FR2736710A1

FR2736710A1 - Refrigerateur ou pompe a chaleur a tube de pulsation alimente par un generateur de pression

Info

Publication number: FR2736710A1
Application number: FR9508439A
Authority: FR
Inventors: Gerard Claudet; Alain Ravex
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1995-07-12
Filing date: 1995-07-12
Publication date: 1997-01-17
Anticipated expiration: 2015-07-12
Also published as: JPH11508991A; WO1997003327A1; FR2736710B1; EP0838012A1

Abstract

Cette machine frigorifique est composée d'une chambre de génération de pression (30) à volume variable pour créer, par l'intermédiaire d'un régénérateur thermique (53), des ondes de pression dans un tube à pulsation (55). De la chaleur est extraite d'une source froide (57) et apportée à une source chaude (58) pour un réglage correct de l'installation. Selon l'invention, le volume de la chambre (30) varie en conséquence d'une translation circulaire d'une pièce mobile (32), ce qui permet d'éviter les problèmes d'usure et de lubrification associés aux pistons couramment utilisés pour obtenir le même effet. La pièce mobile (32) et une pièce fixe (31) en regard peuvent avoir des parois à profil en arcs de cercle, sinusoïdaux ou spiraux.

Description

REPTUGERATEUR OU POMPE A CHALEUR A TUBE DE PULSATION
ALIMENTE PAR UN GENERATEUR DE PRESSION
DESCRIPTION
L'invention concerne une machine réfrigérateur ou pompe à chaleur à tube de pulsation alimenté par un générateur de pression animé d'un mouvement de translation circulaire.

Selon le domaine d'application considéré ou selon la gamme de température concernée, le vocabulaire utilisé pour décrire certaines machines peut prendre des formes différentes.

C'est notamment vrai pour les machines thermiques dont le rôle est de transporter de l'énergie thermique (de la chaleur) depuis un niveau inférieur de température (source froide) jusqu'à un niveau supérieur de température (source chaude), faisant gagner l'énergie transférée en qualité.

La machine ' qui réalise tout transfert d'énergie thermique et donc valorise la chaleur transférée est assujettie aux principes généraux de la thermodynamique selon lesquels la transformation considérée consomme une énergie propre qui peut lui être communiquée sous une forme quelconque, le plus souvent mécanique, thermique ou électromagnétique.

Quand la machine considérée a pour but essentiel d'enlever de la chaleur à une source froide, il s'agit d'un réfrigérateur, quel que soit le niveau de température considéré. Quand la source froide est comprise entre quelques kelvins et environ 100 kelvins, on parle de réfrigérateur cryogénique. Quand la température de la source froide est de 200 à 250 kelvins (-70"C à -20 C environ) et surtout si l'installation est de grande taille, on parle de machine frigorifique ou de réfrigérateur industriel.

Pour les températures voisines de 0 C ou légèrement inférieures, on parle couramment de réfrigérateur ménager ou domestique. Enfin, si la source froide doit être maintenue entre 10 et 200C afin de rester à un niveau agréable, la machine est appelée un climatiseur.

Si au contraire le but recherché est l'apport de chaleur à la source chaude, la machine est appelée pompe à chaleur.

Mais les mêmes principes ou les mêmes procédés pourront toujours être utilisés pour ces appareils. Les procédés les plus couramment utilisés mettent en oeuvre des fluides choisis en fonction des niveaux de température considérés et qui sont soumis à des opérations destinées à faire varier leur température ou leur entropie. Pour les applications frigorifiques industrielles ou domestiques, les fluides généralement utilisés appartiennent à la famille des chlorofluorocarbones (CFC) et ils sont utilisés dans la gamme des températures où ils peuvent exister à l'état de fluide saturé.On utilise alors fréquemment le cycle de Rankine inversé, représenté sur la figure 1 et qui se compose d'une compression de la phase gazeuse sur la ligne AB, d'une détente de la phase liquide sur la ligne CD, d'une condensation du gaz comprimé sur la ligne BC et d'une évaporation du liquide sur la ligne
DA. I1 s'agit d'un diagramme classique d'entropie en abscisses et de température en ordonnées. La courbe E trace la limite de changement d'état entre les phases liquide et de vapeur (début et fin de vaporisation).

De la chaleur est dégagée à la condensation du gaz et absorbée à l'évaporation du liquide. Le fluide réfrigérant est en relation d'échange thermique avec la source chaude dans le premier cas et avec la source froide dans le second cas.

