Brevet FR2700834A1 — publié le 19940729

La présente invention concerne de façon générale une installation utile comme refroidisseur cryogénique, et elle concerne plus précisément le nettoyage d'un tel refroidis- seur, ainsi qu'un appareil d'analyse de pureté de gaz. Les refroidisseurs fonctionnant par détente d'un gaz, par exemple les refroidisseurs à effet Joule-Thomson, utilisent le fait qu'un gaz subissant une détente adiaba- tique se refroidit Dans ces refroidisseurs, le gaz com- primé est transmis constamment à un tube qui a une petite ouverture Le gaz qui s'échappe par la petite ouverture se refroidit par détente rapide et échange de la chaleur avec le gaz introduit, si bien que le gaz introduit est partiel- lement refroidi. Les refroidisseurs à effet Joule-Thomson sont décrits en détail dans l'ouvrage "Miniature Refrigerators for Cryogenic Sensors and Cold Electronics", de Graham Walker, publié par Oxford University Press, New York, 1989. Etant donné la basse température atteinte au niveau de l'ouverture, les impuretés présentes dans le gaz se rassemblent sous forme de gouttes de liquide ou de solides qui se déposent à l'intérieur du tube près de l'ouverture et/ou à l'intérieur de l'ouverture elle-même Ceci peut provoquer une interruption partielle ou totale de la circulation du gaz. Dans les procédés utilisés en pratique, dans le cas d'une faible contamination, le fonctionnement du refroidis- seur doit être interrompu, car le refroidisseur doit pouvoir se réchauffer, cette opération durant environ une demi-heure, et le refroidisseur doit alors être balayé par un gaz pur. Dans le cas d'une contamination très importante, le tube doit être démonté avant son nettoyage par un liquide de nettoyage L'opération de nettoyage n'est pas commode et est longue et elle prend habituellement quelques heures. De manière bien connue dans la technique, certains refroidisseurs connus sont aussi utilisés comme appareils d'analyse de pureté des gaz, déterminant la pureté du gaz d'après la quantité d'impuretés accumulées au cours d'un "essai" Au début de chaque essai, le refroidisseur doit être à une température initiale qui est habituellement bien supérieure à la température de fonctionnement du refroidis- seur au cours d'un essai Ainsi, à la fin d'un essai quelconque, un refroidisseur de la technique antérieure doit être ramené à sa température initiale, et cette opération nécessite à nouveau habituellement une demie- heure environ. La présente invention a pour objet la réalisation d'une installation qui peut être utilisée comme refroidis- seur, comprenant un dispositif perfectionné d'expulsion des impuretés qui s'accumulent à l'intérieur d'un tube d'échange de chaleur et à l'ouverture d'un refroidisseur fonctionnant par détente d'un gaz, par exemple un refroi- disseur cryogénique à effet Joule-Thomson et/ou un appareil d'analyse de la pureté des gaz. La présente invention a aussi pour objet la réali- sation d'un refroidisseur perfectionné qui comprend une installation de nettoyage qui ne nécessite pas le démontage du tube d'échange de chaleur et dont les périodes de nettoyage et de réchauffement sont bien plus courtes que celles des dispositifs de la technique antérieure. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'installation destinée à un refroidisseur comprend (a) un tube d'échange de chaleur qui reçoit un gaz sous pression, (b) une ouverture d'échappement de gaz communiquant avec l'intérieur du tube d'échange de chaleur et destinée à permettre l'échappement du gaz sous pression et sa détente en mode de refroidissement et (c) un ensemble de dérivation associé au tube d'échange de chaleur et placé après l'ouverture d'échappement de chaleur et qui, en mode de nettoyage, permet à la plus grande partie du gaz sous pression de sortir du tube d'échange de chaleur sans s'écouler par l'ouverture d'échappement de gaz, et (d) un appareil de détection destiné à indiquer la pureté du gaz, un temps prolongé de fonctionnement continu indiquant un gaz plus pur Un régulateur de pression peut éventuellement être ajouté afin qu'il assure une meilleure reproductibi- lité et une meilleure précision de l'essai de pureté. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, l'ensemble de dérivation comprend une soupape de balayage qui est fermée en mode de refroidissement et qui est ouverte en mode de nettoyage De cette manière, dans un cycle de nettoyage, un gaz à grande vitesse est obligé de circuler dans le tube et d'entraîner les impuretés. En outre, dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le tube d'échange de chaleur est enroulé en hélice sur une âme cylindrique et est placé à l'intérieur d'un boîtier isolé ("Dewar") L'ensemble de dérivation est formé par un prolongement rejoignant le tube d'échange de chaleur à l'intérieur de l'âme cylindrique En outre, dans le mode de réalisation préféré de l'invention, en mode de refroidissement, le gaz s'échappe par l'ouverture d'échap- pement de gaz vers le boîtier et refroidit ainsi le tube d'échange de chaleur et le gaz qui circule à l'intérieur jusqu'à ce que la liquéfaction se produise En mode de refroidissement, le gaz passe en général en dérivation par rapport à l'ouverture d'échappement de gaz, si bien que le gaz chaud qui s'écoule vers l'intérieur réchauffe le tube d'échange de chaleur. En outre, dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le refroidisseur comprend un capteur qui commande de préférence l'appareil de commutation du refroi- disseur du mode de refroidissement au mode de nettoyage Le capteur peut être un appareil de mesure de débit commandé par la quantité de gaz qui circule dans l'ouverture d'échappement de gaz ou un élément de détection de tempéra- ture tel qu'un thermocouple, placé au voisinage de l'ouver- ture d'échappement de gaz En outre, dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le refroidisseur est caractérisé en ce que le mode de nettoyage élève la tempé- rature du refroidisseur à une valeur voulue. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, un appareil d'essai de pureté de gaz comprend (a) un tube d'échange de chaleur qui reçoit un gaz sous pression, (b) une ouverture d'échappement de gaz communiquant avec l'intérieur du tube d'échange de chaleur et destiné à permettre l'échappement du gaz comprimé et sa détente au cours d'un mode de refroidissement, (c) un ensemble de dérivation associé au tube d'échange de chaleur et placé après l'ouverture d'échappement de gaz et qui, en mode de nettoyage, permet à la plus grande partie du gaz sous pression de quitter le tube d'échange de chaleur sans circuler par l'ouverture d'échappement de gaz, et (d) un appareil capteur indiquant la pureté du gaz en fonction de la quantité de gaz circulant dans l'ouverture d'échappement de gaz ou de la température du refroidisseur Un temps prolongé de fonctionnement indique un gaz de plus grande pureté Un régulateur de pression du gaz est aussi éven- tuellement incorporé afin qu'il accroisse la fiabilité des résultats. D'autres caractéristiques et avantages de l'inven- tion seront mieux compris à la lecture de la description qui va suivre d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessins annexés sur lesquels: la figure l A est une représentation schématique d'un exemple de refroidisseur cryogénique à effet Joule-Thomson, avec un prolongement aval, dans un mode de réalisation préféré de l'invention; la figure 1 B est une représentation détaillée d'une partie ayant une ouverture du refroidisseur représenté sur la figure l A, dans un mode de réalisation préféré de l'invention; et la figure 2 est une vue analogue à la figure l A mais représente un mode de réalisation ayant un capteur de température. On se réfère maintenant aux figures l A et 1 B qui représentent un refroidisseur cryogénique dont la construc- tion et le fonctionnement correspondent à un mode de réalisation préféré de l'invention Dans un exemple unique- ment, le refroidisseur représenté sur les figures l A et 1 B est du type à effet Joule-Thomson De manière connue, ce type de refroidisseur peut être utilisé comme appareil d'essai de pureté d'un gaz. Comme dans la technique antérieure, le refroidisseur comporte de manière classique un tube d'échange de chaleur 12 qui est enroulé autour d'une âme 14, tous deux placés dans un boîtier 16 Selon la présente invention, le tube 12 est prolongé en dehors du boîtier 16 et se termine à une sortie 18 à laquelle est fixée une soupape à haute pression Le prolongement du tube 12 porte la référence 22. Le tube 12 peut avoir tout diamètre convenable, par exemple un diamètre interne de 0,3 mm et un diamètre externe de 0,5 mm. Au cours du fonctionnement, un gaz sous pression élevée, par exemple de l'azote, de l'oxygène, de l'argon ou tout autre gaz convenable, est transmis au tube 12 d'échange de chaleur par une entrée 24 En mode de refroi- dissement, la soupape 20 est maintenue en position de fermeture et le gaz s'échappe par une petite ouverture 26 du tube 12, dans un tronçon 28 proche de l'extrémité du prolongement 22 qui est éloignée de la soupape L'ouverture 26 peut avoir toute dimension convenable assurant un refroidissement Par exemple, pour la dimension indiquée pour le tube, l'ouverture 26 a de préférence un diamètre compris entre 0,04 et 0,06 mm Le gaz est par exemple à une pression comprise entre 100 et 400 bar. Le refroidissement est réalisé lorsque le gaz à haute pression s'échappe vers la partie à basse pression à l'intérieur du boîtier 16, après échange de chaleur avec le gaz à haute pression Le gaz à basse pression sort par une sortie 30 avant laquelle est placé un débitmètre 32 qui mesure le débit par la sortie 30. Etant donné la détente et le refroidissement du gaz en mode de refroidissement décrit précédemment, les impu- retés contenues dans le gaz à haute pression s'accumulent à l'intérieur du tube 12, près de l'ouverture 26 et à l'inté- rieur de celle-ci, sous forme de matières liquides ou solides accumulées 34. