EP3217137A1 - Device for thermally cooling an object from a cold source such as a cryogenic fluid bath - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a device for thermal cooling of an object constituting a hot source, from a cold source such as a bath of cryogenic fluid.
- a known solution In order to obtain a stable cryogenic temperature, a known solution relies on the use of a saturation bath containing a saturated cryogenic fluid (for example helium), in liquid form, acting as a cold source.
- a saturated cryogenic fluid for example helium
- the temperature of the saturation bath is set by the nature of the fluid and its pressure. For a given pressure, the temperature of the cryogenic bath is fixed. From this saturation bath, an object can be cooled to a temperature close to that of the bath. For example, one can immerse the object in the bath, entirely or partially. The heat received by the object is evacuated by evaporation of the bath fluid.
- This solution is, however, not very flexible because it is limited to cooling at a temperature close to that of the bath, which is fixed by the nature of the fluid and its pressure.
- a first solution consists in placing a thermal resistance between the fluid bath (cold source) and the object to be cooled (hot source).
- the thermal resistance makes it possible to evacuate the heat of the object and to obtain a controlled temperature difference between the bath and the object to be cooled.
- this solution has the disadvantage of significantly increasing the cryogenic fluid consumption when one seeks to obtain a temperature which is away from that of the bath.
- a second solution is based on the use of a natural convection cell within which the gas density is varied to vary the thermal conductance. This solution is however not satisfactory because the variation in gas density is difficult to master, particularly in the vicinity of the critical and two-phase conditions of the exchange gas, and the behavior of the fluid is particularly unstable due to the natural convection phenomenon.
- thermo gas switches to establish or remove (or almost eliminate), at will, a thermal connection between two parts.
- the document WO2007 / 147981 describes an example of a gas thermal switch.
- the performance of such a thermal switch depends in particular on its cutoff ratio. This parameter corresponds to the ratio of the maximum thermal conductance of the switch (corresponding to the ON or "closed” position of the switch) on the minimum thermal conductance of the switch (corresponding to the OFF or "open” position of the switch. 'light switch).
- This type of switch comprising simple workpieces, is used for small refrigerating powers.
- the present invention improves the situation.
- the architecture of the cooling device of the invention is close to that of a thermal switch with an exchange gas, as described in the document US 2005/0230097 , adapted for heat exchanges of low power typically between 0.01 W and 0.3 W. It differs in particular in that it comprises wedges positioning or centering fins. The presence of these wedges degrades the cutoff ratio of the device. Their use is therefore a priori not desirable within such a device.
- the structure of a standard thermal switch is modified by adding wedges positioning or centering fins, which increases the size of the device and divert the use to ensure the thermal cooling of an object with a higher exchanged thermal power level, up to several watts.
- the cooling device comprises an element for adjusting the heat exchange gas pressure in the enclosure or a pump for introducing and extracting heat exchange gas into the enclosure, for varying the thermal conductance of said cooling device, by varying the internal pressure of the gas in the enclosure.
- the cooling device of the invention makes it possible to regulate in temperature the object to be cooled (that is to say to maintain the temperature of this object equal or substantially equal to a desired set temperature) from a cold source at a fixed temperature.
- the wedges are made of a plastic material.
- the material is advantageously a thermal insulator. This limits the thermal bridge effect between fins adjacent wedges.
- the shims have a coefficient of linear thermal expansion greater than that of the fins. Thanks to this, the wedges contract more than the fins during thermal cooling, which avoids a mechanical degradation of the wedges under the action of compression of the fins during temperature changes.
- each fin comprises a free fixing end of reduced thickness intended to be introduced into a fixing groove in the wedge carried by said fin. Thanks to this, the wedges can be fixed to the fins by simple interlocking or sliding.
- each wedge comprises three external bearing faces, including two lateral faces and a bottom face, in contact with walls delimiting the interstitial space in which said wedge is inserted and in that each lateral face of support of the wedge is connected to the bearing bottom face of the wedge by an oblique face which is not in contact with said walls. Thanks to this, it limits the heat exchange surface between the wedge carried by a fin and the or neighboring fins.
- the distance between two adjacent fins, respectively connected to the first heat exchange element and the second heat exchange element is less than or equal to 0.5 mm, advantageously less than or equal to 0.3 mm, advantageously still equal to 0.1 mm.
- the reduced distance between neighboring fins suppresses natural convection and allows the exchange between the fins 3 and 5 only by gas conduction. This is improved by reducing the distance (inversely proportional). Due to this small gap between the neighboring fins, it is necessary to avoid any deformation of the fins. Indeed, the deformation of a fin It could cause a direct mechanical contact of the latter with a neighboring fin, which would have the effect of considerably impairing the proper functioning of the cooling device.
- the wedges make it possible to avoid such deformations by mechanically holding the fins in position.
- the first heat exchange element is thermally connected to heat exchange fins intended to be immersed in the cold source. With these fins, the heat transfer between the cold source and the first heat exchange element is improved.
- the pump is an adsorption pump containing an adsorbent, a heating module and a thermal connection element to said cold source, intended to evacuate heat.
- the cold source is also used by the pump to adjust its internal temperature.
- the cooling device may comprise a saturated cryogenic fluid bath, acting as a cold source, said fluid comprising one of the elements of the group comprising helium, hydrogen, neon, nitrogen, oxygen and argon.
- the enclosure carries a welding lip to a sealing lip ring.
- welding lips makes it possible to limit the rise in temperature of the shims during the assembly of the various elements of the cooling device.
- the length of the wedge carried by a fin is less than the width of said fin.
- each fin carries at least two shims.
- the thermal cooling device of the invention has the function of cooling an object, the latter constituting a hot source, from a cold source, for example a bath of cryogenic fluid.
- the cold source 1 is here a bath of cryogenic fluid. It has a fixed temperature. In the particular embodiment described here, the bath contains saturation liquid helium at a temperature equal to or close to 4.5 K (ie - 269 ° C).
- the cryogenic fluid could alternatively be hydrogen, neon, nitrogen, oxygen, argon or the like.
- the heat exchange element 2 with the cold source 1 and the heat exchange element 4 with the object to be cooled 200 are thermal conducting elements. They are made of a material constituting a good thermal conductor, for example copper, and here have a disc shape.
- the element 2 of heat exchange with the cold source 1 is thermally connected to the cold source 1 here constituted by the cryogenic fluid bath 1.
- the cryogenic fluid here by immersion of the one of the faces of the thermal conductive disk, called the "submerged face" 20, in the cryogenic fluid bath 1.
- the submerged face 20 of the conductive element 2 can be extended longitudinally by third heat exchange fins 9 disposed at the bottom interior of the bath 1, as shown in figure 2 . These fins 9 heat exchange with the bath 1 can improve the heat transfer between the bath 1 and the heat exchange element 2.
- the other side (or side) 21 of the heat exchange element 2, opposite to the immersed face 20, is extended longitudinally by the first heat exchange fins 3. These are confined in the internal chamber of the tube exchanger 6. Thereafter, the term “cold fins” will be called the first fins 3 because they are thermally connected to the cold source 1.
- the assembly comprising the first heat exchange element 2, the first heat exchange fins 3 and the third heat exchange fins 9 form here a single piece. It is machined from a cylinder full of a good thermal conductor material, here copper. To obtain the fins 3 and 9, grooves are machined in planes parallel to each other and to the longitudinal axis of the cylinder. Each fin 3 or 9 thus extends in a plane parallel to the longitudinal axis and has the shape of a partial longitudinal slice of cylinder.
- the conductive disc 2 carries ten first fins 3 and five third fins 9.
- the conductive disc 2 and the cylindrical envelope of the third fins 9 have a diameter which is slightly smaller than the internal diameter of the exchanger tube 6.
- the first fins 3 have a cylindrical casing of diameter equal to or substantially equal to that of the internal diameter of the exchanger tube 6.
- the heat exchange element 4 is extended longitudinally by the second fins 5. These are also confined in the internal chamber of the exchanger tube 6. Thereafter, the second fins will be called “hot fins”. because they are thermally connected to the object to be cooled 200.
- the heat exchange element 4 and the hot fins 5 form here a single piece. This is made from a solid cylinder made of a good thermal conductor material, in this case copper.
- the hot fins 5 may be formed by machining grooves in the copper cylinder in planes parallel to each other and to the longitudinal axis of the cylinder. Each fin 5 thus extends in a plane parallel to the longitudinal axis and has the shape of a partial longitudinal portion of the cylinder.
- the conductive disc 4 carries eleven second fins 5.
- the diameter of the conductive disc 4 is greater than the internal diameter of the exchanger tube 6.
- the fins 5 have a cylinder-shaped envelope of diameter equal to or substantially equal to that of the internal diameter of the tube exchanger 6.
- the first and second fins 3 and 5 have a height (in the longitudinal direction) of about 160 mm and a thickness (perpendicular to the plane of the fin) of 2 , 5 mm.
- the interstitial space, or gap, separating two adjacent fins 3 (or 5) integral with the same heat exchange element 2 (or 4) is here 2.7 mm.
