FR3064353A1 - Installation cryogenique comprenant un systeme de determination d'un debit massique d'un fluide cryogenique - Google Patents
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Abstract
L'invention porte sur un système de détermination (1a, 1b) d'un débit massique d'un fluide cryogénique (4) circulant dans un circuit (6) d'une installation cryogénique (2), le système de détermination (1a, 1b) comprenant au moins deux dispositifs de mesure de température (8a, 8b) du fluide cryogénique (4) ainsi qu'un dispositif d'émission d'un flux de chaleur (9, 16) dans ce fluide (4), lesdits au moins deux dispositifs de mesure (8a, 8b) étant structurellement définis pour un montage en doigt de gant dans un tronçon (10) prédéfini du circuit (6).
Description
® RÉPUBLIQUE FRANÇAISE
INSTITUT NATIONAL DE LA PROPRIÉTÉ INDUSTRIELLE © N° de publication : 3 064 353 (à n’utiliser que pour les commandes de reproduction) (© N° d’enregistrement national : 17 52491
COURBEVOIE © IntCI8
G 01 F1/76 (2017.01), F25 D 17/02, 13/00
DEMANDE DE BREVET D'INVENTION A1
| ©) Date de dépôt : 24.03.17. | © Demandeur(s) : COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATO- |
| (30) Priorité : | MIQUE ETAUX ENERGIES ALTERNATIVES — FR. |
| @ Inventeur(s) : VIARGUES FRANÇOIS, MARZO | |
| GERARD et ROLLET BERTRAND. | |
| (43) Date de mise à la disposition du public de la | |
| demande : 28.09.18 Bulletin 18/39. | |
| ©) Liste des documents cités dans le rapport de | |
| recherche préliminaire : Se reporter à la fin du | |
| présent fascicule | |
| (© Références à d’autres documents nationaux | ® Titulaire(s) : COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATO- |
| apparentés : | MIQUE ET AUX ENERGIES ALTERNATIVES. |
| ©) Demande(s) d’extension : | (© Mandataire(s) : NOVAIMO. |
FR 3 064 353 - A1
INSTALLATION CRYOGENIQUE COMPRENANT UN SYSTEME DE DETERMINATION D'UN DEBIT MASSIQUE D'UN FLUIDE CRYOGENIQUE.
_ L'invention porte sur un système de détermination (1a,
b) d'un débit massique d'un fluide cryogénique (4) circulant dans un circuit (6) d'une installation cryogénique (2), le système de détermination (1a, 1b) comprenant au moins deux dispositifs de mesure de température (8a, 8b) du fluide cryogénique (4) ainsi qu'un dispositif d'émission d'un flux de chaleur (9, 16) dans ce fluide (4), lesdits au moins deux dispositifs de mesure (8a, 8b) étant structurellement définis pour un montage en doigt de gant dans un tronçon (10) prédéfini du circuit (6).
1a,1b
INSTALLATION CRYOGÉNIQUE COMPRENANT UN SYSTÈME DE DÉTERMINATION D’UN DÉBIT MASSIQUE D’UN FLUIDE CRYOGÉNIQUE
La présente invention concerne un système de détermination d’un débit massique d’un fluide cryogénique circulant dans un circuit d’une installation cryogénique de type boucle cryogénique ainsi qu’une telle installation cryogénique comprenant ce système.
L’invention concerne aussi un procédé de détermination de ce débit massique.
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 pulsé » connue en anglais sous l’expression « puise tube » et un circuit reliant la machine cryogénique et ledit élément, et dans lequel circule un fluide cryogénique tel que de l’hélium ou encore de l’azote.
Dans ces installations, un tel fluide cryogénique est mis en mouvement par un circulateur dont le contrôle du fonctionnement est notamment assuré à partir d’un système de détermination d’un débit massique du fluide comprenant classiquement un débitmètre thermique disposé dans le circuit de ces installations.
