EP0614059B1 - Cooler with a cold finger of pulse tube type - Google Patents
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- EP0614059B1 EP0614059B1 EP19940400432 EP94400432A EP0614059B1 EP 0614059 B1 EP0614059 B1 EP 0614059B1 EP 19940400432 EP19940400432 EP 19940400432 EP 94400432 A EP94400432 A EP 94400432A EP 0614059 B1 EP0614059 B1 EP 0614059B1
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- F25B2309/14—Compression machines, plants or systems characterised by the cycle used
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- 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
Definitions
- the present invention relates to coolers based on the Stirling cycle. These coolers allow to reach cryogenic temperatures.
- coolers include an oscillator electromechanical which generates, in an active enclosure containing a fluid, a pressure wave.
- the enclosure has a part equipped with a mobile regenerator or displacer which uses the expansion and compression cycles of the fluid to achieve Stirling cycle.
- the fluid used is generally helium, under an average pressure of several hundred kilopascals.
- the oscillator can be rotary or linear.
- the cold part generally has, to limit the heat losses by conduction and facilitate its manufacture, shape of a very elongated cylinder which earned him the name of "cold finger".
- the free end of the cold finger provides cooling capacity created by the expansion of the fluid.
- the base cold finger connected to the oscillator dissipates heat created by compression of the fluid.
- the cold finger is usually immersed in a cryostat, such as a vase of Dewar for example, which contains the device to be cooled.
- the interior of the cryostat is generally subjected to vacuum to limit heat input.
- the oscillator and the cold finger constitute one piece.
- the movement of regenerative is generally ensured, in the case of a rotary oscillator, by the oscillator piston.
- This configuration is very compact, it limits losses of charge between the oscillator and the cold finger. But the vibrations induced by the oscillator are transmitted to the device to be cooled.
- the oscillator and cold finger are distant but connected by a pneumatic conduit which ensures the transfer of the pressure wave between the oscillator and the cold finger.
- the movement of the regenerator can be provided by a specific motor or by the effects tires generated by the pressure wave.
- the first one configuration is typically used in applications spatial. These two configurations make it possible to separate the oscillator and the equipment to be cooled which facilitates integration of the chiller into the environment of the device to be cooled. In addition, these two configurations significantly reduce vibrations at the level of the device to be cooled.
- Mobile regenerative coolers come at a cost relatively high due to the required machining tolerances to realize the regenerator and the cold finger which are in movement relative to each other.
- Pulsed tube type cold finger coolers are also known.
- the cold finger instead of containing a mobile regenerator contains a fixed regenerator and a tube pulsed.
- coolers in the as they use a double orifice pulsed tube, have a yield substantially equivalent to that of a cold finger cooler fitted with a mobile regenerator. A double orifice pulsed tube cooler is described later in Figure 1.
- the major drawback of this type of cooler is related to the U shape of the cold finger.
- One of the branches of the U is made by the regenerator and the other by the pulsed tube.
- the base of the U which is also the free end of the cold finger is formed of an integral end piece on one side of the regenerator and on the other of the pulsed tube.
- This cold finger imposes a specific cryostat and therefore prevents its implantation in a cryostat intended for a cold finger with regenerator mobile or Joule-Thomson type.
- On-site maintenance of the cold finger with pulsed tube is not possible while intervention on a cold finger with mobile regenerator is easy. Indeed, it would be necessary to break the vacuum cryostat to disassemble the pulsed tube or the regenerator.
- the present invention aims to remedy these drawbacks.
- She offers a cooler based on the Stirling cycle, fitted with a cold finger pulsed tube type.
- This cooler can be installed in a cryostat classic and it has good thermodynamic performance.
- the cooler according to the invention comprises means for generating and transmitting a pressure wave in a fluid to a cold finger of the pulsed tube type.
- the cold finger has a regenerator pneumatically connected to the pulsed tube, this regenerator is tubular and is mounted coaxially around the pulsed tube.
- the regenerator is contained in an outer tube, the inner surface of the regenerator serving as a pulsed tube.
- the outer tube serves as the inner wall of the cryostat. This configuration that removes the inner wall of the cryostat improves cooling performance by reducing conduction losses.
- FIG. 1 represents a cooler based on the cycle of Stirling provided with a cold finger 1 of the pulsed tube type 5, according to known art.
- the cold finger 1 is connected to a pressure oscillator 2 through a base 3.
- the base 3 provides the mechanical interface and the seal between the cold finger 1 and the cryostat in which we usually plunge the cold finger 1.
- the base 3 forms the base of the cold finger 1.
- the cryostat is not shown for reasons of clarity.
- the pressure oscillator 2 generates a pressure wave in a fluid and the fluid is successively compressed and expanded.
- the cold finger 1 comprises a fixed regenerator 4 contained in a tube 7 and a pulsed tube 5 which form the two branches of a U.
- Regenerator 4 has the shape of a cylinder full.
- the base of the U is made by an end piece 6 cold which pneumatically connects regenerator 4 and the tube pulsed 5.
- the tube 7 containing the regenerator has one end hot end fixed to the base 3 and a cold end fixed to the end piece 6.
- the end piece 6 constitutes the free end of the cold finger 1. This is the coldest point from the cooler. It is also used to transmit the device to cool, placed nearby, the frigories returned available through the expansion of the fluid.
- the fixed regenerator 4 works in the same way than a mobile regenerator. It is made of a material porous fluid permeable. Regenerator 4 is connected pneumatically with oscillator 2.
- the regenerator's function is to capture cold at fluid when the latter is sucked in by oscillator 2 during the relaxation phase and to dissipate heat towards this fluid when it is driven back during the compression phase.
- the pulsed tube 5 simply consists of a tube substantially parallel to the tube 7 containing the regenerator 4. It is attached to a cold end of the end piece 6 and at the other hot end of the base 3.
- a pneumatic circuit 8 is used to connect the oscillator 2 pressure to the regenerator 4 and to the pulsed tube 5.
- a tank buffer 9 is also provided and connected to the pneumatic circuit 8. It has sufficient volume for the fluid it contains to remain at a substantially constant pressure whatever the phase of the pressure oscillator 2. When the oscillator sucks the fluid, the fluid in the buffer tank 9 feeds the pulsed tube 5 and when oscillator 2 discharges, the discharged fluid fills the buffer tank 9.
- the pneumatic circuit includes a first conduit 81 connecting the regenerator 4 to the oscillator 2, a second conduit 82 connecting the hot end of the pulsed tube 5 to the buffer tank 9 and a third conduit 83 connecting the hot end of the pulsed tube to the pressure oscillator 2.
- the pulsed tube is connected to both the oscillator and the buffer tank.
