EP1459017B1 - Systeme de controle de debit de fluide cryogenique et refroidisseur joule-thomson comportant un tel systeme de controle - Google Patents

Systeme de controle de debit de fluide cryogenique et refroidisseur joule-thomson comportant un tel systeme de controle Download PDF

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EP1459017B1
EP1459017B1 EP02804229A EP02804229A EP1459017B1 EP 1459017 B1 EP1459017 B1 EP 1459017B1 EP 02804229 A EP02804229 A EP 02804229A EP 02804229 A EP02804229 A EP 02804229A EP 1459017 B1 EP1459017 B1 EP 1459017B1
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EP
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outlet passage
end part
fluid flow
cryogenic fluid
joule
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Dominique Chazot
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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/02—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point using Joule-Thompson effect; using vortex effect

Definitions

  • the present invention relates to cryogenic fluid flow control systems, of the type comprising a first element forming a fluid supply channel and a selectively concealable outlet passage via a second element displaceable with respect to the first element by effect of differences in coefficients of expansion between the materials of the first and second elements.
  • Known flow control systems of this type as described for example in the documents FR -A-2,377,588 or EP-A-0 170 948 , comprise a needle displaceable longitudinally with respect to an outlet orifice under the effect of axial differential expansions between the first element comprising the orifice and a moving element including a stem and / or a bellows supporting the needle, in a delicate arrangement to manufacture and assemble, and therefore expensive, and reliability not guaranteed, especially in the presence of vibration.
  • EP-A-0 069 346 also discloses a system according to the preamble of claim 1.
  • the present invention aims to provide a system of the type defined above, simple construction, robust and cheap, and increased reliability.
  • the outlet passage comprises a portion extending transversely with respect to the fluid supply channel and opening at the periphery of an end zone of the first element, the second element being disposed at least partially around this end zone.
  • the present invention also relates to a Joufe-Thomson expansion chiller, in particular for cryostat, comprising such a cryogenic fluid flow control system.
  • FIG. 1 shows the downstream end of an embodiment of a flow control system of a Joule-Thomson chiller cryostat.
  • This system comprises a first elongated element, generally designated by the reference 1, ending in an end portion of enlarged diameter 2, and in which extends a blind bore 3 selectively communicating with a source of gas under pressure 4, by example of nitrogen or argon.
  • the end portion 2 forms a cylindrical peripheral zone 5 into which at least one radial transverse passage opens.
  • a second annular element is disposed in a normally loose manner. or ring 7 retained in place, in the example shown, around the peripheral zone 5 by a cowling 8 fitted on the end portion 2 and provided with an axial orifice 9 facing the bottom 10 of a housing, by metal example, in which is mounted the flow control system and carrying for example an infrared detection cell 11.
  • the ring 7 can be retained in place around the peripheral zone 5 by a single stop, type pin or pin inserted into the end portion 2.
  • an axial groove 12 opening upstream in the radial passage 6 and downstream in the front face of the end portion 2 is formed in the peripheral zone 5.
  • the annular ring 7 being made of a material having a coefficient of expansion significantly greater than that of the central element 1, the system operation is as follows:
  • annular outlet passage 13 of section much greater than that of the passage 6 exists between the ring 7 and the surface 5.
  • the reduced section gas outlet passage is made by a capillary tube 13 passing through the bottom wall of the end portion 2 while being brazed thereto, and extending into the bore 3 in front of the radial passage 6 and advantageously beyond the opening 9 in the cover 8 to direct the reduced flow of cold fluid directly on the area of the cell 11.
  • the flow control system is similar to that of FIG. 1, but the blind bore 3, into which the radial passage 6 opens, is shifted laterally in part d. end 2, near the axial leakage groove 12, and the working gas is conveyed by a tube 14 whose downstream end is fitted and brazed in the bore 3 and whose upstream zone is spirally shaped to form a heat exchanger coil 15 extending axially in the housing 10 of the cryostat.
  • the element 1 may be made of plastic material, for example polyamide, and the ring 7 may be made of plastic material, for example Teflon (TM).
  • plastic material for example polyamide
  • TM Teflon
  • elements 1 and 7 are made of metal, preferably Invar and aluminum, respectively.
  • the ring 7 can also be made of copper or copper alloy.