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 cryogénique doit être maintenu à des températures cryogéniques dites «basses» qui sont inférieures à 10K. En effet, à de telles températures, le débitmètre thermique classique présente de nombreux disfonctionnements qui rendent son utilisation incompatible avec le fonctionnement de ces installations. En effet, ce débitmètre thermique requiert que la température du tronçon du circuit où il est situé soit nécessairement maintenue à une température voisine de la température ambiante pour pouvoir réaliser la mesure du débit du fluide dans le circuit de ces installations. Une telle méthode de mesure intrinsèquement liée à ce débitmètre thermique engendre de manière évidente des pertes thermiques importantes dans des installations cryogéniques fonctionnant à de telles températures cryogéniques basses, même si un échangeuréconomiseur à contre-courant est utilisé.
Un des buts de l’invention est donc de remédier aux inconvénients cités précédemment. En particulier, l’invention propose une installation cryogénique pourvue d’un système de détermination du débit massique contribuant à assurer un fonctionnement optimal de cette installation dans une large gamme de températures cryogéniques notamment à des températures cryogéniques basses de l’ordre de 10 K voire moins.
Dans ce dessein, l’invention porte sur un système de détermination d’un débit massique d’un fluide cryogénique circulant dans un circuit d’une installation cryogénique, le système de détermination comprenant au moins deux dispositifs de mesure de température du fluide cryogénique ainsi qu’un dispositif d’émission d’un flux de chaleur dans ce fluide, lesdits au moins deux dispositifs de mesure étant structurellement définis pour un montage en doigt de gant dans un tronçon prédéfini du circuit.
Dans d’autres modes de réalisation :
- lesdits au moins deux dispositifs de mesure de température comprennent chacun un corps creux de type doigt de gant contribuant au montage du dispositif de mesure correspondant dans le tronçon du circuit ;
- le corps creux comprend une enceinte étanche dans laquelle est agencée une sonde de mesure de température ;
- une sonde de mesure de température est disposée dans une extrémité libre dudit corps creux, ladite extrémité étant définie pour être agencée à l’intérieur d’une canalisation du tronçon de manière à ce que le fluide cryogénique puisse circuler au contact de cette extrémité ;
- une extrémité libre dudit corps creux est métallique ;
- le corps creux a une forme tubulaire ;
- le corps creux comprend des éléments de fixation permettant de lier mécaniquement ce corps creux à une paroi d’une canalisation de ce tronçon du circuit ;
- les éléments de fixation réalisent une liaison mécanique étanche entre le corps creux et la paroi et/ou présentent une conductivité thermique faible ;
- le dispositif d’émission est agencé entre lesdits au moins deux dispositifs de mesure de température de ce fluide cryogénique ;
- le dispositif d’émission comporte un échangeur notamment un échangeur thermique à faibles pertes de charge comprenant une chaufferette électrique ;
- le dispositif d’émission d’un flux de chaleur dans le fluide est agencé en amont desdits au moins deux dispositifs de mesure de température de ce fluide cryogénique relativement au sens de circulation du fluide dans le tronçon ;
- le dispositif d’émission comporte un dispositif de marquage thermique du fluide cryogénique (4) circulant dans le tronçon 10 de ce circuit ;
- le dispositif de marquage thermique comprend un élément d’émission d'un puise thermique de courte durée dans le fluide cryogénique, et
- le système comprend une unité de contrôle connectée aux dits au moins deux dispositifs de mesure ainsi qu’au dispositif d’émission.
L’invention porte également sur une installation cryogénique pour un refroidissement d’un élément présentant une charge thermique comprenant un circulateur assurant une circulation d’un fluide cryogénique dans un circuit de cette installation cryogénique depuis et vers ledit élément ainsi qu’un tel système de détermination d’un débit massique dudit fluide cryogénique.
Avantageusement, cette installation comprend au moins une machine cryogénique de type tube à gaz pulsé et une unité de contrôle.
L’invention porte aussi sur un procédé de détermination d’un débit massique d’un fluide cryogénique circulant dans un circuit de l’installation cryogénique mis en œuvre par le système de détermination, le procédé comprenant une étape d’émission d’un flux de chaleur dans le fluide et une étape de détermination d’un échauffement dudit fluide.
Avantageusement, le procédé comprend une étape d’évaluation du débit massique à partir d’opérations de calcul réalisées notamment sur la base de réchauffement déterminé.
