Brevet FR2568357A1 — publié le 19860131

i "PROCEE ET SONDE DE REFROIDISSEMENT PAR EFFET JOULE-THOMSCN" La présente invention est relative à la technique de refroidis- sement par détente Joule-Thanomson de gaz. Elle s'applique notamient au refroidissement des détecteurs à infra-rouge. L'invention a pour but de permettre d'obtenir en des temps extrâxment courts des températures inférieures à 90 K. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de refroisis- sement par détente Joule-Thanson, caractérisé en ce que: on détend dans une première enceinte un premier gaz contenant un prsmier constituant à effet Joule-Thomson relativement fort, et on utilise ce premier gaz détendu pour prèrefroidir à contre-courant, suivant un circuit à relativement forte perte de charge, un second gaz contenant un deuxi&me constituant à effet Joule-Thomson relativement faible mais plus volatil que ledit premier constituant; et on détend ledit second gaz dans une deuxième enceinte, puis on le laisse s'échapper suivant un trajet à relativement faible perte de charge. Dans un premier mode de mise en oeuvre, le second gaz est indépendant du premiero Dans ce cas, de preférence, le pramier gaz est de l'argon tandis que le second gaz est de l'azote. Dans un second mode de mise en oeuvre, plus éconcique maris permettant d'atteindre des températures moins basses, le second gaz est constitué par une partie du premier gaz d&tenduo Dans ce cas, les premier et second gaz sont de préférence constitués par un uglange argon-azote.o L'invention a également pour objet une sonde de refroidisseaent destinée au premier mode de mise en oeuvre du prccgdé tel que défini ci-dessus. Cette sonde, du type ccprenant deux circuits haute pression séparés e: deux circuits basse pression séparés conduisant chacun à un orifice d'échappement, est caractérisée en ce que le premier circuit basse pression est un circuit à relativemant forte perte de charge disposé en relation d'échange thermique avec les deux circuits haute pression, tandis que le second circuit basse pression est un circuit à relativement faible perte de charge pratiquement libre de tout obstacle jusqu'à son orifice d'échappement. Suivant un autre mode de réalisation, qui convient notamment pour la mise en oeuvre d'un procédé tel que défini plus haut, la sonde de refroidissement suivant l'invention, du type comprenant deux enveloppes tubulaires concentriques pourvues chacune d'un orifice d'écha peent et d'une paroi d'extrémité; un mandrin disposé dans l'enveloppe intérieure; un serpentin d'échange de chaleur bcbiné sur le mandrin, destiné à être relié à une source d'un premier gaz sous haute pression et se terminant par un premier orifice de détente situé dans l'enveloppe intérieure-; et des moyens pour alimenter l'espace séparant les deux enveloppes avec un second gaz à travers un second orifice de détente, est caractérisée en ce que ledit espace est pratiquement libre de tout obstacle vis-à-vis de l'écoulement du second gaz jusqu'à l'orifice d'échappement de l'envelcppe extérieure. Une telle sonde peut comporter deux serpentins, le second serpentin étant destiné à être relié à une source dudit secondx gaz sous haute pression et se terminant par un tronçon qui traverse la paroi d'extrémité de l'enveloppe intérieure et présente à son extr&ité ledit second orifice de détente. En variante, elle peut comporter un seul serpentin; dans ce dernier cas, il est avantageux que ledit deuxième orifice de détente soit percé dans la paroi d'extrémité de l'enveloppe intérieure. Deux exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue schimatique en coupe longitudinale d'une sonde de refroidissement conforme à l'invention; et - la figure 2 est une vue analogue d'une autre sonde de refroidissement conforme à l'invention. La sonde de refroidissement représentée à la figure 1 comprend essentiellement deux enveloppes tubulaires concentriques 1 et 2 et un mandrin 3 coaxiaux, d'axe X-X supposé vertical, et deux serpentins ailetés 4 et 5. Les deux serpentins 4 et 5 comportent chacun