FR2523700A1 - Appareil de refroidissement cryogenique de petite dimension - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE LES APPAREILS MINIATURES DE REFROIDISSEMENT CRYOGENIQUE. ELLE SE RAPPORTE A UN APPAREIL QUI COMPORTE UN PISTON AUXILIAIRE PLEIN 46 QUI DEPLACE LE FLUIDE PROVENANT D'UN COMPRESSEUR PAR UNE ENTREE 28 ET QUI A CIRCULE DANS UNE MATIERE FIXE 48 DE RECUPERATION. UN SECOND PISTON AUXILIAIRE 62 CONTIENT AUSSI UNE MATIERE DE RECUPERATION DE CHALEUR 66, SI BIEN QUE DEUX ESPACES 54 ET 72 SONT FORMES POUR LE FLUIDE DE TRAVAIL. LE GAZ SUBIT UN REFROIDISSEMENT PREALABLE PUIS UN REFROIDISSEMENT SI BIEN QU'IL PRESENTE UN GRADIENT REDUIT DE TEMPERATURE. APPLICATION AUX APPAREILS DE REFROIDISSEMENT DES CAPTEURS INFRAROUGES.

Description

La présente invention concerne de façon générale les appareils de

refroidissement cryogénique Elle concerne

plus précisément les appareils cryogéniques de petite di-

mension, à cycles répartis, ayant une section à compresseur séparée de la section de refroidissement, le compresseur

fonctionnant avec des phases réparties.

On utilise beaucoup les appareils miniatures de refroidissement cryogénique pour le refroidissement des cristaux jouant le rôle de transducteurs Le refroidissement réduit les vibrations du réseau qui pourraient cacher le signal de sortie ou perturber sa qualité Une application particulièrement importante est le refroidissement du matériau de détection infrarouge des dispositifs de vision nocturne

et de recherche de source de chaleur Les appareils cryogé-

niques miniatures sont aussi utiles dans des applications

médicales, par exemple pour la congélation de petites quan-

tités de tissus du cerveau dans le traitement de la maladie de Parkinson Bien que les critères fixés à un appareil cryogénique varient beaucoup avec l'application, certaines considérations importantes portent sur son rendement de fonctionnement, sa durabilité, son faible encombrement, son poids, son comportement microphonique (c'est-à-dire son comportement en présence de vibrations dues au moteur du compresseur, à un gaz comprimé ou aux chocs physiques des

éléments mobiles de l'appareil) et le comportement thermo-

phonique (qui peut être considéré comme le bruit blanc élec-

tronique créé par la chaleur transmise de la partie plus chaude à la partie plus froide de l'appareil) Dans les applications qui mettent en oeuvre des capteurs infrarouges destinés à des dispositifs aéroportés, tous ces facteurs ont

leur importance.

Un appareil actuellement utilisé dans les installa-

tions militaires est décrit dans l'article de Franz Chellis, "I Comparing Closed-Cycle Cryocoolers"l of Electro-Optical Systems Design, novembre 1979 est un appareil à cycle intégral de Stirling, c'est-à-dire dans lequel le compresseur et

l'appareil de détente forment un seul ensemble mécanique.

L'appareil de détente est une structure cylindrique allongée appelée "doigt froid" car il a la forme d'un doigt et le refroidissement cryogénique s'effectue à son extrémité Un

moteur entraîne un piston du compresseur et le piston au-

xiliaire par l'intermédiaire d'un pignon hélicoïdal lubrifié. Un volant est monté sur l'arbre du moteur et est destiné à réduire les vibrations dues au moteur et à empêcher leur transmission à l'appareil de détente Le piston comprime un fluide de travail qui est habituellement un gaz à faible

température de congélation, tel que l'hélium, qui est trans-

mis à l'appareil de détente Le gaz comprimé circule dans un piston auxiliaire à déplacement axial d'une manière telle qu'il refroidit un volume de travail délimité entre une extrémité du piston auxiliaire et une plaque d'extrémité du boîtier du doigt froid Lecourant de gaz vers cette région s'effectue par l'intermédiaire d'une matière récupératrice

ou récupérateur contenu dans le piston auxiliaire Le récu-

pérateur joue le rôle d'un échangeur de chaleur et maintient un gradient de température entre l'extrémité froide du doigt et l'entrée de gaz Le récupérateur est souvent formé par une grille métallique ou de petites sphères de cuivre ou de

nickel Dé toute manière, le récupérateur a une masse rela-

tivement grande.

L'inconvénient important de ce dispositif est que, malgré le volant, la transmission des vibrations du moteur

au doigt froid est importante Dans de nombreuses applica-

tions, ce niveau irréductible de vibrations est inacceptable.

