EP2963360A1 - Dispositif refroidisseur joule-thomson et appareil de photo-détection comprenant un tel dispositif - Google Patents

Dispositif refroidisseur joule-thomson et appareil de photo-détection comprenant un tel dispositif Download PDF

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EP2963360A1
EP2963360A1 EP15172364.0A EP15172364A EP2963360A1 EP 2963360 A1 EP2963360 A1 EP 2963360A1 EP 15172364 A EP15172364 A EP 15172364A EP 2963360 A1 EP2963360 A1 EP 2963360A1
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EP
European Patent Office
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tube
wire
gas
wound
turns
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EP15172364.0A
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German (de)
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EP2963360B1 (fr
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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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Air Liquide SA
LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
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Publication date
Application filed by Air Liquide SA, LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude filed Critical Air Liquide SA
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Publication of EP2963360B1 publication Critical patent/EP2963360B1/fr
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    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04B—KNITTING
    • D04B15/00—Details of, or auxiliary devices incorporated in, weft knitting machines, restricted to machines of this kind
    • D04B15/66—Devices for determining or controlling patterns ; Programme-control arrangements
    • D04B15/68—Devices for determining or controlling patterns ; Programme-control arrangements characterised by the knitting instruments used
    • 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
    • D—TEXTILES; PAPER
    • D04—BRAIDING; LACE-MAKING; KNITTING; TRIMMINGS; NON-WOVEN FABRICS
    • D04B—KNITTING
    • D04B9/00—Circular knitting machines with independently-movable needles
    • D04B9/26—Circular knitting machines with independently-movable needles for producing patterned fabrics
    • 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
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • 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
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/004—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being air

Definitions

  • the present invention relates to a Joule-Thomson chiller device and a photo-detection apparatus comprising such a device.
  • the invention more particularly relates to a Joule-Thomson chiller device comprising a housing (housing a location to be cooled, a helically wound tube around a central cylindrical axis, the tube being intended to carry pressurized gas between a first end connected to a source of gas under pressure and a second end connected to an expansion orifice in the vicinity of the location to be cooled, the tube being disposed in a cooling chamber having an upstream end connected to the expansion orifice and an end downstream connected to a gas outlet, the cooling chamber defining a path for the expanded gas during which the expanded gas is heat exchanged with the tube to give him cold.
  • the invention particularly relates to Joule-Thomson coolers of the type comprising a low-pressure expanded gas circuit and a high-pressure gas circuit arranged in the low-pressure gas circuit and having an expansion orifice.
  • Joule-Thomson coolers of this type are described in particular in the documents EP338920A1 or FR2782785A1 .
  • the invention particularly relates to chillers for obtaining very quickly low temperatures of between 80 and 200K approximately and used for example for cooling infrared detectors.
  • one solution is to provide the tube finned exchangers.
  • An object of the present invention is to overcome all or part of the disadvantages of the prior art noted above.
  • the device according to the invention which moreover conforms to the generic definition given in the preamble above, is essentially characterized in that the tube is also wound on itself along its length in a helicoidal manner. forming turns, that is to say that the tube is helically wound on itself by forming turns which are helically wound in series about the cylindrical axis, and that a wire is housed inside the coils of the coiled tube, said wire extending along the tube helically around the central axis to create turbulence in the expanded gas flow in heat exchange with the tube.
  • the invention also relates to a photo-detection apparatus comprising a detector element mounted on a support cooled by a Joule-Thomson cooling device in which the Joule-Thomson cooling device complies with any of the above characteristics or above. after.
  • the invention may also relate to any alternative device or method comprising any combination of the above or below features.
  • the figure 4 illustrates an example Joule-Thomson chiller device 1 comprising a housing 2 housing a location 5 to be cooled.
  • the device conventionally comprises a tube 3 wound helically around a cylindrical central axis 8 forming a support.
  • the wound tube 3 for example made of stainless steel, is intended to convey gas under pressure between a first end 113 connected to a source of gas under pressure and a second end connected to an expansion orifice 4 in the vicinity of the location 5 to cool.
  • the gas under pressure may comprise one of: air, nitrogen, argon at a pressure of between 150 and 700 bar, in particular argon at 480 bar.
