Brevet FR2602316A1 — publié le 19880205

DESCRIPTION La présente invention est relative aux refroidisseurs Joule-Thanson et aux cryostats destinés à obtenir très rapidement des températures basses caomprises entre 80 et 130K. Ces refroidisseurs sont utilisés par exemple pour refroidir des détecteurs infra-rouge. La technologie la plus courante dans ce domaine consiste à utiliser coane cryostat un Dewar à double paroi dont la paroi intérieure forme un puits cylindrique sur le fond duquel est fixé l'élément à refroidir. Le refroidisseur proprement dit ccmprend un noyau cylindrique sur lequel est bobiné hélicoldalarement un tube capillaire aileté pourvu à 10 son extrémité de moyens de détente, lesquels peuvent être constitués par un simple perçage ou par un dispositif de régulation de débit plus caplexe. Bien que ces appareils aient été continuellement perfectionnés, ils sont difficiles et coûteux à réaliser industriellement, d'une part ' 15 cause de la configuration complexe du Dewar, qui carporte un puits et une double paroi, et d'autre part à cause de la haute précision mécanique nécessaire pour assurer une introduction étanche mais sans déformation du refroidisseur dans le puits cylindrique du cryostat. La présente invention a pour but de fournir une technique 20 permettant de réaliser ces appareils de façon plus simple et plus économanique. A cet effet, l'invention a pour objet un refroidisseur Joule-Thanson, caractérisé en ce qu'il comprend: - une enveloppe ouverte présentant un emplacement à refroidir; - un 25 serpentin destiné à véhiculer du gaz sous haute pression, ce serpentin étant disposé dans l'enveloppe et présentant un orifice de détente au voisinage dudit emrplacement; et - une masse poreuse emplissant la région de l'enveloppe qui contient le serpentin mais laissant libre une chambre de détente dans laquelle 30 débouche ledit orifice de détente. Dans un premier mode de réalisation, le serpentin forme une spirale plane avec l'orifice de détente au centre, et l'enveloppe est constituée par deux plaques à peu près planes disposées de part et d'autre de cette spirale. Dans ce cas, de façon avantageuse, la spirale 35 est à spires jointives, et la masse poreuse est constituée par deux plaquettes poreuses présentant un trou central et disposées respectivement entre chaque face de la spirale et la plaque plane correspondante. Il est alors particulièrement avantageux que la conductibilité thermique des plaquettes poreuses dans le sens axial de la spirale soit très supérieure à leur conductibilité thermique dans le sens radial. Dans un autre mode de réalisation de l'invention, l'enveloppe est cylindrique et carporte un fond qui définit ledit emplacement, et le serpentin est hélicoidal et est noyé dans la masse poreuse à l'exception de son extrémité adjacente audit fond, laquelle extrémité coemporte 10 l'orifice de détente. L'invention a également pour objet un procédé de fabrication de ce dernier mode de réalisation. Suivant ce procédé, on dispose librement le serpentin dans l'enveloppe, on emplit l'espace libre de particules frittables, et on passe l'ensemble dans un four de frittage. - L'invention a également pour objet un cryostat comprenant - un refroidisseur Joule-Thomson tel que défini ci-dessus; et - une enceinte sous vide entourant ledit ermplacement de support et reliée à joint étanche à l'enveloppe, laquelle débouche à l'extérieur de cette enceinte. Quelques exerples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard des dessins annexes, sur lesquels: - la figure 1 représente en plan les pièces qui constituent un refroidisseur suivant l'invention; - la figure 2 est une demi-vue partielle en coupe axiale d'un cryostat 25 cacprenant le refroidisseur de la figure 1; - la figure 3 est une vue en élévation, à plus petite échelle, de ce cryostat; - les figures 4, 6 et 7 illustrent en coupe axiale trois phases de la fabrication d'une variante du refroidisseur de la figure 1; - la figure 5 est une vue prise suivant la flèche V de la figure 4; - la figure 8 est une vue en coupe axiale d'une variante du cryostat de la figure 2; et - la figure 9 est une vue en coupe axiale d'un autre mode de réalisation du cryostat suivant l'invention. Le cryostat représenté aux figures 2 et 3 camprend un refroidisseur JouleThcmson 1 constitué des pièces représentées à la figure 1, à savoir: - un