Un autre problème posé par cet appareil intégral est que le lubrifiant destiné au pignon hélicoïdal se détériore et peut se recondenser en obturant des passages de circulation de fluide L'usure des joints présente le même inconvénient et en outre peut permettre des fuites de fluide qui réduisent le rendement de l'apareil Celui-ci est aussi relativement lourd (environ 1,8 kg),encombrant (la section de compression dure environ 11,5 x 9 cm et le doigt froid dépasse de 7,5 à 10 cm) et il a une durée de fonctionnement qui est par exemple de l'ordre de 300 à 500 h Le poids, l'encombrement et les problèmes

microphoniques posés par oet appareil le rendent particu-

lièrement peu adapté à certaines applications dans les engins aéroportés. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 078 389 décrit un autre appareil de refroidissement qui, dans des modes de réalisation différents, met en oeuvre soit le cycle de Stirling, soit le cycle de Vuillieumier Ce brevet cherche la résolution des problèmes posés par le raccordement d'un arbre rotatif d'entraînement à deux pistons à déplacement

rectiligne, déphasés de 1800 l'un par rapport à l'autre.

Dans le mode de réalisation à cycle de Stirling, une manivelle montée excentriquement entraîne une bielle de raccordement à double articulation qui entraîne elle-même les pistons et le

piston auxiliaire suivant un trajet sensiblement rectiligne.

Dans le mode de réalisation à cycle de Vuillieumier, une transmission à étrier est raccordée à une manivelle rotative montée excentriquement afin qu'une force sensiblement linéaire d'entraînement soit appliquée à deux pistons Ces arrangements présentent deux inconvénients importants D'abord, comme dans

l'appareil décrit précédemment, le moteur est couplé méca-

niquement directement au piston auxiliaire La réduction des

caractéristiques microphoniques est donc très difficile.

Ensuite, les appareils d'entraînement exercent la force d'entraînement avec un bras de couple relativement grand qui provoque l'application d'une poussée latérale importante sur les joints principaux En conséquence, ils s'usent et

tombent en panne rapidement.

On connaît des dispositifs à cycles répartis de Stirling ayant une section de compression séparée du doigt froid par des conduits qui transmettent le fluide de travail afin que les vibrations du compresseur soient isolées du doigt froid Les brevets des Etats-Unis d'Amérique no 4 090 859 et 3 991 586 décrivent un appareil à un seul

cycle réparti de Stirling et un seul compresseur Les bre-

vets des Etats-Unis d'Amérique N O 4 206 609 et 4 092 833 décrivent des appareils à double cycle réparti de Stirling

et à compresseur composite Un problème courant de réalisa-

tion de ces appareils est la réduction du bruit acoustique créé par un distributeur oscillant librement qui vient heurter alternativement les surfaces de confinement formées à l'intérieur du doigt froid Le bruit est surtout gênant dans les appareils à un seul cycle réparti de Stirling. Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 090 859 met en oeuvre, pour le réglage du déplacement du piston auxiliaire, un ressort pneumatique fermé placé à l'extrémité

du doigt froid opposée à celle qui est refroidie cryogéni-

quement Le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 3 991 586

met en oeuvre un ressort et un électro-aimant pour la comman-

de du déplacement du piston auxiliaire Ces deux systèmes

présentent néanmoins un grand nombre de problèmes du type dé-

crit dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique

nô 4 206 609 Par exemple, la fréquence élevée de fonctionne-

ment du dispositif crée des forces élevées d'accélération et

de décélération Les forces importantes associées à l'oscilla-

tion du piston auxiliaire créent des vibrations à effet micro-

phonique nuisible malgré les effets des ressorts pneumatique et mécanique Un autre problème est'posé par l'usure des joints de friction surtout lorsque le degré de friction est important pour la réduction du mouvement du piston auxiliaire Un autre problème est dû à la chaleur due au frottement ou à la compression du gaz dans le volume pneumatique Les ailettes rayonnantes peuvent être utilisées afin qu'elles facilitent

la dissipation, mais elles augmentent la taille du disposi-

tif En outre, aucun appareil à un seul cycle réparti de

Stirling n'a une durée acceptable de fonctionnement repro-

ductible Une durée de fonctionnement est en général de l'ordre de 10 h. Les brevets des Etats-Unis d'Amérique N O 4 092 833

et 4 206 609 décrivent des appareils dans lesquels non seule-

ment le compresseur est physiquement séparé du doigt froid

mais encore il met en oeuvre une phase répartie Le compres-

seur a deux pistons qui imposent une pression à un gaz dans

des conduits séparés qui sont raccordés à des chambres sé-

parées formées dans le doigt froid Dans le brevet des Etats-

Unis d'Amérique no 4 092 833, les cylindres de compresseur sont déphasés de 1800 et un premier piston a une surface efficace inférieure à celle de l'autre piston Le doigt froid a donc un mode de fonctionnement réparti de type alternatif, un cylindre de compression provoquant une aspi- ration dans une chambre qui facilite la compression due

à l'autre cylindre du compresseur dans l'autre chambre.

Dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique N O 4 206 609, deux pistons qui ont encore des dimensions différentes,

sont déphasés de 90 , le cylindre ayant le plus grand pis-

ton formant des ondes de gaz comprimé transmises dans un

piston auxiliaire de grande dimension vers le volume à re-

froidir Le piston de petite dimension alimente un piston auxiliaire fixe plus petit qui se-loge à l'extrémité du

piston auxiliaire de grande dimension, opposée à l'extré-

mité refroidie Cette disposition donne aussi un mode de fonctionnement alternatif Dans un mode de réalisation, le

conduit partant du cylindre ayant le grand piston et rejoi-

gnant le piston auxiliaire principal est enroulé autour de

l'extrémité "chaude" du piston auxiliaire principal dans le-

quel un petit piston auxiliaire est placé, afin que le gaz

transmis au piston auxiliaire principal soit refroidi pré-

alablement Ce brevet N O 4 206 609 décrit aussi un piston

auxiliaire à plusieurs étages dans lequel le gaz de tra-

vail s'écoule vers l'extrémité refroidie par l'intermédiaire

de plusieurs récupérateurs ayant des volumes décroissants.

Le récupérateur placé dans les pistons auxiliaires, dans tous les appareils à un seul cycle réparti et à deux cycles répartis, est porté dans le piston auxiliaire qui oscille essentiellement sous l'action des pressions exercées par

les fluides.

Cependant, les appareils décrits dans les brevets précités des Etats-Unis d'Amérique N O 4 092 833 et 4 206 609 présentent aussi des inconvénients Le problème principal posé par l'appareil décrit dans le brevet n O 4 092 833 est que des ondes de pression créées dans le

volume "arrière" ne réduisent pas efficacement les pertur-

6 25237-oo bations microphoniques et ne résolvent pas les problèmes d'accélération et de décélération Le principal inconvénient

du brevet précité n 4 206 609 est que l'appareil ne ré-

sout pas efficacement les problèmes dus aux vibrations asso-

ciées au piston auxiliaire qui a une grande masse et qui

oscille à une fréquence élevée.

L'invention concerne donc essentiellement un appareil cryogénique miniature qui est très efficace, peu

encombrant et qui ne crée que peu de perturbations micropho-

niques et thermophoniques.

Elle concerne aussi un appareil qui met en oeuvre

un double cycle réparti de Stirling de type composite, l'appa-

reil ayant une durée de vie relativement grande.

Elle concerne aussi un appareil qui comprend un compresseur à phases réparties qui est peu encombrant et qui présente une réduction importante de poids par rapport aux

appareils connus.

Elle concerne aussi un appareil présentant les avantages précités et qui réduit l'usure des joints et évite

les problèms posés par la détérioration du lubrifiant.

Elle concerne aussi un appareil ayant tous ces avantages et qui est formé de matériaux classiques et a un

coût de fabrication compétitif.

Un appareil miniature de refroidissement cryogé-

nique selon l'invention comporte un doigt froid qui a un piston auxiliaire qui est libre de se déplacer en translation suivant son axe longitudinal dans un boîtier qui l'entoure, habituellement de forme cylindrique, et qui comporte une

plaque d'extrémité qui est au contact d'une charge thermique.

Le bottier a une entrée principale qui reçoit un fluide de

travail d'un premier cylindre d'un compresseur à phases ré-

parties et une entrée secondaire qui reçoit le fluide de travail de l'autre cylindre L'entrée principale transmet un fluide de travail à une première extrémité d'un matériau fixe de récupération placé dans un volume annulaire délimité entre le boîtier et le piston auxiliaire Ce dernier est plein et est avantageusement formé d'un matériau léger tel que le

"Nylon" L'extrémité du piston auxiliaire adjacente à la pla-

que d'extrémité a de préférence une configuration étagée qui coopère avec un jeu de disques espacés les uns des autres

et qui jouent le rôle d'un échangeur de chaleur.

Un piston auxiliaire secondaire se loge dans un canal formé à l'extrémité du piston auxiliaire principal qui est opposée à la plaque d'extrémité et il porte à l'intérieur un matériau de récupération La seconde entrée transmet le

fluide de travail à une première entrée du matériau de ré-

'cupération L'extrémité opposée du piston auxiliaire se-

condaire a aussi avantageusement une cavité étagée à son bord, cette cavité, en coopération avec les passages de

circulation de fluide formés à la base de la cavité, facili-

tant le transfert de chaleur dans un volume de travail à l'intérieur du piston auxiliaire principal Ce volume est refroidi par le piston auxiliaire secondaire et les courants

associés de fluide, et il est placé entre l'entrée princi-

pale et la plaque d'extrémité afin que le courant de fluide

circulant dans le récupérateur principal soit refroidi pré-

alablement et que son gradient de température soit ainsi ré-

duit Cette disposition, lors de la mise en oeuvred'un mode

de Stirling, donne un cycle de Stirling "composite" caracté-

risé par deux cycles de travail à boucle fermée sur un dia-

gramme pression-volume, avec une forme générale en haricot.

Le piston auxiliaire principal est de préférence entouré par un manchon qui part d'un déflecteur disposé à l'extrémité "chaude" dumatériaude récupération, et qui est dirigé vers l'échangeur de chaleur, à l'extrémité froide Les joints classiques ferment l'espace séparant le boîtier du piston auxiliaire, guident le déplacement de ce

dernier, et empêchent tout courant de retour du gaz de tra-

vail Mis à part le refroidissement préalable du courant

principal de fluide, le piston auxiliaire secondaire fonc-

tionne aussi avec un déphasage alternatif par rapport au piston auxiliaire principal afin que le rendement soit accru et que le déplacement du piston auxiliaire principal soit réglé à l'aide des ondes différentielles de pression

appliquées aux extrémités opposées Cette action alter-

native, en coopération avec la masse relativement faible du

piston auxiliaire principal, provoque une réduction impor-

tante du comportement microphonique et de l'usure des joints, et donne une longue durée moyenne de vie Les rapports

longueur-diamètre des deux pistons auxiliaire sont de pré-

férence d'au moins 2/1.

