WO2016146572A1 - Refroidisseur stirling à transfert de fluide par conduit déformable - Google Patents

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WO2016146572A1
WO2016146572A1 PCT/EP2016/055432 EP2016055432W WO2016146572A1 WO 2016146572 A1 WO2016146572 A1 WO 2016146572A1 EP 2016055432 W EP2016055432 W EP 2016055432W WO 2016146572 A1 WO2016146572 A1 WO 2016146572A1
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compression
regeneration
piston
chamber
cooler
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PCT/EP2016/055432
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Jean-Yves Martin
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Thales
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    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/003—Gas cycle refrigeration machines characterised by construction or composition of the regenerator

Definitions

  • the present invention relates to a chiller operating in the Stirling cycle, of the type comprising: a casing defining an internal volume filled with a fluid, said casing comprising a compression cylinder and a regeneration cylinder; a compression piston movable in translation in the compression cylinder; a regeneration piston movable in translation in the regeneration cylinder; the housing and the compression and regeneration pistons respectively defining a compression chamber, a regeneration chamber, and a reference chamber disposed between the compression and regeneration pistons; a drive crankshaft, comprising a crankpin rotatable relative to the crankcase; and a compression rod coupled to the compression piston and a regeneration rod coupled to the regeneration piston, said rods being rigid, said rods being further coupled to the rotary crank pin; the rotating pin and the compression and regeneration rods being arranged in the reference chamber; the cooler further comprising a fluid flow conduit, a first end of said conduit opening on the compression chamber and a second end of said conduit opening on the regeneration chamber.
  • the ideal Stirling cycle comprises the following four phases:
  • the present invention aims to provide a device ensuring the passage of fluid between the compression cylinder and the regeneration cylinder, reducing the constraints and associated costs.
  • the subject of the invention is a cooler of the aforementioned type, in which the second end of the fluid circulation duct is disposed on the regeneration piston; and said fluid flow conduit comprises a deformable pipe depending on the displacement of the compression piston and / or the regeneration piston, said deformable pipe being disposed in the reference chamber.
  • the cooler comprises one or more of the following characteristics, taken separately or according to all the possible technical combinations:
  • the first end of the circulation duct corresponds to an end of a bore formed in the casing between the compression chamber and the reference chamber, the deformable pipe extending said bore;
  • the first end of the circulation duct corresponds to one end of the deformable pipe and is arranged on the compression piston;
  • the first connecting rod is connected to the compression piston by a hinge
  • the first connecting rod is fixedly mounted on the compression piston;
  • the compression piston comprises a curved edge so as to be able to oscillate in contact with the compression cylinder, in a plane comprising an axis of movement of said piston; and the first end of the circulation duct corresponds to an end of a bore formed in the compression piston and the first connecting rod, between the compression chamber and the reference chamber, the deformable pipe extending said bore;
  • the deformable pipe is a flexible pipe
  • the deformable pipe is formed of rigid sections separated by at least two flexible zones.
  • Figure 1 is a sectional view of a cooler according to a first embodiment of the invention
  • Figure 2 is a sectional view of a cooler according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a sectional view of a cooler according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a device 10 according to a first embodiment of the invention.
  • the device 10 is a cooler operating according to the Stirling cycle.
  • the device 10 comprises a housing 12.
  • Said housing 12 comprises in particular a body 14 and a cryostat well 16, assembled to one another and defining a volume 18 internal to the housing.
  • the internal volume 18 is preferably filled with a high purity gas such as helium.
  • the body 14 of the housing defines in particular a first internal wall 20 of cylindrical shape, disposed along a first axis 22 parallel to Z. Said internal wall 20 is said compression cylinder.
  • the housing 12 further comprises a flange 24 assembled to the body 14. The flange 24 closes an orifice located at a first axial end of the compression cylinder 20.
  • the cryostat well 16 defines a second cylindrical inner wall 26 arranged along a second axis 28 inclined relative to the first axis 22.
  • the second axis 28 is parallel to X, ie perpendicular at the first axis 22.
  • the second axis 28 is substantially coplanar with the first axis 22.
  • the second inner wall 26 is called the regeneration cylinder.
  • a first axial end 30 of the regeneration cylinder 26, called the cold end, is closed.
