EP4025845B1 - Machine cryogénique régénérative - Google Patents

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EP4025845B1
EP4025845B1 EP20764432.9A EP20764432A EP4025845B1 EP 4025845 B1 EP4025845 B1 EP 4025845B1 EP 20764432 A EP20764432 A EP 20764432A EP 4025845 B1 EP4025845 B1 EP 4025845B1
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EP
European Patent Office
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machine
pressure
cold finger
working fluid
cryogenic
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EP20764432.9A
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EP4025845A1 (fr
EP4025845C0 (fr
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Julien Tanchon
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Absolut System SAS
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Publication date
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    • F25B2309/1424—Pulse tubes with basic schematic including an orifice and a reservoir

Definitions

  • the invention relates to a cryogenic machine of the regenerative type (eg pulsed gas tube, Stirling, Gifford-McMahon, etc.).
  • a cryogenic machine of the regenerative type eg pulsed gas tube, Stirling, Gifford-McMahon, etc.
  • cryogenic machines There are different types of cryogenic machines. These cryogenic machines are classified into two types: regenerative chillers and regenerative chillers.
  • Recuperative coolers are based on a continuous flow of the working fluid, usually a gas, which is compressed and expanded, the expansion taking place continuously in an orifice for the Joule-Thomson cycle or in a turbine for the Brayton cycle.
  • the term “recovery” comes from the fact that an exchanger, generally against the current, is used to recover the enthalpy of the cold gas coming from the expansion to pre-cool the hot gas coming from the compressor.
  • the flow of the working fluid is reciprocating. Gas compression and expansion take place cyclically at a frequency of a few Hertz for so-called “low frequency” coolers and at several tens of Hertz for so-called “high frequency” coolers.
  • FIGs of figures 1 to 3 represent the general topology of these coolers, that is to say in a schematic configuration called “in line” of the cold fingers.
  • the topology of these cold fingers can also be “U” shaped or coaxial, while keeping the same operating principle and the same components.
  • the machine comprises an oscillator 1' and a cold finger 20 in fluidic connection with the oscillator.
  • the machine contains a working fluid, usually helium.
  • Oscillator 1' is in the form of a piston moving back and forth schematized by the bidirectional arrow, thus generating a pressure wave in the working fluid.
  • a pressure oscillator because the to-and-fro movement of the piston makes it possible to generate a pressure oscillation and not a pressure difference as in recuperative machines.
  • the cold finger 20 (which may in particular be of the pulsed gas tube, Stirling or Gifford-McMahon type) allows the production of the cooling effect.
  • the cold finger comprises a first heat exchanger 2, a regenerator 3, a second heat exchanger 4, a pulse tube 5, a third heat exchanger 6, and a phase shift system 7, 8 or 9.
  • the working fluid When the piston moves to the right of the picture 1 or 2 , the working fluid is compressed and passes through the first heat exchanger 2 and the regenerator 3.
  • the regenerator having a high specific heat and being thermally insulated from the outside of the machine, the temperature of the working fluid passes from a first temperature T1, which is generally the ambient temperature to which the machine is exposed, to a second temperature T2 lower than T1.
  • the second temperature is a cryogenic temperature, that is to say typically below 120K.
  • the working fluid yields energy to the regenerator 3 which stores it due to its high specific heat.
  • the working fluid enters the pulse tube 5 through the second heat exchanger 4.
  • the working fluid undergoes compression and successive adiabatic expansion at the operating frequency of the oscillator 1'.
  • the compression work is evacuated at the end of the pulse tube 5, in a third heat exchanger 6 operating at ambient temperature while at the other end of the pulse tube 5, the expansion makes it possible to lower the temperature of the gas in the second exchanger 4, reaching a cryogenic temperature.
  • phase shift system 7, 8 or "phase shifter” in English.
  • This system provides the necessary phase shift between the pressure wave and the flow in the cold finger so that the expansion takes place at the level of the cold exchanger 4.
  • the phase shift system generally consists of an inertance 7 and a buffer tank 8.
  • the inertance has a small passage section compared to that of the pulse tube 5, and the buffer tank 8 has a high volume compared to that of the tube and the inertance; consequently, the pressure within the buffer tank 8 is substantially constant.
  • this phase shift system is in the form of an expander piston 9, similar to the pressure oscillator 1' but of different volume and power.
  • the working fluid passes through the regenerator 3 in the opposite direction and this time it is the regenerator which transfers the energy stored during the compression to the working fluid cooled during the expansion.
  • the general configuration is similar to that of the pulsed gas tube, except that the cold finger 20 uses an expansion valve mechanical 9 to ensure the expansion of the working fluid.
