Machine cryogénique à plusieurs etages
La présente invention a pour objet une machine cryogénique à plusieurs étages et à basse température et fonctionnant suivant le cycle de Stirling modifié.
Une réfrigération inférieure à 500 K est fréquemment exigée actuellement pour le refroidissement des dispositifs électroniques, pour la liquéfaction des liquides bouillant à des températures très basses et pour de nombreuses autres applications dans le domaine de l'électronique, de la cryogénique et de la technologie spatiale.
Dans la technique actuelle, les machines cryogéniques connues fonctionnent à un seul étage, et fournissent une réfrigération jusqu'à une température d'environ 500 K. I1 est possible d'obtenir une réfrigération à une température plus basse, lorsqu'on monte en cascade plusieurs de ces machines cryogéniques. La première de ces machines fonctionne à partir de la température ambiante, ce milieu fournissant une source froide, par exemple 900 K, ce qui représente la tête à basse température de la première machine; la seconde machine, plus petite que la première, fonctionne entre la température de la tête de la première machine et une température encore plus basse, par exemple 300 K.
Si cela était nécessaire pour obtenir une plus basse température, d'autres machines seraient connectées de la même manière que la liaison entre la première et la seconde machine montées en cascade.
Dans la fig. 1 du dessin annexé, une machine cryogénique connue comprend un carter étanche 2 qui contient un gaz de travail, par exemple de l'hélium sous une pression de 17,5kgcm2, et renferme un vilebrequin 3 entraîné par un moteur électrique 4. Le vilebrequin 3 comporte quatre manetons qui, au moyen de bielles, communiquent un mouvement de va-et-vient aux pistons parallèles 5, 6, 7 et 8. Le piston 5 et son cylindre associé forment le premier volume de compression 9 du premier étage de la-machine de réfrigération à deux étages montés en cascade. Le piston 6 a un prolongement isolant 10 et forme avec son cylindre associé le premier volume d'expansion 11 du premier étage. Le déphasage des mouvements des pistons 5 et 6 est déterminé par l'angle approximativement égal à 900, existant entre les manetons.
La partie supérieure de la machine est couverte par une enveloppe 64 contenant une matière isolante 65. Le gaz de travail est forcé, par le mouvement des pistons 5 et 6, à se déplacer alternativement entre le premier volume de compression 9 et le premier volume d'expansion 11, et il traverse le premier échangeur de chaleur 12, le premier régénérateur 13 et la première conduite de transport de chaleur 14, cette conduite étant thermiquement rattachée à la première tête froide 15 constituée en un matériau bon conducteur de la chaleur. Le second étage de la machine se compose du piston compresseur 7 et du piston détendeur 8, tous les deux portant des prolongements thermiquement isolants 16 et 17; ces pistons se déplacent l'un par rapport à l'autre avec un déphasage d'approximativement 900.
Le piston compresseur 7 et son prolongement 16 forment, avec leur cylindre, le second volume de compression 18. Le piston détendeur 8 et son prolongement 17 forment avec leur cylindre le second volume d'expansion 19. Le gaz de travail passe alternativement entre le second volume 18 et le second volume 19 et, dans ce passage alterné, le gaz de travail traverse le second échangeur de chaleur 20, le second régénérateur 21 et la seconde conduite de transport de chaleur 22.
La conduite 22 forme une partie de la seconde tête froide 23 au niveau de laquelle la réfrigération désirée est réalisée. On remarque que le second échangeur de chaleur 20 fait partie et est en relation thermique avec la première tête froide 15, de sorte que la chaleur de compression produite dans le second volume de compression 18 est transportée par l'intermédiaire du gaz de travail au second volume d'expansion 19 jusqu'au matériau du second échangeur de chaleur 20, et, de là, jusqu'au matériau de la première tête froide 15, cette chaleur faisant partie, en conséquence, de la charge thermique sur la première tête froide 15, et, de ce fait, le gaz de travail passant du second espace de compression 18 à travers le second échangeur de chaleur 20 est refroidi à la température de la première tête froide.
