EP1842013B1 - Installation de refroidissement cryogenique pour dispositif supraconducteur - Google Patents

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EP1842013B1
EP1842013B1 EP06709162A EP06709162A EP1842013B1 EP 1842013 B1 EP1842013 B1 EP 1842013B1 EP 06709162 A EP06709162 A EP 06709162A EP 06709162 A EP06709162 A EP 06709162A EP 1842013 B1 EP1842013 B1 EP 1842013B1
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tank
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liquid
auxiliary
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Bruno Vullierme
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
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    • F25B19/005—Machines, plants or systems, using evaporation of a refrigerant but without recovery of the vapour the refrigerant being a liquefied gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • F25D3/10—Devices using other cold materials; Devices using cold-storage bodies using liquefied gases, e.g. liquid air
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25B2700/00—Sensing or detecting of parameters; Sensors therefor
    • F25B2700/04—Refrigerant level
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/04—Cooling

Definitions

  • the present invention relates generally to the field of cryogenic cooling installations of superconducting devices and more particularly to an installation according to the preamble of claim 1.
  • Such an installation is for example known from the document US-A-4,689,439 .
  • FIG. figure 1 of the attached drawing A conventional arrangement of an installation contemplated by the invention is illustrated in FIG. figure 1 of the attached drawing.
  • a reservoir 1 contains a two-phase cryogenic fluid whose liquid phase 2 is surmounted by a vapor phase 3.
  • a superconducting device 4 is immersed in the liquid phase 2.
  • a cryogenic fluid supply conduit 5 is connected to the reservoir 1 and a control valve 6, incorporated in the supply duct 5, makes it possible to control the supply of cryogenic fluid into the tank 1.
  • An outlet manifold 7 is provided for the evacuation of the cryogenic fluid vaporized by the thermal loads of the system.
  • a level gauge 8 for example functionally associated with the control valve 6, to detect the level of filling of the tank 1 with cryogenic fluid in the liquid phase and controlling the control valve 6.
  • the thermal loads of the system are absorbed by partial vaporization of the cryogenic liquid, by acting on the latent heat of vaporization thereof.
  • the vaporized cryogenic fluid is discharged through the outlet manifold 7, while cryogenic fluid in the liquid state is supplied as required under the control of the level gauge 8 and the control valve 6 so that the device superconductor 2 remains permanently immersed.
  • cryogenic fluid in the liquid state in contact with which must be maintained the device disappears quickly and completely to both because of its vaporization due to the increase of the thermal load and due to its turbulent flow at high output in the outlet manifold.
  • the return to a cooling of the device and the recovery of a state of superconductivity requires that cryogenic fluid in the liquid state is fed again into the reservoir.
  • This new supply of liquid cryogenic fluid not only requires time, but above all requires a supply of fluid that is expensive.
  • the main purpose of the invention is to propose an improved arrangement for an installation of the type in question which makes it possible to ensure its correct and reliable operation in the presence of normal thermal conditions, but which, in the presence of abnormal thermal conditions, allows a re-immersion faster device and faster recovery of the state of superconductivity and also avoids the loss of liquid cryogenic fluid initially present in the tank and therefore allows a substantial saving in cryogenic fluid.
  • auxiliary reservoir In order for the auxiliary reservoir to be made in a relatively compact form, it is advantageous for it to be arranged substantially higher than the main reservoir, so that only a small amount of liquid cryogenic fluid is contained therein under conditions normal thermal.
  • means for detecting the level of the liquid cryogenic fluid are arranged in the auxiliary tank.
  • the restriction means comprise a restriction, or, in a more elaborate embodiment, that they comprise an externally controlled valve.
  • FIG. figure 1 the installation arranged in accordance with the invention incorporates the elements shown in FIG. figure 1 with further a second tank or auxiliary tank 9.
  • a hydrostatic connection duct 10 is interposed between the respective bottoms of the main and auxiliary tanks 9.
  • the cryogenic fluid supply duct 5, with its control valve 6, is connected to the auxiliary reservoir 9 and the level gauge 8 is installed in the auxiliary tank 9.
  • the auxiliary tank 9 is also equipped with an outlet manifold 7b, while the outlet manifold 7a of the main tank 1 is provided with restriction means 11. As illustrated in FIG. Figure 2A , the two collectors 7a and 7b can meet, downstream of the restriction means 11, into a single collector 7.
