Brevet FR2642510A1 — publié le 19900803

Régulateur de débit de gaz pour refroidissement à effet Joule-Thomson i L'invention concerne un refroidisseur miniaturisé à effet Joule-Thomson, dont le débit de gaz haute pression est régulé après un temps déterminé. Le but est d'obtenir de très basses températures en des temps très courts après détente du fluide frigorigène. Parmi les dispositifs de régulation connus citons ceux décrits dans les brevets français 7210139, 8412098 et le brevet américain 7825152. Ces dispositifs font appel à un organe dilatable longitudinalement, dont le point d'encrage est attenant soit au point froid ; soit positionné entre le point froid et le point chaud. Ces dispositifs présentent 3 inconvénients a) phénomènes de pompage dû à un fonctionnement en tout ou rien pour certains, b) inconvénients liés au fait que la régulation est trop rapidement sensibilisée par la baisse de température, c) pénalisation dans le temps de mise en froid, découlant du-fait de la construction, de l'éloignement prohibitif entre l'orifice de détente et la partie sensible. L'invention décrite ci-après pallie ces inconvénients, elle trouve pleinement son application dans le domaine militaire pour le refroidissement des détecteurs infra-rouge. L'invention consiste à tirer parti des propriétés physiques que possèdent les métaux dans leur comportement, eu égard aux températures auxquelles ils sont soumis. La figure 1 représente un refroidissement avec son régulateur de débit, monté dans un cryostat équipé d'un détecteur infra-rouge. Sur le tube enveloppe (1) est bobiné un tube échangeur de chaleur (2) possédant une extrémité chaude et une extrémité froide. Cet échangeur est constitué d'un tube capillaire dans lequel circule le gaz haute pression. Sur ce même tube est bobiné et soudé un élément métallique d'un pas déterminé et dont la fonction est d'augmenter la surface d'échange thermique. Dans les inter-spires prennent place les frettes (6) et (8). Sur l'extrémité froide du tube (1) est fixée une pièce intermédiaire cylindrique (7) pourvue d'une saignée dans le sens longitudinal et destinée à recevoir l'extrémité froide du tube haute pression. La pièce (7) revoit une buse cylindrique (3) percée en son centre d'un orifice (10) et ménageant une chambre (9) de récupération du gaz haute pression. Les pièces (3) - (7), l'extrémité froide du tube (1) sont reliées entre-elles par la soudure étanche (21). La collerette de fixation (5) est percée dans son prolongement axial d'un trou (11) dans lequel vient s'insérer le tube (1), ménageant un espace de liberté (12) entre l'extrémité chaude du tube (1) et le fond du trou (11). Le trou (11) se prolonge par un perçage (13) débouchant d'un diamètre inférieur. Le prolongement axial de la collerette (5) et le tube (1) sont réunis par la soudure étanche (14). L'extrémité chaude du tube haute pression est réunie par un raccord (18) à une source de gaz sous pression. Le pointeau (4) et 4 bis) de révolution, est constitué de deux matériaux possédant, chacun un coefficient de dilatation différent. Les parties (4) et (4 bis) sont réunies entre-elles par la soudure (22) afin de former un seul élément. L'extrémité (4 bis) se termine par une partie cylindro-cônique comportant 3 gorges (23) disposées à 120 orientées longitudinalement et de dimensions déterminées. Le pointeau (4) et (4 bis) coulisse à l'intérieur du tube (1). L'extrémité cylindro-cônique du pointeau est disposée concentriquement à l'orifice (10) de la buse (3) ; l'autre extrémité du pointeau est centrée par le trou (13) et réuni par soudure étanche (19) à la collerette. Dans une construction préférée, la partie (4) du pointeau sera réalisée dans le même matériau que le tube (1) tandis que la partie (4 bis) du meme pointeau sera réalisée dans un métal possédant un plus faible coefficient de dilatation. La jonction du tube (1) avec le prolongement axial de la collerette (5) au niveau de la soudure (14) permet le réglage initial d'un débit de gaz par éloignement ou rapprochement de la buse (3) avec le cône du pointeau (4) quand le tube (2) est