[0001] La présente invention, due aux travaux de MM. Serge REALE, Alain FAURE, Pierre PELLOUX-GERVAIS
et Pierre MARTINEZ, de la société L'Air Liquide S.A, et de M. Gérard GUENIN, de l'Institut
National des Sciences Appliquées de Lyon, est relative aux refroidisseurs Joule-Thomson
du type comprenant une conduite haute pression se terminant par un orifice de détente
qui débouche dans un circuit d'évacuation basse pression en relation d'échange thermique
avec la conduite haute pression, et un obturateur adapté pour réduire la section de
passage du gaz détendu en fin de mise en froid du refroidisseur.
[0002] De façon générale, on cherche à réduire le temps de mise en froid ainsi que la température
froide limite et à augmenter l'autonomie des refroidisseurs Joule-Thomson. Or, ces
objectifs sont contradictoires : pour réduire le temps de mise en froid, il faut augmenter
le débit de gaz ainsi que sa pression de stockage et miniaturiser le refroidisseur,
mais ceci conduit à des pertes de charge importantes dans le circuit basse pression
et, par suite, à une température froide nettement supérieure à la température d'ébullition
normale (c'est-à-dire sous la pression atmosphérique) du gaz utilisé. De plus, du
fait du fort débit, l'autonomie est faible.
[0003] Pour améliorer cette situation, on a proposé des refroidisseurs Joule-Thomson du
type précité. Dans des solutions connues, on met à profit la contraction différentielle
de deux éléments pour assurer la réduction du débit à fin de la période de mise en
froid, ce qui permet d'abaisser la température finale et d'accroître l'autonomie du
dispositif.
[0004] Cependant, ces solutions connues font varier la section de passage du gaz détendu
de façon progressive, ce qui allonge le temps de mise en froid.
[0005] L'invention a pour but de fournir un refroidisseur Joule-Thomson qui, tout à la fois,
permet d'obtenir une température froide très voisine de la température d'ébullition
normale du gaz utilisé, possède un temps de mise en froid très court et présente une
très longue autonomie de fonctionnement.
[0006] A cet effet, l'invention a pour objet un refroidisseur Joule-Thomson du type précité,
caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'actionnement pour déplacer brusquement
l'obturateur d'une première position où l'orifice de détente est libre à une seconde
position où cet orifice est masqué par une surface laissant substituer à la périphérie
de l'orifice un passage de fuite.
[0007] Dans un premier mode de réalisation, l'orifice de détente débouche dans un fourreau
dans lequel l'obturateur, constitué par une aiguille, est monté à coulissement avec
un jeu, à froid, de l'ordre de quelques microns.
[0008] Dans un autre mode de réalisation, l'orifice de détente débouche dans un fourreau
dans lequel l'obturateur, constitué par un cylindre pourvu d'un évidement latéral,
est monté rotatif avec un jeu, à froid, de l'ordre de quelques microns.
[0009] Lorsque le refroidisseur est du type dans lequel la conduite haute pression est enroulée
en hélice autour d'un noyau tubulaire , il est avantageux que les moyens d'actionnement
de l'obturateur soient logés dans le noyau.
[0010] Quelques exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard
des dessins annexés, sur lesquels :
- les figures 1 et 2 illustrent schématiquement le principe de fonctionnement d'un
refroidisseur Joule-Thomson conforme à l'invention ;
- la figure 3 représente schématiquement en coupe longitudinale un premier mode de
réalisation du refroidisseur suivant l'invention, pendant sa phase de mise en froid
;
- la figure 4 est une vue analogue à la figure 3 montrant le refroidisseur pendant
sa phase de maintien en froid ;
- les figures 5 et 6 sont des vues analogues aux figures 3 et 4, respectivement, mais
correspondant à un second mode de réalisation du refroidisseur selon l'invention ;
- la figure 7 est une vue en coupe longitudinale d'un troisième mode de réalisation
du refroidisseur selon l'invention ;
- la figure 8 est une vue analogue d'un quatrième mode de réalisation du refroidisseur
suivant l'invention ;
- la figure 9 est une vue en bout du refroidisseur de la figure 7 ou de la figure
8, prise suivant la flèche IX de ces figures ; et
- la figure 10 montre en perspective éclatée les moyens d'actionnement du refroidisseur
de la figure 8.
