EP0778452A1

EP0778452A1 - Refroidisseur stirling à pilotage rotatif

Info

Publication number: EP0778452A1
Application number: EP96402620A
Authority: EP
Inventors: Patrick THOMSON-CSF SCPI Curlier
Original assignee: Cryotechnologies SA
Current assignee: Cryotechnologies SA
Priority date: 1995-12-08
Filing date: 1996-12-04
Publication date: 1997-06-11
Also published as: FR2742215A1; FR2742215B1

Abstract

Dans un refroidisseur à cycle de Stirling comportant des moyens à pilotage rotatif d'entraînement en translation déphasée pour un piston de compression (3) limitant une chambre de compression (23) et un piston déplaceur (5) limitant une chambre de détente (13) et constituant échangeur régénérateur sur un circuit de circulation d'un fluide thermodynamique en circuit fermé entre lesdites chambres, lesdits moyens d'entraînement comportent un élément (35) de liaison mécanique des deux pistons l'un à l'autre qui est guidé linéairement autour d'un excentrique (4) monté décentré sur un arbre moteur rotatif (6), en une partie médiane (71) intermédiaire entre deux branches latérales (72,73) terminées par des extrémités (74,75) d'attache sur chacun desdits pistons (3,5) respectivement. <IMAGE>

Description

La présente invention a pour objet un refroidisseur à cycle de Stirling du type comportant des moyens à pilotage rotatif d'entraînement en translation déphasée pour un piston de compression limitant une chambre de compression et un piston déplaceur limitant une chambre de détente et constituant échangeur régénérateur sur un circuit de circulation d'un fluide thermodynamique en circuit fermé entre lesdites chambres.
Pour refroidir des composants électroniques qui doivent être maintenus dans des conditions cryostatiques, on utilise de plus en plus des refroidisseurs qui mettent en oeuvre un cycle thermodynamique réversible dit de Stirling, consistant à soumettre un fluide de travail thermodynamique à une phase de compression à température chaude et une phase de détente à température froide, séparées par deux phases intermédiaires où, théoriquement à volume constant, le fluide traverse un matériau régénérateur qui capte l'énergie frigorifique propre du fluide froid quittant la phase de détente pour la restituer au fluide chaud à son retour de la phase de compression vers la phase de détente.
Pour fonctionner suivant ce principe du cycle Stirling, des refroidisseurs cryogéniques connus comportent un circuit fermé de fluide thermodynamique, généralement un gaz à haute pureté tel que l'hélium, entre une chambre de compression à température chaude dont le volume est variable sous la commande d'un oscillateur de pression, et une chambre de détente à température froide délivrant au composant à refroidir la puissance frigorifique libérée par la détente du fluide thermodynamique. Entre ces deux chambres, tant en sens aller qu'en sens retour, le circuit est au moins partiellement constitué par un régénérateur qui est réalisé sous la forme d'un tube allongé contenant le matériau régénérateur.
Comme dans la pratique, ce régénérateur est en général lui-même mobile en limite du volume de la chambre de détente, la notion de son déplacement prend souvent le pas sur sa fonction de régénérateur dans la terminologie, ce qui conduit à le désigner par les termes de tube ou piston déplaceur, ou échangeur déplaceur. Il n'en conserve pas moins sa fonction première d'être traversé par le fluide en cours de réchauffage ou de refroidissement, en théorie hors détente et hors compression, par le fait que ses déplacements sont déphasés par rapport aux modifications de volume de la chambre chaude de l'oscillateur de pression. Néanmoins, il joue également un rôle important dans la régulation du cycle thermodynamique par la perte de charge qu'il implique.
Parmi ces refroidisseurs, la présente invention apporte perfectionnement à ceux qui, de manière plus précise, se concrétisent en des systèmes monoblocs, où des moyens moteurs de type rotatif qui servent à entraîner en translation un piston de compression limitant la chambre à température chaude dans l'oscillateur de pression, assurent également le pilotage des déplacements du régénérateur, en translation dans un puits cryostatique terminé par la chambre de détente à température froide d'où les frigories produites sont transmises à l'élément à refroidir.
Par ses caractéristiques, telles qu'elles seront décrites et revendiquées ci-après, l'invention vise notamment à diminuer les coûts de fabrication et à améliorer les conditions de fonctionnement de tels refroidisseurs à cycle de Stirling et à pilotage rotatif commun au piston de compression et au piston déplaceur régénérateur. Dans ses formes de mise en oeuvre préférées, elle permet en particulier d'augmenter la sécurité et la durée de vie en fonctionnement, notamment en réduisant le nombre des liaisons mécaniques à articulation fragile, de limiter les risques de contamination du fluide thermodynamique et d'encrassement du circuit qu'il emprunte, de faciliter la synchronisation et le décalage dans le temps des quatre phases thermodynamiques du cycle.
