Brevet FR2566887A1 — publié le 19860103

>2566887 "Réfrigérateurs cryogéniques à étages multiples, capables d'obtenir une réfrigération à une température se situant entre 4,5 et 10 Kelvin" L'invention concerne les réfrigérateurs cryogéniques à étages multiples. Les réfrigérateurs cryogéniques, selon l'art antérieur, utilisés jusqu'à maintenant et permettant d'obtenir une réfrigération jusqu'à environ 4,5 à 10 K, sont limités à des applications relatives à des tentatives techniques o le coût n'est pas une considération prédo- minante et o l'on dispose de personnel hautement qualifié pour entretenir les réfrigérateurs. Un système simple utilisant de l'hélium liquide provenant d'un vase Dewar de stockage d'hélium liquide en masse, qu'on transporte vers un dispositif d'essais de fonctionnement, nécessite du personnel technique très expérimenté simplement pour effectuer le transfert avec un minimum de pertes. Le coût de l'hélium liquide seul rend un tel système peu pratique pour des recherches et/ou un fonctionnement continu. Ces systèmes sont généralement limités à un petit nombre d'essais nécessaires pour obtenir des caractéristiques de fonctionnement ou pour vérifier un principe. Pour des opérations de longue durée, la plupart des utilisateurs préfèrent utiliser des réfrigérateurs à cycle fermé. L'équipement selon l'invention, très largement utilisé dans le domaine des radio-télescopes, fait appel à un réfrigérateur cryogénique à deux étages pour refroidir un courant d'hélium à haute pression à une température suffisamment basse pour obtenir un effet de réfrigération net, lorsque l'hélium est détendu dans une soupape de Joule-Thomson. Ce système présente un rendement raisonnable, mais il est cher et compliqué tout en nécessitant du personnel très expérimenté pour le faire fonctionner et l'entretenir. De plus, la soupape de Joule-Thomson est extrêmement sensible aux impuretés contenues dans l'hélium, car la surface d'orifice de cette soupape est typiquement de 3,6 x 10-2mm2 et se rétrécit progressivement en provoquant une dégradation supplémentaire de la capacité de réfrigération. Le problème posé ici concerne la manière de développer un petit réfrigérateur cryogénique à cycle fermé produisant une réfrigération à une température se situant entre 4,5 et 10 K. L'essentiel du travail effectué par les autres fabricants pour améliorer un réfrigérateur selon l'art antérieur, concerne la matrice du régénérateur, et en particulier la forme et les matériaux de celle-ci. Comme le gluide qui travaille est l'hélium, il est évident qu'il existe une désadaptation entre les capacités thermiques de la matrice de régénérateur et de l'hélium. Pour équilibrer les deux, il est nécessaire d'augmenter l'importance de la matrice, ce qui augmente le volume de vides du régénérateur et/ou la chute de pression. Pour atteindre la plage de températures indiquée ci-dessus, il apparaît nécessaire de disposer de masses de régénérateur très importantes pouvant atteindre 6 kg et des surfaces de transfert de chaleur pouvant atteindre 20.000 cm.Ces échangeurs de chaleur sont considérés comme trop importants pour être d'un quelconque intérêt pratique. Lorsque la masse du régénérateur est réduite à une valeur plus réaliste de l'ordre de 500 grammes, ce qui représente environ le double de la masse utilisée à l'heure actuelle dans les machines classiques, le refroidissement et/ou la Z566887 réfrigération nettes descendent au-dessous de 10 K avec un réchauffage apparent se produisant dans la zone intéressante. Comme cela apparaîtra clairement ci-après, les problèmes liés à l'art antérieur ont été résolus en utilisant un premier et un second réfrigérateurs cryogéniques classiques à étages multiples. Des moyens moteurs sont utilisés pour faire fonctionner ces réfrigérateurs avec un déphasage de 180 . Le dernier étage de chaque bloc comprend un régénérateur. Les régénérateurs des derniers étages sont montés dans une disposition d'échange thermique. L'invention a pour but de créer un réfrigérateur cryogénique permettant de résoudre les problèmes posés par l'art antérieur en utilisant un appareil muni d'un premier et d'un second réfrigérateurs cryogéniques associés entre eux et synchronisés de façon que les débits de