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Title:
CRYOGENIC COOLER FOR A RADIATION DETECTOR, PARTICULARLY IN A SPACECRAFT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2020/260842
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention mainly relates to a cryogenic cooler comprising a cold region, a heat-transfer fluid circuit, the cold region being positioned in the circuit, an application heat exchanger configured to exchange calories with a device to be cooled, characterised in that the cooler comprises at least one passive non-return valve fluidly connected to the cold region, the heat exchanger comprising at least one first fluid inlet positioned downstream of the non-return valve in the flow direction of the heat-transfer fluid, the heat-transfer fluid circulating from the end of the cold region.

Inventors:
BUTTERWORTH, James (FR)
CHASSAING, Clément (FR)
Application Number:
FR2020/051123
Publication Date:
December 30, 2020
Filing Date:
June 26, 2020
Export Citation:
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Assignee:
L'AIR LIQUIDE, SOCIETE ANONYME POUR L'ETUDE ET L’EXPLOITATION DES PROCEDES GEORGES CLAUDE (FR)
CENTRE NATIONAL D'ÉTUDES SPATIALES (FR)
International Classes:
F25B9/14; F25B25/00; F25D19/00
Attorney, Agent or Firm:
CABINET GERMAIN & MAUREAU (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Refroidisseur cryogénique (100) comprenant :

- au moins un générateur d'onde de pression et de débit (110),

- au moins un doigt froid (120) comprenant une zone froide (121), le générateur d'onde de pression et de débit (110) étant relié fluidiquement au doigt froid (120),

- au moins un circuit (130) de fluide caloporteur,

- au moins un échangeur de chaleur d'application (140) configuré pour échanger des calories avec au moins un dispositif à refroidir,

caractérisé en ce que le refroidisseur (100) comprend au moins :

- un premier clapet anti-retour (150) et un deuxième clapet anti-retour (151) positionnés dans le circuit (130), au moins un clapet anti-retour (150, 151) parmi le premier et le deuxième clapet anti-retour (150, 151) étant un clapet anti-retour passif, le premier clapet anti-retour (150) et le deuxième clapet anti-retour (151) étant reliés fluidiquement au doigt froid (120),

- le au moins un échangeur de chaleur d'application (140) comprenant au moins une première entrée de fluide (141) positionnée en aval du premier clapet anti-retour (150) dans le sens de circulation du fluide caloporteur, et au moins une première sortie de fluide (142) positionnée en amont du deuxième clapet anti-retour (151) dans le sens de circulation du fluide caloporteur.

2. Refroidisseur cryogénique selon la revendication 1, dans lequel au moins un des deux, préférentiellement chaque clapet anti-retour (150, 151), comprend une ou plusieurs diodes Tesla en série.

3. Refroidisseur cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, dans lequel l'échangeur de chaleur d'application (140) comprend une pluralité d'entrées (141, 143, 145) associée à une pluralité de sorties (142, 144, 146) de fluide.

4. Refroidisseur cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la zone froide (121) comprend au moins une première zone d'échange thermique (125) dans laquelle circule le fluide caloporteur. 5. Refroidisseur cryogénique selon les revendications 3 et 4 prises en combinaison, dans lequel la première sortie (142) de fluide de l'échangeur de chaleur d'application (140) est reliée fluidiquement à la première zone d'échange thermique (125) de la zone froide (121), la première sortie (142) de fluide étant positionnée en amont de la première zone d'échange thermique (125) de la zone froide (121) dans le sens de circulation du fluide caloporteur.

6. Refroidisseur cryogénique selon les revendications 3 et 4 prises en combinaison ou selon la revendication 5, dans lequel la deuxième entrée de fluide (143) de l'échangeur de chaleur d'application (140) est reliée fluidiquement à la première zone d'échange thermique (125) de la zone froide (121), la deuxième entrée (143) de fluide étant positionnée en aval de la première zone d'échange thermique (125) de l'extrémité (121) de la zone froide (121) dans le sens de circulation du fluide caloporteur.

7. Refroidisseur cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comprenant une pluralité d'échangeurs de chaleur d'application comprenant chacun au moins une entrée de fluide caloporteur (141, 143, 145) et une sortie de fluide caloporteur (142, 144, 146) formant une zone d'échange thermique.

8. Refroidisseur cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, comprenant au moins un premier réservoir tampon (152) positionné en aval du premier clapet anti-retour (150) dans le sens de circulation du fluide caloporteur, et configuré pour lisser l'onde de pression et de débit extraite au niveau de la zone froide (121).

