WO2024256771A1 - Echangeur thermique de refroidisseur du type joule-thomson et refroidisseur du type joule-thomson - Google Patents

Echangeur thermique de refroidisseur du type joule-thomson et refroidisseur du type joule-thomson Download PDF

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gas pipe
tube
pressure channel
gas
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Bertrand COTTEREAU
Marcellin PERCEAU
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Safran Electronics and Defense SAS
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    • B21C23/08—Making wire, rods or tubes
    • B21C23/085—Making tubes

Definitions

  • the present invention relates to the field of Joule-Thomson type coolers equipped with a heat exchanger.
  • the present invention relates to a Joule-Thomson type cooler, a Joule-Thomson cooler heat exchanger and a method of manufacturing such a heat exchanger.
  • Joule-Thomson type coolers provide cryogenic cooling of an element by rapidly reaching low temperatures of around 120 Kelvin.
  • Joule-Thomson type coolers are configured to achieve a controlled expansion of a gas initially under high pressure. The temperature of the expanded gas drops sharply, allowing an element to be cooled in contact with it.
  • a cooler is, for example, used to cool elements, such as infrared detectors and/or electronic components.
  • FIG. 1 shows an example of a conventional Joule-Thomson type cooler 10.
  • the Joule-Thomson type cooler 10 comprises a casing 20 and a heat exchanger 30, housed inside the casing 20.
  • the envelope 20 also designated by the term “cold finger”, comprises a contact wall 200 comprising an external surface 202, capable of receiving and/or being in contact with an element to be cooled 40, such as an infrared detector and/or an electronic component.
  • the heat exchanger 30 of cooler 10 comprises:
  • a hollow main body 310 extending along an axis Z of a reference XYZ between a head 311 and an end wall 312, together closing an interior space of the main body 310; the end wall 312 being arranged facing the external surface 202 of the casing 20, and at least one gas pipe 32 surrounding the main body 310 in a helical manner.
  • the envelope 20 contains a volume divided into an expansion zone 210 and a heat exchange zone 212 according to which:
  • the expansion zone 210 extends, along the Z axis, between the contact wall 202 of the casing 20 and the end wall 312 of the main body 310 of the heat exchanger 30, and
  • the heat exchange zone 212 extends, along the Z axis, between the end wall 312 of the main body 310 and the head 311 of the heat exchanger 30; the heat exchange zone 210 being open to the outside by an opening 214 formed between the casing 20 and the head 311.
  • the heat exchanger 30 is arranged inside the casing 20 so that the head 311 is at least partly separate from a peripheral wall 204 of the casing 20, in order to define the opening 214 formed between the casing 20 and the head 311.
  • the gas pipe 32 of the heat exchanger 30 comprises a tube 320, with a longitudinal center O and extending longitudinally between:
  • the tube 320 of the gas pipe 32 comprises an outer surface 321 and fins 330 extending respectively radially from the outer surface 321 and perpendicularly around the tube 320.
  • the gas pipe 32 is wound around the main body 310 of the heat exchanger 30, such that the tube 320 is wound around the main body 310 at a pitch “p” along the Z axis.
  • the operation of the Joule-Thomson type cooler 10 comprises the following steps:
  • the gas is a low-pressure gas LP;
  • the presence of fins 330 makes it possible to increase a heat exchange surface between the low-pressure gas LP, contained in the heat exchange zone 212 of the casing 20, and the gas from the gas line 32, hotter than the low-pressure gas LP, to improve the cooling of the gas from the gas line 32.
  • the performance of the cooler 10 is inversely proportional to the amount of thermal energy transmitted between a hot environment in contact with the head 311 and the outlet 328 of the tube 320 of the gas line 32.
  • the gas pipe 32 of such a heat exchanger 30 is made of a metallic material.
  • the methods of manufacturing metallic gas pipes 32 are well known and mastered. However, they include different manufacturing steps increasing the manufacturing cost of the heat exchanger 30.
  • the thermal conductivity of metallic materials being substantially high, an amount of thermal energy transmitted longitudinally along the tube 320 wound helically between the inlet 326, close to the valve, and the outlet 328 of the tube 320 is not minimized, reducing the performance of such a cooler 10 of the Joule-Thomson type.
  • the use of a ceramic material to manufacture the tube 320 of the gas pipe reduces the heat exchange capacities between the cold low-pressure LP gas and the gas of the gas pipe 32 and would alter the performance of the Joule-Thomson cooler 10.
  • the invention offers a solution to the problems mentioned above by proposing a Joule-Thomson type cooler heat exchanger having a particular architecture and constitution.
  • a first aspect of the invention relates to a Joule-Thomson type cooler heat exchanger comprising a main body and at least one gas pipe surrounding the main body, in particular in a helical manner, the gas pipe being made of a material composed of ceramic and metal.
  • the heat exchanger according to the first aspect of the invention makes it possible, thanks to the use of a material composed of ceramic and metal, to minimize a transfer of thermal energy along the gas line while maintaining good heat exchange capacities of the gas line.
  • the gas pipe comprises a tube comprising at least one high-pressure channel and at least one low-pressure channel, extending in particular along the entire length of the tube.
  • the heat exchanges between the gas of the low-pressure channel and the gas of the high-pressure channel are carried out by conduction directly inside the tube of the gas line.
  • the proximity between the low-pressure channel and the high-pressure channel makes it possible to improve the heat exchanges and therefore the cooling of the gas contained in the high-pressure channel.
  • the tube of the gas conduit has an overall high-pressure channel volume lower than an overall low-pressure channel volume of the tube.
  • overall volume of high-pressure channel or overall volume of low-pressure channel is meant the total volume of one or more channels, respectively high-pressure or low-pressure.
  • the tube comprises a section according to which the section of the high-pressure channel or the sum of the sections of the high-pressure channels is less than the section of the low-pressure channel or the sum of the sections of the low-pressure channels of the tube.
  • the tube of the gas pipe has a longitudinal center O, in particular of helical shape.
  • the high-pressure channel has a longitudinal center O and the low-pressure channel is distributed around the high-pressure channel.
  • the low-pressure channel has a longitudinal center O and the high-pressure channel is distributed around the low-pressure channel.
  • Such a feature makes it possible to improve the homogeneity of the cooling of the gas circulating in the high-pressure channel.
  • the tube of the gas line comprises a single high-pressure channel.
  • the tube comprises several high-pressure channels distributed angularly around the longitudinal center O of the tube, with the low-pressure channels or around a single low-pressure channel.
  • the high-pressure channel and the low-pressure channel of the gas line tube are sealed from each other.
  • the heat exchanger comprises an internal gas pipe directly wound around the main body and an external gas pipe wound around the internal gas pipe. Such an arrangement makes it possible to accelerate the cooling process of the heat exchanger.
  • the gas pipe comprises a tube having an external surface and fins extending longitudinally from an external surface of the tube along the entire length of the tube.
  • the external surface is divided into two semi-circular portions, a first semi-circular portion of which is arranged opposite the main body of the heat exchanger and a second semi-circular portion is opposite the first circumferential portion.
  • the longitudinal fins of the gas pipe extend from the second semi-circular portion.
  • Such a feature makes it possible to reduce the bulk of the gas pipe. In addition, this makes it possible to reduce the quantity of fins of the gas pipe while maintaining a large heat exchange surface of the gas pipe. [0044]
  • the fins of the gas pipe are parallel to each other. Such a characteristic makes it possible to simplify the manufacture of the gas pipe and to minimize its bulk.
  • a second aspect of the invention relates to a cooler of the Joule-Thomson type comprising a heat exchanger according to the first aspect of the invention, and a casing in which the heat exchanger is housed.
  • the envelope may comprise a contact wall comprising an external surface capable of receiving an element to be cooled.
  • the casing comprises a sealing wall extending from the contact wall to the heat exchanger.
  • the sealing wall forms: a cooling chamber extending between the contact wall of the casing and an end wall of the main body of the heat exchanger.
  • the sealing wall can also make it possible to form a vacuum zone extending between the casing and the gas pipe.
  • Such a geometry of the Joule-Thomson type cooler makes it possible, with an exchanger according to the first embodiment, in particular by the presence of a vacuum zone, to thermally insulate the gas pipe and thus to minimize the quantity of thermal energy transmitted inside the gas pipe.
