Brevet FR2645256A1 — publié le 19901005

DESCRIPTION La présente invention est relative à un refroidisseur Joule-Thcsscr., du type comprenant une conduite de gaz de travail haute pression se terminant par un orifice de détente qui débouche dans un circuit d'évacuation basse pression en relation d'échange therriue avec la conduite haute pression, ur. obturateur adapté pour réduire la section de passage du gaz de travail détendu en fin de mrise en froid du refroidisseur, et des ntyens d'actionne.nnt pour déplacer en translaticn l'obturateur d'une première position oi l'orifice de détente est libre à une seconde position o cet orifice est masqué par une surface laissant subsister à la périphérie de l'orifice un passage de fuite. La derande EP-A-245 164 décrit un refroidisseur de ce type, dans lequel l'obturateur est constitué par une aiguille nobile dans un fourreau cylindrique. Cet agencement pré-sente certains incornvénients: d'une part, la section de fuite dépend du jeu de guidage de l'aiguille dans son fourreau, et donc des tolerarnces de fabrication; d'autre part, pour la nmre raison, le jeu de guidage doit être très faible, de l'ordre du micron, ce qui rend le rmécarnisne sujet à des blocages par des impuretés solides contenues dans le gaz de travail. L'invention a pour but d'éliminer ces inconvénients. A cet effet, elle a pour objet un refroidisseur du type précité, caractérisé en ce que l'obturateur présente une surface d'appui annulaire de forme conique et, à la limite, plane, qui, dar.s ladite seconde positicn de l'obturateur, s'applique sur son siège, également annulaire et conique, ou à la limite plan, l'orifice de détente débouchant sur le siège. Des exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel: - La Figure 1 est une vue schématique en coupe lcngitudinale d'un refroidisseur Joule-Thonson conforme à l'invention; - Les Figures 2 et 3 représentent schrématiquement, à plus grande échelle, l'obturateur du refroidisseur de la Figure 1, respectivement en position d'ouverture et en position de fermeture; et Les Figures 4 et 5 sont des vues analogues de deux variantes d'obturateur. Le refroidisseur Joule-Thrrson représent- à la Figure 1 est combiné à un Dewar 1 à section en U comprenant une enveloppe extérieure 2 et un puits central 3 ouvert vers le haut et obturé à sa partie inférieure par un 6lément 4 à réfrigérer, qui est par exerple un détecteur infra-rouge en forme de disque. L'ensemble comporte un axe général de révolution X-X supposé vertical. Le refroidisseur Comprend lui-même une tête 5, un noyau tubulaire 6, un bobinage 7 de circulation de gaz de travail, et une vanne à deux débits 8. Ce refroidisseur est miniaturisé pour diminuer son inertie thermique, le diamètre intérieur du puits 3 étant de l'ordre de 4 ml. La tête 5 forme un bottier cylindrique qui est prolongé vers le bas par une collerette périphérique 9 fixée sur la face supérieure du Dewar. Le bottier présente dans sa face inférieure une ouverture centrale d'o part le noyau 6, lequel porte à son extrémité inférieure un siège d'obturateur 11 armnnulaire. Ce dernier présente une fonrme conique s'évasant vers le bas et se termine à= une faible distance de l'él9ment 4 à réfrigérer. Le bobinage 7 comprend une conduite haute pression 12 dont i'extrémité amont traverse la tête 5 et est reliée à une source 13 d'un gaz de travail sous pression élevée, et qui est bobiné en hélice entre le noyau 6 et le puits 13, d'une manière classique dans la technique. Ce bobinage se termine au voisinage de l'extrémité inférieure du noyau 6 et définit entre ces spires un trajet de retour du gaz de travail après détente, lequel débouche dans l'atmosphère environnante par des lumières 14 perçées dans la collerette 9. La conduite 12 se termine par un court tronçon emnanchg dans *un orifice de détente 15 qui traverse perpendiculairement le siège 11. La vanne 8 comprend un