Brevet FR2695220A1 — publié le 19940304

REGULATEUR D'ECOULEMENT DE FLUIDE A ORIFICE A AIGUILLE La présente invention se rapporte à des régulateurs d'écoulement de fluide Plus particulièrement, l'invention se rapporte à des régulateurs d'écoulement de fluide à orifice à aiguille destinés à être utilisés dans un cryoréfrigérateur. Les régulateurs d'écoulement à orifice à aiguille sont parfaitement connus dans l'état de la technique Ils sont utilisés pour des soupapes de précision pour des gaz et des liquides et en particulier pour des petites quantités Une utilisation particulière est dans un cryoréfrigérateur Joule- Thomson Une description de cryoréfrigérateurs est faite au chapitre 2 (pages 12 à 46) de "Miniature Refrigerators for Cryogenic Sensors and Cold Electronics", GRAHAM WALKER (Clarendon Press-Oxford 1989) Les cryoréfrigérateurs Joule-Thomson comprennent de manière typique un conduit recevant du fluide de refroidissement sous pression et une buse de sortie de fluide de refroidissement Ces cryoréfrigérateurs comprennent également un régulateur destiné à contrôler la vitesse d'échappement du fluide de refroidissement du conduit par la buse de sortie Le régulateur comprend une aiguille qui est disposée avec une position variable par rapport à la buse de sortie et un appareil sensible à la température auquel est fixée l'aiguille de façon à positionner l'aiguille par rapport à la buse en fonction de la température Après une étape de refroidissement initiale, une régulation d'écoulement constante est procurée par de très légers mouvements de l'aiguille qui ne nécessitent que l'application de très faibles forces. Lorsque l'aiguille est fixée à l'appareil de positionnement, une légère déformation du régulateur, ou une quelconque résistance au déplacement de l'aiguille par friction due à la buse de sortie entraîne un défaut de répétitivité des cryoréfrigérateurs Joule-Thomson, sur le plan de la fabrication et sur le plan du fonctionnement Il en résulte qu'ils souffrent d'un rendement d'utilisation du gaz considérablement inférieur à ce que l'on peut attendre d'un cryoréfrigérateur régulé de manière idéale, et leurs spécifications de fonctionnement entraînent un remplacement à des intervalles bien plus courts que ce qui est souhaitable. La présente invention vise à procurer un régulateur d'écoulement de fluide à orifice à aiguille amélioré qui surmonte les inconvénients de l'état de la technique. La présente invention vise en outre à procurer un cryoréfrigérateur amélioré qui surmonte les inconvénients de l'état de la technique. Il est par conséquent prévu selon une forme de réalisation préférée de l'invention un régulateur d'écoulement de fluide à orifice à aiguille qui comprend un orifice de sortie de fluide prévu pour laisser passer un écoulement de fluide; une aiguille prévue pour un positionnement variable par rapport à l'orifice de sortie; et un appareil de positionnement d'aiguille sensible à la température destiné à positionner l'aiguille par rapport à l'orifice en fonction de la température, caractérisé en ce que l'aiguille est montée de façon flottante par rapport à l'appareil de positionnement d'aiguille. Selon une forme de réalisation additionnelle préférée de l'invention, il est prévu un cryoréfrigérateur qui comprend un conduit destiné à recevoir un fluide de refroidissement sous pression et définissant un orifice de sortie de fluide; et un régulateur d'écoulement de fluide destiné à réguler la vitesse d'échappement du fluide du conduit par l'orifice de sortie. Le régulateur d'écoulement de fluide comprend une aiguille prévue pour un positionnement variable par rapport à l'orifice de sortie; et un appareil de positionnement d'aiguille sensible à la température destiné à positionner l'aiguille par rapport à l'orifice en fonction de la température, caractérisé en ce que l'aiguille est montée de façon flottante par rapport à l'appareil de positionnement d'aiguille. De manière additionnelle, selon une forme de réalisation préférée de l'invention, l'appareil de positionnement est prévu pour appliquer des forces de