masse traversant l'élément d'échange de chaleur final soient raisonnablement bien équilibrés. A cet effet, l'invention concerne un appareil cryogénique caractérisé en ce qu'il comprend un premier et un second réfrigérateur cryogénique présentant chacun des étages multiples, et des moyens moteurs associés à ces réfrigérateurs pour les faire fonctionner avec un déphasage de 180 , le dernier étage de chaque réfrigérateur comprenant un régénérateur, ces régénérateurs étant montés dans une disposition relative d'échange thermique de récupé- ration de chaleur. Un autre avantage de l'invention est caractérisé en ce que le moteur est un moteur pas à pas à courant continu présentant un entraînement à vitesse va- riable. Un autre avantage de l'invention est caractérisé en ce que l'appareil comprend un compresseur unique pour fournir du fluide haute pression au premier réfrigérateur tout en assurant l'échappement du fluide basse pression du second réfrigérateur. 2S66887 Un autre avantage de l'invention est caractérisé en ce que chaque réfrigérateur comporte trois étages, les régénérateurs étant associés au troisième étage et placés à l'extérieur de celui-ci de manière à être traversés par le fluide circulant à contre-courant. Un autre avantage de l'invention est caractérisé en ce que les réfrigérateurs sont disposés côte à côte, avec les moyens moteurs placés à une extrémité et les régénérateurs placés à l'autre extrémité. Un autre avantage de l'invention consiste à placer les régénérateurs des étages finals des réfrigérateurs dans une disposition d'échange thermique de récupération de chaleur avec un débit à contre-courant. Un autre avantage de l'invention est caractérisé en ce que le procédé comprend l'étape consistant à diminuer la vitesse du moteur lorsqu'on atteint des températures plus basses. Un autre avantage de l'invention est caractérisé en ce que le procédé comprend l'étape consistant à envoyer du fluide haute pression dans le premier réfrigé- rateur tout en assurant l'échappement de fluide basse pression du second réfrigérateur, au moyen d'un compresseur unique. L'invention sera décrite en détail en se référant aux dessins ci-joints dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe d'un appareil selon l'invention; - la figure 2 est une vue de détail, à plus grande échelle, d'une partie de l'appareil représenté sur la figure 1; et - la figure 3 est une vue en élévation d'un manchon de support de soupape. En se référant en détail aux dessins dans lesquels les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références, ces dessins représentent un appareil de réfri- gération selon l'invention repéré dans son ensemble par la 2t5-66887 référence 10. L'appareil 10 comprend un premier et un second réfrigérateur cryogénique à étages multiples 12 et 14 couplés ensemble par un bottier commun 16. Les réfrigé- rateurs 12 et 14 sont identiques mais déphasés de 180 comme cela apparaîtra plus clairement ci-après. Par suite, seul le réfrigérateur 12 sera décrit en détail, les éléments correspondants du réfrigérateur 14 étant repérés par les mêmes références numériques "prime". Le réfrigérateur 12 comporte plusieurs étages, ces derniers étant au nombre de trois dans le cas représenté ici. Les étages sont placés à l'intérieur d'un bottier sous vide non représenté. Le premier étage comprend un élément de déplacement 18 placé dans un bottier 17. La longueur de l'élément de déplacement 18 est inférieure à la longueur du bottier 17 de manière à définir une chambre chaude 20 au-dessus de celuici et une chambre froide 22 au-dessous de celui-ci. Les appellations de chambre chaude et de chambre froide sont relatives, comme cela est bien connu des spécialistes de la question. A l'intérieur de l'élément de déplacement 18 se trouve un régénérateur 19 contenant une matrice. Des orifices font communiquer l'extrémité supérieure de la matrice du régénérateur 19 avec la chambre chaude 20. Des orifices disposés radialement font communiquer l'extrémité inférieure de la matrice du régénérateur 19 avec un espace de jeu 21 disposé entre le pourtour extérieur de l'extrémité inférieure de l'élément de déplacement 18 et le pourtour intérieur du bottier 17. Ainsi, l'extrémité inférieure de la matrice