EP0173599B1

EP0173599B1 - Sonde de refroidissement par effet Joule-Thomson

Info

Publication number: EP0173599B1
Application number: EP19850401389
Authority: EP
Inventors: Serge Reale; Dominique Mingret
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1984-07-25
Filing date: 1985-07-09
Publication date: 1988-08-31
Also published as: DE3564735D1; FR2568357A1; EP0173599A1; FR2568357B1

Description

La présente invention est relative à la technique de refroidissement par détente Joule-Thomson de gaz. Elle s'applique notamment au refroidissement des détecteurs à infra-rouge.
L'invention a pour but de permettre d'obtenir en des temps très courts des températures inférieures à 90 K et voisines du point d'ébullition du gaz sous la pression atmosphérique.
Suivant un premier mode de réalisation, l'invention concerne une sonde de refroidissement par détente Joule-Thomson du type comprenant deux enveloppes tubulaires concentriques pourvues chacune d'un orifice d'échappement et d'une paroi d'extrémité ; un mandrin disposé dans l'enveloppe intériure ; un premier serpenti d'échange de chaleur bobiné sur le mandrin, destiné à être relie à une source d'un premier gaz sous haute pression et se terminant par un premier orifice de détente situé dans l'enveloppe intérieure ; et un second serpentin destiné à être relie à une source d'un second gaz sous haute pression et se terminant par un second orifice de détente situé dans l'espace séparant les deux enveloppes.
Dans une sonde connue de ce type, décrite dans le US-A-3 422 632, le second serpentin occupe l'espace séparant les deux enveloppes. Cet espace présente donc une perte de charge élevée vis-à-vis de l'écoulement de retour du second gaz en basse pression; par suite, la sonde ne permet d'obtenir que des températures froides nettement supérieures au point d'ébullition du second gaz sous la pression atmosphérique.
L'invention permet d'abaisser la température froide grâce au fait que, dans une sonde de refroidissement du type précité, ledit espace est pratiquement libre de tout obstacle vis-à-vis de l'écoulement du second gaz jusqu'à l'orifice d'échappement de l'enveloppe extérieure, et les deux serpentins sont bobinés ensemble sur le mandrin, le second serpentin se terminant par un tronçon qui traverse la paroi d'extrémité de l'enveloppe intérieure et présente à son extrémité ledit second orifice de détente.
Suivant un second mode de réalisation, la sonde de l'invention est du type comprenant deux enveloppes tubulaires concentriques pourvues chacune d'un orifice d'échappement et d'une paroi d'extrémité ; un mandrin disposé dans l'enveloppe intérieure ; un serpentin d'échange de chaleur bobiné sur le mandrin, destiné à être relié à une source d'un gaz sous pression et se terminant par un orifice de détente situé dans l'enveloppe intérieure; et des moyens de détente faisant communiquer l'enveloppe intérieure avec l'espace séparant les deux enveloppes.
Une sonde connue de ce type, décrite dans le US-A-3 782 129, est alimentée par un gaz unique, dont une partie est détendue en moyenne pression dans l'espace séparant les deux enveloppes et le reste est redétendu à la pression atomsphérique. L'invention améliore les performances d'une telle sonde, de façon à obtenir à la fois une grande vitesse de refroidissement et une température finale très basse, grâce au fait que le serpentin est relié à une source d'un mélange de deux gaz dont l'un présente un effet Joule-Thomson supérieur à l'autre et une volatilité plus faible.
Il est avantageux que lesdits moyens de détente soient constitués par un second orifice de détente percé dans la paroi d'extrémité l'enveloppe intérieure.
De préférence, les premier et second gaz sont respectivement l'argon, qui présente un effet Joule-Thomson relativement fort mains est peu volatil, et l'azote, dont l'effet Joule-Thomson est plus faible mais qui est plus volatil.
Parmi les deux modes de réalisation de l'invention exposés ci-dessus, le premier permet d'obtenir des températures plus basses, tandis que le second est plus économique.
Deux exemples de réalisation de l'invention vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel :

- la figure 1 est une vue schématique en coupe longitudinale d'une sonde de refroidissement conforme à l'invention ; et
- la figure 2 est une vue analoque d'une autre sonde de refroidissement conforme à l'invention.