D'autres caractéristiques et avantages de l'inven-

tion ressortiront mieux de la description qui va suivre,

faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure 1 est une coupe verticale d'un ensemble à doigt froid selon l'invention, pouvant fonctionner par mise en oeuvre d'un double cycle réparti "composite" de Stirling; la figure 2 est une élévation latérale en coupe verticale partielle avec des parties arrachées d'un appareil

cryogénique miniature selon l'invention, comprenant l'en-

semble à doigt froid représenté sur la figure 1 et un com-

presseur à phase répartie la figure 3 A est un diagramme pression-volume ou

de travail du volume principal de travail refroidi cryogé-

niquement d'un appareil à double cycle composite réparti de Stirling du type représenté sur les figures 1 et 2 la figure 3 B est un diagramme correspondant à la figure 3 A, correspondant au volume auxiliaire de travail qui refroidit préalablement le gaz qui'circule vers le volume principal de travail la figure 3 C est un diagramme correspondant à la superposition des diagrammes des figures 3 A et 3 B, indiquant le refroidissement résultant de l'ensemble de l'appareil la figure 4 est une élévation latérale simplifiée correspondant à la figure 1 d'une variante d'ensemble à doigt froid selon l'invention, en coupe par un plan vertical, n'ayant pas de piston auxiliaire secondaire; et la figure 5 est un graphique représentant les ondes

de pression en fonction du déphasage dans les deux canali-

sations d'alimentation en gaz partant du compresseur et

rejoignant l'ensemble à doigt froid.

Les figures 1 et 2 représentent un appareil mi-

niature 12 de refroidissement cryogénique qui comporte un ensemble 14 à doigt froid, un compresseur 16 à phase répartie et des conduits 18 et 20 qui relient les sorties 22 et 24

du compresseur à des entrées 26 et 28 du doigt froid res-

pectivement Bien que l'appareil représenté ait ces éléments avec une orientations et des dimensions particulières, il faut noter que les dimensions peuvent beaucoup varier et que la disposition relative des éléments dépend de nombreux

facteurs tels que les critères physiques fixés par les con-

ditions finales d'utilisation et le degré voulu de sépara-

tion du compresseur et du doigt froid afin que le compor-

tement microphonique ait le niveau voulu et en fonction de la charge thermique Le compresseur agit sur un fluide de

travail, par exemple un gaz à faible température de congé-

lation tel que l'hélium, transmis par les conduits 18 et 20 aux deux volumes séparés de travail 54, 72 formés dans le doigt froid Le compresseur forme des ondes de pression dans le gaz qui effectue un travail dans les deux volumes de travail, en mode de refroidissement de Stirling afin qu'un bout 14 a

du doigt froid adjacent à la chaleur thermique soit refroi-

di à des températures cryogéniques.

Le doigt froid 14 a un boîtier externe 30 qui

comprend une paroi latérale 31 de forme générale cylin-

drique, une plaque 32 d'extrémité et une plaque opposée

34 d'extrémité Le boîtier est formé de tout matériau ro-

buste convenable tel que l'acier inoxydable, à l'exception de la plaque 32 d'extrémité adjacente à la charge thermique qui est de préférence formée d'une matière telle qtue le

cuivre qui possède une excellente conductibilité thermique.

La plaque 32 est brasée sur une bague 36 de montage qui est elle-même soudée à la paroilatérale 31 Le boîtier

est formé de manière étanche afin qu'il empêche la clrcu-

lation du gaz autrement que par les entrées 26 et 28 L'en-

trée 26 est placée dans la paroi latérale 31 et l'entrée 28 dans la plaque 34 d'extrémité, de préférence en un point aligné de façon générale sur l'axe longitudinal central du boîtier 30 comme indiqué par la flèche 38 L'entrée 26

contient un élément 39 de filtration.

Un manchon 40 est fixé dans le boîtier, en posi-

tion sensiblement coaxiale aux parois 31 L'extrémité infé-

rieure du manchon, comme représenté, est soudée à un dé-

flecteur 42 sous forme d'une bague annulaire Le manchon et le déflecteur sont de préférence formés d'acier inoxydable. Le manchon aboutit à une partie annulaire 40 a d'extrémité qui est sensiblement parallèle à la plaque 32 d'extrémité, avec un orifice central 44 La surface externe du manchon 44 est alignée de façon générale sur la circonférence de la plaque

32 d'extrémité Le déflecteur 42 est supporté par deux or-

ganes concentriques 45 et 47 qui dépassent axialement de la plaque 34 d'extrémité vers le déflecteur et radialement

à partir de l'intérieur du déflecteur, vers la paroi 31.

