FR2630535A1 - POROUS MASS FOR HEAT EXCHANGER AND ITS APPLICATION TO JOULE-THOMSON COOLER - Google Patents
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Abstract
La masse poreuse 7 de l'échangeur de chaleur du refroidisseur Joule-Thomson 1 est constitué de billes revêtues d'une couche d'un matériau ayant un point de fusion inférieur à celui de la matière dont sont constituées les billes, ces dernières étant liées les unes aux autres par fusion dudit matériau. Application au refroidissement de détecteurs infra-rouge.The porous mass 7 of the heat exchanger of the Joule-Thomson cooler 1 consists of balls coated with a layer of a material having a melting point lower than that of the material of which the balls are made, the latter being bonded to each other by melting said material. Application to the cooling of infra-red detectors.
Description
La présente invention est relative à une masse poreuse pour échangeur deThe present invention relates to a porous mass for heat exchanger
chaleur. Elle s'applique notamment aux refroidisseurs cryogéniques à détente JOULE-THOMSON du type comprenant une enveloppe présentant un emplacement à refroidir, un serpentin destiné à véhiculer du gaz sous haute pression, disposé dans l'enveloppe et présentant un orifice de détente au voisinage dudit emplacement, et une masse poreuse emplissant la région de l'enveloppe qui contient le serpentin mais laissant libre une chambre de détente dans laquelle débouche ledit orifice de détente. Ces refroidisseurs sont destinés à obtenir très rapidement des températures basses comprises entre 80 et K environ et sont utilisés par exemple pour refroidir des détecteurs infra-rouge. Le FR-A-2 602 316 décrit un refroidisseur JOULE-THOMSON du type précité. La présente invention a pour but de fournir une heat. It applies in particular to JOULE-THOMSON cryogenic expansion chillers of the type comprising an envelope having a location to be cooled, a coil for conveying gas under high pressure, disposed in the casing and having an expansion orifice in the vicinity of said location and a porous mass filling the region of the envelope which contains the coil but leaving free an expansion chamber into which said expansion orifice opens. These coolers are intended to obtain very quickly low temperatures between 80 and about K and are used for example to cool infra-red detectors. FR-A-2 602 316 discloses a JOULE-THOMSON cooler of the aforementioned type. The present invention aims to provide a
technologie simple et économique de réalisation d'un tel refroidisseur. simple and economical technology for producing such a cooler.
A cet effet, l'invention a pour objet une masse poreuse pour échangeur de chaleur, caractérisée en ce qu'elle est constituée de billes revêtues d'une couche d'un matériau ayant un point de fusion inférieur à celui de la matière dont sont constituées les billes, ces dernières étant For this purpose, the subject of the invention is a porous mass for a heat exchanger, characterized in that it consists of balls coated with a layer of a material having a melting point lower than that of the material of which constituted the balls, the latter being
liées les unes aux autres par fusion dudit matériau. related to each other by melting said material.
L'invention a également pour objet un refroidisseur JOULE-THOMSON du type précité, caractérisé en ce que la masse The subject of the invention is also a JOULE-THOMSON cooler of the aforementioned type, characterized in that the mass
poreuse est telle que définie ci-dessus. porous is as defined above.
Des exemples de mise en oeuvre de l'invention vont maintenant être décrits en regard du dessin annexé, sur lequel les figures 1 et 2 sont des vues en coupe axiale de deux modes de réalisation d'un cryostat comprenant un refroidisseur conforme à l'invention. Le cryostat représenté à la figure 1 a la même constitution générale que celui décrit en regard de la figure 9 du FR-A-2 602 316 précité. Il comprend un refroidisseur JOULE-THOMSON 1 disposé dans une enceinte sous vide 2. L'ensemble possède un axe général de symétrie Examples of implementation of the invention will now be described with reference to the accompanying drawing, in which Figures 1 and 2 are views in axial section of two embodiments of a cryostat comprising a cooler according to the invention. . The cryostat shown in FIG. 1 has the same general constitution as that described with regard to FIG. 9 of the aforementioned FR-A-2 602 316. It comprises a JOULE-THOMSON cooler 1 disposed in a vacuum chamber 2. The assembly has a general axis of symmetry
X-X supposé vertical.X-X supposed vertical.
