FR3033629A1

FR3033629A1 - Refroidisseur stirling a transfert de fluide par conduit deformable

Info

Publication number: FR3033629A1
Application number: FR1500486A
Authority: FR
Inventors: Jean Yves Martin
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2015-03-13
Publication date: 2016-09-16
Anticipated expiration: 2035-03-13
Also published as: EP3268679A1; SI3268679T1; IL254443B; CN107407509B; KR102444439B1; FR3033629B1; TR201907138T4; IL254443A0; EP3268679B1; KR20170126923A; WO2016146572A1; US20180058731A1; CN107407509A; US10465947B2

Abstract

La présente invention concerne un refroidisseur (10) fonctionnant selon le cycle de Stirling, du type comprenant : - un carter (12) comprenant un cylindre de compression (20) et un cylindre de régénération (26), - un piston de compression (46) et un piston de régénération (50), mobiles en translation dans le cylindre de compression et dans le cylindre de régénération, - un vilebrequin (36) d'entraînement, comprenant un maneton (40) rotatif, et - deux bielles (42, 44) accouplées aux pistons de compression et de régénération, lesdites bielles étant accouplées au maneton rotatif, - un conduit (60) de circulation de fluide, reliant les cylindres de compression et de régénération. Une extrémité (64) du conduit de circulation de fluide est disposée sur le piston de régénération ; et ledit conduit de circulation de fluide comprend un tuyau (66) déformable en fonction du déplacement du piston de compression et/ou de régénération.

Description

1 Refroidisseur Stirling à transfert de fluide par conduit déformable La présente invention concerne un refroidisseur fonctionnant selon le cycle de Stirling, du type comprenant : un carter définissant un volume interne rempli d'un fluide, ledit carter comprenant un cylindre de compression et un cylindre de régénération ; un piston de compression mobile en translation dans le cylindre de compression ; un piston de régénération mobile en translation dans le cylindre de régénération ; le carter et les pistons de compression et de régénération définissant respectivement une chambre de compression, une chambre de régénération, et une chambre de référence disposée entre les pistons de compression et de régénération ; un vilebrequin d'entraînement, comprenant un maneton rotatif par rapport au carter ; et une bielle de compression accouplée au piston de compression et une bielle de régénération accouplée au piston de régénération, lesdites bielles étant rigides, lesdites bielles étant en outre accouplées au maneton rotatif ; le maneton rotatif et les bielles de compression et de régénération étant disposés dans la chambre de référence ; le refroidisseur comprenant en outre un conduit de circulation de fluide, une première extrémité dudit conduit ouvrant sur la chambre de compression et une seconde extrémité dudit conduit ouvrant sur la chambre de régénération. Un tel refroidisseur est notamment décrit dans le document US3851173.