- the width of a fin (in the direction perpendicular to the longitudinal direction in the plane of the fin) is less than or equal to the diameter of the disc 2 (or the internal diameter of the exchanger tube 6), here equal to 55.5 mm, and varies according to its position: the fins or fins disposed near or on the longitudinal axis of the cylinder are wider than those disposed at the outer periphery.
- the fins 3 could have other dimensions, including a thickness of between 1 and 10 mm, a height of between 10 and 500 mm and a maximum width of between 10 and 200 mm.
- the machining of the fins 3, 5 and 9 can be performed by electroerosion.
- the enclosure 6 is sealed. It comprises a wall here cylindrical which forms a tube of longitudinal axis AX, enclosing a receiving chamber of the first "cold” fins 3 and second "hot” fins 5. Thereafter, this tube will be called “heat exchanger tube” or “exchanger tube” because its internal chamber is the heat exchange seat between the first fins 3 "cold” and the second fins 5 "hot”, interposed between them, as will be explained later.
- This exchanger tube 6 is for example stainless steel. Stainless steel has several advantages: it can be soldered easily, especially with copper, and has a low thermal conduction, which limits the thermal conduction in the OFF position. The stainless steel heat exchanger tube 6 thus advantageously has a low thermal conductivity.
- the exchanger tube 6 has a diameter less than or equal to 70 mm, advantageously less than or equal to 65 mm, advantageously still equal to 60 mm and advantageously still greater than or equal to 20 mm.
- the diameter of the tube depends on the power to be exchanged.
- the first heat exchange element 2 is disposed at one end of the tube 6. It is here inserted inside the tube 6 and secured thereto by means of a sealing ring 13. welding lip.
- the second heat exchange element 4 is disposed at the other end of the tube 6, opposite to that receiving the first heat exchange element 2. Its diameter is here greater than the external diameter of the tube 6 and it is abutted against this other end of the tube 6 by means of another sealing ring 16 to welding lip, as will be explained later.
- the first fins 3, thermally connected to the first element 2 of heat exchange with the cold source 1, and the second fins 5, thermally connected to the second element 4 of heat exchange with the object to be cooled 200, are arranged at the inside the exchanger tube 6, or the enclosure. They are interposed between them and without direct mechanical contact between them.
- Each cold fin 3 is inserted into an interstitial space separating two adjacent hot fins 5 or a hot fin 5 and the inner face of the exchanger tube 6.
- each hot fin 5 is inserted into an interstitial space separating two cold fins 3 adjacent or cold fin 3 and the inner face of the exchanger tube 6.
- the clearance or gap formed between two adjacent fins, respectively cold 3 and hot 5 is 0.1 mm.
- the gap between each of the two peripheral fins (here hot fins 5), and the inner face of the exchanger tube 6 is of the order of 0.1 mm.
- each fin 3 (or 5) opposite to that integral with the associated heat exchange element 2 (or 4), carries at least one positioning wedge 8 adapted to position, here center, this fin 3 (or 5) in the interstitial space in which it is inserted.
- the wedge 8 carried by the fin 3 (or 5) makes it possible to ensure the centering of this fin in the interstitial space in which it is received and to avoid any deformation of the fin, thanks to a forced holding in the center interstitial space.
- the shims 8 are made of another thermally insulating material, having a low thermal conductivity, advantageously less than or equal to 0.2 Wm -1 .K -1 or less than 0.3 Wm -1 .K -1 .
- they are about plastic, in particular polyimide plastic. They are preferably not metal or metal alloy.
- the constituent material of the shims 8 advantageously has a coefficient of linear thermal expansion greater than that of the material constituting the fins 3, 5 (in this case copper). As a result, the thermal contraction of the wedges 8 is greater than that of the fins 3, 5, which makes it possible to prevent damage to the wedges by the fins when they contract under the effect of cooling.
- FIG 5 schematically shows a wedge 8, according to a particular embodiment, in cross section.
- the shim 8 intended to be carried by a fin 3 (or 5) comprises three outer bearing faces 80-82: two lateral faces 80, 81 and a bottom face 82.
- the shim 8 carried by a fin 3 (or 5) is inserted in an interstitial space between two fins 3, 5 or between a fin 5 and the wall of the exchanger tube 6, the two lateral faces 80, 81 of the shim 8 are in contact with the lateral walls delimiting the interstitial space and the bottom surface 82 is in contact with the heat exchange element 4 (or 2) forming the bottom of the interstitial space.
- Each lateral bearing face 80, 81 of the wedge 8 is connected to the bearing base face 82 by an oblique face 83, 84 which is not in contact with the walls delimiting the interstitial space. Thanks to this, the heat exchange surface is reduced between the shim 8 and the neighboring elements (fin 3 or 5, heat exchange element 2 or 4 or exchanger tube 6), which contributes to limiting the effect of " thermal bridge "(that is to say thermal transfer) wedges 8.
- the thickness of the bottom of the shim is chosen so as to ensure a desired spacing of the fins 3 (or 5) relative to the element d heat exchange 4 (or 2) to limit the heat exchange between these fins 3 (or 5) and the heat exchange element 4 (or 2) and thus further reduce the effect of "thermal bridge" shims 8.
- This bottom thickness is advantageously between 1 and 10 mm.
- each wedge is in permanent contact (without play) with the side walls of the interstitial space in which it is located. More preferably, each shim is also in permanent contact (without play) with the fin on which it is mounted or fixed. These different contacts can be more or less prestressed. Thus, the fin can not move laterally except to compress the material forming the wedge.
- each wedge is in permanent contact (without play) with the bottom of the interstitial space in which it is located. More preferably, each shim is also in permanent contact (without play) with the end face of the fin on which it is mounted or fixed. Thus, the fin can not move axially towards the bottom of the interstitial space except compressing the material forming the wedge.
- Each wedge thus makes it possible to immobilize a fin at least laterally, that is to say perpendicularly to the main faces of the fin or horizontally in the planes of the fins.
- FIGS 2 , 4A and 4B Each wedge can also make it possible to immobilize a fin at least axially, that is to say parallel to the main faces of the fin or vertically in the planes of the fins. figures 2 , 4A and 4B .
- the mounting situation in contact or prestressed between the shims and the fins is found at room temperature, for example at 20 ° C. Indeed, during cooling, the differential contraction between the materials of the wedges and fins contributes to reducing the contacts between the wedges and the fins, or even ideally to remove them.
- Each fin 3 (or 5) may carry at its free end, opposite to that integral with the associated heat exchange element 2 (or 4), one or more positioning wedges, or centering, 8.
- the length of the shim 8 that is to say its dimension according to the direction perpendicular to the axis AX in the plane of the fin, is equal to the width of the fin or less than it.
- the different shims carried by a fin are spaced from each other and preferably distributed uniformly along the fin so as to ensure a good mechanical support of the fin.
- each fin 3, 5 carries two shims.
- Fixing wedges 8 to the fins 3 (or 5) can be made by interlocking a projecting part of one of the two elements (wedge or fin) in a recessed portion formed in the other element (fin or wedge) .
- each fin 3 (or 5) comprises a fixing free end, of reduced thickness, intended to be introduced into an attachment groove 85 formed in the shim 8.
- the groove 85 has a shape complementary to that of the fixing end of the fin and here has a U-shaped cross section.
- the depth of the groove 85 is advantageously between 1 and 10 mm.
- the width of the groove 85 is advantageously between 1 and 10 mm.
- the wedges 8 have a symmetry with respect to a median plane which extends here in the middle of the groove 85 perpendicular to the plane of the figure 5 . In addition, they have a width, orthogonal to this plane of symmetry, which is equal to the width of the interstitial space between two adjacent fins 3 and 5 (here 2.7 mm). This symmetry makes it possible to ensure the centering of the fin in the interstitial space in which it is inserted.
- a shim generally has a parallelepipedal shape of which two parallel edges are chamfered (between the faces 81 and 82 and between the faces 80 and 82). The chamfers form the oblique faces 83 and 84.
- the parallelepipedal shape also has the groove 85 or groove 85. This groove is intended to be fixed, for example by interlocking on one end of a fin, in particular to be fixed by example by interlocking on a tongue 86 formed at one end of a fin.
- the shims are used to relatively position the fins and avoid their contacts which could be related to a release of the constraints in the fins and thus to the deformation of the fins (following their machining).
- the exchanger tube 6 is closed by the first heat exchange element 2, at one of its ends, and by the second heat exchange element 4, at its other end. It contains a confined internal heat exchange chamber which contains the first fins 3 and the second fins 5. This heat exchange chamber is sealed, as will be explained later. It contains a heat exchange gas 7 at a desired internal pressure.
- This heat exchange gas is one of those previously mentioned for the bath 1 of cryogenic fluid (hydrogen, neon, nitrogen, oxygen, argon or other). Generally, the heat exchange gas used is the same as that of the bath 1 constituting the cold source.
- the assembly comprising the tube (or enclosure) 6, the heat exchange elements 2 and 4, the first and second heat exchange fins 3, 5 and the heat exchange gas 7 allows a transfer of heat between the source 1 and the object to be cooled 200.
