Refroidisseur Joule-Thomson avec échangeur de chaleur formé d'une masse poreuse

Abstract

 La masse poreuse (7) de l'échangeur de chaleur du refroidisseur Joule-Thomson (1) est constitué de billes de diamètre uniforme revêtues d'une couche d'un matériau ayant un point de fusion inférieur à celui de la matière dont sont constituées les billes, ces dernières étant liées les unes aux autres par fusion dudit matériau.
Application au refroidissement de détecteurs infra-rouge.

Description

[0001] La présente invention est relative aux refroidisseurs cryogéniques à détente Joule-Thomson du type comprenant une enveloppe présentant un emplacement à refroidir, un serpentin destiné à véhiculer du gaz sous haute pression, disposé dans l'enveloppe et présentant un orifice de détente au voisinage dudit emplacement, et une masse poreuse emplissant la région de l'enveloppe qui contient le serpentin mais laissant libre une chambre de détente dans laquelle débouche ledit orifice de détente. Ces refroidisseurs sont destinés à obtenir très rapidement des températures basses comprises entre 80 et 200K environ et son utilisés par exemple pour refroidir des détecteurs infra-rouge.

[0002] Le FR-A-2 602 316 décrit un refroidisseur Joule-Thomson du type précité. La présente invention a pour but de fournir une technologie simple et économique de réalisation d'un tel refroidisseur, permettant d'obtenir une température basse très proche du point d'ébullition normal du gaz détendu et très bien reproductible.

[0003] A cet effet, l'invention a pour objet un refroidisseur du type précité, caractérisé en ce que la masse poreuse est constituée de billes de diamètre uniforme revêtues d'une couche d'un matériau ayant un point de fusion inférieur à celui de la matière dont sont constituées les billes, ces dernières étant liées les unes aux autres par fusion dudit matériau.

[0004] Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel les figures 1 et 2 sont des vues en coupe axiale de deux modes de réalisation d'un cryostat comprenant un refroidisseur conforme à l'invention.

[0005] Le cryostat représenté à la figure 1 a la même constitution générale que celui décrit en regard de la figure 9 du FR-A-2 602 316 précité. Il comprend un refroidisseur Joule-Thomson 1 disposé dans une enceinte sous vide 2. L'nesmble possède un axe général de symétrie X-X supposé vertical.

[0006] Le refroidisseur 1 comprend une enveloppe cylindrique 3 à simple paroi ouverte vers le haut et constituée elle-même d'un tronçon tubulaire métallique 4 obturé à son extrémité inférieure par une coupelle 5 en cuivre, un serpentin capillaire 6 en acier inoxydable, et une masse poreuse 7 qui constitue la seule différence entre ce cryostat et celui de la figure 9 du FR-A précité. Un élément 8 à refroidir, par exemple un disque formant détecteur infra-rouge, est fixé sur le fond de la coupelle 5, à l'extérieur de celle-ci.

[0007] L'extrémité supérieure du tronçon 4 est emboîtée et brasée hermétiquement dans une ouverture 9 d'un couvercle circulaire 10 du cryostat. Le serpentin 6 pénètre dans l'enveloppe 3 par l'ouverture 9, puis présente une partie bobinée en hélice à peu près jusqu'à l'extrémité inférieur du tronçon 4. Toute la partie bobinée du serpentin est noyée dans la masse poreuse 7, laquelle emplit l'espace laissé libre par le serpentin dans la partie correspondante du tronçon 4, jusqu'à l'extrémité inférieure de celui-ci.

[0008] L'extrémité aval du serpentin 6 émerge sur une courte longueur sous la masse 7, est recourbée horizontalement sous cette masse, est obturée à son extrémité et présente latéralement un orifice de détente calibré 11 orienté vers le bas.

[0009] La coupelle métallique 5 est fixée hermétiquement à l'extrémité inférieure du tronçon 4 et ménage sous la masse 7 une chambre de détente 12 dans laquelle débouche l'orifice 11.

