Brevet FR2610999A1 — publié le 19880819

COMPRESSEUR CRYoGENIQUE A ADSORPTION ET INSTALLATION DE REFRIGERATION EN FAISANT APPLICATION La présente invention concerne le domaine technique de la réfrigération ou de la liquéfaction d'un fluide cryogénique et elle vise, plus particulièrement, le refroidissement de tout appareillage de mesure, de contrôlée, en l 'voratoire ou en site industriel ou, encore, d'appareillages d'utilisation devant être maintenus à basse température pour fournir un service fiable et durable comme, par exemple, les détecteurs infra-rouges. L'entretien d'une source froide à très basse température, par exemple, vers 40 K peut faire intervenir divers cycles de réfrigération de l'hélium. La phase la plus froide d'un cycle de réfrigération, c' est-à-dire cet le comprenant un gradient de température entre 200 K et 40 K, fait intervenir un circuit à détente de JOULE-THOSON associé à un compresseur mécanique de l'hélium à température ordinaire. Une telle instalLation ne donne pas, généralement, satisfaction, en raison de la présence du compresseur mécanique qui représente un élément peu fiable ne pouvant, de surcroît, être crédité d'un fonctionnement satisfaisant pour Les faibles puissances. En outre, de tels compresseurs doivent être entraînés en fonctionnement par des moteurs annexes qui sont, généralement, source de vibrations et de consommation d'énergie, toutes choses incompatibles avec les applications où il convient de pouvoir disposer d'une source froide de plus faible encombrement possible et de grande fiabilité de fonctionnement. La technique antérieure connaît, également, des compresseurs à adsorption mettant en oeuvre le principe connu selon lequel du charbon actif adsorbe une quantité de gaz d'autant plus grande qu'il se trouve placé à basse température, alors, qu'inversement, un tel charbon désorbe le gaz adsorbé dés qu'il est relativement réchauffé, par exemple, au dessus de 900 K. Les compresseurs à adsorption mettant en oeuvre cette propriété sont, toutefois, compliqués, délicats et couteux, en raison des moyens mis en oeuvre pour, soit déplacer une cellule à charbon actif entre une zone froide et une zone chaude, soit, au contraire, déplacer de telles zones par rapport à une cellule à charbon actif occupant une position fixe. La présente invention a pour objectif de proposer une nouvelle structure de compresseur cryogénique à adsorption visant à éliminer les inconvénients attachés aux compresseurs de types connus, afin de permettre la réalisation d'installations fonctionnelles de faible encombrement, mais de fonctionnement sur, susceptibles d'etre mises en service dans de nombreuses applications et même à bord d'engins mobiles. L'objet de l'invention est de proposer une nouvelle structure de compresseur cryogénique à adsorption dont le fonctionnement ne fait intervenir aucune pièce active en mouvement et peut être contré automatiquement à distance par un asservissement électrique de faible puissance. Pour atteindre les objectifs ci-dessus, le compresseur cryogénique conforme à l'invention comprend : - une cellule principale à charbon actif, d'adsorption-désorption, associée à une source de chauffage et en relation avec une capacité, partiellement remplie de-fluide cryogénique, par deux canalisations respectivement d'admission et de refoulement, - des moyens de couplage-découplage thermique entre la cellule principale et une source froide, - et des moyens d'asservissement commandant cycliquement le fonctionnement en relation inverse de la source de chauffage et des moyens de couplage-découplage thermique. Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. La fig. 1 est une coupe-élévation schématique d'un compresseur cryogénique à adsorption conforme à l'invention. La fig. 2 est une coupe-élévation partielle illustrant une variante de réalisation de l'un des éléments constitutifs du compresseur. La fig. 3 est une coupe-élévation partielle montrant, schématiquement, une installation de réfrigération mettant en oeuvre plusieurs compresseurs cryogéniques à adsorption conformes à L'invention. Le compresseur cryogénique à adsorption, conforme à l'invention, est destiné à assurer le refroidissement d'une source froide 1 par réfrigération ou, encore, à liquéfier de l'hélium dans cette cellule. Le compresseur, désigné dans son ensemble par