FR2776762A1 - Dispositif de liaison thermique pour machine cryogenique - Google Patents
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Abstract
Le dispositif de liaison thermique entre une extrémité, à température cryogénique, d'un doigt froid (10) de machine frigorifique et une charge comprend une plaque (20) placée en face de l'extrémité, destinée à être reliée à la charge, découplée mécaniquement de l'extrémité et définissant avec elle un intervalle (22) de condensation et de vaporisation. Une paroi (26) définit une enceinte incorporant l'intervalle et entourant au moins l'extrémité du doigt froid et la partie du doigt froid proche de l'extrémité, ladite enceinte étant occupée par du gaz ayant une température de condensation choisie en fonction de la température cryogénique à donner à la charge.
Description
DISPOSITIF DE LIAISON THERMIQUE POUR MACHINE CRYOGENIQUE
La présente invention a pour objet un dispositif de liaison thermique entre l'extrémité du doigt froid d'une machine frigorifique et une charge qui doit être portée à une
température cryogénique lors de son utilisation.
L'invention trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, lorsque la machine
frigorifique fonctionne en utilisant le cycle de Stirling.
Elle est toutefois également utilisable lorsque cette machine utilise un autre cycle fermé ou même un cycle ouvert, par
exemple le cycle de Joule Thomson.
Les machines ci-dessus fournissent le froid à l'extrémi-
té, généralement constituées par un couvercle épais, d'un doigt froid dont la base est directement ou indirectement en contact avec un environnement à température élevée. Pour réduire les pertes par conduction, on utilise un tube à paroi très mince en un matériau ayant une faible conductibilité thermique, tel que l'acier inoxydable ou le titane. Le tube, étant mince, présente une très faible tenue mécanique et une très faible raideur. Tout effort exercé sur son extrémité peut en conséquence déformer le doigt froid, ce qui a des conséquences particulièrement graves lorsque ce doigt contient un élément mobile, ce qui est le cas des machines
à cycles de Stirling.
On a en conséquence cherché à réaliser des dispositifs de liaison thermique qui tout à la fois ont une faible résistance thermique et n'appliquent que de faibles efforts sur l'extrémité du doigt froid. On a notamment réalisé des dispositifs de liaison thermique constitués par une tresse en fils de cuivre ayant une masse et une raideur aussi faibles que possible. Cette solution n'est toutefois pas pleinement satisfaisante. Une tresse de masse et de raideur faibles a une résistance thermique élevée. Pour assembler la tresse sur le couvercle du doigt froid, il faut accéder
directement à ce doigt et à la charge, ce qui est difficile-
ment compatible avec la réalisation d'une isolation thermique performante. La fragilité du doigt froid rend l'assemblage délicat. Pour que la tresse ait la souplesse requise elle doit avoir une longueur et un volume important ce qui augmente l'encombrement. Certaines applications, et notamment celles dans des systèmes militaires ou spatiaux, rendent particulièrement difficile la réalisation d'un dispositif de liaison thermique à tresse acceptable, par suite de dilatations thermiques différentielles ou de vibrations qui se traduisent par des déplacements relatifs importants entre les éléments reliés thermiquement. L'utilisation d'une tresse thermique a un inconvénient supplémentaire lorsqu'une même charge est refroidie par deux machines, cela pour assurer une redondance. Si une machine est arrêtée, par exemple par suite d'une panne, la fuite thermique parasite par le doigt froid de cette machine, qui reste en liaison thermique avec la charge, s'ajoute à la
puissance requise par la charge.
L'invention vise notamment à fournir un dispositif de liaison thermique pour machine cryogénique répondant mieux que ceux antérieurement connus aux exigences de la pratique,
notamment en réduisant le gradient thermique entre l'extrê-
mité du doigt froid et la charge, en évitant une liaison mécanique entre le doigt froid et la charge et en permettant une réalisation de faible masse et de faible volume avec
moins de contraintes d'assemblage.
Dans ce but l'invention propose notamment un dispositif de liaison thermique entre une extrémité, à température cryogénique, d'un doigt froid de machine frigorifique et une charge, caractérisé en ce qu'il comprend une plaque placée en face de l'extrémité,destinée à être reliée à la charge, découplée mécaniquement de l'extrémité et définissant avec elle un intervalle de condensation et de vaporisation et en ce qu'il comprend également une paroi définissant une enceinte incorporant ledit intervalle et entourant au moins l'extrémité du doigt froid et la partie du doigt froid proche de l'extrémité, ladite enceinte étant occupée par au moins un gaz ayant une température de condensation choisie en
fonction de la température cryogénique à donner à la charge.
