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Title:
CRYOREFRIGERATION DEVICE AND METHOD OF IMPLEMENTATION
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/017357
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention proposes a reliable high-performance cryorefrigeration device, the level of thermal oscillations of which may be minimized so as to be below a threshold value. For this purpose, the subject of the invention is a cryorefrigeration device comprising N periodically operating cryorefrigerators (100), N being an integer equal to or greater than 2, each cryorefrigerator being provided with a cold end coupled to a common cold end (300), the cryorefrigerators being linked to a control device provided with a phase-shift means capable of making the cryorefrigerators operate in phase-shifted relationship one with respect to another.

Inventors:
VIARGUES FRANCOIS (FR)
COMMUNAL DANIEL (FR)
CHICHOUX MARC (FR)
MARZO GERARD (FR)
Application Number:
IB2011/053346
Publication Date:
February 09, 2012
Filing Date:
July 27, 2011
Export Citation:
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Assignee:
COMMISSARIAT ENERGIE ATOMIQUE (FR)
VIARGUES FRANCOIS (FR)
COMMUNAL DANIEL (FR)
CHICHOUX MARC (FR)
MARZO GERARD (FR)
International Classes:
F25B9/14
Domestic Patent References:
WO2002077552A12002-10-03
Foreign References:
JP2002090022A2002-03-27
US20050028534A12005-02-10
Attorney, Agent or Firm:
RATABOUL, Xavier et al. (FR)
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Claims:
REVENDICATIONS

1. Dispositif de cryoréfrigération comprenant N cryoréfrigérateurs à fonctionnement périodique, N étant un entier supérieur ou égal à 2, munis chacun d'un bout froid relié à un bout froid commun, les cryoréfrigérateurs étant associés à un dispositif de commande muni d'un moyen de déphasage apte à commander un fonctionnement déphasé des cryoréfrigérateurs les uns par rapport aux autres, caractérisé en ce que le bout froid de chaque cryoréfrigérateur est relié au bout froid commun par l'intermédiaire d'un moyen de découplage mécanique conducteur thermique.

2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le moyen de déphasage est apte à commander un fonctionnement déphasé de 2π/Ν, à plus ou moins 5 degrés près, entre chaque cryoréfrigérateur.

3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, dans lequel les cryoréfrigérateurs sont identiques.

4. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel les cryoréfrigérateurs sont des tubes à gaz puisé ou des cryoréfrigérateurs Gifford-Mac ahon.

5. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel le moyen de découplage mécanique conducteur thermique comprend une pluralité de tresses de fils conducteurs thermiques fixées entre deux plateaux de fixation en contact thermique avec, respectivement, le bout froid d'un cryoréfrigérateur et le bout froid commun.

6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les fils conducteurs thermiques des tresses sont en cuivre Cu/a1 et présentent un diamètre compris entre 0,03 mm et 0,1 mm, de préférence égal à 0,05mm, et les plateaux de fixation présentent un rapport de résistivité résiduelle au moins égal à 50.

7. Dispositif selon l'une des revendications 5 ou 6, dans lequel les plateaux de fixation et/ou le bout froid commun sont en cuivre Cu/a1 ou Cu/c1.

8. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel les fils conducteurs thermiques des tresses sont soudés sur les plateaux de fixation par soudure à faisceau d'électrons de sorte que la continuité de la matière est assurée.

9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le bout froid commun comprend un capteur de température relié au dispositif de commande.

10. Procédé de mise en œuvre d'un dispositif de cryoréfrigération selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant une étape de commande des N cryoréfrigérateurs de manière déphasée les uns par rapport aux autres, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de réglage du déphasage entre chacun des N cryoréfrigérateurs, cette étape de réglage comprenant les étapes suivantes :

a1 ) faire fonctionner les N cryoréfrigérateurs simultanément, selon un déphasage quelconque ;

b1 ) mesurer des variations de température du bout froid commun avec le capteur de température et calculer la température moyenne du bout froid commun ;

c1) commander un fonctionnement déphasé entre chaque cryoréfrigérateur jusqu'à ce que les variations de température du bout froid commun au cours du fonctionnement du dispositif de cryoréfrigération soient inférieures à une valeur seuil, de préférence inférieure à 2% en valeur absolue de la température moyenne du bout froid commun, avantageusement inférieure à 1% en valeur absolue de la température moyenne du bout froid commun ; d1 ) fixer la phase de fonctionnement de chacun des N cryoréfrigérateurs.