  • the pulse tube 5, the exchanger 6 and the phase shift system 7, 8 are eliminated in the case of a Stirling cold finger.
  • the pressure oscillator is a critical element for the aspects: cost, performance, size, mass, reliability...
  • An object of the invention is to remedy the aforementioned drawbacks and in particular to design a cryogenic machine in which the generation of the pressure oscillation is carried out by means that are less costly, more reliable and generate less vibration than the existing oscillators. Furthermore, said machine must be able to be used in a high or low power cooler.
  • the centrifugal compressor does not generate vibrations, which is particularly advantageous in the space field and in all applications where vibrations would risk disturbing the operation of devices.
  • the transmission of the pressure wave does not depend on the volume between the compressor and the cold finger, the compressor can be offset from the cold finger, which allows greater freedom in the design of the machine and in particular greater compactness, which is particularly sought after for on-board applications.
  • Another object of the invention relates to a spacecraft comprising a cryogenic machine as described above.
  • FIG 4 is a block diagram of a cryogenic machine of the pulsed air tube type according to one embodiment of the invention.
  • the reference signs identical to those of the figure 1 designate elements that are identical or perform the same function. These elements will therefore not be described again in detail.
  • the cold finger 20 is similar to that of existing machines, for example to that of the figure 1 or to that of picture 2 .
  • Oscillator 1 comprises a centrifugal compressor fluidly coupled on the one hand to a so-called low-pressure buffer tank 10 and a so-called high-pressure buffer tank 11.
  • low pressure and “high pressure” are relative terms, a low pressure being lower than a high pressure.
  • the oscillator further comprises a fluidic circuit connecting the cold finger to each of the buffer volumes 10, 11.
  • the oscillator finally comprises a fluidic distribution member 12 arranged in the fluidic circuit, making it possible to selectively and alternately put the cold finger in fluidic connection with the buffer reservoir 10 or the buffer reservoir 11.
  • This dispensing member 12 can advantageously be a rotary valve or a linear actuator, but any other type of actuator could be used as long as it allows the high pressure and low pressure gas to be alternately distributed in the cold finger.
  • each buffer tank could be provided with a respective valve, said valves being configured to open or close depending on the phase of the operating cycle of the machine.
  • buffer tank it is meant that the volume of the tanks 10 and 11 is large enough with respect to the volume of the fluidic circuit which connects the tanks and the cold finger so that the pressure generated by the centrifugal compressor in the said tanks 10, 11 remains substantially constant.
  • These reservoirs may optionally be eliminated if the volume of the fluidic circuit makes it possible to perform this function or if the performance of the cold finger is not impacted by this pressure fluctuation.
  • a compression ratio between 1.1 and 1.5 will be sought to replace the pressure oscillator with a centrifugal compressor and a fluidic distribution device.
  • This compression ratio is completely compatible with the compression ratio generated by a centrifugal compressor. It is therefore possible to directly replace the pressure oscillator by a centrifugal compressor coupled to a fluid distribution member.
  • the operating frequency of the pressure oscillator is advantageously greater than or equal to 10Hz.
  • the operation of the proposed cryogenic machine is as follows.
  • the cold finger 20 is in fluidic connection with the buffer tank 11 at high pressure via the valve 12.
  • the working fluid passes through the first exchanger 2, the regenerator 3 and the second exchanger 4 to the tube 5.
  • the working fluid passes from the ambient temperature T1 to the cryogenic temperature T2; the heat of the working fluid transferred to the regenerator 3 is accumulated therein.
  • valve 12 is actuated so as to interrupt the fluidic connection between the cold finger and the buffer tank 11 at high pressure and to establish a fluidic connection between the cold finger and the tank 10 at low pressure.
  • the working fluid undergoes adiabatic expansion in the tube 5. Part of the fluid is sucked from the buffer tank 8 towards the tube 5 through the inertia 7. The working fluid passes through the second heat exchanger 4 and the regenerator 3, which restores the heat stored to it via the first heat exchanger 2.
  • the centrifugal compressor makes it possible to decouple the compression zone from the cold finger. Indeed, the pressure wave can be transmitted over a sufficiently long distance and does not depend on the volume of fluid between the compressor and the cold finger.
  • the oscillator is not necessarily aligned with the cold finger as represented on the figure 4 , but can be arranged at another location in the machine, depending on the size constraints encountered.
  • centrifugal compressor 1 and the fluid distribution member are similar to those already described with reference to the figure 4 .
  • regenerator 3 and the expander 9, which form the cold finger 20 of the machine are similar to those of the picture 3 .
