Brevet FR2674616A1 — publié le 19921002

1. Système cryogénique pour missiles. La présente invention concerne un système cryogénique Les détecteurs sensibles aux infra-rouges fonctionnent généralement aux températures basses, peut être d'environ 70 'K, température atteinte dans un dispositif cryogénique approprié Pour les missiles et les installations de missiles, on sait procéder au refroidissement d'un détecteur aux infra-rouges en laissant se détendre de l'azote comprimé à partir d'un conteneur d'azote dans le voisinage du détecteur De manière à éviter la nécessité de disposer de conteneurs d'azote comprimé, on a envisagé la possibilité d'utili- ser des pompes à chaleur fonctionnant sur le principe du cycle Stirling De telles pompes à chaleur sont théo-15 riquement simples et efficaces mais, en pratique, en particulier dans le cas des basses températures néces- saires au contexte précédent, soulèvent des complica- tions Par exemple, le fluide de travail, en général de l'hélium, doit être chimiquement pur et les techni- ques correctes de manipulation d'hélium chimiquement pur ou de l'équipement, les coupleurs de tuyaux spécia- lisés et autres, nécessaires pour le maintenir dans cet état peuvent ne pas correspondre aux possibilités dont on dispose au site de lancement ou de charge de missi- 2- le, o peuvent se trouver dans ces possibilités mais ne pas être utilisables dans les conditions courantes. Selon un aspect de la présente invention, on prévoit un système de pompe à chaleur cryogénique - à cycle Stirling destiné à être utilisé dans un missi- le ou une installation de lancement de missile ou en association avec ceux-ci, le système comprenant un ensemble comportant un doigt froid, ou un piston au- xiliaire répond à des variations de pression cycliques d'un fluide de travail de manière à déplacer ce flui- de entre des positions respectives à l'intérieur de l'ensembleen synchronisme avec les variations de pres- sion, d'o il résulte que la chaleur est pompée de l'une des positions à l'autre, un ensemble de transmis- sion de pression comportant une membrane avec l'un des côtésde laquelle communique le fluide de -travail, et un moyen d'entraînement relié à l'ensemble de trans- mission de pression et pouvant fonctionner de façon à déplacer la membrane pour qu'elle transmette les va- riations de pression cycliques au fluide de travail tout en maintenant ce fluide isolé du moyen d'entraî- nement. Le moyen d'entraînement comprend de préféren- ce un moyen pour fournir du fluide à l'autre côté de la membrane suivkant une pression pulsée En variante, il peut comprendre un agencement mécanique, électrique, ou électromagnétique pour déplacer la membrane. L'ensemble à doigt froid peut se trouver à bord d'un missile alors que le moyen d'entraînement et l'ensemble de transmission de pression sont compris dans un lanceur de missile, l'ensemble à doigt froid et l'ensemble de transmission de pression étant reliés par l'intermédiaire d'une liaison pouvant être rompue à l'interface missile/lanceur Une autre liaison pou- vant être rompue à cette interface peut transmettre un fluide de refroidissement à une partie formant radiateur de chaleur de l'ensemble à doigt froid Si le moyen 3. d'entrainenent est un moyen de fourniture de fluide à une pression pulsée, le fluide de refroidissement peut être fourni par le moyen d'entraînement. En variante, l'ensemble de transmission de pression ou cet ensemble et une partie au moins du moyen d'entraînement pourraierts trouver à bord du missile. Selon un second aspect de la présente in- vention, on prévoit un missile comprenant l'ensem- ble à doigt froid d'un système de pompe à chaleur a cycle Stirling, ensemble contenant un fluide de travail et un piston auxiliaire et répondant pour fonctionner à des pulsations de pression qui lui sont: transmises, un ensemble à membrane étant accou- plé à l'ensemble à doigt froid et comportant une membrane avec un côté de laquelle communique le fluide de travail et qui peut se déplacer pour transmettre les pulsations de pression au fluide de travail. La présente invention sera bien comprise à la lecture de la description suivante faite en rela- tion avec les dessins ci-joints, dans