EP0279739B1 - Réfrigérateur, notamment à cycle de Vuilleumier, comportant des pistons suspendus par des paliers à gaz - Google Patents

Réfrigérateur, notamment à cycle de Vuilleumier, comportant des pistons suspendus par des paliers à gaz Download PDF

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EP0279739B1
EP0279739B1 EP88400321A EP88400321A EP0279739B1 EP 0279739 B1 EP0279739 B1 EP 0279739B1 EP 88400321 A EP88400321 A EP 88400321A EP 88400321 A EP88400321 A EP 88400321A EP 0279739 B1 EP0279739 B1 EP 0279739B1
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EP
European Patent Office
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piston
cylinder
refrigerator according
magnets
magnet
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EP88400321A
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EP0279739A1 (fr
Inventor
Gérard Claudet
Bernard Dewanckel
Alain Ravex
Serge Reale
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Filing date
Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G1/00—Hot gas positive-displacement engine plants
    • F02G1/04—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type
    • F02G1/043—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines
    • F02G1/044—Hot gas positive-displacement engine plants of closed-cycle type the engine being operated by expansion and contraction of a mass of working gas which is heated and cooled in one of a plurality of constantly communicating expansible chambers, e.g. Stirling cycle type engines having at least two working members, e.g. pistons, delivering power output
    • F02G1/0445—Engine plants with combined cycles, e.g. Vuilleumier
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2250/00—Special cycles or special engines
    • F02G2250/18—Vuilleumier cycles
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2258/00—Materials used
    • F02G2258/10—Materials used ceramic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02G—HOT GAS OR COMBUSTION-PRODUCT POSITIVE-DISPLACEMENT ENGINE PLANTS; USE OF WASTE HEAT OF COMBUSTION ENGINES; NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02G2270/00—Constructional features
    • F02G2270/50—Crosshead guiding pistons

Definitions

  • the present invention relates to a low power cryogenic refrigerator, and in particular a refrigerator operating according to the Vuilleumier cycle.
  • the invention relates to a refrigerator capable of operating for a very long period without the possibility of intervention or maintenance in order to be able to be carried, for example on board a satellite.
  • Cryogenic refrigeration of small power that is to say for powers between one tenth of a watt and a few watts, at temperature levels between 100 K and 4 K is obtained, in known manner, by machines operating according to cycles of Stirling, Mac Mahon, Vuilleumier or their derivatives.
  • refrigerators of this type have one or more cylinders inside each of which moves a piston driven by an alternating translational movement in order to compress or relax a gas, or simply to transfer this gas. one room in another.
  • pistons are called “compressors” when a force must be applied to the piston to overcome the forces due to the different pressures prevailing on its two faces.
  • Compressor type pistons are used to achieve mechanical compression (or expansion) of the gas in the Stirling, Gifford Mac Mahon, Joule Thomson or their derivatives cycles.
  • the forces applied to the pistons either by the gas or by the mechanical force of the drive motor are never strictly axial and opposite, which causes significant radial reactions on the guide bearings which must therefore be designed to withstand forces important and which must therefore have great stiffness.
  • the pistons are said to be “displacers” when they only serve to carry out transformations at constant volume by passing an amount of gas from one chamber at a certain temperature into another chamber at a different temperature.
  • Such an operation results in a change in gas pressure (compression or expansion depending on the direction) but with the particularity of maintaining at all times the same pressure on the two faces of the piston.
  • Such compression does not consume mechanical energy, with the exception of friction losses or flow pressure losses. It only consumes thermal energy to maintain the chambers at different temperatures.
  • thermodynamics In this kind of transformation (compression or expansion) that can be called thermodynamics, the displacing piston is subjected to other forces only its weight or inertia or that friction and pressure differences which can be made very low . As a result, the load on the bearings can be reduced considerably.
  • the Vuilleumier cycle has the particularity of being able to be implemented by the exclusive use of displacement pistons. It is a cycle with three temperature sources well known to those skilled in the art and which has been described for example in the document FF Chellis and WH Hogan, "A liquid nitrogen operated refrigerator for temperatures below 77 K", in “Advances in Cryogenic Engineering ", vol. 9, 1963, pp 545-551.
  • the refrigerator of the invention therefore uses the Vuilleumier cycle which makes it possible to produce machines in which the piston guide bearings, which constitute one of the critical elements conditioning the life of the refrigerator, are only subjected to very low forces and, by subsequently cause reduced wear and heat generation.
  • This characteristic constitutes a considerable advantage compared to machines operating according to other cycles and using compressor pistons. Indeed, in the case of the latter, the piston bearings are heavily loaded. Their wear is high and the release of heat is high. Consequently, it is very difficult to produce machines with a long service life.
  • EP-A-0 114 069 describes a machine in which the pistons move in cylinders according to a purely linear movement with adjustments with reduced clearance, which requires adding magnetic devices to reduce the radial forces and prevent them blockages.
  • the present invention specifically relates to a refrigerator, in particular a refrigerator operating according to the Vuilleumier cycle, which overcomes these drawbacks.
  • This refrigerator must be able to operate for several years without maintenance of the bearings supporting the pistons. As a result, the bearings must be subjected to a very low load. They must not be subject to wear or generate heat.
  • the present invention relates to a refrigerator operating according to a Vuilleumier cycle, characterized in that it uses at least one gas bearing for the suspension of at least one piston, and a means for rotating said piston.
  • the refrigerator of the invention is suitable for space applications when the refrigerator is not subjected to the action of gravity.
  • the refrigerator of the invention comprises two pistons operating in phase opposition so as to make the vibrations as low as possible.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal sectional view of a cylinder 2 forming part of a cryogenic refrigerator operating according to a Vuilleumier cycle.
  • a displacement piston 4 is driven in an alternating translational movement inside the cylinder 2 so as to transfer a quantity of cycle gas from a first sealed chamber 6 to a second sealed chamber 8 via a pipe 9.
  • a Vuilleumier cycle refrigerator comprises at least two piston-cylinder assemblies, the first of these assemblies constituting a thermal compressor and the second a cold finger.
  • the complete representation of the refrigerator is not necessary for the explanation of the principle of the invention.
  • the displacing piston has a mass M corresponding to a weight P under the effect of a given acceleration, for example the acceleration of terrestrial gravity.
  • a line of magnets L1 and a line of magnets L2 are arranged along an upper generatrix of the cylinder 2. The lengths of these lines are equal or not, but are, in all cases, greater than the alternating stroke C of the piston.
  • the lines L1 and L2 consist of five magnets arranged side by side.
  • the magnets 14 are mounted on the displacer piston 4 respectively opposite the line of magnets L1 and the line of magnets L2.