  • a third aspect of the invention relates to a method of manufacturing a heat exchanger according to the first aspect of the invention according to which it comprises at least one step of manufacturing the gas pipe comprising at least:
  • Such a manufacturing method thanks to the implementation of the material composed of ceramic and metal, by extrusion, makes it possible to form the gas pipe in a single manufacturing step.
  • the step of forming and the step of winding the gas pipe are carried out simultaneously by a movable extrusion nozzle rotating around the main body of the heat exchanger.
  • the step of forming and the step of winding the gas pipe can be carried out simultaneously with a step of rotating the tube.
  • the step of winding the gas pipe is carried out after the step of forming the gas pipe.
  • a fourth aspect of the invention relates to a Joule-Thomson type cooler heat exchanger comprising a main body and a gas pipe wound, in particular helically, around the main body.
  • the gas pipe comprises a tube in which is formed at least one high-pressure channel and at least one low-pressure channel each extending along the entire length of the tube.
  • a fifth aspect of the invention relates to a Joule-Thomson type cooler heat exchanger comprising a main body and a gas pipe wound, in particular helically, around the main body.
  • the gas pipe comprises a longitudinal center tube O comprising an external surface surrounding at least one high-pressure channel and fins extending longitudinally from the external surface of the tube along the entire length of the tube.
  • the gas pipe is made of a metallic material.
  • the external surface is divided into two equal semi-circular portions, including a first semi-circular portion arranged opposite the main body and a second semi-circular portion opposite the first semi-circular portion, and each of the longitudinal fins of the gas pipe extending from the second semi-circular portion.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional representation of a Joule-Thomson cooler comprising a casing and a heat exchanger equipped with a gas pipe according to the state of the art;
  • FIG. 2A is a partial schematic cross-sectional representation of the gas line of Figure 1;
  • FIG. 2B is a partial sectional view along section plane B-B of the gas pipe of Figure 2A;
  • FIG. 3 is a schematic sectional representation of an embodiment of a Joule-Thomson type cooler according to the invention.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional representation of an alternative embodiment of a Joule-Thomson type cooler according to the invention.
  • FIG. 5A is a partial schematic cross-sectional representation of a first variant of a first embodiment of the gas pipe of Figure 4;
  • FIG. 5B is a partial sectional view along a section plane B-B of the gas pipe of Figure 5A;
  • FIG. 6A is a partial schematic cross-sectional representation of a second variant of the first embodiment of the gas pipe of Figure 4;
  • FIG. 6B is a partial sectional view along a section plane B-B of the gas pipe of Figure 6A;
  • FIG. 7A is a partial schematic cross-sectional representation of a third variant of the first embodiment of the gas pipe of Figure 4;
  • FIG. 7B is a partial sectional view along a section plane BB of the gas pipe of Figure 7A;
  • - Figure 8A is a partial schematic sectional representation of a fourth variant of the first embodiment of the gas pipe of Figure 4;
  • FIG. 8B is a partial sectional view along a section plane B-B of the gas pipe of Figure 8A;
  • FIG. 9A is a partial schematic cross-sectional representation of a second embodiment of the gas pipe of Figure 4.
  • Figure 9B is a partial sectional view along a section plane B-B of the gas pipe of Figure 9A.
  • an orthonormal reference frame XYZ indicated in the figures is defined whose axes X and Y extend in a horizontal plane and the axis Z extends in a vertical plane, following the orientation in the figures.
  • a head towards an end wall of a heat exchanger can be oriented along the Z axis of the XYZ reference frame.
  • FIG. 3 shows a cooler 10 of the Joule-Thomson type according to a first embodiment of the invention comprising a casing 20 and a heat exchanger 30 housed inside the casing 20.
  • the envelope 20, also referred to as a “cold finger”, comprises:
  • a contact wall 200 comprising an external surface 202, capable of receiving an element to be cooled 40, such as an infrared detector and/or electronic component, and
  • the envelope 20 contains a volume divided into a cooling chamber 220 and a vacuum zone 222 separated from each other by a sealing wall 216 extending from the contact wall 200 of the envelope 20.
  • the cooling chamber 220 extends along the Z axis between the contact wall 202 of the casing 20 and the end wall 312 of the main body 310 of the heat exchanger 30 and is surrounded by the sealing wall 216 of the casing 20 along the X and Y axes.
  • the vacuum zone 222 extends along the Z axis between the contact wall 200 of the casing 20 and the head 311 of the heat exchanger 30 and is between the sealing wall 216 and the peripheral wall 204 of the casing 20 along the X and Y axes.
  • the sealing wall 216 is defined and arranged in the Joule-Thomson cooler 10 such that the cooling chamber 220 and the vacuum zone 222 are physically separated. Thus, no gas communication can take place from the cooling chamber 220 to the vacuum zone 222, and vice versa.
  • the heat exchanger 30 of cooler 10 comprises:
  • the main body 310 of the heat exchanger 30 comprises a head 311 and an end wall 312 respectively arranged at an axial end of the main body 310.
  • the main body 310 is configured to close an interior space of the main body 310.
  • the heat exchanger 30 is arranged inside the casing 20 so that the head 311 bears against a peripheral wall 204 of the casing 20. Furthermore, the heat exchanger 30 can be arranged inside the casing 20 so that the end wall 312 faces the external surface 202 of the contact wall 200 of the casing 20.
  • the gas pipe 32 of the heat exchanger 30 comprises a tube 320 with a longitudinal center O comprising an outer surface 321 and extending longitudinally between: - an inlet 326, passing through the head 311 of the heat exchanger 30, capable of being connected to an external source of high-pressure compressed gas (not shown), and
  • the gas pipe 32 is wound around the main body 310 of the heat exchanger 30, such that the tube 320 is wound around the main body 310 at a pitch “p” along the Z axis.
  • FIG 4 is a schematic cross-sectional representation of an alternative embodiment of the Joule-Thomson type cooler 10 comprising the heat exchanger 30 according to the invention.
  • the heat exchanger 30 comprises an internal gas pipe 32A directly wound around the main body 310 and an external gas pipe 32B wound around the internal gas pipe 32A.
  • the internal gas pipe 32A of the heat exchanger 30 comprises an internal tube 320A comprising an external surface and extending longitudinally between:
  • the external gas pipe 32B of the heat exchanger 30 comprises an external tube 320B comprising an outer surface and extending along the longitudinal center O and longitudinally between:
  • the internal gas pipe 32A is wound around the main body 310 of the heat exchanger 30, such that the internal tube 320A is wound around the main body 310 at a pitch “p” along the Z axis.
  • the external gas pipe 32A is wound around the internal gas pipe 32A, such that the external tube 320B is wound around the internal tube 320A at a pitch “p” along the Z axis.
  • the heat exchanger 30 may comprise a sheath 314 extending from the end wall 312 and into which each outlet 328A, 328B of the internal 326A and external 326B pipes opens.
  • the tube 320 of the gas pipe 32 comprises at least one high-pressure channel 322 and at least one low-pressure channel 324, in particular extending respectively along the entire length of the tube 320.
  • the high-pressure channels 322 and the low-pressure channels 324 are sealed from each other by inter-channel walls 323.
  • the tube 320 may have a section according to which the sum of the sections of the high-pressure channels 322 is less than the sum of the sections of the low-pressure channels 324 of the tube 320.
  • the outer surface 321 of the tube 320 of the gas pipe 32 is divided into two semicircles including:
  • a first semi-circular portion 321 A is arranged opposite the main body 310 of the heat exchanger 30, and
  • a second semi-circular portion 321 B is arranged opposite the vacuum zone 222 of the envelope 20.
  • the gas pipe 32 can be produced according to different variants described below.
  • Figures 5A and 5B are respectively a partial schematic representation in section of a first variant of a first embodiment of the gas pipe of Figure 4 and a partial sectional view along a section plane B-B of Figure 5A;
  • the tube 320 comprises:
  • each low-pressure channel 324 has a section in the shape of an arc of a circle.
  • the low-pressure channels 324 are arranged symmetrically on either side of the high-pressure channel 322.
  • Figures 6A and 6b are respectively a partial schematic representation in section of a second variant of the first embodiment of the gas pipe of Figure 4 and a partial sectional view along a section plane B-B of the gas pipe of Figure 6A.
  • the tube 320 comprises:
  • low-pressure channels 324 in particular circular and specifically of the same diameter, distributed, in particular regularly, around the high-pressure channel 322.