- the fluid passes through a hot heat exchanger 10 between the hot end of the pulsed tube 5 and the oscillator 2 and / or the buffer tank 9.
- This hot exchanger 10 can be housed in the base 3.
- the third conduit 83 is arranged between the first conduit 81 and the second conduit 82 and there reaches the second conduit 82 between the buffer tank 9 and the hot heat exchanger 10.
- the hot heat exchanger 10 ensures the capture of the heat of compression of the fluid leaving the pulsed tube and its discharge, via base 3, to the outside of the cooler.
- the movement of the fluid in the cold finger is out of phase with the pressure wave generated by the oscillator 2.
- the phase shift and the flow rates at the ends hot from pulsed tube 5 and tube 7 containing the regenerator 4 are a function of the pneumatic impedance of the conduits 81, 82 and 83 and the volume of the buffer tank 9.
- the setting of the pneumatic impedance of the conduits can be done by a choice adequate their section, their length. Ducts can also have simple pinches or holes 11 calibrated as in Figure 1 or even valves.
- the behavior of the fluid in the pulsed tube is the next: consider a volume A of fluid which transits between the cold end of the pulsed tube 5 and the end piece 6. From phase shift of fluid movement in the cold finger with the expansion and compression phases of oscillator 2, this fluid when it relaxes passes to the end piece 6 while cooling and when it compresses, enters the pulsed tube 5 where it heats up almost adiabatically.
- the cooler in Figure 2 is comparable to that of figure 1.
- the main difference is at cold finger level 21 which instead of having a regenerator and a pulsed tube configured in U has a tubular regenerator 24 mounted coaxially around the tube pulsed 25.
- the cold finger 21 is always connected to an oscillator 2 through a base 3.
- Base 3 plays the same role as on Figure 1.
- the free end of the cold finger always ends by an end piece 26. It is always the most cooler.
- Regenerator 24 plays the same role as in art known. Instead of having the shape of a full cylinder it has now the shape of a tube. Regenerator 24 is contained between an outer tube 27 and an inner tube 28.
- the outer tube 27 cylindrical has a hot end fixed tightly to the base 3 and a cold end fixed in a sealed manner to the end piece 26. It forms the outer surface of the finger cold 21.
- This outer tube 27 preferably has a thickness as fine as possible to limit thermal input on along the cold finger. It is preferably carried out in a material with a thermal conductivity as low as possible, for example stainless steel.
- This outer tube 27 as well as its attachments to the base 3 and to the end piece 26 must seal the inside of the cold finger vis-à-vis the external environment.
- the cold finger is usually immersed in a cryostat subjected to vacuum. This cryostat is represented with the reference 30 in FIG. 4 in the form of a Dewar vase.
- the inner tube 28 serves both as a pulsed tube and inner wall of tubular regenerator 24. He is willing coaxially in the outer tube 27 and has a hot end fixed to the base 3. Its other end which is cold opens out in the end piece 26.
- This internal tube 28 is not like the outer tube 27 subjected to pressure differences important. It doesn't have to be strictly waterproof like the outer tube. It avoids a direct passage of the fluid from regenerator 24 to pulsed tube 25 without passing through the end piece 26.
- the design of this internal tube 28 with regard to the choice of the constituent material, its mode of fixing, and its thickness can be more easily optimized. According to the invention we physically remove the inner tube 28, the inner surface of the regenerator 24 being waterproof. In this case, it is the inner surface of the regenerator which serves as a pulsed tube.
- End piece 26 looks like parts end of cold fingers with mobile regenerator.
- the regenerator and the pulsed tube communicate pneumatically thanks to her.
- the thickness of the end piece 26 will be as low as possible. It will be carried out in a material with a thermal conductivity as high as possible: copper for example.
- the end piece contains a cold exchanger 29 formed by example of copper grates brazed at their periphery. This cold exchanger 29 improves the heat exchange between the fluid and the end piece 26.
- the material of the end piece 26 will have, from preferably a coefficient of expansion as low as possible when cold finger 21 is used to cool a device placed directly on the end piece 26 (technique known by the Anglo-Saxon name of Integrated Dewar Cooler Assembly).
- the end piece 26 could, for example, be provided with a tranquilizer to ensure a level the lowest possible turbulence in the pulsed tube 25. It it is indeed desirable to maintain a thermal gradient important between the two hot and cold ends of the tube pulsed.
- This transquillizing device can be produced by a honeycomb or cold exchanger part 29.
- the others elements of the cooler, namely oscillator 2, the circuit pneumatic 8, the buffer tank 9 and the hot exchanger 10 are comparable to those in Figure 1.
- the hot exchanger 10 if it is configured with grids or a honeycomb material also has a role in tranquilizer.
- Optimal adjustment of phase shift and amplitude of fluid flows in the regenerator 24 and the pulsed tube 25 will depend on the volume of the buffer tank 9 and the characteristics of the conduits 81, 82, 83 as before.
- the pulsed tube has a length of 70 mm and that in operation its extreme temperatures are 80 ° K at the cold end and 300 ° K at the hot end. It is assumed that the thermal gradient is linear in the wall of the pulsed tube, that the average pressure in the pulsed tube is 35.10 5 Pa and that it varies more or less 10 6 Pa, because of the pressure wave.
- the fluid slice will have an average temperature of 190 ° K but during the expansion and compression cycles, it will see its temperature oscillate between 166 ° K and 210 ° K (curve C1). This slice of fluid will be opposite with a section of pulsed tube whose temperatures will be between 158 ° K and 221 ° K (curve C2) because of the thermal gradient linear.
- the fluid In the expansion phase, the fluid will be in contact with a portion of pulsed tube cooler than him and will tend to give it heat. Symmetrically, in the phase of compression, the fluid will be in contact with a portion of tube pulsed hotter than him and will tend to extract from it heat. This heat pumping effect from the hot end of the tube pulsed towards the cold end is harmful for the cooler efficiency.
- These heat exchanges with walls only concern part of the fluid: the boundary layer thermal which is close enough to the wall to have the time to exchange, mainly by gas conduction, the heat during a compression-expansion cycle.
- Such cooler reduces trade between the fluid and the wall of the pulsed tube by placing the tube pulsed inside the regenerator and not around.
- the cold finger is formed of two tubes (thick null to simplify) coaxial diameters 5mm and 3.5mm, in the case of a thermal boundary layer thickness of 0.2 mm, we can estimate that only 20% of fluid participates in heat exchange with the wall of the pulsed tube, if the tube pulse is placed inside the regenerator, while more than 50 of fluid participates in the heat exchange with the walls external and internal of the pulsed tube, if the regenerator is placed inside the pulsed tube.
- Figures 4 and 5 show variants of a cooler with tubular regenerator mounted coaxially around the pulsed tube. We refer to figure 4.
