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FR3052245B1 - Dispositif cryogenique a echangeur compact - Google Patents

Dispositif cryogenique a echangeur compact Download PDF

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Abstract

Ce dispositif de génération de froid met en œuvre le principe de la détente de « Joule-Thomson ». Il comprend un échangeur thermique au sein duquel circule à contre-courant un fluide sous haute pression et sous basse pression. L'échangeur thermique est constitué de l'empilement de pastilles (5) réalisées en matériau poreux, et notamment fritté, constituant un mandrin cylindrique, à la périphérie et en contact duquel est enroulé un capillaire (10) au sein duquel circule le fluide haute pression, le fluide basse pression circulant à contre-courant à l'intérieur du mandrin poreux ainsi constitué..

Description

DISPOSITIF CRYOGENIQUE A ECHANGEUR COMPACT
DOMAINE DE L’INVENTION L’invention se situe dans le domaine général des machines à froid, et plus particulièrement dans les dispositifs de génération de froid destinés à permettre le fonctionnement de certains types de détecteurs, et plus particulièrement des détecteurs infra-rouges du type refroidi, également dénommés détecteurs infra-rouges quantiques.
Elle vise plus particulièrement des dispositifs du type en question mettant en œuvre comme source de froid, le principe de la détente dite « Joule-Thomson ».
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE
Dans le cadre particulier des détecteurs infra-rouges, on souhaite pour une raison évidente d’encombrement, limiter le volume de la source cryogénique. De fait, les machines cryogéniques miniatures utilisent fréquemment le principe de détente de « Joule-Thomson », permettant ainsi de disposer d’une puissance cryogénique importante, et par conséquent d’un refroidissement rapide, notamment de détecteurs infra-rouges ou de composés électroniques nécessitant pour leur fonctionnement de fonctionner à des températures particulièrement basses.
Il est connu que la performance de telles machines cryogéniques dépend de l’efficacité de l’échange thermique qui intervient entre le fluide haute pression et le fluide basse pression avant que la détente du fluide n’intervienne. L’efficacité de l’échange thermique est donc primordiale. A cet effet, les dispositifs de l’art antérieur mettent en œuvre un échangeur à contre-courant du type Hampson, dans lequel le fluide haute pression circule dans un capillaire entourant un manchon ou mandrin cylindrique, obturé par une mousse isolante. L’échange thermique intervient à la périphérie du manchon, au niveau duquel circule à contre-courant le fluide basse pression.
Afin d’optimiser cet échange thermique, on a proposé d’augmenter la surface d’échanges entre le fluide haute pression et le fluide basse pression, en munissant le capillaire d’ailettes radiales. Si certes, la surface d’échange thermique s’en trouve augmentée, en revanche, la présence des ailettes, en raison de leur épaisseur, augmente l’écartement entre deux spires consécutives, et partant diminue le nombre de spires du capillaire pour une longueur donnée du mandrin, neutralisant à tout le moins partiellement l’optimisation recherchée de l’échange.
Dans le même but, il a également été proposé d’accroître la longueur de l’échangeur, et plus particulièrement la longueur du capillaire. On se heurte alors à la problématique de l’encombrement dudit échangeur, et donc de la machine à froid.
On a également proposé de réduire la conduction axiale dans l’échangeur, inhérente à la mise en œuvre du mandrin, et source de perte et d’efficacité. L’invention vise un dispositif du type en question permettant tout à la fois d’augmenter l’efficacité d’un tel dispositif, notamment en réduisant le TMF, c’est-à-dire le temps de mise en froid de l’installation, sans altérer l’encombrement des dispositifs existants ou au contraire, à TMF constant, à diminuer l’encombrement de tels dispositifs.
EXPOSE DE L’INVENTION A cet effet, l’invention propose un dispositif de génération de froid mettant en œuvre le principe de la détente de « Joule-Thomson », comprenant un échangeur au sein duquel circule à contre-courant un fluide sous haute pression et sous basse pression.
Selon l’invention, l’échangeur thermique est constitué de l’empilement de pastilles réalisées en matériau poreux, et notamment fritté, constituant un mandrin cylindrique, au contact duquel est enroulé un capillaire au sein duquel circule le fluide haute pression, le fluide basse pression circulant à contre-courant à l’intérieur du mandrin poreux ainsi constitué..
En d’autres termes, l’invention consiste fondamentalement à remplacer le mandrin et les ailettes de l’art antérieur par un empilement de matériau fritté et poreux, favorisant l’échange thermique du fluide basse pression avec le fluide haute pression circulant dans le capillaire périphérique en contact avec ledit matériau.
Cette optimisation de l’échange résulte de la nature du matériau constitutif du mandrin, et permet en outre de s’affranchir des ailettes optimisant l’échange thermique de l’art antérieur, et par voie de conséquence, permet d’optimiser la concentration en spires du capillaire au sein duquel circule le fluide haute pression, et par voie de conséquence permet d’optimiser la compacité du dispositif générateur de froid.
Avantageusement, on intercale entre chacune des pastilles réalisées en matériau fritté, un tissu poreux isolant thermique, typiquement réalisé en fibres de verre. L’intercalation de tels éléments en fibres de verre, donc non conducteur de la chaleur, réduit la conduction axiale et corolairement optimise le fonctionnement du dispositif de générateur de froid.
Avantageusement, les pastilles sont réalisées à base de fritté d’argent ou de fritté de cuivre.
Le capillaire est quant à lui réalisé en métal typiquement en cuivre, en acier inoxydable, voire en alliage cupronickel.
Selon une caractéristique avantageuse de l’invention, les spires du capillaire ne sont pas en contact Tune avec l’autre. A cet effet, on enroule concomitamment avec ledit capillaire, un fil isolant, typiquement en fibre de verre faisant fonction d’espaceur.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La manière de réaliser l’invention et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux de la description qui suit, donnée à titre indicatif et non limitatif à l’appui des figures annexées. la figure 1 est un schéma illustrant le principe de la détente « Joule-Thomson » mise en œuvre au niveau du dispositif générateur de froid, la figure 2 est une représentation schématique du dispositif de l’invention, la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 illustrant le circuit respectif du fluide haute pression et basse pression ; la figure 4 est une représentation schématique d’un cryostat ; la figure 5 est une représentation schématique en section sagittale partielle de
