WO1997004215A1 - Scroll decompression device for cryogenic temperatures - Google Patents

Scroll decompression device for cryogenic temperatures Download PDF

Info

Publication number
WO1997004215A1
WO1997004215A1 PCT/FR1996/001102 FR9601102W WO9704215A1 WO 1997004215 A1 WO1997004215 A1 WO 1997004215A1 FR 9601102 W FR9601102 W FR 9601102W WO 9704215 A1 WO9704215 A1 WO 9704215A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
spiral
expansion
rotation
spirals
movable
Prior art date
Application number
PCT/FR1996/001102
Other languages
French (fr)
Inventor
Gérard Claudet
Original Assignee
Commissariat A L'energie Atomique
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Commissariat A L'energie Atomique filed Critical Commissariat A L'energie Atomique
Priority to EP96925790A priority Critical patent/EP0839258A1/en
Priority to JP9506349A priority patent/JPH11509597A/en
Publication of WO1997004215A1 publication Critical patent/WO1997004215A1/en
Priority to US09/007,728 priority patent/US5987894A/en

Links

Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04CROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C23/00Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids
    • F04C23/001Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids of similar working principle
    • F04C23/003Combinations of two or more pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type, specially adapted for elastic fluids; Pumping installations specially adapted for elastic fluids; Multi-stage pumps specially adapted for elastic fluids of similar working principle having complementary function
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/02Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F01C1/0207Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
    • F01C1/0215Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form where only one member is moving
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C1/00Rotary-piston machines or engines
    • F01C1/02Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents
    • F01C1/0207Rotary-piston machines or engines of arcuate-engagement type, i.e. with circular translatory movement of co-operating members, each member having the same number of teeth or tooth-equivalents both members having co-operating elements in spiral form
    • F01C1/0246Details concerning the involute wraps or their base, e.g. geometry
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C17/00Arrangements for drive of co-operating members, e.g. for rotary piston and casing
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C17/00Arrangements for drive of co-operating members, e.g. for rotary piston and casing
    • F01C17/06Arrangements for drive of co-operating members, e.g. for rotary piston and casing using cranks, universal joints or similar elements
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C20/00Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines or engines
    • F01C20/08Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines or engines characterised by varying the rotational speed
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01CROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/02Arrangements of bearings
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04CROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2220/00Application
    • F04C2220/22Application for very low temperatures, i.e. cryogenic
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05BINDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00Function
    • F05B2260/10Particular cycles
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05CINDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2251/00Material properties
    • F05C2251/04Thermal properties
    • F05C2251/042Expansivity
    • F05C2251/044Expansivity similar