tube capillaire 2 en acier inoxydable enroulé en une spirale plane à spires jointives; l'extrémité extérieure de ce tube est pourvue d'un filtre 3, tandis que son extrémité intérieure est obturée et présente un orifice de détente calibré 4 orienté axialement (figure 2); - deux plaquettes planes 5 constituées d'une matière poreuse à porosités ouvertes qui peut être une mousse, un feutre ou un fritté thermiquement conducteur, en pratique métallique, et notamment une mousse de nickel compactée ayant une porosité volumique de 35 %; chacune de ces plaquettes à la forme d'un disque dont le diamètre est nettement 10 supérieur au diamètre extérieur de la spirale 2 et qui présente un trou central 6 ayant un diamètre du mre ordre que la spire intérieure de cette spirale; - deux plaques planes 7 ayant une bonne résistance aux contraintes mécaniques et thermiques, notamment en acier inoxydable. Ces plaques 7 15 ont le mêmne diamètre que les disques 5. Pour réaliser le refroidisseur 1 à partir des pièces ci-dessus, on les superpose dans l'ordre représenté à la figure 1, à savoir une plaque 7, un disque 5, la spirale 2, l'autre disque 5 et l'autre plaque 7, ceci de façon coaxiale, et on les fixe les uns aux autres par collage 20 ou brasage. On intègre ensuite ce refroidisseur en forme générale de disque plan dans un cryostat de la manière représentée aux figures 2 et 3. Un élément 8 à refroidir, par exemple un détecteur infra-rouge, est fixé au centre d'une des deux plaques 7. On dispose coaxialement de part et 25 d'autre du refroidisseur 1 deux tronçons tubulaires 9 se terminant chacun par une collerette extérieure 10 pourvue d'une gorge circulaire 11, laquelle reçoit un joint d'étanchéité annulaire 12. La région périphérique du refroidisseur est pincée entre les deux collerettes 10, le serrage étant assuré par deux brides annulaires 13 qui prennent appui 30 sur les collerettes 10 et qui sont traversées par des boulons 14. Ce serrage provoque d'une part un écrasement des joints 12 sur les plaques 7, ce qui permet d'obtenir une étanchéité au vide, et d'autre part un léger rapprochement des régions périphériques des plaques 7 et des disques 5, ces derniers, qui sont relativement souples, venant en contact 35 mutuel dans le plan médian du refroidisseur, bien que, cette vanne en contact ne soit pas indispensable. Le refroidisseur 1 définit alors, entre les plaques 7, une spirale plane 2 noyée dans la masse poreuse constituée par les deux disques 5, cette masse laissant libre une chambre centrale 15 dans laquelle débouche l'orifice de détente 4, qui est orienté vers l'élément 8 à refroidir. Cauome on le voit à la figure 3, le cryostat est complété par deux tronçons tubulaires 16 prolongeant respectivement les deux tronçons 5 9 et mis en communication par un tube latéral 17. L'un des tronçons 16 est obturé hermétiquement, tandis que l'autre peut se raccorder par une conduite 18 à une pompe à vide (non représentée). En fonctionnement, après avoir établi un vide secondaire -3 (inférieur à 10 ob) dans l'enceinte constituée par les éléments 9, 16 et 10 17, on relie l'extrémité extérieure du tube 2 à une source 19 d'un gaz sous très haute pression, par exemple d'argon sous 700 bars. Le gaz haute pression, épuré par le filtre 3, circule dans la spirale 2, est détendu et donc refroidi au passage de l'orifice 4, et pénètre dans la chambre centrale 15. De là, il circule radialement vers l'extérieur à travers les 15 disques poreux 5, et sort librement à l'atmosphère par la périphérie de ces derniers. Le gaz basse pression refroidit à contre-courant le gaz haute pression contenu dans la spirale 2, essentiellement par l'intermédiaire des disques 5, de sorte que la température diminue rapidement dans la chambre 15, jusqu'à formation dans celle-ci de liquide 20 à la température qui correspond à la pression qui y règne. Cette pression est définie par la perte de charge du circuit basse pression à travers les disques 5. Il est à noter que la section de passage offerte au gaz - basse pression augmente au fur et à mesure o la détente se tenrmine et o le gaz se réchauffe, ce qui est très favorable en ce qui concerne les 25 pertes de charge du circuit basse pression. Pour améliorer l'échange thermique entre les gaz basse pression et haute pression, il est préférable de fixer la spirale 2 aux disques 5 par brasage. De plus, pour