  • Figures 7A and 7B are respectively a partial schematic representation in section of a third variant of the first embodiment of the gas pipe of Figure 4 and a partial sectional view along a section plane B-B of the gas pipe of Figure 7A.
  • the tube 320 comprises:
  • Figures 8A is a partial schematic representation in section of a fourth variant of the first embodiment of the gas pipe of Figure 4 and a partial sectional view along a section plane BB of the gas pipe of Figure 8A.
  • the tube 320 comprises:
  • first high-pressure channel 322 notably circular, with longitudinal center O of the tube 320
  • the diameter of each low-pressure channel 324 is greater than the diameter of each high-pressure channel 322.
  • the operation of the Joule-Thomson type cooler 10 according to the first embodiment comprises the following steps:
  • a gas admission step during which the gas, wholly or partly expanded, is admitted into each high-pressure channel 322 of the tube 320, respectively of the internal tube 320A and of the external tube 320B, of the gas pipe 32 via the inlet 326, respectively the internal inlet 326A and the external inlet 326B,
  • a gas circulation step during which the gas circulates in each high-pressure channel 322 of the tube 320, respectively of the internal tube 320A and of the external tube 320B, up to the outlet 328, respectively the internal outlet 328A and the external outlet 328B, during which the gas undergoes a second expansion phase leading to progressive cooling,
  • a gas ejection step during which the gas is ejected through the outlet 328, respectively the internal outlet 328A and the external outlet 328B, into the cooling chamber 220 of the casing 20 so that, at the outlet 328, respectively the internal outlet 328A and the external outlet 328B, the gas undergoes a final expansion phase and becomes a cold low-pressure gas BP,
  • LP gas admission step during which the low-pressure LP gas is admitted into each low-pressure channel 324 of the tube 320 of the gas pipe 32 via the outlet 328, respectively the internal outlet 328A and the external outlet 328B,
  • LP low-pressure gas circulation step during which the LP low-pressure gas circulates to the inlet 326, respectively the internal inlet 326A and the external inlet 326B, during which the LP low-pressure gas of each low-pressure channel 324 exchanges thermal energy with the gas circulating in each high-pressure channel 322 to cool it, and
  • Figure 9A is a partial schematic sectional representation of a second embodiment of the gas pipe of Figure 4 and a partial sectional view along a section plane B-B of the gas pipe of Figure 9A.
  • the Joule-Thomson 10 type cooler can comprise:
  • FIGS. 9A and 9B an envelope 20 as shown in FIG. 4 and a gas pipe 32 as shown in FIGS. 9A and 9B.
  • the tube 320 of the gas pipe 32 comprises only a high-pressure channel 322 and longitudinal fins 330 extending respectively from the external surface 321 of the tube 320.
  • the fins 330 are arranged along the length of the tube 320.
  • the fins 330 each extend longitudinally and parallel to the longitudinal center O of the second semi-circular portion 321 B of the outer surface 321 of the tube 320. [00107] Such an arrangement of the fins 330 makes it possible to minimize, compared to a heat exchanger equipped with a gas pipe and fins according to the state of the art, the pitch “p” of the tube 320, that is to say the diameter of the tube 320, by obtaining longitudinal portions of the external surface 321 contiguous in contact with each other.
  • the operation of the Joule-Thomson type cooler 10 according to the second embodiment is substantially identical to the operation of the Joule-Thomson type cooler 10 of the prior art as described above, except for the fact that the low-pressure gas LP flows along a space formed between the longitudinal fins 330, thus licking the longitudinal fins 330 and the second circumferential portion 321 B of the external surface 321 of the tube 320 between two longitudinal fins 330.
  • a space formed between two fins 330 forms a closed helical channel with the sealing wall 216 in which the low-pressure gas LP circulates, thus allowing better cooling of the gas circulating in the high-pressure channel 322.
  • a method of manufacturing a heat exchanger 30 according to the invention comprises a step of manufacturing the gas pipe 32 comprising at least:
  • the forming step and the winding step of the gas pipe 32 are carried out simultaneously by a mobile extrusion nozzle rotating around the main body 310 of the heat exchanger 30.
  • the forming step and the winding step are carried out simultaneously with a step of rotating the tube 320.
  • the forming step and the winding step are carried out simultaneously with a step of rotating the tube 320.
  • the step of winding the gas pipe 32 is carried out after the step of forming the gas pipe 32 by shaping the gas pipe 32 around the main body 310.
  • the winding step can be carried out hot.
  • the step of forming the gas pipe 32 according to the first embodiment consists of forming the tube 320, the high-pressure channels 322, the low-pressure channels 324 and the inter-channel walls 323.
  • the step of forming the gas pipe 32 according to the second embodiment consists of forming the tube 320 and the fins 330.
  • a heat exchanger 30 according to the invention makes it possible, thanks to the use of a material composed of metal and ceramic for the manufacture of the gas pipe 32, respectively the internal gas pipe 32A and the external gas pipe 32B, to minimize the quantity of thermal energy transmitted between the inlet 326, respectively the internal inlet 326A and the external inlet 326B, and the outlet 328, respectively the internal outlet 328A and the external outlet 328B, of the gas pipe 32, respectively the internal gas pipe 32A and the external gas pipe 32B, while maintaining good heat exchange capacities of the gas pipe between the cold low-pressure LP gas and the high-pressure HP gas.

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Abstract

Un premier aspect de l'invention concerne un échangeur thermique (30) de refroidisseur (10) du type Joule-Thomson comprenant un corps principal (310) et au moins une conduite de gaz (32) dans un matériau composé de céramique et de métal entourant le corps principal (310). Un deuxième aspect de l'invention concerne un refroidisseur du type Joule-Thomson (10) comprenant : - un échangeur thermique selon le premier aspect, et - une enveloppe (20), dans laquelle est logé l'échangeur thermique. [00121] Un troisième aspect de l'invention concerne un procédé de fabrication d'un échangeur thermique selon le premier aspect comprenant au moins une étape de fabrication de la conduite de gaz comportant au moins une étape de formation de la conduite de gaz par extrusion et une étape d'enroulement de la conduite de gaz.

Description

TITRE : ECHANGEUR THERMIQUE DE REFROIDISSEUR DU TYPE JOULE-THOMSON ET REFROIDISSEUR DU TYPE JOULE- THOMSON
DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION
[0001] La présente invention se rapporte au domaine des refroidisseurs du type Joule-Thomson équipé d’un échangeur thermique.
[0002] Plus particulièrement, la présente invention concerne un refroidisseur de type Joule-Thomson, un échangeur thermique de refroidisseur Joule-Thomson et un procédé de fabrication d’un tel échangeur thermique.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION
[0003] Classiquement, les refroidisseurs du type Joule-Thomson assurent un refroidissement cryogénique d’un élément en atteignant rapidement des basses températures de l’ordre de 120 Kelvin.
[0004] En général, les refroidisseurs du type Joule-Thomson sont configurés pour réaliser une détente contrôlée d’un gaz initialement sous haute-pression. La température du gaz détendu diminue fortement permettant de refroidir un élément au contact de celui-ci. Un tel refroidisseur est, par exemple, utilisé pour refroidir des éléments, tels que des détecteurs infrarouges et/ou des composants électroniques.
[0005] La figure 1 représente un exemple d’un refroidisseur 10 du type Joule- Thomson conventionnel. Le refroidisseur 10 du type Joule-Thomson comprend une enveloppe 20 et un échangeur thermique 30, logé à l’intérieur de l’enveloppe 20.
[0006] L’enveloppe 20, également désignée par le terme « doigt froid », comprend une paroi de contact 200 comportant une surface externe 202, apte à recevoir et/ou être en contact avec un élément à refroidir 40, tel qu’un détecteur infrarouge et/ou de composant électronique.
[0007] L’échangeur thermique 30 de refroidisseur 10 comprend :
- un corps principal 310 creux s’étendant selon un axe Z d’un repère XYZ entre une tête 311 et une paroi d’extrémité 312, fermant ensemble un espace intérieur du corps principal 310 ; la paroi d’extrémité 312 étant agencée en vis-à-vis de la surface externe 202 de l’enveloppe 20, et au moins une conduite de gaz 32 entourant le corps principal 310 de manière hélicoïdale.