Definitions

  • the invention relates to the field of cryogenic expansion machines.
  • cryogenic refrigeration gas cycles can be classified into two categories according to whether the process considered implements either a periodic circulation back and forth, or a permanent circulation in a defined direction of the gas.
  • the gas exchanges heat with a thermal accumulator or a heat regenerator which retains heat when the gas circulates in one direction, and releases it when returning in the opposite direction.
  • the best known alternative circulation cycles are the Stirling, Gifford Mac Manon, or the pulsation tube cycle.
  • the latter is generally reserved for the production of low cooling powers of the order of a fraction of a watt around 4 Kelvin, around ten watts around 15 Kelvin, and around a hundred watts around 80 Kelvin.
  • Figure IA shows a Stirling machine.
  • a compressor 1 or pressure oscillator consists of a piston actuated mechanically by a crankshaft 2.
  • the Gifford and Mac Mahon machine illustrated in FIG. 1B, is characterized by a gas compressor 3 with an inlet 4 at low pressure and an outlet 5 at high pressure, permanent and connected to the machine refrigeration proper 10 by an inlet valve 6 and an outlet valve 7 respectively, which are opened in turn to generate the necessary pressure cycles.
  • the refrigerating machine 10, which is connected to these compressors 1 and 3 is the same in both cases. It consists of a tube 9 in which slides a displacement piston 11 which divides the contents of the tube 9 into two chambers with variable volume, connected together by a bypass 12, on which a heat regenerator 13 is installed.
  • the chamber connected to compressor 1 or 3 is at temperature T2 (corresponding to the hot source), and the other chamber is at temperature T3 from the cold source.
  • the displacer piston 11 passes the compressed gas from the chamber at temperature T2 to the chamber at temperature T3, by exchanging its heat with the heat regenerator 13 in response to the pressure increases in the compressor.
  • the expansion of the gas is produced when it mainly occupies the room at temperature T3, then the gas is reheated by passing through the heat regenerator 13 towards the room at temperature T2 before undergoing a new cycle.
  • the heat regenerator 13 has the property of restoring to the gas flowing there in one direction the heat which it previously took from the gas flowing in the opposite direction.
  • the temperature chamber T2 communicates with the compressor 3 by the inlet 4 and the outlet 5; in the embodiments of FIG. IA, the connection of the compressor 1 to the compressor chamber at the temperature T2 is carried out by a single pressure tapping pipe 15.
  • the machines thus alternative are the seat of two periodic waves in the volume of trigger 15, one of pressure and the other of flow. It is possible to control the phase shift of these two waves by mechanical means which control the movements of the compressor piston 1 or of the valves 6 and 7, generally at ambient temperature, and of the displacing piston 11 which can, for applications in cryogenics, have to operate at very low temperatures. We then effectively arrive at the desired situation where the maximum expansion, that is to say the maximum heat absorption, is simultaneous with the maximum gas flow rate in the cold source T3.
  • FIG. 1C illustrates a pulse tube machine. It comprises a pressure oscillator 16, symbolized by a mechanical compressor, a heat regenerator 17 connected to the compressor 16 by a pressure tapping pipe 18 and a pulsation tube 19 which branches at the end of the heat regenerator 17 opposite to the pressure oscillator 16.
  • the pulsation tube 19 is closed at the end opposite to the heat regenerator 17.
  • the pulsation tube 19 is throttled near the heat regenerator 17, where the cold source SF is located, while the hot source SC is located at the opposite end of the pulsation tube 19, at the end of a portion enlarged and for example cylindrical thereof.
  • the gas column is set in sustained oscillations, and the dimensions and the shape of the various elements of the apparatus make it possible to choose the operating frequency to obtain the phase shift of the flow waves and of pressure which effectively extracts heat from the cold source, to transfer it to the hot source.
  • FIGS. 2A and 2B Such machines, operating on the principle of the Brayton cycle and the Claude cycle are respectively illustrated in FIGS. 2A and 2B.
  • a compressor 20 recycles the gas from the low pressure level (BP), usually close to atmospheric pressure, to the high pressure level, generally between approximately 15 and 30 bars, one or more heat exchangers 22 against -current ensure the precooling of the compressed gas by exchange with the gas at low pressure,
  • BP low pressure level
  • high pressure level generally between approximately 15 and 30 bars
  • one or more expansion machines 23 are the real source (s) of refrigeration production. We use either machines 23 in which the gas provides mechanical work, or simple throttles or expansion valves 24 where the gas undergoes a pressure drop.
  • the Brayton cycle ( Figure 2A) can operate with nitrogen if the desired cold source
  • the cycle gas 25 is at a temperature above 80 Kelvin.
  • the cycle gas will generally be helium.
  • the Claude cycle of FIG. 2A rather corresponds to a helium cycle, the cold source 26 of which is a bath of liquid helium.
  • the expansion machines capable of producing work apply the first principle of thermodynamics according to which the sum of the quantities of heat Q and of work W brought into play in a cycle of reversible transformations is zero:
  • An expansion without work or at constant enthalpy does not absorb heat, but it is generally used in the immediate vicinity of the saturation curve of the fluid to effect the phase change by expansion of the gas which is partially liquefied.
  • the expansion turbines must rotate at high speeds, of several tens or hundreds of thousands of revolutions per minute, and are generally supported by non-contact bearings, most often gas.
  • the piston regulators are, a priori, better adapted than the turbines to treat reduced flows, but their reliability is strongly conditioned by the achievement of the friction sealing between piston and cylinder, and by the existence of cold valves with the mechanisms associated command.
  • the object of the invention relates to an original solution making it possible to produce machines for cooling fluid by expansion, in particular cryogenic (either isentropic or, if necessary, isothermal) better suited than turbines and piston machines for treating small flows with good efficiency, and good reliability, while being insensitive to the presence of liquid or fluid in double phase.
  • cryogenic either isentropic or, if necessary, isothermal
  • the subject of the invention is a device for lowering the temperature of a fluid by expansion of the fluid, in the gaseous or liquid state or in double phase, characterized in that it comprises an expansion compartment comprising:
  • the invention uses moving parts without contact and without the use of valves.
  • This device is compatible with miniaturization to treat low flow rates.
  • it can accept, without any problem, the formation of two-phase fluid during expansion.
  • It can, moreover, include in one of the spirals at least one heat exchange circuit making it possible to tend towards isothermal conditions.
  • the means allowing circular translational movement, without proper rotation can take various forms. They can for example include:
  • means can be provided to control the speed of rotation of the movable spiral during its movement.
  • the movable spiral can be linked to a part around which an eccentric sleeve is rotating, a part linked to the eccentric sleeve being able to support the rotor of an electric brake.
  • the rotation of this socket can be done with, on at least one of its two faces, a contactless bearing, of the magnetic or gas type.
  • the spirals can be, for example, Archimedes' spirals where defined by a succession of arcs of a circle.
  • a fluid expansion system can comprise at least two expansion stages, each comprising a device according to one of the forms described above.
  • a common shaft may possibly allow a phase movement of the movable spirals of the various expansion devices.
  • a cryogenic expansion machine can therefore include a compressor, an exchanger and an expansion device or system as described above. Brief description of the figures •
  • FIG. 1A to 1C respectively illustrate Stirling, Gifford and pulsation tube machines
  • FIGS. 2A and 2B illustrate machines of Brayton and Claude
  • FIGS. 3A to 3D illustrate the operating principle of an expansion compartment of a device according to the invention
  • FIG. 3E represents an embodiment with 4 spirals
  • FIGS. 4A to 4C represent a sectional view of an expansion compartment of an either adiabatic or isothermal device according to the invention
  • FIG. 5 represents a first embodiment of the invention
  • FIGS. 6 to 9 show other embodiments of the invention.
  • FIG. 10 shows a three-stage regulator according to the invention.
  • FIGS. 3A to 3D and 4A Detailed description of embodiments The principle of the invention is based on the use of an expansion compartment comprising, as illustrated in FIGS. 3A to 3D and 4A, a first fixed spiral 28 and a second spiral 30 arranged movable at the inside the first. Each spiral rests or is linked to a flat bottom 32, 34.
  • the gas to be expanded is introduced through an intake tube 36.
  • An exhaust can be provided.
  • reduced clearances 40, 42, provided between the upper part of the partitions 28, 30 of the spirals and the flat bottoms 32, 34 allow the fluid to escape outside the movable spiral, then the fixed spiral ( arrow referenced 44 in Figure 4).
  • the gas can only circulate by increasing volume (expansion) and by exerting a force on the movable wall 30 (work), subjected to a circular translational movement. As a result of this movement, each point of the spiral 30 describes a circle, the movable part remaining permanently parallel to itself.
  • FIGS. 3A to 3D illustrate the progress of the expansion of the gas in different stages, by which it is possible to follow the evolution of a fraction of the gas, from quarter to quarter to quarter of a turn.
  • This gas passes through the continuously increasing volumes 46, 48, 50, 52, then finally 54, before exhaust.
  • the volume of the gas during expansion is at all times limited by a partition of the fixed spiral and a partition of the movable spiral, which become tangent every 180 degrees, following their development.
  • the spiral profiles may be Archimedes' spirals (the radius R of such a spiral varies linearly with the angle from the same center (R ⁇ a ⁇ )),
  • the profiles can be defined by a succession of arcs of a circle, of different centers and of different radii, either for example at each half-turn, or again at each quarter-turn.
  • FIG. 3E An exemplary embodiment with several spirals is illustrated in FIG. 3E.
  • Two fixed spirals 27 and 29 are arranged symmetrical, at 180 ° relative to an axis of symmetry ⁇ .
  • Two mobile spirals 31 and 33 become tangent alternately on one side with the spiral 27 and on the other side with the spiral 29.
  • the thicknesses of the partitions of the spirals can be chosen constant or variable to optimize their mechanical strength and their size.
  • the materials that can be used will preferably satisfy the condition that the two parts (fixed and mobile) are compatible, from the point of view of their expansion, so that the reduced clearances are obtained at nominal operating conditions at low temperature.
  • materials with low expansion such as composites, for example carbon fiber, or metallic alloys (such as Invar).
  • copper or aluminum will be more favorable.
  • low density materials such as titanium or light alloys, strong enough to limit the inertial forces and associated deformations.
  • Plastic materials can also be used. They can come in massive form.
  • the essential advantages of the invention reside in the possibility offered to achieve an expansion, with gas working, by using moving parts without contact, and without recourse to valves.
  • the flow rate of the device can be adjusted by adjusting its speed of rotation. To this end, means for adjusting the speed of rotation can be provided. Examples will be given later.
