FR2742215A1 - STIRLING COOLER WITH ROTARY STEERING - Google Patents
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Abstract
Dans un refroidisseur à cycle de Stirling comportant des moyens à pilotage rotatif d'entraînement en translation déphasée pour un piston de compression (3) limitant une chambre de compression (23) et un piston déplaceur (5) limitant une chambre de détente (13) et constituant échangeur régénérateur sur un circuit de circulation d'un fluide thermodynamique en circuit fermé entre lesdites chambres, lesdits moyens d'entraînement comportent un élément (35) de liaison mécanique des deux pistons l'un à l'autre qui est guidé linéairement autour d'un excentrique (4) monté décentré sur un arbre moteur rotatif (6), en une partie médiane (71) intermédiaire entre deux branches latérales (72,73) terminées par des extrémités (74,75) d'attache sur chacun desdits pistons (3,5) respectivement.In a Stirling cycle cooler comprising rotary control means for driving in phase shifted translation for a compression piston (3) limiting a compression chamber (23) and a displacement piston (5) limiting an expansion chamber (13) and constituting a regenerative exchanger on a circuit for circulating a thermodynamic fluid in a closed circuit between said chambers, said drive means comprise an element (35) for mechanical connection of the two pistons to one another which is guided linearly around of an eccentric (4) mounted off-center on a rotary motor shaft (6), in a median part (71) intermediate between two lateral branches (72,73) terminated by ends (74,75) for attachment to each of said pistons (3,5) respectively.
Description
REFROIDISSEUR STIRLING A PILOTAGE ROTATIFSTIRLING COOLER WITH ROTARY STEERING
La présente invention a pour objet un refroidisseur à cycle de Stirling du type comportant des moyens à pilotage rotatif d'entralnement en translation déphasée pour un piston de compression limitant une chambre de compression et un piston déplaceur limitant une chambre de détente et constituant échangeur régénérateur sur un circuit de circulation d'un fluide thermodynamique en The present invention relates to a Stirling cycle cooler of the type comprising means with rotary piloting for displacement displacement in phase shift for a compression piston limiting a compression chamber and a displacing piston limiting a expansion chamber and constituting regenerative exchanger on a circuit for circulating a thermodynamic fluid in
circuit fermé entre lesdites chambres. closed circuit between said chambers.
Pour refroidir des composants électroniques qui doivent être maintenus dans des conditions cryostatiques, on utilise de plus en plus des refroidisseurs qui mettent en oeuvre un cycle thermodynamique réversible dit de Stirling, consistant à soumettre un fluide de travail thermodynamique à une phase de compression à température chaude et une phase de détente à température froide, séparées par deux phases intermédiaires o, théoriquement à To cool electronic components which must be maintained in cryostatic conditions, more and more coolers are used which use a reversible thermodynamic cycle called Stirling, consisting in subjecting a thermodynamic working fluid to a compression phase at hot temperature. and an expansion phase at cold temperature, separated by two intermediate phases o, theoretically at
volume constant, le fluide traverse un matériau régé- constant volume, the fluid passes through a regulated material
nérateur qui capte l'énergie frigorifique propre du fluide froid quittant la phase de détente pour la restituer au fluide chaud à son retour de la phase de compression vers generator which captures the own cooling energy of the cold fluid leaving the expansion phase to restore it to the hot fluid upon its return from the compression phase to
la phase de détente.the relaxation phase.
Pour fonctionner suivant ce principe du cycle Stirling, des refroidisseurs cryogéniques connus comportent un circuit fermé de fluide thermodynamique, généralement un gaz à haute pureté tel que l'hélium, entre une chambre de compression à température chaude dont le volume est variable sous la commande d'un oscillateur de pression, et une chambre de détente à température froide délivrant au composant à refroidir la puissance frigorifique libérée par la détente du fluide thermodynamique. Entre ces deux chambres, tant en sens aller qu'en sens retour, le circuit est au moins partiellement constitué par un régénérateur qui est réalisé sous la forme d'un tube allongé contenant To operate according to this principle of the Stirling cycle, known cryogenic coolers include a closed circuit of thermodynamic fluid, generally a high purity gas such as helium, between a compression chamber at hot temperature whose volume is variable under the control of 'a pressure oscillator, and an expansion chamber at cold temperature delivering to the component to cool the cooling power released by the expansion of the thermodynamic fluid. Between these two chambers, both in the forward direction and in the return direction, the circuit is at least partially constituted by a regenerator which is produced in the form of an elongated tube containing
le matériau régénérateur.the regenerative material.
Comme dans la pratique, ce régénérateur est en général lui-même mobile en limite du volume de la chambre de détente, la notion de son déplacement prend souvent le pas sur sa fonction de régénérateur dans la terminologie, ce qui conduit à le désigner par les termes de tube ou piston déplaceur, ou échangeur déplaceur. Il n'en conserve pas moins sa fonction première d'être traversé par le fluide en cours de réchauffage ou de refroidissement, en théorie hors détente et hors compression, par le fait que As in practice, this regenerator is generally itself mobile at the limit of the volume of the expansion chamber, the notion of its movement often takes precedence over its function of regenerator in terminology, which leads to designate it by the terms of tube or displacement piston, or displacement exchanger. It nevertheless retains its primary function of being traversed by the fluid during heating or cooling, in theory excluding expansion and compression, by the fact that
ses déplacements sont déphasés par rapport aux modi- its displacements are out of phase with respect to the modi-
fications de volume de la chambre chaude de l'oscillateur de pression. Néanmoins, il joue également un rôle important dans la régulation du cycle thermodynamique par la perte de volume fications of the hot chamber of the pressure oscillator. However, it also plays an important role in regulating the thermodynamic cycle through the loss of
charge qu'il implique.charge it implies.
Parmi ces refroidisseurs, la présente invention apporte perfectionnement à ceux qui, de manière plus précise, se concrétisent en des systèmes monoblocs, o des moyens moteurs de type rotatif qui servent à entraîner en translation un piston de compression limitant la chambre à température chaude dans l'oscillateur de pression, assurent également le pilotage des déplacements du régénérateur, en translation dans un puits cryostatique terminé par la chambre de détente à température froide d'o les frigories Among these coolers, the present invention provides an improvement to those which, more precisely, take the form of one-piece systems, o rotary type motor means which serve to drive in translation a compression piston limiting the hot temperature chamber in the pressure oscillator, also control the movements of the regenerator, in translation in a cryostatic well terminated by the expansion chamber at cold temperature from where the frigories
produites sont transmises à l'élément à refroidir. produced are transmitted to the element to be cooled.
