Brevet FR2741940A1 — publié le 19970606

La présente invention a pour objet un refroidisseur du type de ceux qui comportent un oscillateur de pression à moteur linéaire pour la compression périodique d'un fluide thermodynamique circulant entre ledit oscillateur de pression et un doigt froid de régénération thermique et de détente dudit fluide. Tel est le cas des refroidisseurs à cycle thermodynamique dit de Stirling, quand ils sont du type à moteur linéaire. Ces refroidisseurs cryogéniques sont connus pour être de conception simple et d'un coût particulièrement économique. En outre, on sait limiter leurs vibrations en fonctionnement, tout spécialement en adoptant une construction bi-piston pour assurer la compression du fluide de travail thermodynamique. Ils sont notamment fabriqués sous des formes miniatures, pour être utilisés dans l'industrie de l'optoélectronique, pour refroidir des composants électroniques, et plus particulièrement des capteurs tels que les détecteurs infrarouge, pour lesquels la température de fonctionnement est couramment située entre 80 K et 150 K. Leur fonctionnement est décrit de manière détaillée par Damien FEGER, dans la publication française intitulée "Techniques de l'Ingénieur", dans sa partie "traité Electronique" en chapitre E 4070, pages 1 à 11, en particulier en référence à la figure 15 page 9. On y voit que dans une disposition équilibrée à deux pistons mobiles, une chambre de compression unique est ménagée au centre de l'oscillateur de pression, entre les deux pistons fonctionnant en opposition, et que la chemise fixe commune aux deux pistons, solidaire d'un carter étanche enveloppant l'ensemble, laisse place à deux espaces annulaires dans lesquels se logent les bobines et aimants du moteur linéaire qui sert à déplacer les pistons par l'intermédiaire de deux jupes mobiles respectivement solidaires des deux pistons. La communication pneumatique nécessaire à la circulation du fluide de travail thermodynamique en circuit fermé entre l'oscillateur de pression et le doigt froid est assurée par un canal traversant la chemise et le carter et débouchant à l'extrémité chaude du doigt froid contenant le matériau régénérateur dans un tube allongé constituant un piston déplaceur poreux. Une telle disposition, jugée utile pour réduire au mieux l'encombrement ainsi que les vibrations en fonctionnement, a par contre pour inconvénient majeur que l'on doit utiliser des bobines d'induction spécialement traitées, sans réussir pour autant à s'affranchir totalement des risques de dysfonctionnement liés à un dégazage progresif des résines isolantes qu'elles comportent. En conséquence, les performances du refroidisseur se dégradent au cours du temps, du fait notamment de la pollution du fluide de travail, généralement constitué d'hélium, et de l'apparition de condensats qui se déposent dans les zones froides et provoquent des colmatages. A ce genre de problèmes la présente invention apporte une solution qui évite la pollution du gaz de travail, notamment sa contamination par les émanations des bobinages électriques. Elle vise aussi à réduire tant les coûts de fabrication que l'encombrement tout en améliorant la sécurité de fonctionnement et la durée de vie des refroidisseurs. Dans ce but l'invention propose un refroidisseur du type comportant un oscillateur de pression à moteur linéaire pour la compression périodique d'un fluide de travail thermodynamique circulant entre ledit oscillateur de pression et un doigt froid de régénération thermique et de détente dudit fluide, caractérisé en ce que ledit oscillateur de pression comporte au moins un élément mobile formant chemise limitant une chambre de compression dudit fluide en bout d'un piston fixe, à l'intérieur d'une enveloppe étanche en matériau amagnétique, et en ce que ledit moteur linéaire comporte un bobinage inductif à alimentation électrique périodique monté extérieurement autour de ladite enveloppe, en couplage coopérant à travers celle-ci avec un aimant associé porté par ladite chemise, pour commander son déplacement en variation de volume de ladite chambre de compression. Ainsi, avec cette conception, le bobinage d'induction est entièrement situé à l'extérieur du volume occupé par le fluide de travail, et en aucun cas il ne se trouve en contact avec ce fluide, de sorte que celui-ci ne peut pas être contaminé par les émanations du bobinage. Selon un mode de réalisation préféré, principalement pour des raisons de stabilité mécanique en fonctionnement, l'oscillateur de pression suivant l'invention comporte deux chemises mobiles symétriquement l'une de l'autre. Elles sont avantageusement montées coulissantes sur un piston commun fixe autour de deux parties cylindriques de celui-ci, de sorte à délimiter avec un tel piston central, à chaque bout de celui-ci, respectivement deux chambres de compression symétriques dont le volume est variable de manière simultanée sous l'action du