  • the weight P of the displacing piston is balanced by the set of permanent magnets acting by attraction and producing forces F1 and F2 independent of the axial position of the piston since the lines of magnets L1 and L2 have a length greater than the stroke vs.
  • the attraction forces of the magnets are chosen so that the sum of the forces F1 and F2 is slightly less than the weight P of the piston 4 to avoid bonding of the magnets.
  • the resulting force to bear is equal to P- (F1 + F2). This resulting force can easily be reduced to a small fraction of P, for example a few%.
  • the forces P, F1 and F2 are arranged in the same plane, which does not introduce any lateral reaction.
  • a gas bearing is produced by means of a relative movement of the displacing piston 2 relative to the cylinder 4 so as to obtain a centering effect which is added to the suspension by the permanent magnets for get guidance without friction of the piston.
  • the gas bearings alone are sufficient to ensure guiding without friction of the piston, without it being necessary to provide a magnetic suspension passive by permanent magnets.
  • FIG. 3 There is shown in Figures 3 and 4 an embodiment of gas bearings according to the invention.
  • This mode is characterized by the fact that the gas bearing is obtained by a rotation on itself of the piston 4.
  • the relative movement of rotation of the piston 4 relative to the cylinder 2 entrains the gas cycle by viscosity, which has the effect of forming a wedge which produces a centering force F of the piston 4 relative to the cylinder 2.
  • a bearing of this type is provided at each of the ends of the piston 4.
  • FIGS. 4a and 4b show two alternative embodiments of a rotary gas bearing according to the invention.
  • the principle of this bearing is identical to that of FIG. 3, but the piston 4 comprises (FIG. 4a) a series of ramps 32, five in the example chosen, whose profile, convex, is inclined relative to the internal surface 34 of cylinder 2 so as to determine with this cylinder a clearance which decreases from the beginning towards the end of the ramp 32.
  • the effect of levitation by wedge of gas driven by viscosity, described with reference to FIG. 3, is thus obtained several times per turn, five times in the example shown.
  • FIG. 4b One can also use (FIG. 4b) a circular piston in a chamber comprising multiple ramps 32 ′.
  • the gas bearings of Figures 3, 4a and 4b can be used alone, that is to say in the absence of passive magnetic suspension by permanent magnets, when the refrigerator is not subjected to the action of gravity during its operation.
  • the nature of the materials used to produce the gas bearing that is to say the material of the piston 4 and that of the cylinder 2, is indifferent but in the event of accidental contact, or during start-up periods, materials having good friction properties with a low coefficient of friction and low wear are preferable.
  • Metals or metal alloys can be used as well as plastics.
  • ceramic materials such as alumina and zirconia are preferably used, which allow better performance, in particular for operation at high temperatures.
  • FIG. 5 shows a first example of a means making it possible to rotate the piston 4 in order to produce a rotating gas bearing such as those of FIGS. 3 and 4.
  • a rotating magnetic field symbolized by arrow 42
  • a permanent magnet 44 is provided on the piston 4. This magnet is driven by the rotating field, synchronously.
  • a synchronous motor is thus produced which makes it possible to drive the piston 4 in rotation at the desired speed.
  • An asynchronous motor could also be produced by replacing the permanent magnet 44 with ferromagnetic materials.
  • a three-phase current one could still use a single-phase alternating current to produce a synchronous or asynchronous electric motor.
  • FIG. 6 shows another means for driving the piston 4 in rotation.
  • Two coils 50 and 52 spaced apart by a pitch P1 are provided at the periphery of the cylinder 2.
  • a plurality of magnets 54 spaced apart a pitch P2 less than the pitch P1 are regularly distributed around the periphery of the piston 4.
  • the coil 50 and the coil 52 are supplied alternately. Under the effect of the electromagnetic forces which appear, one of the magnets 54 comes place next to the coil which is supplied.
  • a neighboring magnet 54 is placed opposite this second coil. The piston is thus driven in rotation by a series of successive pulses producing displacements in increments.
  • FIGS 7a and 7b There is shown in Figures 7a and 7b a third means for rotating the piston 4.
  • the piston 4 At one or at each of its ends, the piston 4 has a chamber 60 determined by a circular groove. The width of this groove is at least equal to the alternative stroke C of the piston.
  • a helical groove 62 opens at one of its ends in the chamber 60 and at its other end in the chamber 6 and / or in the chamber 8.
  • a non-return valve consisting for example of a plate 64 which plugs the end of the helical groove 62 opening into the chamber 6, and into the chamber 8, this plate 64 being supported by a flexible blade 66, prohibited from gas cycle to pass directly from chamber 6 and chamber 8 into the helical groove 62. This gas must therefore pass through a bypass duct 68.
  • FIG. 9 shows a means making it possible to obtain a mixed movement of rotation and translation by the contactless action of an elliptical magnetic ramp 94a.
  • a piston 80 placed inside a cylinder 90, is rotated by a synchronized asynchronous motor comprising the coils 91 which create a rotating radial field, a squirrel cage 81 which ensures the asynchronous rotation, in particular at start-up , and a magnet 82 which ensures the synchronous rotation of the piston 80.
  • the rotational movement thus produced drives the magnet 83 integral with the piston 80 in front of the magnetic ramp 94 which produces an attraction of the magnet 83.
  • the magnetized ramp has an elliptical geometry inclined to the longitudinal axial direction of the piston 80. It produces a axial force which tends to maintain the magnet 83 in the maximum field of the elliptical ramp 94.
  • the combined movements of rotation and translation of the piston 80 take place at the same frequency.
  • the piston 80 performs an alternating outward and return stroke at the same time as it performs a full rotation in rotation about its longitudinal axis.
  • FIG. 10 shows three different embodiments of the magnetized ramp 94.
  • the ramp 94a has already been described previously. It has been shown again only as a reminder to allow a comparison with the forms 94b and 94c.
  • the magnetized ramp 94b has two helical turns of opposite pitch to obtain a rotation frequency of the piston 80 twice its translation frequency. It goes without saying that one could also use several helical turns of opposite pitch to obtain a frequency of rotation multiple of the translation frequency.
  • FIG. 10c a magnetized ramp 94c having two undulations per revolution, which makes it possible to create a translation of frequency double the frequency of rotation of the piston 80.
  • a magnetized ramp 94c having two undulations per revolution, which makes it possible to create a translation of frequency double the frequency of rotation of the piston 80.
  • FIG. 8 shows a complete embodiment of a refrigerator according to the invention operating according to a Vuilleumier cycle.
  • the refrigerator is made up of two sets, namely a thermal compressor designated by the reference 100 and a pressure reducer, also called cold finger in the text below and designated by the reference 200.
  • the thermal compressor 100 includes a piston 104 sliding inside a cylinder 102, 55 mm in diameter and 300 mm long, containing gaseous helium whose pressure can vary between 5 and 10 bars approximately.