  • the centrifugal compressor makes it possible to decouple the compression zone from the cold finger. Indeed, the pressure wave can be transmitted over a sufficiently long distance and does not depend on the volume of fluid between the compressor and the cold finger.
  • the compressor is not necessarily aligned with the cold finger as shown in the picture 3 , but can be arranged at another location in the machine, depending on the size constraints encountered.
  • the fluid distribution member with the drive of the expander piston 9 as shown in the figure 6 .
  • the cold finger is of the coaxial type, the expander piston 9 being arranged in the regenerator 3.
  • the fluid distribution member can be actuated fluidically by the working fluid or mechanically by an external actuator.
  • the oscillator(s) can be offset from the cold finger(s).
  • the oscillator according to the invention therefore makes it possible to form a wide variety of regenerative cryogenic machines, with great freedom of choice in the arrangement of the various components.
  • This thermal link function is performed by using the pressure difference between the buffer tanks 10 and 11 to ensure circulation of working fluid from the high pressure buffer tank to the low pressure buffer tank.
  • the working fluid is cooled to a cold temperature close to T2 by a counter-current exchanger 40, then to temperature T2 on an exchanger integrated into the cold exchanger 4.
  • the cold working liquid is then deported at a distance ranging from a few centimeters to several meters to cool the part to be cooled via the exchanger 50.
  • the working fluid is heated in the exchanger 50 and then returns to the counter-current exchanger 40 to be re-injected into the buffer tank 10 at low pressure.
  • the secondary fluidic circuit 51 and 52 constituting the thermal link can be made with small-sized tubes making it possible to limit the mass of the system, to lower the stiffness of the tubes (to ensure mechanical decoupling between the components) or to limit losses by conductions along these tubes.
  • This thermal link is therefore passive in the sense that, when the cooler is operating, the circulation of working fluid is effective and so is the thermal coupling. Conversely, if the cryogenic cooler is stopped, there is no thermal coupling.
  • thermal switch having a thermal coupling/decoupling function. This function is particularly useful for systems integrating several cold fingers (case of a spacecraft in particular integrating a nominal cooler and a redundant one). The non-functioning cold fingers are then thermally decoupled from the part to be cooled and thus do not cause heat losses.
  • cold finger 20 represented on the figure 7 either of the pulsed gas tube type, it goes without saying that any other type of cold finger could be used in connection with this thermal switch.

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Description

    Domaine technique
  • L'invention concerne une machine cryogénique de type régénérative (par exemple tube à gaz pulsé, Stirling, Gifford-McMahon, etc.).
    • Etat de la technique
  • Il existe différents types de machines cryogéniques. Ces machines cryogéniques sont classées selon deux types : les refroidisseurs récupératifs et les refroidisseurs régénératifs.
  • Les refroidisseurs récupératifs (cycles de Joule-Thomson ou Brayton inverse) sont basés sur un écoulement continu du fluide de travail, généralement un gaz, qui est comprimé et détendu, la détente se faisant en continu dans un orifice pour le cycle de Joule-Thomson ou dans une turbine pour le cycle de Brayton. Le terme « récupératif » vient du fait qu'un échangeur, généralement contre-courant, est utilisé pour récupérer l'enthalpie du gaz froid issu de la détente pour pré-refroidir le gaz chaud provenant du compresseur.
  • Pour les refroidisseurs régénératifs, l'écoulement du fluide de travail est alternatif. La compression et la détente de gaz se font de façon cyclique à une fréquence de quelques Hertz pour les refroidisseurs dits « basse fréquence » et à plusieurs dizaines de Hertz pour les refroidisseurs dits « haute fréquence ».
  • De même que pour les refroidisseurs récupératifs, l'enthalpie du gaz froid issu de la détente doit être récupérée. Cependant, il n'est pas possible d'utiliser un échangeur dans le cas d'un fonctionnement cyclique. On utilise alors un régénérateur pour réaliser cette fonction. Le régénérateur permet de transférer l'enthalpie du gaz froid au gaz chaud entre deux cycles. Le régénérateur met également en oeuvre un stockage thermique pour assurer ce transfert de chaleur à deux instants différents. EP 1 158 256 A divulgue une machine cryogénique de type régénérative comprenant un compresseur à piston pour générer une pression et un débit massique alternés dans tout le réfrigérateur à tube à impulsions.
    • Les figures 1 et 2 sont des schémas de principe d'une machine cryogénique régénérative de type tube à gaz pulsé fonctionnant à haute fréquence (c'est-à-dire au-delà de 20Hz).
    • La figure 3 est un schéma de principe d'une machine cryogénique régénérative de type Stirling fonctionnant à haute fréquence.