11. Procédé de mise en œuvre d'un dispositif de cryoréfrigération selon l'une des revendications 1 à 9, comprenant une étape de commande des N cryoréfrigérateurs de manière déphasée les uns par rapport aux autres, caractérisé en ce qu'il comprend une étape de réglage du déphasage entre chacun des N cryoréfrigérateurs, cette étape de réglage comprenant les étapes suivantes : a2) faire fonctionner les N cryoréfrigérateurs simultanément, selon un déphasage de 2π/Ν entre chaque cryoréfrigérateur ;

b2) mesurer des variations de température du bout froid commun avec le capteur de température et calculer la température moyenne du bout froid commun ;

c2) faire varier la phase de N-1 cryoréfrigérateurs autour de leur phase initiale de l'étape a) jusqu'à ce que les variations de température du bout froid commun au cours du fonctionnement du dispositif de cryoréfrigération soient inférieures à la valeur seuil, de préférence inférieure à 2% en valeur absolue de la température moyenne du bout froid commun, avantageusement inférieure à 1% en valeur absolue de la température moyenne du bout froid commun ;

d2) fixer la phase de fonctionnement de chacun des N cryoréfrigérateurs.

Description:
DISPOSITIF DE CRYORÉFRIGÉRATION ET PROCÉDÉ DE MISE EN

ŒUVRE.

La présente invention concerne un dispositif de cryoréfrigération et un procédé de mise en œuvre.

Un dispositif de cryoréfrigération est un appareil à fonctionnement cyclique produisant du froid à une température inférieure à 120 K, sans retrait de matière hors du cycle.

Parmi les cryoréfrigérateurs connus, les tubes à gaz puisé (puise tube en anglais) sont particulièrement intéressants, en raison de l'absence de pièce mobile à froid, ce qui a pour conséquence un faible niveau de vibrations induites ainsi qu'une fiabilité et une durée de vie élevées. Les tubes à gaz puisé sont donc avantageusement utilisés dans le domaine spatial ou dans le domaine du refroidissement de détecteurs sensibles.

Les cryoréfrigérateurs (tubes à gaz puisé, machines Gifford- ac ahon, etc.) ont leur fonctionnement basé sur un cycle alternatif à gaz (avantageusement de l'hélium). Le comportement en température d'un cryoréfrigérateur n'est pas parfaitement sinusoïdal, mais il est périodique. La puissance frigorifique est obtenue par des détentes successives de l'hélium de cycle, rythmées par une vanne rotative.

Les cryoréfrigérateurs comprennent une partie motrice (compression) faisant circuler le gaz dans une seconde partie dite « tête froide », selon des cycles de compression/détente pour générer une température utile pour l'utilisateur.

La tête froide présente une forme générale allongée dont l'extrémité libre (c'est-à-dire à l'opposé de la partie motrice) représente l'interface utile pour l'utilisateur, et est appelée le « bout froid ». Le bout froid est enfermé dans une enceinte isolante qui contient l'objet à refroidir. L'intérieur de l'enceinte est soumis au vide pour limiter les entrées de chaleur.

Le fonctionnement alternatif génère par nature d'importantes oscillations thermiques au niveau du bout froid du cryoréfrigérateur. Ce bout froid, généralement en cuivre, a une masse bien plus importante que le gaz de cycle subissant les compressions-détentes. Il est toutefois incapable de lisser correctement les oscillations par inertie thermique, car aux températures considérées (3 à 20K typiquement), les matériaux solides présentent une chaleur spécifique volumique très petite devant celle de l'hélium.

Des mesures d'oscillations thermiques ont été effectuées sur divers cryoréfrigérateurs (Gifford ou tubes à gaz puisé). Les amplitudes crête- crête de la température prise au niveau du bout froid ont été mesurées entre 300 mK et 2200 mK. Ces oscillations thermiques sont donc très importantes et sont gênantes pour certaines applications.

Des systèmes destinés à réduire les vibrations mécaniques des cryoréfrigérateurs sont proposés par les constructeurs : une "chaussette" entoure le bout froid, avec un certain jeu rempli de gaz d'échange (hélium). Ce système procure un amortissement (modéré) des oscillations thermiques et donc des vibrations mécaniques, mais au prix d'un écart de température important entre la température utile pour l'utilisateur et la température du bout froid, ce qui dégrade les performances. Autrement dit, la température utilisable par l'utilisateur ne sera pas aussi basse que celle générée par le tube à gaz puisé.

De même, il a été proposé de réduire les oscillations thermiques par filtrage, en associant à un tube à gaz puisé, une résistance thermique et une capacité thermique, comme pour un circuit RC en électricité. Cependant, si la présence d'une résistance thermique introduite artificiellement est efficace pour le filtrage, elle a l'inconvénient de générer également un écart de température important entre la température utile pour l'utilisateur et la température du bout froid.

Le document US 2005/0028534 décrit un dispositif de cryoréfrigération intégrant plusieurs cryoréfrigérateurs à fonctionnement périodique. Pour réduire le niveau de vibrations induites au bout froid par le fonctionnement cyclique des cryoréfrigérateurs, ce document propose, d'une part, un fonctionnement déphasé des cryoréfrigérateurs et, d'autre part, la fusion en un bout froid commun unique des bouts froids des cryoréfrigérateurs individuels. Cet agencement particulier consiste à raccorder les tubes de chaque cryoréfrigérateur au bout froid commun de manière à obtenir un agencement symétrique par rapport au centre du bout froid commun. Ainsi, lors des cycles de compression/détente du gaz, les déformations sur les tubes se compensent partiellement et induisent au niveau du bout froid commun un niveau de vibrations plus faible que pour les cryoréfrigérateurs individuels.