alimenté par un gaz sous pression constante. Ainsi et conformément à l'invention, après détente du gaz frigorigène au travers de l'orifice calibre (10) dans la chambre de liquéfaction (16) du cryostat, dont la face côté vide porte le détecteur (17), le gaz basse pression s'évacue à contre-courant à l'intérieur du corps interne (20) du cryostat et refroidit le fluide haute pression en provenance de la source d'alimentation, ainsi que les divers éléments constituant le refroidisseur ; et en premier lieu les plus proches de l'orifice de détente. La figure 1 représente une coupe des différents éléments de l'invention, et fait apparattre les avantages d'un tel système : 1) La proximité immédiate de l'orifice de détente avec la paroi qui supporte le détecteur 2) La réalisation d'un pointeau constitué de deux matériaux possédant des coefficients de dilatation différents et dont l'élément le plus inerte (4 bis) se trouve repoussé très en amont de la partie la plus froide du refroidisseur assure une alimentation maximale en gaz pendant un temps prolongé du fait que le tube (1) et la partie (4) du pointeau sont réalisés dans le même matériau conduisant ces deux éléments à suivre la même loi de rétreint. 3) De ce fait la régulation du débit, donc sa diminution, n'interviendra que lorsque le tube (1) sera intéressé par la progression du froid au-delà du niveau de jonction des éléments (4) et (4 bis) du pointeau du fait d'un rétreint plus important comparé à celui de l'élément (4 bis) du pointeau. 4) Cette diminution progressive du débit découlant du rapprochement du cône du pointeau (4) avec l'orifice de détente (10) tendra vers un point d'équilibre. Celui-ci sera atteint quand le tube (1) se sera stabilisé en température. Ce point d'équilibre est en corrélation étroite avec la température ambiante du gaz, l'angle du pointeau, avec le diamètre de l'orifice de détente, avec la pression d'alimentation. 5) Un fonctionnement dans une ambiance chaude fait apparaître une augmentation du débit du fait d'une élongation plus importante du tube (1) comparée à celle du pointeau, (4) et (4 bis) puisque celui-ci est pour partie composé d'un métal peu sensible aux variations de température. Dans une ambiance froide ces réactions s'inversent. 6) Enfin les 3 gorges pratiquée sur ia partie cylindro-cônique du pointeau apportent un avantage supplémentaire dans la régulation du débit du fait que la somme des 3 surfaces de fuites qu'elles représentent, comparées à une seule gorge de surface equivalente introduisent un effet secondaire dans la régulation, dû à l'augmentation du nombre de Reynolds, ceci dans le cas d'un fonctionnement découlant d'une température ambiante très basse et qui conduirait la partie cylindro-cônique du pointeau (4) à venir en appui sur le siège de l'orifice (in). REVENDICATIONS 1. Régulateur de débit de gaz pour refroidisseur à effet Joule-Thomson comportant un élément tubulaire ((1) à dilatation longitudinale et un pointeau bi-métallique (4) et (4 bis) à dilatation longitudinale, l'élément tubulaire (1) sert de support à un échangeur de chaleur (2) dans lequel circule un gaz frigorigène sous haute pression, lequel après détente et liquéfaction dans une chambre (16) s'échappe à contre-courant au travers de l'échangeur. 2. Régulateur caractérisé par le fait que le pointeau est constitué de deux métaux ayant des coefficients de dilatation différents. 3. Régulateur selon les revendications 1 et 2 caractérisé par le fait que le choix des matériaux des éléments (1) - (4) - et (4 bis) n'est aucunement limitatif. 4. Régulateur caractérisé par le fait que la partie cylindro-cônique du pointeau (4) comporte 3 gorges calibrées dirigées longitudinalement 5. Régulateur caractérisé par le fait que le pointeau (4) et (4 bis) est interne et coaxial au tube (1) à l'intérieur duquel il coulisse librement. 6. Régulateur caractérisé en ce que le point d'ancrage du pointeau se situe hors effet de la zone de froid. 7. Régulateur caractérisé par le fait que l'élément (1) fait partie intégrante du régulateur de débit en association avec le pointeau.