Tune des partie du cryostat de la figure 4.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L’INVENTION
On a donc représenté en relation avec la figure 1 le schéma de fonctionnement d’un dispositif mettant en œuvre la détente de « Joule-Thomson ». Ce schéma fait apparaître la source de fluide haute pression HP, ce fluide pouvant être un gaz typiquement argon, azote ou air, et le retour dudit fluide après détente.
On a représenté par le double serpentin (1), l’échangeur thermique à contre-courant entre le fluide haute pression émanant de la source haute pression HP, et le fluide basse pression, après détente au niveau de l’évaporateur (2), une valve de détente (3) étant montée avant l’évaporateur. L’ensemble est intégré au sein d’une enceinte à vide (4).
On a représenté au sein de la figure 2 le cœur de l’échangeur conforme à l’invention. Celui-ci est constitué par l’empilement de pastilles (5), réalisées en matériau poreux, et notamment en fritté à base d’argent. L’argent est en effet un très bon conducteur thermique et en outre s’avère facile à fritter. On pourrait également envisager d’utiliser du cuivre en remplacement de l’argent.
Typiquement, la porosité de ces pastilles est voisine de 100 nanomètres. En d’autres termes, les orifices générés par le frittage des pastilles présentent un diamètre typique de 100 nanomètres.
Ces pastilles (5), de forme globalement cylindrique, sont par exemple assemblées les unes aux autres au moyen de tiges de fixation (6), émanant du connecteur haute pression (7), et munies d’écrous (8) à leur base inférieure. Alternativement, les pastilles peuvent être collées entre elles.
Selon une caractéristique avantageuse de l’invention, ces pastilles (5) sont séparées les unes des autres par un intercalaire (9), réalisé en un matériau poreux non conducteur, typiquement constitué d’un tissé en fibres de verre. Ces intercalaires présentent une épaisseur typique de 0,3 millimètre. La mise en œuvre de tels intercalaires tend à s’opposer à toute conduction thermique axiale. L’ensemble ainsi constitué par les pastilles et les intercalaires constitue un mandrin cylindrique, an contact duquel est enroulé un capillaire (10) au sein duquel circule le fluide haute pression. Ce capillaire est par exemple réalisé en cuivre, en acier inoxydable ou en un alliage cupro-nickel. Il présente typiquement un diamètre externe de 0,5 millimètre et un diamètre interne de 0,3 millimètre.
En raison du caractère poreux des pastilles (5), le fluide basse pression les traverse et les refroidit. A leur tour, eu fait de leur caractère bon conducteur thermique, les pastilles refroidissent le fluide haute pression qui circule dans le capillaire. De fait, un bon contact thermique est nécessaire entre le capillaire et les pastilles..
La réalisation d’un tel dispositif peut être effectuée de la manière suivante.
En premier lieu, on réalise les pastilles (5) à l’aide d’un moule conformé en fonction de la forme souhaitée desdites pastilles. La poudre d’argent est versée dans le moule, et on élève la température du moule à une température inférieure à la température de fusion de l’argent, afin d’obtenir un simple frittage sans engendrer la fusion de la poudre.
Après réalisation des pastilles, on procède à leur empilement en intercalant les éléments isolant thermiques (9), ces derniers présentant un diamètre externe inférieur ou égal à celui des pastilles (5), de telle sorte qu’ils ne puissent entrer en contact avec le capillaire (10).
Ces pastilles et les intercalaires sont enfilés sur les tiges de maintien (6), par exemple filetées, et bloqués au moyen des écrous (8). Lin mandrin est donc de facto constitué.
Le capillaire, par exemple réalisé en alliage cupro-nickel subit un traitement constitué par un dépôt d’argent, par exemple par électrolyse, si les pastilles sont réalisées en fritté d’argent. Ce dépôt a pour vocation de favoriser le contact ultérieur avec les pastilles (5), notamment lorsque l’on procède à la fixation dudit capillaire par soudure ou par brasure. Ainsi, après enroulement du capillaire (10) autour du mandrin, l’ensemble est placé dans un four pour engendrer le phénomène de brasure.
Alternativement, il peut être envisagé de consolider l’ensemble ainsi constitué par un liant conducteur thermique, par exemple constitué d’un film de colle type « solgel » chargée en poudre métallique, badigeonné dans la zone capillaire/pastille.
Selon une caractéristique avantageuse de l’invention, on cherche à éviter tout contact entre les spires consécutives du capillaire, afin d’éviter tout pont thermique entre elles. A cet effet, il convient de rappeler que le dispositif de l’invention a vocation à être intégré dans un puits cylindrique d’un cryostat, tel qu’illustré au sein de la figure 4. Un tel cryostat (11) est traditionnellement maintenu sous vide. Il reçoit au sein de l’enceinte qu’il définit un détecteur infra rouge (12), positionné à l’aplomb d’une fenêtre (13) transparente au rayonnement à détecter. Enfin, il comporte deux puits (14), au sein desquels sont insérés dans chacun d’eux un dispositif conforme à l’invention, afin de générer le froid nécessaire au fonctionnement dudit détecteur.
On a représenté au sein de la figure 5, une vue schématique en section sagittale partielle de l’un des puits (14) muni du dispositif de l’invention.
Ainsi, afin de forcer le fluide basse pression, et notamment le gaz basse pression à traverser les pastilles poreuses (5), on positionne un fil (15) en matériau isolant, par exemple réalisé en fibres de verre ou en fibres de polyester tel que commercialisées sous la marque déposée terylène®, venant prendre appui entre deux spires consécutives du capillaire (10), c’est-à-dire dans l’intervalle séparant lesdites spires, et contre la paroi interne du puits cylindrique (14). Le fil (15) est ainsi enroulé le long du mandrin, puis fixé à ses deux extrémités, typiquement par collage.
Ainsi, avec la mise en place de ce fil (15), on s’affranchit de tout pont thermique entre les spires d’une part, et entre les spires et le puits (14).
Le dispositif conforme à l’invention permet d’augmenter considérablement la surface d’échange thermique en comparaison avec les dispositifs de l’art antérieur, du type comprenant un capillaire à ailettes, typiquement de 1000 fois à encombrement constant. On conçoit dès lors aisément que l’efficacité d’une telle machine à froid est elle-même augmentée, ou que l’encombrement d’une telle machine à froid peut être significativement réduit, tout en conservant les mêmes performances que les dispositifs de l’art antérieur. Ces résultats sont particulièrement appréciables dans le cadre des détecteurs infrarouges refroidis.