- the cold finger is immersed in a cryostat such as a Dewar 30 vase with two speakers 31, 32 inserted one inside the other and separated by a vacuum.
- the internal enclosure 32 has the shape of a well.
- the device to be cooled referenced 33 is disposed between the external enclosure 31 and the internal enclosure 32. It is fixed to the bottom of the well.
- a thermal coupler 34 is inserted between the free end of the cold finger 21 and the bottom of the well to optimize the cooling of the device to cool 33.
- the pressure oscillator 2 is rotary.
- the reservoir buffer consists of the housing 35 of the oscillator which saves space.
- the second conduit 82 and the third conduit 83 each have a valve 36 instead of a calibrated orifice, and in addition, the second conduit 82 is provided with a pinch 37 between the valve and the hot exchanger 10.
- the pressure oscillator 51 is a resonant linear oscillator.
- the buffer tank 52 is provided with a heater 54.
- the temperature of the fluid in the buffer tank 52 is adjustable so that it can adjust the average pressure in the cooler and to be able adjust the resonant frequency of the cooler. this is particularly interesting in the case where the cooler is used in a satellite where we are looking for a frequency adjustable to avoid exciting the platform or instruments near the cooler.
- the hot heat exchanger consists of a device with fins 55 or equivalent. This device 55 is arranged on the second conduit 82 connecting the pulsed tube to the buffer tank 52.
- the other conduits 81, 83 and the tank 52 could also participate in the evacuation of the heat of compression of the fluid. To this end, they would be fitted with devices, fins for example, improving the dissipation of this heat outwards.
- the buffer tank 52 is provided with a device tranquilizer 56 to ensure a level of turbulence too as low as possible in the pulsed tube.
- tranquilizer 56 may be of the same nature as that described in the end piece 26 of FIG. 2.
- FIG. 6 shows a cooler according to the invention.
- Cold finger 60 immersed in a cryostat 61, and the rotary pressure oscillator 68 form a monobloc cooler.
- Compressor housing 69 constitutes the buffer tank.
- the cold finger 60 has a external tube 62, a tubular regenerator 63 and a pulsed tube 66.
- the outer tube 62 serves as a wall inside the cryostat.
- the inner surface of the regenerator tubular serves as a pulsed tube 66.
- the removal of the wall inside the cryostat can of course be used in other configurations.
- the cooling device 65 is directly attached to the end piece 64 which connects the pulsed tube and the regenerator.
- the cooling is improved compared to the configuration where the outer tube and the inner wall of the cryostat are separate.
- a cooler 67 with circulating fluid around of the hot exchanger 10.
- This cooling device is preferably used when the pulsed tube is subjected to significant powers, for example greater than a few watts.
- a circulation of fluid one could have used a device of natural or forced convection cooling with air for example.
- the configuration shown is particularly compact, it minimizes the losses of load between oscillator 68 and cold finger 60.
- the cooler has now several pressure oscillators 70, 71, 72 mounted in parallel.
- a switch 73 having several input channels and an exit route allows the cold finger to be connected to one of the pressure oscillators 71.
- the pressure oscillator With a cold finger without a coin mobile, the only element presenting a risk of breakdown relatively high is the pressure oscillator which has moving parts. Switching from a pressure oscillator to a other can be controlled by the user or automatically when the operation of the oscillator in service is no longer normal. This switching requires neither intervention nor disassembly on the cold finger and the cryostat, it can be perform instantly and remotely.
- the cooler according to the invention can cool any device including sensors or detectors, components electronics, samples, etc ...
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Description
La présente invention est relative aux refroidisseurs basés sur le cycle de Stirling. Ces refroidisseurs permettent d'atteindre des températures cryogéniques.The present invention relates to coolers based on the Stirling cycle. These coolers allow to reach cryogenic temperatures.
Ils sont notamment utilisés pour refroidir des composants électroniques tels que des détecteurs infrarouges qui fonctionnent à ces températures.They are used in particular to cool electronic components such as infrared detectors which operate at these temperatures.
Ces refroidisseurs comprennent un oscillateur électromécanique qui génère, dans une enceinte active contenant un fluide, une onde de pression. L'enceinte comporte une partie munie d'un régénérateur mobile ou déplaceur qui utilise les cycles de détente et de compression du fluide pour réaliser un cycle de Stirling.These coolers include an oscillator electromechanical which generates, in an active enclosure containing a fluid, a pressure wave. The enclosure has a part equipped with a mobile regenerator or displacer which uses the expansion and compression cycles of the fluid to achieve Stirling cycle.
Le fluide utilisé est généralement de l'hélium, sous une pression moyenne de plusieurs centaines de kilopascals. L'oscillateur peut être rotatif ou linéaire.The fluid used is generally helium, under an average pressure of several hundred kilopascals. The oscillator can be rotary or linear.
La partie froide a généralement, pour limiter les pertes thermiques par conduction et faciliter sa fabrication, la forme d'un cylindre très allongé ce qui lui vaut l'appellation de "doigt froid". L'extrémité libre du doigt froid fournit de la puissance frigorifique créée par la détente du fluide. La base du doigt froid reliée à l'oscillateur, évacue de la chaleur créée par la compression du fluide. Le doigt froid est généralement plongé dans un cryostat, tel qu'un vase de Dewar par exemple, qui contient le dispositif à refroidir. L'intérieur du cryostat est généralement soumis au vide pour limiter les entrées de chaleur.The cold part generally has, to limit the heat losses by conduction and facilitate its manufacture, shape of a very elongated cylinder which earned him the name of "cold finger". The free end of the cold finger provides cooling capacity created by the expansion of the fluid. The base cold finger connected to the oscillator, dissipates heat created by compression of the fluid. The cold finger is usually immersed in a cryostat, such as a vase of Dewar for example, which contains the device to be cooled. The interior of the cryostat is generally subjected to vacuum to limit heat input.
On distingue deux familles de refroidisseurs: les refroidisseurs monoblocs et les refroidisseurs "séparés".There are two families of coolers: monoblock coolers and "separate" coolers.
Dans un refroidisseur monobloc, l'oscillateur et le doigt froid constituent une seule pièce. Le mouvement du régénérateur est généralement assuré, dans le cas d'un oscillateur rotatif, par le piston de l'oscillateur. Cette configuration est très compacte, elle limite les pertes de charge entre l'oscillateur et le doigt froid. Mais les vibrations induites par l'oscillateur se transmettent au dispositif à refroidir.In a monobloc cooler, the oscillator and the cold finger constitute one piece. The movement of regenerative is generally ensured, in the case of a rotary oscillator, by the oscillator piston. This configuration is very compact, it limits losses of charge between the oscillator and the cold finger. But the vibrations induced by the oscillator are transmitted to the device to be cooled.