du régénérateur 19 communique avec la chambre froide 22 par les orifices radiaux et par l'espace de jeu 21 consti- tuant un échangeur de chaleur à intervalle annulaire. La matrice du régénérateur 19 est de préférence constituée par un empilement de matériau de maille 200 présentant une chaleur spécifique élevée, tel que par exemple du bronze de cuivre-zinc à 95/5. La matrice présente une faible surface de vides et une faible chute de pression. Cette matrice peut être réalisée dans d'autres matériaux tels que des sphères de plomb, de nylon, de verre etc... Le second étage comprend un élément de déplacement 26 relié à l'élément de déplacement 18 de manière à se déplacer avec celui-ci. L'élément de déplacement 26 est placé à l'intérieur d'un boîtier 24. La chambre 22 constitue la chambre chaude du second étage. L'élément de déplacement 26 comprend un régénérateur 30 qui peut être le même que le régénérateur 19. L'extrémité supérieure du régénérateur 30 communique avec la chambre 22 par le passage 28 de l'élément de déplacement 26. la chambre froide du second étage est repérée par la référence 32. La chambre 32 communique avec l'extrémité inférieure du régénérateur par des orifices radiaux et un intervalle de jeu 34 ménagé entre le pourtour extérieur de l'extrémité inférieure du régénérateur 26 et le pourtour intérieur du boltier 24. Le troisième étage comprend un élément de déplacement 36 relié à l'élément de déplacement 26 de manière à se déplacer avec celui-ci. la chambre 32 constitue la chambre chaude du troisième étage. La chambre froide associée au troisième étage est repérée par la référence 38. Un poste de chaleur 40 entoure la chambre 38 à l'extré- mité inférieure du boîtier 35. Les chambres 32 et 38 commu- niquent l'une avec l'autre par des conduits 42, 44 couplés aux extrémités opposées de l'échangeur de chaleur 46 contenant le régénérateur 48. Dans la position des éléments de déplace- ment, le sens du débit dans les conduits 42, 44 est celui représenté sur la figure 1. On remarquera que le diaiètre de chaque élément de déplacement devient progressivement plus petit, et que le régénérateur associé au troisième étage est extérieur à ce troisième étage. Le débit traversant l'échangeur de chaleur 46, commun aux deux réfrigérateurs 12 et 14, est à contre-courant et s'inverse à chaque demi- cycle. Un moteur 50 est monté dans le boitier 16 entre les réfrigérateurs 12 et 14. Le moteur 50 est de préférence un moteur électrique pas à pas à courant continu présentant un entraînement à vitesse variable et comportant un arbre de sortie à chacune de ses extrémités. L'arbre de sortie placé à une extrémité du moteur 50 est relié à l'élément de déplacement 18, tandis que l'arbre de sortie placé à l'autre extrémité du moteur 50 est relié à l'élément de déplacement 18' de telle manière que les éléments de déplacement soient déphasés de 180 . Seul l'accouplement entre le moteur et l'élément de déplacement 18 sera décrit en détail. On se référera à la figure 2 illustrant la structure située dans le coin supérieur gauche de la figure 1, cette représentation étant effectuée à plus grande échelle. Une came 52 est reliée à l'arbre de sortie 54 situé à une extrémité du moteur 50. Une came 52' est reliée à l'arbre de sortie situé à l'autre extrémité du moteur 50. Les cames 52 et 52' sont déphasées de 1800. Un suiveur de came de type à roulement à rouleaux 56 est relié au pourtour extérieur de la came 52. Un bras de manivelle 58 est relié à l'arbre 54. Le bras de manivelle 58 est relié à un suiveur de came de type à roulement à rouleaux 60 par l'arbre 62. Les arbres 54 et 62 sont parallèles. Le suiveur de came 60 est placé à l'intérieur d'une fente transversale de la glissière 64. La glissière 64 est reliée à l'extrémité supérieure de l'élément de déplacement 18. La glissière 64 comporte un élément d'insertion 66 guidé par un manchon de support à jeu 68. La glissière 64 comporte également un élément d'insertion de support cylindrique 70 guidé par un manchon de support de jeu 72. Les éléments d'insertion sont de préférence réalisés dans un matériau dur tel que de l'acier rapide traité à chaud, et les manchons de support sont de préférence réalisés dans un composé de matière plastique à