[0010] La masse poreuse 7 est constituée de billes de bronze étamées liées les unes aux autres, au serpentin 6 et au tronçon 4, par fusion de l'étain, comme on le décrira en détail plus loin.

[0011] L'enceinte sous vide 2 est définie d'une part par le refroidisseur 1 et d'autre part par le couvercle 10 et par des tronçons tubulaires 13, 14 d'axe X-X, ces éléments étant reliés les uns aux autres par des ensembles brides - colliers - dispositifs d'étanchéité 15. L'enceinte du cryostat est reliée vers le bas à une pompe à vide (non représentée).

[0012] Pour réaliser le refroidisseur 1, le serpentin capillaire 6 est bobiné en hélice sur un mandrin (non représenté), lequel est ensuite retiré. L'hélice est disposée avec un large jeu radial dans le tronçon tubulaire 4, et ce dernier est empli de billes de bronze de 0,5 mm de diamètre sur lesquelles on a au préalable déposé une fine couche d'étain ayant une épaisseur de l'ordre de 5 microns, jusqu'à ce que la partie bobinée du serpentin soit complètement recouverte. Dans cet exemple, le diamètre des billes est un peu supérieur au diamètre extérieur du tube capillaire 6 ; plus généralement, suivant les performances demandées au refroidisseur, le diamètre des billes peut être grossièrement du même ordre de grandeur que ce diamètre extérieur, et le rapport du diamètre des billes à l'épaisseur de la couche fusible peut être de l'ordre de 100.

[0013] Un légère vibration est appliquée à l'ensemble pour permettre une disposition homogène des billes dans l'espace qui leur est imparti, disposition qui peut être contrôlée par pesée de l'échangeur.

[0014] Quelques gouttes d'acide tel que le produit de la Société All State vendu sous la dénomination commerciale "Duzall Flux" sont réparties entre les billes, puis l'ensemble est chauffé, par exemple avec un dispositif de soufflage d'air chaud à 600°C, dans un four, par induction, etc. La température de chauffage est choisie supérieure à la température de fusion de l'étain mais inférieure à celle du bronze.

[0015] Après refroidissement, l'ensemble est rincé à l'eau chaude et séché, puis les éléments 5 et 8 sont mis en place.

[0016] En fonctionnement, après avoir établi un vide secondaire (inférieur à 10⁻⁴ mb) dans l'enceinte du cryostat, on relie l'extrémité extérieure du serpentin 6 à une source d'un gaz sous très haute pression, par exemple d'argon sous 700 bars. Le gaz haute pression, épuré par un filtre (non représenté), circule dans le serpentin, est détendu et donc refroidi au passage de l'orifice 11, et pénètre dans la chambre 12. De là, il remonte à travers la masse poreuse 7 en cédant, essentiellement par l'intermédiaire de cette masse, du froid au gaz haute pression contenu dans le serpentin 6, et le gaz haute pression s'évacue à l'atmosphère à travers l'ouverture 9. Ainsi, la température diminue rapidement dans la chambre 12, jusqu'à formation dans celle-ci de liquide à la température qui correspond à la pression qui y règne, laquelle est définie par la perte de charge du circuit basse pression à travers la masse 7.

[0017] On a pu ainsi obtenir un temps de mise en froid à 100 K inférieur à une seconde, ainsi qu'une autonomie à 100 K supérieure à deux minutes, avec un refroidisseur de diamètre extérieur de l'ordre de 3 mm et en utilisant 50 cm³ d'argon stocké sous 700 bars.

[0018] La perte de charge du circuit basse pression formé par la masse poreuse 7 est faible, car les ponts thermiques entre billes constituées par la fusion de l'étain sont petits et n'obstruent pas les espaces interbilles. De plus, cette perte de charge est très bien reproductible. On peut ainsi produire en série des refroidisseurs ayant une température basse précise et très proche du point d'ébullition normal du gaz détendu.

[0019] Le cryostat représenté à la figure 2 à la même constitution générale que celui décrit en regard de la figure 8 du FR-A-2 602 316 précité. Il comprend également un refroidisseur Joule-Thomson 1A de structure analogue à celui de la figure 1, disposé dans une enceinte sous vide 2A, mais la configuration générale est plane et circulaire et supposée d'axe vertical.