  • a device according to the invention can work at slow speed. For a fixed flow, a slow speed will lead to the use of larger rooms, therefore less sensitive to miniaturization to treat low flows.
  • a decisive advantage of the invention results from its ability to accept without any contraindication the formation, by expansion, of two-phase fluid, the liquid phase of which can possibly be evacuated towards the exhaust without difficulty.
  • FIG. 4C Variants of the device of Figure 4A are given in Figures 4B and 4C.
  • a cold coil source 35 is fixed against the flat bottom 34 of the fixed spiral.
  • a cold source 37 is integrated in the walls of the fixed spiral: a fluid can therefore circulate in these walls.
  • FIG. 5 represents a cryogenic expansion valve whose fixed parts are supported by a structure 50 which carries two eccentric shafts 52, 63.
  • the shaft 52 centered on the bearings 53 includes an electric brake composed of a rotor 54 and a stator 55 making it possible to control the speed of rotation and to extract the expansion work towards an adaptable load receiver 56.
  • the shaft 52 is provided with two eccentric axes 57 and 58 which allow, by means of the bearings 59 and 60 and an arm 62, a mechanical connection with a movable plate 61.
  • the arm 62 allowing a very stable positioning and specific. The mass of this arm can, moreover, be chosen to bring the center of gravity of the mobile assembly to the desired level.
  • the movable plate 61 is linked by the second eccentric shaft 63 mounted on the ball bearings 64 and 65.
  • the movement of this shaft 63 is in phase with that of the shaft 52, so that the movement of the plate 61 is a translation circular, without rotation.
  • All the mechanical parts described above operate at ordinary temperature in a housing 66 and a plate 67, which contain the cycle fluid 68.
  • the latter can be, for example, helium at the exhaust pressure of the regulator. , close to atmospheric pressure.
  • the compressed gas 69 exerts a work by setting in motion the movable spiral 70 and the plate 61, both fixed to at least one connecting element 71.
  • the plate and the fixed spiral 72, carried by a tube 73, are protected from inputs external heat by an enclosure 74, which also makes it possible to evacuate the volume 75 by conventional means, not shown.
  • the connecting elements 71 and the tube 73 have a hot end and a cold end. They are preferably dimensioned to be mechanically rigid, while causing minimal thermal leakage to the gas circuit to be expanded.
  • An auxiliary cooling circuit 76 for example supplied with liquid nitrogen around 80 K, makes it possible to reduce thermal leaks towards the plates 70 and 72.
  • regulators of the type of that of FIG. 5 can be used with gas 69 and the plates 70 and 72 working, on the first stage, around 50 at 60 Kelvin or, on the second floor, around 15 to 20 Kelvin.
  • the last expansion stage where the partial liquefaction takes place, operates at around 5 to 7 Kelvin and, in this case, the auxiliary circuit 76 will preferably be supplied by the preceding stages at 50 K or 20 K.
  • the movable spiral is driven in movement.
  • the latter is transmitted, by the connecting elements 71, to the plate 61.
  • the eccentric shafts 52, 63 in phase, make it possible to block the component of proper rotation of the movement of the movable spiral.
  • the electric brake (stator 55 and rotor 54) makes it possible to control the speed of this rotation, therefore of the rotation of the axes 57, 58 and therefore the speed of the rotary translation movement of the movable spiral 70.
  • deformable elements such as a network of fibers or springs, one end of each fiber or spring being fixed to the movable spiral or to its flat bottom, while the other end is linked to the fixed part of the device.
  • a solution, using a deformable element, is illustrated in FIG. 6.
  • the movable spiral 77 is linked, by connecting elements 78, to a movable plate 79 whose own rotation is blocked by a bellows 83.
  • the latter is fixed , at its lower part, to the plate 79, and at its upper part, to a fixed part 84 of the device.
  • the bellows also makes it possible to separate the atmosphere from part 86 of the enclosure, where lubricant vapors may exist, from part 87 of the enclosure reserved for high purity cycle gas.
  • An eccentric shaft 80 85 fixes the circular translational travel of the plate 79. This shaft 80 is in rotation about its axis 88 ", fixed relative to the device. The axis 85 is in rotation around the fixed axis 88.
  • the shaft 80 can also support the rotor 81 of an electric brake, the stator of which is designated by the reference 82.
  • the device is, moreover, identical or similar to that described above in connection with FIG. 5.
  • Another solution uses magnetic means, exerting forces such as translation can take place by prohibiting rotation.
  • FIG. 7 The principle of this solution is illustrated in FIG. 7.
  • the movable part 88 or rather the flat bottom, or from above, of the movable spiral is integral with a bar 89, either ferromagnetic, or with permanent magnetization. Both are placed in the magnetic field of an external dipole 90 whose parallel field lines fix the orientation of the part.
  • the moving part 88 and its bar 89 are shown in three different positions. These parts can be linked to a plate such as the plate 79 in FIG. 6, the latter itself being guided by a single eccentric, as described above in connection with this same FIG. 6.
  • FIG. 8 Another variant capable of ensuring the mechanical transmission of the circular translation movement will preferably be used for its greater compactness and the greater ease of dynamic balancing. This variant is illustrated in FIG. 8.
  • the fixed base 91 supports the stator of the electric brake 92 and the hot end of a bellows 93. The latter is intended for locking in rotation of the movable spiral 94.
  • the mobile part is composed of the central plate 95 connected to the mobile spiral 94 by the connecting elements 96.
  • An eccentric sleeve 97 free to rotate, is centered in the base 91 by the bearing 99 and supports the central plate 95 by means of the bearing 98.
  • the circular translation of the movable spiral 94 is transformed into rotation of the sleeve 97 whose speed is controlled by the electric brake 92.
  • Dynamic balancing is obtained, on the one hand by a shim 100 which makes it possible to bring the center of gravity of the mobile assembly 94, 96, 95, 100 into the plane of the bearings 98 and 99 and, on the other hand, by shims 101 and 102, which make it possible to balance all the inertias applied horizontally inside the bearing 99.
  • non-contact cryogenic bearings for example magnetic bearings or gas bearings
  • This solution has the advantage of greater mechanical rigidity to allow better control of the respective position of the fixed and mobile spirals intended for the implementation of one invention.
  • An example, illustrated in FIG. 9, uses in combination radial gas bearings and an axial magnetic stop. We could just as easily have used the opposite, or any other combination imaginable between these two known technologies.
  • the example in FIG. 9 represents a helium regulator at 7 K and about 15 bars which, by expansion, will come out of the spiral towards 4.5 K, under 1 bar, in double phase, with a high proportion of liquid .
  • the same solution may, let alone be used for relaxation of helium at any other temperature, such as 20 K or 60 K, or any other pressure.
  • the gas to be expanded enters via line 111 at 7 Kelvin, it performs its work between the fixed spiral 112 and the movable spiral 113, before leaving as a liquid-vapor mixture via line 134.
  • the mobile assembly actuated by the spiral 113, is connected by the connecting elements 115 to the plate 116 which rotates the eccentric bush 117, held in axial position by the connection 118 to the ball bearing 119 located in the hot part, at 300 K, which is braked and speed controlled by the electric brake 120.
  • the plate 116 is blocked in rotation by the bellows 121, itself fixed to the hot casing 122.
  • the rotation of the sleeve 117 makes it possible to maintain, on its two faces, two hydrodynamic gas bearings 123 and 124, which ensure the contactless movement inside the cryostat 125.
  • This cryostat is protected from the entry of parasitic heat by the auxiliary cooling circuits 126, which hold the plate 116 of the socket 117, and the bearings 123 and 124 as well as a thermal screen 127, around 20 Kelvin and by the circuit 128, supplied around 80 K with liquid nitrogen, which is connected on screen 129.
  • the axial play between the two spirals 112 and 113 is preferably strictly controlled to remain close to a few hundredths of a millimeter.
  • This play measured by a cold position sensor 131, is controlled by a regulator 132 which acts on the electromagnet 133, by controlled attraction of a ferromagnetic plate 134.
  • a regulator 132 acts on the electromagnet 133, by controlled attraction of a ferromagnetic plate 134.
  • a regulator according to one of the embodiments described above can be used to perform a Brayton cycle, as described in the introduction to the present application, in connection with FIG. 2A.
  • the invention is not limited to the production of single-stage regulators using only one pair of spirals, one being fixed and the other mobile.
  • the same mechanical equipment and the same suspension set can be used for the operation of several regulators.
  • the same mechanical equipment can be used to operate a three-stage regulator shown in FIG. 10, where several of the variants described have been deliberately combined in combination previously.
  • the second stage works between 15 bars, 25 Kelvin (at point 143) and 1.2 bar, 15 Kelvin (at point 144).
  • the third stage receives (at 145) gas at 15 bars at 7 Kelvin, which emerges (at 146) at 4.4 K as a liquid-gas mixture at 1.3 bars.
  • a possible variant to make the expansion on the third stage more isothermal could be to coat the plate of the fixed spiral 171 with a condenser 180 where liquid helium could be condensed directly supplying the cold source.
  • the three mobile spirals 147, 148, 149 are linked to the same shaft 150, the sections of which decrease with the temperature level.
  • the shaft 150 is integral with a plate 151, at room temperature, and a plate 152, at a temperature equal to about 30 Kelvin.
  • the plate 151 rotates the eccentric ring 153 mounted on the ball bearings ' 154 and 155. This ring is speed controlled by the brake 156.
  • the eccentric ring 157 is held in position by a vertical magnetic stop 158. It is centered radially by two hydrodynamic gas bearings 159 and 160 which could just as easily be replaced by magnetic bearings, either with permanent magnets or with superconductors, d '' a nature to be defined according to the temperature level.
  • the fixed spirals 171, 172 and 173 are integral with a casing 174 which will be isolated by a vacuum enclosure (of which the primer 175 has only been sketched without representing the pumping means).
  • cryogenic circuit 178 separates the cryogenic circuit from the casing 179 which can either operate at a different pressure, or contain lubricant vapors if bearings 154 and 155 are greased.
  • the bellows 176, 177 and 178 also contribute to fixing in rotation the movable assembly integral with the plates 151 and 152 and the shaft 150 to control the desired movement of circular translation.
  • the example was given of a three-stage regulator for carrying out a Claude cycle. It is possible to make a regulator with a different number of stages (either two, or a number N> 3). Likewise, it is possible to use any combination of the various embodiments set out above.
  • the respective position of the fixed and mobile spirals must preferably be able to be adjusted precisely, in order to limit the clearances both in the axial direction and in the radial direction.
  • the adjustment means used remain entirely conventional and have not been shown to avoid weighing down the illustrations.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
  • Rotary Pumps (AREA)

Abstract

A temperature reduction device using scrolls for cryogenic expansion is disclosed. The device for expansion of a gaseous, liquid or two-phase fluid, comprising an expansion compartment which includes a first scroll (72), a second scroll (70) inside said first scroll, and means for enabling circular translation but not actual rotation of the second scroll inside the first scroll for fluid expansion.