Pour les applications en cryogénie, on utilise surtout des cycles à gaz qui comportent successivement une compression, un refroidissement, une détente et un échauffement. Comme on l'indique sur la figure 2, la compression, associée à un dégagement de chaleur, se fait à la source chaude conformément à la ligne FG, pour un diagramme de même nature que celui de la figure précédente. La détente, qui s'accompagne d'une absorption de chaleur, se fait à la source froide conformément à la ligne HI. Les opérations de refroidissement le long des lignes GH et de réchauffement le long de la ligne IF (isobares ou isochores) permettent au fluide de passer d'un niveau de température à l'autre de la manière la plus réversible possible, c'est-à-dire en transférant la chaleur sur l'une ou l'autre des lignes GH et IF avec les plus faibles écarts de température possibles.

Dans les cycles à circulation continue, ces opérations sont réalisées dans des échangeurs de chaleur à contre-courant. C'est par exemple le cas dans les cycles cryogéniques de Claude ou de Brayton utilisant l'hélium, l'hydrogène ou l'azote comme gaz en fonction de la température visée.

Dans les cycles à circulation alternée, le gaz échange de la chaleur avec un accumulateur thermique ou un régénérateur thermique qui retient la chaleur lorsque le gaz circule dans un sens et la restitue lors du retour en sens inverse.

Les cycles à circulation alternés les plus connus sont ceux de Stirling, de Vuilleumier, de
Gifford et Mac Mahon ainsi que le cycle à tube de pulsation, pour lesquels une description plus complète quoique schématique de dispositifs correspondants est donnée par les figures suivantes 3 à 5.

Sur la figure 3 représentant une machine de
Stirling, le compresseur 1 ou oscillateur de pression est fait d'un piston actionné mécaniquement.

Sur la figure 4, qui représente une machine selon le cycle de Vuilleumier, un compresseur thermique 2 est utilisé. Un piston 3, appelé déplaceur car les pressions sur ses faces opposées sont toujours égales entre elles aux pertes de charge près, se déplace dans un tube 4 du compresseur thermique 2 d'un mouvement alternatif entre une source chaude à la température T1 et une source à température intermédiaire T2. Du gaz est chassé de la source comprimée au profit de celle qui s' agrandit à chaque mouvement du piston 3 en passant par le jeu autour du piston 3 ou dans un régénérateur thermique 16, et il change de température au contact de l'autre source, et donc de pression et de volume, ce qui se répercute sur le reste de l'appareil, à savoir la machine frigorifique.

Sur la figure 5, la machine de Gifford et
Mac Mahon se caractérise par un compresseur de gaz 5 avec une entrée à basse pression 6 et une sortie à haute pression 7, permanentes et reliées à la machine frigorifique proprement dite 10 par un clapet d'entrée 8 et un clapet de sortie 9 respectivement, qui sont ouverts à tour de rôle pour engendrer les cycles de pression nécessaires.

La machine frigorifique 10 qui est reliée à ces compresseurs 1, 2 et 5 est la même dans les trois figures. Elle consiste en un tube 11 dans lequel coulisse un piston déplaceur 12 qui divise le contenu du tube 11 en deux chambres à volume variable, reliées entre elles par une dérivation 13 sur laquelle un régénérateur thermique 14 est installé. La chambre reliée au compresseur 1, 2 ou 5 est à la température T2 (correspondant à la source chaude pour les figures 3 et 5 et à la source à température intermédiaire pour la figure 4 : le cycle de Vuilleumier implique en effet trois niveaux de température), et l'autre chambre est à la température T3 de la source froide.Le piston déplaceur 12 fait passer le gaz comprimé de la chambre à la température T2 vers la chambre à la température T3 en échangeant sa chaleur avec le régénérateur thermique 14 en réponse aux élévations de pression dans le compresseur. La détente du gaz est produite lorsqu'il occupe principalement la chambre à la température T3, puis le gaz est réchauffé en traversant le régénérateur thermique 14 vers la chambre à température T2 avant de subir un nouveau cycle. Le régénérateur thermique 14 a en effet la propriété de restituer au gaz y circulant dans un sens la chaleur qu'il a prise précédemment au gaz circulant en sens inverse.Dans la réalisation de la figure 5, la chambre à la température T2 communique avec le compresseur 5 par l'entrée 6 et la sortie 7 comme on l'a vu ; dans les réalisations des figures 3 et 4, la liaison du compresseur 1 à la chambre du compresseur 2 à la température T2 est réalisée par un conduit unique de prise de pression 15.

