EP0247935B1

EP0247935B1 - Procédé d'alimentation d'un refroidisseur Joule-Thomson et appareil de refroidissement pour sa mise en oeuvre

Info

Publication number: EP0247935B1
Application number: EP19870401167
Authority: EP
Inventors: Alain Faure; Serge Reale
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: 1986-05-26
Filing date: 1987-05-25
Publication date: 1990-04-25
Anticipated expiration: 2007-05-25
Also published as: DE3762452D1; FR2599128A1; ES2015309B3; EP0247935A1

Description

La présente invention est relative à un procédé d'alimentation d'un refroidisseur Joule-Thomson comprenant une conduite haute pression qui se termine par un orifice de détente, et un circuit d'évacuation basse pression en relation d'échange thermique avec la conduite haute pression et dans lequel débouche l'orifice de détente, et plus particulièrement à un procédé du type dans lequel on alimente successivement la conduite haute pression avec un fluide de démarrage puis avec un fluide de travail.
De façon générale, on cherche à réduire le temps de mise en froid ainsi que la température froide limite des refroidisseurs Joule-Thomson. La température limite que l'on peut atteindre est la température d'ébullition du fluide détendu, tandis que la vitesse de refroidissement dépend de l'effet Joule-Thomson de ce fluide, c'est-à-dire de la puissance frigorifique procurée par sa détente. Pour concilier ces deux objectifs, on a proposé des procédés du type précité (brevet FR 2 322 337), mais, avec ces procédés connus, il n'a pas été possible d'obtenir en un temps très court des températures suffisament basses pour certaines applications, par exemple une température d'environ 80 K, avec comme fluide de démarrage et de travail, respectivement, l'argon et l'azote.
Dans l'US-A 3 095 711, on a également proposé d'alimenter un cryostat d'abord au cours d'une étape de mise en froid, par un fort débit de gaz, puis une fois la température basse atteinte par un faible débit de gaz de maintien de la température ainsi atteinte. En outre il convient de signaler la demande de brevet européen 0 245 164 qui décrit un refroidisseur Joule-Thomson avec des moyens d'étranglement pour réduire brusquement le débit s'écoulant dans une conduite haute pression avec un obturateur à faible jeu, mobile d'une première position où l'orifice de détente est libre à une seconde position où cet orifice de détente est masqué par une surface de l'obturateur laissant subsister à la périphérie de l'orifice un passage de fuite, ainsi que des moyens pour faire passer instantanément l'obturateur de sa première position à sa seconde position.
L'invention a pour but de permettre d'obtenir en un temps très court des températures plus basses qu'il n'était possible d'atteindre jusqu'à présent.
A cet effet, l'invention a pour objet un procédé du type dans lequel on alimente successivement la conduite haute pression avec un fluide de démarrage puis avec un fluide de travail et est caractérisée en ce qu'on passe du fluide de démarrage au fluide de travail lorsque la vitesse du refroidissement assurée par le premier fluide devient inférieur à la vitesse du refroidissement assurée par le second fluide, et en ce qu'on utilise le fluide de travail d'abord à fort débit, puis on réduit brusquement son débit pour terminer la phase de mise en froid du refroidisseur.
Le procédé selon l'invention comprend donc trois étapes distinctes, successives, qui forment ensemble la phase de mise en froid du refroidisseur: (1) fluide de démarrage, (2) fluide de travail à fort débit, et (3) fluide de travail à faible débit, alors que les documents antérieurs décrivent soit une mise en froid par les étapes (1) et (2), soit l'utilisation seule des étapes (2) et (3).
De plus, l'invention prévoit que l'on passe du fluide de démarrage au fluide de travail lorsque la vitesse du refroidissement assuré par le premier fluide devient inférieure à la vitesse du refroidissement assurée par le second fluide. Ainsi, le début de l'intervention du fluide de travail correspond à une accélération du refroidissement, grâce au choix particulier de l'instant de la commutation d'un fluide à l'autre.
Suivant des caractéristiques préférées:

- on assure la réduction du débit en masquant l'orifice de détente par une surface laissant subsister à la périphérie de l'orifice un passage de fuite;
- on réduit le débit du fluide de travail dans un rapport au moins égal à 10;
- on passe du fluide de démarrage au fluide de travail lorsque la vitesse du refroidissement assurée par le premier devient inférieure à la vitesse du refroidissement assurée par le second.