Principalement, alors que dans les réalisations connues de ce type, on ne sait faire autrement que de transmettre le mouvement d'un arbre moteur rotatif, en le transformant en mouvement rectiligne d'entraînement des pistons, par l'intermédiaire d'un vilebrequin impliquant un excentrique monté sur l'arbre moteur et deux bielles articulées sur l'excentrique en des positions décalées angulairement, généralement de 90 degrés, et respectivement articulées sur chacun des pistons, l'invention prévoit de remplacer les deux bielles par un élément linéaire de transmission mécanique unique qui suit les mouvements de l'excentrique et relie les deux pistons l'un à l'autre. Cet élément a en outre l'intérêt de pouvoir, en combinaison, jouer le rôle du conduit de liaison pneumatique pour la circulation du fluide thermodynamique.
L'invention a donc essentiellement pour objet un refroidisseur à cycle Stirling du type comportant des moyens à pilotage rotatif d'entraînement en translation déphasée pour un piston de compression limitant une chambre de compression et un piston déplaceur limitant une chambre de détente et constituant échangeur régénérateur sur un circuit de circulation d'un fluide thermodynamique en circuit fermé entre lesdites chambres, dans lequel les moyens d'entraînement comportent un élément de liaison mécanique des deux pistons l'un à l'autre qui est guidé linéairement autour d'un mécanisme à excentrique monté décentré sur un arbre moteur rotatif, en une partie médiane intermédiaire entre deux entre deux branches latérales terminées par des points d'attache sur chacun desdits pistons respectivement.
Suivant une caractéristique secondaire de l'invention, cet élément est un tube flexible non compressible constituant également un conduit de circulation du fluide de travail thermodynamique entre la chambre de compression et une extrémité d'entrée dans le tube déplaceur opposée à un bout froid limitant la chambre de détente. Ledit élément combine alors les fonctions de liaison mécanique et de liaison pneumatique.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, un tel élément est structuré et configuré de telle manière qu'il remplisse une fonction de ressort qui se combine avantageusement avec sa fonction de liaison mécanique, et de préférence aussi sa fonction de liaison pneumatique.
La suite de la présente description fera ressortir d'autres caractéristiques de l'invention, en ce qui concerne en particulier la réalisation d'un mécanisme de transmission de mouvement à excentrique entre un arbre rotatif et les deux pistons et le respect des quatre phases de fonctionnement pratique en cycle de Stirling.
On y verra notamment que ce mécanisme comporte avantageusement une cage semi-circulaire de maintien et guidage qui est montée sur un excentrique de vilebrequin présentant une gorge dans laquelle est engagé l'élément de liaison de piston à piston, et qu'une telle cage est avantageusement de forme semi-circulaire, pour ne serrer ledit élément dans sa gorge de réception que sur une partie du pourtour de l'excentrique, là où il n'a pas à jouer de flexibilité au cours du cycle de fonctionnement et où il est souhaitable qu'un point central de sa partie médiane soit coincé en position fixe sur l'excentrique.
On y verra également que l'élément de liaison mécanique entre les deux pistons, préférentiellement réalisé sous la forme d'un tube conducteur du fluide de travail thermodynamique, est avantageusement prétendu par une configuration naturelle ouverte de sa partie médiane avant montage sur l'excentrique, et que l'on parvient ainsi à limiter les contraintes mécaniques engendrées par le pilotage rotatif des pistons, et en particulier, à équilibrer les efforts radiaux imposés par le piston de compression sur sa chemise dans son déplacement dynamique et à réduire ainsi notablement les effets d'usure sélective sur les parois de la chemise du piston compresseur.
En outre, sa fonction de ressort implique de préférence deux courbures qu'il forme en ses branches latérales, chacune avec une concavité de sens inverse à celle de sa partie médiane autour de l'excentrique, de façon à maintenir chaque branche en alignement axial avec le piston correspondant au voisinage du point d'attache.
La suite de la présente description, exposée à titre non limitatif, concerne une forme particulière de réalisation concrète de l'invention, néanmoins préférée. Elle est illustrée par les figures des dessins ci-annexés, dans lesquelles :

la figure 1 représente un refroidisseur à cycle de Stirling conforme à l'invention, dans une vue en coupe transversale ;
la figure 2 représente le même refroidisseur en ses organes mécaniques dans une vue en coupe longitudinale partielle ;
la figure 3 montre les organes du mécanisme d'entraînement des pistons en figuration cavalière ;
la figure 4 illustre la configuration que présente le tube de liaison mécanique et pneumatique entre pistons au repos afin de jouer également le rôle de ressort ;
et les figures 5a à 5d illustrent schématiquement la cinématique des déformations suivies par ce tube, en commande du déplacement des pistons par le mécanisme à excentrique, au cours des quatre phases du cycle thermodynamique.