Le refroidisseur 1 comprend une enveloppe cylindrique 3 à simple paroi ouverte vers le haut et constituée elle-même d'un tronçon tubulaire métallique 4 obturé' à son extrémité inférieure par une coupelle en cuivre, un serpentin capillaire 6 en acier inoxydable, et une masse poreuse 7 qui constitue la seule différence entre ce cryostat et celui de la figure 9 du FR-A précité. Un élément 8 à refroidir, par exemple un disque formant détecteur infra-rouge, est fixé sur le fond de la coupelle , à l'extérieur de celle-ci. L'extrémité supérieure du tronçon 4 est emboîtée et brasée hermétiquement dans une ouverture 9 d'un couvercle circulaire 10 du cryostat. Le serpentin 6 pénètre dans l'enveloppe 3 par l'ouverture 9, puis présente une partie bobinée en hélice à peu près jusqu'à l'extrémité inférieure du tronçon 4. Toute la partie bobinée du serpentin est noyée dans la masse poreuse 7, laquelle emplit l'espace laissé libre par le serpentin dans la partie correspondante du tronçon 4, jusqu'à l'extrémité The cooler 1 comprises a cylindrical envelope 3 with a single wall open upwards and itself constituted by a metal tubular section 4 closed at its lower end by a copper cup, a capillary coil 6 made of stainless steel, and a mass porous 7 which is the only difference between this cryostat and that of Figure 9 of FR-A above. An element 8 to be cooled, for example an infra-red detector disk, is fixed on the bottom of the cup, outside of it. The upper end of the section 4 is nested and sealed in an opening 9 of a circular lid 10 of the cryostat. The coil 6 enters the casing 3 through the opening 9, then has a helically wound portion approximately to the lower end of the section 4. All the coiled portion of the coil is embedded in the porous mass 7, which fills the space left free by the coil in the corresponding part of the section 4, to the end
C inférieure de celui-ci.Lower C of it.
L'extrémité aval du serpentin 6 émerge sur une courte longueur sous la masse 7, est recourbée horizontalement sous cette masse, est obturée à son extrémité et présente latéralement un orifice de The downstream end of the coil 6 emerges a short length under the mass 7, is bent horizontally under this mass, is closed at its end and laterally has an orifice of
détente calibré 11 orienté vers le bas. calibrated trigger 11 facing down.
La coupelle métallique 5 est fixée hermétiquement à l'extrémité inférieure du tronçon 4 et ménage sous la masse 7 une chambre de The metal cup 5 is hermetically fixed to the lower end of the section 4 and, under the mass 7, provides a chamber of
détente 12 dans laquelle débouche l'orifice 11. 12 in which opens the orifice 11.
La masse poreuse 7 est constituée de billes de bronze étamées liées les unes aux autres, au serpentin 6 et au tronçon 4, par fusion de l'étain, comme on le décrira en détail plus loin: L'enceinte sous vide 2 est définie d'une part par le refroidisseur 1 et d'autre part par le couvercle 10 et par des tronçons tubulaires 13, 14 d'axe X-X, ces éléments étant reliés les uns aux autres The porous mass 7 consists of tinned bronze balls bonded to each other, to the coil 6 and to the section 4, by melting the tin, as will be described in detail below: The vacuum enclosure 2 is defined by on the one hand by the cooler 1 and on the other hand by the lid 10 and by tubular sections 13, 14 of axis XX, these elements being connected to each other
par des ensembles brides - colliers - dispositifs d'étanchéité 15. by flange assemblies - collars - sealing devices 15.
