Brevet FR2580384A1 — publié le 19861017

APPAREIL DE REFROIDISSEMENT CRYOGENIQUE La présente invention se rapporte à un appareil de refroidissement cryogénique et plus particulièrement à ce type d'appareil adapté à refroidir une charge, par exemple l'élément actif d'un détecteur infrarouge, à une température cryogénique. L'invention se rapporte à ce type d'appareil de refroidissement qui comprend un refroidisseur Joule- Thomson, c'est-à-dire un refroidisseur comportant deux circuits à travers l'un desquels on délivre, sous pression, le gaz réfrigérant a une tuyère d'expansion Joule-Thomson puis le gaz s'écoule à travers le second circuit qui est en relation d'échange thermique avec le premier circuit, ce qui provoque le refroidissement du gaz entrant. On peut alimenter ces refroidisseurs Joule-Thomson avec du gaz provenant d'un réservoir de gaz sous pression, par exemple une bouteille contenant de l'azote sous 400 bars, auquel cas le refroidisseur fonc- tionne en circuit ouvert, c'est-à-dire que le gaz est évacué vers l'atmosphère après avoir traversé le refroidisseur. En variante, le refroidisseur peut être alimenté en gaz par un compresseur, auquel cas il peut fonctionner en circuit ouvert ou en circuit fermé, la sortie du refroidisseur étant alors reliée à l'entrée du compresseur. La présente invention se rapporte à un type d'appareil de refroi- dissement qui comporte un compresseur relié, en circuit fermé, au refroidisseur. Le refroidisseur est fréquemment du type à auto-régu- lation, c'est-à-dire qu'il comporte une valve de régulation disposée pour faire varier automatiquement le débit de gaz qui la traverse en fonction de la charge thermique à laquelle il est soumis mais, dans tous les cas, il est nécessaire de contrôler le débit de sortie du compres- seur de manière à adapter sensiblement ce débit au débit du refroidis- seur et à s'assurer que la pression d'alimentation vers le refroidisseur ne s'écarte pas d'une zone de valeurs prédéterminées. On contrôle normalement le débit du compresseur en faisant varier la vitesse de ce 2 2580384 compresseur en fonction de la pression de sortie du compresseur. Bien que cette forme de contrôle puisse être satisfaisante pour des appareils de refroidissement qui fonctionnent dans des conditions d'ambiance connues et sensiblement invariables, la charge thermique peut constituer l'élément actif d'un détecteur infra-rouge qui est utilisé dans des applications aéronautiques et peut ainsi fonctionner dans une tempéra- ture ambiante qui peut varier de 100 C ou plus, par exemple, de +70 C à 40 C. Une variation de température de cette amplitude se traduit par des variations sensibles dans la pression moyenne du système même si le débit massique est maintenu sensiblement constant. La vitesse de refroi- dissement varie ainsi notablement et, afin d'être sOr que la vitesse de refroidissement convient même à des températures ambiantes élevées pour lesquelles le gaz est considérablement moins dense, des volumes tampons doivent être incorporés en amont et/ou en aval du refroidisseur, ou on doit accepter que le refroidisseur produise une quantité de liquide réfrigérant supérieure à celle qui est en fait requise à une température ambiante basse. L'ensemble de ces mesures peut entraîner un accroisse- ment de la complexité du poids et des dimensions de l'appareil de refroidissement ce qui est très peu souhaitable lorsque l'appareil doit être utilisé dans des applications aéronautiques. En conséquence, un objet de la présente invention est de proposer un appareil de refroidis- sement cryogénique du type mentionné ci-dessus qui résolve pratiquement les problèmes précédents et, en particulier, de proposer un procédé de contrôle du compresseur de manière que l'appareil incorpore au moins, dans une certaine mesure, une compensation automatique des variations de la température ambiante. Selon la présente invention, l'appareil de refroidissement cryogénique comprend un compresseur dont la sortie est reliée à l'entrée d'un refroidisseur Joule-Thomson, la sortie de celui- ci étant reliée à l'entrée du compresseur et des moyens pour maintenir la pression à l'entrée du compresseur sensiblement dans une zone de valeurs prédéterminées. L'appareil comprend, de préférence, des moyens sensibles à la pression à l'entrée du compresseur et des moyens pour faire varier la vitesse du compresseur en fonction de l'amplitude de ladite pression. De préférence, le compresseur comprend un régulateur relié au capteur de pression et disposé de manière à accroître la vitesse du compresseur lorsque ladite pression dépasse une première valeur et pour 3 2580384 diminuer la vitesse du compresseur lorsque ladite pression est infé- rieure a une seconde valeur qui est inférieure a la première valeur. Ainsi, dans l'appareil selon la présente invention, la pression d'entrée du compresseur est maintenue dans une gamme ou zone de valeurs prédéterminées ou sensiblement constante et la pression de sortie peut ainsi se trouver à sa valeur naturelle. Du fait que l'appareil constitue un système fermé et contient ainsi une masse fixe de gaz réfrigérant, la pression de sortie du compresseur varie sensiblement avec la température ambiante et