A partir de l'illustration de la figure 3, on conçoit que les machines ainsi alternatives sont le siège de deux ondes périodiques dans le volume de détente 17, l'une de pression et l'autre de débit. Il est possible de contrôler le déphasage de ces deux ondes par des moyens mécaniques qui commandent les mouvements du piston compresseur 1, 2 ou 5, généralement à la température ambiante, et du piston déplaceur 12 qui peut, pour les applications en cryogénie, devoir fonctionner à de très basses températures. On arrive alors effectivement à la situation recherchée où la détente maximale, ciest-à- dire l'absorption de chaleur maximale, est simultanée au débit de gaz maximal dans la source froide T3.

Les figures 6A, 6B et 6C illustrent trois variantes de machines à tube de pulsation. Chacune comprend un oscillateur de pression 18, symbolisé par un compresseur mécanique, un régénérateur thermique 19 relié au compresseur 18 par un conduit de prise de pression 20 et un tube de pulsation 21 qui s'embranche à l'extrémité du régénérateur thermique 19 opposée à l'oscillateur de pression 18.Dans la figure 6A qui illustre une réalisation de base, le tube de pulsation 21 est fermé à l'extrémité opposée au régénérateur thermique 19 ; dans la figure 6B qui peut permettre de meilleurs résultats, il est prolongé par un orifice 22 qui aboutit à un réservoir 23 ; et dans la figure 6C, qui comprend également .un orifice 22 et un réservoir 23, un perfectionnement supplémentaire existe sous forme d'une dérivation 24 entre l'orifice 22 et le conduit de prise de pression 20 afin d'envoyer l'onde de pression dans les deux extrémités du tube de pulsation 21. Il est. alors usuel qu'une valve soit placée sur la dérivation 24 pour contrôler le débit.

Par l'effet combiné des différents volumes et étranglements, le déphasage nécessaire à l'effet frigorifique des ondes de débit et de pression est obtenu par des moyens totalement statiques dans le tube de pulsation 21, qui est donc libre ou dépourvu de tout objet mobile tel qu'un piston déplaceur. Plus précisément, le tube de pulsation 21 est étranglé près du régénérateur thermique 19, où la source froide SF est située, alors que la source chaude SC est située à l'extrémité opposée du tube de pulsation 21, au bout d'une portion élargie de forme quelconque, éventuellement cylindrique de celui-ci, contre l'orifice 22 quand il existe.La colonne de gaz est mise en oscillations entretenues, et les dimensions et la forme des différents éléments de l'appareil permettent de choisir la fréquence de fonctionnement pour obtenir le déphasage des ondes de débit et de pression qui permet d'extraire effectivement de la chaleur à la source froide pour la transférer vers la source chaude.

Ces machines présentent avec celles qui exploitent un cycle de Rankine la ressemblance qu'elles n'ont qu'une pièce mobile, à l'endroit du compresseur, et donc ont la même simplicité de construction et la même fiabilité, mais l'absence de changement d'état permet d'utiliser un gaz neutre comme l'hélium ou l'azote, ou même l'air, à la place des chlorofluorocarbones polluants.

On a en effet vérifié expérimentalement que les machines à tube de pulsation 21, jusque-là exclusivement proposées pour des applications cryogéniques, étaient aussi aptes à fonctionner jusqu'au voisinage de la température ambiante.

Pourtant, elles n'ont jamais été appliquées industriellement, même en cryogénie, à cause de leur manque d'efficacité thermique ou à cause de la difficulté de réaliser des générateurs de pression suffisamment fiables, malgré de nombreux essais dont on trouve trace dans l'art antérieur.

Le brevet soviétique 4378 91 datant de 1974 décrit un compresseur à piston associé à un tube à pulsation qui peut être composé de deux étages. Le brevet américain 3 817 044 de la même année décrit un compresseur à adsorption d'hydrogène sur du nitrure de lanthane. Un compresseur thermo-acoustique est proposé dans le brevet américain 4 953 366 ; on trouve un piston, commandé par une source de chaleur, dans le brevet américain 4 584 840 ; enfin, un jet de gaz dont on utilise l'énergie mécanique est imaginé comme source de pression dans le brevet soviétique 10863 18.