obturateur 16 fixé à l'extrémit inferieure d'une tige d'actionnement 17, et un actionneur à bulbe 18. L'obturateur 16 a la forme d'un tronc de c8ne de nre conicité que le siège 11 et dont la partie supérieure présente une légère surépaisseur, de l'ordre de quelques microns, obtenue soit par usinage de la partie inférieure, soit par un dépôt nmétallique effectué sur la partie supérieure. La tige 17 traverse avec un petit jeu de guidage la petite base du siège 11 et s'étend vers le haut à travers tout le noyau 6- et jusque dans la tête 5, o elle se telmine par un plateau horizontal 19. Un soufflet m6tallicue 20 relie a joint étanche la périphérie de ce plateau à celle de l'ouverture 10. Une chamibre 21 est ainsi définie dans la tête autour du soufflet 20. Un tube capillaire 22 partant de la chambre 21 traverse à joint étanche la paroi inférieure de cette chambre, traverse radialement, avec un large jeu, un orifice 23 prévu à l'extrémité supérieure du noyau 6, s'étend vers le bas tout le long de ce noyau, entre celui-ci et la tige 17, et se termine par un Échangeur de chaleur 24 ccntitud par un petit nombre de spires (3 spires dans l'exemple représentS) brasées sur la face interne du noyau et adjacentes au si&ge 11. L'extrémité inférieure du capillaire 22 est hermrtiquement ferrée. Le volume de l'échangeur de chaleur 24 est très inférieur à celui de la chambre 21, par exemple 2 mm3 pour l'échangeur et 50 mm3 pour la chambre. La chambre 21 et le capillaire 22 sont emplis d'un gaz auxiliaire répondant aux con.ditions suivantes: - Température de début de liquéfaction supérieur à la température de début de liquéfaction du gaz de travail ccrpte-tenu des pertes de charge du circuit basse pression et relativeent voisine de cette température, et point triple relativement voisin de la même tempérture; - Température critique inféerieure à la température minimale de l'environnement, par exemple inférieure à - 40 C, pour garantir que le gaz auxiliaire reste à l'état gazeux tant que l'appareil n'est pas en froid; - De préférence, absence de toxicité, d'irstabilité et de réaction avec l'hélium (ceci pour permettre d'effectuer des tests d'étanchéité en lui mélangeant quelque % d'hélium). Le krypton répond à l'ensemble de ces critères pour un gaz de travail constitué par de l'argon ou de l'azote. La pression du krypton est choisie de façon à- permettre le fonctionnement de l'actionneur 18, qui sera décrit plus loin, quelle que soit la température de l'environnemant et quelles que soient les pertes de charge du circuit basse pression, lesquelles peuvent atteindre 6 à 8 bars en fin de mise en froid et conduisent a l'établisserent d'une pression analogue à l'intérieur du soufflet 20. Ce dernier doit par ailleurs pouvoir supporter sans fluage la pression différentielle maximale entre ces deux faces. Cr. peut par exemple choisir une pression de gonflage du krypton de l'ordre de 12 bars absolus, qui correspond à une température de début de liquéfaction du krypton de l'ordre de 160 K. Au repos, cawe représenté dans la moitié droite de la Figure 1 et sur la Figure 2, la pression du krypton comprime le soufflet, ce qui fait descendre la tige 17 jusqu'à ce qu'une butte 25 portée par celle-ci s'appuie sur la paroi inférieure de la chambre 21. L'obturateur 16 est alors décollé de son siège, sur une distance axiale de quelque dixiemes de millinmtre. La section libre d'écoulement du gaz haute pression en regard de l'orifice de détente 15 est alors très supérieure = la section S =7K.d2/4 de cet orifice (Fig.2), de sorte que le gaz haute pression peut être considéré camme s'ecoulant librement, après sa détente, dans l'espace 26 du puits 3 adjacent à l'élment 4. Lors de la misé en froid du dispositif, on ouvre une glectrovarnne 27 camimndant la conduite 12. Le gaz haute pression s'Ccule dans la conduite 12 et est détendu à fort débit au passage de l'orifice 15. Le gaz