Brevet FR2560978A1 — publié le 19850913

Réfrigérateur cryogénique et source de chaleur associée ". L'invention concerne un réfrigérateur cryogénique et une source de chaleur constituant un per- fectionnement du cycle de Gifford-Mc Mahon qui est sup- posé bien connu. Parmi les brevets de l'art antérieur décrivant ce cycle, peuvent être cités les brevets U.S.A 2 966 035, 3 188 818; 3 218 815; et 4 305 841; 4 339 927; 4 388 809. Pour obtenir un maximum de rendement et de fiabilité, il est important de pouvoir disposer d'un maximum de transfert de volume de gaz à travers le régé- nérateur. Pour obtenir ce résultat, il est important d'inverser le sens du débit de gaz lorsque le piston est à son point mort haut ou à son point mort bas. l'inven- tion concerne une solution au problème de la transforma- tion d'un réfrigérateur présentant ces caractéristiques en une source de chaleur. A cet effet, l'invention concerne un appareil cryogénique dans lequel un dispositif de pis- ton mobile définit à l'intérieur d'une enceinte une pre- mière et une seconde chambre de volumes variables, et dans lequel on fait circuler un fluide réfrigérant, sui- vant un chemin compris entre la première chambre et la' seconde chambre, par le mouvement du dispositif de pis- ton, appareil caractérisé en ce qu'il comprend des moyens 2560-978 de chambre destinés à guider une glissière reliée au dispositif de piston, un moteur réversible relié à la glissière pour lui communiquer un mouvement de va-et- vient, une soupape munie d'un élémeht de soupape pouvant aller et venir pour commander le débit de-fluide haute pression et basse pression, le moteur étant relié à une came montée de manière à communiquer à l'élément de sou- pape un mouvement de va-et-vient en synchronisme avec le mouvement de Vaet-vient de la glissière, de façon que l'élément de soupape introduise du fluide haute pression dans les première et seconde chambre lorsque le dispositif de piston se trouve à chacune des extré- mités de sa course, de façon que l'appareil constitue soit un réfrigérateur, soit une pompe à chaleur. l'invention a également pour but de. créer un réfrigérateur cryogénique pouvant être trans- formé en pompe à chaleur de manière facile et bon marché. L'invention sera décrite en détail en se référant aux dessins joints, dans lesquels - la figure 1 est une vue en coupe ver- ticale d'un réfrigérateur selon l'invention, le piston se trouvant au point mort bas - la figure 2 est une vue suivant la ligne 2-2 de la figure 1; - la figure 3 est une vue de l'élément de came, suivant la ligne 3-3 de la figure 2, - la figure 4 est une vue éclatée de la came et de son dispositif d'entraînement; et - la figure 5 est une vue semblable à celle de la figure 2, mais dans laquelle la came a tour- né de 90 en sens inverse des aiguilles d'une montre. En se référant dans le détail. aux des- sins dans lesquels les mêmes références désignent les mêmes éléments, ceux-ci représentent-un réfrigérateur selon l'invention repéré dans son-ensemble par la réfé- rence 10. Comme illustré par les dessins, le réfrigéra- teur 10 comporte un premier étage 12, mais l'invention s'étend également aux cas de plusieurs étages. En co6urs d'utilisation, les étages sont placés à l'intérieur d'un carter sous vide non représenté. Chaque étage comporte un carter 16 à l'intérieur duquel est monté un piston 18. La longueur de ce piston 18 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 chaud et froid sont rela- tives, comme cela est bien connu des spécialistes de la question. A l'intérieur du 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. Des ori- fices radiaux 30 font communiquer l'extrémité inférieure de la matrice du régénérateur 26 avec un espace de déga- gement 32 situé entre le pourtour extérieur de l'extré- mité inférieure du piston 18 et le pourtour intérieur du carter 16. Ainsi, l'extrémité inférieure de la