Brevet FR2007776A1 — publié le 19700109

De façon générale, l'invention concerne les appareils dé nnmmés ci-aprés t'refroidisseurs" du type dans lequel on produit le refroidissement en détendant dans une tuyere un fluide de travail qui est constitué par un gaz sous pression et qui, avant détente, est à une fempérature inférieure à sa température d'inversion, de façon à produire aans un réservoir une réserve de fluide de travail liquéfié. On peut utiliser des refroidisseurs de ce genre pour produire du gaz liquéfié au moyen duquel on élimine par évaporation la chaleur à partir d'un corps à refroidir, qui constitue la charge. Quand la température ambiante à l'extérieur de la charge varie largement, la quantité de chaleur à extraire pour maintenir la charge dans un intervalle donné de température varie également. La présente invention concerne plus particulièrement les refroidisseurs dans lesquels on produit le refroidissement on détendant un fluide de travail qui provient d'une réserve sons forme gazeuse, et qui est à une température inférieure à sa température d'inversion à l'intérieur d'une tuyère placée dans un réservoir pour produire une réserve de fluide de travail liquéfié qui se rassemble dans le fond du réservoir, y compris un dispositif modulateur pour moduler la quantité de gaz traversant la tuyère, et un détecteur ou élément sensible placé dans le réservoir, au moins partiellement plus bas que le niveau de la tuyère, et comprenant un bulbe de vapeur communiquant avec un compartiment dilatable, un soufflet par exemple, dont une extrémité est mobile et est reliée à un obturateur mobile associé à la tuyère de façon à modifier la section effective de passage de celle-ci. On constate dans quelques cas que, lorsqu'un bulbe de vapeur s'étend jusqu'au point le plus bas de l'élément sensible, le transfert de la chaleur du bulbe de vapeur au fluide de travailliquide qui est en contact avec l'élément sensible a le caractère "tout-ou-rien", et produit une action assez brusque qui se traduit par un ionctionnetent oscillatoire non amorti. L'appareil selon l'invention est caractérisé par le fait que l'élément sensible comprend un prolongement ou queue qui s' tend sur une distance notable sous le fond de l'espace vapeur du bulbe, de façon à être refroidi progressivement par le fluide de travail liquéfié quand celui-ci s'élève vers le fond de 1. espace vapeur, pour réduire la quantité de gaz s'écoulant à travers la tuyère. Dans une forme particulière de réalisation de l'invention, l'obturateur précité est constitué par un pointeau mobile trans-versalement, afin qu'il puisse se centrer sur son siège dans l' espace de détente de la tuyère. La soupape de détente peut comporter une enveloppe ou etre agencée d'autre manière, afin d'empêcher le fluide de travail qui en sort de venir frapper l'élément sensible, par exemple sous la forme de projections de gouttelettes. Si la tuyère de détente est centrée à l'intérieur d'une en -veloppe tubulaire, et si l'élément sensible ou bien son tube descend de long d'un côté, il est possible que, si l'appareil est aussi compact qu'on peut le désirer, les jeux ou espaces vides existant entre 11 élément sensible ou son tube et d'autres organes soient assez réduits pour que des gouttelettes du fluide de travail liquide puissent s'y loger par un effet capillaire et provoquer un fonctionnement déréglé. Pour éviter cela, ltélément sensible ou bien son tube et la tuyère de détente peuvent être dé- calés dans des directions opposées relativement à l'axe de l'appareil, l'élément sensible étant séparé des autres organes par un jeu suffisant pour éviter de retenir par capillarité les gouttes de fluide de travail liquide. L'appareil de refroidissement peut comprendre deux étages dont chacun possède un dispositif modulateur pour moduler automatiquement la quantité ae gaz traversant la tuyère de cet étage. Si le dernier étage possède un dispositif modulateur, l'avantage est particulièrement sensible dans les cas où la charge de refroidissement varie largement. D'autre part, il peut Autre particulièrement