EP0851184A1 - Réfrigérateur cryogénique - Google Patents

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EP0851184A1
EP0851184A1 EP96402923A EP96402923A EP0851184A1 EP 0851184 A1 EP0851184 A1 EP 0851184A1 EP 96402923 A EP96402923 A EP 96402923A EP 96402923 A EP96402923 A EP 96402923A EP 0851184 A1 EP0851184 A1 EP 0851184A1
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EP
European Patent Office
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pulsed
tube
cryogenic refrigerator
conduit
pulsed tube
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Withdrawn
Application number
EP96402923A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marc David
Jean-Claude Maréchal
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LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Original Assignee
Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/14—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle
    • F25B9/145—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the cycle used, e.g. Stirling cycle pulse-tube cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1422—Pulse tubes with basic schematic including a counter flow heat exchanger instead of a regenerative heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1424—Pulse tubes with basic schematic including an orifice and a reservoir
    • F25B2309/14241—Pulse tubes with basic schematic including an orifice reservoir multiple inlet pulse tube
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2309/00—Gas cycle refrigeration machines
    • F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used 
    • F25B2309/1425—Pulse tubes with basic schematic including several pulse tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/06—Several compression cycles arranged in parallel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/10—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point with several cooling stages

Definitions

  • the present invention relates to refrigerators cryogenic. It applies in particular to the refrigeration production below 10 K, especially at about 4 K.
  • the invention aims to provide a refrigerator which retains the simplicity and reliability of pulsed tube refrigerators and allow reach temperatures below 10 K without use the special materials mentioned above.
  • the output of source 1A is connected by a capillary tube 5A at one end (cold end) 6A of the pulsed tube 3A.
  • the other end (hot end) 7A of the latter is connected to the single input 8A of the capacity 4A by a capillary tube 9A provided with an orifice 10A rated.
  • the output of source 1B is connected by a capillary tube 5B at one end (end cold) 6B of the pulsed tube 3B.
  • the other end (end hot) 7B of the latter is connected to the single input 8B of capacity 4B by a capillary tube 9B provided with a 10B calibrated orifice.
  • the two systems 11A, 11B are set up heat exchange relationship by the heat exchanger 2.
  • This one of any appropriate structure (coaxial, multitubular, with finned tubes, grids, etc.), more specifically puts in heat exchange relation to counter current conduits 5A and 5B.
  • the exchanger 2 has a hot end 12 in the vicinity of the ambient temperature T A (approximately 300 K), and a cold end 13 in the vicinity of the low temperature T B to be reached, for example approximately 4 K.
  • the pressure sources 1A and 1B which are at ambient temperature, operate, the masses of gas contained in the two systems 11A, 11B undergo repeated compression / expansion cycles.
  • the low temperature T B is obtained alternately on the conduits 5A and 5B, while the other conduit is at a temperature equal to this temperature T B increased by the temperature difference at cold end of the exchanger, this difference depending on the technology for producing the exchanger as well as operating parameters such as the pulse frequency and the gas circulation rate.
  • the temperature difference in question is for example of the order of 2K.
  • the refrigerator With no moving parts at low temperatures, the refrigerator is reliable, simple to build and inexpensive. It should be noted in particular that the throttle orifices 10A, 10B have a relatively large diameter and are found at a temperature much higher than the low temperature T B , and also that it is always the same gas which moves in each system 11A, 11B. As a result, the risk of blockage is very low.
  • the use of a heat exchanger 2 instead of the usual regenerators has the consequence that the low temperature obtained is practically independent of the specific heat of the materials used.
  • the insensitivity of the refrigerator gravity makes it suitable for use in space applications.
  • the two sources 1A, 1B are replaced by a double piston oscillator 1, by example the oscillator developed by the MATRA Company MARCONI SPACE (MMS) and qualified for applications spatial.
  • MARCONI SPACE MMS
  • the refrigerator forms a system closed single.
  • the reciprocating movement of the double piston 14 of oscillator 1 sets itself in motion, in phase opposition, the masses of gas contained in each half of the system, and each pulsed tube plays the role of capacity 4A, 4B for the other pulsed tube.
  • an additional bypass 15A, 15B equipped with a 16A, 16B calibrated orifice connects the end hot 7A, 7B of each tube pulsed to the corresponding conduit 5A, 5B, at the hot end of exchanger 2.
  • a pre-cooling stage 17A, 17B is interposed between each source 1A, 1B, which is back to room temperature, and the associated capillary tube 5A, 5B.
  • this pre-cooling stage itself consists of a "Double Inlet Pulse Tube" with regenerator, including a pulsed tube 18A, 18B, a regenerator 19A, 19B, a closed capacity 20A, 20B, and the connecting conduits usual in this type of assembly: a cold conduit 21A, 21B connecting the cold ends of the pulsed tube and the regenerator, hot pipes 22A, 22B and 23A, 23B which respectively connect the hot end of the regenerator at the pressure source and that of the pulsed tube at capacity 20A, 20B, and a bypass 24A, 24B connecting the hot ends of the regenerator and the pulsed tube.
  • the conduits 23A, 23B and 24A, 24B are each provided with a calibrated orifice.

