WO2017212148A1 - Dispositif cryogenique a echangeur compact - Google Patents

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WO2017212148A1
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capillary
cold
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mandrel
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Jean-Christophe TERME
Ahmad Sultan
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Societe Francaise De Detecteurs Infrarouges - Sofradir
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    • Y10S165/00—Heat exchange

Definitions

  • the invention lies in the general field of cold machines, and more particularly in cold generating devices intended to allow the operation of certain types of detectors, and more particularly infra-red detectors of the type cooled, also called quantum infra-red detectors. It is more particularly devices of the type in question implementing as a source of cold, the principle of relaxation called "Joule-Thomson".
  • the devices of the prior art implement a Hampson-type countercurrent exchanger, in which the high-pressure fluid circulates in a capillary surrounding a cylindrical sleeve or mandrel, closed off by an insulating foam.
  • the heat exchange occurs at the periphery of the sleeve, at which the low-pressure fluid flows counter-currently.
  • the invention is aimed at a device of the type in question which makes it possible at the same time to increase the efficiency of such a device, in particular by reducing the TMF, that is to say the cooling time of the installation. without altering the size of the existing devices or conversely, at constant TMF, to reduce the size of such devices.
  • the invention proposes a cold generating device implementing the "Joule-Thomson" expansion principle, comprising an exchanger in which a fluid under high pressure and under low pressure flows in countercurrent.
  • the heat exchanger consists of the stack of pellets made of porous material, and in particular sintered, constituting a cylindrical mandrel, in contact with which is wound a capillary in which the high pressure fluid circulates, the low fluid pressure circulating against the current inside the porous mandrel thus formed.
  • a porous thermal insulating fabric typically made of glass fibers.
  • the invention basically consists in replacing the mandrel and fins of the prior art with a stack of sintered and porous material, favoring the heat exchange of the low-pressure fluid with the high-pressure fluid circulating in the capillary. peripheral in contact with said material.
  • This optimization of the exchange results from the nature of the material constituting the mandrel, and also makes it possible to dispense with the fins optimizing the heat exchange of the prior art, and consequently, makes it possible to optimize the concentration of turns of the capillary in which circulates the high pressure fluid, and consequently allows to optimize the compactness of the cold generating device.
  • thermally insulating grids typically made of glass fiber
  • axial conduction is reduced and corollary optimizes the operation of the cold generator device .
  • the pellets are made from sintered silver or sintered copper.
  • the capillary is meanwhile made of metal typically copper, stainless steel or even cupronickel alloy.
  • the turns of the capillary are not in contact with each other.
  • a thermally insulating wire typically made of glass fiber and acting as a spacer, is coiled with the said capillary.
  • Such a wire provides different functions:
  • Figure 1 is a diagram illustrating the principle of relaxation "Joule-Thomson" implemented at the level of the cold generator device.
  • Figure 2 is a schematic representation of the device of the invention.
  • Figure 3 is a view similar to Figure 2 illustrating the respective circuit of the high pressure fluid and low pressure;
  • FIG. 4 is a schematic representation of a cryostat
  • FIG. 5 is a schematic representation in partial sagittal section of one of the portions of the cryostat of FIG. 4.
  • FIG. 1 therefore shows the operating diagram of a device implementing the "Joule-Thomson" trigger.
  • This diagram shows the source of high pressure fluid HP, this fluid can be a typically argon gas, nitrogen or air, and the return of said fluid after expansion.
  • the double coil (1) shows the countercurrent heat exchanger between the high pressure fluid emanating from the high pressure source HP and the low pressure fluid after expansion at the evaporator (2).
  • an expansion valve (3) being mounted before the evaporator.
  • the assembly is integrated within a vacuum chamber (4).
  • FIG. 2 shows the heart of the exchanger according to the invention.
  • This is constituted by the stack of pellets (5), made of porous material, and in particular sintered silver base.
  • Silver is indeed a very good thermal conductor and is also easy to sinter.
  • copper instead of silver.
  • the porosity of these pellets is close to 100 nanometers.
