Brevet FR2815700A1 — publié le 20020426

DISPOSITIF CRYOGENIQUE A CYCLE FERME La présente invention a pour objet un dispositif cryogénique constituant une machine frigorifique fonctionnant en cycle fermé (notamment cycle de Stirling, mais éventuellement de Gifford-MacMahon, de Vuillemier ou de Carnot) pour porter une charge à une température cryogénique lors de son utilisation ; elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, dans les appareils comportant un détecteur à porter à une température cryogénique. De telles machines peuvent comporter un compresseur de gaz placé en circuit fermé avec une sonde froide ayant un corps de sonde allongé fermé par un fond destiné à être relié thermiquement à une charge, corps dans lequel coulisse un tube dit régénérateur ou déplaceur, découplé mécaniquement du compresseur, occupé par un matériau d'accumulation thermique, délimitant avec le fond un volume de détente du gaz et solidaire d'un axe de commande tel que les variations de pression du gaz provenant du compresseur sur une surface d'action de l'axe provoquent des mouvements de va-et-vient du tube. Le corps est mince et en matériau à faible coefficient de conductibilité thermique. Il peut être disposé dans un cryostat sous vide. A l'heure actuelle, les dispositifs de ce type, dans lesquels les sous-ensembles de compression et de régénération sont découplés mécaniquement comportent un tube régénérateur qui est guidé sur toute sa longueur ou à ses deux extrémités dans le corps de sonde de façon que le jeu entre ces deux pièces soit très faible et constant. Le tube est relié mécaniquement à l'axe de commande par une liaison constituant un pivot destiné à compenser les défauts d'alignement entre le guide de l'axe de commande et le tube régénérateur. Cette disposition présente des inconvénients, qui sont dus notamment au fait que le tube régénérateur est un élément mobile qui évolue à la cadence de l'onde de pression provenant du compresseur, avec un déphasage qui est déterminé par l'équilibre dynamique de l'équipage tubeaxe (constituant piston) soumis aux forces de pression et à des forces de frottement. Cet équilibre dynamique peut être perturbé par la dilatation différentielle du tube et du corps, constitués généralement en des matériaux différents. La dilatation différentielle dans le sens radial peut provoquer une altération des jeux qui induit elle-même une modification du guidage et des forces de frottement et des pertes thermodynamiques. La liaison à pivot est délicate à réaliser et sa présence se traduit par des jeux et des chocs sur l'équipage régénérateur. L'invention vise notamment à fournir un dispositif cryogénique à cycle fermé, et notamment à cycle de Stirling avec découplage mécanique, répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique, notamment en ce qu'il écarte ou du moins réduit les problèmes liés aux variations de température et aux frottements. L'invention propose en conséquence un dispositif dans lequel le tube est guidé uniquement dans sa partie éloignée du fond par une bague solidaire du corps et dans laquelle coulisse le tube. Le guidage du tube peut être complété par un guidage de l'axe par la même bague. Du fait que les alésages de guidage du tube et de guidage de l'axe sont alors usinés dans la même pièce, il est possible d'assurer un haut degré d'alignement entre ces alésages, ce qui permet de se dispenser totalement d'un pivot. Grâce à cette disposition, le guidage s'effectue dans des zones où la température est plus homogène que sur la partie du tube régénérateur éloignée de l'axe. Le choix des matériaux est fait pour réduire les frottements et l'effet des dilatations et contractions thermiques. En particulier les surfaces en glissement relatif (bague et tube et éventuellement bague et axe) sont en des matériaux de base identiques ou ayant des coefficients de dilatation proches. Les surfaces en contact sont traitées de façon à réduire leur coefficient de frottement et/ou à augmenter leur dureté et corrélativement leur durée de vie. Il peut notamment s'agir de traitements de surface sur un substrat métallique. Ces traitements peuvent être des traitements thermiques portant sur les deux éléments en déplacement relatif ou sur un seul, en masse (trempe par exemple) ou en surface (nitruration par exemple). On peut également utiliser le dépôt d'une couche très mince, de quelques microns, de carbone amorphe donnant une texture comparable à celle du diamant (traitement dit CDA ou DLC). Afin d'assurer la compatibilité entre les matériaux constitutifs des pièces coulissant l'une dans l'autre, on sera en général amené à constituer le tube régénérateur en deux parties raccordées l'une à l'autre par