- This device has a certain thermal conductance which depends in particular on the internal pressure of the gas 7 in the chamber 6. By varying this pressure, the thermal conductance of the device can be varied. 'invention.
- the cooling device 100 comprises an element for adjusting the heat exchange gas pressure in the enclosure, for example here a pump 10 for introducing and extracting heat exchange gas 7 in the internal chamber of the chamber 6.
- the pressure variation of the heat exchange gas in the chamber makes it possible to obtain a variation of the thermal conductance and thus makes it possible to regulate the temperature of the second heat exchange element 4 that is to say to maintain this temperature equal to or substantially equal to a desired value, regardless of the temperature variations of the object to be cooled, from the cold source (here bath 1) at a fixed temperature .
- the pump 10 here uses the cryogenic fluid bath 1 as a cold source. It is connected to the bath 1 by a calibrated braid acting as thermal resistance.
- the control module controls the operation of the thermal resistance to adjust the internal temperature of the pump 10 and therefore the temperature of the adsorbent.
- the adsorbent here comprises grains of activated carbon, for example carbonized coconut (activated carbon), housed in an internal chamber of the pump 10.
- gas atoms 7 stick to the surface of the grains of carbon. coal forming layers.
- the number of layers of exchange gas atoms bonded to the grains of coal depends on the temperature of the grains, in other words on the internal temperature of the pump 10. By varying this internal temperature, using the heating module, the control module can modulate the amount of gas trapped by the pump 10 and thus vary the internal pressure of the gas 7 in the chamber 6.
- the inner chamber of the tube 6 is connected to a filling tube or capillary 12A, via a barrel 12B. Initially, heat exchange gas 7 is introduced into the chamber from an external gas supply (not shown) by the filling capillary.
- the internal chamber of the tube 6 is also connected to a capillary or tube 11 for connection to the pump 10.
- the pump 10 is thus mounted on the exchanger tube 6, advantageously close to the adjacent end of the cryogenic bath 1. Two openings of receiving the capillary 11 and the barrel 12B are formed in the wall of the tube 6.
- the heat exchange gas pressure adjusting element in the chamber enables the thermal conductance of the thermal cooling device to be adjusted and controlled actively and at will.
- the thermal conductance of the thermal cooling device can be set to a given value independently of other physical parameters, in particular regardless of the temperature of the cold source and / or the temperature of the object to be cooled.
- the first heat exchange element 2 is assembled to the exchanger tube 6 via the ring 13.
- the ring 13 is a flap or lip ring.
- the end of the ring 13 carrying the flap (or the lip) is introduced into the end portion of the tube 6 and mounted around the heat exchange disk 2.
- the ring 13 is here fixed to the exchange element 2 by soldering and the tube 6 by TIG welding at the lip (or flap).
- the ring 13 protrudes out of the tube 6. It is secured, at its other end (opposite to that carrying the flap or the lip), to another ring 14 for adaptation to a reservoir containing the bath 1 of cryogenic fluid (no represented on the Figures 3A and 3B ), here by TIG welding.
- the adaptation ring 14 is secured here by TIG welding, to a flange 15 for connection to the tank of the bath 1.
- This connecting flange 15 is intended to be fixed, by means of a seal, to the tank, to the right to an adapted opening formed therein.
- the lip ring 13, the adapter ring 14 and the connecting flange 15 are here made of stainless steel.
- the tube 6 is connected to the second heat exchange element 4 by means of the other other lip seal ring 16.
- the ring 16 is mounted around a solid cylinder portion connecting the second fins 5 and the element 4 of heat exchange. It has, at one of its ends, a lip in the form of a flange which is secured to another lip-shaped flange provided at the end of the exchanger tube 6, here by TIG welding. The other end of the ring 16 is joined by brazing to the heat exchange element 4.
- the heat exchange element 4 is here secured, for example by screwing, to the object to be cooled, as shown in FIG. figure 3B .
- the assembly can also be made by direct contact, by welding or, for the sake of ease of assembly, with the aid of an intermediate piece (for example copper).
- welding lips makes it possible to greatly limit the rise in temperature of the device and thus to protect the plastic wedges against damage due to high temperatures. They also facilitate the subsequent disassembly of the cooling device, in particular to perform a re-centering of the fins in case of problems.
- the bath 1 contains, for example, saturation liquid helium at a fixed temperature equal to approximately 4.5 K.
- the heat exchange fins 9 are immersed in the bath 1 and the face of the heat exchange disk 2 carrying these fins 9 is in direct contact with the cryogenic fluid.
- the internal chamber of the exchanger tube 6 is filled with heat exchange gas 7 at an internal pressure controlled by the pump 10.
- the thermal conductance of the cooling device 100 can be modulated in time as a function of the heat transfer requirements between the bath 1 and the object to be cooled 200.
- a temperature sensor measures the temperature of the object to be cooled 200. Measured temperature values of the object 200 are regularly transmitted to the control module of the pump 10, which consequently adjusts the internal pressure of the gas 7 (if necessary changing it over time) to obtain a stable target temperature or
- the cooling device 100 thus makes it possible to cool the object 200 to a desired setpoint temperature and to regulate this temperature over time, otherwise to keep the object 200 at a stable temperature. equal to or substantially equal to this set temperature, by varying the internal pressure of the exchange gas 7.
- the cooling device of the invention makes it possible to control the heat transfer at cryogenic temperatures between a cold source (here a bath of cryogenic fluid) and an object to be cooled and to regulate in temperature this object, in an easy, flexible and economic. It allows a thermal regulation over a wide range of temperatures, from the same cold source and by means of internal gas pressure adjustments, simple to perform.
- the device of the invention has a structure similar to that of the device described in the document US 2005/0230097 but is adapted to allow heat transfer at much higher power levels. This adaptation is made possible thanks to the use of wedges 8 of positioning, or centering.
- the cutoff ratio of the cooling device 100 is for example between 40 and 100, while it is generally greater than 1000 for conventional thermal switches.
- a cooling device according to the invention having a cut-off ratio of 40 would make it possible to regulate in temperature between 5.4 K and 40 K an experiment consuming 2 W of power from a bath of saturation helium having a temperature of 4.4 K, without varying the helium consumption which would be substantially 0.1 g / s.
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Abstract
Le dispositif de refroidissement comporte : €¢ un premier élément (2) d'échange thermique avec la source froide (1) ; €¢ un ensemble de premières ailettes d'échange thermique (3) reliées au premier élément d'échange thermique (2), à l'une de leurs extrémités ; €¢ un deuxième élément (4) d'échange thermique avec l'objet à refroidir (200) ; €¢ un ensemble de deuxièmes ailettes d'échange thermique (5) reliées au deuxième élément d'échange thermique (4), à l'une de leurs extrémités ; €¢ une enceinte (6) contenant : - les premières ailettes (3) et les deuxièmes ailettes (5) intercalées et sans contact mécanique direct entre elles, chaque ailette étant insérée dans un espace interstitiel, - et un gaz d'échange thermique (7) à une pression interne souhaitée ; Selon l'invention, l'autre extrémité de chaque ailette (3, 5), opposée à l'extrémité reliée à l'élément d'échange thermique (2, 4), porte une cale de positionnement adaptée pour positionner, avantageusement centrer, ladite ailette dans l'espace interstitiel dans lequel elle est insérée.The cooling device comprises: A first heat exchange element (2) with the cold source (1); A set of first heat exchange fins (3) connected to the first heat exchange element (2) at one of their ends; A second heat exchange element (4) with the object to be cooled (200); A set of second heat exchange fins (5) connected to the second heat exchange element (4) at one of their ends; An enclosure (6) containing: the first fins (3) and the second fins (5) interposed and without direct mechanical contact with each other, each fin being inserted into an interstitial space, and a heat exchange gas (7) at a desired internal pressure; According to the invention, the other end of each fin (3, 5), opposite the end connected to the heat exchange element (2, 4), carries a positioning wedge adapted to position, advantageously center, said fin in the interstitial space in which it is inserted.
Description
L'invention concerne un dispositif de refroidissement thermique d'un objet constituant une source chaude, à partir d'une source froide telle qu'un bain de fluide cryogénique.The invention relates to a device for thermal cooling of an object constituting a hot source, from a cold source such as a bath of cryogenic fluid.
De nombreuses applications nécessitent une régulation en température, à des températures cryogéniques (c'est-à-dire inférieures à 120 K), d'un objet ou élément constituant une source chaude. On peut citer, à titre d'exemples illustratifs, les applications suivantes :
- le refroidissement homogène d'une plaque supérieure d'une grande cellule cryogénique de Rayleigh-Bénard ;
- des tests de propriétés réalisés sur des matériaux à froid ;
- la recherche de températures critiques de matériaux supraconducteurs.
- homogeneous cooling of an upper plate of a large Rayleigh-Bénard cryogenic cell;
- property tests carried out on cold materials;
- the search for critical temperatures of superconducting materials.
