FR2500581A1 - Refroidisseur cryogenique a liaison thermique perfectionnee - Google Patents

Abstract

L'INVENTION CONCERNE UN REFROIDISSEUR CRYOGENIQUE PERFECTIONNE, DU TYPE COMPRENANT UNE SONDE 4 POURVUE D'UNE EXTREMITE 5 REFROIDIE PAR DETENTE DE GAZ ET DISPOSEE DANS UN CRYOSTAT 6 A DOUBLE ENVELOPPE SOUS VIDE. SELON L'INVENTION, UNE PIECE DE LIAISON THERMIQUE 10 EST DISPOSEE ENTRE LE FOND DE LA SONDE 5 ET L'ENVELOPPE INTERNE 8 DU CRYOSTAT. CETTE PIECE PRESENTE UNE ELASTICITE RADIALE QUI LUI EST NOTAMMENT CONFEREE PAR UNE PLURALITE DE FENTES LONGITUDINALES, AFIN DE VENIR EN APPUI CONTRE LA PAROI CYLINDRIQUE DE L'ENVELOPPE INTERNE 8.

Description

REFROIDISSEUR CRYOGENIQUE A LIAISON

THERMIQUE PERFECTIONNEE

L'invention concerne un refroidisseur cryogénique perfectionné, du type comprenant une sonde pourvue d'une extrémité refroidie par détente d'un gaz; elle vise particulièrement les refroidisseurs fonctionnant en circuit fermé suivant les cycles thermodynamiques de Stirling, de

Gifford, de Vuilleumier, de Brayton ou de Joule-Thomson.

Ces refroidisseurs sont maintenant bien connus et sont constitués de deux parties:

un groupe moto-compresseur ou un moto-

oscillateur "chaud" ayant pour fonction de générer un débit de gaz sous pression ou une oscillation de pression, 15. une sonde de forme cylindrique, ayant une extrémité dans laquelle est réalisée une détente de gaz engendrant une production de froid, cette extrémité dite froide ou refroidie étant disposée dans un cryostat appelé à assurer

une isolation thermique de celle-ci.

Ces refroidisseurs servent à refroidir un échantillon, notamment un ou plusieurs détecteurs infra-rouges, et à maintenir celui-ci à très basse température, par exemple

de l'ordre de 700 à 800 K (degré Kelvin). On utilise de préfé-

rence un cryostat à double enveloppe sous-vide dans lequel est fixé l'échantillon, de façon que cet échantillon et le cryostat forment un ensemble indépendant par rapport à la sonde, qui puisse être séparé de celle-ci sans avoir à refaire le vide à

chaque mise en place.

L'invention s'applique à ce type de refroi-

disseurs dont les avantages sont bien connus de l'homme du mé-

tier. L'échantillon étant situé dans la double

enveloppe du cryostat, il est nécessaire dans ce type de dispo-

sitif d'assurer une liaison thermique entre l'extrémité refroi-

die de la sonde et l'enveloppe intérieure du cryostat sur la-

quelle est fixé l'échantillon.

Plusieurs solutions sont connues et uti-

lisées depuis de nombreuses années pour assurer cette liaison thermique. L'enveloppe intérieure du cryostat est formée par une paroi cylindrique fermée par un fond circulaire au-dessous duquel est fixé l'échantillons et toutes les solutions utilisées ont consisté à réaliser une liaison thermique entre l'extrémité refroidie de la sonde et le fond circulaire de l'enveloppe in- terne; toutefois, aucune de ces solutions n'est entièrement

satisfaisante, chacune possédant des défauts qui lui sont spé-

cifiques et qui sont résumés ci-après.

Une première solution consiste à disposer un ressort métallique entre l'extrémité refroidie de la sonde et le fond de l'enveloppé; toutefois, la transmission thermique obtenue est très médiocre en raison de la faible section de conduction thermique et des contacts de surface réduite entre

le ressort et les deux éléments qu'il relie.

