Domaine technique

L’invention concerne une machine cryogénique de type régénérative (par exemple tube à gaz pulsé, Stirling, Gifford-McMahon, etc.)·

Etat de la technique

Il existe différents types de machines cryogéniques. Ces machines cryogéniques sont classées selon deux types : les refroidisseurs récupératifs et les refroidisseurs régénératifs.

Les refroidisseurs récupératifs (cycles de Joule-Thomson ou Brayton inverse) sont basés sur un écoulement continu du fluide de travail, généralement un gaz, qui est comprimé et détendu, la détente se faisant en continu dans un orifice pour le cycle de Joule-Thomson ou dans une turbine pour le cycle de Brayton. Le terme « récupératif » vient du fait qu’un échangeur, généralement contre-courant, est utilisé pour récupérer l’enthalpie du gaz froid issu de la détente pour pré-refroidir le gaz chaud provenant du compresseur.

Pour les refroidisseurs régénératifs, l’écoulement du fluide de travail est alternatif. La compression et la détente de gaz se font de façon cyclique à une fréquence de quelques Hertz pour les refroidisseurs dits « basse fréquence » et à plusieurs dizaines de Hertz pour les refroidisseurs dits « haute fréquence ».

De même que pour les refroidisseurs récupératifs, l’enthalpie du gaz froid issu de la détente doit être récupérée. Cependant, il n’est pas possible d’utiliser un échangeur dans le cas d’un fonctionnement cyclique. On utilise alors un régénérateur pour réaliser cette fonction. Le régénérateur permet de transférer l’enthalpie du gaz froid au gaz chaud entre deux cycles. Le régénérateur met également en œuvre un stockage thermique pour assurer ce transfert de chaleur à deux instants différents.

Les figures 1 et 2 sont des schémas de principe d’une machine cryogénique régénérative de type tube à gaz pulsé fonctionnant à haute fréquence (c’est-à-dire au-delà de 20Hz).

La figure 3 est un schéma de principe d’une machine cryogénique régénérative de type Stirling fonctionnant à haute fréquence.

Les schémas des figures 1 à 3 représentent la topologie générale de ces refroidisseurs, c’est-à-dire dans une configuration schématique dite « en ligne » des doigts froids. Dans d’autres modes de réalisation, la topologie de ces doigts froids peut être également en « U » ou coaxiale, tout en gardant le même principe de fonctionnement et les mêmes composants.

La machine comprend un oscillateur T et un doigt froid 20 en liaison fluidique avec l’oscillateur. La machine contient un fluide de travail, généralement de l’hélium.

L’oscillateur T se présente sous la forme d’un piston animé d’un mouvement de va-et- vient schématisé par la flèche bidirectionnelle, générant ainsi une onde de pression dans le fluide de travail. On parle d’un « oscillateur de pression » car le mouvement de va-et- vient du piston permet de générer une oscillation de pression et non une différence de pression comme dans les machines récupératives.

Le doigt froid 20 (qui peut être notamment de type tube à gaz pulsé, Stirling ou Gifford- McMahon) permet la production de l’effet frigorifique.

Dans le cas d’un tube à gaz pulsé (cf. figures 1 et 2), le doigt froid comprend un premier échangeur de chaleur 2, un régénérateur 3, un second échangeur de chaleur 4, un tube à pulsation 5, un troisième échangeur de chaleur 6, et un système de déphasage 7, 8 ou 9.

Lorsque le piston se déplace vers la droite de la figure 1 ou 2, le fluide de travail est comprimé et passe au travers du premier échangeur de chaleur 2 et du régénérateur 3. Le régénérateur possédant une forte chaleur spécifique et étant isolé thermiquement de l’extérieur de la machine, la température du fluide de travail passe d’une première température T1 , qui est généralement la température ambiante à laquelle est exposée la machine, à une seconde température T2 inférieure à T1. La seconde température est une température cryogénique, c’est-à-dire typiquement inférieure à 120K. Durant cette phase, le fluide de travail cède de l’énergie au régénérateur 3 qui la stocke due à sa forte chaleur spécifique.

Le fluide de travail entre dans le tube à pulsation 5 au travers du second échangeur de chaleur 4. Dans le tube 5, qui est isolé thermiquement de l’extérieur de la machine, le fluide de travail subit une compression et une détente adiabatique successive à la fréquence de fonctionnement de l’oscillateur 1 ’.