Pour obtenir une température cryogénique stable, une solution connue repose sur l'utilisation d'un bain à saturation contenant un fluide cryogénique à saturation (par exemple de l'hélium), sous forme liquide, jouant le rôle de source froide. La température du bain à saturation est fixée par la nature du fluide et par sa pression. Pour une pression donnée, la température du bain cryogénique est fixe. A partir de ce bain à saturation, on peut refroidir un objet à une température proche de celle du bain. Par exemple, on peut immerger l'objet dans le bain, entièrement ou partiellement. La chaleur reçue par l'objet est évacuée par évaporation du fluide du bain. Cette solution est toutefois peu flexible car limitée à un refroidissement à une température proche de celle du bain, laquelle est fixée par la nature du fluide et sa pression. Sur la
Différentes solutions existent pour obtenir une température souhaitée en dehors des températures facilement accessibles au moyen d'un bain de fluide cryogénique. Prenons l'exemple d'une expérience nécessitant de refroidir un objet à une température de 6 K à partir d'un bain d'hélium à saturation ayant une température fixe égale à 4,2 K.Different solutions exist to obtain a desired temperature outside the easily accessible temperatures by means of a cryogenic fluid bath. Take the example of an experiment requiring to cool an object at a temperature of 6 K from a saturation helium bath having a fixed temperature equal to 4.2 K.
Une première solution consiste à placer une résistance thermique entre le bain de fluide (source froide) et l'objet à refroidir (source chaude). La résistance thermique permet d'évacuer la chaleur de l'objet et d'obtenir une différence de température contrôlée entre le bain et l'objet à refroidir. Cette solution présente toutefois l'inconvénient d'augmenter de façon importante la consommation en fluide cryogénique lorsque l'on cherche à obtenir une température qui s'éloigne de celle du bain.A first solution consists in placing a thermal resistance between the fluid bath (cold source) and the object to be cooled (hot source). The thermal resistance makes it possible to evacuate the heat of the object and to obtain a controlled temperature difference between the bath and the object to be cooled. However, this solution has the disadvantage of significantly increasing the cryogenic fluid consumption when one seeks to obtain a temperature which is away from that of the bath.
Une deuxième solution repose sur l'utilisation d'une cellule de convection naturelle à l'intérieur de laquelle on fait varier la densité de gaz pour faire varier la conductance thermique. Cette solution n'est toutefois pas satisfaisante car la variation de densité de gaz est difficilement maitrisable, notamment aux abords des conditions critiques et diphasiques du gaz d'échange, et le comportement du fluide est particulièrement instable en raison du phénomène de convection naturelle.A second solution is based on the use of a natural convection cell within which the gas density is varied to vary the thermal conductance. This solution is however not satisfactory because the variation in gas density is difficult to master, particularly in the vicinity of the critical and two-phase conditions of the exchange gas, and the behavior of the fluid is particularly unstable due to the natural convection phenomenon.
Une troisième solution utilise des composants appelés « interrupteurs thermiques à gaz » permettant d'établir ou de supprimer (ou de quasiment supprimer), à volonté, une liaison thermique entre deux pièces. Le document
La présente invention vient améliorer la situation.The present invention improves the situation.
A cet effet, l'invention concerne un dispositif de refroidissement thermique d'un objet, à partir d'une source froide, notamment un bain de fluide cryogénique, comportant :
- un premier élément d'échange thermique avec la source froide ;
- un ensemble de premières ailettes d'échange thermique reliées au premier élément d'échange thermique, à l'une de leurs extrémités ;
- un deuxième élément d'échange thermique avec l'objet à refroidir ;
- un ensemble de deuxièmes ailettes d'échange thermique reliées au deuxième élément d'échange thermique, à l'une de leurs extrémités ;
- une enceinte contenant :
- les premières ailettes et les deuxièmes ailettes intercalées et sans contact mécanique direct entre elles, chaque ailette étant insérée dans un espace interstitiel,
- et un gaz d'échange thermique à une pression interne souhaitée ;
- a first heat exchange element with the cold source;
- a set of first heat exchange fins connected to the first heat exchange element, at one of their ends;
- a second heat exchange element with the object to be cooled;
- a set of second heat exchange fins connected to the second heat exchange element, at one of their ends;
- an enclosure containing:
- the first fins and the second fins intercalated and without direct mechanical contact between them, each fin being inserted into an interstitial space,
- and a heat exchange gas at a desired internal pressure;
L'architecture du dispositif de refroidissement de l'invention est proche de celle d'un interrupteur thermique à gaz d'échange, tel que décrit dans le document
Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif de refroidissement comprend un élément de réglage de la pression de gaz d'échange thermique dans l'enceinte ou une pompe d'introduction et d'extraction de gaz d'échange thermique dans l'enceinte, destiné à faire varier la conductance thermique dudit dispositif de refroidissement, en faisant varier la pression interne du gaz dans l'enceinte.In a particular embodiment, the cooling device comprises an element for adjusting the heat exchange gas pressure in the enclosure or a pump for introducing and extracting heat exchange gas into the enclosure, for varying the thermal conductance of said cooling device, by varying the internal pressure of the gas in the enclosure.
Grâce à cela, le dispositif de refroidissement de l'invention permet de réguler en température l'objet à refroidir (c'est-à-dire maintenir la température de cet objet égale ou sensiblement égale à une température de consigne souhaitée) à partir d'une source froide à température fixe.Thanks to this, the cooling device of the invention makes it possible to regulate in temperature the object to be cooled (that is to say to maintain the temperature of this object equal or substantially equal to a desired set temperature) from a cold source at a fixed temperature.
Avantageusement, les cales sont en un matériau plastique. Le matériau est avantageusement un isolant thermique. On limite ainsi l'effet de pont thermique entre ailettes voisines des cales.Advantageously, the wedges are made of a plastic material. The material is advantageously a thermal insulator. This limits the thermal bridge effect between fins adjacent wedges.
De préférence, les cales ont un coefficient de dilatation thermique linéaire supérieur à celui des ailettes. Grâce à cela, les cales se contractent davantage que les ailettes lors des refroidissements thermiques, ce qui évite une dégradation mécanique des cales sous l'action de compression des ailettes lors des variations de température.Preferably, the shims have a coefficient of linear thermal expansion greater than that of the fins. Thanks to this, the wedges contract more than the fins during thermal cooling, which avoids a mechanical degradation of the wedges under the action of compression of the fins during temperature changes.
Dans une forme de réalisation particulière, chaque ailette comprend une extrémité libre de fixation d'épaisseur réduite destinée à être introduite dans une gorge de fixation ménagée dans la cale portée par ladite ailette. Grâce à cela, les cales peuvent être fixées aux ailettes par simple emboîtement ou coulissement.In a particular embodiment, each fin comprises a free fixing end of reduced thickness intended to be introduced into a fixing groove in the wedge carried by said fin. Thanks to this, the wedges can be fixed to the fins by simple interlocking or sliding.
Avantageusement, chaque cale comprend trois faces extérieures d'appui, dont deux faces latérales et une face de fond, en contact avec des parois délimitant l'espace interstitiel dans lequel ladite cale est insérée et en ce que chaque face latérale d'appui de la cale est reliée à la face de fond d'appui de la cale par une face oblique qui n'est pas en contact avec lesdites parois. Grâce à cela, on limite la surface d'échange thermique entre la cale portée par une ailette et la ou les ailettes voisines.Advantageously, each wedge comprises three external bearing faces, including two lateral faces and a bottom face, in contact with walls delimiting the interstitial space in which said wedge is inserted and in that each lateral face of support of the wedge is connected to the bearing bottom face of the wedge by an oblique face which is not in contact with said walls. Thanks to this, it limits the heat exchange surface between the wedge carried by a fin and the or neighboring fins.
Avantageusement encore, la distance entre deux ailettes voisines, respectivement reliées au premier élément d'échange thermique et au deuxième élément d'échange thermique, est inférieure ou égale à 0,5 mm, avantageusement inférieure ou égale à 0,3 mm, avantageusement encore égale à 0,1 mm. La distance réduite entre ailettes voisines supprime la convection naturelle et n'autorise l'échange entre les ailettes 3 et 5 que par conduction gazeuse. Celle-ci est améliorée par la réduction de la distance (inversement proportionnelle). Du fait ce faible écart entre les ailettes voisines, il convient d'éviter toute déformation des ailettes. En effet, la déformation d'une ailette risquerait de provoquer un contact mécanique direct de celle-ci avec une ailette voisine, ce qui aurait pour effet de nuire considérablement au bon fonctionnement du dispositif de refroidissement. Les cales permettent d'éviter de telles déformations grâce à un maintien mécanique des ailettes en position.Advantageously, the distance between two adjacent fins, respectively connected to the first heat exchange element and the second heat exchange element, is less than or equal to 0.5 mm, advantageously less than or equal to 0.3 mm, advantageously still equal to 0.1 mm. The reduced distance between neighboring fins suppresses natural convection and allows the exchange between the
Dans une forme de réalisation particulière, le premier élément d'échange thermique est relié thermiquement à des ailettes d'échange thermique destinées à être immergées dans la source froide. Grâce à ces ailettes, le transfert thermique entre la source froide et le premier élément d'échange thermique est amélioré.In a particular embodiment, the first heat exchange element is thermally connected to heat exchange fins intended to be immersed in the cold source. With these fins, the heat transfer between the cold source and the first heat exchange element is improved.