Par ses caractéristiques, telles qu'elles seront décrites et revendiquées ci-après, l'invention vise notamment à diminuer les coûts de fabrication et à By its characteristics, as will be described and claimed below, the invention aims in particular to reduce manufacturing costs and to
améliorer les conditions de fonctionnement de tels refroi- improve the operating conditions of such coolers
disseurs à cycle de Stirling et à pilotage rotatif commun Stirling cycle dissectors with common rotary piloting
au piston de compression et au piston déplaceur régé- to the compression piston and to the displaced displacement piston
nérateur. Dans ses formes de mise en oeuvre préférées, elle permet en particulier d'augmenter la sécurité et la durée de vie en fonctionnement, notamment en réduisant le nombre des liaisons mécaniques à articulation fragile, de limiter les risques de contamination du fluide thermodynamique et d'encrassement du circuit qu'il emprunte, de faciliter la synchronisation et le décalage dans le temps des quatre phases thermodynamiques du cycle. Principalement, alors que dans les réalisations connues de ce type, on ne sait faire autrement que de transmettre le mouvement d'un arbre moteur rotatif, en le transformant en mouvement rectiligne d'entralnement des pistons, par l'intermédiaire d'un vilebrequin impliquant un nerator. In its preferred forms of implementation, it makes it possible in particular to increase safety and the service life in operation, in particular by reducing the number of mechanical connections with fragile articulation, of limiting the risks of contamination of the thermodynamic fluid and of fouling of the circuit which it borrows, to facilitate the synchronization and the shift in time of the four thermodynamic phases of the cycle. Mainly, while in known embodiments of this type, we can not do otherwise than to transmit the movement of a rotary motor shaft, by transforming it into a rectilinear movement for entrainment of the pistons, by means of a crankshaft involving a
excentrique monté sur l'arbre moteur et deux bielles arti- eccentric mounted on the motor shaft and two connecting rods
culées sur l'excentrique en des positions décalées angu- abutments on the eccentric in angularly offset positions
lairement, généralement de 90 degrés, et respectivement articulées sur chacun des pistons, l'invention prévoit de remplacer les deux bielles par un élément linéaire de transmission mécanique unique qui suit les mouvements de l'excentrique et relie les deux pistons l'un à l'autre. Cet élément a en outre l'intérêt de pouvoir, en combinaison, jouer le rôle du conduit de liaison pneumatique pour la stretching, generally 90 degrees, and respectively articulated on each of the pistons, the invention provides for replacing the two connecting rods by a single linear element of mechanical transmission which follows the movements of the eccentric and connects the two pistons one to the other. 'other. This element also has the advantage of being able, in combination, to play the role of the pneumatic connection conduit for the
circulation du fluide thermodynamique. circulation of thermodynamic fluid.
L'invention a donc essentiellement pour objet un refroidisseur à cycle Stirling du type comportant des moyens à pilotage rotatif d'entralnement en translation déphasée pour un piston de compression limitant une chambre de compression et un piston déplaceur limitant une chambre de détente et constituant échangeur régénérateur sur un circuit de circulation d'un fluide thermodynamique en circuit fermé entre lesdites chambres, dans lequel les moyens d'entraînement comportent un élément de liaison mécanique des deux pistons l'un à l'autre qui est guidé linéairement autour d'un mécanisme à excentrique monté décentré sur un arbre moteur rotatif, en une partie médiane intermédiaire entre deux entre deux branches latérales terminées par des points d'attache sur chacun desdits The invention therefore essentially relates to a Stirling cycle cooler of the type comprising means with rotary piloting for displacement in phase shifted for a compression piston limiting a compression chamber and a displacing piston limiting a expansion chamber and constituting regenerative exchanger on a circuit for circulating a thermodynamic fluid in a closed circuit between said chambers, in which the drive means comprise a mechanical connection element of the two pistons with each other which is guided linearly around a mechanism eccentric mounted off-center on a rotary drive shaft, in a middle intermediate part between two between two lateral branches terminated by attachment points on each of said
pistons respectivement.pistons respectively.
Suivant une caractéristique secondaire de l'invention, cet élément est un tube flexible non According to a secondary characteristic of the invention, this element is a flexible tube not
compressible constituant également un conduit de circu- compressible also constituting a circulation conduit
lation du fluide de travail thermodynamique entre la chambre de compression et une extrémité d'entrée dans le tube déplaceur opposée à un bout froid limitant la chambre de détente. Ledit élément combine alors les fonctions de lation of the thermodynamic working fluid between the compression chamber and an inlet end in the displacer tube opposite to a cold end limiting the expansion chamber. Said element then combines the functions of
liaison mécanique et de liaison pneumatique. mechanical connection and pneumatic connection.
Suivant une autre caractéristique de l'invention, un tel élément est structuré et configuré de telle manière qu'il remplisse une fonction de ressort qui se combine avantageusement avec sa fonction de liaison mécanique, et According to another characteristic of the invention, such an element is structured and configured in such a way that it fulfills a spring function which advantageously combines with its mechanical connection function, and
de préférence aussi sa fonction de liaison pneumatique. preferably also its pneumatic connection function.
La suite de la présente description fera ressortir The remainder of this description will highlight
d'autres caractéristiques de l'invention, en ce qui concerne en particulier la réalisation d'un mécanisme de transmission de mouvement à excentrique entre un arbre rotatif et les deux pistons et le respect des quatre phases other characteristics of the invention, with particular regard to the production of an eccentric movement transmission mechanism between a rotary shaft and the two pistons and compliance with the four phases
de fonctionnement pratique en cycle de Stirling. of practical operation in Stirling cycle.
On y verra notamment que ce mécanisme comporte avantageusement une cage semi-circulaire de maintien et guidage qui est montée sur un excentrique de vilebrequin présentant une gorge dans laquelle est engagé l'élément de liaison de piston à piston, et qu'une telle cage est avantageusement de forme semi-circulaire, pour ne serrer ledit élément dans sa gorge de réception que sur une partie du pourtour de l'excentrique, là o il n'a pas à jouer de flexibilité au cours du cycle de fonctionnement et o il est souhaitable qu'un point central de sa partie médiane It will be seen in particular that this mechanism advantageously comprises a semi-circular holding and guiding cage which is mounted on a crankshaft eccentric having a groove in which the piston-to-piston connecting element is engaged, and that such a cage is advantageously of semi-circular shape, in order to tighten said element in its receiving groove only on a part of the periphery of the eccentric, where it does not have to play flexibility during the operating cycle and where it is desirable that a central point of its middle part
soit coincé en position fixe sur l'excentrique. either stuck in a fixed position on the eccentric.
On y verra également que l'élément de liaison mécanique entre les deux pistons, préférentiellement réalisé sous la forme d'un tube conducteur du fluide de travail thermodynamique, est avantageusement prétendu par une configuration naturelle ouverte de sa partie médiane avant montage sur l'excentrique, et que l'on parvient ainsi à limiter les contraintes mécaniques engendrées par le pilotage rotatif des pistons, et en particulier, à équilibrer les efforts radiaux imposés par le piston de compression sur sa chemise dans son déplacement dynamique et à réduire ainsi notablement les effets d'usure sélective It will also be seen that the mechanical connection element between the two pistons, preferably produced in the form of a conductive tube of the thermodynamic working fluid, is advantageously claimed by a natural open configuration of its middle part before mounting on the eccentric , and that it thus succeeds in limiting the mechanical stresses generated by the rotary piloting of the pistons, and in particular, in balancing the radial forces imposed by the compression piston on its liner in its dynamic displacement and thus significantly reducing the effects selective wear
sur les parois de la chemise du piston compresseur. on the walls of the compressor piston jacket.
En outre, sa fonction de ressort implique de préférence deux courbures qu'il forme en ses branches latérales, chacune avec une concavité de sens inverse & celle de sa partie médiane autour de l'excentrique, de façon à maintenir chaque branche en alignement axial avec In addition, its spring function preferably involves two curvatures which it forms in its lateral branches, each with a concavity in the opposite direction to that of its median part around the eccentric, so as to maintain each branch in axial alignment with
le piston correspondant au voisinage du point d'attache. the piston corresponding to the vicinity of the attachment point.