bobinage inductif. Le fonctionnement d'un tel oscillateur de pression à deux chambres de compression a l'avantage de minimiser les vibrations engendrées par l'entraînement par moteur linéaire, toute vibration étant bien connue pour perturber le fonctionnement des composants à refroidir, notamment les capteurs opto-électroniques. Suivant un mode de réalisation préféré de l'invention, la communication nécessaire à la circulation du fluide de travail y est assurée par un conduit comprenant un canal percé longitudinalement d'un bout à l'autre du piston jusqu'aux chambres de compression et par un canal radial de liaison pneumatique percé radialement dans une partie médiane du piston, lequel débouche dans la zone chaude du doigt froid. La présente invention sera bien comprise au vu de la description ci-après d'exemples non limitatifs illustrés par les figures ci-jointes, au cours de laquelle on verra ressortir en particulier des caractéristiques secondaires de l'invention dans la construction d'un refroidisseur à deux chemises mobiles réalisé sous forme monobloc miniature. Parmi les figures - la figure 1 schématise dans son principe un refroidisseur Stirling à une seule chemise réalisé conformément à la présente invention - la figure 2 représente un refroidisseur Stirling suivant l'invention à deux chemises mobiles. Pour fonctionner suivant le principe du cycle Stirling, les refroidisseurs cryogéniques connus comportent un circuit fermé de fluide thermodynamique, généralement un gaz à haute pureté tel que l'hélium, entre une chambre de compression, à la température chaude du cycle, dont le volume est variable sous la commande d'un oscillateur de pression, et une chambre froide de détente délivrant la puissance frigorifique libérée par la détente du fluide thermodynamique. Entre ces deux chambres, tant en sens aller qu'en sens retour, le circuit est au moins partiellement constitué par un déplaceur qui est réalisé sous la forme d'un tube allongé contenant le matériau régénérateur. Le propos de ce dernier est de prélever et de restituer alternativement de l'énergie au gaz. Sur la figure 1 on reconnaît les éléments usuels d'un refroidisseur Stirling, à savoir la chambre de compression 4 qui communique avec la chambre de détente 57 située au fond d'un doigt froid 5, à travers un piston déplaceur poreux 56, ou régénérateur, coulissant sans jeu dans le tube étanche 55 du doigt froid et contenant le matériau poreux régénérateur. Le refroidisseur décrit étant du type dit à sonde intégrée, un composant devant recevoir la puissance frigorifique produite sera apposé contre le bout froid 53 du doigt froid et fixé là sur le tube 55 par exemple par collage. Par ailleurs le doigt froid est entouré d'une enveloppe d'isolation thermique qui n'a pas été représentée sur la figure 1, sauf toutefois en son extrémité d'entrée opposée au bout froid, qui constitue sa zone chaude 51. On a donc fait apparaître que cette zone chaude est plutôt enveloppée d'un matériau conducteur capable d'échange thermique avec l'extérieur. On peut encore remarquer sur la figure 1, la présence d'un ressort de résonance 52 situé dans la zone chaude 51 du doigt froid 5 ; ce ressort 52 a pour rôle, de manière en soi classique, de contrôler les déplacements du piston déplaceur poreux 56. Par rapport à ce que l'on connaît actuellement des refroidisseurs Stirling dans lesquels l'oscillateur de pression assurant la compression est à moteur linéaire, dans une disposition cylindrique, la particularité du régénérateur représenté réside dans le fait que la chambre de compression est prévue en bout d'un piston fixe 3, solidaire d'un carter 7. Elle est délimitée par un élément mobile constituant une chemise 2 montée coulissante sur l'extrémité correspondante du piston 3, à l'intérieur d'une enveloppe l étanche au gaz de travail, alors que le bobinage inductif nécessaire à son entraînement est situé à l'extérieur de cette enveloppe. Les déplacements de la chemise 2 sont placés sous le contrôle d'un ressort de résonance 42, complété par un ressort d'équilibrage 43. Il s'agit de ressorts hélicoïdaux fonctionnant en compression. Le premier s'appuie sur le fond de l'enveloppe 1, le second est disposé entre la face annulaire terminale de la chemise 2 et une couronne du piston 3 fermant l'enveloppe étanche 1. Le moteur d'entraînement de la chemise 2 comporte, en bobinage inductif, une bobine d'induction 12 qui est montée dans le carter 7 autour de la paroi cylindrique de l'enveloppe étanche 1, à l'extérieur de celle-ci. Cette bobine coopère avec un aimant associé 21, qui est solidaire de la chemise mobile 2. Il est fixé sur la face cylindrique extérieure de celle-ci. Pour permettre le couplage inductif, l'enveloppe 1 est constituée en un matériau amagnétique, tel l'acier inoxydable Z2. On remarquera la disposition concentrique des éléments suivants : piston, chemise, aimant, enveloppe étanche, bobine d'induction, carter, en