Brevet FR2958734A1 — publié le 20111014

DISPOSITIF DE REFROIDISSEMENT A DEPHASAGE PASSIF Domaine technique de l'invention L'invention est relative à un dispositif de refroidissement comprenant un tube de refroidissement et un oscillateur de pression relié à une première extrémité du tube de refroidissement pour générer une oscillation de pression et un déplacement d'un gaz de cycle contenu dans le tube de refroidissement. Le dispositif comprend également des moyens de déphasage de l'oscillation de pression par rapport au déplacement du gaz de cycle reliés à une seconde 1 o extrémité du tube de refroidissement. État de la technique La figure 1 représente, de manière schématique, un dispositif classique de cryogénie de type Stirling. Le dispositif 1 comprend un tube 2 renfermant un gaz compressible 3. Le dispositif comprend également un piston 4 à une 15 extrémité du tube et des échangeurs thermiques 5a et 5b qui sont traversés par le gaz. L'échangeur 5a est placé à proximité du piston 4 tandis que l'échangeur 5b est disposé à l'autre extrémité du tube 2. Un régénérateur thermique mobile 6 est disposé entre les échangeurs thermiques 5a et 5b. La figure 2 représente, de manière schématique, des étapes de fonctionnement 20 du dispositif de refroidissement de la figure 1. Le gaz subit des variations de pression de manière alternative. Ces variations de pression sont couplées à des déplacements du régénérateur dans le tube. Le fonctionnement peut être découpé en quatre phases (A-D) basées sur le cycle continu de Stirling. En début de cycle, le régénérateur 6 est positionné près de l'échangeur 5b 25 laissant un espace, occupé par le gaz 3, près de l'échangeur 5a. Lors d'une première phase A de compression, le piston 4 est déplacé vers l'échangeur thermique 5a pour compresser le gaz 3. Le gaz s'échauffe et une partie de la chaleur est transférée à l'échangeur thermique 5a. En phase B de transfert, le régénérateur 6 est déplacé vers l'échangeur 5a. 30 Une quantité de gaz 3 traverse le régénérateur 6 en se refroidissant pour occuper un volume situé cette fois près de l'échangeur 5b. En phase C de détente, le piston 4 s'éloigne de l'échangeur 5a. Le gaz 3 se détend et se refroidit davantage. Le gaz produit ainsi l'effet frigorifique. Lors d'une dernière phase D de transfert, le régénérateur 6 revient dans sa position initiale près de l'échangeur 5b. Une quantité de gaz 3 traverse à 5 nouveau le régénérateur 6 en se réchauffant. Ainsi, le piston 4 agit comme une source d'oscillations de pression tandis que le régénérateur 6 joue le rôle d'une éponge thermique en prélevant ou fournissant de l'énergie thermique au gaz le traversant. Il joue également le rôle d'isolant thermique entre le côté chaud du tube 2, au niveau de l'échangeur thermique 10 5a, et le côté froid du tube, au niveau de l'échangeur thermique 5b. L'efficacité des dispositifs cryogéniques fonctionnant selon ce principe dépend notamment du déphasage entre le déplacement du régénérateur et l'onde de pression du gaz. Dans le cas du dispositif représenté sur la figure 1, ce déphasage est assuré mécaniquement par le déplacement du régénérateur 6, 15 qui est approximativement en quadrature de phase par rapport au déplacement du piston 4. Le dispositif de la figure 1 présente une bonne efficacité mais une architecture complexe, en raison notamment de la présence d'une pièce mobile froide, constituée par le régénérateur 6. En raison de cette complexité et des 20 vibrations induites par le régénérateur mobile, le dispositif de refroidissement de type Stirling ne peut être utilisé dans certaines applications spatiales ou aéronautiques. La figure 3 représente un dispositif de refroidissement ayant un nombre réduit de pièces mobiles. Ce type de dispositif est appelé communément tube à gaz 25 pulsé ou tube à pulsation. Le déphasage entre l'onde de déplacement et l'onde de pression du gaz est réalisé de manière passive à l'aide d'un tube d'inertance et d'un réservoir de gaz. Le régénérateur est fixe. Ce dispositif de refroidissement comporte généralement un oscillateur de pression 7 permettant de compresser et déplacer le gaz de cycle dans le tube 30 2. Le tube 2, représenté en U à la figure 3, comprend une partie formée par le régénérateur 6 et une partie formée par un tube de détente 8. Un échangeur de chaleur 5b est placé entre le régénérateur 6 et le tube de détente 8 pour réaliser l'interface avec l'environnement à refroidir. L'oscillateur 