Dans une forme de réalisation particulière, la pompe est une pompe à adsorption contenant un adsorbant, un module de chauffage et un élément de liaison thermique à ladite source froide, destiné à évacuer de la chaleur. La source froide est ainsi également utilisée par la pompe pour régler sa température interne.In a particular embodiment, the pump is an adsorption pump containing an adsorbent, a heating module and a thermal connection element to said cold source, intended to evacuate heat. The cold source is also used by the pump to adjust its internal temperature.
Le dispositif de refroidissement peut comprendre un bain de fluide cryogénique à saturation, jouant le rôle de source froide, ledit fluide comprenant l'un des éléments du groupe comportant l'hélium, l'hydrogène, le néon, l'azote, l'oxygène et l'argon.The cooling device may comprise a saturated cryogenic fluid bath, acting as a cold source, said fluid comprising one of the elements of the group comprising helium, hydrogen, neon, nitrogen, oxygen and argon.
Avantageusement, l'enceinte porte une lèvre de soudage à une bague à lèvre d'étanchéité. L'utilisation de lèvres de soudage permet de limiter la montée en température des cales lors de l'assemblage des différents éléments du dispositif de refroidissement.Advantageously, the enclosure carries a welding lip to a sealing lip ring. The use of welding lips makes it possible to limit the rise in temperature of the shims during the assembly of the various elements of the cooling device.
Avantageusement encore, la longueur de la cale portée par une ailette est inférieure à la largeur de ladite ailette.Advantageously, the length of the wedge carried by a fin is less than the width of said fin.
Avantageusement, chaque ailette porte au moins deux cales.Advantageously, each fin carries at least two shims.
L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description suivante d'une forme de réalisation particulière du dispositif de refroidissement de l'invention, en référence aux dessins annexés sur lesquels :
- La
figure 1 représente l'évolution de la température de saturation de plusieurs fluides cryogéniques en fonction de la pression du fluide ; - La
figure 2 représente de façon schématique le dispositif de refroidissement de l'invention, selon une première forme de réalisation particulière ; - La
figure 3A représente une vue de côté du dispositif de refroidissement de l'invention, selon la première forme de réalisation ; - La
figure 3B représente une vue en coupe selon AA du dispositif de refroidissement de lafigure 3A ; - La
figure 3C représente une vue de dessus du dispositif de refroidissement de lafigure 3A ; - La
figure 4A représente de façon schématique les flux de chaleur échangés entre les ailettes en « position ON » de transfert thermique ; - La
figure 4B représente de façon schématique les flux de chaleur échangés entre les ailettes en « position OFF » d'interruption thermique ; - La
figure 5 représente un schéma d'une cale, en section transversale.
- The
figure 1 represents the evolution of the saturation temperature of several cryogenic fluids as a function of the fluid pressure; - The
figure 2 schematically represents the cooling device of the invention, according to a first particular embodiment; - The
figure 3A represents a side view of the cooling device of the invention, according to the first embodiment; - The
figure 3B represents a sectional view along AA of the cooling device of thefigure 3A ; - The
figure 3C represents a top view of the cooling device of thefigure 3A ; - The
Figure 4A schematically represents the heat fluxes exchanged between the fins in "ON" position of heat transfer; - The
Figure 4B schematically represents the heat flows exchanged between the fins in "OFF" position of thermal interruption; - The
figure 5 represents a diagram of a wedge, in cross section.
Le dispositif de refroidissement thermique de l'invention a pour fonction de refroidir un objet, celui-ci constituant une source chaude, à partir d'une source froide, par exemple un bain de fluide cryogénique.The thermal cooling device of the invention has the function of cooling an object, the latter constituting a hot source, from a cold source, for example a bath of cryogenic fluid.
Un tel dispositif peut être utilisé dans de multiples applications, par exemple :
- refroidir de façon homogène une plaque supérieure d'une cellule de Rayleigh-Bénard de grande dimension, notamment dans le cadre de l'étude de la convection naturelle turbulente ;
- réaliser des tests d'étude de propriétés sur des matériaux froids à des températures cryogéniques ;
- rechercher des températures critiques de matériaux supraconducteurs ;
- réaliser des mesures de calorimétrie ;
- réaliser une désaimantation adiabatique pour la grande réfrigération ;
- réaliser un refroidissement homogène.
- homogeneously cool an upper plate of a large Rayleigh-Bénard cell, particularly in the study of turbulent natural convection;
- Conduct property tests on cold materials at cryogenic temperatures
- search for critical temperatures of superconducting materials;
- perform calorimetry measurements;
- perform adiabatic demagnetization for large refrigeration;
- perform a homogeneous cooling.
Sur la
une source froide 1 ;- un
premier élément 2 d'échange thermique avec lasource froide 1 ; - un ensemble de premières ailettes d'échange thermique 3 reliées au premier élément d'échange thermique 1, à l'une de leurs extrémités ;
un deuxième élément 4 d'échange thermique avec l'objet à refroidir 200 ;- un ensemble de deuxièmes ailettes d'échange thermique 5 reliées au deuxième élément d'échange thermique 4, à l'une de leurs extrémités ;
une enceinte 6 contenant les deux 3, 5 de premières et deuxièmes ailettes et un gaz d'échange thermique 7 à une pression interne souhaitée.ensembles
- a
cold source 1; - a first
heat exchange element 2 with thecold source 1; - a set of first
heat exchange fins 3 connected to the firstheat exchange element 1, at one of their ends; - a second
heat exchange element 4 with the object to be cooled 200; - a set of second
heat exchange fins 5 connected to the secondheat exchange element 4, at one of their ends; - an
enclosure 6 containing the two 3, 5 of first and second fins and asets heat exchange gas 7 at a desired internal pressure.
La source froide 1 est ici un bain de fluide cryogénique. Elle a une température fixe. Dans l'exemple particulier de réalisation décrit ici, le bain contient de l'hélium liquide à saturation à une température égale ou proche de 4,5 K (soit - 269°C). Le fluide cryogénique pourrait en variante être de l'hydrogène, du néon, de l'azote, de l'oxygène, de l'argon ou autre.The
L'élément 2 d'échange thermique avec la source froide 1 et l'élément 4 d'échange thermique avec l'objet à refroidir 200 sont des éléments conducteurs thermiques. Ils sont réalisés en un matériau constituant un bon conducteur thermique, par exemple du cuivre, et ont ici une forme de disque.The
L'élément 2 d'échange thermique avec la source froide 1 est relié thermiquement à la source froide 1 constituée ici par le bain de fluide cryogénique 1. A cet effet, il est en contact direct avec le fluide cryogénique, ici par immersion de l'une des faces du disque conducteur thermique, dite « face immergée » 20, dans le bain de fluide cryogénique 1. La face immergée 20 de l'élément conducteur 2 peut être prolongée longitudinalement par des troisièmes ailettes d'échange thermique 9 disposées à l'intérieur du bain 1, comme représenté sur la
L'autre face (ou côté) 21 de l'élément d'échange thermique 2, opposée à la face immergée 20, est prolongée longitudinalement par les premières ailettes d'échange thermique 3. Celles-ci sont confinées dans la chambre interne du tube échangeur 6. Par la suite, on appellera « ailettes froides » les premières ailettes 3 du fait qu'elles sont reliées thermiquement à la source froide 1.The other side (or side) 21 of the
L'ensemble comportant le premier élément d'échange thermique 2, les premières ailettes d'échange thermique 3 et les troisièmes ailettes d'échange thermique 9 forme ici une pièce monobloc. Elle est usinée à partir d'un cylindre plein en un matériau bon conducteur thermique, ici en cuivre. Pour obtenir les ailettes 3 et 9, des sillons sont usinés dans des plans parallèles entre eux et à l'axe longitudinal du cylindre. Chaque ailette 3 ou 9 s'étend ainsi dans un plan parallèle à l'axe longitudinal et a la forme d'une tranche longitudinale partielle de cylindre. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la
De façon analogue, l'élément d'échange thermique 4 est prolongé longitudinalement par les deuxièmes ailettes 5. Celles-ci sont également confinées dans la chambre interne du tube échangeur 6. Par la suite, on appellera « ailettes chaudes » les deuxièmes ailettes 5 du fait qu'elles sont reliées thermiquement à l'objet à refroidir 200. L'élément d'échange thermique 4 et les ailettes chaudes 5 forment ici une pièce monobloc. Celle-ci est fabriquée à partir d'un cylindre plein en un matériau bon conducteur thermique, en l'espèce du cuivre. Les ailettes chaudes 5 peuvent être formées par usinage de sillons dans le cylindre de cuivre dans des plans parallèles entre eux et à l'axe longitudinal du cylindre. Chaque ailette 5 s'étend ainsi dans un plan parallèle à l'axe longitudinal et a la forme d'une tranche longitudinale partielle de cylindre. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la