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 ;
la figure 2 représente une vue en perspective d’un tronçon du circuit de l’installation cryogénique comprenant une première variante d’un système de détermination d’un débit massique, selon le mode de réalisation de l’invention ;
la figure 3 représente une vue d’une coupe longitudinale d’une partie du tronçon représentée sur la figure 2, comprenant la première variante du système de détermination du débit massique pourvue d’un échangeur à chaufferette, selon le mode de réalisation de l’invention ;
la figure 4 représente une vue schématique du tronçon du circuit de l’installation cryogénique comprenant une deuxième variante du système de détermination du débit massique pourvue d’un dispositif de marquage thermique, selon le mode de îo réalisation de l’invention ;
la figure 5 représente un dispositif de mesure de température monté en doigt de gant dans le tronçon du circuit compris dans les première et deuxième variantes du système de détermination du débit massique, selon le mode de réalisation de l’invention, et
- la figure 6 représente un organigramme des différentes étapes d’un procédé de détermination d’un débit massique, 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 2 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 2 est configurée pour fonctionner à toutes les températures cryogéniques par exemple inférieures à 30 K notamment à des températures cryogéniques dites « basses » qui sont inférieures à 10 K. Dans cette installation cryogénique
2, 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 2 comprend principalement l’élément 3 présentant la charge thermique, un circulateur 2, un circuit 6 dans lequel circule un fluide cryogénique 4, un système de détermination 1a, 1b d’un débit massique dudit fluide cryogénique 4 et une machine cryogénique 5.
Cette installation cryogénique 2 comprend également une unité de compression et de contrôle 7 reliée à la machine cryogénique 5. Cette installation cryogénique 2 peut comprendre un cryostat (non représenté) dans lequel sont situés sous vide les composants suivants de cette îo installation 2: le circulateur 2, le système de détermination 1a, 1b du débit massique, la machine cryogénique 5 et une partie du circuit 6. On notera que ces composants sont bien entendu connectés 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.
Dans ce cryostat, ces composants sont fixés mécaniquement par des pièces telles que des brides de fixation qui sont réalisées en un matériau présentant une conductivité thermique faible permettant de limiter les fuites thermiques par conduction thermique.
Dans cette installation cryogénique 2, 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 6 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 cryogénique 4 en relation avec sa chaleur spécifique et son débit massique. Cette élévation de température du fluide cryogénique 4 peut toutefois rester modérée en fonction de l’importance du débit massique de ce fluide 4. Par la suite, lorsque le fluide cryogénique 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 cryogénique 4 entre la machine cryogénique 5 et l’élément 3 présentant cette charge thermique.
Dans ce circuit 6 de l’installation cryogénique 2, le fluide cryogénique 4 peut être un fluide sous-pression de type gazeux, liquide, ou supercritique qui est maintenu à une température inférieure à 5 K. Dans le présent mode de réalisation, ce fluide cryogénique 4 est de l’hélium supercritique à une pression d’environ 20 bars.
Dans cette installation cryogénique 2, le circuit 6 de circulation du fluide cryogénique 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 120 K. 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 cryogénique 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, 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 cryogénique 4 est mis en circulation dans le circuit 6 par le circulateur 2. Ce circulateur 2 visible sur la figure 1 peut être un mini-circulateur 2 autrement appelé « mini3064353 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.
On notera que dans ce mode de réalisation, le circulateur 2 peut être particulièrement adapté pour délivrer une puissance hydraulique comprise entre 1 et 100 mW, et de préférence de 10 mW. Dans ces conditions, le circuit 6 est alors dimensionné pour réduire cette puissance hydraulique tout en conservant la capacité de transport de la charge thermique. En îo effet, cette puissance hydraulique correspond à la puissance de friction du fluide sur les parois du circuit 6, laquelle se dégrade en chaleur, et qu'il faut évacuer en plus de la charge thermique de l'utilisateur 3.
Dans le cryostat, le 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.