  • the orifices generated by the sintering of the pellets have a typical diameter of 100 nanometers.
  • pellets (5) are for example assembled to each other by means of fixing rods (6) emanating from the high-pressure connector (7) and provided with nuts (8) at their lower base. .
  • the pellets can be glued together.
  • these pellets (5) are separated from each other by a spacer or grid (9), made of a non-conductive porous material, typically consisting of a fiberglass woven fabric.
  • spacers have a typical thickness of 0.3 millimeters. The implementation of such spacers tends to oppose any axial thermal conduction, optimizing the heat exchange surface between the two streams, respectively low pressure and high pressure.
  • the assembly thus constituted by the pellets and the spacers constitutes a cylindrical mandrel, in contact with which is wound a capillary (10), in which flows the high pressure fluid.
  • This capillary is for example made of copper, stainless steel or a cupro-nickel alloy. It typically has an outer diameter of 0.5 millimeters and an inner diameter of 0.3 millimeters.
  • the low pressure fluid passes through them and cools them.
  • the pellets cool the high pressure fluid that circulates in the capillary. In fact, a good thermal contact is necessary between the capillary and the pellets.
  • the pellets (5) are produced using a mold shaped according to the desired shape of said pellets.
  • the silver powder is poured into the mold, and the temperature of the mold is raised to a temperature below the melting temperature of the silver, in order to obtain a simple sintering without causing the melting of the powder.
  • the thermal insulating elements (9) After completion of the pellets, their stacking is carried out by intercalating the thermal insulating elements (9), the latter having an external diameter less than or equal to that of the pellets (5), so that they can not come into contact with the capillary (10).
  • pellets and the spacers are threaded onto the holding rods (6), for example threaded, and locked by means of the nuts (8).
  • a mandrel is therefore de facto constituted.
  • the capillary for example made of cupro-nickel alloy undergoes treatment consisting of a silver deposit, for example by electrolysis, if the pellets are made of silver sintered. This deposit is intended to promote subsequent contact with the pellets (5), especially when proceeding to the fixing of said capillary by welding or solder.
  • the assembly is placed in an oven to generate the soldering phenomenon.
  • thermal conductive binder for example consisting of a type of "solgel” type of glue film loaded with metal powder, whitewashed in the capillary / pellet area.
  • the device of the invention is intended to be integrated in a cylindrical well of a cryostat, as shown in FIG. 4.
  • a cryostat As shown in FIG. 4.
  • Such a cryostat (11) is traditionally maintained under empty. It receives within the enclosure that defines an infrared detector (12), positioned vertically above a window (13) transparent to the radiation to be detected.
  • an infrared detector (12) positioned vertically above a window (13) transparent to the radiation to be detected.
  • it comprises two wells (14), within which are inserted in each of them a device according to the invention, in order to generate the cold necessary for the operation of said detector.
  • FIG. 5 shows a schematic view in partial sagittal section of one of the wells (14) provided with the device of the invention.
  • the wire (15) is thus wound along the mandrel and then fixed at its two ends, typically by gluing.
  • this wire avoids any thermal bridge between the turns on the one hand, and between the turns and the well (14).
  • the consecutive turns of the capillary (10) are therefore thermally isolated from each other.
  • the turns of the capillary (10) are thermally isolated from the well (14).
  • the presence of the wire (15) provides a seal of the device relative to said well, forcing the low pressure fluid to pass through the pellets (5), and therefore contributing to optimize the efficiency of the device of the invention.
  • the operating temperature of the latter is typically between 77K and 250K.
  • the pressure of the high pressure fluid is typically between a few tens to a few hundred bars.
  • the device according to the invention makes it possible to considerably increase the heat exchange area in comparison with the devices of the prior art, of the type comprising a finned capillary, typically 1000 times with constant bulk. It is therefore readily apparent that the efficiency of such a cold machine is itself increased, or that the size of such a cold machine can be significantly reduced, while maintaining the same performance as the devices of the invention. prior art. These results are particularly significant in the context of cooled infrared detectors.

