Refroidisseur miniature à détente Joule-Thomson et son procédé de fabrication

Description

[0001] La présente invention est relative à un refroidisseur miniature à détente Joule-Thomson à double bobinage, du type décrit dans le préambule de la revendication 1. De tels refroidisseurs (voir par exemple FR-A-1468862) assurent une efficacité élevée de la détente Joule-Thomson, car la pression après détente est basse, les pertes de charge du circuit basse-pression étant faibles.

[0002] Dans ces refroidisseurs, il est nécessaire qu'une bonne étanchéité soit obtenue entre d'une part le tube intérieur et le mandrin, d'autre part le tube extérieur et l'enveloppe, pour éviter que le gaz froid basse-pression by-passe les tubes, lesquels véhiculent le gaz haute-pression destiné à être détendu.

[0003] Pour obtenir ce résultat, le FR-A-1468862 utilise des cales élastiques. Or, pour obtenir une vitesse de mise en froid élevée, il faut réduire autant que possible l'inertie thermique, et donc la masse, du refroidisseur, alors que lesdites cales, en imposant des contraintes mécaniques radiales relativement élevées au mandrin et à l'enveloppe, obligent à augmenter l'épaisseur et donc la masse de ces éléments.

[0004] L'invention a pour but de permettre d'atteindre à un faible prix de revient une masse, et donc une inertie thermique, réduites.

[0005] A cet effet, l'invention a pour objet un refroidisseur du type précité, caractérisé par le contenu de la partie caractérisante de la revendication 1.

[0006] L'invention a également pour objet un procédé de fabrication d'un tel refroidisseur. Suivant ce procédé:

― on bobine le tube intérieur sur le mandrin, et on le fixe sur celui-ci;

― on bobine le tube extérieur contre la paroi interne de l'enveloppe, et on le fixe contre cette paroi; et

― on insère le mandrin dans l'enveloppe par un mouvement de vissage.

[0007] Suivant un autre mode de réalisation, présentant des avantages analogues, le refroidisseur miniature à détente Joule-Thomson suivant l'invention, du type décrit dans le préambule de la revendication 7 (GB-A-1168997), est caractérisé par le contenu de la partie caractérisante de la revendication 7.

[0008] Deux exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels:

― la figure 1 est une vue partielle en coupe longitudinale d'un cryostat muni d'un refroidisseur conforme à l'invention;

― les figures 2 à 9 illustrent schématiquement les étapes successives de fabrication du refroidisseur de la figure 1; et

― la figure 10 représente en coupe axiale un autre mode de réalisation de l'invention.

[0009] Le cryostat représenté à la figure 1 est constitué d'un Dewar 1, d'un refroidisseur 2 et d'un dispositif 3 d'alimentation de ce dernier en gaz haute-pression.

[0010] Le Dewar 1 est une double enveloppe sous vide délimitant un puits cylindrique 4 d'axe X-X supposé vertical, ouvert à son extrémité supérieure et fermé à son extrémité inférieure par un fond 5. Un élément 6 à réfrigérer, par exemple un détecteur infra-rouge relié par des fils électriques (non représentés) à l'extérieur du cryostat, est fixé, notamment collé, sur le fond 5, dans l'espace sous vide. L'extrémité supérieure du puits 4 est reliée à la paroi supérieure 7 du Dewar, qui est plane et horizontale.

[0011] Le refroidisseur 2, de forme générale cylindrique d'axe X-X, se compose d'un mandrin tubulaire intérieur 8, d'une enveloppe extérieure tubulaire 9 entourant le mandrin 8 sur toute sa longueur, d'une tête de liaison 10, et de deux tubes capillaires en acier inoxydable, à savoir un tube intérieur 11 et un tube extérieur 12.

[0012] La tête 10 est constituée par une bague relativement massive dans l'alésage de laquelle l'extrémité supérieure de l'enveloppe 9 est emboîtée et fixée par brasage ou collage. Un collet 13, emboîté dans l'entrée du puits 4, fait saillie vers le bas autour de l'alésage de la bague 10 et autour de l'enveloppe 9. Cette bague s'applique par une face inférieure plane sur la paroi 7 du Dewar, l'étanchéïté étant obtenue au moyen d'un joint torique 14. Un autre collet cylindrique 15, présentant deux rainures verticales 16, fait saillie vers le haut le long de la périphérie extérieure de la bague 10.