Description

DISPOSITIF DE DETENTE A SPIRALES POUR DES TEMPERATURES CRYOGENIQUESSPIRAL RELAXATION DEVICE FOR CRYOGENIC TEMPERATURES
DESCRIPTION Domaine technique et art antérieurDESCRIPTION Technical field and prior art
L'invention concerne le domaine des machines de détente cryogénique.The invention relates to the field of cryogenic expansion machines.
Les cycles à gaz de réfrigération cryogénique peuvent être classés en deux catégories selon que le procédé considéré met en oeuvre, soit une circulation périodique en va et vient, soit une circulation permanente dans une direction définie du gaz.The cryogenic refrigeration gas cycles can be classified into two categories according to whether the process considered implements either a periodic circulation back and forth, or a permanent circulation in a defined direction of the gas.
Dans les cycles à circulation alternée, le gaz échange de la chaleur avec un accumulateur thermique ou un régénérateur de chaleur qui retient la chaleur lorsque le gaz circule dans un sens, et la restitue lors du retour en sens inverse.In alternating circulation cycles, the gas exchanges heat with a thermal accumulator or a heat regenerator which retains heat when the gas circulates in one direction, and releases it when returning in the opposite direction.
Les cycles à circulation alternative les plus connus sont les cycles de Stirling, de Gifford Mac Manon, ou encore le cycle à tube de pulsation. Ce dernier est généralement réservé à la production de faibles puissances frigorifiques de l'ordre de la fraction de watt vers 4 Kelvin, de la dizaine de watts vers 15 Kelvin, et de la centaine de watts vers 80 Kelvin.The best known alternative circulation cycles are the Stirling, Gifford Mac Manon, or the pulsation tube cycle. The latter is generally reserved for the production of low cooling powers of the order of a fraction of a watt around 4 Kelvin, around ten watts around 15 Kelvin, and around a hundred watts around 80 Kelvin.
Une description schématique de dispositifs correspondants est donnée sur les figure IA à 1C.A schematic description of corresponding devices is given in Figures IA to 1C.
La figure IA représente une machine de Stirling. Un compresseur 1 ou oscillateur de pression est constitué d'un piston actionné mécaniquement par un vilebrequin 2.Figure IA shows a Stirling machine. A compressor 1 or pressure oscillator consists of a piston actuated mechanically by a crankshaft 2.
La machine de Gifford et Mac Mahon, illustrée sur la figure 1B, se caractérise par un compresseur de gaz 3 avec une entrée 4 à basse pression et une sortie 5 à haute pression, permanentes et reliées à la machine frigorifique proprement dite 10 par un clapet d'entrée 6 et un clapet 7 de sortie respectivement, qui sont ouverts à tour de rôle pour engendrer les cycles de pression nécessaires. La machine frigorifique 10, qui est reliée à ces compresseurs 1 et 3 est la même dans les deux cas. Elle consiste en un tube 9 dans lequel coulisse un piston déplaceur 11 qui divise le contenu du tube 9 en deux chambres à volume variable, reliées entre elles par une dérivation 12, sur laquelle un régénérateur de chaleur 13 est installé. La chambre reliée au compresseur 1 ou 3 est à la température T2 (correspondant à la source chaude), et l'autre chambre est à la température T3 de la source froide. Le piston déplaceur 11 fait passer le gaz comprimé, de la chambre à la température T2, vers la chambre à la température T3, en échangeant sa chaleur avec le régénérateur de chaleur 13 en réponse aux élévations de pression dans le compresseur. La détente du gaz est produite lorsqu'il occupe principalement la chambre à la température T3, puis le gaz est réchauffé en traversant le régénérateur de chaleur 13 vers la chambre à température T2 avant de subir un nouveau cycle. Le régénérateur de chaleur 13 a en effet la propriété de restituer au gaz y circulant dans un sens la chaleur qu'il a prise précédemment au gaz circulant en sens inverse. Dans la réalisation de la figure 1B, la chambre à la température T2 communique avec le compresseur 3 par l'entrée 4 et la sortie 5 ; dans les réalisations de la figure IA, la liaison du compresseur 1 à la chambre du compresseur à la température T2 est réalisée par un conduit unique de prise de pression 15.The Gifford and Mac Mahon machine, illustrated in FIG. 1B, is characterized by a gas compressor 3 with an inlet 4 at low pressure and an outlet 5 at high pressure, permanent and connected to the machine refrigeration proper 10 by an inlet valve 6 and an outlet valve 7 respectively, which are opened in turn to generate the necessary pressure cycles. The refrigerating machine 10, which is connected to these compressors 1 and 3 is the same in both cases. It consists of a tube 9 in which slides a displacement piston 11 which divides the contents of the tube 9 into two chambers with variable volume, connected together by a bypass 12, on which a heat regenerator 13 is installed. The chamber connected to compressor 1 or 3 is at temperature T2 (corresponding to the hot source), and the other chamber is at temperature T3 from the cold source. The displacer piston 11 passes the compressed gas from the chamber at temperature T2 to the chamber at temperature T3, by exchanging its heat with the heat regenerator 13 in response to the pressure increases in the compressor. The expansion of the gas is produced when it mainly occupies the room at temperature T3, then the gas is reheated by passing through the heat regenerator 13 towards the room at temperature T2 before undergoing a new cycle. The heat regenerator 13 has the property of restoring to the gas flowing there in one direction the heat which it previously took from the gas flowing in the opposite direction. In the embodiment of FIG. 1B, the temperature chamber T2 communicates with the compressor 3 by the inlet 4 and the outlet 5; in the embodiments of FIG. IA, the connection of the compressor 1 to the compressor chamber at the temperature T2 is carried out by a single pressure tapping pipe 15.
A partir de l'illustration de la figure IA, on conçoit que les machines ainsi alternatives sont le siège de deux ondes périodiques dans le volume de détente 15, l'une de pression et l'autre de débit. Il est possible de contrôler le déphasage de ces deux ondes par des moyens mécaniques qui commandent les mouvements du piston compresseur 1 ou des clapets 6 et 7, généralement à la température ambiante, et du piston déplaceur 11 qui peut, pour les applications en cryogénie, devoir fonctionner à de très basses températures. On arrive alors effectivement à la situation recherchée où la détente maximale, c'est-à- dire l'absorption de chaleur maximale, est simultanée au débit de gaz maximal dans la source froide T3.From the illustration of FIG. 1A, it can be seen that the machines thus alternative are the seat of two periodic waves in the volume of trigger 15, one of pressure and the other of flow. It is possible to control the phase shift of these two waves by mechanical means which control the movements of the compressor piston 1 or of the valves 6 and 7, generally at ambient temperature, and of the displacing piston 11 which can, for applications in cryogenics, have to operate at very low temperatures. We then effectively arrive at the desired situation where the maximum expansion, that is to say the maximum heat absorption, is simultaneous with the maximum gas flow rate in the cold source T3.
La figure 1C illustre une machine à tube de pulsation. Elle comprend un oscillateur de pression 16, symbolisé par un compresseur mécanique, un régénérateur de chaleur 17 relié au compresseur 16 par un conduit de prise de pression 18 et un tube de pulsation 19 qui s'embranche à l'extrémité du régénérateur de chaleur 17 opposée à l'oscillateur de pression 16. Le tube de pulsation 19 est fermé à l'extrémité opposée au régénérateur de chaleur 17. Par l'effet combiné des différents volumes et étranglements, le déphasage nécessaire à l'effet frigorifique des ondes de débit et de pression est obtenu par des moyens totalement statiques dans le tube de pulsation 19, qui est donc libre ou dépourvu de tout objet mobile tel qu'un piston déplaceur. Plus précisément, le tube de pulsation 19 est étranglé près du régénérateur de chaleur 17, où la source froide SF est située, alors que la source chaude SC est située à l'extrémité opposée du tube de pulsation 19, au bout d'une portion élargie et par exemple cylindrique de celui-ci. La colonne de gaz est mise en oscillations entretenues, et les dimensions et la forme des différents éléments de l'appareil permettent de choisir la fréquence de fonctionnement pour obtenir le déphasage des ondes de débit et de pression qui permet d'extraire effectivement de la chaleur à la source froide, pour la transférer vers la source chaude.Figure 1C illustrates a pulse tube machine. It comprises a pressure oscillator 16, symbolized by a mechanical compressor, a heat regenerator 17 connected to the compressor 16 by a pressure tapping pipe 18 and a pulsation tube 19 which branches at the end of the heat regenerator 17 opposite to the pressure oscillator 16. The pulsation tube 19 is closed at the end opposite to the heat regenerator 17. By the combined effect of the different volumes and throttles, the phase shift necessary for the cooling effect of the flow waves and pressure is obtained by completely static means in the pulsation tube 19, which is therefore free or devoid of any moving object such as a displacer piston. More specifically, the pulsation tube 19 is throttled near the heat regenerator 17, where the cold source SF is located, while the hot source SC is located at the opposite end of the pulsation tube 19, at the end of a portion enlarged and for example cylindrical thereof. The gas column is set in sustained oscillations, and the dimensions and the shape of the various elements of the apparatus make it possible to choose the operating frequency to obtain the phase shift of the flow waves and of pressure which effectively extracts heat from the cold source, to transfer it to the hot source.
Les cycles à circulation continue sont, eux, mieux adaptés à la production de puissances élevées.Continuous circulation cycles are better suited to the production of high powers.
De telles machines, fonctionnant sur le principe du cycle de Brayton et du cycle de Claude sont respectivement illustrées sur les figures 2A et 2B.Such machines, operating on the principle of the Brayton cycle and the Claude cycle are respectively illustrated in FIGS. 2A and 2B.
Elles sont constituées d'arrangements différents des trois composants principaux suivants :They consist of different arrangements of the following three main components:
- un compresseur 20 recycle le gaz du niveau de basse pression (BP) , habituellement voisin de la pression atmosphérique, jusqu'au niveau de haute pression, généralement compris entre 15 et 30 bars environ, - un ou des echangeurs de chaleur 22 à contre-courant assurent le prérefroidissement du gaz comprimé par échange avec le gaz à basse pression,a compressor 20 recycles the gas from the low pressure level (BP), usually close to atmospheric pressure, to the high pressure level, generally between approximately 15 and 30 bars, one or more heat exchangers 22 against -current ensure the precooling of the compressed gas by exchange with the gas at low pressure,
- une ou des machines de détente 23 sont la ou les véritables sources de production frigorifique. On utilise, soit des machines 23 dans lesquelles le gaz fournit un travail mécanique, soit de simples étranglements ou vannes de détente 24 où le gaz subit une perte de charge.- one or more expansion machines 23 are the real source (s) of refrigeration production. We use either machines 23 in which the gas provides mechanical work, or simple throttles or expansion valves 24 where the gas undergoes a pressure drop.
Le cycle de Brayton (figure 2A) peut fonctionner avec de l'azote si la source froide désiréeThe Brayton cycle (Figure 2A) can operate with nitrogen if the desired cold source
25 est à une température supérieure à 80 Kelvin. Pour les températures plus basses, le gaz de cycle sera généralement l'hélium.25 is at a temperature above 80 Kelvin. For lower temperatures, the cycle gas will generally be helium.
Le cycle de Claude de la figure 2A correspond plutôt à un cycle à hélium, dont la source froide 26 est un bain d'hélium liquide.The Claude cycle of FIG. 2A rather corresponds to a helium cycle, the cold source 26 of which is a bath of liquid helium.
Les machines de détente susceptibles de produire du travail mettent en application le premier principe de la thermodynamique selon lequel la somme des quantités de chaleur Q et de travail W mis en jeu dans un cycle de transformations réversibles est nulle :The expansion machines capable of producing work apply the first principle of thermodynamics according to which the sum of the quantities of heat Q and of work W brought into play in a cycle of reversible transformations is zero:
W+Q=0 Une détente avec travail permettra donc toujours d'absorber de la chaleur, mais elle nécessite l'utilisation de machines dont les pièces froides sont en mouvement.W + Q = 0 Relaxation with work will therefore always absorb heat, but it requires the use of machines with cold parts in motion.
Une détente sans travail ou à enthalpie constante n'absorbe pas de chaleur, mais elle est généralement utilisée à proximité immédiate -de la courbe de saturation du fluide pour réaliser le changement de phase par détente du gaz qui se trouve partiellement liquéfié.An expansion without work or at constant enthalpy does not absorb heat, but it is generally used in the immediate vicinity of the saturation curve of the fluid to effect the phase change by expansion of the gas which is partially liquefied.
La détente avec travail est effectuée, soit dans des turbines quand le débit est suffisant, soit dans des machines à piston un peu mieux adaptées aux faibles débits.The expansion with work is carried out, either in turbines when the flow is sufficient, or in piston machines a little better adapted to low flows.
Dans les deux cas, le gaz en cours de détente ne peut pratiquement pas échanger de chaleur avec la source froide et la détente obtenue est dite adiabatique ou isentropique.In both cases, the gas during expansion practically cannot exchange heat with the cold source and the expansion obtained is said to be adiabatic or isentropic.
Pour certaines application, il pourrait être préférable d'obtenir les conditions d'une détente isotherme permettant d'extraire plus de chaleur à condition d'assurer un échange de chaleur permanent avec un faible écart de température entre la source froide et le gaz en cours de détente.For certain applications, it could be preferable to obtain the conditions of an isothermal expansion allowing to extract more heat on condition of ensuring a permanent heat exchange with a small temperature difference between the cold source and the gas in progress. of relaxation.
Tant pour les turbines que pour les machines à piston, la détente avec changement de phase est à proscrire pour éviter la destruction mécanique, soit de la turbine déséquilibrée par des gouttelettes, soit du piston soumis aux "coups" du liquide qui risque de s'y accumuler.Both for turbines and for piston machines, expansion with phase change is to be avoided to avoid mechanical destruction, either of the turbine unbalanced by droplets, or of the piston subjected to the "blows" of the liquid which risks s' accumulate there.
Même en limitant leur utilisation hors -de la présence de liquide grâce à des températures ou des pressions suffisamment élevées, les machines de détentes couramment utilisées induisent de nombreuses difficultés de conception ou d'utilisation.Even by limiting their use outside of the presence of liquid thanks to temperatures or Sufficiently high pressures, the currently used expansion machines induce many difficulties of design or use.