lesquels: la figure 1 est une vue d'une partie d'un système cryogénique à cycle Stirling pour installa- tion de missile guidé; la figure 2 est une représentation schéma- tique d'une installation de missile comprenant le système de la figure 1, et les figures 3,4 et 5 sont des vues schémati- ques représentant trois modifications possibles du sys- tème de la figure 1. En liaison avec la figure 1, le système com- prend un "ensemble à doigt froid" 1 comportant un cy- lindre 2 qui est divisé par une paroi 3 en deux cham-35 bres 4 et 5, la chambre 4 étant la plus grande et ren- fermant un piston auxiliaire 6 Le piston auxiliaire 6 est constitué d'un élément cylindrique 7 en matériau 4. de faible poids tel qu'en matériau plastique et est entouré d'un manchon: 8 en toile métallique, par exem- ple, et constituant un régénérateur de chaleur comme cela est connu dans l'art Un alésage central 9 s'étend entre les chambres 4 et 5 à travers la paroi 3, et dans cet alésage est monté un piston étroit définissant une partie 10 qui est en saillie sur l'une des extrémités de l'élément 7, cette partie ayant une surface en cou- pe inférieure à celle du piston auxiliaire 6 Un trou de dérivation 11 s'étend entre les chambres le long de l'alésage 9. Un tube 12 va de la chambre 5 à un ensemble 13 de transmission de pulsations de pression L'ensem- ble 13 comporte un élément 14 ayant un intérieur creux limité par des surfaces intérieures coniques opposées et 16 formant des sièges qui définissent les limites de déplacement d'une membrane 17 en métal tel qu'en bronzephosphoreux et fixéeà l'intérieur de l'élément 12 de manière à diviser son intérieur en deux espaces ne communiquant pas 18 et 19 L'ensemble 13 comprend en outre un élément 20 en forme de coupe, dans lequel est monté de manière amovible l'élément 14 Un joint torique 21 placé dans une rainure annulaire 22 entou- rant la surface intérieure de l'élément 20 est en con- tact avec la surface extérieure de l'élément 13 de ma- nière à créer un joint hermétique entre les deux élé- ments Les deux éléments sont maintenus accouplés l'un à l'autre grâce à n'importe quel moyen d'accrochage dé- sengageable approprié ou analogue (non représenté). Le tube 12 communique avec l'espace 18 d'un côté de la membrane 17, alors que l'espace 19 situé à l'autre côté de la membrane communique avec l'intérieur de l'élément 20 par l'intermédiaire d'ouvertures 23 pratiquées dans l'élément 14. Une conduite 24 relie l'élément 20 à un cla- pet de dérivation 25, clapet auquel de l'air comprimé est fourni par l'intermédiaire d'une conduite d'entrée 5. 26 à partir d'une source d'air comprimé (non repré- sentée) et qui comporte également une conduite de ventilation 27 et un élément de clapet rotatoire 28. Pendant larotation de l'élément 28 entraîné par, par exemple, un moteur (non représenté),la conduite 24 est reliée à la conduite d'entrée 26, puis à la con- duite 27 suivant une séquence répétitive, de sorte que l'air situé à l'intérieur de l'élément 20 et de l'espace 19 de l'élément 14 est soumis à des varia- tions ou pulsations de pression cycliques. L'espace 18 à l'intérieur de l'élément 14, le tube 12 et les chambres 4 et 5 à l'intérieur du cylindre 2 sont remplis d'hélium chimiquement pur auquel, par suite de la présence de la membrane 17, sont communiquées les pulsations de pression de l'air del'espace 19 alors que l'hélium reste séparé herméti- quement de cet air. C'est-à-dire que, pendant la marche, le piston auxilaire 6 se trouve aune position proche de l'extrémité 29 de la chambre 4, voisine de la paroi 3 Lorsque la pression de l'hélium augmente dans la chambre 5, la transmission à la chambre 4 de cette augmentation de pression est quelque peu retardée par suite des petites dimensions du trou 11 de sor- te que, dans l'entre-temps,une pression différentiel- le agit sur la partie 10 de définition de piston, la déplaçant ainsi que le piston auxiliaire 6 de sorte que ce piston auxiliaire s'éloigne de la paroi 3 dans la direction de l'autre extrémité 30 de la chambre 4. Par suite de ce mouvement, l'hélium se trouvant pré- cédemment à cette autre extrémité 30 de la chambre 4 se déplace vers l'extrémité 29 de la chambre, sa