Brevet FR2617580A1 — publié le 19890106

La présente invention concerne un réfrigérateur et, plus particulièrement, un réfrigérateur à gaz à circuit fermé utilisé dans le refroidissement, par exemple, de détecteurs infrarouge. La figure 4 est une vue en coupe d'un réfrigérateur à gaz conventionnel du type tel que représenté dans la publication du brevet Japonais -No. 28980/1979. Dans cette figure, le chiffre de référence 1 désigne un cylindre dans lequel un piston 2 et un moyen de déplacement 3 ont un mouvement de va-et-vient à des phases différentes l'un de l'autre. Un refroidisseur 5 est disposé dans un espace de compression 4 entre une surface de travail 2a du-piston 2 et une surface de travail 3a du moyen de déplacement 3. Une surface de travail supérieure 3b du moyen de déplacement 3 forme une ligne de délimitation d'un espace d'expansion 6 qui forme, ensemble avec l'espace de compression 4, un espace de travail. Un régénérateur 7 disposé dans le moyen de déplacement 3 peut être en communication avec un gaz de travail en dessous d'un trou central 8 à travers celui-ci et avec un gaz de travail au-dessus d'un conduit radial 10 à travers ce dernier et un trou central 9. Le réfrigérateur est équipé d'un moyen de réfrigération 11 comme échangeur de chaleur pour échanger de la chaleur entre un gaz de travail froid et une matière à refroidir. Des joints d'étanchéité 12 et 13 sont prévus entre le piston 2 et une paroi du cylindre 1 et des Joints d'étanchéité 14 et 15 sont prévus entre le moyen de déplacement 3 et le cylindre 1. Le piston 2 a un manchon léger 16 en une matière non magnétique ou non magnétisée-telle que du papier ou de l'aluminium sur une partie inférieure de celui-ci, sur lequel une bobine d'armature 17 ayant des fils d'entrée 18 et 19 est enroulée. Les fils d'entrée s'étendent à travers une paroi d'un bottier 20 relié de fagon étanche à l'air au cylindre 1 et sont reliés à des contacts électriques 21 et 22, respectivement. La bobine d'armature 17 peut se déplacer alternativement axialement dans un intervalle annulaire 23 dans lequel est établi un champ magnétique d'armature. Le flux magnétique de ce champ magnétique s'étend radialement à travers des directions de déplacement de la bobine d'armature. Un champ magnétique statique est réalisé par un aimant permanent annulaire 24 ayant des p8les magnétiques à une extrémité supérieure et une extrémité inférieure, un disque annulaire 25 en fer doux, un cylindre 26 en fer doux et un disque circulaire 27 en fer doux, qui, tous ensemble, constituent un circuit magnétique fermé. De plus, le manchon 16, la bobine d'armature 17, les fils d'entrée 18 et 19, l'intervalle annulaire 23, l'aimant permanent annulaire 24 et les parties 25, 26 et 27 en fer doux, constituent un moteur linéaire 28. Dans le réfrigérateur conventionnel mentionné ci-dessus, une source d'alimentation alternative est reliée par les contacts 21 et 22 à la bobine d'armature 17 pour une alimentation nécessaire à son fonctionnement. Une fréquence angulaire(Oo de la source d'alimentation alternative est sensiblement égale à une fréquence de résonance angulaire(W d'un ensemble du piston 2 et de la bobine d'armature 17, qui est définie comme suit: S2 Pm 1 vC 1 Ve n Vwi M. T0 (---. -- + + * ----) aee Tc aee Te i=1 Twi (1) o S = l'aire de la surface de travail 2a du piston 2, Pm = pression moyenne du gaz de travail dans l'espace de travail formé principalement par l'espace de compression 4 et l'espace d'expansion 6, M = masse totale du piston 2, du manchon 16 et de la bobine d'armature 17, To = température ambiante absolue, acc = Cp/Cv = (chaleur spécifique du gaz de travail dans l'espace de compression 4 à pression constante)/(chaleur spécifique du gaz de travail dans l'espace de compression 4 à volume constant), Vc = volume de l'espace de compression 4, Tc température absolue moyenne de fonctionnement du gaz de travail dans l'espace de compression 4, aee = Cp/cV = (chaleur spécifique du gaz de travail dans l'espace d'expansion 6 à pression constante) /(chaleur spécifique du gaz de travail dans l'espace d'expansion 6 à volume constant), Ve = volume d'expansion 6, et Te = température absolue moyenne.de fonctionnement du gaz de travail dans l'espace d'expansion 6. n Vwi Vw Vw t (..) = (---) + (--) i=1 Twi Tw refroidisseur 5 Tw Vw régénérateur 7 + (--) réfrigérant 