Procédé de régulation thermique d'un mini-refroidisseur Joule-Thomson

Abstract

 L'invention porte sur le procédé de régulation d'une céramique piézo-électrique pour moduler le débit de gaz frigogène d'un mini-refroidisseur du type Joule-Thomson permettant d'assurer un pilotage optimal de la puissance frigorifique en fonction de la température de l'élément à refroidir ou d'autres paramètres du système.
Selon l'invention, la céramique (10) piézo-électrique qui pilote le pointeau (5) de détente du fluide frigogène est activée par une tension variable pseudo-périodique, en forme, ou en fréquence, ou en amplitude.
Ce système peut en particulier se substituer aux autres systèmes de régulation dans le cas d'application nécessitant une très bonne stabilité de température, comme c'est le cas de certains des détecteurs infra-rouge cryogéniques utilisés en optronique.

Description

[0001] La présente invention concerne un procédé de régulation thermique d'un mini-refroidisseur de type Joule-Thomson, utilisé dans un cryostat de détecteur en optronique.

[0002] Il est connu que les capteurs optroniques utilisent, pour la plupart, des détecteurs qui sont des circuits à transferts de charges, ou CCD, sur lesquels se forme une image focalisée par un objectif optique. Ces circuits fonctionnent à température ambiante dans le domaine du visible, mais afin de présenter une sensibilité la plus grande possible aux rayonnements, certains détecteurs tels que les détecteurs infrarouges doivent fonctionner à une température ambiante très basse. Pour obtenir ce résultat, les détecteurs sont en général montés dans des dispositifs cryostatiques du type comportant un doigt porté à très basse température sur lequel sont montés le ou les détecteurs à refroidir et qui est entouré par une paroi formant avec ledit doigt une enceinte étanche. La paroi est munie sur la partie faisant face aux détecteurs d'une fenêtre réalisée en un matériau transparent aux rayonnements à détecter.

[0003] Les systèmes de régulation des mini-refroidisseurs du type Joule-Thomson utilisés par exemple pour les capteurs fonctionnant à une température cryogénique sont généralement basés sur la commande d'un pointeau, régulant le débit du gaz frigogène, par une enceinte thermosensible déformable incorporée dans le corps du mini-refroidisseur.

[0004] Cette configuration a le désavantage de réguler le débit de gaz frigogène non pas en fonction de la température du détecteur à refroidir mais en fonction de la température du mini-refroidisseur lui-même.

[0005] C'est pourquoi on utilise de préférence des mini-refroidisseurs à régulation de débit par céramique piézo-électrique, qui peuvent être commandés par une tension directement liée à la température du capteur CCD.

[0006] L'inconvénient de la régulation par céramique piézo-électrique est l'existence d'une forte hystérésis, qui se conçoit aisément : si l'équilibre de régulation thermique est presque atteint, le signal d'erreur appliqué sur la céramique n'est qu'une faible tension continue, insuffisante pour modifier la géométrie de la pièce piézo-électrique. Il y a là un phénomène de seuil, analogue à la tension de seuil d'un transistor ou au phénomène de surfusion de l'eau refroidie très lentement. A l'hystérésis du composant piézo-électrique s'ajoute l'hystérésis mécanique de la liaison entre la céramique et le pointeau de régulation.

[0007] L'objet de la présente invention est donc de proposer un procédé de régulation permettant de supprimer ces phénomènes d'hystérésis dans les mini-refroidisseurs à régulation de débit par céramique piézo-électrique. A cette fin, la tension appliquée sur la céramique piézo-électrique est une tension variable pseudo-périodique, de forme, de fréquence et d'amplitude variables. Le système de régulation, qui est en constant déséquilibre et en mouvement, moyenne dans le temps et fournit une régulation plus précise que si le signal de consigne est une tension continue.

[0008] De façon plus précise, l'invention consiste en un procédé de régulation thermique d'un mini-refroidisseur Joule-Thomson, comportant une céramique piézo-électrique qui pilote un pointeau de détente d'un fluide fripogène, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer sur la céramique piézo-électrique une tension d'activation variable pseudo-périodique.

[0009] L'invention sera mieux comprise par la description qui suit d'un exemple de réalisation, appuyée sur les figures jointes en annexe, qui représentent :

• figure 1 : schéma d'un mini-refroidisseur Joule-Thomson, auquel est appliqué le procédé selon l'invention,
• figure 2 : cycle d'hystérésis de base, donnant le débit en fonction d'une tension continue, selon l'art connu,
• figure 3 : premier exemple de forme de tension aux bornes de la céramique piézo-électrique, selon l'invention,
• figure 4 : second exemple de forme de tension selon l'invention, illustrant les variations d'amplitude ou de forme,
• figure 5 : troisième exemple de forme de tension selon l'invention, illustrant les variations de fréquence,
• figure 6 : courbe de débit en fonction de la durée des impulsions d'ouverture, selon le procédé de l'invention.

[0010] Le rappel préliminaire de la structure d'un mini-refroidisseur permettra de mieux comprendre le procédé de régulation de la température d'un capteur optronique, selon l'invention.

[0011] La figure 1 représente une configuration de mini-refroidisseur comportant :

• un mandrin 1 sur lequel est enroulé un tube 2, muni d'ailettes, et parcouru par le fluide frigogène,
• à une première extrémité du mandrin, par exemple une buse 3, munie d'un orifice calibré 4, plus ou moins bouché par un pointeau 5 déplacé par une tige de commande 6,
• à une deuxième extrémité du mandrin, une embase 7 qui protège un translateur piézo-électrique composé de deux plaques indéformables 8 et 9 et d'une céramique piézo-électrique 10. Par sa déformation, la céramique 10 déplace la plaque 8 solidaire de la tige de commande 6. Une tension de commande est appliquée en 11 sur les deux faces de la céramique piézo-électrique, pour la déformer. Une vis de réglage 12 permet une première approche de régulation recherchée.