désirable de prévoir un dispositif modulateur automatique pour le premier étage quand la température ambiante varie largement. La présente invention peut être mise en-pratique de diverses façons-, mais on décrira maintenant deux formes de réalisation par ticulières avec réféience auKdessirs annexés. La figure 1 est une coupe schématique axiale et longitudinale d'un mode de réalisation préféré de refroidisseur Joule Thomson qui utilise l'azote comme fluide de travail. La figure 2, semblable à la figure 1, est une coupe schéma- + ue axiale et longitudinale concernant une variante. Un refroidisseur Joule-Thomson utilise l'effet Joule-Thomson qui s'appuie sur la détente adiabatlque d'un gaz au-dessous de sa température d'inversion dans une tuyère de détente, pour refroidir le fluide de travail, et, éventuellement le liquéfier au moins partiellement. Les modes de réalisation décrit ci-après ne peuvent refroidir un gas dont la température est déjà inférieure à sa tempEra~ ture d'inversion. L'azote a une température d'inversion de 5200g (347 C), et par suite p@ut être refroidi directement à sa sortie d'une bouteille, celle-ci pouvant être à une température atteignant 75 C; comme cette température est déjà très inférieure à la température d'inversion on obtient ainsi une quantité pratiquement utilisable d'azote liquide, à un débit également prati @uement utilisable. Si l'on doit utiliser comme fluide de travail un gaz tel que le néon à une température inférieure à sa température d'inver- sion 430 K (157 C), il convient de le refroidir préalablement avant de le refroidir davantage dans un refroidisseur Joule- Thomson, si l'on veut obtenir du néon liquide en quantité et à un débit pratiquement utilisables.Aussi, c'est pourquci, dans un mode préféré de mise en oeuvre de l'invention utilisant du néon comme fluide de travail, l'alimentation initiale en néon à partir d'une bouteille de stockage dans laquelle ta température peut atteindre 750C, est refroidi préalablement jusqu'à 50 K puis envoyé à l'appareil Joule-Thomson qui en refroidit au moins une partie jusqu'à la température de liquéfaction (28 K), produisant ainsi une quantité utilisable de néon liquide. On peut réaliser ce refroidissement préalable en utilisant tout appareil etfou procédé appropriés connus, ou u encore au moyen d'un moteur à expansion fonctionnant suivant le cycle Claude, conformément au brevet français No. 1 489 301 de la même Société. De façon générale, l'appareil Joule-Thomson, selon l'invention est semblable à 1' appareil décrit dans le brevet français No. 1.550.281 de la même Société, la différence principale rési- dant dans la réalisation de l'élément sensible qui sert à controler l'obturation de l'orifice de détente en fonction du niveau du fluide de travail à l'état liquide. L'appareil de la figure 1, de même que 1' appareil correspondant des brevets cités en dernier lieu, a une forme allongée. Pour cette description, on supposera qu'il est placé verticalement avec son extrémité froide en bas. Cet appareil comprend un échangeur de chaleur annulaire comportant un corps tubulaire 131 autour duquel un serpentin d'admission 132 muni d'ailettes est enroulé en hélice. Comte représenté seulement dans les brevets précités, un tube extérieur coaxial, qui peut constituer la paroi intérieure d'un vase de Dewar, entoure le serpentin .132, et l'espace compris entre le corps 131 et le tube extérieur constitue un passage pour les gaz évacués s'écoulant le long des ailettes, pour refroidir le fluide de travail arrivant à haute pression via le serpentin 132. L'extrémité inférieure du tube extérieur est fermée de façon à constituer un réservoir dans lequel le fluide de travail liquide peut s'accumuler.L'extrémité supérieure du serpentin 132 communique avec un passage central ménagé dans l'extrémité supérieure du corps-131,auquel est envoyé le fluide de travail sons pression. Â 11 extrémité inférieure du corps 131 se trouve l'orifice 170 d'une tuyère de détente de l'appareil. La section effective de passage de la tuyère de détente est controlée par un pointeau 