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Abstract

Ce dispositif de génération de froid met en œuvre le principe de la détente de «Joule-Thomson». Il comprend un échangeur thermique au sein duquel circule à contre-courant un fluide sous haute pression et sous basse pression. L'échangeur thermique est constitué de l'empilement de pastilles (5) réalisées en matériau poreux, et notamment fritté, constituant un mandrin cylindrique, à la périphérie et en contact duquel est enroulé un capillaire (10) au sein duquel circule le fluide haute pression, le fluide basse pression circulant à contre-courant à l'intérieur du mandrin poreux ainsi constitué.

Description

DISPOSITIF CRYOGENIQUE A ECHANGEUR COMPACT
DOMAINE DE L'INVENTION L'invention se situe dans le domaine général des machines à froid, et plus particulièrement dans les dispositifs de génération de froid destinés à permettre le fonctionnement de certains types de détecteurs, et plus particulièrement des détecteurs infra-rouges du type refroidi, également dénommés détecteurs infra-rouges quantiques. Elle vise plus particulièrement des dispositifs du type en question mettant en œuvre comme source de froid, le principe de la détente dite « Joule-Thomson ».
ETAT ANTERIEUR DE LA TECHNIQUE Dans le cadre particulier des détecteurs infra-rouges, on souhaite pour une raison évidente d'encombrement, limiter le volume de la source cryogénique. De fait, les machines cryogéniques miniatures utilisent fréquemment le principe de détente de « Joule-Thomson », permettant ainsi de disposer d'une puissance cryogénique importante, et par conséquent d'un refroidissement rapide, notamment de détecteurs infra-rouges ou de composés électroniques nécessitant pour leur fonctionnement de fonctionner à des températures particulièrement basses.
Il est connu que la performance de telles machines cryogéniques dépend de l'efficacité de l'échange thermique qui intervient entre le fluide haute pression et le fluide basse pression avant que la détente du fluide n'intervienne. L'efficacité de l'échange thermique est donc primordiale.
A cet effet, les dispositifs de l'art antérieur mettent en œuvre un échangeur à contre- courant du type Hampson, dans lequel le fluide haute pression circule dans un capillaire entourant un manchon ou mandrin cylindrique, obturé par une mousse isolante. L'échange thermique intervient à la périphérie du manchon, au niveau duquel circule à contre-courant le fluide basse pression.
Afin d'optimiser cet échange thermique, on a proposé d'augmenter la surface d'échanges entre le fluide haute pression et le fluide basse pression, en munissant le capillaire d'ailettes radiales. Si certes, la surface d'échange thermique s'en trouve augmentée, en revanche, la présence des ailettes, en raison de leur épaisseur, augmente l'écartement entre deux spires consécutives, et partant diminue le nombre de spires du capillaire pour une longueur donnée du mandrin, neutralisant à tout le moins partiellement l'optimisation recherchée de l'échange. Dans le même but, il a également été proposé d'accroître la longueur de l'échangeur, et plus particulièrement la longueur du capillaire. On se heurte alors à la problématique de l'encombrement dudit échangeur, et donc de la machine à froid.
On a également proposé de réduire la conduction axiale dans l'échangeur, inhérente à la mise en œuvre du mandrin, et source de perte et d'efficacité.
L'invention vise un dispositif du type en question permettant tout à la fois d'augmenter l'efficacité d'un tel dispositif, notamment en réduisant le TMF, c'est-à-dire le temps de mise en froid de l'installation, sans altérer l'encombrement des dispositifs existants ou au contraire, à TMF constant, à diminuer l'encombrement de tels dispositifs.
EXPOSE DE L'INVENTION
A cet effet, l'invention propose un dispositif de génération de froid mettant en œuvre le principe de la détente de « Joule-Thomson », comprenant un échangeur au sein duquel circule à contre-courant un fluide sous haute pression et sous basse pression.
Selon l'invention, l'échangeur thermique est constitué de l'empilement de pastilles réalisées en matériau poreux, et notamment fritté, constituant un mandrin cylindrique, au contact duquel est enroulé un capillaire au sein duquel circule le fluide haute pression, le fluide basse pression circulant à contre-courant à l'intérieur du mandrin poreux ainsi constitué.