[0008] L’enveloppe 20 contient un volume divisé en une zone d’expansion 210 et en une zone d’échanges thermiques 212 selon lesquelles :
- la zone d’expansion 210 s’étend, selon l’axe Z, entre la paroi de contact 202 de l’enveloppe 20 et la paroi d’extrémité 312 du corps principal 310 de l’échangeur thermique 30, et
- la zone d’échanges thermiques 212 s’étend, selon l’axe Z, entre la paroi d’extrémité 312 du corps principal 310 et la tête 311 de l’échangeur thermique 30 ; la zone d’échanges thermiques 210 étant ouverte à l’extérieur par une ouverture 214 formée entre l’enveloppe 20 et la tête 311 .
[0009] L’échangeur thermique 30 est agencé à l’intérieur de l’enveloppe 20 de sorte que la tête 311 soit au moins en partie disjointe d’une paroi périphérique 204 de l’enveloppe 20, afin de définir l’ouverture 214 formée entre l’enveloppe 20 et la tête 311.
[0010] La conduite de gaz 32 de l’échangeur thermique 30 comprend un tube 320, de centre longitudinal O et s’étendant longitudinalement entre :
- une entrée 326, traversant la tête 311 de l’échangeur thermique 30, apte à être reliée à une source externe de gaz comprimé sous haute-pression (non représentée), et
- une sortie 328, débouchant dans la zone d’expansion 210 de l’enveloppe 20. [0011] Tel que représenté sur les figures 2A et 2B, le tube 320 de la conduite de gaz 32 comprend une surface extérieure 321 et des ailettes 330 s’étendant respectivement radialement depuis la surface extérieure 321 et perpendiculairement autour du tube 320.
[0012] La conduite de gaz 32 est enroulée autour du corps principal 310 de l’échangeur thermique 30, de sorte que le tube 320 est enroulé autour du corps principal 310 selon un pas « p » selon l’axe Z.
[0013] Le fonctionnement du refroidisseur 10 du type Joule-Thomson comprend les étapes suivantes :
- ouverture d’une vanne en amont de l’entrée 326 du tube 320, pendant laquelle un gaz haute-pression HP subit une première phase de détente, et puis est admis, une fois détendu, dans le tube 320 par l’entrée 326 ; - circulation du gaz dans le tube 320 jusqu’à la sortie 328, pendant laquelle le gaz subit une deuxième phase de détente entraînant un refroidissement progressif ;
- éjection du gaz dans la zone d’expansion 210 de l’enveloppe 20, pendant laquelle le gaz subit une troisième phase de détente entraînant également un refroidissement progressif, de sorte que, en sortie de la zone d’expansion 210, le gaz est un gaz basse-pression BP ;
- circulation du gaz basse-pression BP dans la zone d’échanges thermiques 212 jusqu’à l’ouverture 214, pendant laquelle le gaz basse-pression BP refroidit le tube 320 et donc le gaz circulant dans le tube 320 ; et
- évacuation du gaz basse-pression BP à l’extérieur, notamment dans l’atmosphère ambiante, par l’ouverture 214.
[0014] Pendant les étapes de circulation du gaz haute-pression HP, du gaz circulant dans le tube 320, également désigné par « gaz de la conduite de gaz 32 », et du gaz basse-pression BP, la présence d’ailettes 330 permet d’augmenter une surface d’échanges thermiques entre le gaz basse-pression BP, contenu dans la zone d’échanges thermiques 212 de l’enveloppe 20, et le gaz de la conduite de gaz 32, plus chaud que le gaz basse-pression BP, pour améliorer le refroidissement du gaz de la conduite de gaz 32.
[0015] En effet, les performances du refroidisseur 10 du type Joule-Thomson présentant une telle géométrie sont proportionnelles :
- aux capacités de détente du gaz haute-pression HP et du gaz de la conduite de gaz 32,
- aux capacités d’échanges thermiques entre le gaz basse-pression BP et le gaz de la conduite de gaz 32.
[0016] De plus, les performances du refroidisseurs 10 sont inversement proportionnelles à la quantité d’énergie thermique transmise entre un environnement chaud en contact avec la tête 311 et la sortie 328 du tube 320 de la conduite de gaz 32.
[0017] Généralement, la conduite de gaz 32 d’un tel échangeur thermique 30 est réalisée dans un matériau métallique. Les procédés de fabrication des conduites de gaz 32 métalliques sont bien connus et maîtrisés. Cependant, ils comprennent différentes étapes de fabrication augmentant le coût de fabrication de l’échangeur thermique 30.
[0018] De plus, la conductivité thermique des matériaux métalliques étant sensiblement élevée, une quantité d’énergie thermique transmise longitudinalement le long du tube 320 enroulée hélicoïdalement entre l’entrée 326, proche de la vanne, et la sortie 328 du tube 320 ne sont pas minimisées, diminuant les performances d’un tel refroidisseur 10 du type Joule-Thomson.
[0019] La conductivité thermique de la céramique étant inférieure à celle du métal, il a donc été envisagé d’utiliser la céramique pour la fabrication des refroidisseurs Joule-Thomson et plus particulièrement pour la fabrication des échangeurs thermiques 30.
[0020] Cependant, la fabrication de la conduite de gaz 32 de l’échangeur thermique 30 par un procédé de fabrication additive avec un matériau céramique est complexe.
[0021 ] En effet, les différentes contraintes de fabrication associées aux techniques d’impression 3D (trois dimensions) en céramique, telles qu’une épaisseur minimale de parois et un angle de dépouille minimal ne permettent pas de fabriquer une conduite de gaz 32 hélicoïdale telles que celles intégrées dans les échangeurs thermiques 30 conventionnels.
[0022] De plus, l’utilisation d’un matériau céramique pour fabriquer le tube 320 de la conduite de gaz diminue les capacités d’échanges thermiques entre le gaz basse- pression BP froid et le gaz de la conduite de gaz 32 et altéreraient les performances du refroidisseur Joule-Thomson 10.
RESUME DE L’INVENTION
[0023] L’invention offre une solution aux problèmes évoqués précédemment en proposant un échangeur thermique de refroidisseur du type Joule-Thomson présentant une architecture et une constitution particulières.
[0024] Un premier aspect de l’invention concerne un échangeur thermique de refroidisseur du type Joule-Thomson comprenant un corps principal et au moins une conduite de gaz entourant le corps principal, en particulier de manière hélicoïdale, la conduite de gaz étant dans un matériau composé de céramique et de métal.
[0025] L’échangeur thermique selon le premier aspect de l’invention permet, grâce à l’utilisation d’un matériau composé de céramique et de métal, de minimiser un transfert d’énergie thermique le long de la conduite de gaz tout en maintenant de bonnes capacités d’échanges thermiques de la conduite de gaz.
[0026] Selon un premier mode de réalisation de l’invention, la conduite de gaz comprend un tube comportant au moins un canal haute-pression et au moins un canal basse-pression, s’étendant notamment selon toute la longueur du tube.
[0027] Dans un tel cas, les échanges thermiques entre le gaz du canal basse- pression et le gaz du canal haute-pression sont réalisées par conduction directement à l’intérieur du tube de la conduite de gaz. La proximité entre le canal basse-pression et le canal haute-pression permet d’améliorer les échanges thermiques et donc le refroidissement du gaz contenu dans le canal haute-pression.
[0028] En particulier, selon le premier mode de réalisation, le tube de la conduite de gaz présente un volume global de canal haute-pression inférieur à un volume global de canal basse-pression du tube.
[0029] Une telle caractéristique permet d’optimiser le refroidissement du gaz contenu dans le canal haute-pression par le gaz contenu dans le canal basse- pression, ce dernier ayant un volume plus important dans le tube de la conduite de gaz.
[0030] Par volume global de canal haute-pression ou volume global de canal basse-pression, on entend le volume total de l’un ou des canaux respectivement haute-pression ou basse-pression. Autrement dit, le tube comprend une section selon laquelle la section du canal haute-pression ou bien la somme des sections des canaux haute-pression est inférieure à la section du canal basse-pression ou bien la somme des sections des canaux basse-pression du tube.
[0031] Par ailleurs, selon le premier mode de réalisation, le tube de la conduite de gaz présente un centre longitudinal O, en particulier de forme hélicoïdale. Dans une telle configuration, le canal haute-pression est de centre longitudinal O et le canal basse-pression est réparti autour du canal haute-pression.