7 est relié à une extrémité du tube 2 du côté du régénérateur 6 tandis qu'un système de déphasage 9 est relié à l'autre extrémité du tube 2, du côté du tube de détente 8. Le système de déphasage 9 permet d'ajuster les variations de débit et de pression du gaz de cycle et comprend classiquement un tube d'inertance 10 et un réservoir de gaz 11. Des échangeurs de chaleur 5a et 5c sont disposés aux extrémités chaudes du tube 2, respectivement interfaces avec l'oscillateur de pression 7 et avec le système de déphasage 9. L'ensemble comprenant le régénérateur 6, le tube de détente 8 et le système de déphasage 9 peut être appelé « doigt froid » du dispositif de refroidissement. 1 o Le cycle de fonctionnement d'un tel dispositif est proche du cycle de Stirling décrit en relation avec la figure 2. Le tube à gaz pulsé se distingue du dispositif de la figure 1 par l'immobilité du régénérateur 6 et donc l'absence de pièce mobile dans la partie froide, réduisant ainsi les vibrations. La fiabilité du dispositif est alors augmentée et l'intégration facilitée. A la place d'un 15 régénérateur mobile, un composant passif formé par le tube de détente 8 et le système déphasage 9 est utilisé. Une partie du gaz présent dans le tube de détente 8 agit comme un piston virtuel qui transmet le travail de la zone froide (échangeur 5b) au système de déphasage 9. Le tube de détente 8 isole thermiquement l'échangeur thermique 5b « froid » de l'échangeur thermique 5c 20 « chaud ». Le système de déphasage 9 communique avec le tube de détente 8 et offre une résistance au déplacement du gaz de cycle. II crée le déphasage requis entre l'oscillation de pression et le débit du gaz en entrée du tube d'inertance 10. Le tube d'inertance est parfois appelé « tube capillaire » pour ses 25 caractéristiques géométriques, de préférence, fin et allongé. Le déphasage obtenu varie en fonction des pertes de charge, en entrée et le long du tube 10, et des paramètres physiques du gaz employé. Il dépend également de la fréquence, de la pression moyenne et de l'oscillation de pression en entrée du tube 10, du côté de l'échangeur 5c. 30 La figure 4 représente la phase et l'amplitude du débit du gaz en entrée du tube d'inertance pour une onde de pression donnée et pour différentes géométries du tube d'inertance. Le diamètre du tube varie de 1 à 3 mm et sa longueur est comprise entre 500 et 3000 mm. On peut remarquer que la zone des débits faibles et des phases élevées, représentée en pointillés, est inaccessible quelle que soit la géométrie du tube d'inertance employée. Ainsi, on ne peut jouer sur les paramètres géométriques pour améliorer les performances de déphasage et d'amplitude du débit du tube d'inertance. De nombreuses améliorations du système de déphasage passif de la figure 3 ont été envisagées. Néanmoins, ces solutions restent complexes et difficiles à mettre en oeuvre. De plus, elles ne permettent pas toujours d'obtenir une valeur optimale du déphasage. Résumé de l'invention L'invention vise un dispositif de refroidissement compact et simple à réaliser 1 o tout en ayant de bonnes performances de refroidissement. Plus particulièrement, l'invention vise un dispositif de refroidissement permettant d'obtenir un déphasage optimal de manière passive. Selon l'invention, on tend vers ces objectifs par le fait que les moyens de déphasage comprennent un premier élément de transmission de pression 15 étanche agencé pour séparer le gaz de cycle d'un fluide contenu dans les moyens de déphasage, le fluide étant distinct du gaz de cycle. Description sommaire des dessins D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation donnés à titre 20 d'exemples non limitatifs et illustrés à l'aide des dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 représente, de manière schématique, un dispositif de refroidissement de type Stirling selon l'art antérieur, la figure 2 représente des étapes d'un cycle de fonctionnement du 25 dispositif de la figure 1, la figure 3 représente, de manière schématique, un dispositif de refroidissement à déphasage passif selon l'art antérieur, la figure 4 représente la phase et l'amplitude du débit de gaz d'un dispositif selon la figure 3, pour différentes géométries du système de déphasage, les figures 5 et 6 représentent, de manière schématique, deux modes particuliers de réalisation d'un dispositif de refroidissement comprenant un élément de séparation, et les figures 7 et 8 représentent deux