9. Refroidisseur cryogénique selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comprenant au moins un deuxième réservoir tampon (153) positionné en amont du deuxième clapet anti-retour (151) dans le sens de circulation du fluide caloporteur, et configuré pour lisser l'onde de pression et de débit arrivant au niveau de la zone froide (121).

10. Refroidisseur selon l'une quelconque des revendications 8 ou 9, dans lequel au moins un des deux réservoirs tampons est constitué par une partie du circuit de fluide caloporteur.

11. Refroidisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit refroidisseur (100) est un refroidisseur de type tube à gaz pulsé ou de type Stirling.

12. Refroidisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le doigt froid (120) est en communication fluidique avec ledit circuit de fluide caloporteur (130).

13. Refroidisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le doigt froid (120) n'est pas en communication fluidique avec ledit circuit (130) de fluide caloporteur et en ce qu'il comporte un petit générateur d'onde de pression et de débit (110) fluidiquement connecté à l'extrémité froide du circuit (130) de fluide caloporteur.

14. Refroidisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le doigt froid (120) n'est pas en communication fluidique avec ledit circuit (130) de fluide caloporteur et en ce qu'il comporte une dérivation directe en T (160) reliant fluidiquement générateur d'onde de pression et de débit (110) et le doigt froid (120). 15. Refroidisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant une pluralité d'échangeurs de chaleur d'application configurés pour échanger des calories avec une pluralité de dispositif à refroidir.

16. Ensemble spatial comprenant au moins un détecteur de rayonnement et un refroidisseur cryogénique (100) selon l'une quelconque des revendications précédentes, l'échangeur de chaleur d'application (140) du refroidisseur étant configuré pour refroidir le détecteur de rayonnement.

Description:
DESCRIPTION

Titre de l'invention : Refroidisseur cryogénique pour détecteur de rayonnement notamment dans un engin spatial Domaine technique de l'invention

L'invention concerne le domaine technique des refroidisseurs cryogéniques appelés « cryorefroidisseurs ». Plus particulièrement, l'invention porte sur les cryorefroidisseurs destinés à refroidir des détecteurs de rayonnement ou d'autres organes nécessitant un refroidissement dans les engins spatiaux comme par exemple dans les satellites ou les sondes spatiales.

Arrière plan technologique de l'invention

Les refroidisseurs cryogéniques de type Stirling ou tube à gaz pulsé sont des systèmes remplis de gaz, dit « gaz de travail », sous pression à une valeur déterminée comprenant un piston générant une onde de pression et de débit dans le gaz. L'onde de pression et de débit va être utilisée pour générer du froid sur un doigt froid du système.

Le refroidisseur cryogénique comprend ainsi un générateur d'onde de pression et de débit, par exemple un compresseur, et un doigt froid. Le générateur d'onde de pression et de débit transmet l'onde de pression et de débit dans le doigt froid ce qui permet de générer du froid jusqu'à une température déterminée de l'ordre de -200°C voire plus bas, dans une zone froide du doigt froid pour le refroidissement de l'organe à refroidir, par exemple un détecteur de rayonnement d'un satellite.

Dans le domaine spatial, il est très difficile d'intervenir pour corriger une panne. Ainsi, une façon sécurisante de régler cette problématique est l'implémentation de deux refroidisseurs cryogéniques dont un qui fonctionne et l'autre qui ne fonctionne qu'en cas de défaillance du premier. L'inconvénient majeur de cette approche est que même si le deuxième refroidisseur ne fonctionne pas tant que le premier fonctionne, il y a quand même de la conduction thermique dans son doigt froid car pour assurer le relai des refroidisseurs en cas de défaillance de l'un d'entre eux, il faut que leurs zones froides soient reliées thermiquement. Or, il faut évacuer tout ce qui relève de la conduction thermique dans le doigt froid du deuxième refroidisseur par le doigt froid du premier refroidisseur qui est lui, actif. Une solution peut être de découpler la zone froide du deuxième refroidisseur pour éviter les apports thermiques.