On doit noter que les deux étages de la machine ont des circuits de gaz séparés, la connexion thermique entre la tête froide du premier étage et le volume de compression du second étage étant réalisée par le second échangeur de chaleur 20. D'autres machines peuvent être montées en cascade pour former d'autres étages et afin d'atteindre des températures encore plus basses, à la manière illustrée dans la fig. 1.
L'invention a pour but de fournir une machine cryogénique améliorée par rapport aux machines connues.
La machine cryogénique selon l'invention est caractérisée en ce qu'elle comprend un moteur entraînant un vilebrequin portant des manetons disposés à 900 et montés dans un carter étanche contenant du gaz de travail sous pression, un piston compresseur connecté à une bielle et coulissant dans un cylindre compresseur, un cylindre détendeur présentant une partie inférieure de grand diamètre et une partie supérieure de plus petit diamètre, les parties étant constituées par des tubes à faible conductibilité thermique, un piston détendeur connecté à une bielle, coulissant dans la partie inférieure d'un cylindre détendeur et portant deux éléments en gradins, I'élément supérieur de plus petit diamètre pénétrant dans la partie supérieure du cylindre détendeur, un échangeur de chaleur perméable au gaz et disposé à la partie supérieure du cylindre compresseur,
une première tête froide à conductibilité thermique élevée, disposée au sommet de la partie du cylindre détendeur de façon à ménager une première chambre d'expansion dans laquelle se déplace l'élément inférieur du piston détendeur, comportant, d'une part, des canaux pour l'écoulement du gaz de travail dans et hors de la chambre et la transmission de chaleur entre elle et le gaz et, d'autre part, une ouverture centrale dans laquelle se déplace l'élément supérieur du piston détendeur, un premier régénérateur relié par une conduite à un échangeur de chaleur et par des conduites 47, 48 à la première tête froide, la conduite 48 étant disposée à l'intérieur de la première tête froide, une seconde tête froide de conductiblité thermique élevée, servant de partie la plus froide de la machine,
disposée au sommet de la partie supérieure du cylindre détendeur pour former une seconde chambre d'expansion, et comportant des canaux et une conduite 53 pour un écoulement de gaz et une transmission de chaleur entre la seconde tête froide et le gaz de travail, un second régénérateur relié par une conduite à la conduite 48 et par une conduite 52 à la conduite 53, un bouclier de radiation fixé à la première tête froide, constitué par un matériau à bonne conductibilité thermique et entourant la seconde tête froide, le second régénérateur avec ses conduites 50 et 52, et la partie supérieure du cylindre détendeur, ce bouclier étant maintenu à la température de la tête froide, une enveloppe isolant thermiquement toutes les parties de la machine qui sont maintenues à des températures inférieures à celles des cylindres de compression et d'expansion.
Une forme d'exécution de la machine objet de l'invention sera décrite, à titre d'exemple, en se référant au dessin annexé, la fig. 2 duquel est une vue en coupe partielle de la machine.
Dans cette figure, un carter étanche 24 contient un gaz de travail, par exemple de l'hélium et comporte un vilebrequin 25 relié par un arbre 26 à un moteur 27 d'entraînement en rotation. Le vilebrequin 25 porte un maneton 28 et un maneton 29 disposés entre eux suivant un angle approximativement égal à 900. Le maneton 28 est connecté à une bielle 59 qui communique un mouvement de va-et-vient au piston compresseur 30 dans le cylindre 31. Le maneton 29 est relié par une bielle 32 au piston détendeur 33 coulissant dans le cylindre 34.
Le piston compresseur 30 et le piston détendeur 33 portent des bagues assurant une étanchéité entre chaque piston et sa paroi de cylindre. Le piston détendeur 33 porte un prolongement constitué par deux parties 35 et 36, la partie supérieure 36 ayant un diamètre plus faible que celui de la partie inférieure 35, celle-ci ayant un diamètre légèrement plus faible que celui du piston 33. Ce prolongement 35 et 36 est constitué par un matériau ayant une mauvaise conductiblité thermique, par exemple de la céramique ou une matière plastique laminée phénol-formaldéhyde, pour réduire une transmission de chaleur indésirable entre les parties chaudes de la machine et les parties froides. Le cylindre d'expansion 34 comporte coaxialement un cylindre à paroi mince 37 ayant le même diamètre.