Le travail de compression est évacué à l’extrémité du tube à pulsation 5, dans un troisième échangeur de chaleur 6 fonctionnant à température ambiante alors qu’à l’autre extrémité du tube à pulsation 5, la détente permet de baisser la température du gaz dans le deuxième échangeur 4, atteignant une température cryogénique.

Cet effet de découplage thermique de part et d’autre du doigt froid est assuré par un système de déphasage 7, 8 ou « phase shifter » en anglais. Ce système assure le déphasage nécessaire entre l’onde de pression et le débit dans le doigt froid pour que la détente ait lieu au niveau de l’échangeur froid 4. Le système de déphasage est généralement constitué d’une inertance 7 et d’un réservoir tampon 8. L’inertance présente une section de passage faible par rapport à celle du tube à pulsation 5, et le réservoir tampon 8 présente un volume élevé par rapport à celui du tube et de l’inertance ; par conséquent, la pression au sein du réservoir tampon 8 est sensiblement constante.

Dans certains cas, tel qu’illustré sur la figure 2, ce système de déphasage se présente sous la forme d’un piston détendeur 9, similaire à l’oscillateur de pression 1’ mais de volumétrie et de puissance différentes.

Après la phase de détente produisant l’effet frigorifique, le fluide de travail passe au travers du régénérateur 3 en sens inverse et c’est cette fois le régénérateur qui cède l’énergie emmagasinée lors de la compression au fluide de travail refroidi lors de la détente.

Dans le cas d’un refroidisseur Stirling (cf. figure 3), la configuration générale est similaire à celle du tube à gaz pulsé, à la différence que le doigt froid 20 utilise un détendeur mécanique 9 pour assurer la détente du fluide de travail. En d’autres termes, le tube à pulsation 5, l’échangeur 6 et le système de déphasage 7, 8 sont supprimés dans le cas d’un doigt froid Stirling.

Dans les deux cas, et de façon générale pour toutes les machines régénératives, l’oscillateur de pression est un élément critique pour les aspects : coût, performance, taille, masse, fiabilité...

Par ailleurs, il est difficile de déporter l’oscillateur du doigt froid car l’ajout de volume dans le système fait chuter l’amplitude de l’onde de pression et le débit et baisse ainsi la puissance frigorifique.

Enfin, ces oscillateurs de pression utilisent des moteurs linéaires pour créer le mouvement de va-et-vient du piston. Ce type de moteur présente plusieurs inconvénients majeurs.

D’une part, même s’ils sont équilibrés mécaniquement, ces moteurs génèrent des vibrations extrêmement problématiques pour les applications spatiales. Ils nécessitent alors des systèmes annexes contraignants et des électroniques de pilotage complexes, défiabilisantes et coûteuses.

D’autre part, ces oscillateurs sont difficilement extrapolables à de fortes puissances. En effet, au-delà de quelques centaines de Watt, la taille, la masse et le coût de ces oscillateurs deviennent problématiques et infaisables dans certains cas.

Brève description de l’invention

Un but de l’invention est de remédier aux inconvénients précités et en particulier de concevoir une machine cryogénique dans laquelle la génération de l’oscillation de pression est réalisée par un moyen moins coûteux, plus fiable et engendrant moins de vibrations que les oscillateurs existants. Par ailleurs, ladite machine doit pouvoir être utilisée dans un refroidisseur de forte ou de faible puissance.

A cet effet, l’invention propose une machine cryogénique de type régénérative, comprenant un oscillateur de pression,

- au moins un doigt froid en liaison fluidique avec l’oscillateur de pression, ladite machine étant caractérisée en ce que l’oscillateur de pression comprend un compresseur centrifuge et un organe de distribution fluidique configuré pour distribuer alternativement du fluide de travail à haute pression et à basse pression du compresseur centrifuge dans ledit doigt froid.

L’utilisation d’un compresseur centrifuge couplé à un organe de distribution fluidique au lieu d’un oscillateur de pression à moteur linéaire présente plusieurs avantages.

D’une part, le compresseur centrifuge ne génère pas de vibrations, ce qui est particulièrement avantageux dans le domaine spatial et dans toutes les applications où des vibrations risqueraient de perturber le fonctionnement de dispositifs. D’autre part, la transmission de l’onde de pression ne dépendant pas du volume entre le compresseur et le doigt froid, le compresseur peut être déporté du doigt froid, ce qui autorise une plus grande liberté dans la conception de la machine et notamment une plus grande compacité, qui est particulièrement recherchée pour les applications embarquées.