déplacement sur l'aiguille le long d'un axe s'étendant à travers l'orifice de sortie de fluide, l'appareil de positionnement d'aiguille étant construit de telle sorte que l'aiguille est maintenue coaxiale à l'orifice de sortie. En outre, selon une forme de réalisation préférée de l'invention, l'orifice de sortie de fluide est configuré de façon à guider l'aiguille en engagement intime avec celui-ci. La présente invention sera mieux appréciée et comprise à la lecture de la description détaillée suivante, faite en liaison avec les dessins dans lesquels: Les figures l A et 1 B sont des vues schématiques en coupe d'un régulateur d'écoulement de fluide à orifice à aiguille construit et fonctionnant selon une forme de réalisation préférée de l'invention, dans des première et deuxième orientations opérationnelles extrêmes respectives; Les figures 2 A et 2 B sont des illustrations agrandies du positionnement de l'aiguille par rapport à l'orifice de sortie dans les première et deuxième orientations représentées de manière respective sur les figures l A et 1 B; et La figure 3 est une illustration schématique d'un cryoréfrigérateur JouleThomson utilisant le régulateur d'écoulement de fluide de la présente invention. On se réfère maintenant aux figures l A et 1 B o est représenté un régulateur d'écoulement de fluide à orifice à aiguille, désigné d'une manière générale par la référence 10, construit et fonctionnant selon une forme de réalisation préférée de l'invention, dans des première et deuxième orientations opérationnelles extrêmes respectives Dans le présent exemple non limitatif, le régulateur 10 est le régulateur d'écoulement de fluide utilisé dans un cryoréfrigérateur, désigné d'une manière générale par la référence 13 (figure 3), et monté de manière typique dans un manchon Dewar indiqué d'une manière schématique en 11 Un orifice d'entrée de fluide de refroidissement est indiqué d'une manière générale en 15 (figure 3) Le cryoréfrigérateur 13 est du type Joule-Thomson. Il est à noter cependant que le régulateur 10 est prévu pour être utilisé dans n'importe quel système d'écoulement de fluide approprié. Dans la première orientation opérationnelle extrême, le régulateur 10 fonctionne de façon à permettre le refroidissement à une vitesse maximum d'un espace 12 à l'intérieur du manchon Dewar 11 Dans la deuxième orientation opérationnelle extrême, le régulateur 10 ne permet pas le refroidissement de l'espace 12 La vitesse de refroidissement maximum est normalement prévue lorsque l'on cherche à refroidir initialement l'espace 12 à une température prédéterminée Le refroidissement à une vitesse inférieure à la vitesse maximum, pour laquelle le régulateur 10 est dans une orientation entre les première et deuxième orientations extrêmes illustrées, peut être nécessaire une fois que le refroidissement initial de l'espace 12 a été fait, et lorsque l'on cherche à maintenir l'espace 12 à une température constante prédéterminée. Si l'on se réfère maintenant également à la figure 3, le cryoréfrigérateur 13 comprend également un conduit 14 destiné à recevoir un fluide de refroidissement sous pression, tel que de l'azote, de l'argon ou de l'air Le conduit 14 est réalisé de manière typique sous la forme d'un échangeur de chaleur à tube à ailette et définit un orifice de sortie 16 qui est de préférence défini par une buse 17 fixée sur un corps 18 du régulateur 10 Le corps 18, comme cela est illustré schématiquement, définit un espace globalement cylindrique dans lequel est logé un appareil sensible à la température 20 destiné à contrôler la vitesse d'échappement du fluide de l'orifice de sortie 16. L'appareil 20 comprend un élément d'ancrage 22 qui est fixé sur le corps 18, et un ensemble de régulation d'échappement de fluide de refroidissement 24 L'ensemble 24 comprend une aiguille 26 prévue pour un positionnement variable par rapport à l'orifice de sortie 16, et un élément de positionnement 28 qui est monté de façon coulissante dans le corps 18 L'élément de positionnement 28 a une configuration cylindrique et a une extrémité ouverte 30 qui est fixée