  • the expansion orifice 4 may in particular have a structure in accordance with that described in the document FR2833073A1 .
  • the tube 3 is disposed in a cooling chamber 6 having an upstream end connected to the expansion orifice 4 and a downstream end connected to an outlet 7 of gas.
  • the cooling chamber 6 forms a path for the expanded gas during which the expanded gas is countercurrently heat exchanged with the tube 3 to give it cold.
  • the tube 3 is also wound on itself along its length in a helical manner by forming turns 13. That is to say that the tube 3 is wound on itself in a helical manner forming turns 13 which are wound in series helically around the cylindrical axis 8. This forms a double winding.
  • the high pressure tube 3 can be wound with turns 13 contiguous or not on a mandrel support of small diameter (then removed at the end of winding). This assembly can then be wound on the cylindrical support shaft 8 which will constitute the exchanger of the cooler 1 (cf. Figures 2 and 3 ).
  • a wire 9 is housed inside the turns 13 of the wound tube 3.
  • the wire 9 extends along the tube 3 helically around the central axis 8 to create turbulence in the expanded gas flow in heat exchange with the tube 3.
  • This arrangement achieves the required heat exchange performance required without the need to provide fins or equivalent system at the tube 3.
  • This solution makes it possible to have a sufficiently large length of tube in a small space and therefore a maximum of exchange surface area between the cold gas and the hot gas at high pressure.
  • the cooling chamber 6 is delimited preferably by two concentric cylindrical walls respectively belonging to the housing 2 and the central axis 8.
  • This turbulence can be advantageously increased by inserting at least one winding channeling the flow of low pressure cold gas into the winding of the tube 3.
  • the device may comprise a first cord wound helically around the central axis 8.
  • the first cord is placed in the space between the central axis 8 and the adjacent sets of turns 13 of the tube 3.
  • This first bead 10, bearing against the cylindrical axis 8 and adjacent turns 13, forms barriers or baffles for the expanded gas in its path in the cooling chamber 6 and thus promote its turbulent flow through the inside turns 13.
  • the device may comprise a second cord wound helically around the wound tube 3.
  • the second cord is placed in the space between the casing 2 and the adjacent sets of turns 13 of the tube 3.
  • This second cord 11 bearing on the wall of the casing 2 and the adjacent turns, forms barriers or baffles for the gas in its path in the expansion chamber 6 and thus promote its turbulent flow through the interior of the turns 13.
  • the first 10 and second 11 cords thus form internal and external baffles in a direction transverse to the winding of the tube 3 on the axis 8.
  • the first 10 and the second cord 11 may comprise at least one of: a braided rope, a plastic wire, nylon, polyester.
  • the wire 9 and the cords 10, 11 may each be made of polyester having a diameter of 0.6 mm.
  • these elements (wire 9, cords 10, 11 have a diameter of between 0.2 and 1 mm (or more depending on the diameter of turns 13).
  • the diameters of the wires or cords 9, 10, 11 may depend on the outer interface diameter of the Joule Thomson cooler.
  • the diameter of the wire 9 may be variable along its length to reduce or increase the low pressure loss. Of course, this diameter of the wire 9 can not exceed the diameter of the mandrel support which was used to wind the tube 3 in turns 13 (otherwise it would generate difficulties to insert the wire into the turns).
  • the first bead 10 (or wire) preferably has a diameter sufficient to fill the space created between the central axis 8 and the turns 13 (this space will be a function of the diameter of the turns 13).
  • the second bead 11 (or wire) preferably has a diameter sufficient to seal between the turns 13 and the outer wall of the housing 2 (here also the diameter of the wire 11 may be a function of the diameter of the turns 13).
  • These elements 9, 10, 11 are preferably made of a weakly thermal conductor material (plastics, fabrics, ...) to avoid thermal bridges.
  • This system can also be applied to flat heat exchangers or other forms.
  • the device can be used for cooling infrared detectors.
  • the location 5 to be cooled comprises a sensor and belongs to a photo-detection device for example.
  • the device makes it possible to overcome the finned exchanger or other structures while achieving the required performance.
  • the outer surface of the tube 3 may be smooth.
  • the device reduces manufacturing costs (reduction of assembly time, does not require complex tools).