modes de réalisation d'un dispositif de refroidissement comprenant deux éléments de séparation. Description d'un mode de réalisation préféré de l'invention 1 o La figure 5 représente un dispositif de refroidissement, de type tube à gaz pulsé, ayant un système de déphasage compact et optimisé. Ce dispositif comporte, comme le tube pulsé de la figure 3, un tube de refroidissement 2 contenant un gaz de cycle et un oscillateur de pression 7 relié à une première extrémité du tube 2. Le gaz de cycle est, de préférence, choisi 15 parmi l'hélium, le néon, l'argon, l'azote et le dioxyde de carbone. L'hélium est particulièrement utilisé car il permet d'atteindre des températures très basses, entre 4 K et 80 K environ. L'oscillateur de pression 7 génère une onde de pression, de préférence sinusoïdale, pour comprimer et déplacer le gaz de cycle dans le tube 2. Un système de déphasage 9 entre l'oscillation de pression 20 et le déplacement du gaz est relié à une seconde extrémité du tube 2. Le tube de refroidissement comprend, de préférence, un régénérateur 6, du côté de la première extrémité, et un tube de détente 8, du côté de la seconde extrémité. Des échangeurs thermiques 5a et 5c sont disposés respectivement aux première et seconde extrémités du tube 2 et définissent les parties 25 chaudes du tube 2. Ces parties sont généralement à température ambiante, de même que le système de déphasage 9 et l'oscillateur de pression 7. Un échangeur thermique 5b est disposé dans le tube 2 entre le régénérateur 6 et le tube de détente 8. Il forme la zone froide du dispositif destinée à être mise en contact avec un système à refroidir, par exemple un détecteur infrarouge. 30 Le système de déphasage 9 comprend un tube d'inertance 10 reliant la seconde extrémité du tube de refroidissement 2 à un réservoir de gaz 11. Le tube d'inertance a, de préférence, un diamètre compris entre 0,5 mm et 5 mm et une longueur comprise entre 500 mm et 5000 mm. Comme décrit précédemment en relation avec la figure 4, une géométrie particulière du tube d'inertance ne permet pas d'obtenir une valeur élevée du déphasage et une amplitude de débit faible. Cette limitation est due d'une part aux effets de stockage dans le tube d'inertance et d'autre part aux propriétés du fluide utilisé pour le déphasage. Ainsi, le déphasage peut être amélioré en modifiant les propriétés du fluide, notamment le ratio densité sur viscosité. Le dispositif de la figure 5 propose d'étendre les possibilités de déphasage et 1 o d'amplitude de débit (Fig.4) du tube d'inertance 10 en utilisant un fluide de déphasage différent du gaz de cycle. Le fluide utilisé pour le déphasage est séparé du gaz de cycle par un élément de transmission de pression 13 étanche. L'élément de transmission de pression 13 permet également le transfert du 15 travail de compression et de détente du gaz de cycle au fluide de déphasage. Il s'agit d'un composant passif qui induit peu de vibrations, de préférence une membrane qui se déforme sous l'action du gaz. La membrane 13 est, de préférence, en métal ou en polymère. Une membrane en polymère offre une plus grande élasticité. Les déformations tolérées par une 20 membrane en polymère, qui définissent le volume balayé par la membrane en fonctionnement, seront plus importantes que dans le cas d'une membrane métallique pour un diamètre donné. La membrane en polymère sera donc plus compacte qu'une membrane métallique pour un même volume balayé. Typiquement, une membrane en élastomère de 40 mm de diamètre et de 1 mm 25 d'épaisseur permet une déformation (flèche) de 4,5 mm pour un volume balayé de 3,8 cm3. Une membrane métallique, en aluminium par exemple, de 60 mm de diamètre et de 0,1 mm d'épaisseur, aura un déplacement de l'ordre de 2 mm pour un volume balayé de 3,8 cm3. La membrane métallique aura une meilleure durabilité tandis que la membrane en élastomère sera plus facile à mettre en 30 oeuvre. Le déphasage peut être amélioré en augmentant le rapport de la densité sur la viscosité du fluide. Ainsi, le fluide de déphasage a une densité supérieure à celle du gaz de cycle ou une viscosité inférieure à celle du gaz de cycle ou les deux combinées. Le rapport de la densité sur la viscosité du fluide est, de préférence, supérieur à deux fois celui du gaz de cycle et inférieur à 15 fois celui du gaz de cycle. Le fluide de déphasage est, de préférence, choisi parmi l'azote, l'argon, le néon et l'air. Par exemple, pour l'azote, l'air ou l'argon, le rapport de la densité sur la viscosité est environ 10 fois supérieur à celui de l'hélium. Pour le néon, le rapport est environ 3,6 fois supérieur à celui de l'hélium. Pour de meilleures performances de la membrane 13, il est souhaitable que celle-ci ait une position moyenne centrée. Ainsi, en fonctionnement, la 1 o membrane 13 oscille autour de sa position centrale pour maximiser le volume balayé. La dynamique de fonctionnement est ainsi maximisée. Le dispositif comprend, de préférence, des moyens de régulation de la position moyenne de la membrane 13, par équilibrage des pressions moyennes de part et d'autre de la membrane. 