Il est à noter que sur ces dessins, l'échelle n'a pas toujours été parfaitement respectée, dans le seul souci de faciliter leur compréhension, et que par contre, on a cherché à conserver les mêmes références pour les mêmes éléments d'une figure à l'autre.
Comme on l'a déjà indiqué, on connaît déjà des refroidisseurs du type à pilotage rotatif suivant un cycle thermodynamique de Stirling. Ils sont de préférence réalisés sous forme miniature et monobloc pour être utilisés pour le refroidissement cryogénique de composants électroniques, encore qu'ils puissent également servir dans d'autres domaines, comme tous ceux qui impliquent des supraconducteurs devant être maintenus à température cryogénique.
Dans l'industrie de l'optoélectronique en particulier, ils sont utiles pour refroidir par exemple un détecteur infrarouge ou tout autre capteur dont la température froide de fonctionnement est située entre 80 °K et 200 °K. Ils y sont particulièrement appréciés pour leur haut rendement sous des constructions de faible masse, adaptées à une utilisation dans des systèmes portatifs. Par contre, ils pèchent par leur prix quand leur qualité de rendement perd de l'intérêt, ce qui est le cas notamment des applications qui se contentent d'une température de travail dans la gamme des températures froides dites intermédiaires, autour de 120-150 °K.
Une forme de réalisation connue de refroidisseur Stirling miniature monobloc à moteur rotatif et sonde froide intégrée est notamment décrite dans la publication française intitulée "Techniques de l'Ingénieur, Traité Électronique" par Damien FEGER, aux pages numérotées E4070 n° 1 à 11. Dans cette publication, le concept d'un refroidisseur Stirling rotatif à bas coût est notamment représenté sur la figure 14, où l'on voit clairement un vilebrequin qui entraîne le piston de compression et le piston déplaceur poreux, ou régénérateur, au moyen de deux biellettes rigides et indépendantes, articulées en leurs deux extrémités, qui sont disposées à 90 degrés d'angle l'une de l'autre.
Conformément à la présente invention, le refroidisseur ici décrit diffère essentiellement du précédent par le fait que l'entraînement mécanique du piston de compression, ainsi que l'entraînement mécanique du piston déplaceur poreux, sont réalisés au moyen d'un seul et unique élément de liaison, linéairement disposé entre le piston de compression et l'entrée du piston déplaceur, tout en étant entraîné par l'intermédiaire d'un mécanisme à excentrique analogue à un vilebrequin. En s'affranchissant ainsi du système d'embiellage, on réalise déjà une économie importante en fabrication et coût d'entretien.
Conformément à la réalisation décrite, la liaison mécanique est combinée avec la liaison pneumatique nécessaire à la circulation du fluide de travail. En effet l'élément linéaire est un tube flexible et non extensible, mais aussi non compressible, qui conduit le fluide thermodynamique entre la chambre de compression limitée par le piston de compression et l'entrée du piston déplaceur en matériau régénérateur qu'il traverse entre cette entrée et le bout froid de ce piston limitant la chambre de détente. Il n'est donc plus nécessaire de procéder à des perçages dans le carter du refroidisseur pour faire communiquer la chambre de compression avec l'entrée du piston déplaceur, perçage que l'on voit bien sur le refroidisseur de l'art antérieur montré par la figure 14 mentionnée ci-dessus.
De plus, et au mieux en donnant à la liaison linéaire une forme et une raideur choisies de manière qu'elle se comporte comme un ressort ayant une fatigue infinie, on assure que la durée de vie du dispositif soit améliorée par rapport aux dispositifs connus, en évitant notamment que les déplacements du piston déplaceur conduisent à une usure prématurée de son tube guide sur une génératrice préférentielle, du fait des efforts radiaux qui s'exercent toujours en direction opposée au piston de compression.
Sur la figure 1 des dessins ici annexés, on reconnaît des éléments connus pour eux-mêmes des refroidisseurs Stirling à pilotage rotatifs existants, à savoir un carter 2, enfermant un oscillateur de pression qui assure la compression du fluide thermodynamique à chaque cycle de fonctionnement par un piston de compression 3, un piston déplaceur 5 de forme allongée, mobile en translation dans un tube guide 55 extérieur à l'oscillateur de pression, et un mécanisme de vilebrequin dont l'excentrique 4 est monté rotatif, mais en position décentrée, sur un arbre moteur 6, centré lui sur l'axe du volume cylindrique interne du carter 2.
Par l'intermédiaire de ce mécanisme, l'arbre 6 sert tant à entraîner en translation le piston de compression 3 qu'à contrôler les déplacements en translation du piston déplaceur 5. Les deux pistons 3 et 5 sont mobiles suivant des directions radiales du volume cylindrique interne du carter 2, mais décalées angulairement l'une de l'autre de 90 degrés, afin d'assurer le déphasage souhaité entre les étapes du cycle thermodynamique.
