Brevet FR2590357A1 — publié le 19870522

La présente invention concerne un dispositif suscepti e de produire du froid à circuit ouvert ou fermé. fonctionnant par détente d'un fluide réfrigérant de travail. Plus particulièrement, le dispositif refroidisseur de l'invention met en oeuvre un cycle de réfrigération dit de Joule-Tnomson. c'est a dire que la production frigorifique est o@tenue par détente isenthalpique d'un fluide réfrigérant de travail Un tel dispositif refroidisseur trouve notamment son application eji circuit ouvert pour les systèmes d'armes utilisant des projectiles à te te de guidage, sensibles aux l-ayon- nements infrarouges, dans laquelle est utilisée une cellule détectrice photosensible qui doit pouvoir être refroidie rapidement à basse température, généralement à une température voisine de celle de liquéfaction du fluide réfrigérant. Les dispositif de réfrigération connus de l'art antérieur comprennent un conduit d'amenée, en fluide réfrigérallt 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. Dans leur application au refroidissement de dispositifs pliotodétecteurs. de tels systèmes refroidisseurs sont, comme représenté sur la figure 1, disposés dans un vase Dewar à double paroi (1, 2) dont la paroi interne 2a est pourvue, face à 1 paroi extern@ laissant passer le rayonnement infrarouge. dune cellule détectrice 3 sensible aux infrarouges et à conduet Dewar, puis dans une chambre 17 ménagée entre l'ensemble 4, 5 et un tube 18 de protection du vase Dewar. Un tel dispositif est par exemple décrit dans le brevet 82 00 756 de la demanderesse. il comprend donc un premier passage du fluide réfrigérant de travail sous haute pression dans les conduits 7 et 8 et un second passage du fluide réfrigérant détendu, sous basse-pression entre le conduit 7 et la paroi 2 du vase Dewar, le premier et le second passage étant en relation d'échange thermique l'un avec l'autre.C'est dans cette chambre de détente que la puissance frigorifique délivrée par le fluide réfrigérant est disponible. Toutefois, de tels dispositifs sont extrêmement coû- teux car ils nécessitent un parfait calibrage (meilleur de 1/100) de la chemise du vase Dewar. En outre, ils nécessitent une grande consommation de gaz frigorigène sous haute pression (de l'ordre de 100 bars) pour atteindre des températures de l'ordre de 800K au voisinage du photodétecteur 3 en des temps brefs, du fait de la masse importante de tels dispositifs mécaniques. De tels systèmes sont donc peu appropriés à des dispositifs de réfrigération à grande autonomie. La présente invention vise à améliorer les inconvénients des dispositifs connus en s'affranchissant des structures de vase Dewar coûteuses et compliquées ainsi que des mandrins et en autorisant une moins grande consommation de gaz frigo- rigène pour une autonomie allongée de réfrigération tout en autorisant une réfrigération de l'ordre de 80"K en un temps satisfaisant. Le dispositif refroidisseur de l'invention comporte un conduit (23, 33) d'amenée d'un fluide réfrigérant sous haute pression terminé par un orifice (231, 331) étrangleur débouchant dans une chambre de détente et liquéfaction du fluide communiquant avec un passage d'évacuation du fluide réfrigérant qui est én échange thermique avec ledit conduit d'amenée ; le conduit (22, 32) d'évacuation/fluide réfrigérant est un second conduit (22, 32) coaxial au premier et entoure ce premier conduit (23, 33).En outre, ce second conduit (22, 32) est fermé au voisinage de l'orifice (231, 331), et I'espace compris entre lesdits premier et second conduits (23, 33) (22, 32) est occupé par une spirale 21 soudée sur le premier conduit (23, 33) dont la fonction est, dune part, de centrer le premier conduit (22, 33) dans ;e second et, d'autre part, d'augmenter l'échange thermique entre les deux conduits. Selon une première caractéristique, les conduits (22, 23) sont des tubes droits. Selon une autre caractéristique, les conduits (32, 33) sont enroulés en spirale dans un m8me plan ou encore en hélice autour d'un meme axe. Selon une autre caractéristique, la spirale 21 se présente comme une ailette, par exemple métallique, soudée sur la tranche du premier conduit (23, 33). Selon une autre caractéristique, le second conduit (22, 32) contient deux premiers conduits (23a, 33a) et (23b, 33b). chacun desdits premiers conduits amenant respectivement un fluide A et un fluide Bau voisinage de l'orifice (231, 331) de détente. Selon une autre caractéristique, la spirale 21 est en cui vre. Dans une application préférée de l'invention, le dispositif refroidisseur de l'invention est placé dans un sim ple hoitier qui contient un photodétecteur, ledit photodétecteur étant disposé à proximité de l'orifice (231, 331) de détente de ce dispositif refroidisseur. Le dispositif de l'invention procure de grands avantoges tels qu'une simplicité de réalisation, une grande a mélioration du rendement thermique, une diminution des quantités de fluide mises en jeu, une amélioration notable du temps de mise en froid, un fonctionnement à autonomie amé- liorée. il procure de ce fait une conception mécanique nou elle du boîtier du photodétecteur associé, moins coûteuse et appropriée à des grandes séries. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront à la lecture de la description suivante illustrée par des dessins. La figure 1 représente une vue schématique du dispositit de l'art antérieur. La figure 2 représente une vue en long d'une première réalisation du dispositif de l'invention. La figure 3 représente une vue en coupe du dispositif de la figure 2. La figure 4 représente une variante de la figure 2. La figure 5 représente une variante de la figure 3. En se référant à la figure 2,, le dispositif de réfrigération et de détente de l'invention comporte essentiellement un premier conduit tubulaire 23 de faible section S1 entouré d'un second conduit tubulaire 22 de section également faible -s2. Le conduit 22 est fermé devant l'orifice d'échappement ou de détente 231 du gaz haute pression, tandis que le gaz frigorigène est introduit dans le conduit tubulaire 23 par l'autre extrêmité 230. A l'entrée, le fluide frigorigène haute pression peut être introduit dans le conduit tubulaire 23 au moyen d'un raccord haute pression, comme par exemple celui décrit dans le brevet 85 12 074 de la demanderesse, appliqué sur ltori- fice 230. L'évacuation du fluide frigorigène peut être éga-lement effectuée au moyen d'un raccord du commerce. Le conduit 23 est disposé en retrait de quelques millimètres et est équipé d'un petit orifice de détente 231. Le fluide frigorigène se détend alors conformément à l'ef- fet Joule-Thomson au travers de l'orifice 231. Afin d'améliorer le rendement thermique de l'échangeur à contre-courant formé avec les conduits tubulaires 22 et 23, on dispose selon l'invention une ailette 21, par exemple soudée sur le conduit haute pression 23. Elle assure galement le centrage mécanique des deux tubes 22 et 23 l'un dans l'autre. Cette ailette 21 peut par exemple etre cons- tituée d'un fil de cuivre soudé en spirale sur le tube 23 ou d'un ruban de cuivre soudé sur la tranche également sur le tube 23. Le fluide frigorigène présente alors un régime turbu- lent lors du passage dans la section annulaire basse-pression entre les deux tubes 22 et 23, ce qui facilite encore l'échange thermique de ce gaz frigorigène. Les dimensions choisies pour les conduits 22 et 23 peuvent par exemple être respectivement d'un diamètre intérieur/extérieur de 0,9/1,1 mm et 0,25/0,4 mm, tandis que leur longueur est de 200 mm environ, on réalise aisément la simplicité technique de réalisation des conduits 22 et 23 de l'invention en comparaison des exigences mécaniques des dispositifs de réfrigération de l'art antérieur. La figure 3 représente une vue en coupe de la figure 2 perpendiculairement aux deux conduits 22 et 23. L'ailette 21 est alors vue sur