15 La figure 6 représente un exemple de réalisation de moyens de régulation. Un premier capteur de pression 14a est placé d'un côté de la membrane 13, par exemple dans le réservoir 11 séparé de la membrane par le tube d'inertance 10. Un second capteur 14b est placé de l'autre côté de la membrane 13 dans le tube de refroidissement 2, entre l'échangeur 5c et la membrane 13 par 20 exemple. Enfin, les moyens de régulation de la position moyenne de la membrane 13 comprennent un dispositif de chauffage 15 du réservoir 11. Le réservoir de gaz est chauffé en fonction de la différence de pressions moyennes de part et d'autre de la membrane 13, c'est-à-dire entre le réservoir 11 et le tube de refroidissement 2. De cette manière, la pression moyenne dans 25 le système de déphasage varie pour maintenir la membrane 13 autour d'une position centrée. Le remplissage du réservoir est fait de telle sorte que le réservoir soit à une pression inférieure à la pression nominale en absence de chauffage. Dans une variante de réalisation non représentée, les capteurs de pression 14a 30 et 14b sont remplacés par un capteur de déplacement de la membrane, par exemple un capteur de type inductif, capacitif, laser ou une jauge de contrainte. Un tel capteur est relié au dispositif de chauffage 15. La figure 7 représente un mode de réalisation préféré d'un dispositif de refroidissement. Le dispositif comporte, en plus des éléments du dispositif de la figure 5, un second élément de transmission de pression 16 étanche, ou membrane, entre le tube d'inertance 10 et le réservoir 11. Le tube 10 peut alors être rempli d'un fluide de déphasage distinct et séparé du gaz contenu dans le réservoir 11. Le fluide de déphasage est, de préférence, incompressible. Un liquide peut être utilisé pour le déphasage dans le tube 10 tandis que le réservoir est rempli d'un gaz compressible, de préférence, identique au gaz de cycle. L'utilisation d'un liquide dans le tube d'inertance 10 augmente davantage les possibilités de déphasage. En effet, grâce au caractère incompressible des liquides, les phénomènes de stockage dans le tube 10 sont supprimés. Un liquide a, de plus, une densité élevée et permet une mise en application plus simple. Le dispositif comprend, de plus, un dispositif d'équilibrage des pressions moyennes des gaz qui s'exercent sur les membranes 13 et 16, c'est-à-dire les pressions moyennes du réservoir 11 et du tube de refroidissement 2. Grâce à cet équilibrage, le liquide compris entre les membranes 13 et 16 est dans une position centrale lorsque le dispositif est éteint et dans position moyenne centrée lorsqu'il est en fonctionnement. La figure 8 représente un exemple de réalisation de ce dispositif d'équilibrage. Le dispositif comprend un tube de connexion 18 qui relie l'extrémité du tube 2 du côté du tube de détente 8 au réservoir 11. Les deux volumes de gaz sont alors reliés et les pressions moyennes s'égalisent. Le tube de connexion 18 a une perte de charge élevée de manière à ce que le débit alternatif dans ce tube 18 soit négligeable (deux ordres de grandeur) devant le débit alternatif du tube d'inertance 10. Alors, le fonctionnement du dispositif de refroidissement n'est pas altéré. Un dispositif d'équilibrage comprenant des capteurs de pression et un dispositif de chauffage, comme celui décrit en relation avec la figure 6, est également possible dans le cas de deux membranes. Considérons à titre d'exemple un tube à gaz pulsé fonctionnant à une pression moyenne de 20 bars et à une température côté chaud de 300 K. L'oscillation de pression a, de manière classique, une amplitude de 1 bar et une fréquence de 50 Hz. Un tube d'inertance rempli de gaz de cycle classique mesure, par exemple, 2 mm de diamètre et 2000 mm de longueur. Le tube d'inertance offre alors un débit de 0,25 gis et