L'oscillateur de pression est pourvu d'oreilles 22 en périphérie du carter 2, qui sont destinées au montage du refroidisseur par fixation sur un support (non représenté).
Le piston de compression 3 limite une chambre de compression 23 du fluide thermodynamique en fond d'une chemise fixe 26 de guidage du piston constituant à la fois la culasse 29 du compresseur et bouchon de fermeture pour un piquage radial 24 du carter 2.
Le piston déplaceur 5 s'étend entre une extrémité d'entrée 51 située en zone chaude du côté de l'oscillateur de pression et un bout froid 53 situé à l'extrémité opposée, où est ménagée une chambre de détente 13.
En cette extrémité radialement éloignée de l'oscillateur de pression, son tube guide 55 se termine par une plaque froide 52 de montage d'un composant à refroidir 54, apposé contre le bout froid de sorte à recevoir au mieux, par conduction thermique, la puissance frigorifique produite par la détente du fluide de travail.
A l'extrémité d'entrée, on voit sur la figure 1 que le piston déplaceur est maintenu coulissant dans un piquage radial 25 du carter 2, équipé intérieurement d'une bague fixe 27. Avec celle-ci coopère en coulissement une pièce d'interface concentrique 78, qui termine le corps du piston au-delà de son tube guide 55, solidarisé en liaison étanche avec le carter 2, et qui entoure un canal de passage du fluide 58, ménagé suivant son axe.
D'une manière en soi classique, le piston déplaceur 5 et son tube guide 55 constituent ensemble ce que l'on appelle couramment un doigt froid, et ce piston joue le rôle de régénérateur thermique, étant rempli d'un matériau poreux convenablement choisi à cet effet, généralement constitué d'un empilage de grilles métalliques à l'intérieur d'un tube isolant thermique. Le composant à refroidir 54 est, par exemple, un détecteur infrarouge. Un espace est maintenu entre la plaque froide qui le supporte et le bout du doigt froid, afin d'éviter la transmission de vibrations.
Le doigt froid est complètement entouré par une enveloppe d'isolation thermique 59, à double paroi sous vide, qui n'est qu'évoquée sur la figure. Il est raccordé, généralement par soudage ou collage, au piquage radial 25 au niveau de sa zone chaude 51. On obtient ainsi la réalisation monobloc du refroidisseur préconisée par l'invention et conforme au concept de sonde froide intégrée, le doigt froid représentant un puits de cryostat.
Pour la position des éléments mobiles montrée sur la figure 1, la chambre de détente 13 est réduite à son volume minimal, l'extrémité froide du piston déplaceur 5 étant en bout de course vers le composant à refroidir au fond du tube guide 55. Le piston de compression 3 est au contraire éloigné de la culasse 29 au fond de sa chemise 26 au niveau de la chambre de compression 23. La position est celle de la phase de fonctionnement décrite plus loin en référence à la figure 5d.
Conformément à l'invention, l'entraînement du piston de compression 3 et du piston déplaceur poreux 5 à partir du mouvement de l'excentrique de vilebrequin 4 s'effectue au moyen d'un élément de liaison 35 qui, dans le cas présent, est plus particulièrement un tube de liaison 35 pour assurer à la fois la liaison mécanique et la liaison pneumatique entre les deux pistons.
Ce tube de liaison 35 est fixé à chaque extrémité, par brasure ou soudure entre pièces métalliques, d'une part avec le piston de compression 3 et d'autre part avec le piston déplaceur poreux 5, plus exactement avec le canal 58 qui admet la modulation de pression dans le matériau régénérateur poreux contenu dans le piston déplaceur, et là par l'intermédiaire d'un soufflet miniature à faible raideur 69.
Le tube de liaison 35 est de section circulaire ou ovoïde qui reste constante, sur une longueur non extensible, tandis qu'il présente la flexibilité nécessaire pour se déformer à chaque tour de rotation de l'axe de l'excentrique 4, en fléchissant élastiquement entre l'excentrique et chacune de ses extrémités 74, 75 terminées par ses points d'attache sur les deux pistons.
Chacune des fixations en ces points d'attache est préférentiellement exécutée le plus loin possible de l'axe du vilebrequin, afin de réduire les efforts radiaux des pistons sur leurs chemises et d'allonger la durée de vie de l'étanchéité au coulissement. Ainsi, du côté de la chambre de compression, le piston 3 est creux et le tube 35 est fixé sur lui (en 77, figure 1) du côté de la chambre de compression 23, en affleurement de son chapeau et au-delà d'un espace annulaire vide 33 interne au piston. Cette conception fournit l'équivalent d'une grande longueur de bielle sans gêner les débattements latéraux.