11, Tw o Vw = volume du gaz de travail ou de fonctionnement de l'échangeur de chaleur associé, et Tw = température absolue moyenne du gaz de travail dans l'échangeur de chaleur en fonctionnement. Une erreur acceptable entre les fréquences angulaires W etUJO0 peut être de 10% ou moins. En fonctionnement, lorsque la source d'alimentation alternative ayant la fréquence angulaire ( O qui est sensiblement égale àCW définie par l'équation (1) est reliée aux contacts 21 et 22, la bobine d'armature 17 est soumise à une force axiale de Lorentz due à la présence du champ magnétique permanent dans l'intervalle ou entrefer 23. Comme résultat, l'ensemble du piston 2, du manchon 16 et de l'armature 17 résonne et vibre axialement. La vibration du piston 2 amène une variation de pression périodique à se produire dans le gaz de travail remplissant l'espace de travail formé par l'espace de compression 4, l'espace d'expansion 6, le moyen de refroidissement 5, le régénérateur 7, les trous 8 et 9, le conduit radial 10 et le moyen de réfrigération 11 et un changement résultant de la vitesse d'écoulement du gaz à travers le régénérateur 7 amène une force d'entraînement alternant périodiquement à s'exercer sur le moyen de déplacement 3. Ainsi, le moyen de déplacement 3 comprenant le régénérateur 7 est amené à se déplacer alternativement axialement dans le cylindre 1 à la même fréquence que celle du piston 2 avec une phase différente de celui-ci. Lorsque la différence de phase est gardée constante de façon convenable, le gaz de travail dans l'espace de travail répète un cycle thermodynamique connu comme le "cycle de Stirling inverse" et génère une production de froid principalement dans le moyen de réfrigération 11. Le "cycle de Stirling inverse" et le principe de production d'états froids par celui-ci sont décrits en détail dans "Cryocoolers", G. Walker, Plenum Press, New York, 1983, pages 117 à 123. Dans la présente description, le principe va être décrit brièvement. Le gaz de travail dans l'espace de compression 4 qui a été comprimé par le piston 2 et ainsi chauffé est refroidi tout en s'écoulant à travers le moyen de refroidissement 5 et s'écoule dans le trou 8 et ensuite dans le régénérateur 7 dans lequel il est également refroidi par la chaleur à basse température accumulée dans le demi-cycle précédent. Alors, il s'écoule à travers le trou central 9, le conduit radial 10 et le moyen de réfrigération 11 dans l'espace d'expansion 6. Après qu'une quantité substantielle du gaz de travail soit écoulée dans l'espace d'expansion 6, une course d'expansion du piston 2 est démarrée et résulte en un état de température faible dans l'espace d'expansion 6. Ensuite, le gaz de travail s'écoule dans la direction inverse tout en donnant la chaleur de température faible au régénérateur 7 dans l'espace de compression 4. Dans ce cycle, le gaz de travail froid absorbe la chaleur d'une substance externe tout en passant à travers le moyen de réfrigération pour le refroidir. Après qu'une quantité substantielle de gaz de travail soit retournée à l'espace de compression 4, la course de compression est démarrée de nouveau. Le cycle de Stirling inverse est accompli de cette manière. Pour plus de détail, se référer à l'article susmentionné. Dans le réfrigérateur conventionnel, cependant, la fréquence de résonance angulaire définie par l'équation (1) tend à être changée par des fuites du gaz de travail à travers les Joints d'étanchéité, l'expansion/compression polytropique du gaz de travail et/ou une- utilisation de ressorts mécaniques à constante importante. De ce fait, il est difficile de réaliser un réfrigérateur efficace. Le but de la présente invention est de réaliser un réfrigérateur qui soit capable de fonctionner à efficacité élevée même s'il existe une fuite du gaz de travail, etc. Selon la présente invention, ce but est atteint en établissant une fréquence angulaire d'alimentation alternative pour alimenter un moteur linéaire àWo qui est sensiblement égale à une fréquence angulaire CJ définie par une équation (2) à décrire. Par un tel réglage de la fréquence de source d'alimentation, il est possible d'obtenir une condition de résonance même s'il existe des fuites du gaz de travail, résultant en un réfrigérateur hautement efficace. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant deux modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: - - la figure 1 est une vue en coupe d'un mode de réalisation d'un réfrigérateur selon la présente invention; - - la figure 2 est une courbe dans le temps représentant une relation opérationnelle entre un déplacement d'un piston et une variation de pression du gaz de travail dans un espace de compression; - la figure 3 est une vue similaire à ia figure 1, représentant un autre mode de réalisation de la présente invention; et - la figure 4 est une vue en coupe d'un réfrigérateur conventionnel. La figure 1 représente un mode de réalisation de la présente invention, dans lequel des composants identiques ou correspondants à ceux de la figure 4 sont désignés par les mêmes chiffres de référence. En figure 1, un piston 2 est associé à un ressort hélicoïdal de support 29 ayant une constante élastique élevée pour maintenir un centre de déplacement du piston 2 contre -la gravité et des forces d'accélération à une position constante. Les extrémités opposées du ressort 29 sont fixées respectivement à des protubérances 30 et 31, qui sont fixées respectivement au piston 2 et à un bottier , de façon qu'une force de restitution-soit exercée au piston 2 en correspondance à un déplacement du piston 2 de la position centrale constante. De plus, un ressort hélicoïdal 32 est prévu en dessous d'un moyen de déplacement 3. Les extrémités opposées du ressort 32 sont fixées à une surface 1s inférieure 3a du moyen de déplacement 3 et un cylindre 1, respectivement, de façon que le moyen de déplacement 3 vibre à la même fréquence que celle du piston 2 mais avec une phase différente lorsque le piston vibre. Dans ce mode de réalisation, une bobine d'armature 17 est alimentée, par des contacts 21 et 22, en énergie d'une source d'alimentation alternative ayant une fréquence angulaireCDo qui est sensiblement égale à une fréquence angulaireW définie par l'équation suivante: 1 2. Sp. Pa. CosaL L>. =-- (-------------------- + Ks).......(2) m S o m = masse totale d'une partie en va-et-vient composée du piston 2, d'un manchon 16 et de la bobine d'armature 17 ou d'un aimant permanent 24, Sp = aire d'une surface de travail 2a du piston 2, Pa = amplitude de la variation de pression d'un gaz de travail dans un espace de compression (figure 2), = différence de phase entre un déplacement du piston 2 et une variation de pression du gaz de travail dans l'espace de compression 4 (figure 2), S = course du piston 2 (figure 2) Ks = constante élastique du ressort 29 (en cas d'absence du ressort 29, Ks = 0). De plus, une erreur acceptable entre les fréquencesUWetWJ-0 est établie dans + 10%. En fonctionnement, lorsque la source d'alimentation ayant une fréquence angulaire J0 est reliée à travers les contacts 21 et 22, la bobine d'armature 17 est soumise à une force axiale de Lorentz sous le champ magnétique dans l'entrefer 23. Par ailleurs, puisqu'un ensemble comprenant le piston 2, le manchon 16 et la bobine d'armature 17 constitue un système de vibration masse/ressort avec le gaz de travail dans l'espace de travail qui agit comme ressort à gaz et le ressort de support 29 qui est mécanique, l'ensemble commence à vibrer axialement par la force de Lorentz agissant sur la bobine d'armature 17. Une vibration du piston 2 produit une variation de pression périodique du gaz de travail dans l'espace de travail et une force d'entratnement axiale alternant périodiquement du moyen de déplacement 3 est produite par une variation résultante de la vitesse d'écoulement du gaz passant à travers le régénérateur 7. Ainsi, le moyen de déplacement 3 comprenant le régénérateur constitue le système de vibration avec le ressort mécanique 32 et le moyen de déplacement 3 se déplace alternativement dans le cylindre 1 à la même fréquence anguiaire que la fréquence angulaireW 0 du piston 2 avec des phases différentes l'un de l'autre. Lorsque la différence de phase entre le piston 2 et le moyen de déplacement 3 est convenable, le cycle de Stirling inverse précité est établi, résultant en la production de froid principalement dans l'espace d'expansion 6 et le moyen de réfrigération 11, comme mentionné préalablement. C'est-à-dire, dans un réfrigérateur ayant un ressort de raideur relativement élevée comme ressort de support, un réfrigérateur dans lequel existe une fuite du gaz de travail à travers des Joints d'étanchéité ou un