matrice du régénérateur 26 communique avec la chambre froide 22 par les orifices 30 et le dégagement 32 qui constitue un échangeur de chaleur à intervalle annulaire. La matrice du régénérateur 26 est, de préférence, constituée par un empilement de 250 mailles d'un matériau à forte chaleur spécifique, tel que du cuivre sans oxygène., La matrice présente une faible sur- face de vides et une faible chute de pression. Cette matrice peut être réalisée dans d'autres matériaux, tels que des sphères de plomb, du nylon, du verre etc... Un moteur électrique 34, tel qu'un moteur pas à pas synchrone réversible, est monté à l'in- térieur du carter 36. Le carter 16 dépasse vers le bas du carter 36 et comporte un rebord 37 boulonné à ce carter 36. L'arbre de sortie 46 du moteur 34 est muni d'un collier 38 monté sur celui-ci de manière réglable au moyen d'une vis de réglage 40. Le collier 38 com- porte une petite tige 42 parallèle à l'arbre 46 et péné- trant dans la rainure 44 de la came 48. Le trou 50 et la rainure 44 sont coaxiaux comme cela est visible en figure 4. La rainure 44 forme un arc de 180 de longueur. Un roulement à rouleaux 52 est monté sur le pourtour de la came 48. Une manivelle 54 est fixée à l'arbre 46 par une clef et une vis de réglage. La manivelle 54 est couplée à la came 48 par une détente à bille réglable. Le carter de détente est vissé dans la manivelle 54 et contient une bille poussée par un ressort dans une cavité de la face latérale de la came 48, comme le montre la figure 3. La manivelle 54 comporte une petite tige de manivelle 56 dont l'axe est espacé de l'axe de l'arbre 46 et parallèle à celui-ci. La tige de manivelle 56 com- porte un roulement à rouleaux 58 disposé à l'intérieur d'une fente transversale de la glissière 60, cette glis- sière 60 étant reliée à l'extrémité supérieure du pis- ton 18. La glissière 60 comporte un élément d'insertion de support cylindrique 62 guidé par un sup- port de manchon d'étanchéité à rattrapage de jeu 64. La glissière 60 comporte également un élément d'insertion de support cylindrique 66 guidé par un manchon de sup- port à joint d'étanchéité à rattrapage de jeu 68. Les éléments d'insertion de support et les manchons de sup- port sont, de préférence, réalisés dans une céramique ou autre matériau dur tel que du carbure de silicium. Le manchon de support 68 est maintenu en place par un élément de retenue 70 relié au carter 36. Une chambre 72 formée à l'intérieur du manchon de support 64 communi- que avec le régénérateur 26 par un passage de débit axial 74 ménagé dans la glissière 60. Le passage 74 empêche l'air d'être comprimé dans la chambre 72 lorsque la glissière 60 se déplace vers le haut. Par suite, la glissière 60 est équilibrée en gaz lorsque son diamè- tre est uniforme à ses extrémités. Le carter 36 comprend un alésage paral- lèle à la glissière 60. A l'intérieur de cet alésage est monté un manchon de support à joint d'étanchéité-à rat- trapage de jeu 76 réalisé, de préférence, en céramique. Dans le manchon de support 76 est montée une soupape à tiroir repérée, d'une façon générale, par la référence 78. La soupape 78 comprend un élément de soupape à tiroir 80 muni d'une rainure 82 formée sur son pourtour extérieur entre ses extrémités. La rainure 82 permet d'équilibrer en gaz l'élément de soupape 80. L'élément comporte un passage d'égalisation axial 83. Un joint d'étanchéité 84 est prévu entre le support 76 et l'élé- ment de retenue 70. Des joints toriques d'étanohéité sont, de préférence, prévus sur les éléments 18, 64, 68 et 76, comme indiqué par la figure 1. Le roulement à rouleaux 52 de la came 48 vient s'engager sur l'extrémité supérieure de l'élé- ment de soupape 80. Un ressort hélicoidal 85 est monté entre l'élément de retenue 70 et l'élément de soupape 80 pour pousser l'élément de soupape en contact avec le roulement à rouleaux 52 de la came 48. L'élément de soupape 