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Description

  • La présente invention concerne les systèmes de contrôle de débit de fluide cryogénique, du type comprenant un premier élément formant un canal d'amenée de fluide et un passage de sortie sélectivement occultable par un deuxième élément déplaçable par rapport au premier élément par effet de différences de coefficients de dilatation entre les matériaux des premier et deuxième éléments.
  • Les systèmes de contrôle de débit connus de ce type, tels que décrits par exemple dans les documents FR -A- 2 377 588 ou EP -A- 0 170 948 , comprennent un pointeau déplaçable longitudinalement par rapport à un orifice de sortie sous l'effet de dilatations différentielles axiales entre le premier élément comportant l'orifice et un équipage mobile incluant une tige et/ou un soufflet supportant le pointeau, dans un agencement délicat à fabriquer et assembler, et donc onéreux, et à fiabilité non garantie, notamment en présence de vibrations.
  • Le document EP-A-0 069 346 révéle aussi un système selon le préambule de la revendication 1.
  • La présente invention a pour objet de proposer un système du type défini plus haut, de construction simple, robuste et bon marché, et à fiabilité accrue.
  • Pour ce faire, selon un aspect de l'invention, le passage de sortie comprend une partie s'étendant transversalement par rapport au canal d'amenée de fluide et débouchant à la périphérie d'une zone d'extrémité du premier élément, le deuxième élément étant disposé au moins partiellement autour de cette zone d'extrémité.
  • Selon des caractéristiques plus particulières de l'invention:
    • la zone d'extrémité du premier élément est cylindrique et le deuxième élément est annulaire et coaxial à ladite zone d'extrémité,
    • le passage de sortie comprend une partie aval de section réduite non occultable par le deuxième élément,
    • cette partie aval étant constituée par une rainure axiale formée à la périphérie de la zone d'extrémité ou par un tube capillaire prolongeant le canal d'amenée au travers de la zone d'extrémité,
    • au moins un des premier et deuxième éléments est réalisé en matériau plastique ou en matériau métallique.
  • La présente invention a également pour objet un refroidisseur à détente Joufe-Thomson, notamment pour cryostat, comportant un tel système de contrôle de débit de fluide cryogénique.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante de mode de réalisation, donnés à titre illustratifs faite en relation avec les dessins annexés sur lesquels:
    • la figure 1 est une vue schématique en coupe partielle d'un premier mode de réalisation de l'invention;
    • la figure 2 est une vue schématique analogue à la figure 1 d'un autre mode de réalisation de l'invention ; et
    • la figure 3 est une vue, partielle, en coupe, d'un cryostat incorporant un refroidisseur Joule-Thomson selon l'invention.
  • Dans la description qui va suivre et sur les dessins, les éléments identiques ou analogues portent les mêmes chiffres de référence.
  • Sur la figure 1, on a représenté l'extrémité aval d'un mode de réalisation d'un système de contrôle de débit d'un cryostat à refroidisseur Joule-Thomson.
  • Ce système comporte un premier élément allongé, généralement désigné par la référence 1, se terminant par une partie d'extrémité de diamètre élargi 2, et dans lequel s'étend un alésage borgne 3 communiquant sélectivement avec une source de gaz sous pression 4, par exemple de l'azote ou de l'argon.
  • Selon un aspect de l'invention, la partie d'extrémité 2 forme une zone périphérique cylindrique 5 dans laquelle débouche au moins un passage transversal radial 6. Autour de la zone périphérique cylindrique 5 est disposé, de façon normalement lâche, un deuxième élément annulaire ou bague 7 retenu en place, dans l'exemple représenté, autour de la zone périphérique 5 par un capotage 8 emmanché sur la partie d'extrémité 2 et pourvu d'un orifice axial 9 faisant face au fond 10 d'un boîtier, par exemple métallique, dans lequel est monté le système de contrôle de débit et portant par exemple une cellule de détection infrarouge 11. La bague 7 peut être retenue en place autour de la zone périphérique 5 par une simple butée, de type barrette ou goupille enfichée dans la partie d'extrémité 2. Dans le mode de réalisation de la figure 1, une rainure axiale 12 débouchant en amont dans le passage radial 6 et en aval dans la face avant de la partie d'extrémité 2 est formée dans la zone périphérique 5.
  • La bague annulaire 7 étant réalisée dans un matériau ayant un coefficient de dilatation nettement supérieur à celui de l'élément central 1, le fonctionnement de système est le suivant :
  • Avant admission du gaz à détendre, c'est à dire à température ambiante, un passage annulaire de sortie 13 de section largement supérieure à celle du passage 6 existe entre la bague 7 et la surface 5.
  • Lors de l'admission du fluide cryogénique dans l'alésage 3, sa détente en sortie du système de contrôle de débit via les passages 6 et 13 provoque un refroidissement rapide de l'ensemble du système se traduisant par une contraction de la bague 7 autour de la partie d'extrémité 2 se traduisant par une disparition rapide du passage annulaire de sortie 13. Dès lors, le gaz comprimé à détendre ne peut plus s'échapper que par la rainure axiale 12, c'est à dire avec un débit beaucoup plus faible que, précédemment, via le passage annulaire 13, permettant ainsi d'assurer une détente continue de maintien en froid du cryostat au prix d'un faible prélèvement de gaz.
  • Dans le mode de réalisation de la figure 2, le passage de sortie de gaz à section réduite est réalisé par un tube capillaire 13 traversant la paroi de fond de la partie d'extrémité 2 en étant brasé à cette dernière, et s'étendant dans l'alésage 3 en avant du passage radial 6 et avantageusement au-delà de l'ouverture 9 dans le capot 8 pour diriger le flux réduit de fluide froid directement sur la zone de la cellule 11.
  • Dans le mode de réalisation de cryostat représenté sur la figure 3, le système de contrôle de débit est analogue à celui de la figure 1, mais l'alésage borgne 3, où débouche le passage radial 6, est décalé latéralement, dans la partie d'extrémité 2, à proximité de la rainure axiale de fuite 12, et le gaz de travail est acheminé par un tube 14 dont l'extrémité aval est emmanchée et brasée dans l'alésage 3 et dont la zone amont est conformée en spirale pour former un serpentin échangeur de chaleur 15 s'étendant axialement dans le boîtier 10 du cryostat.
  • Pour des pressions de gaz moyennes (n'excédant pas 200 bars) l'élément 1 peut être réalisé en matériau plastique, par exemple en polyamide, et la bague 7 peut être réalisée en matériau plastique, par exemple en Téflon (TM).
  • Pour des pressions moyennes et hautes de gaz, les éléments 1 et 7 sont réalisés en métal, avantageusement en Invar et en aluminium, respectivement. La bague 7 peut également être réalisée en cuivre ou alliage de cuivre.
  • Quoique l'invention ait été décrite en relation avec des modes de réalisations particuliers, elle ne s'en trouve pas limitée, mais est susceptible de modifications et de variantes qui apparaîtront à l'homme de métier dans le cadre des revendications ci-après. En particulier, elle peut trouver une application dans tout type de géométrie de refroidisseur joule-Thomson, par exemple conique ou plat.