  • the auxiliary reservoir 9 is arranged with respect to the main reservoir 1 and is dimensioned so as to receive at least a large part of the cryogenic fluid present in liquid form in the main reservoir 1.
  • the auxiliary reservoir 9 is shifted upwards with respect to the main tank 1.
  • the volume of the auxiliary reservoir 9 is such that the liquid 12 that is present there is surmounted by a free volume (that is to say, containing vaporized cryogen) relatively large corresponding at least to the greater part of the liquid cryogen present in the main tank 1.
  • the hot device 4 which is no longer immersed at least for the most part in the cryogenic liquid, is thermally decoupled therefrom.
  • the cryogenic liquid is spared and it is not discharged to the outside and lost as is the case in conventional installations such as that of the figure 1 .
  • the pressure drop in the restriction means 11 also decreases and thus the difference in the liquid levels in the two tanks is reduced until it reaches a point where the transfer of liquid from the auxiliary tank 9 to the main tank 1 can recover.
  • the auxiliary tank 9 discharges by gravity into the main tank 1 to return to the normal situation shown in FIG. Figure 2A with the device 4 again completely immersed in the cryogenic liquid.
  • ⁇ h transition / ⁇ h normal 100, that is to say for example an increase in the difference of the liquid levels of 1 cm to 1 m which easily allows the superconducting device 4 to emerge out of the liquid and the liquid to be backplaced.
  • cryogenic fluid whether in the liquid phase or in the vapor phase, do not occur, so that the arrangements according to the invention can be implemented without limitation. It is sufficient only that the outlet manifold 7a and the restriction means 11 are appropriately sized according to the properties of the cryogenic fluid in its liquid and gaseous phases, and also as a function of the thermal loads provided during normal operation.
  • the restriction means 11 comprise a fixed restriction 14 inserted in the conduit 7a.
  • the restriction means 11 may comprise, in place of the aforementioned fixed restriction 14, an externally actuated valve 15 as illustrated in FIG. figure 3 .
  • Such an arrangement makes it possible in particular to increase the effectiveness of the liquid cryogen reflux and to control the restart of the transfer of the liquid cryogen to the main tank 1 and the resumption of cooling of the superconducting device 4.

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Description

  • La présente invention concerne d'une façon générale le domaine des installations de refroidissement cryogénique de dispositifs supraconducteurs et, plus précisément, elle concerne une installation selon le préambule de la revendication 1. Une telle installation est par example connue du document US-A-4 689 439 .
  • Un agencement classique d'une installation visée par l'invention est illustré à la figure 1 du dessin annexé. Un réservoir 1 renferme un fluide cryogène biphasique dont la phase liquide 2 est surmontée d'une phase vapeur 3. Un dispositif supraconducteur 4 est immergé dans la phase liquide 2. Un conduit 5 d'alimentation en fluide cryogène est raccordé au réservoir 1 et une vanne de commande 6, incorporée dans le conduit d'alimentation 5, permet de contrôler l'alimentation en fluide cryogène dans le réservoir 1. Un collecteur de sortie 7 est prévu pour l'évacuation du fluide cryogène vaporisé par les charges thermiques du système. Enfin, dans le réservoir 1 est prévue une jauge de niveau 8, par exemple fonctionnellement associée à la vanne de commande 6, pour détecter le niveau de remplissage du réservoir 1 avec du fluide cryogène en phase liquide et piloter la vanne de commande 6.
  • Les charges thermiques du système sont absorbées par vaporisation partielle du liquide cryogène, en jouant sur la chaleur latente de vaporisation de celui-ci. Le fluide cryogène vaporisé est évacué par le collecteur de sortie 7, tandis que du fluide cryogène à l'état liquide est alimenté en fonction des besoins sous la commande de la jauge de niveau 8 et de la vanne de commande 6 de manière que le dispositif supraconducteur 2 demeure immergé en permanence.