faible coefficient de frottement imprégné par d'autres matériaux de stabilisation et de réduction d'usure. Le manchon de support 72 est maintenu en place, à son extrémité inférieure, par un élément de retenue 74 relié au bottier 16. Une chambre 76 placée à l'intérieur du manchon de support 68 communique avec le régénérateur 19 par un passage de débit axial 78 de la glissière 64. Le passage 78 empêche les gaz d'être comprimés dans la chambre 76, lorsque la glissière 64 se déplace vers le haut. Par suite, la glissière 64 est équilibrée en gaz lorsque son diamètre est le même à ses deux extrémités. Le bottier 16 comporte un trou parallèle à la glissière 64 et venant en face du pourtour de la came 52. Dans ce trou se trouve une soupape à bobine repérée dans son ensemble par la référence 80. Cette soupape comprend un manchon de support d'étanchéité à dégagement 82 réalisé de préférence dans un matériau métallique à grain fin. La soupape 80 comprend un élément de soupape à bobine cylindrique 84 placé dans le manchon de support 82. L'élément de soupape 84 présente une rainure 86 sur son pourtour extérieur, en un point situé entre ses extrémités, et comporte un passage d'égalisation axial 88. Des joints d'étanchéité constitués de préférence par des joints toriques, sont montés sur les différents éléments, comme indiqué sur les dessins. Un ressort hélicoidal est de préférence monté entre l'élément de retenue 74 et une cavité ménagée dans l'extrémité inférieure de l'élément de soupape 84 pour pousser ce dernier en contact avec le suiveur de came 56 de la came 52. L'élément de soupape 84 est entraîné vers le bas par la came 52, et vers le haut par la dilatation du ressort 90. Le passage 88 empêche la compression des gaz à l'intérieur de la cavité contenant le ressort 90. En se référant aux figures 2 et 3, le manchon de support 82 comporte des rainures espacées axia- lement 92, 94 et 96 sur son pourtour extérieur. Des passages de débit 98 traversent radialement la paroi inférieure de chacune des rainures. Comme indiqué plus clairement sur la figure 3, les passages de débit 98 des rainures 92, 96 ont leurs axes placés sur une ligne inclinée en biais d'environ 3 par rapport à la circonférence. Par suite, lorsque l'un des passages de débit 98 repéré par la référence X est complètement ouvert, un autre passage de débit repéré par la référence Y commence juste à s'ouvrir et vice versa. Les débits passant dans les passages 98 compris entre les passages X et Y, se trouvent dans un état intermédiaire de débit partiel. Ainsi, les passages 98 des rainures 92, 96 présentent une configuration hélicoïdale et un diamètre compris de préférence entre 0,79 mm et 2,.36 mm, lorsque le support 83 présente un diamètre intérieur de 12,7 mm. On peut augmenter ou diminuer à volonté le nombre des passages de débit 98 en modifiant convenablement le diamètre pour obtenir le débit voulu. Dans la position de l'élément de soupape 84 indiquée sur la figure 2, la rainure 86 communique avec la chambre chaude 20 par le passage 98. De plus, la rainure 86 communique avec le passage d'entrée haute pression 100. Le passage 100 est relié à la sortie du compresseur 102. Lorsque l'élément de soupape 84 se trouve en position haute maximum, le passage 98 communique avec le passage 104 par la rainure 86. Le passage 104 communique avec l'intérieur du boîtier du moteur lui-même couplé à l'entrée ou au côté basse pression du compresseur 102. Le bottier 16 est réalisé en plusieurs éléments pour faciliter l'usinage, le montage, l'accès à la glissière 64 et à la soupape 80 etc... La manière de réaliser le boltier en plusieurs éléments n'est pas illustrée ici mais sera évidente pour les spécialistes de la question. Le réfrigérateur 10 est de préférence conçu pour être utilisé avec un fluide cryogénique, tel que l'hélium, mais on peut également utiliser d'autres fluides tels que l'air et l'azote. On décrira maintenant le fonctionnement de l'appareil. Comme indiqué sur la figure 1, chacun des éléments de déplacement associés au réfrigérateur 12 se trouve au point mort bas tandis que chacun des éléments de déplacement associés au réfrigérateur 14 se trouve au point mort haut. Le mouvement de va-etvient vertical de la glissière 64 est