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, un mode de nettoyage est utilisé pour l'extraction des matières accumulées 34 Dans ce mode de nettoyage qui se produit par exemple juste après le mode de refroidissement, la soupape à haute pression 20 est ouverte, manuellement ou automatiquement, et le gaz à haute pression peut sortir par la sortie 18. Etant donné la pression différentielle existant entre la pression élevée à l'entrée 24 et la pression de sortie à la sortie 18, la plus grande partie du gaz circule à grande vitesse dans le tube 12 et entraîne avec lui les matières accumulées 34. Par exemple, le mode de nettoyage a une durée d'environ 2 min pendant laquelle le gaz à haute pression est constamment transmis au tube 12 Etant donné qu'une très petite quantité de gaz sort par l'ouverture 26, le refroidissement qui se produit est très réduit La petite quantité de gaz qui sort par l'ouverture 26 est utilisée pour le nettoyage de l'ouverture et ce gaz s'écoule par l'ouverture 26 afin qu'il assure l'échauffement et le nettoyage du tube 12 dans la région de l'ouverture Il faut noter que plus le tube 12 est chaud et plus les impuretés circulent facilement. Etant donné le déplacement du gaz chaud dans le tube 12, le mode de nettoyage ramène rapidement le refroidisseur à une température proche de la température ambiante, qui est habituellement la température initiale convenant à la reprise de l'opération de refroidissement Ceci se dis- tingue de la technique antérieure qui nécessite un temps important pour le retour à la température initiale. Il faut noter que l'appareil décrit précédemment permet un entraînement relativement rapide des impuretés présentes dans le gaz ainsi qu'un retour relativement rapide du refroidisseur à sa température initiale. Les hommes du métier peuvent noter que l'invention peut mettre en oeuvre une soupape 20 placée n'importe o après l'ouverture 26. En outre, un dispositif quelconque qui permet au gaz de circuler dans le refroidisseur de manière générale sans exécuter de refroidissement ni d'échange de chaleur est incorporé par mise en oeuvre de la présente invention. Dans un mode de réalisation préféré de l'invention, le débitmètre 32 donne des informations de débit à un organe de commande (non représenté) L'organe de commande est par exemple programmé afin qu'il commute le refroidis- seur en mode de nettoyage lorsque le débit est réduit au- dessous d'une valeur prédéterminée, par exemple inférieure de 20 % au débit voulu, ou lorsqu'un changement de la qualité du gaz est observé L'organe de commande commute les modes du refroidisseur par sélection de l'ouverture de la soupape 20 (en mode de nettoyage) et de la fermeture de celle-ci (en mode de refroidissement). Dans une variante, comme représenté sur la figure 2, un capteur 33 de température, par exemple un thermocouple, peut être placé à proximité de l'ouverture d'échappement de gaz et peut donner des informations relatives à la tempéra- ture à l'organe de commande Lorsque le refroidissement cesse par obstruction de l'ouverture par les impuretés, la température s'élève L'organe de commande est programmé de manière qu'il commute par exemple le refroidisseur en mode de nettoyage pour une valeur prédéterminée de la température. Dans un autre mode de réalisation de la présente invention, un régulateur 40 de pression peut être incorporé juste après l'entrée 24 Ce régulateur 40 donne une pres- sion régulière et assure donc la reproductibilité du type d'obstruction obtenue à chaque niveau de pression. Il faut noter que la durée du mode de nettoyage dépend de la dimension du tube, de l'importance du chauf- fage nécessaire de l'installation et des pertes minimales permises de gaz pendant le nettoyage. La présente invention a aussi pour caractéristique d'utiliser un mécanisme de balayage qui est une partie intégrante du refroidisseur et qui permet le nettoyage du tube d'échange de chaleur sans démontage du refroidisseur. De manière connue dans la technique, l'installation mettant en oeuvre un refroidisseur cryogénique à effet