est beaucoup plus élevée pour les températures ambiantes élevées que pour des températures ambiantes basses. Le refroidisseur est beaucoup plus efficace a des températures basses qu'a des températures élevées en raison du fait que le coefficient Joule-Thomson varie a l'inverse de la température mais ce coefficient croit également pour une pression croissante et ainsi la variation de la pression du côté sortie du compresseur avec la température ambiante compense automatiquement, au moins partiellement, les variations de l'efficacité du refroidissement du refroidisseur pour des températures ambiantes différentes. Ainsi, il n'est pas nécessaire d'incorporer des volumes tampons ou analogues sur les côtés entrée ou sortie du compresseur, ou de surdimensionner l'ori- fice de la buse d'expansion Joule-Thomson, pour être certain que le refroidisseur pourra produire au moins l'effet de refroidissement minimum requis pour toutes les températures ambiantes. Ceci entraîne une diminution considérable de la complexité, du poids et du coût de l'en- semble de l'appareil de refroidissement. La pression a l'entrée du compresseur peut être maintenue cons- tante par différents moyens, par exemple en ménageant une liaison entre l'entrée et la sortie du compresseur qui comporte une vanne disposée pour diriger le gaz vers l'entrée lorsque la pression d'entrée tombe endessous d'une valeur prédéterminée. Il en résulte cependant que le compresseur tourne toujours à vitesse maximale mais, dans la forme de réalisation préférée dans laquelle la vitesse du compresseur varie en fonction de la pression a l'entrée du compresseur, le débit du compres- seur est ajusté a celui du refroidisseur Joule-Thomson et la consomma- tion d'énergie est réduite. Bien que l'appareil de refroidissement constitue un système fermé, on notera qu'une vanne de décharge peut être ménagée sur le côté entrée et/ou sortie du compresseur de manière à s'assurer que les pression d'entrée et/ou de sortie ne deviennent pas supérieures ou inférieures 4 2580384 aux valeurs prédéterminées du fait que, lorsque le compresseur est mis en route le système de contrôle pourrait être incapable de maintenir ces pressions aux valeurs de fonctionnement normal souhaitées. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description suivante d'une forme de réalisation spécifique d'un appareil de refroidissement qui est donnée à titre d'exemple non limitatif en référence au dessin schématique annexé. L'appareil comprend un compresseur 2 dont la sortie haute pres- sion 4 est reliée, par une canalisation 5, à l'entrée 6 d'un refroidis- seur Joule-Thomson 8, la sortie 10 de celui-ci étant reliée par une canalisation 11 à l'entrée basse pression 12 du compresseur. Le compres- seur est de tout type convenable à alimentation électrique et il est commandé par un régulateur 14. Le refroidisseur 8 n'est pas illustré en détail mais comprend un premier circuit communiquant avec l'entrée 6 et une buse d'expansion Joule-Thomson et est constitué par un tube à ailettes enroulé autour d'un volume tubulaire disposé dans un vase de Dewar et un second circuit constitué par l'espace entre le vase de Dewar et le tube à ailettes et relié à la sortie 10 et, à travers lequel, en fonctionnement, le gaz réfrigérant circule et refroidit le gaz entrant. Le refroidisseur produit du gaz liquéfiM et est disposé de manière à refroidir une charge thermique qui, dans ce cas, est fixée à la paroi intérieure du vase de Dewar. Le refroidisseur est d'un type auto- régulateur, c'est-à-dire qu'il incorpore une vanne d'étranglement dispo- sée pour réduire le débit du gaz qui la traverse en fonction du volume du réfrigérant présent dans la vase de Dewar ou de la quantité de gouttelettes de réfrigérant entraînées dans le gaz s'écoulant par la buse d'expansion et peut être ainsi du type décrit dans la demande de brevet britannique n 2 085 139A. La canalisation basse pression 11 comprend un commutateur sensible à la pression 16 qui est relié au régulateur 14 et dont les contacts s'ouvrent et se ferment à 0,8 et 1 bar respectivement et une vanne de décharge 18 qui est agencée pour s'ouvrir à 1,1 bars. La canalisation haute pression 5 comprend un commutateur 20 sensible à la pression dont les contacts s'ouvrent et se ferment à 210 et 190 bars respectivement et qui est relié au régula- teur 14 et une vanne de décharge 22 qui est agencée pour décharger le gaz dans la canalisation basse pression 11 si la pression dans la canalisation haute pression, excède 250 bars. Toutes les pression mentionnées ci-dessus sont des pression absolues. Le compresseur, les 2580384 commandes et vannes associées mentionnées ci-dessus sont disposés dans une enceinte métallique fermée (non représentée) à l'exception de l'entrée et de la sortie de la vanne de décharge 18, la pression dans l'enceinte ne pouvant s'élever au-dessus de 1,1 bars ou tomber en- dessous de 0,8 bar grace à une ou plusieurs vannes qui fonctionnent pour évacuer l'air dans l'atmosphère ou admettre de l'air provenant de cet atmosphère. L'appareil est concu pour fonctionner à la manière d'un système fermé et la vanne 18 ne fonctionne que pour des conditions extrêmes. Si le réfrigérant est de l'air, la