[0011] La figure 1 représente l'orifice de détente 1 d'un refroidisseur Joule-Thomson conforme
à l'invention, pendant sa phase de mise en froid. Cet orifice a un diamètre D faible,
par exemple de 0,1 mm. Il est alimenté par du gaz sous haute pression, par exemple
sous une pression supérieure à 500 bars, et débouche librement dans un espace 2 qui
fait partie du circuit basse pression du dispositif. L'expression "débouche librement"
signifie que la surface la plus proche située en regard de l'orifice 1 se trouve à
une distance de celui-ci considérablement supérieure au diamètre D, de sorte que la
section de passage effective du gaz détendu est la section de l'orifice 1, soit π
D²/4.
[0012] Du fait du fort débit (par exemple 1000 à 1500 Nl/h) qui résulte de la haute pression
et de la section de passage offerte au gaz, la perte de charge de l'espace 2 à l'atmosphère
environnante est relativement élevée, par exemple de l'ordre de quelques bars. Par
suite, la température limite est rapidement atteinte dans l'espace 2, mais cette température
est d'environ 5 à 10° supérieure à la température d'ébullition normale du gaz utilisé.
[0013] Dès que cette température limite est atteinte (ce qui correspond à l'apparition du
liquide dans l'espace 2), on amène à peu près instantanément en regard de l'orifice
1 une surface d'obturation 3, en ne laissant entre cette surface et l'orifice 1 qu'un
faible jeu de fuite
j. Ce jeu
j est tel que l'aire du cylindre 4 de hauteur
j et de diamètre D, soit π.D.j, qui définit la section de passage offerte au gaz détendu,
soit très inférieure à la section libre de l'orifice 1.
[0014] On assure ainsi une réduction brusque et importante du débit de gaz, par exemple
dans un rapport supérieur à 10, ce qui a deux effets : d'une part, ceci diminue la
perte de charge dans le circuit basse pression et, par suite, abaisse la température
d'ébullition jusqu'au voisinage de la température d'ébullition normale. D'autre part,
on prolonge considérablement la durée de la phase de maintien en froid du dispositif.
Comme on le comprend, ceci est obtenu sans augmenter la durée de la phase de mise
en froid, puisque le débit maximal est conservé sans changement pendant toute cette
phase.
[0015] Les figures 3 à 10 illustrent plusieurs modes de réalisation permettant la mise en
oeuvre du principe illustré aux figures 1 et 2.
[0016] Le refroidisseur représenté aux figures 3 et 4 est de révolution autour d'un axe
X-X, supposé vertical pour la commodité de la description, et comprend un noyau intérieur
tubulaire 5 ouvert à son extrémité supérieure et une double enveloppe extérieure 6
isolée sous vide et formant Dewar. Une tête supérieure 7 en forme de coupelle inversée
ferme l'espace intérieur du noyau 5 et l'espace annulaire 8 compris entre le noyau
5 et l'enveloppe 6 ; l'espace 8 communique toutefois avec l'atmosphère environnante
par une série de trous 9 traversant la tête 7. Les diamètres supérieurs du noyau 5
et de l'enveloppe 6 sont respectivement de 2,5 mm et de 5 mm environ.
[0017] A son extrémité inférieure, le noyau 5 présente un fond 10 sur lequel fait saillie
vers le bas un fourreau 11 d'axe X-X. Une conduite haute pression 12, constituée d'un
tube portant une ailette hélicoïdale, est bobinée en hélice sur toute la longueur
du noyau 5, en contact avec celui-ci et avec la paroi intérieure de l'enveloppe 6
; son extrémité supérieure traverse la tête 7 et est reliée à une source de gaz comprimé
sous haute pression (non représentée), et son extrémité inférieure 13 est fixée dans
un perçage incliné vers le bas qui est prévu dans la paroi du fourreau 11 et dont
la partie intérieure, de diamètre réduit, forme l'orifice de détente 1.
[0018] La paroi intérieure de l'enveloppe 6 porte à son extrémité inférieure un fond 14
sur lequel se fixe en contact d'échange thermique un élément 15 à refroidir, qui peut
être par exemple un détecteur infra-rouge et qui est situé dans l'espace sous vide
du Dewar. Entre les fonds 10 et 14 est ainsi délimitée une chambre de refroidissement
16 qui constitue la partie la plus froide du dispositif et correspond à l'espace 2
de la figure 1.