Dans un refroidisseur "séparé", l'oscillateur et le doigt froid sont éloignés mais reliés par un conduit pneumatique qui assure le transfert de l'onde de pression entre l'oscillateur et le doigt froid. Le mouvement du régénérateur peut être assuré par un moteur spécifique ou par les effets pneumatiques générés par l'onde de pression. La première configuration est généralement utilisée dans des applications spatiales. Ces deux configurations permettent d'éloigner l'oscillateur et l'équipement à refroidir ce qui facilite l'intégration du refroidisseur dans l'environnement du dispositif à refroidir. De plus, ces deux configurations permettent de réduire considérablement les vibrations au niveau du dispositif à refroidir.In a "separate" cooler, the oscillator and cold finger are distant but connected by a pneumatic conduit which ensures the transfer of the pressure wave between the oscillator and the cold finger. The movement of the regenerator can be provided by a specific motor or by the effects tires generated by the pressure wave. The first one configuration is typically used in applications spatial. These two configurations make it possible to separate the oscillator and the equipment to be cooled which facilitates integration of the chiller into the environment of the device to be cooled. In addition, these two configurations significantly reduce vibrations at the level of the device to be cooled.
Les refroidisseurs à régénérateur mobile ont un coût relativement élevé à cause des tolérances d'usinage requises pour réaliser le régénérateur et le doigt froid qui sont en mouvement l'un par rapport à l'autre.Mobile regenerative coolers come at a cost relatively high due to the required machining tolerances to realize the regenerator and the cold finger which are in movement relative to each other.
Des refroidisseurs à doigt froid du type tube pulsé sont aussi connus. Le doigt froid au lieu de contenir un régénérateur mobile contient un régénérateur fixe et un tube pulsé.Pulsed tube type cold finger coolers are also known. The cold finger instead of containing a mobile regenerator contains a fixed regenerator and a tube pulsed.
Les avantages de ce genre de refroidisseurs sont nombreux. La durée de vie du doigt froid est quasi-illimitée car la suppression du mouvement réduit l'usure. Les vibrations induites dans le doigt froid sont beaucoup plus faibles que celles induites dans les doigts froids à régénérateur mobile. Les coûts sont aussi beaucoup plus faibles du fait d'un fonctionnement moins sensible aux tolérances géométriques de fabrication. Le régénérateur fixe permet de réduire les pertes de rendement liées à l'effet navette et aux fuites de fluide entre la paroi extérieure du doigt froid et le régénérateur. Ces refroidisseurs, dans la mesure où ils utilisent un tube pulsé à double orifice, ont un rendement sensiblement équivalent à celui d'un refroidisseur à doigt froid muni d'un régénérateur mobile. Un refroidisseur à tube pulsé à double orifice est décrit ultérieurement à la figure 1.The advantages of this kind of coolers are numerous. The lifespan of the cold finger is almost unlimited because removing movement reduces wear. Vibrations induced in the cold finger are much weaker than those induced in cold fingers with mobile regenerator. The costs are also much lower due to a operation less sensitive to geometric tolerances of manufacturing. Fixed regenerator reduces losses efficiency linked to the shuttle effect and fluid leaks between the wall outside of the cold finger and the regenerator. These coolers, in the as they use a double orifice pulsed tube, have a yield substantially equivalent to that of a cold finger cooler fitted with a mobile regenerator. A double orifice pulsed tube cooler is described later in Figure 1.
L'inconvénient majeur de ce type de refroidisseur est lié à la forme de U du doigt froid. L'une des branches du U est réalisée par le régénérateur et l'autre par le tube pulsé. La base du U qui est aussi l'extrémité libre du doigt froid est formée d'une pièce d'extrémité solidaire d'un côté du régénérateur et de l'autre du tube pulsé.The major drawback of this type of cooler is related to the U shape of the cold finger. One of the branches of the U is made by the regenerator and the other by the pulsed tube. The base of the U which is also the free end of the cold finger is formed of an integral end piece on one side of the regenerator and on the other of the pulsed tube.
Ce doigt froid impose un cryostat spécifique et donc empêche son implantation dans un cryostat prévu pour un doigt froid à régénérateur mobile ou de type Joule-Thomson. La maintenance « sur le terrain » du doigt froid à tube pulsé n'est pas possible alors que l'intervention sur un doigt froid à régénérateur mobile est aisée. En effet, il faudrait casser le vide du cryostat pour démonter le tube pulsé ou le régénérateur.This cold finger imposes a specific cryostat and therefore prevents its implantation in a cryostat intended for a cold finger with regenerator mobile or Joule-Thomson type. On-site maintenance of the cold finger with pulsed tube is not possible while intervention on a cold finger with mobile regenerator is easy. Indeed, it would be necessary to break the vacuum cryostat to disassemble the pulsed tube or the regenerator.
Le brevet GB-A-1 202 203 et l'article CRYOGENICS 1988, Vol. 28 August montrent des refroidisseurs de type à tube pulsé dans lesquels le régénérateur est tubulaire et est monté coaxialement autour du tube pulsé.The patent GB-A-1 202 203 and the article CRYOGENICS 1988, Vol. 28 August show pulsed tube type coolers in which the regenerator is tubular and is mounted coaxially around the pulsed tube.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Elle propose un refroidisseur basé sur le cycle de Stirling, muni d'un doigt froid de type à tube pulsé. Ce refroidisseur peut être implanté dans un cryostat classique et il possède de bonnes performances thermodynamiques.The present invention aims to remedy these drawbacks. She offers a cooler based on the Stirling cycle, fitted with a cold finger pulsed tube type. This cooler can be installed in a cryostat classic and it has good thermodynamic performance.
Plus précisément, le refroidisseur selon l'invention comporte des moyens pour générer une onde de pression dans un fluide et la transmettre à un doigt froid de type à tube pulsé. Le doigt froid comporte un régénérateur relié pneumatiquement au tube pulsé, ce régénérateur est tubulaire et est monté coaxialement autour du tube pulsé. Le régénérateur est contenu dans un tube externe, la surface intérieure du régénérateur servant de tube pulsé. More specifically, the cooler according to the invention comprises means for generating and transmitting a pressure wave in a fluid to a cold finger of the pulsed tube type. The cold finger has a regenerator pneumatically connected to the pulsed tube, this regenerator is tubular and is mounted coaxially around the pulsed tube. The regenerator is contained in an outer tube, the inner surface of the regenerator serving as a pulsed tube.