190 commandé par un soufflet 140. Le soufflet 140 est ouvert à son extrémité inférieure qui est fixée sur un collier 141, fixé lui-meme dans la partie in inférieure du corps 131, tandis qu'à son extrémité supérieure mobile est suspendue l'extrémité supérieure. d'un tube 193. L'orifice de tuyère 170 est menagé dans l'extrémité inSé- rieure d'un bouchon fileté 1?4 fixé dans un bloc 175, fixé luimême au collier 141.dans l'extrémité inférieure du corps 131. Le bouchon 174 est fixé au bloc 175 par l'intermédiaire d'une douille vissée 176, qui sert également à retenir un tampon po- reux ou filtre 177 que le fluide de travail doit obligatoirement traverser sur son trajet vers la tuyère de détente de façon à condenser et séparer par filtration toutes les impuretés é ventuelles qui pourraient autrement bloquer la tuyère de détente, disposition décrue dans le brevet britannique No. 863.961 de la aSme Société. L'extrémité inférieure du serpention 132 est fixée dans une ouverture latérale du bloc 175 de façon à communiquer avec la tuyère. Le pointeau 190 est monté de façon à pouvoir osciller transversalement et, tandis que sor -extrémité supérieure coopère avec un siège formé par l'ouverture 170 de la tuyère, son extrd- mité inférieure, de forme conique, porte dans un siège ménagé dans un bouchon fileté 191 vissé dans une douille 192 qui est assemblee rigidement, par exemple par soudage, à l'extrémité inté- rieure du t;ube 193 fixé à l'extrémité supérieure du soufflet 140. Par un tube 171, l'espacextérieur au soufflet communique avec un élément sensible comprenant un bulbe détecteur 195 situé en partie plus bas que la tube de détente et contenant un liquide approprié en équilibre avec sa vapeur. Pour éliminer en cours de fonctionnement les fluctuations produites par les variations de la piession sur le soufflet, le bulbe 195 proprement dit s'étend seulement sur une courte dis- tance plus bas que la tuyère de détente (bien qu'en réalité il n'est pas du tout nécessaire qu'il descende plus bas) mais il comporte un prolongement 196 constitué par une tige métallique qui complète l'élément sensible. Dans les agencements qui ne comportent pas de prolongements de ce genre dans lesquels le bulbe lui mame plonge dans le liquide réfrigérant, le transfert de chaleur à partir de son contenu se fait très rapidement, ce qui équivaut presque à un fonctionnement par tout-ou-rien, si bien que la pression qui s'exerce sur le soufflet 140 tend à osciller rapidement et peut provoquer une sorte d'"emballement". En pratique, cela présente des inconvénients, La présence du prolongement 196 fait que la pression qui s'exerce sur le soufflet 140 diminue progressivement à mesure que le niveau du liqui- de réfrigérant s'élève, puisque via le prolongement 196 un traJet plus court s' offre à la chaleur à partir du bulbe. Cela évite des oscillations excessives de fonctionnement entre le niveau maximal et le niveau minimal du réfrigérant liquide et évite:absolu- ment que la masse liquide ne s'élève jusqu'à noyer l'ensemble de tuyère ou l'échangeur de chaleur. Ainsi donc, en cours de fonctionnement, le fluide de travail qui provient de la. bouteille (par exemple de l'azote à 75oC, ou du néon, de préférence refroidi préalablement jusqu'à 50 K) parcourt le serpentin 132, et se refroidit lorsqu'il se détend via l'orifice 170. Une fraction du fluide de travail se liquéfie et se rassemble dans le fond de la bouteille isolante. Toute quantité de gaz, détendue et refroidie de cette manière et non liquéfiée, sort à travers 1'é8hangeur de chaleur, par le passage existant entre le tube extérieur et le corps 131. Ce gaz, qui se trou ve à une pression inférieure à celle de l'alimentation initiale, est évacué à l'atmosphère ou recyclé pour autre comprimé à nouveau. On utilise le fluide de travail liquéfié ainsi produit par l'appareil pour extraire la chaleur d'un corps qu'on doit refroidir, et qui peut ëtre placé sous l'appareil et à l'intérieur de la bouteille isolante, ou bien en un point distant de la bouteille à vide et exposé à l'action du fluide de travail