Dans cette installation cryogénique 2, le système de détermination 1a, 1b du débit massique visible sur les figures 1 à 5, comprend au moins deux dispositifs de mesure 8a, 8b de la température du fluide cryogénique 4 agencés sur un tronçon 10 prédéfini du circuit 6 de l'installation 2, un dispositif d’émission 9, 16 d’un flux de chaleur dans le fluide 4 ainsi que l’unité de compression et de contrôle 7 qui réalise des opérations de calcul notamment à partir des données de mesure reçues des dispositifs de mesure 8a, 8b.
Cette unité 7 est connectée aux dits moins deux dispositifs de mesure 8a, 8b de température notamment à des sondes 12 de température comprises dans ces dispositifs 8a, 8b, ainsi qu’au dispositif d’émission 9,
16 d’un flux de chaleur dans le fluide.
Chaque dispositif de mesure 8a, 8b de la température est structurellement défini pour un montage en doigt de gant dans le tronçon 10 du circuit 6. Plus précisément, le dispositif de mesure 8a, 8b comprend un corps creux 14 qui est du type doigt de gant propre à permettre la réalisation d’un tel montage du dispositif de mesure 8a, 8b dans le tronçon 10. Ce corps creux 14 présente une forme générale qui est tubulaire et comprend une enceinte étanche 19 dans laquelle est agencée la sonde de mesure de température 12, ajustée dans un alésage prévu à cet effet. Ce corps creux 14 est pourvu d’éléments de fixation permettant îo de le lier mécaniquement à une paroi d’une canalisation 13 de ce tronçon 10. Avantageusement, ces éléments de fixation qui représentent la seule zone de contact entre le corps creux 14 et la paroi de la canalisation 13, réalisent une liaison mécanique étanche entre ce corps creux 14 et cette paroi. De plus ces éléments de fixation présentent une conductivité thermique faible contribuant ainsi à assurer une isolation thermique optimale entre ce corps creux 14 et cette paroi. De plus ces éléments de fixation participent au maintien du corps creux 14 dans ce tronçon 10 selon une position dans laquelle ce corps creux 14 forme avec la paroi de la canalisation 13 de ce tronçon 10 sensiblement un angle droit.. En fonctionnement, la sonde de mesure de température 12 ajustée dans son alésage en doigt de gant notamment en cuivre, se trouve mise en contact thermique intime avec le fluide circulant, tout en étant isolée thermiquement des canalisations qui la supportent par l'intermédiaire du corps creux 14 en tube d'inox très mince. Elle pourra ainsi mesurer au mieux la température du fluide circulant sans être perturbée par les phénomènes thermiques extérieurs. Par rapport à une sonde de température simplement collée sur une canalisation où circule un fluide, la qualité de la mesure de température du fluide circulant est largement meilleure.
En référence à la figure 5, la sonde de mesure de température 12 est agencée dans une extrémité libre 15 étanche dudit corps creux 14. Cette extrémité libre 15 autrement appelée « canon » présente une conductivité thermique importante en étant de préférence en métal bon conducteur de la chaleur, notamment en cuivre.
Lorsque le dispositif de mesure 8a, 8b est monté dans le tronçon 10, le corps creux 14 traverse alors la paroi de canalisation 13 de ce tronçon 10 au niveau d’une ouverture prévue à cet effet réalisée dans cette paroi et ce, de manière à ce qu’une partie de ce corps creux 14 comprenant l’extrémité libre 15 est disposée à l'intérieur de la canalisation 13. Dans cette configuration, le fluide cryogénique 4 circulant dans ce tronçon 10 entre alors en contact avec l’extrémité 15 dans laquelle la sonde 12 est disposée.
On notera que l’agencement de la sonde 12 dans le corps creux 14 permet d’obtenir des mesures très précises de la température du fluide 4 circulant dans la canalisation 13. Ainsi ces dispositifs de mesure 8a, 8b ne se limitent pas à délivrer une mesure de la température d’une paroi de la canalisation comme c’est souvent le cas dans l’état de la technique.
