FR2725013A1

FR2725013A1 - Joule-Thomson cooling of infra red detectors

Info

Publication number: FR2725013A1
Application number: FR9411333A
Authority: FR
Inventors: Bruno Guille; Serge Reale
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1994-09-22
Filing date: 1994-09-22
Publication date: 1996-03-29
Anticipated expiration: 2014-09-22
Also published as: FR2725013B1

Abstract

The Joule-Thomson cooler has a gas expansion chamber (5) with a stationary expansion passage (7) that can be connected to a circuit supplied with a gas under pressure (2). The passage is closed by a block (8) coupled to a thermally sensitive actuator (11,14). The valve block (8) is pressed toward the closed position by a spring (11). The actuator operates against the spring, and is a thermally sensitive washer with a 'V' profile. The washer has a shape memory, with its transformation temperature not exceeding 200 deg K. The end of the valve block is tapered to allow leakage with partial opening. The gas inlet end of the expansion valve is placed in proximity to the infra red detector.

Description

La présente invention concerne un refroidisseur Joule-Thomson, du type comprenant un ensemble de détente de gaz comportant un orifice de détente raccordable à un circuit de gaz sous pression, et un organe obturateur, couplé à un dispositif d'actionnement sensible à la température et déplaçable, sous l'action du dispositif d'actionnement, depuis une première position écartée de l'orifice de détente vers une deuxième position occultant au moins partiellement l'orifice de détente. The present invention relates to a Joule-Thomson cooler, of the type comprising a gas expansion assembly comprising an expansion opening connectable to a pressurized gas circuit, and a shutter member, coupled to an actuation device sensitive to temperature and movable, under the action of the actuating device, from a first position away from the expansion orifice to a second position at least partially obscuring the expansion orifice.

Un refroidisseur de ce type est décrit dans le document US-A5.003.783 au nom de la Demanderesse. A cooler of this type is described in document US-A5,003,783 in the name of the Applicant.

Les dispositifs d'actionnement sensibles à la température des refroidisseurs connus mettent généralement en oeuvre des tiges d'actionnement agissant par effet de différentiels de températures ou de différentiels de coefficients de dilatation, dans des agencements délicats à réaliser et difficilement reproductibles d'une série à une autre. The actuation devices sensitive to the temperature of known coolers generally use actuation rods acting by the effect of temperature differentials or differential expansion coefficients, in arrangements which are difficult to produce and difficult to reproduce from series to series. another.

La présente invention a pour objet de proposer un refroidisseur à détente Jouie-Thomson de conception simple, fiable et robuste et convenant à la plupart des configurations de refroidisseurs Joule-Thomson, notamment miniatures. The object of the present invention is to provide a Jouie-Thomson expansion cooler of simple, reliable and robust design and suitable for most configurations of Joule-Thomson coolers, in particular miniature.

Pour ce faire, selon une caractéristique de l'invention, le dispositif d'actionnement comprend au moins un organe de retenue à mémoire de forme à température de transformation Ms n'excédant pas 200 K, interposé sur le trajet de l'organe obturateur entre ses première et deuxième positions. To do this, according to a characteristic of the invention, the actuating device comprises at least one shape memory retaining member at transformation temperature Ms not exceeding 200 K, interposed on the path of the shutter member between its first and second positions.

Selon d'autres caractéristiques de l'invention:
- le refroidisseur comporte un premier organe élastique sollicitant l'organe obturateur vers sa deuxième position;
- I'organe de retenue à mémoire de forme est conformé pour constituer un deuxième organe élastique antagoniste du premier organe élastique
- I'organe de retenue à mémoire de forme et le premier organe élastique sont disposés concentriquement autour de l'organe obturateur qui présente une configuration allongée ayant un axe longitudinal.According to other characteristics of the invention:
- The cooler comprises a first elastic member urging the shutter member towards its second position;
- the shape memory retaining member is shaped to constitute a second elastic member antagonistic to the first elastic member
The shape memory retaining member and the first elastic member are arranged concentrically around the shutter member which has an elongated configuration having a longitudinal axis.