[0013] Une coupelle 17 est insérée dans le collet 15. Sa partie intérieure, en creux, s'emboîte dans l'extrémité supérieure du mandrin en l'obturant, et sa collerette extérieure, plane, s'applique sur l'épaulement formé à la base du collet 15. Cette collerette présente sur son pourtour une série de lumières 18 en regard de l'espace séparant le mandrin de l'enveloppe 9.

[0014] Le tube intérieur 11 est bobiné en hélice sur l'essentiel de la longueur du mandrin 8 qui émerge de la tête 10, à partir de l'extrémité inférieure de ce mandrin, et il est fixé par brasage sur celui-ci, sur toute sa longueur bobinée. A partir de l'extrémité supérieure de cette partie bobinée, le tube 11 traverse radialement à joint étanche le mandrin 8 puis s'étend vers le haut et traverse à joint étanche le fond de la coupelle 17, puis il traverse une rainure 16 et décrit une demi-boucle autour du collet 15.

[0015] De même, le tube extérieur 12 est bobiné en hélice sur l'essentiel de la longueur de l'enveloppe 9 qui émerge de la tête 10, à partir de l'extrémité inférieure de cette enveloppe et contre la paroi interne de celle-ci, et il est fixé à cette paroi par brasage tout le long de sa partie bobinée. A partir de l'extrémité supérieure de cette partie bobinée, le tube 12 s'étend vers le haut en traversant une lumière 18 de la coupelle 17, puis traverse horizontalement l'autre rainure 16 et décrit une boucle complète autour du collet 15.

[0016] Les extrémités inférieures des deux tubes 11 et 12 sont reliées par un coude 19 percé d'un orifice de détente calibré 20, lequel débouche en regard du fond 5 du Dewar.

[0017] Le dispositif d'alimentation 3 comprend une capacité 21 d'un gaz, ou d'un mélange de gaz, sous très haute pression, par exemple sous 500 à 700 bars. Cette capacité s'applique sur la face 7 du Dewar et présente un large évidement 22 d'axe X-X autour du puits 4. Un contre-alésage 23, dans lequel est emboîtée et brasée la partie supérieure du collet 15, est prévu dans la région de l'axe X-X. Dans l'évidement 22 débouche un organe de sortie 24 d'une vanne d'alimentation commandée à distance, et les extrémités amont des tubes 11 et 12 pénètrent à joint étanche dans cet organe 24. La paroi de la capacité 21 est par ailleurs percée d'un canal d'échappement 25 qui débouche d'une part dans l'évidement 22, et d'autre part à l'air libre.

[0018] En fonctionnement, le gaz haute-pression est véhiculé par les tubes 11 et 12 jusqu'à l'orifice 20, se détend et remonte entre le mandrin 8 et l'enveloppe 9 en refroidissant le gaz haute-pression. Puis le gaz basse-pression s'échappe par les lumières 18, les rainures 16 et le canal 25.

[0019] Grâce au brasage indépendant des deux tubes, on obtient un refroidisseur ayant à la fois une très bonne efficacité d'échange thermique au niveau des tubes 11 et 12, car il n'y a pratiquement pas de fuites entre ces tubes et les éléments associés 8 et 9, et une faible perte de charge dans le circuit basse-pression. A son tour, cette faible perte de charge permet d'utiliser des débits de gaz accrus et donc d'obtenir des puissances frigorifiques relativement importantes.

[0020] De plus, grâce à la présence de jeux radiaux importants, les vibrations n'affectent ni le refroidisseur ni l'élément à refroidir. On remarque également que les éléments 8 et 9 ne subissent pas d'efforts mécaniques importants et peuvent donc être réalisés sous la forme de tubes en acier inoxydable de très faible épaisseur, ce qui réduit la masse, et donc l'inertie thermique, du refroidisseur.

[0021] La simplicité de la fabrication du refroidisseur 2, qui conduit à un faible prix de revient, apparaîtra en considérant la succession d'opérations illustrée aux figures 2 à 9.