80 est entraîne vers le bas par la came 48 et vers le haut par la dilatation du ressort 85. En se référant à la figure 1, du fluide haute pression provenant de la sortie d'un compresseur 88, est introduit dans l'orifice 86 qui communique avec la rainure 82 lorsque l'élément de soupape 80 se trouve dans la position représentée en figure 1. Lorsque l'élé- ment de soupape 80 se trouve dans la position de la fi- gure 1, la rainure 82 communique également avec la cham- bre chaude 20 par le passage 90. Un orifice 92 partant de l'intérieur du carter 36 est bloqué par l'élément de soupape 80 dans la position de ce dernier représentée en figure 1. Lors- que l'élément de soupape 80 se trouve en position haute maximum, la rainure 82 fait communiquer le passage 90 avec l'orifice 92. L'intérieur du carter 36 communique avec l'entrée du compresseur 94 par l'orifice 96. La chambre 98 est en communication directe avec l'intérieur du carter 36. Le débit de réfrigérant allant de l'ori- fice 92 à l'orifice 96 a un effet de refroidissement sur le moteur 34. Il est possible, si on le désire, de supprimer l'orifice 92 en faisant communiquer la rainure 68 avec la chambre 98 dans la position de point mort haut de l'élément de soupape 80. Il est à remarquer que la longueur axiale de la rainure 82 est inférieure à la distance axiale entre les orifices 86 et 92, de manière à réduire ainsi au minimum les fuites de gaz haute pression entre ces orifices et le passage 90. Le carter 36 est réalisé en plusieurs éléments pour faciliter l'usinage, le montage et l'accès à l'élément de soupape 80 et à la glissière 60. La ma- nière de réaliser le carter 36 en plusieurs éléments n'est pas représentée aux dessins, mais elle apparaîtra à l'évidence aux spécialistes de la question. La tige 52 entraîne la came 48, en sens inverse des aiguilles d'une montre en figure 2, pendant le cycle de réfrigération. Lorsqu'elle se trouve dans la position de la figure 5, la came 48 vient en contact avec l'élément de soupape 80 au voisinage du pourtour de ce dernier. A ce moment, la force, dirigée vers le haut, du ressort 85 (moins les forces de frottement agissant sur l'élément de soupape 80) produit, autour de l'axe de l'arbre 46, un moment tendant à écarter la tige 42 pour lui faire perdre le contact avec le fond de la rainure 44, ce qui produirait des erreurs de syn- chronisation du fonctionnement de la soupape 78. La détente à bille 53 résiste au moment de la force du res- sort pour empêcher ces erreurs de synchronisation quel que soit le sens de rotation de la came-48. La face latérale de la came 48, juxtaposée à la manivelle 54, comporte deux cavités à 180 destinées à recevoir la bille. La cavité inoccupée de la figure 3 est repérée par la référence 55. Le réfrigérateur 10 est, de préférence, conçu pour être utilisé avec un fluide cryogénique tel que de l'hélium, mais l'on peut également utiliser d'au- tres fluides tels que de l'air ou de l'azote. Le réfri- gérateur 10 est conçu pour une puissance de sortie d'au moins 65 watts à 77 K et d'un minimum de 5 watts à 20 K. Fonctionnement-Réfrigération Comme indiqué en figure 1, le piston 18 se trouve à son point mort bas. Le mouvement de va-et- vient vertical de la glissière 60 est commandé par la position de rotation de la came 48 et la coopération entre le suiveur de came 58 et la rainure de glissière recevant le suiveur de came. L'élément de soupape à tiroir 80 se trouve en position basse maximum, le res- sort 85 étant comprimé par contact de l'extrémité de l'élément de soupape 80 avec la came 48. Du fluide haute pression introduit par l'orifice 86, passe par la rainure 82 et le passage 90 pour atteindre la chambre chaude 20. L'orifice 92 est bloqué par l'élément de soupape 80. Le rôle du régénérateur 26 est de re- froidir le gaz descendant à travers celui-ci et de ré- chauffer le gaz montant à travers celui-ci. Dans son