La suite de la présente description, exposée à The remainder of this description, set out in
titre non limitatif, concerne une forme particulière de non-limiting title, relates to a particular form of
réalisation concrète de l'invention, néanmoins préférée. concrete realization of the invention, however preferred.
Elle est illustrée par les figures des dessins ci-annexés, dans lesquelles: - la figure 1 représente un refroidisseur à cycle de Stirling conforme à l'invention, dans une vue en coupe transversale; - la figure 2 représente le même refroidisseur en ses organes mécaniques dans une vue en coupe longitudinale partielle; - la figure 3 montre les organes du mécanisme d'entraînement des pistons en figuration cavalière; - la figure 4 illustre la configuration que présente le tube de liaison mécanique et pneumatique entre pistons au repos afin de jouer également le rôle de ressort; - et les figures 5a à 5d illustrent schématiquement la cinématique des déformations suivies par ce tube, en commande du déplacement des pistons par le mécanisme à It is illustrated by the figures in the appended drawings, in which: - Figure 1 shows a Stirling cycle cooler according to the invention, in a cross-sectional view; - Figure 2 shows the same cooler in its mechanical parts in a partial longitudinal sectional view; - Figure 3 shows the organs of the piston drive mechanism in cavalier representation; - Figure 4 illustrates the configuration of the mechanical and pneumatic connection tube between pistons at rest in order to also play the role of spring; - And Figures 5a to 5d schematically illustrate the kinematics of the deformations followed by this tube, in control of the displacement of the pistons by the mechanism to
excentrique, au cours des quatre phases du cycle thermo- eccentric, during the four phases of the thermo cycle
dynamique. Il est & noter que sur ces dessins, l'échelle n'a pas toujours été parfaitement respectée, dans le seul souci de faciliter leur compréhension, et que par contre, on a cherché à conserver les mêmes références pour les mêmes éléments d'une figure à l'autre. Comme on l'a déjà indiqué, on connaît déjà des refroidisseurs du type à pilotage rotatif suivant un cycle thermodynamique de Stirling. Ils sont de préférence réalisés sous forme miniature et monobloc pour être utilisés pour le refroidissement cryogénique de composants électroniques, encore qu'ils puissent également servir dans d'autres domaines, comme tous ceux qui impliquent des supraconducteurs devant être maintenus à température cryogénique. dynamic. It should be noted that in these drawings, the scale has not always been perfectly respected, in the sole concern of facilitating their understanding, and that on the other hand, we have sought to keep the same references for the same elements of a figure to another. As already indicated, coolers of the rotary pilot type following a Stirling thermodynamic cycle are already known. They are preferably produced in miniature and monobloc form to be used for the cryogenic cooling of electronic components, although they can also be used in other fields, like all those which involve superconductors having to be maintained at cryogenic temperature.
Dans l'industrie de l'optoélectronique en parti- Particularly in the optoelectronics industry
culier, ils sont utiles pour refroidir par exemple un culier, they are useful for cooling for example a
détecteur infrarouge ou tout autre capteur dont la tempé- infrared detector or any other sensor whose temperature
rature froide de fonctionnement est située entre 80 K et K. Ils y sont particulièrement appréciés pour leur haut rendement sous des constructions de faible masse, adaptées à une utilisation dans des systèmes portatifs. Par contre, ils pèchent par leur prix quand leur qualité de rendement perd de l'intérêt, ce qui est le cas notamment des applications qui se contentent d'une température de travail dans la gamme des températures froides dites Cold operating temperature is between 80 K and K. They are particularly appreciated for their high efficiency under low mass constructions, suitable for use in portable systems. On the other hand, they sin by their price when their quality of yield loses interest, which is the case in particular of the applications which are satisfied with a working temperature in the range of cold temperatures called
intermédiaires, autour de 120-150 K. intermediate, around 120-150 K.
Une forme de réalisation connue de refroidisseur Stirling miniature monobloc à moteur rotatif et sonde froide intégrée est notamment décrite dans la publication française intitulée "Techniques de l'Ingénieur, Traité Électronique" par Damien FEGER, aux pages numérotées E4070 A known embodiment of a one-piece miniature Stirling cooler with rotary engine and integrated cold probe is described in particular in the French publication entitled "Engineering Techniques, Electronic Treaty" by Damien FEGER, with pages numbered E4070.
n 1 à 11. Dans cette publication, le concept d'un refroi- n 1 to 11. In this publication, the concept of a cooling
disseur Stirling rotatif à bas coût est notamment repré- Low cost rotary Stirling straightener is particularly
senté sur la figure 14, o l'on voit clairement un vile- felt in figure 14, where we can clearly see a city
brequin qui entraîne le piston de compression et le piston déplaceur poreux, ou régénérateur, au moyen de deux biellettes rigides et indépendantes, articulées en leurs deux extrémités, qui sont disposées à 90 degrés d'angle brequin which drives the compression piston and the porous displacing piston, or regenerator, by means of two rigid and independent rods, articulated at their two ends, which are arranged at 90 degrees of angle
l'une de l'autre.one from the other.
Conformément à la présente invention, le refroi- disseur ici décrit diffère essentiellement du précédent par le fait que l'entralnement mécanique du piston de compression, ainsi que l'entralnement mécanique du piston déplaceur poreux, sont réalisés au moyen d'un seul et unique élément de liaison, linéairement disposé entre le piston de compression et l'entrée du piston déplaceur, tout en étant entraîné par l'intermédiaire d'un mécanisme à excentrique analogue à un vilebrequin. En s'affranchissant ainsi du système d'embiellage, on réalise déjà une économie In accordance with the present invention, the cooler described here differs essentially from the previous one in that the mechanical entrainment of the compression piston, as well as the mechanical entrainment of the porous displacing piston, are achieved by means of a single and unique connecting element, linearly disposed between the compression piston and the inlet of the displacing piston, while being driven by means of an eccentric mechanism similar to a crankshaft. By getting rid of the linkage system, we already save money
importante en fabrication et coût d'entretien. important in manufacturing and maintenance cost.
Conformément à la réalisation décrite, la liaison mécanique est combinée avec la liaison pneumatique nécessaire à la circulation du fluide de travail. En effet l'élément linéaire est un tube flexible et non extensible, In accordance with the embodiment described, the mechanical connection is combined with the pneumatic connection necessary for the circulation of the working fluid. Indeed the linear element is a flexible and non-extensible tube,
mais aussi non compressible, qui conduit le fluide thermo- but also non-compressible, which conducts the thermo-
dynamique entre la chambre de compression limitée par le piston de compression et l'entrée du piston déplaceur en matériau régénérateur qu'il traverse entre cette entrée et dynamic between the compression chamber limited by the compression piston and the entry of the displacer piston of regenerative material which it crosses between this entry and
le bout froid de ce piston limitant la chambre de détente. the cold end of this piston limiting the expansion chamber.
Il n'est donc plus nécessaire de procéder à des perçages dans le carter du refroidisseur pour faire communiquer la chambre de compression avec l'entrée du piston déplaceur, perçage que l'on voit bien sur le refroidisseur de l'art It is therefore no longer necessary to make holes in the cooler housing to communicate the compression chamber with the entry of the displacer piston, a hole that can be seen clearly on the art cooler
antérieur montré par la figure 14 mentionnée ci-dessus. previous shown in Figure 14 mentioned above.