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  • Heat-Exchange Devices With Radiators And Conduit Assemblies (AREA)

Abstract

Ce réfrigérateur cryogénique comprend deux sources de pression oscillantes (1) fonctionnant en opposition de phases. Chaque source est reliée par un conduit (5A, 5B) à l'extrémité froide (6A, 6B) d'un tube pulsé associé (3A, 3B). L'extrémité chaude (7A, 7B) de chaque tube pulsé est reliée à une capacité respective, qui peut être constituée par l'autre tube pulsé. Un échangeur de chaleur (2) met les deux conduits en relation d'échange thermique à contre-courant. Application à la production frigorifique au-dessous de 10 K. <IMAGE>

Description

La présente invention concerne les réfrigérateurs cryogéniques. Elle s'applique notamment à la production frigorifique au-dessous de 10 K, notamment à environ 4 K.
Des réfrigérateurs cryogéniques utilisant des tubes à gaz pulsé, ou tubes pulsés, ont été décrits, entre autres, dans les publications suivantes :
  • Gifford W.E. and Longsworth R.C., Pulse Tube Refrigeration, American Society of Mechanical Engineers, Philadelphia, Pennsylvania, paper n° 63- WA-290, Nov. 17-22 (1963)
  • Mikulin E.I., Tarasov A.A. and Shrkrebyonock M.P., Low Temperature Expansion Pulse Tubes, Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 29 p. 269, Plenum Press, New York (1984)
  • Radebaugh R., Zimmermann J., Smith D.R. and Louie B., A Comparison of Three Types Pulse Tube refrigerators : New Methods for reaching 60K, Advances in Cryogenic Engineering, Vol. 31 p. 779, Plenum Press, New York (1986)
  • David M. and Marechal J-C., How to Achieve the Efficiency of a Gifford-Mac-Mahon Cryocooler with a Pulse Tube Refrigerator, Cryogenics, Vol. 30 p. 262 (1990)
  • Liang J., Zhou Y. and Zhu W., Development of a Single-Stage Pulse Tube Refrigerator Capable of Reaching 49 K, Cryogenics, Vol. 30 (1990)
  • David M., Marechal J-C., Simon Y. and Guilpin C., Theory of Ideal Orifice Pulse Tube Refrigerator, Cryogenics, Vol. 33 p. 154 (1993).
Dans toutes ces publications, on utilise, entre la source de pression oscillante et le tube pulsé, un régénérateur constitué d'un matériau dont la capacité calorifique volumique est nettement supérieure à celle du gaz pulsé. Cette contrainte ne permet d'atteindre, avec les matériaux usuels, que des températures insuffisamment basses pour certaines applications : environ 30 K pour l'acier inoxydable, le bronze et le cuivre, environ 10 K pour le plomb.
Des matériaux spéciaux tels que Er3Ni, qui subissent à basse température des transformations de structure, permettent de descendre au-dessous de 10 K. Cependant, ces matériaux sont coûteux et, de plus, ils ont tendance à s'effriter avec le temps.
L'invention a pour but de fournir un réfrigérateur cryogénique qui conserve la simplicité et la fiabilité des réfrigérateurs à tube pulsé et permettent d'atteindre des temperatures inférieures à 10 K sans faire appel aux matériaux spéciaux mentionnés ci-dessus.
A cet effet, l'invention a pour objet un réfrigérateur cryogénique comprenant :
  • une première source de pression oscillante reliée par un premier conduit à une extrémité froide d'un premier tube pulsé dont l'extrémité chaude est reliée à une première capacité;
  • une seconde source de pression oscillante reliée par un second conduit à une extrémité froide d'un second tube pulsé dont l'extrémité chaude est reliée à une seconde capacité;
  • des moyens pour faire fonctionner les deux sources de pression en opposition de phase; et
  • un échangeur de chaleur mettant lesdits premier et second conduits en relation d'échange thermique à contre-courant.
Le réfrigérateur cryogénique suivant l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
  • les extrémités chaudes des tubes pulsés sont reliées entre elles, de sorte que chaque tube pulsé forme ladite capacité de l'autre tube pulsé;
  • les deux sources de pression oscillantes sont constituées par un oscillateur à double piston;
  • un by-pass étranglé relie l'extrémité chaude de chaque tube pulsé audit conduit associé;
  • les sources de pression oscillante sont à la température ambiante;
  • au moins un étage de préréfrigération est interposé entre chaque source de pression oscillante et lesdits conduits associés.
Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel :
  • la Figure 1 représente schématiquement un réfrigérateur cryogénique conforme à l'invention; et
  • les Figures 2 et 3 représentent schématiquement deux autres modes de réalisation du réfrigérateur cryogénique suivant l'invention.
Le réfrigérateur cryogénique représenté sur la Figure 1 est constitué essentiellement :
  • de deux sources de pression oscillante 1A, 1B, couplées de façon à fonctionner en opposition de phase;
  • d'un échangeur de chaleur à contre-courant 2;
  • de deux tubes pulsés 3A, 3B; et
  • de deux capacités 4A, 4B.