Cependant, une telle solution implique nécessairement la fabrication d'un cryoréfrigérateur multiple spécialement conçu, dont le bout froid connecte les divers tubes des cryoréfrigérateurs individuels.

L'invention a pour objet de pallier ces inconvénients en proposant un dispositif de cryoréfrigération économique, c'est-à-dire pouvant être réalisé avec des cryoréfrigérateurs du commerce, fiable, performant, c'est-à-dire sans écart significatif entre la température générée et la température utile, et dont le niveau d'oscillations thermiques peut être minimisé pour être inférieur à une valeur seuil, de préférence inférieur à 2% de la température moyenne générée.

A cette fin, l'invention a pour objet un dispositif de cryoréfrigération, comprenant N cryoréfrigérateurs à fonctionnement périodique, N étant un entier supérieur ou égal à 2, munis chacun d'un bout froid relié à un bout froid commun, les cryoréfrigérateurs étant associés à un dispositif de commande muni d'un moyen de déphasage apte à commander un fonctionnement déphasé des cryoréfrigérateurs les uns par rapport aux autres le bout froid de chaque cryoréfrigérateur étant relié au bout froid commun par l'intermédiaire d'un moyen de découplage mécanique conducteur thermique .

Selon d'autres caractéristiques de l'invention :

- le moyen de déphasage peut être apte à commander un fonctionnement déphasé de 2π/Ν, à plus ou moins 5 degrés près, entre chaque cryoréfrigérateur ;

- les cryoréfrigérateurs peuvent être identiques ;

- les cryoréfrigérateurs peuvent être des tubes à gaz puisé ou des cryoréfrigérateurs Gifford-MacMahon ; - le moyen de découplage mécanique conducteur thermique peut comprendre une pluralité de tresses de fils conducteurs thermiques fixées entre deux plateaux de fixation en contact thermique avec, respectivement, le bout froid d'un cryoréfrigérateur et le bout froid commun ;

- les fils conducteurs thermiques des tresses peuvent être en cuivre Cu/a1 et présenter un diamètre compris entre 0,03 mm et 0,1 mm, de préférence égal à 0,05mm, et les plateaux de fixation présentent un rapport de résistivité résiduelle au moins égal à 50 ;

- les plateaux de fixation et/ou le bout froid commun peuvent être en cuivre Cu/a1 ou Cu/c1 ;

- les fils conducteurs thermiques des tresses peuvent être soudés sur les plateaux de fixation par soudure à faisceau d'électrons de sorte que la continuité de la matière est assurée ; et/ou

- le bout froid commun peut comprendre un capteur de température relié au dispositif.de commande.

L'invention se rapporte également à un procédé de mise en œuvre d'un dispositif de cryoréfrigération précédent, comprenant une étape de commande des N cryoréfrigérateurs de manière déphasée les uns par rapport aux autres.

Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le procédé comprend une étape de réglage du déphasage entre chacun des N cryoréfrigérateurs, cette étape de réglage comprenant les étapes suivantes :

a1) faire fonctionner les N cryoréfrigérateurs simultanément, selon un déphasage quelconque ;

b1 ) mesurer des variations de température du bout froid commun avec le capteur de température et calculer la température moyenne du bout froid commun ; c1) commander un fonctionnement déphasé entre chaque cryoréfrigérateur jusqu'à ce que les variations de température du bout froid commun au cours du fonctionnement du dispositif de cryoréfrigération soient inférieures à une valeur seuil, de préférence inférieure à 2% en valeur absolue de la température moyenne du bout froid commun, avantageusement inférieure à 1% en valeur absolue de la température moyenne du bout froid commun ; d1 ) fixer la phase de fonctionnement de chacun des N cryoréfrigérateurs ; et/ou

Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, le procédé comprend une étape de réglage du déphasage entre chacun des N cryoréfrigérateurs, cette étape de réglage comprenant les étapes suivantes :

a2) faire fonctionner les N cryoréfrigérateurs simultanément, selon un déphasage de 2π/Ν entre chaque cryoréfrigérateur ;

b2) mesurer des variations de température du bout froid commun avec le capteur de température et calculer la température moyenne du bout froid commun ;

c2) faire varier la phase de N-1 cryoréfrigérateurs autour de leur phase initiale de l'étape a) jusqu'à ce que les variations de température du bout froid commun au cours du fonctionnement du dispositif de cryoréfrigération soient inférieures à la valeur seuil, de préférence inférieure à 2% en valeur absolue de la température moyenne du bout froid commun, avantageusement inférieure à 1% en valeur absolue de la température moyenne du bout froid commun ; d2) fixer la phase de fonctionnement de chacun des N cryoréfrigérateurs.