[0019] Une tige 17 est montée coulissante à l'intérieur du noyau 5. Cette tige porte à son
extrémité inférieure une aiguille obturatrice 18 et, à son extrémité supérieure, un
plongeur d'électro-aimant 19. L'aiguille 18 coulisse à ajustement étroit dans le fourreau
11, c'est-à-dire avec un jeu qui, compte tenu des coefficients de dilatation, est,
sur le diamètre, de l'ordre de quelques microns pour la température froide de fonctionnement
du refroidisseur. Par exemple, si l'aiguille est en acier 100 C 6 et le fourreau en
bronze-béryllium, on prévoira un jeu, sur le diamètre, de 5 à 6 microns à la température
ambiante, ce qui correspond à un jeu, sur le diamètre, de 2 à 3 microns à une température
froide de l'ordre de 90 K.
[0020] Le plongeur 19 coulisse dans le tête 7. Autour de celle-ci est disposé un bobinage
d'électro-aimant 20 dont les bornes 21, 22 sont adaptées pour être reliées aux bornes
d'une source de courant continu (non représentée). Un ressort 23 est comprimé axialement
entre le fond de la tête 7 et le plongeur 19. Le guidage de la tige 17 est assuré
d'une part par l'aiguille 18, d'autre part par le plongeur 19.
[0021] Au repos, le dispositif est dans l'état représenté à la figure 4 : l'électro-aimant
n'est pas alimenté en courant électrique, de sorte que le ressort 23 est détendu et
repousse vers le bas la tige 17 jusqu'à une position de butée où l'aiguille 18 obture
l'orifice 1 au petit jeu de coulissement près (5 à 6 microns sur le diamètre puisque
le dispositif est à température ambiante).
[0022] Lors de la mise en froid, le bobinage 20 est mis sous tension et fait remonter le
plongeur 19, la tige 17 et l'aiguille 18 à l'encontre du ressort 23 jusqu'à la position
de la figure 3, où l'aiguille 18 dégage complètement l'orifice 1. Ce dernier peut
alors être considéré comme débouchant librement dans la chambre 16, comme à la figure
1.
[0023] Dans cette position, le gaz haute pression est envoyé dans la conduite 12 et est
détendu à fort débit au passage de l'orifice 1. Le gaz détendu et, par suite, refroidi
remonte entre les spires de la conduite 12 jusqu'à être évacué dans l'atmosphère environnante
par les orifices 9, en refroidissant le gaz haute pression. Ainsi, la température
du gaz détendu diminue de plus en plus, jusqu'à apparition de liquide dans la chambre
16, sur le fond 14.
[0024] A cet instant, que l'on peut déterminer expérimentalement, la température se stabilise
dans la chambre 16 à la température d'ébullition du gaz sous la pression régnant dans
la chambre 16, pression qui est déterminée par la perte de charge du circuit basse
pression, c'est-à-dire entre cette chambre et l'atmosphère environnante, pour le débit
de gaz qui traverse le dispositif. Comme indiqué plus haut, cette pression est de
l'ordre de quelques bars.
[0025] On coupe alors l'alimentation électrique du bobinage 20, par exemple au moyen d'un
temporisateur, de sorte que le ressort 23 ramène instantanément la tige 17 à sa position
initiale de la figure 2 : l'aiguille 18 obture l'orifice 1 et, étant repoussée latéralement
par le jet de gaz sortant de cet orifice, se trouve à une distance
j de celui-ci (figure 2) égale au jeu diamétral à basse température, soit 2 à 3 microns
avec les valeurs numériques indiquées plus haut. Le débit est ainsi réduit à une valeur
faible mais suffisante pour assurer le maintien en froid du dispositif ; la perte
de charge du circuit basse pression est réduite d'autant, la température du liquide
contenu dans la chambre 16 descend jusqu'à une valeur voisine du point d'ébullition
à la pression atmosphérique du gaz utilisé. De plus, comme le débit de gaz est très
faible, le dispositif peut-être maintenu en froid pendant une période de temps prolongée.
[0026] A titre d'exemple numérique, au cours d'essais d'un prototype avec une capacité d'argon
de 50 cm³sous 700 bars, on a pu obtenir les temps de mise en froid suivants : 120
K en 0,6 s, 100 K en 0,8 s, 90 K en 1,4 s, et 87,3 K en 2,5 s, et une autonomie de
fonctionnement de 38 mn.