La paroi déformable peut notamment être constituée par un soufflet de révolution à paroi mince, reliant une embase du doigt froid et la plaque de vaporisation. Il sera en effet généralement préférable d'éviter une fixation directe du soufflet sur le doigt froid, dont 1' épaisseur est très
faible, généralement de l'ordre du dixième de mm.
L'intervalle de condensation et de vaporisation peut être
constitué par un simple jeu entre deux faces planes d'épais-
seur sensiblement constante. Ce jeu sera généralement de 1
à 2 mm. Dans ce cas il y a croissance de goutte sur l'extré-
mité du doigt froid jusqu'à ce que la goutte vienne au contact de la plaque. Elle commence alors à se vaporiser et les gaz formés s'échappent à l'extérieur du jeu. Pour réduire l'entraînement des gouttes en formation vers l'extérieur par les gaz, un élément de pompage par capillarité peut être interposé entre l'extrémité du doigt et la plaque et dans ce cas l'épaisseur de l'intervalle peut aller jusqu'à 10 mm environ. Cet élément de pompage peut avoir des constitutions diverses. Il peut être constitué par une pastille de matériau poreux formant mèche, occupant l'intervalle compris entre l'extrémité du doigt froid et la plaque. Cette pastille peut notamment être en feutre de silice, ou de fibre de verre, voire même en matière synthétique, avec des pores de quelques dizaines de microns de diamètre. La circulation du liquide à partir de la périphérie peut également être facilitée par
des sillons gravés dans l'extrémité.
La plaque peut être prolongée par une chemise entourant la partie terminale du doigt froid pour éviter l'entraînement de gouttelettes de liquide en dehors de l'intervalle par le
gaz provenant de la vaporisation.
Des moyens d'isolement thermique, généralement constitués par un vase Dewar, seront prévus autour de l'enceinte et de
la charge pour réduire les pertes thermiques. Un tel isole-
ment n'est cependant plus nécessaire lorsque le dispositif est destiné à fonctionner dans l'espace, o règne un vide poussé. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres
apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit
d'un mode particulier de réalisation, donné à titre d'exemple
non limitatif. La description se réfère à la figure unique
qui l'accompagne et qui est une vue en coupe du dispositif.
Le dispositif représenté schématiquement sur la figure comprend un tube mince 10 dont une extrémité est fixée à une embase 12 appartenant à la machine cryogénique et dont l'autre extrémité est fermée par un couvercle 14, qui sera généralement plus épais que la paroi cylindrique du tube. En général ce couvercle sera rapporté. Il peut cependant être d'une seule pièce avec le reste du tube. En général, la paroi latérale du tube est constituée en un matériau à faible coefficient de transmission thermique, par exemple en acier inoxydable, en titane ou en alliage à base de titane. Dans le cas d'une machine destinée à fournir une puissance de réfrigération de 1W à 90K, dans une ambiance à température maximale de 300K, le doigt froid peut par exemple avoir un diamètre de 12 mm, une épaisseur de 0,1 mm et une longueur
d'environ 60 mm.
Le dispositif représenté sur la figure est destiné à refroidir une charge contenue dans un cryostat sous vide. Ce cryostat comporte une enveloppe externe 16, par exemple en
verre ayant une face interne argentée pour être réfléchis-
sante. Cette enveloppe externe 16 est fixée sur l'embase 12
par des moyens non représentés et l'étanchéité entre l'am-
biance et un volume 30 qui sera défini plus loin est assurée par un joint torique 18. Une zone annulaire 19 de l'enveloppe destinée à la fixation et à la liaison étanche peut être
épaissie pour augmenter sa rigidité.
Le dispositif de liaison thermique comprend une plaque de diamètre légèrement supérieur à celui du couvercle 14, présentant une face en regard de celle du couvercle. Cette
plaque peut être en métal à forte conductivité thermique.