L'invention a également pour object un appareil de refroidissement destiné à mettre en oeuvre le procédé défini ci-dessus. Cet appareil, du type comprenant une première source de fluide de démarrage sous une première haute pression, une seconde source de fluide de travail sous une seconde haute pression, un refroidisseur Joule-Thomson comprenànt une conduite haute pression qui se termine par un orifice de détente et un circuit d'évacuation basse pression en relation d'échange thermique avec la conduite haute pression et dans lequel débouche l'orifice de détente, et des moyens de commutation pour relier la conduite haute pression d'abord à la première source puis à la seconde source, est caractérisé en ce qu'il comprend des moyens d'étranglement pour réduire brusquement le débit s'écoulant dans la conduite haute pression, avec un obturateur à faible jeu, mobile d'une première position où l'orifice de détente est libre à une seconde position où cet orifice de détente est masqué par une surface de l'obturateur laissant subsister à la périphérie de l'orifice un passage de fuite, ainsi que des moyens pour faire passer instantanément l'obturateur de sa première position à sa seconde position.
Un exemple de mise en oeuvre de l'invention va maintenant être décrit en regard des dessins annexés, sur lesquels:

- la figure 1 représente en coupe longitudinale un réservoir de gaz sous haute pression d'un appareil suivant l'invention;
- la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'un refroidisseur Joule-Thomson associé au réservoir de la figure 1 ;
- la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 qui montre le refroidisseur dans une autre phase de son fonctionnement; et
- la figure 4 est un diagramme montrant l'évolution de la température du refroidisseur en fonction du temps lorsque le procédé suivant l'invention est mis en oeuvre.