  • the cold end 30 is in contact with an element 31 to be cooled by means of the device 10, for example an electronic component.
  • the second axial ends of the compression cylinder 20 and the regeneration cylinder 26 communicate with a central space 32 of the housing 12.
  • the central space 32 is substantially cylindrical, disposed along a third axis 34 parallel to Y.
  • the third axis 34 passes through an intersection of the first and second axes 22, 28, or near said intersection.
  • the central space 32 houses a crankshaft system 36, connected to a motor (not shown).
  • the crankshaft 36 comprises a motor shaft disposed along the third axis 34.
  • On the motor shaft is fixedly mounted an eccentric crankpin 40.
  • the crankpin 40 is coupled to a first rod 42 and a second rod 44, said first and second links 42, 44 being substantially disposed in the plane (X, Z) containing the first and second axes 22, 28.
  • the first and second links 42, 44 are arranged in a plane parallel to the plane containing the first and second second axis 22, 28.
  • the first rod 42 is a rigid piece, mounted on the crankpin 40 via a bearing 43.
  • a hinge 45 connects said first rod 42 to a first piston 46, said compression piston.
  • the compression piston 46 is movable in translation along the first axis 22 in the compression cylinder 20, which guides the piston 46 during its displacement.
  • a leak between the compression cylinder 20 and the central space 32 is as low as possible in order to maintain a good performance of the device 10.
  • compression piston can also be applied to a compression membrane.
  • the compression piston 46 defines a compression chamber 48 located in the compression cylinder 20 between the flange 24 and said compression piston 46.
  • the compression chamber 48 has a variable volume as a function of the displacement of the piston 46.
  • the second connecting rod 44 is a rigid piece, a first end of which is articulated on a finger 49 of the first connecting rod 42 and a second end is articulated on a second piston 50, called the regeneration piston.
  • the regeneration piston 50 is movable in translation along the second axis 28 in the regeneration cylinder 26.
  • the regeneration piston 50 comprises a base 52, articulated to the second connecting rod 44.
  • the piston 50 further comprises a tube 54 which extends from the base 52 into the regeneration cylinder 26, towards the cold end 30.
  • the interior of the tube 54 is lined with a porous material (not shown) capable of heat exchange with the fluid that passes through due to the movement of the compression piston 48.
  • the porous material is formed, for example a stack of metal grids.
  • the clearance between the regeneration piston 50 and the regeneration cylinder 26 may be greater than the clearance between the compression piston 46 and the compression cylinder 20.
  • the regeneration piston 50 defines a regeneration chamber, or expansion chamber 56, located in the regeneration cylinder 26 between the cold end 30 and said regeneration piston 50.
  • the regeneration chamber 56 has a variable volume depending on the displacement piston 50.
  • the compression piston 46 and the regeneration piston 50 also define a pressure reference chamber 58, in which the system is arranged. crankshaft 36 and the connecting rods 42, 44.
  • the central space 32 is notably included in the reference chamber 58.
  • Said chamber 58 has a variable volume as a function of the displacement of the pistons 46, 50.
  • the device 10 further comprises a conduit 60 for fluid circulation, providing a pneumatic connection between the compression chamber 48 and the regeneration chamber 56. More specifically, a first end 62 of the conduit 60 opens on the compression chamber 48 and a second end 64 of the conduit 60 opens on the base 52 of the regeneration piston 50.
  • the second end 64 is formed by an axial tapping, parallel to X, through the base 52 of the piston 50.
  • the second end 64 is connected to a pipe 66 disposed in the reference chamber 58.
  • the pipe 66 bypasses the axis 34 of rotation of the crankshaft 36 and is connected to a bore 68 formed in the housing 12 substantially parallel to the compression cylinder 20.
  • the bore 68 opens into the chamber 48 at the first end 62 of the conduit 60.
  • the pipe 66 is deformable as a function of the displacement of the regeneration piston 50.
  • the pipe 66 is a flexible pipe, for example a pipe of reinforced plastic material or not.
  • the pipe 66 is formed of rigid sections separated by at least two flexible zones.
  • Figure 2 shows a sectional view of a device 1 10 according to a second embodiment of the invention.
  • the device 1 10 is a cooler operating according to the Stirling cycle, similar to the device 10 of FIG.