  • the piston 104 determines a hot chamber 106 and a cold chamber 108 at each of the opposite ends of the piston 104.
  • a bearing 104a is provided at the hot end of the piston, while a cold bearing 104b is provided at the cold end of this piston.
  • the bearings 104a and 104b are gas bearings of the rotating type such as, for example, those of FIGS. 3 and 4 of the application. They consist of two alumina rings with a radial clearance of 20 microns.
  • suspension lines L1 and L2 made up of a series of permanent magnets arranged along an upper generatrix of the cylinder 102, cooperating with permanent magnets 114, 114 make it possible to balance the weight P of the piston 104.
  • two lines L1 and L2 but we could also use a single line, provided that this is arranged symmetrically with respect to the center of gravity of the piston and is at least as long as the stroke C of the piston .
  • the piston 104 is driven in rotation at a speed of 5 revolutions per second by a stepping motor such as for example that of FIG. 6, consisting of two coils, of which only one, the coil 150, has been shown in FIG. 8 and a plurality of magnets 154 distributed along a circumference of the piston 104.
  • a stepping motor such as for example that of FIG. 6, consisting of two coils, of which only one, the coil 150, has been shown in FIG. 8 and a plurality of magnets 154 distributed along a circumference of the piston 104.
  • Means have also been provided for obtaining an alternative translation of 20 mm of the piston 104.
  • These means are constituted in the example chosen by a linear motor of the stepping type consisting on the one hand of a series of magnets permanent 156 distributed along a circumference of the piston 104 and on the other hand of coils 158 arranged opposite the magnets 156.
  • the operating principle of the linear stepping motor is identical to that of the rotating motor and will therefore not be described in detail .
  • the supply of electric current to the coils of the linear motor is controlled by a servo device 157 which receives indications from a position detector 159 which makes it possible to detect the position of the piston 104 relative to the cylinder 102.
  • the thermal compressor 100 comprises several layers of insulation 170 surrounding its hot end and an electrical heating resistor 172 making it possible to maintain this hot end at a temperature of the order of 1000 K.
  • Other means such as solar or nuclear heating might be suitable.
  • the cold room 108 is cooled by a cooling circuit 174 which makes it possible to maintain its temperature at around 300 K.
  • the chambers 106 and 108 are connected by means of a pipe 176 on which a thermal regenerator 178 known in itself is inserted.
  • the hot part of the cylinder is enclosed in a chamber 180 constituting a vacuum enclosure in which there is a high vacuum so as to avoid heat loss towards the outside.
  • the refrigerator shown in FIG. 8 also comprises a cold finger designated by the general reference 200.
  • the constitution of the cold finger 200 is essentially identical to that of the thermal compressor 100. It comprises two balancing bearings with magnet permanent to balance the weight of the piston 204. These folds have been designated by the reference 214. It further comprises a stepper motor 250, 254 for driving the piston 204 in rotation and a stepper motor 256, 258 for the drive in alternative translation of this same piston (10 mm stroke).
  • a servo device 257 which receives information from a position detector known per se 259 controls the supply of electric current to the coils 258 of the linear stepping motor.
  • the piston 204 comprises a cold bearing 204a situated on the right in the figure and a hot bearing 204b situated on the left in the figure.
  • the production of these bearings is identical to what has already been described. It should however be noted that a particularity of the piston 204 is stepped so as to determine not a single chamber but two chambers 206a and 206b. Its length is 200 mm and its diameter is 40 mm between chamber 208 at 300 K and chamber 206b at 150 K. Its length is 100 mm and its diameter is 15 mm between chamber 206b and chamber 206a at 50 K So the fridge allows you to extract heat at two different temperatures, 1 watt at 50 K in room 206a and 3 watts at 150 K in room 206b.
  • thermal regenerators 178a and 178b consist of a lining material lining the bottom with circular grooves provided in the wall of the cylinder 202.
  • the assembly of the cold finger is enclosed inside an enclosure 280 inside which there is a high vacuum in order to limit as much as possible the heat input coming from the outside.
  • the refrigerator which has just been described preferably applies to the cooling of samples to be studied in physics experiments or to enable or improve the functioning of superconductive materials or radiation detectors.

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Description

  • La présente invention concerne un réfrigérateur cryogénique de petite puissance, et particulièrement un réfrigérateur fonctionnant selon le cycle de Vuilleumier.
  • Plus précisément, l'invention concerne un réfrigérateur capable de fonctionner pendant une durée très longue sans possibilité d'intervention ou d'entretien afin de pouvoir être embarqué, par exemple à bord d'un satellite.
  • La réfrigération cryogénique de petite puissance, c'est-à-dire pour des puissances comprises entre un dixième de watt et quelques watts, à des niveaux de températures compris entre 100 K et 4 K est obtenue, de façon connue, par des machines fonctionnant selon des cycles de Stirling, de Mac Mahon, de Vuilleumier ou leurs dérivés.
  • De manière générale, des réfrigérateurs de ce type comportent un ou plusieurs cylindres à l'intérieur de chacun desquels se déplace un piston animé d'un mouvement de translation alternatif afin de comprimer ou de détendre un gaz, ou simplement de transvaser ce gaz d'une chambre dans une autre.
  • Ces pistons sont dits "compresseurs" lorsqu'une force doit être appliquée au piston pour vaincre les forces dues aux pressions différentes régnant sur ses deux faces. On utilise des pistons de type compresseur pour réaliser une compression (ou une détente) mécanique du gaz dans les cycles de Stirling, Gifford Mac Mahon, Joule Thomson ou leurs dérivés. Pratiquement, les forces appliquées aux pistons soit par le gaz soit par la force mécanique du moteur d'entraînement ne sont jamais rigoureusement axiales et opposées, ce qui entraîne des réactions radiales importantes sur les paliers de guidage qui doivent donc être conçus pour supporter des forces importantes et qui doivent donc présenter une grande raideur.
  • Au contraire, les pistons sont dits "déplaceurs" lorsqu'ils servent uniquement à effectuer des transformations à volume constant en faisant passer une quantité de gaz d'une chambre à une certaine température dans une autre chambre à une température différente. Une telle opération se traduit par un changement de pression du gaz (compression ou détente suivant le sens) mais avec la particularité de conserver à chaque instant la même pression sur les deux faces du piston. Une telle compression ne consomme pas d'énergie mécanique, à l'exception des pertes par frottement ou des pertes de charge à l'écoulement. Elle consomme seulement de l'énergie thermique pour le maintien des chambres à des températures différentes.