En référence aux figures 2 et 3, une première variante de ce système de détermination 1a du débit massique, comprend le dispositif d’émission 9 d’un flux de chaleur dans le fluide 4 comportant un échangeur 9 notamment un échangeur thermique à faibles pertes de charge pourvu d’une chaufferette électrique 11. Cet échangeur 9 est de préférence agencé dans le tronçon 10 de ce circuit 6 entre lesdits au moins deux dispositifs de mesure 8a, 8b de température. Dans cette configuration, la surface d'échange ailettée 11 de l’échangeur 9 est définie pour être traversée par le fluide cryogénique 4 circulant dans le tronçon 10. Elle transmet au fluide circulant la charge thermique produite par les deux chaufferettes. Les deux dispositifs de mesure 8a, 8b de température permettent de mesurer l'augmentation de température du débit circulant sous l'effet de la puissance thermique connue qu'il reçoit et ainsi de remonter au débit massique.
Le système de détermination 1b du débit massique, comprend dans une deuxième variante représentée sur la figure 4, le dispositif d’émission 16 d’un puise de chaleur dans le fluide 4 comportant un dispositif de marquage thermique 16 du fluide cryogénique 4 circulant dans le tronçon 10 de ce circuit 6. Un tel dispositif de marquage thermique 16 îo comprend un élément d’émission d'un puise thermique dans le fluide cryogénique 4 autrement appelé « générateur de puise ». Le dispositif de marquage 16 comprenant cet élément d’émission est agencé en amont desdits au moins deux dispositifs de mesure 8a, 8b, relativement au sens d'écoulement du fluide 4 ainsi que l’illustrent les flèches référencées 18 sur la figure 4.
En référence à la figure 6, l’invention porte également sur un procédé de détermination du débit massique du fluide cryogénique. Un tel procédé est susceptible d’être mis en œuvre par le système 1a, 1b de détermination du débit massique.
Ce procédé de détermination comprend notamment une étape d’émission 20a, 20b d’un flux de chaleur dans le fluide 4 et une étape de détermination 21 a, 21 b d’un échauffement dudit fluide 4.
Plus précisément dans une première variante de ce procédé mise en œuvre par la première variante du système 1a, l’étape d’émission 20a est réalisée par la chaufferette 11 de l’échangeur 9 qui est traversée par le fluide cryogénique 4 circulant dans le tronçon 10. Lors de cette traversée, la chaufferette transmet, via la surface d'échange 11, un flux de chaleur au fluide 4 selon une puissance thermique prédéfinie, provoquant ainsi un échauffement de ce fluide 4. Dans cette étape 20a, la transmission de ce flux de chaleur correspond à la réalisation d’un dépôt d'énergie dans ce fluide 4 qui est effectuée pendant une durée correspondant sensiblement au temps nécessaire pour réaliser des mesures de températures du fluide
4. La puissance thermique évoquée précédemment et qui est donc relative à ce dépôt d’énergie, est en relation avec la valeur du débit massique à déterminer. En effet, lors de cette étape 20a, le fluide 4 est échauffé localement d’une valeur d’échauffement relative à un intervalle de températures qui est suffisante pour être facile à visualiser et îo permettre alors la réalisation d’une estimation précise de cet échauffement. Dans ce contexte, on notera que la valeur d’échauffement peut être de l'ordre de 1 K.
Par la suite, lors de l’étape de détermination 21a de réchauffement du fluide, les deux dispositifs de mesure 8a, 8b situés de part et d'autre de l'échangeur 9 réalisent alors des mesures de températures de ce fluide.
Ensuite, la première variante de ce procédé prévoit une étape d’évaluation 22a du débit massique à partir d’opérations de calcul réalisées notamment sur la base de réchauffement déterminé. Lors de cette étape 22a, le système de contrôle commande détermine à partir de la puissance thermique prédéfinie et de réchauffement mesuré le débit massique du fluide cryogénique 4 dans le tronçon 10 du circuit 6.
