Brevet FR2619439A1 — publié le 19890217

DESCRIPTION La présente invention est relative à un procédé et à un dispositif de refroidissement cryogénique. Elle s'applique notamment au refroidissement cryogénique des détecteurs infra-rouge. La technique habituelle pour refroidir les détecteurs infra-rouge fonctionnant aux températures cryogéniques consiste à détendre un gaz de travail d'une haute pression de l'ordre de quelques centaines de bars à une pression voisine de la pression atmosphérique, jusqu'à obtenir un bain de liquide au contact d'un support métallique du détecteur. Un inconvénient de cette technique réside dans le fait que la température d'ébullition du liquide cryogénique obtenu dépend de la perte de charge du circuit basse pression du dispositif. De plus, il est souvent difficile de garantir que le bain de liquide reste réellement au contact du support du détecteur, par exemple lorsque le dispositif est en mouvement. Par suite, on ne peut obtenir une temérature froide parfaitement stable. L'invention a pour but de permettre d'obtenir de façon fiable et économique une température froide parfaitement stable. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de refroidissement cryogénique d'un objet, caractérisé en ce qu'on cède la puissance frigorifique produite à une masse de gaz auxiliaire dont la température du point triple correspond à la température de refroidissement désirée, de façon à amener cette masse à son point triple, et l'on refroidit l'objet par échange de chaleur avec cette masse de gaz auxiliaire à son point triple. L'invention a également pour objet un dispositif destiné à la mise en oeuvre de ce procédé. Ce dispositif, du type comprenant des moyens de production frigorifique à basse tepérature, et un support pour un objet à refroidir, est caractérisé en ce que ledit support est constitué par une paroi d'une capacité fermée thermnniquement conductrice contenant une masse de gaz auxiliaire dont la température du point triple correspond à la température de refroidissement désirée, cette masse de gaz auxiliaire étant en relation d'échange thermnnique avec les moyens de production frigorifique. Dans un mode de réalisation particulier de ce dispositif, les moyens de production frigorifique comprennent un circuit de gaz de travail haute pression qui se termnnine par des moyens de détente 2 2619439 débouchant dans une chambre de refroidissement, et un circuit basse pression qui part de cette chambre et est en relation d'échange thermique avec le circuit haute pression, la chambre de refroidissement est délimitée par une paroi de ladite capacité, et le gaz de travail a une température d'ébullition sous la pression atmosphérique inférieure à la température du point triple du gaz auxiliaire. Un exemple de mise.en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard du dessin annexé, sur lequel la figure unique représente schématiquement, en coupe longitudinale, un dispositif de refroidissement conforme à l'invention. Le dispositif de refroidissemrent illustré au dessin est destiné à refroidir un détecteur infra-rouge 1 à une température cryogénique inférieure à 85K. Il possède un axe général X-X suppose vertical et comprend un Dewar 2 à double enveloppe comprenant lui-nme: - une enveloppe intérieure cylindrique 3 en tôle mince, à extrémité inférieure ouverte; une enveloppe extérieure cylindrique 4.en tôle mince, de plus grande longueur que l'enveloppe 3; - une paroi supérieure annulaire plane 4 en tôle mince, reliant l'extrémité supérieure des deux enveloppes 3 et 4; une fenêtre 6 peréable au rayanmeaent infra-rouge, obturant l'extrémité inférieure de l'enveloppe 4; et - une capacité 7 en forme de coupelle à double paroi métallique épaisse, coiffant et obturant l'extrémité inférieure de l'enveloppe 3. La capacité 7 contient une masse 8 d'un gaz auxiliaire dont le point triple est à une température correspondant à la teçpérature froide désirée. Dans l'exemple considéré, il peut s'agir d'argon, dont la temçpérature du point triple est 83,78K. Cette masse d'argon est stockée à température ambiante sous une pression de quelques centaines de bars pour réduire le volume de la capacité 7. L'espace d'inter-paroi du Dewar est sous vide, et le détecteur 1 est fixé avec un bon contact thermique dans cet espace, sur la face inférieure 7A de la capacité 7. Le dispositif cm-prend également un échangeur de chaleur co[prenant luimême un tube haute pression 9 bobiné sur un mandrin 10 et enfilé sans jeu dans l'enveloppe intérieure 3 du Dewar. Sous le mandrin et la partie bobinée du tube 9 (schématisée par une zone hachurée) est 3 2619439 délimitee une chambre de refroidissement 11 dans laquelle se trouve une partie terminale inférieure du tube 9, laquelle est obturée et, près de son extrémité, percée d'un orifice de détente calibré 12 disposé en regard et à faible distance de la paroi 13 de la capacité 7 qui forme le fond de la coupelle et qui obture l'enveloppe 3. Un circuit basse pression sinueux est délimité entre les spires du tube 9, le mandrin 10 et l'enveloppe 3, de la chambre 11 à l'air libre. L'extrémité supérieure du tube 9 est reliée par l'intermédiaire d'une électrovanne 14 à une source 15 de gaz de travail sous haute pression, qui peut être par exemple un simple réservoir. Ce gaz de travail doit avoir une température d'ébullition sous la pression régnant dans la chambre 11 inférieure à la température du point triple de l'argon, et peut être par exemple de l'air, qui bout vers 79K sous la pression atmosphérique et, cÈmpte tenu de la perte de charge du circuit basse pression, à environ 81K dans la chambre 11. En fonctionnement, on ouvre 1'électrovanne 14, ce qui permet au gaz de travail haute pression de s'écouler par le tube 9, de se détendre dans la chambre 11 par l'orifice 12 et de remonter suivant le circuit basse pression pour s'échapper finalement à l'air libre, en refroidissant le gaz haute pression contenu dans le tube 9. Il se forme rapidement sur le fond 13 un bain 16 de gaz de travail liquéfié qui refroidit à volume constant