  • Dans ce genre de transformation (compression ou détente) que l'on peut appeler thermodynamique, le piston déplaceur n'est soumis à d'autres forces que son poids ou son inertie ou que les frottements et écarts de pression qui peuvent être rendus très faibles. Par suite, la charge sur les paliers peut être considérablement réduite. Le cycle de Vuilleumier présente la particularité de pouvoir être mis en oeuvre par l'utilisation exclusive de pistons déplaceurs. C'est un cycle à trois sources de température bien connu de l'homme du métier et qui a été décrit par exemple dans le document F. F. Chellis et W. H. Hogan, "A liquid nitrogen operated refrigerator for temperatures below 77 K", in "Advances in Cryogenic Engineering", vol. 9, 1963, pp 545-551.
  • Le réfrigérateur de l'invention utilise donc le cycle de Vuilleumier qui permet de réaliser des machines dans lesquelles les paliers de guidage des pistons, qui consituent un des éléments critiques conditionnant la durée de vie du réfrigérateur, subissent seulement des forces très faibles et, par suite, provoquent une usure et un dégagement de chaleur réduits. Cette caractéristique constitue un avantage considérable par rapport aux machines fonctionnant suivant d'autres cycles et utilisant des pistons compresseurs. En effet, dans le cas de ces dernières, les paliers de pistons sont fortement chargés. Leur usure est importante et le dégagement de chaleur élevé. En conséquence, il est très difficile de réaliser des machines présentant une durée de vie élevée.
  • Quand il s'agit d'atteindre des durées de fonctionnement de plusieurs années, pour des applications spatiales par exemple, l'utilisation de paliers sans aucun contact, donc sans usure, devient nécessaire.
  • On connaît des machines fonctionnant suivant un cycle de Vuilleumier et utilisant des paliers à contact solide-solide. Toutefois, des paliers de ce type ne sont pas acceptables pour un fonctionnement de plusieurs années sans entretien.
  • On connaît également des machines fonctionnant suivant un cycle de Stirling et comportant des pistons à suspension magnétique active (L. Knox, P. Patt, R. Maresca, "Design of a flight qualified long life cryocooler", in "Proceedings of the third Cryocooler Conference", NBS special publication no. 698, Mai 1985, pp. 99-118). La technologie du palier magnétique actif consiste à asservir la position d'un piston au moyen d'électroaimants disposés sur sa périphérie et qui sont plus ou moins excités en fonction du jeu existant entre le piston et le cylindre, ce jeu étant mesuré en différents points. La mesure des jeux et l'asservissement de la position du piston nécessite des circuits électroniques très complexes dans la mesure où les moyens de déplacement linéaire peuvent introduire des perturbations magnétiques très nuisibles. De plus, un dégagement de chaleur par effet Joule se produit dans les électroaimants. Cet apport de chaleur est un inconvénient très important étant donné qu'il interdit l'utilisation de ces paliers dans les parties du réfrigérateur dans lesquelles on souhaite maintenir une température cryogénique, (c'est-à-dire une température très basse, de l'ordre de quelques K à une centaine de K).
  • On connaît également (S. T. Werret, G. D. Peskett, G. Davey, T. W. Bradshaw, J. Delderfield, "Development of a small Stirling cycle cooler for spaceflight applications", in "Advances in Cryogenic Engineering" vol. 31, 1986, pp. 791-809) des réfrigérateurs dans lesquels les pistons sont suspendus par un jeu de membranes facilement déformables dans le sens du mouvement axial, mais assez raides radialement pour éviter le contact entre les pièces mobiles.
  • Toutefois, la déformation alternée des membranes introduit inéluctablement un risque de dégradation difficilement contrôlable. Par ailleurs, l'utilisation d'une membrane implique des contraintes d'ordre géométrique qui en limitent l'utilisation.
  • Une faible déformation des membranes n'est possible qu'avec de faibles courses. Par ailleurs, un faible jeu entre le piston et le cylindre ne peut être obtenu qu'avec des membranes de faible diamètre.
  • Le document EP-A-0 114 069 décrit une machine dans laquelle les pistons se déplacent dans des cylindres suivant un mouvement purement linéaire avec des adjustements à jeu réduit, ce qui impose d'ajouter des dispositifs magnétiques pour réduire les forces radiales et empêcher les blocages.
  • La présente invention a précisément pour objet un réfrigérateur, en particulier un réfrigérateur fonctionnant suivant le cycle de Vuilleumier, qui remédie à ces inconvénients. Ce réfrigérateur doit être capable de fonctionner durant plusieurs années sans entretien des paliers supportant les pistons. En conséquence, les paliers doivent être soumis à une charge très faible. Ils ne doivent pas être sujets à l'usure ni dégager de chaleur.
  • A cet effet, la présente invention concerne un réfrigérateur fonctionnant suivant un cycle de Vuilleumier, caractérisé en ce qu'il utilise au moins un palier à gaz pour la suspension d'au moins un piston, et un moyen de mise en rotation dudit piston.
  • Grâce à de telles caractéristiques, le réfrigérateur de l'invention convient pour des applications spatiales lorsque le réfrigérateur n'est pas soumis à l'action de la pesanteur.
  • De préférence, le réfrigérateur comprend:
    • un premier cylindre ayant une extrémité chaude et une extrémité à température intermédiaire, un piston déplaceur coulissant dans ledit premier cylindre entre une première et une seconde positions pour comprimer et détendre une quantité de gaz contenue dans ledit premier cylindre, un conduit sur lequel un régénérateur thermique reliant l'extrémité à haute température et l'extrémité à température intermédiaire du premier cylindre est intercalé;
    • un second cylindre ayant une extrémité à température intermédiaire et une extrémité froide, un second piston déplaceur coulissant dans ledit second cylindre entre une première et une seconde positions pour comprimer et détendre une quantité de gaz contenue dans ledit second cylindre;
    • une canalisation reliant l'extrémité à température intermédiaire du premier cylindre et l'extrémité à température intermédiaire du second cylindre, et
    • des moyens pour déplacer ledit premier cylindre et ledit second cylindre en relation de phase.
    • Il est caractérisé en ce qu'il comporte:
    • un palier à gaz à l'extrémité chaude du premier piston et un palier à gaz à l'extrémité à température intermédiaire du premier piston,
    • un palier à gaz à l'extrémité à température intermédiaire dudit second piston et un palier à gaz à l'extrémité froide du second piston.
  • Selon une variante préférée, le réfrigérateur de l'invention comporte deux pistons fonctionnant en opposition de phase de manière à rendre les vibrations aussi faibles que possible.
