Brevet FR2520131A1 — publié le 19830722

Dispositif de régulation d'un réfrigérateur à effet Joule- Thomson. L'invention se rapporte à un dispositif de régulation d'un réfrigérateur A effet Joule-Thomson, comprenant un con- duit d'amenée d'un fluide réfrigérant sous pression auquel est raccordé un étrangleur débouchant dans une chambre de détente et réfrigération qui communique avec un passage d'échange thermique avec ledit conduit d'amenée, cet étrangleur étant sousmis à une régulation de débit décroissante en fonction de l'abaissement de la température de réfrigérationo Un tel réfrigérateur peut etre à circuit fermé ou ouvert, et il trouve notamment une application particulière en circuit ouvert pour les systèmes d'armes utilisant des projectiles à tête de guidage répondant aux infrarouges, dans laquelle est utilisée une cellule détectrice sensible, qui doit pouvoir être refroidie rapidement à basse température, en principe celle de liquéfaction du fluide réfrigérant, et pendant un certain temps, d'o l'intérêt d'une régulation telle que celle e: oquee pour réduire autant que possible la consommation de fluide réfrigérant, voir le poids du projectile lorsqu'il est à ali entation autonome. On connaît déjà des dispositifs établissant cet effet uine regulation du typé tout ou rien de la section de passage 2 contrôlée de l'étrangleur, modérée par le maintien d'une ouverture minimale permanente de passage du fluide dans l'étran- gleur, évaluée de façon à compenser les pertes thermiques du réfrigérateur. Cette évaluation prédéterminée ne peut être parfaite et s'ajuster aux conditions variables qui gouvernent les pertes 3 O thermiques dans les diverses conditions d'emploi du réfrigéra- teur que l'on peut rencontrer ou que peut rencontrer un projec- tile équipé de ce dernier. La présente invention a pour objet un dispositif perfec- tionné de régulation d'un réfrigérateur Joule-Thomson, conçu pour mieux réguler la puissance frigorifique apportée en fonctionnement, c'est-àdire pour mieux l'adapter aux besoins réels, sans risque d'insuffisance (ce qui est préjudiciable à la détection reposant sur la basse température créée), et sans consommation de fluide excessive autre que celle juste néces- saire, (ce qui est favorable du point de vue autonomie ou poids du projectile) Essentiellement, à cet effet, le dispositif de régulation selon l'invention d'un réfrigérateur à effet Joule-Thomson comprenant un conduit d'amenée d'un fluide réfrigérant gazeux sous pression raccordé à un étrangleur débouchant dans une chambre de détente et liquéfaction du fluide communiquant avec un passage d'évacuation du fluide réfrigérant qui est en échange thermique avec ledit conduit d'amenée, ledit étran- gleur étant à section de passage décroissante en fonction de l'abaissement de la température de réfrigération et à ouver- ture minimale de passage prédéterminée, est caractérisé en ce que, pour le domaine de pression mis en jeu, l'ouverture_ minimale de l'étrangleur et les relations d'échange thermique avec ledit conduit d'amenée sont telles qu'en phase de fonc- tionnement à ouverture minimale, une phase de liquéfaction prend naissance dans le conduit d'amenée en amont de l'étran- gleur pour provoquer une auto-régulation du débit de fluide juste nécessaire à l'entretien de la liquéfaction dans la chambre de détente et liquéfaction. Une forme de réalisation d'un dispositif de régulation selon l'invention est d'ailleurs ci-après décrite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé, dans lequel: la fig 1 est une vue en coupe axiale d'un réfrigérateur à effet Joule-Thomson et à réaulation selon l'invention; les fig 2, 3 et 4 sont des diagrammes de débit de fluide gazeux correspondant à plusieurs cas de construction d'un réfrigérateur à effet Joule-Thomson. Le réfrigérateur représenté comprend un vase de Dewar à double paroi 1, 2 dont la paroi de fond interne 2 a est pour- vue, face à la paroi de fond la laissant passer le rayonnement infrarouge dans l'axe du Dewar, d'une cellule détectrice 3 sensible aux infrarouges et à conducteurs de connexion non représentés sortant de l'enceinte sous vide du Dewar et desti- nés à être raccordés au circuit électronique de détection A l'intérieur du Dewar est disposé le réfrigérateur qui comprend une bride 4 à tubulure de raccordement 5 avec un conduit d'alimentation non représenté relié à une source de fluide -5 gazeux réfrigérant sous haute pression Cette tubulure 5 forme aussi le bouchon d'extrémité d'un corps tubulaire 6 avec lequel elle est solidarisée, et autour duquel sont entourés en hélice deux conduits tubulaires 7 et 8 dont l'une des extrémi- tés de chacun est reliée à la