EP3379172A1 - Installation cryogénique comprenant un circulateur - Google Patents

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EP3379172A1
EP3379172A1 EP18163528.5A EP18163528A EP3379172A1 EP 3379172 A1 EP3379172 A1 EP 3379172A1 EP 18163528 A EP18163528 A EP 18163528A EP 3379172 A1 EP3379172 A1 EP 3379172A1
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EP
European Patent Office
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circulator
cryogenic
centrifugal wheel
magnetic
module
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EP18163528.5A
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German (de)
English (en)
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EP3379172C0 (fr
EP3379172B1 (fr
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François VIARGUES
Gérard MARZO
Bertrand ROLLET
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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    • F25D17/02—Arrangements for circulating cooling fluids; Arrangements for circulating gas, e.g. air, within refrigerated spaces for circulating liquids, e.g. brine

Definitions

  • the present invention relates to a circulator for circulating a refrigerant in a circuit of a cryogenic cryogenic-type cryogenic installation and such a cryogenic installation comprising the circulator.
  • Cryogenic installations are known in the state of the art for cooling an element having a thermal load comprising a cryogenic machine of the " pulsed gas tube " type known in English as “ pulse tube " and a circuit connecting the cryogenic machine and said element, and in which circulates a refrigerant such as helium or nitrogen.
  • Such a circulator comprises a main compartment in which is arranged an electric motor provided with a motor shaft supported by a bearing device of this motor comprising bearings, said motor shaft having an end on which is mounted a centrifugal wheel.
  • electric cables provided for powering the motor, are connected thereto through a sealed passage thus isolating such a passage of the main compartment in which the motor, the bearing device and the centrifugal wheel bathe in the refrigerant.
  • the electric motor of such a circulator is configured to operate at a temperature of use that corresponds to the ambient temperature. Therefore, as this operating temperature approaches low cryogenic temperatures, the motor is then subject to operating anomalies that may result for example in a blockage of the rotational movement of the motor shaft and therefore of the wheel centrifugal resulting from a solidification involved at such temperatures a lubricant used in the bearings of the bearing device of this engine, and games too weak (thermal contractions).
  • the invention proposes a cryogenic installation defined to operate optimally in a wide range of cryogenic temperatures, particularly at temperatures cryogenic low less than or equal to 30K or less and for example of the order of 5K.
  • the invention relates to a circulator for circulating a refrigerant in a circuit of a cryogenic installation to and from an element having a thermal load, the circulator comprising a drive module and a pumping module. provided with a centrifugal wheel, said drive module being magnetically coupled to said pumping module to animate said centrifugal wheel with a rotary motion.
  • the invention also relates to a cryogenic installation for cooling an element having a thermal load comprising such a circulator ensuring a circulation of a refrigerant in a circuit of this cryogenic installation from and to said element.
  • the cryogenic installation comprises at least one cryogenic machine of the pulsed gas tube type and a compression and control unit.
  • the cryogenic installation comprises a cryostat provided with an enclosure maintained under an insulation vacuum.
  • the cryostat comprises the circulator, the cryogenic machine and the circuit.
  • a circulator according to one aspect of the invention is defined by claim 1.
  • Embodiments of this circulator are defined by claims 2 to 7.
  • a cryogenic plant according to one aspect of the invention is defined by claim 8.
  • Embodiments of this installation are defined by claims 9 to 12.
  • cryogenic cryogenic plant 1 for cooling an element 3 having a thermal load according to the invention is described below with reference to FIG. figure 1 .
  • a cryogenic installation 1 is configured to operate at all cryogenic temperatures, for example less than 30K or 25K especially cryogenic temperatures called " low " which are less than 5K or 10K.
  • the element 3, otherwise called " user " may be a device or an object to be cooled which generates or receives this thermal load.
  • the cryogenic installation 1 mainly comprises the element 3 having the thermal load, a circulator 2, a circuit 6 in which a refrigerant 4 flows and a cryogenic machine 5.
  • This cryogenic installation 1 also comprises a compression and control unit 7 connected to the cryogenic machine 5.
  • This cryogenic installation 1 may comprise a cryostat (not shown) in which are located the following components of this installation 1: the circulator 2, the cryogenic machine 5 and a part of the circuit 6. It will be noted that these components are of course connected to this circuit 6.
  • a cryostat comprises a chamber maintained under a dynamic vacuum also called “ isolation vacuum " to minimize convective heat losses. and gaseous conduction. It will be noted that this vacuum of isolation of the cryostat surrounds the whole of the circulator 2 thus contributing to the fact that the circulator 2 is maintained at a substantially constant temperature corresponding to a low cryogenic temperature, for example 5K or less.
  • the quality of the insulation vacuum required corresponds to the domain commonly called “secondary vacuum", with a residual pressure level typically ranging between 10 -7 and 10 -4 mbar.
  • these components are mechanically fixed by parts such as fastening flanges which are made of a material very weak thermal conductor to limit thermal leakage by thermal conduction.
  • the circuit 6 provides a thermal link between the cryogenic machine 5 and the element 3 having the heat load.
  • Such a circuit 6 thus contributes to driving this thermal load to the cryogenic machine 5 in order to evacuate it. More specifically, when the element 3 generates this heat load in the fluid 4, the latter then causes an increase in the temperature of the refrigerant 4 in relation to its specific heat and its mass flow. This rise in temperature of the refrigerating fluid 4 may, however, remain moderate as a function of the magnitude of the mass flow rate of this fluid 4. Thereafter, when the refrigerant 4 conveying the heat load passes at the level of the cryogenic machine 5, it cools down. by depositing this thermal load and restarting for a new cycle.
  • such a circuit 6 is a closed calo-carrier loop which conveys the refrigerant fluid 4 between the cryogenic machine 5 and the element 3 having this thermal load.
  • the refrigerant 4 may be a gaseous or liquid type underpressure fluid which is maintained at a temperature below 5K.
  • this refrigerant fluid 4 is a liquid such as supercritical helium at a pressure of about 20 bar.
  • the refrigerant circulation circuit 6 is connected to the cryogenic machine 5.
  • This cryogenic machine 5 otherwise known as a " cryocooler”
  • Such a machine is used to produce cryogenic temperatures below 120K.
  • This cryogenic machine 5 comprises an exchange zone otherwise called “ cold end " which is intended to evacuate the heat load carried by the refrigerant 4 from the element 3 having generated such a load.
  • this cryogenic machine 5 is capable of delivering a low cooling capacity which is between 1 W and 10 W, depending on the desired temperature level.
  • the temperature delivered by the cryogenic machine 5 takes an equilibrium which is a function of the heat load to be evacuated.
  • the circulator 2 adapts to the temperature / thermal load torque of the user 3.
  • the refrigerant 4 is circulated in the circuit 6 by the circulator 2.
  • This circulator 2 visible on the figure 1 is preferably a mini-circulator 2 otherwise called “ cold mini-circulator " or " micro-circulator ".
  • This circulator 2 is defined to create a pressure difference in the fluid 4 necessary to overcome the pressure losses of the latter in the circuit 6.
  • This circulator 2 is a small device of generally cylindrical shape. It may have a length L between 70 and 100 mm, and preferably 70 mm and a substantially circular section of diameter of the order of 50 to 60 mm, and preferably 50 mm.
  • Such a circulator 2 is particularly suitable for delivering a hydraulic power of between 1 and 100 mW, and preferably 10 mW.
  • the circuit 6 will be sized to reduce this hydraulic power while maintaining the carrying capacity of the thermal load. Indeed, this hydraulic power corresponds to the friction power of the fluid 5 on the walls, which degrades into heat, which must be removed in addition to the thermal load of the user 3, and other losses as the currents of Foucault.
  • this circulator 2 is preferably arranged as closely as possible in the circuit 6 of the cryogenic machine 5 and in particular at the level of the of the exchange zone of this machine 5.
  • This circulator 2 mainly comprises a drive module 8a, 8b and a pumping module 9a, 9b provided with a centrifugal wheel 10 structurally defined to operate at cryogenic temperatures, as well as electric cables 11 supplying the drive module 8a, 8b.
  • the drive module 8a, 8b is magnetically coupled 51 to the pumping module 9a, 9b to animate the centrifugal wheel 10 in a rotary motion.