Les turbines de détente doivent tourner à des vitesses élevées, de plusieurs dizaines ou plusieurs centaines de milliers de tours par minute, et sont généralement supportées par des paliers sans contact, le plus souvent à gaz.The expansion turbines must rotate at high speeds, of several tens or hundreds of thousands of revolutions per minute, and are generally supported by non-contact bearings, most often gas.
Pour traiter de faibles débits, les turbines sont mal adaptées à la miniaturisation.To handle low flow rates, turbines are ill-suited to miniaturization.
En effet, quand le diamètre diminue jusque vers des tailles centimétriques, le jeu entre les parties mobile et fixe de la turbine prend une importance relative croissante, et le débit de fuite détendu sans travail fait chuter l'efficacité. Quand les buses d'injection où le gaz circule à vitesse sonique doivent être réduites à des diamètres du dixième de millimètre, les conditions d'écoulement deviennent rapidement perturbées et sources d'irréversibilités, ou simplement sujettes aux impuretés.In fact, when the diameter decreases down to centimeter sizes, the clearance between the mobile and fixed parts of the turbine takes on increasing relative importance, and the relaxed leakage rate without work lowers efficiency. When the injection nozzles where the gas flows at sonic speed must be reduced to diameters of one tenth of a millimeter, the flow conditions quickly become disturbed and sources of irreversibility, or simply subject to impurities.
Les détendeurs à piston sont, a priori, mieux adaptés que les turbines pour traiter des débits réduits, mais leur fiabilité est fortement conditionnée par la réalisation de l'étanchéité frottante entre piston et cylindre, et par l'existence de clapets froids avec les mécanismes de commande associés.The piston regulators are, a priori, better adapted than the turbines to treat reduced flows, but their reliability is strongly conditioned by the achievement of the friction sealing between piston and cylinder, and by the existence of cold valves with the mechanisms associated command.
Exposé de l'inventionStatement of the invention
L'objet de l'invention concerne une solution originale permettant de réaliser des machines de refroidissement de fluide par détente, en particulier cryogénique (soit isentropique, soit, si nécessaire, isotherme) mieux adaptées que les turbines et machines à piston pour traiter de faibles débits avec une bonne efficacité, et une bonne fiabilité, tout en étant insensible à la présence de liquide ou de fluide en double phase.The object of the invention relates to an original solution making it possible to produce machines for cooling fluid by expansion, in particular cryogenic (either isentropic or, if necessary, isothermal) better suited than turbines and piston machines for treating small flows with good efficiency, and good reliability, while being insensitive to the presence of liquid or fluid in double phase.
L'invention a pour objet un dispositif d'abaissement de température d'un fluide par détente du fluide, à l'état gazeux ou liquide ou en double phase, caractérisé en ce qu'il comporte un compartiment de détente comprenant :The subject of the invention is a device for lowering the temperature of a fluid by expansion of the fluid, in the gaseous or liquid state or in double phase, characterized in that it comprises an expansion compartment comprising:
- une première spirale,- a first spiral,
- une seconde spirale disposée à l'intérieur de cette première spirale,- a second spiral arranged inside this first spiral,
- des moyens pour permettre un mouvement de translation circulaire, sans rotation propre, de la seconde spirale à l'intérieur de la première, lors de la détente d'un fluide. Ce dispositif permet de diminuer la température du fluide grâce à la détente réalisée dans le compartiment de détente. Il y a donc refroidissement du fluide dès sa sortie de ce compartiment.- Means for allowing a circular translational movement, without proper rotation, of the second spiral inside the first, during the expansion of a fluid. This device makes it possible to reduce the temperature of the fluid thanks to the expansion carried out in the expansion compartment. There is therefore cooling of the fluid as soon as it leaves this compartment.
L'invention met en oeuvre des pièces en mouvement sans contact et sans recours à des clapets. Ce dispositif est compatible avec une miniaturisation pour traiter de faibles débits. De plus, il peut accepter, sans aucun problème, la formation de fluide diphasique au cours de la détente. Il peut, en outre, comporter dans une des spirales au moins un circuit d'échange de chaleur permettant de tendre vers des conditions isothermes.The invention uses moving parts without contact and without the use of valves. This device is compatible with miniaturization to treat low flow rates. In addition, it can accept, without any problem, the formation of two-phase fluid during expansion. It can, moreover, include in one of the spirals at least one heat exchange circuit making it possible to tend towards isothermal conditions.
Les moyens permettant le mouvement de translation circulaire, sans rotation propre, peuvent prendre diverses formes. Ils peuvent par exemple comporter :The means allowing circular translational movement, without proper rotation, can take various forms. They can for example include:
- deux arbres excentrés, chacun étant lié à la spirale mobile par une extrémité en rotation autour d'un axe fixe par rapport au dispositif, - ou au moins une pièce deformable liée par une de ses extrémités à une partie fixe du dispositif et dont l'autre extrémité est liée à la spirale mobile,- two eccentric shafts, each one connected to the movable spiral by one end in rotation about an axis fixed relative to the device, - or at least one deformable part linked by one of its ends to a fixed part of the device and the other end of which is linked to the movable spiral,
- ou des moyens magnétiques exerçant sur la spirale mobile ou sur une partie fixe par rapport à la spirale mobile, des forces telles que la translation puisse avoir lieu en interdisant toute rotation.- Or magnetic means exerting on the movable spiral or on a fixed part with respect to the movable spiral, forces such that translation can take place by preventing any rotation.
En outre, des moyens peuvent être prévus pour contrôler la vitesse de rotation de la spirale mobile lors de son mouvement.In addition, means can be provided to control the speed of rotation of the movable spiral during its movement.
Ainsi, dans le cas d'un mouvement avec deux excentriques, l'un d'eux peut porter le rotor d'un frein électrique, le stator étant fixe par rapport au dispositif. Dans le cas d'un mouvement avec pièces déformables, la spirale mobile peut être liée -à une pièce autour de laquelle une douille excentrique est en rotation, une pièce liée à la douille excentrique pouvant supporter le rotor d'un frein électrique. La rotation de cette douille peut se faire avec, sur au moins une de ses deux faces, un palier sans contact, du type magnétique ou à gaz.Thus, in the case of a movement with two eccentrics, one of them can carry the rotor of an electric brake, the stator being fixed relative to the device. In the case of a movement with deformable parts, the movable spiral can be linked to a part around which an eccentric sleeve is rotating, a part linked to the eccentric sleeve being able to support the rotor of an electric brake. The rotation of this socket can be done with, on at least one of its two faces, a contactless bearing, of the magnetic or gas type.
Un moyen de contrôle du jeu axial entre les deux spirales peut être prévu. Les spirales peuvent être, par exemple, des spirales d'Archimède où définies par une succession d'arcs de cercle.A means of controlling the axial play between the two spirals can be provided. The spirals can be, for example, Archimedes' spirals where defined by a succession of arcs of a circle.
Un système de détente de fluide peut comporter au moins deux étages de détente, chacun comportant un dispositif selon l'une des formes décrites ci-dessus. Un arbre commun peut éventuellement permettre un mouvement en phase des spirales mobiles des différents dispositifs de détente.A fluid expansion system can comprise at least two expansion stages, each comprising a device according to one of the forms described above. A common shaft may possibly allow a phase movement of the movable spirals of the various expansion devices.
Une machine de détente cryogénique peut donc comporter un compresseur, un échangeur et un dispositif ou un système de détente tels que décrits ci-dessus. Brève description des figures A cryogenic expansion machine can therefore include a compressor, an exchanger and an expansion device or system as described above. Brief description of the figures
De toute façon, les caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront mieux à la lumière de la description qui va suivre. Cette description porte sur les exemples de réalisation, donnés à titre explicatif et non limitatif, en se référant à des dessins annexés sur lesquels :In any case, the characteristics and advantages of the invention will appear better in the light of the description which follows. This description relates to the exemplary embodiments, given by way of explanation and without limitation, with reference to the appended drawings in which:
- la figure IA à 1C illustrent respectivement des machines de Stirling, Gifford et à tube de pulsation,FIG. 1A to 1C respectively illustrate Stirling, Gifford and pulsation tube machines,
- les figures 2A et 2B illustrent des machines de Brayton et de Claude,FIGS. 2A and 2B illustrate machines of Brayton and Claude,
- les figures 3A à 3D illustrent le principe de fonctionnement d'un compartiment de détente d'un dispositif selon l'invention,FIGS. 3A to 3D illustrate the operating principle of an expansion compartment of a device according to the invention,
- la figure 3E représente un mode de réalisation avec 4 spirales,FIG. 3E represents an embodiment with 4 spirals,
- les figures 4A à 4C représentent une vue en coupe d'un compartiment de détente d'un dispositif soit adiabatique soit isotherme selon l'invention,FIGS. 4A to 4C represent a sectional view of an expansion compartment of an either adiabatic or isothermal device according to the invention,
- la figure 5 représente une première réalisation de l'invention,FIG. 5 represents a first embodiment of the invention,
- les figures 6 à 9 représentent d'autres réalisations de l'invention,FIGS. 6 to 9 show other embodiments of the invention,
- la figure 10 représente un détendeur à trois étages, conforme à l'invention.- Figure 10 shows a three-stage regulator according to the invention.
Description détaillée de modes de réalisation Le principe de l'invention repose sur l'utilisation d'un compartiment de détente comportant, comme illustré sur les figures 3A à 3D et 4A, une première spirale fixe 28 et une seconde spirale 30 disposée mobile à l'intérieur de la première. Chaque spirale repose ou est liée à un fond plat 32, 34.Detailed description of embodiments The principle of the invention is based on the use of an expansion compartment comprising, as illustrated in FIGS. 3A to 3D and 4A, a first fixed spiral 28 and a second spiral 30 arranged movable at the inside the first. Each spiral rests or is linked to a flat bottom 32, 34.
Le gaz à détendre est introduit par un tube d'admission 36. Un échappement peut être prévu. Ainsi, des jeux réduits 40, 42, assurés entre la partie supérieure des cloisons 28, 30 des spirales et les fonds plats 32, 34 permettent au fluide de s'échapper à l'extérieur de la spirale mobile, puis de la spirale fixe (flèche référencée 44 sur la figure 4) . Le gaz ne peut circuler qu'en augmentant de volume (détente) et en exerçant une force sur la paroi mobile 30 (travail) , soumise à un mouvement de translation circulaire. Du fait de ce mouvement, chaque point de la spirale 30 décrit un cercle, la partie mobile restant en permanence parallèle à elle-même.The gas to be expanded is introduced through an intake tube 36. An exhaust can be provided. Thus, reduced clearances 40, 42, provided between the upper part of the partitions 28, 30 of the spirals and the flat bottoms 32, 34 allow the fluid to escape outside the movable spiral, then the fixed spiral ( arrow referenced 44 in Figure 4). The gas can only circulate by increasing volume (expansion) and by exerting a force on the movable wall 30 (work), subjected to a circular translational movement. As a result of this movement, each point of the spiral 30 describes a circle, the movable part remaining permanently parallel to itself.
Les figures 3A à 3D illustrent le déroulement de l'expansion du gaz en différentes étapes, par lesquelles on peut suivre l'évolution d'une fraction du gaz, de quart de tour en quart de tour. Ce gaz passe par les volumes continuellement croissants 46, 48, 50, 52, puis enfin 54, avant échappement.FIGS. 3A to 3D illustrate the progress of the expansion of the gas in different stages, by which it is possible to follow the evolution of a fraction of the gas, from quarter to quarter to quarter of a turn. This gas passes through the continuously increasing volumes 46, 48, 50, 52, then finally 54, before exhaust.
Le volume du gaz en cours de détente est à chaque instant limité par une cloison de la spirale fixe et une cloison de la spirale mobile, qui deviennent tangentes tous les 180 degrés, en suivant leur développée.The volume of the gas during expansion is at all times limited by a partition of the fixed spiral and a partition of the movable spiral, which become tangent every 180 degrees, following their development.
Ces points de tangence procurent une étanchéité totale ou partielle selon que les pièces sont en contact ou de préférence séparées par un jeu réduit 40, 42.These tangent points provide a total or partial seal depending on whether the parts are in contact or preferably separated by a reduced clearance 40, 42.
Le mouvement de translation circulaire revient à faire glisser les points de tangence le long du profil de la spirale fixe, permettant ainsi au gaz considéré de se déplacer du centre vers l'extérieur de la spirale en augmentant de volume. Un très large éventail est offert pour la réalisation des pièces en spirale concernées :The circular translational movement amounts to sliding the points of tangency along the profile of the fixed spiral, thus allowing the gas considered to move from the center towards the outside of the spiral while increasing in volume. A very wide range is offered for the realization of the spiral pieces concerned:
- les profils en spirale pourront être des spirales d'Archimède (le rayon R d'une telle spirale varie linéairement avec l'angle à partir d'un même centre (R≈aθ) ) ,- the spiral profiles may be Archimedes' spirals (the radius R of such a spiral varies linearly with the angle from the same center (R≈aθ)),
- les profils pourront être définis par une succession d'arcs de cercle, de centres différents et de rayons différents, soit par exemple à chaque demi-tour, soit encore à chaque quart de tour.the profiles can be defined by a succession of arcs of a circle, of different centers and of different radii, either for example at each half-turn, or again at each quarter-turn.
Selon les débits à traiter et les taux de détente à obtenir, on pourra optimiser la géométrie, soit en utilisant une spirale unique, soit plusieurs spirales imbriquées en nombre quelconque. Un exemple de réalisation à plusieurs spirales est illustré sur la figure 3E. Deux spirales fixes 27 et 29 sont disposées symétriques, à 180° par rapport à un axe de symétrie Δ. Deux spirales mobiles 31 et 33 deviennent tangentes alternativement sur une face avec la spirale 27 et sur l'autre face avec la spirale 29.Depending on the flow rates to be treated and the expansion rates to be obtained, the geometry can be optimized either by using a single spiral or by several nested spirals in any number. An exemplary embodiment with several spirals is illustrated in FIG. 3E. Two fixed spirals 27 and 29 are arranged symmetrical, at 180 ° relative to an axis of symmetry Δ. Two mobile spirals 31 and 33 become tangent alternately on one side with the spiral 27 and on the other side with the spiral 29.