tubulure d'alimentation 5, en aval d'un filtre 9 inserré dans celle-ci, et dont l'autre extrémité de chacun est reliée, en bout du corps 6, à l'étran- gleur 10 monté rentrant à l'intérieur de ce dernier Cet étrangleur est ici réalisé conformément à la demande de brevet en France N O 81 13346 de la demanderesse Il comprend une buse 11 de forme tubulaire fermée à l'une de ses extrémités, consti- tunt une chambre d'admission 12 à laquelle sont raccordées les extrémités des conduits tubulaires 7 et 8, et dans laquel- le est disposé un noyau étrangleur 13 de moindre diamètre retenu en butée par une goupille 14, et présentant une rainure axiale 15 La buse débouche dans la chambre de détente et réfrigération 16 constituée par la partie interne du Dewar que n'occupe pas l'ensemble venant d'être décrit On notera que les conduits tubulaires 7 et 8 sont engagés en contact étroit avec la paroi interne du Dewar Pour obtenir de bonnes quali- tés d'échange thermique, en outre, les tubes 7, 8 et le corps 6 peuvent être étamés puis soudés par fusion de cet étamage établissant entre eux des cordons de contact De manière connue, on peut aussi rapporter entre les spires des tubes 7, 8 des éléments de remplissage stockeurs de frigories Le fluide réfrigérant après détente et liquéfaction dans la chambre 16, s'étendant jusqu'à l'intérieur du corps 6, est amené à sortir du Dewar vers l'atmosphère après échange ther- mique avec le fluide amené par les conduits 7 et 8, en s'écou- lant dans les intervalles laissés libres entre ces derniers, le corps 6 et la paroi du Dewar, puis dans une chambre 17 ménagée entre l'ensemble 4, 5 et un tube 18 de protection du Dewar pourvu d'une collerette 19 de fixation avec la bride 4 et de trous évents latéraux 20 Entre le Dewar et son tube de protection est disposée une composition en élastomère destinée à mieux protéger le Dewar. La régulation de débit du fluide dans l'étrangleur et donc la puissance frigorifique obtenue en fonctionnement résulte d'abord ici du choix pour la buse il et le noyau 13 de deux matériaux à coefficient de dilatation différent, par exemple buse en nickel et noyau en invar Ainsi, avec une buse à coefficient de dilatation supérieur à celui du noyau, on peut obtenir en fonctionnement un débit initial relativement rapide du fluide réfrigérant sous la pression de sa source, par le choix d'un jeu initial prédéterminé existant à tempé- rature ambiante entre la buse en le noyau, et qui va donc aller décroissant avec la température de réfrigération attein- te, jusqu'à une valeur de section de passage résiduelle mini- male résultant du serrage de la buse sur le noyau et corres- pondant à la section de la rainure axiale 15 Selon la régula- tion perfectionnée objet de l'invention, cette section de passage et les relations d'échange thermique du réfrigérant avec les conduits 7 et 8 sont choisies telles qu'en phase de fonctionnement à ouverture minimale, une phase de liquéfaction prend naissance dans le conduit d'amenée en amont de l'étran- gleur, pour provoquer une auto-régulation du débit de fluide juste nécessaire à l'entretien de la liquéfaction dans la chambre de détente et liquéfaction, quelles que soient les conditions particulières de dissipation thermique dans l'envi- ronnement Les diagrammes des fig 2 à 4 vont permettre de mieux comprendre l'auto-régulation objet de l'invention, ces diagrammes étant tous indicateurs en ordonnée, du débit de fluide gazeux réfrigérant exprimé en litres/ minute sous sa pression d'échappement du réfrigérateur légèrement supérieure à celle de l'atmosphère et en abscisse, du temps de mesure exprimé en minutes Ils sont tous obtenus, sous les pressions indiquées pour chaque courbe, avec un dispositif du genre 3 décrit comprenant une section minimale d'ouverture de l'étran- gleur d'environ 500 U au carré et deux tubes d'amenée de 0,25 x 0,5 mm, mais de longueur différente dans les divers diagrammes. Le diagramme de la fig 2 correspond à des courbes de mesure de débit établies avec un dispositif à deux tubes d'amenée d'une longueur approximative de 20 cm chacun, enrou- lés en 10 spires décalées autour du corps central 6, ces courbes étant respectivement établies pour des pressions de 300, 200 et 100 bars. Le diagramme de la fig 3 correspond à des courbes de mesure de débit établi avec un dispositif à deux tubes d'ame- née d'une longueur approximative de 35 cm chacun, enroulés en 17,5 spires décalées autour du corps central, ces courbes étant respectivement établies pour des pressions de 300 et bars. Le diagramme de la fig 4 correspond à des courbes éta- blies avec un dispositif a deux tubes d'amenée d'une longueur approximative de 26 