Ce cylindre 37 se termine dans la première tête froide 38 et est exécuté dans un matériau ayant une mauvaise conductibilité thermique (de l'acier inoxydable par exemple). Le premier volume d'expansion 39 est formé entre le premier gradin de la section du piston détendeur 35 et la première tête froide 38 (construite en cuivre par exemple). Un tube à paroi mince 40, en matériau à mauvaise conductibilité thermique, s'étend verticalement vers le haut à partir de la première tête froide 38 et est disposé coaxialement par rapport au cylindre 34 et au cylindre 37. Le second prolongement 36 du piston détendeur, à diamètre plus faible, fait un mouvement de va-et-vient dans le tube 40.
Le tube 40 se termine à son extrémité supérieure dans la seconde tête froide 41. L'espace entre l'extrémité supérieure du second prolongement 36 et la seconde tête froide 41 constitue le second volume d'expansion 42.
Les mouvements du piston compresseur 30 et du piston détendeur 33 amènent le gaz de travail à se déplacer alternativement du volume de compression 43 aux volumes d'expansion 42 et 39. Lors de la contraction du volume 43, le gaz de travail traverse d'abord l'échangeur de chaleur à canaux 45, transmettant ainsi la chaleur et de compression sur les parois de l'échangeur de chaleur 45, et ensuite vers le matériau métallique de la tête de cylindre 44 à partir de laquelle elle est finalement dissipée dans l'environnement ambiant, à travers des ailettes de refroidissement 66 dans lesquelles on laisse s'écouler un fluide de refroidissement.
Le gaz de travail sortant de l'échangeur de chaleur 45 passe au premier régénérateur 46 et à partir de celui-ci est envoyé à travers les conduites 47 et 48, la conduite 48 faisant partie de la tête froide 38 et, depuis la conduite 48, l'écoulement gazeux est divisé en deux écoulements; I'un pénètre dans le volume d'expansion 39 à travers les canaux de transport de chaleur 49 qui permettent une transmission de chaleur entre le gaz de travail détendu et la tête froide 38, l'autre pénètre dans le second régénérateur 51 à travers la conduite 48 et ensuite la conduite 50.
Ce second régénérateur 51 est moins important que le régénérateur 46. A partir du régénérateur 51, le gaz de travail traverse les conduites 52 et 53, la conduite 53 faisant partie de la seconde tête froide 41.
A partir de la conduite 53, le gaz de travail pénètre dans le second volume d'expansion 42, à travers les canaux 54 qui permettent la transmission de chaleur entre le gaz détendu dans le second volume d'expansion 42 et la seconde tête froide 41. A chaque inversion du cycle, a lieu le procédé inverse d'écoulement, dans lequel le gaz de travail s'écoule depuis le premier volume d'expansion 39 et le second volume d'expansion 42 lorsqu'ils sont en cours de réduction en volume, jusqu'au volume de compression 43.
Une enveloppe 55 fixée à la tête du cylindre 44 peut être mise sous vide par l'intermédiaire d'une valve 56 et sert à isoler thermiquement de la température ambiante l'extrémité supérieure du cylindre d'expansion 37, les régénérateurs 46 et 51, les têtes froides 38 et 41, les conduites 47, 50 et 52, les canaux 49 et 54 et les prolongements supérieurs 35 et 36 du piston détendeur 33. Un bouclier de radiation 57, fixé à la première tête froide 38, est constitué par un matériau thermiquement bon conducteur et entoure la seconde tête froide 41, le régénérateur 51, la conduite 52 et le tube 40 et se maintient à la même température que la tête froide 38.
Au cours du fonctionnement de cette machine, le déplacement alterné du gaz, depuis le volume de compression 43 jusqu'aux volumes d'expansion 39 et 42 et vice versa, provoque d'une part le refroidissement de la tête froide 38 et du bouclier de radiation 57 jusqu'à une température d'environ 800K, et, d'autre part, le refroidissement de la tête froide 41 jusqu'à une température d'environ 300 K.