[0020] Le serpentin capillaire 6A en acier inoxydable est enroulé en une spirale plane à spires jointives ; l'extrémité extérieure de ce tube est pourvue d'un filtre (non représenté), tandis que son extrémité intérieure est obturée et présente un orifice de détente calibré 11A orienté axialement.

[0021] L'enceinte sous vide 2A est constituée par deux plaques planes 4A, 4B ayant une bonne résistance aux contraintes mécaniques et thermiques, notamment en acier inoxydable. Ces plaques 4A, 4B ont le même diamètre extérieur que la spirale 6A et comportent un rebord périphérique cylindrique 16 dirigé à l'opposé de la spirale. Un rondelle 17 est fixée par brasage, soudage ou collage sur chaque rebord 16, après mise sous vide, de façon à constituer de chaque côté du refroidisseur une chambre sous vide scellée. L'élément 8 à refroidir est fixé au centre de la plaque 4A vers laquelle est orienté l'orifice de détente 11A, dans la chambre sous vide correspondante.

[0022] La masse poreuse 7A est de nouveau la seule différence entre ce refroidisseur et celui de la figure 8 du FR-A précité. Le serpentin est disposé dans un plan horizontal situé à égale distance des deux plaques 4A, 4B et espacé de celles-ci, et la masse 7A emplit tout l'espace restant libre entre ces deux plaques, à l'exception d'une région centrale formant chambre de détente 12A, dans laquelle débouche l'orifice 11A. Comme précédemment, la masse 7A est constituée de billes de bronze étamées liées les unes aux autres, au serpentin 6A et aux plaques 4A, 4B par fusion de l'étain.

[0023] Comme on le comprend, le refroidisseur suivant l'invention peut posséder d'autres configurations, par exemple une configuration conique intermédiaire entre celles des figures 1 et 2. Par ailleurs, suivant les applications, d'autres couples de matériaux peuvent être envisagés pour constituer des billes et leur revêtement fusible, les billes pouvant être par exemple en une matière céramique.

Revendications

1. Refroidisseur Joule-Thomson (1 ; 1A), du type comprenant une enveloppe (3 ; 4A, 4B) présentant un emplacement à refroidir (5), un serpentin (6 ; 6A) destiné à véhiculer du gaz sous haute pression, disposé dans l'enveloppe et présentant un orifice de détente (11 ; 11A) au voisinage dudit emplacement, et une masse poreuse (7 ; 7A) emplissant la région de l'enveloppe qui contient le serpentin mais laissant libre une chambre de détente (12 ; 12A) dans laquelle débouche ledit orifice de détente, caractérisé en ce que la masse poreuse (7 ; 7A) est constituée de billes de diamètre uniforme revêtues d'une couche d'un matériau ayant un point de fusion inférieur à celui de la matière dont sont constituées les billes, ces dernières étant liées les unes aux autres par fusion dudit matériau.

2. Refroidisseur suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les billes sont métalliques et ledit matériau est un métal à bas point de fusion.

3. Refroidisseur suivant la revendication 2, caractérisé en ce que la masse poreuse (7 ; 7A) est constituée de billes de bronze étamées.

4. Refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la masse poreuse (7 ; 7A) est également liée à l'enveloppe (3 ; 4A, 4B) et au serpentin (6 ; 6A) par fusion dudit matériau.

5. Refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le diamètre des billes est du même ordre de grandeur que le diamètre extérieur du tube constituant le serpentin (6 ; 6A).

6. Refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le rapport du diamètre des billes à l'épaisseur de la couche dudit matériau est de l'ordre de 100.

7. Refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enveloppe (3) est cylindrique et le serpentin (6) bobiné en hélice.

8. Refroidisseur suivant la revendication 7, caractérisé en ce que la masse poreuse (7) emplit l'espace intérieur à l'hélice.

9. Refroidisseur suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'enveloppe (4A, 4B) est plate et le serpentin (6A) bobiné en spirale.

Dessins