De manière connue, le cycle de Stirling idéal comprend les quatre phases suivantes : - une compression isotherme d'un fluide à une température chaude, obtenue par le déplacement d'un piston de compression dans un cylindre de compression ; - un refroidissement isochore du fluide, de la température chaude à une température froide, obtenu par passage du fluide à travers un piston de régénération, ledit piston étant en déplacement dans un cylindre de régénération et jouant le rôle d'échangeur thermique ; - une détente isotherme du fluide à la température froide, obtenue par retour du piston de compression dans le cylindre de compression, et - un réchauffement isochore du fluide, de la température froide à la température chaude, obtenu par retour du piston de régénération dans le cylindre de régénération. De manière connue, dans un refroidisseur du type précité, le passage du fluide entre le cylindre de compression et le cylindre de régénération est assuré par un conduit rigide, traversant le carter et le piston de régénération. Un jeu entre le cylindre de 3033629 2 régénération et le piston coulissant dans ledit cylindre doit être suffisamment faible pour que le fluide soit forcé à travers l'échangeur thermique avec un minimum de déperditions. Or, les technologies adaptées à ce type de jeu faible, par exemple de type « clearance seal », impliquent des contraintes et des coûts de réalisation élevés et des 5 durées de vie limitées pour les pièces. La présente invention a pour but de fournir un dispositif assurant le passage du fluide entre le cylindre de compression et le cylindre de régénération, en diminuant les contraintes et les coûts associés. A cet effet, l'invention a pour objet un refroidisseur du type précité, dans lequel la 10 seconde extrémité du conduit de circulation de fluide est disposée sur le piston de régénération ; et ledit conduit de circulation de fluide comprend un tuyau déformable en fonction du déplacement du piston de compression et/ou du piston de régénération, ledit tuyau déformable étant disposé dans la chambre de référence. Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le refroidisseur comporte l'une 15 ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniques possibles : - la première extrémité du conduit de circulation correspond à une extrémité d'un alésage ménagé dans le carter entre la chambre de compression et la chambre de référence, le tuyau déformable prolongeant ledit alésage ; 20 - la première extrémité du conduit de circulation correspond à une extrémité du tuyau déformable et est disposée sur le piston de compression ; - la première bielle est reliée au piston de compression par une articulation ; - la première bielle est montée fixe sur le piston de compression ; le piston de compression comporte un bord incurvé de sorte à pouvoir osciller au contact du cylindre 25 de compression, dans un plan comprenant un axe de déplacement dudit piston ; et la première extrémité du conduit de circulation correspond à une extrémité d'un alésage ménagé dans le piston de compression et la première bielle, entre la chambre de compression et la chambre de référence, le tuyau déformable prolongeant ledit alésage ; - le tuyau déformable est un tuyau souple ; 30 - le tuyau déformable est formé de tronçons rigides séparés par au moins deux zones flexibles. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels : 3033629 3 la figure 1 est une vue en coupe d'un refroidisseur selon un premier mode de réalisation de l'invention ; la figure 2 est une vue en coupe d'un refroidisseur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et 5 la figure 3 est une vue en coupe d'un refroidisseur selon un troisième mode de réalisation de l'invention. La figure 1 représente une vue en coupe d'un dispositif 10 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 10 est un refroidisseur fonctionnant selon le cycle de Stirling. Le dispositif 10 comprend un carter 12. Ledit carter 12 comporte 10 notamment un corps 14 et un puits de cryostat 16, assemblés l'un à l'autre et définissant un volume 18 interne au carter. Le volume interne 18 est préférentiellement rempli d'un gaz à haute pureté tel que de l'hélium. Dans la suite de la description, on considère une base orthonormée (X, Y, Z). Le corps 14 du carter définit notamment une première paroi interne 20, de forme 15 cylindrique, disposée selon un premier axe 22 parallèle à Z. Ladite paroi interne 20 est dite cylindre de compression. Le carter 12 comporte en outre un flasque 24 assemblé au corps 14. Le flasque 24 ferme un orifice situé à une première extrémité axiale du cylindre de compression 20. Le puits de cryostat 16 définit une deuxième paroi interne 26, de forme cylindrique, 20 disposée selon un deuxième axe 28 incliné par rapport au premier axe 22. Dans l'exemple de la figure 1, le deuxième axe 28 est parallèle à X, soit perpendiculaire au premier axe 22. Le deuxième axe 28 est sensiblement coplanaire au premier axe 22. La deuxième paroi interne 26 est dite cylindre de régénération. Une première extrémité axiale 30 du cylindre de régénération 26, dite extrémité froide, est fermée. De 25 manière classique, l'extrémité froide 30 est au contact d'un élément 31 à refroidir au moyen du dispositif 10, par exemple un composant électronique. Les deuxièmes extrémités axiales du cylindre de compression 20 et du cylindre de régénération 26 communiquent avec un espace central 32 du carter 12. L'espace central 32 est sensiblement cylindrique, disposé selon un troisième axe 34 parallèle à Y.