Pour découpler la zone froide du deuxième refroidisseur, on connaît une solution consistant à positionner chaque zone froide de chaque refroidisseur dans un circuit fermé thermique appelé boucle thermique dans laquelle on fait circuler un fluide caloporteur entre la zone froide et l'organe à refroidir. Dans cette configuration, il est possible d'activer sélectivement une boucle thermique seulement de sorte que la boucle thermique dans laquelle est positionné la zone froide du deuxième refroidisseur reste inactive et aucun apport de chaleur n'intervient. Chacune de ces boucles thermiques peut comporter un élément de type circulateur mécanique qui sert à faire circuler le fluide caloporteur dans la boucle. Ainsi, en activant un de ces circulateurs on active la boucle thermique qui le contient.

Une autre manière de faire circuler le fluide caloporteur est de relier la boucle à la sortie du générateur d'onde de pression et de débit par un système de clapets anti-retour de façon à redresser l'onde de pression et de débit alternative en écoulement continu. Dans cette configuration, le gaz de travail du refroidisseur est de même nature que le fluide caloporteur dans la boucle, c'est-à-dire que le gaz de travail et le fluide caloporteur sont confondus. Le gaz de travail communique fluidiquement avec le fluide caloporteur. Si un générateur d'onde de pression et de débit arrête de fonctionner, l'écoulement du fluide caloporteur dans la boucle s'arrête et la zone froide associée est isolée thermiquement. Dans cette configuration, l'extraction « dite extraction chaude » du fluide caloporteur est réalisée lorsque le fluide caloporteur est chaud à partir d'une ligne de transfert reliant le générateur d'onde de pression et de débit et la zone froide, puis ce fluide caloporteur est amené dans un échangeur de chaleur « contre -courant », puis passe dans un échangeur de chaleur relié thermiquement à la zone froide. Une fois que le fluide caloporteur est refroidi, ce dernier passe dans un échangeur d'application et ensuite remonte dans l'échangeur contre-courant pour refroidir le gaz de travail qui redescend de la ligne de transfert vers la zone froide. Cette configuration permet d'éviter d'envoyer du gaz très chaud directement dans la partie froide mais nécessite l'utilisation d'un échangeur contre -courant, ce qui peut présenter les inconvénients suivants : fortes pertes de charge dans l'échangeur de chaleur à contre -courant, fortes pertes par rayonnement dues à l'échangeur de chaleur et circuit fluidique complexe reliant la zone froide. CN100557345C décrit un système qui fonctionne selon ce principe mais dont le but est l'optimisation du transfert de chaleur vers la zone froide et non l'isolation thermique d'un refroidisseur cryogénique redondant.

US6637211 décrit un moteur ou réfrigérateur à onde oscillante. Une boucle de gaz caloporteur communique fluidiquement avec le gaz de travail dans le corps du moteur ou du réfrigérateur. Au moins une diode fluidique dans la boucle de gaz caloporteur produit un composant à flux continu superposé sur le flux oscillant émanant du gaz de travail. En général, les dimensions de la boucle de gaz et la localisation des diodes fluidiques sont choisies de façon à rendre la boucle de gaz résonante. L'extraction du gaz de travail vers la boucle de gaz caloporteur peut se faire à proximité de l'échangeur chaud (extraction à chaud) ou à proximité de l'échangeur froid (extraction à froid) du moteur ou du réfrigérateur. Un fluide caloporteur secondaire est en contact thermique avec une partie extérieure de la boucle de gaz. D'après US6637211, les boucles résonantes semblent être adaptées uniquement à des tubes à impulsions à très haute fréquence ou à des boucles très longues. En outre, la boucle de gaz échange avec un fluide caloporteur secondaire pour le transfert de chaleur vers ou à partir de la boucle de gaz. La boucle de gaz, telle que décrite, est conçue pour augmenter la capacité d'échange de chaleur dans des moteurs ou des réfrigérateurs de forte puissance et ne représente pas un moyen d'isolation thermique d'un doigt froid redondant.

Objet de l'invention

L'invention a pour but de remédier à tout ou partie des inconvénients précités et notamment à permettre une extraction du fluide caloporteur plus avantageuse que celle décrite ci-avant sans utilisation d'un échangeur contre -courant et sans les contraintes géométriques et fréquentielles imposées par un système résonant.