passage descendant à travers le régénérateur, le gaz est refroidi, ce qui provoque la diminution de sa pres- sion et l'introduction de gaz supplémentaire dans le système pour maintenir la pression maximum du cycle. La diminution de température du gaz dans la chambre 22 constitue la réfrigération utile attendue de l'appareil à l'endroit du poste de chaleur 24. Lorsqu'il monte dans le régénérateur 26, le gaz est chauffé par la matrice au voisinage de la température ambiante, ce qui refroidit la matrice. Lorsque le moteur 34 fait tourner la came 48 en sens inverse des aiguilles d'une montre en figure 2, et lorsque le piston 18 est entraîné vers le haut à par- tir de son point mort bas, la surface de la came 43 com- mande la partie d'admission du cycle. Lorsque la came 48 continue de tourner, une paroi périphérique de celle-ci permet à l'élément de soupape 80 de se déplacer vers le haut, sous la pression du ressort 85, jusqu'à ce que l'élément de soupape 80 coupe le débit de l'orifice 86. Lorsque la came 48 continue de tourner, la glissière 60 et le piston 18 continuent de se dépla- cer vers le haut. Lorsque la glissière 60 arrive près du point mort haut, la came 48 permet à l'élément de soupape 80 de se déplacer suffisamment vers le haut, dans son mouvement de va-et-vient, pour que la rainure 82 fasse communiquer le passage 90 avec l'orifice 92 en démarrant ainsi la partie d'échappement du cycle. La syn- chronisation de la partie d'échappement du cycle est commandée par la forme de la surface de came. Lorsque la came 48 continue de tourner, celle-ci entraîne l'élément de soupape 80 vers le bas jusqu'à ce qu'il vienne en contact avec une partie de la surface de came définissant la période de temps d'introduction du gaz haute pression par l'orifice 86. Un cycle complet est alors terminé. Une forme typique de réalisation de l'invention fonctionne au rythme de 72 à 80 cycles par minute. Les mouvements de va-et-vient du piston 18 et de l'élément de soupape 80 sont synchronisés de manière à se produire simultanément et dans le même sens, la course du piston 18 étant plus grande que-la course de l'élé- ment de soupape 80. La synchronisation est prédéterminée par la came 38 de façon que l'élément de soupape 80 et le piston 18 effectuent des mouvements de va-et-vient à des rythmes différents. La longueur de la course de l'élément de soupape 80 ne dépasse pas 9 à 12 mm, la course du piston 18 étant de 30 mm. L'élément de soupape peut être muni d'un passage de débit axial 83 faisant communiquer la pression de la chambre 98 avec la chambre contenant le ressort 85, de sorte que l'air n'est pas comprimé par l'élément de soupape à chaque fois qu'il descend. Un problème posé par les dispositifs de l'art antérieur est que le diamètre du support de glis- sière n'est que d'environ 6,3 mm. La glissière 60 et l'élément de soupape 80 sont chacun équilibrés en gaz. Cela permet au diamètre des paliers d'étanchéité à rat- trapage de jeu 64, 68 d'atteindre 18,9 mm soit 9 fois plus que celui de la zone de surface, de sorte qu'ils ne eme sont soumis qu'à 1/9me des forces unitaires. Par suite, les paliers ne s'usent pas aussi rapidement que dans le cas des dispositifs selon l'art antérieur. Le refroidissement disponible à l'endroit du poste de chaleur 24 peut être utilisé dans une grande variété de dispositifs, l'un de ceux-ci pouvant être constitué par une pompe cryogénique. Les relations de structure décrites ci-dessus permettent d'obtenir une commande efficace des mouvements simultanés de la glis- sière 60 et de l'élément de soupape 80, de manière à synchroniser effectivement l'introduction du gaz haute pression et l'échappement du gaz basse pression. Comme le gaz haute pression ou basse pression est respective- ment introduit ou évacué dans une position correspondant exactement au point mort bas ou au point mort haut de la glissière 60, cela permet d'assurer que le rendement est augmenté tout en assurant une introduction ou une éva- cuation complètes de la charge de gaz. Pompe à chaleur Quand une pompe cryogénique est saturée au point de ne plus absorber de gaz nobles, cette pompe chauffe et applique une charge au poste de chaleur 24. Lorsque la température du poste de chaleur 24 atteint environ 20 K un signal est déclenché, par exemple par une diode de la pompe cryogénique. Il est ensuite néces- saire d'appliquer de la chaleur.