Les principales caractéristiques de l'invention portent sur un piston auxiliaire 46 et un matériau fixe 48 de récupération qui est extérieur au piston auxiliaire Ce

piston auxiliaire 46 est un organe plein et il est de pré-

férence formé d'une matière plastique légère telle que le "Nylon" Cette construction permet la formation d'un piston

auxiliaire ayant une masse très inférieure à celle des pis-

tons auxiliaires actuellement utilisés dans les appareils miniatures de refroidissement cryogénique mettant en oeuvre un cycle de Stirling, si bien qu'ils créent beaucoup moins

de bruit microphonique Le piston-auxiliaire a une configu-

ration générale cylidnrique et il est placé coaxialement dans le manchon 40 Les gorges circonférentielles 50 formées dans le piston auxiliaire contiennent chacune un joint classique 52 Les gorges sont suffisamment larges pour qu'elles permettent un logement fiable du joint tout en permettant à ceux-ci de dépasser radialement des surfaces

externes du piston auxiliaire et de venir en contact glis-

sant avec la surface interne du manchon 40 Les joints 52 remplissent les fonctions habituelles de positionnement du piston auxiliaire, d'empêchement de la circulation du gaz de travail, et de formation d'un joint glissant à frottement En ce qui concerne cette dernière fonction, le piston auxiliaire a une longueur inférieure à celle de Il l'espace interne du boîtier, mesuré suivant l'axe 38, afin

qu'il reste un faible espace au-delà des surfaces d'extré-

mité 46 a et 46 b du piston auxiliaire Cet espace peut avoir une valeur maximale qui est de l'ordre de 3 mm environ Cet espace, en coopération avec le montage dans le manchon 40, permet au piston auxiliaire de se déplacer linéairement en translation suivant l'axe 38 entre une première position d'extrémité dans laquelle la surface 46 a est en butée contre la plaque 32 et une autre position d'extrémité dans laquelle la surface 46 b est en butée contre la plaque 34 Un avantage de l'invention est que l'appareil permet l'utilisation d'un piston auxiliaire qui a un bon rapport longueur/diamètre,

réduisant efficacement l'usure des joints.

Le matériau 48 de récupération est placé dans un volume annulaire entourant le piston auxiliaire, délimité

par le manchon 40, la paroi 31, le déflecteur 42 et la sur-

face interne de la plaque 36, et elle remplit totalement ce volume annulaire Le matériau est représenté sous forme de

petites sphères d'un métal tel que le cuivre ou le nickel.

D'autres matériaux classiques tels qu'une grille métallique

sont aussi acceptables La matière 48 remplit les fonc-

tions habituelles de récupération en formant une source qui peut absorber ou fournir de la chaleur, coopérant avec le gaz de travail qui s'écoule à travers cette source, avec maintien d'un gradient de température entre l'extrémité froide 14 a de l'ensemble et l'extrémité "inférieure" ou

chaude du matériau près de l'entrée 26 et du déflecteur 42.

Le gaz s'écoule alternativement dans le matériau 48 sous l'action des ondes de pression produites par le compresseur

16 dans la canalisation 20 Ce courant aboutit dans un pre-

mier volume 54 de travail placé entre la plaque 32 d'ex-

trémité et la surface adjacente du piston auxiliaire.

Un ensemble 56 d'échange de chaleur est placé dans le volume 54 afin qu'il facilite le transfert efficace

de chaleur de la plaque 32 d'extrémité au gaz Lorsque l'en-

semble 56 comporte une pile de disques 58 séparés par des entretoises 60 Les disques sont de préférence formés de cuivre afin qu'ils facilitent le transfert de chaleur et ils

sont orientés sensiblement en direction parallèle à la pla-

que 32 d'extrémité Les entretoises sont brasées ou soudées sur les disques et sont aussi de préférence formées de cuivre L'espacement des disques est suffisamment faible pour que les sphères du matériau 48 de récupération ne puissent pas pénétrer dans le volume 54 (Le filtre 39 placé à l'entrée 26 a aussi pour rôle de retenir les sphères dans le volume annulaire) Les disques dépassent radialement à partir d'un diamètre externe qui correspond à une surface alignée de façon générale à la surface externe du manchon 40,

jusqu'à une surface interne distante d'une saillie cen-

trale complémentaire 46 c du piston auxiliaire qui aboutit à la surface 46 a L'ensemble 56 formant échangeur de chaleur forme un trajet de circulation pour le gaz qui pénètre dans

le volume 54 et le quitte, si bien que le transfert de cha-

leur est accentué par une turbulence du courant et par exposition du courant de gaz à des surfaces supplémentaires

de transfert de chaleur.

Dans le mode de réalisation avantageux représenté

sur la figure 1, le doigt froid 14 a aussi un piston auxi-

liaire secondaire 62 qui est plus petit que le piston auxi-

liaire principal 46, à la fois en longueur et en diamètre, et qui se loge dans un alésage central 64 aligné axialement à l'extrémité "chaude" du piston auxiliaire principal près de la plaque 34 d'extrémité et de l'entrée 28 Contrairement au piston auxiliaire 46, ce piston secondaire a une cavité centrale qui est remplie d'un matériau de récupération 66 qui peut être du même type que le matériau 48 Un joint 68 retenu dans une gorge 70 formée à laparoi interne de l'alésage 64 empêche les fuites du gaz de travail hors d'un second volume 72 de travail placé à l'extrémité de l'alésage

64, sous l'extrémité froide 62 a du piston auxiliaire.

