Brevet FR2539858A1 — publié le 19840727

La présente invention concerne un appareil de refroidissement qui utilise une source de gaz pressurisé, par exemple argon ou air, et qui opère selon l'effet Joule Thomson pour fournir des basses températures absolues. L'effet Joule Thomson est défini par le changement de température d'un gaz en expansion à travers, par exemple, un orifice ou un écrou poreux, en passant d'une haute à une basse pression. Dans un modèle connu d'appareil de refroidissement, un serpentin de colonne de production en métal, servant d'échangeur de chaleur, est enroulé sur un gabarit et a une de ses extrémités reliée à une source de fluide pressurisé et un orifice à l'autre extrémité par lequel le fluide s'échappe pour produire un effet de refroidissement. Pendant la marche de l'appareil, le fluide s'échappe pour venir frapper perpendiculairement la surface d'un substrat qui porte, sur sa surface opposée, l'élément à refroidir (par exemple un détecteur d'infra-rouge). Après avoir frappé la surface du substrat le fluide refroidi qui s'est échappé est amené à revenir en arrière sur les serpentins de la colonne de production et, par ce moyen, à refroidir le fluide pressurisé en amont de l'orifice et à reproduire ainsi un effet régénérateur qui réduit de façon considérable la température du fluide de sortie.Dans les modèles connus de dispositifs de refroidissement le fluide actif est habituellement de l'argon ou de l'air et, avec ces gaz, on a constaté que, après une courte période de fonctionnement, les effets de refroidissement et de régénération du dispositif amènent le gaz qui est en amont de l'orifice à se liquifier. Dans l'état actuel oe la technique, on a tendance à miniaturiser le substrat jusqu'à ce que sa faible surface limite les performances de refroidissement, à la fois en temps de basse température et en minimum de température constante obtenue. En plus, du fait que le fluide frappe normalement la surface du substrat, sa vitesse est considérablement réduite et ceci provoque une élévation de la température près du centre du substrat Selon un aspect de cette invention, on réalise un appareil de refroidissement fourni pour refroidir un élément, ledit appareil comprenant un substrat pour porter l'élément, une paroi continue fixée de façon étanche sur la surface dudit substrat, de façon à délimiter une chambre de turbulence, des moyens à effet Joule Thompson comprenant un passage aménagé, au moins partiellement, à l'intérieur de cette paroi continue, et ayant une extrémité prévue pour être connectée à une source de fluide pressurisé et à l'autre extrémité des orifices situés près mais pas contre ladite surface dudit élément, pour permettre la sortie du fluide dans ladite chambre et des moyens propres à provoquer la sortie du fluide dudit orifice pour tourbillonner autour de ladite chambre. De préférence, l'orifice est orienté par rapport au substrat de telle sorte que le fluide s'échappe de là dans une direction généralement tangentielle. Pour plus de commodité, l'orifice comprend deux orifices situés dans une région terminale dudit passage et séparés de la région correspondante de l'autre côté du substrat, chaque orifice permettant l'écoulement du fluide dans des directions opposées généralement tangentielles. Pour plus de commodité, le tube est fixé par scellement autour de la périphérie du substrat. Dans ce cas, l'arête adjacente du substrat et la paroi périphérique peuvent être fournies avec un revêtement métallique, pour augmenter le transfert de chaleur. Selon un autre aspect de cette invention, on obtient un appareil de refroidissement comprenant un substrat pour le montage de l'élément, un manchon fixé de façon étanche à la surface dudit substrat, un gabarit aménagé à l'intérieur dudit manchon, un passage s 'éten- dant en spirale entre ledit gabarit et ledit manchon, ledit passage ayant une extrémité destinée à être reliée à une source de fluide et étant pourvu d'orifices prévus pour l'écoulement du fluide dans la région intermédiaire entre le substrat et l'extrémité adjacente du gabarit et un organe de production de turbulence destiné à permettre la sortie du fluide dudit orifice pour aller tourbillonner à la surface du substrat. Un exemple de cet appareil de refroidissement selon l'invention va être décrit ci-dessous, à titre d'exemple, en référence aux dessins suivants,dans lesquels: - La figure 1, est une vue latérale schématique d'un modèle de dispositif de refroidissement connu; - La figure 2, est une vue latérale schématique d'un modèle de dispositif de refroidissement selon cette invention. En se reportant à la figure 1, le modèle connu de dispositif de refroidissement comprend une certaine longueur de tube capillaire- à ailettes 1 enroulé sur un gabarit cylindrique 2, une des extrémités du tube étant connectée à une source de gaz pressurisé (non figurée) et l'autre extrémité étant pourvue d'un simple orifice 3. Le tube 1 et le gabarit 2 sont enfermés dans un manchon 6, qui est fixé de façon étanche sur un disque substrat 4 en matériau bon conducteur thermique tel que saphir ou alumine. Le manchon 6 est formé d'un métal mauvais conducteur ayant un coeficient de dilatation égal à celui du substrat. L'élément à refroidir est habituellement situé au centre du disque substrat 4. Dans ce modèle de dispositif