Dans une deuxième variante de ce procédé mise en œuvre par la deuxième variante du système 1b, l’étape d’émission 20b prévoit la réalisation d’un marquage thermique 17 du fluide 4. Plus précisément, ce marquage thermique 17 est réalisé par le dispositif de marquage thermique 16 lors d’une génération et une émission par ce dernier d’un court flux de chaleur notamment durant 0,1 seconde environ, dans le fluide 4 autrement appelé « puise thermique >>. L’émission de ce flux de chaleur correspond à la réalisation d’un dépôt d'énergie dans ce fluide 4 qui est effectué sur une durée courte, plus précisément sur une durée qui est de préférence aussi courte que possible en étant par exemple comprise entre 50 et 100ms. Cette émission très courte d'un flux de chaleur dans le fluide 4 va engendrer un échauffement localisé d’une tranche de ce fluide 4 qui correspond au marquage thermique 17 de ce fluide 4. On notera que ce marquage thermique 17 de ce fluide est résorbé par une diffusion lente de réchauffement par la suite dans l’ensemble du fluide 4. La disparition de ce marquage thermique 17 îo résultant de cette diffusion, intervient à l’échéance d’une durée comprise entre 30 et 120 secondes en fonction de l'énergie déposée, et de préférence 120 secondes à compter de la fin de l’émission du flux de chaleur pulsée.
Par la suite, lors de l’étape de détermination 21b de réchauffement du fluide, ce marquage thermique 17 est détecté par les dispositifs de mesure 8a, 8b et ce, par la réalisation de mesures de pics de température. Ces mesures sont ensuite transmises au système de contrôle-commande et de traitement des données du dispositif. Dans le cadre de cette étape 21b, celui-ci détermine aussi le temps de parcours de ce marquage thermique 17 du fluide 4 entre les deux dispositifs de mesure 8a, 8b et en déduit la vitesse V relative à ce marquage 17 en fonction de la distance D définie entre ces deux dispositifs de mesure 8a, 8b.
Cette deuxième variante du procédé comprend ensuite une étape d’évaluation 22b du débit massique qm à partir d’opérations de calcul réalisées notamment sur la base de la géométrie du tronçon de circuit 10 considéré, notamment de son diamètre et/ou de sa longueur. Lors de cette étape 22b, l’unité 7 met en œuvre l’équation suivante :
Qm = (d X Pref) X 4v ’ aVeC :
- qm, le débit massique du fluide cryogénique 4 ;
- d, la densité du fluide cryogénique déterminée à partir de la température et de la pression du fluide cryogénique 4 ;
Prêt, la masse volumique du corps de référence, ici celle de l'eau pure à 4 °C ;
- qv, le débit volumique du fluide cryogénique 4 déterminé à partir de l’équation qv = V x kR2, avec V la vitesse du fluide et R le rayon de îo la canalisation 13 sur ce tronçon 10 en considérant que cette dernière a une section circulaire.
On notera que cette deuxième variante du procédé est particulièrement adaptée pour la détermination du débit massique du fluide cryogénique 4 circulant dans cette canalisation 13 avec une vitesse d’écoulement de quelques centimètres à quelques dizaines de centimètres par seconde.
Ainsi l’invention contribue à améliorer le fonctionnement de l’installation cryogénique 2 à des températures cryogéniques inférieures à 120 K, préférentiellement inférieures à 20K, notamment en mettant en œuvre une utilisation innovante du système de détermination 1a, 1b du débit massique du fluide cryogénique 4 circulant dans le circuit 6 de cette installation 2, ne requérant pas de modifier la température du fluide 4 afin de déterminer le débit massique de ce dernier.
Claims (18)
- REVENDICATIONS1. Système de détermination (1a, 1b) d’un débit massique d’un fluide cryogénique (4) circulant dans un circuit (6) d’une installation cryogénique (2), le système de détermination (1a, 1b) comprenant au moins deux dispositifs de mesure de température (8a, 8b) du fluide cryogénique (4) ainsi qu’un dispositif d’émission d’un flux de chaleur (9, 16) dans ce fluide (4), lesdits au moins deux dispositifs de mesure (8a, 8b) étant structurellement définis pour un montage en doigt de gant dans un tronçon (10) prédéfini du circuit (6).
- 2. Système de détermination (1a, 1b) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lesdits au moins deux dispositifs de mesure (8a, 8b) de température comprennent chacun un corps creux (14) de type doigt de gant contribuant au montage du dispositif de mesure (8a, 8b) correspondant dans le tronçon (10) du circuit (6).
- 3. Système de détermination (1a, 1b) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le corps creux (14) comprend une enceinte étanche (19) dans laquelle est agencée une sonde de mesure de température (12).