  • Les schémas des figures 1 à 3 représentent la topologie générale de ces refroidisseurs, c'est-à-dire dans une configuration schématique dite « en ligne » des doigts froids. Dans d'autres modes de réalisation, la topologie de ces doigts froids peut être également en « U » ou coaxiale, tout en gardant le même principe de fonctionnement et les mêmes composants.
  • La machine comprend un oscillateur 1' et un doigt froid 20 en liaison fluidique avec l'oscillateur. La machine contient un fluide de travail, généralement de l'hélium.
  • L'oscillateur 1' se présente sous la forme d'un piston animé d'un mouvement de va-et-vient schématisé par la flèche bidirectionnelle, générant ainsi une onde de pression dans le fluide de travail. On parle d'un « oscillateur de pression » car le mouvement de va-et-vient du piston permet de générer une oscillation de pression et non une différence de pression comme dans les machines récupératives.
  • Le doigt froid 20 (qui peut être notamment de type tube à gaz pulsé, Stirling ou Gifford-McMahon) permet la production de l'effet frigorifique.
  • Dans le cas d'un tube à gaz pulsé (cf. figures 1 et 2), le doigt froid comprend un premier échangeur de chaleur 2, un régénérateur 3, un second échangeur de chaleur 4, un tube à pulsation 5, un troisième échangeur de chaleur 6, et un système de déphasage 7, 8 ou 9.
  • Lorsque le piston se déplace vers la droite de la figure 1 ou 2, le fluide de travail est comprimé et passe au travers du premier échangeur de chaleur 2 et du régénérateur 3. Le régénérateur possédant une forte chaleur spécifique et étant isolé thermiquement de l'extérieur de la machine, la température du fluide de travail passe d'une première température T1, qui est généralement la température ambiante à laquelle est exposée la machine, à une seconde température T2 inférieure à T1. La seconde température est une température cryogénique, c'est-à-dire typiquement inférieure à 120K. Durant cette phase, le fluide de travail cède de l'énergie au régénérateur 3 qui la stocke due à sa forte chaleur spécifique.
  • Le fluide de travail entre dans le tube à pulsation 5 au travers du second échangeur de chaleur 4. Dans le tube 5, qui est isolé thermiquement de l'extérieur de la machine, le fluide de travail subit une compression et une détente adiabatique successive à la fréquence de fonctionnement de l'oscillateur 1'.
  • Le travail de compression est évacué à l'extrémité du tube à pulsation 5, dans un troisième échangeur de chaleur 6 fonctionnant à température ambiante alors qu'à l'autre extrémité du tube à pulsation 5, la détente permet de baisser la température du gaz dans le deuxième échangeur 4, atteignant une température cryogénique.
  • Cet effet de découplage thermique de part et d'autre du doigt froid est assuré par un système de déphasage 7, 8 ou « phase shifter » en anglais. Ce système assure le déphasage nécessaire entre l'onde de pression et le débit dans le doigt froid pour que la détente ait lieu au niveau de l'échangeur froid 4. Le système de déphasage est généralement constitué d'une inertance 7 et d'un réservoir tampon 8. L'inertance présente une section de passage faible par rapport à celle du tube à pulsation 5, et le réservoir tampon 8 présente un volume élevé par rapport à celui du tube et de l'inertance ; par conséquent, la pression au sein du réservoir tampon 8 est sensiblement constante.
  • Dans certains cas, tel qu'illustré sur la figure 2, ce système de déphasage se présente sous la forme d'un piston détendeur 9, similaire à l'oscillateur de pression 1' mais de volumétrie et de puissance différentes.
  • Après la phase de détente produisant l'effet frigorifique, le fluide de travail passe au travers du régénérateur 3 en sens inverse et c'est cette fois le régénérateur qui cède l'énergie emmagasinée lors de la compression au fluide de travail refroidi lors de la détente.
  • Dans le cas d'un refroidisseur Stirling (cf. figure 3), la configuration générale est similaire à celle du tube à gaz pulsé, à la différence que le doigt froid 20 utilise un détendeur mécanique 9 pour assurer la détente du fluide de travail. En d'autres termes, le tube à pulsation 5, l'échangeur 6 et le système de déphasage 7, 8 sont supprimés dans le cas d'un doigt froid Stirling.
  • Dans les deux cas, et de façon générale pour toutes les machines régénératives, l'oscillateur de pression est un élément critique pour les aspects : coût, performance, taille, masse, fiabilité...
  • Par ailleurs, il est difficile de déporter l'oscillateur du doigt froid car l'ajout de volume dans le système fait chuter l'amplitude de l'onde de pression et le débit et baisse ainsi la puissance frigorifique.