[0022] Le tube 11, préalablement étamé, est bobiné sur le mandrin 8, lui-même enfilé provisoirement sur un noyau cylindrique non représenté (figure 2), et le tube 12, également étamé, est bobiné sur un mandrin auxiliaire 26 extérieurement fileté au pas désiré et constitué d'une matière anti-adhérente et résistante vis-à-vis du brasage, par exemple de titane (figure 3). Les deux tubes 11 et 12 sont bobinés dans le même sens et avec le même pas.

[0023] L'enveloppe 9 est enfilée, sans jeu notable, sur le tube 12 et reçoit la tête 10 (figure 4), puis les deux ensembles 8-11 et 9-10-12-26 ainsi obtenus sont passés dans un four de brasage (figure 5). Les tubes 11 et 12 sont ainsi solidarisés avec les éléments respectifs 8 et 9 qui les portent.

[0024] On retire ensuite le mandrin auxiliaire 26, par un mouvement de dévissage (figure 6), puis on introduit l'ensemble 8-11 dans l'ensemble 9-12 par un mouvement de vissage (figure 7). Puis, après avoir correctement positionné ces deux ensembles l'un par rapport à l'autre, tant dans le sens radial que dans le sens axial, on met en place la coupelle 17 (figure 8), après quoi on complète le refroidisseur par la mise en place du coude 19 (figure 9).

[0025] En variante, l'enveloppe 9 peut être supprimée et le tube 12 brasé directement sur la paroi interne du puits 4. Cependant, l'utilisation de l'enveloppe 9 présente l'avantage de conduire à un refroidisseur entièrement autonome par rapport au Dewar et que l'on peut sans difficulté mettre en place de façon amovible dans celui-ci, sans contact entre l'échangeur de chaleur et le puits du Dewar.

[0026] Le gaz utilisé dépend de la puissance frigorifique nécessaire et de la température basse que l'on veut atteindre. Ce peut être notamment de l'argon ou un mélange d'argon avec un "Fréon", dont le point d'ébullition est plus élevé mais qui possède un effet Joule-Thomson plus fort.

[0027] En variante encore, on peut supprimer le coude 19 et disposer un orifice de détente à l'extrémité inférieure de chaque tube 11, 12. Dans ce cas, il est possible d'alimenter les deux tubes avec deux gaz différents.

[0028] Il est à noter que comme l'enveloppe 9 n'est pas en contact avec le puits 4, on peut envisager d'introduire le même refroidisseur 2 dans un puits de Dewar de forme non cylindrique, notamment conique.

[0029] De plus, l'enveloppe 9 et le mandrin 8 peuvent eux-mêmes être coniques et, à la limite, plats. On aboutit alors à un mode de réalisation particulier de l'invention (Figure 10) dans lequel le refroidisseur 2A est constitué de deux disques parallèles 8A et 9A, maintenus à distance l'un de l'autre par une bague 17A à lumières 18A, avec un tube capillaire 11A en forme de spirale plane brasé sur la face intérieure du disque 8A et un tube capillaire 12A en forme de spirale plane imbriquée dans la première spirale, brasé sur le disque 9A. Chaque tube 11A, 12A se termine au centre du dispositif par un orifice calibré de détente orienté vers l'élément 6 à refroidir.

[0030] En particulier, comme représenté, chaque disque peut comporter un rebord périphérique 8B, 9B sur lequel est fixé un couvercle circulaire 27, de façon à délimiter deux chambres sous vide. L'élément 6 à refroidir est collé sur le disque 8A dans la chambre sous vide adjacente, ce qui complète le cryostat.

Revendications

1. Refroidisseur miniature (2) à détente Joule-Thomson, du type comprenant un mandrin de révolution (8) entouré par une enveloppe (9) de même axe, et deux tubes (11, 12) bobinés en hélice dans l'espace situé entre le mandrin et l'enveloppe, dont un tube intérieur (11) au contact du mandrin et un tube extérieur (12) au contact de l'enveloppe, le diamètre intérieur de l'hélice formé par le tube extérieur étant inférieur au diamètre extérieur de celle formée par le tube intérieur, la distance entre le mandrin et l'enveloppe étant supérieure au diamètre des tubes et les spires des deux tubes étant imbriquées les unes dans les autres, caractérisé en ce que le tube intérieur (11) est fixé, notamment brasé, sur le mandrin (8) sur toute sa longueur bobinée tandis que le tube extérieur (12) est fixé, notamment brasé, indépendamment du tube intérieur, sur la paroi interne de l'enveloppe (9), sur toute sa longueur bobinée.

2. Refroidisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que le mandrin (8) et l'enveloppe (9) sont reliés à leur extrémité amont par une tête (10), de façon à constituer un ensemble autonome.

3. Refroidisseur suivant la revendication 1, caractérisé et ce que l'enveloppe est constituée par la paroi interne d'un puits (4) faisant partie d'un Dewar.

4. Refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les extrémités aval des deux tubes (11, 12) sont réunies par un organe de liaison (19) pourvu d'un orifice de détente (20).

5. Refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le mandrin (8) et l'enveloppe (9) sont cylindriques.

6. Refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le mandrin (8) et l'enveloppe (9) sont coniques.

7. Refroidisseur miniature (2A) à détente Joule-Thomson, du type comprenant une enveloppe plate contenant un bobinage spiralé et comprenant elle-même deux surfaces parallèles (8A, 9A), et des moyens (17A) de maintien de ces surfaces à distance l'une de l'autre, caractérisé en ce que le bobinage comprend un tube en spirale (11A, 12A) fixé, notamment brasé, sur chaque surface, les spires des deux tubes s'interpénétrant, chaque tube débouchant au voisinage du centre de la sprirale pair un orifice de détente et la distance entre les deux surfaces étant supérieure au diamètre des tubes.

8. Procédé de fabrication d'un refroidisseur (2) suivant la revendication 1, caractérisé en ce que:

― on bobine le tube intérieur (11) sur le mandrin (8), et on le fixe sur celui-ci;

― on bobine le tube extérieur (12) contre la paroi interne de l'enveloppe (9), et on le fixe contre cette paroi; et

― on insère le mandrin (8) dans l'enveloppe (9) par un mouvement de vissage.

9. Procédé suivant la revendication 8, caractérisé en ce que, pour mettre en place le tube extérieur (12) dans l'enveloppe (9), on le bobine sur un mandrin auxiliaire (26), de préférence fileté, et l'on introduit l'ensemble dans l'enveloppe (9) sans jeu notable.

10. Procédé suivant l'une des revendications 8 et 9, caractérisé en ce que les deux tubes (11, 12) sont préalablement étamés et sont fixés par brasage sur le mandrin (8) et contre l'enveloppe (9) respectivement.

Ansprüche

1. Miniaturkühler (2) unter Entspannen nach Joule-Thomson mit einem Drehdorn (8), der von einer koaxialen Hülle (9) umgeben ist, und zwei Rohren (11, 12), die in Schraubenform in dem Raum zwischen dem Dorn und der Hülle aufgewickelt sind, von denen ein inneres Rohr (11) mit dem Dorn und ein Außenrohr (12) mit der Hülle in Kontakt sind, der Innendurchmesser der Schraube, der durch das Außenrohr gebildet ist, kleiner ist als der Außendurchmesser derjenigen, welcher durch das Innenrohr gebildet ist, und wobei der Abstand zwischen dem Dorn und der Hülle größer als der Durchmesser der Rohre und der Windungen der zwei Rohre ist, die beide dachziegelartig ineinander verschachtelt sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (11) am Dorn (8) auf seiner ganzen aufgespulten Länge befestigt, vorzugsweise gelötet ist, während das Außenrohr (12) unabhängig vom Innenrohr auf der Innenwand der Hülle (9) auf seiner ganzen aufgespulten Länge befestigt, insbesondere gelötet ist.

2. Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (8) und die Hülle (9) an ihrem Ende aufstromig durch einen Kopf (10) derart verbunden sind, daß sie eine autonome Gesamtheit bilden.

3. Kühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle durch die Innenwand eines Schachtes (4) gebildet ist, welcher Teil eines Dewar-Gefäßes ist.

4. Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der zwei Rohre (11, 12) abstromig durch ein Verbindungsorgan (19) vereint sind, welches mit einer Entspannungsöffnung (20) versehen ist.

5. Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (8) und die Hülle (9) zylindrisch sind.

6. Kühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn (8) und die Hülle (9) konisch sind.

7. Miniaturkühler (2A) unter Entspannung nach Joule-Thomson, mit einer flachen Hülle, die eine spiralförmige Wicklung enthält und selbst zwei parallele Oberflächen (8A, 9A) und Mittel (17A) aufweist, um diese Oberflächen in Abstand zueinander zu halten, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung ein spiralförmiges Rohr (11A, 12A) aufweist, welches an jeder Oberfläche befestigt, vorzugsweise gelötet ist, wobei die Spiralen der zwei Rohre sich gegenseitig durchdringen, jedes Rohr in der Nachbarschaft der Mitte der Spirale durch eine Entspannungsöffnung mündet und der Abstand zwischen den beiden Oberflächen größer als der Durchmesser der Rohre ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines Kühlers (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß:

― man das Innenrohr (11) auf den Dorn (8) aufwickelt und man dieses auf ihm befestigt;

― man das Außenrohr (12) gegen die Innenwand der Hülle (9) wickelt und man dieses gegen diese Wand befestigt; und

― man den Dorn (8) durch eine Schraubbewegung in die Hülle (9) einbringt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zum Anbringen des Außenrohres (12) in der Hülle (9) man dieses auf einen Hilfsdorn (26) aufspult, der vorzugsweise Außengewinde hat, und daß man die Gesamtheit ohne merkliches Spiel in die Hülle (9) einführt.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Rohre (11, 12) vorher verzinnt sind und durch Löten auf dem Dorn (8) bzw. gegen die Hülle (9) befestigt sind.

Claims

1. Miniature Joule-Thomson expansion cooler (2) of the type comprising a mandrel (8) generated by revolution and surrounded by a casing (9) having the same axis, and two tubes (11, 12) spirally wound in the space located between the mandrel and the casing, of which tubes an inner tube (11) is in contact with the mandrel and an outer tube (12) is in contact with the casing, the inner diameter of the spiral formed by the external tube being less than the outer diameter of the spiral formed by the inner tube, the distance between the mandrel and the casing being greater than the diameter of the tubes, and the turns of the two tubes overlapping one inside the other, characterised in that the inner tube (11) is attached, in particular by soldering, to the mandrel (8) over its entire wound length, while the outer tube (12) is attached, in particular by soldering, independently of the inner tube, to the inner wall of the casing (9), over its entire wound length.

2. Cooler according to claim 1, characterised in that the mandrel (8) and the casing (9) are connected at their upstream ends by a head (10), so that a self-contained assembly is formed.

3. Cooler according to claim 1, characterised in that the casing is formed by the inner wall of a well (4) which is part of a Dewar flask.

4. Cooler according to any one of claims 1 to 3, characterised in that the downstream ends of the two tubes (11, 12) are joined by a connecting element (19) provided with an expansion hole (20).

5. Cooler according to any one of claims 1 to 4, characterised in that the mandrel (8) and the casing (9) are cylindrical.

6. Cooler according to any one of claims 1 to 5, characterised in that the mandrel (8) and the casing (9) are conical.

7. Miniature Joule-Thomson expansion cooler (2A) of the type comprising a flat casing containing a spirally wound winding, the flat casing itself comprising two parallel surfaces (8A, 9A), and means (17A) for keeping these surfaces at a distance from each other, characterised in that the winding comprises a spiral tube (11A, 12A) attached, in particular by soldering, to each surface, the turns of the two tubes being interpenetrating, with each tube emerging in the region of the centre of the spiral through an expansion hole, and the distance between the two surfaces being greater than the diameter of the tubes.

8. Manufacturing process for a cooler (2) according to claim 1, characterised in that:

― the inner tube (11) is wound on the mandrel (8), and is attached to this mandrel;

― the outer tube (12) is wound against the inner wall of the casing (9), and is attached against this wall; and

― the mandrel (8) is inserted into the casing (9) by a screwing movement.

9. Process according to claim 8, characterised in that, in order to position the outer tube (12) within the casing (9), this tube is wound on an additional, preferably threaded mandrel (26), and the assembly is introduced into the casing (9) without an appreciable amount of clearance.

10. Process according to one of claims 8 and 9, characterised in that the two tubes (11, 12) are tin-plated beforehand, and are attached by soldering to the mandrel (8) and against the casing (9), respectively.

Dessins