Brevet FR2563325A1 — publié le 19851025

Réfrigérateur magnétique rotatif. La présente invention se rapporte à un réfrigérateur magnétique qui produit un refroidissement par application d'un champ magnétique à une substance de travail et suppression de ce champ magnétique en vue de créer un refroidissement magnétique, et elle concerne en particulier un réfrigérateur magnétique rotatif prévu pour produire de l'hélium extra-fl uide. Le principe bien connu du réfrigérateur magnétique est basé sur l'effet thermomagnétique d'un matériau magnétique qui produit de la chaleur lorsqu'on lui applique un champ magnétique et qui absorbe de la chaleur lorsqu'on supprime le champ magnétique appliqué. On peut pro- duire de l'hélium extra-fluide par refroidissement magnétique, c'est-àdire à l'aide d'un réfrigérateur magnétique rotatif. Le réfrigérateur magnétique rotatif résout efficacement les difficultés inhérentes aux réfrigérateurs rotatifs et alternatifs existants, connus jusqu'à présent sous le nom de réfrigérateurs magnétiques destinés à produire de l'hélium extra-fluide. Cependant, ils n'utilisent pas encore de manière efficace les champs magnétiques intenses crées par des électro-aimants. Par exemple, le réfrigérateur rotatif décrit dans le brevet américain n 4 033 734 est du type a rotor, dans lequel le matériau magnétique est disposé sur toute la surface périphérique extérieure d'un cylindre. Dans ce rèfrigérateur, cependant, lorsqu'on utilise conmme substance de travail un matériau magnétique qui présente 2 une très bonne conductibilité thermique, par exemple le grenat de gadolinium et de gallium (Gd3Ga5012), le rendement obtenu est faible à cause de la conduction thermique de la substance de travail dans le sens circonférentiel. D'autre part, le réfrigérateur du type à rotor mis au point par W.A. Steyert (J. Appl. Phys. 49(3), 1978), présente un inconvénient en ce qui concerne l'entretien des joints d'étanchéité, du fait qu'un Mluide de travail est admis à s'écouler dans un rotor. On doit égale- ment prévoir un moyen pour faire circuler le fluide, ce qui complique beaucoup i equipement. :- iDans un réfrigérateur du type alternatif, dans lequel un maté- 2 2563325 riau magnétique est alternativement introduit dans un champ magnétique intense et est retiré de celui-ci comme le proposent R. Beranger et autres (Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 27, p. 703, 1982, Plenum Press, New York), un mécanisme est nécessaire pour transformer le mouvement de rotation en mouvement linéaire, lorsque l'entraînement se fait par un moteur. En outre, quand la course est grande, la construction de la partie d'entrainement est nécessairement compliquée et importante. L'objet de la présente invention est de fournir un réfrigéra- teur magnétique rotatif qui évite les difficultés mentionnées ci-dessus. La caractéristique de la présente invention réside en ce que deux carters cylindriques sont placés de telle sorte que leurs ouver- tures communiquant avec un agent de refroidissement à haute température se font face, chacun des carters cylindriques contient un rotor cylin- drique dans une pluralité de portions duquel est emprisonnée une substance de travail, un électro-aimant est placé de manière à appli- quer un champ magnétique intense aux deux ouvertures, et ce champ magnétique intense établi par l'électro-aimant est appliqué simultané- ment à la pluralité des portions emprisonnant la substance de travail des deux rotors cylindriques, situées dans les ouvertures communiquant avec l'agent de refroidissement a haute température. Conformément à la présente invention, on peut faire fonctionner les deux réfrigérateurs magnétiques rotatifs en utilisant en commun le champ magnétique intense. Ceci signifie que le champ magnétique intense est utilisé efficacement et que la construction du réfrigérateur est simplifiée. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante faite en relation avec les dessins ci-joints, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective, avec coupe partielle, d'un rotor cylindrique conforme à la présente invention; - la figure 2 est une vue en perspective d'un réfrigérateur magnétique rotatif suivant la présente invention; - la figure 3 est une vue en coupe transversale du réfrigéra- 3 2563325 teur magnétique rotatif suivant la présente invention; et - la figure 4 est une vue en coupe suivant le plan de coupe A-A' de la figure 3. On décrira ci-dessous un exemple de réalisation de la présente invention en se référant aux figures 1, 2, 3 et 4. Une pluralité de portions d'un cylindre calorifugé 2 sont remplies d'une substance i de travail en vue du refroidissement magnétique, de manière telle que leurs surfaces extérieures soient à découvert, afin de former-un rotor 3. La substance 1 de travail peut être un matériau magnétique tel que Gd3Gas042 (grenat de gadolinium et de gallium). Le cylindre 2 est cons- titué d'un matériau tel que l'alumine, le cristal ou tout autre maté- riau analogue qui présente un coefficient de dilatation comparable à celui de la substance de travail et dont la conductibilité thermique a une valeur faible. Les surfaces à découvert de la substance 1 de tra- vail ont le même dimaètre que le cylindre 2. La référence numérique 4 désigne un arbre autour duquel tourne le rotor 3. Deux rotors 3a, 3b de ce type sont logés respectivement dans des carters cylindriques 5a, 5b. Les substances la, lb de travail, emprisonnées dans les rotors 3a, 3b, sont disposées avec des décalages tels que le représente la figure 4. Dans l'exemple de la figure 4, les substances de travail sont décalées dey1 ety2 par rapport à la droite qui joint les centres 0, 0 des arbres 4a, 4b, la somme de y, +2 étant égale à 45 . Lorsque la substance de travail occupe six portions, la somme dey1 + Y2 est approximativement égale à 30 . Le diamètre intérieur des carters cylindriques 5a, 5b est de 10 à 100,u supérieur au diamètre extérieur des rotors 3a, 3b. Les carters cylindriques 5a, 5b sont constitués d'un matériau qui présente une conductibilité thermique de faible valeur et dont le coefficient de dilatation est comparable à celui du matériau constituant le rotor. Des ouvertures 7a, 7b sont formées de telle manière que les substances la, lb de travail des rotors 3a, 3b peuvent entrer en contact avec l'hélium liquide ordinaire 6 (à 4,2 K et sous 1 atm) qui les entoure. Les carters cylindriques 5a, 5b sont disposés de telle sorte que les ouvertures 7a, 7b se font face et ils sont équipés également de chambres 8a, 8b de refroidissement placées en des points pratiquement symétriques aux ouvertures 7a, 7b. Les chambres 8a, 8b de 4 2563325 refroidissement sont remplies d'hélium extra-fluide (a 2,2 'K ou moins et sous 1 atm) qui joue le rôle d'agent de refroidissement à basse température. L'hélium extra-fluide 9a, 9b peut communiquer, par l'intermédiaire de tubes calorifugés O10a, lob, avec une chambre 11 de S refroidissement qui est termiquement isolée par un vide. Dans la chambre 11 de refroidissement, un matériau 12 à refroidir est immergé dans l'hélium extra-fluide 13. Une bobine principale supraconductrice 14 est montée en vue d'appliquer un champ magnétique intense aux substances la, lb de travail des rotors 3a, 3b faisant face aux ouvertures 7a, 7b. Dans ce cas, un champ magnétique (le champ magnétique intense 7) créé par la bobine principale supraconductrice 14, est appliqué aux substances la, lb de travail des rotors faisant face aux chambres 8a, 8b de refroidissement. Des bobines supraconductrices de compensation 15a, 15b créent un champ magnétique de sens opposé à celui du champ magnétique intense 7, de sorte qu'un champ magnétique faible 15 est appliqué au voisinage des substances la, lb de travail des rotors faisant face aux chambres 8a, 8b de refroidissement. De cette manière, les substances la, lb de travail placées dans le champ magnétique intense 7 peuvent entrer en contact direct, par les ouvertures 7a, 7b, avec l'hélium liquide 6 jouant le rôle d'agent de refroidissement à haute température, tandis que les substances la, lb de travail placées dans le champ magnétique faible peuvent entrer en contact direct, dans les chambres de refroidissement, avec l'hélium extra-fluide 9a, 9b jouant le rôle d'agent de refroidissement à basse température. Lorsque le champ magnétique est réparti comme on l'a décrit ci-dessus, les rotors 3a, 3b sont entrainés par un moteur (non représenté) placé dans une partie à la température ambiante (300 K), par l'intermédiaire d'un arbre 16 de commande et d'engrenages 17, 18. Les rotors sont supportés par des paliers 19a, l9b, 20a et 20b, et tournent dans les carters cylindriques 5a, 5b sans qu'il y ait de contact, en maintenant entre eux un faible intervalle qui est rempli d'hélium liquide 6. Lorsque les rotors 3a, 3b tournent, les substances de travail emprisonnées dans les cylindres traversent alternativement la partie 