La figure 2 étant en coupe suivant un plan diamétral de l'oscillateur de pression, elle montre un carter 11 en prolongement du carter 2 qui enferme le moteur électrique 10 d'entraînement de l'arbre 6 du refroidisseur, avec son stator 12 et son rotor 14. L'arbre de vilebrequin 6, constitué par l'axe du rotor, est monté rotatif sur roulements à billes et il est muni d'un volant d'inertie 15 qui permet d'optimiser la forme du couple mécanique demandé par le refroidisseur et de réduire ainsi la consommation électrique.
A travers la paroi de fond du carter 11, on voit un queusot métallique 16 qui témoigne du chargement du refroidisseur en gaz de travail effectué par là. Les traversées électriques étanches nécessaires à l'alimentation électrique du moteur sont situées au même endroit, mais elles n'ont pas été représentées.
Le carter moteur 11 est solidaire du carter 2 par une liaison entre leurs parois respectives qui est étanche au gaz de travail remplissant le volume interne. le bobinage électrique du stator est donc isolé par une résine organique à faible dégazage d'impuretés qui viendraient polluer le gaz de travail.
La constitution du mécanisme de vilebrequin ressort des figures 1,2 et 3.
L'excentrique 4 est disposé en porte à faux en bout de l'arbre 6, sur un axe 61, qui est en pratique de section réduite comme sur la figure 2 et 3. Le corps de l'excentrique 4 est fait d'une bague annulaire 42 dans laquelle est engagée à force la cage extérieure d'un système de roulement à billes miniature 62 monté glissant sur l'axe 61 par sa cage intérieure. L'emploi d'une paire de roulements montés jumelés comme illustré permet de réduire le couple de roulement. Le roulement à billes 17 supportant l'arbre 6 sur le carter moteur 6 de ce côté est dédoublé de la même manière.
En ce qui concerne l'excentrique, la bague 42 est entamée d'une gorge circulaire 43 dans laquelle se loge le tube de liaison 35. Ce dernier y est partiellement enfermé et maintenu au moyen d'une cage 44 qui forme une bague semi-ciculaire autour de la bague 42, de telle sorte qu'elle délimite avec elle un diamètre de gorge correspondant précisément à celui du tube 35 au voisinage d'un point central 63 de la cage 44. Toutefois, en s'écartant de ce point central, on remarque sur la figure 1 que la cage 44 présente intérieurement un pourtour évasé vers les bords de sa forme semi-circulaire, telle 45, ce qui a pour conséquence qu'elle y laisse le tube 35 plus libre de se déformer au cours de son entraînement par le mécanisme de vilebrequin.
Les figures 5a à 5d montrent clairement comment le mouvement moteur est transmis par le vilebrequin et le tube 35 aux pistons 3 et 5 de manière à assurer les quatre phases d'un cycle de Stirling, tandis que la figure 4 représente la configuration que présente le tube 35 au naturel, avant son montage autour de l'excentrique et sa fixation sur les pistons. La forme géométrique choisie est particulièrement bien adaptée pour que le tube 35 assure l'effet de ressort recherché suivant l'invention.
Il convient de souligner à ce sujet que le déroulement des quatre phases essentielles du cycle en faisant appel au tube ressort de transmission de mouvement suivant l'invention, est étroitement lié au fonctionnement du doigt froid. En raison de la présence dans celui-ci d'un régénérateur obligatoirement traversé par le fluide thermodynamique, tant en sens aller de chambre de compression à chambre de détente qu'en sens retour, lequel régénérateur est constitué par un tube poreux allongé, le fluide y subit nécessairement des pertes de charge importantes qui se traduisent en faveur de l'entretien de son mouvement déphasé. En d'autres termes, l'énergie de fonctionnement à apporter de l'extérieur l'est essentiellement pour déplacer le piston de compression, tant en traction qu'en poussée, d'où d'ailleurs la section nettement plus large de ce piston.
Tel qu'il est décrit ici, le tube 35 se décompose en trois parties dans sa configuration linéaire. On distingue sur les figures, et notamment sur la figure 4, une partie médiane 71, qui forme un arc de cercle destiné à s'adapter sur l'excentrique de part et d'autre du point central fixe déjà mentionné. Cette partie médiane est intermédiaire entre deux branches latérales 72 et 73, dont chacune se termine en une extrémité rectiligne 74 ou 75 vers le point d'attache au piston correspondant.
Le tube ressort 35 est monté prétendu sur l'excentrique 4 à partir d'une courbure naturelle de sa partie médiane 71 dont l'ouverture angulaire est supérieure à celle de l'excentrique, donc moins concave que celle de la cage 44 qui la maintient dans la gorge de ce dernier, comme il apparaît sur la figure 4. C'est ainsi que l'on assure, au cours du fonctionnement, un effet de prétension qui tend à ouvrir l'angle de 90 degrés entre les axes des pistons, et qui contribue à maintenir le tube 35 dans l'alignement des axes des pistons au voisinage des points d'attache respectifs, grâce à une contrainte de flexibilité initiale qui se trouve équilibrée en dynamique. L'intérêt de cette disposition est particulièrement sensible dans le cas du piston compresseur, car elle se traduit par une réduction considérable de l'usure sélective sur une génératrice préférentielle de sa chemise que l'on déplore dans les refroidisseurs conçus précédemment.