[0027] Le refroidisseur illustré aux figures 5 et 6 ne diffère du précédent que par les
points suivants : le bobinage 20 est supprimé, et la tête 7 a une forme plane. La
tige 17 est raccourcie et le plongeur 19, qui n'a plus qu'un rôle de guidage, coulisse
dans le noyau 5. Sous la tête 7 est prévu un fil fusible 24 qui, au repos et pendant
la phase de mise en froid, maintient la tige 17 en position haute à l'encontre du
ressort 23 (figure 5). Lorsque, en fin de mise en froid, le liquide apparaît dans
la chambre 16, une tension est appliquée entre les deux extrémités 25, 26 du fil 24,
à l'extérieur de la tête. Ceci provoque la fusion du fil, et le ressort 23 repousse
instantanément l'aiguille 18 dans la position basse d'obturation de l'orifice 1 (figure
6).
[0028] Aux figures 7 et 9, on a représenté un autre mode de réalisation du refroidisseur
suivant l'invention, dont la tête 7 est la même qu'aux figures 3 et 4. Dans cet exemple,
le fourreau 11 forme un tube partiellement enfilé dans l'extrémité inférieure du noyau
5, qui est constitué par un tronçon tubulaire. Dans l' alésage du fourreau est monté
à rotation, avec un faible jeu du même ordre que précédemment, un obturateur cylindrique
18 A. Cet obturateur présente dans sa partie inférieure une rainure en coin 27 contenue
dans un plan diamétral, à section transversale en U (figure 9) et à section longitudinale
triangulaire (figure 7). Le fond de la rainure 27 est incliné à 45°, parallèlement
à l'axe de l'orifice 1, et s'étend de la surface latérale de l'obturateur à sa face
d'extrémité.
[0029] L'obturateur 18 A est relié par une tige 17 A pourvue d'un renflement intermédiaire
de guidage 28 au rotor 19 A d'un moteur électrique pas à pas. Ce rotor est contenu
dans la tête 7 et le stator 20 A du moteur est disposé autour de cette tête, comme
aux figures 3 et 4. Un ressort de torsion 23 A est fixé par une extrémité au rotor
19 A et par son autre extrémité à la tête 7.
[0030] Au repos, le stator 20 A n'est pas alimenté, et le ressort 23 A est détendu. La position
angulaire de la tige 17 A est telle que la rainure 27 se trouve décalée angulairement
par rapport à l'orifice 1, comme représenté en 27₁ à la figure 9. L'orifice 1 est
ainsi obturé, avec un faible jeu diamétral de 5 à 6 microns.
[0031] Lors de la mise en froid, le stator 20 A est alimenté, ce qui provoque la rotation
du rotor 19 A à l'encontre du ressort 23 A et amène la rainure 27 en regard de l'orifice
1, comme indiqué en 27₂ à la figure 9. L'orifice 1 est alors dégagé, et le gaz haute
pression envoyé dans la conduite 12 se détend à fort débit dans la chambre 16, le
jet étant dirigé directement sur le fond 14 du Dewar.
[0032] Lorsque le liquide apparaît dans la chambre 16, on coupe l'alimentation du stator
20 A. Ceci ramène la rainure 27 dans sa position 27₁, et le maintien en froid se poursuit
par détente d'un petit débit de fuite par le jeu
j de 2 à 3 microns existant entre l'orifice 1 et l'obturateur 18 A.
[0033] L'exemple des figures 8 et 9 (dont on n'a représenté que le noyau 5) est analogue
dans l'ensemble au précédent, mais les moyens d'actionnement de l'obturateur 18 A
sont différents : l'extrémité supérieure de la tige 17 A est fixée à la tête 7, qui
est plane comme aux figures 5 et 6, et sa partie aval, du renflement 28 à l'obturateur,
est remplacé par un bilame 29.
[0034] Comme on le voit à la figure 10, ce bilame est constitué de deux plaquettes de même
dimensions fixées l'une à l'autre : une plaquette mince 30 en alliage à haute résistance,
par exemple en bronze-béryllium, tordue hélicoïdalement au repos, et une plaquette
nettement plus épaisse 31 constituée d'un alliage dit "à mémoire de forme". Un alliage
à mémoire de forme est un alliage qui subit une transformation martensitique à une
température déterminée, cette transformation s'accompagnant d'une grande plasticité.
Pour les basses températures considérées, il peut notamment s'agir d'un alliage cuivre-zinc-aluminium.
[0035] A la température ambiante, la plaquette 31 se comporte comme une plaquette ordinaire.
Si l'on fixe sur elle la plaquette 30, en redressant celle-ci de façon élastique,
l'ensemble a la forme plane représentée à la figure 8.