  • the device exploits the characteristics of materials and shapes to achieve the best performance.
  • the structure of the device reduces the fragility of the product (handling) compared to known systems.

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Abstract

Dispositif refroidisseur Joule-Thomson (1) comprenant un boîtier (2) abritant un emplacement (5) à refroidir, un tube (3) enroulé de façon hélicoïdale autour d'un axe (8) central cylindrique, le tube (3) étant destiné à transporter du gaz sous pression entre une première extrémité (113) reliée à une source de gaz sous pression et une seconde extrémité reliée à un orifice de détente (4) au voisinage de l'emplacement (5) à refroidir, le tube (3) étant disposé dans une chambre (6) de refroidissement ayant une extrémité amont reliée à l'orifice (4) de détente et une extrémité aval reliée à une sortie (7) de gaz, la chambre (6) de refroidissement délimitant un trajet pour le gaz détendu durant lequel le gaz détendu est mis en échange thermique avec le tube (3) pour lui céder des frigories, caractérisé en ce que tube (3) est enroulé également sur lui-même sur sa longueur de façon hélicoïdale en formant des spires (13), c'est-à-dire que le tube (3) est enroulé sur lui-même de façon hélicoïdale en formant des spires (13) qui sont enroulées en série de façon hélicoïdale autour de l'axe (8) cylindrique, et en ce qu'un fil (9) est logé à l'intérieur des spires (13) du tube (3) enroulé, ledit fil (9) s'étendant le long du tube (3) de façon hélicoïdal autour de l'axe (8) central pour créer des turbulence dans le flux de gaz détendu en échange thermique avec le tube (3).

Description

  • La présente invention concerne un dispositif refroidisseur Joule-Thomson ainsi qu'un appareil de photo-détection comprenant un tel dispositif.
  • L'invention concerne plus particulièrement un dispositif refroidisseur Joule-Thomson comprenant un boîtier( abritant un emplacement à refroidir, un tube enroulé de façon hélicoïdale autour d'un axe central cylindrique, le tube étant destiné à transporter du gaz sous pression entre une première extrémité reliée à une source de gaz sous pression et une seconde extrémité reliée à un orifice de détente au voisinage de l'emplacement à refroidir, le tube étant disposé dans une chambre de refroidissement ayant une extrémité amont reliée à l'orifice de détente et une extrémité aval reliée à une sortie de gaz, la chambre de refroidissement délimitant un trajet pour le gaz détendu durant lequel le gaz détendu est mis en échange thermique avec le tube pour lui céder des frigories.
  • L'invention concerne notamment les refroidisseurs Joule-Thomson du type comprenant un circuit de gaz détendu basse pression et un circuit de gaz haute pression disposé dans le circuit de gaz basse pression et ayant un orifice de détente.
  • Des refroidisseurs Joule-Thomson de ce type sont décrits notamment dans les documents EP338920A1 ou FR2782785A1 .
  • L'invention concerne notamment les refroidisseurs destinés à obtenir très rapidement des températures basses comprises entre 80 et 200K environ et utilises par exemple pour refroidir des détecteurs infrarouges.
  • Pour améliorer l'échange thermique entre le gaz froid détendu et le tube véhiculant le gaz à haute pression à contre-courant, une solution consiste à pourvoir le tube d'échangeurs à ailettes.
  • Cette solution présente cependant plusieurs inconvénients. La fabrication d'une telle structure nécessite ainsi des opérations de brasage suivi d'un nettoyage chimique. De plus, une telle structure nécessite une grande rigueur dimensionnelle et est très fragile lors de sa manipulation ou manutention. Le coût de fabrication d'un tel dispositif est donc relativement important.
  • Pour atteindre les performances requises d'échange de chaleur d'autres solutions ont été envisagée comme par exemple des échangeurs de chaleur à billes ou à tubes. Ces solutions présentent cependant d'autres inconvénients de coût et de difficulté de fabrication.
  • Un but de la présente invention est de pallier tout ou partie des inconvénients de l'art antérieur relevés ci-dessus.
