WO1992001894A1 - Regulateur de debit de gaz pour refroidisseur a effet joule-thomson - Google Patents

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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
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    • F25B2309/02—Gas cycle refrigeration machines using the Joule-Thompson effect
    • F25B2309/022—Gas cycle refrigeration machines using the Joule-Thompson effect characterised by the expansion element

Definitions

  • the invention relates to a miniaturized cooler with Joule-Thomson effect, the flow of gas at high pressure is regulated after a determined time.
  • the goal is to obtain very low temperatures in very short times after expansion of the refrigerant.
  • the invention consists in taking advantage of the physical properties which metals have in their behavior, having regard to the temperatures to which they are subjected.
  • Figure 1 shows a cooler with its flow regulator, mounted in a cryostat equipped with an infrared detector.
  • a heat exchanger tube 2 On the envelope tube 1 is wound a heat exchanger tube 2 having a hot end and a cold end.
  • This exchanger consists of a capillary tube in which the high pressure gas circulates. On this same tube is wound and welded a metallic element of a determined pitch and whose function is to increase the heat exchange surface. In the inter-turns take place the frets 6 and 8.
  • a cylindrical intermediate piece 7 provided with a groove in the longitudinal direction and intended to receive the cold end of the high pressure tube.
  • the part 7 receives a cylindrical nozzle 3 pierced in its center with an orifice 10 and providing a chamber 9 for recovering the high pressure gas.
  • Parts 3-7, the cold end of the tube 1 are interconnected by the sealed weld 21.
  • the fixing flange 5 is drilled in its axial extension of a hole 11 into which the tube 1 is inserted, providing a space of freedom 12 between the hot end of the tube 1 and the bottom of the hole 11.
  • the hole 11 is extended by a bore 13 opening out with a smaller diameter.
  • the axial extension of the collar 5 and the tube 1 are joined by the sealed weld 14.
  • the hot end of the high pressure tube is joined by a connector 18 to a source of pressurized gas.
  • the needle 4 and 4bis of revolution is made up of two materials each having a different coefficient of expansion.
  • the parts 4 and 4bis are joined together by the weld 22 in order to form a single element.
  • the end 4bis ends in a cylindrical-conical part comprising three grooves 23 arranged at 120 °, oriented longitudinally and of determined dimensions.
  • the needle 4 and 4bis slides inside the tube 1.
  • the cylindroconical end of the needle is disposed concentrically with the orifice 10 of the nozzle 3; the other end of the needle is centered by the hole 13 and joined by sealed welding 19 to the flange.
  • part 4 of the needle will be made of the same material as the tube 1 while part 4bis of the same needle will be made of a metal having a lower coefficient of expansion.
  • the junction of the tube 1 with the axial extension of the flange 5 at the weld 14 allows the initial adjustment of a gas flow rate by moving the nozzle 3 away or closer to the needle cone 4 when the tube 2 is supplied by gas under constant pressure.
  • the low pressure gas is evacuated against -current inside the internal body 20 of the cryostat and cools the high pressure fluid from the power source, as well as the various elements constituting the cooler; and in the first place those closest to the expansion orifice.
  • FIG. 1 represents a section of the various elements of the invention and shows the advantages of such a system:
  • the three grooves made on the cylindrical-conical part of the needle provide an additional advantage in regulating the flow rate because the sum of the three leakage surfaces which they represent, compared to a single groove of equivalent surface, introduce a side effect in regulation, due to the increase in the Reynolds number, this in the case of an operation resulting from an ambient temperature, very low and which would lead the cylindro-conical part of the needle 4 to come to bear on the seat of the orifice 10.

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Abstract

Régulateur de débit de gaz pour refroidisseur, à effet Joule-Thomson, associé à un cryostat, caractérisé par le fait que le pointeau bi-métallique (4) et (4bis) est interne et coaxial à l'élément tubulaire (1) à l'intérieur duquel il coulisse, que l'extrémité froide du pointeau cylindro-cônique comporte trois gorges calibrées dirigées longitudinalement, que l'extrémité chaude du pointeau (4bis) est fixée mécaniquement en un point hors effet de la zone de froid, que les éléments (1, 4, 4bis) concourent chacun pour partie à la régulation du débit, que le réglage du débit résulte de la position de l'élément (1) par rapport à l'élément (5).