allant de l'intérieur vers l'extérieur. On en comprendra aisément que les éventuelles émanations de gaz provenant de la bobine d'induction 12 ne peuvent en aucun cas diffuser dans l'enveloppe étanche et aller contaminer le gaz de travail situé dans la chambre de compression 4. La communication pneumatique s'effectue par un conduit 6, percé axialement dans le piston fixe 3. Ce conduit met en communication la chambre de compression 4 avec la zone chaude du doigt froid 5 et l'extrémité d'entrée du piston régénérateur 56. Le refroidisseur illustré par la figure 2 respecte les principes de construction de celui de la figure 1, en particulier dans une forme de réalisation monobloc à sonde intégrée, mais il est plus avantageux dans la pratique, spécialement ce qui concerne l'absence de vibrations en fonctionnement. En effet, tous les organes mobiles y sont doublés en une disposition cylindrique symétrique. Il convient notamment pour un dimensionnement et des conditions de mise en oeuvre correspondant à une puissance frigorifique de l'ordre de 10 watts. On observe donc sur la figure 2 que l'élément central fixe est constitué par un piston double 3 coopérant avec deux chemises mobiles 2, 2', qui sont montées coulissantes sur deux parties longitudinalement opposées du piston 3. A chaque bout de celui-ci, les deux chemises délimitent, de chaque côté respectivement deux chambres de compression 4, 4' pour le fluide de travail. Chacune est équipée d'un aimant permanent 21, 21', par exemple au samarium-cobalt, en périphérie de sa paroi cylindrique. Le bobinage inductif coopérant est constitué de deux bobines d'induction 12, 12' enroulées autour de l'enveloppe en matériau amagnétique 1 qui enferme piston et chemises d'une manière étanche pour le fluide de travail. La figure illustre également que l'enveloppe 1 fait partie intégrante du carter 7, ce dernier étant réalisé en deux parties soudées ou autrement fixées en contact étanche avec une partie médiane 35 du piston intermédiaire entre ses deux parties opposée s 34 et 34'. Les câbles d'alimentation électrique des bobines 12, 12' traversent ce carter, de préférence au niveau de sa soudure sur le piston. Elle montre en outre que ce carter lui-même est conformé extérieurement pour jouer le rôle d'un échangeur de réjection de chaleur, capable d'évacuer vers l'extérieur du refroidisseur la chaleur de compression du fluide de travail. Un prolongement radial 37 de l'ensemble solidaire piston-carter, joue le même rôle de réjection thermique pour la zone chaude 51 du doigt froid 5. En effet, contrairement à la variante de la figure 1, le doigt froid est ici disposé perpendiculairement à l'axe longitudinal du piston fixe, et non plus dans son prolongement. On retrouve toutefois le régénérateur 56, piston déplaceur soumis à l'action du ressort 52. Sur le bout froid 53, on a représenté un composant 9 à refroidir. De plus, on a fait apparaître l'enveloppe d'isolation thermique, constitué par un vase Dewar à double paroi sous vide. On observe en particulier que cette enveloppe est soudée sur le prolongement 37 pour constituer un ensemble monobloc avec l'oscillateur de pression. Les deux chemises mobiles 2, 2' sont maintenues en position d'équilibre par des ressorts hélicoïdaux symétriques 42, 42' et 43, 43' comme représenté sur la figure 1, deux ressorts opposés étant enroulés en sens inverse, à savoir d'une part les ressorts de résonance 42, 42' comprimés entre le fond 26, 26' de chaque chemise mobile et le fond correspondant 71, 71' du carter 7 fermant l'enveloppe étanche 1 (des épaulements creusés dans l'un et l'autre de ces fonds maintiennent les extrémités des ressorts en place), et d'autre part les ressorts d'équilibrage 43, 43' qui sont comprimés entre la face annulaire radiale qui termine la paroi cylindrique de chaque chemise et la partie médiane 35 du piston central. Cette disposition est à relier au fait que les deux chemises sont entraînées simultanément suivant des courses de sens opposés. Dans l'ensemble monobloc, le conduit 6 de la figure 1 est remplacé par des canaux 61 et 62 percés dans le piston 3. Le premier s'étend longitudinalement d'un bout à l'autre du piston suivant son axe, mettant ainsi en communication les deux chambres de compression. Le second est ménagé radialement à travers la partie médiane 35 du piston, de sorte à mettre le canal 61 en communication avec la zone chaude du doigt froid 5. Le refroidisseur Stirling linéaire de la figure 2 présente en avantage commun avec celui de la figure 1, le fait que les bobines 12, 12' ne sont pas contenues dans la même enceinte que le gaz de compression, ce qui évite la contamination du gaz de travail. Il est à noter aussi que l'on évite d'avoir à faire traverser l'enceinte étanche de contention du fluide thermodynamique par des piquages de passage de fils d'alimentation électrique. Les ressorts 42, 42' et 43, 43' assurent le maintien de la chemise