FR3036175A1 - Dispositif de refrigeration cryogenique - Google Patents

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Abstract

Dispositif de réfrigération cryogénique comprenant un premier réfrigérateur (2) à tube à gaz pulsé et un second réfrigérateur (3) à tube à gaz pulsé fonctionnant simultanément, chaque réfrigérateur (2, 3) à tube à gaz pulsé comprenant un tube (6) à gaz pulsé, un régénérateur (7) et un organe générateur de pression (4, 5) relié fluidiquement au régénérateur (7) pour générer une onde de pression de gaz dans le régénérateur (7) et dans le tube (6) à gaz pulsé, chaque réfrigérateur (2, 3) à tube à gaz pulsé comprenant également un organe (11, 3) de déphasage relié fluidiquement au tube (6) à gaz pulsé pour contrôler de déphasage entre la pression du gaz et le déplacement du gaz dans le tube (6) à gaz pulsé, caractérisé en ce que l'organe (3) de déphasage d'un des deux réfrigérateurs à tubes pulsé (2, 3) comprend l'organe générateur de pression (4, 5) de l'autre réfrigérateur à tubes pulsé.

Description

36 175 1 La présente invention concerne un dispositif de réfrigération cryogénique. L'invention concerne plus particulièrement un dispositif de réfrigération cryogénique comprenant un premier réfrigérateur à tube à gaz pulsé et un second réfrigérateur à tube à gaz pulsé fonctionnant simultanément, chaque réfrigérateur 5 à tube à gaz pulsé comprenant un tube à gaz pulsé, un régénérateur et un organe générateur de pression relié fluidiquement au régénérateur pour générer une onde de pression de gaz dans le régénérateur et dans le tube à gaz pulsé, chaque réfrigérateur à tube à gaz pulsé comprenant également un organe de déphasage relié fluidiquement au tube à gaz pulsé pour contrôler de déphasage entre la 10 pression du gaz et le déplacement du gaz dans le tube à gaz pulsé. L'invention concerne en particulier un dispositif de refroidissement utilisant au moins deux réfrigérateurs à tube à gaz pulsés fonctionnant simultanément. Un tel dispositif peut être utilisé notamment pour refroidir des appareils électroniques dans des satellites. 15 Un réfrigérateur à tube à gaz pulsé (appelé parfois simplement « pulse tube ») crée du froid à partir du travail d'un gaz (généralement de l'hélium) sur la base du cycle de thermodynamique Stirling. On note ici qu'il existe également un deuxième type de tube à gaz pulsé qui fonctionne selon le cycle de GiffordMcMahon qui n'est pas ou moins concerné par l'invention. 20 Un refroidisseur à tube à gaz pulsé comprend généralement un tube à gaz pulsé, un régénérateur relié fluidiquement au tube à gaz pulsé et un organe générateur de pression (généralement un compresseur à piston) relié fluidiquement au régénérateur. Le compresseur génère une onde de pression de gaz dans le régénérateur et le tube à gaz pulsé. Un tel refroidisseur comprend 25 également un organe de déphasage relié fluidiquement au tube à gaz pulsé pour contrôler de déphasage entre la pression du gaz et son déplacement dans le tube à gaz pulsé. Cet organe de déphasage peut comporter par exemple, un orifice, un système de réservoir tampon avec une inertance ou un organe mécanique désigné en anglais par le terme « Active Phase Shift ». Dans le cas des tubes à 30 gaz pulsé de type Gifford McMahon, cet organe mécanique consiste souvent d'un système de vannes tel que décrit dans l'article de Waldauf et al. "Affecting the Gross Cooling Power of a Pulse Tube Cryocooler with Mass Flow Control", A. Waldauf, T. Schmauder, M. Thürk, P. Seidel, Cryocoolers 12, 2003, pp 337-342. 