Brevet FR2630531A1 — publié le 19891027

1. La présente invention concerne un dispositif de refroidissement et, plus particulièrement mais non exclusivement, un dispositif de refroidissement dit ther- mo-acoustique, dont le fonctionnement est basé sur un phénomène thermodynamique décrit, par exemple, dans "Natural Engines", Physics Today, August 1985; "Understanding Some Simple Phenomena In ThermoAcoustics With Applications To Acoustical Heat Engines", Am. J. Phys, 53(2) February 1985; "Theory and Calculations for an Intrinsically Irreversible Acoustic Prime Mover Using Liquid Sodium As Primary Working Fluid", J. Acoust. Soc. Am. 78(2), August 1985; and "Heat Transfer", Volume 1, page 297, Max Jacob, John Wiley and Sons, 1955 Edition. En bref, de tels dispositifs de refroidis- sement fonctionnent sous l'effet du mouvement, de la compression et de la dilatation d'un fluide de travail, par exemple d'un gaz ou d'une vapeur, dans une enceinte 2. d'une façon similaire au comportement de l'air dans un tuyau d'orgue - le comportement du fluide de travail obéit de fait aux mêmes lois de la physique qui concer- nent l'air dans un tuyau d'orgue à l'exception d'une légère modification due à la présence d'une structure appelée régénérateur qui est parfois placée à l'inté- rieur de l'enceinte ou "tuyau" du dispositif de refroi- dissement thermo-acoustique. Le régénérateur est une sorte d'échangeur de chaleur que traverse le fluide de travail et dont la fonction est de recevoir l'énergie ther- mique du fluide de travail, de la stocker temporaire- ment, et de la redonner d'une façon telle que, pour un mouvement, une compression et une dilatation donnés du fluide de travail, la chaleur est transférée à partir d'une partie appelée "extrémité froide" du dispositif de refroidissement à une partie située à l'autre côté du régénérateur. On utilise aussi des régénérateurs à des fins similaires, dans des dispositifs de refroidis- sement fonctionnant suivant le cycle Stirling. Les performances d'un dispositif de refroidis- sement thermo-acoustique sont basées sur l'existence d'un retard temporel entre le cycle de pression du flui- de de travail et le stockage temporaire d'énergie par le régénérateur, et également sur l'efficacité avec la- quelle l'énergie thermique peut être transférée au ré- générateur ou appliquée à partir de celui-ci. Selon la présente invention, on prévoit un dispositif de refroidissement du type comprenant un régénérateur et un fluide de travail qui est en contact avec le régénérateur et qui est également soumis à un mouvement, une compression et une dilatation de manière à produire un effet de. refroidissement, le régénérateur définissant au moins une surface que longe le fluide de travail et qui présente une multitude de parties en sail- lie dans le fluide de travail de manière à créer des 3. discontinuités locales dans l'écoulement laminaire de la couche limite du fluide de travail et par consé- quent.à améliorer le transfert de chaleur entre le régé- nérateur et le fluide de travail et en outre à créer des sites localisés source de chaleur/radiateur de chaleur afin d'augmenter le retard de phase thermique entre la surface et l'ensemble de l'élément définissant cette surface. La présente invention sera bien comprise lors de la description suivante faite en relation avec les des- sins ci-joints dans lesquels: La figure 1 est une vue en coupe d'une partie d'un dispositif d'un refroidissement thermo-acoustique; et La figure 2 est une vue en coupe d'une partie d'un régénérateur utilisé dans le dispositif de refroidis- sement de la figure 1. Le dispositif de refroidissement de la figure 1 comprend une enceinte allongée ou tuyau d'orgue 1 conte- nant un fluide de travail et un régénérateur sous forme d'une multitude de fines plaques plates 2 s'étendant pa- rallèlement les unes aux autres et à l'axe du tuyau. Le fluide de travail traverse le régénérateur, c'est-à-dire passe au droit des surfaces des plaques 2, et est égale- ment soumis à une dilatation et à une compression de sorte qu'un effet de refroidissement est généré à une extrémité (non représentée) du tuyau. Le moyen de production de l'écoulement, de la dilatation et de la compression du fluide n'est pas non plus représenté. Comme représenté en figure 2, chaque plaque 2 comporte sur chacune de ses deux faces, une multitude de tampons 3 qui sont en saillie sur la face de la plaque pour pénétrer dans la couche limite laminaire 4 du flui-- de de travail et qui par conséquent provoquent la ruptu- re de la couche, donnant un meilleur transfert de la 2630531. 