L'onde de . pression peut aussi être commandée par des commutations de vannes menant à deux sources de pressions inégales, comme dans le brevet américain 3 237 421 ; par un distributeur tournant et entrainé par un moteur, comme dans le brevet français 1 444 558, ce qui revient à une matérialisation de la solution esquissée dans le brevet précédent ; ou par des rotors excentrés tournant dans un logement plus grand et sur lesquels frottent des palettes qui délimitent des chambres de génération de pression dans le logement.

Les perfectionnements de la machine visibles notamment sur les figures 6B et 6C ont pour but essentiel, dans la littérature connue, d'abaisser la température de la source froide à des niveaux très bas, de quelques dizaines de kelvins. On citera les articles de Zhu (ICEC 13, Pékin 1990) et Ravex (ICEC 14, Kiev 1992).

Ce sont principalement les moyens de production de l'onde de pression qui sont envisagés dans cette invention, pour les rendre bien adaptés à cette application de tube à pulsation. En effet, parmi les solutions connues déjà, les systèmes à piston doivent être lubrifiés pour obtenir une durée de vie suffisante, ce qui provoque le risque de pollution par migration d'huile ou de graisse. Les pistons secs subissent des frottements et de l'usure importants et leur durée de fonctionnement sans maintenance est donc limitée. Les solutions thermiques ou thermo-acoustiques imposent des fréquences d'oscillation qui doivent être rendues compatibles avec celles qu'on recherche dans le tube à pulsation, ce qui peut être difficile, et les déperditions de chaleur sont importantes, ce qui réduit le rendement général dé la machine.

Le même reproche de frottements importants peut être adressé aux systèmes tournants à distributeur ou rotor excentré.

L'objet de l'invention est donc de produire l'onde de pression de façon plus simple et avec de moindres inconvénients technologiques, et le moyen caractéristique, pour cette machine de transfert de chaleur d'une source froide à une source chaude comprenant comme précédemment un tube de pulsation, libre et occupé par une colonne de gaz et passant par les deux sources, un oscillateur de pression composé d'une portion fixe et d'une portion mobile délimitant une chambre de génération de pression à volume variable communiquant au tube de pulsation par un régénérateur thermique, consiste en ce que la portion mobile est entrainée en translation circulaire par un moteur et une transmission à excentrement. On peut aussi ne pas recourir aux pistons et assurer la variation de volume de la chambre par des moyens presque ou entièrement dépourvus de contact et de frottement. Des frottements sont inévitables le long de la transmission ou à sa jonction à la partie mobile, mais on dispose en général des paliers, qui ne produisent que peu de pertes et ont par ailleurs une longue durée de vie tout en offrant une bonne précision. Il peut s'agir, dans certaines réalisations de paliers étanchés ou secs, à gaz ou magnétiques. Même si les paliers sont lubrifiés, les risques de contamination de la machine par le lubrifiant sont faibles car les paliers sont, contrairement aux pistons de compression, éloignés d'elle. Un autre avantage est que la fréquence de pulsation du gaz peut être commandée beaucoup plus facilement grâce à la vitesse de rotation ou la
fréquence d'oscillation de l'équipage mécanique Enfin
la consommation d'énergie est réduite, car les effets
d'inertie ou de résonance des pièces en mouvement
tendent à s'égaliser sur un cycle.

Il est avantageux que les portions fixe et
mobile délimitent la chambre de génération de pression
par des profils curvilignes à deux points de tangence
ou quasi-tangence qui s'approchent mutuellement pendant
une partie de la translation circulaire, car le volume
gazeux transféré est -plus grand, et les ondes plus
intenses mais moins violentes.

La transmission peut simplement consister
en un arbre moteur à partie excentrée reliée à la
portion mobile par un palier, ou en un excentrique
entourant la portion mobile et, ici encore, relié à
elle par un palier. Cette dernière solution se prête
aisément à une réduction ou une suppression des forces
d'inertie globales.

Des dispositifs indépendants de la
transmission peuvent être prévus pour s'opposer à la
rotation de la portion mobile ou la contrarier. Il peut
s' agir de soufflets, de ressorts, d'éléments élastiques
en général ou d'une transmission rigide supplémentaire
à excentrique.