Par convention, les étapes de ce procédé sont faites dans l'ordre alphabétique.

D'autres caractéristiques de l'invention seront énoncées dans la description détaillée ci-après faite en référence aux figures qui représentent, respectivement :

- la figure 1 , une vue schématique en perspective d'un dispositif de cryoréfrigération selon l'invention ; - la figure 2, une vue schématique en perspective d'un coupleur thermique (bout froid commun) muni de deux moyens de découplage mécanique selon l'invention, destinés à être fixés en contact thermique avec les bouts froids des deux cryoréfrigérateurs ;

- la figure 3, un graphique illustrant la température de bout froid de deux cryoréfrigérateurs déphasés et la température du coupleur thermique ;

- la figure 4, un schéma de régulation du déphasage d'un système de mise en œuvre d'un dispositif selon l'invention ;

- la figure 5, un graphique illustrant les oscillations thermiques du bout froid commun lorsque l'on fait varier de façon continue le déphasage entre deux tubes à gaz puisé, et cela pour deux niveaux de température moyenne du bout froid commun ; et

- la figure 6, une vue schématique en plan d'un deuxième mode de réalisation d'un dispositif de cryoréfrigération selon l'invention.

En référence à la figure 1 , un dispositif de cryoréfrigération selon l'invention comprend deux cryoréfrigérateurs 100 identiques à fonctionnement périodique. Ces cryoréfrigérateurs sont des tubes à gaz puisé de type connu (par exemple de tubes PT415 de la société CRYOMECH) dont la structure est représentée en figure 1 mais ne sera pas entièrement décrite en détail, l'homme du métier connaissant cette structure.

Principalement, chaque cryoréfrigérateur 100 comprenant une partie motrice 110 faisant circuler le gaz dans une seconde partie 120 dite « tête froide », selon des cycles de compression/détente pour générer une température utile pour l'utilisateur.

La partie motrice 110 est reliée, dans le mode de réalisation illustré, à un compresseur (non représenté).

La tête froide 120 présente une forme générale allongée dont l'extrémité opposée de la partie motrice est le bout froid 121.

Les deux cryoréfrigérateurs 100 sont montés côte à côte sur une platine commune 200 d'enceinte à vide et supportés mécaniquement par une bride de fixation 101. Lors du fonctionnement, la partie motrice et la platine 200 supportant les deux cryoréfrigérateurs restent à température ambiante (300 K). Ainsi, l'entraxe des deux machines ne varie pas. Au contraire, la tête froide 120, située sous la platine 200, est enfermée dans une enceinte à vide et subit des contractions thermiques.

Un barreau de couplage 300 en matériau conducteur thermique (de préférence en cuivre, avantageusement en cuivre Cu/a1 ou Cu/c1) est relié thermiquement aux bouts froids des deux cryoréfrigérateurs, qu'il réunit. C'est ce barreau 300, ou "coupleur thermique", qui constitue le bout froid commun. L'objet à refroidir se monte sur le barreau de couplage 300, comme il se monterait sous le bout froid dans le cas d'un tube à gaz puisé unique.

Les dénominations selon la norme NF A 51-050 de Cu-a1 et Cu-c1 se traduisent de la manière suivante en dénomination ISO 431 :

· Le Cu-a1 devient le Cu-ETP

• Le Cu-c1 devient le Cu-OF

Le cuivre Cu-A1 (ou Cu-ETP) présente une teneur en cuivre supérieure à 99,90 %. Il s'agit d'un cuivre affiné électrolytiquement, non désoxydé, à conductivité garantie.

Le cuivre Cu-C1 (ou Cu-OF) présente une teneur en cuivre supérieure à 99,95 %. Ce type de cuivre est un cuivre exempt d'oxygène ou désoxydé avec trace de désoxydant résiduel. En tout état de cause, la teneur en désoxydant résiduel est trop faible pour influer sur la conductivité.

La géométrie du barreau de couplage 300 est choisie pour optimiser le comportement thermique. Pour un nombre de tubes à gaz puisé supérieur à 2, le barreau présente avantageusement une forme en triangle, en carré, en disque, etc.

Le barreau de couplage 300 passe entièrement à basse température et se contracte (4 mm/m pour le cuivre). Pour un dispositif de cryoréfrigération selon l'invention, à deux tubes à gaz puisé, le barreau peut atteindre une cinquantaine de centimètres, de sorte que la contraction peut atteindre 2 mm environ. Si le nombre de tubes augmente, la longueur du barreau et donc la contraction augmentent.

L'invention prévoit un moyen 400 de découplage mécanique conducteur thermique entre les cryoréfrigérateurs 100 et le barreau de couplage 300, de sorte que la contrainte provoquée par la contraction du barreau n'est pas transmise aux tubes à gaz puisé.