réfrigérateur dans lequel se produit une compression/expansion polytropique, une fréquence de résonance angulaire d'un ensemble piston/bobine d'armature est donnée approximativement par l'équation (2). De ce fait, un tel réfrigérateur peut fonctionner efficacement en reliant une source d'alimentation alternative ayant une fréquence angulaireLU0 sensiblement égale à la fréquence angulaire W à la bobine d'armature. La figure 3 représente un autre mode de réalisation de la présente invention qui diffère du mode de réalisation représenté en figure 1 en ce que, bien qu'en figure 1 le moteur linéaire 28 soit du type à bobine se déplaçant dans lequel la bobine d'armature 17 se déplace alternativement, un moteur linéaire 28 en figure 3 est du type à aimant se déplaçant. C'est-à-dire, en figure 3, l'aimant 24 est monté sur le manchon 16 et la bobine d'armature 17 est montée fixement sur l'armature 25. Il est également possible d'utiliser une armature mobile du type à noyau. Dans l'un ou l'autre cas, une masse de l'aimant ou du noyau d'armature doit être considérée comme une masse de la partie en va-et-vient du dispositif. Le ressort de support 29 pour le piston peut être retiré. Dans un tel cas, Ks dans l'équation (2) devient nul. En figure 2, TDC = point mort haut du piston:volume minimum d'espace de compression, BDC = point mort bas du piston:volume maximum d'espace de compression, t = temps, S = déplacement du piston, P = pression, 8 = angle, eti O= fréquence angulaire de fonctionnement. Comme décrit, selon la présente invention, l'ensemble piston/armature peut être maintenu dans un état de résonance même s'il existe une fuite du gaz de fonctionnement à travers un joint du piston. De ce fait, l'efficacité du moteur linéaire est améliorée, résultant en un réfrigérateur léger, compact et d'efficacité élevée. REVENDICATIONS 1. Réfrigérateur ayant un espace de fonctionnement comprenant un espace de compression maintenu à une température relativement élevée pendant le fonctionnement et ayant un volume variant suivant un déplacement d'un piston agencé adjacent à l'espace de compression ou des déplacements du piston et un moyen de déplacement, un espace d'expansion maintenu à une température relativement faible pendant le fonctionnement et ayant un volume variant selon le déplacement du moyen de déplacement agencé adjacent à l'espace d'expansion, un moyen de refroidissement, un régénérateur et un moyen de réfrigération disposés entre l'espace de compression et l'espace d'expansion pour communiquer entre eux et un gaz de travail remplissant l'espace de travail et accomplissant un cycle thermodynamique par déplacements du piston et du moyen de déplacement en phase différente pour générer une production de froid dans celui-ci,. caractérisé en ce qu'il comprend un moteur linéaire (28) comprenant une bobine d'armature (17) et un circuit magnétique fermé (24-27) pour entraîner le piston (2), un ressort de support (29) pour supporter le piston (2) en une position constante dans une condition stationnaire et une source d'alimentation pour entraPner la bobine d'armature (17), en ce qu'une fréquence de résonance angulaire uW d'une partie en va-et-vient comprenant le piston (2) et une partie du moteur linéaire est définie par l'équation suivante: 1 2. Sp. Pa. Cos J = ( --------------- + Ks) m S o m = masse totale de la partie en va-et-vient, Sp = aire d'une surface de travail du piston, Pa = amplitude de la variation de pression du gaz de travail dans l'espace de compression, a/ = différence de phase entre un déplacement du piston et une variation de pression du gaz de travail dans l'espace de compression, S = course de piston, Ks = constante élastique du ressort de support, et en ce qu'une fréquence angulaire w o de la source d'alimentation est sensiblement égale à la fréquence de résonance angulaire VJ avec une erreur acceptable entre + 10%. 2. Réfrigérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que Ks est nul. 3. Réfrigérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie précitée du moteur linéaire comprend la bobine d'armature (17) précitée. 4. Réfrigérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie précitée du moteur linéaire comprend un noyau d'armature. 5. Réfrigérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie précitée du moteur linéaire comprend un aimant permanent.