À cet effet, l'invention a pour objet un refroidisseur cryogénique comprenant :

- au moins un générateur d'onde de pression et de débit,

- au moins un doigt froid comprenant une zone froide, le générateur d'onde de pression et de débit étant relié fluidiquement au doigt froid,

- au moins un circuit de fluide caloporteur,

- au moins un échangeur de chaleur d'application configuré pour échanger des calories avec au moins un dispositif à refroidir,

caractérisé en ce que le refroidisseur comprend au moins :

- un premier clapet anti-retour et un deuxième clapet anti-retour positionnés dans le circuit, au moins un clapet anti-retour parmi le premier et le deuxième clapet anti- retour étant un clapet anti-retour passif, le premier clapet anti-retour et le deuxième clapet anti-retour étant reliés fluidiquement au doigt froid,

- le au moins un échangeur de chaleur d'application comprenant au moins une première entrée de fluide positionnée en aval du premier clapet anti-retour dans le sens de circulation du fluide caloporteur, et au moins une première sortie de fluide positionnée en amont du deuxième clapet anti-retour dans le sens de circulation du fluide caloporteur.

Avantageusement, grâce à cette configuration selon l'invention, une partie de l'onde de pression et de débit générée par le générateur d'onde de pression et de débit du refroidisseur est extraite au niveau de la zone froide, ce qui permet une extraction à froid plus avantageuse qu'une extraction à chaud. Par ailleurs, cette configuration permet de combiner à la fois un lien thermique et une déconnexion thermique. En outre, la configuration peut aussi fonctionner avec une température plus basse de l'ordre de 15K par exemple, ce qui est difficilement possible dans les configurations de l'art antérieur. Enfin, cette configuration permet une répartition facile de la puissance froide sur l'échangeur de chaleur d'application, du dispositif à refroidir.

Avantageusement, le fluide caloporteur échange directement avec l'application contrairement au document US6637211 cité précédemment.

En outre, grâce à l'invention, on utilise un circuit de fluide caloporteur pour déconnecter thermiquement le doigt froid de l'application et ainsi limiter la charge thermique provenant d'un refroidisseur redondant.

Selon une caractéristique de l'invention, le premier clapet anti-retour et le deuxième clapet anti-retour sont des clapets anti-retour passifs.

Dans la présente invention, on entend par « clapet anti-retour passif » un clapet anti retour dont la géométrie est figée et passive et configurée pour favoriser la circulation d'un fluide dans une direction sans élément mobile.

Selon une caractéristique de l'invention, au moins un des deux, préférentiellement chaque clapet anti-retour, comprend une ou plusieurs diodes Tesla en série.

L'avantage des diodes Tesla, telles que décrites dans US1329559, est qu'elles présentent des impédances asymétriques et de ce fait les écoulements de fluide passant à travers sont asymétriques ce qui permet de faire passer le fluide, préférentiellement le gaz, dans un sens plutôt que le sens inverse. En outre, l'utilisation d'une diode Tesla est plus fiable notamment dans son application dans les engins et machines spatiales car contrairement à des clapets mécaniques ces dernières ne posent pas de problèmes de fiabilité ni de défaillance dus à l'usure des pièces.

Selon une caractéristique de l'invention, le premier clapet anti-retour est un clapet anti retour configuré pour permettre le passage du fluide caloporteur pendant des excursions positives de l'onde de pression et de débit dans la zone froide.

Le générateur d'onde de pression et de débit crée des oscillations de pression à une fréquence déterminée dans le fluide caloporteur autour d'une valeur de pression moyenne. Il y a donc des excursions successives de pression positives et négatives par rapport à cette pression moyenne.

Selon une caractéristique de l'invention, le deuxième clapet anti-retour est un clapet anti-retour configuré pour permettre le passage du fluide caloporteur pendant des excursions négatives de l'onde de pression et de débit dans la zone froide.

Selon une caractéristique de l'invention, l'échangeur de chaleur d'application comprend une pluralité d'entrées associée à une pluralité de sorties de fluide.

Selon une caractéristique de l'invention, l'échangeur de chaleur d'application comprend au moins une deuxième entrée de fluide, une deuxième sortie de fluide, une troisième entrée de fluide et une troisième sortie de fluide.

Selon une caractéristique de l'invention, la zone froide comprend au moins une première zone d'échange thermique dans laquelle circule le fluide caloporteur.

Selon une caractéristique de l'invention, la zone froide comprend une pluralité de zone d'échange thermique.

Avantageusement, la zone froide comprend un échangeur de chaleur zone froide intégrant l'au moins une première zone d'échange thermique de la zone froide.

Selon une caractéristique de l'invention, la zone froide comprend une pluralité d'échangeur de chaleur zone froide.