Un premier mode de réalisation, non illustré, consiste à prévoir un soufflet sous les brides de fixation des cryoréfrigérateurs à la platine de l'enceinte à vide. L'entraxe des cryoréfrigérateurs est alors libre de se réduire de 1 à 2 mm lors de la contraction du barreau froid. Toutefois, il faut prévoir des soufflets très souples pour limiter les contraintes induites dans les tubes des réfrigérateurs, alors que la pression atmosphérique extérieure appuie fortement sur les soufflets qui sont intérieurement en communication avec le vide de l'enceinte.

Un deuxième mode de réalisation préféré est illustré en figures 1 et 2.

Dans ce mode de réalisation, le bout froid 121 de chaque cryoréfrigérateur 100 est relié au bout froid commun 300 par l'intermédiaire d'un moyen 400 de découplage mécanique conducteur thermique.

Dans un exemple de réalisation avantageux, le moyen 400 de découplage mécanique conducteur thermique comprend une pluralité de tresses 410 de fils conducteurs thermiques fixées entre deux plateaux de fixation 420-430 en contact thermique avec, respectivement, le bout froid 121 d'un cryoréfrigérateur 100 et le bout froid commun 300.

La conception de cet exemple de réalisation doit être faite avec le souci de dégrader aussi peu que possible la connexion thermique entre le bout froid commun et la source froide constituée, ici, par les tubes à gaz puisé. Le moyen 400 de découplage mécanique conducteur thermique se doit de transmettre un flux de chaleur avec une chute de température (ΔΤ) la plus faible possible.

De préférence, le moyen 400 de découplage mécanique conducteur thermique est réalisé au moyen de tresses de cuivre aussi courtes et aussi nombreuses que possible. Les tresses sont choisies pour leurs qualités de conductivité thermique élevée à basse température, et leur grande souplesse (fils très fins).

De préférence, les fils conducteurs thermiques des tresses sont en cuivre Cu/a1 ou Cu/c1 , et présentent un diamètre compris entre

0,03 mm et 0,1 mm, de préférence égal à 0,05 mm. La souplesse entre les plateaux 420-430 et le barreau 300 dépend fortement du diamètre de ces fils.

Le dimensionnement des tresses découle d'un compromis mécanique-thermique. Les calculs thermiques incitent à utiliser des tresses de grande section totale et de faible longueur (conduction thermique) pour limiter la chute de température perdue (ΔΤ) par conduction. Les calculs mécaniques incitent à utiliser des tresses les plus souples possible, donc à utiliser du fil fin

(typiquement ayant un diamètre de 0,05 mm) et pas trop court (typiquement environ 30 mm pour des tresses de section d'environ 25 mm 2 ). A titre d'exemple, une tresse peut être constituée de 12 torons de 1062 fils de diamètre 0,05 mm.

Également préférentiellement, les plateaux de fixation 420-

430 présentent un rapport de résistivité résiduelle (RRR), au moins égal à 50.

Pour cela, les plateaux de fixation 420-430 sont choisis en cuivre à haute conductivité thermique à basse température (Cu/a1 ou Cu/c1 ). Il en va de même pour le bout froid commun.

Le rapport de résistivité résiduelle donne une bonne image de la conductivité du cuivre à basse température. Il peut être mesuré selon la norme internationale (IEC 61788- 1 ) de 2003.

Alternativement, la méthode suivante peut être utilisée pour calculer le rapport de résistivité résiduelle des plateaux de fixation selon la présente invention :

• On prélève dans le bloc de matière à qualifier, une éprouvette longiligne de section environ 4 mm 2 et de longueur environ 50 mm.

· L'éprouvette est montée sur une canne cryogénique destinée à être plongée dans un vase de Dewar d'hélium liquide. • Les extrémités de deux câbles d'amenée de courant (diamètre 1 mm) sont soudées à l'étain aux deux extrémités de l'éprouvette.

• Deux autres câbles électriques (diamètre 0,2 mm) servant de prises de tension sont mis en contact (mais pas soudés) avec les extrémités de l'éprouvette, dans la zone non polluée par la soudure à l'étain de l'éprouvette. En effet, l'étain ayant migré dans le cuivre peut influencer la valeur du RRR. Les prises de tension sont éloignées d'une distance d'environ 100 mm.

• La canne et l'éprouvette étant à température ambiante, un courant de 10 A est envoyé à travers l'éprouvette. La tension se développant entre les deux prises de tension est mesurée au moyen d'un microvoltmètre.

• La canne est ensuite plongée dans l'hélium liquide, de sorte que l'éprouvette soit entièrement amenée à la température de vapeur saturante de l'hélium (4,2K).

· Le courant de 10 A étant maintenu à travers l'éprouvette, la nouvelle valeur de la différence de potentiel développée le long de l'éprouvette est mesurée au moyen du microvoltmètre.