à l'élément d'ancrage 22 par l'intermédiaire d'un soufflet 32. Le soufflet 32 est fixé à la fois à l'élément de positionnement 28 et à l'élément d'ancrage 22 de n'importe quelle manière conventionnelle appropriée lui permettant d'être étanche, de façon à définir ainsi un espace étanche 34 contenant un gaz ayant un coefficient de dilatation connu A une température initiale relativement chaude, le gaz dans l'espace étanche 34 occupe un volume relativement important, de sorte que l'élément de positionnement 28 est dans une position globalement relevée par rapport à l'orifice de sortie 16, comme cela est représenté sur la figure l A. Du fait de la pression du fluide de refroidissement, lorsque l'élément 28 est dans la position relativement relevée illustrée, l'aiguille 26 est maintenue dans une position non engagée globalement flottante, comme cela est représenté sur les figures l A et 2 A L'écoulement vers l'extérieur résultant est indiqué par les flèches 27 (figures l A et 2 A). Lorsque la température de l'espace 12 tombe à une température prédéterminée, le corps 18 et le gaz contenu à l'intérieur de l'espace étanche 34 se refroidissent également à une vitesse connue Lorsque le gaz dans l'espace étanche 34 se refroidit, il se contracte de façon à appliquer une force nette négative sur l'élément de positionnement 28 L'élément de positionnement 28 est ainsi déplacé de façon coulissante en direction de l'élément d'ancrage 22, de façon à entraîner un déplacement axial correspondant de l'aiguille 26 en engagement intime avec l'orifice de sortie 16 Un engagement intime complet de l'aiguille 26 et de l'orifice de sortie 16 est représenté sur les figures 1 B et 2 B. Dans la position totalement fermée illustrée, l'aiguille 26 est maintenue sous une force de fermeture prédéterminée qui est suffisante pour surmonter la pression du fluide de refroidissement qui cherche à sortir par l'orifice de sortie 16 Le maintien de cette force de fermeture sur l'aiguille 26 entraîne une fermeture complète de l'orifice de sortie 16, empêchant ainsi l'échappement du fluide de refroidissement. Si l'on se réfère maintenant plus particulière aux figures 2 A et 2 B, l'aiguille 26 a une première extrémité pointue globalement conique 36 configurée pour engagement intime avec l'orifice de sortie 16, et une deuxième extrémité 38 configurée de façon à être engagée par l'élément de positionnement 28 L'élément de positionnement 28 possède une partie d'engagement d'aiguille 40 qui est prévue pour engager sans retenue la deuxième extrémité 38 de l'aiguille 26 de façon à appliquer dessus une force de déplacement axial La deuxième extrémité 38 de l'aiguille 26 est de préférence arrondie. Dans la présente forme de réalisation, la partie d'engagement d'aiguille 40 a une configuration en forme de manchon, ayant une partie d'extrémité fermée 42 prévue pour engager sans retenue la deuxième extrémité 38 de l'aiguille 26, et ayant en outre une partie de paroi globalement cylindrique 44 qui s'étend transversalement par rapport à la partie d'extrémité fermée 42 La partie de paroi 44 est configurée de façon à entourer une partie 46 de l'aiguille 26 adjacente à sa deuxième extrémité 38 Le diamètre interne de la partie de paroi 44 est supérieur au diamètre externe de la partie d'aiguille 46, de sorte qu'un espace globalement annulaire 47 existe entre la partie de paroi 44 et l'aiguille 26 Il est ainsi à noter que la partie d'engagement d'aiguille 40, sans engager avec retenue l'aiguille 26, la confine effectivement dans le volume cylindrique intérieur défini par la partie 40. Selon une forme de réalisation préférée, par conséquent, lorsque le gaz contenu dans l'espace 34 (figures l A et 1 B) se refroidit, en se contractant et en entraînant ainsi une rétraction de l'élément de positionnement 28, l'élément de positionnement 28 agit de façon à déplacer l'aiguille 26 principalement le long d'un axe 48 s'étendant à travers l'orifice de sortie 16 Du fait de la nature sans retenue de l'engagement entre l'aiguille 26 et l'élément de positionnement 28, une certaine valeur de déplacement