Claims (8)

  1. REVENDICATIONS
    1. Dispositif de génération de froid mettant en œuvre le principe de la détente de «Joule-Thomson», comprenant un échangeur thermique (1) au sein duquel circule à contre-courant un fluide sous haute pression et sous basse pression, caractérisé : κ en ce que l’échangeur thermique est constitué de l’empilement de pastilles (5) réalisées en matériau poreux, et notamment fritté, constituant un mandrin cylindrique, à la périphérie et en contact duquel est enroulé un capillaire (10) au sein duquel circule le fluide haute pression, le fluide basse pression circulant à contre-courant à l’intérieur du mandrin poreux ainsi constitué ; 81 et en ce qu” entre chacune des pastilles (5) est intercalé un élément poreux isolant thermique (9).
  2. 2. Dispositif de génération de froid selon la revendication 1, caractérisé en ce que l’élément poreux isolant thermique (9) est constitué d’un tissu, notamment réalisé en fibres de verre.
  3. 3. Dispositif de génération de froid selon l’une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les pastilles (5) sont de forme cylindrique, en ce que les éléments intercalaires isolant thermique (9) sont de forme circulaire, et en ce que le diamètre des éléments intercalaires (9) est inférieur ou égal au diamètre externe des pastilles (5).
  4. 4. Dispositif de génération de froid selon l’une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pastilles (5) sont réalisées à base de fritté d’argent ou de cuivre.
  5. 5. Dispositif de génération de froid selon l’une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le capillaire (10) est réalisé en métal, notamment en cuivre, en acier inoxydable, ou en alliage cupronickel.
  6. 6. Dispositif de génération de froid selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capillaire (10) reçoit un dépôt d’argent, fonction de la nature du matériau constitutif des pastilles (5), avant son enroulement sur le mandrin constitué par l’empilement des pastilles (5).
  7. 7. Dispositif de génération de froid selon l’une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que ies spires définies par· l’enroulement du capillaire (10) autour du mandrin constitué par l’empilement des pastilles (5) ne sont pas en contact ies unes des autres.
  8. 8. Dispositif de génération de froid selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’un fil isolant thermique (15) est enroulé sur les intervalles séparant les spires, ledit fil étant notamment réalisé à base de fibres de verre.
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