[0032] Alternativement, le canal basse-pression est de centre longitudinal O et le canal haute-pression est réparti autour du canal basse-pression
[0033] Une telle caractéristique permet d'améliorer l’homogénéité du refroidissement du gaz circulant dans le canal haute-pression.
[0034] Selon un exemple de ce premier mode de réalisation, le tube de la conduite de gaz comprend un seul canal haute-pression. Selon une autre variante du premier mode de réalisation, le tube comprend plusieurs canaux haute-pression répartis angulairement autour du centre longitudinal O du tube, avec les canaux basse- pression ou bien autour d’un seul canal basse-pression.
[0035] Selon le premier mode de réalisation, le canal haute-pression et le canal basse-pression du tube de la conduite de gaz sont étanches l’un de l’autre.
[0036] Selon une variante de l’échangeur thermique selon le premier mode de réalisation, l’échangeur thermique comprend une conduite de gaz interne directement enroulée autour du corps principal et une conduite de gaz externe enroulée autour de la conduite de gaz interne. Un tel agencement permet d’accélérer le processus de refroidissement de l’échangeur thermique.
[0037] Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, la conduite de gaz comprend un tube comportant une surface externe et des ailettes s’étendant longitudinalement depuis une surface externe du tube selon toute la longueur du tube. [0038] Dans un tel cas, les échanges thermiques entre le gaz contenu à l’extérieur de la conduite de gaz et le gaz contenu à l’intérieur de la conduite de gaz du canal haute-pression sont réalisés par conduction à travers la paroi du tube de la conduite de gaz.
[0039] La présence d’ailettes longitudinales permet d’augmenter la surface d’échanges thermiques de la conduite de gaz et ainsi améliorer le refroidissement du gaz contenu dans le tube de la conduite de gaz.
[0040] Le fait que les ailettes s’étendent longitudinalement seulement sur une demi-circonférence du tube permet de réduire l’encombrement de la conduite de gaz, sans détériorer la qualité des échanges thermiques, par rapport à la présence d’ailettes s’étendant radialement selon l’art antérieur.
[0041] Avantageusement, selon le deuxième mode de réalisation, la surface externe est divisée en deux portions semi-circulaires dont une première portion semi- circulaire est agencée en regard du corps principal de l’échangeur thermique et une deuxième portion semi-circulaire est opposée à la première portion circonférentielle.
[0042] Selon le deuxième mode de réalisation, les ailettes longitudinales de la conduite de gaz s’étendant depuis la deuxième portion semi-circulaire.
[0043] Une telle caractéristique permet de réduire l’encombrement de la conduite de gaz. En outre, cela permet de réduire la quantité d’ailettes de la conduite de gaz tout en maintenant une surface importante d’échanges thermiques de la conduite de gaz. [0044] Préférentiellement, selon le deuxième mode de réalisation, les ailettes de la conduite de gaz sont parallèles les unes par rapport aux autres. Une telle caractéristique permet de simplifier la fabrication de la conduite de gaz et de minimiser son encombrement.
[0045] Un deuxième aspect de l’invention concerne un refroidisseur du type Joule- Thomson comprenant un échangeur thermique selon le premier aspect de l’invention, et une enveloppe dans laquelle est logé l’échangeur thermique.
[0046] De plus, l’enveloppe peut comprendre une paroi de contact comportant une surface externe apte à recevoir un élément à refroidir.
[0047] Par ailleurs, selon le deuxième aspect de l’invention, l’enveloppe comprend une paroi d’étanchéité s’étendant de la paroi de contact jusqu’à l’échangeur thermique. [0048] Plus particulièrement, la paroi d’étanchéité forme : une chambre de refroidissement s’étendant entre la paroi de contact de l’enveloppe et une paroi d’extrémité du corps principal de l’échangeur thermique.
[0049] Optionnellement, la paroi d’étanchéité peut également permettre de former une zone sous-vide s’étendant entre l’enveloppe et la conduite de gaz.
[0050] Une telle géométrie du refroidisseur du type Joule-Thomson permet avec un échangeur selon le premier mode de réalisation, notamment par la présence d’une zone sous-vide, d’isoler thermiquement la conduite de gaz et ainsi de minimiser la quantité d’énergie thermique transmise à l’intérieur de la conduite de gaz.
[0051] Un troisième aspect de l’invention concerne un procédé de fabrication d’un échangeur thermique selon le premier aspect de l’invention selon il comprend au moins une étape de fabrication de la conduite de gaz comportant au moins :
- une étape de formation de la conduite de gaz par extrusion, et
- une étape d’enroulement de la conduite de gaz, notamment de manière hélicoïdale.
[0052] Un tel procédé de fabrication, permet, grâce à la mise en œuvre du matériau composé de céramique et de métal, par extrusion, de former la conduite de gaz en une seule étape de fabrication.
[0053] Notamment, selon une première variante du troisième aspect de l’invention, l’étape de formation et l’étape d’enroulement de la conduite de gaz sont réalisées simultanément par une buse d’extrusion mobile tournant autour du corps principal de l’échangeur thermique. [0054] De plus, l’étape de formation et l’étape d’enroulement de la conduite de gaz peuvent être réalisées simultanément à une étape de mise en rotation du tube.
[0055] Selon une deuxième variante du troisième aspect de l’invention, l’étape d’enroulement de la conduite de gaz est réalisée après l’étape de formation de la conduite de gaz.
[0056] Un quatrième aspect de l’invention, concerne un échangeur thermique de refroidisseur du type Joule-Thomson comprenant un corps principal et une conduite de gaz enroulée, notamment de manière hélicoïdale, autour du corps principal. La conduite de gaz comprend un tube dans lequel est formé au moins un canal haute- pression et au moins un canal basse-pression chacun s’étendant selon toute la longueur du tube.
[0057] Un cinquième aspect de l’invention, concerne un échangeur thermique de refroidisseur du type Joule-Thomson comprenant un corps principal et une conduite de gaz enroulée, notamment de manière hélicoïdale, autour du corps principal. La conduite de gaz comprend un tube de centre longitudinal O comportant une surface externe entourant au moins un canal haute-pression et des ailettes s’étendant longitudinalement depuis de la surface externe du tube selon toute la longueur du tube. [0058] Avantageusement, selon le quatrième aspect de l’invention ou le cinquième aspect de l’invention, la conduite de gaz est dans un matériau métallique.
[0059] Avantageusement, selon le cinquième aspect de l’invention, la surface externe est divisée en deux portions semi-circulaire égales dont une première portion semi-circulaire agencée en regard du corps principal et une deuxième portion semi- circulaire opposée à la première portion semi-circulaire, et chacune des ailettes longitudinales de la conduite de gaz s’étendant depuis la deuxième portion semi- circulaire.
[0060] L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.
[0061] Bien entendu les différentes caractéristiques, variantes et/ou formes de réalisation de la présente invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
[0062] La présente invention sera mieux comprise et d’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront encore à la lecture de la description détaillée qui suit, comprenant des modes de réalisation donnés à titre illustratif en référence avec les figures annexées, présentés en tant qu’exemples non limitatifs, qui pourront servir à compléter la compréhension de la présente invention et l’exposé de sa réalisation et, le cas échéant, contribuer à sa définition, dans lesquelles :
- La figure 1 est une représentation schématique en coupe d’un refroidisseur Joule-Thomson comprenant une enveloppe et un échangeur thermique équipé d’une conduite de gaz selon l’état de la technique ;
- La figure 2A est une représentation schématique partielle en coupe de la conduite de gaz de la figure 1 ;
- La figure 2B est une vue en coupe partielle selon le plan de coupe B-B de la conduite de gaz de la figure 2A ;
- La figure 3 est une représentation schématique en coupe d’un mode de réalisation d’un refroidisseur du type Joule-Thomson selon l’invention ;
- La figure 4 est une représentation schématique en coupe d’un mode alternative de réalisation d’un refroidisseur du type Joule-Thomson selon l’invention ;
- La figure 5A est une représentation schématique partielle en coupe d’une première variante d’un premier mode de réalisation de la conduite de gaz de la figure 4 ;
- La figure 5B est une vue en coupe partielle selon un plan de coupe B-B de la conduite de gaz de la figure 5A ;
- La figure 6A est une représentation schématique partielle en coupe d’une deuxième variante du premier mode de réalisation de la conduite de gaz de la figure 4 ;
- La figure 6B est une vue en coupe partielle selon un plan de coupe B-B de la conduite de gaz de la figure 6A ;
- La figure 7A est une représentation schématique partielle en coupe d’une troisième variante du premier mode de réalisation de la conduite de gaz de la figure 4 ;
- La figure 7B est une vue en coupe partielle selon un plan de coupe B-B de la conduite de gaz de la figure 7A ; - La figure 8A est une représentation schématique partielle en coupe d’une quatrième variante du premier mode de réalisation de la conduite de gaz de la figure 4 ;
- La figure 8B est une vue en coupe partielle selon un plan de coupe B-B de la conduite de gaz de la figure 8A ;
- La figure 9A est une représentation schématique partielle en coupe d’un deuxième mode de réalisation de la conduite de gaz de la figure 4 ; et
- La figure 9B est une vue en coupe partielle selon un plan de coupe B-B de la conduite de gaz de la figure 9A.