Enfin, un tel compresseur est fiable et est évolutif en fonction de la puissance requise.

Il est par ailleurs possible de coupler plusieurs doigts froids (par exemple Stirling et/ou tube à gaz pulsé) sur un même compresseur.

Selon des caractéristiques optionnelles mais avantageuses de l’invention, éventuellement combinées lorsque cela est techniquement possible :

- le taux de compression du compresseur centrifuge est compris entre 1 ,1 et 1 ,5 ;

- la fréquence de fonctionnement de l’oscillateur de pression est supérieure à 10Hz ;

- le compresseur centrifuge est agencé entre un réservoir tampon dit à basse pression et un réservoir tampon dit à haute pression, l’organe de distribution fluidique étant configuré pour sélectivement mettre en liaison fluidique le doigt froid et l’un des réservoirs tampons à basse et haute pression :

- l’organe de distribution fluidique comprend une vanne rotative ou une vanne de distribution linéaire ;

- la machine comprend un doigt froid de type tube à gaz pulsé incluant un tube à pulsation, un échangeur et un système de déphasage ;

- la machine comprend un doigt froid de type Stirling incluant un piston détendeur ;

- l’organe de distribution fluidique est configuré pour être actionné fluidiquement par le fluide de travail ou mécaniquement par un actionneur externe ;

- l’organe de distribution fluidique est configuré pour être actionné par la tige de commande du piston détendeur du doigt froid ;

- la machine contient de l’hélium en tant que fluide de travail ;

- la machine comprend plusieurs doigts froids, chaque doigt froid étant connecté fluidiquement à un ou plusieurs compresseurs centrifuges ;

- la machine comprend en outre un circuit de circulation de fluide de travail du réservoir tampon à haute pression vers le réservoir tampon à basse pression, de sorte à refroidir une pièce déportée vis-à-vis du doigt froid et découplée mécaniquement dudit doigt froid.

Un autre objet de l’invention concerne un engin spatial comprenant une machine cryogénique telle que décrite ci-dessus.

Brève description des figures

D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront de la description détaillée qui va suivre, en référence aux dessins annexés, sur lesquels : La figure 1 est un schéma de principe d’une machine cryogénique de type tube à air pulsé selon l’état de la technique ;

La figure 2 est un schéma de principe d’une autre machine cryogénique de type tube à air pulsé selon l’état de la technique ;

La figure 3 est un schéma de principe d’une machine cryogénique de type Stirling selon l’état de la technique ;

La figure 4 est un schéma de principe d’une machine cryogénique de type tube à gaz pulsé selon un mode de réalisation de l’invention ;

La figure 5 est un schéma de principe d’une machine cryogénique de type Stirling selon un mode de réalisation de l’invention ;

La figure 6 est un schéma de principe d’une machine cryogénique de type Stirling selon un autre mode de réalisation de l’invention ;

La figure 7 est un schéma de principe d’une machine cryogénique de type tube à gaz pulsé intégrant une fonction d’interrupteur thermique selon un mode de réalisation de l’invention.

Naturellement, ces figures sont données à titre illustratif uniquement.

Les signes de référence identiques d’une figure à l’autre désignent des éléments identiques ou remplissant la même fonction.

Description détaillée de modes de réalisation

La figure 4 est un schéma de principe d’une machine cryogénique de type tube à air pulsé selon un mode de réalisation de l’invention. Les signes de référence identiques à ceux de la figure 1 désignent des éléments identiques ou remplissant la même fonction. Ces éléments ne seront donc pas décrits à nouveau en détail.

En particulier, le doigt froid 20 est similaire à celui des machines existantes, par exemple à celui de la figure 1 ou à celui de la figure 2.

L’oscillateur 1 comprend un compresseur centrifuge couplé fluidiquement d’une part à un réservoir tampon 10 dit à basse pression et un réservoir tampon 11 dit à haute pression. Dans le présent texte, les termes « basse pression » et « haute pression » sont des termes relatifs, une basse pression étant inférieure à une haute pression.

L’oscillateur comprend en outre un circuit fluidique reliant le doigt froid à chacun des volumes tampons 10, 11.