On peut aussi envisager que lorsque le doigt froid est plongé dans un cryostat, le tube externe serve de paroi intérieure au cryostat. Cette configuration qui supprime la paroi intérieure du cryostat permet d'améliorer les performances du refroidissement en réduisant les pertes par conduction.We can also consider that when the cold finger is immersed in a cryostat, the outer tube serves as the inner wall of the cryostat. This configuration that removes the inner wall of the cryostat improves cooling performance by reducing conduction losses.
Les caractéristiques et avantages de l'invention apparaítront à la lecture de la description suivante, donnée à titre d'exemples et illustrée par les figures annexées qui représentent:
- la figure 1: un refroidisseur connu, muni d'un doigt froid de type tube pulsé ;
- la figure 2 : un refroidisseur à régénérateur tubulaire connu monté coaxialement autour du tube pulsé ;
- la figure 3 : des courbes des températures du tube pulsé et du fluide qu'il contient en fonction de la position le long du tube ;
- les figures 4, 5 et 7 : des variantes d'un refroidisseur à régénérateur tubulaire connu monté coaxialement autour du tube pulsé ;
- la figure 6 : un refroidisseur selon l'invention.
- Figure 1: a known cooler, provided with a cold finger of the pulsed tube type;
- FIG. 2: a known tubular regenerator cooler mounted coaxially around the pulsed tube;
- FIG. 3: curves of the temperatures of the pulsed tube and of the fluid which it contains as a function of the position along the tube;
- Figures 4, 5 and 7: variants of a known tubular regenerator cooler mounted coaxially around the pulsed tube;
- Figure 6: a cooler according to the invention.
Sur ces figures les mêmes éléments portent les mêmes références. Dans un souci de clarté, les côtes ne sont pas respectées.In these figures the same elements bear the same references. For the sake of clarity, the ribs are not respected.
La figure 1 représente un refroidisseur basé sur le cycle de
Stirling muni d'un doigt froid 1 de type tube pulsé 5, selon l'art connu. Le
doigt froid 1 est relié à un oscillateur 2 de pression à travers une embase 3.
L'embase 3 assure l'interface mécanique et l'étanchéité entre le doigt froid 1
et le cryostat dans lequel on plonge généralement le doigt froid 1. L'embase
3 forme la base du doigt froid 1. Le cryostat n'est pas représenté pour des
raisons de clarté.FIG. 1 represents a cooler based on the cycle of
Stirling provided with a
L'oscillateur 2 de pression génère une onde de pression dans un
fluide et le fluide est successivement comprimé et détendu.The
Le doigt froid 1 comporte un régénérateur 4 fixe contenu dans un
tube 7 et un tube pulsé 5 qui forment les deux
branches d'un U. Le régénérateur 4 a la forme d'un cylindre
plein. La base du U est réalisée par une pièce d'extrémité 6
froide qui relie pneumatiquement le régénérateur 4 et le tube
pulsé 5.The
Le tube 7 contenant le régénérateur a une extrémité
chaude fixée à l'embase 3 et une extrémité froide fixée à la
pièce d'extrémité 6. La pièce d'extrémité 6 constitue
l'extrémité libre du doigt froid 1. C'est le point le plus froid
du refroidisseur. Elle sert aussi à transmettre au dispositif à
refroidir, placé à proximité, les frigories rendues
disponibles par la détente du fluide.The tube 7 containing the regenerator has one end
hot end fixed to the
Le régénérateur 4 fixe fonctionne de la même façon
qu'un régénérateur mobile. Il est réalisé dans un matériau
poreux perméable au fluide. Le régénérateur 4 est relié
pneumatiquement à l'oscillateur 2.The fixed regenerator 4 works in the same way
than a mobile regenerator. It is made of a material
porous fluid permeable. Regenerator 4 is connected
pneumatically with
Le régénérateur a pour fonction de capter du froid au
fluide lorsque ce dernier est aspiré par l'oscillateur 2 durant
la phase de détente et d'évacuer de la chaleur vers ce fluide
lorsqu'il est refoulé durant la phase de compression.The regenerator's function is to capture cold at
fluid when the latter is sucked in by
Le tube pulsé 5 est simplement constitué d'un tube
sensiblement parallèle au tube 7 contenant le régénérateur 4. Il
est solidaire à une extrémité froide de la pièce d'extrémité 6
et à l'autre extrémité chaude de l'embase 3.The
Un circuit pneumatique 8 sert à relier l'oscillateur 2
de pression au régénérateur 4 et au tube pulsé 5. Un réservoir
tampon 9 est aussi prévu et relié au circuit pneumatique 8. Il a
un volume suffisant pour que le fluide qu'il contient reste à
une pression sensiblement constante quelle que soit la phase de
l'oscillateur de pression 2. Lorsque l'oscillateur aspire le
fluide, le fluide du réservoir tampon 9 alimente le tube pulsé 5
et lorsque l'oscillateur 2 refoule, le fluide refoulé remplit le
réservoir tampon 9.A
Le circuit pneumatique comporte un premier
conduit 81 reliant le régénérateur 4 à l'oscillateur 2, un
deuxième conduit 82 reliant l'extrémité chaude du tube pulsé 5
au réservoir tampon 9 et un troisième conduit 83 reliant
l'extrémité chaude du tube pulsé à l'oscillateur de pression 2.
