Brevet FR2665753A1 — publié le 19920214

La présente invention concerne un appareil de refroidissement cryogène du type qui est adapté pour refroidir une charge, comme l'élément actif d'un détecteur infrarouge, jusqu'à une température cryogène. 5 L'invention concerne un appareil de refroidissement du type comprenant un refroidisseur Joule-Thomson, c'est-à-dire un refroidisseur comportant deux passages par un desquels un gaz réfrigérant est canalisé sous pression jusqu'à une buse de détente Joule-Thomson et ensuite le gaz s'écoule dans l'autre passage qui est en relation d'échange de chaleur avec le premier passage en refroidissant ainsi le gaz entrant. Des appareils de refroidissement de ce genre sont fréquemment du type dit " à auto-régulation", par exemple comme décrit dans le brevet GB-A- 2 085 139, o la buse de détente est réglée par un élément formant soupape, qui est déplacé en réponse à la présence de réfrigérant liquéfié sur un détecteur positionné dans l'espace o passe du fluide s'écoulant à travers la buse de détente Le détecteur n'est pas sensible à la température, puisque la température des gouttelettes de réfrigérant liquéfié formées dans la buse est la même que celle du gaz qui s'écoule à travers la buse et reste non liquéfié mais il réagit à la quan- tité de réfrigérant liquide formé dans la buse et /ou existant dans l'espace situé en aval de la buse puisque la vitesse d'extraction de chaleur à partir du détecteur par du réfrigérant liquide est plus grande que celle du réfrigérant gazeux. Le refroidisseur est généralement installé dans un récipient Dewar dont la surface extérieure de sa paroi interne est reliée à la charge qui est refroidie par conduction à travers la paroi interne. On a constaté qu'un grand nombre de refroidisseurs cryogènes sont affectés par un "surrefroidissement" de sorte que, lorsqu'une quantité suffisante de réfri- gérant liquide est en train d'être produite et/ou est présente dans l'espace situé en aval de la buse, la soupape est actionnée par intermittence de façon à se fermer complètement au lieu de subir seulement un étranglement pour réduire le débit de gaz Lorsque le gaz s' écoule à travers la buse, le gaz et/ou le réfrigérant liquide se trouvant dans l'espace situé en aval de la buse est maintenant dans un état de turbu- lence mais, quand la buse est complètement fermée, le réfrigérant se trouvant dans l'espace situé en aval de la buse devient relativement calme On a trouvé que la vitesse d'extraction de la chaleur à partir de la charge dépendait non seulement de la quantité de réfrigérant liquide entrant en contact avec la paroi à laquelle la charge est reliée mais également de la mobilité ou de l'immobilité de ce liquide. On a par conséquent trouvé que la vitesse d'extraction de la chaleur à partir de la charge, et par conséquent la température de la charge, variaient en fonction de l'ouverture ou de la fermeture de la soupape, même après que la condition de fonctionnement en régime stable était atteinte Par le passé, on a pu tolérer cette variation de température du fait que l'élément actif de la charge, qui était typiquement formé d'antinomide d'indium ou de tellurure mercurique de cadmium (CMT), était insensible à de petites varia- tions de la température Cependant on a utilisé de plus en plus des éléments actifs en CMT photovoltaïque qui présentent une tolérance beaucoup moins grande à des variations de température même relativement petites et on a constaté maintenant fréquemment que, à cause du phénomène de surrefroidissement précité et à cause de la fermeture complète et intermittente de la soupape qui en résulte, la sensibilité du détecteur d'infrarouge peut varier de façon inacceptacle. Le brevet britannique N O 1 431 333 décrit un appareil de refroidissement du type précité, dans lequel un petit passage de dérivation est formé dans l'aiguille mobile de soupape, ce passage étant ouvert par l'intermédiaire de la pointe de l'aiguille et compor- tant ensuite un coude à angle droit, en s'ouvrant égale- ment à travers la surface latérale de l'aiguille Dans cette construction, même quand la soupape est normale- ment fermée et quand l'aiguille de cette soupape est solidement appuyée contre le bord de la buse de détente, il passe encore un écoulement minimal de gaz réfrigérant à travers le passage de dérivation La fonction du passage de dérivation est de réduire au minimum des fluctuations de débit du réfrigérant mais il intervient peu pour réduire les variations de température inaccepta- bles de la charge qui