Brevet FR2833073A1 — publié le 20030606

La présente invention concerne les systèmes de contrôle de débit de fluide cryogénique, du type comprenant un premier élément formant un canal d'amenée de fluide et un passage de sortie sélectivement occultable par un deuxième élément déplaçable par rapport au premier élément par effet de différences de coefficients de dilatation entre les matériaux des premier et deuxième éléments. Les systèmes de contrôle de débit connus de ce type, tels que décrits par exemple dans les documents FR-A-2 377 588 ou EP-A-0 170 948, comprennent un pointeau déplaçable longitudinalement par rapport à un orifice de sortie sous l'effet de dilatations différentielles axiales entre le premier élément comportant l'orifice et un équipage mobile incluant une tige et/ou un soufflet supportant le pointeau, dans un agencement délicat à fabriquer et assembler, et donc onéreux, et à fiabilité non garantie, notamment en présence de vibrations. La présente invention a pour objet de proposer un système du type défini plus haut, de construction simple, robuste et bon marché, et à fiabilité accrue. Pour ce faire, selon un aspect de l'invention, le passage de sortie comprend une partie s'étendant orthogonalement par rapport au canal d'amenée de fluide et débouchant à la périphérie d'une zone d'extrémité du premier élément, le deuxième élément étant disposé au moins partiellement autour de cette zone d'extrémité. Selon des caractéristiques plus particulières de l'invention : - la zone d'extrémité du premier élément est cylindrique et le deuxième élément est annulaire et coaxial à ladite zone d'extrémité, - le passage de sortie comprend une partie aval de section réduite non occultable par le deuxième élément, - cette partie aval étant constituée par une rainure axiale formée à la périphérie de la zone d'extrémité ou par un tube capillaire prolongeant le canal d'amenée au travers de la zone d'extrémité. La présente invention a également pour objet un refroidisseur à détente Joule-Thomson, notamment pour cryostat, comportant un tel système de contrôle de débit de fluide cryogénique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de mode de réalisation, donnés à titre illustratifs mais nullement limitatifs, faite en relation avec les dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 est une vue schématique en coupe partielle d'un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique analogue à la figure 1 d'un autre mode de réalisation de l'invention ; et - la figure 3 est une vue, partielle, en coupe, d'un cryostat incorporant un refroidisseur Joule-Thomson selon l'invention. Dans la description qui va suivre et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence. Sur la figure 1, on a représenté l'extrémité aval d'un mode de réalisation d'un système de contrôle de débit d'un cryostat à refroidisseur Joule-Thomson. Ce système comporte un premier élément allongé, généralement désigné par la référence 1, se terminant par une partie d'extrémité de diamètre élargi 2, et dans lequel s'étend un alésage borgne 3 communiquant sélectivement avec une source de gaz sous pression 4, par exemple de l'azote ou de l'argon. Selon un aspect de l'invention, la partie d'extrémité 2 forme une zone périphérique cylindrique 5 dans laquelle débouche au moins un passage transversal radial 6. Autour de la zone périphérique cylindrique 5 est disposé, de façon normalement lâche, un deuxième élément annulaire ou bague 7 retenu en place, dans l'exemple représenté, autour de la zone périphérique 5 par un capotage 8 emmanché sur la partie d'extrémité 2 et pourvu d'un orifice axial 9 faisant face au fond 10 d'un boîtier, par exemple métallique, dans lequel est monté le système de contrôle de débit et portant par exemple une cellule de détection infrarouge 11. La bague 7 peut être retenue en place autour de la zone périphérique 5 par une simple butée, de type barrette ou goupille enfichée dans la partie d'extrémité 2. Dans le mode de réalisation de la figure 1, une rainure axiale 12 débouchant en amont dans le passage radial 6 et en aval dans la face avant de la partie d'extrémité 2 est formée dans la zone périphérique 5. La bague annulaire 7 étant réalisée dans un matériau ayant un coefficient de dilatation nettement supérieur à celui de l'élément central 1, le fonctionnement de système est le suivant : Avant admission du gaz à