La sortie de la source 1A est reliée par un tube capillaire 5A à une extrémité (extrémité froide) 6A du tube pulsé 3A. L'autre extrémité (extrémité chaude) 7A de ce dernier est reliée à l'unique entrée 8A de la capacité 4A par un tube capillaire 9A muni d'un orifice calibré 10A.
De même, la sortie de la source 1B est reliée par un tube capillaire 5B à une extrémité (extrémité froide) 6B du tube pulsé 3B. L'autre extrémité (extrémité chaude) 7B de ce dernier est reliée à l'unique entrée 8B de la capacité 4B par un tube capillaire 9B muni d'un orifice calibré 10B.
Chaque ensemble 1A, 5A, 3A, 9A d'une part, 1B, 5B, 3B, 9B d'autre part, forme un système fermé 11A, 11B dans lequel une masse de gaz est mise en mouvement alternatif par la source de pression oscillante correspondante.
Les deux systèmes 11A, 11B sont mis en relation d'échange thermique par l'échangeur de chaleur 2. Celui-ci, de toute structure appropriées (coaxiale, multitubulaire, à tubes à ailettes, à grilles, etc..), met plus précisément en relation d'échange thermique à contre-courant les conduits 5A et 5B.
Ainsi, l'échangeur 2 comporte un bout chaud 12 au voisinage de la température ambiante TA (environ 300 K), et un bout froid 13 au voisinage de la température basse TB à atteindre, par exemple 4 K environ.
Lorsque les sources de pression 1A et 1B, qui se trouvent à la température ambiante, fonctionnent, les masses de gaz contenues dans les deux systèmes 11A, 11B subissent des cycles compression/détente répétés. Au bout froid 13 de l'échangeur 2, la température basse TB est obtenue alternativement sur les conduits 5A et 5B, tandis que l'autre conduit se trouve à une température égale à cette température TB augmentée de l'écart de température au bout froid de l'échangeur, cet écart dépendant de la technologie de réalisation de l'échangeur ainsi que des paramètres de fonctionnement tels que la fréquence de pulsation et le débit de circulation du gaz. L'écart de température en question est par exemple de l'ordre de 2K.
Ne comportant pas de pièce en mouvement à basse température, le réfrigérateur est fiable, simple de construction et bon marché. Il est à noter en particulier que les orifices d'étranglement 10A, 10B ont un diamètre relativement grand et se trouvent à une température très supérieure à la température basse TB, et également que c'est toujours le même gaz qui se déplace dans chaque système 11A, 11B. Par suite, les risques de bouchage sont très faibles. De plus, l'utilisation d'un échangeur de chaleur 2 au lieu des régénérateurs habituels a pour conséquence que la température basse obtenue est pratiquement indépendante de la chaleur spécifique des matériaux utilisés.
Par ailleurs, l'insensibilité du réfrigérateur à la gravité le rend apte à être mis en oeuvre dans des applications spatiales.
Le mode de réalisation de la Figure 2 diffère du précédent sous deux aspects.
D'une part, les deux sources 1A, 1B sont remplacés par un oscillateur à double piston 1, par exemple l'oscillateur développé par la Société MATRA MARCONI SPACE (MMS) et qualifié pour les applications spatiales.
D'autre part, les capacités 4A et 4B sont supprimées, et les extrémités chaudes 7A, 7B des deux tubes pulsés sont reliées l'une à l'autre par une unique conduite 9 équipée d'un orifice calibré 10.
Ainsi, le réfrigérateur forme un système fermé unique. Le mouvement alternatif du double piston 14 de l'oscillateur 1 met de lui-même en mouvement, en opposition de phase, les masses de gaz contenues dans chaque moitié du système, et chaque tube pulsé joue le rôle de la capacité 4A, 4B pour l'autre tube pulsé.
Le mode de réalisation de la Figure 3 diffère de celui de la Figure 1 par les points suivants.
D'une part, un by-pass additionnel 15A, 15B équipé d'un orifice calibré 16A, 16B relie l'extrémité chaude 7A, 7B de chaque tube pulsé au conduit correspondant 5A, 5B, au bout chaud de l'échangeur 2. Ceci correspond à la configuration classique des tubes pulsés connue sous l'appellation "Double Inlet Pulse Tube", décrite dans la publication de Liang, Zhou et Zhu précitée.
D'autre part, un étage de préréfrigération 17A, 17B est interposé entre chaque source 1A, 1B, qui se trouve de nouveau à la température ambiante, et le tube capillaire 5A, 5B associé. Dans cet exemple, cet étage de préréfrigération est constitué lui-même d'un "Double Inlet Pulse Tube" à régénérateur, comprenant un tube pulsé 18A, 18B, un régénérateur 19A, 19B, une capacité fermée 20A, 20B, et les conduits de liaison habituels dans ce type de montage : un conduit froid 21A, 21B reliant les extrémités froides du tube pulsé et du régénérateur, des conduits chauds 22A, 22B et 23A, 23B qui relient respectivement l'extrémité chaude du régénérateur à la source de pression et celle du tube pulsé à la capacité 20A, 20B, et un by-pass 24A, 24B reliant les extrémités chaudes du régénérateur et du tube pulsé. Les conduits 23A, 23B et 24A, 24B sont pourvus chacun d'un orifice calibré.