Le piston auxiliaire 62 est fixe par rapport au boîtier, son bord "inférieur" 62 b étant fixé à la plaque d'extrémité 34 Un bouchon 74 maintenu dans l'entrée 28 (qui peut aussi jouer le rôle d'un filtre à gaz) empêche

la sortie de la matière 46 de récupération hors de l'in-

térieur du piston auxiliaire Le gaz circule à travers la matière 66, entre l'entrée 28 et le volume 72 L'extrémité froide 62 a du piston auxiliaire 62 a une cavité 76 Dans le cas d'un piston auxiliaire miniature 62 ayant par exemple une longueur totale de 51 mm et un diamètre par exemple

de 4,4 mm pour l'alésage 64, la cavité 76 présente un re-

trait de 0,075 mm Des passages 78 de circulation de gaz sont formés dans le piston auxiliaire à la base de la cavité

afin que le gaz puisse circuler entre l'intérieur et l'ex-

térieur du piston auxiliaire Cette cavité et les passages

de circulation permettent une augmentation de la turbu-

lence du courant gazeux pénétrant dans le volume 72 si bien

que le rendement d'échange de chaleur est accru.

Une caractéristique importante de l'invention est

que le volume 72 de refroidissement associé au piston au-

xiliaire secondaire est placé suffisamment loin dans le corps du pistonauxiliaire principal pour qu'il soit disposé entre l'entrée et le volume principal 54 de travail, et de

préférence bien au-dessus de l'entrée 26 (comme représenté).

Cet arrangement utilise le refroidissement produit dans le volume 72 au refroidissement préalable du courant de gaz

dans le matériau principal 48 de récupération Cette dis-

position réduit notablement le gradient de température axiale dans le matériau 48 de récupération et provoque alors une augmentation du rendement de fonctionnement et une réduction des perturbations thermophoniques Cet arrangement peut être caractérisé comme constituant un "pseudo-système" à deux étages puisqu'il assure un refroidissement préalable, mais la configuration et la fonction des étages diffèrent d'un arrangement normal à plusieurs étages décrit par exemple

dans le brevet précité des Etats-Unis d'Amérique na 4 206 609.

Cet arrangement fonctionne suivant un cycle de Stirling "composite" tel que décrit en référence aux figures 3 A à 3 C. Le refroidissement résultant produit par le travail exécuté sur le gaz dans le volume 54 est représenté par le cycle 54 a de travail ou la boucle en haricot de la figure 3 A. Le refroidissement résultant produit dans le volume 72 est

représenté sur le diagramme pression-volume p-V par la bou-

cle 72 a représentée sur la figure 3 B La figure 3 C repré-

sente les deux boucles 54 a et 72 a sur un même diagramme

p-V Dans ce mode de fonctionnement "composite", les bou-

cles 54 a et 72 a peuvent être séparées, peuvent se recouvrir partiellement (comme représenté sur la figure 3 C) ou peuvent

coincider pratiquement Ce cycle de Stirling "composite" assu-

re un refroidissement plus efficace que les appareils classi-

* ques à cycle intégral de Stirling ou les appareils à un seul

cycle réparti de Stirling.

Le compresseur 16 peutêtre de tout type Il crée de préférence des ondes de pression déphasées de 90 dans les canalisations 18 et 20 Cependant, on peut aussi utiliser des déphasages autres que 90 Le déphasage est cependant compris entre 60 et 120 par exemple Pour tout déphasage compris dans cette plage, l'augmentation de la pression dans l'un des volumes 54 ou 72 est contrecarrée par une pression qui augmente vers sa valeur maximale dans l'autre des volumes,

mais avec un déphasage Cette disposition assure une coor-

dination alternative avantageuse des pressions du gaz dans les volumes 54 et 72 Ce fonctionnement alternatif de l'ensemble à doigt froid est dû à la différence de pressions entre les ondes de pression des conduits 18 et 20, cette différence

étant elle-même créée par le compresseur 16 à phase répartie.

La figure 5 représente la relation entre ces ondes de pres-

sion l'une étant représentée en traits interrompus et l'autre en traits pleins Les deux ondes représentées sur la figure correspondent aux conduits 18 et 20 et aux volumes 54 et 72 respectivement Lorsqu'une pression élevée est acheminée

dans le volume 54 de travail, une faible pression est trans-

mise au volume 72 de travail Dans un cycle de fonctionne-

ment, la situation est progressivement commutée afin qu'une pression élevée soit transmise dans le volume 72 et une faible pression dans le volume 54 La combinaison d'une

condition à haute pression dans un premier volume de tra-

vail et d'une condition à basse pression dans l'autre volume de travail assure le mode alternatif de fonctionnement de

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l'appareil agissant sur le piston auxiliaire 46.

