Brevet FR2649784A1 — publié le 19910118

Machine cryogénique à palier à billes". La présente invention concerne une machine cryogénique comprenant au joins un doigt froid à piston mobile en translation à l'intérieur d'un alésage muni d'un palier de guidage. L'invention trouve une application particulièrement avantageuse dans le domaine de la cryogénie en environnement spatial, et, plus généralement, dans le domaine des mécanismes sous vide exigeant une très longue durée de vie. Les engins spatiaux actuels comprennent certains composants électroniques, tels que les détecteuurs infra-rouge, qui doivent fonctionner dans une plage de températures comprises entre 30 et 1000K, par exemple, et ceci pendant toute la durée d'exploitation de l'engin spatial considéré. Or, les dispositifs de refroidissement passif connus, s ils ont une durée de vie très grande, ne permettent pas d'atteindre des températures aussi basses, tandis que les fluides cryogéniques embarqués ne disposent pas d'une autonomie suffisante même si, par ailleurs, ils peuvent assurer aisément le refroidissement recherché. Aussi, parmi toutes les solutions possibles, les machines cryogéniques sont les seules à présenter à la fois une durée de vie et une efficacité thermique satisfaisantes. En particulier, les machines à cycle de Stirling ont fait l'objet de très nombreux travaux et paraissent les plus riches de promesses sur la plan technologique. Les machines cryogéniques actuellement les plus utilisées comprennent un doigt froid dans lequel le cycle thermique est exécuté par le mouvement d'un piston mobile le long d'un palier de guidage aménagé dans un alésage. D'une manière générale, les paliers de guidage lis en oeuvre sont des pa liers lisses en matériau plastique dont la durée de vie est limitée du fait de l'usure qui résulte du frottement. Il s'ensuit un risque de désaxage du piston dans l'alésage, d'où la possibilité de fuite du gaz cryogénique. D'autre part, des particules de matériau plastique peuvent pénétrer dans l'échangeur de température du doigt froid et obstruer les canaux de circulation. Le problème technique à résoudre par l'objet de la présente invention est, précisément, de proposer une machine cryogénique conforme au préambule qui aurait une durée de vie sensiblement plus grande que celle des machines connues et sans présenter les inconvénients liés à l'usure des paliers lisses. La solution au problème technique posé consiste, selon la présente invention, en ce que ledit palier de guidage est constitué d'au moins un roulement linéaire à recirculation de billes sur une piste de roulement, et comportant une cage autolubrifiante en matériau lubrifiant solide. Généralement, les billes et les pistes de roulement utilisées dans les roulements linéaires connus sont en acier inoxydable. Dans la machine cryogénique selon l'invention, les billes dans leur mouvement de circulation viennent arracher des microparticules de lubrifiant solide à la cage autolubrifiante pour les déposer sur la piste de roulement qui se trouve ainsi lubrifiée à son tour ainsi que le contact entre les billes et le piston. La lubrification de l'ensemble du roulement linéaire se fait donc en continu selon un cycle fermé. Les paliers de roulement qui équipent les machines cryogéniques selon l'invention en augmentent considérablement la durée de vie en remplaçant le guidage par glissement par un guidage par roulement, beaucoup plus favorable sous l'aspect de l'usure, et avec l'avantage supplémentaire de ne pas introduire de lubrifiants volatils tels que les huiles et les graisses qui viennent se condenser dans le doigt froid et dé gradent le fonctionnement de la machine. La description qui va suivre en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, fera bien comprendre en quoi consiste l'invention et comment elle peut étre réalisée. La figure 1 est une vue en coupe d'un doigt froid d'une machine cryogénique selon l'invention. La figure 2 est une vue en coupe d'un roulement linéaire utilisé dans le doigt froid de la figure 1. La figure 3 est une vue de côté du roulement linéaire de la figure 2. La figure 1 montre, en coupe, un doigt froid 5 d'une machine cryogénique, du type à cycle de Stirling. De fa çon usuelle, ce doigt froid 5 comporte un espace d'expansion 10 rempli d'un gaz comme de l'hélium, par exemple, un échangeur 20 de température contenant un régénérateur 21, et un piston mobile 30 en translation à l'intérieur d'un alésage 31 du doigt froid, muni d'un palier 32 de guidage. Le piston mobile 30 est soumis à l'action d'un ressort 50 et à la force de pression fournie par un compresseur 60. Comme on peut le voir à la figure 1, ledit palier 32 de guidage est constitué par au moins un roulement linéaire 40 à recirculation de billes 41 d'acier sur une piste 42 de roulement également en acier et comportant une cage 43 dans laquelle circulent lesdites billes. Les figures 2 et 3 montrent en détail un tel palier de guidage à roulements linéaires. De manière avantageuse, la cage 43 est autolubrifiante et réalisée dans un matériau lubrifiant solide permettant la lubrification de la piste 42 de roulement par transfert dudit matériau lubrifiant solide par l'intermédiaire des billés 41, ainsi que la lubrification du contact billes 41 piston solide 30. Dans ce but, on peut utiliser une cage en matériau composite comme le polytétrafluoroéthylène, la fibre de verre ou le bisulfite de molybdène MoS2. Il est possible également de réaliser la cage 43 en bronze de plomb et de déposer sur la piste 42 de roulement un film de bronze d'environ 0,5clam par bombardement ionique ("ion plating" en anglais). Dans ce cas, on peut, en outre, réaliser un dépôt de plomb, par la même technique, sur la surface du piston 42 en contact avec lesdites billes 41 d'acier. Dans ce mode de réalisation mettant en oeuvre du bronze au plomb, le plomb joue le rôle de lubrifiant solide. REVENDICATIONS : 1 . Machine cryogénique comprenant au moins un doigt froid (5) ) à piston mobile (30) en translation à l'intérieur d'un alésage (31) muni d'un palier (32) de guidage, caractérisée en ce que ledit palier (32) de guidage est constitué d'au soins un roulement linéaire (40) à recirculation de billes (41) sur une piste (42) de roulement, et comportant une cage (43) autolubrifiante en matériau lubrifiant. 2. Machine cryogénique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le matériau lubrifiant solide constituant ladite cage (43) est du bronze au plomb, et en ce qu'un fibre de plomb est déposé sur la piste (40) de roulement. 3. Machine cryogénique selon la revendication 2, caractérisée en ce qu'un film de plomb est également déposé sur la surface du piston en contact avec lesdites billes (41).