  • Enfin, ces oscillateurs de pression utilisent des moteurs linéaires pour créer le mouvement de va-et-vient du piston. Ce type de moteur présente plusieurs inconvénients majeurs.
  • D'une part, même s'ils sont équilibrés mécaniquement, ces moteurs génèrent des vibrations extrêmement problématiques pour les applications spatiales. Ils nécessitent alors des systèmes annexes contraignants et des électroniques de pilotage complexes, défiabilisantes et coûteuses.
  • D'autre part, ces oscillateurs sont difficilement extrapolables à de fortes puissances. En effet, au-delà de quelques centaines de Watt, la taille, la masse et le coût de ces oscillateurs deviennent problématiques et infaisables dans certains cas.
    • Brève description de l'invention
  • Un but de l'invention est de remédier aux inconvénients précités et en particulier de concevoir une machine cryogénique dans laquelle la génération de l'oscillation de pression est réalisée par un moyen moins coûteux, plus fiable et engendrant moins de vibrations que les oscillateurs existants. Par ailleurs, ladite machine doit pouvoir être utilisée dans un refroidisseur de forte ou de faible puissance.
  • A cet effet, l'invention propose une machine cryogénique de type régénérative, comprenant:
    • un oscillateur de pression,
    • au moins un doigt froid en liaison fluidique avec l'oscillateur de pression, ladite machine étant caractérisée en ce que l'oscillateur de pression comprend un compresseur centrifuge et un organe de distribution fluidique configuré pour distribuer alternativement du fluide de travail à haute pression et à basse pression du compresseur centrifuge dans ledit doigt froid.
  • L'utilisation d'un compresseur centrifuge couplé à un organe de distribution fluidique au lieu d'un oscillateur de pression à moteur linéaire présente plusieurs avantages.
  • D'une part, le compresseur centrifuge ne génère pas de vibrations, ce qui est particulièrement avantageux dans le domaine spatial et dans toutes les applications où des vibrations risqueraient de perturber le fonctionnement de dispositifs.
  • D'autre part, la transmission de l'onde de pression ne dépendant pas du volume entre le compresseur et le doigt froid, le compresseur peut être déporté du doigt froid, ce qui autorise une plus grande liberté dans la conception de la machine et notamment une plus grande compacité, qui est particulièrement recherchée pour les applications embarquées.
  • Enfin, un tel compresseur est fiable et est évolutif en fonction de la puissance requise.
  • Il est par ailleurs possible de coupler plusieurs doigts froids (par exemple Stirling et/ou tube à gaz pulsé) sur un même compresseur.
  • Selon des caractéristiques optionnelles mais avantageuses de l'invention, éventuellement combinées lorsque cela est techniquement possible :
    • le taux de compression du compresseur centrifuge est compris entre 1,1 et 1,5 ;
    • la fréquence de fonctionnement de l'oscillateur de pression est supérieure à 1 0Hz ;
    • le compresseur centrifuge est agencé entre un réservoir tampon dit à basse pression et un réservoir tampon dit à haute pression, l'organe de distribution fluidique étant configuré pour sélectivement mettre en liaison fluidique le doigt froid et l'un des réservoirs tampons à basse et haute pression :
    • l'organe de distribution fluidique comprend une vanne rotative ou une vanne de distribution linéaire ;
    • la machine comprend un doigt froid de type tube à gaz pulsé incluant un tube à pulsation, un échangeur et un système de déphasage ;
    • la machine comprend un doigt froid de type Stirling incluant un piston détendeur ;
    • l'organe de distribution fluidique est configuré pour être actionné fluidiquement par le fluide de travail ou mécaniquement par un actionneur externe ;
    • l'organe de distribution fluidique est configuré pour être actionné par la tige de commande du piston détendeur du doigt froid ;
    • la machine contient de l'hélium en tant que fluide de travail ;
    • la machine comprend plusieurs doigts froids, chaque doigt froid étant connecté fluidiquement à un ou plusieurs compresseurs centrifuges ;
    • la machine comprend en outre un circuit de circulation de fluide de travail du réservoir tampon à haute pression vers le réservoir tampon à basse pression, de sorte à refroidir une pièce déportée vis-à-vis du doigt froid et découplée mécaniquement dudit doigt froid.
  • Un autre objet de l'invention concerne un engin spatial comprenant une machine cryogénique telle que décrite ci-dessus.