Les épaisseurs des cloisons des spirales pourront être choisies constantes ou variables pour optimiser leur résistance mécanique et leur encombrement. Les matériaux pouvant être utilisés satisferont de préférence à la condition que les deux pièces (fixe et mobile) soient compatibles, du point de vue de leur dilatation, de telle sorte que les jeux réduits soient obtenus aux conditions nominales de fonctionnement à basse température. Pour réduire les déformations, la préférence sera donnée aux matériaux à faible dilatation, tels que les composites par exemple à fibre de carbone, ou les alliages métalliques (comme l'Invar) . Pour tendre vers des conditions isothermes le cuivre ou l'aluminium seront plus favorables. Pour la partie mobile on pourra utiliser des matériaux à faible densité, comme le titane ou les alliages légers, suffisamment résistants pour limiter les forces d'inertie et les déformations associées. Des matériaux plastiques peuvent également être utilisés. Ils peuvent se présenter sous forme massive. Ils peuvent aussi être localement rapportés (sous forme de segments ou de dépôts superficiels) , soit pour limiter les effets de possibles frottements, soit pour obtenir, par usure progressive, un effet de rodage amenant les pièces à adapter leur forme l'une à l'autre. On cherchera, de préférence, à atteindre le meilleur compromis entre un faible contact et une faible fuite. Les avantages essentiels de l'invention résident dans la possibilité offerte de réaliser une détente, avec travail du gaz, en utilisant des pièces en mouvement sans contact, et sans recours à des clapets . Le débit du dispositif peut être ajusté par réglage de sa vitesse de rotation. A cet effet, des moyens pour régler la vitesse de rotation peuvent être prévus. Des exemples en seront donnés plus loin.The thicknesses of the partitions of the spirals can be chosen constant or variable to optimize their mechanical strength and their size. The materials that can be used will preferably satisfy the condition that the two parts (fixed and mobile) are compatible, from the point of view of their expansion, so that the reduced clearances are obtained at nominal operating conditions at low temperature. To reduce deformations, preference will be given to materials with low expansion, such as composites, for example carbon fiber, or metallic alloys (such as Invar). To tend towards isothermal conditions copper or aluminum will be more favorable. For the moving part we can use low density materials, such as titanium or light alloys, strong enough to limit the inertial forces and associated deformations. Plastic materials can also be used. They can come in massive form. They can also be locally added (in the form of segments or surface deposits), either to limit the effects of possible friction, or to obtain, by progressive wear, a running-in effect causing the parts to adapt their shape to each other. 'other. We will preferably try to reach the best compromise between low contact and low leakage. The essential advantages of the invention reside in the possibility offered to achieve an expansion, with gas working, by using moving parts without contact, and without recourse to valves. The flow rate of the device can be adjusted by adjusting its speed of rotation. To this end, means for adjusting the speed of rotation can be provided. Examples will be given later.
Un dispositif conforme à l'invention peut travailler à vitesse lente. Pour un débit fixé, une vitesse lente amènera l'utilisation de chambres plus volumineuses, donc moins sensibles à la miniaturisation pour traiter de faibles débits.A device according to the invention can work at slow speed. For a fixed flow, a slow speed will lead to the use of larger rooms, therefore less sensitive to miniaturization to treat low flows.
Un avantage déterminant de l'invention résulte de son aptitude à accepter sans aucune contre- indication la formation, par détente, de fluide diphasique, dont la phase liquide peut éventuellement être évacuée vers l'échappement sans difficulté.A decisive advantage of the invention results from its ability to accept without any contraindication the formation, by expansion, of two-phase fluid, the liquid phase of which can possibly be evacuated towards the exhaust without difficulty.
Des variantes du dispositif de la figure 4A sont données sur les figures 4B et 4C. Sur la figure 4B, une source froide à serpentin 35 est fixée contre le fond plat 34 de la spirale fixe. Sur la figure 4C, une source froide 37 est intégrée dans les parois de la spirale fixe : un fluide peut donc circuler dans ces parois.Variants of the device of Figure 4A are given in Figures 4B and 4C. On the face 4B, a cold coil source 35 is fixed against the flat bottom 34 of the fixed spiral. In FIG. 4C, a cold source 37 is integrated in the walls of the fixed spiral: a fluid can therefore circulate in these walls.
La figure 5 représente un détendeur cryogénique dont les parties fixes sont supportées par une structure 50 qui porte deux arbres 52, 63 à excentrique. L'arbre 52 centré sur les roulement 53 comporte un frein électrique composé d'un rotor 54 et d'un stator 55 permettant de contrôler la vitesse de rotation et d'extraire le travail de détente vers un récepteur 56 de charge adaptable. L'arbre 52 est muni de deux axes excentrés 57 et 58 qui permettent, par l'intermédiaire des roulements 59 et 60 et d'un bras 62, une liaison mécanique avec un plateau mobile 61. Le bras 62 permettant un positionnement très stable et précis. La masse de ce bras peut, par ailleurs, être choisie pour amener le centre de gravité de l'ensemble mobile au niveau désiré.FIG. 5 represents a cryogenic expansion valve whose fixed parts are supported by a structure 50 which carries two eccentric shafts 52, 63. The shaft 52 centered on the bearings 53 includes an electric brake composed of a rotor 54 and a stator 55 making it possible to control the speed of rotation and to extract the expansion work towards an adaptable load receiver 56. The shaft 52 is provided with two eccentric axes 57 and 58 which allow, by means of the bearings 59 and 60 and an arm 62, a mechanical connection with a movable plate 61. The arm 62 allowing a very stable positioning and specific. The mass of this arm can, moreover, be chosen to bring the center of gravity of the mobile assembly to the desired level.
Le plateau mobile 61 est lié par le deuxième arbre excentré 63 monté sur les roulements à bille 64 et 65. Le mouvement de cet arbre 63 est en phase avec celui de l'arbre 52, de sorte que le mouvement du plateau 61 soit une translation circulaire, sans rotation.The movable plate 61 is linked by the second eccentric shaft 63 mounted on the ball bearings 64 and 65. The movement of this shaft 63 is in phase with that of the shaft 52, so that the movement of the plate 61 is a translation circular, without rotation.
Toutes les parties mécaniques décrites ci- dessus fonctionnent à la température ordinaire dans un boîtier 66 et une platine 67, qui contiennent le fluide de cycle 68. Ce dernier peut être, par exemple, de l'hélium à la pression d'échappement du détendeur, voisine de la pression atmosphérique. Le gaz comprimé 69 exerce un travail en mettant en mouvement la spirale mobile 70 et le plateau 61, fixés tous deux à au moins un élément de liaison 71. Le plateau et la spirale fixe 72, portée par un tube 73, sont protégés des apports de chaleur extérieurs par une enceinte 74, qui permet également de mettre sous vide le volume 75 par des moyens classiques, non représentés .All the mechanical parts described above operate at ordinary temperature in a housing 66 and a plate 67, which contain the cycle fluid 68. The latter can be, for example, helium at the exhaust pressure of the regulator. , close to atmospheric pressure. The compressed gas 69 exerts a work by setting in motion the movable spiral 70 and the plate 61, both fixed to at least one connecting element 71. The plate and the fixed spiral 72, carried by a tube 73, are protected from inputs external heat by an enclosure 74, which also makes it possible to evacuate the volume 75 by conventional means, not shown.
Les éléments de liaison 71 et le tube 73 ont une extrémité chaude et une extrémité froide. Ils sont de préférence dimensionnés pour être mécaniquement rigides, tout en occasionnant une fuite thermique minimale vers le circuit de gaz à détendre.The connecting elements 71 and the tube 73 have a hot end and a cold end. They are preferably dimensioned to be mechanically rigid, while causing minimal thermal leakage to the gas circuit to be expanded.
Un circuit de refroidissement auxiliaire 76, par exemple alimenté en azote liquide vers 80 K, permet de réduire les fuites thermiques vers les plateaux 70 et 72.An auxiliary cooling circuit 76, for example supplied with liquid nitrogen around 80 K, makes it possible to reduce thermal leaks towards the plates 70 and 72.
Dans un liquéfacteur d'hélium à cycle de Claude, tel que celui illustré sur la figure 2B des détendeurs du type de celui de la figure 5 peuvent être utilisés avec du gaz 69 et les plateaux 70 et 72 travaillant, au premier étage, vers 50 à 60 Kelvin ou, au deuxième étage, vers 15 à 20 Kelvin.In a Claude cycle helium liquefier, such as that illustrated in FIG. 2B, regulators of the type of that of FIG. 5 can be used with gas 69 and the plates 70 and 72 working, on the first stage, around 50 at 60 Kelvin or, on the second floor, around 15 to 20 Kelvin.
Pour sa part le dernier étage de détente, où s'opère la liquéfaction partielle, fonctionne vers 5 à 7 Kelvin et, dans ce cas, le circuit auxiliaire 76 sera de préférence alimenté par les étages précédents à 50 K ou 20 K.For its part, the last expansion stage, where the partial liquefaction takes place, operates at around 5 to 7 Kelvin and, in this case, the auxiliary circuit 76 will preferably be supplied by the preceding stages at 50 K or 20 K.
Sous l'effet de la détente du gaz 69 dans le compartiment à spirales 70, 72, la spirale mobile est entraînée en mouvement. Ce dernier est transmis, par les éléments de liaison 71, au plateau 61. Les arbres excentrés 52, 63, en phase, permettent de bloquer la composante de rotation propre du mouvement de la spirale mobile. Il reste le mouvement de translation rotative de cette dernière, donc du plateau 61 et du bras 62. Grâce aux axes 57, 58 excentrés, l'arbre 52 est entraîné en rotation. Le frein électrique ('stator 55 et rotor 54) permet de contrôler la vitesse de cette rotation, donc de la rotation des axes 57, 58 et donc la vitesse du mouvement de translation rotative de la spirale mobile 70.Under the effect of the expansion of the gas 69 in the spiral compartment 70, 72, the movable spiral is driven in movement. The latter is transmitted, by the connecting elements 71, to the plate 61. The eccentric shafts 52, 63, in phase, make it possible to block the component of proper rotation of the movement of the movable spiral. There remains the translational movement rotary of the latter, therefore of the plate 61 and of the arm 62. Thanks to the eccentric axes 57, 58, the shaft 52 is rotated. The electric brake (stator 55 and rotor 54) makes it possible to control the speed of this rotation, therefore of the rotation of the axes 57, 58 and therefore the speed of the rotary translation movement of the movable spiral 70.
D'autres solutions peuvent être trouvées pour interdire la rotation de la spirale mobile. On peut recourir, par exemple, à des éléments déformables tels qu'un réseau de fibres ou de ressorts, une extrémité de chaque fibre ou ressort étant fixée à la spirale mobile ou à son fond plat, tandis que l'autre extrémité est liée à la partie fixe du dispositif. Une solution, mettant en oeuvre un élément deformable, est illustrée sur la figure 6. La spirale mobile 77 est liée, par des éléments de liaison 78 à un plateau mobile 79 dont la rotation propre est bloquée par un soufflet 83. Ce dernier est fixé, à sa partie inférieure, au plateau 79, et à sa partie supérieure, à une partie fixe 84 du dispositif. Le soufflet permet en outre de séparer l'atmosphère de la partie 86 de l'enceinte, où des vapeurs de lubrifiant peuvent exister, de la partie 87 de l'enceinte réservée au gaz de cycle à haute pureté. Un arbre 80 à excentrique 85 fixe la course de translation circulaire du plateau 79. Cet arbre 80 est en rotation autour de son axe 88", fixe par rapport au dispositif. L'axe 85 est en rotation autour de l'axe fixe 88. L'arbre 80 peut supporter également le rotor 81 d'un frein électrique dont le stator est désigné par la référence 82. Le dispositif est, par ailleurs, identique ou similaire à celui décrit ci-dessus en liaison avec la figure 5.Other solutions can be found to prohibit the rotation of the movable spiral. One can use, for example, deformable elements such as a network of fibers or springs, one end of each fiber or spring being fixed to the movable spiral or to its flat bottom, while the other end is linked to the fixed part of the device. A solution, using a deformable element, is illustrated in FIG. 6. The movable spiral 77 is linked, by connecting elements 78, to a movable plate 79 whose own rotation is blocked by a bellows 83. The latter is fixed , at its lower part, to the plate 79, and at its upper part, to a fixed part 84 of the device. The bellows also makes it possible to separate the atmosphere from part 86 of the enclosure, where lubricant vapors may exist, from part 87 of the enclosure reserved for high purity cycle gas. An eccentric shaft 80 85 fixes the circular translational travel of the plate 79. This shaft 80 is in rotation about its axis 88 ", fixed relative to the device. The axis 85 is in rotation around the fixed axis 88. The shaft 80 can also support the rotor 81 of an electric brake, the stator of which is designated by the reference 82. The device is, moreover, identical or similar to that described above in connection with FIG. 5.
Une autre solution met en oeuvre des moyens magnétiques, exerçant des forces telles que la translation puisse avoir lieu en interdisant la rotation.Another solution uses magnetic means, exerting forces such as translation can take place by prohibiting rotation.
Le principe de cette solution est illustré sur la figure 7. La pièce mobile 88 ou plutôt le fond plat, ou de dessus, de la spirale mobile est solidaire d'un barreau 89, soit ferromagnétique, soit à aimantation permanente. Tous deux sont placés dans le champ magnétique d'un dipôle extérieur 90 dont les lignes de champ parallèles fixent l'orientation de la pièce. La pièce mobile 88 et son barreau 89 sont représentés dans trois positions différentes. Ces parties peuvent être liées à un plateau tel que le plateau 79 de la figure 6, ce dernier étant lui-même guidé par un excentrique unique, ainsi que décrit ci- dessus en liaison avec cette même figure 6.The principle of this solution is illustrated in FIG. 7. The movable part 88 or rather the flat bottom, or from above, of the movable spiral is integral with a bar 89, either ferromagnetic, or with permanent magnetization. Both are placed in the magnetic field of an external dipole 90 whose parallel field lines fix the orientation of the part. The moving part 88 and its bar 89 are shown in three different positions. These parts can be linked to a plate such as the plate 79 in FIG. 6, the latter itself being guided by a single eccentric, as described above in connection with this same FIG. 6.
Une autre variante capable d'assurer la transmission mécanique du mouvement de translation circulaire sera utilisée de préférence pour sa plus grande compacité et la plus grande facilité d'équilibrage dynamique. Cette variante est illustrée sur la figure 8.Another variant capable of ensuring the mechanical transmission of the circular translation movement will preferably be used for its greater compactness and the greater ease of dynamic balancing. This variant is illustrated in FIG. 8.