On doit noter que les expansions et les contractions du gaz dans les volumes d'expansion 39 et 42 sont en phase et tous les deux ont le même déphasage avec la contraction et l'expansion du gaz de travail dans le volume de compression 43, le déphasage étant celui exigé pour le fonctionnement d'un cycle de Stirling modifié.
La machine cryogénique décrite fait partie d'un dispositif comprenant un détecteur infrarouge 70 qu'elle sert à refroidir. Ce détecteur est thermiquement lié à la surface supérieure de la tête froide 41. Les bornes de la cellule 70 sont connectées aux fils 71 et 72 qui sont passés à travers le trou 73 dans le bouclier de radiation 57 et connectés à la prise de sortie 74 montée de manière étanche dans la paroi de l'enveloppe à vide 55. Pour permettre le fonctionnement de la cellule 70, un trou 75 est découpé au sommet du bouclier de radiation 57. Egalement, une fenêtre transmettant les rayons infrarouges 76 est montée de manière étanche au sommet de l'enveloppe à vide 55 par son bord 77.
Les avantages de la machine décrite ressortent clairement des considérations suivantes.
Les étages d'expansion étant obtenus au moyen du même piston, leurs variations en phase sont identiques et l'utilisation d'un seul gaz de travail assure un déphasage correct entre les étages d'expansion et le volume unique de compression.
Les parties mobiles étant en nombre réduit, on obtient une augmentation de fiabilité et, comme en général de tels réfrigérateurs doivent fonctionner sans surveillance pendant des milliers d'heures, toute caractéristique importante conduisant à une fiabilité accrue a une importance considérable. On doit noter que cette réduction du nombre des parties mobiles a une portée encore plus grande et devient encore plus importante dans le cas où on pourrait faire une machine comportant plus de deux étages.
Dans un système de réfrigération multiple, mais en cascade, on peut ajouter d'autres étages en ajoutant d'autres prolongements en gradins au piston détendeur unique et, en association avec chaque prolongement en gradin, les composants non mobiles, à savoir un régénérateur, des conduites, une tête froide et une conduite de transmission de chaleur. En conséquence, il apparaît qu'un système réfrigérant aurait le même nombre de parties mobiles, indépendamment du nombre d'étages qui sont montés en cascade, puisque le piston multiple et en gradins du détendeur constitue une seule partie mobile.
Un des avantages thermodynamiques importants réside dans le fait que le gaz qui pourrait s'échapper du second volume d'expansion, en se dirigeant au-delà du prolongement de va-et-vient du piston détendeur, fonctionnant sur le second volume d'expansion et la paroi de cylindre ou le prolongement de la paroi de cylindre entourant le prolongement, sera transmis directement dans le premier volume d'expansion. Une telle perte indésirable d'énergie réfrigérante provoquée par la fuite de gaz est moins sérieuse dans une telle machine qu'elle ne le serait dans un dispositif selon la fig. 1, car une telle fuite de gaz transmet du gaz depuis le niveau de température le plus bas jusqu'au niveau suivant de température le plus bas, tandis que, dans la machine illustrée dans la fig. 1, la fuite de gaz transmet le gaz du niveau de température le plus bas jusqu'à la température ambiante.
La perte nette dans le second cas est en conséquence plus grande et, par suite d'une telle fuite de gaz, la machine selon la fig. 1 est thermodynamiquement moins efficace. Une autre source d'inefficacité thermodynamique réside dans la perte de chaleur indésirable à travers les parties de matériau du dispositif depuis les parties à températures élevées jusqu'aux parties à basse température.
La perte de chaleur vers la première tête froide ne peut se faire qu'à travers le cylindre d'expansion 37, qui possède des parois minces, ou bien à travers le corps du prolongement du piston 35 qui est formé de matériau ayant une mauvaise conductibilité thermique, ou bien à travers les parties métalliques de la conduite 47, l'enveloppe du premier régénérateur 46, ou les parties métalliques de la conduite 58 qui connectent le régénérateur 48 à la tête de cylindre 44, cette tête étant à la température ambiante. Une telle réduction dans les pertes possibles dues à une conductibilité thermique indésirable rend la présente machine avantageuse du point de vue thermodynamique et lui permet de fonctionner avec une efficacité très élevée.
