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.