Le tube pulsé est relié à la fois à l'oscillateur et au
réservoir tampon.The pneumatic circuit includes a
Le fluide traverse un échangeur de chaleur 10 chaud
entre l'extrémité chaude du tube pulsé 5 et l'oscillateur 2
et/ou le réservoir tampon 9. Cet échangeur chaud 10 peut être
logé dans l'embase 3.The fluid passes through a
Sur la figure 1, le troisième conduit 83 est disposé
entre le premier conduit 81 et le deuxième conduit 82 et il
atteint le deuxième conduit 82 entre le réservoir tampon 9 et
l'échangeur de chaleur chaud 10.In FIG. 1, the
L'échangeur de chaleur chaud 10 assure le captage de
la chaleur de compression du fluide sortant du tube pulsé et son
évacuation, via l'embase 3, vers l'extérieur du refroidisseur.The
Le mouvement du fluide dans le doigt froid est
déphasé par rapport à l'onde de pression générée par
l'oscillateur 2. Le déphasage et les débits aux extrémités
chaudes du tube pulsé 5 et du tube 7 contenant le régénérateur
4 sont fonction de l'impédance pneumatique des conduits 81, 82
et 83 et du volume du réservoir tampon 9. Le réglage de
l'impédance pneumatique des conduits peut se faire par un choix
adéquat de leur section, de leur longueur. Les conduits peuvent
aussi comporter de simples pincements ou des orifices 11
calibrés comme sur la figure 1 ou même des vannes.The movement of the fluid in the cold finger is
out of phase with the pressure wave generated by
the
Le comportement du fluide dans le tube pulsé est le
suivant : considérons un volume A de fluide qui transite entre
l'extrémité froide du tube pulsé 5 et la pièce d'extrémité 6. Du
fait du déphasage du mouvement du fluide dans le doigt froid
avec les phases de détente et de compression de l'oscillateur 2,
ce fluide lorsqu'il se détend transite vers la pièce d'extrémité
6 en la refroidissant et lorsqu'il se comprime, pénètre dans le
tube pulsé 5 où il s'échauffe de manière quasi-adiabatique.The behavior of the fluid in the pulsed tube is the
next: consider a volume A of fluid which transits between
the cold end of the
Considérons maintenant un volume B de fluide qui
transite entre l'extrémité chaude du tube pulsé 5 et l'échangeur
chaud 10. Du fait du déphasage du mouvement du fluide dans le
doigt froid avec les phases de détente et de compression de
l'oscillateur 2, ce fluide lorsqu'il se comprime transite vers
l'échangeur chaud en lui cédant sa chaleur et lorsqu'il se
détend pénètre dans le tube pulsé où il se refroidit de manière
quasi-adiabatique.Now consider a volume B of fluid which
passes between the hot end of the
Considérons un volume C de fluide qui reste en
permanence dans le tube pulsé 5. Ce volume joue un rôle de
volume tampon entre les deux volumes précédents. Il a le même
effet navette que le déplaceur mobile des refroidisseurs
classiques. Il subit des cycles de compression et de détente
adiabatiques et réversibles. Il participe aux échanges
thermiques essentiellement via la paroi du tube pulsé 5.Let us consider a volume C of fluid which remains in
permanence in the
Le refroidisseur de la fiqure 2 est comparable
à celui de la figure 1. La principale différence se situe au
niveau du doigt froid 21 qui au lieu de comporter un
régénérateur et un tube pulsé configurés en U comporte un
régénérateur 24 tubulaire monté coaxialement autour du tube
pulsé 25. Le doigt froid 21 est toujours relié à un oscillateur
2 à travers une embase 3. L'embase 3 joue le même rôle que sur
la figure 1.The cooler in Figure 2 is comparable
to that of figure 1. The main difference is at
L'extrémité libre du doigt froid se termine toujours
par une pièce d'extrémité 26. C'est toujours la partie la plus
froide du refroidisseur.The free end of the cold finger always ends
by an
Le régénérateur 24 joue le même rôle que dans l'art
connu. Au lieu d'avoir la forme d'un cylindre plein il a
maintenant la forme d'un tube. Le régénérateur 24 est contenu
entre un tube externe 27 et un tube interne 28. Le tube externe
27 cylindrique a une extrémité chaude fixée de manière étanche à
l'embase 3 et une extrémité froide fixée de manière étanche à la
pièce d'extrémité 26. Il forme la surface extérieure du doigt
froid 21. Ce tube externe 27 a de préférence une épaisseur
aussi fine que possible pour limiter les entrées thermiques le
long du doigt froid. Il est réalisé, de préférence, dans un
matériau ayant une conductivité thermique aussi faible que
possible, par exemple de l'acier inoxydable. Ce tube externe 27
ainsi que ses fixations à l'embase 3 et à la pièce d'extrémité
26 doivent assurer l'étanchéité de l'intérieur du doigt froid
vis-à-vis du milieu extérieur. Le doigt froid est généralement
plongé dans un cryostat soumis au vide. Ce cryostat est
représenté avec la référence 30 sur la figure 4 sous la forme
d'un vase de Dewar.
Le tube interne 28 sert à la fois de tube pulsé et de
paroi intérieure au régénérateur 24 tubulaire. Il est disposé
coaxialement dans le tube externe 27 et a une extrémité chaude
fixée à l'embase 3. Son autre extrémité qui est froide débouche
dans la pièce d'extrémité 26. Ce tube interne 28 n'est pas
soumis comme le tube externe 27 à des différences de pression
importantes. Il n'est pas nécessaire qu'il soit strictement
étanche comme le tube externe. Il évite un passage direct du
fluide du régénérateur 24 au tube pulsé 25 sans passer par la
pièce d'extrémité 26. La conception de ce tube interne 28
vis-à-vis du choix du matériau le constituant, de son mode de
fixation, et son , épaisseur pourra être plus facilement
optimisée. Selon l'invention on supprime physiquement
le tube interne 28, la surface interne du régénérateur 24 étant
étanche. Dans ce cas, c'est la surface intérieure du
régénérateur qui sert de tube pulsé.The
La pièce d'extrémité 26 ressemble aux pièces
d'extrémité des doigts froids à régénérateur mobile. Le
régénérateur et le tube pulsé communiquent pneumatiquement
grâce à elle. Pour faciliter l'échange thermique entre le
fluide et le dispositif à refroidir disposé à proximité de la
pièce d'extrémité 26, l'épaisseur de la pièce d'extrémité 26
sera la plus faible possible. Elle sera réalisée dans un
matériau ayant une conductivité thermique aussi élevée que
possible : du cuivre par exemple. On peut envisager que la
pièce d'extrémité contienne un échangeur froid 29 formé par
exemple de grilles de cuivre brasées à leur périphérie. Cet
échangeur froid 29 améliore l'échange thermique entre le fluide
et la pièce d'extrémité 26.