la référence 2, est relié, à La source 1, par un circuit 3 incluant une canalisation d'admission 4 et une canalisation de refoulement 5. La canalisation 4 comporte une dérivation 6 contrôlée par un robinet 7 et destinée à permettre le remplissage du circuit 3 avec une charge d'hélium délivrée par une bouteille, non représentée aux dessins. La canalisation dé refoulement 5 comprend une dérivation de purge 8 qui est disposée en amont d'un clapet anti-retour 9, à sens d'ouverture selon la flèche f1. Le clapet 9 est placé lui-même en amont d'un détendeur 10 par rapport à la capacité 1. Le compresseur 2 comprend une cellule principale 11 à charbon actif, dite à adsorption-désorption, qui est raccordée aux canalisations 4 et 5. Selon un mode de montage connu, la canalisation d'admission 4 représente, simultanément, l'organe de support de la cellule 11, à l'intérieur de laquelle cette canalisation s'ouvre par L'intermédiaire d'un clapet anti-retour 12 sensible à l'ouverture dans le sens de la flèche f2. La cellule principale Il est réalisée en une matière bonne conductrice de La chaleur et peut comporter, à cet effet, une enveloppe 13 en cuivre, associée à un chemisage extérieur en acier inoxydable chargé de lui conférer une bonne résistance mécanique. L'enveloppe 13 s'élève à partir d'une embase 14 et se trouve raccordée à la canalisation de refoulement 5. L'enveloppe 13 est fermée par un couvercle 15 prolonge, intérieurement à la cellule 11, par une colonnette 16 terminee par un plateau 17. Le couvercle 15, la colonnette 16 et le plateau 17 sont réalisés en un matériau bon conducteur de la chaleur. Le couvercle 15 et le plateau 17 représentent des éléments de fixation pour le maintien d'une masse de charbon actif 18 constituée, dans un exemple de réalisation, par des charges individuelles 19 qui sont incluses à des tresses 20 conductrices tendues entre le couvercle 15 et le plateau 17. La fig. 2 montre une variante de réalisation dans laquelle la masse de charbon actif est constituée par des couches 21 occupant le volume interne de la cellule 11 et séparées par des plateaux conducteurs 22, de préférence, percés de trous pour améliorer l'échange entre chaque étage. Le dernier plateau conducteur 22 est, de préférence, réalisé en un matériau conducteur et poreux, de manière à confiner le charbon actif à l'intérieur du volume de la cellule 2 et éviter toute infiltration dans le circuit 3. La cellule principale Il est associée à une source de chauffage 24 qui est, de préférence, constituée par une résistance électrique dont l'alimentation est placée sous la dépendance de moyens d'asservissement 25. La cellule principale 11 est associée à des moyens 26 de couplage ou de découplage thermique par rapport à une source froide 27, maintenue à environ 200 K, qui peut être constituée, soit par un réservoir d'hydrogène liquide, soit par tout autre moyen (par exemple le point froid d'un cryoréfrigérateur). Les moyens 26 comprennent une enceinte 28 réalisée en un matériau bon conducteur de la chaleur et, de préférence, placée en contact direct avec la source froide 27. L'enceinte 28 entoure, à distance, la cellule principale 11 en définissant, par rapport à cette dernière, un volume de confinement 29. L'enceinte 28 est associée à un interrupteur thermique, destiné à placer la cellule principale 11 en relation de conduction, directe ou indirecte, avec la source froide 27, par l'intermédiaire de l'enceinte conductrice 28. Un tel interrupteur thermique peut être du type mécanique et à contact direct ou, encore, du type thermique et à contact indirect. La fig. 1 montre un tel exemple selon lequel l'interrupteur thermique est constitué par le volume de confinement 29 réalisé sous la forme d'une capacité scellée contenant une charge de fluide cryogénique sous forme gazeuse. L'interrupteur comprend,-par ailleurs, une cellule auxiliaire 30 à charbon actif, du type à adsorption-désorption, qui est maintenue en relation permanente de conduction avec la source 27. La cellule auxiliaire 30 comporte, intérieurement, une charge 31 de charbon actif et communique, par une tubulure de raccordement 32, avec le volume 29. La cellule 30 est associée à une source de chauffage 33 dont le fonctionnement est placé sous la dépendance des moyens d'asservissement 25. Le fonctionnement du compresseur, décrit