La sonde de refroidissement représentée à la figure 1 comprend essentiellement deux enveloppes tubulaires concentriques 1 et 2 et un mandrin 3 coaxiaux, d'axe X-X supposé vertical, et deux serpentins ailetés 4 et 5.
Les deux serpentins 4 et 5 compportent chacun une extrémité d'entrée, 6 et 7 respectivement, destinées à être reliées respectivement à une capacité 8 de stockage d'argon sous une haute pression par exemple supérieure à 500 bars et à une capacité 9 de stockage d'azote sous une haute pression par exemple de l'ordre de 150 à 200 bars. Comme on le sait, l'argon est un gaz à fort effet Joule-Thomson, et donc à puissance frigorifique élevée pour un débit et une détente donnés, tandis que l'azote présente un effet Joule-Thomson nettement plus faible mais est beaucoup plus volatil. Les deux serpentins sont bobinés ensemble en hélice sur le mandrin 3, les parties bobinées étant représentées schématiquement par une zone hachurée 10.
L'enveloppe intérieure 1 est enfilée sans jeu sur ce bobinage, un fil héticoïdat assurant l'étanchéité comme il est bien connu dans la technique. Cette enveloppe 1 comporte à son extrémité supérieure un orifice d'échappement 11 qui débouche sur l'atmopshère environnante, et à son extrémité infériéure un fond horizontal 12.
L'enveloppe extérieure 2 entoure l'enveloppe 1 avec un jeu radial notable et est fermée à son extrémité supérieure. Près de cette dernière, elle comporte un orifice d'échappement 13 qui débouche sur l'atmosphère environante, et elle est obturée à son extrémité inférieure par un fond horizontal 14 sur lequel peut être fixé un objet 15 à réfrigérer, par exemple un détecteur à infra-rouge.
Le serpentin 4 se termine, à son extrémité inférieure, par un orifice de détente calibré 16, de très petit diamètre (par exemple de l'ordre de 0,1 mm) situé dans l'enveloppe 1, légèrement au-dessous de l'extrémité inférieure du mandrin 3. Le serpentin 5 se prolonge par un tronçon d'extrémité inférieur 17 qui traverse à étanche le fond 12 et se termine par un orifice de détente calibré 18 analogue à l'orifice 16 mais de diamètre plus petit (par exemple de l'ordre de 0,05 mm) et situé entre les fonds 12 et 14 des deux enveloppes.
En fonctionnement, on envoie simultanément dans les deux serpentins 4 et 5 de l'argon sous haute pression et de l'azote sous haute pression, respectivement. Le débit d'argon est très supérieur au débit d'azote du fait de la différence de haute pression précitée et de la différence de diamètre entre les orifices 16 et 18.
L'argon se détend au passage de l'orifice 16 et remonte suivant un trajet très sinueux, et donc à forte perte de charge, en suivant les spires du double bobinage 10, et s'échappe à l'atmosphère par l'orifice 11. Ce faisant, l'argon détendu prérefroidit d'une part l'argon sous haute pression et d'autre part l'azote sous haute pression; la température de ces deux gaz descend ainsi jusqu'à obtention d'argon liquide sur le fond 12; la température à cet emplacement est alors la température d'ébullition de l'argon à la pression moyenne régnant dans la partie inférieure de l'enveloppe 1.
L'azote haute pression ainsi prérefroidi parvient à l'orifice 18 et s'y détend, et il se forme de l'azote liquide sur le fond 14. L'azote gazeaux détendu remonte par l'espace annulaire, dépourvu de tout obstacle à l'écoulement, existant entre les enveloppes 1 et 2, et s'échappe à l'atmosphère par l'orifice 13. Le perte de charge dans ce circuit basse pression étant très faible, la pression qui règne dans la partie inférieure de l'enveloppe 2 est voisine de la pression atmosphérique.
Ainsi, on obtient sur le fond 14 une température très basse, de l'ordre de 80 K, qui est la température d'ébullition de l'azote sous la pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique qui règne dans la partie inférieure de l'enveloppe 2.
De plus, grâce au prérefroidissement de l'azote assuré par détente d'un fort débit d'argon, qui est un gaz à fort effet Joule-Thomson et donc à forte puissance frigorifique, fourni sous très haute pression, cette basse température est obtenue très rapidement.
En d'autres termes, on a réalisé dans la sonde de refroidissement d'une part un circuit de puissance fonctionnant à l'argon et ayant comme caractéristiques un excellent transfert de chaleur (au prix d'une forte perte de charge) et une forte puissance frigorifique, et d'autre part un circuit de refroidissement poussé ayant comme caractéristiques de médiocres performances d'échange de chaleur (entre l'azote détendu et les deux gaz haute pression) et une fible puissance frigorifique (du fait de l'effet Joule-Thomson relative faible de l'azote et du faible débit de ce gaz), mais une très faible perte de charge; on obtient ainsi à la fois une très basse température et un temps de mise en froid très réduit.
On comprend qu'il est possible de choisir les valeurs des deux hautes pressions et des deux débits ainsi que la nature des deux gaz détendus de manière à obtenir une température basse donnée dans un temps donné. Par ailleurs, le volume des capacités de stockage 8 et 9 des deux gaz conditionne la durée de fonctionnement de la sonde.
A titre d'exemple numérique, on peut choisir les paramètres suivants :