  • the elements common to the devices 10 and 1 10 are designated by the same reference numbers.
  • the above description of the device 10 applies to the device 1 10, with the exception of the characteristics of the conduit 60 for fluid circulation between the compression chamber 48 and the regeneration chamber 56.
  • conduit 60 of the device 1 10 has a second end 64 which opens on the regeneration chamber 56 via an axial tapping in the base 52 of the regeneration piston 50, as well as in the device 10.
  • the conduit 60 of the device 1 10 has on the other hand a first end 162 opening on the compression chamber 48. Unlike the first end 62 of the device 10, the first end 162 is not formed in the housing 12. The first end 162 is formed by an axial tapping, parallel to Z, in the compression piston 46. The first 162 and second 64 ends of the conduit 60 of the device 1 10 correspond to the ends of a pipe 166, disposed in the reference chamber 58 and connected to the regeneration piston 50 and the compression piston 46.
  • the pipe 166 is deformable as a function of the displacement of the regeneration piston 50 and the compression piston 46.
  • the pipe 166 is a flexible pipe; according to an alternative embodiment (not shown), the pipe 166 is formed of rigid sections separated by at least two flexible zones.
  • Figure 3 shows a sectional view of a device 210 according to a third embodiment of the invention.
  • the device 210 is a cooler operating according to the Stirling cycle, similar to the devices 10 and 1 10 of FIGS. 1 and 2.
  • the elements common to the devices 10, 1, 10 and 210 are designated by the same numbers. reference.
  • device 10 applies to device 210, except for the following features:
  • the device 210 comprises a compression piston 246 movable in translation in the compression cylinder 20.
  • a radial edge 247 of the piston 246, in contact with said cylinder 20, has a convex section in a plane passing through the first axis 22 of movement of the piston 246.
  • a seal between the compression cylinder 20 and the radial edge 247 of the piston 246 is obtained by means of a flexible radial seal (not shown) carried by the piston.
  • the piston 246 is for example similar to the piston described in the document US5231917.
  • crankshaft system 36 of the device 210 comprises a first rigid link 242.
  • a head 243 of the first connecting rod 242 is coupled to the eccentric crank pin 40 of the crankshaft 36.
  • a foot 245 of the first connecting rod 242 is fixedly mounted on the compression piston 246.
  • the first rod 42 is articulated on the compression piston 46.
  • the device 210 comprises a conduit 60 for fluid circulation between the compression chamber 48 and the regeneration chamber 56.
  • the conduit 60 of the device 210 has a second end 64 which opens on the regeneration chamber 56 via an axial tapping in the base 52 of the regeneration piston 50, as well as in the devices 10 and 1 10.
  • second end 64 is connected to a pipe 66 disposed in the reference chamber 58.
  • the pipe 66 bypasses the axis of rotation of the crankshaft 36 and is connected to a bore 268, formed in particular inside the rigid rod 242 and compression piston 246.
  • a first end 269 of the bore 268 opens into the reference chamber 58, close to the big end 243.
  • a second end 262 of the bore 268 forms an axial stitch in the piston 246 and opens into the compression chamber 48.
  • the second end 262 is located near the first axis 22 of the compression cylinder 20.
  • the pipe 66 is deformable as a function of the displacement of the regeneration piston 50 and the compression piston 46.
  • the pipe 166 is a flexible pipe; according to an alternative embodiment (not shown), the pipe 166 is formed of rigid sections separated by at least two flexible zones.
  • the eccentric crank pin 40 is rotated by the crankshaft drive shaft 36 about the axis 34. Via the first rod 42, 242 and the second rod 44 respectively, the rotation of the crank pin 40 is converted. in reciprocating rectilinear movements of the compression piston 46, along the first axis 22, and the regeneration piston 50, along the second axis 28.
  • the movements of the pistons 46, 50 are of quasi-sinusoidal type.
  • the movements of the pistons 46, 50 are out of phase with each other by about 90 °, that is to say that one of the two pistons 46, 50 is halfway when the other of said two pistons is at one end of its course.
  • the compression piston 46, 246 moves along the first axis 22, towards the flange 24.
  • the compression chamber 48 has almost reached its minimum volume.
