Brevet FR2725013A1 — publié le 19960329

La présente invention concerne un refroidisseur Joule-Thomson, du type comprenant un ensemble de détente de gaz comportant un orifice de détente raccordable à un circuit de gaz sous pression, et un organe obturateur, couplé à un dispositif d'actionnement sensible à la température et déplaçable, sous l'action du dispositif d'actionnement, depuis une première position écartée de l'orifice de détente vers une deuxième position occultant au moins partiellement l'orifice de détente. Un refroidisseur de ce type est décrit dans le document US-A5.003.783 au nom de la Demanderesse. Les dispositifs d'actionnement sensibles à la température des refroidisseurs connus mettent généralement en oeuvre des tiges d'actionnement agissant par effet de différentiels de températures ou de différentiels de coefficients de dilatation, dans des agencements délicats à réaliser et difficilement reproductibles d'une série à une autre. La présente invention a pour objet de proposer un refroidisseur à détente Jouie-Thomson de conception simple, fiable et robuste et convenant à la plupart des configurations de refroidisseurs Joule-Thomson, notamment miniatures. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, le dispositif d'actionnement comprend au moins un organe de retenue à mémoire de forme à température de transformation Ms n'excédant pas 200 K, interposé sur le trajet de l'organe obturateur entre ses première et deuxième positions. Selon d'autres caractéristiques de l'invention: - le refroidisseur comporte un premier organe élastique sollicitant l'organe obturateur vers sa deuxième position; - I'organe de retenue à mémoire de forme est conformé pour constituer un deuxième organe élastique antagoniste du premier organe élastique - I'organe de retenue à mémoire de forme et le premier organe élastique sont disposés concentriquement autour de l'organe obturateur qui présente une configuration allongée ayant un axe longitudinal. D'autres caractéristiques et les avantages de la présente invention ressortiront de la description suivantes de modes de réalisation donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels - la figure 1 est une vue schématique, en coupe longitudinale, d'une vanne à deux débits de refroidisseurs selon l'invention, - la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 d'une variante de réalisation de la vanne à deux débits selon l'invention; et - les figures 3 et 4 sont des vues partielles à plus grande échelle de modes de réalisation de refroidisseurs Joule-Thomson selon l'invention. Comme représenté sur les figures, un refroidisseur Joule Thomson selon l'invention comprend, dans un cryostat 1, un échangeur de chaleur constitué d'un tube bobiné 2 ayant une extrémité (non représentée) connectable à une source de gaz sous haute pression et dont l'autre extrémité est emmanchée dans un perçage borgne 3 d'un bloc métallique stationnaire 4 formant le siège d'un sous-ensemble de vanne repéré généralement par la référence 5. La paroi transversale du cryostat 1 voisine du bloc 4 porte par exemple un détecteur infrarouges 6. Comme on le voit mieux sur les figures 1 et 2, le perçage 3 débouche vers une extrémité supérieure ou inférieure du bloc 4 par un orifice de détente 7, ayant un diamètre compris typiquement entre 0,05 et 0,1 mm, susceptible d'être au moins partiellement obturé par l'extrémité d'un organe obturateur 8 de configuration allongée, ayant un axe de révolution longitudinal comportant une collerette 10 définissant des épaulements radiaux opposés, et disposé dans un boîtier 9, par exemple en métal, solidaire du bloc 4. Dans le mode de réalisation de la figure 1, I'organe obturateur 8 est sollicité en permanence dans la direction vers l'orifice de détente 7 par un ressort hélicoïdal en acier 11 en appui entre le fond 12 du boîtier 9 et l'épaulement arrière 13 de la collerette 10. Un deuxième organe élastique 14, typiquement sous la forme d'une rondelle Belleville, réalisé en matériau à mémoire de forme ayant une température de transformation Ms inférieure à 200 K, plus particulièrement inférieure à 150 K, typiquement ajustée autour de 130 K, par exemple en CuZnAl ou CuAINi, est disposé dans le boîtier 9 en appui entre l'épaulement avant 15 de la collerette 10 et la face supérieure 16 du bloc 4.Selon un aspect de l'invention, I'extrémité formant pointeau de l'organe obturateur 8 comporte au moins une découpe 17, par exemple un plat ou une gorge de quelques centièmes de millimètre de largeur et de profondeur, permettant de garantir un débit de fuite calibré de gaz lorsque le pointeau vient, dans sa deuxième position, obturer l'orifice de détente 7. Eventuellement, I'extrémité formant pointeau peut comporter des déflecteurs 18 favorisant l'écoulement du liquide résultant de la détente du gaz haute pression en direction du détecteur 6. La figure 2 représente un mode de réalisation inverse de celui de la figure 1 convenant aux