  • Toutefois, en présence d'une transition résistive du dispositif ou de toute autre perturbation thermique aboutissant à une forte et rapide augmentation de la charge thermique, le fluide cryogène à l'état liquide au contact duquel doit être maintenu le dispositif disparaît rapidement et complètement à la fois du fait de sa vaporisation due à l'accroissement de la charge thermique et du fait de son entraînement turbulent à grand débit dans le collecteur de sortie. Le retour à un refroidissement du dispositif et la recouvrance d'un état de supraconductivité nécessite que du fluide cryogène à l'état liquide soit à nouveau alimenté dans le réservoir. Cette nouvelle alimentation en fluide cryogénique liquide, non seulement nécessite du temps, mais surtout nécessite un apport de fluide qui se révèle coûteux.
  • L'invention a essentiellement pour but de proposer un agencement perfectionné pour une installation du type considéré qui permette d'assurer son fonctionnement correct et fiable en présence de conditions thermiques normales, mais qui, en présence de conditions thermiques anormales, permette une ré-immersion plus rapide du dispositif et une recouvrance plus rapide de l'état de supraconductivité et aussi évite la perte du fluide cryogène liquide initialement présent dans le réservoir et donc autorise une économie substantielle en fluide cryogène.
  • A ces fins, l'invention propose une installation telle que mentionnée au préambule qui se caractérise, étant agencée selon l'invention, en ce qu'elle comprend en outre :
    • un réservoir auxiliaire et
    • un conduit de raccordement hydrostatique interposé entre les fonds respectifs des réservoirs principal et auxiliaire,
    • ledit réservoir auxiliaire étant disposé par rapport au réservoir principal et étant dimensionné de manière à pouvoir recevoir au moins une grande partie du fluide cryogène présent sous forme liquide dans le réservoir principal,
    • le susdit conduit d'alimentation en fluide cryogène étant raccordé au réservoir auxiliaire,
    • un collecteur de sortie étant raccordé au réservoir auxiliaire,
    • des moyens de restriction étant incorporés dans le collecteur de sortie raccordé au réservoir principal.
  • Grâce à ces dispositions conformes à l'invention, en présence d'un échauffement rapide du dispositif supraconducteur, certes du fluide cryogène liquide est vaporisé, mais son refoulement dans le collecteur de sortie du réservoir principal est fortement freiné par les moyens de restriction. De ce fait la pression du fluide cryogène vaporisé augmente dans le réservoir et au moins une partie du fluide cryogène à l'état liquide présent dans le réservoir principal est refoulé, sous l'action de cette pression du fluide cryogène vaporisé, dans le réservoir auxiliaire. Ce fluide cryogène liquide présent dans le réservoir auxiliaire s'écoule à nouveau par gravité vers le réservoir principal lorsque la pression du fluide vaporisé diminue dans celui-ci.
  • Dans ces conditions, non seulement c'est le fluide cryogène refoulé qui est réintroduit dans le réservoir principal, mais en outre ce remplissage du réservoir principal intervient sans retard dès que la surcharge thermique a disparue et cela de façon automatique par simple gravité. La quantité de fluide cryogène qui a traversé les moyens de restriction au cours de ce processus et qui a disparue reste relativement faible et n'a rien de comparable avec le volume important de fluide, à la fois à l'état vaporisé et liquide, qui était évacué dans une installation classique dans les mêmes circonstances.
  • Pour que le réservoir auxiliaire puisse être réalisé sous une forme relativement compacte, il est avantageux qu'il soit disposé sensiblement plus haut que le réservoir principal, de sorte qu'au surplus seule une faible quantité de fluide cryogène liquide y est contenu dans des conditions thermiques normales.
  • De préférence alors, des moyens de détection du niveau du fluide cryogène liquide sont disposés dans le réservoir auxiliaire.
  • Selon le mode de fonctionnement requis pour cette installation, on peut prévoir que, de façon simple, les moyens de restriction comprennent une restriction, ou bien, dans une réalisation plus élaborée, qu'ils comprennent une vanne à commande externe.
  • L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit d'un mode de réalisation préféré donné uniquement à titre d'exemple non limitatif. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
    • la figure 1 est une vue schématique illustrant une installation classique visée par l'invention ;
    • la figure 2A est une vue schématique illustrant une installation du type de celle de la figure 1 perfectionnée conformément à l'invention, montrée dans des conditions thermiques normales ;
    • la figure 2B est une vue schématique illustrant l'installation de la figure 2A en présence d'une modification notable et rapide des conditions thermiques ; et
    • la figure 3 est une vue schématique analogue à celle de la figure 2A montrant une variante intéressante de réalisation de l'installation conforme à l'invention.