De plus, et au mieux en donnant à la liaison linéaire une forme et une raideur choisies de manière qu'elle se comporte comme un ressort ayant une fatigue infinie, on assure que la durée de vie du dispositif soit améliorée par rapport aux dispositifs connus, en évitant notamment que les déplacements du piston déplaceur conduisent à une usure prématurée de son tube guide sur une génératrice préférentielle, du fait des efforts radiaux qui s'exercent toujours en direction opposée au piston de compression. Sur la figure 1 des dessins ici annexés, on In addition, and at best by giving the linear connection a shape and a stiffness chosen so that it behaves like a spring having infinite fatigue, it is ensured that the life of the device is improved compared to known devices, avoiding in particular that the displacements of the displacing piston lead to premature wear of its guide tube on a preferential generator, due to the radial forces which are always exerted in the direction opposite to the compression piston. In Figure 1 of the drawings here attached, we
reconnaît des éléments connus pour eux-mêmes des refroi- recognizes elements known to themselves to be cool
disseurs Stirling & pilotage rotatifs existants, a savoir un carter 2, enfermant un oscillateur de pression qui assure la compression du fluide thermodynamique à chaque cycle de fonctionnement par un piston de compression 3, un piston déplaceur 5 de forme allongée, mobile en translation dans un tube guide 55 extérieur à l'oscillateur de pression, et un mécanisme de vilebrequin dont l'excentrique 4 est monté rotatif, mais en position décentrée, sur un arbre moteur 6, centré lui sur l'axe du volume cylindrique existing Stirling & piloting dissectors, namely a casing 2, enclosing a pressure oscillator which ensures the compression of the thermodynamic fluid at each operating cycle by a compression piston 3, a displacement piston 5 of elongated shape, movable in translation in a guide tube 55 outside the pressure oscillator, and a crankshaft mechanism whose eccentric 4 is rotatably mounted, but in the off-center position, on a drive shaft 6, centered on the axis of the cylindrical volume
interne du carter 2.internal of housing 2.
Par l'intermédiaire de ce mécanisme, l'arbre 6 sert tant à entraîner en translation le piston de compression 3 qu'à contrôler les déplacements en translation du piston déplaceur 5. Les deux pistons 3 et 5 sont mobiles suivant des directions radiales du volume cylindrique interne du carter 2, mais décalées angulairement l'une de l'autre de degrés, afin d'assurer le déphasage souhaité entre les By means of this mechanism, the shaft 6 is used both to drive the compression piston 3 in translation and to control the translational movements of the displacing piston 5. The two pistons 3 and 5 are movable in radial directions of the volume internal cylindrical of the casing 2, but angularly offset from each other by degrees, in order to ensure the desired phase shift between the
étapes du cycle thermodynamique.stages of the thermodynamic cycle.
L'oscillateur de pression est pourvu d'oreilles 22 en périphérie du carter 2, qui sont destinées au montage du The pressure oscillator is provided with ears 22 on the periphery of the casing 2, which are intended for mounting the
refroidisseur par fixation sur un support (non représenté). cooler by fixing on a support (not shown).
Le piston de compression 3 limite une chambre de compression 23 du fluide thermodynamique en fond d'une chemise fixe 26 de guidage du piston constituant à la fois la culasse 29 du compresseur et bouchon de fermeture pour The compression piston 3 limits a compression chamber 23 of the thermodynamic fluid at the bottom of a fixed jacket 26 for guiding the piston constituting both the cylinder head 29 of the compressor and the closure plug for
un piquage radial 24 du carter 2.a radial tap 24 of the casing 2.
Le piston déplaceur 5 s'étend entre une extrémité d'entrée 51 située en zone chaude du côté de l'oscillateur de pression et un bout froid 53 situé à l'extrémité The displacement piston 5 extends between an inlet end 51 situated in the hot zone on the side of the pressure oscillator and a cold end 53 situated at the end
opposée, o est ménagée une chambre de détente 13. opposite, a relief chamber 13 is provided.
En cette extrémité radialement éloignée de l'oscil- In this extremity radially distant from the oscil-
lateur de pression, son tube guide 55 se termine par une plaque froide 52 de montage d'un composant & refroidir 54, apposé contre le bout froid de sorte à recevoir au mieux, par conduction thermique, la puissance frigorifique pressure lator, its guide tube 55 ends with a cold plate 52 for mounting a component & to cool 54, affixed against the cold end so as to receive at best, by thermal conduction, the cooling power
produite par la détente du fluide de travail. produced by the expansion of the working fluid.
A l'extrémité d'entrée, on voit sur la figure 1 que le piston déplaceur est maintenu coulissant dans un piquage radial 25 du carter 2, équipé intérieurement d'une bague fixe 27. Avec celle-ci coopère en coulissement une pièce d'interface concentrique 78, qui termine le corps du piston au-delà de son tube guide 55, solidarisé en liaison étanche avec le carter 2, et qui entoure un canal de passage du At the inlet end, it can be seen in FIG. 1 that the displacing piston is kept sliding in a radial connection 25 of the casing 2, fitted internally with a fixed ring 27. With this, a piece of concentric interface 78, which terminates the body of the piston beyond its guide tube 55, secured in tight connection with the casing 2, and which surrounds a passage channel of the
fluide 58, ménagé suivant son axe. fluid 58, arranged along its axis.
D'une manière en soi classique, le piston déplaceur et son tube guide 55 constituent ensemble ce que l'on appelle couramment un doigt froid, et ce piston joue le rôle de régénérateur thermique, étant rempli d'un matériau poreux convenablement choisi à cet effet, généralement constitué d'un empilage de grilles métalliques à l'intérieur d'un tube isolant thermique. Le composant à refroidir 54 est, par exemple, un détecteur infrarouge. Un espace est maintenu entre la plaque froide qui le supporte et le bout du doigt froid, afin d'éviter la transmission de vibrations. Le doigt froid est complètement entouré par une enveloppe d'isolation thermique 59, à double paroi sous vide, qui n'est qu'évoquée sur la figure. Il est raccordé, généralement par soudage ou collage, au piquage radial 25 au niveau de sa zone chaude 51. On obtient ainsi la réalisation monobloc du refroidisseur préconisée par l'invention et conforme au concept de sonde froide In a conventional manner in itself, the displacing piston and its guide tube 55 together constitute what is commonly called a cold finger, and this piston plays the role of thermal regenerator, being filled with a porous material suitably chosen for this purpose. effect, generally consisting of a stack of metal grids inside a thermal insulating tube. The component to be cooled 54 is, for example, an infrared detector. A space is maintained between the cold plate which supports it and the tip of the cold finger, in order to avoid the transmission of vibrations. The cold finger is completely surrounded by a thermal insulation envelope 59, with a double wall under vacuum, which is only mentioned in the figure. It is connected, generally by welding or gluing, to the radial tap 25 at its hot zone 51. This produces the one-piece construction of the cooler recommended by the invention and conforms to the concept of cold probe.
intégrée, le doigt froid représentant un puits de cryostat. integrated, the cold finger representing a cryostat well.
