendement et une plus grande fiabilité. Dans le mode de réalisation préféré de l'invention la périphérie de la tige présente des rainures ou gorges, ce qui permet pour un même échange gazeux entre chambres de commande et active, d'augmenter le jeu entre cette tige et la surface interne du cylindre dans laquelle elle coulisse, car les échanges entre les deux chambres sont limités par les capacités tampons que constituent les gaz accumulés dans les gorges. La réalisation de la tige est facilitée par l'augmentation du jeu qui entraîne une plus grande tolérance de fabrication. En outre ces gorges peuvent accumuler des impuretés (microscopiques) qui pourraient créer un frottement entre tige et cylindre. L'invention s'applique à tous les dispositifs de refroidissement dans lesquels le moto-oscillateur est séparé de la sonde à élément poreux déplaçable par des moyens pneumatiques et qui fonctionnent selon des cycles thermo-dynamiques alternatifs. A cet égard l'invention n'est pas limitée aux dispositifs fonctionnant selon le cycle de Stirling ; elle s'applique à des fonctionnements selon des cycles thermo-dynamiques alternés tels que ceux de Gifford - Mac Mahon ou de Vuillemier. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront avec la description de certains de ses modes de réalisation, celle-ci étant effectuée en se référant aux dessins ci-annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un dispositif de refroidissement avec le perfectionnement selon l'invention, - la figure 2 montre la sonde d'un dispositif de refroidissement pour une variante du perfectionnement de l'invention, et - les figures 3 et 4 sont des schémas analogues à celui de la figure 1 pour d'autres variantes. Le dispositif de refroidissement représenté sur la figure 1 comprend un moto-oscillateur 10 à piston 11 se déplaçant suivant un mouvement alternatif, c'est-à-dire dans les deux sens, selon l'axe d'une chambre cylindrique 12, grâce à un moteur électrique 13 qui l'entraîne par l'intermédiaire d'un système bielle-manivelle 14 en soi connu. Le piston Il sépare le cylindre 12 en deux parties de volumes variant périodiquement. La partie 15 de ce cylindre 12 qui ne présente pas le système bielle-manivelle 14 est reliée, par une conduite 16,à une chambre cylindrique 17 logeant un élément poreux 18 également cylindrique de section circulaire avec un faible jeu entre sa périphérie et la surface interne de la chambre 17. Cet élément poreux 18 est de longueur plus faible que celle de la chambre 17.Les parties 19 et 20 de la chambre 17 qui ne sont pas occupées par l'élément poreux 18 constituent des enceintes dont le volume dépend de la position dudit élément poreux 18 dans la chambre 17. De l'extrémité 21 de l'élément 18 qui délimite l'enceinte 19 dans laquelle débouche la conduite 16 est solidaire une tige 22 prolongée par une autre tige, ou pièce cylindrique, 23 de plus grand diamètre que celui de la tige 22 mais plus petit que celui de l'élément poreux 18. La plus grande partie de la longueur de la tige 23 est logée dans un cylindre 24 coaxial au cylindre 17, de diamètre plus faible, et le prolongeant du côté de l'enceinte 19. Selon l'invention aucun élément d'étanchéité n'est prévu entre la pièce cylindrique 23 et la face interne 25 du cylindre 24. Cependant il est- préferable que le jeu entre cette pièce 23 et la face interne 25 soit faible. Le cylindre 24 est lui-même prolongé, à l'opposé du cylindre 17, par un autre cylindre fermé 26 de plus grand diamètre que celui du cylindre 24 et constituant une chambre de commande remplie du même gaz, par exemple l'hélium, que le gaz remplissant la chambre active 17, le cylindre 12 et la conduite 16. Cependant, la pression du gaz dans la chambre 26 est pratiquement constante alors que la pression dans la chambre 17 est variable du fait du déplacement du piston 11 dans la chambre cylindrique 12 du moto-oscillateur 10. L'enceinte 20 est isolée de l'extérieur; elle est seulement en contact avec un échantillon (non montré) à refroidir, par exemple un détecteur infra-rouge. Au contraire l'enceinte 19 est en contact thermique avec l'extérieur de façon que puisse être évacuée la chaleur engendrée dans cette enceinte lors de la compression. Le fonctionnement est selon le cycle connu de Stirling. L'élément poreux 18 constitue une barrière thermique entre les enceintes 19 et 20. Le dispositif est tel que la pression dans la chambre 17 augmente lorsque le volume de l'enceinte 19 a sa valeur maximale, le volume de l'enceinte 20 étant alors minimum ou nul et, inversement, la pression dans la chambre 17 décroît lorsque le volume de l'enceinte 20 est maximum, le volume de l'enceinte 19 étant alors minimum, éventuellement nul. En effet, la pression dans la chambre 26 est sensiblement égale à la valeur moyenne de la pression dans la chambre 17. Ainsi lorsque la pression dans cette chambre 17 est minimum, elle est inférieure à la pression dans la chambre 26 et l'écart de pression repousse la tige 23 vers la chambre 17 Quand la pression dans la chambre 17 atteint la valeur de la pression dans la chambre 26 et la dépasse, il n'y a pas un déplacement immédiat de la tige 23 vers la chambre 26 car il faut tenir compte, dune part, de la perte de charge à travers l'élément poreux ig et, d'autre part, des frottements.Réciproquement, lorsque la pression dans la chambre 17 baisse, le déplacement de la tige 23 vers cette chambre 17 ne suit pas immédiatement l'établissement de l'égalité de pression entre les chambres 17 et 26. La montée en pression, ou compression, produit un échauffement du gaz dans l'enceinte 19. La chaleur ainsi apportée est, comme on l'a vu ci-dessus, évacuée vers l'extérieur. Par contre la chute de pression, ou détente, dans l'enceinte 20 produit un abaissement de température utilisé pour refroidir