de refroidissement, le jet de fluide sortant de l'orifice 3 frappe normalement le centre de la surface intérieure du disque substrat 4. Cependant, comme on l'a dit plus haut, du fait que la vitesse du fluide est considérablement réduite, à cause de la direction de l'impact, la température du fluide va s'élever dans cette région, qui coincide habituellement avec l'emplacement de l'élément à refroidir. En se reportant maintenant à la figure 2, le modèle de dispositif de refroidissement selon cette invention comprend une certaine longueur de tube capillaire à ailettes 1 enroulé sur le gabarit 2. Sur la figure l'extrémité droite du tube comprend deux orifices séparés 3 et 3t (généralement environ 0,05 mm de diamètre) situés sur les extrémités respectives du disque substrat 4, et orientés de telle sorte qu'ils permettent l'écoulement du fluide dans les directions tangentielles respectives opposées sur le substrat 4, de telle sorte que le fluide sortant du tube 1 tourbillonne sur la surface intérieure du disque substrat 4, selon un axe qui coincide généralement avec l'axe longitudinal du manchon 6. Les régions adjacentes de l'arête périphérique du disque substrat 4 et le manchon 6 sont pourvus d'un revêtement permanent en métal (par Ex. argent) 7 pour favoriser le transfert de chaleur entre le substrat et l'extrémité du tube 6. Le revêtement de métal 7 peut être externe (comme sur la figure) et/ou interne et peut être appliqué par galvanisation. Dans ce cas, bien sur, le rebord périphérique du disque substrat 4 est rendu bon conducteur, par exemple par métallisation, pour permettre la la galvanisation L'élément à refroidir peut être fabriqué sépariment et fixé au centre de la surface externe du disque substrat par un adhésif convenable. Dans certaines applications, cependant, le substrat peut être partie intégrante de l'élément à refroidir. Le tourbillon de fluide sortant des orifices 3 et 3' est censé provoquer un plus grand refroidissement pour les raisons suivantes : d'abord, le fluide reste plus longtemps en contact avec le substrat, par rapport à la solution ob il arrive perpendiculairement à la surface, ce qui entraine un courant plus important sur le substrat, et ensuite, le tourbillon permet au fluide refroidi d'atteindre les angles entre le manchon 6 et le substrat 4. Ceci est un avantage, puisqusune part appréciable du refroidissement du substrat se fait via l'extrémité du manchon 6; de là les avantages supplémentaires que procure la galvanisation 7. En outre, le mouvement de tourbillon du fluide crée un vortex dans lequel la-plus basse température se trouvera près de son centre, et puisque celui-ci coincide avec l'emplacement de l'élément a' refroidir, on peut obtenir un meilleur refroidissement. REVENDICATIONS 1 - Appareil de refroidissement pour refroidir un élément, ledit appareil comprenant un substrat pour porter l'élément, une paroi continue (6) fixée de façon étanche sur la surface dudit substrat de façon à délimiter une chambre de turbulence, des moyens à effet Joule Thomson comprenant un passage (1) aménagé au moins partiellement à l'intérieur de cette paroi continue (6), et ayant une extrémité prévue pour être connectée à une source de fluide pressurisé et à l'autre extrémité des orifices (3/ 3') situés près mais pas contre ladite surface dudit substrat (4) pour permettre la sortie du liquide dans ladite chambre et des moyens (3/3') propres à provoquer la sortie du fluide desdits orifices pour tourbillonner autour de ladite chambre. 2- Appareil de refroidissement selon la revendication 1, dans lequel les orifices (3/3') sont orientés par rapport au substrat, de telle sorte que le fluide s'échappe de là, dans une direction générale tangentielle pour provoquer le tourbillonnement du fluide autour de la chambre de turbulence. 3 - Appareil de refroidissement selon la revendication 1 ou la revendication 2, dans lequel la sortie comprend deux orifices (3/3') situés dans une région terminale (1) dudit passage et séparés de la région correspondante de l'autre caté du substrat (4), chaque orifice permettant l'écoulement du fluide dans des directions générales tangentielles opposées, de façon à provoquer le tourbillonnement du fluide autour de la chambre de turbulence. 4 - Appareil de refroidissement selon l'une des revendications ci-dessus, dans lequel ladite paroi continue (6) est fixée de façon étanche autour de la périphérie du substrat (4). 5 - Appareil de refroidissement selon la revendication 4, dans lequel l'arête adjacente du substrat et la paroi périphérique peuvent être fournies avec un revEte- ment métallique pour augmenter le transfert de chaleur. 6 - Appareil de refroidissement comprenant un substrat (4) pour le montage de l'élément, un manchon (6) fixé de façon étanche à la surface dudit substrat (4), un gabarit (2) aménagé à l'intérieur dudit manchon (6), un passage (1) s'étendant en spirale entre ledit gabarit (2) et ledit manchon (6), ledit passage (1) ayant une extrémité destinée à être reliée à une source de fluide et étant pourvu d'orifices (3/3') prévus pour l'écoulement du fluide dans la région intermédiaire entre le substrat et l'extrémité addacente du gabarit et un organe de production de turbulence destiné à permettre la sortie du fluide dudit orifice pour aller tourbillonner à la surface du substrat.