vanne 18 peut permettre à l'air de pénétrer dans le système ou de s'en échapper, mais si on utilise de l'argon ou de l'azote, la vanne 18 ne permettra alors qu'une évacuation. La canalisation haute pression comporte également un clapet anti-retour 24, un épurateur d'air 26 du type à cartouche amovible qui élimine toute vapeur d'eau ou trace d'huile du gaz comprimé et une électrovanne. Les canalisations haute et basse pressions sont reliées au refroidisseur par un accouplement à cardan 30. En fonctionnement, le compresseur délivre de l'air sous pression au refroidisseur et, après expansion, le gaz retourne alors au compres- seur. La vitesse du compresseur est commandée par le commutateur de pression 16 de manière à maintenir la pression dans la canalisation 11 entre 0,8 et 1 bar. Ainsi, lorsque la pression dans la canalisation 11 atteint 1 bar, les contacts du commutateur 16 sont fermés et le compres- seur accélère progressivement jusqu'à ce que la pression d'entrée atteigne 0,8 bar, les contacts du commutateur s'ouvrant alors et la vitesse du compresseur étant progressivement réduite. Lorsque l'appareil est dans un état de fonctionnement stable, il contient toujours la même masse de réfrigérant, par exemple de l'air, de l'azote ou de l'argon, puisqu'il s'agit d'un système fermé. On contrôle la pression du côté basse pression, ce qui pourrait entraîner des variations sensibles de la pression du côté haute pression. Ainsi, pour une température ambiante de C, la pression dans la canalisation 5 pourrait être de 200 bars tandis qu'à -40 C cette pression pourrait tomber à 100 bars. L'accrois- sement du coefficient Joule-Thomson avec des pressions croissantes compense sensiblement la décroissance de ce coefficient avec des tempé- ratures croissantes. L'efficacité du refroidissement du refroidisseur reste sensiblement constante en dépit des variations de la température ambiante. Les vannes de décharge 18 et 22 ne sont normalement pas 6 2580384 ouvertes et sont seulement prévues pour intervenir lors de conditions inhabituelles ou transitoires pouvant se produire, en particulier, lors de la mise en route du compresseur. Le commutateur de pression 20 est disposé de manière A ralentir le compresseur si la pression dans la canalisation 5 dépasse 210 bars, mais n'intervient pas dans des condi- tions de fonctionnement stables. Le contrôle de la pression du côté entrée du compresseur, par variation de la vitesse de ce compresseur est, de préférence, suffisam- ment précise pour contrôler la pression du côté sortie du refroidisseur et aussi la température du réfrigérant liquéfié à une valeur acceptable. Si cela ne peut être réalisé, une vanne de maintien de la pression peut être incorporée dans la canalisation entre la sortie du refroidisseur et l'entrée du compresseur de manière à, par exemple, élever la pression à l'entrée du refroidisseur, la température du liquide réfrigérant étant ainsi accrue. Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés, mais elle est susceptible de nom- breuses variantes accessibles à l'homme de l'art sans que l'on ne s'écarte de l'esprit de l'invention. 7 2580384 REVENDICATIONS 1.- Appareil de refroidissement cryogénique comprenant un compres- seur dont la sortie est reliée a l'entrée d'un refroidisseur Joule- Thomson, la sortie de celui-ci étant reliée à l'entrée du compresseur, caractérisé par des moyens (16, 14) agencés pour maintenir la pression à l'entrée (12) du compresseur (2) sensiblement dans une zone de valeurs prédéterminées. 2.- Compresseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un capteur de pression (16) agencé pour capter la pression à l'entrée (12) du compresseur (2) et pour modifier la vitesse du compres- seur (2) en fonction de l'amplitude de ladite pression. 3.- Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le compresseur (2) comprend un régulateur (14) relié au capteur de pres- sion (16) et agencé pour accroître la vitesse du compresseur (2) lorsque ladite pression dépasse une première valeur et à diminuer la vitesse du compresseur (2) lorsque ladite pression est inférieure à une seconde valeur qui est inférieure à ladite première valeur. 4.- Appareil selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le compresseur (2) et le capteur (16) sont agencés de manière que, en état de fonctionnement stable, la pression a l'entrée (12) du compresseur (2) reste comprise entre 0,5 et 2 bars. 5.- Appareil selon l'une des revendications précédentes, caracté- risé par le fait qu'une vanne de décharge (22) est agencée pour déchar- ger du gaz réfrigérant du côté sortie du compresseur (2) vers le côté entrée lorsque la pression dudit côté entrée dépasse une valeur prédé- terminée. 6.- Appareil selon l'une des revendications précédentes, caracté- risé en ce que l'entrée (6) du refroidisseur (8) communique avec un premier circuit qui est relié à une tuyère d'expansion Joule-Thomson, laquelle communique avec un second circuit qui est en relation d'échange thermique avec le premier circuit et communique avec la sortie (10) du refroidisseur (8). 7.- Appareil tel que revendiqué dans l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le refroldisseur (8) est du type auto-régulé.