  • the helium contained in said chamber reaches a maximum pressure range and is driven into the regeneration piston 50 via the conduit 60.
  • Said regeneration piston is then substantially halfway in the regeneration cylinder 26 and moves in the opposite direction at the cold end 30.
  • the helium passes through the tube 54 of the piston 50 and cools in contact with the heat exchanger contained in said tube.
  • the regeneration piston 50 continues its course in the regeneration cylinder 26 until a maximum expansion of the regeneration chamber 56.
  • the compression piston 46, 246 moves in the compression cylinder 20 so as to increase the volume of the compression chamber 48, decreasing the pressure of the helium.
  • the return of the regeneration piston 50 combined with the further expansion of the volume of the compression chamber 48, causes the helium to cross in the opposite direction the tube 54.
  • the helium then recovering heat and rising in temperature before returning to the compression chamber 48 through the conduit 60.
  • the compression piston 46, 246 continues its stroke until a maximum expansion of the compression chamber 48, then starts in reverse to compress the fluid again and complete the cycle.
  • the rotary movement of the crankpin 40 is communicated to the first connecting rod 242, itself attached to the compression piston 246.
  • the convex edge 247 of said piston allows said piston 246 to oscillate slightly in a plane ( X, Z), while remaining in contact with the inner wall of the cylinder 20, during the stroke of said piston along the first axis 22.
  • the convex edge 247 makes it possible to eliminate the articulation 45 between the piston 46 and the connecting rod 42, such that described for devices 10 and 1 10.
  • the deformable pipe 66, 166 of the conduit 60 allows a transfer of the gas stream without losses.
  • This characteristic allows, between the piston 50 and the regeneration cylinder 26, a clearance greater than the devices as described in the document US Pat. No. 5,351,173.
  • this characteristic makes it possible to eliminate complex and bulky mechanical parts, and in particular to reduce the length cryostat well.
  • Chillers according to the invention such as devices 10, 1 10, 210 therefore imply easy manufacture and maintenance.
  • the second end 64 of the duct 60 is formed by a radial, and not axial, stitching on the regeneration piston 50.

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Abstract

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

Description

Refroidisseur Stirling à transfert de fluide par conduit déformable
La présente invention concerne un refroidisseur fonctionnant selon le cycle de Stirling, du type comprenant : un carter définissant un volume interne rempli d'un fluide, ledit carter comprenant un cylindre de compression et un cylindre de régénération ; un piston de compression mobile en translation dans le cylindre de compression ; un piston de régénération mobile en translation dans le cylindre de régénération ; le carter et les pistons de compression et de régénération définissant respectivement une chambre de compression, une chambre de régénération, et une chambre de référence disposée entre les pistons de compression et de régénération ; un vilebrequin d'entraînement, comprenant un maneton rotatif par rapport au carter ; et une bielle de compression accouplée au piston de compression et une bielle de régénération accouplée au piston de régénération, lesdites bielles étant rigides, lesdites bielles étant en outre accouplées au maneton rotatif ; le maneton rotatif et les bielles de compression et de régénération étant disposés dans la chambre de référence ; le refroidisseur comprenant en outre un conduit de circulation de fluide, une première extrémité dudit conduit ouvrant sur la chambre de compression et une seconde extrémité dudit conduit ouvrant sur la chambre de régénération.
Un tel refroidisseur est notamment décrit dans le document US3851 173.
De manière connue, le cycle de Stirling idéal comprend les quatre phases suivantes :
- une compression isotherme d'un fluide à une température chaude, obtenue par le déplacement d'un piston de compression dans un cylindre de compression ;
- un refroidissement isochore du fluide, de la température chaude à une température froide, obtenu par passage du fluide à travers un piston de régénération, ledit piston étant en déplacement dans un cylindre de régénération et jouant le rôle d'échangeur thermique ;
- une détente isotherme du fluide à la température froide, obtenue par retour du piston de compression dans le cylindre de compression, et
- un réchauffement isochore du fluide, de la température froide à la température chaude, obtenu par retour du piston de régénération dans le cylindre de régénération.