une extrémité d'entrée, 6 et 7 respectivement, destinées à être reliées respectivement à une capacité 8 de stockage d'argon sous une haute pression par exemple supérieure à 500 bars et à une capacité 9 de stockage d'azote sous une haute pression par exemple de l'ordre de 150 à 200 bars. Comme on le sait, l'argon est un gaz à fort effet Joule-Thomson, et donc à puissance frigorifique élevée pour un débit et une détente donnés, tandis que l'azote présente un effet Joule-Thanomson nettement plus faible mais est beaucoup plus volatil. Les deux serpentins sont bobinés ensemble en hélice sur le mandrin 3, les parties bobinées étant représentée schématiquement par une zone hachurée 10. L'enveloppe intérieure 1 est enfilée sans jeu sur ce bobinage, un fil hélicoïdal assurant l'étanchéité conmme il est bien connu dans la technique. Cette enveloppe 1 ccmporte à son extrémité supérieure un orifice d'échappement 11 qui débouche sur l'atmopshère environnante, et à son extrémité inférieure un fond horizontal 12. L'enveloppe extérieure 2 entoure l'enveloppe 1 avec un jeu radial notable et est ferme à son extrémité supérieure. Près de cette dernière, elle comporte un orifice d'échappement 13 qui débouche sur l'atmosphère environante, et elle est obturée & son extrémité inférieure par un fond horizontal 14 sur lequel peut être fixé un objet 15 à réfrigérer, par exemple un détecteur à infra-rouge. Le serpentin 4 se termine, à son extrémité inférieure, par un orifice de détente calibré 16, de très petit diamètre (par exenple de l'ordre de 0,1 mm) situé dans l'enveloppe 1, légèrement au-dessous de l'extrémité inférieure du mandrin 3. Le serpentin 5 se prolonge par un tronçon d'extrémité inférieur 17 qui traverse à joint étanche le fond 12 et se termine par un orifice de détente calibré 18 analogue à l'orifice 16 mais de dianmètre plus petit (par exemple de l'ordre de 0,05 ma) et situé entre les fonds 12 et 14 des deux enveloppes. En fonctionnement, on envoie si/ tane ent dans les deux serpentins 4 et 5 de l'argon sous haute pression et de l'azote sous haute pression, respectivement. Le débit d'argon est très supérieur au débit d'azote du fait de la différence de haute pression précitée et de la différence de dianmètre entre les orifices 16 et 18. L'argon se détend au passage de l'orifice 16 et remonte suivant un trajet très sinueux, et donc à forte perte de charge, en suivant les spires du double bobinage 10, et s'échappe à l'atmosphère par l'orifice 11. Ce faisant, l'argon détendu prérefroidit d'une part l'argon sous haute pression et d'autre part l'azote sous haute pression; la température de ces deux gaz descend ainsi jusqu'à obtention d'argon liquide sur le fond 12; la tenpérature à cet emplacement est alors la température d'ébullition de l'argon à la pression moyenne régnant dans la partie inférieure de l'enveloppe 1. L'azote haute pression ainsi prérefroidi parvient à l'orifice 18 et s'y détend, et il se forme de l'azote liquide sur le fond 14. L'azote gazeux détendu remonte par l'espace annulaire, dépourvu de tout obstacle à l'écoulement, existant entre les enveloppes 1 et 2, et s'échappe à ' par l'orifice 13. La perte de charge dans ce circuit basse pression étant très faible, la pression qui règne dans la partie inférieure de l'enveloppe 2 est voisine de la pression atrmsprique. Ainsi, on obtient sur le fond 14 une tenprature très basse, de l'ordre de 80 K, qui est la teérature d'ébullition de l'azote sous la pression légrement supérieure à la pression atmsphérique qui règne dans la partie inférieure de l'enveloppe 2. De plus, grâce au prèrefroidisserent de l'azote assure par détente d'un fort débit d'argon, qui est un gaz à fort effet Joule-Thomson et donc à forte puissance frigorifique, fourni sous très haute pression, cette basse temprature est obtenue très rapidement. En d'autres ternes, on a réalisé dans la sonde de refroidis- sement d'une part un circuit de puissance fonctionnant à l'argon et ayant ccmme caractéristiques un excellent transfert de chaleur (au prix d'une forte perte