diminuer les entrées de chaleur radiales par conduction, il est préférable de fixer les plaques 7 aux disques 5 par 30 collage. Pour réduire le temps de mise en froid, c'est-à-dire le temps nécessaire à l'apparition de liquide dans la chambre 15, ainsi que la température de ce liquide, il faut réduire la capacité calorifique du refroidisseur ainsi que les pertes de charge du circuit basse pression, 35 sans diminuer l'efficacité de l'échange de chaleur entre les gaz basse pression et haute pression ni favoriser les entrées de chaleur par conduction entre la périphérie du refroidisseur, qui est à la température ambiante, et la zone centrale refroidie. Ce problème ctmplexe trouve une solution dans le mode de réalisation dont la fabrication est illustrée aux figures 4 à 7: deux 5 bandes de tissu métallique, par exemple de toile de bronze à maille carrée de 50 microns de diamètre de fil et de 80 microns d'ouverture, sont bobinées chacune sur un noyau poreux 20, par exemple en bronze fritté, présentant une extrémité creuse 21 qui affleure un côté de la bande correspondante (figure 4). La face 22 de chaque bobinage située du 10 côté de l'extrémité 21 est rectifiée, puis (figure 6) les deux faces 22 sont collées ou brasées coaxialement sur les deux faces de la spirale 2. L'ensemble ainsi obtenu est ensuite découpé à la scie de part et d'autre de la spirale 2 puis rectifié au tour pour obtenir un ensemble constitué de la spirale et des deux disques 5 avec l'épaisseur souhaitée. Enfin, 15 les plaquettes 7 sont rapportées sur les deux faces de cet ensemble, quelques cales d'épaisseur étant disposées entre les zones périphériques de ces deux plaques. Avec cette construction, chaque disque 5 est constitué d'une étroite bande de tissu métallique enroulé en spirale. Il présente une 20 bonne conduction thermique dans cette direction axiale, qui est celle du tissu, et une mauvaise conduction thermique dans le sens radial, du fait du nombre important de résistances thermiques de contact en série existant entre les couches successives de tissu. On a ainsi réalisé un circuit basse pression thermiquement 25 anisotrope, c'est-à-dire ayant dans le sens axial, qui est celui de l'échange thermique recherché, une conductibilité thermique très supérieure à sa conductibilité thermique dans le sens radial, qui est celui des pertes de chaleur parasites. En fait, le cryostat des figures 2 et 3 constitue un appareil 30 expérimental. Pour une réalisation en série, on adopterait de préférence la variante de la figure 8, qui en diffère par les points suivants: les disques 5 et les plaques 7 ont sensiblement le msme diamètre extérieur que la spirale 2, et les plaques 7 comrportent un rebord périphérique cylindrique 7A dirigé à l'opposé de la spirale. Une rondelle 23 est fixée 35 par brasage, soudage ou collage sur chaque rebord 7A, après mise sous vide, de façon à constituer de chaque côté du refroidisseur une chambre sous vide scellée. Par ailleurs, dans cette variante ccmme dans celle des figures 2 et 3, les plaques 7 peuvent être réalisées en verre ou en une matière céramique et, dans ce cas, intégrer directement l'élément 8 à refroidir, qui est généralement un circuit électronique, dans leur partie centrale. La figure 9 représente un autre mode de réalisation du refroidisseur et du cryostat suivant l'invention dans lequel le refroidisseur a une configuration cylindrique d'axe X-X supposé vertical. Sur cette figure 9, le tube capillaire 2 est bobiné en hélice sur un mandrin (non représenté), lequel est ensuite retiré. L'hélice, 10 après nickelage, est disposée dans un tronçon tubulaire métallique 7B de diamètre nettement plus grand, également nickelé intérieurement; l'espace libre est empli de billes de bronze, et l'ensemble est passé dans un four de frittage afin de fritter les billes à la fois sur le tube 2 et sur la surface interne du tronçon 7B. A l'issue de cette opération, 15 la totalité de l'hélice est noyée dans la masse poreuse 5A constituée par le fritté de bronze; l'extrémité amont du tube 2 sort par l'extrémité supérieure du tronçon 7B, et l'extrémaité aval du nmûe tube émerge sur une courte longueur sous la masse 5A, est recourbée horizontalement sous cette masse, est obturée à son extrémité et présente latéralement un 20 orifice de détente calibré 4 orienté vers le bas. Une coupelle métallique 7C est fixée