Brevet FR2723435A1 — publié le 19960209

L'invention concerne un appareil pour l'obtention de températures cryogéniques dans des dispositifs refroidis, et plus particulièrement un système de refroidisseur cryo- génique thermomécanique ayant un agencement de bout froid de5 conception nouvelle. Un refroidisseur cryogénique est un dispositif qui atteint des températures cryogéniques, très basses, en utilisant un puits de chaleur dont le fonctionnement est basé sur l'un de plusieurs cycles thermodynamiques d'élimination10 de la chaleur. Le refroidisseur cryogénique est raccordé à une charge calorifique par l'intermédiaire d'un bout froid, formant un système de refroidisseur cryogénique. La charge calorifique peut être toute structure devant être refroidie à la température cryogénique. Un exemple est un capteur ou un dispositif électronique qui doit être refroidi à basse température pour fonctionner convenablement. Dans le fonc- tionnement du système de refroidisseur cryogénique, de la chaleur est conduite depuis le capteur ou dispositif électro- nique, par l'intermédiaire du bout froid, jusqu'au puits de chaleur du refroidisseur cryogénique. Les refroidisseurs cryogéniques ont pour avantage important de ne pas nécessiter de réservoir de liquide cryogénique. Ils peuvent donc être utilisés après une longue période d'inactivité ou de stockage, par exemple dans le cas o un capteur est monté dans un missile qui est stocké pendant une période prolongée et doit pouvoir être refroidi à une température de fonctionnement en une courte période de temps, habituellement mesurée en minutes ou moins. Des refroidisseurs cryogéniques sont également utilisés dans le cas o la structure devant être refroidie ne peut pas être aisément pourvue d'une alimentation en liquide cryogénique, par exemple dans un vaisseau spatial. Un flux de chaleur est quelque peu analogue à un flux électrique par le fait qu'une impédance s'opposant au flux de chaleur peut agir à la manière d'un isolateur ou d'une résistance qui réduit le flux de chaleur. Toute impédance opposée au flux de chaleur à partir de la structure refroidie, en passant par le bout froid conducteur et arrivant au puits de chaleur, entraîne une diminution du5 rendement de refroidissement. Pour éviter la baisse de rendement, le refroidisseur cryogénique doit être réalisé à de plus grandes dimensions et doit consommer davantage d'énergie. Les dimensions accrues et l'utilisation accrue d'énergie sont indésirables dans la plupart des applications. De plus, l'impédance thermique augmente le temps demandé pour faire baisser la température de la structure refroidie à une valeur préalablement choisie, ce qui est un inconvénient majeur dans le cas o un refroidissement doit être réalisé rapidement, comme dans un système directeur de missile. Des systèmes de refroidisseur cryogénique et de bout froid ont été conçus avec soin pour minimiser l'impé- dance thermique. Le bout froid est réalisé en cuivre, lequel possède une conductibilité thermique élevée. Le bout froid est habituellement brasé à l'obturateur qui ferme l'extrémité20 du refroidisseur cryogénique, pour établir un trajet continu de flux de chaleur. La conception géométrique du bout froid et le raccordement du bout froid au refroidisseur cryogénique ont été optimisés pour établir une impédance thermique minimale. Néanmoins, il est toujours souhaitable et nécessaire d'améliorer les performances d'un système en réduisant l'impédance thermique entre la structure devant être refroidie et le refroidisseur cryogénique. L'invention satisfait ce besoin et procure en outre des avantages associés. L'invention propose un système de refroidisseur cryogénique et un procédé pour sa fabrication. Le système de refroidisseur cryogénique de l'invention parvient à un meilleur rendement grâce à une réduction de l'impédance thermique dans la liaison par le bout froid entre la struc- ture devant être refroidie et le puits de chaleur. Des améliorations d'environ 15 % ont été obtenues sans modifica- tion de la conception du puits de chaleur proprement dit du refroidisseur cryogénique. Conformément à l'invention, un système de refroidisseur cryogénique comporte un moyen à puits de chaleur destiné à produire une région de basse température vers laquelle de la chaleur s'écoule. Le moyen à puits de chaleur comprend un moyen à paroi de puits de chaleur destiné à renfermer une région intérieure de puits de chaleur. Le système de refroidisseur cryogénique comporte en outre un bout froid ayant une région périphérique qui est continue avec le moyen à paroi du puits de chaleur et une première extrémité en