collage. La partie raccordée à l'axe peut être d'une seule pièce avec cet axe et collée à la partie courant du tube régénérateur. Cette partie courante sera généralement en matières plastique, habituellement en résine époxy contenant de charges minérales orientées autrement que dans le sens longitudinal. La pièce constituée par l'axe et par la fraction arrière du tube régénérateur sera généralement en acier. On peut en particulier utiliser des aciers austénitiques ou martensitiques chrome-nickel, trempés et revenus, ou des aciers du type acier d'outillage, trempés et revenus à plus basse température. Un tel dispositif est notamment utilisable pour porter à très basse température un détecteur infrarouge. Dans ce cas, un cryostat peut être constitué par une chemise entourant le tube, fixée à l'embase et fermée par un hublot en matériau transparent au rayonnement infrarouge. Le corps constitue le cylindre de réception du tube qui constitue un piston régénérateur ou déplaceur. Le corps de sonde doit être peu conducteur de la chaleur. Pour cela on utilise un tube mince en un matériau peu conducteur. Parmi les matériaux les plus intéressants, on peut notamment citer les alliages de titane. A titre d'exemple, on peut donner l'alliage à 6% Al et 4% V dont la conductibilité est de 6, 7 W/m. K à 200C. D'autres caractéristiques encore apparaîtront à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère à la figure unique qui est une vue en demi-coupe longitudinale et en perspective d'un dispositif appartenant à une machine frigorifique miniature à cycle fermé, raccordée à une charge à porter à température cryogénique. Aucune pièce de compresseur, qui peut être classique, n'est représentée. Le dispositif représenté schématiquement à titre d'exemple en figure 1 comprend un corps de sonde 10, formé par un tube mince, dont une extrémité est fixée à une embase 12 et dont l'autre extrémité est. fermée par un fond 14, souvent appelé"cape". Le dispositif représenté est incorporé à un appareil de détection de rayonnement infrarouge dont le détecteur 16 (élément, barrette ou matrice en matériau approprié, tel que Hg Cd Te ou In Sb) doit être porté à température cryogénique. Ce détecteur est relié thermiquement au fond 14 sur lequel il est fixé. La sonde constituée par le détecteur et le corps de sonde, souvent qualifiée de"doigt froid", est placée dans un cryostat ayant une chemise 18, souvent en verre, ayant une face interne argentée pour être réfléchissante, et un hublot 20 en matériau transparent au rayonnement infrarouge à détecter. La chemise 18 est également fixée de façon étanche à l'embase 12 et délimite un espace isolant sous vide. L'invention est applicable également à un dispositif à cryostat dit"Stand alone"où la sonde vient se glisser. Le canal délimité par le tube 10 communique avec la source de gaz cryogénique comprimé (hélium en général). Dans le cas illustré sur la figure, cette source est le compresseur d'une machine frigorifique fixée de façon amovible au dispositif, fonctionnant en cycle fermé. Ce compresseur a un boîtier 21 sur lequel l'embase 12 est fixée. Ce boîtier sera souvent d'une seule pièce avec le corps de sonde 10, percé d'un trou 22 d'amenée de fluide cryogénique. Le corps 10 est mince (quelques dixièmes de millimètres) et en matériau à base de titane ayant un coefficient de conductibilité thermique très faible aux températures cryogéniques, une très faible perméabilité aux gaz, soudable au fond 14 (en matériau thermiquement conducteur) et à l'embase. Ce matériau constitutif du corps de sonde contient généralement, en plus du vanadium et de l'aluminium, des éléments réduisant sa conductibilité thermique. L'embase 12, destinée à recevoir le corps de sonde 10 et la chemise 18, peut être en alliage à base de titane contenant de l'aluminium, éventuellement identique à celui du corps, usinée et rectifiée. Toutefois on la constitue quelquefois en alliage d'aluminium pour qu'elle se dilate en même temps que la chemise du cryostat, lorsque la chemise 18 d'un cryostat lui est fixée. Le corps peut être soudé à l'embase par faisceau d'électrons ou laser. L'extrémité du corps de sonde fixée au fond, qui est en titane pur (plus conducteur que l'alliage), peut être épaissie pour faciliter le soudage, également par faisceau d'électrons ou au laser. L'équipage oscillant du dispositif comporte un tube régénérateur 26 fixé de façon permanente à un axe de commande 28. Dans le mode de réalisation illustré, le tube régénérateur a une structure composite. Sur la majeure partie de sa longueur à partir du fond 14, il est constitué par un tube 36 en matériau peu conducteur, généralement en résine époxy contenant des charges minérales peu