la tranche. Dns l'application du dispositif de refroidissement de l'invention aux photodétecteurs, le photodétecteur à refroidur est placé, par exemple, dans un boitier et le dispositif de la figure 2 est introduit dans ce boîtier de telle sorte que l'extremité 231 de détente du fluide frigorigène se trouve à proximité de ce photodétecteur. il n'est plus utile d'utiliser un cryostat, un simple boîtier du commerce suffit. La figure 4 représente une variante de réalisation du dispositif de la figure 2. Au lieu des conduits tubulaires 22 et 23 à génératrice rectiligne, les conduits 32 et 33 de la figure 4 ont une génératrice en hélice. Ainsi, les conduits 32 et 33 de l'invention se présentent, soit comme une - spirale contenue dans le, plan de son centre 0, soit comme une hélice dont l'axe passe par ce même centre 0. C'est au voisiage de ce centre 0 que le conduit 33 haute pression présente un orifice 331 de détente, calibré de façonjudicieuse et au volsinage du fond de la paroi du conduit extérieur 32. L'évacuation du fluide détendu se fait alors par l'extrêmité 324 du conduit 32. Des raccords du commerce sont alors disposés aux entrée et sortie des conduits 33 et 32 respectivement. La réalisation de la figure 4 présente également, dans cet espace entre les conduits 32 et 33, une ailette ou spi ralle de centrage 31, non représentée sur le dessin, permet tant un bon échange de chaleur entre les deux conduits. Cette spirale 31 présente la meme structure que dans la réalisation de la figure 2 et présente les mêmes avantages d'améliorer le centrage du conduit 33 au sein du conduit 32, d'augmenter encore la surface d'échange, donc l'échange thermique. La réalisation du refroidisseur de l'invention en spirale plane ou en hélice est extremement avantageuse car elle rend le régimed'évacuationdu fluide réfrigérant encore plus turbulent. Le fluide haute pression frigorigène circule donc dans son premier passage dans le conduit 33 intérieur sur une longueur de quelques dizaines de centimètres, sous une pression de quelques centaines de bars. il se détend à l'extrémité de ce conduit 33 au voisinage du centre de cette spirale O dans la réalisation plane, ou à l'extrémité 321 fermée de ce conduit 32 dans le cas d'une hélice placée autour d'un axe passant par ce point 0. L'orifice 331 de détente du conduit 33 est calibré de façon appropriée pour ajuster le débit et la détente du fluide réfrigérant. Le fluide se détend alors de la même façon entre les deux conduits 33 et 32. Dans l'application de l'invention au refroidissement de phocodétecteurs, on dispose le refroidisseur de la figure 4 dans un Doitier dans lequel est inséré le photodétec-. teur en question de telle sorte que ce photodétecteur se trouve au voisinage du centre 0 dans la réalisation plane ou de l'orifice 331 de détente dans le cas d'une hélice. La figure 5 représente une variante des figures 2 et 4. Par fluide réfrigérant, on entend usuellement, dans les refroidisseurs connus de type Joule-Tiiomson, l'argon, ou l'azote. En effet, les refroidisseurs doivent porter en un temps extrêmement court, par exemple intérieur à 2 secondes, les pnotodétecteurs sensibles au rayonnement infrarouge, à une température inférieure à 1000K. Or, certains gaz procurent un excellent refroidissement mais, après un temps supérieur à 2 seconds, d'autres procurent un refroidissement très rapide mais ne parvlennent pas à 800K.Le tableau suivant compare les différentes aptitudes des fluides frigorigénes en fonction de leur température d'ébullition (en OK), les fluides étant chacun susceptibles de procurer une détente de type Joule-Tnomson. La colonne "figure de mérite" indique en quelque sorte la rapidité à liquéfier le fluide. On convient de considérer 100 % une liquéfaction instantanée tandis que O % représente qu'il n'y a pas de liquétac- tion possible. Fluide : Point d'ébullition : Figure de ) ( : normale ( K) : mérite ) N2 azote.... 