Une autre solution consiste à bourrer l'es-

pace compris entre l'extrémité refroidie de la sonde et le fond de l'enveloppe au moyen de paillettes métalliques, éponges

métalliques ou matériau équivalent. Cette solution est peu pra-

tique et la mise en place du matériau est une opération délica-

te; de plus, à chaque démontage de la sonde (par rapport au cryostat), ces éléments doivent être soigneusement nettoyés,

le matériau assurant la liaison thermique étant à changer cha-

que fois.

Une autre solution consiste à disposer entre l'extrémité refroidie de la sonde et le fond de l'enveloppe une pastille de métal mou, qui est écrasée entre ces deux éléments

toutefois, ce type de dispositif est inapte à autoriser des di-

latations longitudinales notables de la sonde et ne peut fonc-

tionner que dans une plage étroite de température; en outre, les pièces formant la sonde et l'enveloppe interne de cryostat doivent être usinées avec de très faibles tolérances pour que

le montage puisse s'effectuer correctement. De plus, les vibra-

tions longitudinales de la sonde sont directement transmises à

l'enveloppe du cryostat et donc à l'échantillon, ce qui consti-

tue un très grave défaut dans le cas o l'échantillon est formé par des détecteurs infra-rouges. Par ailleurs, la pastille de métal mou écrasé entraîne la formation d'incrustations dans la

sonde et l'enveloppe, et le nettoyage de ces éléments est dif-

ficile à réaliser à chaque démontage, la pastille de métal mou

4o étant généralement à changer.

Une autre solution consiste à fixer la sonde dans le cryostat par l'intermédiaire d'un dispositif à ressort

qui maintient l'extrémité de la sonde directement en appui con-

tre le fond de l'enveloppe interne (avec éventuellement présen-

ce d'une graisse ou d'un vernis). Cette solution présente l'in-

convénient de conduire à une complexité mécanique plus grande;

de plus, elle ne supprime pas le défaut de la solution précéden-

te, relatif à la transmission des vibrations longitudinales de

la sonde à l'échantillon.

La présente invention se propose de fournir une solution au problème de liaison thermique des refroidisseurs

cryogéniques, qui soit exempte des défauts des solutions tradi-

tionnelles et donne entière satisfaction.

Un objectif de l'invention est en particu-

lier de fournir un refroidisseur cryogénique bénéficiant d'une liaison thermique de bonne qualité entre l'extrémité refroidie de la sonde et l'enveloppe du cryostat sur laquelle est fixé l'échantillon.

Un autre objectif de l'invention est de four-

nir un refroidisseur cryogénique, dont la sonde puisse être

aisément montée dans le cryostat ou démontée par rapport à ce-

lui-ci, sans avoir à changer un quelconque élément ou à effec-

tuer un quelconque nettoyage.

Un autre objectif essentiel de l'invention est d'éviter toute transmission de vibrations longitudinales

entre la sonde et l'échantillon.

Un autre objectif est de permettre un fonc-

tionnement du refroidisseur dans une large plage de températu-

re.

Un autre objectif est de fournir un refroi-

disseur cryogénique qui atteigne les objectifs précédents, tout

en étant de structure simple et en autorisant de larges tolé-

rances de fabrication pour la sonde et le cryostat.

Dans la description qui suit, le terme

"longitudinal" désigne la direction s'étendant le long de la sonde ou du cryostat, parallèlement à l'axe de ces éléments, et le terme "radial" désigne une direction perpendiculaire

allant de l'axe de la sonde vers la périphérie ou inversement.

Le refroidisseur cryogénique visé par l'in-

vention est du type comprenant une sonde pourvue d'une extrémi-

té refroidie par détente de gaz, un cryostat à double enveloppe

sous vide dont l'enveloppe intérieure formée par une paroi cy-

lindrique fermée par un fond est adaptée pour contenir l'extré-

mité refroidie -de la sonde, et un échantillon à refroidir, notam-

ment un ou des détecteurs infra-rouges, fixé dans la double en-

veloppe du cryostat sur le fond de l'enveloppe intérieure; se-

lon la présente invention, ce refroidisseur comprend au moins

une pièce de liaison thermique présentant une élasticité radia-

le et s'étendant entre l'extrémité refroidie de la sonde et la

paroi cylindrique de l'enveloppe interne du cryostat, cette piè-

ce étant fixée sur ladite extrémité refroidie de sonde et venant en contact contre la paroi cylindrique de l'enveloppe interne

sous l'effet de son élasticité radiale.