à la pompe cryogénique. Cela peut être effectué en transformant le réfrigérateur pour le faire passer en mode de chauffage. Pour faire passer le réfrigérateur 10 en mode de chauffage, il suffit simplement d'inverser le sens de rotation du moteur 34 de façon que la came 48 tourne dans le sens des aiguilles d'une montre en figure 2. Quand le moteur fonctionne en sens inverse, le con- trôle du mouvement est initialement perdu pendant que la petite tige 42 passe d'une extrémité à l'autre de la rai- nure 44 et que la détente à bille passe de la cavité de la figure 3 à la cavité 55. Ensuite, le moteur 34 en- traîne la came 48 et la manivelle 54. L'élément de sou- pape 80 fonctionne maintenant avec un décalage de phase de 180 par rapport à son fonctionnement en mode de réfrigération. Il est inattendu qu'on puisse transfor- mer un refrigérateur cryogénique en pompe à chaleur en inversant simplement le sens de rotation d'un moteur d'entraînement. Il est possible, de cette manière, de régénérer une pompe cryogénique en 35 minutes, compara- tivement à une régénération classique nécessitant 3 h et demie. Il est possible d'utiliser une diode classique sur la pompe cryogénique pour déclencher l'inversion du moteur 34 au début et à la fin du mode de chauffage. L'inversion du sens du moteur 34 n'a pas d'effet sur ses possibilités de faire aller et venir la glissière et le piston 18, et ne modifie pas la surface du dia- gramme Pression-Volume. R E V E N D I C A T I 0 N S 1 ) Appareil cryogénique dans lequel un dispositif de piston mobile définit à l'intérieur d'une enceinte une première et une seconde chambre de volumes variables, et dans lequel on fait circuler un fluide réfrigérant, suivant un chemin compris entre la première chambre et la seconde chambre, par le mouvement du dis- positif de piston, appareil caractérisé en ce qu'il com- prend des moyens de chambre destinés à guider une glis- sière (60) reliée au dispositif de piston (18), un moteur (34) réversible relié à la glissière (60) pour lui communiquer un mouvement de va-etvient, une soupape munie d'un élément de soupape (80) pouvant aller et venir pour commander le débit de fluide haute pression et basse pression, le moteur (34).étant relié à une came (48) mon- tée de manière à communiquer à l'élément de soupape (80) un mouvement de va-et-vient en synchronisme avec le mou- vement de va-et-vient de la glissière (60), de façon que l'élément de soupape (80) introduise du fluide haute pression dans les première et seconde chambre (20, 22) lorsque le dispositif de piston (18) se trouve à chacune des extrémités de sa course, de façon que l'appareil constitue soit un réfrigérateur, soit une pompe à chaleur. 2 ) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un roulement à rouleaux (52) sur le pourtour de la came (48), ce roulement venant en contact avec une extrémité de l'élément de soupape (80) équilibré en gaz, et des moyens de ressort (85) poussant l'élément de soupape en contaact avec la came. 3 ) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la came (48) est reliée à la sortie du moteur (34) par une liai- son a mouvement mort de 180 . 