L'appareil 12 décrit précédemment présente de nom-

breux avantages lorsqu'il est utilisé dans un appareil mi-

niature de refroidissement cryogénique D'abord,comme in-

diqué précédemment, son encombrement est très faible L'en- semble de l'appareil 12 peut être logé dans un compartiment ayant 7,5 cm de côté Le compresseur et les autres éléments sont relativement légers, un poids total d'environ 675 g pouvant être obtenu, contrairement à celui des appareils miniatures aéroportés de type intégral q'ui ont un poids

de 2 kg et plus.

Lors du fonctionnement, le compresseur 16 forme une onde de pression qui varie sinusoidalement dans les canalisations 18 et 20 et en conséquence dans les volumes 54 et 72 Les ondes dans les deux canalisations présentent un déphasage qui varie de 60 à 1200 et qui est de préférence de 90 Cette pression variable du gaz dans les volumes 54 et 72 provoque un déplacement du piston auxiliaire 46 de

façon alternative, suivant une translation rectiligne rapide.

Ce mouvement est contrecarré et maîtrisé par le frottement

des joints 52 et 68 ainsi que par les ondes de pression.

Comme indiqué précédemment, une caractéristique importante de l'invention est que le comportement microphonique du piston auxiliaire 46 qui vient cogner les surfaces de butée dans le bottier 30 est notablement améliorée ( 1) par la faible masse du piston auxiliaire plein 46, et ( 2) par le réglage du mouvement produit par les pressions opposées régnant dans les volumes 54 et 72 et agissant aux extrémités opposées du même organe mobile Il faut noter que cette maîtrise dépend aussi évidemment de la surface sur laquelle agit la pression du gaz En général, la surface efficace présentée au gaz sous pression dans le volume 54 est au moins le double de celle qui est présentée au gaz sous pression dans le volume 72 Cette différence de surfaces est compensée cependant dans une certaine mesure par les variations de la pression créée dans les canalisations 18 et 20 Il est aussi important de noter que l'appareil de

refroidissement cryogénique selon l'invention doit fonc-

tionner efficacement avec tous les avantages indiqués pré-

cédemment pour toutes les pressions moyennes utiles en pratique, et notamment à des pressions relativement faibles du gaz, par exemple inférieures à 20 bars.

On a décrit un appareil miniature de refroidisse-

ment cryogénique pouvant fonctionner par mise en oeuvre d'un double cycle réparti "composite" de Stirling, ayant un mode de fonctionnement à phase répartie et alternative

qui présente un rendement élevé, qui crée peu de pertur-

bations microphoniques et thermophoniques, qui a un faible encombrement, un faible poids et une durée relativement longue de fonctionnement L'appareil donne des niveaux

acceptables d'usure des joints à la fois dans le compres-

seur et dans le doigt froid et n'utilise pas de lubrifiant qui peut se détériorer lors du fonctionnement Le doigt

froid assure un échange accru de chaleur au niveau des vo-

lumes de travail et met en oeuvre un refroidissement pré-

alable créé par un piston auxiliaire secondaire, si bien que le gradient de température le long du récupérateur est relativement faible Tous ces avantages sont obtenus à l'aide

d'une construction relativement peu complexe.

Il est bien entendu que l'invention n'a été dé-

crite et représentée qu'à titre d'exemple préférentiel et qu'on pourra apporter toute équivalence technique dans ses éléments constitutifs sans pour autant sortir de son

cadre Par exemple, la figure 4 représente une variante.

L'ensemble à doigt froid qui y est représenté est analogue

à celui de la figure 1, mais ne comporte pas de piston au-

xiliaire secondaire monté afin qu'il se déplace en trans-

lation axiale dans un piston auxiliaire principal 46 ' (les

éléments analogues des figures 1 et 4 portent les mêmes ré-

férences, suivies du signe ') Le gaz qui circule par l'en-

trée 28 ' agit sur la surface "inférieure" ou de l'extrémité

chaude du piston auxiliaire et donne un mode alterna-

tif de fonctionnement décrit précédemment en référence aux

figures 1 et 4 Un inconvénient important de cette disposi-

tion est que le refroidissement préalable du gaz de travail

circulant par l'entrée 26 ' et rejoignant le volume princi-

pal de travail 54 ' est pratiquement inexistant.

L'appareil peut aussi mettre en oeuvre d'autres cycles, par exemple le cycle de Vuillieumier ou le cycle

de Gifford-McMahon.

18 2523700

Claims (9)

REVENDICATIONS

1 Appareil miniature de refroidissement cryogénique, comportant un compresseur ayant deux sorties, un premier et un second conduit ( 18, 20) transmettant un fluide de travail et reliés chacun à une première extrémité aux sor- ties de manière que les courants transmis par le compresseur présentent une phase répartie, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier allongé ( 30) ayant une première extrémité qui a une surface sensiblement transversale au boîtier et qui

est refroidie cryogéniquement, et une seconde extrémité oppo-

sée à la première, un piston auxiliaire ( 46) placé dans le boîtier de manière que son axe longitudinal soit aligné de façon générale sur celui du boîtier, un dispositif de montage du piston auxiliaire afin qu'il se déplace longitudinalement en translation, le piston

auxiliaire ayant une première extrémité adjacente à 'la pre-

mière extrémité du boîtier et, avec la première extrémité du boîtier, délimitant un premier volume de travail ( 54), et