L'enceinte du cryostat est reliée vers le bas à une pompe à vide (non représentée). Pour réaliser le refroidisseur 1, le serpentin capillaire 6 est 1 C bobiné en hélice sur un mandrin (non représenté), lequel est ensuite retiré. L'hélice est disposée avec un large jeu radial dans le tronçon tubulaire 4, et ce dernier est empli de billes de bronze de 0,5 mm de diamètre sur lesquelles on a au préalable déposé une fine couche d'étain ayant une épaisseur de l'ordre de 5 microns, jusqu'à ce que la partie bobinée du serpentin soit complètement recouverte. Dans cet exemple, le diamètre des billes est un peu supérieur au diamètre extérieur du tube capillaire 6; plus généralement, suivant les performances demandées au refroidisseur, le diamètre des billes peut être grossièrement du même The cryostat enclosure is connected down to a vacuum pump (not shown). To make the cooler 1, the capillary coil 6 is 1C wound helically on a mandrel (not shown), which is then removed. The propeller is arranged with a large radial clearance in the tubular section 4, and the latter is filled with bronze balls of 0.5 mm diameter on which a thin layer of tin having a thickness of order of 5 microns, until the coiled portion of the coil is completely covered. In this example, the diameter of the balls is slightly greater than the outside diameter of the capillary tube 6; more generally, depending on the performance required of the chiller, the diameter of the beads can be roughly the same
ordre de grandeur que ce diamètre extérieur. order of magnitude than this outside diameter.
Une légère vibration est appliquée à l'ensemble pour permettre une disposition homogène des billes dans l'espace qui leur est imparti, A slight vibration is applied to the assembly to allow a homogeneous arrangement of the balls in the space allotted to them,
disposition qui peut être contrôlée par pesée de l'échangeur. provision that can be controlled by weighing the exchanger.
Quelques gouttes d'acide tel que le produit de la Société All State vendu sous la dénomination commerciale "Duzall Flux" sont réparties entre les billes, puis l'ensemble est chauffé, par exemple avec un dispositif de soufflage d'air chaud à 600 C, dans un four, par induction, etc. La température de chauffage est choisie supérieure à la A few drops of acid such as the product of the All State Company sold under the trade name "Duzall Flux" are distributed between the balls, then the assembly is heated, for example with a device for blowing hot air at 600 C. , in an oven, by induction, etc. The heating temperature is chosen higher than the
température de fusion de l'étain mais inférieure à celle du bronze. melting temperature of tin but lower than that of bronze.
Apres refroidissement, l'ensemble est rincé à l'eau chaude et After cooling, the whole is rinsed with hot water and
séché, puis les éléments 5 et 8 sont mis en place. dried, then elements 5 and 8 are put in place.
En fonctionnement, après avoir établi un vide secondaire (inférieur à 10'4 mb) dans l'enceinte du cryostat, on relie l'extrémité extérieure du serpentin 6 à une source d'un gaz sous très haute pression, par exemple d'argon sous 700 bars. Le gaz haute pression, épuré par un filtre (non représenté), circule dans le serpentin, est détendu et donc refroidi au passage de l'orifice 11, et pénètre dans la chambre 12. De là, il remonte à travers la masse poreuse 7 en cédant, essentiellement par l'intermédiaire de cette masse, du froid au gaz haute pression contenu dans le serpentin 6, et le gaz basse pression s'évacue i0 à l'atmosphère à travers l'ouverture 9. Ainsi, la température diminue rapidement dans la chambre 12, jusqu'à formation dans celle-ci de liquide à la température qui correspond à la pression qui y règne, laquelle est définie par la perte de charge du circuit basse pression à travers la In operation, after establishing a secondary vacuum (less than 10'4 mb) in the chamber of the cryostat, the outer end of the coil 6 is connected to a source of a gas under very high pressure, for example argon under 700 bars. The high pressure gas, purified by a filter (not shown), circulates in the coil, is expanded and thus cooled at the passage of the orifice 11, and enters the chamber 12. From there, it goes back through the porous mass 7 by yielding, essentially through this mass, the cold to high pressure gas contained in the coil 6, and the low pressure gas is evacuated i0 to the atmosphere through the opening 9. Thus, the temperature decreases rapidly in the chamber 12, until there is formed therein liquid at the temperature which corresponds to the pressure which prevails, which is defined by the pressure drop of the low pressure circuit through the
masse 7.mass 7.
l5 On a pu ainsi obtenir un temps de mise en froid à 100 K inférieur à une seconde, ainsi qu'une autonomie à 100K supérieure à deux minutes, avec un refroidisseur de diamètre extérieur de l'ordre de It has thus been possible to obtain a cooling time at 100 K of less than one second, as well as an autonomy at 100K greater than two minutes, with an external diameter cooler of the order of
3 mm et en utilisant 50 cm d'argon stocké sous 700 bars. 3 mm and using 50 cm of argon stored under 700 bar.