Le socle fixe 91 supporte le stator du frein électrique 92 et l'extrémité chaude d'un soufflet 93. Ce dernier est destiné au blocage en rotation de la spirale mobile 94.The fixed base 91 supports the stator of the electric brake 92 and the hot end of a bellows 93. The latter is intended for locking in rotation of the movable spiral 94.
La partie mobile est composée du plateau central 95 relié à la spirale mobile 94 par les éléments de liaison 96.The mobile part is composed of the central plate 95 connected to the mobile spiral 94 by the connecting elements 96.
Une douille excentrique 97, libre en rotation, est centrée dans le socle 91 par le roulement 99 et supporte le plateau central 95 au moyen du roulement 98.An eccentric sleeve 97, free to rotate, is centered in the base 91 by the bearing 99 and supports the central plate 95 by means of the bearing 98.
La translation circulaire de la spirale mobile 94 est transformée en rotation de la douille 97 dont la vitesse est contrôlée par le frein électrique 92. Un équilibrage dynamique est obtenu, d'une part par une cale 100 qui permet d'amener dans le plan des roulements 98 et 99 le centre de gravité de l'ensemble mobile 94, 96, 95, 100 et, d'autre part, par des cales 101 et 102, qui permettent de balancer toutes les inerties appliquées horizontalement à l'intérieur du roulement 99.The circular translation of the movable spiral 94 is transformed into rotation of the sleeve 97 whose speed is controlled by the electric brake 92. Dynamic balancing is obtained, on the one hand by a shim 100 which makes it possible to bring the center of gravity of the mobile assembly 94, 96, 95, 100 into the plane of the bearings 98 and 99 and, on the other hand, by shims 101 and 102, which make it possible to balance all the inertias applied horizontally inside the bearing 99.
Toutes les solutions décrites précédemment utilisent différentes variantes mécaniques mais restent essentiellement conçues pour fonctionner à la température ordinaire.All the solutions described above use different mechanical variants but remain essentially designed to operate at ordinary temperature.
L'utilisation de paliers cryogéniques sans contact (par exemple paliers magnétiques ou paliers à gaz) peut aussi donner lieu à une deuxième famille de solutions. Cette solution présente l'avantage d'une plus grande rigidité mécanique pour permettre d'assurer un meilleur contrôle de la position respective des spirales fixes et mobiles destinées à la mise en oeuvre de 1 ' invention. Un exemple, illustré sur la figure 9, utilise en combinaison des paliers à gaz radiaux et une butée axiale magnétique. On aurait aussi bien pu utiliser l'inverse, ou toute autre combinaison imaginable entre ces deux technologies connues. L'exemple de la figure 9 représente un détendeur d'hélium à 7 K et environ 15 bars qui, par détente, va sortir de la spirale vers 4,5 K, sous 1 bar, en double phase, avec une forte proportion de liquide. La même solution pourrait, a fortiori, être utilisée pour la détente d'hélium à toute ' autre température comme par exemple 20 K ou 60 K, ou à toute autre pression.The use of non-contact cryogenic bearings (for example magnetic bearings or gas bearings) can also give rise to a second family of solutions. This solution has the advantage of greater mechanical rigidity to allow better control of the respective position of the fixed and mobile spirals intended for the implementation of one invention. An example, illustrated in FIG. 9, uses in combination radial gas bearings and an axial magnetic stop. We could just as easily have used the opposite, or any other combination imaginable between these two known technologies. The example in FIG. 9 represents a helium regulator at 7 K and about 15 bars which, by expansion, will come out of the spiral towards 4.5 K, under 1 bar, in double phase, with a high proportion of liquid . The same solution may, let alone be used for relaxation of helium at any other temperature, such as 20 K or 60 K, or any other pressure.
La même solution pourrait, de même, être utilisée pour la détente de tout autre gaz comme par exemple l'hydrogène, le néon ou l'azote, aux niveaux adaptés de température et de pression.The same solution could, similarly, be used for the expansion of any other gas as for for example hydrogen, neon or nitrogen, at suitable temperature and pressure levels.
Le gaz à détendre entre par la conduite 111 à 7 Kelvin, il fournit son travail entre la spirale fixe 112 et la spirale mobile 113, avant de sortir sous forme de mélange liquide-vapeur par la conduite 134.The gas to be expanded enters via line 111 at 7 Kelvin, it performs its work between the fixed spiral 112 and the movable spiral 113, before leaving as a liquid-vapor mixture via line 134.
L'équipage mobile, actionné par la spirale 113, est reliée par les éléments de liaison 115 au plateau 116 qui met en rotation la douille excentrique 117, maintenue en position axiale par la liaison 118 au roulement à bille 119 situé dans la partie chaude, à 300 K, et qui est freiné et contrôlé en vitesse par le frein électrique 120.The mobile assembly, actuated by the spiral 113, is connected by the connecting elements 115 to the plate 116 which rotates the eccentric bush 117, held in axial position by the connection 118 to the ball bearing 119 located in the hot part, at 300 K, which is braked and speed controlled by the electric brake 120.
Le plateau 116 est bloqué en rotation par le soufflet 121, lui-même fixé au carter chaud 122.The plate 116 is blocked in rotation by the bellows 121, itself fixed to the hot casing 122.
La rotation de la douille 117 permet d'entretenir, sur ses deux faces, deux paliers à gaz hydrodynamiques 123 et 124, qui assurent le mouvement sans contact à l'intérieur du cryostat 125. Ce cryostat est protégé des entrées de chaleur parasites par les circuits de refroidissement auxiliaires 126, qui maintiennent le plateau 116 de la douille 117, et les paliers 123 et 124 ainsi qu'un écran thermique 127, vers 20 Kelvin et par le circuit 128, alimenté vers 80 K en azote liquide, qui est relié à l'écran 129.The rotation of the sleeve 117 makes it possible to maintain, on its two faces, two hydrodynamic gas bearings 123 and 124, which ensure the contactless movement inside the cryostat 125. This cryostat is protected from the entry of parasitic heat by the auxiliary cooling circuits 126, which hold the plate 116 of the socket 117, and the bearings 123 and 124 as well as a thermal screen 127, around 20 Kelvin and by the circuit 128, supplied around 80 K with liquid nitrogen, which is connected on screen 129.
Toutes les parties froides sont installées dans une enceinte à vide 130, dont les moyens de pompage ne sont pas représentés.All the cold parts are installed in a vacuum enclosure 130, the pumping means of which are not shown.
Le jeu axial entre les deux spirales 112 et 113 est de préférence contrôlé avec rigueur pour rester voisin de quelques centièmes de millimètres.The axial play between the two spirals 112 and 113 is preferably strictly controlled to remain close to a few hundredths of a millimeter.
Ce jeu, mesuré par un capteur de position froid 131, est contrôlé par un régulateur 132 qui agit sur 1'électroaimant 133, par attraction contrôlée d'une plaque ferromagnétique 134. Pour éviter d'avoir à générer des efforts trop importants dans 1 'électroaimant 133, on peut soit perforer la paroi du soufflet 121 pour le mettre en équipression, soit contrôler la pression interne du soufflet 121 à une valeur voisine de la pression de détente du mélange obtenu dans la conduite de sortie 134.This play, measured by a cold position sensor 131, is controlled by a regulator 132 which acts on the electromagnet 133, by controlled attraction of a ferromagnetic plate 134. To avoid having to generate excessive forces in one electromagnet 133, it is possible either to puncture the wall of the bellows 121 to put it under pressure, or to control the internal pressure of the bellows 121 at a value close to the expansion pressure of the mixture obtained in the outlet line 134.
Un détendeur selon l'un des modes de réalisation décrits ci-dessus peut être utilisé pour réaliser un cycle de Brayton, comme décrit dans l'introduction à la présente demande, en liaison avec la figure 2A.A regulator according to one of the embodiments described above can be used to perform a Brayton cycle, as described in the introduction to the present application, in connection with FIG. 2A.
L'invention ne se limite pas à la réalisation de détendeurs monoétagés n'utilisant qu'une seule paire de spirales, l'une étant fixe et l'autre mobile.The invention is not limited to the production of single-stage regulators using only one pair of spirals, one being fixed and the other mobile.
En particulier, elle peut être mise en oeuvre de telle sorte qu'un même équipage mécanique et un même jeu de suspension puissent servir au fonctionnement de plusieurs détendeurs. Par exemple, pour réaliser un réfrigérateur à cycle de Claude comme illustré sur la figure 2B, un même équipage mécanique peut être utilisé pour faire fonctionner un détendeur à trois étages représenté sur la figure 10, où on a volontairement réuni en combinaison plusieurs des variantes décrites précédemment.In particular, it can be implemented in such a way that the same mechanical equipment and the same suspension set can be used for the operation of several regulators. For example, to make a Claude cycle refrigerator as illustrated in FIG. 2B, the same mechanical equipment can be used to operate a three-stage regulator shown in FIG. 10, where several of the variants described have been deliberately combined in combination previously.
Au premier étage, l'hélium entre sous 15 bars et 80 Kelvin par la conduite 141, et il ressort détendu à 1,1 bar et 50 Kelvin en 142.On the first stage, helium enters under 15 bars and 80 Kelvin via line 141, and it comes out relaxed at 1.1 bar and 50 Kelvin in 142.
Le deuxième étage travaille entre 15 bars, 25 Kelvin (au point 143) et 1,2 bar, 15 Kelvin (au point 144) .The second stage works between 15 bars, 25 Kelvin (at point 143) and 1.2 bar, 15 Kelvin (at point 144).
Le troisième étage reçoit (en 145) du gaz sous 15 bars à 7 Kelvin, qui ressort (en 146) à 4,4 K en mélange liquide-gaz sous 1,3 bar. Une variante possible pour rendre la détente sur troisième étage plus isotherme pourrait être de revêtir le plateau de la spirale fixe 171 d'un condenseur 180 où pourrait se condenser directement de l'hélium liquide alimentant la source froide.The third stage receives (at 145) gas at 15 bars at 7 Kelvin, which emerges (at 146) at 4.4 K as a liquid-gas mixture at 1.3 bars. A possible variant to make the expansion on the third stage more isothermal could be to coat the plate of the fixed spiral 171 with a condenser 180 where liquid helium could be condensed directly supplying the cold source.
Les trois spirales mobiles 147, 148, 149 sont liées à un même arbre 150, dont les sections sont décroissantes avec le niveau de température.The three mobile spirals 147, 148, 149 are linked to the same shaft 150, the sections of which decrease with the temperature level.
L'arbre 150 est solidaire d'un plateau 151, à température ambiante, et d'un plateau 152, à température égale à environ 30 Kelvin.The shaft 150 is integral with a plate 151, at room temperature, and a plate 152, at a temperature equal to about 30 Kelvin.
Le plateau 151 actionne en rotation la bague excentrée 153 montée sur les roulements à bille '154 et 155. Cette bague est contrôlée en vitesse par le frein 156.The plate 151 rotates the eccentric ring 153 mounted on the ball bearings ' 154 and 155. This ring is speed controlled by the brake 156.
Au niveau du plateau froid 152, une autre technologie est utilisée, qui est la mise en rotation d'une bague excentrée 157. Elle pourrait elle aussi être freinée mais, sur la figure 10, elle est représentée libre.At the cold plate 152, another technology is used, which is the rotation of an eccentric ring 157. It could also be braked but, in Figure 10, it is shown free.
La bague excentrée 157 est maintenue en position par une butée verticale magnétique 158. Elle est centrée radialement par deux paliers à gaz hydrodynamiques 159 et 160 qui pourraient tout aussi bien être remplacés par des paliers magnétiques, soit à aimants permanents, soit à supraconducteurs, d'une nature à définir selon le niveau de température.The eccentric ring 157 is held in position by a vertical magnetic stop 158. It is centered radially by two hydrodynamic gas bearings 159 and 160 which could just as easily be replaced by magnetic bearings, either with permanent magnets or with superconductors, d '' a nature to be defined according to the temperature level.
Les spirales fixes 171, 172 et 173 sont solidaires d'un carter 174 qui sera isolé par une enceinte à vide (dont on a seulement ébauché l'amorce 175 sans en représenter les moyens de pompage) .The fixed spirals 171, 172 and 173 are integral with a casing 174 which will be isolated by a vacuum enclosure (of which the primer 175 has only been sketched without representing the pumping means).
Les circuits de gaz sont séparés les uns des autres par des soufflets 176 et 177. Un autre souffletThe gas circuits are separated from each other by bellows 176 and 177. Another bellows
178 sépare le circuit cryogénique du carter 179 qui peut, soit fonctionner à une pression différente, soit contenir des vapeurs de lubrifiant si les roulements 154 et 155 sont graissés.178 separates the cryogenic circuit from the casing 179 which can either operate at a different pressure, or contain lubricant vapors if bearings 154 and 155 are greased.
Les soufflets 176, 177 et 178 contribuent, par ailleurs, à fixer en rotation l'équipage mobile solidaire des plateaux 151 et 152 et de l'arbre 150 pour contrôler le mouvement désiré de translation circulaire.The bellows 176, 177 and 178 also contribute to fixing in rotation the movable assembly integral with the plates 151 and 152 and the shaft 150 to control the desired movement of circular translation.
L'exemple a été donné d'un détendeur à trois étages pour réaliser un cycle de Claude. Il est possible de réaliser un détendeur avec un nombre différent d'étages (soit deux, soit un nombre N>3) . De même, il est possible d'utiliser toute combinaison des divers modes de réalisation exposés ci-dessus.The example was given of a three-stage regulator for carrying out a Claude cycle. It is possible to make a regulator with a different number of stages (either two, or a number N> 3). Likewise, it is possible to use any combination of the various embodiments set out above.
Dans tous les exemples décrits précédemment, la position respective des spirales fixes et mobiles doit, de préférence, pouvoir être ajustée précisément, pour limiter les jeux tant dans le sens axial que dans le sens radial. Les moyens de réglage utilisés restent tout à fait classiques et n'ont pas été représentés pour éviter d'alourdir les illustrations. On peut, par exemple, utiliser des cales d'épaisseur adaptée pour les réglages axiaux et prévoir des moyens de réglage de l'entraxe des arbres excentriques pour ajuster les courses. On peut aussi envisager des opérations de rodage en position afin d'éliminer d'éventuels défauts de surface ou de géométrie. In all the examples described above, the respective position of the fixed and mobile spirals must preferably be able to be adjusted precisely, in order to limit the clearances both in the axial direction and in the radial direction. The adjustment means used remain entirely conventional and have not been shown to avoid weighing down the illustrations. One can, for example, use shims of suitable thickness for axial adjustments and provide means for adjusting the distance between the eccentric shafts to adjust the strokes. We can also consider lapping operations in position to eliminate any surface or geometry defects.