7 de champ magnétique intense et la partie 15 de champ magné- 2563325 tique faible. I1 est souhaitable d'augmenter le nombre de portions contenant la substance de travail, par exemple de 12 à 36 par rotor, au point de vue de la réduction des variations de la force d'entraînement nécessaire et également de la réduction de la valeur absolue de la force d'entrainement requise. Dans ce cas, les éléments à faible conductibilité thermique, disposés entre les substances -de travail voisines, doivent être distants de 5 à 30 mm afin de réduire les pertes thermiques dues au transfert de chaleur. On peut faire tourner les rotors 3a, 3b dans le même sens lorsqu'il y a beaucoup de portions de substance de travail. Lorsque le nombre de portions de substance de travail est peu élevé, cependant, on doit faire tourner les rotors en sens contraire l'un de l'autre. Ceci revient à dire que, lorsque le nombre de portions de substance de travail est faible, la substance de travail est attirée par le champ magnétique avec une force relativement importante. En faisant tourner les rotors en sens contraire l'un de l'autre pour annuler la force d'attraction, on peut réduire les variations du couple nécessaire pour entraîner les rotors. On doit faire tourner la substance de travail à un fréquence f comprise entre 0,1 et 1 Hz environ. La substance de travail produit de la chaleur dans le champ magnétique intense 7 et cède cette chaleur à l'hélium liquide 6. Dans le champ magnétique faible 15, la température de la substance de tra- vail chute, de sorte que celle-ci absorbe la chaleur de l'hélium extrafluide 9a, 9b. En faisant tourner les rotors de manière continue, on permet à la substance de travail de céder et d'absorber de la chaleur de manière répétée. Ceci revient à dire que la chaleur libérée par lie matériau 12 en cours de refroidissement est absorbée par l'intermédiaire de l'hélium extra-fluide 13, 9a, 9b, de sorte que le matiriau 12 en cours de refroidissement est maintenu à une température basse. Dans la description qui précède, on a prévu d'utiliser l'hélium liquide (. environ 4,2 K et sous 1 atm, conme agent de refroidissement 6 2563325 à haute température pour produire l'hélium extra-fluide (à environ 2,2 K ou moins) du côté basse température. Cependant, on peut maintenir le côté basse température à une température au moins inférieure à la température de l'agent de refroidissement à haute température, de sorte que de l'hélium extra-fluide ne doit pas nécessairement être produit du côté basse température. Les rotors peuvent également être logés dans deux portions cylindriques qui sont placées dans un seul carter. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de riali- sation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de variantes et de modifications qui apparaîtront i l'homme de l'art. 7 2563325 REVENDICATIONS 1. Réfrigérateur magnétique rotatif comprenant des rotors dans lesquels des portions d'une substance de travail sont emprisonnées à intervalle égal le long de leur circonférence extérieure, et qui sont constitués d'un matériau à faible conductibilité thermique, des ouver- tures qui sont formées dans les surfaces extérieures de ces rotors de manière à communiquer avec un agent de refroidissement à haute tempéra- ture, des carters comportant des portions de refroidissement prévues sur leurs côtés opposés à ces ouvertures, des moyens pour créer un champ magnétique intense au voisinage des ouvertures et un champ magné- tique faible près des portions de refroidissement, et un moyen pour entraîner ces rotors, ce réfrigérateur magnétique rotatif étant carac- térisé en ce qu'il comprend: - deux rotors de ce type; des carters présentant des ouvertures qui sont formées en commun pour ces deux rotors, et des portions de refroidissement qui sont formées indépendamment de ces rotors un moyen formant un seul électro-aimant pour créer un champ magnétique intense près des ouvertures; des moyens pour créer un champ magnétique faible près des por- tions de refroidissement; et un moyen d'entraînement pour faire tourner ces deux rotors en synchronisme l'un avec l'autre. 2. Réfrigérateur magnétique rotatif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les positions des portions de substances de travail emprisonnées dans les deux rotors sont déterminées de telle manière qu'elles se trouvent décalées entre ces deux rotors lorsque les substances de travail s'approchent du champ magnétique intense.