Brevet FR2699263A1 — publié le 19940617

REFROIDISSEUR MUNI D'UN DOIGT FROID EQUIPE D'UN COUPLEUR THERMIQUE La présente invention est relative aux refroidisseurs mécaniques basés sur le cycle de Stirling inversé ou cycle de Higa. Ces machines permettent d'obtenir des températures cryogéniques de l'ordre de 70 à 80 degrés Kelvin. Elles sont notamment utilisées pour refroidir des composants électroniques tels que des détecteurs infra-rouges qui fonctionnent à ces températures. Ces refroidisseurs comprennent un groupe moto-oscillateur qui génère dans une enceinte active contenant un fluide une onde de pression. L'enceinte active est formée par une enceinte de compression reliée au groupe moto-oscillateur et par une enceinte de détente ou doigt froid. Ces deux enceintes communiquent entre elles et un déplacer modifie le volume de l'enceinte de détente et le volume de l'enceinte de compression en réponse aux variations de la pression. Ce déplacer est formé d'une matrice poreuse perméable au fluide (des billes par exemple). La détente du fluide intervient à l'extrémité du doigt froid et engendre une production de froid. Le doigt froid est plongé dans un cryostat qui assure son isolation thermique. Ce cryostat ou vase Dewar est formé de deux enveloppes cylindriques scellées et séparées par du vide. Les enceintes sont souvent en verre ou en métal et leurs parois sont aussi fines que possible. Le détecteur infrarouge est placé dans le vide entre l'enveloppe interne et l'enveloppe externe. Il est solidaire de l'enveloppe interne. Afin d'augmenter les performances du détecteur et du refroidisseur, une bonne liaison thermique est nécessaire entre l'extrémité du doigt froid et l'enveloppe interne ou puits du cryostat. Un coupleur thermique assure cette liaison. Il existe plusieurs types de coupleurs thermiques. Les coupleurs frontaux réalisent une liaison thermique directe entre l'extrémité du doigt froid et le fond du puits. Ces coupleurs utilisent souvent des ressorts ou des dispositifs équivalents. Dans cette configuration, l'extrémité du doigt froid est mécaniquement solidarisée avec le fond de l'enveloppe interne. Le doigt froid est soumis à des vibrations dues à l'onde de pression et au mouvement du déplacer, qui se transmettent au détecteur ce qui n'est pas souhaitable. Les coupleurs pariétaux réalisent un transfert thermique depuis le doigt froid vers la paroi latérale de l'enveloppe interne du cryostat. On utilise souvent des anneaux fendus enserrant le doigt froid. Ils sont en contact avec l'enveloppe interne du cryostat. Ces pièces, nécessitent un usinage mécanique précis pour que l'on puisse aisément monter et démonter le doigt froid. Le chemin thermique crée entre le doigt froid et le détecteur est plus long que dans le cas des coupleurs frontaux. Il a aussi été proposé de noyer l'extrémité du doigt froid, équipé ou on d'un coupleur thermique, dans de la graisse thermique. Cette graisse, à base de polymères aux silicones, est souvent chargée en métaux bon conducteurs thermiques tels que le cuivre, l'aluminium, l'argent. Son aspect est pâteux à température ambiante et solide à froid. Cette graisse améliore le contact entre le coupleur thermique et le cryostat. Mais au bout d'un certain temps de fonctionnement, elle est moins efficace car elle finit par se tasser. S'il n'y a pas de coupleur thermique, il n'y a plus de contact entre l'extrémité du doigt froid et le cryostat. De plus l'utilisation de la graisse thermique amplifie les problèmes liés à la maintenance. Lors d'un démontage du doigt froid, si on ne prend pas la précaution de nettoyer le fond du puits du cryostat, on ne connait pas la quantité de graisse thermique restante. Lors du remontage, si l'on met trop de graisse, le cryostat risque de se briser puisqu'il a des parois fines et si l'on en met pas assez le contact n'est pas amélioré. La présente invention propose d'améliorer le contact entre l'extrémité du doigt froid d'un refroidisseur et le cyrostat sans en avoir les inconvénients. Pour cela l'invention propose d'utiliser un coupleur thermique réalisé à base d'alliage à mémoire de forme. Avec le coupleur thermique proposé, on facilite le montage et le démontage du doigt froid dans le cryostat, on augmente la surface de contact et on limite la transmission de vibrations entre le doigt froid et le cryostat. Pour y parvenir, l'invention propose un refroidisseur basé sur le cycle de Stirling inversé comportant un doigt froid engendrant une production de froid à son extrémité, plongé dans un puits de cryostat et un coupleur thermique en contact avec l'extrémité du doigt froid pour assurer un bon transfert thermique entre le doigt froid et le cryostat. Selon l'invention le coupleur thermique est réalise à base d'alliage à mémoire de forme. Un jeu est prévu entre le coupleur thermique et le puits du cryostat lorsque l'alliage à mémoire de forme est en phase austénitique tandis que le coupleur thermique est en contact avec le puits du cryostat lorsque l'alliage à mémoire de forme est en phase martensitique. Le coupleur thermique est de préférence formé de deux solides, engendrés chacun par une génératrice passant par un sommet fixe, et