Pour la position des éléments mobiles montrée sur la figure 1, la chambre de détente 13 est réduite à son volume minimal, l'extrémité froide du piston déplaceur 5 étant en bout de course vers le composant à refroidir au fond du tube guide 55. Le piston de compression 3 est au contraire éloigné de la culasse 29 au fond de sa chemise 26 au niveau de la chambre de compression 23. La position est celle de la phase de fonctionnement décrite plus loin en For the position of the mobile elements shown in FIG. 1, the expansion chamber 13 is reduced to its minimum volume, the cold end of the displacer piston 5 being at the end of its travel towards the component to be cooled at the bottom of the guide tube 55. The compression piston 3 is on the contrary distant from the cylinder head 29 at the bottom of its jacket 26 at the level of the compression chamber 23. The position is that of the operating phase described further on in
référence à la figure 5d.reference to Figure 5d.
Conformément à l'invention, l'entraînement du piston de compression 3 et du piston déplaceur poreux 5 à partir du mouvement de l'excentrique de vilebrequin 4 s'effectue au moyen d'un élément de liaison 35 qui, dans le cas présent, est plus particulièrement un tube de liaison 35 pour assurer à la fois la liaison mécanique et la According to the invention, the drive of the compression piston 3 and of the porous displacing piston 5 from the movement of the crankshaft eccentric 4 is effected by means of a connecting element 35 which, in the present case, is more particularly a connecting tube 35 to ensure both the mechanical connection and the
liaison pneumatique entre les deux pistons. pneumatic connection between the two pistons.
Ce tube de liaison 35 est fixé à chaque extrémité, par brasure ou soudure entre pièces métalliques, d'une part avec le piston de compression 3 et d'autre part avec le piston déplaceur poreux 5, plus exactement avec le canal 58 qui admet la modulation de pression dans le matériau régénérateur poreux contenu dans le piston déplaceur, et là par l'intermédiaire d'un soufflet miniature à faible This connecting tube 35 is fixed at each end, by brazing or welding between metal parts, on the one hand with the compression piston 3 and on the other hand with the porous displacing piston 5, more precisely with the channel 58 which admits the pressure modulation in the porous regenerative material contained in the displacing piston, and there by means of a miniature bellows at low
raideur 69.stiffness 69.
Le tube de liaison 35 est de section circulaire ou ovoXde qui reste constante, sur une longueur non extensible, tandis qu'il présente la flexibilité nécessaire pour se déformer à chaque tour de rotation de l'axe de l'excentrique 4, en fléchissant élastiquement entre l'excentrique et chacune de ses extrémités 74, 75 terminées The connecting tube 35 is of circular or ovoid cross-section which remains constant, over a non-extensible length, while it has the flexibility necessary to deform at each revolution of the axis of the eccentric 4, bending elastically between the eccentric and each of its ends 74, 75 completed
par ses points d'attache sur les deux pistons. by its attachment points on the two pistons.
Chacune des fixations en ces points d'attache est préférentiellement exécutée le plus loin possible de l'axe du vilebrequin, afin de réduire les efforts radiaux des pistons sur leurs chemises et d'allonger la durée de vie de I1 l'étanchéité au coulissement. Ainsi, du côté de la chambre de compression, le piston 3 est creux et le tube 35 est fixé sur lui (en 77, figure 1) du côté de la chambre de compression 23, en affleurement de son chapeau et au-delà d'un espace annulaire vide 33 interne au piston. Cette conception fournit l'équivalent d'une grande longueur de Each of the fasteners at these attachment points is preferably carried out as far as possible from the axis of the crankshaft, in order to reduce the radial forces of the pistons on their liners and to lengthen the life of the sliding seal. Thus, on the side of the compression chamber, the piston 3 is hollow and the tube 35 is fixed on it (at 77, FIG. 1) on the side of the compression chamber 23, flush with its cap and beyond. an empty annular space 33 internal to the piston. This design provides the equivalent of a great length of
bielle sans gêner les débattements latéraux. connecting rod without interfering with lateral travel.
La figure 2 étant en coupe suivant un plan diamétral de l'oscillateur de pression, elle montre un carter 11 en prolongement du carter 2 qui enferme le moteur électrique 10 d'entraînement de l'arbre 6 du refroidisseur, avec son stator 12 et son rotor 14. L'arbre de vilebrequin 6, constitué par l'axe du rotor, est monté rotatif sur roulements à billes et il est muni d'un volant d'inertie 15 qui permet d'optimiser la forme du couple mécanique demandé par le refroidisseur et de réduire ainsi la consommation électrique. A travers la paroi de fond du carter 11, on voit un queusot métallique 16 qui témoigne du chargement du refroidisseur en gaz de travail effectué par là. Les Figure 2 being in section along a diametrical plane of the pressure oscillator, it shows a housing 11 in extension of the housing 2 which encloses the electric motor 10 driving the shaft 6 of the cooler, with its stator 12 and its rotor 14. The crankshaft 6, constituted by the axis of the rotor, is rotatably mounted on ball bearings and it is provided with a flywheel 15 which makes it possible to optimize the shape of the mechanical torque required by the cooler and thereby reduce power consumption. Through the bottom wall of the casing 11, we see a metal rod 16 which shows the loading of the working gas cooler made there. The
traversées électriques étanches nécessaires à l'alimen- watertight electrical bushings necessary for the supply
tation électrique du moteur sont situées au même endroit, electric motor are located in the same place,
mais elles n'ont pas été représentées. but they were not represented.
Le carter moteur 11 est solidaire du carter 2 par une liaison entre leurs parois respectives qui est étanche au gaz de travail remplissant le volume interne. le bobinage électrique du stator est donc isolé par une résine organique à faible dégazage d'impuretés qui viendraient The motor casing 11 is integral with the casing 2 by a connection between their respective walls which is impermeable to the working gas filling the internal volume. the electric winding of the stator is therefore isolated by an organic resin with low degassing of impurities which would come
polluer le gaz de travail.pollute the working gas.
La constitution du mécanisme de vilebrequin ressort The constitution of the spring crankshaft mechanism
des figures 1,2 et 3.Figures 1,2 and 3.
L'excentrique 4 est disposé en porte à faux en bout de l'arbre 6, sur un axe 61, qui est en pratique de section réduite comme sur la figure 2 et 3. Le corps de l'excentrique 4 est fait d'une bague annulaire 42 dans laquelle est engagée à force la cage extérieure d'un système de roulement à billes miniature 62 monté glissant sur l'axe 61 par sa cage intérieure. L'emploi d'une paire de roulements montés jumelés comme illustré permet de réduire le couple de roulement. Le roulement à billes 17 supportant l'arbre 6 sur le carter moteur 6 de ce côté est The eccentric 4 is cantilevered at the end of the shaft 6, on an axis 61, which is in practice of reduced section as in FIG. 2 and 3. The body of the eccentric 4 is made of a annular ring 42 in which the external cage of a miniature ball bearing system 62 is slidably engaged slidingly on the axis 61 by its internal cage. The use of a pair of mounted twin bearings as illustrated can reduce the rolling torque. The ball bearing 17 supporting the shaft 6 on the crankcase 6 on this side is
dédoublé de la même manière.split in the same way.