De manière connue, dans un refroidisseur du type précité, le passage du fluide entre le cylindre de compression et le cylindre de régénération est assuré par un conduit rigide, traversant le carter et le piston de régénération. Un jeu entre le cylindre de régénération et le piston coulissant dans ledit cylindre doit être suffisamment faible pour que le fluide soit forcé à travers l'échangeur thermique avec un minimum de déperditions.
Or, les technologies adaptées à ce type de jeu faible, par exemple de type « clearance seal », impliquent des contraintes et des coûts de réalisation élevés et des durées de vie limitées pour les pièces.
La présente invention a pour but de fournir un dispositif assurant le passage du fluide entre le cylindre de compression et le cylindre de régénération, en diminuant les contraintes et les coûts associés.
A cet effet, l'invention a pour objet un refroidisseur du type précité, dans lequel la seconde extrémité du conduit de circulation de fluide est disposée sur le piston de régénération ; et ledit conduit de circulation de fluide comprend un tuyau déformable en fonction du déplacement du piston de compression et/ou du piston de régénération, ledit tuyau déformable étant disposé dans la chambre de référence.
Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le refroidisseur comporte l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniques possibles :
- la première extrémité du conduit de circulation correspond à une extrémité d'un alésage ménagé dans le carter entre la chambre de compression et la chambre de référence, le tuyau déformable prolongeant ledit alésage ;
- la première extrémité du conduit de circulation correspond à une extrémité du tuyau déformable et est disposée sur le piston de compression ;
- la première bielle est reliée au piston de compression par une articulation ;
- la première bielle est montée fixe sur le piston de compression ; le piston de compression comporte un bord incurvé de sorte à pouvoir osciller au contact du cylindre de compression, dans un plan comprenant un axe de déplacement dudit piston ; et la première extrémité du conduit de circulation correspond à une extrémité d'un alésage ménagé dans le piston de compression et la première bielle, entre la chambre de compression et la chambre de référence, le tuyau déformable prolongeant ledit alésage ;
- le tuyau déformable est un tuyau souple ;
- le tuyau déformable est formé de tronçons rigides séparés par au moins deux zones flexibles.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif et faite en se référant aux dessins sur lesquels : la figure 1 est une vue en coupe d'un refroidisseur selon un premier mode de réalisation de l'invention ;
la figure 2 est une vue en coupe d'un refroidisseur selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et
- la figure 3 est une vue en coupe d'un refroidisseur selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
La figure 1 représente une vue en coupe d'un dispositif 10 selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 10 est un refroidisseur fonctionnant selon le cycle de Stirling. Le dispositif 10 comprend un carter 12. Ledit carter 12 comporte notamment un corps 14 et un puits de cryostat 16, assemblés l'un à l'autre et définissant un volume 18 interne au carter. Le volume interne 18 est préférentiellement rempli d'un gaz à haute pureté tel que de l'hélium.
Dans la suite de la description, on considère une base orthonormée (X, Y, Z). Le corps 14 du carter définit notamment une première paroi interne 20, de forme cylindrique, disposée selon un premier axe 22 parallèle à Z. Ladite paroi interne 20 est dite cylindre de compression. Le carter 12 comporte en outre un flasque 24 assemblé au corps 14. Le flasque 24 ferme un orifice situé à une première extrémité axiale du cylindre de compression 20.
Le puits de cryostat 16 définit une deuxième paroi interne 26, de forme cylindrique, disposée selon un deuxième axe 28 incliné par rapport au premier axe 22. Dans l'exemple de la figure 1 , le deuxième axe 28 est parallèle à X, soit perpendiculaire au premier axe 22. Le deuxième axe 28 est sensiblement coplanaire au premier axe 22.
La deuxième paroi interne 26 est dite cylindre de régénération. Une première extrémité axiale 30 du cylindre de régénération 26, dite extrémité froide, est fermée. De manière classique, l'extrémité froide 30 est au contact d'un élément 31 à refroidir au moyen du dispositif 10, par exemple un composant électronique.
Les deuxièmes extrémités axiales du cylindre de compression 20 et du cylindre de régénération 26 communiquent avec un espace central 32 du carter 12. L'espace central 32 est sensiblement cylindrique, disposé selon un troisième axe 34 parallèle à Y. Préférentiellement, le troisième axe 34 passe par une intersection des premier et deuxième axes 22, 28, ou à proximité de ladite intersection.