ont été indiquées ci-dessus. En conséquence l'objet de l'invention est de créer un appareil de refroidissement cryogène du type indiqué ci-dessus, dans lequel le phénomène de surrefroidissement est éliminé et la vitesse d'extrac- tion de la chaleur à partir de la charge reste constante une fois que la condition de fonctionnement en régime stable a été atteinte. Conformément à la présente invention, un appareil de refroidissement cryogène comprend un passage d'entrée dans lequel, en service, on fait passer un gaz réfrigérant, une buse de détente Joule- Thomson qui communique avec le passage d'entrée et dans laquelle se produit, en service, une liquéfaction d'une certaine proportion du gaz réfrigérant, un passage de sortie communiquant avec la sortie de la buse de détente, le passage d'entrée étant disposé en relation d'échange de chaleur avec le passage de sortie, une aiguille de soupape allongée coopérant avec le côté de sortie de la buse de détente et formant avec cette dernière une soupape, un détecteur disposé dans l'espace situé du côté de sortie de la buse de détente et agencé pour fermer progressivement la soupape à mesure que la quan-5 tité de réfrigérant liquide en contact avec lui augmente, l'aiguille de soupape définissant un passage de dériva- tion qui s'étend sur sa longueur et reste ouvert à tous moments, l'appareil étant disposé à l'intérieur d'un récipient, dont la surface extérieure d'une partie de sa paroi est reliée à une charge thermique, l'extré- mité de sortie du passage de dérivation étant dirigée vers ladite partie de la paroi du récipient. En conséquence dans l'appareil conforme à l'invention, la soupape ne comporte pas seulement un unique passage ou buse commandé par une aiguille de soupape, comme cela est classique, mais au contraire elle comporte une buse commandée par une aiguille de soupape et un autre passage de dérivation situé à l'inté- rieur de l'aiguille de soupape et qui reste ouvert à tous moments en étant dirigé vers la partie de la paroi du récipient qui porte la charge thermique La section du passage de dérivation est plus petite que celle de la buse, typiquement en étant comprise entre 1 % et 40 %, plus particulièrement entre 1 % et 5 % de celle de la buse Quand la soupape est complètement ouverte, par exemple pendant la phase de refroidissement initial de l'appareil, du gaz réfrigérant s'écoule à la fois dans la buse et dans le passage de dérivation. Quand la buse est complètement fermée par l'aiguille de soupape, par exemple si le phénomène de "surrefroi- dissement" se produit, il ne passe pas de gaz dans la buse mais du gaz continue à s'écouler dans le passage de dérivation. Cela signifie que le réfrigérant gazeux et/ou liquide se trouvant dans l'espace situé en aval de la soupape, dans une zone adjacente à la charge thermi- que, est maintenu dans un état constant d'agitation, qui signifie à son tour que, même si la soupape est complètement fermée, la vitesse d'extraction de la chaleur à partir de la charge thermique reste constante. En pratique, une fois que la phase de refroidissement initiale est terminée, il est possible que le débit de réfrigérant s'écoulant dans le passage de dérivation soit suffisant pour maintenir l'appareil de refroidisse- ment dans la condition de régime stable et que la soupape reste complètement fermée la plupart du temps Cepen- dant, si la vitesse d'extraction de la chaleur à partir du refroidisseur doit augmenter, par exemple à cause d'une augmentation de la température ambiante ou bien d'une augmentation de la charge thermique, la soupape sera ouverte légèrement sous l'action normale de modula- tion de la commande du mécanisme autorégulateur afin de permettre une augmentation du débit de réfrigérant. Pour la commande de la soupape, la buse de détente peut être fixe et l'aiguille de soupape peut être mobile, ou inversement Dans le premier cas, qui est préféré, l'aiguille de soupape peut être montée sur un support qui est agencé pour être déplacé à mesure que la quantité de réfrigérant liquide entrant en contact avec le détecteur varie. La buse de détente ou l'aiguille de soupape peut être déplacée par l'un quelconque des moyens qui sont classiquement utilisés dans ce but, par exemple un soufflet ou une tige expansible. L'appareil de refroidissement est disposé à l'intérieur d'un récipient, typiquement un récipient Dewar, et la charge thermique est reliée à la surface extérieure d'une partie de la paroi de ce récipient. L'écoulement de gaz dans le passage de dérivation main- tient le réfrigérant liquide et le réfrigérant gazeux situé dans une zone adjacente à la partie de la paroi à laquelle la charge thermique est reliée dans un état d'agitation et le degré d'agitation est augmenté au maximum dans la position o cela est imposé par le fait que le passage de dérivation s'étend sur toute la longueur de l'aiguille de soupape et que l'extrémité de sortie du passage de dérivation est dirigée vers la partie de la paroi de récipient à laquelle la charge thermique est reliée. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence au dessin unique annexé qui donne une représentation schématique, en vue en coupe longitudina- le, d'un refroidisseur Joule-Thomson à autorégulation conforme à l'invention. Le refroidisseur comprend un échangeur de chaleur tubulaire dans l'ensemble et comportant un tube 2 qui porte des ailettes 4 et qui est enroulé sur un mandrin 6 en étant logé à l'intérieur d'un réci- pient Dewar 8 L'extrémité d'aval du tube enroulé 2 est reliée à un support de buse 10 définissant un espace 12 qui communique avec l'intérieur du tube enroulé 2 ainsi qu'avec l'espace situé à l'intérieur du réci- pient Dewar par l'intermédiaire d'une buse de détente Joule-Thomson 14 Une aiguille de soupape 16, coopérant avec le côté d'aval de la buse 14, est portée par un support 18 qui est à son tour relié à un tube 20 dont l'extrémité supérieure est raccordée à un soufflet 22 Le soufflet 22 est disposé dans un espace hermétique situé à l'intérieur du mandrin 6, l'extrémité supérieure dudit espace étant fermée de façon étanche par un tampon 24 et son extrémité inférieure étant fermée de façon étanche par un tampon 26 auquel l'extrémité inférieure du soufflet 22 est reliée. Un détecteur creux allongé 28, pénétrant dans l'espace situé à l'intérieur du récipient Dewar en aval de la buse de détente 14, communique par sa partie intérieure avec l'espace hermétique situé à l'intérieur du mandrin 6 La partie supérieure du souf- f let 22 est reliée à un disque 30 dont les bords sont étroitement adjacents à la surface interne du mandrin 6, ce disque faisant ainsi en sorte que, quand le souf- flet 22 se déplace longitudinalement à l'intérieur du mandrin, le disque et le soufflet soient maintenus coaxialement par rapport au mandrin Une charge thermique 32 est reliée à la surface extérieure de la paroi interne du récipient Dewar 8, cette charge comprenant l'élément actif en tellurure mercurique de cadmium photovoltaïque d'un détecteur d'infrarouge et étant située généralement en alignement avec l'aiguille de soupape 16. Le refroidisseur cryogène décrit jusqu'à maintenant est d'un type généralement classique En service, un gaz sous pression, comme de l'azote ou de l'argon, est introduit à partir d'une source d'alimen- tation ( non représentée) dans le tube enroulé 2 de façon à s'écouler ensuite dans la chambre de buse 12 puis à passer dans la buse de détente 14 o il est refroidi Le gaz réfrigérant refroidi pénètre ensuite dans l'espace situé à l'intérieur du récipient Dewar en aval de la buse 14 et il s'écoule ensuite, par exemple jusque dans l'atmosphère, par l'intermédiaire d'un passage défini entre le récipient Dewar et le mandrin 6 après le tube aileté 2 Le gaz en retour refroidit le gaz entrant à l'intérieur du tube 2 et la température du gaz sortant de la buse de détente 14 diminue ainsi progressivement jusqu'à ce qu'une certaine proportion du gaz soit liquéfiée à l'intérieur de la buse sous la forme de gouttelettes entraînées dans le courant de gaz La soupape constituée par la buse de détente est initialement complètement ouverte mais, à mesure que la profondeur de la flaque de réfrigérant liquéfié dans le récipient Dewar et/ou la concentration en gout- telettes de réfrigérant liquéfié au voisinage du détec- teur 28 augmente, la vitesse d'extraction de la chaleur à partir du détecteur 28 augmente également et il en résulte que la pression dans le détecteur 28, et par conséquent dans l'espace hermétique situé à l'intérieur du mandrin, diminue progressivement Cette réduction de pression engendre une expansion du soufflet 22 et par conséquent un mouvement de son extrémité supérieure vers le haut, en considérant le dessin Ce mouvement de montée est transmis par l'intermédiaire du tube et du support d'aiguille 18 à l'aiguille de soupape 16 qui étrangle par conséquent progressivement la buse de détente 14 Dans la condition de régime stable, la soupape est maintenue en condition d'étranglement ou de fermeture complète en fonction de la quantité de réfrigérant liquide