latéral peut apparaître Ce déplacement latéral permet un auto-centrage de l'aiguille 26 dans l'orifice de sortie 16, compensant ainsi toute imprécision et/ou déformation du régulateur 10. Afin de s'assurer que l'aiguille 26 est orientée sensiblement le long de l'axe 48 lorsqu'elle engage l'orifice de sortie 16, assurant ainsi une répétitivité substantielle du système, l'orifice 16 est pourvu d'une partie d'entrée 50 qui est configurée de façon à guider et redresser l'aiguille 26 lorsqu'elle entre en engagement intime avec l'orifice de sortie 16. La partie d'entrée 50 a de préférence une configuration en entonnoir qui a une partie de col relativement étroite 52 en communication de fluide avec le conduit 14, et une extrémité ouverte relativement large 54. L'extrémité ouverte 54 est configurée de façon à engager et guider l'extrémité pointue 36 de l'aiguille 26 en engagement d'étanchéité avec la partie de col 52 lorsque le régulateur 10 se déplace de la première orientation opérationnelle extrême illustrée sur la figure l A vers la deuxième orientation opérationnelle extrême illustrée sur la figure 1 B Dans la deuxième orientation opérationnelle extrême du régulateur 10, l'extrémité pointue 36 de l'aiguille 26 engage la partie de col 52 de façon à définir un joint imperméable au fluide, comme cela est illustré sur la figure 2 B. REVENDICATIONS 1 Régulateur d'écoulement de fluide à orifice à aiguille ( 10) comportant: un orifice de sortie de fluide ( 16) prévu pour laisser passer un écoulement de fluide; une aiguille ( 26) prévue pour un positionnement variable par rapport audit orifice de sortie ( 16); et des moyens de positionnement d'aiguille sensibles à la température destinés à positionner ladite aiguille ( 26) par rapport audit orifice ( 16) en fonction de la température, caractérisé en ce que ladite aiguille ( 26) est montée de façon flottante par rapport aux dits moyens de positionnement d'aiguille. 2 Régulateur d'écoulement de fluide ( 10) selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de positionnement sont prévus pour appliquer des forces de déplacement sur ladite aiguille ( 26) le long d'un axe s'étendant à travers ledit orifice de sortie de fluide ( 16), et en ce que lesdits moyens de positionnement d'aiguille sont construits de telle sorte que ladite aiguille ( 26) est maintenue coaxiale audit orifice de sortie ( 16). 3 Régulateur d'écoulement de fluide ( 10) selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit orifice de sortie de fluide ( 16) est configuré de façon à guider ladite aiguille ( 26) en engagement intime avec celui-ci. 4 Régulateur d'écoulement de fluide ( 10) selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit orifice de sortie de fluide ( 16) a une partie en forme d'entonnoir ( 50) qui a une extrémité relativement étroite ( 52) en communication de fluide avec un conduit ( 14) et une extrémité ouverte relativement large ( 54) configurée de façon à engager et guider ladite aiguille ( 26) en engagement intime avec ledit orifice de sortie de fluide ( 16). Régulateur d'écoulement de fluide ( 10) selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que ladite aiguille ( 26) a une première extrémité ( 36) configurée pour engagement intime avec ledit orifice de sortie de fluide ( 16) et une deuxième extrémité ( 38), et lesdits moyens de positionnement d'aiguille comprennent une partie d'engagement d'aiguille ( 40) qui est prévue pour se déplacer le long dudit axe de façon à déplacer ladite aiguille ( 26), et qui comprend un élément en forme de manchon prévu pour confiner ladite deuxième extrémité ( 38) de ladite aiguille ( 26) dans un espace cylindrique défini par ledit élément en forme de manchon. 