  • the magnetic coupling 51 constitutes a component of the circulator 2 which comprises components 18, 28, 29, 38, 39 of this circulator 2 which are described later and which participate in the transmission of a movement without mechanical contact, without input. of energy and without wear through an envelope 12 of the pump module 9a, 9b of this circulator 2.
  • This pumping module 9a, 9b thus comprises this envelope 12 which comprises a sealed enclosure 13 in which is included a drive shaft 14 of the centrifugal wheel 10.
  • a centrifugal wheel 10 is able to perform a rotary movement capable of causing a circulation of the refrigerant 4 in the circuit 6 and in particular in this chamber 13.
  • the refrigerant 4 is then sucked into this chamber 13 at an inlet opening 15a defined in the envelope 12 and discharged through an outlet opening 15b of this enclosure 13.
  • These openings 15a, 15b are connected to the circuit 6 respectively by inlet and outlet lines 16a, 16b of the circulator 2.
  • the inlet opening 15a has an axis a1 which coincides with central axes a2, a3 of the centrifugal wheel 10 and the drive shaft 14.
  • the outlet opening 15b it comprises an axis a4 which is preferably in u n plane perpendicular to the axis a1 of the inlet opening 15a.
  • the drive shaft 14 of the centrifugal wheel 10 is provided with two ends 17a, 17b, one of which, the first end 17a, includes this centrifugal wheel 10 fixed by gluing, casing or screwing.
  • This drive shaft 14 also comprises a magnetic rotor 18 provided with at least one magnetic element 19 in particular a single cylindrical permanent magnet, in particular a large permanent magnet or at least two permanent magnets of opposite polarities, for example two small permanent magnets.
  • the magnetic element 19 preferably has a magnetization which can be parameterized according to the torque required to drive the centrifugal wheel 10 in a rotational movement. In the present embodiment, this magnetization is partial because the required torque is low because the necessary hydraulic power is and the mechanical power to be exerted on the drive shaft 14 too. It will be noted that if the magnetization chosen is total instead of partial, the magnetic volume of the magnets is limited accordingly.
  • This envelope 12 of the pumping module 9a, 9b comprises a volute 20 and a housing 21.
  • This housing 21 otherwise known as a “ bell” or “ sealing bell “, is defined to house the magnetic rotor 18 mounted on the shaft. 14 and constitutes a portion of the casing 12 having the general shape of a cylindrical tube.
  • This housing 21 has characteristics related to a weak generation of eddy currents when exposed to a variable magnetic field. It is preferably of small thickness as it is described later. In addition, it has properties of resistance to internal pressure, particularly at pressures below 50 bar.
  • this housing 21 is made of metallic material having properties of low electrical conductivity, it can be for example stainless steel or titanium alloy retaining a low electrical conductivity over the entire operating temperature range, including 5K. Note that this metal material has a non-laminated structure, incompatible with the required seal.
  • the volute 20 comprises the inlet and outlet openings 15a, 15b of the enclosure 13 of this envelope 12.
  • This volute 20 defines a part of the enclosure 13 of the casing 12 in which the centrifugal wheel 10 is located. on the first end 17a of the drive shaft 14.
  • the housing 21 With regard to the housing 21, it also defines a portion of the enclosure 13 of the casing 12 in which is located the magnetic rotor 18 mounted on the shaft of training 14.
  • the pumping module 9a, 9b also comprises a bearing device 22 also called “ pivoting " supporting the drive shaft 14 of the centrifugal wheel 10 and which is located in the casing 12 partly in the volute 20 and in the casing 21.
  • This bearing device 22 is in particular defined to accommodate the forces resulting from the rotation of this drive shaft 14 provided with the centrifugal wheel 10.
  • This bearing device 22 comprises two bearings 23a, 23b or tread groups subsequently called first and second bearing 23a, 23b.
  • These bearings 23a, 23b which are precision bearings, can be of any known nature suitable for operating at cryogenic temperatures especially below 5K and withstand axial load and radial load, it can be for example cold bearings still called cryogenic bearings.
  • These bearings 23a, 23b make it possible to support, guide and center the drive shaft 14 in the casing 12 of the pumping module 9a, 9b.
  • the envelope 12 and in particular the housing 21 defines the enclosure 13 of the circulator 2.
  • the drive module 8a, 8b of the circulator 2 is arranged in this part.
  • this circulator 2 can be made according to two variants in which the driving and pumping modules 8a, 8b, 9a, 9b are different.
  • the envelope 12 may result from a sealed assembly of the volute 20 with the housing 21 or be a single piece.
  • the drive shaft 14 of the pumping module 9a arranged in this casing 12 extends from the top 24 of this casing 21 to the inlet opening 15a being supported by the bearing device 22 comprising the first and second bearings 23a, 23b.
  • these first and second bearings 23a, 23b are preferably cold bearings.
  • the first bearing 23a is mounted on the second end 17b of the drive shaft 14.
  • these first and second bearings 23a, 23b are arranged in such a way that a gap is defined between them for the arrangement of the magnetic rotor 18 on the drive shaft 14.
  • the magnetic rotor 18 is in this variant, arranged between these two bearings 23a, 23b.
  • the magnetic rotor 18 and all or part of the bearing device 22 are arranged in the casing 21 of the casing 12.
  • the drive module 8a comprises an electric motor 25 connected to a source of electrical energy by means of the electric cables 11.
  • This motor 25 may be chosen from electric motors of the state of the art such as as AC motors or DC brush or DC brushless motors also called “brushless” motor or “stepper”.
  • This motor 25 comprises a drive shaft 26 provided with a free end comprising a support element 27 of at least two magnetic elements 28 of opposite polarities, in particular at least two permanent magnets.
  • This drive shaft 26 comprises a central axis a5 which coincides with the axis a3 of the drive shaft 14.
  • This support element 27 is defined to surround the circumference of all or part of the housing 21.
  • This support element 27 may be circular or tubular, it may be for example a cap, a dome, a blind tube or a ring.
  • Each magnetic element 28 is arranged on a lateral portion 29 of this support element 27 facing a peripheral wall of the casing 21, so that central axes a7, a8 of each magnetic element 28 and the magnetic rotor 18 coincide. .
  • each magnetic element 28 and the magnetic rotor 18 are aligned with each other along these central axes a7, a8.
  • the casing 21 has a thin thickness of between 300 and 600 ⁇ m, and which is preferably 300 ⁇ m, so that the generation of eddy currents is minimized.
  • the air gap present between the magnetic rotor 18 and each magnetic element 28 of the support element 27 must be sufficiently small, for example of the order of a few millimeters at most, in order to ensure the magnetic coupling 51 between the modules. driving and pumping 8a, 9a.
  • the driving and pumping modules 8a, 9a are magnetically coupled 51 to one another via the support element 27 provided with at least two magnetic elements 28 of opposite polarities connected to the motor 25 by the motor shaft 26, and the magnetic rotor 18 mounted on the drive shaft 14 of the centrifugal wheel 10.
  • each magnetic element 28 of the support member 27 being rotated by the motor 25 of the module 8a causes the rotation of the centrifugal wheel 10 being coupled magnetically 51 to the magnetic rotor 18.
  • the envelope 12 is formed by the assembly of the volute 20 and the housing 21.
  • the housing 21 of the magnetic rotor 18 and the volute 20 are assembled with each other so as to define the enclosure 13 of the
  • the casing 20 and casing 21 each comprise a connection zone with the corresponding fixing flange 30 defined in the cryostat.
  • the connection zone is provided with a groove 31, 32 in which is located a seal member 33, 34 of O-ring type so that the sealing element 33, 34 is located between this connection zone. and the flange 30.
  • this O-ring may belong to the family of HELICOFLEX TM seals for sealing at cryogenic temperatures.
  • connection zone of the volute 20 is mechanically connected to the flange 30 by connecting elements 35 such as screws.
  • the sealing bell 21 of titanium alloy is welded to the flange 30 or cut into the mass with it.
  • This bearing device 22 is provided with a support component 36 in which are located these first and second bearings 23a, 23b and a prestressing spring 37 which keeps them axially spaced from each other in this component 36.
  • This component support 36 is mounted in part in the casing 21 so as to be held in a fixed position.
  • This support component 36 is located on the drive shaft 14 between the magnetic rotor 18 and the centrifugal wheel 10.
  • This centrifugal wheel 10 and this magnetic rotor 18 are in this variant respectively mounted on the first and second ends 17a, 17b of the drive shaft 14.