• Le rapport de la tension développée à température ambiante sur la tension à 4,2K donne directement le RRR de l'éprouvette, sans qu'il soit besoin de remonter à la résistance électrique réelle de l'éprouvette. Les valeurs de RRR supérieures à 50 sont considérées comme les plus efficaces pour la mise en œuvre de l'invention. Les cuivres à bas RRR, tels que le Cu-b, ont un RRR inférieur à 8 et on les évitera pour des applications où la conductivité thermique est importante.

D'autre part, les fils conducteurs thermiques des tresses sont avantageusement soudés sur les plateaux de fixation par soudure à faisceau d'électrons de sorte que la continuité de la matière est assurée et la conduction de la chaleur est possible avec le minimum de chute de température (ΔΤ) entre le bout froid 121 de chaque cryoréfrigérateur et le bout froid commun.

Le dispositif de cryoréfrigération précédent a été décrit avec N cryoréfrigérateurs individuels existants. Néanmoins, l'invention concerne également un dispositif de cryoréfrigération (non illustré) comprenant un seul cryoréfrigérateur dit « intégré », incorporant toutes les fonctions précédentes, par exemple à l'aide de N circuits de réfrigération indépendants comprenant chacun un bout froid relié à un bout froid commun.

Les cryoréfrigérateurs sont très avantageusement identiques, c'est-à-dire de même réponse thermique dans leurs cycles de fonctionnement, cette réponse étant à peu près symétrique par rapport à une température moyenne. Typiquement, deux cryoréfrigérateurs identiques sont de même marque et de même modèle.

Le principe selon l'invention de l'amortissement des oscillations thermiques par déphasage des cryoréfrigérateurs est très facilement mis en oeuvre lorsque les cryoréfrigérateurs ont une même réponse thermique dans leurs cycles de fonctionnement, et lorsque cette réponse est à peu près symétrique par rapport à une température moyenne. La température générée au bout froid de chacune de ces machines est alternativement plus élevée et plus basse que la température moyenne (oscillations thermiques). Si l'on synchronise deux machines identiques en opposition de phase, l'une aura une température plus élevée que la moyenne au même moment que l'autre aura une température plus basse.

Pour des courbes théoriques de réponse cyclique en température parfaitement symétriques par rapport à la température moyenne constante (exemples : réponse sinusoïdale ou créneaux rectangulaires, ou triangulaires, ...) la compensation serait parfaite et la température résultante serait constante et égale à la température moyenne. En pratique, les courbes de réponse réelles ne sont ni sinusoïdales, ni même parfaitement symétriques par rapport à la température moyenne. La compensation n'est donc pas parfaite. En utilisant des cryoréfrigérateurs identiques, la compensation tend plus facilement vers la perfection. Les réglages de l'électronique de commande permettent de synchroniser au mieux les cryoréfrigérateurs mais ne permettent pas de rattraper des dissymétries. La compensation sera donc bien plus efficace en utilisant des cryoréfrigérateurs identiques. En pratique, on visera à tendre au mieux vers la symétrie (permettant une bonne compensation), en choisissant de préférence des cryoréfrigérateurs identiques, en les commandant avec exactement la même fréquence et de manière déphasée (la phase étant calculée en fonction du nombre de cryoréfrigérateurs utilisés). Si l'on utilise des tubes à gaz puisé identiques à deux étages d'échangeur de chaleur (comme illustré en figure 6) on régule les premiers étages des cryoréfrigérateurs exactement à la même température afin de symétriser au mieux leur fonctionnement, donc leur réponse en température.

La mise en œuvre du dispositif de cryoréfrigération selon l'invention est décrite ci-après, en référence aux figures 3 à 5.

Un dispositif de cryoréfrigération selon l'invention, et décrit ci- dessus, comprend N cryoréfrigérateurs 100 (ou un cryoréfrigérateur intégré) à fonctionnement périodique, N étant un entier supérieur ou égal à 2, munis chacun d'un bout froid 121 relié à un bout froid commun 300. Ces N cryoréfrigérateurs 100, ou le cryoréfrigérateur intégré, sont associés, selon l'invention, à un dispositif de commande muni d'un moyen de déphasage apte à commander un fonctionnement déphasé des cryoréfrigérateurs 100, ou des N circuits de réfrigération du cryoréfrigérateur intégré, les uns par rapport aux autres.

Le résultat d'une commande de deux cryoréfrigérateurs de manière déphasée l'un A par rapport à l'autre B est illustré en figure 3.

Des essais ont été réalisés avec deux tubes A et B à gaz puisé PT415 (fabriqué par la société CRYOMECH) reliés par un moyen de découplage mécanique selon l'invention (figure 2). Un capteur de température CERNOX type AA (fabriqué par la société LAKESHORE) monté au centre du bout froid commun et connecté à un système d'acquisition rapide permet d'observer les fluctuations de la température.