une seconde extrémité distante longitudinalement de la pre-

mière extrémité de manière que, avec la seconde extrémité du boîtier, elle délimite un second volume ( 72), une première entrée de fluide ( 26) placée dans le boîtier ( 30) et assurant la communication entre le premier conduit ( 18) et le premier volume de travail ( 54), une seconde entrée de fluide ( 28) placée dans le

boîtier et assurant la communication entre le second con-

-duit ( 20) et le second volume ( 72), un dispositif destiné à limiter la circulation du gaz de travail entre le premier et le second volume, et une matière fixe ( 48) de récupération placée sur le trajet de circulation du fluide de travail de la première entrée au premier volume 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en

ce que le matériau de récupération ( 48) est disposé longi-

tudinalement de la première entrée à la première extrémité

du boîtier.

3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en

ce que le piston auxiliaire ( 46) est plein.

4 Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que le piston auxiliaire ( 48) est formé d'une matière légère. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le piston auxiliaire ( 46) est formé d'une matière plastique. 6 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un échangeur de chaleur ( 56)

placé dans le premier volume de travail ( 54).

7 Appareil selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'échangeur de chaleur ( 56) comporte au moins un

disque annulaire distant de la surface refroidie cryogéni-

quement parallèlement à l'axe longitudinal du boîtier ( 30).

8 Appareil selon la revendication 7, caractérisé en

ce que le dispositif de montage du piston auxiliaire com-.

porte un manchon ( 40) qui entoure le piston auxiliaire et

a une surface d'extrémité parallèle à la surface refroidie.

9 Appareil selon la revendication 8, caractérisé en ce que le disque annulaire au moins est monté à distance de la surface refroidie et de la partie adjacente au moins

de la première extrémité du piston auxiliaire et parallèle-

ment à cette surface.

Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ce que les disques sont formés de cuivre ou d'un autre

métal, et l'espacement est choisi de manière que le dé-

placement de la matière de récupération dans le premier

volume de travail soit limité -

11 Appareil selon la revendication 1, caractérisé

en ce que les sections de la première et de la seconde ex-

trémité du piston auxiliaire ( 46) sur lesquelles agissent les pressions du fluide de travail sur le premier et le

second volume, ont des valeurs choisies d'après les pres-

sions du fluide dans le premier et le second conduit ( 18,

) et le déphasage entre les pressions dans les deux con-

duits afin que le piston auxiliaire présente un déplacement

alternatif en translation.

12 Appareil de refroidissement cryogénique à double cycle réparti de Stirling ayant un compresseur à phase -répartie comprenant deux sorties indépendantes, un premier et un second conduit transmettant un fluide de travail étant reliés chacun à l'une des sorties sous pression avec un déphasage donnant une phase répartie par le compresseur, ledit appareil étant caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier allongé ( 30) ayant une première surface d'extrémité qui est refroidie cryogéniquement et une seconde surface opposée à la première, un piston auxiliaire ( 46) placé dans le boîtier de manière que son axe longitudinal soit sensiblement aligné sur celui du boîtier, un dispositif de montage -du piston auxiliaire afin qu'il se déplace longitudinalement en translation, le piston

ayant une première extrémité adjacente à la surface refroi-

die du boîtier qui, avec la surface refroidie d'extrémité

de la partie adjacente du boîtier, délimite un premier vo-

lume de travail ( 54), et une seconde extrémité adjacente à la seconde extrémité du boîtier, une première entrée de fluide ( 26) disposée dans le boîtier et assurant la communication entre le premier conduit ( 18) et le premier volume de travail ( 54), une seconde entrée de fluide ( 28) placée dans le boîtier et assurant la communication entre le conduit et

une région adjacente à la seconde extrémité du piston au-

xiliaire, un dispositif d'étanchéité ( 52) destiné à limiter l'écoulement du fluide de travail entre la première et la seconde entrée, un matériau fixe de récupération ( 48) placé sur le

trajet de circulation du fluide de travail allant de la pre-

mière entrée au premier volume, et un second piston auxiliaire ( 62) monté de façon qu'il se déplace axialement en translation par coulissement dans un alésage formé dans le premier piston auxiliaire, le second piston auxiliaire portant une matière de récupération placée à l'intérieur et dans laquelle circule le fluide entre la seconde entrée et un second volume de travail ( 72) délimité par l'alésage et une première extrémité du second

piston auxiliaire.

13 Appareil selon la revendication 12, caractérisé

en ce que le second volume ( 72) est disposé longitudinale-

ment entre la première entrée etle premier volume afin qu'il

assure un refroidissement préalable du fluide de travail cir-

culant entre le premier conduit et le premier volume de tra-

vail. 14 Appareil selon la revendication 13, caractérisé en ce que la première extrémité du second piston auxiliaire ( 62) a une cavité et des passages de circulation du fluide de travail entre le matériau de récupération ( 66) porté par le second piston auxiliaire ( 62) et le second volume, par l'intermédiaire de la cavité, afin que l'échange de

chaleur soit accru dans le second volume grâce à la turbu-

lence du fluide, créée par la cavité et les passages.