l'argon contenu dans la capacité 7. Cet argon subit ainsi un refroidissement en phase gazeuse, puis une liquéfaction progressive acccmpagnée d'un refroidissement, jusqu'à son point triple. Il car,.ence alors à se solidifier et reste à la teoérature constante du point triple tant que les trois phases gaz, liquide et solide sont simultanérent présentes dans la capacité 7. A son tour, la capacité 7 refroidit le détecteur 1 et, tant que les conditions du point triple sont maintenues, ce détecteur est réfrigéré à une température parfaitement stable, de l'ordre de 84K. Pour maintenir les conditions du point triple, on peut, à partir d'essais empiriques, définir un cycle programmé d'ouverture-fermeture de l'électrovanne 14, qui arrête l'écoulement de l'air haute pression avant la fin de la solidification de l'argon et qui fait reprendre cet écoulement avant que la phase solide ait totalement disparu. A titre indicatif, un tel cycle peut par exemple, après une mise en froid initiale de 30 secondes, comprendre des phases de fermeture 4 2619439 de l'électrovanne de 25 secondes séparées par de courtes phases d'ouverture de l'électrovanne de 1 seconde, ce qui correspond à une faible consoammation moyenne de gaz de travail et confère donc au dispositif une longue autoncmie. En particulier, si l'autoncnmie désirée ne dépasse pas 25 secondes environ, le dispositif peut fonctionner sans aucune alimentation en gaz haute pression, après avoir stocké le maximum possible d'énergie frigorifique au point triple dans la capacité 7. En variante, un cycle analogue peut être obtenu en commandant en tout ou rien l'électrovanne 14 par une sonde de température (non représentée) détectant toute variation de température de l'argon. Il est a noter qu'à chaque fermeture de l'électrovanne 14, le faible volume de gaz haute pression contenu dans le tube 9 en aval de cette électrovanne se vide quasi-instantanément, et la pression régnant dans la chambre 11 devient très voisine de la pression atmosphérique. L'air liquéfié bout donc en fait à une tempiérature très voisine de sa température d'ébullition sous la pression atmosphérique. De plus, l'accumulation de froid à temérature constante réalisée dans la capacité 7 permet de réfrigérer le détecteur 1 à une température rigoureusement constante indépendamment de toute fluctuation indésirable du débit du gaz de travail, due par exemple au bouchage temporaire de l'orifice de détente 12 par une particule solide. L'invention s'applique à toutes les techniques de refroidissement cryogéniques, par exemple utilisant des machines Stirling, Vuilleumier, Gifford Mac Mahon, etc. On choisira dans chaque cas un gaz auxiliaire ayant un point triple approprié. Par ailleurs, il est souhaitable, à chaque fois que c'est possible, d'utiliser un gaz auxiliaire dont non seulement le point triple a une température cryogénique correspondant à la température froide souhaitée, mais également le point critique se situe au-dessus de la température ambiante. En effet, il est alors possible de stocker ce gaz à l'état liquide, à température ambiante, dans la capacité 7, ce qui présente deux avantages: on stocke, dans un volume donné, une masse beaucoup plus importante de gaz auxiliaire, et la pression de stockage n'a pas besoin d'être élevée, ce qui permet de réduire l'épaisseur de paroi de la capacité 7, et donc sa masse et son encacmbrement. Ainsi, par exemple, pour refroidir un détecteur 1 vers 87K, on peut utiliser ccue gaz auxiliaire du propane, dont le point triple est à 2 2619439 ,47K et dont le point critique est à 370K, ce qui permettrait un stockage en phase liquide à 300K sous 10 bars environ. 6 2 6619439 REVENDICATIONS 1. Procédé de refroidissement cryogénique d'un objet (1), caractérisé en ce qu'on cède la puissance frigorifique produite à une masse de gaz auxiliaire (8) dont la température du point triple correspond à la température de refroidissement désirée, de façon à amener cette masse à son point triple, et l'on refroidit l'objet (1) par échange de chaleur avec cette masse de gaz auxiliaire à son point triple. 2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en oe que l'on utilise un gaz auxiliaire dont le point critique est situé au-dessus de la température ambiante, ce gaz étant stocké sous forme liquide à la température ambiante. 3. Dispositif de refroidissement cryogénique d'un objet (1),. du type comprenant des moyens (9, 12, 15) de production frigorifique à basse température, et un support pour un objet à refroidir, caractérisé en ce que ledit support est constitué par une paroi (7A) d'une capacité fermée (7) thenrmiquement conductrice contenant une masse (8) de gaz auxiliaire dont la température du point triple correspond à la température de refroidissement désirée, cette masse de gaz auxiliaire étant en relation d'échange thenrmique avec les moyens de production frigorifique. 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de production frigorifique comprennent un circuit (9) de gaz de travail haute pression qui se termine par des moyens de détente (12) débouchant dans une chambre de refroidissement (11), et un circuit basse pression qui part de cette chambre et est en relation d'échange thermnique avec le circuit haute pression, en ce que la chambre de refroidissement (11) est délimitée par une paroi de ladite capacité (7), et en ce que le gaz de travail a une température d'ébullition sous la pression atmosphérique inférieure à la température du point triple du gaz auxiliaire. 5. Dispositif suivant la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens de production frigorifique sont disposes dans une enveloppe cylindrique (3) obturée par ladite capacité (7). 6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ladite capacité (7) forme une coupelle à double paroi coiffant l'extrémité correspondante de ladite enveloppe (3). 7 2619439 7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que le gaz auxiliaire a un point critique situé audessus de la température ambiante et est stocké sous forme liquide à la tenpérature ambiante.