Brevet FR2782785A1 — publié le 20000303

REFROIDISSEUR JOULE-THOMSON. La présente invention concerne les refroidisseurs Joule-Thomson du type comprenant un circuit de gaz basse pression, de configuration générale spirale ou hélicoïdale, et un circuit de gaz haute pression disposé dans le circuit de gaz basse pression et ayant un orifice de détente. Des refroidisseurs Joule-Thomson de ce type sont décrits notamment dans les documents EP-A-258 093 (L'AIR LIQUIDE), FR-A-2 590 357 (SAT) ou EP-A-349 933 (LICENTIA). Si les dispositifs connus de ce type peuvent être réali- sés sous une forme particulièrement compacte, c'est généralement au prix de performances thermodynamiques médiocres. La présente invention a pour objet de proposer un refroidisseur Joule- Thomson offrant, pour un très faible coût de fabrication et sous une forme parti- culièrement compacte et robuste, des performances acceptables et reproducti- bles. Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, le circuit de gaz haute pression comporte au moins une branche ayant une extrémité débouchant dans l'orifice et elle-même enroulée en spirale hélicoïdale, la spirale étant dispo- sée dans un canal spiral ou hélicoïdal formant au moins en partie le circuit basse pression. Selon une autre caractéristique de l'invention, le circuit de gaz haute pression comporte une deuxième branche, ayant une première extrémité débou- chant dans ledit orifice, et elle-même enroulée en spirale hélicoïdale, la spirale étant disposée dans ledit canal du circuit basse pression, les branches étant typi- quement réalisées sous forme de spirales cylindriques a pas inversés imbriquées l'une dans l'autre dans le canal du circuit basse pression, qui est avantageuse- ment formé dans un bloc en matériau isolant. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressorti- ront de la description suivante d'un mode de réalisation, donné à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec des dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique partielle, en vue du dessus, d'un premier mode de réalisation d'un refroidisseur Joule- Thomson selon l'invention; - la figure 2 est une vue schématique, partielle, en coupe transver- sale du refroidisseur de la figure 1; et, - la figure 3 est une vue schématique en coupe longitudinale d'un second mode de réalisation d'un refroidisseur Joule-Thomson selon l'invention. Dans la description qui va suivre et sur les dessins, les éléments identi- ques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence, éventuellement in- dicés. Sur les figures 1 et 2, on a représenté un corps ou un bloc 1 en matériau isolant, en forme générale de disque dans lequel est formé un chenal en spirale 2 de section transversale sensiblement rectangulaire, typiquement en forme de gouttière section en U. Dans le mode de réalisation des figures 1 et 2, le chenal 2 se déroule en spirale convergeant vers une chambre 3 formée centralement dans le bloc 1. Dans le chenal 2 est disposé un circuit haute pression d'amenée d'un fluide réfrigérant destiné à être détendu pour générer du froid. Ce circuit haute pression, formé à partir d'un tube en métal, par exemple en acier inoxydable, d'un diamètre intérieur par exemple de l'ordre de 0, 30 à 0,40 mm, est constitué d'au moins une branche, typiquement de deux branches 4a,4b s'étendant en parallèle depuis un raccord haute pression 5 destiné au raccordement à une source de gaz haute pression (non représentée), tel que de l'azote ou de l'argon, et se rejoignant, dans la chambre 3, en une partie centrale commune o est formé un orifice 6 pour la détente du gaz haute pression acheminé dans les branches 4a et 4b. Selon l'invention, chaque branche 4a,4b est elle-même enroulée en spi- rale hélicoïdale cylindrique, les branches 4a et 4b étant spiralées à pas inversés de façon à pouvoir s'imbriquer l'une dans l'autre, comme on le voit bien sur la figure 1, en occupant au mieux l'espace en spirale du chenal 2, et en rendant ainsi l'ensemble relativement insensible aux chocs et/ou aux vibrations. Cette technologie permet d'autre part, d'avoir une longueur du circuit haute pression importante dans un minimum d'encombrement, et d'assurer ainsi un maximum de surface d'échange avec le gaz basse pression détendu en 6 et remontant le