A chaque cryoréfrigérateur est normalement associé un compresseur et un module électronique de commande du moteur d'entraînement de sa vanne rotative. Chacun de ces modules intègre un oscillateur et un circuit de puissance qui pilote le moteur. Pour une mise en œuvre préférée de l'invention, ces modules ont été déconnectés et remplacés par de simples modules de puissance sans oscillateur (modèle MFM1CSZ34N7 de la société MDP). Les oscillateurs ont été remplacés par un générateur de signaux à double sortie (modèle AGF3102 de la société TEKTRONIX). Les sorties du générateur peuvent être synchronisées en fonctionnement normal ou séparées pendant l'étape de réglage.

Comme le montre la figure 3, le comportement en température de chacun des deux cryoréfrigérateurs A (courbe en pointillés) et B (courbe en tirets) n'est pas parfaitement sinusoïdal, mais il est périodique. La température moyenne obtenue dans ce cas est de 10,6 K. La température du bout froid de chacun des cryoréfrigérateurs A et B varie périodiquement entre -800 mK et + 800 mK. Lorsque les deux machines travaillent sensiblement en opposition de phase, les variations de température se compensent en partie : les variations de température du bout froid commun (courbe en trait continu) sont inférieures à 100 mK en valeur absolue. Sur la figure 3, le déphasage Δφ entre les deux cryoréfrigérateurs est égal à 177°, soit environ 2π/2 (N = 2 dans ce mode de réalisation). Si le dispositif de cryoréfrigération avait comporté 3, 4 ou N tubes à gaz puisé, le déphasage entre chacun des tubes aurait été de 2π/3, 2π/4, ou 2π/Ν environ.

Au cours du fonctionnement normal du dispositif selon l'invention sensiblement en opposition de phase (N = 2) ou en décalage de phase (N supérieur à 2), il peut apparaître un dérèglement du dispositif, de sorte que le déphasage ne permet plus de minimiser des variations de température du bout froid commun, ou de maintenir ces variations de température sous une valeur seuil. Une étape de réglage du déphasage entre chacun des N cryoréfrigérateurs est alors nécessaire. Cette étape est décrite ci-après, en référence aux figures 4 et 5.

Les cryoréfrigérateurs du type "tube à gaz puisé" ou machines "Gifford-MacMahon", sont des machines périodiques dont le cycle est cadencé par un distributeur entraîné par un moteur. La synchronisation de plusieurs machines, dans le but de lisser les fluctuations de température, nécessite des vitesses identiques pour les distributeurs, mais avec un déphasage adéquat.

Dans un système intégré qui regroupe plusieurs circuits de réfrigération dans le même dispositif, il est possible de coupler mécaniquement les distributeurs entre eux ou même de réaliser un distributeur unique assurant par construction le déphasage nécessaire entre les circuits de réfrigération.

Par la suite, le procédé de mise en œuvre selon l'invention est décrit en relation avec un dispositif comprenant N cryoréfrigérateurs individuels. Cependant, ce procédé est parfaitement applicable à un cryoréfrigérateur intégré, comprenant N circuits de réfrigération.

Pour synchroniser N cryoréfrigérateurs identiques indépendants, l'invention propose de réaliser un "arbre électrique" entre les moteurs d'entraînement des distributeurs pour obtenir des vitesses identiques (voir figure 4). L'invention propose également de permettre un décalage momentané entre les mouvements de ces distributeurs pendant la phase de réglage qui consiste à rechercher le minimum des fluctuations de température ou à faire passer les fluctuations de température en dessous d'une valeur seuil.

Dans les tubes à gaz puisé ou les machines "Gifford- MacMahon", le distributeur est entraîné par un moteur synchrone du type pas à pas. La figure 4 montre le principe d'une structure de commande intégrant un système de calage automatique en opposition de phase pour deux cryoréfrigérateurs. Ce système est évidemment généralisable à N cryoréfrigérateurs.

Le dispositif mesure la température centrale du bout commun ("coupleur thermique") 300 à l'aide d'un thermomètre 310 et extrait les fluctuations de cette température autour de la fréquence de fonctionnement par filtrage passe bande et détection d'amplitude.

En position automatique, le dispositif effectue un réglage de la phase pour se caler sur l'amplitude minimale des fluctuations en agissant sur le déphaseur par incréments en plus ou en moins selon le signe de la dérivée du signal d'amplitude. Lorsque le réglage est terminé, la boucle de régulation peut être inhibée en passant en position "verrouillé". En position "contrôle manuel", le déphasage peut être ajusté lentement de manière quasi continue par un opérateur.