    • Brève description des figures
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
    • La figure 1 est un schéma de principe d'une machine cryogénique de type tube à air pulsé selon l'état de la technique ;
    • La figure 2 est un schéma de principe d'une autre machine cryogénique de type tube à air pulsé selon l'état de la technique ;
    • La figure 3 est un schéma de principe d'une machine cryogénique de type Stirling selon l'état de la technique ;
    • La figure 4 est un schéma de principe d'une machine cryogénique de type tube à gaz pulsé selon un mode de réalisation de l'invention ;
    • La figure 5 est un schéma de principe d'une machine cryogénique de type Stirling selon un mode de réalisation de l'invention ;
    • La figure 6 est un schéma de principe d'une machine cryogénique de type Stirling selon un autre mode de réalisation de l'invention ;
    • La figure 7 est un schéma de principe d'une machine cryogénique de type tube à gaz pulsé intégrant une fonction d'interrupteur thermique selon un mode de réalisation de l'invention.
  • Naturellement, ces figures sont données à titre illustratif uniquement.
  • Les signes de référence identiques d'une figure à l'autre désignent des éléments identiques ou remplissant la même fonction.
    • Description détaillée de modes de réalisation
  • La figure 4 est un schéma de principe d'une machine cryogénique de type tube à air pulsé selon un mode de réalisation de l'invention. Les signes de référence identiques à ceux de la figure 1 désignent des éléments identiques ou remplissant la même fonction. Ces éléments ne seront donc pas décrits à nouveau en détail.
  • En particulier, le doigt froid 20 est similaire à celui des machines existantes, par exemple à celui de la figure 1 ou à celui de la figure 2.
  • L'oscillateur 1 comprend un compresseur centrifuge couplé fluidiquement d'une part à un réservoir tampon 10 dit à basse pression et un réservoir tampon 11 dit à haute pression. Dans le présent texte, les termes « basse pression » et « haute pression » sont des termes relatifs, une basse pression étant inférieure à une haute pression.
  • L'oscillateur comprend en outre un circuit fluidique reliant le doigt froid à chacun des volumes tampons 10, 11.
  • L'oscillateur comprend enfin un organe de distribution fluidique 12 agencé dans le circuit fluidique, permettant de sélectivement et alternativement mettre en liaison fluidique le doigt froid avec le réservoir tampon 10 ou le réservoir tampon 11.
  • Cet organe de distribution 12 peut être avantageusement une vanne rotative ou un actionneur linéaire, mais tout autre type d'actionneur pourrait être utilisé dès lors qu'il permet de distribuer alternativement le gaz à haute pression et à basse pression dans le doigt froid. Par exemple, chaque réservoir tampon pourrait être muni d'une vanne respective, lesdites vannes étant configurées pour s'ouvrir ou se fermer selon la phase du cycle de fonctionnement de la machine.
  • Par réservoir tampon, on entend que le volume des réservoirs 10 et 11 est suffisamment grand par rapport au volume du circuit fluidique qui relie les réservoirs et le doigt froid pour que la pression générée par le compresseur centrifuge dans lesdits réservoirs 10, 11 reste sensiblement constante. Ces réservoirs peuvent éventuellement être supprimés si le volume du circuit fluidique permet d'assurer cette fonction ou si la performance du doigt froid n'est pas impactée par cette fluctuation de pression.
  • Pour de l'hélium, à titre d'exemple, un taux de compression entre 1,1 et 1,5 sera recherché pour remplacer l'oscillateur de pression par un compresseur centrifuge et un organe de distribution fluidique. Ce taux de compression est tout à fait compatible avec le taux de compression généré par un compresseur centrifuge. On peut donc directement remplacer l'oscillateur de pression par un compresseur centrifuge couplé à un organe de distribution fluidique.
  • En pratique, les refroidisseurs conventionnels sont remplis à une pression moyenne de 20 à 40 bar. Ensuite, la pression oscille du fait de l'oscillateur de pression autour de cette pression moyenne avec une amplitude de +/- 2 à 5 bar. La pression moyenne et l'amplitude de l'onde de pression sont des paramètres propres à chaque refroidisseur.
  • La fréquence de fonctionnement de l'oscillateur de pression est avantageusement supérieure ou égale à 10Hz.
  • Le fonctionnement de la machine cryogénique proposée est le suivant.
  • Dans une première phase du cycle, le doigt froid 20 est en liaison fluidique avec le réservoir tampon 11 à haute pression par l'intermédiaire de la vanne 12. Le fluide de travail passe au travers du premier échangeur 2, du régénérateur 3 et du deuxième échangeur 4 vers le tube 5. Le fluide de travail passe de la température ambiante T1 à la température cryogénique T2 ; la chaleur du fluide de travail transférée au régénérateur 3 est accumulée dans celui-ci.