commandé par la position de rotation de la came 52. L'élément de soupape à bobine 84 se trouve en position basse maximum, tandis que le ressort 90 est comprimé par contact entre l'élément de soupape 84 et le suiveur de came 56 de la came 52. Du fluide haute pression est introduit par le passage 100 pour atteindre la rainure 86 et le passage 98, puis ensuite la chambre chaude 20. Le passage 104 est bloqué par l'élément de soupape 84. Le role de chacun des régénérateurs 19, et 48 est de refroidir le gaz descendant à travers ceux- ci, et de réchauffer le gaz montant à travers eux. Dans son déplacement descendant à travers les régénérateurs, le gaz est refroidi, ce qui provoque une diminution de pression et l'entrée de gaz supplémentaire dans le système pour maintenir la pression de cycle maximum. La baisse de température du gaz contenu dans la chambre 38 constitue la réfrigération utile qu'on doit obtenir de l'appareil à l'endroit du poste de chaleur 40. Lorsqu'il monte à travers les régénéra- teurs 19, 30 et 48, le gaz est chauffé par la matrice associée à celui-ci de manière à atteindre une température voisine de la température ambiante, en refroidissant ainsi la matrice associée. Lorsqu'il descend à travers l'échangeur de chaleur 46, le gaz passe en sens inverse à travers l'échangeur de chaleur 46', ce qui permet ainsi d'obtenir des échangeurs de chaleur généralement mieux équilibrés. l1 Lorsque le moteur 50 fait tourner la came 52, les éléments de déplacement du réfrigérateur 12 se déplacent vers le haut, à partir du point mort bas tandis que les éléments de déplacement du réfrigérateur 14 se déplacent vers le bas, à partir du point mort haut. Lorsque la came 52 continue de tourner, l'élément de soupape 84 se déplace vers le haut sous la pression du ressort 90. Lorsque l'élément de soupape 84 est monté suffisamment haut, cet élément coupe le débit entre le passage 100 et la rainure 86. Lorsque la came 52 continue de tourner, la glissière 64 continue de se déplacer vers le haut. Lorsque la glissière 64 arrive au voisinage du point mort haut, le suiveur de came 57 permet à l'élément de soupape 84 d'aller et venir suffisamment loin vers le haut pour amener la rainure 86 à faire communiquer le passage 98 avec le passage 104, ce qui débute ainsi la partie d'échap- pement du cycle. Les passages 98 des rainures 929 96 sont progressivement ouverts jusqu'au plein débit. Pendant cette période, la pression diminue à l'intérieur des éléments de déplacement de sorte que la différence de pression de part et d'autre de l'élément de soupape 84 diminue, en demandant ainsi une surface de débit plus importante (plus de passages 98 complètement ouverts) de manière à vider complètement le volume des éléments de déplacement. La technique d'adaptation de la surface de débit à la différence de pression de part et d'autre de l'élément de soupape 84 permet d'atteindre un débit de masse pratiquement constant, entrant et sortant des élé- ments de déplacement, de manière à augmenter ainsi le temps de séjour du fluide à l'intérieur de la matrice des régéné- rateurs, tout en réduisant les pertes de débit produites par la chute de pression et les chocs appliqués au mécanisme d'entraînement. Une forme typique de réalisation de l'appareil 10 fonctionne au rythme de 72 à 80 cycles par minute. Le mouvement de va-et-vient des éléments de dépla- cement 18, 26 et 36 est synchronisé de manière à se produire simultanément dans le même sens que celui de l'élément de soupape correspondant, avec un déphasage de 180 par rapport aux éléments correspondants du réfrigérateur 14. La synchronisation est commandée par les cames de façon que les éléments de soupape associés effectuent un mouvement de va-et-vient à un rythme différent de celui du mouvement de va-et-vient des éléments de déplacement associés. L'invention permet de résoudre le problème consistant à faire fonctionner deux réfrigérateurs cryogéniques avec une synchronisation convenable et une relation de phase constante, en utilisant un moteur 50 à arbre double destiné à entraîner les éléments de déplacement de chaque réfrigérateur. Cette disposition permet de s'assurer que les réfrigérateurs sont déphasés de 1800 en temps absolu. L'invention permet également