de charge) et une forte puissance frigorifique, et d'autre part un circuit de refroidissement pousse ayant cmme caractéristiques de médiocres performances d'échange de chaleur (entre l'azote détendu et les deux gaz haute pression) et une faible puissance frigorifique (du fait de l'effet Joule-Thomso relativement faible de l'azote et du faible débit de ce gaz), mais une très faible perte de charge; on obtient ainsi à la fois une très basse température et un temps de mise en froid très réduit. On comprend qu'il est possible de choisir les valeurs des deux hautes pressions et des deux dÉbits ainsi que la nature des deux gaz détendus de manière à obtenir une teImpérature basse donnée dans un temps donné. Par ailleurs, le volume des capacités de stockage 8 et 9 des deux gaz conditionne la durée de fonctioaent de la sonde. A titre d'exemple numérique, on peut choisir les paramètres suivants: Haute pression d'argon: 600 à 700 bars Perte de charge du circuit basse pression d'argon: quelques bars Haute pression d'azote: 150 à 200 bars Perte de charge du circuit basse pression d'azote: inférieure à 1 bar, et obtenir ainsi les performances suivantes: TeqTrature sur le fond 14: environ 80 K Temps d'obtention de cette température; inférieur à 2 secondes. La sonde de refroidisseent représentée à la figure 2 est dans l'ensemble analogue à celle de la figure 1. Elle en diffère par le fait que le serpentin 5 est supprié et que le fond 12 de l'enveloppe intérieure 1 est pourvu d'un orifice calibré 18A de détente analogue à l'orifice 18 de. la figure 1. L'entrée 6 de l'unique serpentin 4 est reliée à une capacité 8A de stockage d'un mrélange argon-azote sous une haute pression par exemple supérieure à 500 bars. Ce gaz se détend à travers l'orifice 16, et une partie du gaz détendu remonte suivant un trajet très sinueux le long des spires du bobinage 10A du serpentin, en prérefroidissant le gaz haute pression, et s'échappe à l1'atosphère par l'orifice 11. On obtient ainsi au bout d'un certain teamps sur le fond 12 la taipérature de rosée du mélange à la pression moyenne régnant dans la partie inférieure de l'enveloppe 1. Le reste du gaz détendu se détend de noeveau à travers l'orifice 18A, rewrute dans l'espace annulaire qui sépare les dem: enveloppes, sans exercer d'effet frigorifique notable sur l'enveloppa 1, et s' échappe à l'atmosphère par l'orifice 13. Ccaue préc&demment, la pression qui règne dans la partie inférieure de l'envelcpe est voisine de la pression atmosphérique, et la température sur le fond 14 descend donc jusqu'au point de rosse du mélange à cette pression. Ainsi, on utilise d'une part, dans le circuit moyenne pression de l'enveloppe 1, la forte puissance frigorifique de l'argon, o-ur obtenir un prérefroidissemant rapide du mélange, et d'autre part, dans l'enveloppe 2, la volatilité élevée de l'azote pour obtenir une tepérature finale suffisaaneAnt basse. On peut donc coensidérer que la sonde de la figure 2 fonctionne de la mêe façon que celle de la figure 1, mais après intégration des deux circuits de gaz haute pression. Il est clair que l'agencement de la figure 2 est plus économique que celui de la figure 1, mais, en revanche, les performances obtenues sont moins bonnes: la présence d'azote dans le mélange diminue la puissance frigorifique de prérefroidissement, et la présence d'argon dans le mélange détendu par l'orifice 18A fait remonter le point de rosée. Par suite, la sonde de la figure 2 est plus appropriée pour les applications o l'on désire obtenir une température un peu moins basse que précédemment, par exemple de l'ordre de 90 K. A titre d'exemple numérique, avec une haute pression de l'ordre de 600 à 700 bars ccmme prLcdemment, on peut obtenir sur le fond 14 des températures de l'ordre de 90 K en moins de deux secondes. Il est à noter que, en variante, on peut remplacer l'argon par un autre gaz à fort effet Joule-Thomson, par exemple par du "Fréon 14" ou du méthane. Dans le cas de la figure 1, cet autre gaz peut être utilisé dans une première phase puis être remplacé