77,3 14,1 % Air......... 78,7 13,7 % A argon..... 87,2 18,2 % @ @@@@@@@@ @@,2 @@,7 % ( 2 Oxygène : 90,2 : 19,7 % CH4 méthane. : 111,6 : 28,8 % ) CF4 fréon 14 145 60,0 % @@@ @@@ @@@ @ @@@@ % ( C2H6 éthane : 184,5 . 50,2 % ) I,a présente invention facilite un compromis possible permettant de procurer une mise en froid très rapide du photodétecteur et ce à une température de fonctionnement tres basse. En effet, la figure 5 représente un dispositif selon l'invention autorisant ce compromis. On dispose selon l'invention un premier conduit tubulaire 23a et un second conduit tubulaire 23b au sein d'un même second conduit tubulaire 22.Ces deux conduits 23a et 23b peuvent être positionnés à une distance convenablement choisie de l'axe du conduit extérieur 22, de telle sorte que leurs orifices de détente procurent l'un et l'autre un refroidissement contenable .u pnotodétecteur.-Le conduit 23a est un conduit d'amenée d'un fluide A tandis que le conduit 23b est un con- duit d'amenée d'un iluide B, les deux fluides étant alors susceptibles de se détendre dans le conduit 22 dans l'es- pace compris entre ces conduits 23a et 236 et le conduit 22. La figure 5 représente une vue en coupe des conduits, m. is l'invention s'applique bien entendu aussi bien au cas où ;es conduits sont à génératrice rectiligne (figure 2) qu'au cas où la génératrice est une hélice ou une spirale. Il est bien évident qu'on dispose, de la même façon que pour les réalisations des figures 2 et 4, une spirale 21 de centrage facilitant également les échanges thermiques pensant la détente. Ainsi, de la sorte, le gaz A, par exemple de l'argon, procure une irise en froid très rapide tandis que le gaz B, par exemple de l'azote, prend le relais et assure la mise en froid au voisinage de 100 K 800K. REVENDICATIONS 1 - Dispositif refroidisseur à effet Joule-Thomson comprenant un conduit (23, 33) d'amenée d'un fluide réfrigérant sous haute pression terminé par un orifice (231 ; 331) étrangleur débouchant dans une chambre de détente et liquéfaction du fluide communiquant avec un passage d'évacuation du fluide réfrigérant qui est en échange therm qte avec ledit conduit d amenée, dispositif caractérisé par le fait que ledit conduit (22, 32)d'évaelsation dudit fluide réfrigérant est un second conduit (22, 32) coaxial au premier et entourant ce premier conduit (23, 33), ledit second conduit étant fermé au voisinage dudit orifice (231, 331), l'espace compris entre lesdits premier et second conduits étant occupé par une spirale 21 soudée sur ledit premier conduit (23, 33) ayant pour fonction, d'une part, de centrer ledit premier conduit (22, 33) dans le seccnd, d'autre part, d'augmenter l'échange thermique entre lesdits deux conduits. 2 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que lesdits conduits (22, 23) sont des tubes droits. 3 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que lesdits conduits (32, 33) sont enroulés en spirale dans un même plan. 4 - Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que lesdits conduits (32, 33) sont enroulés en hélice autour d'un même axe. 5 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé par le fait que ladite spirale 21 se présentecomme une ailette, par exemple métallique, soudée sur la tranche sur ledit premier conduit (23, 33). 6 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé par le fait que ledit second conduit (22, 32) contient deux premiers conduits (23a, 33a) et(23b, 33b), chacun desdits premiers conduits amenant respectivement un fluide A et un fluide B au voisinage de l'orifice (231, 331) de détente. 7 - Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé par le fait que ladite spirale 21 est en cuivre. 8 - Application du dispositif refroidisseur selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé par le fait qu'un photodétecteur est disposé à proximité de l'orifice (231, 331) de détente de ce dispositif refroidisseur, l'ensemble étant placé dans un simple boîtier.