3036175 2 Cf. également l'article "Isothermal Model of a Warm Expander Pulse Tube", M. M. Peters, G. D. Peskett, M. C. Brito, Cryocoolers 9, 1997, pp 319-326. On peut en résumer le fonctionnement de la manière suivante. Le gaz est comprimé lorsque le piston se déplace pour réduire le volume de la chambre de compression du compresseur. La compression est isentropique, le gaz est ramené à la température ambiante grâce à un échangeur de chaleur. Une partie gaz traverse le régénérateur pour entrer dans le tube à gaz pulsé. Une autre partie du gaz sort du tube à gaz pulsé pour pénétrer dans le réservoir tampon. Lorsque le piston repart en sens inverse, la détente refroidit le gaz dans le tube à gaz pulsé à une température inférieure à celle qu'il avait en sortant du régénérateur, puis la pression diminuant encore, elle devient inférieure à celle du réservoir et le gaz qui en ressort repousse le gaz froid qui retraverse la zone à refroidir et le régénérateur en sens inverse. Dans certain cas, il est intéressant de faire fonctionner deux (ou plus) réfrigérateurs à tube à gaz pulsé simultanément et de façon adjacente pour refroidir un même appareil ou des appareils différents à des températures différentes ou identiques. Ainsi, les deux (ou plus) réfrigérateurs peuvent être simplement montés côte-à-côte, en parallèle, en série (par exemple, pour obtenir des températures et/ou des puissances froides différentes). Cf. par exemple le document US8950193B2. Dans une configuration connue, un premier réfrigérateur est utilisé pour « pré-réfroidir » l'autre réfrigérateur via une liaison thermique (« intercepte thermique »). Ceci permet au réfrigérateur pré-refroidi d'atteindre des températures plus basses (notamment inférieures à 30K et par exemple 15K). Cf. par exemple l'article "15K Pulse Tube Cooler for Space Missions", C. Chassaing, J. Butterworth, G. Aigouy, M. Linder, J.M. Duval, I. Charles, T. Rijks, J.Mullié, Cryocoolers 18, 18th International Cryocooler Conference, Syracuse USA, June 912, 2014. Ces dispositifs sont relativement coûteux et complexes.
Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus. A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en 3036175 3 ce que l'organe de déphasage d'un des deux réfrigérateurs à tubes pulsé comprend l'organe générateur de pression de l'autre réfrigérateur à tubes pulsé. Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : 5 - l'organe de déphasage de l'un des deux réfrigérateurs à tubes à gaz pulsé est constitué par l'organe générateur de pression de l'autre réfrigérateur à tube pulsé, - le dispositif comporte une liaison fluidique de déphasage entre l'organe générateur de pression du second réfrigérateur à tube à gaz pulsé et le tube à gaz 10 pulsé du premier réfrigérateur à tube pulsé c'est-à-dire l'organe générateur de pression du second réfrigérateur à tube à gaz pulsé forme un organe de déphasage du tube à gaz pulsé du premier réfrigérateur à tube pulsé, - la liaison fluidique de déphasage comporte une première extrémité reliée à une conduite reliant l'organe générateur de pression du second réfrigérateur au 15 tube à gaz pulsé du second réfrigérateur et une seconde extrémité reliée au tube à gaz pulsé du premier réfrigérateur à tube pulsé, - l'organe générateur de pression du second réfrigérateur à tube à gaz pulsé comprend un organe de compression mécanique à au moins un piston mobile, le au moins un piston mobile délimitant d'un de ses côté une chambre de 20 compression reliée au régénérateur et, de l'autre côté du piston, un volume amont de contre pression, la liaison fluidique de déphasage comportant une première extrémité reliée au volume amont de l'organe générateur de pression et une seconde extrémité reliée au tube à gaz pulsé du premier réfrigérateur à tube pulsé, 25 - la liaison fluidique de déphasage comporte au moins un organe de régulation de débit de fluide parmi : une vanne, une vanne pointeau, un tube d'inertance, un orifice calibré, un organe de génération d'une perte de charge contrôlée, - l'organe générateur de pression de chaque réfrigérateur à tube à gaz 30 pulsé comprend au moins l'un parmi : un compresseur, un compresseur à piston(s), une source de gaz sous pression raccordé à un circuit de soutirage muni d'au moins une vanne, 3036175 4 - le réfrigérateur à tube à gaz pulsé dont l'organe générateur de pression est également l'organe de déphasage de l'autre réfrigérateur tubes pulsé comprend au moins un organe de déphasage parmi : un réservoir associé à une inertance, un orifice calibré, une vanne, un générateur