  • the magnetic rotor 18 and all or part of the bearing device 22 are arranged in the housing 21.
  • the drive module 8b comprises a magnetic stator 38 which may comprise at least two electromagnets 39 for creating a magnetic field rotating about the circumference of the housing 21 so as to cooperate with the magnetic rotor 18.
  • the stator magnetic device 38 is arranged at the peripheral wall of this casing 21, so that central axes a7, a9 of the magnetic stator 38 and the magnetic rotor 18 are merged. In other words, in such an arrangement, the stator and the magnetic rotor 38, 18 are aligned with each other along these central axes a7, a9.
  • the casing 21 has a fine thickness of between 300 and 600 ⁇ m, and which is preferably 300 ⁇ m, so that the generation of eddy currents is minimized.
  • the gap between the magnetic rotor 18 and the magnetic stator 38 must be sufficiently low, for example of the order of a few millimeters at most, to ensure sufficient magnetic coupling.
  • This magnetic stator 38 is connected to a source of electrical energy by means of the electric cables 11.
  • the control of the electrical power supply for varying the rotary movement of the centrifugal wheel 10 can be realized with or without rotor position sensor.
  • technologies without sensors (“ sensorless ”) known from the state of the art and which are based on the measurement of electrical parameters and / or parameters varying according to the position of the rotor can be implemented in the present invention.
  • the Hall effect probes conventionally used as position sensors in the Brushless motor do not operate at low temperature.
  • the magnetic stator 38 and the magnetic rotor 18 mounted on the drive shaft 14, although separated by the sealing bell 21, together form an electric motor, in particular an engine having operating characteristics which are similar to those of an engine running in particular of a synchronous motor of "brushless" motor type.
  • the driving and pumping modules 8b, 9b are magnetically coupled to each other by means of the magnetic stator 38 which is capable of generating a rotating field in the direction of the magnetic rotor 18 mounted on the shaft 14 to cause rotation of the centrifugal wheel 10.
  • the motor rotor is embedded in the fluid. This is made possible by interposing the housing 21 (or sealed bell) between the rotor and the stator. This makes it possible to simplify the magnetic coupling. Everything happens as if we were replacing an external magnetic coupler bell and its rotation motor by a single brushless motor stator.
  • the housing 21 (or sealed bell) is optimized. In particular, its thickness is reduced as much as the resistance to the internal pressure allows.
  • the housing is for example made of metal, especially stainless steel or titanium.
  • the crankcase material is chosen to be as resistive as possible according to the temperature range, in order to fight against the development of eddy currents generating heat load.
  • the sealed housing 21 between the rotor and the stator is for example made of a material with an electrical resistivity higher than 0.5 ⁇ .m -1 at the working temperature, that is to say at a temperature below 30K, or even below 25K.
  • An electrical insulating material will advantageously be used, provided that it provides the required sealing at cryogenic temperature (typically less than 30K, or even less than 25K), the circulator being surrounded by a secondary vacuum at 10 -6 mbar.
  • the sealed casing 21 between the rotor and the stator preferably has a diameter as small as possible (to limit the eddy currents), ideally less than or equal to 12 mm.
  • the sealed casing 21 between the rotor and the stator has a thickness as small as possible (to limit the eddy currents), for example less than or equal to 0.5 mm.
  • the stator operates under the same vacuum as previously evoked, namely of the order of 10 -6 mbar.
  • the thermal power of the stator (due to the Joule effect and various magnetic losses) is, for example, evacuated by contact of the stator with the housing 21, itself in thermal contact with the cryogenic fluid.
  • the stator is advantageously mounted just sliding on the housing.
  • the stator comprises a bore in which the housing 21 is housed.
  • a clearance of less than or equal to 0.05 mm may be provided between the casing and the stator, in particular between the casing and the stator bore. This reduced clearance makes it possible to ensure good heat transfer between the rotor and the casing 21.
  • the bore of the stator can be made by molding a synthetic material, for example an epoxy resin, in particular Stycast®.
  • the synthetic material can be loaded by a high thermal conductivity component to improve its thermal conductivity.
  • the rotational speed of the rotor is deliberately greatly reduced to reduce the eddy currents developed in the housing 21.
  • the rotational speed is as low as possible (to limit the eddy currents) .
  • the rotational speed is ideally less than 50 Hz.
  • it remains compatible with the production of a mass flow rate of cryogenic fluid sufficient.
  • the stator / rotor air gap is voluntarily increased and / or the magnets magnetization voluntarily reduced to fight against eddy currents.
  • the design of the engine is unusual here because we do not seek to obtain a motor the most efficient or the most efficient possible for a given amount of electrical energy. We seek here to obtain a motor that disturbs as little as possible the heat transfer loop, that is to say that heats the cryogenic fluid as little as possible.
  • the rotor-stator air gap is greater than strictly necessary to accommodate the sealed housing to reduce the value of the magnetic field at the housing. This limits the eddy currents.
  • the rotor-stator air gap is greater than 3 mm.
  • the diameter of the rotor is limited (to limit the eddy currents).
  • the diameter of the rotor is less than or equal to 6 mm.
  • the limitation of the magnetic volume must remain compatible with the production of a sufficient mechanical torque for the start of the centrifugal wheel, the residual friction in the bearing, as well as the hydraulic resisting torque.
  • the rotor comprises a dipole magnet of small diameter, for example less than 6 mm.
  • the presence of only two relatively distant poles (for example between 2 and 3 mm) of the sealed housing makes it possible to limit (at a given speed of rotation) the production of eddy currents by minimizing the magnetic field variations seen by the crankcase.
  • the motor is of the "brushless" type with a rotor with permanent magnets. Operation at cryogenic temperatures renders inoperative engine control based on Hall effect probes. The control of the motor is therefore preferably carried out “in open loop”.
  • the realization of the guide bearing of the centrifugal wheel is a critical element. Indeed, low temperatures prohibit any conventional lubrication.
  • the bearing is preferably made by dry bearings mounted in polychlorotrifluoroethylene rings, in particular Kel-F® or Neoflon®, or Vespel®, to keep a little flexibility with respect to the differential contraction of the various materials. when setting at very low temperature (typically less than 30K).
  • the pivoting comprises two "cryogenic" type bearings.
  • the play in these bearings at room temperature (300K) is important and is reduced by contraction of the components to arrive at an optimal value of good operation at the cryogenic working temperature (typically less than or equal to 30K).
  • the optimal operating clearance minimizes the rotational resistance torque of the centrifugal wheel and maximizes service life.
  • These bearings are chosen to be as small as possible, ideally with a diameter of less than 7 mm, in order to limit the friction torque and the need for engine torque.
  • the bearings are advantageously deep groove type and O mounting. Of course these bearings could also be X-mount.
  • the spring 37 exerts an axial preload on the two bearings, in particular an axial preload of 1 N.
  • the stiffness of the spring is chosen so that at very low temperature (typically lower at 30K), the value of this preload does not vary by more than 10% due to dimensional variations.
  • the mounting of the rotor is of the "cantilever" type, that is to say that the rotor is mounted cantilever with respect to the two bearings.
  • the circulator constitutes an isothermal or substantially isothermal assembly operating at the cryogenic working temperature ( typically less than or equal to 30K).
  • the circulator is advantageously installed at the same level, ie at the same altitude, as the cold source, in particular at the cold end 5 'of the cryogenic machine of the "pulsed gas tube” type.
  • the circulator is advantageously thermally coupled to the cold source. This coupling can be achieved by a copper bar.
  • the circulator is thus permanently maintained at the lowest temperature and the wheel thus always drives the coldest and densest fluid. This avoids the defusing of the circulator and / or the formation of "plugs" gas at the low points of the circuits.
  • the magnetic coupling 51 comprises said at least two magnetic elements 28 of opposite polarities arranged in the support element 27 and the rotor 18 mounted on the drive shaft 14
  • this magnetic coupling 51 comprises the stator magnetic device 38 arranged at the peripheral wall of this housing 21 and the rotor 18.
  • the centrifugal wheel 10 thus producing a rotary movement generates the circulation of the refrigerant 4 in the circuit 6 of the cryogenic installation 1, the fluid 4 is then sucked by the opening of 15a to circulate in the enclosure 13 of the casing 12 and be removed from the latter through the outlet opening 15b to the cryogenic machine 5.