  • Lorsque le réfrigérateur fonctionne sur la Terre et qu'il est par conséquent soumis à l'action de la gravité terrestre, ou encore lorsqu'il est embarqué à bord d'un satellite spinné (tournant autour de son axe longitudinal), il est nécessaire de prévoir des moyens complémentaires de sustentation des pistons. A cet effet, le réfrigérateur comporte:
    • au moins une série d'aimants disposée le long de la génératrice supérieure du premier cylindre, cette série d'aimants présentant une longueur supérieure à la distance entre ladite première et ladite seconde positions du premier piston, un aimant permanent étant monté sur le premier cylindre en regard de chacune desdites séries d'aimants; et
    • au moins une série d'aimants disposée le long de la génératrice supérieure du second cylindre, cette série d'aimants présentant une longueur supérieure à la distance entre ladite première et ladite seconde positions dudit second piston du second cylindre, un aimant étant monté sur le second cylindre en regard de chacune desdites série d'aimants dudit second cylindre.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit d'un exemple de réalisation donné à titre illustratif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, sur lesquelles:
    • la figure 1 est une vue longitudinale en coupe schématique illustrant le principe de suspension d'un piston déplaceur conforme à la présente invention;
    • la figure 2 est une vue en section transversale selon la ligne II-II de la figure 1;
    • la figure 3 est une vue en section transversale représentant un palier à gaz tournant conforme à un second mode de réalisation de l'invention;
    • les figures 4a et 4b sont des vues en section transversale représentant deux variantes de réalisation d'un palier à gaz tournant représenté sur la figure 3;
    • la figure 5 illustre un premier moyen permettant d'obtenir une rotation d'un piston dans le cas d'un palier à gaz du type décrit en référence à la figure 3 ou à la figure 4;
    • la figure 6 illustre un deuxième moyen d'entraîner ce piston en rotation;
    • les figures 7a et 7b illustrent un troisième mode de réalisation permettant d'entraîner un piston déplaceur en rotation;
    • la figure 8 représente une réalisation complète d'un réfrigérateur cryogénique conforme à l'invention;
    • la figure 9 représente une variante de réalisation des moyens permettant d'entraîner le piston en translation alternative;
    • la figure 10a, b, c est une vue de détail qui montre trois formes possibles de la rampe aimantée faisant partie de la réalisation de la figure 9.
  • On a représenté sur la figure 1 une vue schématique longitudinale en coupe d'un cylindre 2 faisant partie d'un réfrigérateur cryogéniquefonc- tionnant suivant un cycle de Vuilleumier. Un piston déplaceur 4 est animé d'un mouvement alternatif de translation à l'intérieur du cylindre 2 de manière à transvaser une quantité de gaz de cycle d'une première chambre étanche 6 à une seconde chambre étanche 8 par l'intermédiaire d'une canalisation 9. De manière générale, un réfrigérateur à cycle de Vuilleumier comporte au moins deux ensembles piston-cylindre, le premier de ces ensembles constituant un compresseur thermique et le second un doigt froid. Toutefois, la représentation complète du réfrigérateur n'est pas nécessaire pour l'explication du principe de l'invention.
  • Le piston déplaceur présente une masse M correspondant à un poids P sous l'effet d'une accélération donnée, par exemple l'accélération de la pesanteur terrestre. Une ligne d'aimants L1 et une ligne d'aimants L2 sont disposées selon une génératrice supérieure du cylindre 2. Les longueurs de ces lignes sont égales ou non, mais sont, dans tout les cas, supérieures à la course alternative C du piston. Dans l'exemple représenté, les lignes L1 et L2 se composent de cinq aimants disposés côte à côte. Les aimants 14 sont montés sur le piston déplaceur 4 respectivement en regard de la ligne d'aimants L1 et de la ligne d'aimants L2. Le poids P du piston déplaceur est équilibré par l'ensemble des aimants permanents agissant par attraction et produisant des forces F1 et F2 indépendantes de la position axiale du piston étant donné que les lignes d'aimants L1 et L2 présentent une longueur supérieure à la course C.
  • Les forces d'attraction des aimants sont choisies de telle manière que la somme des forces F1 et F2 soit légèrement inférieure au poids P du piston 4 pour éviter le collage des aimants. La force résultante à supporter est égale à P-(F1 +F2). Cette force résultante peut aisément être réduite à une fraction faible de P, par exemple quelques %. Les forces P, F1 et F2 sont disposées dans un même plan, ce qui n'introduit aucune réaction latérale.
  • Dans le cas particulier des applications spatiales, l'absence de pesanteur rend inutile la compensation du poids au moyen des aimants.
  • Il existe cependant des satellites dits "spinnés" animés d'un mouvement de rotation autour de leur axe. Dans ce cas, l'équilibrage de la force centrifuge reste nécessaire.
  • Selon une autre caractéristique de l'invention, on réalise un palier à gaz grâce à un mouvement relatif du piston déplaceur 2 par rapport au cylindre 4 de manière à obtenir un effet de centrage qui vient s'ajouter à la suspension par les aimaints permanents pour obtenir un guidage sans frottement du piston. Bien entendu, dans le cas où le réfrigérateur n'est pas soumis à l'action de la pesanteur, les paliers à gaz suffisent à eux seuls pour assurer le guidage sans frottement du piston, sans qu'il soit nécessaire de prévoir une suspension magnétique passive par aimants permanents.
  • On a représenté sur les figures 3 et 4 un mode de réalisation de paliers à gaz conformes à l'invention. Ce mode est caractérisé par le fait que le palier à gaz est obtenu par une rotation sur lui-même du piston 4. Dans la variante représentée sur la figure 3, le mouvement relatif de rotation du piston 4 par rapport au cylindre 2 entraîne le gaz de cycle par viscosité, ce qui a pour effet de former un coin qui produit une force de recentrage F du piston 4 par rapport au cylindre 2. De préférence, on prévoit un palier de ce type à chacune des extrémités du piston 4.
  • On a représenté sur les figures 4a et 4b deux variantes de réalisation d'un palier à gaz rotatif conforme à l'invention. Le principe de ce palier est identique à celui de la figure 3, mais le piston 4 comporte (figure 4a) une série de rampes 32, cinq dans l'exemple choisi, dont le profil, convexe, est incliné par rapport à la surface interne 34 du cylindre 2 de manière à déterminer avec ce cylindre un jeu qui va en diminuant du début vers la fin de la rampe 32. L'effet de sustentation par coin de gaz entraîné par viscosité, décrit en référence à la figure 3, est ainsi obtenu plusieurs fois par tour, cinq fois dans l'exemple représenté.
  • On peut également utiliser (figure 4b) un piston circulaire dans une chambre comportant des rampes 32' multiples.
  • De manière identique au premier mode de réalisation, les paliers à gaz des figures 3, 4a et 4b peuvent être utilisés seuls, c'est-à-dire en l'absence de suspension magnétique passive par aimants permanents, lorsque le réfrigérateur n'est pas soumis à l'action de la pesanteur au cours de son fonctionnement.