mécanique d'onde de 5 pression, - le régénérateur et/ou le tube à gaz pulsé d'un des deux réfrigérateurs à tube pulsé est en échange thermique avec le régénérateur de l'autre réfrigérateur à tubes pulsé pour lui céder des frigories, - le régénérateur et/ou le tube à gaz pulsé de l'un des deux réfrigérateurs à 10 tube pulsé est en échange thermique avec le régénérateur de l'autre réfrigérateur à tubes pulsé pour lui céder des frigories via un échangeur de chaleur, - le dispositif comprend plus de deux réfrigérateurs à tube à gaz pulsé et notamment de trois à vingt réfrigérateurs à tube à gaz pulsé fonctionnant simultanément et reliés les uns aux autre de sorte que l'organe générateur de 15 pression d'un ou plusieurs réfrigérateurs à tubes pulsé constitue l'organe de déphasage d'un ou plusieurs autres réfrigérateurs à tube pulsé. L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous. D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la 20 description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles : - la figure 1 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un premier exemple de réalisation de l'invention, - la figure 2 représente une vue schématique et partielle illustrant la structure et le fonctionnement d'un deuxième exemple de réalisation de 25 l'invention. La figure 1 représente schématiquement un dispositif de réfrigération cryogénique comprenant un premier réfrigérateur 2 et un second 3 réfrigérateur à tube à gaz pulsé disposés en parallèle. Chaque réfrigérateur 2, 3 comprend un tube 6 à gaz pulsé respectif, un 30 régénérateur 7 respectif et un organe générateur de pression 4, 5 respectif. L'organe générateur de pression 4, 5 est relié fluidiquement au régénérateur 7 correspondant pour générer une onde de pression de gaz dans le régénérateur 7 et le tube à pulsation 6. Par exemple, et de façon connue, l'organe 3036175 5 générateur de pression 4, 5 peut être relié fluidiquement au régénérateur 7 correspondant via une bride 8. De même, chaque réfrigérateur (désigné également parfois cryognérateur Pulse Tube) génère classiquement du froid principalement au niveau d'une de ses 5 extrémité 18 dite « extrémité froide » 18. Dans les figures, les régénérateur et tube à gaz pulsé sont illustrés très schématiquement. Bien entendu, l'invention peut s'appliquer à tout type d'architecture de réfrigérateur à tube à gaz pulsé. En particulier, l'invention peut concerner les géométries connues dans lesquels le régénérateur et le tube à gaz 10 pulsé sont concentriques ou disposés en ligne ou « en U ». Le second 3 réfrigérateur comprend classiquement également un organe 11 de déphasage relié fluidiquement au tube 6 à gaz pulsé pour contrôler par exemple le déphasage entre la pression du gaz et son déplacement dans le tube 6 à gaz pulsé. Dans l'exemple représenté à la figure 1 l'organe 11 de déphasage 15 comprend une inertance associée à un réservoir tampon. Bien entendu, en variante d'autres organes de déphasage peuvent être envisagés, par exemple un orifice calibré, une vanne, un générateur mécanique d'onde de pression (système à piston du type compresseur par exemple). Selon une particularité avantageuse, l'organe de déphasage du premier 2 20 réfrigérateur à tube pulsé comprend ou est constitué de l'organe générateur de pression 5 du second réfrigérateur 3. C'est-à-dire que l'organe 5 générateur de pression mécanique du second réfrigérateur 3 est utilisé pour générer des ondes de pression de déphasage dans le premier réfrigérateur 2.
25 Cette configuration permet même d'obtenir des profils de déphasages complexes qui ne peuvent être atteints avec une association de système(s) de déphasage passif(s) classique(s) de type, tube, orifice ou tout autre système de perte de charge fluidique relié à un volume. Cette configuration permet de réduire le nombre des organes mécaniques 30 du dispositif global sans pour autant dégrader les performances cryogéniques. Bien entendu, de préférence les deux réfrigérateurs 2, 3 fonctionne avec une pression moyenne du gaz identique ou proche.