L'espace central 32 loge un système de vilebrequin 36, relié à un moteur (non représenté). Le vilebrequin 36 comporte un arbre moteur disposé selon le troisième axe 34. Sur l'arbre moteur est monté fixe un maneton excentrique 40. Le maneton 40 est accouplé à une première bielle 42 et à une deuxième bielle 44, lesdites première et deuxième bielles 42, 44 étant sensiblement disposées dans le plan (X, Z) contenant les premier et deuxième axes 22, 28. Selon une variante, les première et deuxième bielles 42, 44 sont disposées dans un plan parallèle au plan contenant les premier et deuxième axes 22, 28.
La première bielle 42 est une pièce rigide, montée sur le maneton 40 par l'intermédiaire d'un palier 43. Une articulation 45 relie ladite première bielle 42 à un premier piston 46, dit piston de compression. Le piston de compression 46 est mobile en translation selon le premier axe 22 dans le cylindre de compression 20, qui guide le piston 46 lors de son déplacement. De préférence, une fuite entre le cylindre de compression 20 et l'espace central 32 est la plus faible possible pour conserver un bon rendement au dispositif 10.
Dans la présente description, le terme « piston de compression » peut également s'appliquer à une membrane de compression.
Le piston de compression 46 définit une chambre de compression 48, située dans le cylindre de compression 20 entre le flasque 24 et ledit piston de compression 46. La chambre de compression 48 a un volume variable en fonction du déplacement du piston 46.
La deuxième bielle 44 est une pièce rigide, dont une première extrémité est articulée sur un doigt 49 de la première bielle 42 et une deuxième extrémité est articulée sur un deuxième piston 50, dit piston de régénération. Le piston de régénération 50 est mobile en translation selon le deuxième axe 28 dans le cylindre de régénération 26.
Le piston de régénération 50 comporte une base 52, articulée à la deuxième bielle 44. Le piston 50 comporte en outre un tube 54 qui s'étend à partir de la base 52 dans le cylindre de régénération 26, en direction de l'extrémité froide 30. Typiquement, l'intérieur du tube 54 est garni d'un matériau poreux (non représenté) apte à l'échange thermique avec le fluide qui le traverse du fait du mouvement du piston de compression 48. Le matériau poreux est par exemple formé d'un empilage de grilles métalliques.
Le jeu entre le piston de régénération 50 et le cylindre de régénération 26 peut être supérieur au jeu entre le piston de compression 46 et le cylindre de compression 20.
Le piston de régénération 50 définit une chambre de régénération, ou chambre de détente 56, située dans le cylindre de régénération 26 entre l'extrémité froide 30 et ledit piston de régénération 50. La chambre de régénération 56 a un volume variable en fonction du déplacement du piston 50.
Le piston de compression 46 et le piston de régénération 50 définissent par ailleurs une chambre 58 de référence de pression, dans laquelle est disposé le système de vilebrequin 36 et les bielles 42, 44. L'espace central 32 est notamment inclus dans la chambre de référence 58. Ladite chambre 58 a un volume variable en fonction du déplacement des pistons 46, 50.
Le dispositif 10 comprend en outre un conduit 60 de circulation de fluide, assurant une liaison pneumatique entre la chambre de compression 48 et la chambre de régénération 56. Plus précisément, une première extrémité 62 du conduit 60 ouvre sur la chambre de compression 48 et une seconde extrémité 64 du conduit 60 ouvre sur la base 52 du piston de régénération 50.
La seconde extrémité 64 est formée par un piquage axial, soit parallèle à X, à travers la base 52 du piston 50. La seconde extrémité 64 est raccordée à un tuyau 66 disposé dans la chambre de référence 58.
A partir de la seconde extrémité 64, le tuyau 66 contourne l'axe 34 de rotation du vilebrequin 36 et se raccorde à un alésage 68, ménagé dans le carter 12 sensiblement parallèlement au cylindre de compression 20. L'alésage 68 débouche dans la chambre de compression 48 au niveau de la première extrémité 62 du conduit 60.
Le tuyau 66 est déformable en fonction du déplacement du piston de régénération 50. Dans l'exemple de réalisation de la figure 1 , le tuyau 66 est un tuyau souple, par exemple un tuyau en matériau plastique renforcé ou non. Selon une variante de réalisation (non représentée), le tuyau 66 est formé de tronçons rigides séparés par au moins deux zones flexibles.