Le matériau de la pièce d'extrémité 26 aura, de
préférence, un coefficient de dilatation aussi faible que
possible lorsque le doigt froid 21 sera employé pour refroidir
un dispositif posé directement sur la pièce d'extrémité 26
(technique connue sous la dénomination anglo-saxonne d'
Integrated Dewar Cooler Assembly).The material of the
La pièce d'extrémité 26 pourra, par exemple, être
pourvue d'un dispositif tranquilliseur pour assurer un niveau
de turbulences le plus faible possible dans le tube pulsé 25. Il
est en effet souhaitable de maintenir un gradient thermique
important entre les deux extrémités chaudes et froides du tube
pulsé. Ce dispositif transquilliseur peut être réalisé par une
pièce en nid d'abeille ou par l'échangeur froid 29. Les autres
éléments du refroidisseur à savoir l'oscillateur 2, le circuit
pneumatique 8, le réservoir tampon 9 et l'échangeur chaud 10
sont comparables à ceux de la figure 1.The
L'échangeur chaud 10 s'il est configuré avec des
grilles ou un matériau en nid d'abeille a aussi un role de
tranquilliseur .The
Le réglage optimal du déphasage et de l'amplitude des
débits de fluide dans le régénérateur 24 et le tube pulsé 25
dépendra du volume du réservoir tampon 9 et des
caractéristiques des conduits 81, 82, 83 comme précédemment.Optimal adjustment of phase shift and amplitude of
fluid flows in the
Le fait d'avoir placé le tube pulsé 25 à l'extérieur
du régénérateur 24 permet de réaliser un refroidisseur dont le
rendement est du même ordre que celui du refroidisseur de la
figure 1. Lorsqu'on a analysé le comportement du fluide dans le
tube pulsé, on a vu que le fluide qui reste en permanence dans
le tube pulsé participe aux échanges thermiques essentiellement
via la paroi du tube pulsé. L'exemple numérique qui suit,
illustré par la figure 3, montre qu'on a intérêt à limiter au
maximum cet échange thermique car il a une action néfaste sur
le rendement du refroidisseur. The fact of having placed the
On suppose que le tube pulsé a une longueur de 70 mm et qu'en fonctionnement ses températures extrêmes sont de 80° K à l'extrémité froide et 300° K à l'extrémité chaude. On suppose que le gradiant thermique est linéaire dans la paroi du tube pulsé, que la pression moyenne dans le tube pulsé est de 35.105Pa et qu'elle varie de plus ou moins 106Pa, à cause de l'onde de pression. On considère une tranche fine de fluide située au milieu du tube pulsé. Lors des cycles de compression et de détente, son déplacement entre la position al et la position a2 aura une amplitude de plus au moins 10 mm par rapport à sa position a0 au repos. Ces données physiques sont typiques d'un refroidisseur de détecteur infrarouge.It is assumed that the pulsed tube has a length of 70 mm and that in operation its extreme temperatures are 80 ° K at the cold end and 300 ° K at the hot end. It is assumed that the thermal gradient is linear in the wall of the pulsed tube, that the average pressure in the pulsed tube is 35.10 5 Pa and that it varies more or less 10 6 Pa, because of the pressure wave. We consider a thin slice of fluid located in the middle of the pulsed tube. During the compression and expansion cycles, its displacement between position al and position a2 will have an amplitude of at least 10 mm relative to its position a0 at rest. This physical data is typical of an infrared detector cooler.
La tranche de fluide aura une température moyenne de 190°K mais au cours des cycles de détente et de compression, elle verra sa température osciller entre 166°K et 210°K (courbe C1). Cette tranche de fluide sera en vis-à-vis avec un tronçon de tube pulsé dont les températures seront comprises entre 158°K et 221°K (courbe C2) à cause du gradient thermique linéaire.The fluid slice will have an average temperature of 190 ° K but during the expansion and compression cycles, it will see its temperature oscillate between 166 ° K and 210 ° K (curve C1). This slice of fluid will be opposite with a section of pulsed tube whose temperatures will be between 158 ° K and 221 ° K (curve C2) because of the thermal gradient linear.
En phase de détente, le fluide sera en contact avec une portion de tube pulsé plus froide que lui et aura tendance à lui céder de la chaleur. De manière symétrique, en phase de compression, le fluide sera en contact avec une portion de tube pulsé plus chaude que lui et aura tendance à en extraire de la chaleur. Cet effet de pompage de chaleur de l'extrémité chaude du tube pulsé vers l'extrémité froide est néfaste pour le rendement du refroidisseur. Ces échanges thermiques avec les parois ne concernent qu'une partie du fluide : la couche limite thermique qui est suffisamment proche de la paroi pour avoir le temps d'échanger, principalement par conduction gazeuse, de la chaleur durant un cycle de compression-détente. Un tel refroidisseur permet de réduire les échanges entre le fluide et la paroi du tube pulsé en plaçant le tube pulsé à l'intérieur du régénérateur et non autour. In the expansion phase, the fluid will be in contact with a portion of pulsed tube cooler than him and will tend to give it heat. Symmetrically, in the phase of compression, the fluid will be in contact with a portion of tube pulsed hotter than him and will tend to extract from it heat. This heat pumping effect from the hot end of the tube pulsed towards the cold end is harmful for the cooler efficiency. These heat exchanges with walls only concern part of the fluid: the boundary layer thermal which is close enough to the wall to have the time to exchange, mainly by gas conduction, the heat during a compression-expansion cycle. Such cooler reduces trade between the fluid and the wall of the pulsed tube by placing the tube pulsed inside the regenerator and not around.
Si le doigt froid est formé de deux tubes (d'épaisseur nulle pour simplifier) coaxiaux de diamètres 5mm et 3,5mm, dans le cas d'une épaisseur de couche limite thermique de 0,2 mm, on peut estimer que seulement 20 % de fluide participe à l'échange thermique avec la paroi du tube pulsé, si le tube pulsé est placé à l'intérieur du régénérateur, alors que plus de 50 de fluide participe à l'échange thermique avec les parois externes et internes du tube pulsé, si le régénérateur est placé à l'intérieur du tube pulsé.If the cold finger is formed of two tubes (thick null to simplify) coaxial diameters 5mm and 3.5mm, in the case of a thermal boundary layer thickness of 0.2 mm, we can estimate that only 20% of fluid participates in heat exchange with the wall of the pulsed tube, if the tube pulse is placed inside the regenerator, while more than 50 of fluid participates in the heat exchange with the walls external and internal of the pulsed tube, if the regenerator is placed inside the pulsed tube.
Les figures 4 et 5 représentent des variantes d'un refroidisseur avec régénérateur tubulaire monté coaxialement autour du tube pulsé. On se réfère à la figure 4.Figures 4 and 5 show variants of a cooler with tubular regenerator mounted coaxially around the pulsed tube. We refer to figure 4.