  • the refrigerant 4 flows in the chamber 13, the d 14, the magnetic rotor 18 and the bearing device 22 with its bearings 23a, 23b are then immersed in this fluid 4.
  • the invention contributes to improving the operation of the cryogenic plant 1 at cryogenic temperatures below 120K, in particular by reducing the thermal losses resulting from the circulator 2.
  • the circulator 2 can be configured to operate in a cryogenic installation 1 in which the required hydraulic power and the mechanical power to be exerted on the drive shaft 14 are low.

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Abstract

L'invention concerne un circulateur (2) assurant une circulation d'un fluide frigorifique (4) dans un circuit (6) d'une installation cryogénique (1) depuis et vers un élément (3) présentant une charge thermique, le circulateur (2) comportant un module d'entraînement (8a, 8b) et un module de pompage (9a, 9b) pourvu d'une roue centrifuge (10), ledit module d'entraînement (8a, 8b) étant accouplé magnétiquement (51) audit module de pompage (9a, 9b) afin d'animer ladite roue centrifuge (10) d'un mouvement rotatif.

Description

  • La présente invention concerne un circulateur assurant la circulation d'un fluide frigorifique dans un circuit d'une installation cryogénique de type boucle cryogénique ainsi qu'une telle installation cryogénique comprenant ce circulateur.
  • On connaît dans l'état de la technique, des installations cryogéniques pour un refroidissement d'un élément présentant une charge thermique comprenant une machine cryogénique du type « tube à gaz puisé » connue en anglais sous l'expression « pulse tube » et un circuit reliant la machine cryogénique et ledit élément, et dans lequel circule un fluide frigorifique tel que de l'hélium ou encore de l'azote.
  • Dans ces installations, un tel fluide frigorifique est mis en mouvement par un circulateur dont le contrôle du fonctionnement est notamment assuré à partir de mesures de débit du fluide requérant l'utilisation d'un débitmètre thermique disposé dans le circuit de ces installations. Un tel circulateur comprend un compartiment principal dans lequel est agencé un moteur électrique pourvu d'un arbre moteur supporté par un dispositif palier de ce moteur comprenant des roulements, ledit arbre moteur comportant une extrémité sur laquelle est montée une roue centrifuge. Dans ce circulateur, des câbles électriques prévus pour alimenter le moteur, sont reliés à ce dernier à travers un passage étanche isolant ainsi un tel passage du compartiment principal dans lequel le moteur, le dispositif palier et la roue centrifuge baignent dans le fluide frigorifique.
  • Toutefois un des inconvénients de ces installations cryogéniques est lié au fait qu'elles ne sont pas adaptées à des applications pour lesquelles le fluide frigorifique doit être maintenu à des températures cryogéniques dites « basses » qui sont inférieures à 10K. En effet, à de telles températures, le circulateur présente de nombreux disfonctionnements et engendre également d'importantes pertes thermiques dans ces installations cryogéniques.
  • Effectivement, le moteur électrique d'un tel circulateur est configuré pour fonctionner à une température d'utilisation qui correspond à la température ambiante. Dès lors, que cette température d'utilisation s'approche de températures cryogéniques basses, le moteur est alors sujet à des anomalies de fonctionnement qui peuvent se traduire par exemple par un blocage du mouvement de rotation de l'arbre moteur et donc de la roue centrifuge résultant d'une solidification intervenant à de telles températures d'un lubrifiant utilisé dans les roulements du dispositif palier de ce moteur, et des jeux trop faibles (contractions thermiques).
  • De plus, lorsque le circulateur fonctionne à de telles températures cryogéniques basses, des phénomènes de convection naturelle interne provenant de la circulation du fluide dans le compartiment principal de ce circulateur, engendrent de très importants échanges thermiques entre la zone du compartiment où se trouve le moteur à une température en moyenne supérieure de 250K à la température régnant dans la zone de ce compartiment où est située la roue centrifuge. Ces échanges thermiques ont pour conséquence d'engendrer des pertes thermiques considérables dans ces installations cryogéniques qui rendent alors l'utilisation d'un tel circulateur incompatible avec le fonctionnement de ces installations à de telles températures.
  • Un des buts de l'invention est donc de remédier aux inconvénients cités précédemment et d'améliorer les installations cryogéniques connues de l'état de la technique. En particulier, l'invention propose une installation cryogénique définie pour fonctionner de manière optimale dans une large gamme de températures cryogéniques notamment à des températures cryogéniques basses inférieure ou égale à 30K voire moins et par exemple de l'ordre de 5K.
  • Dans ce dessein, l'invention porte sur un circulateur assurant une circulation d'un fluide frigorifique dans un circuit d'une installation cryogénique depuis et vers un élément présentant une charge thermique, le circulateur comportant un module d'entraînement et un module de pompage pourvu d'une roue centrifuge, ledit module d'entraînement étant accouplé magnétiquement audit module de pompage afin d'animer ladite roue centrifuge d'un mouvement rotatif.
  • Dans d'autres modes de réalisation :
    • le module de pompage comprend un arbre d'entraînement comportant un rotor magnétique ainsi que ladite roue centrifuge en une première extrémité ;
    • le module de pompage comprend un dispositif palier supportant un arbre d'entraînement de la roue centrifuge comprenant des premier et deuxième roulements notamment des roulements cryogéniques ;
    • le module de pompage comprend une enveloppe définissant une enceinte étanche dans laquelle est compris un arbre d'entraînement de la roue centrifuge ;
    • l'enveloppe comprend un carter du rotor magnétique et une volute ;
    • le module d'entraînement est un moteur électrique comprenant un arbre moteur pourvu d'une extrémité libre comprenant un élément de support d'au moins deux éléments magnétiques de polarités opposées notamment d'au moins deux aimants permanents ;
    • l'élément de support est défini pour entourer une circonférence de tout ou partie d'un carter d'un rotor magnétique d'une enveloppe du module de pompage de manière à coopérer avec ledit rotor magnétique ;
    • un rotor magnétique est agencé entre des premier et deuxième roulements d'un dispositif palier en étant monté sur un arbre d'entraînement de la roue centrifuge ;
    • le module d'entraînement comprend un stator magnétique notamment comportant au moins deux électroaimants agencé autour d'une circonférence de tout ou partie d'un carter d'un rotor magnétique d'une enveloppe du module de pompage de manière à coopérer avec ledit rotor magnétique ;
    • le stator magnétique et le rotor magnétique monté sur l'arbre d'entraînement forment ensemble un moteur électrique présentant des caractéristiques de fonctionnement sensiblement similaires à celles d'un moteur tournant, et
    • le circulateur est un mini-circulateur.
  • L'invention porte également sur une installation cryogénique pour un refroidissement d'un élément présentant une charge thermique comprenant un tel circulateur assurant une circulation d'un fluide frigorifique dans un circuit de cette installation cryogénique depuis et vers ledit élément.
  • Avantageusement, l'installation cryogénique comprend au moins une machine cryogénique de type tube à gaz pulsé et une unité de compression et de contrôle.
  • Avantageusement aussi, l'installation cryogénique comprend un cryostat pourvu d'une enceinte entretenue sous un vide d'isolement.
  • De manière particulière, le cryostat comprend le circulateur, la machine cryogénique et le circuit.
  • Un circulateur selon un aspect de l'invention est défini par la revendication 1.
  • Des modes de réalisation de ce circulateur sont définis par les revendications 2 à 7.
  • Une installation cryogénique selon un aspect de l'invention est définie par la revendication 8.
  • Des modes de réalisation de cette installation sont définis par les revendications 9 à 12.
  • D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront mieux à la lecture de la description d'un mode de réalisation préféré qui va suivre, en référence aux figures, réalisé à titre d'exemple indicatif et non limitatif :
    • la figure 1 représente une installation cryogénique de type boucle cryogénique pour le refroidissement d'un élément recevant une charge thermique, selon le mode de réalisation de l'invention, et
    • les figures 2A et 2B représentent des vues schématiques de modules d'entraînement et de pompage des première et deuxième variantes du circulateur, selon le mode de réalisation de l'invention.
  • Dans la description qui va suivre, des chiffres de référence identiques désignent des pièces identiques ou ayant des fonctions similaires.