La figure 2 représente une vue en coupe d'un dispositif 1 10 selon un deuxième mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 1 10 est un refroidisseur fonctionnant selon le cycle de Stirling, analogue au dispositif 10 de la figure 1 . Dans la suite de la description, les éléments communs aux dispositifs 10 et 1 10 sont désignés par les mêmes numéros de référence.
La description ci-dessus du dispositif 10 s'applique au dispositif 1 10, à l'exception des caractéristiques du conduit 60 de circulation de fluide entre la chambre de compression 48 et la chambre de régénération 56.
Plus précisément, le conduit 60 du dispositif 1 10 a une seconde extrémité 64 qui ouvre sur la chambre de régénération 56 par l'intermédiaire d'un piquage axial dans la base 52 du piston de régénération 50, de même que dans le dispositif 10.
Le conduit 60 du dispositif 1 10 a d'autre part une première extrémité 162 ouvrant sur la chambre de compression 48. Contrairement à la première extrémité 62 du dispositif 10, la première extrémité 162 n'est pas ménagée dans le carter 12. La première extrémité 162 est formée par un piquage axial, soit parallèle à Z, dans le piston de compression 46. Les première 162 et seconde 64 extrémités du conduit 60 du dispositif 1 10 correspondent aux extrémités d'un tuyau 166, disposé dans la chambre de référence 58 et raccordé au piston de régénération 50 et au piston de compression 46.
De même que le tuyau 66 du dispositif 10, le tuyau 166 est déformable en fonction du déplacement du piston de régénération 50 et du piston de compression 46. Dans l'exemple de réalisation de la figure 2, le tuyau 166 est un tuyau souple ; selon une variante de réalisation (non représentée), le tuyau 166 est formé de tronçons rigides séparés par au moins deux zones flexibles.
La figure 3 représente une vue en coupe d'un dispositif 210 selon un troisième mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 210 est un refroidisseur fonctionnant selon le cycle de Stirling, analogue aux dispositifs 10 et 1 10 des figures 1 et 2. Dans la suite de la description, les éléments communs aux dispositifs 10, 1 10 et 210 sont désignés par les mêmes numéros de référence.
La description ci-dessus du dispositif 10 s'applique au dispositif 210, à l'exception des caractéristiques ci-après :
Le dispositif 210 comporte un piston de compression 246 mobile en translation dans le cylindre de compression 20. Un bord radial 247 du piston 246, au contact dudit cylindre 20, présente une section convexe dans un plan passant par le premier axe 22 de déplacement du piston 246. De manière optionnelle, une étanchéité entre le cylindre de compression 20 et le bord radial 247 du piston 246 est obtenue au moyen d'un joint radial souple (non représenté) porté par le piston. Le piston 246 est par exemple analogue au piston décrit dans le document US5231917.
Par ailleurs, le système de vilebrequin 36 du dispositif 210 comporte une première bielle 242 rigide. Une tête 243 de la première bielle 242 est accouplée au maneton excentrique 40 du vilebrequin 36. Un pied 245 de la première bielle 242 est monté fixe sur le piston de compression 246. Au contraire, dans le cas des dispositifs 10, 1 10, la première bielle 42 est articulée sur le piston de compression 46.
Le dispositif 210 comporte un conduit 60 de circulation de fluide entre la chambre de compression 48 et la chambre de régénération 56.
Le conduit 60 du dispositif 210 a une seconde extrémité 64 qui ouvre sur la chambre de régénération 56 par l'intermédiaire d'un piquage axial dans la base 52 du piston de régénération 50, de même que dans les dispositifs 10 et 1 10. La seconde extrémité 64 est raccordée à un tuyau 66 disposé dans la chambre de référence 58.
A partir de la seconde extrémité 64, le tuyau 66 contourne l'axe de rotation du vilebrequin 36 et se raccorde à un alésage 268, ménagé notamment à l'intérieur de la bielle rigide 242 et du piston de compression 246. Une première extrémité 269 de l'alésage 268 débouche dans la chambre de référence 58, à proximité de la tête de bielle 243. Une seconde extrémité 262 de l'alésage 268 forme un piquage axial dans le piston 246 et débouche dans la chambre de compression 48. De préférence, la seconde extrémité 262 est située proche du premier axe 22 du cylindre de compression 20.