hermntiquement à l'extrémité inférieure du tronçon 7B et ménage sous la masse 5A une chambre de détente 15 dans laquelle débouche l'orifice 4. L'élément 8 à refroidir est fixé sur le fond de la coupelle 7C. L'ensemble 7B-7C forme une enveloppe à simple paroi ouverte vers le haut. Son extrémité supérieure est emboîtée et brasée hermétiquement dans une ouverture 24 d'un couvercle circulaire 25 du cryostat. Ce dernier cciporte une enceinte sous vide définie par le couvercle 25 et par des tronçons tubulaires 9A, 16A d'axe X-X, ces 30 éléments étant reliés les uns aux autres par des ensembles brides colliers - dispositifs d'étanchéité 26. L'enceinte du cryostat est reliée vers le bas à une pompe à vide (non représentée). En fonctionnement, le tube 2, qui traverse l'ouverture 24, achemine du gaz haute pression jusqu'à l'orifice 4. De là, il se détend 35 dans la chambre 15 et remonte à travers la masse poreuse 5A en cédant, essentiellement par l'intersédiaire de cette masse, du froid au gaz haute pression contenu dans le tube 2. Le gaz basse pression s'évacue à l'atmosphère à travers l'ouverture 24. 15 20 25 30 REVEDICATICNS 1 - Refroidisseur Joule-Thanomson, caractérisé en ce qu'il comprend: - une enveloppe ouverte (7; 7B, 7C) présentant un emplacement à refroidir; - un serpentin (2) destiné à véhiculer du gaz sous haute pression, ce 5 serpentin étant disposé dans l'enveloppe et présentant un orifice de détente (4) au voisinage dudit emplacement; et - une masse poreuse (5; 5A) emplissant la région de l'enveloppe qui contient le serpentin mais laissant libre une chambre de détente (15) dans laquelle débouche ledit orifice de détente. 2 - Refroidisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le serpentin (2) est espacé de l'enveloppe (7; 7B, 7C). 3 - Refroidisseur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en 15 ce que le serpentin (2) forme une spirale plane avec l'orifice de détente (4) au centre, et en ce que l'enveloppe (7) est constituée par deux plaques à peu près planes disposées de part et d'autre de cette spirale. 4 - Refroidisseur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que la 20 spirale (2) est à spires jointives, et en ce que la masse poreuse (5) est constituée par deux plaquettes poreuses présentant un trou central (6) et disposées respectivement entre chaque face de la spirale et la plaque à peu près plane (7) correspondante. 5 - Refroidisseur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les plaquettes poreuses (5) sont constituées d'une mousse, d'un feutre ou d'un fritté métallique. 6 - Refroidisseur suivant la revendication 4, caractérisé en ce que la 30 conductibilité thermique des plaquettes poreuses (5) dans le sens axial de la spirale (2) est très supérieure à leur conductibilité thermique dans le sens radial. 7 - Refroidisseur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que chaque plaquette poreuse (5) est constituée par une étroite bande de toile métallique enroulée en spirale coaxialement à ladite spirale (2). 8 - Refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que les différentes couches du refroidisseur sont fixées les unes aux autres par collage ou brasage. 9 - Refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 3 à 8, 10 caractérisé en ce que l'extrémité intérieure de la spirale (2) est obturée, l'orifice de détente (4) étant ménagé latéralement en direction axiale, près de cette extrémité. - Refroidisseur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé 15 en ce que l'enveloppe (7B, 7C) est cylindrique et cornporte un fond (7C) qui définit ledit emplacement, et en ce que le serpentin (2) est hélicoidal et est noyé dans la masse poreuse (5A) à l'exception de son extrémité adjacente audit fond, laquelle extrémité camporte l'orifice de détente (4). 11 - Procédé de fabrication d'un refroidisseur suivant la revendication 10, caractérisé en ce qu'on dispose librement le serpentin (2) dans l'enveloppe (7B, 7C), on emplit l'espace libre de particules frittables, et on passe l'ensemble dans un four de frittage. 25 12 - Cryostat, caractérisé en ce qu'il cacrprend - un refroidisseur Joule-Thamson suivant l'une quelconque des revendications 1 à 10; et - une enceinte sous vide entourant ledit emplacement de support et reliée 30 à joint étanche à l'enveloppe (7; 7B, 7C), laquelle débouche à l'extérieur de cette enceinte.