DESCRIPTION DETAILLEE
[0063] Un exemple de réalisation d’un refroidisseur du type Joule-Thomson comprenant un échangeur thermique selon l’invention est décrit en détail ci-après, en référence aux dessins annexés. L’exemple de réalisation présenté illustre les caractéristiques et avantages de l’invention.
[0064] Il est à noter que, sur les figures, sauf précision contraire, un même élément structurel et/ou fonctionnel commun aux différents modes de réalisation apparaissant sur des figures différentes présente une référence unique. Ainsi, sauf mention contraire, de tels éléments disposent de propriétés structurelles, dimensionnelles et matérielles identiques.
[0065] Pour une compréhension de l’invention, un repère orthonormé XYZ indiqué sur les figures est défini dont les axes X et Y s’étendent dans un plan horizontal et l’axe Z s’étend dans un plan vertical, suivant l’orientation aux figures.
[0066] En particulier, une tête vers une paroi d’extrémité d’un échangeur thermique peut être orientée selon l’axe Z du repère XYZ.
[0067] La figure 3 représente un refroidisseur 10 du type Joule-Thomson selon un premier mode de réalisation de l’invention comprenant une enveloppe 20 et un échangeur thermique 30 logé à l’intérieur de l’enveloppe 20.
[0068] L’enveloppe 20, également désignée par le terme « doigt froid », comprend :
- une paroi de contact 200 comportant une surface externe 202, apte à recevoir un élément à refroidir 40, tel qu’un détecteur infrarouge et/ou composant électronique, et
- une paroi périphérique 204 s’étendant selon l’axe Z. [0069] L’enveloppe 20 contient un volume divisé en une chambre de refroidissement 220 et une zone sous-vide 222 séparées l’une de l’autre par une paroi d’étanchéité 216 s’étendant depuis la paroi de contact 200 de l’enveloppe 20.
[0070] La chambre de refroidissement 220 s’étend selon l’axe Z entre la paroi de contact 202 de l’enveloppe 20 et la paroi d’extrémité 312 du corps principal 310 de l’échangeur thermique 30 et est entourée par la paroi d’étanchéité 216 de l’enveloppe 20 selon les axes X et Y.
[0071] La zone sous-vide 222 s’étend selon l’axe Z entre la paroi de contact 200 de l’enveloppe 20 et la tête 311 de l’échangeur thermique 30 et est comprise entre la paroi d’étanchéité 216 et la paroi périphérique 204 de l’enveloppe 20 selon les axes X et Y.
[0072] La paroi d’étanchéité 216 est définie et agencée dans le refroidisseur 10 du type Joule-Thomson de sorte que la chambre de refroidissement 220 et la zone sous- vide 222 soient physiquement séparées. Ainsi, aucune communication de gaz ne peut se faire depuis la chambre de refroidissement 220 vers la zone sous-vide 222, et inversement.
[0073] La présence d’une zone sous-vide 222 permet d’assurer une isolation thermique autour de la conduite de gaz 32.
[0074] L’échangeur thermique 30 de refroidisseur 10 comprend :
- un corps principal 310 creux s’étendant selon l’axe Z du repère XYZ, et
- une conduite de gaz 32 entourant le corps 310, notamment de manière hélicoïdale.
[0075] De plus, le corps principal 310 de l’échangeur thermique 30 comprend une tête 311 et une paroi d’extrémité 312 agencés respectivement à une extrémité axiale du corps principal 310. Le corps principal 310 est configuré pour fermer un espace intérieur du corps principal 310.
[0076] L’échangeur thermique 30 est agencé à l’intérieur de l’enveloppe 20 de sorte que la tête 311 soit en appui contre une paroi périphérique 204 de l’enveloppe 20. Par ailleurs, l’échangeur thermique 30 peut être agencé à l’intérieur de l’enveloppe 20 de sorte que la paroi d’extrémité 312 soit en vis-à-vis de la surface externe 202 de la paroi de contact 200 de l’enveloppe 20.
[0077] La conduite de gaz 32 de l’échangeur thermique 30 comprend un tube 320 de centre longitudinal O comprenant une surface extérieure 321 et s’étendant longitudinalement entre : - une entrée 326, traversant la tête 311 de l’échangeur thermique 30, apte à être reliée à une source externe de gaz comprimé sous haute-pression (non représentée), et
- une sortie 328, débouchant dans la chambre de refroidissement 220 de l’enveloppe 20.
[0078] La conduite de gaz 32 est enroulée autour du corps principal 310 de l’échangeur thermique 30, de sorte que le tube 320 est enroulé autour du corps principal 310 selon un pas « p » selon l’axe Z.
[0079] La figure 4 est une représentation schématique en coupe d’un mode alternative de réalisation du refroidisseur 10 du type Joule-Thomson comprenant l’échangeur thermique 30 selon l’invention.
[0080] Selon une variante de réalisation de l’échangeur thermique 30 tel que représenté à la figure 4, l’échangeur thermique 30 comprend une conduite de gaz interne 32A directement enroulée autour du corps principal 310 et une conduite de gaz externe 32B enroulée autour de la conduite de gaz interne 32A.
[0081] Ainsi, la conduite de gaz interne 32A de l’échangeur thermique 30 comprend un tube interne 320A comprenant une surface extérieure et s’étendant longitudinalement entre :
- une entrée interne 326A, traversant la tête 311 de l’échangeur thermique 30, apte à être reliée à une source externe de gaz comprimé sous haute-pression (non représentée), et
- une sortie interne 328A, débouchant dans la chambre de refroidissement 220 de l’enveloppe 20.
[0082] De même, la conduite de gaz externe 32B de l’échangeur thermique 30 comprend un tube externe 320B comprenant une surface extérieure et s’étendant selon le centre longitudinal O et longitudinalement entre :
- une entrée externe 326B, traversant la tête 311 de l’échangeur thermique 30, apte à être reliée à une source externe de gaz comprimé sous haute-pression (non représentée), et
- une sortie externe 328B, débouchant dans la chambre de refroidissement 220 de l’enveloppe 20.
[0083] La conduite de gaz interne 32 A est enroulée autour du corps principal 310 de l’échangeur thermique 30, de sorte que le tube interne 320A est enroulé autour du corps principal 310 selon un pas « p » selon l’axe Z. [0084] Par ailleurs, la conduite de gaz externe 32 A est enroulée autour la conduite de gaz interne 32A, de sorte que le tube externe 320B est enroulé autour du tube interne 320A selon un pas « p » selon l’axe Z.
[0085] Tel que représenté à la figure 4, l’échangeur thermique 30 peut comprendre un fourreau 314 s’étendant de la paroi d’extrémité 312 et dans lequel débouche chaque sortie 328A, 328B des conduites interne 326A et externe 326B.
[0086] Selon le premier mode de réalisation de l’invention, le tube 320 de la conduite de gaz 32 comprend au moins un canal haute-pression 322 et au moins un canal basse-pression 324, en particulier s’étendant respectivement selon toute la longueur du tube 320.
[0087] Les canaux haute-pression 322 et les canaux basse-pression 324 sont séparés étanchement les uns par rapport aux autres par des parois inter-canaux 323. [0088] Le tube 320 peut présenter une section selon laquelle la somme des sections des canaux haute-pression 322 est inférieure à la somme des sections des canaux basse-pression 324 du tube 320.
[0089] La surface extérieure 321 du tube 320 de la conduite de gaz 32 est divisée en deux demi-cercles dont :
- une première portion semi-circulaire 321 A est agencée en regard du corps principal 310 de l’échangeur thermique 30, et
- une deuxième portion semi-circulaire 321 B est agencée en regard de la zone sous-vide 222 de l’enveloppe 20.