Haute pression d'argon : 600 à 700 bars
Perte de charge du circuit basse pression d'argon : quelques bars
Haute pression d'azote : 150 à 200 bars
Perte de charge du circuit basse pression d'azote : inférieure à 1 bar,
et obtenir ainsi les performances suivantes :
Température sur le fond 14 : environ 80 K
Temps d'obtention de cette température; inférieur à 2 secondes.

Il est à noter que l'effet technique indiqué ci-dessus serait encore obtenu en alimentant les deux serpentins 4 et 5 avec un même gaz, avec un choix judicieux des deux hautes pressions et des deux débits.
La sonde de refroidissement représentée à la figure 2 est dans l'ensemble analogue à celle de la figure 1. Elle en diffère par le fait que le serpentin 5 est supprimé et que le fond 12 de l'enveloppe intérieure 1 est pourvu d'un orifice calibré 18A de détente analogue à l'orifice 18 de la figure 1.
L'entrée 6 de l'unique serpentin 4 est reliée à une capacité 8A de stockage d'un mélange argon-azote sous une haute pression par exemple supérieure à 500 bars. Ce gaz se détend à travers l'orifice 16, et une partie du gaz détendu remonte suivant un trajet très sinueux le long des spires du bobinage 10A du serpentin, en prérefroidissant le gaz haute pression, et s'échappe à l'atmosphère par l'orifice 11. On obtient ainsi au bout d'un certain temps sur le fond 12 la température de rosée du mélange à la pression moyenne régnant dans la partie inférieure de l'enveloppe 1.
Le reste du gaz détendu se détend de nouveau à travers l'orifice 18A, remonte dans l'espace annulaire qui sépare les deux enveloppes, sans exercer d'effet frigorifique notable sur l'enveloppe 1, et s'échappe à l'atmosphère par l'orifice 13. Comme précédemment, la pression qui règne dans la partie inférieure de l'enveloppe est voisine de la pression atmosphérique, et la température sur le fond 14 descend donc jusqu'au point de rosée du mélange à cette pression.
Ainsi, on utilise d'une part, dans le circuit moyenne pression de l'enveloppe 1, la forte puissance frigorifique de l'argon, pour obtenir un prérefroidissement rapide du mélange, et d'autre part, dans l'enveloppe 2, la volatilité élevée de l'azote pour obtenir une température finale suffisamment basse. On peut donc considérer que la sonde de la figure 2 fonctionne de la même façon gue celle de la figure 1, mais après intégration des deux circuits de gaz haute pression.
Il est clair que l'agencement de la figure 2 est plus économique que celui de la figure 1, mais, en revanche, les performances obtenues sont moins bonnes la présence d'azote dans le mélange diminue la puissance frigorifique de prérefroidissement, et la présence d'argon dans le mélange détendu par l'orifice 18A fait remonter le point de rosée. Par suite, la sonde de la figure 2 est plus appropriée pour les applications où l'on désire obtenir une température un peu moins basse que précédemment, par exemple de l'ordre de 90 K.
A titre d'exemple numérique, avec une haute pression de l'ordre de 600 à 700 bars comme précédemment, on peut obtenir sur le fond 14 des températures de l'ordre de 90 K en moins de deux secondes.
Il est à noter que, en variante, on peut remplacer l'argon par un autre gaz à fort effet Joule-Thomson, par exemple par du "Fréon 14" ou du méthane. Dans le cas de la figure 1, cet autre gaz peut être utilisé dans une première phase puis être remplacé par de l'argon, dont le point d'ébullition est plus bas.
On remarque par ailleurs que le large espace libre existant entre les deux enveloppes 1 et 2 rend la construction de la sonde bien plus facile et plus économique que dans le cas des sondes classiques comportant un premier bobinage dans l'enveloppe intérieure et un second bobinage dans l'enveloppe extérieure, car les tolérances de fabrication et de montage de l'enveloppe 2 peuvent être très larges. Cet avantage important subsisterait, dans le cas de la figure 2, si la sonde était alimentée par un gaz pur et non per un mélange de gaz.