Le réservoir 1 représenté à la figure 1 est divisé en deux chambres inégales par une cloison transversale 2: une chambre auxiliaire aval 3 contenant un fluide de démarrage à effet Joule-Thomson important mais relativement peu volatil, par exemple de l'argon, sous une première haute pression qui peut être de l'ordre de 700 bars, et une chambre principale amont 4 contenant un fluide de travail plus volatil et à effet Joule-Thomson moindre, par exemple de l'azote, sous une seconde haute pression au plus égale à la première haute pression, par exemple de l'ordre de 400 bars.
La cloison 2 est percée d'un orifice 5 masqué par un morceau de clinquant 6 appliqué sur la face avant de la cloison. Une conduite 7 de remplissage en azote, pourvue d'une vanne d'arrêt 8, débouche dans la chambre amont 4 du réservoir. De la chambre aval 3 part une conduite de sortie 9 pourvue d'une vanne d'arrêt 10 et sur laquelle se pique, en amont de la vanne 10, une conduite 11 de remplissage en argon elle-même pourvue d'une vanne d'arrêt 12.
Le refroidisseur représenté aux figures 2 et 3 est de révolution autour d'un axe X-X, supposé vertical pour la commodité de la description, et comprend un noyau intérieur tubulaire 13 et une double enveloppe extérieure 14 insolée sous vide et formant Dewar. Une tête supérieure 15 en forme de coupelle inversée obture l'extrémité supérieure du noyau 13 et de l'espace annulaire 16 compris entre le noyau 13 et l'enveloppe 14 ; l'espace 16 communique toutefois avec l'atmosphère environnante par une série de trous 17 traversant la tête 15. Les diamètres intérieurs du noyau 13 de l'enveloppe 14 sont respectivement de 2,5 mm et de 5 mm environ.
Un fourreau 18 est partiellement enfilé et fixé dans l'extrémité inférieure du noyau 13. Une conduite haute pression 19, constituée d'un tube portant une ailette hélicoïdale, est bobinée en hélice sur toute la longueur du noyau 13, en contact avec celui-ci et avec la paroi intérieure de l'enveloppe 14 ; son extrémité supérieure traverse la tête 15 et est reliée à la conduite de sortie 9 du réservoir 1, et son extrémité inférieure 20 est fixée dans un perçage incliné vers le bas qui est prévu dans la paroi du fourreau 18 et dont la partie intérieure, de diamètre réduit, forme un orifice de détente 21.
La paroi intérieure de l'enveloppe 14 porte à son extrémité inférieure un fond 22 sur lequel se fixe en contact d'échange thermique un élément 23 à refroidir, qui peut être par exemple un détecteur infrarouge et qui est situé dans l'espace sous vide du Dewar. Au-dessus du fond 22 est ainsi délimitée une chambre de refroidissement 24 qui constitue la partie la plus froide du dispositif.
Une tige 25 est montée coulissante à l'intérieur du noyau 13. Cette tige porte à son extrémité inférieure une aiguille obturatrice 26 et, à son extrémité supérieure, un plongeur d'électro-aimant 27. L'aiguille 26 coulisse à ajustement étroit dans le fourreau 19, c'est-à-dire avec un jeu qui, compte tenu des coefficients de dilatation, est, sur le diamètre, de l'ordre de quelques microns pour la température froide de fonctionnement du refroidisseur. Par exemple, si l'aiguille est en acier 100 C 6 et le fourreau en bronze-béryllium, on prévoira un jeu, sur le diamètre, de 5 à 6 microns à la température ambiante, ce qui correspond à un jeu, sur le diamètre, de 2 à 3 microns à une température froide de l'ordre de 80 à 90 K.
Le plongeur 27 coulisse dans la tête 15. Autour de celle-ci est disposé un bobinage d'électro-aimant 28 dont les bornes 29, 30 sont adaptées pour être reliées aux bornes d'une source de courant continu (non représentée). Un ressort 31 est comprimé axialement entre le fond de la tête 15 et le plongeur 27. Le guidage de la tige 25 est assuré d'une part par l'aiguille 26, d'autre part par le plongeur 27. Une butée 32 pour le plongeur 27 est prévue au débouché de la tête 15.
Au repos, le refroidisseur est dans l'état représenté à la figure 3 : l'électro-aimant n'est pas alimenté en courant électrique, de sorte que le ressort 31 est détendu et repousse vers le bas la tige 27 jusqu'à une position de butée où l'aiguille 26 obture l'orifice 21 au petit jeu de coulissement près (5 à 6 microns sur le diamètre puisque le dispositif est à température ambiante).
Lors de la mise en froid, le bobinage 28 est mis sous tension et fait remonter le plongeur 27, la tige 25 et l'aiguille 26 à l'encontre du ressort 31 jusqu'à la position de la figure 2, où l'aiguille 26 dégage complètement l'orifice 21. Ce dernier peut alors être considéré comme débouchant librement dans la chambre 24.
Dans cette position, on ouvre la vanne 10 de la conduite'9, de sorte que l'argon sous haute pression est envoyé dans la conduite 19 et est détendu à fort débit (par exemple 1000 à 1500 NI/h) au passage de l'orifice 21. L'argon détendu et, par suite, refroidi remonte entre les spires de la conduite 19 jusqu'à être évacué dans l'atmosphère environnante par les orifices 17, en refroidissant l'argon haute pression. Ainsi, la température régnant dans la chambre 24 diminue de plus en plus.
Simultanément, la pression baisse dans la chambre 3 du réservoir. A un instant t1 qui sera précisé plus loin, la pression de la chambre 3 est suffisamment inférieure à celle de la chambre 4 (400 bars dans cet exemple) pour provoquer la rupture du clinquant 6. L'azote contenu dans la chambre 4 chasse alors quasi instantanément du réservoir le reliquat d'argon, puis s'écoule à fort débit (par exemple 600 à 800 NI/h) dans la conduite 19 pour se détendre au passage de l'orifice 21.
Ainsi, la température continue a baisser dans la chambre 24, pour la même raison que précédemment.
A un second instant t2 qui sera précisé plus loin, on coupe l'alimentation électrique du bobinage 28, par exemple au moyen d'un temporisateur, de sorte que le ressort 31 ramène instantanément la tige 25 à sa position initiale de la figure 3 : l'aiguille 26 obture l'orifice 21 et, étant repoussée latéralement par le jet de gaz sortant de cet orifice, se trouve à une distance de celui-ci égale au jeu diamétral à basse température, soit 2 à 3 microns avec les valeurs numériques indiquées plus haut. Le débit est ainsi réduit brusquement à une valeur faible, de préférence au moins dix fois inférieure à sa valeur précédente; la perte de charge du circuit basse pression, qui était de l'ordre de quelques bars, est réduite d'autant, ce qui permet d'obtenir dans la chambre 24 de l'azote liquide à une température voisine du point d'ébullition de l'azote à la pression atmosphérique, c'est-à-dire d'environ 80 K.
On a représenté à la figure 4 la variation de la température dans la chambre 24 en fonction du temps.
Dans la première phase de la mise en froid, le refroidissement résulte uniquement de la détente de l'argon à fort débit. Comme ce gaz présente un effet Joule-Thomson important, ce refroidissement est très rapide.
Cependant, il est limité d'une part par la volatilité relativement faible de l'argon, d'autre part par l'importante perte de charge, de l'ordre de quelques bars, créée par le fort débit dans le circuit basse pression, et c'est pourquoi la vitesse de descente en température diminue : si l'on poursuivait le refroidissement avec de l'argon à fort débit, on suivrait la courbe C1 de la figure 4. On choisit donc l'instant t1 au début du ralentissement du refroidissement provoqué par l'argon, comme illustré en A à la figure 4. A la température correspondante, en effet, l'azote à fort débit assure un refroidissement plus rapide que l'argon, comme le montre la courbe C2 de la figure 4, qui correspond à l'utilisation d'azote à fort débit pour assurer la totalité de la mise en froid. Comme on le comprend, c'est par le choix de la haute pression de l'argon et du volume de la chambre 3 que l'on peut déterminer l'instant t1 où le clinquant 6 se brisera.
Ainsi, à partir de l'instant t1, la température décroît parallèlement à la courbe C2, c'est-à-dire moins vite qu'avant cet instant, puisque l'effet Joule-Thomson de l'azote est moins fort que celui de l'argon, mais plus rapidement que si l'on continue à utiliser de l'argon. Puis, de nouveau, du fait de la proximité du point d'ébullition de l'azote et de la forte perte de charge du circuit basse pression, la vitesse de refroidissement décroît, à partir du point B de la figure 4.
On peut choisir cet instant pour diminuer brusquement le débit d'azote (instant t2). On obtient alors la courbe finale C3 de la figure 4, qui est parallèle à la courbe C4 correspondant au cas où l'ensemble de la mise en froid serait effectuée avec de l'azote à faible débit.
Cette courbe C3 est très satisfaisante si l'on souhaite atteindre une température finale comprise entre 85 et 90 K. Mais pour descendre plus bas en température, il est préférable de laisser l'azote s'écouler à fort débit jusqu'à un instant t3, postérieur à t2, où certaine quantité d'azote sous quelques bars s'est formée dans la chambre 24 (point D de la figure 4). Dans ce cas, la réduction du débit d'azote provoque la vaporisation très rapide d'une partie de ce liquide (effet de flash), dont la température tombe quasi-instantanément au voisinage de 80 K. On obtient alors la courbe finale C5 de la figure 4.
Avec les valeurs de pressions indiquées plus haut, on peut de cette manière atteindre en deux secondes environ une température de 80 K dans la chambre 24. De plus, grâce à l'utilisation d'un petit débit de fuite de travail, on peut conserver cette température pendant une longue période, de sorte que l'appareil possède une grande autonomie de fonctionnement.