contact direct avec la région du puits de chaleur. Dans une autre forme de réalisation, un système de refroidisseur cryogénique comporte un moteur thermique comprenant une chemise froide de cylindre et une région de poche froide de gaz à l'intérieur de la chemise froide du cylindre. Un adaptateur est monté de façon étanche sur la chemise froide du cylindre à l'aide d'un joint hermétique d'étanchéité. Un bout froid présente une périphérie et une première extrémité en contact direct avec la région froide de poche de gaz à l'intérieur de la chemise froide du cylindre. Un joint métallique est présent entre la périphérie du bout froid et l'adaptateur. Le joint métallique entre la péri- phérie du bout froid et le puits de chaleur est avantageuse- ment un joint soudé par friction qui est hermétique sans cependant qu'une nouvelle matière soit introduite dans le joint. Le système de refroidisseur cryogénique de l'invention atteint un rendement accru d'élimination de la chaleur en comparaison avec des conceptions classiques. L'impédance thermique au point o le bout froid est en contact avec le puits de chaleur est réduite, car il n'y a aucune couche de matière intermédiaire ni aucun joint brasé entre le bout froid et le puits de chaleur. On peut utiliser la poche de l'invention dans les mêmes applications que celles d'autres refroidisseurs cryogéniques. L'invention sera5 décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue schématique d'un système de refroidisseur cryogénique utilisé pour refroidir une structure; la figure 2 est une vue en coupe longitudinale schématique du bout froid et de son mode de fixation au puits froid selon l'invention; la figure 3 est une vue en coupe longitudinale du bout froid et de son mode de fixation au puits froid selon une approche antérieure; la figure 4 est un diagramme simplifié de la séquence de préparation du système de refroidisseur cryogéni- que de l'invention; la figure 5 est un graphique de la charge calorifique en fonction de la température pour des systèmes de refroidisseur cryogénique utilisant la présente approche et une approche antérieure; et la figure 6 est un graphique du rendement de transmission de chaleur pour les systèmes de refroidisseur cryogénique indiqués sur la figure 5. La figure 1 représente un système 20 de refroi- disseur cryogénique qui est utilisé pour refroidir une structure 22. La structure 22, également parfois appelée "charge", est habituellement un dispositif électronique ou un capteur dans l'application qui intéresse le plus la demande- resse, mais elle peut être tout type d'objet devant être refroidi. Le système 20 de refroidisseur cryogénique comprend un puits 24 de chaleur, représenté ici sous la forme d'un moteur thermique à cycle Stirling, mais qui peut être tout type utilisable de moteur thermique. De tels dispositifs d'élimination de la chaleur sont bien connus dans la techni- que. Dans la partie concernée, un tel moteur thermique comprend un fluide gazeux froid de travail tel que de l'hélium contenu dans une chemise 26. Dans l'approche préférée, la chemise 26 est cylindrique et est parfois appelée "cylindre froid" ou "chemise froide de cylindre". Un élément de transmission de la chaleur s'étend entre la chemise froide 26 de cylindre et la structure refroidie 22. L'élément de transmission de la chaleur, appelé bout froid 28, agit en tant que conduit ou conducteur de chaleur entre la structure 22 et le puits de chaleur 24. De la chaleur est conduite depuis la structure 22 jusqu'au fluide froid de travail contenu dans la chemise froide 26 de cylindre du puits 24 de chaleur. La figure 2 illustre une partie du système 20 de refroidisseur cryogénique concernant le plus l'invention. Un piston déplaceur 30 (ou piston) exécute un mouvement alter- natif dans la chemise froide 26 de cylindre. A son déplace- ment maximal vers la droite sur la figure 2, il reste une région de poche de gaz froid 32 qui contient le fluide gazeux froid de travail, dans ce cas, avantageusement, de l'hélium. Une première extrémité 34 du bout froid 28 est en contact direct avec la région de la poche gazeuse froide 32. L'expression "en contact direct" telle qu'utilisée ici signifie qu'il n'y a aucune structure intermédiaire entre la première extrémité 34 du bout froid et la région de poche gazeuse 32, en sorte que l'extrémité du bout froid agit en tant que partie de la structure de confinement du gaz froid à l'intérieur de la région 32. La région 32 de la poche gazeuse froide est donc limitée et le gaz y est contenu par la chemise froide 26 de cylindre, l'extrémité du piston déplaceur 30 et la première extrémité 