détendre, c'est à dire à température ambiante, un passage annulaire de sortie 13 de section largement supérieure à celle du passage 6 existe entre la bague 7 et la surface 5. Lors de l'admission du fluide cryogénique dans l'alésage 3, sa détente en sortie du système de contrôle de débit via les passages 6 et 13 provoque un refroidissement rapide de l'ensemble du système se traduisant par une contraction de la bague 7 autour de la partie d'extrémité 2 se traduisant par une disparition rapide du passage annulaire de sortie 13. Dès lors, le gaz comprimé à détendre ne peut plus s'échapper que par la rainure axiale 12, c'est à dire avec un débit beaucoup plus faible que, précédemment, via le passage annulaire 13, permettant ainsi d'assurer une détente continue de maintien en froid du cryostat au prix d'un faible prélèvement de gaz. Dans le mode de réalisation de la figure 2, le passage de sortie de gaz à section réduite est réalisé par un tube capillaire 13 traversant la paroi de fond de la partie d'extrémité 2 en étant brasé à cette dernière, et s'étendant dans l'alésage 3 en avant du passage radial 6 et avantageusement au-delà de l'ouverture 9 dans le capot 8 pour diriger le flux réduit de fluide froid directement sur la zone de la cellule 11. Dans le mode de réalisation de cryostat représenté sur la figure 3, le système de contrôle de débit est analogue à celui de la figure 1, mais l'alésage borgne 3, où débouche le passage radical 6, est décalé latéralement, dans la partie d'extrémité 2, à proximité de la rainure axiale de fuite 12, et le gaz de travail est acheminé par un tube 14 dont l'extrémité aval est emmanchée et brasée dans l'alésage 3 et dont la zone amont est conformée en spirale pour former un serpentin échangeur de chaleur 15 s'étendant axialement dans le boîtier 10 du cryostat. Pour des pressions de gaz moyennes (n'excédant pas 200 bars) la bague 7 peut être réalisée en matériau plastique, par exemple en Téflon (TM). Pour des pressions moyennes et hautes de gaz, les éléments 1 et 7 sont réalisés en métal, avantageusement en Invar et en aluminium, respectivement. La bague 7 peut également être réalisée en cuivre ou alliage de cuivre. Quoique l'invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisations particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée, mais est susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de métier dans le cadre des revendications ci-après. En particulier, elle peut trouver une application dans tout type de géométrie de refroidisseur Joule-Thomson, par exemple conique ou plat. REVENDICATIONS 1. Système de contrôle de débit de fluide cryogénique, comprenant un premier élément formant un canal d'amenée de fluide et un passage de sortie sélectivement occultable par un deuxième élément déplaçable par rapport au premier élément par effet de différences de coefficients de dilatation entre les matériaux des premier et deuxième éléments, caractérisé en ce que le passage de sortie comprend une partie (6) s'étendant orthogonalement par rapport au canal d'amenée (3) et débouchant à la périphérie (5) d'une partie d'extrémité (2) du premier élément (1), le deuxième élément (7) étant disposé au moins partiellement autour de ladite partie d'extrémité (2). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie d'extrémité (2) est sensiblement cylindrique et le deuxième élément (7) est annulaire et coaxial à la partie d'extrémité. 3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le passage de sortie comprend une deuxième partie de section réduite (12 ; 13) non occultable par le deuxième élément (7). 4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième partie du passage de sortie est constituée par une rainure axiale (12) formée dans la périphérie (5) de la partie d'extrémité (2) du premier élément (1). 5. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième partie du passage de sortie est formée par un tube capillaire (13) prolongeant le canal d'amenée (3) au travers de la partie d'extrémité (2) du premier élément (1). 6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le deuxième élément (7) est réalisé en matériau plastique. 7. Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les premier et deuxième éléments sont réalisés en matériaux métalliques. 8. Refroidisseur Joule-Thomson comportant un système de contrôle de débit selon l'une des revendications précédentes.