Dans le même souci, il est prévu que la partie médiane 71 s'étende sur une longueur qui correspond sensiblement à celle d'un demi-cercle en pourtour de l'excentrique, et que les deux branches latérales 72 et 73 qui sont faites pour s'éloigner de celui-ci jusqu'aux pistons aux extrémités du tube 35, forment elles-mêmes des bosses convexes, en courbes dont la concavité est tournée en sens inverse de celle de la partie médiane 71, avant de rejoindre la forme rectiligne qu'elles présentent en leurs extrémités 74, 75, au voisinage immédiat des points d'attache à leurs pistons respectifs.
Grâce à une telle configuration, et suivant des règles qui sont parfaitement à la portée des métallurgistes pour traduire en termes de fabrication les exigences posées ici, on obtient qu'en fonctionnement, une fois qu'il est lié à l'excentrique, le tube 35 se comporte en pratique comme un élément de liaison mécanique linéaire présentant les propriétés d'un ressort à forte raideur et que ses déformations suivent au mieux celles qui correspondent à une translation linéaire des pistons.
Ces dispositions se conjuguent dans leurs effets avec le choix d'un soufflet 69 à faible raideur, dont le rôle essentiel est d'absorber par sa souplesse les écarts latéraux par rapport à un alignement axial de la branche latérale correspondante 73 du tube 35 au voisinage immédiat de son point d'attache avec le piston déplaceur, et non de permettre une extension ou rétraction longitudinale. En effet, malgré la raideur limitée d'un tel soufflet, les conséquences sur la course réelle du piston sont faibles, étant donné l'entretien du mouvement déjà imposé par les forces de surface intrinsèques dont est le siège le piston déplaceur.
Par ailleurs, le soufflet 69, avantageusement réalisé en acier inoxydable comme le tube de liaison lui-même, est aisément capable de contenir la dynamique de pression pneumatique, dans la mesure où il est situé dans le volume interne du carter 2, et donc soumis extérieurement à la pression de chargement. Dans certaines variantes de réalisation de l'invention, on préférera toutefois remplacer une telle liaison par soufflet par un montage sur rotule de l'extrémité du tube 35 dans le corps du déplaceur, plus exactement dans sa pièce d'interface 78, dont le canal 58 reste en communication à travers la rotule avec le tube 35 pour le passage du gaz de travail.
Quand le tube 35 est en place dans le refroidisseur en fonctionnement, il se déforme légèrement par flexibilité élastique de ses parties courbes au cours de la rotation de l'axe d'excentrique 61 autour de l'axe de l'arbre moteur 6, cependant que, du fait de la réalisation de l'excentrique 4 en deux parties concentriques tournant l'une dans l'autre, la gorge dans laquelle il est maintenu par la cage 44 suit librement son faible déplacement.
Ceci est illustré par les figures 5a à 5d, sur lesquelles on a cherché à faire apparaître tant les déformations des courbes du tube 35 que le déplacement de ses points d'attache aux pistons en ses extrémités opposées, en représentant schématiquement l'ensemble pour quatre positions typiques au cours d'un cycle. On notera toutefois que la représentation reste théorique par rapport à ce que peut donner la rotation continue dans la réalité pratique.
Conformément à ces figures, l'extrémité liée au piston de compression passe de la position Al de réduction maximale du volume de compression à la position A3 de fin de compression (figure 5c) en passant par la position intermédiaire de quart de cycle A2. Elle revient ensuite à la position Al de la figure 5a en passant sensiblement par la même position intermédiaire A2 en figure 5d. Dans le même temps, l'extrémité liée au piston déplaceur part d'une position intermédiaire B1 (figure 5a) pour venir à sa position rétractée B2 correspondant à un volume maximal de la chambre de détente (figure 5b), puis elle revient à la position B1 (figure 5c) avant de se tendre vers la position B3 de la figure 5d, correspondant au volume minimal de la chambre de détente.
D'une phase à l'autre, la partie médiane du tube ressort 35 prend appui en partie sur le fond de la gorge 43, mais aussi sur la cage de guidage 44 elle-même compte tenu de ses bords évasés et de la prétension du tube. Les efforts s'exercent pour l'essentiel du côté de la branche latérale accrochée au piston de compression, où d'ailleurs, le problème d'alignement axial se pose moins, Pour cette raison, la courbure de la bosse convexe du tube de ce côté a été rendue sciemment plus gonflée en amplitude que celle du côté du piston déplaceur. Les axes de poussée sont schématisés par les lignes X1, X2, X3 passant par le centre d'axe de l'excentrique.