détendu, et, par suite, refroidi, remonte entre les spires du bobinage 7 jusqu'à être évacué dans l'atmosphère environnante à travers les lumières 14 en refroidissant le gaz haute pression. Ainsi, la température du gaz détendu décroît de plus en plus, jusqu'à apparition de liquide dans la chambre 26. Ccmpte-tenu des pertes de charge du circuit basse pression, la température dans la chambre 26 est alors de 120 K environ et est obtenue après un temps de mise en froid de l'ordre de 1 à 2 secondes. Très peu de temps avant cet instant, la température passe par 160 K, qui est la temprature de liquéfaction du krypton sous la pression de gonflage de l'actionneur 18. Le faible volume de krypton contenu dans l'échangeur 24 se liquéfie alors brusquement, ce qui fait chuter la pression dans la chambre 21 au-dessous de la pression régnant dans la chambre 26 et donc darns le soufflet. Le plateau 19 remnnte donc brusquement et provoque l'application de l'obturateur 16 sur son siège. Il est à rnter qu'avant la liquefaction du krypton, seul un petit volune de ce gaz se refroidit, ce qui n'influence pratiquement pas la pression dans la chambre 21, située en partie chaude, de sorte que l'cbturateur reste en position de pleine ouverture. Dès que le plateau 19 est remonté, la configuration devient celle de la nDitié gauche de la Figure 1 et de la Figure 3: si d désigne cmme pr9cddenment le diamètre de l'orifice 15 et j la distance (de l'ordre de 3 microns) entre le siège et la partie inférieure de l'obturateur, la section d'écoulement du gaz haute pression est rGduite de la valeur S précitée à une section de fuite s égale = 7r. d.j, en pratique 5 à 10 fois inférieure à celle S de l'orifice 15. Le débit de gaz d9tendu est ainsi réduit brusquemant à une valeur faible nmais suffisante pour assurer le maintien en froid du dispositif; la perte de charge du circuit basse pression est réduite d'autant, et la temuprature du liquide contenu dans la chambre 26 descend jusqu'à une valeur voisine du point d'6bulliticn à la pression atmophgrique du gaz de travail. De plus, ctime le débit de gaz est très faible, le dispositif peut être maintenu en froid pendant une période de temps prolongée. En nime temps, la temperature du krypton baisse en suivant la courbe d'ébullition de ce gaz jusqu'à scrnt point triple, d'environ 116 K pour une pression de 0,73 bar. Le Krypton se solidifie Ä cette teprature puis se sous-refroidit jusqu'à la te.ip rature finale, qui est sensiblement la température d'ébullition rnonrale du caz de travail. Ceci penmet de stocker le krypton dans l'échangeur 24 quelle que soit la position que peut prendre ultérieurer.ent le dispositif. Le dispositif ainsi décrit permet à la fois: - d'obtenir un terps de mise en froid très court, grâce au fort débit de gaz de travail maintenu jusqu'en fin de mise er. froid; - d'obtenir une température finale très basse, gr&ce à la réduction maximale de la perte de charge du circuit basse pression après la amise en froid; - d'avoir une très grande autoncie de fcnctionnrnErnt, grace au faible débit de gaz de travail maintenu après la mise en froid; - de convenir avec différents gaz de travail, notamment l'argon et l'azote, grâce au choix des propriétés de changemeants d'état du gaz auxiliaire. D'autres avantages importants sont à noter: La chambre 21, étant située en partie chaude, peut avoir des dimensions relativement grandes, et il en est de nmre du plateau 19. Les efforts nécessaires pour déplacer la tige 17 de façcn fiable peuvent donc être développés avec des pressions différentielles relativement réduites au niveau du soufflet 20. Le jeu j est obtenu lorsque l'obturateur 16 s'applique de façon stable sur son siège, tout autour de l'axe X-X; il est donc indépendant des tolérances de fabrication et est par suite très bien reproductible. Si un bouchage de l'orifice 15 se produit à cause d'une particule solide, le