30 Préférentiellement, le troisième axe 34 passe par une intersection des premier et deuxième axes 22, 28, ou à proximité de ladite intersection. L'espace central 32 loge un système de vilebrequin 36, relié à un moteur (non représenté). Le vilebrequin 36 comporte un arbre moteur disposé selon le troisième axe 34. Sur l'arbre moteur est monté fixe un maneton excentrique 40. Le maneton 40 est accouplé à une première bielle 42 et à une deuxième bielle 44, lesdites première et 3033629 4 deuxième bielles 42, 44 étant sensiblement disposées dans le plan (X, Z) contenant les premier et deuxième axes 22, 28. Selon une variante, les première et deuxième bielles 42, 44 sont disposées dans un plan parallèle au plan contenant les premier et deuxième axes 22, 28.

5 La première bielle 42 est une pièce rigide, montée sur le maneton 40 par l'intermédiaire d'un palier 43. Une articulation 45 relie ladite première bielle 42 à un premier piston 46, dit piston de compression. Le piston de compression 46 est mobile en translation selon le premier axe 22 dans le cylindre de compression 20, qui guide le piston 46 lors de son déplacement. De préférence, une fuite entre le cylindre de compression 20 10 et l'espace central 32 est la plus faible possible pour conserver un bon rendement au dispositif 10. Dans la présente description, le terme « piston de compression » peut également s'appliquer à une membrane de compression. Le piston de compression 46 définit une chambre de compression 48, située dans 15 le cylindre de compression 20 entre le flasque 24 et ledit piston de compression 46. La chambre de compression 48 a un volume variable en fonction du déplacement du piston 46. La deuxième bielle 44 est une pièce rigide, dont une première extrémité est articulée sur un doigt 49 de la première bielle 42 et une deuxième extrémité est articulée 20 sur un deuxième piston 50, dit piston de régénération. Le piston de régénération 50 est mobile en translation selon le deuxième axe 28 dans le cylindre de régénération 26. Le piston de régénération 50 comporte une base 52, articulée à la deuxième bielle 44. Le piston 50 comporte en outre un tube 54 qui s'étend à partir de la base 52 dans le cylindre de régénération 26, en direction de l'extrémité froide 30. Typiquement, l'intérieur 25 du tube 54 est garni d'un matériau poreux (non représenté) apte à l'échange thermique avec le fluide qui le traverse du fait du mouvement du piston de compression 48. Le matériau poreux est par exemple formé d'un empilage de grilles métalliques. Le jeu entre le piston de régénération 50 et le cylindre de régénération 26 peut être supérieur au jeu entre le piston de compression 46 et le cylindre de compression 20.