  • Un mode de réalisation de l'installation cryogénique 1 de type boucle cryogénique, pour un refroidissement d'un élément 3 présentant une charge thermique selon l'invention est décrit ci-après en référence à la figure 1. Une telle installation cryogénique 1 est configurée pour fonctionner à toutes les températures cryogéniques par exemple inférieures à 30K ou 25K notamment à des températures cryogéniques dites « basses » qui sont inférieures à 5K ou 10K. Dans cette installation cryogénique 1, l'élément 3 autrement appelé « utilisateur », peut être un dispositif ou un objet à refroidir qui génère ou reçoit cette charge thermique.
  • L'installation cryogénique 1 comprend principalement l'élément 3 présentant la charge thermique, un circulateur 2, un circuit 6 dans lequel circule un fluide frigorifique 4 et une machine cryogénique 5.
  • Cette installation cryogénique 1 comprend également une unité de compression et de contrôle 7 reliée à la machine cryogénique 5. Cette installation cryogénique 1 peut comprendre un cryostat (non représenté) dans lequel sont situées les composantes suivantes de cette installation 1 : le circulateur 2, la machine cryogénique 5 et une partie du circuit 6. On notera que ces composantes sont bien entendu connectées à ce circuit 6. Un tel cryostat comprend une enceinte entretenue sous un vide dynamique encore appelé « vide d'isolement » pour minimiser les pertes thermiques par convection et conduction gazeuses. On notera que ce vide d'isolement du cryostat entoure la totalité du circulateur 2 contribuant ainsi à ce que le circulateur 2 est maintenu à une température sensiblement constante correspondant à une température cryogénique basse par exemple de 5K voire moins. On notera que la qualité du vide d'isolement requis correspond au domaine appelé couramment "vide secondaire", avec un niveau de pression résiduelle compris typiquement entre 10-7 et 10-4 mbar.
  • Dans le cryostat, ces composants sont fixés mécaniquement par des pièces telles que des brides de fixation qui sont réalisées en un matériau très faiblement conducteur thermique permettant de limiter les fuites thermiques par conduction thermique.
  • Dans l'installation cryogénique 1, le circuit 6 réalise un lien thermique entre la machine cryogénique 5 et l'élément 3 présentant la charge thermique. Un tel circuit 6 contribue ainsi à conduire cette charge thermique vers la machine cryogénique 5 afin de l'évacuer. Plus précisément, lorsque l'élément 3 génère cette charge thermique dans le fluide 4, cette dernière provoque alors une élévation de la température du fluide frigorifique 4 en relation avec sa chaleur spécifique et son débit massique. Cette élévation de température du fluide frigorifique 4 peut toutefois rester modérée en fonction de l'importance du débit massique de ce fluide 4. Par la suite lorsque le fluide frigorifique 4 véhiculant la charge thermique passe au niveau de la machine cryogénique 5, il se refroidit en déposant cette charge thermique et repart pour un nouveau cycle. Dans ce contexte, on notera qu'un tel circuit 6 est une boucle calo-porteuse fermée qui véhicule le fluide frigorifique 4 entre la machine cryogénique 5 et l'élément 3 présentant cette charge thermique.
  • Dans ce circuit 6 de l'installation cryogénique 1, le fluide frigorifique 4 peut être un fluide sous-pression de type gazeux ou liquide qui est maintenu à une température inférieure à 5K. Dans le présent mode de réalisation, ce fluide frigorifique 4 est un liquide tel que de l'hélium supercritique à une pression d'environ 20 bars.
  • Dans cette installation cryogénique 1, le circuit 6 de circulation du fluide frigorifique 4 est relié à la machine cryogénique 5. Cette machine cryogénique 5 autrement appelée « cryoréfrigérateur », est de préférence du type tube à gaz pulsé connu en anglais sous l'expression « puise tube ». Une telle machine est utilisée pour produire des températures cryogéniques inférieures à 120K. Cette machine cryogénique 5 comprend une zone d'échange autrement appelée « bout froid » qui est destinée à évacuer la charge thermique véhiculée par le fluide frigorifique 4 provenant de l'élément 3 ayant généré une telle charge. Dans ce mode de réalisation, cette machine cryogénique 5 est apte à délivrer une faible puissance frigorifique qui est comprise entre 1 W et 10 W environ, suivant le niveau de température souhaité. La température délivrée par la machine cryogénique 5 prend un équilibre qui est fonction de la charge thermique à évacuer. Le circulateur 2 s'adapte au couple température/charge thermique de l'utilisateur 3.
  • Ainsi que nous l'avons vu précédemment, le fluide frigorifique 4 est mis en circulation dans le circuit 6 par le circulateur 2. Ce circulateur 2 visible sur la figure 1 est de préférence un mini-circulateur 2 autrement appelé « mini-circulateur froid » ou encore « micro-circulateur ». Ce circulateur 2 est défini pour créer une différence de pression dans le fluide 4 nécessaire à vaincre les pertes de charge de circulation de ce dernier dans le circuit 6. Ce circulateur 2 est un appareil de petite taille de forme générale cylindrique. Il peut présenter une longueur L comprise entre 70 et 100 mm, et de préférence 70 mm ainsi qu'une section sensiblement circulaire de diamètre de l'ordre de 50 à 60 mm, et de préférence 50 mm. Un tel circulateur 2 est particulièrement adapté pour délivrer une puissance hydraulique comprise entre 1 et 100 mW, et de préférence de 10 mW. Le circuit 6 sera dimensionné pour réduire cette puissance hydraulique tout en conservant la capacité de transport de la charge thermique. En effet, cette puissance hydraulique correspond à la puissance de friction du fluide 5 sur les parois, laquelle se dégrade en chaleur, qu'il faut évacuer en plus de la charge thermique de l'utilisateur 3, et des autres pertes comme les courants de Foucault.
  • Dans le cryostat, ce circulateur 2 est de préférence agencé au plus près dans le circuit 6 de la machine cryogénique 5 et en particulier au niveau de la zone d'échange de cette machine 5. Ce circulateur 2 comprend principalement un module d'entraînement 8a, 8b et un module de pompage 9a, 9b pourvu d'une roue centrifuge 10 définie structurellement pour fonctionner à des températures cryogéniques, ainsi que des câbles électriques 11 alimentant le module d'entraînement 8a, 8b. Dans ce circulateur 2, le module d'entraînement 8a, 8b est accouplé magnétiquement 51 au module de pompage 9a, 9b afin d'animer la roue centrifuge 10 d'un mouvement rotatif. L'accouplement magnétique 51 constitue une composante du circulateur 2 qui comprend des composantes 18, 28, 29, 38, 39 de ce circulateur 2 qui sont décrites par la suite et qui participent à la transmission d'un mouvement sans contact mécanique, sans apport d'énergie et sans usure au travers d'une enveloppe 12 du module de pompage 9a, 9b de ce circulateur 2.
  • Ce module de pompage 9a, 9b comprend donc cette enveloppe 12 qui comporte une enceinte 13 étanche dans laquelle est compris un arbre d'entraînement 14 de la roue centrifuge 10. Une telle roue centrifuge 10 est apte à réaliser un mouvement rotatif susceptible d'entraîner une circulation du fluide frigorifique 4 dans le circuit 6 et en particulier dans cette enceinte 13. Lors de cette circulation, le fluide frigorifique 4 est alors aspiré dans cette enceinte 13 au niveau d'une ouverture d'entrée 15a définie dans l'enveloppe 12 et évacué par une ouverture de sortie 15b de cette enceinte 13. Ces ouvertures 15a, 15b sont reliées au circuit 6 respectivement par des conduites d'entrée et de sortie 16a, 16b du circulateur 2. On notera que l'ouverture d'entrée 15a présente un axe a1 qui est confondu avec des axes centraux a2, a3 de la roue centrifuge 10 et de l'arbre d'entraînement 14. S'agissant de l'ouverture de sortie 15b, elle comprend un axe a4 qui est de préférence dans un plan perpendiculaire à l'axe a1 de l'ouverture d'entrée 15a. Dans cette enveloppe 12, l'arbre d'entraînement 14 de la roue centrifuge 10 est pourvu de deux extrémités 17a, 17b dont une, la première extrémité 17a, comprend cette roue centrifuge 10 fixée par collage, emboîtage ou encore vissage. Cet arbre d'entraînement 14 comporte également un rotor magnétique 18 pourvu d'au moins un élément magnétique 19 notamment un aimant permanent cylindrique unique en particulier un gros aimant permanent ou encore au moins deux aimants permanents de polarités opposées par exemple deux petits aimants permanents. L'élément magnétique 19 présente de préférence une aimantation qui peut être paramétrée selon le couple requis pour entraîner la roue centrifuge 10 dans un mouvement de rotation. Dans le présent mode de réalisation, cette aimantation est partielle car le couple requis est faible du fait que la puissance hydraulique nécessaire le soit et la puissance mécanique à exercer sur l'arbre d'entraînement 14 aussi. On notera que si l'aimantation choisie est totale au lieu de partielle, on limite le volume magnétique des aimants en conséquence.
