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.