de résoudre le problème consis- tant à obtenir un équilibrage raisonnablement bon des débits de masse dans l'élément d'échange thermique final de chaque réfrigérateur. Le marché potentiel de l'appareil selon l'invention concerne notamment son utilisation dans les dispositifs de balayage à résonance magnétique nucléaire, les dispositifs d'interférences quantifiées dans les supra- conducteurs, les plaquettes de calcul des calculateurs, les détecteurs infrarouges, les petits aimants supra-conduc- teurs etc... Le principe de l'invention peut s'utiliser dans des réfrigérateurs analogues mettant en oeuvre un cycle différent tel que le cycle de Sterling. Lorsque le moteur 50 fonctionne à 72 tours/minute, on n'utilise qu'environ 30 % seulement de la capacité disponible du compresseur au démarrage, pendant le refroidissement. En utilisant un moteur 50 à entraînement à vitesse variable, on peut augmenter la vitesse de ce moteur pour utiliser la pleine capacité du Z566887 compresseur 102, et la réduire ensuite progressivement, lorsque la machine se refroidit. Cette procédure réduit le temps nécessaire au refroidissement de l'appareil. En réduisant la vitesse du moteur à basse température, on peut atteindre une température plus basse. l'invention peut être réalisée sous d'autres formes particulières sans sortir du cadre de celle-ci. R E V E N D I CA T IONS 1 ) Appareil cryogénique (10) caractérisé en ce qu'il comprend un premier et un second réfrigérateur cryogénique (12, 14) présentant chacun des étages multiples, et des moyens moteurs (50) associés à ces réfrigérateurs (12, 14) pour les faire fonctionner avec un déphasage de , le dernier étage de chaque réfrigérateur (12, 14) comprenant un régénérateur (48), ces régénérateurs (48) étant montés dans une disposition relative d'échange thermique de récupération de chaleur. 2 ) Appareil selon la revendication 1, carac- térisé en ce que les moyens moteurs (50) sont constitués par un moteur électrique unique (50) entraînant chaque réfrigé- rateur (12, 14). 3 ) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le moteur (50) est un moteur pas à pas à courant continu présentant un entraînement à vitesse variable. 4 ) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un compresseur unique (102) pour fournir du fluide haute pression au premier réfrigérateur (12) tout en assurant l'échappement du fluide basse pression du second réfrigéra- teur (14). 5 ) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chaque réfrigé- rateur (12, 14) comporte trois étages, les régénérateurs (48) étant associés au troisième étage et placés à l'extérieur de celui-ci de manière à être traversés par le fluide circulant à contre-courant. 6 ) Appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les réfrigéra- teurs (12, 14) sont disposés côte à côte, avec les moyens moteurs (50) placés à une extrémité et les régénérateurs (48) placés à l'autre extrémité. 7 ) Procédé utilisant l'appareil selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 pour obtenir une réfri- gération dans la plage de température comprise entre 4,5 et K, procédé caractérisé en ce qu'il comprend les diffé- rentes étapes consistant à: a) faire fonctionner les premier et second réfrigérateurs cryogéniques (12, 14) au moyen d'un moteur commun (50) de façon qu'un élément de déplacement (18, 26, 36) placé dans le premier réfrigérateur soit déphasé de 180 par rapport à l'élément de déplacement placé dans le second réfrigérateur, et b) placer les régénérateurs (48) des étages finals des réfrigérateurs (12, 14) dans une disposition d'échange thermique de récupération de chaleur avec un débit à contre-courant. 8 ) Procédé selon la revendication 7, caracté- risé en ce qu'il comprend l'étape consistant à diminuer la vitesse du moteur (50) lorsqu'on atteint des températures plus basses. 9 ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à utiliser un débit de masse générale- ment équilibré dans les régénérateurs (48)o ) Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend l'étape consistant à envoyer du fluide haute pression dans le premier réfrigérateur (12) tout en assurant l'échappement de fluide basse pression du second réfrigérateur (14), au moyen d'un compresseur unique (102).