  • A cette fin, le dispositif selon l'invention, par ailleurs conforme à la définition générique qu'en donne le préambule ci-dessus, est essentiellement caractérisé en ce que le tube est enroulé également sur lui-même sur sa longueur de façon hélicoïdale en formant des spires, c'est-à-dire que le tube est enroulé sur lui-même de façon hélicoïdale en formant des spires qui sont enroulées en série de façon hélicoïdale autour de l'axe cylindrique, et en ce qu'un fil est logé à l'intérieur des spires du tube enroulé, ledit fil s'étendant le long du tube de façon hélicoïdal autour de l'axe central pour créer des turbulence dans le flux de gaz détendu en échange thermique avec le tube.
  • Par ailleurs, des modes de réalisation de l'invention peuvent comporter l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes :
    • la chambre de refroidissement est délimitée par deux parois cylindriques concentriques,
    • la chambre de refroidissement est délimitée par le boîtier et l'axe central cylindrique,
    • le dispositif comporte un premier cordon enroulé de façon hélicoïdale autour de l'axe central ledit premier cordon étant placé dans l'espace situé entre l'axe central et les ensembles de spires adjacentes du tube, pour former des barrières ou chicanes pour le gaz détendu sur son trajet dans la chambre de refroidissement et ainsi favoriser son écoulement turbulent en passant par l'intérieur des spires,
    • le premier cordon est composé d'au moins l'un parmi : une corde tressé, un fil en matériau plastique, du nylon, un fil en polyester, un fil en polytétrafluoroéthylène (PTFE), un fil de coton, un fil polyester,
    • le dispositif comporte un second cordon enroulé de façon hélicoïdale autour du tube enroulé, ledit second cordon étant placé dans l'espace situé entre le boîtier et les ensembles de spires adjacentes du tube, pour former des barrières ou chicanes pour le gaz sur son trajet dans la chambre de détente et ainsi favoriser son écoulement turbulent en passant par l'intérieur des spires,
    • le gaz détendu s'écoule dans la chambre de refroidissement selon une direction générale perpendiculaire au spires, c'est-à-dire, perpendiculairement à la section transversale du fil,
    • la chambre de refroidissement s'étend parallèlement à l'axe central cylindrique de sorte que le gaz progresse dans cette chambre selon une direction générale parallèle à l'axe central et rencontre plusieurs fois sur son trajet le fil pour obliger plusieurs fois le gaz à contourner le fil,
    • l'axe d'enroulement en série des spires (et du fil) est parallèle à l'axe central cylindrique,
    • les plans contenant l'axe d'enroulement en série des spires et du fil coupent le fil transversalement à plusieurs endroits dans la chambre de refroidissement,
    • l'axe longitudinal du fil est perpendiculaire à l'axe central cylindrique et/ou la direction générale d'écoulement du gaz détendu,
    • le second cordon est composé d'au moins l'un parmi : une corde tressé, un fil en matériau plastique, du nylon, un fil en polytétrafluoroéthylène (PTFE), un fil de coton, un fil polyester,
    • le dispositif comprend un ou plusieurs fils,
    • le fil est composé d'au moins l'un parmi : une corde tressé, un fil en matériau plastique, du nylon, un fil en polytétrafluoroéthylène (PTFE), un fil de coton, un fil polyester,
    • le dispositif comporte deux tubes enroulés de façon hélicoïdale autour de l'axe central cylindrique, chaque tube étant enroulé également sur lui-même sur sa longueur de façon hélicoïdale en formant des spires, les deux tubes formant deux circuits de transport de gaz disposés en parallèle entre une première extrémité respective reliée à une source de gaz sous pression et une seconde extrémité respective reliée à un orifice de détente au voisinage de l'emplacement à refroidir, les deux tubes étant enroulés de façon alternés autour de l'axe cylindrique le long de ce dernier,
  • L'invention concerne également un appareil de photo-détection comprenant un élément détecteur monté sur un support refroidi par un dispositif refroidisseur Joule-Thomson dans lequel le dispositif refroidisseur Joule-Thomson est conforme à l'une quelconque des caractéristiques ci-dessus ou ci-après.
  • L'invention peut concerner également tout dispositif ou procédé alternatif comprenant toute combinaison des caractéristiques ci-dessus ou ci-dessous.