30 Le piston de régénération 50 définit une chambre de régénération, ou chambre de détente 56, située dans le cylindre de régénération 26 entre l'extrémité froide 30 et ledit piston de régénération 50. La chambre de régénération 56 a un volume variable en fonction du déplacement du piston 50. Le piston de compression 46 et le piston de régénération 50 définissent par 35 ailleurs une chambre 58 de référence de pression, dans laquelle est disposé le système 3033629 5 de vilebrequin 36 et les bielles 42, 44. L'espace central 32 est notamment inclus dans la chambre de référence 58. Ladite chambre 58 a un volume variable en fonction du déplacement des pistons 46, 50. Le dispositif 10 comprend en outre un conduit 60 de circulation de fluide, assurant 5 une liaison pneumatique entre la chambre de compression 48 et la chambre de régénération 56. Plus précisément, une première extrémité 62 du conduit 60 ouvre sur la chambre de compression 48 et une seconde extrémité 64 du conduit 60 ouvre sur la base 52 du piston de régénération 50. La seconde extrémité 64 est formée par un piquage axial, soit parallèle à X, à 10 travers la base 52 du piston 50. La seconde extrémité 64 est raccordée à un tuyau 66 disposé dans la chambre de référence 58. A partir de la seconde extrémité 64, le tuyau 66 contourne l'axe 34 de rotation du vilebrequin 36 et se raccorde à un alésage 68, ménagé dans le carter 12 sensiblement parallèlement au cylindre de compression 20. L'alésage 68 débouche dans la chambre de 15 compression 48 au niveau de la première extrémité 62 du conduit 60. Le tuyau 66 est déformable en fonction du déplacement du piston de régénération 50. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1, le tuyau 66 est un tuyau souple, par exemple un tuyau en matériau plastique renforcé ou non. Selon une variante de réalisation (non représentée), le tuyau 66 est formé de tronçons rigides séparés par au 20 moins deux zones flexibles. La figure 2 représente une vue en coupe d'un dispositif 110 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 110 est un refroidisseur fonctionnant selon le cycle de Stirling, analogue au dispositif 10 de la figure 1. Dans la suite de la description, les éléments communs aux dispositifs 10 et 110 sont désignés par les mêmes numéros 25 de référence. La description ci-dessus du dispositif 10 s'applique au dispositif 110, à l'exception des caractéristiques du conduit 60 de circulation de fluide entre la chambre de compression 48 et la chambre de régénération 56. Plus précisément, le conduit 60 du dispositif 110 a une seconde extrémité 64 qui 30 ouvre sur la chambre de régénération 56 par l'intermédiaire d'un piquage axial dans la base 52 du piston de régénération 50, de même que dans le dispositif 10. Le conduit 60 du dispositif 110 a d'autre part une première extrémité 162 ouvrant sur la chambre de compression 48. Contrairement à la première extrémité 62 du dispositif 10, la première extrémité 162 n'est pas ménagée dans le carter 12. La première extrémité 35 162 est formée par un piquage axial, soit parallèle à Z, dans le piston de compression 46.

3033629 6 Les première 162 et seconde 64 extrémités du conduit 60 du dispositif 110 correspondent aux extrémités d'un tuyau 166, disposé dans la chambre de référence 58 et raccordé au piston de régénération 50 et au piston de compression 46. De même que le tuyau 66 du dispositif 10, le tuyau 166 est déformable en fonction 5 du déplacement du piston de régénération 50 et du piston de compression 46. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, le tuyau 166 est un tuyau souple ; selon une variante de réalisation (non représentée), le tuyau 166 est formé de tronçons rigides séparés par au moins deux zones flexibles. La figure 3 représente une vue en coupe d'un dispositif 210 selon un troisième 10 mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 210 est un refroidisseur fonctionnant selon le cycle de Stirling, analogue aux dispositifs 10 et 110 des figures 1 et 2. Dans la suite de la description, les éléments communs aux dispositifs 10, 110 et 210 sont désignés par les mêmes numéros de référence. La description ci-dessus du dispositif 10 s'applique au dispositif 210, à l'exception 15 des caractéristiques ci-après : Le dispositif 210 comporte un piston de compression 246 mobile en translation dans le cylindre de compression 20. Un bord radial 247 du piston 246, au contact dudit cylindre 20, présente une section convexe dans un plan passant par le premier axe 22 de déplacement du piston 246. De manière optionnelle, une étanchéité entre le cylindre de 20 compression 20 et le bord radial 247 du piston 246 est obtenue au moyen d'un joint radial souple (non représenté) porté par le piston. Le piston 246 est par exemple analogue au piston décrit dans le document US5231917. Par ailleurs, le système de vilebrequin 36 du dispositif 210 comporte une première bielle 242 rigide. Une tête 243 de la première bielle 242 est accouplée au maneton 25 excentrique 40 du vilebrequin 36. Un pied 245 de la première bielle 242 est monté fixe sur le piston de compression 246. Au contraire, dans le cas des dispositifs 10, 110, la première bielle 42 est articulée sur le piston de compression 46. Le dispositif 210 comporte un conduit 60 de circulation de fluide entre la chambre de compression 48 et la chambre de régénération 56.