en contact avec le détecteur 28. Pour éviter la difficulté mentionnée ci-dessus en ce qui concerne le "surrefroidissement " du détecteur de température, qui empêche ainsi par intermittence le passage d'un écoulement de gaz dans l'espace situé en aval de la buse 14, ce qui fait en sorte que le gaz et le liquide se trouvant dans cet espace deviennent temporairement relativement calmes et qu'en conséquence la vitesse d'extraction de la chaleur à partir de la charge est temporairement réduite, la soupape est pourvue d'un passage de dérivation Dans ce cas, le passage de dérivation est réalisé sous la forme d'un passage allongé 34 s'étendant sur la longueur de l'aiguille de soupape La section du passage de dérivation est considérablement plus petite que celle de la buse de détente 14 et son extrémité d'aval est étroitement adjacente à, et dirigée vers la partie de la paroi du récipient Dewar à laquelle la charge thermique 32 est reliée Quand la soupape est ouverte, l'écoulement de gaz réfrigérant qui la traverse est augmenté par la présence du passage de dérivation 34, mais seulement d'un degré relativement petit Cependant, si la soupape se ferme complètement sous l'effet d'un "surrefroidisse- ment" du détecteur 28 ou pour une autre raison, du réfrigérant continuera à s'écouler dans le passage de dérivation 34 Cela signifie que, même lorsque la soupape est complètement fermée, la production de réfri- gérant liquide se poursuit, même à un débit réduit et, ce qui est plus important, le réfrigérant gazeux et liquide se trouvant au voisinage de la partie de la paroi du récipient Dewar à laquelle la charge thermi- que 32 est reliée est maintenu dans un état constant d'agitation de sorte que, la vitesse d'extraction de la chaleur à partir de la charge thermique reste sensi blement constante, indépendamment du degré d'ouverture de la soupape et jusqu'à ce que la condition de fonction- tionnement en régime stable ait été atteinte Si la vitesse d'extraction de la chaleur à partir du récipient Dewar augmentait pour une raison quelconque, la quantité de réfrigérant liquide en contact avec le détecteur 28 diminuerait de sorte que le mécanisme autorégulateur du refroidisseur ferait en sorte que la soupape soit à nouveau ouverte, ce qui augmenterait le débit de réfrigérant liquide jusqu'à ce qu'un équilibre soit à nouveau atteint. R E V E N D I C A T I O N S 1 Appareil de refroidissement cryogène qui est disposé à l'intérieur d'un récipient ( 8) dont la surface extérieure d'une partie de paroi est reliée à une charge thermique ( 32), l'appareil comprenant un passage d'entrée ( 2) dans lequel on fait passer, en service, un gaz réfrigérant, une buse de détente Joule-Thompson ( 14) qui communique avec le passage d'entrée et dans laquelle, en service, une certaine proportion du gaz réfrigérant est liquéfiée, un passage de sortie communiquant avec la sortie de la buse de détente, le passage d'entrée étant disposé en relation d'échange de chaleur avec le passage de sortie, une aiguille allongée de soupape ( 16) coopérant avec le côté de sortie de la buse de détente ( 14) et constituant une soupape en coopération avec cette buse, un détecteur ( 28) disposé dans l'espace situé sur le côté de sortie de la buse de détente ( 14) et agencé pour fermer progressivement la soupape à mesure que la quantité de réfrigérant liquide en contact avec lui augmente, l'aiguille de soupape ( 16) définissant un passage de dérivation ( 34) qui reste ouvert à tous moments, appareil caractérisé en ce que le passage de dérivation ( 34) s'étend sur toute la longueur de l'aiguille de soupape ( 16) et en ce que l'extrémité de sortie du passage de dérivation est dirigée vers la partie de la paroi qui porte la charge thermique ( 32). 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la buse de détente ( 14) est fixe et l'élément de soupape ( 16) est porté par un support ( 18) qui est agencé pour être déplacé lorsque la quantité de réfrigérant liquide entrant en contact avec le détecteur ( 28) varie. 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le support ( 18) est relié à un soufflet ( 22) il logé dans un espace de gaz qui communique avec un espace de détection situé à l'intérieur du détecteur ( 28) de telle sorte que, quand la quantité de réfrigérant liquide en contact avec le détecteur ( 28) augmente,5 la pression à l'intérieur des espaces de gaz et de détection diminue et le soufflet ( 22) subisse une expan- sion pour déplacer l'élément de soupape ( 16) en direc- tion de la buse de détente ( 14).