En outre, on intercale entre chacune des pastilles réalisées en matériau fritté, un tissu poreux isolant thermique, typiquement réalisé en fibres de verre.
En d'autres termes, l'invention consiste fondamentalement à remplacer le mandrin et les ailettes de l'art antérieur par un empilement de matériau fritté et poreux, favorisant l'échange thermique du fluide basse pression avec le fluide haute pression circulant dans le capillaire périphérique en contact avec ledit matériau. Cette optimisation de l'échange résulte de la nature du matériau constitutif du mandrin, et permet en outre de s'affranchir des ailettes optimisant l'échange thermique de l'art antérieur, et par voie de conséquence, permet d'optimiser la concentration en spires du capillaire au sein duquel circule le fluide haute pression, et par voie de conséquence permet d'optimiser la compacité du dispositif générateur de froid.
De plus, en raison de l'intercalation entre les pastilles de matériau fritté de grilles isolantes thermiquement, typiquement réalisées en fibres de verre, donc non conducteur de la chaleur, on réduit la conduction axiale et corolairement on optimise le fonctionnement du dispositif générateur de froid.
Avantageusement, les pastilles sont réalisées à base de fritté d'argent ou de fritté de cuivre. Le capillaire est quant à lui réalisé en métal typiquement en cuivre, en acier inoxydable, voire en alliage cupronickel.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les spires du capillaire ne sont pas en contact l'une avec l'autre. A cet effet, on enroule concomitamment avec ledit capillaire, un fil isolant thermiquement, typiquement réalisé en fibre de verre et faisant fonction d'espaceur. Un tel fil assure différentes fonctions :
■ isoler thermiquement deux spires consécutives du capillaire ;
■ isoler thermiquement lesdites spires du tube extérne ou puits dans lequel le dispositif de l'invention est susceptible d'être introduit ;
■ assurer une étanchéité du dispositif de l'invention avec un tel tube externe ou puits, contraignant le fluide basse pression à passer au travers des pastilles en matériau fritté, induisant une optimisation du rendement.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
La manière de réaliser l'invention et les avantages qui en découlent, ressortiront mieux de la description qui suit, donnée à titre indicatif et non limitatif à l'appui des figures annexées.
la figure 1 est un schéma illustrant le principe de la détente « Joule-Thomson » mise en œuvre au niveau du dispositif générateur de froid.
la figure 2 est une représentation schématique du dispositif de l'invention. la figure 3 est une vue analogue à la figure 2 illustrant le circuit respectif du fluide haute pression et basse pression ;
la figure 4 est une représentation schématique d'un cryostat ;
la figure 5 est une représentation schématique en section sagittale partielle de l'une des partie du cryostat de la figure 4.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION
On a donc représenté en relation avec la figure 1 le schéma de fonctionnement d'un dispositif mettant en œuvre la détente de « Joule-Thomson ». Ce schéma fait apparaître la source de fluide haute pression HP, ce fluide pouvant être un gaz typiquement argon, azote ou air, et le retour dudit fluide après détente.
On a représenté par le double serpentin (1), l'échangeur thermique à contre-courant entre le fluide haute pression émanant de la source haute pression HP, et le fluide basse pression, après détente au niveau de l'évaporateur (2), une valve de détente (3) étant montée avant l'évaporateur. L'ensemble est intégré au sein d'une enceinte à vide (4).
On a représenté au sein de la figure 2 le cœur de l'échangeur conforme à l'invention. Celui-ci est constitué par l'empilement de pastilles (5), réalisées en matériau poreux, et notamment en fritté à base d'argent. L'argent est en effet un très bon conducteur thermique et en outre s'avère facile à fritter. On pourrait également envisager d'utiliser du cuivre en remplacement de l'argent. Typiquement, la porosité de ces pastilles est voisine de 100 nanomètres. En d'autres termes, les orifices générés par le frittage des pastilles présentent un diamètre typique de 100 nanomètres.