[0012] La partie droite de cette figure constitue ce que l'on appelle un doigt froid, qui est glissé dans un cryostat tubulaire, en doigt de gant, lequel porte le circuit capteur CCD, maintenu sous vide et proche du système buse-pointeau 3-5 qui est le point le plus froid.

[0013] Cette structure utilise une tige de commande 6 reliant un pointeau 5 à un élément piézo-électrique 10 placé à l'extérieur du doigt froid qui n'est pas en contact thermique direct avec les vapeurs froides de gaz frigogène. La céramique 10 reste donc à une température proche de l'ambiante, d'où de meilleures caractéristiques piézo-électriques.

[0014] En fonction de la plage de débit et de la pression de fonctionnement visées, divers actuateurs piézo-électriques sont envisageables à effet direct (déplacement de quelques centaines de microns) ou démultiplié (déplacement de l'ordre du mm).

[0015] La régulation du débit peut se faire par l'application d'une tension plus ou moins forte aux bornes de l'élément piézo-électrique, mais dans la pratique, cette méthode est peu efficace pour obtenir une régulation fine (typiquement les détecteurs infra-rouge requièrent une stabilité de l'ordre de 0,1 degré Kelvin) du fait de :

• l'hystéresis mécanique (frottement,etc..) de la liaison entre la céramique et le pointeau;
• l'hystérésis du composant piézo-électrique lui-même.

[0016] La figure 2 représente l'hystérésis du débit d'un mini-refroidisseur en fonction de la tension appliquée aux bornes de la céramique piézo-électrique 10 : la tension appliquée est une tension continue, ou en créneaux qui ne passent pas par zéro.

[0017] Cette figure prouve que la régulation en continu d'un tel système est pratiquement impossible, car le débit de gaz frigogène peut être, pour une même tension appliquée, du simple au triple suivant que l'on se trouve sur une branche ou l'autre de la courbe d'hystérésis. Typiquement, pour assurer une régulation à un dixième de degré, un mini-refroidisseur doit réguler au dixième de litre/minute.

[0018] L'objet de la présente invention est donc de proposer un système de régulation permettant de pallier ces phénomènes d'hystérésis.

[0019] Elle consiste à imposer une tension de pilotage variable pseudo périodique aux bornes de la céramique telle que celle représentée en figure 3 : des créneaux de tension, avec retour à une tension nulle entre deux créneaux. La forme de cette tension peut être quelconque; dans la pratique on peut utiliser les fonctions habituelles des générateurs de tension : signal sinus, triangulaire, carré, etc. Suivant la forme et la fréquence de cette tension, l'équipage mobile constitué par la céramique, la liaison mécanique avec le pointeau et le pointeau lui-même va se déplacer à la même fréquence, entraînant simultanément des variations du débit de gaz frigogène. Si la fréquence d'activation est suffisamment élevée (quelques Hz suffisent) ces variations de débit n'entraîneront pas une variation de puissance froide significative pour le détecteur du fait des différentes inerties thermiques (conduction, masse thermique des interfaces et du détecteur), et thermodynamiques (perte de charge dans l'échangeur, quantité de gaz liquéfié présente à proximité du détecteur, etc...) existant dans le détecteur et le refroidisseur lui-même.

[0020] On obtient donc ainsi un système de régulation ou les effets d'hystérésis décrits plus haut n'ont plus d'influence, car leurs effets sont moyennés dans le temps : l'ensemble réfrigérateur et détecteur joue le rôle de filtre passe bas.

[0021] On peut alors réguler le débit et donc la puissance froide du réfrigérateur de plusieurs façons :

• soit en modifiant la forme de la tension d'activation : par exemple on peut utiliser une régulation à modulation de largeur de pulsation ;
• soit en modifiant la fréquence de la tension d'activation, son amplitude restant constante ;
• soit en modifiant l'amplitude de la tension d'activation, sa fréquence restant constante,
• soit en utilisant toute combinaison des trois méthodes ci-dessus.
  Parmi toutes les combinaisons possibles,
• la figure 4 illustre à la fois une modification d'amplitude et une modification de forme des créneaux d'impulsion,
• la figure 5 illustre une modification de largeur et une modification de fréquence des créneaux d'impulsion.

[0022] A titre d'exemple, la figure 6 est un exemple de courbe de débit, dans le cas d'une régulation par variation de la largeur de l'impulsion appliquée aux bornes de la céramique. On remarque que l'on obtient alors un système sans hystérésis qui est facilement régulable.

[0023] L'invention est précisée par les revendications suivantes :

Revendications

1 - Procédé de régulation thermique d'un mini-refroidisseur Joule-Thomson, comportant une céramique piézo-électrique (10) qui pilote un pointeau (5) de détente d'un fluide frigogène, ce procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à appliquer sur la céramique piézo-électrique (10) une tension d'activation variable pseudo-périodique.

2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pseudo-période consiste en une modulation de forme de la pulsation de la tension d'activation.

3 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pseudo-période consiste en une modulation de la fréquence de la tension d'activation, à amplitude constante.

4 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pseudo-période consiste en une modulation d'amplitude de la tension d'activation, à fréquence constante.

5 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pseudo-période est obtenue par une combinaison de modulations de formes, de fréquences et d'amplitudes de la tension d'activation.

Dessins