34 du bout froid 28. Une structure différente, selon l'art antérieur, est décrite ci-après en regard de la figure 3. Une surface extérieure d'un adaptateur globale- ment annulaire 36 est montée hermétiquement de façon étanche, avantageusement par une soudure telle qu'une soudure 38 par faisceau électronique par laser, sur l'extrémité ou l'inté-5 rieur de la chemise froide 26 de cylindre. Une périphérie 40 du bout froid 28 est montée hermétiquement de façon étanche sur une surface intérieure 42 de l'adaptateur 36. Une soudure 44 entre la périphérie 40 du bout froid 28 et la surface intérieure 42 de l'adaptateur 36 est avantageusement réalisée par soudage par friction ou par inertie. Le bout froid 28 est avantageusement réalisé en cuivre (en une autre matière bonne conductrice de la chaleur, telle que de l'argent ou de l'aluminium, ou un alliage de cuivre, un alliage d'argent ou un alliage d'aluminium), et l'adaptateur 36 et la chemise 26 sont avantageusement réalisés en acier inoxydable ou en titane. La soudure demandée 38 par faisceau électronique ou par laser et la soudure 44 réalisée par friction ou par inertie peuvent être aisément réalisées entre ces matières par l'utilisation de techniques connues. Dans un soudage par faisceau électroni- que, un faisceau électronique est dirigé contre la zone d'interface devant être soudée, faisant fondre cette zone. Lors de la solidification, la soudure est formée. Un soudage par laser atteint sensiblement les mêmes résultats, sauf que c'est un faisceau laser, plutôt qu'un faisceau électronique, qui fournit l'énergie de chauffage. Dans un soudage par friction ou par inertie, l'une des pièces devant être soudée est déplacée (habituellement en rotation) à une vitesse élevée, puis amenée en contact avec l'autre pièce devant être soudée. La friction générée lorsque les deux pièces sont en contact l'une avec l'autre produit une déformation plastique des zones de surface de l'une des pièces ou des deux pièces, achevant ainsi la soudure. Les soudures réalisées par friction ou par inertie sont habituellement utilisées pour la réalisation de joints entre des métaux difficiles à souder ou différents. Un soudage par faisceau électronique ou par laser est préféré pour la soudure 38 car ces techniques permettent un réglage précis de la pénétration et une faible largeur de soudure, et elles sont propres. La zone des métaux de base affectée par la chaleur est de faible dimension. Un soudage par friction ou par inertie est préféré pour former la soudure 44, car ce joint est formé entre des métaux dif- férents choisis pour leurs caractéristiques thermiques et structurales souhaitées en ce qui concerne le bout froid 28 et l'adaptateur 36, plutôt que pour leur aptitude au soudage. Ces techniques sont également propres et produisent une soudure qui est dimensionnellement mince et d'une haute perfection, et qui présente une grande surface de contact minimisant l'impédance thermique. Le processus de soudage par friction est également hautement reproductible pour produire une structure soudée de haute qualité ne présentant aucune porosité. D'autres techniques d'assemblage, par exemple d'autres types de soudage, de brasage, etc., pourraient également être utilisées. En variante, une pièce unique monobloc de la forme demandée pour le bout froid et la chemise pourrait être utilisée, mais cette approche n'est pas préférée. Une seconde extrémité 46 du bout froid 28 est en contact avec la structure 22 devant être refroidie. Un joint conducteur de la chaleur est réalisé entre la seconde extrémité du bout froid 28 et la structure 22 par toute technique appropriée. Le joint peut être réalisé par toute technique convenant au type particulier de structure, tel qu'un joint mécanique, un joint brasé ou un joint soudé. Le bout froid 28 et l'adapteur 36 sont reliés à l'extrémité de la chemise froide 26 de cylindre par les soudures 38 et 44. Cette fermeture procure un joint herméti- que s'opposant aux fuites de gaz depuis la région 32 de poche gazeuse froide. L'impédance thermique, résultant de la liaison du bout froid 28 avec la chemise froide 26 de cylindre et s'opposant au flux de chaleur depuis la structure 22, passant par le bout froid 28 et arrivant dans le gaz de travail dans la zone 32, est faible. La figure 3 représente une approche de l'art antérieur pour la jonction du bout froid 28 avec la chemise froide 26 de cylindre. Un obturateur 50 en acier est fixé dans l'extrémité de la chemise froide 26 de cylindre par une soudure 52 afin d'obturer de façon étanche la région de poche gazeuse froide 32. Le côté du bouchon 50 tourné vers