L'invention va maintenant être décrite dans
certaines de ses réalisations à l'aide des figures
suivantes annexées à titre illustratif et non
limitatif - les figures 1 et 2 décrivent certains cycles
thermodynamiques, - les figures 3 à 5 illustrent certaines machines à
piston déplaceur à la source froide, - les figures 6A, 6B et 6C illustrent des machines à
tube de pulsation, - les figures 7A à 7D illustrent le principe de
fonctionnement de l'invention, - la figure 8 illustre une première réalisation de
l'invention, - les figures 9A et 9B illustrent deux modifications
possibles pour cette réalisation, - la figure 10 illustre une deuxième réalisation de
l'invention, -la figure 11 illustre une troisième réalisation de
l'invention, -et les figures 12 et 13 représentent deux
agencements possibles de machines composées.

Le principe de fonctionnement de la machine
de transfert thermique selon l'invention et en particulier de sa chambre d'oscillation ou de
génération de pression va être décrit en liaison aux
figures 7A à 7D. La chambre de génération de pression
30 est délimitée par une pièce fixe 31 et une pièce mobile 32 qui ont des formes à la fois sensiblement
complémentaires et sensiblement identiques : chacune
comprend un lobe arrondi (respectivement 33 et 34) qui
pénètre dans un creux arrondi (respectivement 35-et 36)
plus large de l'autre des pièces. Le profil de chacune
des pièces qui est orienté vers la chambre 30 et qui .résulte de la juxtaposition du lobe 33 ou 34 au creux
arrondi 35 ou 36 a donc sensiblement la forme d'une
sinusoïde.A la figure 7A, la chambre de génération de
pression 30, composée de portions de surface des creux
arrondis 35 et 36 laissées libres par les lobes 33 et
34, est fermée, car les pièces fixe et mobile 31 et 32
se touchent en deux points de tangence PA et QA situés
presque à leurs extrémités latérales. Les profils des
pièces fixe et mobile 31 et 32 sont choisis de telle
façon que, pour une translation circulaire de la pièce
mobile 32, les points de tangence subsistent en se déplaçant et glissent l'un vers l'autre le long des profils, pour prendre par exemple la position représentée à la figure 7B après un quart de tour, où on observe que les points de tangence (alors PB, QB) sont au sommet des lobes 33 et 34, ou au fond des creux 35 et 36.La chambre 30 s'est sensiblement réduite à la fois en longueur et en largeur, ce qui implique que son contenu a été largement refoulé vers le tube à pulsation par orifice 37.

Encore un quart de tour infligé à la pièce mobile 32 et l'ensemble prend la disposition de la figure 7C, où les points de tangence (alors PC et QC) se rejoignent à l'emplacement de l'orifice 37. Tout le contenu de la chambre 30 a alors été refoulé. Le mouvement de translation circulaire s'accompagne ensuite de la séparation des pièces fixe et mobile 31 et 32, ce qui est représenté après un troisième quart de tour sur la figure 7D, et la chambre 30 prend un volume maximal qui favorise l'admission du gaz. On revient ensuite à l'état de la figure 7A et le refoulement recommence.

Une réalisation concrète de mise en oeuvre de ce principe est décrite à la figure 8. La pièce fixe 31 est vissée à une enceinte 40 qui abrite un ensemble mobile 41. Ce dernier est composé d'un moteur 42 dont l'arbre moteur 43 est prolongé par une partie excentrée 44 porteuse, par l'intermédiaire d'une paire de roulements 45, d'un bloc mobile 46 auquel la pièce mobile 32 est vissée.Le bloc mobile 46 est donc suspendu à l'arbre moteur 43 avec une liberté de tourner, qu'on contrarie par un soufflet 47 unissant une collerette extérieure 48 du bloc mobile 46 à un couvercle 49 de l'enceinte 40 : le soufflet 47 est doté d'une rigidité en torsion suffisante pour réduire presque complètement les rotations du bloc mobile 46 et de la pièce mobile 32, jusqu'a un niveau suffisamment faible pour qu'on puisse estimer que la pièce mobile 32 n'est soumise qu'à une translation circulaire produite par la rotation de la partie excentrée 44 de l'arbre moteur 43.De plus, le soufflet 47 présente l'avantage d'enfermer les roulements 45 et une autre paire de roulements 50, disposés entre une patte descendante 51 du couvercle 49 et une paire d'excentriques 52 de l'arbre moteur 43, qui maintiennent la position excentrée de la partie excentrée 44 : la graisse des roulements ne peut pas aboutir à la chambre de génération de pression 30 ni aux autres parties thermiquement actives dè la machine, où son intrusion pourrait être très dommageable.