Multi-stage cryogenic machine
The present invention relates to a cryogenic machine with several stages and at low temperature and operating according to the modified Stirling cycle.
Refrigeration below 500 K is frequently required today for cooling electronic devices, for liquefying liquids boiling at very low temperatures, and for many other applications in electronics, cryogenics and space technology. .
In the present art, the known cryogenic machines operate on a single stage, and provide refrigeration up to a temperature of about 500 K. It is possible to obtain refrigeration at a lower temperature, by cascading. several of these cryogenic machines. The first of these machines operates from ambient temperature, this medium providing a cold source, for example 900 K, which represents the low temperature head of the first machine; the second machine, smaller than the first, operates between the temperature of the head of the first machine and an even lower temperature, for example 300 K.
If it was necessary to achieve a lower temperature, other machines would be connected in the same way as the link between the first and the second cascaded machine.
In fig. 1 of the appended drawing, a known cryogenic machine comprises a sealed housing 2 which contains a working gas, for example helium under a pressure of 17.5 kgcm2, and contains a crankshaft 3 driven by an electric motor 4. The crankshaft 3 comprises four crankpins which, by means of connecting rods, communicate a reciprocating movement to the parallel pistons 5, 6, 7 and 8. The piston 5 and its associated cylinder form the first compression volume 9 of the first stage of the- two-stage cascade refrigeration machine. The piston 6 has an insulating extension 10 and, with its associated cylinder, forms the first expansion volume 11 of the first stage. The phase shift of the movements of the pistons 5 and 6 is determined by the angle approximately equal to 900, existing between the crankpins.
The upper part of the machine is covered by a casing 64 containing an insulating material 65. The working gas is forced, by the movement of the pistons 5 and 6, to move alternately between the first compression volume 9 and the first volume d 'expansion 11, and it passes through the first heat exchanger 12, the first regenerator 13 and the first heat transport pipe 14, this pipe being thermally attached to the first cold head 15 made of a material which is a good conductor of heat. The second stage of the machine consists of the compressor piston 7 and the expansion piston 8, both carrying thermally insulating extensions 16 and 17; these pistons move relative to each other with a phase shift of approximately 900.
The compressor piston 7 and its extension 16 form, with their cylinder, the second compression volume 18. The expansion piston 8 and its extension 17 together with their cylinder form the second expansion volume 19. The working gas passes alternately between the second volume 18 and the second volume 19 and, in this alternating passage, the working gas passes through the second heat exchanger 20, the second regenerator 21 and the second heat transport pipe 22.
The pipe 22 forms part of the second cold head 23 at which the desired refrigeration is carried out. Note that the second heat exchanger 20 forms part and is in thermal relation with the first cold head 15, so that the heat of compression produced in the second compression volume 18 is transported via the working gas to the second expansion volume 19 to the material of the second heat exchanger 20, and thence to the material of the first cold head 15, this heat therefore forming part of the thermal load on the first cold head 15 , and thereby the working gas passing from the second compression space 18 through the second heat exchanger 20 is cooled to the temperature of the first cold head.
It should be noted that the two stages of the machine have separate gas circuits, the thermal connection between the cold head of the first stage and the compression volume of the second stage being made by the second heat exchanger 20. Other machines can. be cascaded to form further stages and to achieve even lower temperatures, as shown in fig. 1.
The object of the invention is to provide a cryogenic machine which is improved compared to known machines.