ci-dessus, est piloté par les moyens d'asservissement 25 commandant cycliquement le fonctionnement, en relation inverse de la source de chauffage 25 et des moyens de couplage-découplage thermique 26. Les moyens d'asservissement 25 peuvent comprendre un programmateur séquentiel chronométrique et/ou un programmateur séquentiel à contrôle thermique par l'intermédiaire d'une -sonde 34 appréciant la température à l'intérieur de la cellule principale 11. Les moyens d'asservissement 25 peuvent aussi comporter un programmateur séquentiel à contrôle de pression à l'intérieur de la cellule 11, plus particulièrement dans le cas de réalisation selon la fig. 1. La mise en service du compresseur, décrit ci-dessus, consiste, tout d'abord, à remplir le ci cuit 3 avec une charge de fluide cryogénique, par exemple de l'hélium, de telle façon que, dans la capacité 1, s'établisse un état d'équilibre entre une phase liquide et une phase gazeuse. Dans cet état, les moyens d'asservissement 25 commandent, tout d'abord, l'alimentation de la source chaude 33, de façon que la température de la cellule auxiliaire 30 monte vers 800 K et favorise la désorption libérant la charge gazeuse de fluide cryogénique amenée à occuper le volume de confinement 29. Cette charge de gaz assume une fonction de coupleur thermique mettant en relation la cellule principale Il avec la source 27, par l'intermédiaire de l'enceinte 28.La masse de charbon actif 18 est, ainsi, refroidie pour lui conférer sa faculté d'adsorption maximale lui permettant de prélever, par ouverture du clapet 12, la phase gazeuse occupant la canalisation d'admission et la partie haute de la capacité 1. Cette phase d'admission se déroule jusqu'à saturation d'adsorption de la masse 18 contrôlée, par exemple, par le programmateur séquentiel chronométrique des moyens d'asservissement 25. Après cette phase d'adsorption, les moyens 25 coupent l'alimentation de la source chaude 33 et assurent celle de la source 24. Le réchauffement de la cellule principale 11, jusqu'à environ 800 K, est transmis à la masse 18 de charbon qui désorbe le gaz, préalablement adsorbé. La pression dans la cellule croît progressivement et provoque l'ouverture du clapet anti-retour 9 autorisant l'écoulement du fluide cryogénique gazeux désorbé en direction de la capacité 1 dans laquelle il pénètre après passage dans le détendeur 10. Le réglage du capteur de pression dans la cellule 11 peut faire intervenir des mesures seuils comprises entre O et 30x105 Pa. Cette phase de désorption est rendue possible par le fonctionnement de l'interrupteur thermique, à la suite de l'interruption d'alimentation de la source 33. En effet, la source froide 27 refroidit, alors, la cellule intermédiaire 30 dont la masse de charbon actif 31 est à meme de réaliser l'adsorption de la charge de fluide cryogénique gazeux occupant le volume de confinement 29. De cette manière, la cellule principale 11 est découplée thermiquement de la source froide 27 et peut subir une montée en température rapide, par l'intermédiaire de l'alimentation de la source chaude 24, en vue de chauffer la masse 18 et produire la phase de désorption de la fraction de gaz, initialement adsorbée. Les moyens d'asservissement 25 commandent, ensuite, l'arrêt de l'alimentation de la source chaude 24 et, simultanément, l'alimentation de la source chaude 33, de façon à coupler thermiquement, de nouveau, la cellule Il avec la source froide 27. La masse de charbon actif 18 est soumise à refroidissement, en vue du déroulement d'un nouveau cycle de fonctionnement du compresseur pour l'établissement d'une circulation à l'intérieur du circuit 3 à détente de JOULE-THOSON. Ainsi que cela ressort de ce qui précède, le compresseur cryogénique à ad..orption est, uniquement, constitué d'organes statiques Lui conférant une grande fiabilité de fonctionnement selon un mode adsorption-désorption alternatif à fréquence aisément variable, en raison de la souplesse de commande de pilotage et de contrôle par les moyens d'asservissement 25 de la source chaude 24 et des moyens de couplage-découplage thermique 26. Un autre avantage du compresseur selon l'invention réside dans la possibilité de te réaliser sous une forme miniaturisée et de concevoir, ainsi, des installations de réfrigération de faible encombrement, pouvant être installées à bord ou sur des