Il est possible de prévoir plusieurs pièces de liaison thermique réparties autour de l'axe longitudinal

de la sonde; toutefois, dans un but de simplification et de fa-

cilité de mise en place, on prévoit de préférence une seule piè-

ce de liaison thermique, présentant une forme de révolution autour de l'axe longitudinal de la sonde, cette pièce comportant des moyens lui conférant une élasticité radiale constitués, de

préférence, par une pluralité de fentes longitudinales répar-

ties sur son pourtour.

Ainsi, l'invention réalise une liaison ther-

mique entre l'extrémité refroidie de la sonde et la paroi cylin-

drique du cryostat, la ou les pièces de liaison étant en appui contre cette paroi cylindrique etfixée sur la sonde. Le contact de la ou des pièces de liaison thermique avec le cryostat et la sondes'effectue par une pluralité de surfaces de contact ou par

une surface de contact étendue, cependant que la section de con-

duction s'étendant selon un cylindre peut être de dimension

importante, de sorte que l'invention permet d'atteindre d'excel-

lentes performances thermiques et d'obtenir un écart de tempéra-

ture de valeur très faible entre l'extrémité refroidie de la son-

de et l'échantillon. /de liaison!

De plus, la sonde et la ou les pièces/thermi-

que fixées sur celle-ci sont libres longitudinalement puisque

ces pièces viennent simplement en appui contre la paroi cylindri-

que du cryostat; la sonde est donc libre de se déformer longitu-

dinalement, ce qui autorise un fonctionnement du refroidisseur dans une large gamme de température; en outre, les tolérances de fabrication sont très larges, tant dans le sens longitudinal ide liaison / que radial (puisque l'appui de la ou des pieces/tierfique est produit par l'élasticité radiale de ces dernières sans contact avec le fond interne du cryostat); par ailleurs, les vibrations

longitudinales de la sonde ne sont pas transmises à l'échantil-

lon en raison notamment de cette absence de contact entre la

sonde et le fond de l'enveloppe interne du cryostat.

L'invention ayant été exposée dans sa forme générale, d'autres caractéristiques et avantages se dégageront

de la description qui suit en référence des dessins annexés,

lesquels en présentent à titre d'exemples non limitatifs des

modes de réalisation; sur ces dessins qui font partie intégran-

te de la description

la figure 1 est une vue d'ensemble d'un refroidisseur cryogénique conforme a l'invention, les moyens connus de ce refroidisseur ayant simplement été schématisés sur cette figure, la figure 2 est une vue en perspective de

détail de la pièce de liaison thermique équipant ledit refroi-

disseur,

les figures 3, 4 et 5 sont des vues par-

tielles, illustrant d'autres modes de réalisation de l'inven-

tion.

Le refroidisseur cryogénique représenté sché-

matiquement à titre d'exemple à la figure 1 comprend deux ensem-

bles séparés 1 et 2 reliés par un tube de liaison 3. L'ensemble

1 peut être un groupe moto-compresseur ou un groupe moto-oscil-

lateur, adapté pour générer un débit de gaz sous pression ou

une oscillation de pression dans le tube 3.

L'ensemble 2 comprend une sonde schématisée en 4 (en soi bien connue), comportant une extrémité refroidie 5 dans laquelle s'effectue une détente de gaz productrice de

froid. Cette sonde est fixée par des moyens de fixation clas-

siques (non représentés) sur un cryostat 6 formé par une enve-

loppe externe 7 et une enveloppe interne 8 entre lesquelles est

réalisé un vide poussé.