En ce qui concerne l'excentrique, la bague 42 est entamée d'une gorge circulaire 43 dans laquelle se loge le tube de liaison 35. Ce dernier y est partiellement enfermé et maintenu au moyen d'une cage 44 qui forme une bague semi-ciculaire autour de la bague 42, de telle sorte As regards the eccentric, the ring 42 is started by a circular groove 43 in which the connecting tube 35 is housed. The latter is partially enclosed therein and held by means of a cage 44 which forms a semi-circular ring. circular around the ring 42, so
qu'elle délimite avec elle un diamètre de gorge corres- which it defines with it a corresponding throat diameter
pondant précisément à celui du tube 35 au voisinage d'un point central 63 de la cage 44. Toutefois, en s'écartant de ce point central, on remarque sur la figure 1 que la cage 44 présente intérieurement un pourtour évasé vers les bords de sa forme semi-circulaire, telle 45, ce qui a pour conséquence qu'elle y laisse le tube 35 plus libre de se déformer au cours de son entraînement par le mécanisme de vilebrequin. Les figures 5a à 5d montrent clairement comment le mouvement moteur est transmis par le vilebrequin et le tube 35 aux pistons 3 et 5 de manière à assurer les quatre phases d'un cycle de Stirling, tandis que la figure 4 représente la configuration que présente le tube 35 au naturel, avant son montage autour de l'excentrique et sa fixation sur les pistons. La forme géométrique choisie est particulièrement bien adaptée pour que le tube 35 assure laying precisely on that of the tube 35 in the vicinity of a central point 63 of the cage 44. However, by deviating from this central point, it can be seen in FIG. 1 that the cage 44 has internally a flared periphery towards the edges of its semi-circular shape, such as 45, which has the consequence that it leaves the tube 35 more free to deform during its drive by the crankshaft mechanism. FIGS. 5a to 5d clearly show how the engine movement is transmitted by the crankshaft and the tube 35 to the pistons 3 and 5 so as to ensure the four phases of a Stirling cycle, while FIG. 4 represents the configuration presented by the tube 35 naturally, before mounting around the eccentric and fixing to the pistons. The geometric shape chosen is particularly well suited so that the tube 35 ensures
l'effet de ressort recherché suivant l'invention. the spring effect sought after according to the invention.
Il convient de souligner à ce sujet que le dérou- It should be emphasized in this connection that the
lement des quatre phases essentielles du cycle en faisant appel au tube ressort de transmission de mouvement suivant l'invention, est étroitement lié au fonctionnement du doigt Lement of the four essential phases of the cycle by using the movement transmission spring tube according to the invention, is closely linked to the operation of the finger
froid. En raison de la présence dans celui-ci d'un régé- cold. Due to the presence in it of a reg-
nérateur obligatoirement traversé par le fluide thermo- generator necessarily crossed by the thermo-fluid
dynamique, tant en sens aller de chambre de compression à chambre de détente qu'en sens retour, lequel régénérateur est constitué par un tube poreux allongé, le fluide y subit nécessairement des pertes de charge importantes qui se traduisent en faveur de l'entretien de son mouvement déphasé. En d'autres termes, l'énergie de fonctionnement à apporter de l'extérieur l'est essentiellement pour déplacer le piston de compression, tant en traction qu'en poussée, d'o d'ailleurs la section nettement plus large de ce piston. Tel qu'il est décrit ici, le tube 35 se décompose en trois parties dans sa configuration linéaire. On distingue sur les figures, et notamment sur la figure 4, une partie médiane 71, qui forme un arc de cercle destiné à s'adapter sur l'excentrique de part et d'autre du point central fixe déjà mentionné. Cette partie médiane est intermédiaire entre deux branches latérales 72 et 73, dont chacune se termine en une extrémité rectiligne 74 ou 75 dynamic, both in the forward direction from the compression chamber to the expansion chamber and in the return direction, which regenerator consists of an elongated porous tube, the fluid necessarily undergoes significant pressure drops which translate in favor of the maintenance of its phase shifted. In other words, the operating energy to be brought in from the outside is essentially to move the compression piston, both in traction and in thrust, hence the clearly wider section of this piston . As described here, the tube 35 breaks down into three parts in its linear configuration. We distinguish in the figures, and in particular in Figure 4, a middle part 71, which forms an arc intended to fit on the eccentric on either side of the fixed central point already mentioned. This middle part is intermediate between two lateral branches 72 and 73, each of which ends in a straight end 74 or 75
vers le point d'attache au piston correspondant. towards the point of attachment to the corresponding piston.
Le tube ressort 35 est monté prétendu sur l'excentrique 4 à partir d'une courbure naturelle de sa partie médiane 71 dont l'ouverture angulaire est supérieure à celle de l'excentrique, donc moins concave que celle de la cage 44 qui la maintient dans la gorge de ce dernier, comme il apparaIt sur la figure 4. C'est ainsi que l'on assure, au cours du fonctionnement, un effet de prétension qui tend à ouvrir l'angle de 90 degrés entre les axes des pistons, et qui contribue à maintenir le tube 35 dans l'alignement des axes des pistons au voisinage des points d'attache respectifs, grâce à une contrainte de flexibilité initiale qui se trouve équilibrée en dynamique. L'intérêt de cette disposition est particulièrement sensible dans le cas du piston compresseur, car elle se traduit par une réduction considérable de l'usure sélective sur une génératrice préférentielle de sa chemise que l'on déplore The spring tube 35 is mounted pretended on the eccentric 4 from a natural curvature of its middle part 71 whose angular opening is greater than that of the eccentric, therefore less concave than that of the cage 44 which maintains it in the groove of the latter, as it appears in FIG. 4. This is how we ensure, during operation, a pretensioning effect which tends to open the angle of 90 degrees between the axes of the pistons, and which contributes to keeping the tube 35 in alignment with the axes of the pistons in the vicinity of the respective attachment points, by virtue of an initial flexibility constraint which is balanced in dynamics. The advantage of this arrangement is particularly noticeable in the case of the compressor piston, because it results in a considerable reduction in selective wear and tear on a preferential generator of its jacket which is deplored.
dans les refroidisseurs conçus précédemment. in previously designed coolers.
Dans le même souci, il est prévu que la partie médiane 71 s'étende sur une longueur qui correspond sensiblement à celle d'un demi-cercle en pourtour de l'excentrique, et que les deux branches latérales 72 et 73 qui sont faites pour s'éloigner de celui-ci jusqu'aux pistons aux extrémités du tube 35, forment elles-mêmes des bosses convexes, en courbes dont la concavité est tournée en sens inverse de celle de la partie médiane 71, avant de rejoindre la forme rectiligne qu'elles présentent en leurs extrémités 74, 75, au voisinage immédiat des points In the same concern, it is provided that the middle part 71 extends over a length which corresponds substantially to that of a semicircle around the eccentric, and that the two lateral branches 72 and 73 which are made for move away from it to the pistons at the ends of the tube 35, themselves form convex bumps, in curves whose concavity is turned in the opposite direction to that of the middle part 71, before joining the rectilinear shape that 'they have at their ends 74, 75, in the immediate vicinity of the points
d'attache à leurs pistons respectifs. of attachment to their respective pistons.
Grâce à une telle configuration, et suivant des règles qui sont parfaitement à la portée des métallurgistes pour traduire en termes de fabrication les exigences posées ici, on obtient qu'en fonctionnement, une fois qu'il est lié à l'excentrique, le tube 35 se comporte en pratique comme un élément de liaison mécanique linéaire présentant les propriétés d'un ressort à forte raideur et que ses déformations suivent au mieux celles qui correspondent à Thanks to such a configuration, and according to rules which are perfectly within the reach of metallurgists to translate in terms of manufacturing the requirements posed here, we obtain that in operation, once it is linked to the eccentric, the tube 35 behaves in practice as a linear mechanical connecting element having the properties of a spring with high stiffness and that its deformations best follow those which correspond to
une translation linéaire des pistons. a linear translation of the pistons.