L’oscillateur comprend enfin un organe de distribution fluidique 12 agencé dans le circuit fluidique, permettant de sélectivement et alternativement mettre en liaison fluidique le doigt froid avec le réservoir tampon 10 ou le réservoir tampon 11 .

Cet organe de distribution 12 peut être avantageusement une vanne rotative ou un actionneur linéaire, mais tout autre type d’actionneur pourrait être utilisé dès lors qu’il permet de distribuer alternativement le gaz à haute pression et à basse pression dans le doigt froid. Par exemple, chaque réservoir tampon pourrait être muni d’une vanne respective, lesdites vannes étant configurées pour s’ouvrir ou se fermer selon la phase du cycle de fonctionnement de la machine.

Par réservoir tampon, on entend que le volume des réservoirs 10 et 11 est suffisamment grand par rapport au volume du circuit fluidique qui relie les réservoirs et le doigt froid pour que la pression générée par le compresseur centrifuge dans lesdits réservoirs 10, 11 reste sensiblement constante. Ces réservoirs peuvent éventuellement être supprimés si le volume du circuit fluidique permet d’assurer cette fonction ou si la performance du doigt froid n’est pas impactée par cette fluctuation de pression.

Pour de l’hélium, à titre d’exemple, un taux de compression entre 1 ,1 et 1 ,5 sera recherché pour remplacer l’oscillateur de pression par un compresseur centrifuge et un organe de distribution fluidique. Ce taux de compression est tout à fait compatible avec le taux de compression généré par un compresseur centrifuge. On peut donc directement remplacer l’oscillateur de pression par un compresseur centrifuge couplé à un organe de distribution fluidique.

En pratique, les refroidisseurs conventionnels sont remplis à une pression moyenne de 20 à 40 bar. Ensuite, la pression oscille du fait de l’oscillateur de pression autour de cette pression moyenne avec une amplitude de +/- 2 à 5 bar. La pression moyenne et l’amplitude de l’onde de pression sont des paramètres propres à chaque refroidisseur.

La fréquence de fonctionnement de l’oscillateur de pression est avantageusement supérieure ou égale à 10Hz.

Le fonctionnement de la machine cryogénique proposée est le suivant.

Dans une première phase du cycle, le doigt froid 20 est en liaison fluidique avec le réservoir tampon 11 à haute pression par l’intermédiaire de la vanne 12. Le fluide de travail passe au travers du premier échangeur 2, du régénérateur 3 et du deuxième échangeur 4 vers le tube 5. Le fluide de travail passe de la température ambiante T1 à la température cryogénique T2 ; la chaleur du fluide de travail transférée au régénérateur 3 est accumulée dans celui-ci.

Dans le tube 5, le fluide de travail subit une compression adiabatique.

Sous l’effet de la compression du fluide dans le tube 5, une partie du fluide est poussée vers le réservoir tampon 8 au travers de l’inertance 7.

Dans une seconde phase du cycle, la vanne 12 est actionnée de sorte à interrompre la liaison fluidique entre le doigt froid et le réservoir tampon 11 à haute pression et pour établir une liaison fluidique entre le doigt froid et le réservoir 10 à basse pression.

Le fluide de travail subit une détente adiabatique dans le tube 5. Une partie du fluide est aspirée du réservoir tampon 8 vers le tube 5 au travers de l’inertance 7. Le fluide de travail passe au travers du second échangeur de chaleur 4 et du régénérateur 3, qui lui restitue la chaleur emmagasinée par l’intermédiaire du premier échangeur de chaleur 2. Contrairement au cas où le compresseur est un compresseur volumétrique tel que le piston illustré sur les figures 1 et 2, le compresseur centrifuge permet de découpler la zone de compression du doigt froid. En effet, l’onde de pression peut être transmise sur une distance suffisamment longue et ne dépend pas du volume de fluide entre le compresseur et le doigt froid.

Par conséquent, l’oscillateur n’est pas forcément aligné avec le doigt froid tel que représenté sur la figure 4, mais peut être agencé à un autre endroit de la machine, selon les contraintes d’encombrement rencontrées.

Le même principe de fonctionnement est applicable à une machine comprenant un doigt froid Stirling, telle qu’illustrée sur la figure 5.

Dans cette machine, le compresseur centrifuge 1 et l’organe de distribution fluidique sont similaires à ceux déjà décrits en référence à la figure 4.

Par ailleurs, le régénérateur 3 et le détendeur 9, qui forment le doigt froid 20 de la machine, sont similaires à ceux de la figure 3.