cm chacun, enroulés en treize spires décalées autour du corps central, ces courbes étant établies pour des pressions de 300, 200 et 100 bars, avec tracé partiel intermédiaire à 130 bars. L'examen comparatif de ces diagrammes permet de consta- ter, entre les courbes de la fig 2 et celle des fig 3 et 4 que, le systàrne de la fig 2 produit le froid désiré à un régime d'entretien pour lequel il a un débit d'environ litres à 300 bars, 2,3 litres à 200 bars et 2,7 litres à bars, qui est bien supérieur au débit ressortant de la 2 lecture des courbes analogues des fig 3 et 4, ce qui s'epli- que par une insuffisance d'échange thermique entre la phase refroidie détendue et la phase gazeuse circulant dans les tubes d'amenée. Le diagramme de la fig 3 (dans lequel on notera qu'à partir de 5 minutes l'échelle de temps a été multipliée par 5) fait ressortir un cas indésirable avec la courbe de 300 bars, pour lequel le débit va jusqu'à s'annuler et ne reprend que périodiquement, comme si l'on était en présence d'une régula- tion du type tout ou rien, les périodes de débit nul se tradui- sant par une baisse fâcheuse et inacceptable de sensibilité de la cellule détectrice moins bien refroidie (ce que l'on cons- tate en fonction de la valeur de courant qu'elle débite) Il est de fait dans ce cas qu'une phase liquéfiée a pris nais- sance dans les tubes d'amenée se trouvant au coeur du disposi- tif et n'en peut être chassée sous la pression de la source qu'après résorption de la phase liquéfiée en aval de l'orifice de détente A 200 bars seulement, on obtient en revanche un fonctionnement satisfaisant de production du froid mais encore avec un débit d'entretien de 0,9 à 1 litre. Le diagramme de la fig 4 correspond à celui d'un disposi- tif établi avec une auto-régulation selon l'invention, pour lequel il y a entretien constant du froid requis et un débit d'entretien minimum à pression de fluide égale dans la gamme de 100 à 300 bars, avec plusieurs pressions intermédiaires telles qu'indiquées Cette auto-régulation provient, ainsi qu'il a été dit, de la création d'une phase liquéfiée évoluti- ve dans les tubes d'amenée en amont de l'étrangleur, non bloquante car pouvant toujours être refoulée par la pression d'amenée du gaz, et l'on constatera en particulier, qu'à l'inverse de ce qui ressort du diagramme de la fig 2 o le débit d'entretien est d'autant plus iinpcrtant que la pression d'amnenée est élevée, c'est avantageusement l'inverse qui se Droduit dans le cas du dispositif à auto-régulation selon l'invention Cette auto-régulation e Ni: faciilite par l'emploi d'un conduit d'amenée nultituuare bibulaire dans l'exem- ple décrit, ce qui n'est pas limitatif, étant à voir que pour une longueur et capacité d'échange thermique égale du conduit d'alenée, la division de celui-ci en plusieurs tubes entraîne pour ine pression donnée moins de perte de charge au refoule- ment de la phase liquéfiée appelée à se former dans ces tubes en amont de l'étrangleur. Bien entendu, diverses variantes de réalisation du dispo- sitif proprement dit peuvent être imaginées tout en restant dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Dispositif de régulation d'un réfrigérateur à effet Joule-Thomson comprenant un conduit d'amenée d'un fluide réfrigérant gazeux sous pression raccordé à un étrangleur débouchant dans une chambre de détente et liquéfaction du fluide communiquant avec un passage d'évacuation du fluide réfrigérant qui est en échange thermique avec ledit conduit d'amenée, ledit étrangleur étant à section de passage décrois- sante en fonction de l'abaissement de la température de réfri- gération et à ouverture minimale de passage prédéterminée, caractérisé en ce que, pour le domaine de pression mis en jeu, l'ouverture minimale ( 15) de l'étrangleur ( 10) et les rela- tions d'échange thermique avec le conduit d'amenée ( 7, 8) sont telles qu'en phase de fonctionnement à ouverture minimale une 1 _ 5 phase de liquéfaction prend naissance dans le conduit d'amenée en amont de l'étrangleur, pour provoquer une auto-régulation du débit de fluide juste nécessaire à l'entretien de la liqué- faction dans la chambre détente et liquéfaction. 2 Dispositif de régulation selon la revendication 1, 2 ja caractérisé en ce que le conduit d'amenée est multitubulaire. 3 Dispositif de régulation selon l'une des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce que l'étrangleur est constitué d'un corps tubulaire auquel est raccordé le conduit d'amenée et dans lequel est retenu un noyau y ménageant la section de passage régulée par différence de leur coefficient de dilata- tion, le passage d'ouverture minimale restant ménagé entre corps et noyau.