  • Cette enveloppe 12 du module de pompage 9a, 9b comprend une volute 20 et un carter 21. Ce carter 21 autrement appelé « cloche » ou encore « cloche d'étanchéité », est défini pour loger le rotor magnétique 18 monté sur l'arbre d'entraînement 14 et constitue une partie de l'enveloppe 12 ayant la forme générale d'un tube cylindrique. Ce carter 21 présente des caractéristiques liées à une génération faible de courants de Foucault lorsqu'il est exposé à un champ magnétique variable. Il est de préférence de faible épaisseur comme il est décrit par la suite. De plus, il présente des propriétés de résistance à la pression interne notamment à des pressions inférieures à 50 bars. En complément, ce carter 21 est en matériau métallique présentant des propriétés de faible conductivité électrique, il peut être par exemple en inox ou encore en alliage de titane conservant une faible conductivité électrique sur toute la gamme de températures de travail, y compris à 5K. On notera que ce matériau métallique présente une structure non feuilletée, incompatible avec l'étanchéité requise.
  • La volute 20 comprend les ouvertures d'entrée et de sortie 15a, 15b de l'enceinte 13 de cette enveloppe 12. Cette volute 20 définit une partie de l'enceinte 13 de l'enveloppe 12 dans laquelle est agencée la roue centrifuge 10 située sur la première extrémité 17a de l'arbre d'entraînement 14. S'agissant du carter 21, il définit également une partie de l'enceinte 13 de cette enveloppe 12 dans laquelle est situé le rotor magnétique 18 monté sur l'arbre d'entraînement 14.
  • Le module de pompage 9a, 9b comporte également un dispositif palier 22 encore appelé « pivoterie » supportant l'arbre d'entraînement 14 de la roue centrifuge 10 et qui est situé dans l'enveloppe 12 en partie dans la volute 20 et dans le carter 21. Ce dispositif palier 22 est notamment défini pour encaisser les efforts résultant de la rotation de cet arbre d'entraînement 14 pourvu de la roue centrifuge 10. Ce dispositif palier 22 comprend deux roulements 23a, 23b ou groupes de roulement appelés par la suite premier et de deuxième roulement 23a, 23b. Ces roulements 23a, 23b qui sont des roulements de précision, peuvent être de toutes natures connues appropriées pour fonctionner à des températures cryogéniques notamment inférieures à 5K et supporter une charge axiale et une charge radiale, il peut s'agir par exemple de roulements froids encore appelés roulements cryogéniques. Ces roulements 23a, 23b permettent de supporter, guider et centrer l'arbre d'entraînement 14 dans l'enveloppe 12 du module de pompage 9a, 9b.
  • Dans le circulateur 2, l'enveloppe 12 et en particulier le carter 21 délimite l'enceinte 13 de ce circulateur 2. Le module d'entraînement 8a, 8b de ce circulateur 2 est agencé dans cette partie.
  • En référence aux figures 1, 2A et 2B, ce circulateur 2 peut être réalisé selon deux variantes dans lesquelles les modules d'entraînement et de pompage 8a, 8b, 9a, 9b sont différents.
  • Dans la première variante dont les modules d'entraînement et de pompage 8a, 9a sont visibles sur la figure 2A, l'enveloppe 12 peut résulter d'un assemblage étanche de la volute 20 avec le carter 21 ou encore être une pièce monobloc. L'arbre d'entraînement 14 du module de pompage 9a agencé dans cette enveloppe 12, s'étend du sommet 24 de ce carter 21 vers l'ouverture d'entrée 15a en étant supporté par le dispositif palier 22 comprenant les premier et deuxième roulements 23a, 23b. Dans cette variante, ces premier et deuxième roulements 23a, 23b sont de préférence des roulements froids. Sur cet arbre d'entraînement 14, le premier roulement 23a est monté sur la deuxième extrémité 17b de l'arbre d'entraînement 14. Sur cet arbre d'entraînement 14, ces premier et deuxième roulements 23a, 23b sont agencés de manière à ce qu'un écart est défini entre eux pour l'agencement du rotor magnétique 18 sur l'arbre d'entraînement 14. Autrement dit, le rotor magnétique 18 est dans cette variante, agencé entre ces deux roulements 23a, 23b. Dans cette configuration, on notera que le rotor magnétique 18 et tout ou partie du dispositif palier 22 sont agencés dans la carter 21 de l'enveloppe 12.
  • Dans cette variante, le module d'entraînement 8a comporte un moteur électrique 25 relié à une source d'énergie électrique par l'intermédiaire des câbles électriques 11. Ce moteur 25 peut être choisi parmi des moteurs électriques de l'état de la technique tels que des moteurs à courant alternatif ou courant continu à balais ou encore des moteurs à courant continu sans balai encore appelé « moteur brushless » ou moteur « pas à pas ». Ce moteur 25 comprend un arbre moteur 26 pourvu d'une extrémité libre comprenant un élément de support 27 d'au moins deux éléments magnétiques 28 de polarités opposées notamment d'au moins deux aimants permanents. Cet arbre moteur 26 comprend un axe central a5 qui est confondu avec l'axe a3 de l'arbre d'entraînement 14. Cet élément de support 27 est défini pour entourer la circonférence de tout ou partie du carter 21. Cet élément de support 27 peut être de forme circulaire ou tubulaire, il peut s'agir par exemple d'une calotte, d'une coupole, d'un tube borgne ou encore d'un anneau. Chaque élément magnétique 28 est agencé sur une partie latérale 29 de cet élément de support 27 en regard avec une paroi périphérique du carter 21, de manière à ce que des axes centraux a7, a8 de chaque élément magnétique 28 et du rotor magnétique 18 sont confondus. Autrement dit, dans un tel agencement, chaque élément magnétique 28 et le rotor magnétique 18 sont alignés entre eux suivant ces axes centraux a7, a8. Dans ce contexte, on notera que la carter 21 présente une épaisseur fine comprise entre 300 et 600 µm, et qui est de préférence de 300 µm et ce, de sorte que la génération de courants de Foucault soit minimisée. L'entrefer présent entre le rotor magnétique 18 et chaque élément magnétique 28 de l'élément de support 27 doit être suffisamment faible par exemple de l'ordre de quelques millimètres au maximum, afin d'assurer l'accouplement magnétique 51 entre les modules d'entraînement et de pompage 8a, 9a.
  • Ainsi dans cette configuration, les modules d'entraînement et de pompage 8a, 9a sont accouplés magnétiquement 51 entre eux par l'intermédiaire de l'élément de support 27 pourvu d'au moins deux éléments magnétiques 28 de polarités opposées relié au moteur 25 par l'arbre moteur 26, et le rotor magnétique 18 monté sur l'arbre d'entraînement 14 de la roue centrifuge 10. Effectivement, chaque élément magnétique 28 de l'élément de support 27 en étant mis en rotation par le moteur 25 du module d'entraînement 8a provoque la mise en rotation de la roue centrifuge 10 en étant accouplé magnétiquement 51 au rotor magnétique 18.
  • Dans la deuxième variante dont les modules d'entraînement et de pompage 8b, 9b sont visibles sur la figure 2B, l'enveloppe 12 est formée par l'assemblage de la volute 20 et du carter 21. Le carter 21 du rotor magnétique 18 et la volute 20 sont assemblés l'un avec l'autre de manière à définir l'enceinte 13 de l'enveloppe 12. Pour ce faire, la volute 20 et le carter 21 comprennent chacun une zone de liaison avec la bride de fixation 30 correspondante définie dans le cryostat. La zone de liaison est pourvue d'une gorge 31, 32 dans laquelle est situé un élément d'étanchéité 33, 34 de type joint torique de manière à ce que l'élément d'étanchéité 33, 34 est localisé entre cette zone de liaison et la bride 30. On notera que ce joint torique peut appartenir à la famille de joints HELICOFLEX™ permettant d'assurer une étanchéité aux températures cryogéniques.