D'autres caractéristiques et les avantages de la présente invention ressortiront de la description suivantes de modes de réalisation donnés à titre illustratif mais nullement limitatif, faite en relation avec les dessins annexés, sur lesquels
- la figure 1 est une vue schématique, en coupe longitudinale, d'une vanne à deux débits de refroidisseurs selon l'invention,
- la figure 2 est une vue analogue à la figure 1 d'une variante de réalisation de la vanne à deux débits selon l'invention; et
- les figures 3 et 4 sont des vues partielles à plus grande échelle de modes de réalisation de refroidisseurs Joule-Thomson selon l'invention.Other characteristics and advantages of the present invention will emerge from the following description of embodiments given by way of illustration but in no way limiting, made in relation to the appended drawings, in which
FIG. 1 is a schematic view, in longitudinal section, of a valve with two flow rates of coolers according to the invention,
- Figure 2 is a view similar to Figure 1 of an alternative embodiment of the two-flow valve according to the invention; and
- Figures 3 and 4 are partial views on a larger scale of embodiments of Joule-Thomson coolers according to the invention.

Comme représenté sur les figures, un refroidisseur Joule
Thomson selon l'invention comprend, dans un cryostat 1, un échangeur de chaleur constitué d'un tube bobiné 2 ayant une extrémité (non représentée) connectable à une source de gaz sous haute pression et dont l'autre extrémité est emmanchée dans un perçage borgne 3 d'un bloc métallique stationnaire 4 formant le siège d'un sous-ensemble de vanne repéré généralement par la référence 5. La paroi transversale du cryostat 1 voisine du bloc 4 porte par exemple un détecteur infrarouges 6.As shown in the figures, a Joule cooler
Thomson according to the invention comprises, in a cryostat 1, a heat exchanger consisting of a coiled tube 2 having one end (not shown) connectable to a source of gas under high pressure and the other end of which is fitted into a bore blind 3 of a stationary metal block 4 forming the seat of a valve sub-assembly generally identified by the reference 5. The transverse wall of the cryostat 1 adjacent to the block 4 carries for example an infrared detector 6.

Comme on le voit mieux sur les figures 1 et 2, le perçage 3 débouche vers une extrémité supérieure ou inférieure du bloc 4 par un orifice de détente 7, ayant un diamètre compris typiquement entre 0,05 et 0,1 mm, susceptible d'être au moins partiellement obturé par l'extrémité d'un organe obturateur 8 de configuration allongée, ayant un axe de révolution longitudinal comportant une collerette 10 définissant des épaulements radiaux opposés, et disposé dans un boîtier 9, par exemple en métal, solidaire du bloc 4. As best seen in Figures 1 and 2, the bore 3 opens towards an upper or lower end of the block 4 through a detent orifice 7, having a diameter typically between 0.05 and 0.1 mm, capable of be at least partially closed off by the end of a shutter member 8 of elongated configuration, having a longitudinal axis of revolution comprising a flange 10 defining opposite radial shoulders, and disposed in a housing 9, for example made of metal, integral with the block 4.