Selon une caractéristique de l'invention, la sortie du premier clapet anti-retour est reliée fluidiquement à la première entrée de l'échangeur de chaleur d'application. Selon une caractéristique de l'invention, la première sortie de fluide de l'échangeur de chaleur d'application est reliée fluidiquement à la première zone d'échange thermique de la zone froide, la première sortie de fluide étant positionnée en amont de la première zone d'échange thermique de la zone froide dans le sens de circulation du fluide caloporteur.

Selon une caractéristique de l'invention, la deuxième entrée de fluide de l'échangeur de chaleur d'application est reliée fluidiquement à la première zone d'échange thermique de la zone froide, la deuxième entrée de fluide étant positionnée en aval de la première zone d'échange thermique de la zone froide dans le sens de circulation du fluide caloporteur.

Selon une caractéristique de l'invention, la deuxième sortie de fluide de l'échangeur de chaleur d'application est reliée fluidiquement à la deuxième zone d'échange thermique de la zone froide, la deuxième sortie de fluide étant positionnée en amont de la deuxième zone d'échange thermique de la zone froide dans le sens de circulation du fluide caloporteur.

Selon une caractéristique de l'invention, la troisième entrée de fluide de l'échangeur de chaleur d'application est reliée fluidiquement à la deuxième zone d'échange thermique de la zone froide, la troisième entrée de fluide étant positionnée en aval de la deuxième zone d'échange thermique de la zone froide dans le sens de circulation du fluide caloporteur.

Selon une caractéristique de l'invention, la troisième sortie de fluide de l'échangeur de chaleur d'application est reliée fluidiquement au deuxième clapet anti-retour, la troisième sortie de fluide de l'échangeur étant positionnée en amont du deuxième clapet anti-retour dans le sens de circulation du fluide caloporteur.

Selon une caractéristique de l'invention, le premier clapet anti-retour et le deuxième clapet anti-retour sont reliés fluidiquement à la zone froide par une ligne directe.

Selon une caractéristique de l'invention, le refroidisseur comprend une pluralité d'échangeurs de chaleur d'application, par exemple trois, comprenant chacun au moins une entrée de fluide caloporteur et une sortie de fluide caloporteur formant une zone d'échange thermique. L'avantage de permettre la circulation du fluide caloporteur dans les zones d'échange thermique de la zone froide et dans l'échangeur de chaleur d'application, est que la capacité de refroidissement sera optimisée par rapport à un seul passage dans l'échangeur de chaleur d'application et dans la zone froide. Ainsi, avec un même débit de fluide caloporteur, l'efficacité de transport thermique est multipliée par trois.

En d'autres termes, la zone froide peut comporter plus ou moins de zones d'échange thermique (nombre de zones d'échange supérieur ou égal à 0) afin d'optimiser l'échange thermique. L'échangeur de chaleur d'application compotera généralement une zone d'échange thermique de plus que la zone froide.

Selon une caractéristique de l'invention, le refroidisseur comprend au moins un premier réservoir tampon positionné en aval du premier clapet anti-retour dans le sens de circulation du fluide caloporteur, et configuré pour lisser l'onde de pression et de débit qui a été redressée par le premier clapet anti-retour de manière à faire passer un écoulement continu de fluide caloporteur dans le circuit.

Selon une caractéristique de l'invention, le refroidisseur comprend au moins un deuxième réservoir tampon positionné en amont du deuxième clapet anti-retour dans le sens de circulation du fluide caloporteur, et configuré pour lisser l'onde de pression et de débit qui a été redressée par le deuxième clapet anti-retour avant d'être réinjectée dans la zone froide.

Selon une caractéristique de l'invention, la pression du fluide caloporteur dans le premier réservoir est supérieure à la pression du fluide caloporteur dans le deuxième réservoir tampon.

Selon une caractéristique de l'invention, la puissance thermique transportée entre la zone froide et l'échangeur de chaleur d'application est égale au débit massique de l'écoulement de fluide caloporteur multiplié par la chaleur spécifique du fluide caloporteur multiplié par la différence de température entre la zone froide et l'échangeur de chaleur. Avantageusement, lorsque la pression dans la zone froide augmente, une partie du fluide caloporteur est injectée dans le premier réservoir tampon. Lorsque la pression dans la zone froide diminue, le fluide caloporteur est aspiré du deuxième réservoir tampon ce qui crée une différence de pression entre les deux réservoirs tampons et cette différence de pression qui va faire circuler le fluide caloporteur dans le circuit. Selon une caractéristique de l'invention, le fluide caloporteur est un gaz et préférentiellement de l'Hélium.