On précisera maintenant quelque peu les matériaux utilisés dans la constitution du refroidisseur faisant l'objet des figures, ainsi que le dimensionnement de ses éléments constitutifs, en choisissant un exemple particulièrement avantageux pour un appareil de faible coût, tant en prix de revient de sa fabrication qu'en frais de fonctionnement et d'entretien.
En général on utilise de l'hélium comme gaz de travail dans les refroidisseurs connus, mais pour un fonctionnement à des températures froides intermédiaires, de l'ordre de 120 à 150 °K, il est mieux ici d'utiliser de l'air, de l'azote, de l'argon, ou préférentiellement du néon.
Le tube 35 est réalisé en un acier de bonne ductilité en qualité inoxydable, tel que le type Z10, acier recuit demi-dur. Il est mis en oeuvre en tuyau de section circulaire.
Le tube 35 peut, par exemple, présenter une longueur linéaire de 44 mm, pour une mobilité de ses extrémités sur une distance de l'ordre de 1 mm, et une section de passage équivalente à celle d'un diamètre circulaire de 1,5 mm sous une épaisseur de paroi de 150 microns. Les diamètres respectifs des deux pistons sont par exemple de 6 mm pour un piston déplaceur offrant une longueur de régénérateur de 41 mm, et 14 mm pour le piston de compression.
Dans une réalisation à sonde froide intégrée telle que décrite ci-dessus, le carter principal 2, le carter moteur 11 et le tube guide 55 du piston déplaceur constituent ensemble une enceinte monolithique étanche pour le gaz de travail, qui remplit son volume interne sous la pression statique de chargement.
Dans cette enceinte se trouvent situés tous les éléments mobiles du refroidisseur de l'invention. Dans une optique visant surtout un faible coût, elle peut être réalisée en matière plastique de type technique. Ses différentes pièces sont fabriquées par moulage et assemblées avec solidarisation étanche des parois par collage. Si l'on ajoute une métallisation superficielle du côté interne, on évite les conséquences d'un dégazage potentiel des constituants organiques et le phénomène d'hygroscopicité.
Au moins pour le corps du carter 2 du compresseur, on utilise une matière de bonne résistance mécanique à forte conductibilité thermique afin d'assurer la réjection de la chaleur de compression vers l'extérieur. La même matière peut convenir au carter moteur pour les mêmes raisons, surtout si elle présente des propriétés isolantes propres pour faciliter les traversées électriques étanches.
La réjection de chaleur peut être encore améliorée si l'on prévoit de conserver le choix d'un matériau métallique (acier inoxydable) pour la culasse 29 du compresseur et la chemise 26 du piston de compression, réalisés d'une seule pièce, le piston de compression 3 étant lui-même de nature métallique.
L'étanchéité dynamique entre le piston de compression et sa chemise est assurée par exemple par un revêtement de polytétrafluoréthylène préférablement imprégné d'un additif de glissement pour réduire le coefficient de frottement entre piston et chemise. Le même type de revêtement peut être appliqué sur le piston déplaceur pour faciliter son coulissement, spécialement dans sa partie montée sur le carter du compresseur.
Une matière plastique à base des mêmes résines que le carter ou de résines compatibles peut d'ailleurs être utilisée pour le tube 55 de guidage du piston déplaceur, sous la réserve qu'il est souhaitable qu'elle soit thermiquement isolante, comme d'ailleurs le tube formant la paroi propre du piston déplaceur et qu'elle soit étanche au gaz de travail. Pour l'un et pour l'autre, on recherche des matériaux à faible coefficient de dilatation thermique afin de limiter toute variation de longueur du doigt froid.
Dans le cas également d'un fonctionnement à température froide intermédiaire et dans une optique au plus faible coût, l'enveloppe d'isolation thermique du doigt froid n'a pas strictement besoin d'être sous vide, et un remplissage de gaz d'inertage dans une double paroi de matière plastique peut être approprié.
La pièce d'interface 78 du piston déplaceur est de forme cylindrique, et elle est collée dans le tube propre au déplaceur en vue d'une étanchéité en pression statique qui est ici suffisante. En effet, comme le gaz de travail est forcé à travers le régénérateur poreux suivant son axe par la modulation de pression conduite par le tube 35 situé dans le volume pressurisé interne au carter 2, il n'est plus besoin de l'étanchéité en statique que demandaient antérieurement les perçages à travers le carter qui faisaient entrer le fluide latéralement dans le tube déplaceur depuis la chambre de compression.
Mais bien entendu, cette description n'entend aucunement être limitative. En particulier, et même le cas échéant en utilisant sensiblement la même matière plastique pour l'enveloppe du doigt froid et le carter, il peut être préférable de les assembler par joint métallique et vissage plutôt que par collage, quand on vise l'interchangeabilité du doigt froid.