dispositif se réchauffe, le krypton se revaporise, et l'obturateur redescend, ce qui rétablit le fort débit de gaz de travail et le large jeu au droit de l'orifice 15 et provoque l'expulsion de la particule solide. Dans la variante de la Figure 4, 1 'obturateur 16A ne présente plus de discontinuité de surface, et il est prévu une dérivation 15A de l'orifice 15 qui débouche sur la face inférieure du siège 1iA, directement dans la chambre 26, et est équipée d'un étranglement 15B pessédant une section de passage égale à la section de fuite s. Lorsque l'obturateur se trouve dans sa position basse d'ouverture représentée en trait plein, le fort débit de gaz de travail passe par l'orifice 15; lorsque l'obturateur est en position haute représentée en tireté, il obture cet orifice de façon étanche, et le débit de fuite de gaz de travail passe par l'étranglement 15B. Cette variante est facile à réaliser mais ne présente pas la propriété auto-nettoyante décrite plus haut. D cas de bouchage de ti'tranglenrt 15B, il faut changer ce dernier, ce qui est d'ailleurs facile car il est très accessible. On ccmprend que l'obturateur peut être actionné par d'autre type d'actionneurs a action brusque, tels qu'un électro-aimant ou un fil fusible antagoniste d'un ressort de rappel en position haute, de façon similaire à ce qui est décrit dans la demande EP-A-245 164. Bien entendu, on peut aussi prévoir des royens d'actionnrement progressif du même obturateur, en perdant les avantages liés à la réduction brusque du débit en fin de mise en froid. En variante encore, l'angle du c6ne de l'obturateur 16 ou 16A et du siège 11 ou 11A peut être agrandi jusqu'à un angle plat. L'obturateur est alors un disque présentant sur sa face supérieure une zone annulaire interne, plane, et une zone périphérique décalée vers le bas de la valeur j come on le comprend, camne représenté à la Figure 5, le décrochement annulaire pourrait également être prévu dans la périphérie du siège 1liB, l'orifice 15 débouchuant dans cette zone et la surface supDérieure de l'obturateur 16B étant alors plane. REVEDICATIONS 1- Refroidisseur Jouie-Tmhson, du type coeprernt une conduite de gaz de travail haute pression (12) se terminant par un orifice de détente (15) qui débouche dans un circuit d'évacuation basse pression en relation d'échange thermique avec la conduite haute pression, un obturateur (16; 16A) adapté pour réduire la section de passage du gaz de travail détendu en fin de mise en froid du refroidisseur, et des moyens d'actionnement (18) pour déplacer en translation l'obturateur d'uner première position co l'orifice de détente est libre à une seccnde position oc cet crifice est masque par une surface laissant subsister > la périphérie de l'orifice ur. passage de fuite, caractérisé en ce cue l'obturateur (16; 16A) présente une surface d'appui annulaire de fcrs conique ou, à la limite, planr, et oui, dans ladite seccr.de position de l'obturateur, s'applique sur son siège (11; 11A), également annulaire et conique, ou à la limite plan, l'orifice de déternte (15) débouchant sur le siège. 2- Refroidisseur suivant la revendication 1, caractérisg en ce que l'obturateur (16) ccmpcrte ur.e disccntinuitg de surface de fagcn a présenter un décrochement en regard de l'orifice de détente (15) dans ladite seconde position. 3- Refroidisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice de détente (15) débouche sur une zone ar.ulaire en retrait du siège (11B). 4- Refroidisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que l'orifice de détente (15) corporte urne dérivation (15A) équipée d'un étranglement (15B) et est obturé par l'obturateur (16A) dans ladite seconde position de celui-ci. - Refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les noyens d'actionnement (18) sont adaptés pour faire passer brusquement l'obturateur (16; 16A) de sa première position à sa seconde position.