applications nécessitant un refroidissement direct du détecteur 6 par le liquide s'échappant de l'orifice de détente 7. Dans ce mode de réalisation, I'orifice de détente 7 débouche vers le bas du bloc 4, le pointeau étant ici constitué par une pièce rapportée 80 montée entre les bras 81 de l'extrémité, typiquement en forme de fourche, de l'organe obturateur 8 dont la collerette 10 est reportée vers le haut du boîtier 5. Dans ce mode de réalisation, la rondelle Belleville à mémoire de forme 14 est interposée entre le fond 12 du boîtier 5 et l'épaulement adjacent de la collerette 10, le ressort d'actionnement 11 prenant appui entre cette collerette 10 et la face supérieure 16 du bloc 4. On comprendra aisément de la description qui précède le fonctionnement de l'ensemble de vanne du refroidisseur selon l'invention: au repos, la température dans le cryostat étant supérieure à la température de transformation du matériau des rondelles Belleville 14, la force exercée par ces dernières est très supérieure à celle exercée par le ressort 11 et maintient l'organe obturateur éloigné de l'orifice 7. Lorsque du gaz est admis dans la conduite 2, il s'échappe par la pleine ouverture de l'orifice de détente 7 et le refroidisseur fournit sa pleine puissance de refroidissement, de sorte que la température dans le cryostat s'abaisse en quelques secondes.Lorsque la température atteint la température de transformation, les rondelles Belleville 14 subissent une transformation de leur structure métallurgique et la force qu'elles exerçaient diminue rapidement pour devenir nettement inférieure à la force exercée par le ressort 11 qui a, elle, peu évolué et qui a été déterminée pour rester en tout cas supérieure à la pression exercée sur le pointeau par le fluide sous pression s'échappant par l'orifice de détente 7. L'organe obturateur vient alors obturer l'orifice 7, un débit de fuite de maintien en froid étant assuré par la découpe 17. On a représenté sur la figure 3 I'adaptation d'un sous-ensemble de vanne 5 selon les figures 1 et 2 à un refroidisseur à échangeur bobiné cylindrique 2 tel que décrit dans le document sus-mentionné. On a représenté sur la figure 4 I'adaptation du sous-ensemble de vanne 5 à un refroidisseur du type à échangeur plat bobiné en spirale tel que décrit dans le document EP-A-0.258.093, au nom de la Demanderesse. Le sousensemble de vanne décrit ci-dessus convient également pour la réalisation de refroidisseurs de configuration générale conique. REVENDICATIONS 1. Refroidisseur Joule-Thomson comprenant un ensemble de détente de gaz (5) comportant un orifice de détente stationnaire (7), raccordable à un circuit de gaz sous pression (2), et un organe obturateur (8, 80) couplé à un dispositif d'actionnement sensible à la température (11, 14) et déplaçable sous l'action du dispositif d'actionnement, depuis une première position écartée de l'orifice de détente vers une deuxième position occultant au moins partiellement l'orifice de détente, caractérisé en ce que le dispositif d'actionnement comprend au moins un organe de retenue (14) à mémoire de forme à température de transformation n'excédant pas 200 K interposé sur le trajet de l'organe obturateur (8, 80) entre ses première et deuxième positions. 2. Refroidisseur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un premier organe élastique (11) sollicitant l'organe obturateur (8, 80) vers sa deuxième position. 3. Refroidisseur selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'organe de retenue (14) est conformé pour constituer un deuxième organe élastique antagoniste du premier organe élastique (11). 4. Refroidisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'organe de retenue (14) est disposé en appui entre une première surface de butée (15) de l'organe obturateur (8, 80) et une première surface de butée stationnaire (16; 12). 5. Refroidisseur selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier organe élastique (11) est disposé en appui entre une deuxième surface de butée (13) de l'organe obturateur (8, 80) et une deuxième surface de butée stationnaire (12; 16). 6. Refroidisseur selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que l'organe obturateur (8, 80) présente une configuration allongée ayant un axe longitudinal, le premier organe élastique (11) et l'organe de retenue à mémoire de forme (14) étant disposés concentriquement autour de l'organe obturateur. 7. Refroidisseur selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'organe obturateur (8, 80) comporte au moins une découpe (17) formant section de fuite sur sa surface en regard de l'orifice de détente (7). 8. Refroidisseur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le circuit de gaz sous pression (2) forme une structure d'échangeur bobiné cylindrique (figure 3). 9. Refroidisseur selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le circuit de gaz sous pression (2) forme une structure d'échangeur bobiné plat (figure 4).