Description

Régulateur de débit de gaz pour refroidisseur à effet JouleThomson
L'invention concerne un refroidisseur miniaturisé à effet Joule-Thomson, dont le débit de gaz à haute pression est régulé après un temps déterminé. Le but est d'obtenir de très basses températures en des temps très courts après détente du fluide frigorigène.
Parmi les dispositifs de régulation connus, citons ceux décrits dans les brevets français Nº 72.10139, 84.12098 et le brevet américain 7825152. Ces dispositifs font appel à un organe dilatable longitudinalement, dont le point d'ancrage est attenant soit au point froid, soit positionné entre le point froid et le point chaud.
Ces dispositifs présentent trois inconvénients : a) phénomènes de pompage dûs à un fonctionnement en tout ou rien pour certains ;
b) inconvénients liés au fait que la régulation est trop rapidement sensibilisée par la baisse de température ;
c) pénalisation dans le temps de mise en froid, découlant du fait de la construction, de l'éloignement prohibitif entre l'orifice de détente et la partie sensible.
L'invention décrite ci-après pallie ces inconvénients ; elle trouve pleinement son application dans le domaine militaire pour le refroidissement des détecteurs infrarouges.
L'invention consiste à tirer parti des propriétés physiques que possèdent les métaux dans leur comportement, eu égard aux températures auxquelles ils sont soumis.
La figure 1 représente un refroidisseur avec son régulateur de débit, monté dans un cryostat équipé d'un détecteur infrarouges.
Sur le tube enveloppe 1 est bobiné un tube échangeur de chaleur 2 possédant une extrémité chaude et une extrémité froide.
Cet échangeur est constitué d'un tube capillaire dans lequel circule le gaz haute pression. Sur ce même tube est bobiné et soudé un élément métallique d'un pas déterminé et dont la fonction est d'augmenter la surface d'échange thermique. Dans les inter-spires prennent place les frettes 6 et 8.
Sur l'extrémité froide du tube 1 est fixée une pièce intermédiaire cylindrique 7 pourvue d'une saignée dans le sens longitudinal et destinée à recevoir l'extrémité froide du tube haute pression. La pièce 7 reçoit une buse cylindrique 3 percée en son centre d'un orifice 10 et ménageant une chambre 9 de récupération du gaz haute pression. Les pièces 3-7, l'extrémité froide du tube 1 sont reliées entre elles par la soudure étanche 21. La collerette de fixation 5 est percée dans son prolongement axial d'un trou 11 dans lequel vient s'insérer le tube 1, ménageant un espace de liberté 12 entre l'extrémité chaude du tube 1 et le fond du trou 11. Le trou 11 se prolonge par un perçage 13 débouchant d'un diamètre inférieur.
Le prolongement axial de la collerette 5 et le tube 1 sont réunis par la soudure étanche 14. L'extrémité chaude du tube haute pression est réunie par un raccord 18 à une source de gaz sous pression.
Le pointeau 4 et 4bis de révolution est constitué de deux matériaux possédant, chacun, un coefficient de dilatation différent. Les parties 4 et 4bis sont réunies entre elles par la soudure 22 afin de former un seul élément. L'extrémité 4bis se termine par une partie cylindro-conique comportant trois gorges 23 disposées à 120°, orientées longitudinalement et de dimensions déterminées. Le pointeau 4 et 4bis coulisse à l'intérieur du tube 1. L'extrémité cylindroconique du pointeau est disposée concentriquement à l'orifice 10 de la buse 3 ; l'autre extrémité du pointeau est centrée par le trou 13 et réunie par soudure étanche 19 à la collerette.
Dans une construction préférée, la partie 4 du pointeau sera réalisée dans le même matériau que le tube 1 tandis que la partie 4bis du même pointeau sera réalisée dans un métal possédant un plus faible coefficient de dilatation.
La jonction du tube 1 avec le prolongement axial de la collerette 5 au niveau de la soudure 14 permet le réglage initial d'un débit de gaz par éloignement ou rapprochement de la buse 3 avec le cône du pointeau 4 quand le tube 2 est alimenté par un gaz sous pression constante.
Ainsi, et conformément à l'invention, après détente du gaz frigorigène au travers de l'orifice calibre 10 dans la chambre de liquéfaction 16 du cryostat, dont la face côté vide porte le détecteur 17, le gaz basse pression s'évacue à contre-courant à l'intérieur du corps interne 20 du cryostat et refroidit le fluide haute pression en provenance de la source d'alimentation, ainsi que les divers éléments constituant le refroidisseur ; et en premier lieu les plus proches de l'orifice de détente.
La figure 1 représente une coupe des différents éléments de l'invention et fait apparaître les avantagés d'un tel système :
1) La proximité immédiate de l'orifice de détente avec la paroi qui supporte le détecteur < 0,5 mm, assure une mise en froid extrêmement rapide de ce dernier, du fait de la concentration de la puissance frigorifique.
2) La réalisation d'un pointeau constitué de deux matériaux possédant des coefficients de dilatation différents et dont l'élément le plus inerte 4bis se trouve repoussé très en amont de la partie la plus froide du refroidisseur assure une alimentation maximale en gaz pendant un temps prolongé du fait que le tube 1 et la partie 4 du pointeau sont réalisés dans le même matériau conduisant ces deux éléments à suivre la même loi de rétreint.
3) De ce fait, la régulation du débit, donc sa diminution, n'interviendra que lorsque le tube 1 sera intéressé par la progression du froid au-delà du niveau de jonction des éléments 4 et 4bis du pointeau du fait d'un rétreint plus important comparé à celui de l'élément 4bis du pointeau.
4) Cette diminution progressive du débit découlant du rapprochement du cône du pointeau 4 avec l'orifice de détente 10 tendra vers un point d'équilibre. Ce point d'équilibre est en corrélation étroite avec la température ambiante du gaz, l'angle du pointeau, avec le diamètre de l'orifice de détente, avec la pression d'alimentation.
5) Un fonctionnement dans une ambiance chaude fait apparaître une augmentation du débit du fait d'une élongation plus importante du tube 1 comparée à celle du pointeau 4 et 4bis puisque celui-ci est pour partie composé d'un métal peu sensible aux variations de température.
Dans une ambiance froide, ces réactions s'inversent.
6) Enfin, les trois gorges pratiquées sur la partie cylindro-conique du pointeau apportent un avantage supplémentaire dans la régulation du débit du fait que la somme des trois surfaces de fuites qu'elles représentent, comparées à une seule gorge de surface équivalente, introduisent un effet secondaire dans la régulation, dû à l'augmentation du nombre de Reynolds, ceci dans le cas d'un fonctionnement découlant d'une température ambiante, très basse et qui conduirait la partie cylindro-conique du pointeau 4 à venir en appui sur le siège de l'orifice 10.