Ces dispositions se conjuguent dans leurs effets avec le choix d'un soufflet 69 à faible raideur, dont le rôle essentiel est d'absorber par sa souplesse les écarts latéraux par rapport à un alignement axial de la branche latérale correspondante 73 du tube 35 au voisinage immédiat de son point d'attache avec le piston déplaceur, et non de permettre une extension ou rétraction longitudinale. En effet, malgré la raideur limitée d'un tel soufflet, les conséquences sur la course réelle du piston sont faibles, étant donné l'entretien du mouvement déjà imposé par les forces de surface intrinsèques dont est le siège le piston déplaceur. Par ailleurs, le soufflet 69, avantageusement These arrangements combine in their effects with the choice of a bellows 69 of low stiffness, the essential role of which is to absorb, by its flexibility, the lateral deviations with respect to an axial alignment of the corresponding lateral branch 73 of the tube 35 in the vicinity. immediately from its point of attachment with the displacing piston, and not to allow a longitudinal extension or retraction. Indeed, despite the limited stiffness of such a bellows, the consequences on the actual stroke of the piston are low, given the maintenance of the movement already imposed by the intrinsic surface forces of which the displacer piston is seat. Furthermore, the bellows 69, advantageously
réalisé en acier inoxydable comme le tube de liaison lui- made of stainless steel like the connecting tube itself
même, est aisément capable de contenir la dynamique de pression pneumatique, dans la mesure o il est situé dans le volume interne du carter 2, et donc soumis exté- rieurement à la pression de chargement. Dans certaines variantes de réalisation de l'invention, on préférera toutefois remplacer une telle liaison par soufflet par un montage sur rotule de l'extrémité du tube 35 dans le corps du déplaceur, plus exactement dans sa pièce d'interface 78, dont le canal 58 reste en communication à travers la rotule even, is easily capable of containing the dynamics of pneumatic pressure, insofar as it is located in the internal volume of the casing 2, and therefore subjected externally to the loading pressure. In certain variant embodiments of the invention, it will however be preferable to replace such a bellows connection with a ball joint mounting of the end of the tube 35 in the body of the displacer, more precisely in its interface part 78, including the channel 58 remains in communication through the ball joint
avec le tube 35 pour le passage du gaz de travail. with the tube 35 for the passage of the working gas.
Quand le tube 35 est en place dans le refroidisseur en fonctionnement, il se déforme légèrement par flexibilité élastique de ses parties courbes au cours de la rotation de l'axe d'excentrique 61 autour de l'axe de l'arbre moteur 6, cependant que, du fait de la réalisation de l'excentrique 4 en deux parties concentriques tournant l'une dans l'autre, la gorge dans laquelle il est maintenu par la cage 44 suitlibrement son faible déplacement. When the tube 35 is in place in the operating cooler, it deforms slightly by elastic flexibility of its curved parts during the rotation of the eccentric axis 61 around the axis of the motor shaft 6, however that, due to the realization of the eccentric 4 in two concentric parts rotating one inside the other, the groove in which it is held by the cage 44 freely follows its small displacement.
Ceci est illustré par les figures Sa à 5d, sur lesquelles on a cherché à faire apparaître tant les déformations des courbes du tube 35 que le déplacement de ses points d'attache aux pistons en ses extrémités opposées, en représentant schématiquement l'ensemble pour quatre positions typiques au cours d'un cycle. On notera toutefois que la représentation reste théorique par rapport à ce que peut donner la rotation continue dans la réalité pratique. Conformément à ces figures, l'extrémité liée au piston de compression passe de la position A1 de réduction maximale du volume de compression à la position A3 de fin de compression (figure 5c) en passant par la position intermédiaire de quart de cycle A2. Elle revient ensuite à la position A1 de la figure Sa en passant sensiblement par la même position intermédiaire A2 en figure 5d. Dans le même temps, l'extrémité liée au piston déplaceur part d'une position intermédiaire B1 (figure 5a) pour venir à sa position rétractée B2 correspondant à un volume maximal de la chambre de détente (figure 5b), puis elle revient à la position Bl (figure 5c) avant de se tendre vers la position B3 de la figure 5d, correspondant au volume minimal de la This is illustrated by Figures Sa to 5d, in which it has been sought to show both the deformations of the curves of the tube 35 and the displacement of its points of attachment to the pistons at its opposite ends, schematically representing the assembly for four typical positions during a cycle. Note, however, that the representation remains theoretical in relation to what continuous rotation can give in practical reality. In accordance with these figures, the end linked to the compression piston passes from the position A1 for maximum reduction of the compression volume to the position A3 at the end of compression (FIG. 5c) passing through the intermediate quarter-cycle position A2. It then returns to position A1 in FIG. Sa by passing substantially through the same intermediate position A2 in FIG. 5d. At the same time, the end linked to the displacing piston starts from an intermediate position B1 (FIG. 5a) to come to its retracted position B2 corresponding to a maximum volume of the expansion chamber (FIG. 5b), then it returns to the position Bl (FIG. 5c) before reaching towards position B3 in FIG. 5d, corresponding to the minimum volume of the
chambre de détente.relaxation room.
D'une phase à l'autre, la partie médiane du tube ressort 35 prend appui en partie sur le fond de la gorge 43, mais aussi sur la cage de guidage 44 elle-même compte tenu de ses bords évasés et de la prétension du tube. Les efforts s'exercent pour l'essentiel du côté de la branche latérale accrochée au piston de compression, o d'ailleurs, le problème d'alignement axial se pose moins, Pour cette raison, la courbure de la bosse convexe du tube de ce côté a été rendue sciemment plus gonflée en amplitude que celle du côté du piston déplaceur. Les axes de poussée sont schématisés par les lignes X1, X2, X3 passant par le centre From one phase to another, the middle part of the spring tube 35 bears partly on the bottom of the groove 43, but also on the guide cage 44 itself, taking into account its flared edges and the pretension of the tube. The efforts are exerted mainly on the side of the lateral branch attached to the compression piston, o moreover, the problem of axial alignment is less posed, for this reason, the curvature of the convex bump of the tube of this side was made knowingly more inflated in amplitude than that of the side of the displacer piston. The thrust axes are shown diagrammatically by the lines X1, X2, X3 passing through the center
d'axe de l'excentrique.eccentric axis.
On précisera maintenant quelque peu les matériaux utilisés dans la constitution du refroidisseur faisant l'objet des figures, ainsi que le dimensionnement de ses We will now specify somewhat the materials used in the constitution of the cooler which is the subject of the figures, as well as the dimensioning of its
éléments constitutifs, en choisissant un exemple particu- constituent elements, choosing a particular example
lièrement avantageux pour un appareil de faible coût, tant en prix de revient de sa fabrication qu'en frais de particularly advantageous for a low-cost device, both in production cost and in costs
fonctionnement et d'entretien.operation and maintenance.