un déphasage (ou phase) de 25°. A l'aide d'une membrane séparant le gaz de cycle (hélium) du gaz de déphasage (azote) comme cela est représenté sur la figure 5, le tube d'inertance permet d'obtenir un débit identique avec un déphasage plus important, de l'ordre de 60°. Le tube d'inertance a alors un diamètre de 1 mm environ et une longueur de 1700 mm environ. A l'aide de deux membranes et de l'eau comme fluide de déphasage, il est 10 possible d'obtenir un débit similaire de 0,2 g/s, avec un déphasage encore plus important, de l'ordre de 75°. Les dimensions du tube d'inertance sont alors un diamètre de 2,0 mm et une longueur de 1600 mm environ. Le déphasage entre la pression et le déplacement du gaz de cycle est optimisé par le choix d'un fluide de déphasage associé à une géométrie du tube 15 d'inertance. Une vanne réglable peut être utilisée pour ajuster expérimentalement les pertes de charge et donc le déphasage et l'amplitude du débit. À terme, elle peut être remplacée par un orifice calibré. Elle peut être placée entre la première membrane et le tube pulsé ou entre la seconde membrane et le volume tampon 20 formé par le réservoir. Un tel circuit assurera également la dissipation d'énergie à la seconde extrémité du tube de refroidissement. De nombreuses variantes et modifications du dispositif de refroidissement décrit ici apparaîtront à l'homme du métier. Notamment, il pourra comprendre un circuit additionnel de re-circulation asymétrique pour régler le débit à 25 l'extrémité chaude du tube pulsé. Ce circuit relie, de préférence, la première extrémité du tube de refroidissement, du côté de l'oscillateur de pression, à la seconde extrémité du tube avant la première membrane. Ce circuit peut être formé par un clapet anti-retour associé à une perte de charge, par exemple une vanne à aiguille, un orifice ou encore un autre tube capillaire. 30 Revendications1. Dispositif de refroidissement comprenant : un tube de refroidissement (2) contenant un gaz de cycle, un oscillateur de pression (7) relié à une première extrémité du tube de refroidissement pour générer une oscillation de pression et un déplacement du gaz de cycle, - des moyens de déphasage (9) de l'oscillation de pression par rapport au déplacement du gaz de cycle, reliés à une seconde extrémité du tube de refroidissement, caractérisé en ce que les moyens de déphasage (9) comprennent un premier élément de transmission de pression (13) étanche agencé pour séparer le gaz de cycle d'un fluide contenu dans les moyens de déphasage, le fluide étant distinct du gaz de cycle. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide a un rapport densité sur viscosité supérieur à celui du gaz de cycle. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le rapport densité sur viscosité du fluide est supérieur à 2 fois celui du gaz de cycle. 4. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de déphasage (9) comprennent un tube d'inertance (10) reliant la seconde extrémité du tube de refroidissement (2) à un réservoir (11). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de régulation de la position moyenne du premier élément de transmission de pression (13). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de régulation de la position moyenne du premier élément de transmission de pression (13) comprennent : un premier capteur de pression (14a) dans le réservoir (11), 10un second capteur de pression (14b) dans le tube de refroidissement (2), et des moyens de chauffage (15) du réservoir en fonction de la différence de pression entre le réservoir (11) et le tube de refroidissement (2). 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le fluide est un gaz choisi parmi l'azote, l'argon, le néon, le dioxyde de carbone et l'air. 8. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il comporte un second élément de transmission de pression étanche (16) entre le tube d'inertance (10) et le réservoir (11), agencé pour séparer le fluide d'un gaz compressible contenu dans le réservoir. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que le fluide est un liquide. 10. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'équilibrage des pressions moyennes du réservoir (11) et du tube de refroidissement (2). 11. Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que les moyens d'équilibrage des pressions moyennes comprennent un tube de connexion (18) reliant la seconde extrémité du tube de refroidissement (2) au réservoir (11).