par de l'argon, dont le point d'ébullition est plus bas. On remarque par ailleurs que le large espace libre existant entre les deux enveloppes 1 et 2 rend la construction de la sonde bien plus facile et plus éconxomique que dans le cas des sondes classiques compaortant un premnier bobinage dans 1 'enveloppe intérieure et un second bobinage dans l'enveloppe extérieure, car les tolérances de fabrication et de montage de l'enveloppe 2 peuvent être très larges. Cet avantage important subsisterait, dans le cas de la figure 2, si la sonde était alimentée par un gaz pur et non par un mélange de gaz. REVEMICATIONS 1. - Procédé de refroidissement par détente Joule-Thomaon, caractérisé en ce que: on détend dans une première enceinte (1) un premier gaz contenant un premier constituant à effet Joule-Tharson relativement fort, et on utilise ce premier gaz détendu pour pr9refroidir à contre-courant, suivant un circuit à relativement forte perte de charge, un second gaz contenant un deuxième constituant à effet Joule-Thuomson relativement faible mais plus volatil que ledit premier constituant; et on détend ledit second gaz dans uns deuxième enceinte (2), puis on le laisse s'échapper suivant un trajet à relativement faible perte de charge. 2. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit second gaz est indépendant du premier. 3. - Procédé suivant la revendication 2, caractérisé en ce que ledit premier gaz est de l'argon et ledit second gaz de l'azote. 4. - Procédé suivant l'une des revendications 2 et 3, caracté- risé en ce que ledit premier gaz est fourni à une pression et/ou à un débit supérieurs à ceux dudit second gaz. 5. - Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit second gaz est constitué par une partie du premier gaz détendu. 6. - Procédé suivant la revendication 5, caractéris en ce que lesdits premier et second gaz sont constitués par un mélange argon-azote. 7. - Sonde de refroidissemaent pour la rmise en oeuvre d'un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, du type ccmprenant deux circuits haute pression séparés (4, 5) et deux circuits basse pression séparés conduisant chacun & un orifice déchappement (11, 13), caractérisée en ce que le premier circuit basse pression est un circuit à relativement forte perte de charge disposé en relation d'échange thermique avec les deux circuits haute pression (4, 5), tandis- que le second circuit basse pression est un circuit à relativement faible perte de charge pratiquement libre de tout obstacle jusqu'à son orifice d'échappement (13). 8. - Sonde de refroidissement, notamment pour la mise en oeuvre d'un procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, du type camprenant deux enveloppes tubulaires concentriques (1, 2) pourvues chacune d'un orifice d'échappement (11, 13) et d'une paroi d'extrémité (12, 14); un mandrin (3) disposé dans l'enveloppe intérieure (1); un serpentin d'change de chaleur (4) bobiné sur le mandrin, destiné à être relié à une source (8) d'un premier gaz sous haute pression et se teminant par un premier orifice de détente (16) situé dans l'eeloppe intérieure; et des moyens (5, 9; 4, 8A) pour alimenter l'espace séparant les deux enveloppes (1, 2) avec un second gaz à travers un second orifice de détente (18; 18A), caractérisée en ce que ledit espace est pratiquement libre de tout obstacle vis-à-vis de l'écoulement du second gaz jusqu'à l'orifice d'échappement (13) de l'enveloppe extérieure (2). 9. - Sonde suivant la revendication 8, caractlrisle en ce que sur le mandrin sont bobinés ensemble deux serpentins (4, 5), le second serpentin (5) étant destiné à &tre relié à une source (9) dudit second gaz sous haute pression et se terminant par un tronçon (17) qui traverse la paroi d'extrémité de l'enveloppe intérieure (1) et présente a son extrémité ledit second orifice de détente (18). 10. - Sonde suivant la revendication 8, comportant un serpentin unique (4) , caractérisée en ce que ledit second orifice de détente (18) est perc dans la paroi d'extrémit6 (12) de l'enveloppe intérieure (1).