4. chaleur. Ils constituent aussi une série de sites locaux formant radiateur de chaleur/source de chaleur sur la pla- que qui permettent de rendre maximum le retard de phase thermique entre la surface de chaque plaque et son volume (l'optimum théorique pour une plaque épaisse d'un régéné- rateur étant de 45 - voir la quatrième référence men- tionnée ci-dessus). Au lieu des tampons 3, on peut prévoir une série de bandes (non représentée) s'étendant transversalement aux sens d'écoulement du fluide de travail, c'est-à-dire de façon que dans une section transversale, elles apparais- sent identiques aux tampons de la figure 2. A titre d'exemple, les plaques 2 du régénérateur peuvent être constituées de quartz, silicium ou céramique et avoir une épaisseur de 0,5 mm. Par ailleurs, les tampons ou bandes peuvent être en aluminium déposé suivant toute manière appropriée sur les plaques 2 et avoir une épaisseur de 0,5 micromètre, peuvent être de 0,125 mm dans le sens transversal et avec une distance entre axes de 0,175 mm. Le fluide de travail peut être de l'azote à une pres- sion de 1 MPa et le mouvement volumique local de l'azote, c'est-à-dire le mouvement indiqué par la flèche 5 dans cha- cune des figures 1 et 2, peut être de 0,5 mm ou plus. Au lieu de plaques plates, le régénérateur peut être constitué d'une multitude de plaques tubulaires de même axe emboîtées les unes dans les autres (non repré- sentées), là encore avec des tampons ou des bandes sur les surfaces. Comme le remarquera le technicien, pour obte- nir l'efficacité acoustique la meilleure, les plaques du régénérateur peuvent avoir des extrémités chanfreinées et/ou des longueurs différentes de manière à réduire les réflexions acoustiques (qui peuvent conduire à la produc- tion d'harmoniques). De plus, il est souhaitable, naturel- lement, que la section transversale disponible pour 5. l'écoulement du gaz soit aussi constante que cela est pratiquement faisable sur le plan physique, sur toute la longueur du tuyau d'orgue de façon que, dans la zone du régénérateur, les cotes transversales du tuyau puis- sent être rendues plus grandes qu'aux autres endroits pour permettre la présence des plaques. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être décrits, elle est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. 6. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de refroidissement du type comprenant un régénérateur (2) et un fluide de travail qui est en contact avec celui-ci et qui est également sou- mis à un mouvement, à une compression et à une dilata- tion de manière à produire un effet de refroidissement, le régénérateur définissant au moins une surface que lon- ge le fluide de travail et qui présente une multitude de parties (3) en saillie pour pénétrer dans le fluide de travail dans le but de créer des discontinuités locales dans l'écoulement laminaire de la couche limite du fluide de travail et par conséquent améliorer le transfert de la chaleur entre le régénérateur et le fluide de travail et en outre pour créer des sites localisés formant source de chaleur/radiateur de chaleur afin d'augmenter le re- tard de phase thermique entre la surface et l'ensemble de l'élément définissant cette surface. 2 - Dispositif de refroidissement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte allongée (1). 3 - Dispositif de refroidissement selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le régénérateur comprend une multitude de fines pla- *ques plates (2) s'étendant parallèlement les unes aux autres et à l'axe de l'enceinte allongée. 4 - Dispositif de refroidissement selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que le régénérateur comprend une multitude de plaques tubulaires de même axe emboîtées les unes dans les au- tres. - Dispositif de refroidissement selon l'une quelconque des revendications précédentes,caractérisé en ce que les parties en saillie dans le fluide de tra- vail sont constituées d'une multitude de tampons (3). 6 - Dispositif de refroidissement selon l'une 7. quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le fluide de travail est l'azote.