Brevet FR2633035A1 — publié le 19891222

La présente invention concerne un réfrigérateur cryogénique à cycle fermé du type comprenant une unité de compression et une unité de détente, et plus particuliè- rement des moyens pour contrôleret éliminer les effets néfastes rencontrés à l'extrémité froide d'un réfrigéra- teur cryogénique à cycle fermé. La présente invention vise également un procédé pour régler l'impact de la contamination gazeuse sur le fonctionnement du régénérateur d'un réfrigérateur cryo- génique à cycle fermé conforme à l'invention. Un réfrigérateur cryogénique à cycle fermé tel que le cycle "STIRLING" se compose d'un compresseur méca- nique et d'une unité de détente. L'unité de compression présente toujours un passage de gaz vers l'unité de détente dans lequel les ondes de pression du gaz actif sont transmises du compres- deur au détendeur. Le fluide actif est, dans la plupart de ces réfrigérateurs cryogéniques, un hélium pur de grande qualité. L'unité de détente comporte dans la plupart des cas deux éléments essentiels: le piston déplaceur et le régénérateur. Dans la plupart des principes de conception, le régénérateur, qui est fait de grillages ou de sphères, est placé à l'intérieur des pistons déplaceurs animés d'un mouvement de va-et-vient. Des contaminants gazeux (autres que l'hélium, l'hydrogène et le néon), qui sont présents dans le volume interne du réfrigérateur, ont tendance à diffuser dans les régions froides de l'ensemble déplaceur/ régénérateur pour se condenser et être piégés sur ces surfaces. Ces contaminants condensés affectent et dégra- dent le fonctionnement dynamique du déplaceur ou dégra- dent le processus d'échange thermique du régénérateur. On peutcontrôler I'impact de la contamination gazeuse sur le fonctionnement dynamique du détendeur et le rendement thermodynamique du régénérateur en ajoutant dans tout le régénérateur selon une quantité et une localisation appropriées, des matériaux absorbant des gaz tels que du charbon actif. Les contaminants sont absorbés par les matériaux absorbants. On peut éliminer ces types de pannes qui sont spécialement importantes lorsque le réfrigérateur est soumis à une température ambiante élevée, et on améliore ainsi la fiabilité du réfrigérateur. Le but de la présente invention est donc de proposer des moyens pour contrôler ou éliminer l'effet néfaste sur le fonctionnement dynamique du déplaceur ou éliminer la dégradation du processus d'échange thermi- que dans le régénérateur. Un autre but de la présente invention est de proposer un procédépour contrôler l'impact de la contami- nation gazeuse sur le fonctionnement du régénérateur. Suivant la présente invention, le réfrigérateur du type précité est caractérisé en ce qu'une certaine quantité de matériau activé absorbant des gaz est conte- nue dans le régénérateur de l'unité de détente du réfri- gérateur. Suivant un autre aspect de l'invention, le procédé pour contrôlerl'impact de la contamination gazeuse sur le fonctionnement du régénérateur est caractérisé en ce que l'on introduit dans le régénéra- teur du matériau absorbant du type charbon actif. On va maintenant décrire en détail l'invention en référence aux dessins annexés, donnés à titre d'exem- ples non limitatifs, dans lesquels: - la figure 1 est une vue schématique en coupe du compresseur et de l'unité de détente d'un réfrigéra- teur à cycle du type "STIRLING"; - la figure 2 est une vue partiellement en coupe de l'ensemble déplaceur/régénérateur. Dans la réalisation de la figure 1, le système formant refroidisseur cryogénique en deux parties comprend une unité de compression désignée d'une manière générale par le repère 1 et une unité de détente désignée d'une manière générale par le repère 2. Les, deux unités 1 et 2 sont reliées par une canalisation 3. Les deux unités, l'unité de compression 1 et l'unité de détente 2 ont d'une manière générale une structure conventionnelle bien connue qui comporte, dans l'unité-de compression 1, un cylindre 4 à l'intérieur duquel va et vient le piston dont la tige 6 est reliée fonctionnellement à un moteur (non représenté). L'unité de détente 2 comprend l'enveloppe conventionnelle 7 qui communique par le passage 9 avec l'espace 8 formant volume pneumatique. A l'intérieur de l'enveloppe 7 est placé le déplaceur froid 10 dans lequel est situé le régénérateur 11. Ce dernier est représenté plus en détail à la figure 2 et a d'une manière générale une structure connue. Il se compose d'un corps tubulaire 12 dans lequel est disposée une pile 13 de morceaux de grillage en fil métallique. Cette disposition est égale- ment bien connue. On sait que le régénérateur est exposé à un gradient thermique à forte pente puisque son extrémité froide est à la température cryogénique de la chambre de détente tandis que son autre extrémité est à une température qui est supérieure à la température ambiante. L'ensemble déplaceur/régénérateur agit, du fait de sa température cryogénique, comme une pompe cryogénique et condense tous les résidus gazeux (autres que l'hélium, l'hydrogène et le néon) contenus dans le volume interne du réfrigérateur. Ces gaz résiduels, tels que vapeur d'eau, résidus d'air, dérivés de la graisse des roule- ments, dérivés organiques provenant des enroulements du moteur, etc., quand ils sont condensés dans ie dépla- ceur ou autour de celui-ci, ont tendance à affecter et dégrader le fonctionnement dynamique et thermodynamique normal du réfrigérateur. La particularité nouvelle de cette partie du système réside dans l'introduction, dans les espaces compris entre les morceaux individuels de grillage métallique formant la pile 13, d'un matériau absorbant du type charbon actif. Ce matériau absorbant est placé entre les morceaux de grillage métallique depuis le bas jusqu'en haut de l'élément tubulaire 12 selon une quan- tité et à un emplacement appropriés. On a constaté que l'on empêche au maximum l'effet négatif de la contamination gazeuse sur le fonc- tionnement du détendeur au moyen de la caractéristique inventive qui consiste à placer le matériau absorbant de la manière décrite. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation que l'on vient de décrire, et on peut apporter à celui-ci de nombreux changements et modifications sans sortir du domaine de l'invention. 5. REVENDICATIONS 1. Réfrigérateur cryogénique à cycle fermé du type comprenant une unité de compression (1) et une unité de détente (2), caractérisé en ce qu'une certaine quantité de matériau activé absorbant des gaz est conte- nue dans le régénérateur-(11) de l'unité de détente (2) du réfrigérateur. 2. Réfrigérateur conforme à la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un détendeur (2) actionné pneumatiquement. 3. Procédé pour contrôler l'impact de la contami- nation gazeuse sur le fonctionnement du régénérateur (11i) d'un réfrigérateur cryogénique à cycle fermé, caractérisé en ce que l'on introduit dans le régénérateur (11) un matériau absorbant du type charbon actif. 4. Procédé conforme à la revendication 3, ce procédé étant appliqué à un régénérateur (11) comprenant une pile (13) de grillage en fil métallique, caractérisé en ce que l'on introduit le matériau absorbant dans les espaces compris entre les morceaux de grillage métallique qui forment la pile (13) du régénérateur (11).