30 Le conduit 60 du dispositif 210 a une seconde extrémité 64 qui ouvre sur la chambre de régénération 56 par l'intermédiaire d'un piquage axial dans la base 52 du piston de régénération 50, de même que dans les dispositifs 10 et 110. La seconde extrémité 64 est raccordée à un tuyau 66 disposé dans la chambre de référence 58. A partir de la seconde extrémité 64, le tuyau 66 contourne l'axe de rotation du 35 vilebrequin 36 et se raccorde à un alésage 268, ménagé notamment à l'intérieur de la 3033629 7 bielle rigide 242 et du piston de compression 246. Une première extrémité 269 de l'alésage 268 débouche dans la chambre de référence 58, à proximité de la tête de bielle 243. Une seconde extrémité 262 de l'alésage 268 forme un piquage axial dans le piston 246 et débouche dans la chambre de compression 48. De préférence, la seconde 5 extrémité 262 est située proche du premier axe 22 du cylindre de compression 20. Le tuyau 66 est déformable en fonction du déplacement du piston de régénération 50 et du piston de compression 46. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, le tuyau 166 est un tuyau souple ; selon une variante de réalisation (non représentée), le tuyau 166 est formé de tronçons rigides séparés par au moins deux zones flexibles.

10 Un procédé de fonctionnement des dispositifs 10, 110 et 210 va maintenant être décrit, selon les étapes connues en tant que telles d'un cycle de Stirling. Le maneton excentrique 40 est entraîné en rotation par l'arbre moteur du vilebrequin 36, autour de l'axe 34. Par l'intermédiaire respectivement de la première bielle 42, 242 et de la deuxième bielle 44, la rotation du maneton 40 est convertie en 15 mouvements rectilignes alternatifs du piston de compression 46, selon le premier axe 22, et du piston de régénération 50, selon le deuxième axe 28. Les mouvements des pistons 46, 50 sont de type quasi-sinusoïdal. Les mouvements des pistons 46, 50 sont déphasés l'un de l'autre d'environ 90°, c'est-à-dire que l'un des deux pistons 46, 50 est à mi-course lorsque l'autre desdits deux pistons est à une extrémité de sa course.

20 Par exemple, on considère que le piston de compression 46, 246 se déplace selon le premier axe 22, en direction du flasque 24. Dans la configuration représentée aux figures 1 à 3, la chambre de compression 48 a presque atteint son volume minimal. L'hélium contenu dans ladite chambre atteint une plage maximale de pression et est chassé dans le piston de régénération 50 par le conduit 60. Ledit piston de régénération 25 est alors sensiblement à mi-course dans le cylindre de régénération 26 et se déplace en direction opposée à l'extrémité froide 30. L'hélium traverse le tube 54 du piston 50 et refroidit au contact de l'échangeur thermique contenu dans ledit tube. Le piston de régénération 50 poursuit sa course dans le cylindre de régénération 26 jusqu'à une expansion maximale de la chambre de 30 régénération 56. Par ailleurs, le piston de compression 46, 246 se déplace dans le cylindre de compression 20 de manière à augmenter le volume de la chambre de compression 48, diminuant la pression de l'hélium. Le retour du piston de régénération 50, combiné à la poursuite de l'expansion de volume de la chambre de compression 48, conduit l'hélium à traverser en sens inverse le tube 54. L'hélium récupère alors de la 35 chaleur et remonte en température, avant de retourner dans la chambre de compression 3033629 8 48 par l'intermédiaire du conduit 60. Le piston de compression 46, 246 poursuit sa course jusqu'à une expansion maximale de la chambre de compression 48, puis repart en sens inverse pour comprimer à nouveau le fluide et compléter le cycle. Dans le cas particulier du dispositif 210, le mouvement rotatif du maneton 40 est 5 communiqué à la première bielle 242, elle-même fixée au piston de compression 246. Le bord convexe 247 dudit piston permet audit piston 246 d'osciller légèrement dans un plan (X, Z), en restant en contact avec la paroi interne du cylindre 20, durant la course dudit piston selon le premier axe 22. Le bord convexe 247 permet de supprimer l'articulation 45 entre le piston 46 et la bielle 42, telle que décrite pour les dispositifs 10 et 110.