  • En se reportant maintenant tout d'abord à la figure 2A, l'installation agencée conformément à l'invention reprend les éléments montrés à la figure 1 avec en outre un second réservoir ou réservoir auxiliaire 9.
  • Un conduit de raccordement hydrostatique 10 est interposé entre les fonds respectifs des réservoirs principal 1 et auxiliaire 9. Le conduit 5 d'alimentation en fluide cryogène, avec sa vanne de commande 6, est raccordé au réservoir auxiliaire 9 et la jauge de niveau 8 est installée dans le réservoir auxiliaire 9.
  • Le réservoir auxiliaire 9 est également équipé d'un collecteur de sortie 7b, tandis que le collecteur de sortie 7a du réservoir principal 1 est pourvu de moyens de restriction 11. Comme illustré à la figure 2A, les deux collecteurs 7a et 7b peuvent se rejoindre, en aval des moyens de restriction 11, en un collecteur unique 7.
  • Le réservoir auxiliaire 9 est disposé par rapport au réservoir principal 1 et est dimensionné de manière à pouvoir recevoir au moins une grande partie du fluide cryogène présent sous forme liquide dans le réservoir principal 1. Le réservoir auxiliaire 9 est décalé vers le haut par rapport au réservoir principal 1.
  • En fonctionnement normal, comme montré à la figure 2A, le fluide cryogène sous forme liquide est reçu dans le réservoir auxiliaire 9 et les pertes gazeuses de transfert sont évacuées directement par le collecteur 7b. Ainsi, seul du cryogène à l'état purement liquide est délivré par gravité au réservoir principal 1 par l'intermédiaire du conduit de liaison 10 largement dimensionné, avec une chute de pression négligeable. Le débit-masse de cryogène vaporisé mnormal engendré dans le liquide cryogène 2 par une charge thermique en fonctionnement normal est évacué par le collecteur 7a à travers les moyens de restriction 11. Ceux-ci sont dimensionnés de manière à autoriser l'écoulement normal du cryogène gazeux avec une faible chute de pression Δpnormal qui entraîne, du fait de l'équilibre hydrostatique régnant entre les deux réservoirs 1 et 9, un écart de niveau Δhnormal entre les niveaux de liquide dans respectivement les deux réservoirs auxiliaire 9 et principal 1.
  • Le volume du réservoir auxiliaire 9 est tel que le liquide 12 qui y est présent est surmonté d'un volume 13 libre (c'est-à-dire contenant du cryogène vaporisé) relativement important correspondant au moins à la plus grande partie du cryogène liquide présent dans le réservoir principal 1.
  • Dans le cas d'une transition résistive du dispositif 4 ou de tout autre perturbation thermique aboutissant à un accroissement important et rapide de la charge thermique, le liquide cryogène dans le réservoir 1 se vaporise en un débit-masse très supérieur à ce qu'il est en fonctionnement normal : mtransition>>mnormal. Il en résulte, en raison de la présence des moyens de restriction 11 dans le collecteur de sortie 7a qui freinent l'écoulement du cryogène vaporisé, une importante augmentation de la chute de pression Δptransition. En raison de l'accroissement de la pression du cryogène vaporisé dans le réservoir principal 1 et de l'équilibre hydrostatique entre les deux réservoirs, il en résulte un refoulement rapide du cryogène liquide restant du réservoir principal 1 dans le réservoir auxiliaire 9, comme illustré à la figure 2B. Ainsi, le dispositif 4 chaud, qui n'est plus immergé au moins pour sa plus grande partie dans le liquide cryogène, est découplé thermiquement de celui-ci. De par son reflux du réservoir principal vers le réservoir auxiliaire, le liquide cryogène est épargné et il n'est pas déchargé vers l'extérieur et perdu comme cela est le cas dans les installations classiques telles que celle de la figure 1. Lorsque l'écoulement gazeux dans le collecteur 7a diminue, la chute de pression dans les moyens de restriction 11 diminue elle aussi et donc l'écart des niveaux de liquide dans les deux réservoirs se réduit jusqu'à ce qu'il parvienne à un point où le transfert de liquide depuis le réservoir auxiliaire 9 vers le réservoir principal 1 peut se rétablir. Alors le réservoir auxiliaire 9 se décharge par gravité dans le réservoir principal 1 pour revenir à la situation normale montrée à la figure 2A, avec le dispositif 4 à nouveau totalement immergé dans le liquide cryogène.