3036 175 6 Cet agencement permet également de réduire le bilan de consommation électrique du système global. Le déphasage optimal dans le premier réfrigérateur peut être réalisé en ajustant la phase entre les signaux de commande des deux organes 4, 5 de 5 génération de pression. Pour réaliser ce déphasage, le dispositif peut comporter une liaison fluidique 12 de déphasage entre l'organe 5 générateur de pression du second réfrigérateur 3 et le tube 6 à gaz pulsé du premier 2 réfrigérateur. Cette liaison fluidique 12 de déphasage peut notamment comporter une 10 première extrémité reliée à une conduite 13 reliant l'organe 5 générateur de pression du second réfrigérateur 3 à son tube 6 à gaz pulsé et une seconde extrémité reliée à la bride 8 du premier 2 réfrigérateur. Dans le cas où l'organe 5 de génération de pression du second 3 réfrigérateur est du type mécanique (compresseur à piston), le piston est mobile 15 dans une chambre de compression raccordée à la conduite 13 reliant l'organe 5 générateur de pression du second réfrigérateur 3 à son tube 7 à gaz pulsé. C'est-à-dire que la conduite 12 de déphasage prélève une partie des ondes de pression générées dans la chambre de compression. Cette liaison fluidique 12 de déphasage comporte par exemple au moins un 20 organe 17 de régulation de débit de fluide parmi : une vanne, une vanne pointeau, un tube d'inertance, un orifice calibré liste ou tout autre organe fluidique générant une perte de charge. La figure 2 illustre une variante de réalisation dans laquelle les mêmes éléments sont désignés par les mêmes références numériques. La variante de la 25 figure se distingue de celle de la figure 1 en ce que l'organe 5 générateur de pression du second réfrigérateur 3 représenté comprend un organe de compression mécanique à piston(s) mobile(s). Le piston 14 mobile délimite d'un de ses côté une chambre de compression 15 reliée au régénérateur 7 et, de l'autre côté du piston 14, un volume 16 amont. Dans la variante de la figure 2 la 30 première extrémité de la liaison fluidique 12 de déphasage est reliée au volume 16 amont de l'organe 5 générateur de pression. C'est-à-dire que les ondes de pressions générées dans ce volume « arrière » ou « amont » sont utilisées pour assurer le déphasage dans le premier 2 réfrigérateur.
3036175 7 De plus, la variante de la figure 2 se distingue de celle de la figure 1 en ce que le l'extrémité 18 froide du second réfrigérateur 3 est en échange thermique avec au moins le régénérateur 7 (et éventuellement avec le régénérateur 7) du premier réfrigérateur 2, par exemple par l'intermédiaire d'un échangeur 19 de 5 chaleur pour céder des frigories du second 3 vers le premier 2 réfrigérateur. Ceci permet par exemple de pré-refroidir le premier réfrigérateur 2 afin qu'il atteigne une température basse relativement plus basse que s'il n'était pas pré-refroidi. C'est-à-dire que l'un des réfrigérateurs « intercepte » l'autre. Ceci est 10 réalisé par exemple via une liaison thermique 10, un circuit de fluide caloporteur et le cas échéant des échangeurs de chaleur. Bien entendu, cet échange de chaleur (refroidissement 10) peut être appliqué également à l'architecture de la variante de la figure 1 (et inversement). De même, l'agencement de la première extrémité de la conduite 12 de 15 déphasage de la variante de la figure 2 peut être appliqué à la variante de la figure 1. De plus, l'organe générateur de pression utilisé pour assurer le déphasage peut être inversé (l'organe de génération de pression du premier réfrigérateur 2 peut assurer le déphasage du second réfrigérateur 3.
20 Pour une installation comprenant un nombre suffisant de machines (réfrigérateurs) fonctionnant en même temps (deux, trois, quatre, ou jusqu'à vingt machines ou plus) il peut être envisagé éventuellement de prévoir que chaque organe générateur de pression assure le déphasage d'un autre réfrigérateur (agencement croisé ou en étoile qui supprime la nécessité de prévoir un organe 25 de déphasage dédié 11 pour le ou les réfrigérateurs concernés) Cette mutualisation améliore le coût de l'installation et le cas échéant son efficacité de fonctionnement.

