Brevet FR2743871A1 — publié le 19970725

L'invention concerne des dispositifs et des systèmes de refroidissement cryogénique. L'invention concerne plus particulièrement des refroidisseurs cryogéniques à tube à pulsion. Des refroidisseurs cryogéniques sont bien connus dans la technique. Ces dispositifs sont utilisés pour refroidir des circuits et des systèmes dans de nombreuses applications comprenant des dispositifs de détection à infrarouge mis en oeuvre dans des aéronefs, des engins spatiaux et de nombreux autres systèmes. La construction d'un refroidisseur linéaire à tube à pulsion est habituellement utilisée dans les applications courantes. Un refroidisseur linéaire à tube à pulsion est agencé de manière que toutes les pièces d'un détendeur soient disposées en un agencement rectiligne. Par conséquent, deux échangeurs chauds de chaleur sont habituellement disposés aux extrémités opposées du détendeur et une station froide est disposée dans le milieu. Un conditionnement utilisant des tubes à pulsions linéaires classiques était donc souvent difficile. Un refroidisseur concentrique à tube à pulsion, c'est-à-dire un refroidisseur dont des éléments tels que des tubes sont disposés concentriquement, comporte un échangeur chaud de chaleur, intégré, disposé à une extrémité du détendeur et une station froide disposée à l'extrémité opposée du détendeur, d'une manière classique. Le détendeur concentrique à tube à pulsion est plus aisé à conditionner, mettre en place et utiliser et il est plus petit que les refroidisseurs à tubes à pulsions linéaires actuels. Des détendeurs classiques concentriques à tube à pulsion ne comprenaient pas d'isolateur entre le tube à pulsion et le régénérateur. On supposait que le gradient de température et la répartition de la chaleur dans le tube à pulsion et le régénérateur étaient similaires. Cependant, on a déterminé que la répartition de température dans le tube à pulsion diffère de celle présente dans le régénérateur. Une communication thermique entre le tube à pulsion et le régénérateur abaisse notablement le rendement du refroidis- seur à tube à pulsion. On a donc eu besoin, dans la technique d'un refroidisseur concentrique à tube à pulsion comportant un isolateur entre le tube à pulsion et le régénérateur. L'invention décrite dans la demande de brevet des Etats-Unis d'Amérique N 08/353 609, intitulée "CONCENTRIC PULSE TUBE EXPANDER", déposée le 12 décembre 1994 par F. N. Mastrup et collaborateurs, s'adresse à la nécessité ressentie dans la technique. Bien que ce système soit quelque peu efficace, il utilise un isolateur en matière plastique qui conduit une certaine quantité de chaleur à des températures cryogéniques, ce qui apparaît sous la forme d'une baisse de rendement. Il subsiste donc la nécessité de disposer, dans la technique, d'un refroidisseur concentrique à tube à pulsion comportant un isolateur perfectionné entre le tube à pulsion et le régénérateur, procurant une plus grande fiabilité à des températures du domaine cryogénique. L'invention satisfait à la nécessité de la technique en procurant un détendeur pour un refroidisseur concentrique à tube à pulsion. Le détendeur de l'invention comprend un tube central à pulsion, un tube concentrique d'isolation disposé autour du tube central à pulsion, le tube d'isolation renfermant une chambre concentrique qui est remplie d'un isolant et l'isolant étant atmosphérique, et un régénérateur disposé autour du tube concentrique d'isolation. Dans une forme de réalisation particulière, le tube isolant présente un évent qui permet à la chambre d'isolation de communiquer avec l'atmosphère environnante. Lorsqu'elle est utilisée dans l'espace, la chambre est occupée par un espace vide et l'isolateur devient un vide et assure une isolation efficace aux températures cryogéniques. Le détendeur selon l'invention permet une conception perfectionnée de refroidisseur concentrique à tube à pulsion comportant un ensemble à doigt refroidisseur disposé à une première extrémité du refroidisseur concentri- que à tube à pulsion; un ensemble à échangeur de chaleur disposé à une seconde extrémité du refroidisseur concentrique à tube à pulsion; et l'ensemble détendeur à tube à pulsion selon l'invention fixé à l'échangeur de chaleur. L'ensemble à détendeur comprend le tube central à pulsion; le tube concentrique d'isolation disposé autour du tube central à pulsion et renfermant la chambre d'isolation vidée d'air; et le régénérateur disposé autour du tube concentrique d'isola- tion comme indiqué ci-dessus. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexés à titre d'exemple nullement limitatif et sur lesquels: la figure 1 est une vue en perspective, avec coupe partielle, d'un refroidisseur concentrique à tube à pulsion comportant un isolateur concentrique plein; la figure 2 est une vue en coupe longitudinale à échelle agrandie du refroidisseur concentrique à tube à pulsion de la figure 1; la figure 3 est une vue de côté avec coupe du refroidisseur cryogénique concentrique à tube à pulsion selon l'invention; et la figure 4 est un diagramme d'un système de refroidissement utilisant le refroidisseur cryogénique concentrique à tube à pulsion selon l'invention. La figure 1 est une vue en perspective, avec coupe partielle, d'un refroidisseur concentrique à tube à pulsion comportant un isolant concentrique plein. La figure 2 est une vue en coupe longitudinale à échelle agrandie du refroidisseur concentrique à tube à pulsion de la figure 1. Le refroidisseur montré sur les figures 1 et 2 est décrit dans la demande NO 08/353 609 précitée. Une revue de cette conception facilite la compré- hension du refroidisseur selon l'invention tel que décrit plus complètement ci-dessous. Comme illustré sur les figures 1 et 2, le refroidisseur 10 concentrique à tube à pulsion comprend trois sous-ensembles: un ensemble à doigt refroidisseur 40, un ensemble 41 à détendeur à tube à pulsion, et un ensemble 42 à échangeur de chaleur double. L'ensemble à doigt refroi- disseur 40 est constitué d'un doigt refroidisseur 12 et d'un échangeur de chaleur 16 d'extrémité froide disposé dans une partie étendue axialement du doigt refroidisseur 12. Le doigt refroidisseur 12 peut être en cuivre ou en une autre matière convenable. L'échangeur de chaleur 16 peut être un tamis de cuivre à mailles d'une ouverture de 150 gm ou une autre matière appropriée. L'ensemble 41 à détendeur à tube à pulsion est constitué d'un tube central 18 à pulsion entouré d'un tube concentrique 19 d'isolation. Le tube 19 d'isolation est entouré par un régénérateur concentrique 17. Le régénérateur concentrique 17 peut être en acier inoxydable à mailles de 37 gm ou en une autre matière appropriée. Le tube central 18 à pulsion, le tube 19 d'isolation et le régénérateur 17 sont fixés à l'intérieur d'un corps 11. Plusieurs canaux 15 de raccordement de doigt refroidisseur traversent le tube 19 d'isolation et le doigt refroidisseur et raccordent le régénérateur 17 à l'échangeur de chaleur 16 de l'extrémité froide. Une bride 35 disposée à une extrémité de l'ensemble 41 à détendeur à tube à pulsion, adjacente au doigt refroidisseur, est utilisée pour fixer l'ensemble 40 à doigt refroidisseur au corps 11 de l'ensemble 41 à détendeur à tube à pulsion. Une bride 21 d'interface à vide est disposée à une extrémité opposée de l'ensemble 41 à détendeur à tube à pulsion, du côté distal par rapport à l'ensemble 40 à doigt refroidisseur et à proximité immédiate de l'ensemble 42 à échangeur de chaleur, et est utilisée pour fixer l'ensemble 41 à détendeur concentrique à tube à pulsion à l'ensemble 42 à échangeur de chaleur et à une source de vide (non représentée) pour un vase Dewar à vide qui isole le doigt refroidisseur. L'ensemble 41 à détendeur concentrique à tube à pulsion comporte un isolateur thermique constitué par le tube d'isolation 19 qui sépare le tube central 18 à pulsion du régénérateur concentrique 17. L'ensemble 41 à détendeur à tube à pulsion est fixé de façon coulissante à l'ensemble à échangeur de chaleur 42 au moyen d'un joint axial coulissant 24 d'étanchéité qui est formé d'une bague torique en Viton, par exemple. Le joint axial coulissant 24 d'étanchéité permet un mouvement relatif entre l'ensemble 40 à doigt refroidisseur et l'ensemble 41 à détendeur à tube à pulsion vers l'ensemble 42 à échangeur de chaleur pendant que le doigt refroidisseur 12 et l'ensemble à détendeur 41 refroidissent. L'ensemble 42 à échangeur de chaleur est consti- tué d'un corps extérieur 22a d'échangeur de chaleur et d'un corps 22b d'échangeur de chaleur à rejet axial. Un échangeur de chaleur 23 de rejet, placé axialement, est disposé dans le corps 22b d'échangeur de chaleur à rejet axial et un échan- geur de chaleur primaire 28, qui porte contre une extrémité du régénérateur 17, est disposé dans le corps extérieur 22a de l'échangeur de chaleur. L'échangeur de chaleur 23 à rejet peut être constitué d'une toile de cuivre à mailles de 150 gm ou d'une autre matière convenable. L'échangeur de chaleur primaire 28 peut également être constitué d'une toile de cuivre à mailles de 150 pm ou d'une autre matière convenable. Un canal 27 à fluide de refroidissement est formé dans l'ensemble à échangeur de chaleur 42, entre et à travers le corps extérieur 22a d'échangeur de chaleur et le corps axial 22b d'échangeur de chaleur, qui comprend une rainure hélicoïdale 27 raccordée entre un orifice 25 d'entrée de fluide de refroidissement et un orifice 26 de sortie de fluide de refroidissement. On fait circuler un fluide de refroidissement tel que de l'eau, par exemple, dans le canal 27 de fluide de refroidissement, entre l'orifice 25 d'entrée de fluide de refroidissement et l'orifice 26 de sortie du fluide de refroidissement. Pour des mesures en laboratoire, un transducteur de pression est raccordé à un orifice situé dans le corps d'échangeur de chaleur axial 22b, lequel transducteur capte la pression présente dans la conduite entre le tube central 18 à pulsion et un volume 33 d'équilibrage. Le corps exté- rieur 22a de l'échangeur de chaleur présente un orifice 31 d'entrée de gaz qui est