d'une bague entourant les deux solides. Les deux solides sont opposés par leur sommet. De préférence la bague est fendue. Au moins l'un des solides est en alliage à mémoire de forme. I1 est préférable que la bague soit aussi en alliage à mémoire de forme. Les deux solides peuvent tre des cônes, de préférence tronqués. Les deux solides peuvent tre solidarisés par un élément de liaison élastique. La description ci-après en se référant aux figures annexées, le tout donné à titre d'exemple, fera bien comprendre comment l'invention peut tre réalisée. La figure 1 montre une coupe longitudinale d'un doigt froid d'un refroidisseur équipé d'un coupleur thermique selon l'invention et plongé dans un cryostat. Les figures 2a et 2b représentent respectivement la position du coupleur thermique lorsque le doigt froid est à température ambiante et en fontionnement. Sur la figure 1, le doigt froid porte la référence 1. Ce doigt froid 1 de forme cylindrique contient un déplacer 2 rempli de billes. On n'en voit que son extrémité. Une onde de pression a été créée par un groupe moto-oscillateur dans une enceinte de compression (non représentée) contenant un fluide. La base du doigt froid 1 et l'enceinte de compression communiquent. Le déplacer 2 contribue à déplacer l'onde de pression et il se produit une détente du fluide donc une production de froid à l'extrémité du doigt froid 1. Le doigt froid 1 est plongé dans un cryostat 3. Le cryostat 3 est formé de deux enveloppes, une enveloppe interne 4 ou puits et une enveloppe externe 5, insérées l'une dans l'autre et séparées par du vide. Les deux enveloppes 4 et 5 ont respectivement une paroi latérale 41,51 et un fond 42,52. Les fonds 42,52 des deux enveloppes 4,5 sont situés du mme côté. Dans l'application décrite, le refroidisseur est destiné à refroidir un détecteur infrarouge 6 fixé sur le fond 42 de l'enveloppe interne 4, dans le vide. On utilise un coupleur thermique 7 pour réaliser un bon transfert thermique entre l'extrémité du doigt froid 1 et le puits 4 et par conséquent le détecteur infrarouge 6. Selon l'invention, le coupleur thermique 7 est réalisé à base d'alliage à mémoire de forme. Il est formé de deux cônes 8,9 opposés par le sommet. L'un des cônes ou cône supérieur 8 a sa base au niveau de l'extrémité du doigt froid 1 et l'autre cône ou cône inférieur 9 a sa base en contact avec le fond 42 de l'enveloppe interne 4. Les cônes sont avantageusement tronqués. Leurs petites bases sont en vis à vis. La grande base du cône supérieur 8 est en contact avec l'extrémité du doigt froid 1 et la grande base du cône inférieur 9 est en contact avec le fond 42 de l'enveloppe interne 4. Plus généralement au lieu d'utiliser des cônes on pourrait utiliser deux solides engendrés chacun par une génératrice passant par un sommet fixe. Les deux de cônes 8,9 viennent se loger à l'intérieur d'une bague 10 dont la surface extérieure fait face à la paroi latérale 41 de l'enveloppe interne 4. La bague 10 est fendue. Les deux cônes 8,9 sont solidaires l'un de l'autre grâce à un dispositif de liaison élastique 11. Ce dispositif de liaison 11 peut comporter comme sur la figure 1 une vis 12 et un ressort 13. La vis 12 est vissée dans le cône inférieur 9 et sa tte prend appui dans le cône supérieur 8 par l'intermédiaire du ressort 13. Le ressort peut tre conique comme sur la figure 1. D'autres dispositifs de liaison élastique sont tout à fait envisageables. Grâce à ce dispositif de liaison, les deux cônes et la bague forment un ensemble unique. Au moins l'un des deux cônes 8,9 est réalisé dans un alliage à mémoire de forme. Cet alliage peut tre réalisé à base de cuivre, d'aluminium et de zinc. De préférence, la bague 10 est aussi réalisée dans cet alliage à mémoire de forme. Ces alliages sont caractérisés par une température de transformation, cette température est variable selon l'alliage. Ils changent de structure cristalline lorsqu'on les soumet à un changement de température. A une température supérieure à la température de transformation, ils sont en phase austénitique et ils ont une première forme. A une température inférieure à la température de transformation, ils sont en phase martensitique, ils ont une seconde forme, ils s'allongent. Le changement de structure est progressif autour de la température de transformation. Lorsque l'on veut utiliser des pièces en alliage à mémoire de forme, on les éduque pour qu'elles prennent la forme souhaitée dans chacune des phases. On leur fait subir une succession de compressions et d'étirements en fonction de la température. On se réfère maintenant aux figures 2a et 2b. Sur ces figures, le détecteur infrarouge, l'enveloppe externe du crysostat, le déplacer et le dispositif de liaison élastique ne sont pas représentés dans un souci de clarté. Sur la figure 2a, l'alliage à mémoire de forme du coupleur thermique 7 est en phase austénitique. On est dans le cas où le refroidisseur est à l'arrt, et l'extrémité du doigt froid 1 est à la température ambiante. Il y a un jeu 14 au niveau de la bague 10, entre le coupleur thermique 7, et la paroi latérale 41 du puits 4 du cryostat. Ce jeu 14 permet un montage et un démontage aisés du doigt