En général on utilise de l'hélium comme gaz de travail dans les refroidisseurs connus, mais pour un fonctionnement à des températures froides intermédiaires, de l'ordre de 120 à 150 K, il est mieux ici d'utiliser de l'air, de l'azote, de l'argon, ou préférentiellement du néon. Le tube 35 est réalisé en un acier de bonne ductilité en qualité inoxydable, tel que le type ZO10, acier recuit demi-dur. Il est mis en oeuvre en tuyau de section circulaire. Le tube 35 peut, par exemple, présenter une longueur linéaire de 44 mm, pour une mobilité de ses extrémités sur une distance de l'ordre de 1 mm, et une section de passage équivalente à celle d'un diamètre circulaire de 1,5 mm sous une épaisseur de paroi de microns. Les diamètres respectifs des deux pistons sont par exemple de 6 mm pour un piston déplaceur offrant une longueur de régénérateur de 41 mm, et 14 mm pour le piston In general, helium is used as the working gas in known coolers, but for operation at intermediate cold temperatures, of the order of 120 to 150 K, it is better here to use air, nitrogen, argon, or preferably neon. The tube 35 is made of a steel of good ductility in stainless quality, such as the ZO10 type, semi-hard annealed steel. It is implemented in a circular section pipe. The tube 35 may, for example, have a linear length of 44 mm, for a mobility of its ends over a distance of the order of 1 mm, and a passage section equivalent to that of a circular diameter of 1.5 mm under a wall thickness of microns. The respective diameters of the two pistons are for example 6 mm for a displacing piston offering a regenerator length of 41 mm, and 14 mm for the piston
de compression.compression.
Dans une réalisation à sonde froide intégrée telle que décrite ci-dessus, le carter principal 2, le carter moteur 11 et le tube guide 55 du piston déplaceur constituent ensemble une enceinte monolithique étanche pour le gaz de travail, qui remplit son volume interne sous la In an embodiment with integrated cold probe as described above, the main casing 2, the engine casing 11 and the guide tube 55 of the displacing piston together constitute a tight monolithic enclosure for the working gas, which fills its internal volume under the
pression statique de chargement.static loading pressure.
Dans cette enceinte se trouvent situés tous les éléments mobiles du refroidisseur de l'invention. Dans une optique visant surtout un faible coût, elle peut être réalisée en matière plastique de type technique. Ses différentes pièces sont fabriquées par moulage et assemblées avec solidarisation étanche des parois par collage. Si l'on ajoute une métallisation superficielle du côté interne, on évite les conséquences d'un dégazage potentiel des constituants organiques et le phénomène d'hygroscopicité. Au moins pour le corps du carter 2 du compresseur, on utilise une matière de bonne résistance mécanique à forte conductibilité thermique afin d'assurer la réjection de la chaleur de compression vers l'extérieur. La même matière peut convenir au carter moteur pour les mêmes raisons, surtout si elle présente des propriétés isolantes In this enclosure are located all the movable elements of the cooler of the invention. With a view especially to low cost, it can be made of plastic of the technical type. Its different parts are manufactured by molding and assembled with a tight connection of the walls by gluing. If one adds a surface metallization on the internal side, one avoids the consequences of a potential degassing of the organic constituents and the phenomenon of hygroscopicity. At least for the body of the compressor casing 2, a material of good mechanical strength with high thermal conductivity is used in order to ensure the rejection of the heat of compression to the outside. The same material may be suitable for the crankcase for the same reasons, especially if it has insulating properties
propres pour faciliter les traversées électriques étanches. clean to facilitate watertight electrical crossings.
La réjection de chaleur peut être encore améliorée si l'on prévoit de conserver le choix d'un matériau métallique (acier inoxydable) pour la culasse 29 du compresseur et la chemise 26 du piston de compression, réalisés d'une seule pièce, le piston de compression 3 The heat rejection can be further improved if it is planned to keep the choice of a metallic material (stainless steel) for the cylinder head 29 of the compressor and the jacket 26 of the compression piston, made in one piece, the piston compression 3
étant lui-même de nature métallique. itself being metallic in nature.
L'étanchéité dynamique entre le piston de compression et sa chemise est assurée par exemple par un revêtement de polytétrafluoréthylène préférablement imprégné d'un additif de glissement pour réduire le coefficient de frottement entre piston et chemise. Le même type de revêtement peut être appliqué sur le piston déplaceur pour faciliter son coulissement, spécialement The dynamic seal between the compression piston and its jacket is provided for example by a coating of polytetrafluoroethylene preferably impregnated with a sliding additive to reduce the coefficient of friction between piston and jacket. The same type of coating can be applied to the displacement piston to facilitate its sliding, especially
dans sa partie montée sur le carter du compresseur. in its part mounted on the compressor housing.
Une matière plastique à base des mêmes résines que le carter ou de résines compatibles peut d'ailleurs être utilisée pour le tube 55 de guidage du piston déplaceur, A plastic material based on the same resins as the casing or compatible resins can also be used for the tube 55 for guiding the displacing piston,
sous la réserve qu'il est souhaitable qu'elle soit thermi- with the proviso that it is desirable that it be thermi-
quement isolante, comme d'ailleurs le tube formant la paroi propre du piston déplaceur et qu'elle soit étanche au gaz de travail. Pour l'un et pour l'autre, on recherche des matériaux à faible coefficient de dilatation thermique afin only insulating, like the tube forming the clean wall of the displacing piston and that it is impermeable to the working gas. For both, we are looking for materials with a low coefficient of thermal expansion in order to
de limiter toute variation de longueur du doigt froid. limit any variation in the length of the cold finger.
Dans le cas également d'un fonctionnement à tempé- Also in the case of temperate operation
rature froide intermédiaire et dans une optique au plus faible coût, l'enveloppe d'isolation thermique du doigt froid n'a pas strictement besoin d'être sous vide, et un remplissage de gaz d'inertage dans une double paroi de cold intermediate rature and in a low cost perspective, the thermal insulation envelope of the cold finger does not strictly need to be under vacuum, and a filling of inerting gas in a double wall of
matière plastique peut être approprié. plastic may be appropriate.
La pièce d'interface 78 du piston déplaceur est de forme cylindrique, et elle est collée dans le tube propre au déplaceur en vue d'une étanchéité en pression statique qui est ici suffisante. En effet, comme le gaz de travail est forcé à travers le régénérateur poreux suivant son axe par la modulation de pression conduite par le tube 35 situé dans le volume pressurisé interne au carter 2, il n'est plus besoin de l'étanchéité en statique que demandaient antérieurement les perçages à travers le carter qui faisaient entrer le fluide latéralement dans le tube déplaceur depuis la chambre de compression. The interface piece 78 of the displacing piston is of cylindrical shape, and it is bonded in the tube specific to the displacer for sealing in static pressure which is here sufficient. Indeed, as the working gas is forced through the porous regenerator along its axis by the pressure modulation conducted by the tube 35 located in the internal pressurized volume in the casing 2, there is no longer any need for static sealing as previously requested by the holes through the casing which made the fluid enter laterally into the displacer tube from the compression chamber.
Mais bien entendu, cette description n'entend aucunement être limitative. En particulier, et même le cas But of course, this description does not mean to be limiting. In particular, and even the case
échéant en utilisant sensiblement la même matière plastique pour l'enveloppe du doigt froid et le carter, il peut être préférable de les assembler par joint métallique et vissage plutôt que par collage, quand on vise l'interchangeabilité if necessary by using substantially the same plastic material for the casing of the cold finger and the casing, it may be preferable to assemble them by metal joint and screwing rather than by gluing, when the aim is interchangeability
du doigt froid.cold finger.
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1996
- 1996-12-04 EP EP96402620A patent/EP0778452A1/en not_active Withdrawn
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