Le tuyau 66 est déformable en fonction du déplacement du piston de régénération 50 et du piston de compression 46. Dans l'exemple de réalisation de la figure 3, le tuyau 166 est un tuyau souple ; selon une variante de réalisation (non représentée), le tuyau 166 est formé de tronçons rigides séparés par au moins deux zones flexibles.
Un procédé de fonctionnement des dispositifs 10, 1 10 et 210 va maintenant être décrit, selon les étapes connues en tant que telles d'un cycle de Stirling.
Le maneton excentrique 40 est entraîné en rotation par l'arbre moteur du vilebrequin 36, autour de l'axe 34. Par l'intermédiaire respectivement de la première bielle 42, 242 et de la deuxième bielle 44, la rotation du maneton 40 est convertie en mouvements rectilignes alternatifs du piston de compression 46, selon le premier axe 22, et du piston de régénération 50, selon le deuxième axe 28. Les mouvements des pistons 46, 50 sont de type quasi-sinusoïdal. Les mouvements des pistons 46, 50 sont déphasés l'un de l'autre d'environ 90°, c'est-à-dire que l'un des deux pistons 46, 50 est à mi-course lorsque l'autre desdits deux pistons est à une extrémité de sa course.
Par exemple, on considère que le piston de compression 46, 246 se déplace selon le premier axe 22, en direction du flasque 24. Dans la configuration représentée aux figures 1 à 3, la chambre de compression 48 a presque atteint son volume minimal. L'hélium contenu dans ladite chambre atteint une plage maximale de pression et est chassé dans le piston de régénération 50 par le conduit 60. Ledit piston de régénération est alors sensiblement à mi-course dans le cylindre de régénération 26 et se déplace en direction opposée à l'extrémité froide 30.
L'hélium traverse le tube 54 du piston 50 et refroidit au contact de l'échangeur thermique contenu dans ledit tube. Le piston de régénération 50 poursuit sa course dans le cylindre de régénération 26 jusqu'à une expansion maximale de la chambre de régénération 56. Par ailleurs, le piston de compression 46, 246 se déplace dans le cylindre de compression 20 de manière à augmenter le volume de la chambre de compression 48, diminuant la pression de l'hélium. Le retour du piston de régénération 50, combiné à la poursuite de l'expansion de volume de la chambre de compression 48, conduit l'hélium à traverser en sens inverse le tube 54. L'hélium récupère alors de la chaleur et remonte en température, avant de retourner dans la chambre de compression 48 par l'intermédiaire du conduit 60. Le piston de compression 46, 246 poursuit sa course jusqu'à une expansion maximale de la chambre de compression 48, puis repart en sens inverse pour comprimer à nouveau le fluide et compléter le cycle.
Dans le cas particulier du dispositif 210, le mouvement rotatif du maneton 40 est communiqué à la première bielle 242, elle-même fixée au piston de compression 246. Le bord convexe 247 dudit piston permet audit piston 246 d'osciller légèrement dans un plan (X, Z), en restant en contact avec la paroi interne du cylindre 20, durant la course dudit piston selon le premier axe 22. Le bord convexe 247 permet de supprimer l'articulation 45 entre le piston 46 et la bielle 42, telle que décrite pour les dispositifs 10 et 1 10.
Par ailleurs, le tuyau déformable 66, 166 du conduit 60 permet un transfert du flux gazeux sans déperditions. Cette caractéristique autorise, entre le piston 50 et le cylindre 26 de régénération, un jeu supérieur aux dispositifs tels que décrits dans le document US3851 173. De plus, cette caractéristique permet de supprimer des pièces mécaniques complexes et encombrantes, et notamment de diminuer la longueur du puits de cryostat.
Les refroidisseurs selon l'invention tels que les dispositifs 10, 1 10, 210 impliquent donc une fabrication et un entretien facilités.
Selon une variante aux modes de réalisation décrits ci-dessus, la seconde extrémité 64 du conduit 60 est formée par un piquage radial, et non axial, sur le piston de régénération 50.

Claims

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