mobile 2 dans une position moyenne lorsque le système est au repos, et ces mêmes ressorts interviennent dans les conditions de résonance du système lorsque celui-ci est en fonctionnement. La partie chaude 51 du doigt froid 5 est montée solidaire du piston 3 et du carter 1 de l'oscillateur de pression, d'où le caractère monobloc du refroidisseur. Cette disposition est favorable en vue d'un bon rendement et elle contribue à une bonne dissipation thermique, ce qui favorise la durée de vie des étanchéités dynamiques. Accessoirement, on a fait figurer un queusot 76 de remplissage du circuit de fluide de travail à travers l'enveloppe étanche 1 de l'oscillateur de pression, ainsi qu'un queusot 59 de mise sous vide de l'enveloppe 58 d'isolation thermique du doigt froid, mais non pas les organes de montage mécanique qui permettent de fixer le refroidisseur sur un support, par exemple par la face 71' de l'oscillateur de pression. REVENDICATIONS 1/ Refroidisseur du type comportant un oscillateur de pression à moteur linéaire pour la compression périodique d'un fluide de travail thermodynamique circulant entre ledit oscillateur de pression (10) et un doigt froid (5) de régénération thermique et de détente du fluide, caractérisé en ce que ledit oscillateur de pression comporte au moins un élément mobile formant chemise (2,2') limitant une chambre de compression du fluide (4,4') en bout d'un piston fixe -(3), à l'intérieur d'une enveloppe étanche (1) en matériau amagnétique, et en ce que ledit moteur linéaire comporte un bobinage inductif (12,12') à alimentation électrique périodique monté extérieurement autour de ladite enveloppe (1), en couplage coopérant à travers celle-ci avec un aimant associé (21,21') porté par ladite chemise, pour commander son déplacement en variation de volume de ladite chambre de compression (4,4'). 2/ Refroidisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit piston fixe (3) est percé d'un conduit (6) faisant communiquer ladite chambre de compression à travers ladite enveloppe (1) avec ledit doigt froid, en une zone chaude (51) à l'extrémité d'entrée d'un piston déplaceur régénérateur (56) opposée à un bout froid (53) contenant une chambre de détente dudit fluide (57). 3/ Refroidisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ladite enveloppe (1) fait partie intégrante d'un carter (7) formant échangeur de réjection de la chaleur de compression. 4/ Refroidisseur suivant la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit piston fixe (3) est percé d'un conduit (6) faisant communiquer ladite chambre de compression (4,4') à travers ledit carter (7) avec ledit doigt froid (5), ce dernier comportant une enveloppe d'isolation thermique (58) soudée sur ledit carter. 5/ Refroidisseur l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'oscillateur de pression (10) comporte deux éléments mobiles coulissant sur ledit piston fixe (3) respectivement autour de deux parties cylindriques (34, 34') longitudinalement opposées de celui-ci, constituant ainsi deux chemises (2,2') délimitant avec lui à chaque bout respectivement deux chambres de compression symétriques (4,4'), dont le volume est variable de manière simultanée sous l'action dudit bobinage inductif (12,12'), chacune desdites chemises étant pourvue d'un aimant associé (21,21'). 6/ Refroidisseur suivant la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte des ressorts hélicoïdaux de résonance (42,42') comprimés entre le fond (24,24') de chacune desdites chemises et respectivement deux fonds opposés (14,14') de ladite enveloppe étanche (1). 7/ Refroidisseur suivant la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que, ledit piston fixe (3) étant de section cylindrique, il comporte une partie médiane (35) de plus large diamètre que lesdites parties opposées (34,34') qui est percée d'un canal radial (62) de communication avec une zone chaude (51) dudit doigt froid pour un canal (61) en communication avec lesdites chambres de compression (4,4') percé longitudinalement d'un bout à l'autre dudit piston (3). 8/ Refroidisseur suivant la revendication 7, caractérisé en ce qu'il comporte des ressorts (43,43') d'équilibrage desdites chemises (2,2') comprimés entre une face annulaire terminale de chacune et ladite partie médiane du piston (35). 9/ Refroidisseur suivant l'une des revendications 5 à 8, combinée avec la revendication 4, caractérisé en ce que ledit carter (7) formant échangeur de réjection de chaleur est prolongé autour d'une zone chaude (51) dudit doigt froid (5) à l'extrémité d'entrée d'un tube déplaceur poreux (56) contenant un matériau régénérateur, opposée à son bout froid (53) formant chambre de détente dudit fluide (57) avec ledit tube déplaceur (56). 10/ Refroidisseur suivant la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte un composant à refroidir (9) apposé contre ledit bout froid à l'intérieur de ladite enveloppe d'isolation thermique (58).