Claims

REVENDICATIONS Régulateur de débit de gaz miniature pour refroidisseur à effet Joule-Thomson pour cryostat, composé d'une enveloppe tubulaire (1) autour de laquelle est bobiné un tube échangeur de type connu, dans lequel le gaz haute pression est refroidi à contre-courant avant de déboucher dans la chambre (9), laquelle se trouve communiquer avec la chambre du cryostat par l'orifice (10).
1. Revendication selon laquelle le régulateur est constitué de l'élément tubulaire (1) qui s'étend depuis son extrémité froide jusqu'à son extrémité chaude (14) située très en-deçà de l'ouverture de cryostat, participe à la régulation en relation étroite avec le pointeau bi-métallique.
2. Revendication selon laquelle le régulateur est constitué d'un pointeau composé de deux parties :
a) l'élément (4), de même matière et de même coefficient de dilatation que l'élément tubulaire (1) se termine à l'une de ses extrémités par un cône ;
b) l'élément (4bis) venu d'un matériau à coefficient de dilatation notoirement plus faible que l'élément (4) auquel il est intimement lié par une extrémité, l'autre extrémité trouvant son point d'ancrage en (19) qui est la partie chaude en-deçà de l'entrée du cryostat.
3. Revendication selon laquelle l'élément tubulaire (1) concentrique à (4 et 4bis) peut se déplacer librement suivant son axe, avec une amplitude du mouvement essentiellement concentrée dans sa partie en regard avec l'élément (4bis) entre le niveau de l'interface (4 et 4bis) et ce jusqu'au point d'ancrage (14), par suite des conductions thermiques.
4. Revendication selon laquelle l'enveloppe tubulaire (1) s'étendant au-delà du plan de jonction des éléments (4 et 4bis) du pointeau, et jusqu'à son extrémité la plus froide, réagit selon un mouvement dirigé dans le même sens et de même amplitude que l'élément (4) du pointeau, puisque issu du même matériau et engendre de ce fait un retard dans le déclenchement du processus d'étranglement de l'espace séparant l'orifice (10) du pointeau au niveau de sa partie (23).
5. Revendication selon laquelle il existe une relation étroite entre la valeur de l'angle (23) du pointeau et le diamètre de l'orifice (10) ; de l'éloignement de l'un par rapport à l'autre, en ce qui concerne l'effet retardateur sur l'action régulatrice du système en association avec les revendications 1, 2, 3 et 4. De cette particularité, découlent nombre de configurations possibles susceptibles de répondre à diverses exigences ; tant en ce qui concerne :
- le temps de mise en froid,
- le débit initial,
- le débit régulé,
- l'autonomie de froid du cryostat consécutive à un délestage de la pression, etc...
sans altérer le principe du système.
6. Revendication caractérisée par le fait que la partie conique (23) du pointeau qui comporte trois gorges calibrées disposées à 120° dirigées longitudinalement, introduisent un effet amortisseur dans le fonctionnement de la régulation inversement proportionnel à la haute pression d'alimentation.
7. Régulateur caractérisé par le fait que le point d'ancrage de l'élément (4bis) constituant la partie la moins sensible aux variations de t° du pointeau, se situe hors effet de la zone froide, et hors du cryostat, mais en corrélation étroite avec l'environnement ambiant de même que le point d'ancrage tubulaire (1).
8. Revendication selon laquelle la détente du gaz réfrigérant H.P. a lieu suivant l'axe du cryostat, est exempte de perturbations sous forme d'un jet cylindrique entraînant une efficacité maximale eu égard à la proximité immédiate de l'organe à refroidir.
PCT/FR1990/000551 1989-02-02 1990-07-20 Regulateur de debit de gaz pour refroidisseur a effet joule-thomson WO1992001894A1 (fr)

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