L'enveloppe interne 8 est constituée par une 4 0 paroi cylindrique 8a et par un fond circulaire 8b; l'extrémité

refroidie 5 de la sonde est logée dans l'enveloppe 8 au voisina-

ge du fond 8b. Un échantillon à refroidir par exemple un ou plu-

sieurs détecteurs infra-rouges 9, est collé sous le fond 8b en-

tre les deux enveloppes du cryostat.

Les divers organes décrits jusqu'à présent

sont classiques et ne seront pas davantage détaillés.

Selon l'invention une pièce de liaison ther-

mique 10 qui a été représentée en perspective à échelle dilatée

à la figure 2, est fixée sur l'extrémité refroidie 5 de la son-

de. Cette pièce réalisée en métal bon conducteur de la chaleur tel que cuivre, laiton, aluminium... comprend un 1 talon de fixation 11 qui permet de la fixer sur l'extrémité refroidie 5 et des languettes d'appui telles que 12-séparées par des fentes longitudinales telles que 13,qui présentent une

élasticité radiale.

Le talon d'appui 11 est adapté pour se fixer

sur l'extrémité 5 de la sonde avec un contact surfacique éten-

du. En l'exemple de la figure 1 o la sonde 4 possède une extré-

mité refroidie 5 fermée par un fond plat circulaire 5a, le talon 11 présente la forme d'un disque plat appliqué et collé contre

le fond plat 5a.

Chaque languette d'appui 12 possède une sur-

face d'appui en forme de portion de cylindre et se trouve ra-

dialement en saillie par rapport au talon 11 de façion à venir en appui contre la paroi cylindrique 8a de l'enveloppe 8, sans contact avec le fond-8b. La pièce 10 réalise ainsi une liaison

thermique avec l'enveloppe interne 8 par une pluralité de con-

tacts répartis sur son pourtour. On peut, le cas échéant, aug-

menter la qualité de ces contacts en recouvrant les surfaces

de contact des languettes au moyen d'un produit visqueux (grais-

se bonne conductrice...).

Lors du montage ou du démontage de la sonde, la pièce de liaison thermique 10 glisse par l'effet de son

élasticité radiale le long de la paroi cylindrique 8a du cryos-

tat sans aucune difficulté de mise en place.

La figure 3 montre une variante de pièce de liaison 14 dans laquelle le talon 15 présente le même diamètre que le fond plat circulaire de la sonde et est collé sur toute la surface de celui-ci pour augmenter le contact surfacique entre ces éléments. Dans cette variante, les languettes 16 viennent radialement en saillie en appui contre la paroi cylin-

drique grâce à une surépaisseur externe qu'elles présentent.

La figure 4 montre une autre variante dans laquelle l'extrémité refroidie de la sonde comporte une tête b de diamètre réduit; la pièce de liaison 17 présente un ta-

lon ajouré 18 qui est adapté pour s'engager autour de cette tê-

te. Dans cette variante, la tête est lisse et le talon 18 est

collé autour de celle-ci.

Dans la variante représentée à la figure 5, la tête 5c est pleine et filetée sur son pourtour, et le talon

19 de la pièce de liaison est taraudé et vissé sur cette tête.

L'invention permet d'écarter tous les incon-

vénients de.s solutions traditionnelles et confère à la liaison thermique du refroidisseur tous les avantages souhaitables - excellentes performances thermiques, - faculté de fonctionnement dans une large plage de température,

- absence de transmission des vibrations lon-

gitudinales de la sonde, - absence de résidu lors des démontages et, donc, pas d'opération de nettoyage à exécuter,

- simplicité et larges tolérances de fabri-

cation. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée

aux termes de la description précédente mais en comprend toutes

les variantes.