Claims

1. Sonde de refroidissement par détente Joule-Thomson, du type comprenant deux enveloppes tubulaires concentriques (1, 2) pourvues chacune d'un orifice d'échappement (11, 13) et d'une paroi d'extrémité (12, 14); un mandrin (3) disposé dans l'enveloppe intérieure (1); un premier serpentin d'échange de chaleur (4) bobiné sur le mandrin, destiné à être relié à une source (8) d'un premier gaz sous haute pression et se terminant par un premier orifice de détente (16) situé dans l'enveloppe intérieure; et un second sepentin (5) destiné à être relié à une source (9) d'un second gaz sous haute pression et se terminant par un second orifice de détente (18) situé dans l'espace séparant les deux enveloppes (1, 2) , caractérisée en ce que ledit espace est pratiquement libre de tout obstacle vis-à-vis de l'ecoulement du second gaz jusqu'à l'orifice d'échappement (13) de l'enveloppe extérieure (2), et en ce que des deux serpentins (4, 5) sont bobinés ensemble sur le mandrin, le second serpentin (5) se terminant par un tronçon (17) qui traverse la paroi d'extrémité de l'enveloppe intérieure (1) et présente à son extrémité ledit second orifice de détente (18).

2. Sonde de refroidissement par détente Joule-Thomson, du type comprenant deux enveloppes tubulaires concentriques (1, 2) pourvues chacune d'un orifice d'échappement (11, 13) et d'une paroi d'extrémité (12, 14) ; un mandrin (3) disposé dans l'enveloppe intérieure (1); un serpentin d'échange de chaleur (4) bobiné sur le mandrin, destiné à être relié a une source (8) d'un gaz sous pression et se terminant par un orifice de détente (16) situé dans l'enveloppe intérieure; et des moyens de détente (18A) faisant communiquer l'enveloppe intérieure avec l'espace séparant les deux enveloppes (1, 2), caractérisée en ce que le serpentin (4) est relié à une source (8A) d'un mélange de deux gaz dont l'un présente un effet Joule-Thomson supérieur à l'autre et une volatilité plus faible.

3. Sonde suivant la revendication 2, caractérisée en ce que lesdits moyens de détente sont constitués par un second orifice de détente (18A) percé dans la paroi d'extrémité (12) de l'enveloppe intérieure (1).