Dans l'exemple de réalisation particulier, non limitatif, décrit ici, les premières et deuxièmes ailettes 3 et 5 ont une hauteur (selon la direction longitudinale) d'environ 160 mm et une épaisseur (perpendiculairement au plan de l'ailette) de 2,5 mm. L'espace interstitiel, ou interstice, séparant deux ailettes voisines 3 (ou 5) solidaires d'un même élément d'échange thermique 2 (ou 4) est ici de 2,7 mm. La largeur d'une ailette (selon la direction perpendiculaire la direction longitudinale dans le plan de l'ailette) est inférieure ou égale au diamètre du disque 2 (ou au diamètre interne du tube échangeur 6), ici égal à 55,5 mm, et varie selon sa position : la ou les ailettes disposées à proximité ou sur l'axe longitudinal du cylindre sont plus larges que celles disposées en périphérie extérieure. Les ailettes 3 pourraient avoir d'autres dimensions, notamment une épaisseur comprise entre 1 et 10 mm, une hauteur comprise entre 10 et 500 mm et une largeur maximale comprise entre 10 et 200 mm.In the particular embodiment, not limiting, described here, the first and
L'usinage des ailettes 3, 5 et 9 peut être réalisé par électroérosion.The machining of the
L'enceinte 6 est fermée de façon étanche. Elle comprend une paroi ici cylindrique qui forme un tube d'axe longitudinal AX, renfermant une chambre de réception des premières ailettes « froides » 3 et des deuxièmes ailettes « chaudes » 5. Par la suite, on appellera ce tube « tube échangeur thermique » ou « tube échangeur » car sa chambre interne est le siège d'échanges thermiques entre les premières ailettes 3 « froides » et les deuxièmes ailettes 5 « chaudes », intercalées entre elles, comme cela sera explicité par la suite. Ce tube échangeur 6 est par exemple en acier inoxydable. L'acier inoxydable présente différents avantages : il peut se braser facilement, notamment avec le cuivre, et a une faible conduction thermique, ce qui limite la conduction thermique en position OFF. Le tube échangeur 6 en acier inoxydable possède donc de façon avantageuse une faible conduction thermique. Le tube échangeur 6 a un diamètre inférieur ou égal à 70 mm, avantageusement inférieur ou égal à 65 mm, avantageusement encore égal à 60 mm et avantageusement encore supérieur ou égal à 20 mm. Le diamètre du tube dépend de la puissance à échanger.The
Le premier élément d'échange thermique 2 est disposé à l'une des extrémités du tube 6. Il est ici inséré à l'intérieur du tube 6 et solidarisé à celui-ci par l'intermédiaire d'une bague d'étanchéité 13 à lèvre de soudage.The first
Le deuxième élément d'échange thermique 4 est disposé à l'autre extrémité du tube 6, opposée à celle recevant le premier élément d'échange thermique 2. Son diamètre est ici supérieur au diamètre externe du tube 6 et il est mis en butée contre cette autre extrémité du tube 6 par l'intermédiaire d'une autre bague d'étanchéité 16 à lèvre de soudage, comme cela sera explicité plus loin.The second
Les premières ailettes 3, reliées thermiquement au premier élément 2 d'échange thermique avec la source froide 1, et les deuxièmes ailettes 5, reliées thermiquement au deuxième élément 4 d'échange thermique avec l'objet à refroidir 200, sont disposées à l'intérieur du tube échangeur 6, ou de l'enceinte. Elles sont intercalées entre elles et sans contact mécanique direct entre elles. Chaque ailette froide 3 est insérée dans un espace interstitiel séparant deux ailettes chaudes 5 voisines ou bien une ailette chaude 5 et la face interne du tube échangeur 6. De façon analogue, chaque ailette chaude 5 est insérée dans un espace interstitiel séparant deux ailettes froides 3 voisines ou bien une ailette froide 3 et la face interne du tube échangeur 6. Dans l'exemple de réalisation décrit ici, une fois les premières ailettes 3 et les deuxièmes ailettes 5 introduites dans le tube échangeur 6 et emboitées, intercalées les unes entre les autres, le jeu ou écart ménagé entre deux ailettes voisines, respectivement froide 3 et chaude 5, est de 0,1 mm. De façon analogue, l'écart entre chacune des deux ailettes périphériques (ici des ailettes chaudes 5), et la face interne du tube échangeur 6 est de l'ordre de 0,1 mm.The
L'extrémité libre de chaque ailette 3 (ou 5), opposée à celle solidaire de l'élément d'échange thermique associé 2 (ou 4), porte au moins une cale de positionnement 8 adaptée pour positionner, ici centrer, cette ailette 3 (ou 5) dans l'espace interstitiel dans lequel elle est insérée. La cale 8 portée par l'ailette 3 (ou 5) permet d'assurer le centrage de cette ailette dans l'espace interstitiel dans lequel elle est reçue et d'éviter toute déformation de l'ailette, grâce à un maintien forcé au centre de l'espace interstitiel.The free end of each fin 3 (or 5), opposite to that integral with the associated heat exchange element 2 (or 4), carries at least one
Les cales 8 sont en un autre matériau isolant thermiquement, ayant une faible conductivité thermique, avantageusement inférieure ou égale à 0,2 W.m-1.K-1 ou inférieure à 0,3 W.m-1.K-1. Elles sont par exemple en matière plastique, notamment en matière plastique à base de polyimide. Elles ne sont de préférence pas en métal ou en alliage de métaux.The
Le matériau de constitution des cales 8 possède avantageusement un coefficient de dilatation thermique linéaire supérieur à celui du matériau de constitution des ailettes 3, 5, (en l'espèce du cuivre). Grâce à cela, la contraction thermique des cales 8 est supérieure à celle des ailettes 3, 5, ce qui permet d'éviter un endommagement des cales par les ailettes lorsque celles-ci se contractent sous l'effet du refroidissement.The constituent material of the
Sur la
De préférence, comme représenté sur les
De préférence, comme représenté sur les
Chaque cale permet ainsi d'immobiliser une ailette au moins latéralement, c'est-à-dire perpendiculairement aux faces principales de l'ailette ou horizontalement dans les plans des
La situation de montage en contact ou précontraint entre les cales et les ailettes se retrouve à température ambiante, par exemple à 20°C. En effet lors du refroidissement, la contraction différentielle entre les matériaux des cales et des ailettes contribue à réduire les contacts entre les cales et les ailettes, voire idéalement les supprimer.The mounting situation in contact or prestressed between the shims and the fins is found at room temperature, for example at 20 ° C. Indeed, during cooling, the differential contraction between the materials of the wedges and fins contributes to reducing the contacts between the wedges and the fins, or even ideally to remove them.
Chaque ailette 3 (ou 5) peut porter à son extrémité libre, opposée à celle solidaire de l'élément d'échange thermique associé 2 (ou 4), une ou plusieurs cales de positionnement, ou de centrage, 8. Dans le cas où l'ailette 3 (ou 5) porte une seule cale 8, la longueur de la cale 8, c'est-à-dire sa dimension selon la direction perpendiculaire à l'axe AX dans le plan de l'ailette, est égale à la largeur de l'ailette ou inférieure à celle-ci. Dans le cas où l'ailette 3 (ou 5) porte plusieurs cales 8, les différentes cales portées par une ailette sont espacées l'une de l'autre et de préférence réparties de façon régulière le long de l'ailette de sorte à assurer un bon maintien mécanique de l'ailette. Par exemple, chaque ailette 3, 5 porte deux cales.Each fin 3 (or 5) may carry at its free end, opposite to that integral with the associated heat exchange element 2 (or 4), one or more positioning wedges, or centering, 8. In the case where the fin 3 (or 5) carries a
La fixation des cales 8 aux ailettes 3 (ou 5) peut être réalisée par emboîtement d'une partie saillante de l'une des deux éléments (cale ou ailette) dans une partie en creux ménagée dans l'autre élément (ailette ou cale). Par exemple, chaque ailette 3 (ou 5) comprend une extrémité libre de fixation, d'épaisseur réduite, destinée à être introduite dans une gorge de fixation 85 ménagée dans la cale 8. La gorge 85 a une forme complémentaire à celle de l'extrémité de fixation de l'ailette et présente ici une forme de U en section transversale. La profondeur de la gorge 85 est avantageusement comprise entre 1 et 10 mm. La largeur de la gorge 85 est avantageusement comprise entre 1 et 10 mm.Fixing
Les cales 8 présentent une symétrie par rapport à un plan médian qui s'étend ici au milieu de la gorge 85 perpendiculairement au plan de la
De préférence, une cale présente globalement une forme parallélépipédique dont deux arêtes parallèles sont chanfreinées (entre les faces 81 et 82 et entre les faces 80 et 82). Les chanfreins forment les faces obliques 83 et 84. La forme parallélépipédique présente aussi la gorge 85 ou rainure 85. Cette gorge est destinée à venir se fixer, par exemple par emboîtement sur une extrémité d'une ailette, notamment à venir se fixer, par exemple par emboîtement sur une languette 86 formée à une extrémité d'une ailette.Preferably, a shim generally has a parallelepipedal shape of which two parallel edges are chamfered (between the
Les cales sont utilisés pour positionner relativement les ailettes et éviter leurs contacts qui pourraient être liés à une libération des contraintes dans les ailettes et donc à la déformation des ailettes (suite à leur usinage).The shims are used to relatively position the fins and avoid their contacts which could be related to a release of the constraints in the fins and thus to the deformation of the fins (following their machining).