pres- sion augmentant dans l'entre-temps par suite de l'action du trou 11 La pression décroît maintenant dans la chambre 5 de sorte que, avant qu'elle diminue de façon correspondante dans la chambre 4, le piston auxiliai- re 6 est ramené à l'extrémité 29 de la chambre alors 6. que l'hélium situé dans la chambre 4 est ramené vers l'extrémité 30. L'effet des déplacements et changements de pression continus estde pomper la chaleur entre l'extrémité 30 e Ll'extrémité 29 de la chambre 4 La chaleur est extraite par l'intermédiaire d'un radiateur de chaleur à ailettes 31 qui est solidiaire de l'ex- trémité 29 de la chambre arrière du cylindre, de sor- te que l'autre extrémité 30 se refroidit Un réseau de détection de rayonnement infra-rouge 32 relié à l'extrémité 30 se refroidit ainsi également. On remarquera que, si l'agencement fonction- ne bien, sa réalisation doit être faite de manière ap- propriée Par exemple, comme cela est connu de l'hom- me de l'art, on peut attribuer à l'ensemble comportant le doigt froid une fréquence pneumatique qui est fonc- tion des dimensions du trou de dérivation 11 et duvo- lume libre de la chambre 4 Cette fréquence est choi- sie supérieure à la fréquence de répétition des pulsa- tions de pression de l'hélium Le poids du piston au- xiliaire 6 est choisi suffisamment faible pour que son inertie n'affecte pas le fonctionnement de façon néfas- te. A titre d'exemple, la fréquence des pulsa- tions de pression pourrait être de, disons, 50 Hz, bien qu'une fréquence plus grande puisse être souvent avantageuse Les pulsations de pression de l'hélium pourraient être comprises entre, par exemple, 2 x 105 Pa et 20 x 105 Paalors que cellesde l'air situé à l'intérieur de l'élément 14 pourraiertêtre quelque peu plus grandes Ehliaison maintenant avec la figure 2, l'ensemble 1 "à doigt froid" est monté dans un missi- le 40, le réseau 32 de détection de rayonnement cons-35 tituant une partie d'un agencement 41 de recherche de cible sensible aux infra-rouges (non représen- té en détail) Le missile 40 est supporté par un lan- 7. ceur 42 contenant une unité d'alimentation en air com- primé 43, un clapet 25 et un ensemble de transmission de pulsations de pression 13 Le tube 12 va du missile au lanceur en passant par une entretoise métallique 42 capable de se rompre facilement et d'une manière con- trôlée, par exemple grâce à la présence d'un col 45 tel que représenté ou par application d'une contrain- te appropriée sur l'entretoise, ce qui provoque la rupture du tube 12 lorsque le missile est tiré. Le lanceur 42 peut supporter un ou plusieurs missiles (non représentés), comportant chacun un en- semble à doigt froid tel que l'ensemble 1, un ensemble de transmission de pulsations de pression tel que l'ensemble 13 étant prévu pour chaque autre missile Un en-15 semble 46 pour un de ces autres missiles est repré- senté et, comme on peut le voir, tous ces ensembles sont alimentés en air en provenance de la même source d'air comprimé 43 et du même clapet 25 après passage dans un collecteur approprié 47 Le lanceur lui-même peut comporter un agencement de recherche de cible ou de positionnement de missile, sensible aux infra-rou- ges (non représenté), et le réseau sensible au rayon- nement peut être refroidi par un ensemble à doigt froid *(non représenté) semblable à l'ensemble 1 et relié par l'intermédiaire d'un ensemble de transmis- sion de pulsations de pression (non représenté) iden- tique à l'ensemble 13 ainsi que par un tube 48 bran- ché au collecteur 47. Alorsqu'un missile 40 est monté sur le lanceur, la source d'air comprimé 43 est actionnée de manière à commander l'ensemble 1 à doigt froid du missile et à refroidir leréseau 32 sensible au rayonnement Lors du tir, la liaison entre le missile et l'ensemble 13 est rompue, mais le réseau reste suffisamment froid pour fonctionner pendant le vol A l'issue du tir du missile 40, l'élémient 14 de l'ensemble 13 avec le court tronçon de tube 12 rompu, fixé à celui-ci, et toutes 8. partiesrestantesde l'entretoise 14 peuvent être enle- vés-iet jetés Un nouveau missile complet avec un tube 12 non cassé, fixé à un nouvel élément 14, et une nou- velle entretoise 44 peuvent alors être montés. On