Joule-Thomson convient très bien à un appareil d'analyse de la pureté des gaz Lors de l'utilisation de l'installation selon la présente invention, l'appareil d'analyse de la pureté des gaz comprend (a) un tube d'échange de chaleur qui reçoit du gaz sous pression, (b) une ouverture d'échap- pement de gaz qui communique avec l'intérieur du tube d'échange de chaleur afin que le gaz sous pression puisse s'échapper et se détendre en mode de refroidissement, (c) un ensemble de dérivation associé au tube d'échange de chaleur et qui est pratiquement fermé dans un boîtier et placé après l'ouverture d'échappement de gaz, si bien que, pendant un mode de nettoyage, du gaz s'échappe par l'ouver- ture d'échappement vers le boîtier, et (d) un capteur destiné à indiquer la valeur de la pureté du gaz, un plus long temps de fonctionnement continu indiquant un gaz plus pur Eventuellement, un régulateur de pression placé à l'entrée de gaz est incorporé afin qu'il assure une meil- leure reproductibilité et une meilleure précision de l'essai de détermination de pureté du gaz respectif. Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux installations qui viennent d'être décrites uniquement à titre d'exemples non limitatifs sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Installation destinée à un refroidisseur, carac- térisée en ce qu'elle comprend: un tube d'échange de chaleur ( 12) qui reçoit un gaz comprimé, une ouverture ( 26) d'échappement de gaz communiquant avec l'intérieur du tube d'échange de chaleur et destinée à permettre au gaz sous pression de s'échapper et de se détendre en mode de refroidissement, et un ensemble de dérivation ( 20, 22), associé au tube d'échange de chaleur et placé après l'ouverture d'échappe- ment de gaz, et qui, en mode de nettoyage, permet à la plus grande partie du gaz sous pression de sortir du tube d'échange de chaleur sans s'écouler par l'ouverture d'échappement de gaz. 2 Installation selon la revendication 1, caracté- risée en ce que l'ensemble de dérivation ( 20, 22), dans le refroidisseur, comprend une soupape de balayage ( 20) qui est fermée en mode de refroidissement et qui est ouverte en mode de nettoyage. 3 Installation selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisée en ce que le refroidisseur est placé dans un boîtier ( 16) qui contient la plus grande partie du tube d'échange de chaleur ( 12) et dans lequel l'ensemble de dérivation ( 20, 22) comprend un prolongement ( 22) du tube d'échange de chaleur à l'extérieur du boîtier. 4 Installation selon la revendication 3, caracté- risée en ce que, en mode de refroidissement, le gaz s'échappe par l'ouverture ( 26) d'échappement de gaz vers le boîtier ( 16) et refroidit ainsi le gaz qui refroidit à son tour le tube d'échange de chaleur ( 12), et, en mode de nettoyage, le gaz passe en dérivation de façon générale par rapport à l'ouverture d'échappement de gaz ( 26) et réchauffe ainsi le tube d'échange de chaleur. 5 Installation selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif de détection ( 32, 33) sensible à la quantité de gaz circulant par l'ouverture d'échappement de gaz ( 26). 6 Installation selon la revendication 5, caracté- risée en ce que le dispositif de mesure de débit de gaz ( 32) comporte un dispositif destiné à commuter le refroi- disseur du mode de refroidissement au mode de nettoyage pour un débit prédéterminé de gaz. 7 Installation selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle comprend un dispositif ( 33) sensible à la température du refroidisseur. 8 Installation selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce que le mode de nettoyage élève la température de l'appareil à une valeur voulue. 9 Installation selon l'une quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre un régulateur de pression ( 40). Installation pour appareil d'analyse de la pureté d'un gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend: un tube d'échange de chaleur ( 12) qui reçoit un gaz sous pression, une ouverture ( 26) d'échappement de gaz qui commu- nique avec l'intérieur du tube d'échange de chaleur et qui permet l'échappement du gaz sous pression et sa détente en mode de refroidissement, un ensemble de dérivation ( 20, 22), associé au tube d'échange de chaleur et qui est pratiquement fermé dans un boîtier et placé après l'ouverture d'échappement de gaz, si bien que, en mode de nettoyage, la plus grande partie du gaz sous pression peut sortir du tube d'échange de chaleur sans s'écouler par l'ouverture d'échappement de gaz, et un dispositif de détection destiné à indiquer la valeur de la pureté du gaz en fonction du temps respectif de fonctionnement stable en mode de refroidissement.