Soulignons que l'absence de contact mécanique direct entre les ailettes froides 3 et chaudes 5 intercalées entre elles, garantie grâce aux cales 8, est très importante pour assurer un bon fonctionnement du dispositif de refroidissement 100. En effet, la conductivité thermique du cuivre constituant les ailettes est bien plus élevée que celle du gaz d'échange thermique 7 séparant les ailettes 3 froides 3 et chaudes 5. Le moindre contact mécanique direct entre ces ailettes aurait pour effet de considérablement modifier les flux de chaleur entre les ailettes froides 3 et les ailettes chaudes 5 en position OFF.Note that the absence of direct mechanical contact between the
Le tube échangeur 6 est fermé par le premier élément d'échange thermique 2, à l'une de ses extrémités, et par le deuxième élément d'échange thermique 4, à son autre extrémité. Il renferme une chambre interne confinée d'échange thermique qui contient les premières ailettes 3 et les deuxièmes ailettes 5. Cette chambre d'échange thermique est fermée de façon étanche, comme cela sera explicité plus loin. Elle contient un gaz d'échange thermique 7 à une pression interne souhaitée. Ce gaz d'échange thermique est l'un de ceux précédemment cités pour le bain 1 de fluide cryogénique (hydrogène, néon, azote, oxygène, argon ou autre). Généralement, le gaz d'échange thermique utilisé est le même que celui du bain 1 constituant la source froide.The
L'ensemble comportant le tube (ou enceinte) 6, les éléments d'échange thermique 2 et 4, les premières et deuxièmes ailettes d'échange thermique 3, 5 et le gaz d'échange thermique 7 permet un transfert de chaleur entre la source froide 1 et l'objet à refroidir 200. Ce dispositif possède une certaine conductance thermique qui dépend notamment de la pression interne du gaz 7 dans l'enceinte 6. En faisant varier cette pression, on peut faire varier la conductance thermique du dispositif de l'invention.The assembly comprising the tube (or enclosure) 6, the
Pour faire varier la conductance thermique, le dispositif de refroidissement 100 comprend un élément de réglage de la pression de gaz d'échange thermique dans l'enceinte, par exemple ici une pompe 10 d'introduction et d'extraction de gaz d'échange thermique 7 dans la chambre interne de l'enceinte 6. La variation de pression de gaz d'échange thermique dans l'enceinte permet d'obtenir une variation de la conductance thermique et permet ainsi de réguler la température du deuxième élément d'échange thermique 4, c'est-à-dire de maintenir cette température égale ou sensiblement égale à une valeur souhaitée, quelles que soient les variations de température de l'objet à refroidir, à partir de la source froide (ici le bain 1) à température fixe.To vary the thermal conductance, the
Dans la forme de réalisation particulière décrite ici, la pompe 10 est une pompe à adsorption contenant les éléments suivants :
- un adsorbant logé dans une chambre interne ;
- un module de chauffage comportant par exemple une résistance électrique (reliée à une source d'alimentation électrique),
- un élément de liaison thermique à une source froide destiné à évacuer de la chaleur, et
- un module de pilotage.
- an adsorbent housed in an internal chamber;
- a heating module comprising for example an electrical resistance (connected to a power supply),
- a thermal connection element to a cold source for discharging heat, and
- a steering module.
La pompe 10 utilise ici le bain de fluide cryogénique 1 comme source froide. Elle est reliée au bain 1 par une tresse calibrée jouant le rôle de résistance thermique. Le module de pilotage contrôle le fonctionnement de la résistance thermique afin de régler la température interne de la pompe 10 et par conséquent la température de l'adsorbant. L'adsorbant comprend ici des grains de charbon actif, par exemple de la noix de coco carbonisée (charbon actif), logés dans une chambre interne de la pompe 10. En fonctionnement, des atomes de gaz 7 se collent à la surface des grains de charbon en formant des couches. Le nombre de couches d'atomes de gaz d'échange collés sur les grains de charbon dépend de la température des grains, autrement dit de la température interne de la pompe 10. En faisant varier cette température interne à l'aide du module de chauffage, le module de pilotage peut moduler la quantité de gaz piégé par la pompe 10 et ainsi faire varier la pression interne du gaz 7 dans l'enceinte 6.The
La chambre interne du tube 6 est reliée à un tube ou capillaire de remplissage 12A, par l'intermédiaire d'un canon 12B. Initialement, du gaz d'échange thermique 7 est introduit dans la chambre depuis une réserve de gaz extérieure (non représentée) par le capillaire de remplissage. La chambre interne du tube 6 est également reliée à un capillaire ou tube 11 de connexion à la pompe 10. La pompe 10 est ainsi montée sur le tube échangeur 6, avantageusement à proximité de l'extrémité voisine du bain cryogénique 1. Deux ouvertures de réception du capillaire 11 et du canon 12B sont ménagées dans la paroi du tube 6.The inner chamber of the
L'élément de réglage de la pression de gaz d'échange thermique dans l'enceinte permet de régler et de contrôler la conductance thermique du dispositif de refroidissement thermique de manière active et à volonté. Ainsi, la conductance thermique du dispositif de refroidissement thermique peut être réglée à une valeur donnée indépendamment d'autres paramètres physiques, notamment indépendamment de la température de la source froide et/ou de la température de l'objet à refroidir.The heat exchange gas pressure adjusting element in the chamber enables the thermal conductance of the thermal cooling device to be adjusted and controlled actively and at will. Thus, the thermal conductance of the thermal cooling device can be set to a given value independently of other physical parameters, in particular regardless of the temperature of the cold source and / or the temperature of the object to be cooled.
Le premier élément d'échange thermique 2 est assemblé au tube échangeur 6 par l'intermédiaire de la bague 13. En l'espèce, il s'agit d'une bague à rabat ou lèvre. L'extrémité de la bague 13 portant le rabat (ou la lèvre) est introduite dans la portion d'extrémité du tube 6 et montée autour du disque d'échange thermique 2. La bague 13 est ici fixée à l'élément d'échange thermique 2 par brasure et au tube 6 par soudage TIG au niveau de la lèvre (ou rabat). La bague 13 fait saillie hors du tube 6. Elle est solidarisée, à son autre extrémité (opposée à celle portant le rabat ou la lèvre), à une autre bague 14 d'adaptation à un réservoir contenant le bain 1 de fluide cryogénique (non représenté sur les
Le tube 6 est relié au deuxième élément d'échange thermique 4 par l'intermédiaire de l'autre autre bague d'étanchéité à lèvre 16. La bague 16 est montée autour d'une portion de cylindre plein reliant les deuxièmes ailettes 5 et l'élément 4 d'échange thermique. Elle présente, à l'une de ses extrémités, une lèvre en forme de collerette qui est solidarisée à une autre lèvre en forme de collerette prévue à l'extrémité du tube échangeur 6, ici par soudage TIG. L'autre extrémité de la bague 16 est solidarisée par brasure à l'élément d'échange thermique 4.The
L'élément d'échange thermique 4 est ici solidarisé, par exemple par vissage, à l'objet à refroidir, comme représenté sur la
La fabrication du dispositif de refroidissement 100 comprend avantageusement les étapes suivantes :
- fabrication d'une première pièce monobloc comportant les premières ailettes 3, les troisièmes ailettes 9 et l'élément d'échange thermique 2 à partir d'un premier cylindre en cuivre, ici par électroérosion ;
- fabrication d'une deuxième pièce monobloc comportant les deuxièmes ailettes 5 et l'élément d'échange thermique 4 à partir d'un deuxième cylindre en cuivre, ici par électroérosion ;
- brasure des bagues 13 et 16 respectivement aux éléments 2
et 4 d'échange thermique ; - mise en place d'une partie des cales 8, soit au fond des espaces interstitiels entre ailettes, soit directement sur les extrémités libres des ailettes ;
- emboîtement des deux pièces précédemment fabriquées, avec intercalation des premières ailettes 3 et des deuxièmes ailettes 5 ;
- mise en place des cales restantes 8 ;
- assemblage du
tube 6, du capillaire de connexion 6, de la pompe 10, ducanon 12B et du capillaire remplissage 12A ; - mise en place du
tube 6 autour des ailettes 3, 5, par le haut (c'est-à-dire par la partie comportant les ailettes 9 d'échange thermique avec le bain 1) ; - soudure TIG « au torchon mouillé » (afin limiter la montée en température au voisinage des cales) de la lèvre de la bague 13
au tube 6 et de la lèvre de la bague 16 à la lèvre dutube 6 ; - soudure de la bague 14 d'adaptation au réservoir à la bague 13 et à la bride de raccordement 15 ;
- raccordement de la
bride 15 au réservoir de bain de fluide cryogénique ; - fixation de l'élément d'échange thermique 3 à la bride de raccordement 17 et raccordement de celle-ci à l'objet à refroidir ;
- vidage du
tube échangeur 6, remplissage de celui-ci avec du gaz d'échange thermique 7par le capillaire 12A puis scellage du capillaire 12A ; - remplissage du réservoir en fluide cryogénique afin d'obtenir le
bain 1 ; - mise en fonctionnement de la pompe 10 afin de régler la pression interne du gaz dans le
tube 6.