  • Dans le tube 5, le fluide de travail subit une compression adiabatique.
  • Sous l'effet de la compression du fluide dans le tube 5, une partie du fluide est poussée vers le réservoir tampon 8 au travers de l'inertance 7.
  • Dans une seconde phase du cycle, la vanne 12 est actionnée de sorte à interrompre la liaison fluidique entre le doigt froid et le réservoir tampon 11 à haute pression et pour établir une liaison fluidique entre le doigt froid et le réservoir 10 à basse pression.
  • Le fluide de travail subit une détente adiabatique dans le tube 5. Une partie du fluide est aspirée du réservoir tampon 8 vers le tube 5 au travers de l'inertance 7. Le fluide de travail passe au travers du second échangeur de chaleur 4 et du régénérateur 3, qui lui restitue la chaleur emmagasinée par l'intermédiaire du premier échangeur de chaleur 2.
  • Contrairement au cas où le compresseur est un compresseur volumétrique tel que le piston illustré sur les figures 1 et 2, le compresseur centrifuge permet de découpler la zone de compression du doigt froid. En effet, l'onde de pression peut être transmise sur une distance suffisamment longue et ne dépend pas du volume de fluide entre le compresseur et le doigt froid.
  • Par conséquent, l'oscillateur n'est pas forcément aligné avec le doigt froid tel que représenté sur la figure 4, mais peut être agencé à un autre endroit de la machine, selon les contraintes d'encombrement rencontrées.
  • Le même principe de fonctionnement est applicable à une machine comprenant un doigt froid Stirling, telle qu'illustrée sur la figure 5.
  • Dans cette machine, le compresseur centrifuge 1 et l'organe de distribution fluidique sont similaires à ceux déjà décrits en référence à la figure 4.
  • Par ailleurs, le régénérateur 3 et le détendeur 9, qui forment le doigt froid 20 de la machine, sont similaires à ceux de la figure 3.
  • Comme exposé plus haut, le compresseur centrifuge permet de découpler la zone de compression du doigt froid. En effet, l'onde de pression peut être transmise sur une distance suffisamment longue et ne dépend pas du volume de fluide entre le compresseur et le doigt froid.
  • Par conséquent, le compresseur n'est pas forcément aligné avec le doigt froid tel que représenté sur la figure 3, mais peut être agencé à un autre endroit de la machine, selon les contraintes d'encombrement rencontrées.
  • Il est également possible de coupler l'organe de distribution fluidique avec l'entrainement du piston détendeur 9 comme présenté sur la figure 6. Dans ce mode de réalisation, le doigt froid est de type coaxial, le piston détendeur 9 étant agencé dans le régénérateur 3.
  • Dans d'autres modes de réalisation, quel que soit le type de doigt froid, l'organe de distribution fluidique peut être actionné fluidiquement par le fluide de travail ou mécaniquement par un actionneur externe.
  • Dans certains modes de réalisation, il est possible de coupler plusieurs doigts froids, du même type ou de types différents (tube à air pulsé, Stirling, Gifford-McMahon, etc.) à un oscillateur ou plusieurs oscillateurs comprenant chacun un compresseur centrifuge et un ou plusieurs organes de distribution fluidique.
  • Ce couplage est par ailleurs indépendant de la configuration des doigts froids, qui peut être par exemple en ligne, coaxial, à détendeur actif, à inertance, alpha, beta, à piston libre, etc. Par conséquent, les figures ne doivent pas être interprétées comme limitant l'invention à une configuration de doigt froid particulière.
  • En outre, le ou les oscillateurs peuvent être déportés du ou des doigts froids.
  • L'oscillateur selon l'invention permet donc de former une grande diversité de machines cryogéniques régénératives, avec une grande liberté de choix dans l'agencement des différents composants.
  • En référence à la figure 7, il est également possible d'intégrer dans le refroidisseur cryogénique, une fonction de « lien thermique » intégré permettant :
    • de déporter le doigt froid 20 à une position éloignée de la pièce à refroidir qui est représentée par l'échangeur 50 ;
    • de découpler mécaniquement le doigt froid 20 de la pièce à refroidir, permettant de simplifier le doigt froid et son intégration dans l'application utilisant la machine cryogénique ;
    • d'offrir une fonction d'interrupteur thermique liée au fonctionnement inhérent du refroidisseur cryogénique.
  • Cette fonction de lien thermique est réalisée en utilisant la différence de pression entre les réservoirs tampons 10 et 11 pour assurer une circulation de fluide de travail du réservoir tampon à haute pression vers le réservoir tampon à basse pression.