  • La zone de liaison de la volute 20 est reliée mécaniquement à la bride 30 par des éléments de liaison 35 tels que des vis. La cloche d'étanchéité 21 en alliage de titane est soudée à la bride 30 ou taillée dans la masse avec elle.
  • L'arbre d'entraînement 14 du module de pompage 9b agencé dans cette enveloppe 12, s'étend du sommet 24 du carter 21 vers l'ouverture d'entrée 15a en étant supporté par le dispositif palier 22 comprenant les premier et deuxième roulements 23a, 23b. Ce dispositif palier 22 est pourvu d'une composante de support 36 dans laquelle sont situés ces premier et deuxième roulements 23a, 23b et un ressort 37 de précontrainte qui les maintient axialement écartés l'un de l'autre dans cette composante 36. Cette composante de support 36 est montée en partie dans le carter 21 de manière à être maintenu dans une position fixe. Cette composante de support 36 est située sur l'arbre d'entraînement 14 entre le rotor magnétique 18 et la roue centrifuge 10. Cette roue centrifuge 10 et ce rotor magnétique 18 sont dans cette variante respectivement montés sur les première et deuxième extrémités 17a, 17b de l'arbre d'entraînement 14. Dans cette configuration, on notera que le rotor magnétique 18 et tout ou partie du dispositif palier 22 sont agencés dans le carter 21.
  • Dans cette variante, le module d'entraînement 8b comporte un stator magnétique 38 pouvant comprendre au moins deux électro-aimants 39 permettant de créer un champ magnétique tournant autour de la circonférence du carter 21 de manière à coopérer avec le rotor magnétique 18. Le stator magnétique 38 est agencé au niveau de la paroi périphérique de ce carter 21, de manière à ce que des axes centraux a7, a9 de ce stator magnétique 38 et du rotor magnétique 18 sont confondus. Autrement dit, dans un tel agencement, le stator et le rotor magnétique 38, 18 sont alignés entre eux suivant ces axes centraux a7, a9. Dans ce contexte, on notera que le carter 21 présente une épaisseur fine comprise entre 300 et 600 µm, et qui est de préférence de 300 µm et ce, de sorte que la génération de courants de Foucault soit minimisée. L'entrefer présent entre le rotor magnétique 18 et le stator magnétique 38 doit être suffisamment faible, par exemple de l'ordre de quelques millimètres au maximum, afin d'assurer un couplage magnétique suffisant.
  • Ce stator magnétique 38 est relié à une source d'énergie électrique par l'intermédiaire des câbles électriques 11. On notera que le contrôle de l'alimentation électrique permettant de faire varier le mouvement rotatif de la roue centrifuge 10 peut être réalisé avec ou sans capteur de position rotorique. En particulier, des technologies sans capteurs (« sensorless ») connues de l'état de la technique et qui sont basées sur la mesure de paramètres électriques et/ou de paramètres variant en fonction de la position du rotor peuvent être mises en oeuvre dans la présente invention. On notera que les sondes à effet Hall utilisées classiquement comme capteurs de position dans les moteur Brushless ne fonctionnent pas à basse température.
  • Dans cette configuration, on notera que dans cette variante du circulateur 2, le stator magnétique 38 et le rotor magnétique 18 monté sur l'arbre d'entraînement 14, bien que séparés par la cloche d'étanchéité 21, forment ensemble un moteur électrique, notamment un moteur présentant des caractéristiques de fonctionnement qui sont similaires à celles d'un moteur tournant en particulier d'un moteur synchrone de type moteur « brushless ».
  • Ainsi, dans cette deuxième variante, les modules d'entraînement et de pompage 8b, 9b sont accouplés magnétiquement entre eux par l'intermédiaire du stator magnétique 38 qui est apte à générer un champ tournant en direction du rotor magnétique 18 monté sur l'arbre d'entraînement 14 afin de provoquer la mise en rotation de la roue centrifuge 10.
  • Dans la deuxième variante, le rotor du moteur est noyé dans le fluide. Ceci est rendu possible en interposant le carter 21 (ou cloche étanche) entre le rotor et le stator. Ceci permet de simplifier l'accouplement magnétique. Tout se passe comme si l'on remplaçait une cloche externe de coupleur magnétique et son moteur de mise en rotation par un unique stator de moteur brushless.
  • De préférence, dans la deuxième variante, le carter 21 (ou cloche étanche) est optimisé. En particulier, son épaisseur est réduite autant que le permet la tenue à la pression interne. Le carter est par exemple réalisé en métal, notamment en inox ou titane. Le matériau du carter est choisi pour être aussi résistif que possible selon la plage de température, afin de lutter contre le développement de courants de Foucault générateurs de charge thermique. Le carter étanche 21 entre le rotor et le stator est par exemple réalisé dans un matériau à résistivité électrique supérieure à 0,5 µΩ.m-1 à la température de travail, c'est-à-dire à une température inférieure à 30K, voire inférieure à 25K. Un matériau isolant électrique sera avantageusement utilisé, du moment qu'il procure l'étanchéité requise à température cryogénique (typiquement inférieure à 30K, voire inférieure à 25K), le circulateur étant entouré par un vide secondaire à 10-6 mbar.
  • Le carter étanche 21 entre le rotor et le stator a de préférence un diamètre aussi petit que possible (pour limiter les courants de Foucault), idéalement inférieur ou égal à 12 mm.
  • Le carter étanche 21 entre le rotor et le stator a une épaisseur aussi faible que possible (pour limiter les courants de Foucault), par exemple inférieure ou égale à 0,5 mm.
  • De préférence, dans la deuxième variante, le stator fonctionne sous un même vide qu'évoqué précédemment, à savoir de l'ordre de 10-6 mbar. La puissance thermique du stator (due à l'effet Joule et à des pertes magnétiques diverses) est donc par exemple évacuée par contact du stator avec le carter 21, lui-même en contact thermique avec le fluide cryogénique. Pour cela, le stator est avantageusement monté juste glissant sur le carter. Ainsi, le stator comprend un alésage dans lequel est logé le carter 21. Par exemple, un jeu inférieur ou égal à 0.05 mm peut être prévu entre le carter et le stator, notamment entre le carter et l'alésage du stator. Ce jeu réduit permet d'assurer un bon transfert de chaleur entre le rotor et le carter 21. L'alésage du stator peut être réalisé par un moulage d'un matériau synthétique, par exemple une résine epoxy, en particulier Stycast®. Le matériau synthétique peut être chargé par un constituant à forte conductivité thermique pour améliorer sa conductivité thermique.
  • De préférence, dans la deuxième variante, la vitesse de rotation du rotor est volontairement fortement réduite pour réduire les courants de Foucault développés dans le carter 21. Par exemple, la vitesse de rotation est aussi basse que possible (pour limiter les courants de Foucault). En particulier, la vitesse de rotation est idéalement inférieure à 50Hz. Elle reste toutefois compatible avec la production d'un débit massique de fluide cryogénique suffisant.
  • De préférence, dans la deuxième variante, l'entrefer stator/rotor est volontairement augmenté et/ou l'aimantation des aimants volontairement réduite pour lutter contre les courants de Foucault. La conception du moteur est ici inhabituelle car on ne cherche pas obtenir un moteur le plus performant ou le plus efficace possible pour une quantité d'énergie électrique donnée. On cherche ici à obtenir un moteur qui perturbe le moins possible la boucle caloporteuse, c'est-à-dire qui chauffe le moins possible le fluide cryogénique. Par exemple, l'entrefer rotor-stator est plus grand que strictement nécessaire pour y loger le carter étanche afin de diminuer la valeur du champ magnétique au niveau du carter. Ceci permet de limiter les courants de Foucault. Par exemple, l'entrefer rotor-stator est supérieur à 3 mm.
  • De préférence, dans la deuxième variante, dans le même but, le diamètre du rotor est limité (pour limiter les courants de Foucault). Par exemple, le diamètre du rotor est inférieur ou égal à 6 mm. La limitation du volume magnétique doit demeurer compatible avec la production d'un couple mécanique suffisant pour le démarrage de la roue centrifuge, les frottements résiduels dans le palier, ainsi que le couple résistant hydraulique. Avantageusement, le rotor comprend un aimant dipolaire de faible diamètre, par exemple inférieur à 6 mm. La présence de seulement deux pôles, relativement éloignés (par exemple entre 2 et 3 mm) du carter étanche permet de limiter (à vitesse de rotation donnée) la production de courants de Foucault en minimisant les variations de champ magnétique vues par le carter.