  • D'autres particularités et avantages apparaîtront à la lecture de la description ci-après, faite en référence aux figures dans lesquelles :
    • la figure 1 représente une vue en perspective, schématique et partielle, illustrant une partie d'un dispositif de refroidissement selon un exemple de réalisation de l'invention,
    • la figure 2 représente une vue de côté, schématique et partielle, illustrant un détail du dispositif de refroidissement de la figure 1 illustrant l'enroulement du tube véhiculant le gaz,
    • la figure 3 représente une vue de face, schématique et partielle, illustrant un détail de l'agencement de la figure 2
    • la figure 4 représente une vue en coupe longitudinale, schématique et partielle, d'un exemple de réalisation du dispositif de refroidissement selon l'invention.
  • La figure 4 illustre un exemple de dispositif refroidisseur Joule-Thomson 1 comprenant un boîtier 2 abritant un emplacement 5 à refroidir. Le dispositif comporte classiquement un tube 3 enroulé de façon hélicoïdale autour d'un axe 8 central cylindrique formant support.
  • Le tube 3 enroulé, par exemple en acier inoxydable, est destiné à transporter du gaz sous pression entre une première extrémité 113 reliée à une source de gaz sous pression et une seconde extrémité reliée à un orifice de détente 4 au voisinage de l'emplacement 5 à refroidir. Par exemple le gaz sous pression peut comprendre l'un parmi : de l'air, de l'azote, de l'argon à une pression compris entre 150 et 700 bar, notamment de l'argon à 480bar.
  • L'orifice 4 de détente peut notamment avoir une structure conforme à celle décrite dans le document FR2833073A1 .
  • Le tube 3 est disposé dans une chambre 6 de refroidissement ayant une extrémité amont reliée à l'orifice 4 de détente et une extrémité aval reliée à une sortie 7 de gaz.
  • La chambre 6 de refroidissement forme un trajet pour le gaz détendu durant lequel le gaz détendu est mis en échange thermique à contre-courant avec le tube 3 pour lui céder des frigories.
  • Selon une particularité avantageuse, le tube 3 est enroulé également sur lui-même sur sa longueur de façon hélicoïdale en formant des spires 13. C'est-à-dire que le tube 3 est enroulé sur lui-même de façon hélicoïdale en formant des spires 13 qui sont enroulées en série de façon hélicoïdale autour de l'axe 8 cylindrique. Ceci forme un double enroulement.
  • Dans un premier temps, le tube 3 haute pression peut être bobiné avec des spires 13 jointives ou non sur un support mandrin de faible diamètre (ensuite retiré en fin de bobinage). Cet ensemble peut ensuite être bobiné sur l'axe 8 support cylindrique qui constituera l'échangeur du refroidisseur 1 (cf. figures 2 et 3).
  • Il est possible de bobiner un seul tube 3 ou plusieurs tubes en parallèles. Plusieurs tubes hélicoïdaux peuvent ainsi être enroulés alternativement sur le support 8.
  • De plus, un fil 9 est logé à l'intérieur des spires 13 du tube 3 enroulé. Le fil 9 s'étend le long du tube 3 de façon hélicoïdal autour de l'axe 8 central pour créer des turbulences dans le flux de gaz détendu en échange thermique avec le tube 3.
  • Cet agencement permet d'atteindre les performances requises d'échange de chaleur requise sans nécessité de prévoir des ailettes ou un système équivalent au niveau du tube 3.
  • Cette solution permet d'avoir une longueur de tube suffisamment importante dans un faible encombrement et donc un maximum de surface d'échange entre le gaz froid et le gaz chaud à haute pression.
  • Comme illustré à la figure 4, la chambre 6 de refroidissement est délimitée de préférence par deux parois cylindriques concentriques appartenant respectivement par le boîtier 2 et l'axe 8 central.
  • Cette géométrie oblige le gaz à basse pression circulant à contre courant du gaz à haute pression à être dans un régime d'écoulement très turbulent autour du tube 3.
  • Cette turbulence peut être avantageusement augmentée en insérant au moins un bobinage canalisant la circulation du gaz froid basse pression dans l'enroulement du tube 3.
