Cryogénérateurs à cycle de Stirling

Le cycle de Stirling est un cycle thermodynamique inventé en, 1816 par Robert Stirling. D'abord imaginé pour remplacer les moteurs à vapeur, il est aussi connu sous le nom de moteur à air chaud.

Dans les années 1940 la société Philips imagina son utilisation pour la production de froid.

Le cryogénérateur de Stirling fonctionne comme un moteur Stirling inversé. Au lieu de produire de l’énergie mécanique, il extrait de la chaleur du gaz pour le refroidir

Une quantité fixe d'hélium est soumise à une succession d'opérations de compression et de détente, entrecoupées d'échanges thermiques. La température minimum obtenue peut être aussi basse que 20K (-253°C) avec un refroidissement de la machine à température ambiante.

Applications

Les cryogénérateurs de Stirling sont utilisés dans divers domaines, notamment :

• La cryogénie pour la liquéfaction de gaz comme l’hydrogène.
• La réfrigération à très basse température.
• La recherche scientifique et les expériences nécessitant des températures extrêmes.
  

Description du cycle de Stirling

Le cycle de Stirling alternativement comprime et détend une même quantité de gaz (le plus souvent de l'Hélium dans le cas des cryogénérateurs), dans un cycle fermé.

La compression est menée à température ambiante pour permettre une évacuation aisée de la chaleur générée, tandis que la détente est menée à la température cryogénique requise par l'utilisation.

Le processus peut être fractionné suivant quatre positions du piston:

• 1 : la totalité du gaz est à la température ambiante dans l'espace "D"
• 1→2 : le gaz est comprimé par le piston "B"; sa température atteint 80°C environ
• 2→3 : le gaz est transféré de l'espace "D" vers "E" en transitant par le refroidisseur "H" où la température du gaz est réduite à 15°C environ, puis par le régénérateur "G" qui a stocké du froid provenant du cycle précédent; le gaz est ainsi refroidi quasiment à sa température de travail finale quand il parvient à l'espace "E". Pendant cette phase, le déplaceur "C" descend; 
• 3→4 : le piston et le déplaceur se déplacent ensemble vers le bas, créant une expansion du gaz dans "E" et provoquant l'effet de refroidissement sur l'échangeur "J" en contact avec l'application à refroidir.
• 4→1 : le déplaceur remonte, déplaçant le gaz de "J" à "D"; le régénérateur est refroidi par le passage du gaz accumulant le froid qui sera utilisé au prochain cycle. Le gaz est réchauffé à une température proche de l'ambiante, restaurant la situation initiale; le cycle peut ainsi se reproduire.
  

Le cycle est ainsi répété environ 25 fois par seconde.

Démarrant à la température ambiante, l'équipement doit d'abord se refroidir lui-même, accumulant le froid dans le régénérateur. Cette phase préliminaire prend environ 10 mn.

Source: Stirling Cryogenics B.V.

 

Efficacité du cycle de Stirling en cryogénération

L'efficacité (ou Coefficient de Performance, COP) qui indique la puissance mécanique à apporter par unité de froid produite. Théoriquement elle est donnée par la relation:

Eff = T_f ⁄ (T_c − T_f)

En pratique cette efficacité est de l'ordre de 0,04 à 0,2 selon le niveau de froid désiré.