  • En supposant un écoulement gazeux turbulent dans le collecteur de sortie 7a et les moyens de restriction 11, on peut écrire : Δh ∼ Δp ∼ m 2
    Figure imgb0001
     et donc Δh transition / Δh normal = Δp transition - Δp normal = m transition / m normal 2
    Figure imgb0002
  • Pour fixer les idées, si l'on suppose un rapport mtransition/mnormal aussi faible que 10, alors Δhtransition/Δhnormal vaut 100, c'est-à-dire par exemple un accroissement de la différence des niveaux liquides de 1 cm à 1 m qui permet facilement au dispositif supraconducteur 4 d'émerger hors du liquide et au liquide d'être rétrodéplacé.
  • On soulignera également que la nature et les propriétés du fluide cryogène, qu'il soit en phase liquide ou en phase vapeur, n'interviennent pas, ce qui fait que les dispositions conformes à l'invention peuvent être mises en oeuvre sans limitation. Il suffit seulement que le collecteur de sortie 7a et les moyens de restriction 11 soient dimensionnés de façon appropriée en fonction des propriétés du fluide cryogène dans ses phases liquide et gazeuse, et en fonction aussi des charges thermiques prévues en fonctionnement normal.
  • Dans le mode de réalisation simple illustré aux figures 2A et 2B, les moyens de restriction 11 comprennent une restriction 14 fixe insérée dans le conduit 7a. Toutefois, d'autres agencements sont envisageables selon le mode de fonctionnement requis pour l'installation. Ainsi, les moyens de restriction 11 peuvent comprendre, en lieu et place de la simple restriction 14 fixe précitée, une vanne 15 à actionnement externe comme illustré à la figure 3. Un tel agencement permet notamment d'accroître l'efficacité du reflux du cryogène liquide et de commander le redémarrage du transfert du cryogène liquide vers le réservoir principal 1 et la reprise du refroidissement du dispositif supraconducteur 4.

Claims (5)

  1. Installation de refroidissement cryogénique pour dispositif supraconducteur, comprenant :
    - un réservoir principal (1) pour un fluide cryogène biphasique
    dans lequel est immergé un dispositif supraconducteur (4) à refroidir,
    - un conduit (5) d'alimentation en fluide cryogène fonctionnellement associé au réservoir (1) pour son alimentation en fluide cryogène,
    - des moyens (6) de commande d'alimentation en fluide cryogène disposés dans ledit conduit (5) d'alimentation, et
    - un réservoir auxiliaire (9),
    - ledit réservoir auxiliaire (9) étant disposé par rapport au réservoir principal (1) et étant dimensionné de manière à pouvoir recevoir au moins une grande partie du fluide cryogène présent sous forme liquide (2) dans le réservoir principal (1), - le susdit conduit (5) d'alimentation en fluide cryogène étant raccordé au réservoir auxiliaire (9).
    caractérisée en ce qu'elle comprend en outre :
    - un conduit (10) de raccordement hydrostatique interposé entre les fonds respectifs des réservoirs principal (1) et auxiliaire (9),
    - un collecteur de sortie (7a) raccordé audit réservoir principal (1),
    et
    - un collecteur de sortie (7b) raccordé au réservoir auxiliaire (9),
    - des moyens de restriction (11) étant incorporés dans le collecteur de sortie (7a) raccordé au réservoir principal (1),
    ce grâce à quoi, en présence d'un échauffement rapide du dispositif supraconducteur, du fluide cryogène à l'état liquide présent dans le réservoir principal est refoulé, sous l'action de la pression du fluide cryogène vaporisé, dans le réservoir auxiliaire d'où il s'écoule à nouveau par gravité vers le réservoir principal lorsque la pression du fluide vaporisé diminue.
  2. Installation selon la revendication 1, caractérisée en ce que le réservoir auxiliaire (9) est disposé sensiblement plus haut que le réservoir principal (1).
  3. Installation selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que des moyens (8) de détection du niveau du fluide cryogène liquide (12) sont disposés dans le réservoir auxiliaire (9).
  4. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens de restriction (11) comprennent une restriction (14).
  5. Installation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que les moyens de restriction (11) comprennent une vanne (15) à commande externe.
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