Dans le mode de réalisation de la figure 1, I'organe obturateur 8 est sollicité en permanence dans la direction vers l'orifice de détente 7 par un ressort hélicoïdal en acier 11 en appui entre le fond 12 du boîtier 9 et l'épaulement arrière 13 de la collerette 10. Un deuxième organe élastique 14, typiquement sous la forme d'une rondelle Belleville, réalisé en matériau à mémoire de forme ayant une température de transformation Ms inférieure à 200 K, plus particulièrement inférieure à 150 K, typiquement ajustée autour de 130 K, par exemple en CuZnAl ou CuAINi, est disposé dans le boîtier 9 en appui entre l'épaulement avant 15 de la collerette 10 et la face supérieure 16 du bloc 4.Selon un aspect de l'invention, I'extrémité formant pointeau de l'organe obturateur 8 comporte au moins une découpe 17, par exemple un plat ou une gorge de quelques centièmes de millimètre de largeur et de profondeur, permettant de garantir un débit de fuite calibré de gaz lorsque le pointeau vient, dans sa deuxième position, obturer l'orifice de détente 7. Eventuellement, I'extrémité formant pointeau peut comporter des déflecteurs 18 favorisant l'écoulement du liquide résultant de la détente du gaz haute pression en direction du détecteur 6. In the embodiment of FIG. 1, the shutter member 8 is permanently biased in the direction towards the expansion orifice 7 by a steel helical spring 11 bearing between the bottom 12 of the housing 9 and the rear shoulder 13 of the collar 10. A second elastic member 14, typically in the form of a Belleville washer, made of shape memory material having a transformation temperature Ms less than 200 K, more particularly less than 150 K, typically adjusted around 130 K, for example made of CuZnAl or CuAINi, is placed in the housing 9 bearing between the front shoulder 15 of the flange 10 and the upper face 16 of the block 4. According to one aspect of the invention, the end forming needle of the shutter member 8 comprises at least one cutout 17, for example a flat or a groove a few hundredths of a millimeter in width and depth, making it possible to guarantee a calibrated leakage rate of gas when ue the needle comes, in its second position, to close the expansion orifice 7. Optionally, the end forming a needle may include deflectors 18 promoting the flow of the liquid resulting from the expansion of the high pressure gas towards the detector 6.

La figure 2 représente un mode de réalisation inverse de celui de la figure 1 convenant aux applications nécessitant un refroidissement direct du détecteur 6 par le liquide s'échappant de l'orifice de détente 7. Dans ce mode de réalisation, I'orifice de détente 7 débouche vers le bas du bloc 4, le pointeau étant ici constitué par une pièce rapportée 80 montée entre les bras 81 de l'extrémité, typiquement en forme de fourche, de l'organe obturateur 8 dont la collerette 10 est reportée vers le haut du boîtier 5. Dans ce mode de réalisation, la rondelle Belleville à mémoire de forme 14 est interposée entre le fond 12 du boîtier 5 et l'épaulement adjacent de la collerette 10, le ressort d'actionnement 11 prenant appui entre cette collerette 10 et la face supérieure 16 du bloc 4. FIG. 2 represents an embodiment opposite to that of FIG. 1 suitable for applications requiring direct cooling of the detector 6 by the liquid escaping from the expansion port 7. In this embodiment, the expansion port 7 opens downwards from block 4, the needle being here constituted by an insert 80 mounted between the arms 81 of the end, typically in the form of a fork, of the shutter member 8 whose flange 10 is carried upwards of the housing 5. In this embodiment, the Belleville washer with shape memory 14 is interposed between the bottom 12 of the housing 5 and the adjacent shoulder of the flange 10, the actuating spring 11 being supported between this flange 10 and the upper face 16 of block 4.

On comprendra aisément de la description qui précède le fonctionnement de l'ensemble de vanne du refroidisseur selon l'invention: au repos, la température dans le cryostat étant supérieure à la température de transformation du matériau des rondelles Belleville 14, la force exercée par ces dernières est très supérieure à celle exercée par le ressort 11 et maintient l'organe obturateur éloigné de l'orifice 7. Lorsque du gaz est admis dans la conduite 2, il s'échappe par la pleine ouverture de l'orifice de détente 7 et le refroidisseur fournit sa pleine puissance de refroidissement, de sorte que la température dans le cryostat s'abaisse en quelques secondes.Lorsque la température atteint la température de transformation, les rondelles Belleville 14 subissent une transformation de leur structure métallurgique et la force qu'elles exerçaient diminue rapidement pour devenir nettement inférieure à la force exercée par le ressort 11 qui a, elle, peu évolué et qui a été déterminée pour rester en tout cas supérieure à la pression exercée sur le pointeau par le fluide sous pression s'échappant par l'orifice de détente 7. L'organe obturateur vient alors obturer l'orifice 7, un débit de fuite de maintien en froid étant assuré par la découpe 17. It will be readily understood from the description which precedes the operation of the valve assembly of the cooler according to the invention: at rest, the temperature in the cryostat being higher than the transformation temperature of the material of the Belleville washers 14, the force exerted by these latter is much greater than that exerted by the spring 11 and keeps the shutter member away from the orifice 7. When gas is admitted into the pipe 2, it escapes through the full opening of the expansion orifice 7 and the chiller provides its full cooling power, so that the temperature in the cryostat drops in a few seconds. When the temperature reaches the transformation temperature, the Belleville 14 washers undergo a transformation of their metallurgical structure and the force they exerted rapidly decreases to become significantly less than the force exerted by the spring 11 which has itself changed little and which has been determined to remain in any case greater than the pressure exerted on the needle by the pressurized fluid escaping through the expansion orifice 7. The shutter member then closes the orifice 7, a leakage rate of maintaining cold being ensured by cutting 17.