remarquera que, avec le système repré- senté, on peut installer un nouveau missile sans que l'opérateur ait à s'occuper des coupleurs très spé- cialisés qui seraient nécessaires pour le passage d'hélium pur sans contamination ou sans qu'il ait à remplir le système d'hélium après le montage Au lieu de cela, le côté hélium du système peut être fourni complet et testé Le côté air du système peut être relativement plus compact, et être réalisé de façon qu'aucune mesure particulière ne doive être prise pour éviter la contamination de l'air fourni ou pour éliminer de légères fuites. On remarquera que diverses modifications peuvent être apportées au système représenté Par exemple, dans l'ensemble 1 à doigt froid, le trou de dérivation 11 peut s'avérer inutile s'il y a un trajet de fuite suffisant à la hauteur de la partie de piston 10 La construction particulière du pis- ton auxiliaire 6 peut être modifiée et, de fait, l'ensemble à doigt froid peut être remplacé par tout autre type d'ensemble à doigt froid à cycle Stirling qui est commandé par des pulsations de pression à par- tir d'un moteur d'entraînement séparé. Le clapet 20 pourrait être éliminé si la source d'alimentation 43 peut fonctionner en soi de manière à fournir de l'air comprimé pulsé A la pla- ce d'air, la source 43 pourrait fournir tout autre fluide approprié, apte à transmettre des pulsations de pression à la membrane 17, par exemple un autre gaz ou même de l'huile ou de l'eau Le fluide de travail de l'ensemble à doigt froid est choisi en fonction de facteurs tels que la température froide que l'on dé- sire obtenir et par conséquent pourrait être autre que 9. l'hélium; par exemple, de l'hydrogène ou de l'azote pourrait s'avérer approprié dans certains cas. Le système des figures 1 et 2 pourrait être également modifié comme représenté dans les figures 3, 4 ou 5 En figure 3, la conduite 27 est reliéeà un tube 50 qui traverse l'interface lanceur/missile par l'intermédiaire d'une entretoise 51 semblable à l'en- tretoise 44 pour rejoindre l'ensemble à doigt froid 1 ou elle fournit de l'air de refroidissement permettant de faciliter la dissipation à partir du radiateur de chaleur 31 Entre l'entretoise 51 et la conduite 27, le tube 50 comprend unraccord 52 qui permet un démon- tage facile de lapartie brisée du tube à la suite du tir et du couplage du tube sur le nouveau missile. En figure 4, le clapet de dérivation 25 et l'ensemble de transmission de pulsations de pres- sion 13 sont installés dans le missile tout près de l'ensemble 1 à doigt froid ou de manière à constituer une partie de cet ensemble Comme dans le cas de la figure 3, l'air provenant de la conduite 27 est ache- miné au radiateur de chaleur 31 de façon à en facili- ter le fonctionnement Le tube 26 comprend un raccord 60 du côté lanceur de l'entretoise 44 de manière à permettre l'installation d'un nouveau missile. En figure 5, le clapet 25 est ramené dans le lanceur et l'air facilitant le fonctionnement du radiateur de chaleur 31 est soutiré à l'intérieur de l'élément 20 par l'intermédiaire d'une conduite 70, conduite qui est telle que, par exemple par la pré- sence d'une obstruction 71 dans le col, il n'y a pas soutirage d'une quantité d'air suffisante pour in- fluencer le fonctionnement du doigt froid. Dans les variantes des figures 4 et 5 en particulier, les éléments 14 et 20 de l'ensemble 13 n'ont pas besoin d'être séparables comme cela est le cas d Ans le mode de réalisation des figures 1 et 2 Ilsr pourraientêtre également non séparablesdans ce mode de 10. réalisation et dans le mode de réalisation de la figu- re 3 si des raccords appropriés sont prévus dans cha- que cas entre l'ensemble 13 et le clapet 25 Dans ce cas, la totalité de l'ensemble 13 serait rejeté après chaque tir et un nouvel ensemble fourni sur chaque nou- veau missile. Plus particulièrementen cequiconcerne les variantes des figures 3 à 5 mais éventuellement aus- si en ce qui concerne le mode de réalisation des fi- gures 1 et 2, il sera généralement préférable que le raccord 43 fournisse de l'air comprimé refroidi. La source d'air peut ne pas être nécessai- re si une alimentation convenable en air com- mé existe déjà dans le voisinage du lanceur