[0036] Lorsque la température décroît et atteint la température de transformation de la
plaquette 31, la plasticité de transformation de cette dernière permet à la plaquette
30 de reprendre sa forme gauche initiale, de sorte que l'extrémité inférieure du bilame
tourne par rapport à l'autre extrémité autour de l'axe X-X, en entraînant l'obturateur
18A. On peut ainsi faire passer automatiquement la rainure 27, lorsque la mise en
froid est terminée, de la position 27₂ (phase de mise en froid) à la position 27₁
(phase de maintien en froid).
[0037] Si, lorsque le fonctionnement du réfrigérateur est terminé, ou laisse revenir le
bilame à la température ambiante, la plaquette 31 reprend sa forme initiale en déformant
la plaquette 30, de sorte que le bilame revient à sa forme plane. Ainsi, ce mode de
réalisation, comme ceux des figures 3 - 4 et 7, est à fonctionnement réversible, ce
qui permet de l'utiliser plusieurs fois, notamment pour effectuer les essais. Par
contre, le mode de réalisation des figures 5 et 6 est à fonctionnement unique et irréversible.
[0038] En variante, le bilame 29 pourrait être placé en partie chaude du réfrigérateur et
être déclenché par chauffage, par exemple par effet Joule. Il faudrait alors choisir
pour la plaquette 31 un alliage ayant une température de transformation martensitique
supérieure à 0°C, par exemple un alliage titane-nickel.
1. Refroidisseur Joule - Thomson, du type comprenant une conduite haute pression (12)
se terminant par un orifice de détente (1) qui débouche dans un circuit d'évacuation
basse pression en relation d'échange thermique avec la conduite haute pression, et
un obturateur (18 ; 18A) adapté pour réduire la section de passage du gaz détendu
en fin de mise en froid du refroidisseur, caractérisé en ce qu' il comprend des moyens
d'actionnement (19, 20, 23 ; 23, 24 ; 19A, 20A, 23A ; 29) pour déplacer brusquement
l'obturateur d'une première position où l'orifice de détente est libre à une seconde
position où cet orifice est masqué par une surface laissant substituer à la périphérie
de l'orifice un passage de fuite.
2. Refroidisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'actionnement
(19, 20, 23 ; 19A, 20A, 23A ; 29) comprennent des moyens pour ramener l'obturateur
(18 ; 18A) de ladite seconde position à ladite première position.
3. Refroidisseur suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que ladite
surface est mobile suivant une direction qui forme un angle avec l'axe de l'orifice
de détente (1) .
4. Refroidisseur suivant la revendication 3, caractérisé en ce que l'orifice de détente
(1) débouche dans un fourreau (11A) dans lequel l'obturateur (18), constitué par une
aiguille, est monté à coulissement avec un jeu, à froid, de l'ordre de quelques microns.
5. Refroidisseur suivant la revendications 3, caractérisé en ce que l'orifice de détente
(1) débouche dans un fourreau (11), dans lequel l'obturateur (18A), constitué par
un cylindre pourvu d'un évidement latéral (27), est monté rotatif avec un jeu, à froid,
de l'ordre de quelques microns.
6. Refroidisseur suivant l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce que l'obturateur
(18 ; 18A) est porté par une tige (17 ; 17A) qui s'étend jusqu'à la partie chaude
du refroidisseur, les moyens d'actionnement (19, 20, 23 ; 23, 24 ; 19A, 20A, 23A)
étant prévus dans cette partie chaude.
7. Refroidisseur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'actionnement
(19, 20, 23 ; 19A, 20A, 23A) comprennent un ressort (23 : 23A) et un électro-aimant
(20, 23 ; 20A, 23A).
8. Refroidisseur suivant la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens d'actionnement
(23, 24) comprennent un ressort (23) et un fil fusible (24).
9. Refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en
ce que les moyens d'actionnement (29) comprennent un élément (31) en matériau à mémoire
de forme.
10. Refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 7 à 9, dans lequel la
conduite haute pression (12) est enroulée en hélice autour d'un noyau tubulaire (5),
caractérisé en ce que le ressort (23 ; 23A) et l'élément mobile (19 ; 19A) de l'électre-aimant,
respectivement le ressort (23) et le fil fusible (24), respectivement l'élément (31)
en matériau à mémoire de forme, sont logés dans le noyau (5) ou dans une tête (7)
qui le prolonge.