conductrices, par exemple une proportion d'. environ 40 % de fibres de verre disposées majoritairement dans le sens circonférentiel, afin de ne pas créer des trajets longitudinaux de fuite de chaleur. Ce tube est usiné extérieurement de façon à ménager un jeu radial de 20 à 30 Um avec le corps de sonde. La partie arrière du tube régénérateur 26 est d'une seule pièce avec l'axe 28. Elle est constituée par un prolongement 38 de cet axe, en forme de coupe, dont la tranche est collée sur le tube 36. La partie arrière du tube régénérateur 26, et elle seule, et l'axe de commande sont guidés dans l'embase 12 et le boîtier 21 par des moyens qui, dans le mode de réalisation illustré, sont constitués par une bague unique 40. Cette bague, généralement en acier inoxydable de même nature que l'acier constitutif de l'axe de commande 28 et de son prolongement 38, est immobilisée par un couvercle 34 qui ferme le dispositif. Pour cela une partie arrière renflée de la bague 40 est emprisonnée entre le fond 42 d'un chambrage du boîtier 21 et le couvercle 34. Dans la bague sont usinés deux alésages concentriques de diamètres différents. L'alésage avant, de grand diamètre, guide le prolongement 38. L'alésage arrière, de plus petit diamètre, guide l'axe de commande proprement dit 28. La partie avant de la bague 40 s'étend jusqu'à l'intérieur de l'embase 12. Le fluide cryogénique arrive au tube régénérateur par les trous 22 et des perçages de la base 40 et du fond du prolongement de l'axe de commande. L'espace compris entre l'épaulement séparant l'axe proprement dit et le prolongement 38 constitue une surface d'action de la pression sur le tube régénérateur. En général, l'axe porte une butée souple 44 d'amortissement des chocs contre le couvercle 34 qui ferme le dispositif à l'arrière lors du démarrage, la course étant plus réduite ensuite et évitant les chocs. Le tube régénérateur 26 contient, de façon classique, un garnissage (non représenté) constituant un réservoir thermique. En général ce garnissage sera constitué par un empilement de grilles métalliques à mailles fines, généralement inférieures au dixième de millimètre. Toutefois on peut également utiliser des garnissages d'autre nature, par exemple formés par des billes L'application et le mode de montage décrits en détail ne représentent que des exemples et le domaine d'application de l'invention s'étend à tous les dispositifs de refroidissement d'une charge à cycle fermé, comme cela a été indiqué plus haut. REVENDICATIONS 1. Dispositif cryogénique comportant un. compresseur de gaz placé en circuit fermé avec une sonde froide ayant un corps de sonde allongé (10) fermé par un fond (14) destiné à être relié thermiquement à une charge, corps dans lequel coulisse un tube régénérateur, découplé mécaniquement du compresseur, occupé par un matériau d'accumulation thermique, délimitant avec le fond (14) un volume de détente du gaz et solidaire d'un axe de commande (28) tel que les variations de pression du gaz provenant du compresseur sur une surface d'action de l'axe provoquent des mouvements de va-et-vient du tube, caractérisé en ce que le tube est guidé uniquement dans sa partie éloignée du fond par une bague solidaire du corps et dans laquelle il coulisse. 2. Dispositif selon la revendication 1, en ce que la dite bague est prévue pour guider également l'axe de commande. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le tube régénérateur comporte une partie avant en matière plastique renforcée et une partie arrière (38) d'une seule pièce avec l'axe de commande (28), en acier, coulissant dans la dite bague (40). 4. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'alésage de réception du dit prolongement (38) est de plus grand diamètre que l'alésage de réception de l'axe de commande. 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le prolongement se raccorde à l'axe de commande par un épaulement constituant une surface d'action de la pression du gaz provenant du compresseur. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que une au moins des surfaces en regard constituées par une surface interne de la bague et par la surface qui coulisse sur elle est traitée de façon à réduire les frottements et/ou à augmenter la dureté. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le corps de sonde est fixé à une embase dans laquelle se place une partie de la bague (40) qui guide le tube régénérateur. 8. Dispositif selon la revendication 7, destiné à porter à basse température un détecteur infrarouge, caractérisé en ce qu'il comporte de plus un cryostat constitué par une chemise (18) entourant le tube, fixée à la base et fermée par un hublot (20) en matériau transparent au rayonnement infrarouge.