Claims (11)

  1. REVENDICATIONS1. Dispositif de réfrigération cryogénique comprenant un premier réfrigérateur (2) à tube à gaz pulsé et un second réfrigérateur (3) à tube à gaz pulsé fonctionnant simultanément, chaque réfrigérateur (2, 3) à tube à gaz pulsé comprenant un tube (6) à gaz pulsé, un régénérateur (7) et un organe générateur de pression (4, 5) relié fluidiquement au régénérateur (7) pour générer une onde de pression de gaz dans le régénérateur (7) et dans le tube (6) à gaz pulsé, chaque réfrigérateur (2, 3) à tube à gaz pulsé comprenant également un organe (11, 3) de déphasage relié fluidiquement au tube (6) à gaz pulsé pour contrôler de déphasage entre la pression du gaz et le déplacement du gaz dans le tube (6) à gaz pulsé, caractérisé en ce que l'organe (3) de déphasage d'un des deux réfrigérateurs à tubes pulsé (2, 3) comprend l'organe générateur de pression (4, 5) de l'autre réfrigérateur à tubes pulsé (3,
  2. 2). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'organe de déphasage de l'un (2,
  3. 3) des deux réfrigérateurs à tubes à gaz pulsé est constitué par l'organe (5,
  4. 4) générateur de pression de l'autre réfrigérateur à tube pulsé (3, 2). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte une liaison fluidique (12) de déphasage entre l'organe (5) générateur de pression du second réfrigérateur (3) à tube à gaz pulsé et le tube (6) à gaz pulsé du premier (2) réfrigérateur à tube pulsé (2) c'est-à-dire l'organe (5) générateur de pression du second réfrigérateur (3) à tube à gaz pulsé forme un organe de déphasage du tube à gaz pulsé du premier réfrigérateur à tube pulsé. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que la liaison fluidique (12) de déphasage comporte une première extrémité reliée à une conduite (13) reliant l'organe (5) générateur de pression du second réfrigérateur (3) au tube (7) à gaz pulsé du second (3) réfrigérateur et une seconde extrémité reliée au tube (6) à gaz pulsé du premier (2) réfrigérateur à tube pulsé. 3036 175 9
  5. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'organe (5) générateur de pression du second réfrigérateur (3) à tube à gaz pulsé comprend un organe de compression mécanique à au moins un piston mobile, le au moins un piston (14) mobile délimitant d'un de ses côté une 5 chambre de compression (15) reliée au régénérateur (7) et, de l'autre côté du piston (14), un volume (16) amont de contre pression, la liaison fluidique (12) de déphasage comportant une première extrémité reliée au volume (16) amont de l'organe (5) générateur de pression et une seconde extrémité reliée au tube (6) à gaz pulsé du premier (2) réfrigérateur à tube pulsé. 10
  6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la liaison fluidique (12) de déphasage comporte au moins un organe (17) de régulation de débit de fluide parmi : une vanne, une vanne pointeau, un tube d'inertance, un orifice calibré, un organe de génération d'une perte de charge contrôlée. 15
  7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'organe générateur de pression (4, 5) de chaque réfrigérateur (2, 3) à tube à gaz pulsé comprend au moins l'un parmi : un compresseur, un compresseur à piston(s), une source de gaz sous pression raccordé à un circuit de soutirage muni d'au moins une vanne. 20
  8. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le réfrigérateur (3) à tube à gaz pulsé dont l'organe générateur de pression (5) est également l'organe de déphasage de l'autre réfrigérateur (2) tubes pulsé comprend au moins un organe (11) de déphasage parmi : un réservoir associé à une inertance, un orifice calibré, 25 une vanne, un générateur mécanique d'onde de pression.
  9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le régénérateur (7) et/ou le tube (6) à gaz pulsé d'un (2) des deux réfrigérateurs à tube pulsé est en échange thermique avec le régénérateur (7) de l'autre (3) réfrigérateur à tubes pulsé pour lui céder des 30 frigories.
  10. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que le régénérateur (8) et/ou le tube (6) à gaz pulsé de l'un (2) des deux réfrigérateurs à tube pulsé est en échange thermique avec le régénérateur 3036175 10 (7) de l'autre (3) réfrigérateur à tubes pulsé pour lui céder des frigories via un échangeur (19) de chaleur .
  11. 11. Dispositif de réfrigération cryogénique selon l'une quelconque des revendications précédentes comprenant plus de deux réfrigérateurs (2, 3) à tube à gaz pulsé et 5 notamment de trois à vingt réfrigérateurs (2, 3) à tube à gaz pulsé fonctionnant simultanément et reliés les uns aux autre de sorte que l'organe générateur de pression (4, 5) d'un ou plusieurs réfrigérateurs à tubes pulsé constitue l'organe (11) de déphasage d'un ou plusieurs autres réfrigérateurs à tube pulsé. 10
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