4 ) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la liaison à mouvement mort est constituée par une rainure semi- circulaire (44) recevant une petite tige (42), cette rainure (44) étant coaxiale avec l'axe de l'arbre (46) de sortie du moteur (34), la rainure (44) se trouvant soit sur la came soit sur l'arbre et la petite tige se trouvant sur l'autre de ces deux éléments. ) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le moteur (34) est relié à la glissière par une manivelle (54), des moyens de détente étant prévus entre la manivelle (54) et la came (48) pour les maintenir dans une orien- tation prédéterminée. 6 ) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le piston (18) contient un régénérateur (26), la glissière (60) étant équilibrée en gaz et comportant un passage de débit axial (74) communiquant par l'une de ses extrémi- tés avec le régénérateur (26), et des manchons de sup- port en céramique (62, 66) à joint d'étanchéité à rat- trapage de jeu destines à recevoir la glissière, ces manchons de support ayant un diamètre intérieur d'au moins 12,7 mm. 7 ) Réfrigérateur cryogénique utilisant l'appareil selon la revendication 1, dans lequel un dispositif de piston mobile définit à l'intérieur d'une enceinte une première et une seconde chambre à volumes variables, et dans lequel on fait circuler un fluide réfrigérant, suivant un chemin compris entre la première chambre et la seconde chambre, d'une manière en corréla- tion avec le mouvement du dispositif de piston, réfrigé- rateur caractérisé en ce qu'il comprend une glissière (60) reliée au dispositif de piston (18), une soupape (80) destinée à commander le débit de fluide dans le chemin de fluide, un moteur électrique (34) destiné à commander le mouvement de la soupape (60) et relié méca- niquement à la glissière pour commander le mouvement de celle-ci en synchronisme avec le mouvement de la soupape (60), des moyens permettant de faire fonctionner le réfri- gérateur en mode de chauffage, ces derniers moyens compre- nant le moteur constitué par u.n moteur électrique (34) réversible destiné à faire fonctionner la soupape avec un décalage de phase de 180 par rapport au cas dans lequel elle fonctionne en mode de réfrigération.. 8 ) Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que la sortie (46) du moteur (34) com- prend une came (48) destinée à commander le mouvement de la soupape (80), et en ce que la sortie du moteur (34) est couplée à la glissière par un suiveur de came, fixé à la came en un point de celle-ci, permettant à la sou- pape de laisser entrer du gaz haute pression dans les première et seconde chambre (20, 22) pour un fonctionne- ment en réfrigérateur. 9 ) Appareil selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que la soupape (80) comprend un élément de soupape glissant poussé par un ressort (85) de manière à venir en contact avec la came (48). ) Appareil selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que la glissière (60) est de section uniforme à ses extrémités et se trouve équilibrée en gaz, la soupape (80) comprenant un élément de soupape équilibré en gaz. 11 ) Procédé de transformation d'un réfri- gérateur cryogénique selon l'une quelconque des revendi- cations 7 à 10 en une pompe à chaleur, procédé caracté- risé en ce qu'il comprend les différentes étapes consis- tant à: (a) produire une basse température à l'endroit du poste de chaleur d'un réfrigérateur monté pour refroidir un objet, (b) réaliser l'étape (a) en produisant le mouvement en corrélation d'un dispositif de piston (18) et d'un élément de soupape (80) par un moteur (34) électri- que, et en introduisant du gaz haute pression dans les chambres à volume variable (20, 22) associées au dispositif de piston (18) lorsque celui-ci se trouve à une extrémité de sa course, et (c) transformer le réfrigérateur en source de chaleur pour chauffer l'objet en inversant le sens de rota- tion du moteur (34) et en entraînant l'élément de soupape (80) avec un décalage de phase de 180 com- parativement au cas de fonctionnement de l'étape (a). 12 ) Procédé selon la revendication 11, caractérisé en ce que l'objet est une pompe cryogénique.