chenal 2 depuis la chambre centrale 3 jusqu'à une sortie périphérique 7 sur la figure 3, la forme en double hélice imbriquée des branches 4a,4b obligeant le gaz basse pression circulant dans le chenal 4 à être dans un régime très turbu- lent favorisant au maximum l'échange thermique. Les pertes par conduction thermique vers l'extérieur sont minimisées grâce au caractère thermiquement isolant du bloc 1, réalisé avantageusement en ma- tériau composite, tel qu'en fibres de verre, ou en matériau plastiquetel que le Vessel, réalisé par injection ou usinage, le chenal 2 étant fermé par un couver- cle 8, lui-même en matériau isolant, monté, par exemple collé ou thermosoudé, sur le bloc de façon à fermer le côté ouvert de la gouttière formant le chenal en spirale 2. Un refroidisseur Joule-Thomson de ce type trouve une application princi- pale dans le refroidissement de dispositifs photo-détecteurs, en particulier pour la vision en infrarouge. Typiquement, pour une telle application, un élément détecteur infrarouge 9 est monté sur le corps 1 à l'aplomb de la chambre 3, à l'opposé du couvercle 8, l'orifice de détente 6 s'ouvrant avantageusement dans la direction vers l'élément 9. Avec la géométrie décrite ci-dessus, l'ensemble équipé du corps 1 et du couvercle 8 a un diamètre hors tout qui peut ne pas ex- céder 30 mm, pour une épaisseur de 8 mm. Dans le mode de réalisation de la figure 3, le bloc support 1 présente la forme générale d'un barreau cylindrique,. Le canal 2, à section en forme de U désaxé, a ici un parcours hélicoïdal autour du barreau 1 entre une ouverture d'accès (non représentée), du côté du raccord haute pression 5, et la chambre 3 située ici dans la face frontale du barreau 1 opposée au raccord 5. Le couvercle 8 closant le chenal 2 et l'isolant de l'extérieur est ici réalisé sous la forme d'une virole cylindrique en matériau thermoplastique isolant emmanchée sur le barreau 1. Quoique la présente invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisation particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée mais est au contraire susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de l'art. Ainsi, le chenal 2 peut, le cas échéant, être réalisé sous une forme hélicoïdale conique convergeant vers la chambre 3. REVENDICATIONS 1. Refroidisseur Joule-Thomson, comprenant un circuit de gaz basse pression (2), de configuration générale spirale ou hélicoïdale, et un circuit de gaz haute pression (4a,4b) disposé dans le circuit de gaz basse pression ayant un orifice de détente de gaz (6), caractérisé en ce que le circuit de gaz haute pression comprend au moins (6) et elle-même enroulée en spirale héli- coïdale, la spirale étant disposée dans un canal spiral ou hélicoïdal (2) formant, au moins en partie, le circuit haute pression. 2. Refroidisseur Joule-Thomson selon la revendication 1, caractéri- sé en ce que le circuit de gaz haute pression comprend une deuxième branche (4b,4a) ayant une première extrémité débouchant dans l'orifice de détente (6) et elle-même enroulée en spirale, la spirale étant disposée dans ledit canal du cir- cuit basse pression (2). 3. Refroidisseur Joule-Thomson selon la revendication 2, caractéri- sé en ce que la première et la deuxième branches (4a,4b) sont réalisées sous forme de spirales cylindriques à pas inversés et sont imbriquées l'une dans l'autre dans le canal (2). 4. Refroidisseur Joule-Thomson selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le canal (2) présente une section sensible- ment rectangulaire. 5. Refroidisseur Joule-Thomson selon la revendication 4, caractéri- sé en ce que le canal (2) est formé dans un bloc en matériau isolant (1). 6. Refroidisseur Joule-Thomson selon la revendication 5, caractéri- sé en ce que le canal (2) présente une section sensiblement en forme de U et est fermé par une cloison en matériau isolant (3). 7. Refroidisseur Joule-Thomson selon la revendication 5 ou la re- vendication 6, caractérisé en ce que l'orifice de détente (6) est disposé dans une cavité centrale (3) du bloc (1). 8. Application d'un refroidisseur Joule-Thomson selon l'une des re- vendications précédentes à un dispositif photo-détecteur, caractérisée en ce qu'elle comporte un élément détecteur (9) monté sur le bloc (1) en regard de l'orifice de détente (6).