Ces pastilles (5), de forme globalement cylindrique, sont par exemple assemblées les unes aux autres au moyen de tiges de fixation (6), émanant du connecteur haute pression (7), et munies d'écrous (8) à leur base inférieure. Alternativement, les pastilles peuvent être collées entre elles. Selon l'invention, ces pastilles (5) sont séparées les unes des autres par un intercalaire ou grille (9), réalisé en un matériau poreux non conducteur, typiquement constitué d'un tissé en fibres de verre. Ces intercalaires présentent une épaisseur typique de 0,3 millimètre. La mise en œuvre de tels intercalaires tend à s'opposer à toute conduction thermique axiale, optimisant la surface d'échange thermique entre les deux flux, respectivement basse pression et haute pression.
L'ensemble ainsi constitué par les pastilles et les intercalaires constitue un mandrin cylindrique, an contact duquel est enroulé un capillaire (10), au sein duquel circule le fluide haute pression. Ce capillaire est par exemple réalisé en cuivre, en acier inoxydable ou en un alliage cupro-nickel. Il présente typiquement un diamètre externe de 0,5 millimètre et un diamètre interne de 0,3 millimètre.
En raison du caractère poreux des pastilles (5), le fluide basse pression les traverse et les refroidit. A leur tour, eu égard au fait de leur caractère bon conducteur thermique, les pastilles refroidissent le fluide haute pression qui circule dans le capillaire. De fait, un bon contact thermique est nécessaire entre le capillaire et les pastilles.
La réalisation d'un tel dispositif peut être effectuée de la manière suivante.
En premier lieu, on réalise les pastilles (5) à l'aide d'un moule conformé en fonction de la forme souhaitée desdites pastilles. La poudre d'argent est versée dans le moule, et on élève la température du moule à une température inférieure à la température de fusion de l'argent, afin d'obtenir un simple frittage sans engendrer la fusion de la poudre.
Après réalisation des pastilles, on procède à leur empilement en intercalant les éléments isolant thermiques (9), ces derniers présentant un diamètre externe inférieur ou égal à celui des pastilles (5), de telle sorte qu'ils ne puissent entrer en contact avec le capillaire (10).
Ces pastilles et les intercalaires sont enfilés sur les tiges de maintien (6), par exemple filetées, et bloqués au moyen des écrous (8). Un mandrin est donc de facto constitué. Le capillaire, par exemple réalisé en alliage cupro-nickel subit un traitement constitué par un dépôt d'argent, par exemple par électrolyse, si les pastilles sont réalisées en fritté d'argent. Ce dépôt a pour vocation de favoriser le contact ultérieur avec les pastilles (5), notamment lorsque l'on procède à la fixation dudit capillaire par soudure ou par brasure. Ainsi, après enroulement du capillaire (10) autour du mandrin, l'ensemble est placé dans un four pour engendrer le phénomène de brasure.
Alternativement, il peut être envisagé de consolider l'ensemble ainsi constitué par un liant conducteur thermique, par exemple constitué d'un film de colle type « solgel » chargée en poudre métallique, badigeonné dans la zone capillaire/pastille.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, on cherche à éviter tout contact entre les spires consécutives du capillaire, afin d'éviter tout pont thermique entre elles. A cet effet, il convient de rappeler que le dispositif de l'invention a vocation à être intégré dans un puits cylindrique d'un cryostat, tel qu'illustré au sein de la figure 4. Un tel cryostat (11) est traditionnellement maintenu sous vide. Il reçoit au sein de l'enceinte qu'il définit un détecteur infra rouge (12), positionné à l'aplomb d'une fenêtre (13) transparente au rayonnement à détecter. Enfin, il comporte deux puits (14), au sein desquels sont insérés dans chacun d'eux un dispositif conforme à l'invention, afin de générer le froid nécessaire au fonctionnement dudit détecteur.
On a représenté au sein de la figure 5, une vue schématique en section sagittale partielle de l'un des puits (14) muni du dispositif de l'invention.