Comme exposé plus haut, le compresseur centrifuge permet de découpler la zone de compression du doigt froid. En effet, l’onde de pression peut être transmise sur une distance suffisamment longue et ne dépend pas du volume de fluide entre le compresseur et le doigt froid.

Par conséquent, le compresseur n’est pas forcément aligné avec le doigt froid tel que représenté sur la figure 3, mais peut être agencé à un autre endroit de la machine, selon les contraintes d’encombrement rencontrées.

Il est également possible de coupler l’organe de distribution fluidique avec l’entrainement du piston détendeur 9 comme présenté sur la figure 6. Dans ce mode de réalisation, le doigt froid est de type coaxial, le piston détendeur 9 étant agencé dans le régénérateur 3.

Dans d’autres modes de réalisation, quel que soit le type de doigt froid, l’organe de distribution fluidique peut être actionné fluidiquement par le fluide de travail ou mécaniquement par un actionneur externe.

Dans certains modes de réalisation, il est possible de coupler plusieurs doigts froids, du même type ou de types différents (tube à air pulsé, Stirling, Gifford-McMahon, etc.) à un oscillateur ou plusieurs oscillateurs comprenant chacun un compresseur centrifuge et un ou plusieurs organes de distribution fluidique.

Ce couplage est par ailleurs indépendant de la configuration des doigts froids, qui peut être par exemple en ligne, coaxial, à détendeur actif, à inertance, alpha, beta, à piston libre, etc. Par conséquent, les figures ne doivent pas être interprétées comme limitant l’invention à une configuration de doigt froid particulière.

En outre, le ou les oscillateurs peuvent être déportés du ou des doigts froids.

L’oscillateur selon l’invention permet donc de former une grande diversité de machines cryogéniques régénératives, avec une grande liberté de choix dans l’agencement des différents composants. En référence à la figure 7, il est également possible d’intégrer dans le refroidisseur cryogénique, une fonction de « lien thermique » intégré permettant :

- de déporter le doigt froid 20 à une position éloignée de la pièce à refroidir qui est représentée par l’échangeur 50 ;

- de découpler mécaniquement le doigt froid 20 de la pièce à refroidir, permettant de simplifier le doigt froid et son intégration dans l’application utilisant la machine cryogénique ;

- d’offrir une fonction d’interrupteur thermique liée au fonctionnement inhérent du refroidisseur cryogénique.

Cette fonction de lien thermique est réalisée en utilisant la différence de pression entre les réservoirs tampons 10 et 11 pour assurer une circulation de fluide de travail du réservoir tampon à haute pression vers le réservoir tampon à basse pression.

Le fluide de travail est refroidi jusqu’à une température froide proche de T2 par un échangeur contre-courant 40, puis à la température T2 sur un échangeur intégré à l’échangeur froid 4. Le liquide de travail froid est ensuite déporté à une distance allant de quelques centimètres à plusieurs mètres pour refroidir la pièce à refroidir par l’intermédiaire de l’échangeur 50. Le fluide de travail se réchauffe dans l’échangeur 50 et revient ensuite dans l’échangeur contre-courant 40 pour être ré-injecté dans le réservoir tampon 10 à basse pression.

Le circuit fluidique secondaire 51 et 52 constituant le lien thermique peut être réalisé avec des tubes de faibles dimensions permettant de limiter la masse du système, de baisser la raideur des tubes (pour assurer un découplage mécanique entre les composants) ou pour limiter les pertes par conductions le long de ces tubes.

Ce lien thermique est donc passif dans le sens où, lorsque le refroidisseur fonctionne, la circulation de fluide de travail est effective et le couplage thermique également. A l’inverse, si le refroidisseur cryogénique est arrêté, il n’y a pas de couplage thermique.

On parle alors d’un interrupteur thermique, ayant une fonction de couplage/découplage thermique. Cette fonction est particulièrement utile pour des systèmes intégrant plusieurs doigts froids (cas d’un engin spatial notamment intégrant un refroidisseur nominal et un redondant). Les doigts froids ne fonctionnant pas sont alors découplés thermiquement de la pièce à refroidir et n’amènent ainsi pas de pertes thermiques.

Bien que le doigt froid 20 représenté sur la figure 7 soit de type tube à gaz pulsé, il va de soi que tout autre type de doigt froid pourrait être utilisé en lien avec cet interrupteur thermique.