Le doigt froid est plongé dans un cryostat tel qu'un
vase de Dewar 30 comportant deux enceintes 31, 32 insérées
l'une dans l'autre et séparées par du vide. L'enceinte interne
32 a la forme d'un puits. Le dispositif à refroidir référencé 33
est disposé entre l'enceinte externe 31 et l'enceinte interne
32. Il est fixé au au fond du puits. Un coupleur thermique 34
est inséré entre l'extrémité libre du doigt froid 21 et le fond
du puits pour optimiser le refroidissement du dispositif à
refroidir 33.The cold finger is immersed in a cryostat such as a
L'oscillateur 2 de pression est rotatif. Le réservoir
tampon est constitué par le carter 35 de l'oscillateur ce qui
permet de gagner de la place.The
Le deuxième conduit 82 et le troisième conduit 83
comportent chacun une vanne 36 au lieu d'un orifice calibré et,
de plus, le deuxième conduit 82 est muni d'un pincement 37
entre la vanne et l'échangeur chaud 10.The
On se réfère maintenant à la figure 5. Le doigt froid
et l'embase sont représentés par un seul bloc 50 pour
simplifier. Maintenant l'oscillateur de pression 51 est un
oscillateur linéaire résonnant. Le réservoir tampon 52 est
pourvu d'un dispositif de chauffage 54. La température du fluide
dans le réservoir tampon 52 est réglable de manière à pouvoir
ajuster la pression moyenne dans le refroidisseur et à pouvoir
ajuster la fréquence de résonance du refroidisseur. Ceci est
particulièrement intéressant dans le cas où le refroidisseur est
utilisé dans un satellite où l'on recherche une fréquence
réglable pour éviter d'exciter la plateforme ou des
instruments à proximité du refroidisseur. Dans cette
configuration, l'échangeur chaud est constitué par un dispositif
à ailettes 55 ou équivalent. Ce dispositif 55 est disposé sur le
deuxième conduit 82 reliant le tube pulsé au réservoir tampon
52. Les autres conduits 81, 83 et le réservoir 52 pourraient
aussi participer à l'évacuation de la chaleur de compression du
fluide. A cet effet, on les équiperait de dispositifs, à
ailettes par exemple, améliorant la dissipation de cette chaleur
vers l'extérieur.We now refer to Figure 5. The cold finger
and the base are represented by a
Le réservoir tampon 52 est pourvu d'un dispositif
tranquilliseur 56 pour assurer un niveau de turbulences aussi
bas que possible dans le tube pulsé. Ce dispositif
tranquilliseur 56 peut être de même nature que celui décrit
dans la pièce d'extrémité 26 de la figure 2.The
On se réfère à la figure 6 qui montre un refroidisseur selon l'invention. Le doigt froid 60, plongé
dans un cryostat 61, et l'oscillateur de pression 68 rotatif
forment un refroidisseur monobloc. Le carter 69 du compresseur
constitue le réservoir tampon. Le doigt froid 60 comporte un
tube externe 62, un régénérateur tubulaire 63 et un tube pulsé
66. Dans cet exemple, le tube externe 62 sert de paroi
intérieure au cryostat. La surface intérieure du régénérateur
tubulaire sert de tube pulsé 66. La suppression de la paroi
intérieure du cryostat peut bien sur être utilisée dans d'autres
configurations .Reference is made to FIG. 6 which shows a cooler according to the invention.
Le dispositif à refroidir 65 est directement fixé sur
la pièce d'extrémité 64 qui relie le tube pulsé et le
régénérateur. Le refroidissement est amélioré par rapport à la
configuration où le tube externe et la paroi intérieure du
cryostat sont distincts. Sur cette figure, on a placé un
dispositif de refroidissement 67 à circulation de fluide autour
de l'échangeur chaud 10. Ce dispositif de refroidissement est de
préférence utilisé lorsque le tube pulsé est soumis à des
puissances importantes, par exemple supérieures à quelques
watts. Au lieu d'utiliser un dispositif de refroidissement à
circulation de fluide on aurait pu utiliser un dispositif de
refroidissement à convection naturelle ou forcée avec de
l'air par exemple. La configuration représentée est
particulièrement compacte, elle limite au maximum les pertes de
charge entre l'oscillateur 68 et le doigt froid 60.The
On se réfère à la figure 7. Le refroidisseur comporte
maintenant plusieurs oscillateurs de pression 70, 71, 72 montés
en parallèle. Un commutateur 73 ayant plusieurs voies d'entrée
et une voie de sortie permet de relier le doigt froid à l'un des
oscillateurs de pression 71. Avec un doigt froid sans pièce
mobile, le seul élément présentant un risque de panne
relativement élevé est l'oscillateur de pression qui lui a des
pièces mobiles. La commutation d'un oscillateur de pression à un
autre peut être commandée par l'utilisateur ou automatiquement
lorsque le fonctionnement de l'oscillateur en service n'est plus
normal. Cette commutation ne nécessite ni intervention, ni
démontage sur le doigt froid et le cryostat, elle peut se
réaliser de manière instantanée et à distance.Refer to Figure 7. The cooler has
now
Le refroidisseur selon l'invention peut refroidir tout dispositif notamment des capteurs ou détecteurs, des composants électroniques, des échantillons, etc ....The cooler according to the invention can cool any device including sensors or detectors, components electronics, samples, etc ...
Claims (12)
- Cooler based on the Stirling cycle, which includes means for generating a pressure wave in a fluid and for transmitting it to a cold finger (60) of the pulsed-tube (66) type, comprising a tubular regenerator (63) pneumatically connected to the pulsed tube (66), mounted coaxially about the pulsed tube and placed inside an external tube (62), characterized in that the inner surface of the regenerator (63) serves as the pulsed tube.
- Cooler according to Claim 1, characterized in that the cold finger is immersed in a cryostat, the external tube (62) forming the inner wall of the cryostat.
- Cooler according to either of Claims 1 and 2, characterized in that the means for generating the pressure wave and for transmitting it to the cold finger comprise a pressure oscillator (68), a buffer reservoir (69) and a pneumatic circuit (8) which connects the pressure oscillator (68) and the buffer reservoir (69) to the base of the cold finger (60).
- Cooler according to Claim 3, characterized in that the pneumatic circuit (8) includes a first duct (81) between the pressure oscillator (68) and the regenerator (63), a second duct (82) between the buffer reservoir (69) and the pulsed tube (66) and a third duct between the pressure oscillator (68) and the pulsed tube (66).
- Cooler according to either of Claims 3 and 4, characterized in that the pressure oscillator (68) has a casing which serves as the buffer reservoir.
- Cooler according to one of Claims 3 to 5, characterized in that a fluid passes through a heat exchanger (10) between the pressure oscillator (68) and/or the buffer reservoir (69) and the pulsed tube (66).
- Cooler according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the fluid passes through a cold exchanger between the regenerator (63) and the pulsed tube (66) at the free end of the cold finger (60).
- Cooler according to one of Claims 3 to 7, in which the pressure oscillator (51) is a resonant linear oscillator, characterized in that a device (54) makes it possible to modify the temperature of the fluid in the buffer reservoir (52) and therefore its pressure so that the cooler has an adjustable resonant frequency.
- Cooler according to one of Claims 3 to 8, in which the pressure wave undergoes a phase shift between the pressure oscillator (68) and the cold finger (60), characterized in that the pneumatic circuit includes means for regulating the said phase shift.
- Cooler according to Claim 9, characterized in that the means for regulating the phase shift consist in adjusting the length and/or the cross-section of the ducts (81, 82, 83).
- Cooler according to either of Claims 9 and 10, characterized in that at least one of the ducts (81, 82, 83) includes at least one element such as a means for pinching its wall, a gauged restriction or a valve so as to adjust the phase shift of the pressure wave.
- Cooler according to one of Claims 3 to 11, characterized in that it includes a plurality of pressure oscillators (70, 71, 72) mounted in parallel, a switch (73) allowing the cold finger to be connected to one of the pressure oscillators (71).
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