Ainsi, d'une manière générale, l'étape de réglage comprenant les étapes suivantes :

a1 ) faire fonctionner les N cryoréfrigérateurs simultanément, selon un déphasage quelconque ;

b1 ) mesurer des variations de température du bout froid commun avec le capteur de température et calculer la température moyenne du bout froid commun ;

d ) commander un fonctionnement déphasé entre chaque cryoréfrigérateur jusqu'à ce que les variations de températures du bout froid commun au cours du fonctionnement du dispositif de cryoréfrigération soient inférieures à une valeur seuil en valeur absolue (de préférence inférieure à 2% en valeur absolue de la température moyenne du bout froid commun, avantageusement inférieure à 1 % en valeur absolue de la température moyenne du bout froid commun) ;

d1 ) fixer la phase de fonctionnement de chacun des N cryoréfrigérateurs.

Bien entendu, on ne fait pas varier la phase de tous les N cryoréfrigérateurs. On choisit arbitrairement un cryoréfrigérateur de référence parmi les N cryoréfrigérateurs, et on fait varier la phase des N-1 autres cryoréfrigérateurs de sorte que tous les N cryoréfrigérateurs soient décalés, chacun entre eux, sensiblement de 2π/Ν.

Selon un mode de réalisation préféré, le fonctionnement de chacun des N cryoréfrigérateurs est initialement déphasé de 2π/Ν entre eux (étape a2) et non aléatoirement déphasés. Lors d'une étape c2), la phase de N-1 cryoréfrigérateurs est ajustée autour de leur phase initiale de l'étape a2) jusqu'à ce que les variations de température du bout froid commun au cours du fonctionnement du dispositif de cryoréfrigération soient inférieures à la valeur seuil en valeur absolue. La figure 5 présente un enregistrement des oscillations thermiques recueillies dans la partie centrale du bout froid commun lorsque l'on fait varier de façon continue le déphasage entre deux tubes à gaz puisé, et cela pour deux niveaux de température moyenne du bout froid commun : 5 K (courbe en trait plein) et 11 K (courbe en pointillés).

Ces mesures ont été réalisés avec deux tubes A et B à gaz puisé PT415 (société CRYOMECH) reliés par un moyen de découplage mécanique selon l'invention (figure 2). Un capteur de température monté au centre du bout froid commun et connecté à un système d'acquisition permet d'observer les fluctuations de la température sur un enregistreur.

La figure 5 montre que plus la température moyenne du bout froid est élevée, plus les variations de température peuvent être importantes. Ainsi, pour une température moyenne de 11 K, les variations de température peuvent atteindre presque 500 mK. Pour une température moyenne de 5 K, les variations de température peuvent atteindre presque 200 mK.

En modifiant la fréquence de l'un des tubes par rapport à l'autre (ou plus généralement de N-1 tubes par rapport au dernier tube), on commande un glissement continu de la phase du premier tube par rapport à l'autre : pour un écart de fréquence de 0,6% entre les deux tubes, le déphasage atteint 180° (2π/2) en 60s environ.

Sur le graphique de la figure 5, le maximum de variation de température moyenne du bout froid commun est obtenu lorsque les tubes A et B sont en phase (sensiblement à 3 secondes et demi). Le minimum de variation de température moyenne du bout froid commun est obtenu lorsque les tubes A et B sont en opposition de phase (sensiblement à une demi seconde et à 7 secondes).

Une fois la procédure de réglage effectuée, on synchronise les sorties du générateur pour fixer la phase de fonctionnement de chacun des N cryoréfrigérateurs.

Un deuxième mode de réalisation (non illustré) consiste en une carte électronique regroupant les fonctions décrites sur le schéma de la figure 4, ainsi qu'une interface homme-machine simplifiée afin de commander les réglages et contrôler le niveau des fluctuations.

Le dispositif décrit ci-avant est basé sur l'utilisation de deux tubes à gaz puisé du commerce, tels qu'ils existent sur catalogue. Comme le montre la figure 6, il est possible d'associer de la même façon 3, 4 ou N cryoréfrigérateurs 100, en reliant leurs bouts froids par un bout froid commun, et en déphasant leur fonctionnement de 2π/Ν. Plus le nombre N de cryoréfrigérateurs associés est grand, plus la réponse en température du bout froid commun est lisse, c'est-à-dire présentant de faibles oscillations thermiques.

Si l'on utilise des tube à gaz puisé à deux étages 102-103 d'échangeur de chaleur (comme illustré en figure 6), il peut être avantageux de relier thermiquement entre eux le premier étage 102 de chaque tube 100 par une tresse souple 104 conductrice thermique, ce qui permet de constituer un premier étage » commun » utilisable pour le refroidissement d'écrans thermiques par exemple. Le problème de la chute de température ΔΤ perdue est beaucoup moins important que pour le bout froid commun du deuxième étage 103.

Dans ce mode de réalisation, le déphasage des divers cryoréfrigérateurs est obtenu par une vanne rotative commune 500, distribuant aux divers cryoréfrigérateurs la haute pression et la basse pression, à travers des lumières pratiquées dans celle-ci. La vanne rotative 500 est actionnée par un moteur 501 contrôlé par un dispositif de commande 600 intégré dans le compresseur.