l'exté- rieur est analogue à une coupelle et reçoit en lui la première extrémité 34 du bout froid 28. La première extrémité 34 du bout froid 28 est soudée dans l'extrémité analogue à une coupelle de l'obturateur 50 au moyen de techniques classiques de brasage pour former un joint brasé 54. Cette approche antérieure, bien que pouvant fonctionner, présente plusieurs inconvénients. La base de l'obturateur 50 est interposée dans le trajet principal du flux de chaleur entre la première extrémité 34 du bout froid 28 et la région de la poche gazeuse froide 32. Par consé- quent, il n'y a aucun "contact direct" entre la première extrémité 34 et la région de poche gazeuse froide 32. La matière du joint brasé 54 se trouve également dans le trajet du flux de chaleur. En outre, le brasage dépend sensiblement de l'adresse de la personne effectuant l'opération de brasage, de la brasure et des conditions de brasage. Par conséquent, la qualité du joint brasé peut varier de façon relativement large. Dans un joint brasé de bonne qualité, la brasure mouille complètement les surfaces brasées et la structure soudée présente peu de défauts et une faible porosité. Des joints brasés de moindre qualité présentent un mouillage réduit, davantage de défauts et une plus grande porosité. Les joints brasés de moindre qualité opposent une impédance thermique sensiblement supérieure à celle des joints brasés de meilleure qualité. Cependant, lorsqu'un joint brasé est placé dans le trajet principal du flux de chaleur, la qualité du joint doit être considérée comme suspecte, et les concepteurs doivent supposer que la qualité du joint est moindre lorsqu'ils développent des modèles de flux de chaleur. Des courbes 56 de flux de chaleur simulé pour la présente approche et l'approche antérieure sont montrées sur les figures 2 et 3, respectivement. Avec la présente approche, la plus grande partie du flux de chaleur suit la10 longueur du bout froid 28 directement jusqu'à la région de poche gazeuse froide 32. Avec l'approche antérieure, l'impé- dance thermique opposée par la base de l'obturateur 50 provoque une déformation des courbes de flux de chaleur à travers l'obturateur 50 et même jusque dans l'extrémité de la15 chemise de cylindre froide 26. L'impédance thermique de l'approche antérieure est donc plus grande que celle de la présente approche. La figure 4 illustre un procédé de fabrication du système de refroidisseur cryogénique de l'invention. La référence numérique 60 indique la fourniture du puits de chaleur 24. Le puits de chaleur peut être de tout type utilisable, mais est habituellement un moteur thermique à cycle Stirling comme indiqué précédemment. La référence numérique 62 indique la fourniture du bout froid 28 et la référence numérique 64 celle de l'adaptateur 36. Ce dernier doit pouvoir être fixé au puits de chaleur 24. Dans le cas du moteur thermique à cycle Stirling comportant la chemise froide 26 de cylindre, l'adaptateur 36 est reçu dans un évidement situé dans l'extrémité de la chemise froide 26. Le bout froid 28 est soudé à l'adaptateur 36, comme indiqué en 66, avantageusement par soudage par friction ou par inertie. L'adaptateur 36, auquel est relié le bout froid 28, est ensuite soudé à la chemise froide 26 de cylindre du puits de chaleur, comme indiqué en 68, avantageusement par soudage par faisceau électronique ou par laser, pour achever le système de refroidisseur cryogénique. La seconde extrémité 46 du bout froid 28 est fixée à la structure 22 devant être refroidie, comme indiqué en 70, par toute technique utili- sable. On a fabriqué un prototype de système de refroi- disseur cryogénique selon le procédé de la figure 4 et à l'aide de la structure décrite en regard de la figure 2. On a soumis à un contrôle de détection de fuites à l'hélium le prototype de refroidisseur cryogénique, à une pression manométrique interne de 7 MPa et aucune fuite n'a été relevée à une sensibilité de 10-9 cm3-atmosphère d'hélium par seconde, dans des conditions normales. Par conséquent, la présente approche, dans laquelle aucun obturateur d'extrémité n'est utilisé, et le bout froid et l'adaptateur assurent la fermeture de la chemise froide de cylindre, atteint une obturation étanche satisfaisante de la région de poche gazeuse froide. On a préparé des refroidisseurs cryogéniques comparatifs ayant la structure montrée sur la figure 3, l'un avec un joint brasé 54 de bonne qualité et un autre avec un joint brasé qui a été volontairement préparé à une mauvaise qualité. Ce dernier joint a été évalué car les concepteurs doivent prendre en considération la possibilité d'un tel joint brasé de mauvaise