  • La nature des matériaux permettant de réaliser le palier à gaz, c'est-à-dire le matériau du piston 4 et celui du cylindre 2, est indifférente mais en cas de contact fortuit, ou lors des périodes de démarrage, des matériaux présentant de bonnes propriétés de frottement avec un faible coefficient de frottement et une faible usure sont préférables. On peut utiliser des métaux ou des alliages métalliques ainsi que des matières plastiques. On utilisera toutefois de préférence des matériaux céramiques tels que l'alumine et le zircone, qui permettent de meilleures performances, notamment pour le fonctionnement à des températures élevées.
  • On a représenté sur la figure 5 un premier exemple d'un moyen permettant d'entraîner en rotation le piston 4 afin de réaliser un palier à gaz tournant tel que ceux des figures 3 et 4. Dans l'exemple de la figure 5, on a disposé autour du cylindre 2 trois bobines 40, à 120° l'une de l'autre, chacune de ces bobines étant alimentée par une phase d'un courant électrique triphasé. De manière connue dans le domaine de l'électrotechnique, la circulation du courant produit un champ magnétique tournant, symbolisé par le flèche 42, dont la période de rotation est égale à celle du courant. Un aimant permanent 44 est prévu sur le piston 4. Cet aimant est entraîné par le champ tournant, de manière synchrone. On réalise ainsi un moteur synchrone qui permet d'entraîner le piston 4 en rotation à la vitesse voulue. On pourrait également réaliser un moteur asynchrone en substituant à l'aimant permanent 44 des matériaux ferromagnétiques. Au lieu d'un courant triphasé, on pourrait encore utiliser un courant alternatif monophasé pour réaliser un moteur électrique synchrone ou asynchrone.
  • On a représenté sur la figure 6 un autre moyen permettant d'entraîner en rotation le piston 4. Deux bobines 50 et 52, espacées d'un pas P1 sont prévues à la périphérie du cylindre 2. Une pluralité d'aimants 54 espacés d'un pas P2 inférieur au pas P1 sont régulièrement répartis à la périphérie du piston 4. De manière connue, on alimente alternativement la bobine 50 et la bobine 52. Sous l'effet des forces électromagnétiques qui apparaissent, l'un des aimants 54 vient se placer en regard de la bobine qui est alimentée. Lorsque l'on coupe l'alimentation de cette bobine pour alimenter l'autre bobine, un aimant 54 voisin vient se placer en regard de cette deuxième bobine. On entraîne ainsi le piston en rotation par une série d'impulsions successives produisant des déplacements par incréments. Bien entendu, il existe un grande nombre de variante de tels moteur pas à pas, qui sont par ailleurs connus dans l'état de la technique et l'exemple de la figure 6 est donné seulement à titre illustratif. Il va de soi que d'autres moyens que ceux décrits en référence aux figures 5 et 6 pourraient être utilisés pour entraîner le piston en rotation.
  • On a représenté sur les figures 7a et 7b un troisième moyen permettant d'entraîner en rotation le piston 4. A l'une ou à chacune de ses extrémités, le piston 4 comporte une chambre 60 déterminée par une gorge circulaire. La largeur de cette gorge est au moins égale à la course alternative C du piston. Une gorge hélicoïdale 62 débouche à l'une de ses extrémités dans la chambre 60 et à son autre extrémité dans la chambre 6 et/ou dans la chambre 8.
  • Un clapet anti-retour, constitué par exemple d'une plaque 64 qui bouche l'extrémité de la gorge hélicoïdale 62 débouchant dans la chambre 6, et dans la chambre 8, cette plaque 64 étant supportée par une lame flexible 66, interdit au gaz de cycle de passer directement de la chambre 6 et de la chambre 8 dans la gorge hélicoïdale 62. Ce gaz doit donc passer par un conduit de dérivation 68.
  • Lorsque le piston 4 se déplace de la gauche vers la droite, selon le sens de la flèche 72, sur la figure 7a, le gaz présent dans la chambre 6 est transféré par l'intermédiaire du conduit de dérivation 68 dans la gorge circulaire 60 comme schématisé par la flèche 70.
  • Au contraire, lorsque le piston 4 se déplace de droite à gauche, comme représenté sur la figure 7b (flèche 74), le clapet 64, 66 est ouvert et l'action du gaz sur les parois de la gorge hélicoïdale 62 entraîne le piston 4 en rotation dans le sens représenté par le flèche 78. Ce mode de réalisation est particulièrement avantageux parce qu'il ne requiert aucun dispositif électrique ou mécanique pour entraîner le piston en rotation. D'autre part, ce moyen suffit pour obtenir la faible vitesse de rotation du piston, environ 5 tours par seconde, nécessaire pour sustenter le piston.
  • Le mouvement de rotation du piston obtenu par l'un quelconque des moyens décrits précédemment et qui permet de créer l'effet de sustentation par paliers à gaz hydrodynamiques peut encore être utilisé pour induire le mouvement de translation alternatif produisant le déplacement du gaz nécessaire à la réalisation du cycle thermodynamique souhaité.
  • On a représenté sur la figure 9 un moyen permettant d'obtenir un mouvement mixte de rotation et de translation par action sans contact d'une rampe magnétique elliptique 94a.
  • Un piston 80, placé à l'intérieur d'un cylindre 90, est entraîné en rotation par un moteur asynchrone synchronisé comportant les bobines 91 qui créent un champ radial tournant, une cage d'écureuil 81 qui assure la rotation asynchrone, notamment au démarrage, et un aimant 82 qui assure la rotation synchrone du piston 80.
  • Le mouvement de rotation ainsi produit entraîne l'aimant 83 solidaire du piston 80 devant la rampe magnétique 94 qui produit une attraction de l'aimant 83. La rampe aimantée présente une géométrie elliptique inclinée sur la direction axiale longitudinale du piston 80. Elle produit une force axiale qui tend à maintenir l'aimant 83 dans le champ maximum de la rampe elliptique 94. On obtient ainsi un mouvement detranslation alternative schématisé par la flèche 85, dont on peut contrôler les extrémités en fin de course par les couronnes aimantées 93 et 94 qui travaillent en répulsion sur l'aimant 82 et jouent le rôle de ressorts.
  • Dans l'exemple de la figure 9 comportant une couronne 94 elliptique, les mouvements combinés de rotation et de translation du piston 80 s'effectuent à la même fréquence. En d'autres termes, le piston 80 effectue une course alternative aller et retour en même temps qu'il effectue un tour complet en rotation autour de son axe longitudinal.
  • On peut aussi utiliser une couronne de forme adaptée permettant de contrôler en tous points les accélérations communiquées au mouvement de translation pour obtenir un mouvement sinusoïdal plus ou moins déformé selon les besoins.