Elle est prévue pour être reliée rigidement à la charge à refroidir (non représentée). La plaque peut être fixée également à une cloison 24 qu'on peut regarder comme l'enve-
loppe interne du cryostat. Cette enveloppe est fixée mécani-
quement à l'enveloppe externe 16 en des emplacements non indiqués sur la figure. Une paroi souple, représentée sous
forme d'un soufflet métallique 26, relie le fond de l'enve-
loppe 24, portée par la plaque 20, à la zone annulaire 19 de renfort de l'enveloppe externe 16. Elle sépare ainsi un espace sous vide 28 d'un volume interne 30 entourant le doigt froid 10. Du fait de la souplesse du soufflet, les pièces 20 et 24, liées mécaniquement à la charge d'utilisation, restent libres par rapport aux mouvements relatifs que peuvent avoir par rapport à elles les pièces 18 et 16 et donc l'extrémité
du doigt froid 14.
Le volume interne 30 est occupé par du gaz choisi en fonction de la température à laquelle doit être portée la plaque 20. On peut notamment utiliser l'azote, l'oxygène, l'air ou l'argon. Ce dernier gaz présente l'intérêt d'être un gaz neutre et d'avoir une courbe de saturation légèrement au-dessus de celle de l'azote, d'o une pression plus faible
lorsque la température du volume 30 est celle de l'environne-
ment sur terre, pour une quantité de liquide prédéterminée à 90K dans l'enceinte 30. Souvent on prévoira un réservoir ballast 32 relié au volume 30, de façon à limiter la pression du gaz contenu dans le volume 30 lorsque la température est
celle de l'environnement.
On donnera généralement à l'intervalle 22 une épaisseur
nominale comprise entre 1 et 10 mm, suivant que cet inter-
valle est libre ou occupé par un organe poreux formant mèche de circulation de liquide par capillarité. L'épaisseur de l'intervalle pourra également être choisie en fonction de la précision de positionnement que l'on peut espérer lors de l'assemblage et des risques de déplacement en fonctionnement,
par exemple à la suite d'accélérations ou de vibrations.
Pour éviter que des gouttes formées sur le couvercle 14 ne soient entraînées vers une partie plus chaude du doigt froid, la plaque 20 est avantageusement prolongée par une chemise 34 entourant la partie terminale du doigt froid. Pour que le gaz ne se liquéfie que contre le couvercle 14, en face de la plaque 20, la partie terminale de la paroi latérale du doigt froid peut être isolée par un manchon 36 en matériau
isolant thermique, sur une longueur de l'ordre du centimètre.
Ce manchon peut notamment être en matériau expansé à porosité fermée. Le fonctionnement du dispositif est alors le suivant, lorsque l'ensemble représenté sur la figure est initialement à la température ambiante. Le volume 30 est alors entièrement rempli de gaz. Lorsque la machine frigorifique fonctionne, la température du gaz diminue progressivement. Finalement elle atteint, à l'extrémité du doigt froid, la température de liquéfaction. Des gouttes de gaz liquéfié se forment et s'accumulent contre le couvercle 14 et grossissent jusqu'à ce qu'elles touchent la plaque 20. Si la plaque 20 est alors à une température supérieure à la température d'ébullition du liquide à la pression qui règne dans le volume 30, la goutte se vaporise au contact de la plaque en absorbant de la chaleur. La vapeur se recondense sur le couvercle 14 et le cycle se poursuit jusqu'à ce que la température de la
plaque 20 atteigne celle de l'extrémité du doigt froid.
L'intervalle 22 se remplit alors complètement de liquide qui se vaporisera de nouveau si le transfert thermique par conduction du liquide est insuffisant pour maintenir la
plaque 20 en-dessous de la température d'ébullition. L'inter-
valle 22 peut jouer le râle du condenseur d'un caloduc utilisant le même gaz que celui présent dans le volume 30 et distribuant le froid dans la plaque 20 et si nécessaire la
paroi 24.
Dans certains cas, on aura intérêt à utiliser un mélange de gaz dans le volume 30 pour que le lien thermique puisse fonctionner dans une plus large gamme de température: par exemple, on prendra un mélange d'argon, de méthane, de gas carbonique et d'ammoniaque pour couvrir un domaine allant de l'ambiance à - 180 C. Ainsi, quelle que soit la température de la charge d'utilisation, l'un au moins de ces gaz sera dans son domaine d'ébullition, alors que les autres seront sous forme gazeuse, liquide ou solide et n'interviendront que par conduction dans le transfert thermique. Cette possibilité peut être intéressante pour les applications fonctionnant à des temperatures variables ou pour faciliter le transitoire de mise en froid du système, en permettant l'amorçage du lien thermique à des températures plus élevées que la température
nominale d'utilisation.