L'orifice 37 débouche dans un régénérateur thermique 53, puis, après un col 54, dans un tube de pulsation 55. Le régénérateur et le tube de pulsation 55 traversent une paroi calorifuge 56 d'une chambre froide à l'intérieur de laquelle on trouve le col 54, auquel est attachée une source froide 57. Une source chaude 58 est située contre le fond du tube de pulsation 55, hors de la paroi calorifuge 56 et de la chambre froide ; une canalisation 59 relie le tube de pulsation 55 à l'intérieur de l'enceinte 40 qui forme le réservoir 23 des figures 6B et 6C. Le gaz objet des refoulements et des admissions peut être de l'hélium à 5 bars et à température ambiante, et la chambre froide peut être à une température de -200C. De l'azote ou de l'air peuvent aussi être envisagés. Le soufflet 47 peut contenir de l'air, mais il est préférable que sa pression soit analogue à celle du reste du contenu de l'enceinte 40 pour qu'il ne soit pas raidi. La chambre de génération de pression 30 peut avoir sur cet exemple un volume maximal de 30 cm3, et le moteur 42 peut tourner à 1500 tr/mn. On a supposé jusqu'ici que le contact était effectif entre les profils en regard des pièces fixe 31 et mobile 32, ce qui est possible s'ils sont revêtus d'un produit à faible frottement tel que le plastique ou le graphite, mais de petits jeux (0,1 mm par exemple) sont tolérables, les points de tangence P et Q étant alors des points de quasitangence.

Comme dans les machines frigorifiques usuelles, un thermomètre 60 commande la mise en marche du moteur 42 par l'intermédiaire d'un boîtier électrique 61 dès qu'une élévation de la température dans la chambre froide est constatée.

Les deux figures suivantes 9A et 9B sont des vues partielles qui montrent que le soufflet 47 n'est pas le seul moyen convenable pour arrêter ou réduire la rotation de la pièce mobile 32 : dans la réalisation de la figure 9A, le bloc mobile 46 prend une forme différente et la référence 70 ; il est suspendu à la partie excentrique 44 de l'arbre moteur 43 par un seul roulement 45, mais il est aussi suspendu à un axe 71 d'un autre excentrique 72 suspendu à la patte descendante 51 (de forme légèrement modifiée).

Des roulements 73 et 74 sont disposés entre l'axe 71 et le bloc mobile 70, et entre l'excentrique 72 et la patte descendante 51, pour tolérer les rotations relatives de ces pièces. Comme l'excentrique 72 est exactement semblable aux excentriques 52, parallèle à eux et en phase avec eux, la rotation de l'arbre moteur 43 entraîne des rotations concomitantes des excentriques 52 et 72 et donc une translation circulaire absolument pure du bloc mobile 70. Un soufflet peut encore être ajouté pour confiner les roulements 50, 45, 73 et 74 dans un volume clos, mais comme il n'aurait pas d'autre utilité, on peut envisager de ne pas y recourir mais d'utiliser des paliers secs ou des roulements clos par des lèvres d'étanchéité.

La figure 9B montre un bloc mobile 80 réuni, par deux extrémités opposées 81 et 82, au sommet et au fond de l'enceinte 40 par quatre ressorts 83. Les ressorts 83 sont disposés symétriquement ; par exemple, leur points d'attache à l'enceinte 40 peuvent être situés dans un plan passant par l'axe de l'arbre moteur 43. Quand ce dernier tourne, les ressorts 83 sont étirés de côté mais maintiennent un état d'équilibre en rotation du bloc mobile 80. Dans cette réalisation, il n'y a qu'un excentrique 52 et qu'un roulement 45 et 50 de chaque espèce pour soutenir l'arbre moteur 43 et suspendre le bloc mobile 80.

Une conception fort différente de cette partie motrice de la machine frigorifique est illustrée à la figure 10 : la pièce mobile 32 n'est pas reliée à un arbre moteur et la face interne de la paroi cylindrique 91 de l'enceinte 40 porte les enroulements 92 d'un moteur électrique dont les pôles 93 sont fixés en couronne à un excentrique 94 en forme de douille entourant la pièce mobile 32. Des roulements 95 et 96 étanches et concentriques qui unissent respectivement l'excentrique 94 à la pièce mobile 32 et à la paroi cylindrique 91 permettent de suspendre ceux-là à celleci ; un soufflet 90 reliant la pièce mobile 32 au couvercle 49 a pour but de maintenir la pièce mobile 32 à une position angulaire immuable ou presque, comme dans des réalisations précédentes.Un tel dispositif permet de réduire très sensiblement les forces d'inertie radiales qui apparaissent à la rotation du moteur et chargent fortement l'arbre moteur, celles de l'excentrique 94 contrebalançant celles de la pièce mobile 32.