froid 1. Le cône inférieur 9 est en contact avec le fond 42 de l'enveloppe interne 4 du cryostat. Sur la figure 2b, l'alliage à mémoire de forme du coupleur thermique 7 est en phase martensitique. Dans cette phase le refroidisseur fonctionne et le doigt froid 1 produit du froid. La température à l'extrémité du doigt froid 1 peut tre de l'ordre de 70 à 80 degrés Kelvin. La transformation de l'alliage à mémoire de forme de la phase austénitique à la phase martenstitique provoque un allongement du ou des cônes. Sur la figure 2b on a supposé que le cône supérieur 8 était réalisé dans l'alliage à mémoire de forme et pas le cône inférieur 9. Le doigt froid 1 étant fixe, l'allongement du cône supérieur 8 crée une poussée représentée par la flèche épaisse. Le cône supérieur 8 tend à écarter la bague 10. Si le cône inférieur 9 était aussi en alliage à mémoire de forme, son allongement tendrait aussi à écarter la bague 10 en créant une poussée opposée à celle créée par le cône supérieur 8. Dans la configuration où la bague 10 est aussi en alliage à mémoire de forme, lors de la transformation de l'alliage, le périmètre de la bague augmente. En se déformant la bague 10 vient en contact avec la paroi latérale 41 du puits 4 du cryostat. Les flèches fines montrent la déformation de la bague. Le contact réalisé par la bague 10 est pariétal. La base du cône inférieur 9 est en contact avec le fond 42 de l'enveloppe interne 4 du cryostat. Ce contact est frontal. Le démontage du doigt froid 1 peut tre réalisé en réchauffant le coupleur thermique 7 à une température supérieure à la température de transformation de l'alliage à mémoire de forme. Par rapport à l'art antérieur, on a augmenté la surface d'échange entre le doigt froid et le cryostat et par conséquent les performances de l'ensemble refroidisseur-détecteur. En phase martensitique les alliages à mémoire de forme sont élastiques et ne transmettent pratiquement pas les vibrations. C'est pour cela que l'on préfère réaliser la bague 10 en alliage à mémoire de forme. Les autres éléments du coupleur thermique, par exemple composant le dispositif de fixation élastique, seront de préférence en un matériau bon conducteur thermique tel que le cuivre, l'aluminium etc... Les proportions des métaux entrant dans la composition de l'alliage à mémoire de forme, par exemple le cuivre, le zinc et l'aluminium, influent sur la température de transformation de l'alliage et sont donc déterminées en fonction des températures de fonctionnement et de repos de l'ensemble refroidisseur-détecteur. REVENDICATIONS 1-Refroidisseur basé sur le cycle de Stirling inversé : un doigt froid (1) engendrant une production de froid à son extrémité, le doigt froid (1) plongeant dans un puits (4) de cryostat (3), un coupleur thermique (7) en contact avec l'extrémité du doigt (1) froid pour assurer un bon transfert thermique entre le doigt froid (1) et le cryostat (3), caractérisé en ce que le coupleur thermique (7) est réalisé à base d'alliage à mémoire de forme, un jeu (14) étant prévu entre le coupleur thermique et le puits du cryostat (3) lorsque l'alliage à mémoire de forme est en phase austénitique tandis que le coupleur thermique est en contact avec le puits du cryostat lorsque l'alliage à mémoire de forme est en phase martensitique. 2-Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que le coupleur thermique (3) est formé de deux solides (8,9) engendrés chacun par une génératrice passant par un sommet fixe, les deux solides (8,9) étant opposés par leur sommet, et d'une bague (10) entourant les deux solides (8,9). 3-Refroidisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que la bague (10) est fendue. 4-Refroidisseur selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que les deux solides (8,9) sont des cônes. 5-Refroidisseur selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que les deux solides (8,9) sont tronqués et comportent chacun une petite base et une grande base, les petites bases étant en vis à vis, la grande base de l'un de solides (8) étant en contact avec l'extrémité du doigt froid (1) et la grande base de l'autre solide (9) étant en contact avec le fond du puits du cryostat (3). 6-Refroidisseur selon l'une des revendications 2 à 5, caractérisé en ce qu'au moins un des solides (8) est en alliage à mémoire de forme. 7-Refroidisseur selon l'une des revendications 2 à 6 caractérisé en ce que la bague (10) est en alliage à mémoire de forme. 8-Refroidisseur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que l'alliage à mémoire de forme est à base de cuivre, de zinc, d'aluminium. 9-Refroidisseur selon l'une des revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'un élément de liaison élastique (11) solidarise les deux solides (8,9). 10-Refroidisseur selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'élément de liaison élastique (11) comporte une vis (12) vissée dans l'un des solides (9), sa tte prenant appui sur l'autre solide (8) par l'intermédiaire d'un ressort (13). 11-Refroidisseur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le refroidisseur est prévu pour refroidir un détecteur infrarouge (6) en contact avec le puits (14) du cryostat (3).