Le gradient thermique entre le couvercle et la plaque est très faible, le flux d'ébullition étant habituellement de 1 à 10 W/cm2, même sous micro-gravité. Aucune force n'est exercée par la charge sur l'extrémité du doigt froid, puisqu'il n'y a pas de liaison mécanique entre la plaque et le doigt froid. L'écart nominalentre le couvercle et la
plaque peut être choisi à une valeur suffisante pour compen-
ser toute tolérance de fabrication et tout déplacement relatif. Du fait que les tolérances sont élevées, le doigt froid peut être facilement intégré dans un système. La plaque ne constitue qu'une sur-longueur faible, habituellement
inférieure à 10 mm.
Dans le cas d'un système ayant une charge munie de deux machines pour créer une redondance, les fuites thermiques générées par une machine défaillante sont très réduites, car l'arrêt de cette machine provoque l'échauffement du doigt froid, la vaporisation du liquide et la réduction des transferts thermiques qui ne se feront plus qu'en mode conductif au travers de la vapeur, entre le couvercle et la plaque. Comme il a été indiqué plus haut, des moyens peuvent être prévus pour réaliser un pompage de liquide vers le centre du
couvercle. On peut en particulier prévoir des moyens utili-
sant les forces capillaires, tels des sillons radiaux amenant le gaz liquéfié de la périphérie du couvercle vers son centre.
Lorsque le dispositif est destiné à fonctionner unique-
ment dans l'espace, donc sous vide, le cryostat peut être omis et dans ce cas le soufflet 26 relie simplement une plaque annulaire fixée de façon étanche à l'embase 12 (ou
l'embase elle-même) à un fond prolongeant la plaque 20.
Claims (11)
1. Dispositif de liaison thermique entre une extrémité, à température cryogénique, d'un doigt froid de machine frigorifique et une charge, caractérisé en ce qu'il comprend une plaque placée en face de l'extrémité, destinée à être reliée à la charge, découplée mécaniquement de l'extrémité et définissant avec elle un intervalle de condensation et de vaporisation et en ce qu'il comprend également une paroi définissant une enceinte incorporant ledit intervalle et entourant au moins l'extrémité du doigt froid et la partie du doigt froid proche de l'extrémité, ladite enceinte étant
occupée par au moins un gaz ayant une température de conden-
sation choisie en fonction de la température cryogénique à
donner à la charge.
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intervalle (22) est constitué par un simple jeu
entre deux faces planes d'épaisseur sensiblement constante.
3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'intervalle (22) est occupé par un élément de pompage
par capillarité.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément de pompage est une pastille de matériau poreux formant mèche, occupant l'intervalle compris entre
l'extrémité du doigt froid et la plaque.
5. Dispositif selon l'une quelqueconque des revendica-
tions 1 à 4, caractérisé en ce que la plaque (20) est prolongée par une chemise entourant la partie terminale du doigt froid pour éviter l'entraînement de gouttelettes de liquide en dehors de l'intervalle par le gaz provenant de la vaporisation.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par un manchon isolant thermique (36) entourant la partie
terminale du doigt froid.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
1 à 6, caractérisé en ce que la paroi déformable est consti-
tuée par un soufflet de révolution à paroi mince, reliant une
embase du doigt froid et la plaque de vaporisation.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
1 à 7, caractérisé en ce que des moyens d'isolement thermique sont prévus autour de l'enceinte et de la charge.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
1 à 8, caractérisé en ce que l'enceinte est occupée par un mélange de plusieurs gaz ayant des températures d'ébullition différentes.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications
1 à 9, caractérisées en ce que l'intervalle (22) est dimen-
sionné pour constituer un condenseur de caloduc.
11. Système comportant une charge d'utilisation et deux machines frigorifiques, caractérisé en ce que chaque machine
est reliée à la charge par un interface selon l'une quelcon-
que des revendications 1 à 10.
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