Le cryostat représenté à la figure 2 a la même constitution générale que celui décrit en regard de la figure 8 du FR-A-2 602 316 précité. Il comprend également un refroidisseur JOULE-THOMSON 1A de structure analogue à celui de la figure 1, disposé dans une enceinte sous vide 2A, mais la configuration générale est plane et circulaire et The cryostat shown in FIG. 2 has the same general constitution as that described with regard to FIG. 8 of the aforementioned FR-A-2 602 316. It also comprises a JOULE-THOMSON 1A cooler of structure similar to that of FIG. 1, arranged in a vacuum chamber 2A, but the general configuration is flat and circular and
supposée d'axe vertical.supposed vertical axis.
- Le serpentin capillaire 6A en acier inoxydable est enroulé en une spirale plane à spires jointives; l'extrémité extérieure de ce tube est pourvue d'un filtre (non représenté), tandis que son extrémité intérieure est obturée et présente un orifice de détente calibré 11A - The capillary coil 6A stainless steel is wound into a plane spiral contiguous turns; the outer end of this tube is provided with a filter (not shown), while its inner end is closed and has a calibrated expansion orifice 11A
orienté axialement.oriented axially.
L'enceinte sous vide 2A est constituée par deux plaques planes 4A, 4B ayant une bonne résistance aux contraintes mécaniques et thermiques, notamment. en acier inoxydable. Ces plaques 4A, 4B ont le même diamètre extérieur que la spirale 6A et comportent un rebord périphérique cylindrique 16 dirigé à l'opposé de la spirale. Une rondelle 17 est fixée par brasage, soudage ou collage sur chaque rebord 16, après mise sous vide, de façon à constituer de chaque côté du refroidisseur une chambre sous vide scellée. L'élément 8 à refroidir est fixé au centre de la plaque 4A vers laquelle est orienté l'orifice de The vacuum chamber 2A consists of two flat plates 4A, 4B having good resistance to mechanical and thermal stresses, in particular. Stainless steel. These plates 4A, 4B have the same outer diameter as the spiral 6A and have a cylindrical peripheral rim 16 directed away from the spiral. A washer 17 is fixed by soldering, welding or gluing on each flange 16, after evacuation, so as to form on each side of the cooler a sealed vacuum chamber. The element 8 to be cooled is fixed to the center of the plate 4A towards which the orifice of
C détente 11A, dans la chambre sous vide correspondante. C expansion 11A, in the corresponding vacuum chamber.
La masse poreuse 7A est de nouveau la seule différence entre ce refroidisseur et celui de la figure 8 du FR-A précité. Le serpentin est disposé dans un plan horizontal situé à égale distance des deux plaques 4A, 4B et espacé de celles-ci, et la masse 7A emplit tout l'espace 1; restant libre entre ces deux plaques, à l'exception d'une région centrale The porous mass 7A is again the only difference between this cooler and that of FIG. 8 of the aforementioned FR-A. The coil is disposed in a horizontal plane equidistant from the two plates 4A, 4B and spaced from them, and the mass 7A fills all the space 1; remaining free between these two plates, except for one central region
formant chambre de détente 12A, dans laquelle débouche l'orifice 11A. forming the expansion chamber 12A, in which opens the orifice 11A.
Comme précédemment, la masse 7A est constituée de billes de bronze étamées liées les unes aux autres, au serpentin 6A et aux plaques 4A,4B As before, the mass 7A consists of tinned bronze balls bonded to each other, to the coil 6A and to the plates 4A, 4B
par fusion de l'étain.by melting tin.
Comme on le comprend, le refroidisseur suivant l'invention peut posséder d'autres configurations, par exemple une configuration conique intermédiaire entre celles des figures 1 et 2. Par ailleurs, suivant les applications, d'autres couples de matériaux peuvent être envisagés pour constituer des billes et leur revêtement fusible, les billes As can be understood, the cooler according to the invention may have other configurations, for example a conical configuration intermediate between those of FIGS. 1 and 2. Moreover, depending on the applications, other pairs of materials may be envisaged to constitute balls and their fusible coating, the balls
pouvant être par exemple en une matière céramique. which may be for example a ceramic material.
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