- 4. Système de détermination (1a, 1b) selon l’une quelconque des revendications 2 et 3, caractérisé en ce qu’une sonde de mesure de température (12) est disposée dans une extrémité libre (15) dudit corps creux (14), ladite extrémité (15) étant définie pour être agencée à l’intérieur d’une canalisation (13) du tronçon (10) de manière à ce que le fluide cryogénique (4) puisse circuler au contact de cette extrémité (15).
- 5. Système de détermination (1a, 1b) selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu’une extrémité libre (15) dudit corps creux (14) est métallique.
- 6. Système de détermination (1a, 1b) selon l’une quelconque5 des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que le corps creux (14) a une forme tubulaire.
- 7. Système de détermination (1a, 1b) selon l’une quelconque des revendications 2 à 6, caractérisé en ce que le corps creux (14) îo comprend des éléments de fixation permettant de lier mécaniquement ce corps creux (14) à une paroi d’une canalisation (13) de ce tronçon (10) du circuit (6).
- 8. Système de détermination (1a, 1b) selon la revendication15 précédente, caractérisé en ce que les éléments de fixation réalisent une liaison mécanique étanche entre le corps creux (14) et la paroi et/ou présentent une conductivité thermique faible.
- 9. Système de détermination (1a) selon l’une quelconque des20 revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif d’émission (9) est agencé entre lesdits au moins deux dispositifs de mesure de température (8a, 8b) de ce fluide cryogénique (4).
- 10.Système de détermination (1a) selon l’une quelconque des25 revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le dispositif d’émission (9) comporte un échangeur (9) notamment un échangeur thermique à faibles pertes de charge comprenant une chaufferette électrique (11).
- 11.Système de détermination (1b) selon l’une quelconque des30 revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le dispositif d’émission (16) d’un flux de chaleur dans le fluide (4) est agencé en amont desdits au moins deux dispositifs de mesure (8a, 8b) de température de ce fluide cryogénique (4) relativement au sens de circulation (18) du fluide (4) dans le tronçon (10).
- 12.Système de détermination (1b) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8 et 11, caractérisé en ce que le dispositif d’émission (16) comporte un dispositif de marquage thermique (16) du fluide cryogénique (4) circulant dans le tronçon 10 de ce circuit 6.
- 13. Système de détermination (1b) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le dispositif de marquage thermique (16) comprend un élément d’émission d'un puise thermique de courte durée dans le fluide cryogénique (4).
- 14.Système de détermination (1a, 1b) selon l’une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu’il comprend une unité de contrôle connectée aux dits au moins deux dispositifs de mesure (8a, 8b) ainsi qu’au dispositif d’émission (9, 16).
- 15. Installation cryogénique (2) pour un refroidissement d’un élément (3) présentant une charge thermique comprenant un circulateur (2) assurant une circulation d’un fluide cryogénique (4) dans un circuit (6) de cette installation cryogénique (2) depuis et vers ledit élément (3) ainsi25 qu’un système de détermination (1a, 1b) d’un débit massique dudit fluide cryogénique (4) selon l’une quelconque des revendications précédentes.
- 16. Installation cryogénique (2) 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 contrôle.
- 17. Procédé de détermination d’un débit massique d’un fluide cryogénique (4) circulant dans un circuit (6) d’une installation cryogénique (2) mis en œuvre par le système de détermination (1a, 1b)5 selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, le procédé comprenant une étape d’émission (20a, 20b) d’un flux de chaleur dans le fluide (4) et une étape de détermination (21a, 21b) d’un échauffement dudit fluide (4).îo
- 18. Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comprend une étape d’évaluation (22a, 22b) du débit massique à partir d’opérations de calcul réalisées notamment sur la base de réchauffement déterminé.1/2
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| LAKE SHORE CRYOTRONICS: "cryogenic Temperature Probes (thermowells) - catalogue extract", WWW.LAKESHORE.COM, 12 November 2016 (2016-11-12), XP055433092, Retrieved from the Internet <URL:https://web.archive.org/web/20161112031637/http://www.lakeshore.com/Documents/LSTC_TempProbes.pdf> [retrieved on 20171207] * |
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