liquéfié au moyen d'une tuyauterie et d'une installation de pompage appropriéoe (non représentées). On se rend compte que la quantité de chaleur à extraire pour maintenir la. charge dans un intervalle donné de température varie en fonction de la température du milieu ot se trouvent la charge et l'appareil refroidisseur. En outre, la quantité de chaleur à extraire de la charge elle-ëe varie si cette charge dégage de la chaleur d'une façon intermittente, par exemple si la charge est un appareil électrique à fonctionnement intermittent. Quand du réfrigérant liquide se rassemble dans le fond de la bouteille isolante, sa surface atteint le prolongement 196 alors qu'il est encore nettement plus bas que la tuyère 170. Au fur et à mesure que ce réfrigérant s'éleve dans la bouteille, il refroidit progressivement le bulbe 195 qui contient un fluide, par exemple un fluide analogue au fluide de travail, qui tend à se condenser à la temperature du fluide de travail liquide, de façon à réduire la pression dans l'espace précité extérieur au soufflet, ce qui dilate celui-ci vers le naut et par suite provoque la fermeture de la tuyère par le pointeau 190. L'agencement précédemment décrit assure donc automatiquement un contrôle progressif du débit gazeux, en fonction de la quantité de liquide réfrigérant présente dans le fond de la bouteille isolante et permet ainsi de réduire ou d'interrompre ce débit quard une très petite quantité de liquide s'est accumulée dans le fond du réservoir et cela avant qu'elle n'atteigne le niveau de la tuyère. De cette façon, le liquide ne gêne aucunement la détente du gaz; en outre, une très petite quantité de liquide peut être maintenue automatiquement, indépendamment de la température de la charge et de la tempe rature ambiante. On notera que la tuyère est décalé @@a l'opposé du tube 171 et du bulbe 195, par rapport à l'axe de l'appareil. Cette disposition a pour but de donner une construction d'encombrement réduit,sans placer cependant le bulbe détecteur et son tube trop près de la paroi du réservoir, ni trop près de la tuyère et des organes qui lui sont associés. Si ces espacements sont trop faibles, des gouttelettes de liquide réfrigérant peuvent être maintenues par capillarité en contact avec le bulbe détecteur ou son tube, et provoquer ainsi une action indicatrice fausse tendant à fermer la tuyère alors qu'en réalité l'élément sensible ne pénètre pas dans le liquide réfrigérant. La tuyère de détente et les organea associés sont entourés par une enveloppe 194, constituée par une sorte de cage incomplète en toile metallique, arrêtant tout produit à l'état de gouttelettes et laissant s'évacuer librement celui qui se trouve à 1' état de vapeur. Cette disposition sert à empêcher que de la va@ peur froide provenant de la tuyère vienne frapper le bulbe ddtec- teur, et indiquer ainsi à nouveau d'une façon inexacte la quantité de réfrigérant à l'état liquide. On se rend compte que la force produite par le soufflet 140 n'est pas dirigée rigoureusement suivant l'axe dù pointeau. tour en tenir compte, la douille 192 et le tube 193 sont reliés à une partie fixe, en l'espèce, le bloc 175, au moyen d'un ressort à lame ou d'une lame 197 en forme d'S qui guide le tube 193 fixé au soufflet 140 de façon à -l'obliger à se déplacer en ligne droite, et à l'empêcher ainsi d'incliner le pointeau 190. La figure 2 est un schéma montrant l'application de l'invention à un appareil tel que celui qui est décrit dans le brevet français No. 1.559.510 de la même Société. La disposition est dans l'ensemble analogue à la disposition décrite ci-dessus, sauf que, dans ce dernier cas, l'échangeur de chaleur 210 a la forme d'un cône ou d'un tronc de cône dont la grande base se trouve b sa partie supérieure et qu'une tuyère 211 se trouve à son extrémité inférieure. Une membrane 212, placée sur l'extrémité supé- rieure, est coiffée d'un couvercle 213 de façon à ddlimiter un compartiment clos 214.Un bulbe détecteur 215; descendant plus uas que la tuyère 211, est raccordé an compartiment 214 via un be 216 qui pénètre à l'intérieur de