  • De préférence, dans la deuxième variante, le moteur est du type "brushless" avec un rotor à aimants permanents. Le fonctionnement à températures cryogéniques rend inopérant un pilotage du moteur basé sur des sondes à effet Hall. Le pilotage du moteur est donc de préférence réalisé "en boucle ouverte".
  • Dans les différentes variantes, la réalisation du palier de guidage de la roue centrifuge est un élément critique. En effet, les basses températures interdisent toute lubrification classique. Ainsi, le palier est de préférence réalisé par des roulements secs montés dans des bagues en polychlorotrifluoroéthylène, notamment en Kel-F® ou Neoflon®, ou en Vespel®, pour garder un peu de souplesse vis à vis de la contraction différentielle des divers matériaux lors de la mise à très basse température (typiquement inférieure à 30K).
  • De préférence, dans la deuxième variante, la pivoterie est constituée par deux roulements de type "cryogéniques". Les jeux dans ces roulements à température ambiante (300K) sont importants et sont réduits par contraction des composants pour arriver à une valeur optimale de bon fonctionnement à la température cryogénique de travail (typiquement inférieure ou égale à 30K). Le jeu optimal de fonctionnement minimise le couple de résistance à la rotation de la roue centrifuge et maximise la durée de vie. Ces roulements sont choisis de taille aussi petite que possible, idéalement de diamètre inférieur à 7 mm, afin de limiter le couple de frottement et le besoin en couple moteur. Les roulements sont avantageusement du type à gorge profonde et à montage en O. Bien entendu ces roulements pourraient être aussi à montage en X.
  • De préférence, dans le deuxième mode de réalisation, le ressort 37 exerce une précharge axiale sur les deux roulements, notamment une précharge axiale de 1 N. La raideur du ressort est choisie de façon qu'à la mise à très basse température (typiquement inférieure à 30K), la valeur de cette précharge ne varie pas de plus de 10% par suite des variations dimensionnelles.
  • De préférence, dans le deuxième mode de réalisation, le montage du rotor est du type "cantilever", c'est-à-dire que le rotor est monté en porte à faux par rapport aux deux roulements.
  • De préférence, dans le deuxième mode de réalisation, contrairement à certains circulateurs industriels dont le moteur reste à température ambiante quand la roue et la volute sont à température cryogénique, le circulateur constitue un ensemble isotherme ou sensiblement isotherme fonctionnant à la température cryogénique de travail (typiquement inférieure ou égale à 30K). Le circulateur est avantageusement installé au même niveau, soit à la même altitude, que la source froide, en particulier au bout froid 5' de la machine cryogénique de type « tube à gaz pulsé ». Par ailleurs, le circulateur est avantageusement couplé thermiquement à la source froide. Ce couplage peut être réalisé par un barreau de cuivre. Le circulateur est ainsi en permanence maintenu à la température la plus basse et la roue entraîne ainsi toujours le fluide le plus froid et le plus dense. On évite ainsi des désamorçages du circulateur et/ou la formation de « bouchons » gazeux au niveau des points bas des circuits.
  • Dans le circulateur 2, on notera que dans la première variante, l'accouplement magnétique 51 comprend lesdits au moins deux éléments magnétiques 28 de polarités opposées agencés dans l'élément de support 27 et le rotor 18 monté sur l'arbre d'entraînement 14. Concernant la deuxième variante, cet accouplement magnétique 51 comprend le stator magnétique 38 agencé au niveau de la paroi périphérique de ce carter 21 et le rotor 18.
  • De plus, dans ces deux variantes du circulateur 2, la roue centrifuge 10 en réalisant ainsi un mouvement rotatif engendre la circulation du fluide frigorifique 4 dans le circuit 6 de l'installation cryogénique 1, le fluide 4 est alors aspiré par l'ouverture d'entrée 15a pour circuler dans l'enceinte 13 de l'enveloppe 12 et être évacué de cette dernière par l'ouverture de sortie 15b vers la machine cryogénique 5. Lorsque le fluide frigorifique 4 circule dans l'enceinte 13, l'arbre d'entraînement 14, le rotor magnétique 18 et le dispositif palier 22 avec ses roulements 23a, 23b baignent alors dans ce fluide 4.
  • Ainsi l'invention contribue à améliorer le fonctionnement de l'installation cryogénique 1 à des températures cryogéniques inférieures à 120K, notamment en réduisant les pertes thermiques résultant du circulateur 2. De plus dans cette invention, le circulateur 2 peut être configuré pour fonctionner dans une installation cryogénique 1 dans laquelle la puissance hydraulique requise et la puissance mécanique devant être exercée sur l'arbre d'entraînement 14 sont faibles.

Claims (12)

  1. Circulateur (2) assurant une circulation d'un fluide frigorifique (4) dans un circuit (6) d'une installation cryogénique (1) depuis et vers un élément (3) présentant une charge thermique, le circulateur (2) comportant un module d'entraînement (8a, 8b) et un module de pompage (9a, 9b) pourvu d'une roue centrifuge (10), ledit module d'entraînement (8a, 8b) étant accouplé magnétiquement (51) audit module de pompage (9a, 9b) afin d'animer ladite roue centrifuge (10) d'un mouvement rotatif, caractérisé en ce que le module de pompage (9a, 9b) comprend une enveloppe (12) définissant une enceinte (13) étanche dans laquelle est compris un arbre d'entraînement (14) de la roue centrifuge (10) et en ce que l'enveloppe (12) comprend un carter (21) du rotor magnétique (18) et une volute (20).
  2. Circulateur (2) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le module de pompage (9a, 9b) comprend l'arbre d'entraînement (14) comportant un rotor magnétique (18) ainsi que ladite roue centrifuge (10) en une première extrémité (17a).
  3. Circulateur (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le module de pompage (9a, 9b) comprend un dispositif palier (22) supportant l'arbre d'entraînement (14) de la roue centrifuge (10) et comprenant des premier et deuxième roulements (23a, 23b), notamment des roulements cryogéniques.
  4. Circulateur (2) selon la revendication 3, caractérisé en ce que le rotor magnétique (18) est agencé à l'extérieur des deux roulements (23a, 23b) du dispositif palier (22) en étant monté sur l'arbre d'entraînement (14) de la roue centrifuge (10).
  5. Circulateur (2) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le module d'entraînement (8b) comprend un stator magnétique (38), notamment un stator magnétique comportant au moins deux électroaimants (39), agencé autour d'une circonférence de tout ou partie du carter (21) du rotor magnétique (18) de l'enveloppe (12) du module de pompage (9b) de manière à coopérer avec ledit rotor magnétique (18).
  6. Circulateur (2) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le stator magnétique (38) et le rotor magnétique (18) monté sur l'arbre d'entraînement (14) forment ensemble un moteur électrique, notamment un moteur présentant des caractéristiques de fonctionnement sensiblement similaires à celles d'un moteur tournant.
  7. Circulateur (2) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circulateur est un mini-circulateur.
  8. Installation cryogénique (1) pour un refroidissement d'un élément (3) présentant une charge thermique comprenant un circulateur (2) selon l'une quelconque des revendications précédentes assurant une circulation d'un fluide frigorifique (4) dans un circuit (6) de cette installation cryogénique (1) depuis et vers ledit élément (3).
  9. Installation cryogénique (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins une machine cryogénique (5) de type tube à gaz pulsé et une unité de compression et de contrôle (7).
  10. Installation cryogénique (1) selon l'une quelconque des revendications 8 et 9, caractérisée en ce qu'elle comprend un cryostat pourvu d'une enceinte entretenue sous un vide d'isolement.
  11. Installation cryogénique (1) selon la revendication précédente, caractérisée en ce que le cryostat comprend le circulateur (2), la machine cryogénique (5) et le circuit (6).
  12. Installation cryogénique (1) selon l'une des revendications 8 à 11, caractérisée en ce qu'elle comprend une source froide (5'), notamment un bout froid (5') d'une machine cryogénique de type « tube à gaz pulsé », le circulateur étant monté au même niveau ou à la même altitude que la source froide, en particulier la roue centrifuge étant montée au même niveau ou à la même altitude que le bout froid (5') de la machine cryogénique de type « tube à gaz pulsé ».
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