Cryogénérateurs de Gifford-McMahon

Les pompes cryogéniques réfrigérantes permettent de produire du froid à la demande.
Ces pompes fonctionnent à peu près de la même manière qu'un réfrigérateur domestique ordinaire, dans lequel un cycle thermodynamique utilise de l'hélium.
Le procédé de Gifford-McMahon est l'un des plus utilisé. Il offre la possibilité de séparer les emplacements du compresseur et de l'unité d'expansion dans lesquels se déroule le procédé de réfrigération. Il est donc possible de concevoir une source de froid compacte et à faibles vibrations.

Le cryoréfrigérant GM a été développé dès 1963 par Gifford-McMahon et a depuis été utilisé dans diverses configurations, principalement pour des systèmes à petite échelle tels que les machines IRM, les cryopompes et la liquéfaction de gaz comme l’hydrogène.

Description du réfrigérant de Gifford-McMahon

Un cylindre est divisé en deux espaces de travail V₁ et V₂ par un plongeur. Pendant le fonctionnement, l'espace V₁ est chaud et l'espace V₂ est froid.
Le plongeur est animé d'un mouvement de va-et-vient pneumatique de sorte que le gaz est forcé de traverser le plongeur et donc le régénérateur situé à l'intérieur du plongeur.
Le régénérateur est un accumulateur de chaleur présentant une grande surface d'échange de chaleur et ainsi qu'une grande capacité, qui fonctionne comme un échangeur de chaleur au cours du cycle.

Représentation schématique du fonctionnement d’un cryoréfrigérant GM.
Le cycle comprend quatre phases (cf le schéma ci-joint):

• Phase 1 : Le plongeur se trouve au niveau du point mort gauche ; l'espace V₂ où est produit le froid présente son volume minimal. La vanne N reste fermée, la vanne H depuis le réservoir haute pression est ouverte.  Le gaz à la pression P_H est admis dans le cylindre. Il se réchauffe alors en raison de l'augmentation de la pression dans l'espace V₁, puis traverse le régénérateur où il cède de la chaleur pour atteindre l'espace V₂.
• Phase 2 : La vanne H reste ouverte, la vanne N est fermée : le plongeur se déplace vers la droite et éjecte le gaz de l'espace V₁ vers l'espace V₂ en traversant le régénérateur, où il se refroidit. L'espace V₂ présente le volume maximal.
• Phase 3 : La vanne H est fermée et la vanne N vers le réservoir basse pression est ouverte. Le gaz se détend de P_H à P_N et se refroidit ainsi. Cela permet d'éliminer la chaleur de la zone et de la transporter vers le compresseur avec le gaz en expansion.
• Phase 4 : Lorsque la vanne N est ouverte, le plongeur se déplace vers la gauche ; le gaz de l'espace V₂, traverse le régénérateur, se refroidit puis passe dans le volume V₁ et dans le réservoir basse pression. Le cycle est alors terminé.

Source: Leybold