  • On a représenté sur la figure 10 trois formes de réalisation différentes de la rampe aimantée 94. La rampe 94a a déjà été décrite précédemment. On l'a représentée de nouveau seulement à titre de rappel afin de permettre une comparaison avec les formes 94b et 94c. La rampe aimantée 94b comporte deux spires hélicoïdales de pas contraires pour obtenir une fréquence de rotation du piston 80 double de sa fréquence de translation. Il va de soi que l'on pourrait également utiliser plusieurs spires hélicoïdales de pas contraires pour obtenir une fréquence de rotation multiple de la fréquence de translation.
  • Inversement, on a représenté sur la figure 10c une rampe aimantée 94c présentant deux ondulations par tour, ce qui permet de créer une translation de fréquence double de la fréquence de rotation du piston 80. Bien entendu, on pourrait prévoir trois, quatre ou davantage d'ondulations par tour afin de créer une translation de fréquence triple, quadruple, multiple, de la fréquence de rotation.
  • On a représenté sur la figure 8 un exemple de réalisation complet d'un réfrigérateur conforme à l'invention fonctionnant suivant un cycle de Vuilleumier. Le réfrigérateur se compose de deux ensembles, à savoir un compresseur thermique désigné par la référence 100 et un détendeur, aussi appelé doigt froid dans la suite du texte et désigné par la référence 200.
  • Le compresseur thermique 100 comporte un piston 104 coulissant à l'intérieur d'un cylindre 102, de diamètre 55 mm et de longueur 300 mm, renfermant de l'hélium gazeux dont la pression peut évoluer entre 5 et 10 bars environ. Le piston 104 détermine une chambre chaude 106 et une chambre froide 108 à chacune des extrémités opposées du piston 104. Un palier 104a est prévu à l'extrémité chaude du piston, tandis qu'un palier froid 104b est prévu à l'extrémité froide de ce piston. Dans l'exemple de réalisation décrit, les paliers 104a et 104b sont des paliers à gaz de type tournant tels que par exemple ceux des figures 3 et 4 de la demande. Ils sont constitués de deux bagues d'alumine présentant un jeu radial de 20 microns.
  • En outre, deux lignes de suspension L1 et L2 constituées d'une série d'aimants permanents disposés le long d'une génératrice supérieure du cylindre 102, coopérant avec des aimants permanents 114, 114 permettent d'équilibrer le poids P du piston 104. On a utilisé dans cet exemple deux lignes L1 et L2, mais on pourrait également utiliser une seule ligne, à condition que celle-ci soit disposée symétriquement par rapport au centre de gravité du piston et soit au moins aussi longue que la course C du piston.
  • Comme on l'a décrit précédemment, il est nécessaire de prévoir des moyens pour entraîner en rotation le piston 104 par rapport au cylindre 102 de manière à constituer au moins un coin de fluide de cycle permettant de réaliser une sustentation du piston 104 complémentaire de l'équilibrage du poids. Dans l'exemple de la figure 8, la piston 104 est entraîné en rotation à une vitesse de 5 tours par seconde par un moteur pas à pas tel que par exemple celui de la figure 6, constitué de deux bobines, dont une seule, la bobine 150, a été représentée sur la figure 8 et d'une pluralité d'aimants 154 répartis selon une circonférence du piston 104.
  • On a également prévu des moyens permettant d'obtenir une translation alternative de 20 mm du piston 104. Ces moyens sont constitués dans l'exemple choisi par un moteur linéaire de type pas à pas constitué d'une part d'une série d'aimants permanents 156 répartis selon une circonférence du piston 104 et d'autre part de bobines 158 disposées en regard des aimants 156. Le principe de fonctionnement du moteur linéaire pas à pas est identique à celui du moteur tournant et ne sera par conséquent pas décrit en détail.
  • L'alimentation en courant électrique des bobines du moteur linéaire est commandée par un dispositif d'asservissement 157 qui reçoit des indications d'un détecteur de position 159 qui permet de détecter la position du piston 104 relativement au cylindre 102.
  • Par ailleurs, le compresseur thermique 100 comporte plusieurs couches d'isolant 170 entourant son extrémité chaude et une résistance électrique de chauffage 172 permettant de maintenir cette extrémité chaude à une température de l'ordre de 1000 K. D'autres moyens tels qu'un chauffage solaire ou nucléaire pourraient convenir.
  • Inversement, la chambre froide 108 est refroidie par un circuit de refroidissement 174 qui permet de maintenir sa température à 300 K environ. Les chambres 106 et 108 sont reliées par l'intermédiaire d'une canalisation 176 sur laquelle un régénérateur thermique 178 connu en lui-même, est intercalé.
  • La partie chaude du cylindre est enfermée dans une chambre 180 constituant une enceinte à vide dans laquelle règne un vide poussé de manière à éviter les déperditions de chaleur vers l'extérieur.
  • Le réfrigérateur représenté sur la figure 8 comprend d'autre part un doigt froid désigné par la référence générale 200. La constitution du doigt froid 200 est identique pour l'essentiel à celle du compresseur thermique 100. Il comporte deux paliers d'équilibrage à aimant permanent permettant d'équilibrer le poids du piston 204. Ces pliers ont été désignés par la référence 214. Il comprend d'autre part un moteur pas à pas 250, 254 pour l'entraînement en rotation du piston 204 et un moteur pas à pas 256, 258 pour l'entraînement en translation alternative de ce même piston (course 10 mm). Comme décrit précédemment, un dispositif d'asservissement 257 qui reçoit des informations d'un détecteur de position connu en lui-même 259 commande l'alimentation en courant électrique des bobines 258 du moteur pas à pas linéaire. En outre, le piston 204 comporte un palier froid 204a situé à droite sur la figure et un palier chaud 204b situé à gauche sur la figure. La réalisation de ces paliers est identique à ce qui a déjà été décrit. Il convient toutefois de noter une particularité du piston 204 qui est étagé de manière à déterminer non pas une seule chambre mais deux chambres 206a et 206b. Sa longueur est de 200 mm et son diamètre de 40 mm entre la chambre 208 à 300 K et la chambre 206b à 150 K. Sa longueur est de 100 mm et son diamètre de 15 mm entre la chambre 206b et la chambre 206a à 50 K. Ainsi le réfrigérateur permet d'extraire de la chaleur à deux températures différentes, 1 watt à 50 K dans la chambre 206a et 3 watts à 150 K dans la chambre 206b.
  • En outre, la réalisation des régénérateurs thermiques est différente. Alors que, dans le cas du compresseur thermique 100, le régénérateurther- mique 178 était séparé physiquement de l'enceinte déterminée par le cylindre 102, dans le cas du doigt froid 200, les régénérateurs thermiques 178a et 178b sont constitués par un matériau de garnissage garnissant le fond de gorges circulaires prévues dans la paroi du cylindre 202.