10 Par ailleurs, le tuyau déformable 66, 166 du conduit 60 permet un transfert du flux gazeux sans déperditions. Cette caractéristique autorise, entre le piston 50 et le cylindre 26 de régénération, un jeu supérieur aux dispositifs tels que décrits dans le document US3851173. De plus, cette caractéristique permet de supprimer des pièces mécaniques complexes et encombrantes, et notamment de diminuer la longueur du puits de cryostat.

15 Les refroidisseurs selon l'invention tels que les dispositifs 10, 110, 210 impliquent donc une fabrication et un entretien facilités. Selon une variante aux modes de réalisation décrits ci-dessus, la seconde extrémité 64 du conduit 60 est formée par un piquage radial, et non axial, sur le piston de régénération 50. 20

Claims

REVENDICATIONS1.- Refroidisseur (10, 110, 210) fonctionnant selon le cycle de Stirling, comprenant : - un carter (12) définissant un volume interne (18) rempli d'un fluide, ledit carter comprenant un cylindre de compression (20) et un cylindre de régénération (26), - un piston de compression (46, 246) mobile en translation dans le cylindre de compression, - un piston de régénération (50) mobile en translation dans le cylindre de régénération, le carter et les pistons de compression et de régénération définissant respectivement une chambre de compression (48), une chambre de régénération (56), et une chambre de référence (58) disposée entre les pistons de compression et de régénération, - un vilebrequin (36) d'entraînement, comprenant un maneton (40) rotatif par rapport au carter, et - une bielle de compression (42, 242) accouplée au piston de compression et une bielle de régénération (44) accouplée au piston de régénération, lesdites bielles étant rigides, lesdites bielles étant en outre accouplées au maneton rotatif, le maneton rotatif et les bielles de compression et de régénération étant disposés dans la chambre de référence, le refroidisseur comprenant en outre un conduit (60) de circulation de fluide, une première extrémité (62, 162, 262) dudit conduit ouvrant sur la chambre de compression et une seconde extrémité (64) dudit conduit ouvrant sur la chambre de régénération, le refroidisseur étant caractérisé en ce que : - la seconde extrémité (64) du conduit de circulation de fluide est disposée sur le piston de régénération (50) ; et - ledit conduit de circulation de fluide comprend un tuyau (66, 166) déformable en fonction du déplacement du piston de compression et/ou du piston de régénération, ledit tuyau déformable étant disposé dans la chambre de référence (58).
2.- Refroidisseur (10) selon la revendication 1, dans lequel la première extrémité (62) du conduit de circulation correspond à une extrémité d'un alésage (68) ménagé dans le carter entre la chambre de compression et la chambre de référence, le tuyau déformable (66) prolongeant ledit alésage. 3033629 10
3.- Refroidisseur (110) selon la revendication 1, dans lequel la première extrémité (162) du conduit de circulation correspond à une extrémité du tuyau déformable (166) et est disposée sur le piston de compression (46). 5
4.- Refroidisseur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la première bielle (42) est reliée au piston de compression (46) par une articulation (45).
5.- Refroidisseur (210) selon la revendication 1, dans lequel : 10 - la première bielle (242) est montée fixe sur le piston de compression (246) ; - le piston de compression comporte un bord incurvé de sorte à pouvoir osciller au contact du cylindre de compression, dans un plan comprenant un axe de déplacement dudit piston ; et - la première extrémité (262) du conduit de circulation correspond à une extrémité 15 d'un alésage (268) ménagé dans le piston de compression et la première bielle, entre la chambre de compression et la chambre de référence, le tuyau déformable (66) prolongeant ledit alésage.
6.- Refroidisseur selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le tuyau 20 déformable (66, 166) est un tuyau souple.
7.- Refroidisseur selon l'une des revendications 1 à 5, dans lequel le tuyau déformable est formé de tronçons rigides séparés par au moins deux zones flexibles. 25