l1appareil. Un organe de eem- mande 217 réunit la membrane 212 à un étrier 218 portant un poin- teau 220, qui peut être analogue à celui de la figure 1. Par ailleurs, l'agencement peut être semblable à l'agencement décrit dans le brevet No. 1.559.510 précité. Selon l'invention, l'appareil pourrait comprendre deux étage ges dont liun au moins pourrait être réalisé domine dans l'un quelconque des modes de réalisation précédemment décrits. En particulier, le premier étage peut comporter un moteur à expansion fonctionnant suivant le cycle Claude comme décrit en référence à la figure 1 du brevet français No. 1.489.301 précité, tandis que le deuxième étage est le même que dans les modes de réalisation à un seul étage précédemment décrits. R E V E.N D I C A T I O N S 1. Appareil ir refroidisseur dans lequel le refroidissement est produit par la détente d'un fluide de travail, provenant, via une tuyère, dlune source à ltétat gazeux placée dans un récipient et dont la température est inférieure à sa température d'inversion afin de produire du fluide de travail liquéfié qui se rassemble au fond du récipient, cet appareil comprenant des moyens qui modulent-le débit du gaz s'écoulant par la tuyère et comportant à cet effet un élément sensible placé dans le récipient au moins partiellement plus bas que le niveau de l'ori- fice 170 de la tuyère et constitué essentiellement par un bulbe à vapeur 195 coopérant avec un élément dilatable 140 dont une extrémité est mobile et reliée à un obturateur 190 coopérant avec l'orifice 170 précité de façon à modifier la section effective de passage de cet orifice, cet appareil étant caractérisé par le fait que l'élément sensible 195 comporte un prolongement 196 qui s'étend sur une distance notable plus bas que le niveau inférieur de l'espace vapeur dans le bulbe, de façon que ce prolongement 196 soit progressivement refroidi par le fluide de travail liquéfié quand celui-ci s'élève vers le niveau inférieur précité, et qu'il réduise ainsi le débit du gaz s'écoulant par la tuyère. 2. Appareil suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'obturateur précité est un pointeau 190 mobile transversalement, de façon qu'il se centre automatiquement par rapport à son siège. 3. Appareil suivant la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la tuyère est entourée d'une enveloppe 194, ou agencée d'autre manière, de façon à empêcher le fluide de travail qui en sort de venir frapper l'élément sensible, par exemple sous la forme de projections de gouttelettes. 4. Appareil suivant la reveddication t, ou la revendication 2, ou la revendication 3, comprenant un échangeur de chaleur tu bullaire qui forme deux parcours par l'un desquels le fluide de travail gazeux provenant d'une source sous pression est envoyé à la tuyère qui est voisine de ltextrémité froide de ltéchangeur de chaleur d'où le gaz à basse pression revient par l'autre parcours, cet appareil étant caractérisé en ce que l'élément sensible 195 ou son tube 171, d'une part, et la tuyère, d'autre part, sont décalés dans des directions opposées par rapport à l'axe de 11 appareil, l'élément sensible 195 étant séparé des autres orga mes par un espace libre suffisant pour empêcher que des gouttes du fluide de travail liquide ne soient retenues par capillarité. 5. Appareil suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend un soufflet 140 qui constitue l'élément dilatable précité, un organe de commande 193 descendant du soufflet 140 jusqu'au-delà de la tuyère pour actionner l'obturateur 190, et une lame 197 qui guide le mouvement de l'organe de commande 193 de façon que celui-ci se déplace sensiblement en ligne droite. 6. Appareil refroidisseur comprenant deux étages qui fonctionnent suivant le principe Joule-Thomson, l'un au moins de ces étages comportant un dispositif modulateur selon l'une quelconque des revendications précédentes pour moduler automatiquement la quantité de gaz traversant la tuyère de cet étage. 7. Appareil refroidisseur en substance comme décrit avec référence à la figure 1 ou à la figure 2 des dessins annexés.