Ainsi, afin de forcer le fluide basse pression, et notamment le gaz basse pression à traverser les pastilles poreuses (5), on positionne un fil (15) réalisé en matériau isolant, par exemple réalisé en fibres de verre ou en fibres de polyester tel que commercialisées sous la marque déposée terylène®, venant prendre appui entre deux spires consécutives du capillaire (10), c'est-à-dire dans l'intervalle séparant lesdites spires, et contre la paroi interne (16) du puits cylindrique (14). Le fil (15) est ainsi enroulé le long du mandrin, puis fixé à ses deux extrémités, typiquement par collage.
Ainsi, avec la mise en place de ce fil (15), on s'affranchit de tout pont thermique entre les spires d'une part, et entre les spires et le puits (14). Les spires consécutives du capillaire (10) sont donc isolées thermiquement les unes des autres. En outre, les spires du capillaire (10) sont isolées thermiquement du puits (14).
Enfin, la présence du fil (15) confère une étanchéité du dispositif par rapport audit puits, contraignant le fluide basse pression à traverser les pastilles (5), et contribuant dès lors à optimiser le rendement du dispositif de l'invention.
Dans le cas particulier de la mise en œuvre du dispositif de l'invention à un détecteur infrarouge, la température de fonctionnement de ce dernier est comprise typiquement entre 77K et 250K.
La pression du fluide haute pression est typiquement comprise entre quelques dizaines à quelques centaines de bars.
Le dispositif conforme à l'invention permet d'augmenter considérablement la surface d'échange thermique en comparaison avec les dispositifs de l'art antérieur, du type comprenant un capillaire à ailettes, typiquement de 1000 fois à encombrement constant. On conçoit dès lors aisément que l'efficacité d'une telle machine à froid est elle-même augmentée, ou que l'encombrement d'une telle machine à froid peut être signifïcativement réduit, tout en conservant les mêmes performances que les dispositifs de l'art antérieur. Ces résultats sont particulièrement appréciables dans le cadre des détecteurs infrarouges refroidis.

Claims

REVENDICATIONS
Dispositif de génération de froid mettant en œuvre le principe de la détente de « Joule-Thomson », comprenant un échangeur thermique (1) au sein duquel circule à contre-courant un fluide sous haute pression et sous basse pression, caractérisé :
■ en ce que Γ échangeur thermique est constitué de l'empilement de pastilles (5) réalisées en matériau poreux, et notamment fritté, constituant un mandrin cylindrique, à la périphérie et en contact duquel est enroulé un capillaire (10) au sein duquel circule le fluide haute pression, le fluide basse pression circulant à contre-courant à l'intérieur du mandrin poreux ainsi constitué ;
■ et en ce qu'entre chacune des pastilles (5) est intercalé un élément poreux isolant thermique (9).
Dispositif de génération de froid selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément poreux isolant thermique (9) est constitué d'un tissu, notamment réalisé en fibres de verre.
Dispositif de génération de froid selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les pastilles (5) sont de forme cylindrique, en ce que les éléments intercalaires isolant thermique (9) sont de forme circulaire, et en ce que le diamètre des éléments intercalaires (9) est inférieur ou égal au diamètre externe des pastilles (5).
Dispositif de génération de froid selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les pastilles (5) sont réalisées à base de fritté d'argent ou de cuivre.
Dispositif de génération de froid selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le capillaire (10) est réalisé en métal, notamment en cuivre, en acier inoxydable, ou en alliage cupronickel.
Dispositif de génération de froid selon la revendication 5, caractérisé en ce que le capillaire (10) reçoit un dépôt d'argent, fonction de la nature du matériau constitutif des pastilles (5), avant son enroulement sur le mandrin constitué par l'empilement des pastilles (5). 7. Dispositif de génération de froid selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les spires définies par l'enroulement du capillaire (10) autour du mandrin constitué par l'empilement des pastilles (5) ne sont pas en contact les unes des autres.
8. Dispositif de génération de froid selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'un fil isolant thermique (15) est enroulé sur les intervalles séparant les spires, ledit fil étant notamment réalisé à base de fibres de verre.
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