On a représenté sur la figure 3 I'adaptation d'un sous-ensemble de vanne 5 selon les figures 1 et 2 à un refroidisseur à échangeur bobiné cylindrique 2 tel que décrit dans le document sus-mentionné. On a représenté sur la figure 4 I'adaptation du sous-ensemble de vanne 5 à un refroidisseur du type à échangeur plat bobiné en spirale tel que décrit dans le document EP-A-0.258.093, au nom de la Demanderesse. Le sousensemble de vanne décrit ci-dessus convient également pour la réalisation de refroidisseurs de configuration générale conique. FIG. 3 shows the adaptation of a valve sub-assembly 5 according to FIGS. 1 and 2 to a cooler with a cylindrical wound exchanger 2 as described in the document mentioned above. FIG. 4 shows the adaptation of the valve sub-assembly 5 to a cooler of the flat exchanger type wound in a spiral as described in document EP-A-0,258,093, in the name of the Applicant. The valve sub-assembly described above is also suitable for producing coolers of general conical configuration.

Claims

1. Joule-Thomson cooler comprising a gas expansion assembly (5) comprising a stationary expansion opening (7), connectable to a pressurized gas circuit (2), and a shutter member (8, 80) coupled to a actuation device sensitive to temperature (11, 14) and movable under the action of the actuation device, from a first position spaced from the expansion port towards a second position at least partially obscuring the expansion port, characterized in that the actuating device comprises at least one retaining member (14) with shape memory at transformation temperature not exceeding 200 K interposed on the path of the shutter member (8, 80) between its first and second positions.

2. Cooler according to claim 1, characterized in that it comprises a first elastic member (11) urging the shutter member (8, 80) towards its second position.

3. Cooler according to claim 2, characterized in that the retaining member (14) is shaped to constitute a second elastic member antagonistic to the first elastic member (11).

4. Cooler according to claim 3, characterized in that the retaining member (14) is disposed in abutment between a first abutment surface (15) of the shutter member (8, 80) and a first stationary abutment surface (16; 12).

5. Cooler according to claim 4, characterized in that the first elastic member (11) is placed in abutment between a second abutment surface (13) of the shutter member (8, 80) and a second stationary abutment surface ( 12; 16).

6. Cooler according to one of claims 3 to 5, characterized in that the shutter member (8, 80) has an elongated configuration having a longitudinal axis, the first elastic member (11) and the memory retaining member shaped (14) being arranged concentrically around the shutter member.

7. Cooler according to one of the preceding claims, characterized in that the shutter member (8, 80) comprises at least one cutout (17) forming a leakage section on its surface opposite the expansion orifice (7) .

8. Cooler according to one of claims 1 to 7, characterized in that the pressurized gas circuit (2) forms a cylindrical wound exchanger structure (Figure 3).

9. Cooler according to one of claims 1 to 7, characterized in that the pressurized gas circuit (2) forms a flat wound exchanger structure (Figure 4).