qualité lorsqu'ils conçoivent le système de refroidisseur cryogénique. Le flux de chaleur provenant d'une charge, passant par le bout froid et arrivant dans le puits de chaleur a été mesuré pour chaque système de refroidisseur cryogénique, en fonction de la température. Les résultats sont indiqués sur la figure 5. Les résultats pour le refroi- disseur cryogénique préparé selon la présente approche, indiqués par la courbe portant la référence numérique 80, sont meilleurs que ceux obtenus avec le refroidisseur cryogénique de l'approche antérieure ayant un joint brasé de bonne qualité, comme indiqué par la courbe 82, et très supérieurs à ceux du refroidisseur cryogénique de l'approche antérieure ayant un joint brasé de mauvaise qualité, courbe 84. Le rendement de la transmission de la chaleur en fonction de la température a été également mesuré sur les trois refroidisseurs cryogéniques et les résultats sont présentés sur la figure 6. Les courbes sont désignées par les mêmes références numériques que sur la figure 5. La présente approche (courbe 80) produit un rendement supérieur à celui de chacune des approches antérieures (courbes 82 et 84). La présente approche procure donc des perfor- mances de transmission de chaleur supérieures à celles des approches antérieures, à la fois pour la meilleure structure brasée de l'approche antérieure et pour une structure à15 brasure volontairement défectueuse de l'approche antérieure. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au système et au procédé décrits et représentés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Système de refroidisseur cryogénique, carac- térisé en ce qu'il comporte un moyen (24) à puits de chaleur destiné à produire une région (32) de basse température vers laquelle de la chaleur s'écoule, le moyen à puits de chaleur comprenant un moyen (26) à paroi de puits de chaleur destiné à renfermer une région intérieure (32) du puits de chaleur, et un bout froid (28) ayant une zone périphérique (40) qui est continue avec le moyen à paroi du puits de chaleur, et une première extrémité (34) en contact direct avec la région du puits de chaleur. 2. Système de refroidisseur cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen à puits de chaleur comprend un moteur thermique (24). 3. Système de refroidisseur cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bout froid est réalisé en cuivre. 4. Système de refroidisseur cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un joint (38) entre le bout froid et le moyen à paroi du puits de chaleur. 5. Système de refroidisseur cryogénique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le joint est un joint soudé. 6. Système de refroidisseur cryogénique selon la revendication 4, caractérisé en ce que le joint est un joint soudé par friction. 7. Système de refroidisseur cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen à puits de chaleur comprend un moyen à manchon (26) destiné à retenir en lui une zone de poche gazeuse froide (32), et en ce que la zone périphérique du bout froid forme un joint hermétique avec le moyen à manchon. 8. Système de refroidisseur cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen à puits de chaleur comprend un manchon (26) et un adaptateur (36) relié au manchon à l'aide d'un joint hermétique, le système de refroidisseur cryogénique comprenant en outre un joint métallique (44) formé entre la zone périphérique du bout froid et l'adaptateur. 9. Système de refroidisseur cryogénique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le moyen à paroi du puits de chaleur comprend une paroi cylindrique. 10. Système de refroidisseur cryogénique, caractérisé en ce qu'il comporte un moteur thermique (24) comprenant une chemise froide (26) de cylindre et une zone de poche gazeuse froide (32) à l'intérieur de la chemise, un adaptateur (36) relié de façon étanche à la chemise froide de cylindre par un joint hermétique, un bout froid (28) ayant une périphérie (40) et une première extrémité (34) en contact direct avec la zone de poche gazeuse froide à l'intérieur de la chemise froide de cylindre, et un joint métallique (44) entre la périphérie du bout froid et l'adaptateur. 11. Procédé de fabrication d'un système de refroidisseur cryogénique, caractérisé en ce qu'il consiste à fournir un moyen (24) à puits de chaleur pour produire une zone froide vers laquelle de la chaleur circule, à fournir un bout froid (28) ayant une périphérie (40) et une première extrémité (34) en contact direct avec la zone froide, et à former un joint hermétique (44) entre la périphérie du bout froid et le moyen à puits de chaleur.