[0090] La présence de canaux haute-pression 322 et de canaux basse-pression 324 dans le tube 320 de la conduite de gaz 32 permet de réaliser des échanges thermiques entre le gaz basse-pression BP du canal basse-pression 324 et le gaz du canal haute-pression 322 par conduction directement à l’intérieur du tube 320 de la conduite de gaz 32. La proximité entre le canal basse-pression 324 et le canal haute- pression 322 permet d’améliorer les échanges thermiques et donc le refroidissement du gaz contenu dans le canal haute-pression 322.
[0091] Dans le premier mode de réalisation, la conduite de gaz 32 peut être réalisée selon différentes variantes décrites ci-après.
[0092] Les figures 5A et 5B sont respectivement une représentation schématique partielle en coupe d’une première variante d’un premier mode de réalisation de la conduite de gaz de la figure 4 et une vue en coupe partielle selon un plan de coupe B- B de la figure 5A ;
[0093] Selon la première variante de la conduite de gaz 32 telle que représentée aux figures 5A et 5B, le tube 320 comprend :
- un seul canal haute-pression 322 circulaire de centre longitudinal O du tube 320 de forme hélicoïdale, et
- deux canaux basse-pression 324 répartis autour du canal haute-pression 322.
[0094] Optionnellement, chaque canal basse-pression 324 présente une section en forme d’un arc de cercle. En particulier, les canaux basse-pression 324 sont agencés symétriquement de part et d’autre du canal haute-pression 322.
[0095] Les figures 6A et 6b sont respectivement une représentation schématique partielle en coupe d’une deuxième variante du premier mode de réalisation de la conduite de gaz de la figure 4 et une vue en coupe partielle selon un plan de coupe B- B de la conduite de gaz de la figure 6A.
[0096] Selon la deuxième variante de la conduite de gaz 32 telle que représentée aux figures 6A et 6B, le tube 320 comprend :
- un seul canal haute-pression 322, notamment circulaire ,de centre longitudinal O du tube 320, et
- quatre canaux basse-pression 324, en particulier circulaires et spécifiquement de même diamètre, répartis, notamment régulièrement, autour du canal haute-pression 322.
[0097] Les figures 7A et 7B sont respectivement une représentation schématique partielle en coupe d’une troisième variante du premier mode de réalisation de la conduite de gaz de la figure 4 et une vue en coupe partielle selon un plan de coupe B- B de la conduite de gaz de la figure 7A.
[0098] Selon la troisième variante de la conduite de gaz 32 telle que représentée aux figures 7A et 7B, le tube 320 comprend :
- un seul canal haute-pression 322, notamment circulaire, de centre longitudinal O du tube 320, et
- six canaux basse-pression 324, en particulier circulaires et spécifiquement de même diamètre, répartis, notamment régulièrement, autour du canal haute- pression 322. [0099] Les figures 8A est une représentation schématique partielle en coupe d’une quatrième variante du premier mode de réalisation de la conduite de gaz de la figure 4 et une vue en coupe partielle selon un plan de coupe B-B de la conduite de gaz de la figure 8A.
[00100] Selon la quatrième variante de la conduite de gaz 32 telle que représentée aux figures 8A et 8B, le tube 320 comprend :
- un premier canal haute-pression 322, notamment circulaire, de centre longitudinal O du tube 320,
- quatre canaux basse-pression 324, notamment circulaires et spécifiquement de même diamètre, répartis autour du canal haute-pression 322, et
- quatre deuxièmes canaux haute-pression 322’, notamment circulaires de même diamètre, répartis chacun entre deux canaux basse-pression 324.
[00101] Selon une alternative de la quatrième variante de la conduite de gaz 32, le diamètre de chaque canal basse-pression 324 est supérieur au diamètre de chaque canal haute-pression 322.
[00102] Le fonctionnement du refroidisseur du type Joule-Thomson 10 selon le premier mode de réalisation comprend les étapes suivantes :
- une étape d’ouverture, au cours de laquelle une vanne en amont de l’entrée 326, respectivement l’entrée interne 326A et l’entrée externe 326B, du tube 320, respectivement du tube interne 320A et du tube externe 320B, de la conduite de gaz 32 de l’échangeur thermique 30 est ouverte pendant laquelle le gaz haute-pression HP subi une première phase de détente,
- une étape d’admission de gaz, au cours de laquelle le gaz en tout ou partie détendu est admis dans chaque canal haute-pression 322 du tube 320, respectivement du tube interne 320A et du tube externe 320B, de la conduite de gaz 32 par l’entrée 326, respectivement l’entrée interne 326A et l’entrée externe 326B,
- une étape de circulation de gaz, au cours de laquelle le gaz circule dans chaque canal haute-pression 322 du tube 320, respectivement du tube interne 320A et du tube externe 320B, jusqu’à la sortie 328, respectivement la sortie interne 328A et la sorite externe 328B, pendant laquelle le gaz subi une deuxième phase de détente entraînant un refroidissement progressif,
- une étape d’éjection du gaz, au cours de laquelle le gaz est éjecté par la sortie 328, respectivement la sortie interne 328A et la sortie externe 328B, dans la chambre de refroidissement 220 de l’enveloppe 20 de sorte que, à la sortie 328, respectivement la sortie interne 328A et la sortie externe 328B, le gaz subit une dernière phase de détente et devient un gaz basse-pression BP froid,
- une étape d’admission de gaz BP, au cours de laquelle le gaz basse-pression BP est admis dans chaque canal basse-pression 324 du tube 320 de la conduite de gaz 32 par la sortie 328, respectivement la sortie interne 328A et la sortie externe 328B,
- une étape de circulation du gaz BP, au cours de laquelle le gaz basse- pression BP circule jusqu’à l’entrée 326, respectivement l’entrée interne 326A et l’entrée externe 326B, pendant laquelle le gaz basse-pression BP de chaque canal basse-pression 324 échange de l’énergie thermique avec le gaz circulant dans chaque canal haute-pression 322 pour le refroidir, et
- une évacuation du gaz BP, au cours de laquelle le gaz basse-pression BP du refroidisseur du type Joule-Thomson 10 est évacué, en l’occurrence dans l’atmosphère ambiante en aval de l’entrée 326, respectivement l’entrée interne 326A et l’entrée externe 326B.
[00103] La figure 9A est une représentation schématique partielle en coupe d’un deuxième mode de réalisation de la conduite de gaz de la figure 4 et une vue en coupe partielle selon un plan de coupe B-B de la conduite de gaz de la figure 9A.
[00104] Selon un deuxième mode de réalisation de l’invention, le refroidisseur du type Joule-Thomson 10 peut comprendre :
- une enveloppe 20 identique à celle du refroidisseur du type Joule-Thomson 10 selon l’état de la technique, tel que représenté à la figure 1 , ou
- une enveloppe 20 telle que représentée sur la figure 4 et une conduite de gaz 32 telle que représentée aux figures 9A et 9B.
[00105] Selon le deuxième mode de réalisation, le tube 320 de la conduite de gaz 32 comprend uniquement un canal haute-pression 322 et des ailettes 330 longitudinales s’étendant respectivement depuis la surface externe 321 du tube 320. Les ailettes 330 sont disposées selon la longueur du tube 320.
[00106] Plus particulièrement, les ailettes 330 s’étendent chacune longitudinalement et parallèlement au centre longitudinal O de la deuxième portion semi-circulaire 321 B de la surface extérieure 321 du tube 320. [00107] Un tel agencement des ailettes 330 permet de minimiser, par rapport à un échangeur thermique équipé d’une conduite de gaz et d’aillettes selon l’état de la technique, le pas « p » du tube 320, c’est-à-dire le diamètre du tube 320, en obtenant des portions longitudinales de la surface extérieure 321 contiguës en contact les unes avec les autres.
[00108] Un tel agencement permet d’obtenir une conduite de gaz 32 plus longue par rapport à une conduite de gaz 32 selon l’état de la technique comprenant des ailettes 330 radiales.
[00109] Le fonctionnement du refroidisseur du type Joule-Thomson 10 selon le deuxième mode de réalisation est sensiblement identique au fonctionnement du refroidisseur du type Joule-Thomson 10 de l’état de la technique tel que décrit précédent, à l’exception du fait que le gaz basse-pression BP circule le long d’un espace formé entre les ailettes 330 longitudinales léchant ainsi les ailettes 330 longitudinales et la deuxième portion circonférentielle 321 B de la surface externe 321 du tube 320 entre deux ailettes 330 longitudinales.