- manufacturing a first piece comprising the
first fins 3, thethird fins 9 and theheat exchange element 2 from a first copper cylinder, here by electroerosion; - manufacturing a second one-piece part comprising the
second fins 5 and theheat exchange element 4 from a second copper cylinder, here by electroerosion; - brazing of the
13 and 16 respectively to therings 2 and 4 of heat exchange;elements - placing part of the
wedges 8, either at the bottom of the interstitial spaces between the fins, or directly on the free ends of the fins; - nesting of the two previously manufactured parts, with intercalation of the
first fins 3 andsecond fins 5; - setting up the remaining holds 8;
- assembly of the
tube 6, the connectingcapillary 6, thepump 10, thebarrel 12B and the fillingcapillary 12A; - placing the
tube 6 around the 3, 5, from above (that is to say, by the part comprising thefins fins 9 of heat exchange with the bath 1); - Wet TIG "wet towel" (to limit the rise in temperature in the vicinity of shims) of the lip of the
ring 13 to thetube 6 and the lip of thering 16 to the lip of thetube 6; - welding of the
ring 14 for adaptation to the reservoir to thering 13 and to theconnection flange 15; - connecting the
flange 15 to the cryogenic fluid bath tank; - fixing the
heat exchange element 3 to the connection flange 17 and connecting it to the object to be cooled; - emptying the
exchanger tube 6, filling it withheat exchange gas 7 by thecapillary 12A and then sealing thecapillary 12A; - filling the reservoir with cryogenic fluid in order to obtain the
bath 1; - operating the
pump 10 to adjust the internal pressure of the gas in thetube 6.
L'assemblage de la pompe 10, des éléments de remplissage 12A, 12B et du tube échangeur 6 comprend les sous-étapes suivantes :
- soudage TIG du canon de connexion
12B au tube 6 ; - brasure à l'étain du capillaire de remplissage
12A au canon 12B ; - collage de grains de charbon (environ vingt grains ici) dans le fond d'une chambre interne de la pompe 10 ;
- fixation d'un couvercle de fermeture de la chambre interne de la pompe 10 au capillaire de connexion 11 ici par soudage TIG au torchon mouillé ;
- fermeture de la chambre interne de la pompe à l'aide du couvercle solidarisé au
tube de connexion 11 ; - fixation de l'ensemble (capillaire de connexion 11 et pompe 10)
au tube étanche 6 ici par soudage TIG.
- TIG welding of the
connection barrel 12B to thetube 6; - tin solder of filling capillary 12A at
barrel 12B; - bonding of coal grains (about twenty grains here) in the bottom of an internal chamber of the
pump 10; - fixing a closing cap of the inner chamber of the
pump 10 to theconnection capillary 11 here by Wet TIG welding; - closing the internal chamber of the pump with the lid secured to the connecting
tube 11; - fixing the assembly (
capillary connection 11 and pump 10) to the sealedtube 6 here by TIG welding.
L'utilisation de lèvres de soudure permet de fortement limiter la montée en température du dispositif et ainsi de protéger les cales en plastique contre des dégradations dues à des températures élevées. Elles facilitent également le démontage ultérieur du dispositif de refroidissement, notamment pour effectuer un recentrage des ailettes en cas de problème.The use of welding lips makes it possible to greatly limit the rise in temperature of the device and thus to protect the plastic wedges against damage due to high temperatures. They also facilitate the subsequent disassembly of the cooling device, in particular to perform a re-centering of the fins in case of problems.
Le fonctionnement du dispositif de refroidissement 100 va maintenant être décrit, selon une mise en oeuvre particulière.The operation of the
On suppose qu'initialement les différents éléments du dispositif de refroidissement 100 sont assemblés comme indiqué dans le procédé de fabrication précédemment décrit. Le bain 1 contient par exemple de l'hélium liquide à saturation à une température fixe égale à environ 4,5 K. Les ailettes d'échange thermique 9 sont immergées dans le bain 1 et la face du disque d'échange thermique 2 portant ces ailettes 9 est en contact direct avec le fluide cryogénique. Par ailleurs, la chambre interne du tube échangeur 6 est remplie de gaz d'échange thermique 7 à une pression interne contrôlée par la pompe 10.It is assumed that initially the various elements of the
A l'aide de la pompe 10, on règle la pression interne du gaz 7 à l'intérieur du tube 6 afin d'ajuster la conductance thermique du dispositif de refroidissement 100 aux besoins énergétiques pour refroidir l'objet 200 et le maintenir à une température de consigne souhaitée. Cette conductance thermique est variable :
- elle est fonction de la pression interne du
gaz 7 dans letube 6. Sur lesfigures 4A et 4B , à titre d'exemple illustratif, on a représenté schématiquement les flux de chaleur entre une ailette 3portant une cale 8 et deux ailettes voisines 5 lorsque la pression interne du gaz d'échange 7 est maximale (figure 4A ) et lorsque la pression interne du gaz d'échange 7 est nulle ou quasi-nulle (figure 4B ). Dans le premier cas, le flux de chaleur passe de l'ailette 3 aux ailettes voisines 5 principalement par le biais dugaz d'échange 7. Dans le deuxième cas, un flux de chaleur résiduel passe de l'ailette aux ailettes voisines 8 par le biais de lacale 8.
- it is a function of the internal pressure of the
gas 7 in thetube 6. On theFigures 4A and 4B by way of illustrative example, there is shown diagrammatically the heat flows between afin 3 carrying awedge 8 and two neighboringfins 5 when the internal pressure of theexchange gas 7 is maximum (Figure 4A ) and when the internal pressure of theexchange gas 7 is zero or almost zero (Figure 4B ). In the first case, the heat flow passes from thefin 3 to the neighboringfins 5 mainly through theexchange gas 7. In the second case, a residual heat flow passes from the fin to the neighboringfins 8 through through thehold 8.
La conductance thermique du dispositif de refroidissement 100 peut être modulée dans le temps en fonction des besoins en transfert de chaleur entre le bain 1 et l'objet à refroidir 200. Une sonde de température mesure la température de l'objet à refroidir 200. Les valeurs mesurées de température de l'objet 200 sont transmises régulièrement au module de pilotage de la pompe 10, qui adapte en conséquence la pression interne du gaz 7 (en la faisant si besoin varier dans le temps) pour obtenir une température de consigne stable ou quasi-stable de l'objet à refroidir 200. Le dispositif de refroidissement 100 permet ainsi de refroidir l'objet 200 à une température de consigne souhaitée et à réguler cette température dans le temps, autrement à maintenir l'objet 200 à une température stable égale ou sensiblement égale à cette température de consigne, en faisant varier la pression interne du gaz d'échange 7.The thermal conductance of the
Le dispositif de refroidissement de l'invention permet de contrôler les transferts de chaleur à des températures cryogéniques entre une source froide (ici un bain de fluide cryogénique) et un objet à refroidir et de réguler en température cet objet, de façon aisée, flexible et économique. Il permet une régulation thermique sur une large gamme de températures, à partir d'une même source froide et au moyen de réglages de pression interne de gaz, simples à réaliser. Le dispositif de l'invention présente une structure proche de celle du dispositif décrit dans le document
Notons que ces cales dégradent le rapport de coupure du dispositif de refroidissement 100. L'utilisation d'un matériau adéquat pour la réalisation des cales permet néanmoins de maintenir un rapport de coupure suffisant pour l'utilisation recherchée de refroidissement et de régulation thermique. Le rapport de coupure du dispositif de refroidissement 100 est par exemple compris entre 40 et 100, alors qu'il est généralement supérieur à 1000 pour des interrupteurs thermiques classiques. A titre d'exemple illustratif, un dispositif de refroidissement selon l'invention ayant un rapport de coupure de 40 permettrait de réguler en température entre 5,4 K et 40 K une expérience consommant 2 W de puissance à partir d'un bain d'hélium à saturation ayant une température de 4,4 K, sans faire varier la consommation d'hélium qui serait sensiblement de 0,1 g/s. Afin d'obtenir une régulation thermique à 40 K à l'aide d'une résistance thermique fixe interposée entre le bain d'hélium à saturation et l'objet à réguler en température, il faudrait consommer une puissance d'environ 800W et consommer 4 g/s d'hélium. La détérioration du rapport de coupure induite par les cales de positionnement 8 des ailettes dans le dispositif de l'invention permet malgré tout, de façon surprenante, d'économiser une quantité importante de fluide cryogénique.Note that these wedges degrade the cutoff ratio of the
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FR3048770A1 (en) | 2017-09-15 |
FR3048770B1 (en) | 2018-03-23 |
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