  • Enfin, l'ensemble du doigt froid est enfermé à l'intérieur d'une enceinte 280 à l'intérieur de laquelle règne un vide poussé afin de limiter au maximum les apports de chaleur venant de l'extérieur.
  • D'autres modes de réalisation pourraient être imaginés sans sortir du cadre de l'invention. On pourrait prévoir, pour chacune des parties, à savoir pour le compresseur thermique 100 et pour le doigt froid 200, deux pistons fonctionnant en opposition de phase pour rendre les vibrations aussi faibles que possible. On pourrait prévoir des valeurs différentes de température et de puissance aux différents étages ainsi que des moyens de mise en mouvement de translation ou de rotation différents, électriques on pneumatiques. Les paliers à gaz pourraient être conçus ou disposés différemment et les éléments pourraient être disposés différemment les uns par rapport aux autres. Le chauffage de la chambre 106 pourrait être obtenu par chauffage solaire ou nucléaire.
  • Le réfrigérateur qui vient d'être décrit s'applique de préférence au refroidissement d'échantillons à étudier dans des expériences de physique ou pour permettre ou améliorer le fonctionnement des matériaux supraconducteurs ou des détecteurs de rayonnement.

Claims (15)

1. Réfrigérateur fonctionnant suivant un cycle de Vuilleumier, caractérisé en ce qu'il utilise au moins un palier à gaz (104a, 104b, 204a, 204b) pour la suspension d'au moins un piston (4, 104, 204) et un moyen de mise en rotation dudit piston (40, 50, 52, 62, 94).
2. Réfrigérateur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte:
un premier cylindre (102) ayant une extrémité chaude et une extrémité à température intermédiaire, un piston déplaceur (104) coulissant dans ledit premier cylindre entre une première et une seconde positions pour comprimer et détendre une quantité de gaz contenue dans ledit premier cylindre (102), un conduit sur lequel un régénérateur thermique reliant l'extrémité à haute température et l'extrémité à température intermédiaire du premier cylindre est intercalé;
un second cylindre (202) ayant une extrémité à température intermédiaire et une extrémité froide, un second piston déplaceur (204) coulissant dans ledit second cylindre (202) entre une première et une seconde positions pour comprimer et détendre une quantité de gaz contenue dans ledit second cylindre;
une canalisation reliant l'extrémité à température intermédiaire du premier cylindre et l'extrémité à température intermédiaire du second cylindre;
des moyens pour déplacer ledit premier cylindre (102) et ledit second cylindre (202) en relation de phase;
un palier à gaz (104a) à l'extrémité chaude du premier piston (104) et un palier à gaz (104b) à l'extrémité à température intermédiaire du premier piston;
un palier à gaz (204b) à l'extrémité à température intermédiaire dudit second piston (204) et un palier à gaz (204a) à l'extrémité froide dudit second piston.
3. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte deux pistons fonctionnant en opposition de phase de manière à rendre les vibrations aussi faibles que possible.
4. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que: au moins une série d'aimants (L1, L2) est disposée le long de la génératrice supérieure du premier cylindre (2, 102), cette série d'aimants (L1, L2) présentant une longueur supérieure à la distance (c) entre ladite première et ladite seconde positions du premier piston (4,104), un aimant permanent (14) étant monté sur le premier cylindre (2, 102) en regard de chacune desdites séries d'aimants (L1, L2); et en ce qu'au moins une série d'aimants (L1, L2) est disposée le long de la génératrice supérieure du second cylindre (2, 202), cette série d'aimants présentant une longueur supérieure à la distance entre ladite première et ladite seconde positions dudit second piston (4, 204) du second cylindre, un aimant (14, 214) étant monté sur le second cylindre (202) en regard de chacune desdites séries d'aimants dudit second cylindre.
5. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce le moyen de mise en rotation comporte des moyens pour entraîner en rotation l'un au moins desdits premier et second pistons déplaceurs (4,104, 204), la rotation de ce piston provoquant l'apparition d'un coin de gaz qui se forme entre la paroi périphérique extérieure du piston (4, 104, 204) et la paroi interne (34) du cylindre (2, 102, 202), ce coin de gaz constituant un palier à gaz (figure 3).
6. Réfrigérateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que le piston (4) comporte une pluralité de surfaces (32) présentant une inclinaison par rapport à la surface périphérique intérieure (34) du cylindre (figure 4a).
7. Réfrigérateur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la paroi interne du cylindre (2) comporte une pluralité de surfaces présentant une inclinaison par rapport à la surface extérieure du piston (4) (figure 4b).
8. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens pour entraîner ledit piston (4) en rotation sont constitués par trois bobines (40) disposées sur le cylindre à 120° l'une de l'autre et reliées chacune à une phase d'un courant électrique triphasé pour constituer un moteur à champ tournant (42) et par un aimant (44) monté sur ledit piston (4), le champ tournant (42) entraînant l'aimant (44) en rotation synchrone, ou par un matériau ferromagnétique monté sur ledit piston (4), le champ tournant entraînant le piston (4) en rotation.
9. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens pour entraîner ledit piston (4) en rotation sont constitués par un moteur pas à pas (figure 6).
10. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, caractérisé en ce que les moyens pour entraîner ledit piston (4) en rotation sont constitués par au moins une gorge (60) déterminant une chambre circulaire, et par une gorge hélicoïdale (62) reliant la gorge (60) à une des chambres (6, 8), un clapet (64, 66) interdisant la circulation directe du fluide de cycle de la chambre (6, 8) vers la gorge (60) pendant la phase de compression de ce fluide, lequel transite alors par un canal de dérivation (68) (figures 7a, 7b).
11. Réfrigérateur selon la revendication 8, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour entraîner le piston (80) en translation alternative qui sont constitués par un aimant (83) monté sur le piston (80) et par une rampe magnétique (94a, 94b, 94c) fermée sur elle-même, placée autour dudit piston (80), et présentant une inclinaison par rapport à la direction longitudinale axiale du piston (80), ledit aimant (83) suivant la rampe magnétique (94a, 94b, 94c) de manière à imprimer un mouvement de translation alternatif au piston (80).
12. Réfrigérateur selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte deux couronnes aimantées (92, 93) placées respectivement à chacune des extrémités de la course alternative de translation de l'aimant (82) monté sur le piston (80).
13. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que la rampe magnétique (93a) présente la forme d'une couronne elliptique inclinée sur l'axe longitudinal du piston (80).
14. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que la rampe magnétique (94b) présente la forme d'une spirale multiple de pas contraires.
15. Réfrigérateur selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce que la rampe magnétique (94c) présente une forme à plusieurs ondulations par tour.
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