Selon une caractéristique de l'invention, au moins un des deux réservoirs tampons est constitué par une partie du circuit de fluide caloporteur.

En effet, le réservoir tampon peut être constitué en augmentant localement une partie du circuit de fluide caloporteur.

Selon une caractéristique de l'invention, le refroidisseur cryogénique est un refroidisseur de type tube à gaz pulsé ou de type Stirling.

Dans la présente invention, on entend par « moteur ou refroidisseur Stirling », un moteur ou un refroidisseur à énergie externe. Le fluide principal est un gaz soumis à un cycle comprenant quatre phases : chauffage isochore, détente isotherme, refroidissement isochore puis compression isotherme.

Selon une caractéristique de l'invention, le lien thermique entre la zone froide et l'échangeur de chaleur d'application peut être d'une longueur supérieure à 0,5 mètre et préférentiellement comprise entre 1 et 3 mètres.

Selon une caractéristique de l'invention, le refroidisseur comprend une pluralité d'échangeurs de chaleur d'application configurés pour échanger des calories avec une pluralité de dispositif à refroidir.

Selon un mode de réalisation, le doigt froid est en communication fluidique avec ledit circuit de fluide caloporteur.

Selon un autre mode de réalisation, le doigt froid n'est pas en communication fluidique avec ledit circuit de fluide caloporteur et le refroidisseur comporte un petit générateur d'onde de pression et de débit fluidiquement connecté à l'extrémité froide du circuit de fluide caloporteur.

Selon un autre mode de réalisation, le doigt froid n'est pas en communication fluidique avec ledit circuit de fluide caloporteur et le refroidisseur comporte une dérivation directe en T reliant fluidiquement générateur d'onde de pression et de débit et le doigt froid. L'invention porte également sur un ensemble spatial comprenant au moins un détecteur de rayonnement et un refroidisseur cryogénique selon l'invention, l'échangeur de chaleur d'application étant configuré pour refroidir le détecteur de rayonnement.

Le détecteur de rayonnement peut être un détecteur de rayonnement infrarouge, de rayon X, de rayon gamma, de rayonnement hyper-fréquence, ou tout autre type de rayonnement électromagnétique ou corpusculaire.

Brève description des figures

L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à des modes de réalisation selon la présente invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs et expliqués avec référence aux figures schématiques annexées. Les figures schématiques annexées sont listées ci-dessous :

[Fig. 1] est une vue schématique du refroidisseur cryogénique selon l'invention selon un premier mode de réalisation ;

[Fig. 2] est une vue schématique du refroidisseur cryogénique selon l'invention selon un deuxième mode de réalisation ;

[Fig. 3] est une vue schématique du refroidisseur cryogénique selon l'invention selon un troisième mode de réalisation ;

[Fig. 4] est une vue schématique du refroidisseur cryogénique selon l'invention selon un quatrième mode de réalisation ;

[Fig. 5] est une vue schématique du refroidisseur cryogénique selon l'invention selon un cinquième mode de réalisation ;

[Fig. 6] est une vue représentation schématique du refroidisseur cryogénique selon l'invention selon un sixième mode de réalisation ;

[Fig. 7] est une représentation schématique du refroidisseur cryogénique selon l'invention selon un septième mode de réalisation. Description détaillée de l'invention

Le refroidisseur cryogénique 100 selon l'invention et comme illustré aux figures 1 à 5, comprend quel que soit le mode de réalisation, un générateur d'onde de pression et de débit 110, un doigt froid 120 comprenant une zone froide 121, un circuit 130 de fluide caloporteur, au moins un échangeur de chaleur d'application 140, 241, 242, configuré pour échanger des calories avec un dispositif à refroidir (non représenté). Avantageusement, le dispositif à refroidir peut être un détecteur de rayonnement électromagnétique ou corpusculaire configuré pour être intégré à un satellite ou à une sonde spatiale. Quel que soit le mode de réalisation, le refroidisseur cryogénique 100 comprend un premier clapet anti-retour 150 et un deuxième clapet anti-retour 151. Le premier clapet anti-retour 150 et le deuxième clapet anti-retour 151 sont positionnés de part et d'autre de la zone froide 121 dans le circuit 130.

Dans les exemples illustrés et quel que soit le mode de réalisation du circuit du refroidisseur 100, les premier et deuxième clapets anti-retour sont des clapets anti retour passifs, par exemple des diodes Tesla. Le premier clapet anti-retour 150 et le deuxième clapet anti-retour 151 sont reliés fluidiquement à la zone froide 121 par une ligne directe 131.