appareils ou des mobiles de toute conception, disposant d'une énergie électrique, même de faible puissance. La fig 3 montre, à titre d'exemple, une installation de réfrigération incluant, entre une source froide27, tel qu'un réservoir d'hydrogène liquide ou un cryoréfrigérateur, et une capacité 1, un circuit à détente de JOULE-THOMSON 3 alimenté à partir d'au moins deux compresseurs 2a et 2b organisés, intrinsèquement, comme dit ci-dessus, et raccordés, relativement, de même manière, au circuit 3. Dans un tel cas, les moyens d'asservissement 25a et 25b sont pilotés en cycles de fonctionnement déphasés par un automate de programmation 40 réglé de manière à faire fonctionner, dans le cas présent, les compresseurs 2a et 2b en cycles en opposition de phases. Bien entendu, une installation de réfrigération peut faire intervenir plus de deux compresseurs 2, selon l'application à laquelle elle est réservée. L'invention n'est pas limitée aux exemples décrits et représentés, car diverses modifications peuvent y être apportées sans sortir de son cadre. REVENDICATIONS : 1 - Compresseur cryogénique à adsorption, caractérisé en ce qu'il comprend - une cellule principale (11) à charbon actif, d'adsorption-désorption, associée à une source de chauffage (24) et en relation avec une capacité (1), partiellement remplie de fluide cryogénique, par deux canalisations (4, 5) respectivement d'admission et de refoulement, - des moyens (26) de couplage-découplage thermique entre la cellule principale et une source froide (27), - et des moyens (25) d'asservissement commandant cycliquement le fonctionnement en relation inverse de la source de chauffage et des moyens de couplage-découplage thermique. 2 - Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement comprennent un programmateur séquentiel chronométrique. 3 - Compresseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement comprennent un programmateur séquentiel à contrôle thermique de la cellule principale. 4 - Compresseur selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens d'asservissement comprennent un programmateur à contrôle de pression à l'intérieur de la cellule principale. 5 - Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de couplage-découplage thermique (26) comprennent une enceinte conductrice (28) entourant à distance la cellule principale et en relation permanente avec une source froide (27). 6 - Compresseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enceinte (28) est associée à un interrupteur thermique du type à conduction directe entre ladite enceinte et la cellule. 7 - Compresseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'enceinte (28) est associee à un interrupteur thermique du type à gaz comprenant, d'une part, une charge de gaz cryogénique occupant le volume de confinement (29) que délimite l'enceinte autour de la cellule principale et, d'autre part, une cellule auxiliaire (30) à charbon actif, d'adsorption-désorption, reliée à une source froide (27), placée en relation avec ledit volume de confinement (29) et associée à une source de chauffage (33) pilotée par les moyens d'asservissement (25 > . 8 - Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule principale (11) est en relation avec une capacité (1) de fluide c-yogénique-par une canalisation d'admission (4) contrôlée par un clapet anti-retour (7) et par une canalisation de refoulement (5) incluant un clapet anti-retour (9) placé en amont d'un détendeur (10) par rapport à la capacité. 9 - Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule principale (11) contient une masse de charbon actif (18) confinée sous la forme de charges élémentaires portées par des tresses conductrices (20) tendues entre des plateaux en matière conductrice de la chaleur. 10 - Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cellule principale (11) contient une masse de charbon actif (18) confinée sous la forme de couches compactées (21) séparées par des plateaux (22) au moins poreux en matière conductrice de la chaleur. 11 - Installation de réfrigération comprenant, entre une source froide (27) et une capacité (1) de fluide cryogénique, au moins deux compresseurs (2a, 2b) selon l'une des revendications 1 à 10 entretenus en cycles de fonctionnement déphasés par les moyens d'asservissement placés sous la dépendance d'un automate de programmation.