  • A cet effet, le dispositif peut comporter un premier 10 cordon enroulé de façon hélicoïdale autour de l'axe 8 central. Le premier 10 cordon est placé dans l'espace situé entre l'axe 8 central et les ensembles de spires 13 adjacentes du tube 3. Ce premier cordon 10, en appui contre l'axe 8 cylindrique et les spires 13 adjacentes, forme des barrières ou chicanes pour le gaz détendu sur son trajet dans la chambre 6 de refroidissement et ainsi favoriser son écoulement turbulent en passant par l'intérieur des spires 13.
  • De même, le dispositif peut comporter un second 11 cordon enroulé de façon hélicoïdale autour du tube 3 enroulé. Le second 11 cordon est placé dans l'espace situé entre le boîtier 2 et les ensembles de spires 13 adjacentes du tube 3. Ce second cordon 11, en appui sur la paroi du boîtier 2 et les spires adjacentes, forme des barrières ou chicanes pour le gaz sur son trajet dans la chambre 6 de détente et ainsi favoriser son écoulement turbulent en passant par l'intérieur des spires 13.
  • Les premier 10 et second 11 cordons forment donc des chicanes intérieures et extérieures selon une direction transversale à l'enroulement du tube 3 sur l'axe 8.
  • Tout comme le fil 9 intérieur aux spires 13, le premier 10 et le second 11 cordon peut comprendre au moins l'un parmi : une corde tressé, un fil en matériau plastique, du nylon, du polyester. Par exemple le fil 9 et les cordons 10, 11 peuvent être constitués chacun de polyester ayant un diamètre de 0,6mm.
  • De préférence, ces éléments (fil 9, cordons 10, 11 ont un diamètre compris entre et 0,2 et 1 mm (ou plus selon le diamètre de spires 13).
  • Les diamètres des fils ou cordons 9, 10, 11 peuvent dépendre du diamètre extérieur d'interface du refroidisseur Joule Thomson.
  • Le diamètre du fil 9 peut être variable sur sa longueur pour diminuer ou augmenter la perte de charge basse pression. Bien entendu, ce diamètre du fil 9 ne peut dépasser le diamètre du support de mandrin qui a servi à bobiner le tube 3 en spires 13 (sinon cela générerait des difficultés pour insérer le fil dans les spires).
  • Le premier cordon 10 (ou fil) a de préférence un diamètre suffisant pour combler l'espace créé entre l'axe 8 central et les spires 13 (cet espace sera fonction du diamètre des spires 13).
  • Le second cordon 11 (ou fil) a de préférence un diamètre suffisant pour assurer l'étanchéité entre les spires 13 et la paroi externe du boitier 2 (ici également le diamètre du fil 11 peut être fonction du diamètre des spires 13).
  • Ces éléments 9, 10, 11 sont de préférence constitué d'un matériau faiblement conducteur thermique (plastique, tissus, ...) pour éviter des ponts thermiques.
  • Cet agencement favorise au maximum l'échange thermique.
  • Ce système peut également s'appliquer à des échangeurs de type radiateur plat ou autres formes.
  • Le dispositif peut être utilisé pour le refroidissement de détecteurs infrarouges. Dans ce cas, l'emplacement 5 à refroidir comprend un capteur et appartient à un dispositif de photo-détection par exemple.
  • Le dispositif permet de s'affranchir des structures d'échangeur à ailette ou autre tout en atteignant les performances requises. La surface externe du tube 3 peut être lisse.
  • Le dispositif permet de réduire les coûts de fabrication (réduction des temps de montage, ne nécessite pas d'outillages complexes). Le dispositif exploite les caractéristiques des matériaux et des formes pour atteindre les meilleures performances. De plus, la structure du dispositif réduit la fragilité du produit (manutention) par rapport aux systèmes connus.