6 Régulateur d'écoulement de fluide ( 10) selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit élément en forme de manchon comprend: une partie d'extrémité fermée ( 42) prévue pour engager sans retenue ladite deuxième extrémité ( 38) de ladite aiguille ( 26), et une partie de paroi globalement cylindrique ( 44) qui s'étend transversalement par rapport à ladite partie d'extrémité fermée ( 42) de façon à entourer une partie ( 46) de ladite aiguille ( 26) adjacente à ladite deuxième extrémité ( 38), ladite partie de paroi ( 44) il ayant un diamètre interne supérieur au diamètre de ladite partie d'aiguille adjacente à ladite deuxième extrémité ( 38) de celle-ci, définissant ainsi un espace annulaire ( 47) entre ladite partie de paroi ( 44) et ladite aiguille ( 26). 7 Régulateur d'écoulement de fluide ( 10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit régulateur ( 10) est prévu pour être utilisé avec un cryoréfrigérateur ( 13) et en ce que ledit orifice de sortie de fluide ( 16) est prévu pour recevoir un écoulement de fluide de refroidissement sous pression au moyen d'un conduit ( 14). 8 Cryoréfrigérateur ( 13) comportant un conduit ( 14) destiné à recevoir un fluide de refroidissement sous pression et définissant un orifice de sortie de fluide ( 16); et des moyens ( 10) destiné à réguler la vitesse d'échappement du fluide dudit conduit ( 14) par ledit orifice de sortie ( 16) et comprenant: une aiguille ( 26) prévue pour un positionnement variable par rapport audit orifice de sortie ( 16); et des moyens de positionnement d'aiguille sensibles à la température destinés à positionner ladite aiguille ( 26) par rapport audit orifice ( 16) en fonction de la température, caractérisé en ce que ladite aiguille ( 26) est montée de façon flottante par rapport aux dits moyens de positionnement d'aiguille. 9 Cryoréfrigérateur ( 13) selon la revendication 8, caractérisé en ce que lesdits moyens de positionnement sont prévus pour appliquer des forces de déplacement sur ladite aiguille ( 26) le long d'un axe s'étendant à travers ledit orifice de sortie de fluide ( 16), et en ce que lesdits moyens de positionnement d'aiguille sont construits de telle sorte que ladite aiguille ( 26) est maintenue coaxiale audit orifice de sortie ( 16). Cryoréfrigérateur ( 13) selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit orifice de sortie de fluide ( 16) est configuré de façon à guider ladite aiguille ( 26) en engagement intime avec celui-ci. 11 Cryoréfrigérateur ( 13) selon la revendication , caractérisé en ce que ledit orifice de sortie de fluide ( 16) a une partie en forme d'entonnoir ( 50) qui a une extrémité relativement étroite ( 52) en communication de fluide avec ledit conduit ( 14) et une extrémité ouverte relativement large ( 54) configurée de façon à engager et guider ladite aiguille ( 26) en engagement intime avec ledit orifice de sortie de fluide ( 16). 12 Cryoréfrigérateur ( 13) selon l'une des revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que ladite aiguille ( 26) a une première extrémité ( 36) configurée pour engagement intime avec ledit orifice de sortie de fluide ( 16) et une deuxième extrémité ( 38), et lesdits moyens de positionnement d'aiguille comprennent une partie d'engagement d'aiguille ( 40) qui est prévue pour se déplacer le long dudit axe de façon à déplacer ladite aiguille ( 26), et qui comprend un élément en forme de manchon prévu pour confiner ladite deuxième extrémité ( 38) de ladite aiguille ( 26) dans un espace cylindrique défini par ledit élément en forme de manchon. 13 Cryoréfrigérateur ( 13) selon la revendication 12, caractérisé en ce que ledit élément en forme de manchon comprend: une partie d'extrémité fermée ( 42) prévue pour engager sans retenue ladite deuxième extrémité ( 38) de ladite aiguille ( 26), et une partie de paroi globalement cylindrique ( 44) qui s'étend transversalement par rapport à ladite partie d'extrémité fermée ( 42) de façon à entourer une partie ( 46) de ladite aiguille ( 26) adjacente à ladite deuxième extrémité ( 38), ladite partie de paroi ( 44) ayant un diamètre interne supérieur au diamètre de ladite partie d'aiguille adjacente à ladite deuxième extrémité ( 38) de celle-ci, définissant ainsi un espace annulaire ( 47) entre ladite partie de paroi ( 44) et ladite aiguille ( 26). 14 Cryoréfrigérateur ( 13) selon l'une quelconque des revendications 8 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend un cryoréfrigérateur Joule-Thomson.