[00110] En particulier, dans le cas d’une enveloppe 20 selon la figure 4, un espace formé entre deux ailettes 330 forme un canal hélicoïdal fermé avec la paroi d’étanchéité 216 dans lequel circule le gaz basse-pression BP permettant ainsi un meilleur refroidissement du gaz circulant dans le canal haute-pression 322.
[00111] Un procédé de fabrication d’un échangeur thermique 30 selon l’invention comprend une étape de fabrication de la conduite de gaz 32 comportant au moins :
- une étape de formation, au cours de laquelle la conduite de gaz 32 est formée par extrusion d’un matériau composé de métal et de céramique, et
- une étape d’enroulement, au cours de laquelle la conduite de gaz 32 est enroulé, notamment de manière hélicoïdale, autour du corps principal 310 de l’échangeur thermique 30.
[00112] Selon une première variante du procédé de fabrication, l’étape de formation et l’étape d’d’enroulement de la conduite de gaz 32 sont réalisées simultanément par une buse d’extrusion mobile tournant autour du corps principal 310 de l’échangeur thermique 30.
[00113] Alternativement ou en complément, l’étape de formation et l’étape d’enroulement sont réalisées simultanément à une étape de mise en rotation du tube 320. De cette façon, il est possible d’augmenter la longueur des canaux basse- pression 324 et/ou des canal haute-pression 322 agencés en périphérie du tube 320, maximisant ainsi le transfert thermique entre le gaz circulant ndas les canaux basse- pression 324 et le gaz circulant les canal haute-pression 322.
[00114] Selon une deuxième variante du procédé de fabrication, l’étape d’enroulement de la conduite de gaz 32 est réalisée après l’étape de formation de la conduite de gaz 32 par la mise en forme de la conduite de gaz 32 autour du corps principal 310. En particulier, l’étape d’enroulement peut être réalisée à chaud.
[00115] L’étape de formation de la conduite de gaz 32 selon le premier mode de réalisation consiste à former le tube 320, les canaux haute-pression 322, les canaux basse-pression 324 et les parois inter-canaux 323.
[00116] L’étape de formation de la conduite de gaz 32 selon le deuxième mode de réalisation consiste à former le tube 320 et les ailettes 330.
[00117] Un échangeur thermique 30 selon l’invention permet, grâce à l’utilisation d’un matériau composé de métal et de céramique pour la fabrication de la conduite de gaz 32, respectivement la conduite de gaz interne 32A et la conduite de gaz externe 32B, de minimiser la quantité d’énergie thermique transmise entre l’entrée 326, respectivement l’entrée interne 326A et l’entrée externe 326B, et la sortie 328, respectivement la sortie interne 328A et la sortie externe 328B, de la conduite de gaz 32, respectivement la conduite de gaz interne 32A et la conduite de gaz externe 32B, tout en maintenant de bonnes capacités d’échanges thermiques de la conduite de gaz entre la gaz basse-pression BP froid et le gaz haute-pression HP.
[00118] De plus, l’utilisation d’un tel matériau permet de simplifier le procédé de fabrication en réduisant le nombre d’étapes de fabrication et ainsi de réduire le coût de fabrication de l’échangeur thermique 30 selon l’invention.
[00119] Dans la présentation détaillée de l’invention qui est faite précédemment, les termes utilisés ne doivent pas être considérés comme limitant l’invention aux modes de réalisation exposés dans la description qui vient d’être exposée, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué.
[00120] Bien évidemment, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits précédemment et fournis uniquement à titre d'exemple. Elle englobe diverses modifications, formes alternatives et autres variantes que pourra envisager l'homme du métier dans le cadre de la présente invention et notamment toutes combinaisons des différents modes de fonctionnement décrits précédemment, pouvant être pris séparément ou en association.

Claims

REVENDICATIONS
[Revendication 1] Echangeur thermique (30) de refroidisseur (10) du type Joule-Thomson comprenant un corps principal (310), et au moins une conduite de gaz (32, 32A, 32B) entourant le corps principal (310), en particulier de manière hélicoïdale ; caractérisé en ce que la conduite de gaz (32, 32A, 32B) est dans un matériau composé de céramique et de métal.
[Revendication 2] Echangeur thermique (30) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la conduite de gaz (32, 32A, 32B) comprend un tube (320) comportant au moins un canal haute-pression (322) et au moins un canal basse-pression (324), le canal haute-pression (322) et/ou le canal basse- pression (324) s’étendant notamment selon toute la longueur du tube (320).
[Revendication 3] Echangeur thermique (30) selon la revendication 2, caractérisé en ce que le tube (320) présente un volume global de canal haute- pression (322) inférieur à un volume global de canal basse-pression (324).
[Revendication 4] Echangeur thermique (30) selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le tube (320) présente un centre longitudinal O, en particulier de forme hélicoïdale, et en ce que :
- le canal haute-pression (322) est de centre longitudinal O, et
- le canal basse-pression (324) est réparti autour du canal haute-pression (322).
[Revendication 5] Echangeur thermique (30) selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le tube (320) présente un centre longitudinal O, en particulier de forme hélicoïdale, et en ce que :
- le canal basse-pression (324) est de centre longitudinal O, et
- le canal haute-pression (322) est réparti autour du canal basse-pression (324).
[Revendication 6] Echangeur thermique (30) selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la conduite de gaz (32) comprend :
- un tube (320) comportant une surface externe (321 ), et des ailettes (330) s’étendant longitudinalement depuis une surface externe (321 ) du tube (320), notamment selon toute la longueur du tube (320).
[Revendication 7] Echangeur thermique (30) selon la revendication 6, caractérisé en ce que :
- la surface externe (321 ) du tube (320) comprend une première portion semi-circulaire (321 A), agencée en regard du corps principal (310) de l’échangeur thermique (30), et une deuxième portion semi-circulaire (321 B),
- et en ce que les ailettes (330) s’étendent depuis la deuxième portion semi-circulaire (321 B).
[Revendication 8] Refroidisseur du type Joule-Thomson (10) comprenant :
- un échangeur thermique (30) selon l’une quelconque des revendications précédentes, et
- une enveloppe (20), dans laquelle est logé l’échangeur thermique (30).
[Revendication 9] Refroidisseur Joule-Thomson (10) selon la revendication 8, caractérisé en ce que l’enveloppe (20) comprend une paroi de contact (200) comportant une surface externe (202), apte à recevoir un élément à refroidir (40).
[Revendication 10] Refroidisseur Joule-Thomson selon la revendication 9, caractérisé en ce que l’enveloppe (20) comprend une paroi d’étanchéité (216) s’étendant de la paroi de contact (200) jusqu’à l’échangeur thermique (30).
[Revendication 11] Refroidisseur Joule-Thomson selon la revendication 10, caractérisé en ce la paroi d’étanchéité (216) forme :
- une chambre de refroidissement (220) s’étendant entre la paroi de contact (200) de l’enveloppe (20) et une paroi d’extrémité (312) du corps principal (310) de l’échangeur thermique (30), et
- optionnellement, une zone sous-vide (222) s’étendant entre l’enveloppe (20) et la conduite de gaz (32, 32A, 32B).
[Revendication 12] Procédé de fabrication d’un échangeur thermique (30) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu’il comprend au moins une étape de fabrication de la conduite de gaz (32, 32A, 32B) comportant au moins : - une étape de formation, au cours de laquelle la conduite de gaz (32, 32A,
32B) est formée par extrusion, et
- une étape d’enroulement, au cours de laquelle la conduite de gaz (32) est enroulé, notamment de manière hélicoïdale.
[Revendication 13] Procédé de fabrication selon la revendication 12, caractérisé en ce que l’étape de formation et l’étape d’enroulement de la conduite de gaz (32) sont réalisées simultanément par une buse d’extrusion mobile tournant autour du corps principal (310) de l’échangeur thermique (30).
[Revendication 14] Procédé de fabrication selon la revendication 12 ou 13 en combinaison avec la revendication 2, caractérisé en ce que l’étape de formation et l’étape d’enroulement de la conduite de gaz (32) sont réalisées simultanément à une étape de mise en rotation du tube (320).
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