Claims

REVENDICATIONS. CLAIMS.
1. Dispositif d'abaissement de température par détente de fluide à l'état gazeux ou liquide ou en double phase, caractérisé en ce qu'il comporte un compartiment de détente comprenant :1. Device for lowering the temperature by expansion of the fluid in the gaseous or liquid state or in double phase, characterized in that it comprises an expansion compartment comprising:
- une première spirale (28, 72, 112, 171, 172, 173),- a first spiral (28, 72, 112, 171, 172, 173),
- une seconde spirale (30, 70, 77, 94, 113, 147, 148, 149) disposée à l'intérieur de cette première spirale, - des moyens (52, 63 ; 80, 83, 85 ; 93, 95, 97 ; 116,- a second spiral (30, 70, 77, 94, 113, 147, 148, 149) disposed inside this first spiral, - means (52, 63; 80, 83, 85; 93, 95, 97 ; 116,
117, 121) pour permettre un mouvement de translation circulaire, sans rotation propre, de la seconde spirale à l'intérieur de la première, lors de la détente d'un fluide. 117, 121) to allow a circular translational movement, without proper rotation, of the second spiral inside the first, during the expansion of a fluid.
2. Dispositif selon la revendication 1, les moyens permettant un mouvement de translation circulaire, sans rotation propre, comportant deux arbres à excentrique (52, 63), chacun étant lié à la spirale mobile (170) par une extrémité en rotation autour d'un axe fixe par rapport au dispositif.2. Device according to claim 1, the means allowing a circular translational movement, without proper rotation, comprising two eccentric shafts (52, 63), each being linked to the movable spiral (170) by one end in rotation around an axis fixed relative to the device.
3. Dispositif selon la revendication 1, les moyens permettant un mouvement de translation circulaire, sans rotation propre, comportant au moins une pièce deformable (83, 93, 121) liée par une de ses extrémités à une partie fixe (84, 122) du dispositif, et dont l'autre extrémité est liée à la spirale mobile (77, 94, 113) .3. Device according to claim 1, the means allowing a circular translational movement, without proper rotation, comprising at least one deformable part (83, 93, 121) connected by one of its ends to a fixed part (84, 122) of the device, and the other end of which is linked to the movable spiral (77, 94, 113).
4. Dispositif selon la revendication 3, la ou les pièces déformables comportant un soufflet (83, 93, 121, 176-178), un réseau de fibres ou de ressorts.4. Device according to claim 3, the deformable part or parts comprising a bellows (83, 93, 121, 176-178), a network of fibers or springs.
5. Dispositif selon la revendication 1, les moyens permettant un mouvement de translation circulaire, sans rotation propre, étant des moyens magnétiques (90) exerçant sur la spirale mobile ou sur une partie fixe (88) par rapport à la spirale mobile, des forces telles que la translation puisse avoir lieu en interdisant toute rotation.5. Device according to claim 1, the means allowing a circular translational movement, without proper rotation, being magnetic means (90) exerting on the movable spiral or on a fixed part (88) relative to the movable spiral, forces such that translation can take place by preventing any rotation.
6. Dispositif selon la revendication 5, la pièce mobile (88) étant solidaire d'au moins un élément (89) ferromagnétique ou à aimantation permanente, des moyens étant prévus pour générer une aimantation dont les lignes de champ fixent l'orientation de la pièce mobile.6. Device according to claim 5, the movable part (88) being integral with at least one ferromagnetic or permanently magnetized element (89), means being provided for generating a magnetization whose field lines fix the orientation of the moving part.
7. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 6, comportant en outre un arbre à excentrique (80) lié à la spirale mobile (77) par une extrémité en rotation autour d'un axe fixe par rapport au dispositif.7. Device according to one of claims 3 to 6, further comprising an eccentric shaft (80) connected to the movable spiral (77) by one end in rotation about a fixed axis relative to the device.
8. Dispositif selon l'une des revendications 3 à 6, la spirale mobile étant liée à une pièce autour de laquelle une douille excentrique est en rotation.8. Device according to one of claims 3 to 6, the movable spiral being linked to a part around which an eccentric sleeve is in rotation.
9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, comportant en outre des moyens (55, 82, 92, 120, 156) pour contrôler la vitesse de rotation de la spirale mobile lors de son mouvement.9. Device according to one of claims 1 to 8, further comprising means (55, 82, 92, 120, 156) for controlling the speed of rotation of the movable spiral during its movement.
10. Dispositif selon les revendications 2 et 9, un des excentriques (52) portant le rotor (54) d'un frein électrique, le stator (55) étant fixe par rapport au dispositif. 10. Device according to claims 2 and 9, one of the eccentrics (52) carrying the rotor (54) of an electric brake, the stator (55) being fixed relative to the device.
11. Dispositif selon les revendications 7 et 9, l'arbre à excentrique (80) supportant le rotor (81) d'un frein électrique, dont le stator (82) est fixe par rapport au dispositif.11. Device according to claims 7 and 9, the eccentric shaft (80) supporting the rotor (81) of an electric brake, whose stator (82) is fixed relative to the device.
12. Dispositif selon les revendications 8 et 9, une pièce liée à la douille excentrique (97) supportant le rotor d'un frein électrique, dont le stator (92) est fixe par rapport au dispositif.12. Device according to claims 8 and 9, a part linked to the eccentric sleeve (97) supporting the rotor of an electric brake, the stator (92) of which is fixed relative to the device.
13. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 12, la rotation de la douille se faisant sur au moins une de ses deux faces par un palier (123, 124, 159, 160) sans contact.13. Device according to one of claims 8 or 12, the rotation of the sleeve being on at least one of its two faces by a bearing (123, 124, 159, 160) without contact.
14. Dispositif selon la revendication 13, le palier étant du type magnétique. 14. Device according to claim 13, the bearing being of the magnetic type.
15. Dispositif selon la revendication 13, le palier étant du type à gaz.15. Device according to claim 13, the bearing being of the gas type.
16. Dispositif selon l'une des revendications 13 à 15, comportant en outre un moyen de contrôle du jeu axial entre les deux spirales. 16. Device according to one of claims 13 to 15, further comprising means for controlling the axial play between the two spirals.
17. Dispositif selon l'une des revendications17. Device according to one of claims
12 à 16, la rotation de la douille ayant lieu dans un cryostat .12 to 16, the rotation of the sleeve taking place in a cryostat.
18. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 17, les spirales étant des spirales d'Archimède. 18. Device according to one of claims 1 to 17, the spirals being Archimedes' spirals.
19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 17, les spirales étant définies par une succession d'arcs de cercle.19. Device according to one of claims 1 to 17, the spirals being defined by a succession of arcs of a circle.
20. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 19, les cloisons des spirales étant à hauteur variable.20. Device according to one of claims 1 to 19, the partitions of the spirals being of variable height.
21. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 20, chaque spirale étant liée à un fond plat (32, 34) .21. Device according to one of claims 1 to 20, each spiral being linked to a flat bottom (32, 34).
22. Dispositif selon la revendication 21, un jeu réduit étant assuré, au moins à la température de fonctionnement du dispositif, entre la partie supérieure de la cloison d'une spirale et le fond plat de l'autre spirale.22. Device according to claim 21, a reduced clearance being ensured, at least at the operating temperature of the device, between the upper part of the partition of a spiral and the flat bottom of the other spiral.
23. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 22, les matériaux dont sont constitués les deux spirales étant à faible coefficient de dilatation thermique.23. Device according to one of claims 1 to 22, the materials from which the two spirals are made having a low coefficient of thermal expansion.
24. Dispositif selon la revendication 23, les spirales comportant un matériau composite à fibre de carbone ou un alliage métallique. 24. Device according to claim 23, the spirals comprising a carbon fiber composite material or a metal alloy.
25. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 24, des matériaux plastiques étant utilisés, au moins localement, au moins dans la partie d'une des deux spirales située en regard du fond (32, 34) de l'autre spirale.25. Device according to one of claims 1 to 24, plastic materials being used, at least locally, at least in the part of one of the two spirals located opposite the bottom (32, 34) of the other spiral.
26. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 25 utilisant dans au moins une des spirales un circuit d'échange de chaleur en liaison' avec la source froide pour rendre la détente plus isotherme. 26. Device according to one of claims 1 to 25 using in at least one of a spiral heat exchange circuit in conjunction 'with the cold source to make the isothermal expansion.
27 Système de détente de fluide, comportant au moins deux étages de détente, chaque étage comportant un dispositif selon l'une des revendications 1 à 26.27 Fluid expansion system, comprising at least two expansion stages, each stage comprising a device according to one of claims 1 to 26.
28. Système selon la revendication 27, un arbre commun (150) permettant un mouvement en phase des spirales mobiles (147, 148, 149) des différents dispositifs de détente.28. The system of claim 27, a common shaft (150) allowing a movement in phase of the movable spirals (147, 148, 149) of the various expansion devices.
29. Machine de détente cryogénique comportant un compresseur (20), un échangeur de chaleur (22) et un dispositif de détente selon l'une des revendications 1 à 26.29. Cryogenic expansion machine comprising a compressor (20), a heat exchanger (22) and an expansion device according to one of claims 1 to 26.
30. Machine de détente cryogénique comportant un compresseur (20), des echangeurs de chaleur (22) et un système de détente selon l'une des revendications 27 ou 28. 30. Cryogenic expansion machine comprising a compressor (20), heat exchangers (22) and an expansion system according to one of claims 27 or 28.
PCT/FR1996/001102 1995-07-17 1996-07-16 Scroll decompression device for cryogenic temperatures WO1997004215A1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP96925790A EP0839258A1 (en) 1995-07-17 1996-07-16 Scroll decompression device for cryogenic temperatures
JP9506349A JPH11509597A (en) 1995-07-17 1996-07-16 Temperature lowering device using cryogenic expansion supported by spiral
US09/007,728 US5987894A (en) 1996-07-16 1998-01-15 Temperature lowering apparatus using cryogenic expansion with the aid of spirals

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR9508608A FR2736999B1 (en) 1995-07-17 1995-07-17 CRYOGENIC TO SPIRAL RELAXATION MACHINE
FR95/08608 1995-07-17

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US09/007,728 Continuation-In-Part US5987894A (en) 1996-07-16 1998-01-15 Temperature lowering apparatus using cryogenic expansion with the aid of spirals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO1997004215A1 true WO1997004215A1 (en) 1997-02-06

Family

ID=9481038

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/FR1996/001102 WO1997004215A1 (en) 1995-07-17 1996-07-16 Scroll decompression device for cryogenic temperatures

Country Status (4)

Country Link
EP (2) EP0839258A1 (en)
JP (1) JPH11509597A (en)
FR (1) FR2736999B1 (en)
WO (1) WO1997004215A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114033675A (en) * 2021-11-25 2022-02-11 合肥圣三松冷热技术有限公司 Three-stage scroll structure compressor

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2764347B1 (en) * 1997-06-05 1999-07-30 Alsthom Cge Alcatel SCROLL TYPE MACHINE
JP4618478B2 (en) 2001-08-01 2011-01-26 株式会社豊田自動織機 Scroll compressor
RU2716780C1 (en) * 2019-07-29 2020-03-16 Юрий Иванович Духанин Turboexpander

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1596943A (en) * 1967-12-18 1970-06-22
US3817664A (en) * 1972-12-11 1974-06-18 J Bennett Rotary fluid pump or motor with intermeshed spiral walls
DE3017045A1 (en) * 1979-05-14 1980-11-27 Aginfor Ag Flowmeter with spiral rotor - has rotor supported in stator by pairs of magnets in end plates to eliminate friction of bearings
US4291547A (en) * 1978-04-10 1981-09-29 Hughes Aircraft Company Screw compressor-expander cryogenic system
FR2532011A1 (en) * 1982-08-20 1984-02-24 Volkswagen Ag Spiral compressor with orbiting spiral wall disc
JPS59110894A (en) * 1982-12-15 1984-06-26 Hitachi Ltd Scroll type fluid machine
GB2132276A (en) * 1982-12-23 1984-07-04 Copeland Corp Scroll-type rotary fluid-machine
US4472120A (en) * 1982-07-15 1984-09-18 Arthur D. Little, Inc. Scroll type fluid displacement apparatus
EP0122722A1 (en) * 1983-03-15 1984-10-24 Sanden Corporation Axial sealing device for a scroll type fluid displacement apparatus
EP0275415A1 (en) * 1986-12-24 1988-07-27 AGINFOR AG für industrielle Forschung Displacement machine for compressible media
US5391065A (en) * 1993-10-26 1995-02-21 Ingersoll-Rand Company Parallel adjustment assembly for a scroll compressor

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1596943A (en) * 1967-12-18 1970-06-22
US3817664A (en) * 1972-12-11 1974-06-18 J Bennett Rotary fluid pump or motor with intermeshed spiral walls
US4291547A (en) * 1978-04-10 1981-09-29 Hughes Aircraft Company Screw compressor-expander cryogenic system
DE3017045A1 (en) * 1979-05-14 1980-11-27 Aginfor Ag Flowmeter with spiral rotor - has rotor supported in stator by pairs of magnets in end plates to eliminate friction of bearings
US4472120A (en) * 1982-07-15 1984-09-18 Arthur D. Little, Inc. Scroll type fluid displacement apparatus
FR2532011A1 (en) * 1982-08-20 1984-02-24 Volkswagen Ag Spiral compressor with orbiting spiral wall disc
JPS59110894A (en) * 1982-12-15 1984-06-26 Hitachi Ltd Scroll type fluid machine
GB2132276A (en) * 1982-12-23 1984-07-04 Copeland Corp Scroll-type rotary fluid-machine
EP0122722A1 (en) * 1983-03-15 1984-10-24 Sanden Corporation Axial sealing device for a scroll type fluid displacement apparatus
EP0275415A1 (en) * 1986-12-24 1988-07-27 AGINFOR AG für industrielle Forschung Displacement machine for compressible media
US5391065A (en) * 1993-10-26 1995-02-21 Ingersoll-Rand Company Parallel adjustment assembly for a scroll compressor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 8, no. 230 (M - 333)<1667> 23 October 1984 (1984-10-23) *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114033675A (en) * 2021-11-25 2022-02-11 合肥圣三松冷热技术有限公司 Three-stage scroll structure compressor

Also Published As

Publication number Publication date
EP1251278A3 (en) 2003-05-21
FR2736999B1 (en) 1997-08-22
EP0839258A1 (en) 1998-05-06
FR2736999A1 (en) 1997-01-24
JPH11509597A (en) 1999-08-24
EP1251278A2 (en) 2002-10-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5987894A (en) Temperature lowering apparatus using cryogenic expansion with the aid of spirals
EP2831490B1 (en) Tank filling device and method
EP0279739B1 (en) Refrigerator, particularly one using a vuilleumier cycle, having pistons suspended by gas bearings
JP5606631B2 (en) Apparatus and method for cooling a superconducting machine
JPH0444202A (en) Cryostat with liquefying refrigerating machine
FR2638823A1 (en) REFRIGERATOR TYPE A MULTI-STAGE COLD STORAGE AND COOLING DEVICE HAVING SUCH A REFRIGERATOR
EP0614059B1 (en) Cooler with a cold finger of pulse tube type
EP3414498A1 (en) Cryogenic refrigeration device
EP4107450A1 (en) Dilution refrigeration device and method
Fast Advances in cryogenic engineering
EP0839258A1 (en) Scroll decompression device for cryogenic temperatures
Shen et al. Experimental study on a floating scroll-type compressor driving a precooled JT cryocooler
Garg et al. Effect of Porosity of the regenerator on the performance of a miniature Stirling cryocooler
Croft Cryogenic laboratory equipment
FR2560978A1 (en) CRYOGENIC REFRIGERATOR AND ASSOCIATED HEAT SOURCE
CN1869448B (en) Vortex expansion engine
EP4101058B1 (en) Rotor-cooling device and rotating machine comprising same
Park et al. Development of a large capacity cryopump equipped with a two-stage GM cryocooler
WO1997003327A1 (en) Refrigerator or heat pump with a pulse tube operated by a pressure generator
FR2742215A1 (en) STIRLING COOLER WITH ROTARY STEERING
JP6323641B2 (en) Seal structure in power storage device
FR2840971A1 (en) Storage of compressible fluid in gaseous form in storage tank involves supplying temperature and pressure lower than final conditions to obtain denser, cooled fluid, which is released as gas into storage tank to fill it
Belrzaeg et al. Overview of the Cryogenic Refrigeration Systems
FR3003314A1 (en) DIPHASIC FLUID LOOP WITH MECHANICAL PUMPING
Hong et al. Development of Stirling-type pulse tube cryocooler

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 1996925790

Country of ref document: EP

ENP Entry into the national phase

Ref country code: JP

Ref document number: 1997 506349

Kind code of ref document: A

Format of ref document f/p: F

WWP Wipo information: published in national office

Ref document number: 1996925790

Country of ref document: EP

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Ref document number: 1996925790

Country of ref document: EP