Dans les modes de réalisation représentés aux figures 1, 2, 4 et 5, le doigt froid 120 comprend une zone froide 121 distale du générateur d'ondes de pression 110 et une extrémité chaude 122 proximale du générateur d'ondes de pression 110. Dans le corps du doigt froid 120, est agencé un tube à pulsation 123 autour duquel est positionné un régénérateur 124.

En outre, une ligne de transfert 101 relie fluidiquement le générateur d'onde de pression et de débit 110 à la zone froide 120.

Dans le mode de réalisation représenté en figure 3, la zone froide 121 est positionnée sensiblement entre le régénérateur 124 et le tube à pulsation 123. La zone froide est donc centrale.

Selon le deuxième et le cinquième modes de réalisation, la zone froide 121 comprend une première zone d'échange thermique 125 et une deuxième zone d'échange thermique 126 dans chacune desquelles circule le fluide caloporteur. Avantageusement, la zone froide 121 comprend un échangeur de chaleur zone froide intégrant la première 125 et la deuxième 126 zone d'échange thermique de la zone froide 121.

En figure 1 est représenté le refroidisseur cryogénique 100 selon l'invention comprenant un circuit 130 selon un premier mode de réalisation. Dans ce premier mode de réalisation, le fluide caloporteur circule comme suit. Depuis une ligne directe 131 reliant la zone froide 121 avec le premier et le deuxième clapet anti-retour 150, 151, le fluide circule vers le premier clapet anti-retour 150 qui comprend un canal orienté dans une direction préférentielle de circulation de sorte que le fluide circule préférentiellement dans cette direction. Le fluide atteint un premier réservoir tampon 152 configuré pour lisser la pression du fluide au sein du circuit 130. Le fluide caloporteur se dirige vers une première entrée de fluide 141 de l'échangeur de chaleur d'application 140 configuré pour échanger avec le dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 140 par une première sortie 142 et se dirige vers un deuxième réservoir tampon 153 configuré pour à nouveau lisser la pression du fluide sortant de l'échangeur. Le fluide passe ensuite à travers le deuxième clapet anti-retour 151, qui est configuré dans le même sens de circulation que le premier clapet anti-retour 150.

Dans cette configuration, la conductance thermique en fonctionnement est de sensiblement 0.12W/K.

En figure 2 est représenté le refroidisseur cryogénique 100 selon l'invention comprenant un circuit 130 selon un deuxième mode de réalisation. Dans ce deuxième mode de réalisation, le fluide caloporteur circule comme suit. Depuis la ligne directe 131 reliant la zone froide 121 avec le premier et le deuxième clapet anti-retour 150, 151, le fluide circule vers le premier clapet anti-retour 150 qui comprend un canal orienté dans une direction préférentielle de circulation de sorte que le fluide circule préférentiellement dans cette direction. Le fluide atteint un premier réservoir tampon 152 configuré pour lisser la pression du fluide au sein du circuit 130. Le fluide caloporteur se dirige vers la première entrée de fluide 141 de l'échangeur de chaleur 140 configuré pour échanger avec le dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 140 par une première sortie 142 et se dirige vers une première zone d'échange thermique 125 de la zone froide 121. Une fois la première zone d'échange 125 traversée, le fluide se dirige à nouveau vers l'échangeur 140 et rentre par la deuxième entrée 143 et en ressort par la deuxième sortie 144 et se dirige vers une deuxième zone d'échange thermique 126 de la zone froide 121. Une fois la deuxième zone d'échange 126 traversée, le fluide se dirige à nouveau vers l'échangeur 140 et rentre par la troisième entrée 145 et en ressort par la troisième sortie 146 et se dirige vers le deuxième réservoir tampon 153 configuré pour lisser la pression du fluide sortant de l'échangeur 140. Le fluide passe ensuite à travers le deuxième clapet anti-retour 151, qui est configuré dans le même sens de circulation que le premier clapet anti-retour 150.

Dans cette configuration, le fluide caloporteur passe trois fois dans l'échangeur de chaleur 140, la conductance thermique en fonctionnement est ainsi augmentée jusqu'à 0,35W/K, avec un ratio de conductance thermique marche/arrêt du refroidisseur d'au moins 1750.