Un équilibrage des composantes linéaires des forces d'inertie dans le plan de rotation des pièces peut être entrepris pour les rendre égales et annuler totalement leur résultante. Les roulements 95 et 96 peuvent alors être remplacés par des paliers à gaz ou magnétiques. Si des roulements ordinaires, lubrifiés à la graisse, sont employés, il est préférable de les isoler des pièces thermiquement actives par un second soufflet 97 à dimensionner convenablement reliant la pièce mobile 32 au fond 98 de l'enceinte 40, se substituant ainsi au premier soufflet 90 et entourant la pièce fixe 31.

La figure 11 illustre une réalisation un peu différente prévue pour fonctionner en cryogénie, en isolant thermiquement les parties motrices de la machine, qui travaillent à température ambiante ou un peu inférieure, des parties thermiquement actives qui utilisent un gaz très refroidi sur tout le cycle thermodynamique.

Une enceinte externe 100 est doublée sur trois côtés (sauf sur un couvercle 115) par une enceinte interne 101 dont la partie fixe 31 forme le fond. La pièce mobile 32, de même que les autres éléments mobiles, est logée dans l'enceinte interne 101 : on retrouve un moteur 103, un arbre moteur 104 terminé par une partie excentrée 105, une paire de roulements 106, installés dans une partie tubulaire 116 descendant du couvercle 115 pour soutenir l'arbre moteur 104, un troisième roulement 107 pour suspendre un bloc mobile 108 à la partie excentrée 105 et un soufflet 109 unissant le bloc mobile 108 au couvercle 115 pour le retenir en rotation avec la pièce mobile 32, qui lui est suspendue par un mât 117.Ce mât 117 et la paroi cylindrique 110 de l'enceinte interne 101 sont construits en un matériau mauvais conducteur de la chaleur tel que l'acier. inoxydable pour que les pièces fixe et mobile 31 et 32 demeurent à une température très basse, entretenue par une circulation d'azote liquide dans un serpentin 111 enroulé autour de la pièce fixe 31 et du bas de l'enceinte interne 101.

Tous les. éléments de la machine frigorifique sont suspendus à la pièce fixe 31 et s'étendent sous l'enceinte interne 101, et la source froide porte un élément 112 à refroidir, qui peut être un détecteur de rayonnement d'un télescope astronomique orienté vers un hublot 113 de l'enceinte externe 100.

Ce dispositif permet d'atteindre des températures de 4 kelvins.

D'autres aménagements peuvent être proposés. Ainsi, les profils des pièces fixe et mobile peuvent être différents. Une possibilité est de les façonner en arcs de spirale ou en arcs de cercle. Une autre possibilité est de les multiplier selon le principe des figures 12 et 13.

A la figure 12, les pièces fixe et mobile, ici référencées 131 et 132, sont étagées pour former des profils verticaux 133 et 134 successifs. Chaque profil vertical 133 de la pièce fixe 131 fait face à un des profils verticaux 134 de la pièce mobile 132 et forme avec lui une chambre de génération de pression particulière 130. Une telle disposition permet de multiplier le volume refoulé sans causer les difficultés d'usinage associés à l'agrandissement d'une chambre de génération de pression unique ; ou bien de commander des machines frigorifiques différentes, comme on l'a représenté : chaque chambre 130 communique par un orifice 137 à une machine particulière 138 semblable à celle de la figure 8 et comprenant en particulier un tube à pulsation, un régénérateur thermique et des sources chaude et froide.

Les profils verticaux 133 et 134 sont semblables à ceux des figures 7A à 7D ou à ceux qui en dérivent et présentent des propriétés analogues. Les pièces fixe et mobile 131 et 132 peuvent être construites d'une pièce ou formées de plateaux superposés dont chacun porte un des profils verticaux 133 ou 134.

Une autre réalisation à effet analogue est illustrée à la figure 13. Chacune des pièces fixe et mobile 231 et 232 porte des profils verticaux 233a, 233b et 234a, 234b successifs à même hauteur et qui sont taillés sur des faces opposées de saillies des pièces 231 et 232 ; ces saillies pénètrent entre des saillies voisines de l'autre des pièces. Ainsi, des chambres particulières 230a sont formées entre les profils 233a et 234a et d'autres chambres particulières 230b, qui alternent avec les précédentes, sont formées entre les profils 233b et 234b.