RÉPUBLIQUE FRAN AISE

INSTITUT NATIONAL

DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE

PARIS

2 500 582

BREVET D'INVENTION

CERTIFICAT D'UTILITÉ

CERTIFICAT D'ADDITION

Aucun titre n'est publié sous ce numéro

Claims (10)

- REVENDICATIONS

1/ - Refroidisseur cryogénique perfectionné, du type comprenant une sonde (4) pourvue d'une extrémité (5) refroidie par détente de gaz, un cryostat (6) à double envelop-

pe sous vide dont l'enveloppe intérieure (8) formée par une pa-

roi cylindrique (8a) fermée par un fond (8b) est adaptée pour

contenir l'extrémité refroidie (5) de la sonde, et un échantil-

lon à refroidir (9), notamment un ou des détecteurs infra-rouges, fixé dans la double enveloppe du cryostat sur le fond (8b) de l'enveloppe intérieure, ledit refroidisseur cryogénique étant caractérisé en ce qu'il comprend au moins une pièce de liaison thermique (10, 14, 17) présentant une élasticité radiale et s'étendant entre l'extrémité refroidie (5) de la sonde (4) et

la paroi cylindrique (8a) de l'enveloppe interne (8) du cryos-

tat, cette pièce (10) étant fixée sur ladite extrémité refroi-

l

die (5) de sonde et venant en contact contre la paroi cylin-

drique (8a) de l'enveloppe interne sous l'effet de son élasti-

cité radiale.

2/ - Refroidisseur cryogénique perfectionné selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une pièce de liaison thermique (10, 14, 17) présentant une forme de révolution autour de l'axe longitudinal de la sonde (4), cette pièce comprenant une pluralité de fentes longitudinales

(13) réparties sur son pourtour en vue de lui conférer l'élas-

ticité radiale précitée.

3/ - Refroidisseur cryogénique perfectionné selon la revendication 2, caractérisé en ce que la pièce de liaison thermique (10, 14, 17) comprend un talon de fixation

(11, 15, 18, 19) adapté pour se fixer sur l'extrémité refroi-

die (5) de la sonde et pour venir en contact surfacique avec cette extrémité, et des languettes d'appui (12) séparées par les fentes (13) et adaptées pour venir chacune en appui avec

la paroi cylindrique (8a) de l'enveloppe interne du cryostat.

4/ - Refroidisseur cryogénique perfectionné

selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque languet-

te d'appui (12) présente une surface d'appui en forme de por-

tion de cylindre.

/ - Refroidisseur crycgénique perfectionné

selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que

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les languettes d'appui (12) sont disposées radialement en sail-

lie par rapport au talon de fixation (11) de la pièce.

6/ - Refroidisseur cryogénique perfectionné

selon l'une des revendications 3, 4 ou 5, dans laquelle la son-

de (4) possède une extrémité refroidie (5) fermée par un fond

plat circulaire (5a), caractérisé en ce que la pièce de liai-

son thermique (10, 14) est fixée sur ce fond plat (5a) par son talon (11, 15) en forme de disque plat, appliqué contre ledit

fond plat.

7/ - Refroidisseur cryogénique perfectionné selon la revendication 6, caractérisé en ce que le talon (11, ) en forme de disque plat est collé contre le fond plat (5a)

de l'extrémité refroidie (5) de sonde.

8/ - Refroidisseur cryogénique perfectionné

selon l'une des revendications 3, 4 ou 5, caractérisé en ce

que la sonde (4) comporte une extrémité refroidie (5) ayant

une tête (5b, 5c) de diamètre réduit, la pièce de liaison ther-

mique ayant un talon ajouré (18, 19) adapté à ladite tête et

engagé autour de celle-ci.

9/ - Refroidisseur cryogénique perfectionné selon la revendication 8, caractérisé en ce que la tête (5c) de l'extrémité refroidie (5) est filetée, le talon (19) de la

pièce de liaison étant taraudé et vissé sur celle-ci.

10/ - Refroidisseur cryogénique perfectionné selon la revendication 8, caractérisé en ce que le talon (18) de la pièce est collé autour de la tête (5b) de l'extrémité

refroidie (5).

11/ - Refroidisseur cryogénique perfectionné

selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la ou

les pièces de liaison thermique sont réalisées en métal bon

conducteur de la chaleur.