Claims (8)

  1. Système de contrôle de débit de fluide cryogénique, comprenant un premier élément (1) formant un canal d'amenée (3) fluide et un passage de sortie sélectivement occultable par un deuxième élément (7) déplaçable par rapport au premier élément (1) par effet de différences de coefficients de dilatation entre les matériaux des premier et deuxième éléments, caractérisé en ce que le passage de sortie comprend une partie (6) s'étendant transversalement par rapport au canal d'amenée (3) et débouchant à la périphérie (5) d'une partie d'extrémité (2) du premier élément (1), le deuxième élément (7) étant disposé au moins partiellement autour de ladite partie d'extrémité (2).
  2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie d'extrémité (2) est sensiblement cylindrique et le deuxième élément (7) est annulaire et coaxial à la partie d'extrémité.
  3. Système selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le passage de sortie comprend une deuxième partie de section réduite (12 ;13) non occultable par le deuxième élément (7).
  4. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième partie du passage de sortie est constituée par une rainure axiale (12) formée dans la périphérie (5) de la partie d'extrémité (2) du premier élément (1).
  5. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que la deuxième partie du passage de sortie est formée par un tube capillaire (13) prolongeant le canal d'amenée (3) au travers de la partie d'extrémité (2) du premier élément (1).
  6. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que au moins un des premier et deuxième éléments (7) est réalisé en matériau plastique.
  7. Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que au moins un des premier et deuxième éléments est réalisé en matériau métallique.
  8. Refroidisseur Joule-Thomson comportant un système de contrôle de débit selon l'une des revendications précédentes.
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