The cryogenic machine according to the invention is characterized in that it comprises an engine driving a crankshaft carrying crank pins arranged at 900 and mounted in a sealed casing containing pressurized working gas, a compressor piston connected to a connecting rod and sliding in a compressor cylinder, an expansion cylinder having a lower part of large diameter and an upper part of smaller diameter, the parts being constituted by tubes with low thermal conductivity, an expansion piston connected to a connecting rod, sliding in the lower part of an expansion cylinder and carrying two stepped elements, the upper element of smaller diameter penetrating into the upper part of the expansion cylinder, a heat exchanger permeable to gas and arranged at the upper part of the compressor cylinder,
a first cold head with high thermal conductivity, arranged at the top of the portion of the expansion cylinder so as to provide a first expansion chamber in which the lower element of the expansion piston moves, comprising, on the one hand, channels for the flow of the working gas into and out of the chamber and the transmission of heat between it and the gas and, on the other hand, a central opening in which the upper element of the expansion piston moves, a first regenerator connected by a pipe to a heat exchanger and through pipes 47, 48 to the first cold head, the pipe 48 being disposed inside the first cold head, a second cold head of high thermal conductivity, serving as the coldest part of the machine,
disposed at the top of the upper part of the expansion cylinder to form a second expansion chamber, and having channels and a conduit 53 for gas flow and heat transmission between the second cold head and the working gas, a second regenerator connected by a pipe to the pipe 48 and by a pipe 52 to the pipe 53, a radiation shield fixed to the first cold head, made of a material with good thermal conductivity and surrounding the second cold head, the second regenerator with its pipes 50 and 52, and the upper part of the expansion cylinder, this shield being maintained at the temperature of the cold head, a casing thermally insulating all the parts of the machine which are maintained at temperatures lower than those of the compression cylinders and of 'expansion.
An embodiment of the machine which is the subject of the invention will be described, by way of example, with reference to the appended drawing, FIG. 2 of which is a partial sectional view of the machine.
In this figure, a sealed housing 24 contains a working gas, for example helium and comprises a crankshaft 25 connected by a shaft 26 to a motor 27 for driving in rotation. The crankshaft 25 carries a crankpin 28 and a crankpin 29 arranged between them at an angle approximately equal to 900. The crankpin 28 is connected to a connecting rod 59 which communicates a reciprocating movement to the compressor piston 30 in the cylinder 31. The crank pin 29 is connected by a connecting rod 32 to the pressure reducing piston 33 sliding in the cylinder 34.
The compressor piston 30 and the expansion piston 33 carry rings ensuring a seal between each piston and its cylinder wall. The pressure-reducing piston 33 carries an extension formed by two parts 35 and 36, the upper part 36 having a smaller diameter than that of the lower part 35, the latter having a diameter slightly smaller than that of the piston 33. This extension 35 and 36 is made of a material having poor thermal conductivity, for example ceramic or phenol-formaldehyde laminated plastic, to reduce unwanted heat transfer between hot machine parts and cold parts. The expansion cylinder 34 coaxially comprises a thin-walled cylinder 37 having the same diameter.
This cylinder 37 ends in the first cold head 38 and is made of a material having poor thermal conductivity (stainless steel for example). The first expansion volume 39 is formed between the first step of the section of the expansion piston 35 and the first cold head 38 (made of copper, for example). A thin-walled tube 40, made of a material with poor thermal conductivity, extends vertically upwards from the first cold head 38 and is disposed coaxially with respect to the cylinder 34 and to the cylinder 37. The second extension 36 of the expansion piston , with a smaller diameter, moves back and forth in the tube 40.
The tube 40 ends at its upper end in the second cold head 41. The space between the upper end of the second extension 36 and the second cold head 41 constitutes the second expansion volume 42.
The movements of the compressor piston 30 and the expansion piston 33 cause the working gas to move alternately from the compression volume 43 to the expansion volumes 42 and 39. During the contraction of the volume 43, the working gas first passes through the channel heat exchanger 45, thereby transmitting heat and compression to the walls of the heat exchanger 45, and then to the metallic material of the cylinder head 44 from which it is finally dissipated into the ambient environment, through cooling fins 66 in which a cooling fluid is allowed to flow.
The working gas leaving the heat exchanger 45 passes to the first regenerator 46 and from this is sent through the pipes 47 and 48, the pipe 48 being part of the cold head 38 and, from the pipe 48 , the gas flow is divided into two flows; One enters the expansion volume 39 through the heat transport channels 49 which allow heat transmission between the expanded working gas and the cold head 38, the other enters the second regenerator 51 through the line 48 and then line 50.
This second regenerator 51 is less important than the regenerator 46. From the regenerator 51, the working gas passes through the pipes 52 and 53, the pipe 53 forming part of the second cold head 41.