Les profils 233a, 233b et 234a, 234b sont encore semblables à ceux des figures 7A à 7D ou à leurs équivalents. Les chambres particulières 230a ont des volumes qui varient ensemble et en opposition de phase avec les volumes des chambres particulières 230b. Les chambres particulières 230a sont munies d'orifices 237a qui communiquent à un collecteur commun 235a et à une machine frigorifique unique 238a. De même, les autres chambres particulières 230b sont munies d'orifices 237b qui communiquent à un autre collecteur commun 235b et à une autre machine frigorifique unique 238b. Bien sûr, chacun des orifices 237a et 237b pourrait mener à une machine frigorifique particulière, et réciproquement les orifices 137 de la figure 12 pourraient mener à une machine frigorifique unique.

Claims

REVENDICATIONS

1. Machine de transfert de chaleur. d'une source froide (57) à une source chaude (58), comprenant un tube de pulsation (55), libre et occupé par une colonne de gaz passant par les deux sources, un oscillateur de pression -composé d'une portion fixe (31) et d'une portion mobile (32) délimitant une chambre de génération de pression (30) à volume variable communiquant au tube de pulsation par un régénérateur thermique (53), caractérisée en ce que la portion mobile est entraînée en translation circulaire par un moteur (42, 92, 93, 103) et une transmission à excentrement (43, 44, 52, 14, 104, 105).

2. Machine frigorifique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les portions fixe et mobile délimitent plusieurs chambres de génération de pression, qui communiquent à des tubes de pulsation distincts.

3. Machine selon la revendication 1, caractérisée en ce que les portions fixe et mobile délimitent plusieurs ' chambres de génération de pression, qui communiquent à un même tube de pulsation.

4. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les portions fixe et mobile délimitent la chambre de génération de pression par des profils curvilignes à deux points de tangence ou quasi-tangence (P, Q) qui s'approchent mutuellement pendant une partie de la translation circulaire.

5. Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que les points de tangence ou de quasi-tangence se joignent devant un orifice de communication (37) au tube de pulsation (55).

6. Machine selon l'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisée en ce que les profils curvilignes sont sensiblement en forme de sinusoïde et comprennent au moins un lobe arrondi (33, 34) adjacent à un creux arrondi (35, 36) plus large.

7. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que la portion mobile (32) est reliée au moteur (42, 103) par un arbre moteur (43, 104) à partie excentrée (44, 105) et au moins un palier (45).

8. Machine selon la revendication 7, caractérisée en ce que la portion mobile est reliée au moteur (92, 93) par un excentrique (94) qui entoure la portion mobile (32).

9. Machine selon la revendication 8, caractérisée en ce que le moteur (92, 93) entraîne l'excentrique en rotation et un palier (97) relie la portion mobile à l'excentrique.

10. Machine selon la revendication 9, caractérisée en ce que la portion mobile et l'excentrique sont équilibrés de façon à réduire des composantes linéaires de force d'inertie dans un plan de rotation de la portion mobile.

11. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisée en ce que la portion mobile est unie à une partie fixe (49) de la machine par une liaison (47, 71, 72, 83, 90) s'opposant à des rotations de la portion mobile (32).

12. Machine selon la revendication 11, caractérisée en ce que la liaison comprend un soufflet (47, 97, 109) séparant la chambre de génération de pression (30) des paliers (45, 50, 95, 96, 106).

13. Machine selon la revendication 11, caractérisée en ce que la liaison comprend des ressorts (83).

14. Machine selon les revendications 8 et 11, caractérisée en ce que la liaison comprend un second excentrique (72), passif, parallèle et semblable au premier et en phase avec lui.

15. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce qu'elle comprend des paliers secs ou étanches (73, 74).

16. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 14, caractérisée en ce qu'elle comprend des paliers à gaz ou magnétiques (95, 96).

17. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 16, caractérisée en ce que la portion fixe (31) est refroidie (111) à une température différente de la température ambiante.

18. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que les portions fixe et mobile (31, 32) sont en contact par des surfaces revêtues d'une matière à faible coefficient de frottement.

19. Machine selon l'une quelconque des revendications 1 à 17, caractérisée en ce que les portions fixe et mobile (31, 32) sont séparées par un faible jeu.