En variante et afin d'améliorer la performance du refroidisseur, le fluide caloporteur peut passer six fois ou plus dans l'échangeur de chaleur 140. La conductance thermique évoluant linéairement, on peut s'attendre à une conductance thermique en fonctionnement de l'ordre de 0,72W/K avec un ratio de conductance thermique marche/arrêt du refroidisseur de 1800.

En figure 3 est représenté le refroidisseur cryogénique 100 selon l'invention comprenant un circuit 130 selon un troisième mode de réalisation. Le troisième mode de réalisation se distingue des modes de réalisation illustrés aux figures 1, 2, 4 et 5 en ce qu'il ne comprend pas de ligne directe 131 entre le premier et le deuxième clapet anti-retour 150, 151. Le fluide caloporteur circule dans l'ensemble de la zone froide 121.

Dans le quatrième mode de réalisation, le fluide caloporteur circule depuis la ligne directe 131 vers le premier clapet anti-retour 150. Le fluide atteint un premier réservoir tampon 152 configuré pour lisser la pression du fluide au sein du circuit 130. Puis le fluide caloporteur se dirige vers une première entrée de fluide 141 de l'échangeur de chaleur d'application 140 configuré pour échanger avec un premier dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 140 par une première sortie 142. Le fluide caloporteur se dirige alors vers une première entrée de fluide 341 d'un deuxième échangeur de chaleur d'application 241 configuré pour échanger avec un deuxième dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 241 par une première sortie 342. Le fluide caloporteur se dirige alors vers une première entrée de fluide 441 d'un troisième échangeur de chaleur d'application 242 configuré pour échanger avec un troisième dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 242 par une première sortie 442. Le fluide caloporteur se dirige vers enfin un deuxième réservoir tampon 153 configuré pour à nouveau lisser la pression du fluide sortant de l'échangeur. Le fluide passe ensuite à travers le deuxième clapet anti-retour 151, qui est configuré dans le même sens de circulation que le premier clapet anti-retour 150.

Dans le cinquième mode de réalisation, le fluide caloporteur circule depuis la ligne directe 131 vers le premier clapet anti-retour 150. Le fluide atteint un premier réservoir tampon 152 configuré pour lisser la pression du fluide au sein du circuit 130. Puis le fluide caloporteur se dirige vers une première entrée de fluide 141 de l'échangeur de chaleur d'application 140 configuré pour échanger avec un premier dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 140 par une première sortie 142 et se dirige vers une première zone d'échange thermique 125 de la zone froide 121. Une fois la première zone d'échange 125 traversée, le fluide se dirige alors vers une première entrée de fluide 341 d'un deuxième échangeur de chaleur d'application 241 configuré pour échanger avec un deuxième dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 241 par une première sortie 342 et se dirige vers une deuxième zone d'échange thermique 126 de la zone froide 121. Une fois la deuxième zone d'échange 126 traversée, le fluide se dirige alors vers une première entrée de fluide 441 d'un troisième échangeur de chaleur d'application 242 configuré pour échanger avec un troisième dispositif à refroidir. Le fluide sort de l'échangeur 242 par une première sortie 442. Le fluide caloporteur se dirige vers enfin un deuxième réservoir tampon 153 configuré pour à nouveau lisser la pression du fluide sortant de l'échangeur. Le fluide passe ensuite à travers le deuxième clapet anti-retour 151, qui est configuré dans le même sens de circulation que le premier clapet anti-retour 150.

Selon un sixième mode de réalisation, schématiquement représenté sur la figure 6, le refroidisseur cryogénique 100 selon l'invention se distingue de celui précédemment décrit par le fait que le doigt froid 120 n'est pas en communication fluidique avec ledit circuit 130 de fluide caloporteur et en ce qu'il comporte un petit générateur d'onde de pression et de débit 110 fluidiquement connecté à l'extrémité froide du circuit 130 de fluide caloporteur.

Selon un septième mode de réalisation, schématiquement représenté sur la figure 7, le refroidisseur cryogénique 100 selon l'invention se distingue de celui précédemment décrit par le fait que le doigt froid 120 n'est pas en communication fluidique avec ledit circuit 130 de fluide caloporteur et en ce qu'il comporte une dérivation directe en T 160 reliant fluidiquement générateur d'onde de pression et de débit 110 et le doigt froid 120. Un interrupteur de chauffage est activé dès que le refroidisseur est mis en marche. On notera que cette intégration est celle qui a le moins d'impact sur le refroidisseur. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux figures annexées. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.