Claims (13)

  1. Dispositif refroidisseur Joule-Thomson (1) comprenant un boîtier (2) abritant un emplacement (5) à refroidir, un tube (3) enroulé de façon hélicoïdale autour d'un axe (8) central cylindrique, le tube (3) étant destiné à transporter du gaz sous pression entre une première extrémité (113) reliée à une source de gaz sous pression et une seconde extrémité reliée à un orifice de détente (4) au voisinage de l'emplacement (5) à refroidir, le tube (3) étant disposé dans une chambre (6) de refroidissement ayant une extrémité amont reliée à l'orifice (4) de détente et une extrémité aval reliée à une sortie (7) de gaz, la chambre (6) de refroidissement délimitant un trajet pour le gaz détendu durant lequel le gaz détendu est mis en échange thermique avec le tube (3) pour lui céder des frigories, caractérisé en ce que le tube (3) est enroulé également sur lui-même sur sa longueur de façon hélicoïdale en formant des spires (13), c'est-à-dire que le tube (3) est enroulé sur lui-même de façon hélicoïdale en formant des spires (13) qui sont enroulées en série de façon hélicoïdale autour de l'axe (8) cylindrique, et en ce qu'un fil (9) est logé à l'intérieur des spires (13) du tube (3) enroulé, ledit fil (9) s'étendant le long du tube (3) de façon hélicoïdal autour de l'axe (8) central pour créer des turbulence dans le flux de gaz détendu en échange thermique avec le tube (3).
  2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la chambre (6) de refroidissement est délimitée par deux parois cylindriques concentriques.
  3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la chambre (6) de refroidissement est délimitée par le boîtier (2) et l'axe (8) central cylindrique.
  4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte un premier (10) cordon enroulé de façon hélicoïdale autour de l'axe (8) central ledit premier (10) cordon étant placé dans l'espace situé entre l'axe (8) central et les ensembles de spires (13) adjacentes du tube 3, pour former des barrières ou chicanes pour le gaz détendu sur son trajet dans la chambre (6) de refroidissement et ainsi favoriser son écoulement turbulent en passant par l'intérieur des spires (13).
  5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le premier (10) cordon est composé d'au moins l'un parmi : une corde tressé, un fil en matériau plastique, du nylon, un fil en polyester, un fil en polytétrafluoroéthylène (PTFE), un fil de coton, un fil polyester.
  6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte un second (11) cordon enroulé de façon hélicoïdale autour du tube (3) enroulé, ledit second (11) cordon étant placé dans l'espace situé entre le boîtier (2) et les ensembles de spires (13) adjacentes du tube (3), pour former des barrières ou chicanes pour le gaz sur son trajet dans la chambre (6) de détente et ainsi favoriser son écoulement turbulent en passant par l'intérieur des spires (13).
  7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le second (11) cordon est composé d'au moins l'un parmi : une corde tressé, un fil en matériau plastique, du nylon, un fil en polytétrafluoroéthylène (PTFE), un fil de coton, un fil polyester.
  8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le fil (9) est composé d'au moins l'un parmi : une corde tressé, un fil en matériau plastique, du nylon, un fil en polytétrafluoroéthylène (PTFE), un fil de coton, un fil polyester.
  9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte deux tubes (3) enroulés de façon hélicoïdale autour de l'axe (8) central cylindrique, chaque tube (3) étant enroulé également sur lui-même sur sa longueur de façon hélicoïdale en formant des spires (13), les deux tubes (3) formant deux circuits de transport de gaz disposés en parallèle entre une première extrémité (113) respective reliée à une source de gaz sous pression et une seconde extrémité respective reliée à un orifice de détente (4) au voisinage de l'emplacement (5) à refroidir, les deux tubes (3) étant enroulés de façon alternés autour de l'axe (8) cylindrique le long de ce dernier.
  10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que le gaz détendu s'écoule dans la chambre de refroidissement selon une direction générale perpendiculaire au spires, c'est-à-dire, perpendiculairement à la section transversale du fil.
  11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que la chambre de refroidissement s'étend parallèlement à l'axe central cylindrique de sorte que le gaz progresse dans cette chambre selon une direction générale parallèle à l'axe central et rencontre plusieurs fois sur son trajet le fil pour obliger plusieurs fois le gaz à contourner le fil.
  12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 caractérisé en ce que l'axe d'enroulement en série des spires (et du fil) est parallèle à l'axe central cylindrique.
  13. Appareil de photo-détection comprenant un élément détecteur (5) monté sur un support refroidi par un dispositif (1) refroidisseur Joule-Thomson, caractérisé en ce que le dispositif (1) refroidisseur Joule-Thomson est conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 12.
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