Claims (6)

  1. Réfrigérateur cryogénique, comprenant :
    une première source de pression oscillante (1A; 1) reliée par un premier conduit (5A) à une extrémité froide (6A) d'un premier tube pulsé (3A) dont l'extrémité chaude (7A) est reliée à une première capacité (4A; 3B);
    une seconde source de pression oscillante (1B; 1) reliée par un second conduit (5B) à une extrémité froide (6B) d'un second tube pulsé (3B) dont l'extrémité chaude (7B) est reliée à une seconde capacité (4B; 3A);
    des moyens pour faire fonctionner les deux sources de pression (1A, 1B) en opposition de phase; et
    un échangeur de chaleur (2) mettant lesdits premier et second conduits (5A, 5B) en relation d'échange thermique à contre-courant.
  2. Réfrigérateur cryogénique suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les extrémités chaudes (7A, 7B) des tubes pulsés (3A, 3B) sont reliées entre elles, de sorte que chaque tube pulsé forme ladite capacité de l'autre tube pulsé.
  3. Réfrigérateur cryogénique suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les deux sources de pression oscillantes sont constituées par un oscillateur à double piston (1).
  4. Réfrigérateur cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'un by-pass étranglé (15A, 15B) relie l'extrémité chaude (7A, 7B) de chaque tube pulsé (3A, 3B) audit conduit associé (5A, 5B).
  5. Réfrigérateur cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les sources de pression oscillantes (1A, 1B; 1) sont à la température ambiante.
  6. Réfrigérateur cryogénique suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'au moins un étage de préréfrigération (17A, 17B) est interposé entre chaque source de pression oscillante (1A, 1B) et ledit conduit associé (5A, 5B).
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