  • Le fluide de travail est refroidi jusqu'à une température froide proche de T2 par un échangeur contre-courant 40, puis à la température T2 sur un échangeur intégré à l'échangeur froid 4. Le liquide de travail froid est ensuite déporté à une distance allant de quelques centimètres à plusieurs mètres pour refroidir la pièce à refroidir par l'intermédiaire de l'échangeur 50. Le fluide de travail se réchauffe dans l'échangeur 50 et revient ensuite dans l'échangeur contre-courant 40 pour être ré-injecté dans le réservoir tampon 10 à basse pression.
  • Le circuit fluidique secondaire 51 et 52 constituant le lien thermique peut être réalisé avec des tubes de faibles dimensions permettant de limiter la masse du système, de baisser la raideur des tubes (pour assurer un découplage mécanique entre les composants) ou pour limiter les pertes par conductions le long de ces tubes.
  • Ce lien thermique est donc passif dans le sens où, lorsque le refroidisseur fonctionne, la circulation de fluide de travail est effective et le couplage thermique également. A l'inverse, si le refroidisseur cryogénique est arrêté, il n'y a pas de couplage thermique.
  • On parle alors d'un interrupteur thermique, ayant une fonction de couplage/découplage thermique. Cette fonction est particulièrement utile pour des systèmes intégrant plusieurs doigts froids (cas d'un engin spatial notamment intégrant un refroidisseur nominal et un redondant). Les doigts froids ne fonctionnant pas sont alors découplés thermiquement de la pièce à refroidir et n'amènent ainsi pas de pertes thermiques.
  • Bien que le doigt froid 20 représenté sur la figure 7 soit de type tube à gaz pulsé, il va de soi que tout autre type de doigt froid pourrait être utilisé en lien avec cet interrupteur thermique.

Claims (13)

  1. Machine cryogénique de type régénérative, comprenant :
    - un oscillateur de pression,
    - au moins un doigt froid (20) en liaison fluidique avec l'oscillateur de pression, ladite machine étant caractérisée en ce que l'oscillateur de pression comprend un compresseur centrifuge (1) et un organe de distribution fluidique (12) configuré pour distribuer alternativement du fluide de travail à haute pression et à basse pression du compresseur centrifuge dans ledit doigt froid.
  2. Machine selon la revendication 1, dans laquelle le taux de compression du compresseur centrifuge (1) est compris entre 1,1 et 1,5.
  3. Machine selon la revendication 1, dans laquelle la fréquence de fonctionnement de l'oscillateur de pression est supérieure à 10Hz.
  4. Machine selon l'une des revendications 1, 2 ou 3, dans laquelle le compresseur centrifuge (1) est agencé entre un réservoir tampon (10) dit à basse pression et un réservoir tampon (11) dit à haute pression, l'organe de distribution fluidique (12) étant configuré pour sélectivement mettre en liaison fluidique le doigt froid et l'un des réservoirs tampons (10, 11) à basse et haute pression.
  5. Machine selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'organe de distribution fluidique (12) comprend une vanne rotative ou une vanne de distribution linéaire.
  6. Machine selon l'une des revendications 1 à 5, comprenant un doigt froid de type tube à gaz pulsé incluant un tube à pulsation (5), un échangeur (6) et un système de déphasage (7, 8).
  7. Machine selon l'une des revendications 1 à 6, comprenant un doigt froid de type Stirling incluant un piston détendeur (9).
  8. Machine selon l'une des revendications 1 à 7, dans lequel l'organe de distribution fluidique (12) est configuré pour être actionné fluidiquement par le fluide de travail ou mécaniquement par un actionneur externe.
  9. Machine selon la revendication 7, dans laquelle l'organe de distribution fluidique est configuré pour être actionné par la tige de commande du piston détendeur (9) du doigt froid.
  10. Machine selon l'une des revendications 1 à 9, contenant de l'hélium en tant que fluide de travail.
  11. Machine cryogénique selon l'une des revendications 1 à 10, comprenant plusieurs doigts froids, chaque doigt froid étant connecté fluidiquement à un ou plusieurs compresseurs centrifuges.
  12. Machine cryogénique selon l'une des revendications 1 à 11 en combinaison avec la revendication 4, comprenant en outre un circuit (40, 50, 51, 52) de circulation de fluide de travail du réservoir tampon (11) à haute pression vers le réservoir tampon (10) à basse pression, de sorte à refroidir une pièce déportée vis-à-vis du doigt froid (20) et découplée mécaniquement dudit doigt froid (20).
  13. Engin spatial comprenant une machine cryogénique selon l'une des revendications 1 à 12.
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