Claims

1. Procédé d'alimentation d'un refroidisseur Joule-Thomson comprenant une conduite haute pression (19) qui se termine par un orifice de détente (21), et un circuit d'évacuation basse pression (9,16,24) en relation d'échange thermique avec la conduite haute pression et dans lequel débouche l'orifice de détente, ce procédé étant du type dans lequel on alimente successivement la conduite haute pression (19) avec un fluide de démarrage puis avec un fluide de travail et étant caractérisé en ce qu'on utilise le fluide de travail d'abord à fort débit, puis on réduit brusquement son débit pour terminer la phase de mise en froid du refroidisseur.

2. Procédé suivant la revendication 1, caractérisé en ce qu'on assure la réduction du débit en masquant l'orifice de détente (21) par une surface (26) laissant subsister à la périphérie de l'orifice un passage de fuite.

3. Procédé suivant l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'on réduit le débit du fluide de travail dans un rapport au moins égal à 10.

4. Procédé suivant l'une quelconque des revendication 1 à 3, caractérisé en ce qu'on réduit le débit du fluide. de travail lorsque la vitesse du refroidissement assuré par ce fluide commence à décroître.

5. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'on maintient le fort débit du fluide de travail jusqu'à formation dans le circuit basse pression d'une certaine quantité de liquide, puis on procède à la réduction du débit de ce fluide.

6. Procédé suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on passe du fluide de démarrage au fluide de travail lorsque la vitesse du refroidissement assuré par le premier devient inférieure à la vitesse du refroidissement assuré par le second.