From line 53, the working gas enters the second expansion volume 42, through the channels 54 which allow the transmission of heat between the gas expanded in the second expansion volume 42 and the second cold head 41 At each cycle reversal, the reverse flow process takes place, in which the working gas flows from the first expansion volume 39 and the second expansion volume 42 as they are being reduced to. volume, up to compression volume 43.
A casing 55 attached to the head of cylinder 44 can be evacuated by means of a valve 56 and serves to thermally insulate from ambient temperature the upper end of expansion cylinder 37, regenerators 46 and 51, the cold heads 38 and 41, the pipes 47, 50 and 52, the channels 49 and 54 and the upper extensions 35 and 36 of the expansion piston 33. A radiation shield 57, fixed to the first cold head 38, is formed by a thermally good conductor material and surrounds the second cold head 41, the regenerator 51, the pipe 52 and the tube 40 and is maintained at the same temperature as the cold head 38.
During the operation of this machine, the alternating displacement of the gas, from the compression volume 43 to the expansion volumes 39 and 42 and vice versa, on the one hand causes the cooling of the cold head 38 and of the pressure shield. radiation 57 to a temperature of about 800K, and, on the other hand, cooling the cold head 41 to a temperature of about 300K.
It should be noted that the expansions and contractions of the gas in the expansion volumes 39 and 42 are in phase and both have the same phase shift with the contraction and expansion of the working gas in the compression volume 43, the phase shift being that required for the operation of a modified Stirling cycle.
The cryogenic machine described is part of a device comprising an infrared detector 70 which it serves to cool. This detector is thermally bonded to the top surface of the cold head 41. The terminals of the cell 70 are connected to the wires 71 and 72 which are passed through the hole 73 in the radiation shield 57 and connected to the output socket 74 sealed in the wall of the vacuum casing 55. To enable operation of the cell 70, a hole 75 is cut at the top of the radiation shield 57. Also, an infrared ray transmitting window 76 is mounted so sealed at the top of the vacuum envelope 55 by its edge 77.
The advantages of the described machine become clear from the following considerations.
The expansion stages being obtained by means of the same piston, their phase variations are identical and the use of a single working gas ensures a correct phase shift between the expansion stages and the single compression volume.
As the moving parts are reduced in number, an increase in reliability is obtained and, as in general such refrigerators have to operate unattended for thousands of hours, any important feature leading to increased reliability is of considerable importance. It should be noted that this reduction in the number of moving parts has an even greater scope and becomes even more important in the event that it is possible to make a machine comprising more than two stages.
In a multiple refrigeration system, but in cascade, further stages can be added by adding further stepped extensions to the single expansion piston and, in conjunction with each stepped extension, the non-moving components, i.e. a regenerator, pipes, a cold head and a heat transmission pipe. Consequently, it appears that a refrigerant system would have the same number of moving parts, regardless of the number of stages which are cascaded, since the multiple and stepped piston of the pressure reducer constitutes a single moving part.
One of the important thermodynamic advantages lies in the fact that the gas which could escape from the second expansion volume, by moving beyond the reciprocating extension of the expansion piston, operating on the second expansion volume and the cylinder wall or the extension of the cylinder wall surrounding the extension, will be transmitted directly into the first expansion volume. Such unwanted loss of cooling energy caused by gas leakage is less serious in such a machine than it would be in a device according to FIG. 1, because such a gas leak transmits gas from the lowest temperature level to the next lowest temperature level, while in the machine shown in fig. 1, The gas leak transmits the gas from the lowest temperature level to room temperature.
The net loss in the second case is consequently greater and, as a result of such a gas leak, the machine according to fig. 1 is thermodynamically less efficient. Another source of thermodynamic inefficiency is the loss of unwanted heat through the material parts of the device from the high temperature parts to the low temperature parts.
Heat loss to the first cold head can only take place through expansion cylinder 37, which has thin walls, or through the piston extension body 35 which is formed of material having poor conductivity. thermal, or else through the metal parts of the pipe 47, the casing of the first regenerator 46, or the metal parts of the pipe 58 which connect the regenerator 48 to the cylinder head 44, this head being at ambient temperature. Such a reduction in possible losses due to undesirable thermal conductivity makes the present machine thermodynamically advantageous and allows it to operate with very high efficiency.