l'échantillon. Etant donné que, selon l'invention, la chambre active 17 n'est pas séparée de façon étanche de la chambre de commande 26, il se produit un échange de gaz entre ces deux chambres. Toutefois celui-ci est calibré du fait du faible jeu entre la pièce cylindrique 23 et la face interne 25 du cylindre 24. Lorsque la pression dans la chambre 17 est supérieure à la pression dans la chambre 26, le gaz a tendance à s'échapper de la chambre 17 pour se diriger vers la chambre 26 et,inversement, lorsque la pression dans la chambre 26 est supérieure à la pression dans la chambre 17 le gaz dans la chambre de commande a tendance à revenir dans ladite chambre 17. Autrement dit, après un cycle de fonctionnement la quantité de gaz dans chaque chambre 17, et 26, est restée constante. On a constaté que, malgrè les échanges gazeux entre la chambre active et la chambre de commande, le fonctionnement du dispositif selon l'invention est le même que celui d'un dispositif classique, c'est-à-dire que le déplacement de l'élément poreux 18 résulte de l'écart de pression entre les chambres 17 et 26. En d'autres termes la suppression de l'étanchéité ne perturbe pas le fonctionnement du dispositif et apporte des avantages importants qui sont, rappelons le, un faible frottement entre la pièce 23 et la surface 25 et donc un rendement amélioré pour le dispositif, ainsi qu'une faible usure et donc une plus grande fiabilité. Une autre conséquence de la faible usure est que les échanges entre les chambres 26 et 17 restent constants dans le temps c'est-à-dire que le fonctionnement reste toujours le même. Dans l'exemple représenté sur la figure 1, la surface extérieure de la pièce 23 est lisse. Le mode de réalisation représenté sur la figure 2 se distingue de celui représenté sur la figure 1 par le fait que la surface extérieure de la pièce 23a présente des gorges 30. On réalise ainsi un joint dit "labyrinthe" qui, comme on le sait, assure une séparation plus efficace qu'une surface lisse du fait de l'écoulement turbulent du gaz entre la pièce 23a et la surface 25 du cylindre 24. Ainsi, la réalisation de la figure 2 présente, par rapport à celle de la figure 1, pour un même jeu, l'avantage de diminuer les échanges gazeux entre les chambres 17 et 26. Pour un même échange gazeux, le jeu entre la pièce 23 et la face interne 25 du cylindre 24 peut être plus important, ce qui facilite la réalisation du dispositif, les tolérances pouvant alors être plus grandes. En outre les gorges 30 peuvent retenir les impuretés microscopiques se trouvant dans le gaz et qui risqueraient de créer un frottement contre la face 25. L'exemple de la figure 3 se distingue de celui de la figure 1 par le fait que la chambre 26 n'est pas à pression constante mais à pression variable, étant reliée par une canalisation 31, au corps 15a de la pompe à piston 11, c'est-à-dire à la partie du cylindre 12 se trouvant du côté du piston 11 qui est opposé à l'enceinte 15. Dans l'exemple de la figure 4 on prévoit, également de façon en soi connue, que le moteur 13 entraîne un second piston 32 de plus faible diamètre que celui du piston 11 se déplaçant dans une petite chambre cylindrique 33 reliée à la chambre 26. Les pressions dans les chambres 26 et 17 sont en opposition de phase. Dans un exemple la tige 23 est en bronze au plomb et le cylindre 24 est en acier inoxydable à très haute dureté, de l'ordre 2 de 200 Kg par mm . Le jeu entre la périphérie lisse de la tige 23 et la surface 25 est de 2 à 3 microns. Quand on prévoit des gorges 30 le jeu correspondant, entre la surface externe de la tige 23a et la face interne 25 du cylindre 24, est de l'ordre de îiîoo de mm. L'invention n'est bien entendu pas limitée à l'exemple d'application qui a été mentionné ci-dessus: refroidissement d'un détecteur infra-rouge. Elle s'applique à tous les cas où on désire obtenir des basses températures ou même condenser ou solidifier un gaz ou un liquide. REVENDICATIONS 1. Dispositif de refroidissement à compression et détente d'un gaz sans changement d'état comprenant : une chambre cylindrique active remplie d'un gaz à comprimer et détendre (17) et logeant un élément (18) poreux la séparant en deux enceintes (19, 20) dont la première (19) est en contact thermique avec l'extérieur et dont la seconde (20) > est isolée de l'extérieur ; une chambre de commande (26) reliée à la chambre active (17) par une chambre cylindrique intermédiaire (24) et remplie d'un gaz de même nature que celui remplissant la chambre active (17), l'élément poreux (18) étant solidaire d'une tige (23) coulissant dans la chambre intermédiaire (24); et un générateur (10) d'une pression oscillante relié à la première enceinte (19); ledit élément poreux (18) étant déplaçable dans la chambre active (17) du fait de l'écart variable entre les pressions régnant dans les chambres de commande (26) et active (17), caractérisé en ce que la tige (23) coulisse dans la chambre intermédiaire (24) sans étanchéité, avec un jeu de valeur suffisamment faible pour que les échanges gazeux entre les chambres de commande (26) et active (17) soient calibrés. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la surface externe de la pièce cylindrique (23a) présente au moins une gorge (30). 3. Dispositif selon la revendication I ou 2, caractérisé en ce que, de façon en soi connue, la chambre de commande (26) est en liaison uniquement avec la chambre intermédiaire (24). 4. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chambre (26) de commande est reliée à un générateur (10) de pression variable. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que, de façon en soi connue, le générateur (10) de pression variable comprend deux sorties déphasées l'une par rapport à l'autre dont l'une est reliée à la chambre active (17) et l'autre à la chambre de commande (26).