Dans un avion, par exemple, même une alimentation en air re- froidi existe. Au lieu d'être déplacdepar de l'air ou par un fluide comprimé de manière à transmettre les pulsa- tions de pression au fluide de travail dans l'ensem- ble à doigt froid 1, la membrane pourrait être dépla- cée mécaniquement ou électrommagnétiquement Par exemple, la membrane pourrait constituer l'armature d'un électro- aimant qui serait commandé par un courant pulsé d'aimantation. Les conduites d'air 50, 26 et 24 des figures 3, 4 et 5, respectivement, peuvent comporter des cla- pets d'ouverture-fermetureautomatiques (non représen- tés) qui empêchent une perte d' air excessive et/ou une contamination de l'air d'alimentation lorsque le missile est tiré. La présente invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation qui viennent d'être dé- crits; elle est au contraire susceptible de varian- tes et de modifications qui apparaîtront à l'homme de l'art. i 1. REVENDICATIONS 1.Système de pompe à chaleur cryogénique à cycle Stirling destiné à être utilisé dans un mis- sible ou une installation de lancement de missile. ou en association avec ceux-ci, caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble à doigt froid o un pis- ton auxiliaire répond à des variations de pression cycliques d'un fluide de travail de manière à dépla- cer le fluide entre des positions respectives à l'in- térieur de l'ensemble en synchronisme avec les varia- tions de pression, d'o il résulte que la chaleur est pompéede l'une des positions à l'autre, un ensem- ble de transmission de pression comprenant un élément de transmission de pression flexible avec un côté du- quel communique le fluide de travail, et un moyen a 'entraînement relié à l'ensemble de transmission de pression et pouvant fonctionner de façon à déplacer l'élément flexible pour que celui-ci transmette les variations de pression cycliques au fluide de travail tout en maintenant ce fluide isolé du moyen d'entraî- nement. 2 Système selon la revendication 1, carac- térisé en ce que l'élément de transmission de pression flexible est une membrane. 3 Système selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le moyen d'entraînement comprend un moyen d'alimentation en fluide pressurisé relié à 1 'ensemblede transmission de pression et pouvant fonc- tionner pour fournir du fluide à l'autre côté du moyen de transmission de pression à une pression pul- sée. 4 Système de pompe à chaleur cryogénique à, cycle Stirling destiné à être utilisé avec un mis- sile ou une installation de lancement de missile ou en association avec ceux-ci,caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble à doigt froid ox un piston auxi- liaire répond à des variations de pression cycliques 12. d'un fluide de travail pour déplacer le fluide entre des positions respectives en synchronisme avec les variations de pression, d'o il résulte que la cha- leur est pompée de l'une des positions à l'autre, et un ensemble de transmission de pression compre- nant un élément de transmission de pression mobile, avec un côté duquel communique le fluide de travail, le système comprenant en outre un moyen d'enceinte pour renferme un fluide de transmission de pression en contact avec l'autre côté de l'élément mobile, et un moyen d'entraînement pour conférer des pulsa- tions de pression au fluide de transmission de pres- sion et par conséquent, par l'intermédiaire de l'élé- ment mobile, au fluide de travail. 4 Système de missile comprenant un missi- le et un support de lancement de missile, et compor- tant un système de pompe à chaleur cryogénique à cy- cle Stirling selon les revendications 1, 2 ou 3, ca- ractérisé en ce que l'ensemble à doigt froid se trou- ve à bord du missile, le moyen d'entraînement étant à bord du support de lancement, et le moyen d'entraî- nement et l'ensemble à doigt froid étant accouplés ensemble par l'intermédiaire d'une liaison pouvant être rompue qui s'étend à travers l'interface missile/lanceur. Système selon la revendication 4, carac- térisé en ce que l'ensemble de transmission comprend deux parties pouvant être reliées, dont l'une comporte l'élément de transmission de pression et l'autre est accoupléeau moyen d'entraînement.