raccordé à une entrée circulaire de gaz et une chambre intermédiaire 32 de sortie qui fait entrer le gaz de travail dans l'échangeur de chaleur 28, puis dans le régénérateur concentrique 17, le fait passer dans l'échan- geur de chaleur 16 de l'extrémité froide, le fait entrer dans le tube central 18 à pulsion en passant par l'échangeur de chaleur 23 de rejet, l'amène au volume 33 d'équilibrage, puis en assure le retour. Comme mentionné précédemment, l'isolateur plein 19 du refroidisseur 10 des figures 1 et 2, bien qu'étant quelque peu efficace, est à l'origine d'une perte de rende- ment. Le refroidisseur selon l'invention élimine l'isolation par un corps plein pour la remplacer par une isolation par vide qui est plus efficace. La figure 3 est une vue en coupe longitudinale du refroidisseur cryogénique concentrique à tube à pulsion selon l'invention. Le refroidisseur 10' de l'invention est d'une conception et d'une construction similaires à celles des figures 1 et 2, sauf que l'isolateur 19 des figures 1 et 2 est remplacé par une chambre concentrique 19' et que la chambre 19' est raccordée à l'atmosphère par un évent 20. Lorsqu'elle est utilisée dans l'espace, la configuration selon l'invention permet au vide de s'établir dans la chambre 19' par l'intermédiaire de l'évent 20. L'évent 20 passe par le canal 15 de raccordement et à travers le corps 11. L'évent crée un isolateur à vide dans la chambre concentrique 19' entre le régénérateur 17 et le tube 18 à pulsion. La figure 4 est un diagramme d'un système de refroidissement utilisant le refroidisseur cryogénique concentrique à tube à pulsion selon l'invention. Le système comprend le détendeur concentrique 10' à tube à pulsion selon l'invention qui est attaqué par un compresseur classi- que 110 sous la commande d'un sous-ensemble électronique 120 pour présenter un bout froid à une interface 130. Il va de soi que de nombreuses modifications peuvent être apportées au détendeur décrit et représenté sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Détendeur pour un refroidisseur concentrique (10) à tube à pulsion, caractérisé en ce qu'il comporte un tube central (18) à pulsion; un tube concentrique (19) d'isolation disposé autour du tube central à pulsion et renfermant une chambre concentrique (19') qui est remplie d'un isolant, celui-ci étant atmosphérique; et un régénéra- teur (17) disposé autour du tube concentrique d'isolation. 2. Détendeur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que la chambre est creuse, l'isolant étant le vide. 3. Détendeur selon la revendication 1, carac- térisé en ce que le refroidisseur est disposé à l'intérieur d'un corps (11) qui est traversé par un évent (20) par lequel la chambre communique avec l'atmosphère environnante. 4. Détendeur selon la revendication 3, carac- térisé en ce que l'atmosphère environnant est l'espace libre, la chambre étant creuse en sorte que l'isolant est le vide. 5. Refroidisseur concentrique à tube à pulsion, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble (40) à doigt refroidisseur disposé à une première extrémité du refroidis- seur concentrique à tube à pulsion; un ensemble (42) à échangeur de chaleur disposé à une seconde extrémité du refroidisseur; et un ensemble (41) à détendeur à tube à pulsion fixé à l'échangeur de chaleur, l'ensemble à détendeur comportant un tube central (18) à pulsion; un tube con- centrique (19) d'isolation disposé autour du tube central à pulsion et renfermant une chambre concentrique (19') qui est occupée par un isolant, ce dernier étant atmosphérique; et un régénérateur (17) disposé autour du tube concentrique d'isolation. 6. Refroidisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la chambre est creuse, en sorte que l'isolant est le vide. 7. Refroidisseur selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il est disposé à l'intérieur d'un corps (11) traversé par un évent (20) par lequel la chambre communique avec l'atmosphère environnante. 8. Refroidisseur selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'atmosphère environnante est l'espace libre, la chambre étant creuse en sorte que l'isolant est le vide. 9. Système de refroidissement, caractérisé en ce qu'il comporte un refroidisseur concentrique (10) à tube à pulsion ayant un ensemble (40) à doigt refroidisseur disposé à une première extrémité du refroidisseur concentrique, un ensemble (42) à échangeur de chaleur disposé à une seconde extrémité du refroidisseur concentrique, et un ensemble (41) à détendeur à tube à pulsion fixé à l'échangeur de chaleur et comportant un tube central (18) à pulsion, un tube concentri- que (19) d'isolation disposé autour du tube central à pulsion et renfermant une chambre concentrique (19') qui est occupée par un isolant, ce dernier étant atmosphérique, et un régénérateur (17) disposé autour du tube concentrique d'isolation, le système comportant aussi un compresseur (110) raccordé au refroidisseur, et des moyens (120) destinés à commander le compresseur en fonction de la température présente au doigt refroidisseur.