Claims

Refroidisseur à cycle de Stirling du type comportant des moyens à pilotage rotatif d'entraînement en translation déphasée pour un piston de compression (3) limitant une chambre de compression (23) et un piston déplaceur (5) limitant une chambre de détente (13) et constituant échangeur régénérateur sur un circuit de circulation d'un fluide thermodynamique en circuit fermé entre lesdites chambres, caractérisé en ce que lesdits moyens d'entraînement comportent un élément (35) de liaison mécanique des deux pistons (3,5) l'un à l'autre qui est guidé linéairement autour d'un mécanisme à excentrique (4) monté décentré sur un arbre moteur rotatif (6), en une partie médiane (71) intermédiaire entre deux branches latérales (72,73) terminées par des points d'attache sur chacun desdits pistons respectivement.
Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément de liaison (35) est réalisé sous forme d'un tube constituant également un conduit de circulation du fluide de travail thermodynamique entre ladite chambre de compression et un canal (58) d'entrée dans une zone chaude (51) du piston déplaceur (5) opposée à un bout froid (53) limitant ladite chambre de détente.
Refroidisseur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit élément de liaison (35) est structuré et configuré de sorte à assurer en fonctionnement un effet de ressort tendant en permanence à équilibrer les efforts radiaux imposés par le piston de compression sur sa chemise dans son déplacement dynamique.
Refroidisseur suivant l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ledit excentrique (4) est entouré d'une cage semi-circulaire (44) définissant avec lui une gorge (43) de guidage dudit élément de liaison (35) dans laquelle celui-ci est serré fixe en un point central de sa partie médiane (71).
Refroidisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que ladite cage (44) présente intérieurement un pourtour évasé vers les bords de sa forme semi-circulaire.
Refroidisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit élément de liaison (35) est monté prétendu sur ledit excentrique (4) à partir d'une courbure naturelle de sa partie médiane (71) d'ouverture angulaire supérieure à celle dudit excentrique.
Refroidisseur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ledit élément de liaison est conformé en chacune de ses branches latérales (72,73) suivant une courbure de concavité inverse à celle de ladite partie médiane (71), qui tend, en fonctionnement, à la maintenir suivant l'axe du piston correspondant en son extrémité terminée par son point d'attache sur celui-ci.
Refroidisseur suivant la revendication 6 ou 7, caractérisé en ce que ledit élément de liaison (35) présente les propriétés d'un ressort à forte raideur.
Refroidisseur selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que ledit élément de liaison (35) est fixé au piston déplaceur (5) par l'intermédiaire d'un soufflet (69) autorisant sélectivement des écarts latéraux par rapport à un alignement axial de sa branche latérale correspondante (73) au point d'attache avec ledit piston déplaceur.
Refroidisseur selon l'une des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que ledit élément de liaison est fixé au piston déplaceur par un montage à rotule.
Refroidisseur selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ledit élément de liaison ( 35) est fixé sur le piston de compression (3) du côté de la chambre de compression (23), au-delà d'un espace annulaire vide (33) interne au piston.
Refroidisseur selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que ledit excentrique est réalisé en deux parties (42,61) montées rotatives l'une dans l'autre par roulement à billes (62).
Refroidisseur suivant l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que ledit élément de liaison (35) et ledit excentrique (4) sont situées dans le volume interne d'un carter (2) étanche audit fluide thermodynamique.
Refroidisseur suivant la revendication 13, caractérisé en ce que ledit carter (2) est en liaison solidaire étanche avec un carter moteur (11) enfermant un moteur d'entraînement dudit arbre (6).
Refroidisseur suivant la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que ledit carter (2) est en liaison solidaire étanche avec un tube (55) de guidage dudit piston déplaceur (5).
Refroidisseur suivant la revendication 15, caractérisé en ce que dans une réalisation monobloc, tous les éléments mobiles qu'il comporte sont situés dans une enceinte remplie de fluide thermodynamique statique.
Refroidisseur suivant la revendication 2, combinée éventuellement avec l'une des revendications qui en dépendent, caractérisé en ce que ledit canal (58) est ménagé dans une pièce d'interface (78) montée coulissante dans un carter (2) limitant un volume pressurisé de gaz de travail.
Refroidisseur suivant l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que ledit piston déplaceur (5) est limité par un tube
Refroidisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que ledit carter (2) et/ou ledit carter moteur (11) et/ou ledit tube guide (55) constituent ensemble une enceinte étanche monolithique pour le fluide thermodynamique.
Refroidisseur suivant la revendication 19, caractérisé en ce que ledit carter (2), ledit carter moteur (11), une enveloppe (59) de doigt froid, et éventuellement ledit tube guide (55), sont réalisés en matière plastique et assemblés par collage.